Численное моделирование электротепловой задачи процесса подогрева стыков труб - Курсовая работа

Сварные соединения трубопроводов и корпусных конструкций промышленных объектов, как правило, работают в тяжелых условиях (при высокой или низкой температуре, при большом избыточном давлении рабочей среды, в контакте с агрессивной средой и т. п.), а разуплотнение их наносит большой экономический ущерб, поэтому к их качеству и эксплуатационной надежности предъявляются повышенные требования.Выбор метода расчета и исследования электромагнитных параметров индукционных устройств зависит от вида электромагнитной системы, задачи исследования, имеющихся технических средств и программного обеспечения. Можно выделить три основные задачи: предварительный расчет на стадии выбора варианта устройства; полный расчет проектируемого или эксплуатируемого устройства с целью оптимизации рабочих параметров; исследование устройств определенного типа с целью выяснения закономерностей электромагнитных процессов и получения рекомендаций по использованию таких электромагнитных систем [1]. Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки, значение которых меняется в зависимости от конкретной ситуации, что затрудняет общий анализ. Методы схем замещения для двухмерных и трехмерных систем очень просты, но позволяют определить только интегральные параметры (токи, сопротивления, мощности), имеют ограниченную область применения и недостаточную точность, что затрудняет их использование для параметрической оптимизации [1]. Эксперименты на физических моделях и натурных устройствах применяются для проверки адекватности математических моделей реальным объектам, нахождения или уточнения физических свойств нагреваемых материалов, определения влияния принятых допущений, а также явлений, не учтенных при моделировании, решения вопросов технологического и конструктивного характера.Численные двухмерные модели индукционных нагревателей позволяют всесторонне исследовать процесс нагрева, оценить влияние различных факторов на температурное поле в нагреваемой трубе, провести оптимизацию режимов работы установок. Нелинейности в тепловых уравнениях связаны с зависимостью теплофизических свойств тел и коэффициентов теплообмена от температуры, а в электромагнитных - зависимостью электрофизических свойств материала от температуры и напряженности электромагнитного поля. Электромагнитные процессы в индукционной системе общего вида, состоящей из проводящей загрузки и индуктирующих проводников, описывается системой уравнений где - напряженность электрического поля, - напряженность магнитного поля, - вектор плотности токов, - магнитная индукция, - индукция электрического поля Т.е. связь электромагнитного поля в системе с температурным полем обусловлена зависимостью удельного сопротивления и магнитной проницаемости от температуры. Поскольку температурная постоянная времени системы на несколько порядков больше, чем электромагнитная, зависимость можно заменить кусочно-постоянной зависимостью указанных параметров от времени и решать электромагнитную задачу отдельно от тепловой в каждом из интервалов постоянства свойств.Здесь уместно подчеркнуть небольшую напряженность магнитных полей и большой разброс значений m. (8) где - вектор напряженности магнитного поля, - вектор плотности полного тока, - вектор плотности стороннего тока (ток, текущий под действием стороннего источника), - вектор плотности наведенного вихревого тока, - вектор плотности тока, обусловленного движением тела в магнитном поле, - вектор плотности индукции электрического поля, - вектор напряженности электрического поля, - вектор плотности магнитной индукции, - плотность электрических зарядов. Уравнение связи магнитной индукции и напряженности магнитного поля для задач, учитывающих насыщающийся материал без постоянных магнитов: (10) где - матрица магнитных проницаемостей, может быть задана как функция температуры и/или напряженности поля. Если - функция магнитного поля (только для двухмерной задачи): (12) где - проницаемость, зависящая от напряженности магнитного поля. Для решения задач, связанных с магнитным полем, как правило, используется векторный и скалярный потенциалы (магнитный векторный потенциал и скалярный электрический потенциал).Для связи вектора теплового потока и температурного градиента используется закон Фурье: (35) где - матрица теплопроводности xx, yy - теплопроводность элемента в направлении x и y соответственно. Комбинируя выражения (34) и (35) получим: (36) При граничных условия первого рода задано значение температуры на поверхности S1: (38) где T - заданная температура. При граничных условиях второго рода задан тепловой поток, проходящий через поверхность S2 К граничным условиям III рода относится теплообмен через поверхность S3 в соответствии с законом Ньютона: (40) где - коэффициент теплоотдачи поверхности S3, - температура окружающей среды, - температура.В остальном работа такого индуктора протекает так же как и плоского. При поверхностной закалке, сварке, пайке КПД имеет второстепенное значение, так как технико-экономический эффект, полученный за счет технологических преимуществ

Содержание

Введение

1. Анализ методов моделирования электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве стыков труб

2. Разработка двухмерной численной модели индукционной системы для подогрева стыков труб

2.1 Численное моделирование электромагнитного поля в среде ANSYS

2.2 Численное моделирование температурного поля в среде ANSYS

3. Исследование тепловых полей при индукционном подогреве стыков труб различными типами индукторов и при различной частоте

4. Сравнение характеристик катушечного и петлевого индукторов по результатам численных экспериментов

5. Оценка научно-технической результативности

Заключение

Список использованных источников

Сварные соединения трубопроводов и корпусных конструкций промышленных объектов, как правило, работают в тяжелых условиях (при высокой или низкой температуре, при большом избыточном давлении рабочей среды, в контакте с агрессивной средой и т. п.), а разуплотнение их наносит большой экономический ущерб, поэтому к их качеству и эксплуатационной надежности предъявляются повышенные требования.

Для труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, особенно в зимнее время, применяется подогрев до температуры 100-300 °С, назначением которого является предохранение сварного соединения от возникновения трещин при быстром охлаждении. Различается подогрев предварительный (до начала сварки) и сопутствующий (непосредственно в процессе сварки или во время перерывов в процессе сварки).

Целью работы является создание численной двухмерной модели и исследование индукционных систем для подогрева стыков труб. В работе в качестве базового инструмента исследования был выбран пакет ANSYS.