CC BY
4UDC 321.312.313
THE MODELING OF THE ELECTROMAGNETIC AND HEAT PROCESSES IN THE HEATGENERATING PUMPING ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS
Konstantin KIM, Doctor of Technical Sciences, Professor
Corresponding Member of the Electrical Science Academy of the Russian Federation, Member of the IEEE,
Head of the Department «Electrical and Heat Power Engineering»,
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Petersburg State Transport University, 9, Moscowsky pr., Saint - Petersburg, 190031, Russian Federation Sergey IVANOV, D.Sc. in Engineering,
Professor of the Department «Electromechanics» Komsomolsk-on-Amur state university, Far Eastern Federal District, Khabarovsk territory, Komsomolsk-on-Amur, Lenin Prospect, 27, 681013, Russian Federation Marat KHISMATULIN,
Post Graduate Student of the Department «Electrical and Heat Power Engineering»,
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Petersburg State Transport University,
9, Moscowsky pr., Saint - Petersburg, 190031, Russian Federation
Abstract. Improving the efficiency of energy devices is one of the pressing problems affecting most industry and transport. One of the main goals of modernization and further development of industrial complex sectors of the Russian Federation in the light of resource and energy conservation is to reduce energy costs at all stages of production of various products. The decrease in the final selling price of finished products is connected with the using of the innovative technical devices which include electrical pumping devices based on heat-generating electromechanical energy converters (HGEC). We give a description of the basic design of a heat-generating electromechanical converter and a description of the principle of its operation. The analysis of the results of numerical modeling with the design parameters of the HGEC was carried out.
Keywords: electromechanical alternating current converters (EACC), heat generating devices (HGEC), efficiency, fixed heating element (FHE), rotating heating element (RHE), power, voltage, temperature, ferromagnetic element (FE), coolant, numerical simulation
УУК 321.312.313
ИССЩЛИК ИШЛАБ ЧЩАРУВЧИ-ТОРТУВЧИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИК УЗГАРТИРГИЧЛАРИДАГИ ЭЛЕКТРОМАГНИТ ВА ИССЩЛИК ЖАРАЁНЛАРИНИ МОДЕЛЛАШТИРИШ
Константин КИМ, техника фанлар доктори, профессор, РФ ЭФА корреспондент-аъзоси, IEEE аъзоси,
Император Александр I номидаги Петербург давлат темир йуллар университетининг "Электротехника ва иссиклик энергетикаси" кафедраси мудири, Россия Федерацияси, 190031, Санкт-Петербург, Москва шох куч., 9 Сергей ИВАНОВ, техника фанлар доктори,
Комсомольск-на-Амуре давлат университетининг "Электромеханика" кафедраси профессори, Россия Федерацияси, 681013, Узок Шарк федерал округи, Хабаровск улкаси, Комсомольск-на-Амуре, Ленин шох куч., 27 Марат ХИСМАТУЛИН,
Император Александр I номидаги Петербург давлат темир йуллар университетининг "Электротехника ва иссиклик энергетикаси" кафедраси аспиранти, Россия Федерацияси, 190031, Санкт-Петербург, Москва шох куч., 9
Аннотация: Энергетик курилмаларининг самарадорлигини ошириш бугунги кунда энг долзарб муаммолардан бири булиб, ишлаб чикариш ва транспорт сохаларининг аксариятини тегиб утади. Ишлаб чикариш жараёнларининг барча боскичларида энергия сарфларини камайтириш Россия Федерациясидаги асосий ишлаб чикариш сохаларини хомашё ва энергияни тежаш жихатидан такомиллаштиришнинг асосий максадларидан бири хисобланади. Таййёр ишлаб чикариш жараёнларининг махсулотлари нархларининг камайтирилиши замонавий техник курилмаларни куллаш билан бевосита боглик ва бу курилмалар каторига иссиклик ишлаб чикарувчи электромеханик энергия узгартиргичлари (ИИЧЭЭУ)ни киритиш мумкин. Мазкур маколада фойдали ишни бевосита бажарувчи ва узатма курилмаларини узида бирлаштирувчи техник тизимларининг синфини ишлаб чикариш хамда имитацион моделлаштитришнинг назарий ва методик асослари куриб чикилган. Маколада иссиклик ишлаб чикарувчи электромеханик узгартиргичининг асосий таснифи берилган ва унинг
ишлаш принципи баён этилган. ИИЧЭЭУнинг лойи^авий параметрларига асосланган сонли моделлаштириш натижалари та^лил этилган.
