CC BY
182
3. Готвянский В.В. Типовые технологические карты на установку свободностоящих портальных промежуточных опор типа ПБ 330-7Н, ПБ 500-5Н и ПБ 500-7Н и модификации базовой конструкции // Воздушные линии. 2011. N° 3 (4). С 16-18.
4. Дубина А.А. Новые конструкции полимерных стоек для опор ВЛ в РФ и У краине // Воздушные линии. 2011. № 3 (4). С 27-31.
5. Техника высоких напряжений: учебник для вузов / И.М.Богатенков, Ю.Н.Бочаров, Н.И.Гумерова, Г.М.Иманов и др.; под ред. Г.С.Кучинского. Спб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 2003.
6. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / РД 153-34.3-35.125-99. СПб.: Изд. ПЭИПК, 1999.
Сведения об авторах
Бочаров Юрий Николаевич,
профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н.
Россия, 194251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29
Жук Владислав Викторович,
студент 6-го курса Санкт-Петербургского государственного политехнического университета
Россия, 194251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29
Тел. +7 (905) 218-43-32, эл. почта: keep1988@gmail.com
УДК 621.365
Н.Н.Клочкова, А.В.Обухова, А.Н.Проценко
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХЧАСТОТНОЙ ПРОХОДНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ELCUT
Аннотация
Описана численная модель индукционной установки непрерывного действия и методика расчета процесса двухчастотного нагрева стальных цилиндрических заготовок средствами конечно-элементной программы ELCUT. Представлены некоторые результаты численного моделирования.
Ключевые слова:
индукционный нагрев, двухчастотный, численное моделирование, перемещение, специальная методика, температурное распределение, программный продукт.
N.N.Klochkova, A.V.Obukhova, A.N.Protsenko MODELING DUAL INDUCTION HEATING UNITS PASS BY MEANS OF THE SOFTWARE PRODUCT ELCUT
Abstract
The numerical model of an induction installation of continuous process and method of calculating the two-frequency heating of a cylindrical steel billets-ray by means of finite element programs ELCUT are discussed. Some results of numerical modeling are presented.
Keywords:
induction heating, dual frequency, numerical simulation, displacementation, special technique, temperature distribution, software.
Введение. Проектирование современных сложных технических систем невозможно без использования средств вычислительной техники. Индукционные нагревательные установки (ИНУ), несомненно, относятся к сложным техническим системам, во-первых, из-за сложности конструкции и, во-вторых, из-за сложности взаимосвязанных процессов, протекающих в установке во время нагрева.
Электромагнитные и тепловые взаимосвязанные процессы, протекающие в индукционной нагревательной установке во время нагрева, описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Исследование таких систем возможно только численными методами, и это еще одна причина необходимости использования вычислительной техники при проектировании ИНУ. При исследовании индукционного нагрева традиционно используется метод конечных элементов (МКЭ) [1]. Можно смело утверждать, что все современные программные продукты, такие, например, как ANSYS, Cedrat Flux, Maxwell, Femlab, ELCUT, предоставляют возможность реализации МКЭ для расчета полей различной природы. Окончательный выбор программного продукта определяется наличием или доступностью самой программы и наличием вычислительной техники, достаточной для использования выбранной программы мощности. Ограничения обусловлены высокой стоимостью программ (ANSYS, Cedrat Flux), а так же повышенными требованиями к производительности компьютера со стороны конечно-элементных пакетов программ.
Численное моделирование ИНУ в программе ELCUT. Как известно, при нагреве стали выше точки Кюри (около 800°С) она теряет магнитные свойства. По этой причине резко снижается эффективность нагрева индукционным способом. Для поддержания эффективности нагрева на прежнем уровне необходимо повысить частоту питающего тока. Для этой цели индуктор изготавливается из двух секций, работающих на разных частотах. Нагрев до точки Кюри происходит на низкой частоте. Чаще всего это промышленная частота 50Гц. Дальнейший нагрев происходит на повышенной частоте. В нашем случае это 100Гц. В настоящей работе исследована возможность моделирования процесса индукционного нагрева на двух частотах.
Исследования проводились с помощью программного продукта ELCUT - одной из наиболее доступных программ для расчета электромагнитных тепловых полей в сочетании с ЭВМ средней мощности, широко распространенной среди аспирантов и молодых ученых.
Исследовалась проходная ИНУ для нагрева цилиндрических стальных заготовок.
Основные параметры:
диаметр заготовки 120 мм;
длина заготовки 300 мм;
производительность 2000 кГ/час;
теплофизические свойства стали:
• теплоемкость с, дж/(кг°с) 650,
• теплопроводность X, Вт/м°с 30,
• плотность р0 , кг/м3 7.8i03;
• удельное сопротивление р0, Ом м (при t = 650°C) 6 i0-7; мощность установки до 1000 кВт.
температурный режим нагрева:
• нагрев от 20 до 8б0°С на частоте 50 Гц,
• нагрев от 860 до 1180°С на частоте 1000 Гц.
Электрическим расчетом определены следующие параметры ИНУ [2]: темп выдачи 48 с; время нагрева 528 с:
• на частоте 50 Гц - 144 с,
• на частоте 1000 Гц - 384 с; число заготовок в индукторе 11 ; длина столба заготовок 3.3 м;
число заготовок на первом этапе нагрева 3 шт.; число заготовок на втором этапе нагрева 8 шт.; внутренний диаметр индуктора 1б см; длина первой секции (50 Гц) 112 мм; число витков первой секции 43; размер трубки индуктирующего провода 2 см; длина второй секции (1000 Гц) 262 мм; число витков второй секции 63; размер трубки индуктирующего провода 3.5 см.
