Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Шумаков Михаил Александрович. Разработка и исследование системы индукционного нагрева вязких жидкостей при производстве строительных мастик : Дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 : Самара, 2003 110 c. РГБ ОД, 61:04-5/1169

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение .' 2

1. Проблема совершенствования технологии нагрева жидкости при производстве строительных мастик 9

1.1 .Особенности применения индукционных нагревателей в теплообменных аппаратах 9

1.2.3адача оптимизации конструкции и режимов работы теплообменных аппаратов с индукционным нагревом 21

2. Идентификация объекта индукционного нагрева 25

2.1 .Постановка задачи и выбор метода решения 25

2.2.Методика моделирования электромагнитных источников тепла 30

2.2.1. Конечно-элементная модель электромагнитной задачи 31

2.3.Моделирование температурных полей в системе «индуктор — стенка трубы — жидкость» 51

2.3.1. Анализ распределения скоростей в потоке жидкости ...51

2.3.2. Обобщённая структура модели температурного поля 59

3. Оптимизация параметров установки и синтез регулятора в системе с запаздыванием 65

3.1. Постановка задачи оптимального проектирования 65

3.2.Оптимальное проектирование конструкции теплообменного аппарата с индукционным нагревом жидкости 68

3.3 .Передаточные функции объекта управления 71

3.4.Синтез многомерной САР режимом индукционного нагрева 75

4. Реализация системы индукционного нагрева в технологическом комплексе производства строительных мастик 89

Заключение 93

Литература 94  

Введение к работе:

Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных нагревателей непрерывного действия в установках по производству строительных мастик.

Актуальность проблемы: В строительной, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для обработки реакционных масс, при изготовлении строительных мастик для мягкой кровли и дорожных покрытий на базе продуктов нефтепереработки находят все более широкое применение теплообменные аппараты непрерывного действия с индукционным нагревом до температур в интервале 50-600 °С.

Опыт применения индукционных установок для нагрева неэлектропроводных жидких и сыпучих материалов показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. По сравнению с другими видами нагрева индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, которые заключаются в экономичности, избирательности и высокой интенсивности нагрева. Однако, на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К их числу относится проблема разработки и реализации конструкции нагревателя с оптимальными энерготехнологическими характеристиками и систем управления, минимизирующих энергозатраты на нагрев в условиях жестких технологических ограничений.

Внедрение эффективных технологий, использующих индукционный нагрев, требует предварительного исследования процессов методами физического и математического моделирования. В настоящей работе за основной технологический параметр рассматриваемой системы принимается температурное распределение в движущемся потоке неэлектропроводного материала, нагреваемого посредством теплопередачи от промежуточного тепловыделяющего цилиндра. Для получения адекватного описания процессов нестационарной теплопроводности в рассматриваемой системе требуется решение комплексной задачи, включающей в себя электромагнитные процессы в системе «индуктор -металл», процесс тепловыделения в металлическом цилиндре и процесс теплопередачи от него к нагреваемому продукту, причем, процесс теплообмена между металлической стенкой и потоком жидкости осложняется наличием их взаимного перемещения. Рассматриваемые процессы относятся к наиболее сложным с точки зрения математического моделирования объектам с распределенными параметрами.

При разработке математической модели нагрева жидкости в теплообменном аппарате с электромагнитными источниками тепла необходимо так же решить гидравлическую задачу, поскольку для получения точного распределения температурного поля в нагреваемом объекте, представляющем собой поток жидкости, движущийся с определенной скоростью, необходимо учитывать неравномерное распределение скорости жидкости по сечению и ее влияние на температурное распределение.

Решение практически важных задач проектирования, эксплуатации и автоматизации высокоэффективных индукционных нагревателей требует комплексного подхода, включающего разработку адекватных моделей сложных электромагнитных и тепловых процессов в сопряженных физически неоднородных средах, оптимизацию конструкций индукционных нагревателей и алгоритмов управления, обеспечивающих качественное функционирование всего технологического комплекса.

В этой связи актуальными являются задачи исследования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор — металл — нагреваемый поток жидкости», разработки методики проектирования энергоэффективных нагревательных установок на основе индукционного способа нагрева и синтеза алгоритмов и систем управления.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (гос. регистрационный № 01200208264) по заданию Министерства образования РФ.

Цель работы, является разработка оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева потока жидкости на основе выявленных закономерностей, построение на базе проведенных исследований высокоэффективных технологических установок и систем управления для рассматриваемых объектов.

Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете. е. Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, теории электромагнитного поля, теории оптимального управления систем с распределенными параметрами, теории оптимального проектирования, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты: - численная и аналитическая математические модели процесса теплопроводности при индукционном нагреве осесимметричных физически неоднородных тел с относительным перемещением, ориентированные на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными комплексами; • -методика расчета конструкции нагревателя непрерывного действия с минимальной длиной индукционной системы; -структура замкнутой системы автоматического регулирования температуры битума в многосекционном теплообменном аппарате с индукционным нагревом.