Калит сузлар: узгарувчан токнинг электромеханик узгартиргичлари (УТЭУ), иссиклик ишлаб чикарувчи курилмалар (ИИЧК), ФИК, кузгалмас иситиш элементи (ИЭ), айланувчи иситиш элементи (АЭ), кувват, кучланиш, температура, ферромагнетик элемент (ФЭ), иссикликни узатиш элементи, сонли моделлаштириш.
УДК 321.312.313
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
Константин КИМ, Д-р техн. наук, профессор,
член-корреспондент АЭН РФ, член IEEE,
зав. кафедрой «Электротехника и теплоэнергетика»
Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9 Сергей ИВАНОВ, Д-р техн. наук,
профессор кафедры «Электромеханика» Комсомольского-на-Амуре государственного университета
Российская Федерация, 681013, Дальневосточный федеральный округ, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27 Марат ХИСМАТУЛИН,
аспирант кафедры «Электротехника и теплоэнергетика»
Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Аннотация: Повышение эффективности энергетических устройств представляет одну из актуальных проблем, затрагивающих большинство отраслей промышленности и транспорта. Одной из основных целей модернизации и дальнейшего развития промышленных комплексных отраслей Российской Федерации в свете ресурсо- и энергосбережения является уменьшение издержек энергии на всех этапах производства различной продукции. Снижение итоговой отпускной цены готовой продукции связано с внедрением новаторских технических устройств, к числу которых можно отнести электротехнические перекачивающие устройства на основе теплогенерирующих электромеханических преобразователей энергии (ТЭМП) В данной статье рассмотрены теоретические и методические основы разработки и имитационного моделирования класса технических систем, в которых объединены исполнительное и приводное устройства. Даны описание базовой конструкции теплогенерирующего электромеханического преобразователя и описание принципа его действия. Произведен анализ результатов численного моделирования с проектными параметрами ТЭМП.
Ключевые слова: электромеханические преобразователи переменного тока (ЭМП), теплогенерирующие устройства (ТЭМП), КПД, неподвижный нагревательный элемент (НЭ), вращающийся нагревательный элемент (ВЭ), мощность, напряжение, температура, ферромагнитный элемент (ФЭ), теплоноситель, численное моделирование
1. ВВЕДЕНИЕ
Электромеханические преобразователи переменного тока (ЭМП) на сегодняшний день являются одним из самых распространенных элементов энергетических систем различного целевого назначения. Особую актуальность использованию асинхронных ЭМП дает интенсивное развитие преобразователей частоты, позволяющих не только эффективно регулировать скорость вращения, но и обеспечивать энергосберегающие режимы работы за счет оптимальных алгоритмов управления потреблением электроэнергии, использующих интеллектуальные технологии (нечеткая логика, нейронные сети, нейронечеткие подходы) [1]. В свою очередь это еще в большей степени расширяет область применения ЭМП, и, в частности позволяет исследовать режимы работы, связанные с использованием традиционных электромеханических преобразователей переменного тока в качестве теплогенерирующих устройств (ТЭМП), характеризующихся повышенными КПД, коэффициентами теплоотдачи и теплопроизводительностью.
2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
По своей сути ТЭМП является асинхронным двигателем, однако, в отличии от последнего, где нагрев конструкции, сопровождающий процесс преобразования электрической энергии в механическую, носит негативный характер, выделяющееся тепло в ТЭМП идет на нагрев теплоносителя. Сказанное приводит к увеличению КПД устройства.
