CC BY
20
| УДК 621.365.3
МЕТОДЫ ВЫРАВНИВАНИЯ '< ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ТОКОВЕДУЩИХ ПРОВОДНИКАХ ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ
Яр
'';; А.И. Алиферов
| Новосибирский государственный технический ' " университет §Ц Т.В. Хацевская
, ' Павлодарский государственный университет % им. С.Торайгырова
ЩШ MaKfiuiada металдан жасалган еркш конфигурациялы токжеттзгш
' буйымдардыц температуральщ epicmepm тецдеспиру adicrnepinihj классификациям жасалып, цалыцдыгы apmypni жылу оцшаулагыштармен Щ | маги и т в ттзгш t т ерд i пайдаланудыц те цд ест ¡руге ьщпалы жвншде тэж1рибел1к жолмен алынган depeKmi нэтижелер келт1р1лген.
ШШ
В статье представлена классификация методов выравнивания 1111 температурного поля в токоведущих металлических изделиях произвольной яш конфигурации и приведены результаты исследований выравнивающего ШШ. эффекта с помощью разнотолщинной теплоизоляции и магнитопроводов.
The article presents the classification of the methods of levelling of the §|i tetnperature field in current-directing conducting metal pieces of arbitrary configuration. The results of the research of the levelling effect with the help of ШШ heat insulation of various thickness and magnetic circuits are given in this paper.
1. Классификация методов выравнивания температурного поля
Способы выравнивания температурного поля по сечению токо-ведущих проводников условно можно подразделить на две группы (рис.1). Первая - обеспечивается изменением режима теплообмена на поверхности проводника; вторая -перераспределением внутренних ис-
точников теплоты в поперечном сечении проводника. Методы первой группы могут выполняться по двум направлениям. Во-первых, путем изменения конвективного или радиационного теплового потока. Во-вторых, изменением типа граничных условий, когда нагреваемое из-
Рис Л. Классификация методов выравнивания температурного поля
делие (токоведущий проводник) покрыто тепловой изоляцией. Воздействовать на конвективный тепловой поток с поверхности изделия можно путем пространственного расположения изделия. При этом на поверхности изделия формируется неравномерный по периметру тепловой поток за счет переменного по периметру коэффициента теплоотдачи. Метод пространственного расположения может использоваться для узкого диапазона геометрических параметров нагреваемой заготовки (при углах G < 7г/8 и значениях R2¡R0 < 0,075). Радиационный тепловой поток на поверхности изделия можно изменять при помощи: 1) стационарного теплового экрана; 2) экрана, подогреваемого от другого источника электропитания; 3) механически перемещаемого экрана в плоскости нагреваемой заготовки. При нагреве прямолинейных изделий для выравнивания температуры по сечению применяются тепловые экраны, охватывающие всю боковую поверхность нагреваемых заготовок. Их использование уменьшает температурные перепады по сечению заготовок и повышает тепловой КПД. Так, при применении одного экрана уменьшается температурный перепад в 1,2н-1,5 раза, а тепловой КПД для скоростей нагрева 1ч-5°С/с увеличивается с 40% без экрана до 50% с тепловым экраном.
Второе направление первой группы способов выравнивания -это применение равномерной или неравномерной (разной толщины)
тепловой изоляции. Равномерная изоляция применяется для выравнивания температурных перепадов в прямолинейных изделиях, разнотол-щинная - в криволинейных. Экспериментальные данные показывают эффективность ее применения при малых скоростях нагрева криволинейных изделий (~ 0.1ч-Г С/с). Тепловой КПД при скорости нагрева 0,2° С/с удается повысить с 40% при нагреве без изоляции до 60% - с такой изоляцией [1].
Вторая группа методов выравнивания температурных перепадов основана на регулируемом перераспределении внутренних источников с помощью поверхностного эффекта, эффекта близости, эффекта паза или наложением внешнего электромагнитного поля.
При скоростном нагреве ферромагнитных цилиндрических прямолинейных заготовок (скорости нагрева более 10° С/с) эффективно выравнивание температурного поля с помощью регулируемого источника питания с постоянной частью тока: основная энергия для нагрева выделялась в изделии на постоянной части тока, а энергия переменной тратилась на выравнивание температурного перепада по сечению.
Эффект близости можно применять для выравнивания температурных перепадов по ширине плоских токоведущих проводников. Выполненные исследования показали его высокие технические показатели. Эффект близости можно применять также для криволинейных проводников только при малых углах в, когда кольцевой эффект и эффект
близости количественно соизмеримы [2].