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукционных щ нагревательных установок, выбора источника питания, расчета оптимального режима работы и синтеза алгоритмов и систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических процессах.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных и тепловых полей при непрерывном индукционном нагреве жидкости с учетом неравномерного по сечению распределения скорости потока жидкости;

- разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для теплообменных аппаратов в установках технологического нагрева вязких жидкостей;

- предложена структурная схема системы, реализующей оптимальный алгоритм управления объектом с запаздыванием на базе управляющей микропроцессорной техники;

- на основании проведенных исследований создана электротермическая установка непрерывного действия для нагрева битума в технологической линии производства строительных мастик.

Полученные электромагнитная и тепловая модели позволяют использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для других практически важных задач технологического нагрева.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 1999), на 7-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2001), на 2-й Международной конференции молодых учёных и студентов (г.Самара, 2001), на научно-технической конференции «Электротехнология на рубеже веков» (г. Саратов, 2001), на 11-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2001), на 6-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2002), на 12-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 93 страницах машинописного текста; содержит 41 рисунок, 2 таблицы, список использованных источников из 138 наименований и 2 приложения.

На защиту выносятся следующие положения;

— Математические модели процесса нестационарной теплопроводности в системе «индуктор-металлическая труба-жидкость», ориентированные на решение задач оптимального проектирования и управления теплообменными аппаратами непрерывного действия с индукционным нагревом.

— Рекомендации по выбору оптимальных параметров индукционных нагревателей для теплообменных аппаратов, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат.

— Специализированная установка непрерывного индукционного нагрева для технологического комплекса по производству строительных мастик.

Краткое содержание работы.

В первой главе проведен обзор работ, посвященных современному состоянию теории и практики в области индукционного нагрева, использованию индукционных нагревательных установок в различных технологических процессах. Показан ряд специфических особенностей исследуемой в настоящей работе установки.

Рассмотрены технология изготовления строительных мастик, а также другие технологии, составной частью которых является нагрев нефтепродуктов.

Проведён сравнительный анализ существующих в настоящее время способов нагрева жидкостей и в том числе электрический нагрев (индукционный и косвенный нагрев сопротивлением). Показаны существующие конструкции индукционных нагревателей жидкости.

Во второй главе рассмотрены задачи численной и аналитической идентификации объекта управления, гидравлический расчет, предложена методика расчета электромагнитного и температурного полей при непрерывном движении потока жидкости через нагреватель с учетом неравномерного распределения скоростей потока жидкости по сечению. Разработана программа расчёта плотности тока и мощности источников внутреннего тепловыделения в цилиндрических трубах. Также разработана программа, предназначенная для получения точной картины температурного поля при движении жидкости через теплообменник.

Проведён анализ функции распределения внутренних источников тепла. Даны рекомендации по выбору оптимальной конструкции и параметров индукционных нагревателей и теплообменного аппарата исходя из требований технологии производства и для достижения наименьших затрат энергоресурсов.

В третьей главе решаются задачи оптимизации конструктивных характеристик нагревателя процессами индукционного нагрева изделий в специализированных установках утилизации.

Определяется методика выбора оптимальных характеристик и режимов работы индукционных нагревателей, базирующуюся на системном подходе, с помощью которого могут быть решены различные частные задачи оптимального проектирования технологического оборудования.

При решении задачи оптимального проектирования проводится процесс выбора управляемых переменных, лежащих в некоторой допустимой области и обеспечивающих оптимальное значение критериев оптимальности.

В качестве основных критериев, характеризующих индукционный нагрев жидкости, принимаются критерии, отражающие качество нагрева (достижение требуемого диапазона температур на выходе из теплообменного аппарата), энергетические показатели установки (удельное потребление энергии), капитальные и эксплуатационные затраты, габаритные размеры установки.

На основании проведенных расчетов разработана оптимальная конструкция индуктора, отвечающая рассматриваемым критериям.

Рассмотрены вопросы разработки и реализации оптимальных алгоритмов функционирования нагревательной установки в переходных режимах работы при смене производительности установки и изменении физических свойств исходных материалов.

Осуществлена компенсация запаздывания в системе, обусловленного транспортированием жидкости вдоль нагревателя.

В четвертой главе рассмотрена реализация системы индукционного нагрева в технологической линии по производству строительных мастик.

Алгоритмы оптимального управления установкой реализованы на базе рабочей станции. Рабочая станция AWS - 825 В/ 825РВ соединяется с внешними устройствами с помощью преобразователей ADAM-4018 и ADAM-4021, выпускаемых фирмой Advantech (США).

Подобные работы
Бузуев Алексей Николаевич
Разработка и исследование системы индукционного нагрева для пайки многослойных изделий
Крылов Алексей Николаевич
Исследование и разработка системы косвенного индукционного нагрева при производстве пенополистирольных плит
Шатов Виталий Александрович
Разработка методики расчета и исследование коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева промышленной и повышенной частоты
Батищев Арсений Михайлович
Исследование и повышение эффективности системы косвенного индукционного нагрева жидкости
Обухова Алла Васильевна
Исследование и разработка индукционной системы выплавки тротила для конверсионных технологий
Пронин Александр Михайлович
Исследование и разработка методов расчета индукционных систем с магнитопроводами
Демидович Виктор Болеславович
Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности
Зиннатуллин Дмитрий Анатольевич
Исследование и разработка трубчатого индукционного нагревателя жидкости
Данилушкин Василий Александрович
Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти
Малышев Александр Анатольевич
Исследование и разработка индукционных нагревателей плоских тел перед прокаткой

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net