Рис. 1. Конструктивная схема ТЭМП
Теплогенерирующий электромеханический преобразователь (рис. 1) состоит из магнитопровода с размещенной на нём первичной обмоткой 1 и вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотки (вращающийся нагревательный элемент - ВЭ), выполненной в виде несплошного полого цилиндра 2, на внутренней поверхности которого сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти 3. Нагреваемый теплоноситель, направление которого показано жирными стрелками, проходит через внутреннюю полость цилиндра 2. Неподвижная часть ТЭМП 1 представляет собой капсулированный изоляционным антифрикционным самосмазывающимся материалом статор ТЭМП.
Неподвижный нагревательный элемент (НЭ) 4 является деталью, входящей в состав статора, и после установки образует с ним неразборную конструкцию. Он изготавливается из тонкостенной немагнитной электропроводящей фольги, гальванически не связанной с электропроводящими элементами статора, и размещается в специальной кольцевой канавке. Закрепление и электрическое соединение НЭ обеспечивается с помощью пайки высокотемпературным припоем непосредственно в месте установки.
ВЭ и магнитопровод отделены теплоизолирующим слоем из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию одностороннего радиально-упорного подшипника скольжения и составляющего неразделимую часть с магнитопроводом и первичной обмоткой. Конструкционную целостность устройства обеспечивают две стянутые шпильками торцевые крышки (упорная и фиксирующая), изготовленные на базе стандартных подшипниковых щитов, входящих в комплект электродвигателей серии 4А(5А) или 4П.
Для обеспечения герметичности между крышками и торцевыми поверхностями капсулированного статора установлены упругие тороидальные демпферы из термостойкой резины, которые также могут выполнять функции закручивающего и спрямляющего элементов. Сопряжение ТЭМП с внешним отопительным контуром осуществляется с помощью резьбовых штуцеров, закрепленных на крышках с помощью сварки или гаек.
2.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Принцип работы ТЭМП заключается в следующем: при подаче напряжения, например, трехфазного, от сети переменного тока на первичную обмотку по последней начинает протекать ток, создающий намагничивающую силу и вращающееся магнитное поле, которое наводит в ВЭ и НЭ электродвижущую силу (ЭДС). Токи, обусловленные этой ЭДС, взаимодействуют с магнитным полем и приводят к нагреву ВЭ и НЭ и возникновению вращающего момента. При этом неподвижный нагревательный элемент является основным источником тепловой мощности. Одновременно ВЭ приходит во вращение со скоростью, определяемой параметрами ТЭМП. В моменте вращения ВЭ, теплоноситель перемещается по пути с минимальным гидравлическим сопротивлением, т.е. вдоль оси ТЭМП, и снимает тепло от ВЭ и внутренней поверхности НЭ. Предварительные оценки показали, что не менее 85% мощности данного устройства идет на нагрев теплоносителя. Высокая эффективность устройства, а именно, увеличение количества нагреваемого и перемещаемого ТЭМП теплоносителя является следствием чрезвычайно низкого осевого гидравлического сопротивления устройства (отсутствуют вал и подшипниковые узлы). Количество теплоты, выделяемое ВЭ и НЭ, и производительность (т.е. количество нагреваемого и перемещаемого теплоносителя в единицу времени) в номинальном режиме работы зависит в основном от величины вторичного тока и скорости ВЭ [2].
Очевидно, что такая конструкция ТЭМП при отсутствии ферромагнитных элементов во внутренней расточке статора характеризуется значительным намагничивающим реактивным током и потребляемой мощностью, вызывающими существенный нагрев неподвижной части ТЭМП.
По сравнению с асинхронным двигателем потребляемый ток ТЭМП в 5.. .7 раз выше в зависимости от мощности и числа пар полюсов (при номинальном токе аналогичного АД порядка 6.7 А ток ТЭМП достигает 25.35 А), а коэффициент мощности не превышает 0,15.0,20. Это в свою очередь приводит к соответствующему изменению потребляемой мощности при изменении питающего напряжения номинальной частоты.
