Electrotechnical complex of induction heating

Abstract


By means of the finite-element method realized programmatically the electrothermal model of system of induction heating for plastic production is simulated by method of casting and electromagnetic and thermal fields are researched. The original system of induction heating for plastic production is offered by a casting method. The main energy indicators and algorithms of work which provide required temperature distribution in the heated polymeric material are determined.

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

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

Aleksey G Sorokin

Samara State Technical University

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

Nikolay I Gorbachevsky

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

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

References

  1. Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов. - М.: Госхимиздат, 1962. - 747 с.
  2. Слухоцкий А.Е., Немков В.С. Установки индукционного нагрева. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 328 с.
  3. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. - М.: Машиностроение, 1974. - С. 280.
  4. Сорокин А.Г., Зимин Л.С. Частота тока индуктора при производстве пластмассы методом литья // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. - 2011. - Вып. 1(29). - С. 166-169.
  5. Сорокин А.Г., Горбачевский Н.И., Мифтахова Л.Х. Энергетические параметры индуктора для технологического комплекса производства пластмассы методом литья // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Вып. 1 (Т17). - С. 254-256.

Statistics

Views

Abstract - 52

PDF (Russian) - 7

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2017 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies