CC BY
30
УДК 674.093.26
Г.А. Шепель, В.Ф. Надеин, Н.С. Кабеева
Шепель Георгий Александрович родился в 1935 г., окончил в 1958 г. Ленинградское высшее инженерное морское училище, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и энергетических систем Архангельского государственного технического университета, член -корреспондент Академии электротехнических наук Российской Федерации. Имеет более 110 печатных работ в области электротехнологии и электрификации.
Кабеева Надежда Сергеевна родилась в 1980 г., окончила в 2002 г. Архангельский государственный технический университет, аспирант кафедры электротехники и энергетических систем АГТУ. Имеет 6 печатных работ в области индукционного нагрева.
ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ВХОДЕ В КАЛОРИФЕР ЛЕСОСУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Предложен способ регулирования температуры теплоносителя на входе в калорифер лесосу-шильной камеры на основе индукционного нагрева; рассмотрена методика расчета параметров процесса нагрева теплоносителя в индукционном нагревающем устройстве.
Ключевые слова: индукционное нагревающее устройство, стабилизатор температуры теплоносителя, коэффициент теплоотдачи, коэффициент теплопроводности.
Для обеспечения качественной сушки древесины необходимо в соответствии с заданным режимом точно поддерживать параметры агента сушки (влажный воздух, топочные газы, перегретый пар) [1].
Такими параметрами являются: температура, влажность, скорость движения агента сушки (АС) через штабель.
Температура и влажность зависят от степени нагрева АС в калориферах ле-сосушильной камеры (ЛСК) и особенностей процессов теплообмена между АС (воздух, пар) и подвергаемой сушке древесиной, а скорость движения АС определяется производительностью вентиляторов.
Теплоносителем в калориферах ЛСК чаще всего выступает вода или водяной пар, от температуры которых напрямую зависит температура АС. Следовательно, для стабилизации температуры АС необходимо поддерживать строго определенную температуру теплоносителя на входе в калорифер ЛСК.
Практика показывает, что вода, предварительно нагретая в котельной, имеет разброс температур 15 °С, что недопустимо. Для поддержания требуемого технологического режима сушки необходим стабилизатор температуры воды на входе в калорифер, в качестве которого предложено использовать трехфазное индукционное нагревающее устройство (ИНУ) [2].
Стальные трубки
Станина
Принципиальная схема ИНУ
ИНУ представляет собой неподвижный статор, создающий вращающееся магнитное поле. В полости статора помещены 18 стальных трубок (см. рисунок). Они соединены между собой последовательно, и вода, нагреваемая в ИНУ, проходит их все. С позиций электротехники трубки представляют собой короткозамкну-тый заторможенный ротор.
Принцип действия ИНУ состоит в следующем: при подаче напряжения на индуктор в обмотках статора возникает электрический ток, который создает вращающееся магнитное поле. Линии магнитного поля пересекают трубки в полости статора. Согласно закону электромагнитной индукции такое магнитное поле влечет за собой возникновение наведенных вихревых токов, которые нагревают трубки по закону Джоуля-Ленца.
Преимущества индукционного нагрева:
гибкость и высокая точность управления из-за малой инерционности процесса;
возможность точного дозирования энергии и наличие нескольких каналов управления;
возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов: глубина зоны их циркуляции и, следовательно, зоны выделения энергии зависит от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается при высоких);
обеспечение высокой производительности и хороших санитарно-гигиенических условий труда.
Основная задача ИНУ - поддержание неизменной температуры воды на выходе при колебаниях температуры на входе. Температура на выходе определяется следующими условиями: температурой воды на входе в ИНУ и на внутренней поверхности стенок трубок; скоростью движения воды по трубкам.