Как показали эксперименты, наблюдается существенная зависимость значения тока от числа полюсов ТЭМП, что принципиально отличает его от стандартных асинхронных двигателей, аналогичные характеристики
которых практически не зависят от числа полюсов. К подобным выводам приводит и анализ результатов численного моделирования зависимости температуры ТЭМП от частоты и толщины неподвижного нагревательного элемента при номинальном напряжении [3], которая при определенном соотношении параметров преобразователя и сети может достигать недопустимо высоких значений.
Большие потребляемые токи являются не только причиной аномального нагрева, но и ограничивают возможность частотного регулирования выходных параметров ТЭМП независимо от вида реализуемого закона управления (пропорциональное регулирование или «вентиляторная» характеристика) и приводят на практике к срабатыванию встроенной тепловой защиты.
Таким образом, отсутствие ферромагнитных участков во внутренней области статора обуславливает напряженный тепловой режим ТЭМП, обеспечивает возможность его использования в основном в качестве нагревательного устройства с невысокими напорными характеристиками и требует применения специальных конструкций, например, двухконтурных системам охлаждения [4].
1 -0.5 0 0,5 1 1,5 2 Нм 3 М-
Рис. 2. Сравнение механических характеристик АД и ТЭМП
Для оценки возможности изменения соотношения между тепловой и механической составляющими было проведено сравнение механической характеристики базового АД (кривая 1) и расчетной характеристики ТЭМП с полым немагнитным ВЭ (кривая 2) с экспериментальной (кривая 3) (рис. 2), позволяющее определить реальный диапазон выполнимости теплогенерирующих электромеханических преобразователей, поскольку очевидно, что механическая мощность, передаваемая электромагнитным путем на ВЭ, и, соответственно, производительность ТЭМП будут зависеть от наличия и параметров ферромагнитных элементов (ФЭ) во внутренней области статора.
Основной задачей при определении соотношений размеров ФЭ является обеспечение максимального снижения гидравлического сопротивления проточной части ТЭМП при требуемом в электромагнитном отношении сечении ферромагнитных элементов. Поскольку, как и в обычном ЭМП, величина основного магнитного потока определяет магнитную индукцию в зазоре, и как следствие при допустимом значении индукции (обычно не более 1,9...2,1 Тл) минимальную ширину зубца статора, то и толщина ФЭ может быть предварительно выбрана равной этой величине. На рис. 3 показано качественное влияние толщины ФЭ на распределение магнитного поля.
3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ С ПРОЕКТНЫМИ ПАРАМЕНТРАМИ ТЭМП
Сравнительный анализ результатов численного моделирования с проектными параметрами ТЭМП подтверждает возможность выбора толщины ферромагнитного элемента, исходя из электромагнитного расчета неподвижной части. В частности, для ТЭМП мощностью 2,2 кВт при использовании электротехнической стали 2013 ГОСТ 21427.2-83 с толщиной листа 0,5 мм и коэффициенте заполнения сталью 0,95 ширина зубца статора составляет примерно 4 мм, а для существенного снижения магнитного сопротивления, как это видно из рис. 3, достаточно установки ФЭ толщиной не менее 2 мм.
Рис. 3. Распределение магнитного поля при использовании ферромагнитных элементов различной толщины
Более сложно определить осевую длину ФЭ, так как она не только изменяет распределение магнитного поля во внутренней области ТЭМП, но и влияет на процесс теплоотдачи с поверхности НЭ вследствие изменения гидравлического сопротивления между неподвижным и вращающимся нагревательными элементами. Для исследования влияния длины ФЭ на параметры опытного образца ТЭМП был проведен ряд экспериментов с использованием тороидальных ферромагнитных шихтованных элементов из электротехнической стали 2013 длиной 20 и 60 мм при длине вращающегося элемента 100 мм.
Зависимость тока от входного напряжения при использовании ФЭ различной длины (Ь) приведена на
рис. 4.
