Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет нестационарной теплопередачи электроимпульсной установки очистки угольной пыли с поверхности электростатических фильтров

А.А. Лукачева, В.А. Захаренко,

А.С. Татевосян, Н.В. Захарова

Аннотация

Расчет нестационарной теплопередачи электроимпульсной установки очистки угольной пыли с поверхности электростатических фильтров

А.А. Лукачева¹, В.А. Захаренко¹, А.С. Татевосян¹, Н.В. Захарова¹

¹ФГБОУ ВО "Омский государственный технический университет", Омск, Россия.

Рассматривается решение задачи нестационарной теплопередачи в техническом устройстве, состоящего из катушки индуктора и электропроводной поверхности производственного объекта от налипания различных веществ, используемом в металлургии, энергетике, железнодорожном транспорте и пищевой промышленности, а также для удаления угольной пыли с поверхности электростатических фильтров. Полезный эффект электромагнитно-импульсной очистки обусловлен ударной волной в объекте воздействия, вследствие взаимодействия вихревых токов, индуцированных в электропроводной поверхности, с магнитным полем катушки индуктора при высоковольтном разряде на нее емкостного накопителя. Вместе с полезным эффектом очистки поверхности от налипания веществ, происходит выделение большого количества тепла в системе индуктор - электропроводная поверхность объекта воздействия, которое за время большее, чем продолжительность импульса тока, способно разогреть катушку индуктора до температуры, превышающей допустимую. Предотвращение перегрева катушки индуктора обуславливает актуальность решения задачи нестационарной теплопередачи электромагнитно-импульсного устройства. Определение основных массогабаритных, электрических, магнитных и тепловых параметров таких систем связано со значительными трудностями, в том числе, учета физических свойств материалов для изготовления токопроводящей пластины. В статье рассматривается решение поставленной задачи при помощи программного обеспечения ELCUT моделирования нестационарного магнитного поля для электромагнитно-импульсной системы, состоящей из катушки индуктора и токопроводящей пластины. Определены параметры и временные характеристики электроимпульсного устройства, получены предельные количественные показатели устройства по продолжительности импульса тока в катушке, пондеромоторной силы и температуры нагрева катушки индуктора указывают на высокую эффективность электроимпульсной очистки поверхности производственного оборудования от налипания веществ, а также проведено исследование эффективности индукционных взаимодействий в зависимости от применения различных материалов (алюминий, дюраль, сталь) и геометрических параметров токопроводной пластины. По результатам параметрического анализа работы электромагнитно-импульсной установки сделан вывод о целесообразности изготовления токопроводной пластины ударного узла из алюминия толщиной 3,5 мм.

Ключевые слова: электромагнитно-импульсная очистка; катушка индуктора; электропроводная поверхность объекта воздействия; нестационарная теплопередача, электростатический фильтр.

Введение

История развития электромагнитно-импульсной очистки поверхностей начала развиваться с середины 80-х годов прошлого века. Научно - исследовательская группа под руководством И.А. Левина создала на основе этого принципа противообледенительную систему для удаления льда с поверхностей обшивок самолетов [1]. В дальнейшем появились патенты, расширяющие области применения таких систем в промышленности [2-4]. В настоящее время ООО "Интертех" освоила производство магнитно-импульсных установок МИГ, которые применяются для очистки емкостей и устранения зависаний в бункерах, предотвращения и разрушения отложений, налипаний и намерзаний сыпучих материалов на стенках технологического оборудования, а также регенерации рукавных фильтров и очистки электрофильтров [5]. Перспективы широкого применения таких систем в технологиях производства сыпучих материалов и борьбы с обледенениями делают актуальными задачи исследований электромагнитно-импульсных взаимодействий с целью повышения их эффективности и оптимизации конструкций систем, использующих эти принципы.