Для поддержания требуемой температуры на выходе можно варьировать скорость течения воды и температуру внутренней поверхности стенок. Поскольку первый показатель зависит от производительности насоса, а не от параметров ИНУ, то его влияние рассматривать не будем. Остановимся на температуре внутренней поверхности стенок трубок. Чтобы ее рассчитать, воспользуемся законом Ньютона-Рихмана [4]:
д = а(?ст - ?ж),
(1)
где д - плотность теплового потока от трубки к воде, Вт/м2; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); ¿ст - температура внутренней поверхности стальной трубки, °С; /"ж - температура воды, °С. Отсюда
Ч
1 СТ Ж •
а
В этой формуле неизвестна плотность теплового потока д и величина коэффициента теплоотдачи а.
Плотность теплового потока д в формуле (1) определим следующим образом:
О
(2)
Здесь Q - тепловой поток, Вт;
- площадь, м2, внутренней поверхности стальных трубок,
£ = пш1вн1; п - количество трубок, п = 18;
- внутренний диаметр трубок, м; I - длина трубок, м.
Коэффициент а в формуле (1) можно найти по критерию Нуссельта:
си!
N11=—(3)
^ж
где /.,[■ - коэффициент теплопроводности воды (определяют по таблицам), Вт/(м К). Тогда
а =-—.
Критерий Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена при теплоотдаче. Его величину определяем по критерию Рейнольдса, исходя из характеристики течения:
\с1
Яе = —^, (4)
где V - скорость течения жидкости, м/с; V - вязкость жидкости, м2/с.
В формуле (4) неизвестна скорость течения теплоносителя по трубкам. Для ее определения используем выражение для теплового баланса ИНУ:
0 =-Я.-, (5)
С('„ -гк)
где О - расход теплоносителя, кг/с;
С - теплоемкость воды, Дж/(К кг); 4, 4 - температура воды, соответственно до и после ИНУ, К. Тогда скорость теплоносителя
у С 4С (б)
Здесь р - плотность воды (определяется по таблицам), кг/м3;
F - площадь поперечного сечения трубки, м2. Критерий Нуссельта для ламинарного течения рассчитываем по формуле
Nu = 0,33Re0,5 Pr°43
ж
Pr
V СТ J
(7)
где Prж - число Прандтля для жидкости; Prсг - число Прандтля для стенки трубки;
х - расстояние от начала трубки до рассматриваемого сечения.
В формуле (5) величина Q, представляющая собой тепловой поток от трубки к теплоносителю, равна полезной (активной) мощности индуктора, т. е. Q = P2.
Энергия, вводимая в нагреваемое тело, определяется через мощность, выделяющуюся в стальной трубке на 1 м ее длины. Для активной мощности
Р2= 6,2-10"6 (8)
где I - электрический ток; W - число витков; с/0 - диаметр трубки, м;
р - удельное сопротивление нагреваемого материала (сталь); д - магнитная проницаемость стали; f - частота поля;
Fоц - сложный комплекс, образованный из функции Бесселя (определяется по таблицам и графикам) [3].
Таким образом, из формулы (8) видно, что энергия, вводимая в тело, пропорциональна следующим величинам: току индуктора, т. е. и приложенному напряжению; частоте магнитного поля, т. е. и частоте тока, его создающего.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что температуру нагреваемой в ИНУ жидкости можно регулировать за счет изменения величины и частоты напряжения, подаваемого на индуктор.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богданов, Е.С. Сушка пиломатериалов [Текст] / Е.С. Богданов. - М.: Лесн. пром-
сть, 1988.
2. Болотов, А.В. Электротехнологические установки [Текст]: учеб. для вузов / А.В. Болотов, Г.А. Шепель. - М.: Высш. шк., 1988.
3. Кувалдин, А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали [Текст] / А.Б. Кувал-дин. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Ляшков, В.И. Теоретические основы теплотехники [Текст]: учеб. пособие / В.И. Ляшков. - М.: Машиностроение, 2002.
Архангельский государственный технический университет
G.A. Shepel, V.F. Nadein, N.S. Kabeeva
Thermal Stabilization of Heat-carrier at Air Heater Entry of Timber Drying Plant
The temperature control method is offered for heat-carrier at the air heater entry of timber drying plant based on induction heating. The technique for calculating the process parameters for heat-carrier heating in the heat induction unit is considered.