С помощью применения эффекта паза (рис. 2) можно компенсировать кольцевой эффект на промышленной и повышенной частоте.
Метод, использующий нало-
жение внешнего электромагнитного поля [3], также является перспективным вариантом выравнивания температуры. Однако его применение требует разработки специальной конструкции магнитопроводов.
Рис.2. Схема экспериментальной установки
При применении методов, верхности изделия, повышающая
перераспределяющих внутренние тепловой КПД с 30-^-40 %
источники, используется равномер- до 60+80 %. ная теплоизоляция на наружной по-
2. Исследование выравнивающего эффекта при разнотолщинной тепловой изоляции
На рис. 3 представлено взаиморасположение нагреваемого изделия и разнотолщинной тепловой изоляции.
Выравнивающий эффект такой теплоизоляции исследовался на одномерной тепловой модели, включающей нестационарное уравнение теплопроводности
эт э-т
— = а^ —
Эх эя
с граничными условиями
= а2^Т (1)-
2(ЖЛ2 ~Чп2;
-А.-
дТ
В уравнении (1) приняты сле-
р> =анар(р)-(Т3-Т0) Дующие обозначения
Чп(Р)=01-Рр
Ж/ 143 р
и начальным условием Тх^0 -Т.
¿ИК.2 ¡^
длины изделия, Вт/м; Сср и у—сред-
Р1 =Сср-у7С
/ 2 2 \ Ткн — Т0 няя за период нагрева удельная теп-~ / Г" лоемкость и плотность материала
нагреваемого изделия, Дж1(кг-град) £>г мощность внутренних и кг/л*3; Ткн— конечная температура источников на единице длины на- нагрева тела за время тн,°С. греваемого изделия, Вт/м; РГ мощ- Для ферромагнитных изделий ность, требуемая на нагрев единицы
ду(р,т2)- = 2*
' I
2тгЯ
(0,68)2
1)
Ч5е У
р(т2)-к2(р).
1
V У
2 Л
+ -
К,
3 1,4571 1,457-5
е У
Ъи
я,
Л2
1,457-5,
е У
+
1
2 ( 1 _ [41
1§е У 1 V V ^"2 у У
4 (1,457)2
Для немагнитных изделий:
<ШТ2)= = 2тс
271Я7
2У
1«с
|-р(т)-к2(р).
1-ехр
-2
е V
Я] я
УЛ
2)
УУ
Введем координату Х~К ние температуры по сечению слоя
изменяющуюся в пределах 0<_Х<_Я, теплоизоляции может быть пред-где Я=Л3(/?) - Я2, тогда распределе- ставлено в виде [4]
Рис. 3. Взаиморасположение нагреваемого изделия и разнотолщинной тепловой изоляции
X 1 00 0 = 1- — + — -ТАП-Сс^ Н В1 ¿1 п ^
Ип
где
0:
р0:
Мт2-т0)
Чп2-Н ; " Н2 ;
д = 4п + В12)
В1
а
на:
Р(Р)
к.
■н
Здесь © - модифицированная безразмерная температура; Ро - критерий Фурье; Ап—коэффициент, зависящий от критерия Био В1 и параметра ¿ип]
анар((3)
Хп
2(Я2 + Н(р))
^и((3)_
локальный коэффициент теплоотдачи конвекцией с наружной поверхности [5], Вт1(м2-град)-, Т2—температура нагреваемого тела, °С\ТК — температура наружной поверхности
тепловой изоляции, °С; Н(р)—толщина тепловой изоляции в точке поверхности изделия, определяемой координатой Д м\ Л7—коэффициент теплопроводности материала тепловой изоляции, Вт/(м-град); Т2 — температура поверхности нагреваемого изделия, средняя за температурный интервал, °С.
В силу того, что решение уравнения получено для постоянных значений коэффициентов, которые зависят от температуры, применение разработанной аналитической модели для исследования нестационарного процесса нагрева криволинейных изделий требует поинтерваль-ного метода расчета.