35 А 25
о Н
15
10
о
25
1у
2 4
(X >* *
г
50
75 100
125 150 Напряжение
175 200
250
Рис. 4. Зависимость тока от напряжения: 1 - без ФЭ; 2 - длина 20 мм; 3 - длина 60 мм Анализ графиков зависимости тока от входного напряжения при использовании ФЭ показывает, что их длина оказывает значительное влияние на потребляемый ток. Как видно из графиков (рис. 4), при номинальном напряжении потребляемый ток уменьшается в 1,5 раза при использовании ФЭ длиной 20 мм и более чем в 2 раза при длине 60 мм.
Аппроксимированная зависимость потребляемого тока от длины ФЭ при номинальных напряжении и частоте показывает, что ток нелинейно возрастает при уменьшении длины шунта (рис. 5).
Дшша ферр о магнитных элементов
Рис. 5. Зависимость потребляемого тока от длины ФЭ
Зависимость потребляемой мощности от входного напряжения при использовании ФЭ различной длины, приведенная на рис. 6, также свидетельствует, что они оказывают значительное влияние на величину потребляемой мощности из сети.
2000
о 25 50 75 100 125 150 1Т5 200 В 250
Напряжение
Рис. 6. Зависимость потребляемой мощности от напряжения: 1 - без ФЭ; 2 - длина 20 мм; 3 - длина 60 мм
В частности, при номинальном напряжении потребляемая мощность уменьшается в 1,6 раза при использовании ФЭ длиной 20 мм и в 2 раза при использовании ФЭ длиной 60 мм. Полученные данные позволяют определить относительный диапазон длин ФЭ, составляющий приближенно 0,25...0,70 длины ВЭ, в котором достигается снижение потребляемой мощности без существенного изменения условий теплоотдачи с НЭ. [5-10]
Таким образом, качественный анализ экспериментальных данных показывает, что использование ФЭ не только ограничивает потребляемые ток и мощность, но и обеспечивает более широкие возможности регулирования выходных параметров ТЭМП, поскольку изменяет соотношение между тепловой (уменьшает) и механической (увеличивает) составляющими мощности.
Для количественной оценки влияния ФЭ было проведено моделирование электромагнитных и на их основе тепловых процессов в ТЭМП с использованием пакета Comsol Multiphysics.
Анализ работы ТЭМП проводился в два этапа. Первый включал постановку плоскопараллельной задачи расчета электромагнитного поля с учетом вращения ВЭ, второй - расчет осесимметричной модели, объединяющей процессы теплопередачи и гидродинамики.
При расчете магнитного поля использовалась двумерная модель магнитного поля переменных токов, протекающих перпендикулярно изображенному на рис. 7 сечению (Perpendicular Induction Currents). Задача сводилась к решению дифференциального уравнения в частных производных относительно комплексной величины z-компоненты векторного магнитного потенциала А. Расчетная частота - 50 Гц.
Рис. 7. Модель ТЭМП для плоскопараллельной задачи расчета переменного магнитного поля
Источником магнитного поля в используемом пакете является плотность стороннего тока (амплитудное значение) (1):
л/2/ф • п
Зфт = "ё ' (1) ^ ёпаза
где 1ф = 4,6 А, п = 48 - число проводников в одном пазу, Зпаза = 83,5 мм2. Для каждой фазы можно записать (2, 3, 4):
т - т -/120°
ф м'е '
т т
•7С=,/ф"7 '
фт " 3 .......6
Такой порядок фаз соответствует вращению магнитного поля по часовой стрелке. В пазах, занятых катушками противоположного направления, соответствующие значения плотности тока брались с обратным знаком.
Составляющие скорости ВЭ, вращающегося по часовой стрелке с угловой скоростью ю^ определялись как (5):
Ух у, Уу X, (5)
где = 3,74-10и А/мм2
где = 0(1- S), 0=314 (с-1), £ - скольжение.
