Исследование распределения температурного поля в плоской загрузке

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева»

Исследование распределения температурного поля в плоской загрузке

Качанов А.Н., Гладышев А.В.

Аннотация

В статье приведены результаты исследования распределения температурного поля в плоской загрузке при одностороннем нагреве примыкающим индуктором.

Ключевые слова: тепловое поле, примыкающий индуктор, плоская магнитная загрузка, программа «ELCUT».

Annotation

The article presents the results of a study of the temperature field distribution in a plane loaded with one-sided heating of adjacent inductor.

Key words: thermal field, adjacent inductor, planar magnetic loading, the program «ELCUT».

Для оптимизации технологических процессов, связанных с нагревом плоских металлических изделий, требуется обеспечение их равномерного объемного нагрева.

Одним из вариантов технического решения данной задачи может быть использование примыкающих индукторов, которые благодаря своим высоким энергетическим характеристикам и относительно небольшим массогабаритным размерам хорошо встраиваются в действующие технологические линии [1]. На рисунке 1,а представлен фрагмент экспериментальной установки для нагрева металлических пластин различной толщины.

Рисунок 1. Фрагмент экспериментальной установки (а) и схемы размещения термопар и точек измерения температуры пирометром относительно индуктора (б): 1 - обмотка, 2 - магнитопровод, 3 - загрузка, 4 - термопары, 5 - точки измерения температуры оптическим пирометром

При проведении экспериментальных исследований температура загрузки измерялась в точках, схематически указанных на рисунке 1, б, с помощью автоматического потенциометра типа КСП2-068 и оптического пирометра марки С-300. В качестве первичных датчиков температуры были использованы хромель-копелевые термопары с рабочим диапазоном температур от -200°С до +600°С. Полученные результаты измерений распределения температуры в пластине вдоль осей абсцисс (х) и ординат (у) представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Кривые распределения температуры вдоль осей абсцисс (а) и ординат (б)

Из анализа приведенных выше графиков следует, что при данном способе нагрева наибольшая температура загрузки получена под полюсами магнитопровода и в межполюсном пространстве П-образного магнитопровода примыкающего индуктора. По мере увеличения времени нагрева растет неравномерность распределения температуры по стальной пластине.

Для измерения температуры по поверхности нагреваемого объекта со стороны примыкания индуктора был использован ручной оптический пирометр. Схема размещения точек измерения температуры оптическим пирометром представлена на рисунке 1, б, а результаты измерения температуры по поверхности загрузки представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Кривые распределения температуры по поверхности загрузки

Из анализа кривых распределения температуры по поверхности пластины, приведенных на графике (рис. 3), следует, что наибольшая температура наблюдается в зоне между полюсами, а в зонах примыкания полюсов магнитопровода к загрузке и за пределами индуктора температура уменьшается. С увеличением времени нагрева абсолютная температура по объему загрузки возрастает, но и неравномерность распределения температуры при этом также увеличивается.

Процесс нагрева металлической пластины был смоделирован в программе «ELCUT» [2]. На первом этапе решения поставленной задачи было определено распределение внутренних источников энергии в системе «примыкающий индуктор - плоская загрузка». Далее с использованием полученных результатов была решена задача нестационарной теплопередачи исследуемой системы.

Картина распределения температуры по объему загрузки и графики распределения температуры по поверхности загрузки представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Картина распределения температуры по объему загрузки (а) и кривые распределения температуры (б) по поверхности плоской загрузки

Из анализа картины распределения температурного поля по объему загрузки и кривых распределения температуры по длине загрузки, представленных на рисунке 4, следует, что наибольшая температура имеет место в центре загрузки, что было подтверждено экспериментально, а в зонах примыкания полюсов магнитопровода к загрузке она уменьшается. Наибольшее значение температуры, отмеченное через 30 минут нагрева, составляет 470 ^оС, наименьшее - 399 ^оС. Таким образом, разница температур между центром загрузки и полюсами магнитопровода составляет 71 ^оС, что подтверждает наличие неравномерности нагрева плоской загрузки по её поверхности и объему и концентрацию основных источников тепла в межполюсном пространстве системы «примыкающий индуктор - плоская загрузка».

Достоверность результатов исследований, полученных с помощью программного пакета «ELCUT», подтверждена их хорошей сходимостью с данными, полученными экспериментальным путем на физической модели.

односторонний нагрев изделие индуктор

Выводы

Обобщая полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

1) при одностороннем нагреве примыкающим индуктором наибольшая энергия концентрируется в межполюсном пространстве и под полюсами магнитопровода, что приводит к неравномерному распределению температуры по объему и поверхности плоской загрузки и, как следствие, к локальному перегреву отдельных областей;

2) с увеличением времени нагрева растет неравномерность распределения температуры по объему нагреваемого изделия.

Для устранения указанных выше недостатков требуется дополнительное проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование системы «примыкающий индуктор - плоская загрузка» с учетом изменения электрофизических свойств нагреваемых материалов. Одним из возможных способов получения однородного нагрева по объему и поверхности плоских металлических изделий может быть использование нескольких примыкающих индукторов, смещенных относительно друг от друга [3].

Список литературы

1. Качанов, А.Н. Классификация и область применения систем низкотемпературного индукционного нагрева с разомкнутыми магнитопроводами [Текст] / А.Н. Качанов, Н.А. Качанов, Д.А. Коренков // В сб.: Вестник МЭИ. - Москва: Изд-во МЭИ. - 2016. - С. 36 - 40.

2. ELCUT.Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Руководство пользователя/ Санкт-Петербург: Производственный кооператив ТОР, 2010. - 345 с.

3. Качанов А.Н. Исследование распределения основных параметров тепловых полей в системе «примыкающий индуктор - плоская загрузка» с использованием программы «ELCUT» [Текст] / А.Н. Качанов, А.В. Гладышев, М.А. Шалимов // В сб.: Энерго - и ресурсосбережение - XXI век.: Материалы XIII международной научно-практической интернет-конференции, 15 марта - 30 июня 2015 г. - Орёл: Госуниверситет - УНПК. - 2015. - С. 81 - 84.

Размещено на Allbest.ru