3. Выравнивание температурного поля с помощью механически перемещаемых магнитопроводов
Сравнение эксперименталь- Исследования проводились
ных и расчетных зависимостей по- на изогнутых ферромагнитных тру-
казало хорошее их соответствие тех- бах (1) диаметром 0,16 м, длиной де-
нологическим параметрам: макси- формированной части до 3 л« и уг-
мальному температурному перепаду лом изгиба до 90° (рис.2), подклю-
и требуемой скорости нагрева. чаемых с помощью токопровода (2)
*
е 0,8 0,6 0,4 0,2
0 2 4 6 Го
На рис.4, представлены расчетные и экспериментальные временные зависимости максимального температурного перепада. Исследовался нагрев труб из хромонике-левой стали, имеющий наружный диаметр й{ = 0,12 м, угол изгиба до (7=я/2 рад и радиус изгиба 7?0 = 0,64 м. В качестве тепловой изоляции использовался слой муллитокрем-неземистого войлока, армированного тканью КТ-11. В результате расчета получен профиль теплоизоляции, имеющий максимальную толщину Н — 15-10"3 м с координатой /3-0, плавно переходящую в максимальное значение Н = 40-10"3 м при /?= ярад.
Рис. 4. Зависимость температуры от времени в экстремальных точках поверхности криволинейного изделия
и контактного узла (3) к параметрическому источнику тока (4). Вдоль наружной поверхности исследуемого изделия располагалась равномерная тепловая изоляция (5). Расших-тованный П-образный магнитопро-вод (6) устанавливался в среднем сечении изгиба трубы.
Исследовались зависимости
А Ц\21 ~ ~ ЧVI (разности мощности внутренних источников тепла) и А Т21 -Т2-Т, (перепада температуры) между точками 2 и 1. Измерения
дг выполнялись в соответствии с [6]. Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием метода планирования эксперимента [7]. Геометрические параметры маг-нитопровода изменялись в пределах
а Ь
— = 0,15 + оо и — = 0,2 + оо. Нагрев й й
проводился до средней температуры изделия 750°°С на промышленной частоте при токе 6,5 кА.
Получены следующие зависимости:
ЛТ2! =27,28 + 14,89 -
1,61
Л-1.33
15,68
+
0,718|
■ч 1 ,61
и.
Л-1,33
(3)
ЛЧу
21
0,587 +
/ \ 0,75
' а4
Vй
-0,538
■1,3
+ 0,0567
Г \0,75
'а4
'Ь
а
-1,3
Ю6, Вт!м\ (4)
Соответствие полученных регрессионных уравнений и данных эксперимента проиллюстрировано на рис.5 и рис.6. Различия между экспериментальными значениями и расчетными по (3) и (4) не превышают 10%, что позволяет рекомендовать данные уравнения для использования в инженерной практике.
Проведенные исследования показали, что применение устройств с изменяемыми магнитными свойствами позволяет при электроконтактном нагреве на переменном токе за счет перераспределения мощности внутренних источников тепла управлять картиной температурного поля в нагреваемом изделии.
4. Выводы
1. Предложена классификация методов выравнивания температурного поля в поперечном сечении
нагреваемых изделии произвольной конфигурации при электроконтактном нагреве.
2. Вариантные расчеты показали высокую технологическую и энергетическую эффективность раз-
нотолщиннои тепловой изоляции при электроконтактном нагреве криволинейных трубчатых изделий.
3. Зависимости (3) и (4) позволяют выбирать геометрические параметры магнитопроводов, применяемых при электроконтактном нагреве для выравнивания температурного поля по сечению криволи-
Рис. 5. Зависимость температурного перепада ЛТ21 от положения стержней магнитопровода: 1 - а/й = 1,0; 2 - а^ = 0,5; 3 - я^А = 0,15
лг^ёт
о -1--2 -3-
0,1
1-a/d=0,15
2-a/d=Q, 5
3-a/d=1,0
нейных трубчатых изделий.
Рис. 6. Зависимость разности мощностей AqvZJ от соотношений a/d и b/d
ЛИТЕРАТУРА
1. Алиферов А.И. Эффективность применения разнотолщинной тепловой изоляции при электроконтактном нагреве криволинейных изделий // Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр.: - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. -№3. - с. 127 - 132.
2. А. с. 1735387 СССР. Способ электроконтактного нагрева криволинейного участка трубчатых изделий / Алиферов A.Pl., Сельский C.B., Свенчанский А.Д.,
Кувалдин А.Б. // Открытия. Изобретения, - 1992. - №19.
3. Foster, J.E. Welding system
with welding current scanning. USA Patent №3042788, 1962.
4. Лыков A.B. Теория теплопроводности. - M.: Высшая школа, 1967.
5. Малинин В.Г. О влиянии числа Прандтля на развитие течения и теплообмена при свободной конвекции около горизонтального цилиндра // Тр. Моск. лес.-техн.ин-та.-М., 1977.-Вып. 97.-С.138-140
6. Сисоян Г. А. Электрическая дуга в электрической печи. - М.: Ме-таллургиздат, 1961.
7. Ивоботенко Г.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. - М.: Энергия, 1975.