Ниже приводятся результаты расчета, полученные при различной толщине d ферромагнитного вращающегося элемента с магнитной проницаемостью /у = 500 . Магнитная проницаемость статора принята
/г =1000.
Расчеты показали, что величина магнитной индукции существенно возрастает даже при использовании ФЭ минимальной толщины и достигает значений, характерных для обычных ЭМП. В то же время, изменение толщины ФЭ от 2 мм до 5 мм практически не влияет на магнитные характеристики ТЭМП, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности применения ФЭ толщиной, превышающей расчетную ширину зубцов статора.
Основным результатом расчета на первом этапе являлось определение значений объемного тепловыделения в элементах ТЭМП, которые затем используются в качестве источников тепла в задаче теплопроводности. Следует отметить, что тепловыделением в ФЭ можно пренебречь, поскольку как показали расчеты мощность тепловыделения в них на порядок меньше, чем в алюминиевом ВЭ. Ниже показаны мощности тепловыделения во вращающемся (рис. 8) и неподвижном элементах (рис. 9) в зависимости от скольжения 8.
14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0
Рис. 8. Зависимость тепловой мощности ВЭ от скольжения
Полученные значения показывают, что ФЭ значительно повышают тепловую эффективность ТЭМП, поскольку без использования ферромагнитных элементов мощности тепловыделения в НЭ находятся в пределах от 1,5-106 Вт/м3 до 0,6-106 Вт/м3, а во ВЭ от 4,2-106 Вт/м3 до 4,6-106 Вт/м3 в зависимости от скольжения.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Рис. 9. Зависимость тепловой мощности НЭ от скольжения
Полученные результаты подтверждают целесообразность использования НЭ, не только являющегося основным источником нагрева теплоносителя при скоростях близких к синхронным, но и компенсирующего снижение тепловой мощности, выделяемой во ВЭ при увеличении его скорости вращения.
На втором этапе решалась тепловая задача с учетом конвекции и течения теплоносителя (воды) с использованием двух физических моделей пакета Comsol Multiphysics - теплопереноса с учетом конвекции и теплопроводности, и гидродинамики, основанной на уравнении Навье-Стокса для несжимаемой жидкости.
Рис. 10. Геометрическая модель для расчета тепловых процессов
Для более строгого задания граничных условий геометрическая модель задачи кроме рабочей области ТЭМП дополнена участками труб, обеспечивающих подвод и отвод жидкости (рис. 10)
Течение жидкости в расчетной области задавалась соответствующими граничными условиями. На входе был задан параболический профиль скоростей Vz(r), что соответствует ламинарному течению по трубе без возмущений. Профиль описывался уравнением (6):
Vz(r) = 2-Vm ■ (1-(r/Rn)1), (6)
где Rjn - внутренний радиус трубы, Vjn - средняя входная скорость потока.
Тангенциальное перемещение жидкости в рабочей области ТЭМП имитировалось введением в этой зоне радиальной силы Fr (r) =—F (1- (r / R )) , где R0 - внутренний радиус ФЭ. Параметр F0 подбирался
таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить сходимость решения, а с другой - создать условия для перемещения жидкости в непосредственной близости от источников тепла для наиболее интенсивного
теплообмена. Расчеты показали значительное влияние на величину F средней входной скорости V .
Приведенные далее результаты получены для V„ =1 м/с, F =5'104.
«Замкнутость» цикла нагрева, т.е. подача потока, вышедшего из зоны нагревания, вновь на его вход, учитывалась периодическими граничными условиями по температуре на входе и выходе расчетной модели.
Со всех внешних поверхностей, включая зоны нагрева и подводящих и отводящих труб, предполагалась конвективная теплоотдача в окружающую среду (воздух). Поскольку коэффициент теплоотдачи с нагретой стенки в воздух при естественной конвекции не превышает кто = 20 Вт/(м2 град), что приводит к
аномально высоким значениям температуры жидкости, то при расчетах принято значение кто = 30
Вт/(м2трад). Следует отметить, что величина коэффициентов теплоотдачи в двухконтурных ТЭМП [3] может достигать значений 150.200 Вт/(м2град).