I. Постановка задачи

В данной статье рассмотрена задача нестационарной теплопередачи, а также зависимость влияния материала токопроводной поверхности пластины (алюминия, дюрали, стали) на эффективность системы "катушка индуктора-токопроводная поверхность". Поскольку эффективность электромагнитно-импульсной системы зависит от электропроводности материала, в котором наводятся вихревые токи, то необходимо исследовать и оценить основные электрофизические параметры взаимодействия катушки индуктора и токопроводной пластины. В работе поставлена задача моделирования и анализа электромагнитно-импульсных взаимодействий при помощи профессиональной версии программы Еlcut 6.0. Поставлена задача получения экспериментальных данных электромагнитно-импульсных взаимодействий с материалом токопроводной пластины, для которого по результатам расчета можно получить вывод о наибольшей эффективности таких систем.

II. Теория

Математическая формулировка задачи расчета поля сводится к преобразованию уравнений Максвелла и получению уравнения, записанного относительно векторного магнитного потенциала в цилиндрической системе координат:

(1)

где A - векторный магнитный потенциал, имеющий также как вектор плотности тока jкат одну составляющую, перпендикулярную плоскости zr расчетной модели; г- электропроводность материала; .

Плотность индуцированных вихревых токов в электропроводном диске определяется из уравнения:

(2)

Электрическое состояние цепи при разряде предварительно заряженного конденсатора до напряжения источника питания на катушку индуктора описывается уравнением:

(3)

где - полное потокосцепление катушки индуктора, изменяющееся во времени при переходном процессе; - активное сопротивление катушки, i-ток в цепи. электромагнитная очистка теплопередача налипание

Расчет температурного поля происходит в линейной постановке задачи с помощью уравнения теплопроводности, записанного в цилиндрических координатах [3]:

(4)

t - время, T - температура, q - удельная мощность тепловыделения (константа), с - удельная теплоемкость (константа), p - плотность.

Объединение уравнений (1) - (4) в систему для совместного решения с учетом заданных граничных и начальных условий основывается на построении расчетной модели нестационарного магнитного поля в комплексе программ Elcut с присоединенной электрической цепью. Решение системы уравнений, описывающих эту модель, позволяет получить временные и амплитудные зависимости токов в катушке индуктора с учётом индукционных взаимодействий с токами в электропроводной пластине. По картине магнитного поля рассчитывается удельная мощность тепловыделения в катушке индуктора и алюминиевом диске.

III. Результаты расчетов и экспериментов

Результатом расчета нестационарного магнитного поля является временная зависимость тока в катушке индуктора при переходном процессе (рис. 1 а). Из графика видно, что продолжительность импульса тока в катушке индуктора составляет около 0,35 мс, а ток достигает максимального значения 2739 A в момент времени 5,02 мс. При этом максимальное значение магнитодвижущей силы катушки равно 65,7 кА. Картина магнитного поля системы индуктор - электропроводная поверхность объекта воздействия, рассчитанная для момента времени 5,02 мс, показана на рис. 1 б. На картине магнитного поля функция магнитного потока имеет значение максимума , а ее минимальное значение равно нулю.

а) б)

Рис. 1. Временная зависимость тока в катушке индуктора (а) и картина магнитного поля электроимпульсного устройства в момент времени достижения максимума тока б)

По результатам моделирования и расчетов при помощи программы Elcut 6.0 получены амплитудно-временные зависимости тока в катушке индуктора для пластин из алюминия, дюрали и стали (рис. 1).

Рис. 2. Расчетные амплитудно-временные зависимости тока в катушке индуктора с пластинами из различных материалов

Из представленных данных можно сделать вывод о том, что токопроводная пластина из алюминия является наиболее эффективной. Анализ результатов расчетов показал, что ток в катушке индуктора с алюминиевой пластиной на 1,46 % превышает ток при взаимодействии с поверхностью из дюралюминия и на 9,26 % при взаимодействии с поверхностью из стали.

Получены результаты расчета нестационарной теплопередачи установки с алюминиевой токопроводной пластиной, на рис. 3. видно, что преждевременный выход из строя установки невозможен, так как нагрев катушки незначителен.