В программе ELCUT была построена геометрическая модель для двухмерной осесимметричной задачи. Часть геометрической модели и сетка конечных элементов изображена на рис. i.
Рис.1. Геометрическая модель задачи с сеткой конечных элементов
Параметры сетки - 221 блок, 35537 узлов. В качестве граничных приняты следующие условия.
Для электромагнитной задачи:
• граница расчетной области - нулевой магнитный потенциал А=0;
• ось симметрии - нулевой нормальный магнитный поток В„=0, условие симметрии.
Для тепловой задачи:
• граница расчетной области Т0 = 293К;
• ось симметрии - нулевой нормальный тепловой поток Fn=0, условие симметрии;
• теплообмен на цилиндрической поверхности заготовки
Б=а(Т-То)=5(Т-293) Вт/Км2.
Программа БЬСИТ позволяет решать задачи нескольких разных типов:
• магнитное поле переменных токов,
• нестационарное магнитное поле,
• температурное поле,
• нестационарная теплопередача.
Задачу нестационарной теплопередачи, в принципе, необходимо рассматривать как нелинейную, так как теплоемкость и теплопроводность металла зависят от температуры. При решении электромагнитной задачи также следует учитывать нелинейную зависимость магнитных свойств металла от напряженности магнитного поля и температуры [3].
В программном пакете БЬСИТ зависимости физических свойств стали от температуры задавались в виде таблиц (рисунки 2, 3).
Редактирование кривой
—
В(Н] Кривая для метки: 3
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6
ПП ' . . . . . . '
Крупнее
В (Тл)
Н (А/м)
0 0
0.5 400
0.8 682
1 920
1.2 1290
1.3 1590
1.4 2090
1.5 2890
1.6 4100
1.7 5750
6000 Н (А/м)
Закрыть | Справка |
Рис.2. Кривая намагничивания литьевой стали
б
а
Рис.3. Зависимость теплофизических свойств стали от температуры:
а - теплопроводность X - линейная функция от Т(К); б - теплоемкость; с - линейная функция от Т(К)
Моделирование проходной ИНУ предполагает совместное решение электромагнитной и тепловой задач. Для таких случаев в программе БЬСЦТ предусмотрена связь задач. Полученная таким образом модель не учитывает нелинейность электромагнитных свойств нагреваемого металла. Программа БЬСИТ не позволяет также моделировать перемещение заготовок в процессе нагрева. Для преодоления этой проблемы была использована специальная методика (рис.4).
Рис. 4. Схема выполнения связанных расчетов
Последовательно решались две связанные задачи. Первая задача - нагрев до точки Кюри на частоте 50 Гц. Вторая задача - нагрев выше точки Кюри на частоте 1000 Гц. Такой подход позволяет приближенно моделировать перемещение в высокочастотную секцию заготовки, нагретой до точки Кюри в секции с частотой тока 50 Гц.
Такая последовательность решения продиктована следующими соображениями. Продолжительность нагрева на низкочастотном этапе составляет 144 с (число заготовок на первом этапе нагрева * темп выдачи), соответственно второй - высокочастотный - этап нагрева длится 384 с. Движение или неподвижность заготовки в течение этого времени не оказывает никакого влияния на конечное распределение температуры по объему заготовки, так как, пока заготовка находится в пределах одной секции, условия нагрева не меняются. Изменение условий нагрева происходит только в момент перехода заготовки в высокочастотную секцию. Таким образом, окончательно сформированное в конце нагрева температурное поле не зависит от того, каким способом оно формировалось в процессе движения заготовки из низкочастотной секции в высокочастотную или в процессе нагрева неподвижной заготовки с переключением индуктора с низкой частоты на высокую. В настоящей работе представлена модель переключения индуктора с низкой частоты на высокую.
Результаты численного моделирования представлены на рисунках 5-7 для заготовок, расположенных в зоне соседства секций с разными частотами.
а
б
■ ■ ■ ■
■ У ■
. / .
■ ! И
: | и
і
^ , 1 , Им)
0.00
0.02
0.04
0.06
А
, . ■ Им)
Рис. 5. Распределение плотности тока по радиусу заготовки: а - на частоте 50 Гц; б - на частоте 1000 Гц
а б
Р Вт __Ш_
=тВ
Рис. 6. Мощность тепловыделения в слоях заготовки, толщина слоев 1 см: а - на частоте 50 Гц; б - на частоте 1000 Гц
а б
Температура (К)
1220 1200 1180
У
1140 1120 1100 /
/
/
/
1060 1040
1000 980
I (м)
Рис. 7. Распределение температуры по радиусу заготовки в конце нагрева: а - на частоте 50 Гц; б - на частоте 1000 Гц
1. Получена численная модель проходной индукционной нагревательной установки методического действия для нагрева стальных цилиндрических заготовок.
2. Разработана специальная методика, основанная на методе конечных элементов для расчета двухчастотного режима нагрева.
3. Представлены результаты численного эксперимента.
4. Продемонстрирована возможность использования предлагаемой методики для решения задач проектирования сложных индукционных нагревательных установок.
Литература
1. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 270 с.
2. Слухоцкий А.Е. Индуктор / под ред. А.Н.Шамова. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989. 69 с.
3. Немков В.С., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.
Сведения об авторах Клочкова Наталья Николаевна,
доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет, к.т.н.
Россия, 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская, д.244, Главный корпус.
Факс: 278-44-00, эл. почта: cpp@samgtu.ru
Обухова Алла Васильевна,
доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет, к.т.н.
Россия, 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская, д.244, Главный корпус.
Факс: 278-44-00, эл. почта: cpp@samgtu.ru
Проценко Александр Николаевич,
доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет, к.т.н.
Россия, 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская, д.244, Главный корпус.
Факс: 278-44-00, эл. почта: epp@samgtu.ru