На рис. 11 показано распределение температуры по среднему сечению нагревательной камеры в случае использования ферромагнитного элемента толщиной 5 мм при кто = 30 Вт/(м2 град) для разных значений скольжения.
360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
|' ■ I - - S=0; 1 3 5
♦ —«—3=0,
—•—s=o;
—*
1 -
>
1 I 1
1 1 —
J —i i
<[--- -—ч I—— ——i >—— 4 1
1 > ►-1 1- \-1 i
i— k — - fc- ■ — I--- k--A L
r, M
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Рис. 11. Распределение температуры по среднему сечению нагревателя
Полученные зависимости не только наглядно показывают, как меняется температура в области НЭ при скольжениях в диапазоне 0,1.0,8, но и позволяют определить температуры и их градиенты в рабочей области (радиальный размер до 35 мм) и капсулированном статоре (радиальный размер более 38 мм).
Интегральные тепловые характеристики ТЭМП для ФЭ различной толщины и двух коэффициентов теплоотдачи (зависимости температуры теплоносителя от скольжения) приведены на рис. 12 и 13.
400 350 300 250 200 150 100 50
T °r ♦ H=0.5 мм J=1 MM i=2 мм J=5 мм i=0
—A— —•—
•o 4 — ■ -c
V
ITH i
~~ '—■ H * — ----1 t- —J^A
--- ---
-- ---
260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
T "Г 0.5 мм 1 MM 2 мм
» dA H- -
К ft ■ —d=
ч 1 k —ш -d= 5 мм
1 к ^
- - S-'
—1 -----
—-i >-
<
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Рис. 13. Температура воды при к^о = 30 Вт/(м2трад)
Их анализ подтверждает тот факт, что совместное использование ВЭ и НЭ обеспечивает практическое постоянство результирующей температуры нагреваемого теплоносителя при номинальных напряжениях и частоте питающей сети, и заданном коэффициенте теплоотдачи в рабочем диапазоне скольжений 0,4...0,9.
Полученные результаты позволяют выбрать размерные отношения ФЭ, влияющие на электромагнитные и тепловые процессы, и могут являться основой для определения номинальных параметров и области применения ТЭМП в исследованном интервале скольжений. При этом очевидно, что использование ФЭ значительно влияет на тепловые и напорные характеристики ТЭМП, поэтому для их комплексного исследования на производительность, напор и температуру с целью оптимизации необходимо использование накопленного опыта физического, математического и численного моделирования как классических электромеханических преобразователей, теоретических и практических разработок в области электромеханики, так и механики, теплотехники, гидравлики и создание на этой основе научно обоснованной методики проектирования, позволяющей производить, испытывать и эксплуатировать рассматриваемые устройства.
ВЫВОДЫ
1. Использование ТЭМП с немагнитным вращающимся нагревательным элементом в качестве источника нагрева и перемещения теплоносителя приводит к существенному возрастанию потребляемого тока и мощности при невысоком коэффициенте мощности.
2. Применение ферромагнитных элементов, расположенных внутри немагнитного ВЭ, позволяет снизить мощность и ток статора практически до значений, характерных классическим ЭМП, и обеспечивает практическую возможность регулирования выходных параметров ТЭМП.
3. Толщину ФЭ целесообразно принимать равной минимальной ширине зубца статора, получаемой по результатам электромагнитного расчета ТЭМП.
4. Осевая длина ФЭ может быть выбрана 0,25.0,70 от длины ВЭ, что соответствует снижению потребляемой мощности без существенного изменения условий теплоотдачи с НЭ.
