Разработка методик расчета, конструкции и режимов работы индукционно-резистивных нагревательных устройств со стержневыми индукторами

• Автор: Дианов, Андрей Игоревич
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

Глава 1. Анализ систем обогрева емкостей и методов их расчета

1.1 .Постановка задачи

1.2.Способы обогрева емкостей для хранения жидкостей

1.3.Анализ факторов, влияющих на процесс индукционного нагрева, и работ по расчету и применению стержневых индукторов

1.4.Анализ методов расчета

1 .б.Задачи, решаемые в диссертации

Глава 2. Разработка математической модели и исследование электрических и энергетических характеристик нагревательных устройств со стержневыми индукторами

2.1. Постановка задачи

2.2. Методика моделирования с помощью пакета Е1сШ

2.3. Исследование влияния зазора

2.4. Определение оптимальных размеров индуктора

2.5. Исследование влияния частоты
2.6. Оценка влияния магнитопровода и его геометрических размеров
2.7. Экспериментальные исследования электрических и энергетических характеристик стержневого индуктора. Проверка адекватности использованной математической модели
2.8. Выводы по главе
Глава 3. Разработка математической модели и исследование элек-тротепловых характеристик нагревательных устройств со стержневыми индукторами
3.1. Постановка задачи
3.2. Методика моделирования электротепловой задачи с помощью пакета Е1сШ

3.3. Исследование влияния частоты
3.4. Исследование влияния шага укладки индуктора
3.5. Исследование нагрева, осуществляемого с помощью индукционно - резистивного нагрева при разном коэффициенте теплопроводности зазора
3.6. Исследование влияния толщины теплоизоляции
3.7. Расчет нагрева емкости для воды
3.8. Исследование влияния теплофизических свойств жидкостей
3.9. Экспериментальные исследования тепловых характеристик стержневого индуктора. Проверка адекватности разработанной математической модели
3.10. Выводы по главе
Глава 4. Разработка инженерной методики расчета устройств 87 обогрева емкостей. Рекомендации по их проектированию
4.1. Постановка задачи
4.2. Разработка программы инженерного расчета электрических характеристик устройства
4.3. Разработка программы инженерного расчета тепловых характеристик устройства
4.4. Системы питания и управления
4.5. Рекомендации по проектированию устройства
4.6. Крепление нагревателя к стенке емкости
4.7. Пример расчета системы обогрева
4.8. Выводы по главе
Заключение
Литература
В настоящее время индукционные установки находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства благодаря своим высоким энергетическим и технологическим показателям [1, 2, 3]. Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами нагрева: отсутствие контакта между индуктором и нагреваемым изделием; высокая скорость нагрева; высокие тепловой и электрический КПД; простота управления и возможность полной автоматизации процесса нагрева. При индукционном нагреве достигаются высокие значения удельной поверхностной мощности, что сокращает время нагрева и повышает производительность. Замена устаревших методов нагрева более прогрессивным индукционным позволила значительно увеличить объем продукции и снизить затраты труда на нагрев, а также улучшить качество обрабатываемого изделия.
В современной промышленности приходиться сталкиваться с такой проблемой, как загустение (увеличение вязкости) различных жидкостей, хранящихся в емкостях, что влечет за собой снижение скорости или вообще остановку транспортировки (перекачки) жидкостей. Для решения этой проблемы следует подогревать емкости с целью стабилизации температуры (компенсации тепловых потерь).
Одним из перспективных направлений применения индукционного и индукционно — резистивного нагрева является нагрев и компенсация тепловых потерь емкостей для хранения различных жидкостей, трубопроводов, обогрева валков и т.п. До настоящего времени обогрев емкостей происходил с помощью парового нагрева; нагревательных кабелей, которые укладывались на поверхность резервуара; нагревателей сопротивления, опущенных в резервуар.
По результатам обзора выявлено, что традиционные устройства обогрева не позволяют осуществлять равномерный нагрев - это является их недостатком. При использовании нагревательного кабеля возникает перегрев в местах его прокладки. Для возможности осуществления равномерного нагрева и достиже-

Р2а, Вт/м
Рис. 2.10. Зависимость мощности, выделяющейся в стенке, от тока, индуктора при зазоре 5 мм и частотах: 1 -0,05; 2- 0,5; 3—1; 4-2,4;
5-4; 6-8 кГц
Расчеты производились на частотах/= 0,05; 0,5; 1; 2,4; 4 и 8 кГц. При этом использовались два зазора между индуктором и стенкой емкости 0,5 мм и 5 мм. На рис. 2.10, 2.11 изображены зависимости мощности, выделяющейся в стенке, от тока, проходящего по индуктору.
Из этих графиков видно, что при повышении частоты мощность увеличивается.
После анализа характеристик можно сделать вывод о неэффективности использования промышленной частоты (0,05 кГц). В то же самое время применение средних частот позволяют достичь достаточных мощностей, необходимых для эффективного обогрева емкостей с жидкостями.
2.6. Оценка влияния магнитопровода и его геометрических размеров
Для определения зависимости основных характеристик от толщины магнитопровода проведем сравнение результатов, получившихся в пяти различных