Electrotechnical complex of induction heating

Full Text

Применение изделий из пластических масс возрастает с каждым годом. Это наблюдается в автомобилестроении и производстве электротехнической продукции. Производство большинства таких материалов является сложным технологическим процессом, который экономически целесообразен только при осуществлении его в промышленном масштабе. Высокая техническая сложность и значительные капиталовложения послужили стимулом для поиска способов повышения энергоэффективности процесса производства пластических масс. К переработке пластических масс относится следующее. Первое - это подготовка пластических материалов к переработке: модификация их путем различных химических превращений или добавления веществ, изменяющих соответствующим образом их свойства. Второе - это переработка полимеров: разработка и применение различных процессов расплавления, формирования и других методов, изменяющих свойства пластических материалов с целью лучшего их использования. Третье - это изготовление деталей из пластмасс с учетом свойств материала и условий эксплуатации. Четвертое - это общие технологические операции, такие как контроль качества продукции, разработка методов испытаний, некоторые экономические вопросы. Производство продукции из пластических масс в настоящее время осуществляется в литьевой машине. Объект для проектирования представляет собой теплообменный аппарат, который состоит цилиндра 3 и вращающегося внутри него шнека 5 (рис. 1). При использовании индуктора промышленной частоты 2 нагрев полимерного материала 4 осуществляется от цилиндра и шнека одновременно [1, 2]. Рис. 1. Теплообменный аппарат Электротепловой называется модель, которая учитывает взаимное влияние электромагнитного и температурного полей в процессе индукционного нагрева пластической массы. В общем случае процесс индукционного нагрева описывается нелинейными уравнениями Максвелла для электромагнитного поля с соответствующими краевыми условиями: ; ; ; . (1) Здесь ,,,- векторы напряженности и индукции магнитного и электрического полей. Исходная постановка нелинейной электромагнитной задачи выражается через векторный потенциал общим уравнением Пуассона в двумерной области: ; ; . (2) Здесь - векторный потенциал; - абсолютная магнитная проницаемость среды; - удельная электрическая проводимость. Для решения тепловой задачи используется первый закон термодинамики, записанный в виде дифференциальных уравнений для объемных тел: . (3) Здесь - скорость образования тепла в конечном объеме; - вектор теплового потока; - векторный оператор; - вектор, характеризующий скорость переноса тепла. Связь между вектором теплового потока и температурным градиентом устанавливается по закону Фурье: . (4) Объединение двух последних уравнений дает уравнение вида . (5) Полученные уравнения применяются в декартовой системе координат в линейной постановке. Для полной физической определенности общая система уравнений дополняется эмпирическими зависимостями удельной теплоемкости, вязкости, коэффициентов теплопроводности, теплопередачи и других величин от температуры. Расчет теплового поля системы осуществляется методом конечных элементов, реализованным программно с помощью пакета ELCUT. На основе анализа электротепловой модели, реализованной программно, разработан алгоритм работы, который состоит из трех этапов: - засыпка балластного материала и разогрев в течение 1800 с; - удаление балласта и уточненное догревание шнека до установленной температуры в течение 600 с; - рабочий цикл - три порции сырья, время нагрева одной порции 600 с; - подогрев системы до заданной температуры. Обеспечить максимальный КПД можно соответствующим выбором частоты тока индуктора. Зависимость электрического КПД от частоты довольно сложна и определяется параметрами нагреваемой детали и ее состоянием. Для тел круглого сечения КПД обычно растет с повышением частоты, стремясь к предельному значению. Для полых цилиндров существует оптимальная частота, при которой КПД максимален [3, 4]. Полученные результаты представлены в таблице. Зависимость энергетических параметров от частоты f, Гц 50 500 1000 1500 2000 2400 3000 5000 10000 , м 0,03 0,009 0,007 0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,002 0,602 0,653 0,65 0,669 0,662 0,672 0,667 0,666 0,701 cos φ 0,549 0,471 0,419 0,392 0,361 0,349 0,325 0,276 0,203 Оригинальность предложенной конструкции заключается в том, что при частоте 50 Гц будет выделение энергии в шнеке и возможность нагрева пластической массы с двух сторон. Вследствие ряда требований по уменьшению размеров индуктора и условия согласования параметров индуктора с источником питания в качестве рабочей частоты следует выбрать f = 50 Гц. Решение задачи поиска конструкции и алгоритма управления показывает, что при нагреве до 600 °С наиболее пригодной и эффективной будет однослойный цилиндрический индуктор, для которого выбираем медный провод ПОЖ 6,3×2. После окончательного расчета и проведенных уточнений принимаем индуктор с числом витков 120. Питание индуктора осуществляется от сети напряжением 220 В промышленной частотой 50 Гц. Полная мощность индуктора 22 кВт [5]. Рис. 2. Технологический комплекс индукционного нагрева: 1 - блок управления; 2 - индукционный нагреватель; 3 - цилиндр; 4 - пластическая масса; 5 - шнек Работу технологического комплекса осуществляет программное управление, которое обеспечивает заданную точность и минимум времени нагрева. Также на рабочем блоке размещены и другие управляющие системы, которые обеспечивают функционирование, диагностику и регистрацию всего технологического процесса. Данный технологический комплекс индукционного нагрева при производстве пластических масс позволит производить контроль температуры в полимерном изделии, а также учитывать влияние того или иного возмущающего воздействия. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

About the authors

Lev S Zimin

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Aleksey G Sorokin

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Nikolay I Gorbachevsky

Nizhnekamsk chemical institute of technology (branch) "Kazan national research technological university"

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 47, Stroiteley Ave., Nizhnekamsk, Republic of Tatarstan, 423578, Russian Federation

References

Supplementary files