5. Совместное использование ВЭ и НЭ обеспечивает незначительное изменение результирующей температуры нагреваемого теплоносителя при номинальных напряжениях и частоте питающей сети, и заданном коэффициенте теплоотдачи в рабочем диапазоне скольжений 0,4 .0,9.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ким К.К., Иванов С.Н., Амосова Л.Н. Моделирование и управление электромеханическими теплогенераторами на основе нейросетевых и нечетких алгоритмов // Электричество. 2009. № 10. - С.36-40. [In Russian: Kim, K.K., Ivanov, S.N., Amosova L.N. Modeling and Control of Electromechanical Heat Generators based on Neural Networks and Several Algorithms. Elektrichestvo: A reviewed theoretical and scientific-practical journal].
2. Иванов С.Н., Ким К.К., Кузьмин В.М. Теплогенерирующие электромеханические устройства и комплексы. СПб.: Издательство ОМ-Пресс, 2009. 348 с. [In Russian: Ivanov, S.N., Kim, K.K., Kuzmin V.M. Heat Generating Electromechanical Devices and Complexes. SPb: OM-Press Publishing House].
3. Иванов С.Н., Ким К.К., Карпова И.М. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь // Электротехника. 2008. № 9. С.46-52. [In Russian: Ivanov, S.N., Kim, K.K., Karpova, I.M. Heat generating electromechanical converter].
4. Пат. № 87855 Российская Федерация, МПК7 Н 05 В 6/10. К.К. Ким, С.Н. Иванов, С.В. Уханов. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь // Бюл. № 29. опубл. 20.10.09. [In Russian: Pat. No. 87855 Russian Federation, MPK7 N 05 V 6/10. Kim, K.K., Ivanov, S.N., Ukhanov, S.V. Heat generating electromechanical converter].
5. Ким К.К. Основы проектирования гидроэлектродинамических теплогенераторов / К. К. Ким, С. Н. Иванов, С.В. Уханов // Электроэнергетика. Электротехника. Электротехническая промышленность. - 2008. - № 4. -С. 14 - 16. [In Russian: Kim, K.K., Ivanov, S.N., Ukhanov, S.V. Fundamentals of designing hydroelectrodynamic heat generators].
6. ELCUT - программа для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов. [In Russian: ELCUT is a program for engineering simulation of electromagnetic, thermal and mechanical problems using the finite element method]. Available at: http://www.elcut.ru (дата обращения: 07.10.2020 г.).
7. Kim K.K., Ivanov S.N. New type of electroheat-generator / K.K. Kim, S.N. Ivanov. — Digests of XVIII International Conference on Electrical Machines, ICEM'08, Vilamoura, Portugal, 669 September 2008. — PC.5.12
8. Васильев П. Ю. Определение параметров технических средств контроля силовых полупроводниковых приборов путем математического моделирования теплофизических процессов, возникающих при воздействии импульсов тока / П. Ю. Васильев, В. В. Никитин // Материалы Всерос. науч. -техн. конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте»: в 4 т. Красноярск, 19-21 мая 2005 г. -Красноярск, 2005. - Т. I. - С. 539-543. [In Russian: Vasilev, P.Yu, Nikitin, V.V. Determination of the parameters of technical means of control of power semiconductor devices by mathematical modeling of thermophysical processes arising under the influence of current pulses. In: Materials of the All-Russian Scientific and Technical Conference "Resource-saving technologies in railway transport'"].
9. Елшин А. И. и др. Экономическая целесообразность электроотопления // Междунар. симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: Материалы Междунар. науч. -технич. конференции «Электротехнические системы и комплексы». Комсомольск-на- Амуре, 21-22 октября 2010 г.: в 5 т. / А. И. Елшин и др.; Ред-кол.: А. М. Шпилев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - Т. 3. - С. 190-196. [In Russian: Elshin, A.I. and others. Economic feasibility of electric heating. In: Materials of the International Scientific and Technical Conference "Electrical Systems and Complexes'"].
10. Кузьмин В. М. Электронагревательные устройства трансформаторного типа / В. М. Кузьмин. -Владивосток: Дальнаука, 2001. - 143 с. [In Russian: Kuzmin, V.M. Transformer type electric heating devices].