Рис. 3. Температурное поле электроимпульсного устройства спустя время 10 секунд после электрического разряда конденсатора на катушку

На рис. 4 приведены результаты моделирования и расчетов по определению глубины проникновения вихревых токов в электропроводную пластину из алюминия.

а) б)

Рис. 4. Исследование проникновения вихревых токов в алюминиевой пластине, выполненный в ELCUT, где а-модель индукционного взаимодействия (1-катушка индуктора, 2-токопроводящая пластина, 3-магнитосиловые линии); б-расчетная зависимость плотности тока от толщины алюминиевой пластины

По результатам моделирования и расчетов сделан вывод о целесообразности использования токопроводной пластины не более 3,5 мм. Для проведения экспериментальных исследований была собрана установка, принципиальная электрическая схема представлена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема электромагнитно-импульсной установки

Схема состоит из трансформатора питания и гальванической развязки Т 1, умножителя напряжения на диодах VD1-VD9, конденсаторах C1-C9, накопительной емкости Сб, тиристорного коммутатора VS1, индуктора L, токопроводной пластины ТП и схемы управления на трансформаторе Т 2 и диодном мосте VD10. Резистор R2 выполняет роль измерительного преобразователя тока через индуктор в напряжение, фиксируемого при помощи осциллографа.

На рис. 6. приведены результаты экспериментальных исследований тока в индукторе в виде осциллограмм, снимаемых с резистора R2.

Рис. 6. Осциллограмма, снимаемая с резистора R2

IV. Обсуждение результатов

На основе полученных расчётных и экспериментальных данных анализа работы электроимпульсной установки сделан вывод о целесообразности изготовления токопроводной пластины ударного узла из алюминия толщиной 3,5мм. Результаты экспериментальных исследований совпадают с расчётными данными, что позволяет сделать вывод об адекватности представленной модели и корректности её использования для решения аналогичных задач в дальнейшем.

Выводы и заключение

В рамках проведенной работы по разработке электроимпульсной установки можно сделать следующие выводы:

· Получены амплитудно-временные зависимости тока в катушке индуктора при различных материалах электропроводной поверхности;

· Предельные количественные показатели температуры нагрева индуктора свидетельствуют о высокой эффективности электроимпульсной очистки поверхности производственного оборудования;

· Результаты моделирования и расчётов в программной среде Еlcut позволили получить важный практический результат по обоснованию толщины токопроводной пластины из алюминия;

· Создана лабораторная электромагнитно-импульсная установка, позволившая провести экспериментальные исследования взаимодействия электромагнитных взаимодействий поля индуктора с полем вихревых токов, наводимых в электропроводной поверхности;

· Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований имеют хорошее совпадение;

· Главными преимуществами электроимпульсной технологии очистки являются высокая эффективность ударного взаимодействия при малой потребляемой мощности, отсутствие механической деформации поверхностей, сокращение трудоемкости выполняемых операций, а также экологическая чистота, что при повсеместном внедрении приведет к уменьшению затрат на очистку поверхностей, экономии труда и времени рабочего персонала, а также сохранению здоровья и жизни людей.

Список литературы

[1] Патент № 2096269. Способ удаления отложений, преимущественно льда, с очищаемой поверхности обшивки и устройство его осуществления/ И.А. Левин - № 4671256/11 Заявл. 13.04.1989; Опубл. 20.11.1997.

[2] Patent № US5129598 A. Attachable electro-impulse de-icer/ Lowell J. Adams, Norbert A. Weisend, Jr., Thomas E. Wohlwender - Appl. No: 07/455,129; Filed: December 22, 1989.

[3] Шильников, П.Ю. Электроимпульсная очистка поверхностей / П.Ю. Шильников, В.А. Захаренко. - С. 254-255. Россия молодая. - 2013.

[4] Zhang Z.Q, Shen X.B, Lin G.P. Dynamic response analysis of multi-excitation structure of electro-impulse deicing system, IEEE/CSAA International conference on aircraft utility systems (AUS). -OCT 10-12, 2016.

[5] Магнитно-импульсная установка МИГ компания ООО "Интертех" http://inter-teh.com/

Размещено на Allbest.ru