1.1. Нагрев жидких и сыпучих неэлектропроводных материалов в индукционных установках непрерывного действия

Индукционные нагреватели непрерывного действия широко и эффективно используются в технологических процессах нефтепереработки, при производстве методом экструдирования изделий из пенополистирола и полиэтилена и т.д.

Индукционный нагреватель (рис. 1.1), применяемый в непрерывных производствах для переработки жидких или сыпучих материалов, представляет собой конструкцию, состоящую из системы индуктирующих катушек 1, охватывающих внешнюю цилиндрическую трубу 2. Нагреваемый материал 3 перемещается с определенной скоростью V между внешней 2 и внутренней 4 цилиндрическими трубами. Выделяемое под действием индуцированных в цилиндре 2 токов тепло передается обрабатываемому материалу 3 через поверхность контакта с внешним цилиндром. Внутренний цилиндр 4 ограничивает толщину нагреваемого слоя материала с целью получения равномерного нагрева жидкости по сечению в установках для нагрева нефтепродуктов или служит в качестве шнека – движителя для перемещения нагреваемого материала в экструдере при нагреве гранул полиэтилена или пенополистирола. В последнем случае шнек снабжается автономной системой термостатирования.

Таблица 1.1

Типовые объекты индукционного нагрева

Характер процесса		Схема процесса	Область применения
П Е Р И О Д	Нагрев системы двух неоднородных цилиндров		Конверсионные технологии, утилизация боеприпасов
И Ч Е С К И Й	Нагрев ограниченных цилиндров (сплошного и полого)		Изготовление колес и бандажей для ж/д транспорта. Испытательные комплексы авиационные машиностроения
	Нагрев жидких и сыпучих компонентов в проходном индукторе с промежуточным тепловыделяющим цилиндром		Производство пенополистирольных плит, нагрев нефтепродуктов
Н Е П Р Е Р	Непрерывный нагрев однородного цилиндра в цилиндрическом индукторе		Машиностроение, штамповка колёц для подшипников, клапанов для ДВС
Ы В Н Ы Й	Непрерывный нагрев однородных цилиндров в щелевом индукторе		Конверсионные технологии, утилизация взрывателей
	Локальный нагрев крупногабаритных колец при раскатке		Машиностроение, изготовление колец для крупногабаритных подшипников

Схема нагрева жидких компонентов в проходном индукционном нагревателе

Рисунок 1.1

Процесс индукционного нагрева физически неоднородных цилиндрических тел в проходном нагревателе может быть представлен в первом приближении системой линейных неоднородных дифференциальных уравнений вида [59]

,

; (1.1)

,

; (1.2)

с условиями сопряжения на границе раздела двух сред:

, (1.3)

Начальные и граничные условия принимаются в зависимости от конкретных условий работы. Здесь – температурные распределения соответственно во внешнем и внутреннем цилиндрах, – радиальная и аксиальная координаты и время процесса,  – функция распределения мощности внутренних источников тепла, – коэффициент температуропроводности, L – длина нагревателя, – радиус сопряжения цилиндров, .

Источники внутреннего тепловыделения могут быть представлены в виде распределенной по объему внешнего тепловыделяющего цилиндра удельной мощности. Характер распределения зависит от требований технологического процесса к уровню температур по длине нагревателя, электро- теплофизических характеристик тепловыделяющего цилиндра, электрических параметров источника питания. Установки рассматриваемого класса преимущественно имеют несколько автономных зон нагрева. Так как в зависимости от назначения нагревательной установки, характера обрабатываемого материала, уровня температур и др. в качестве материала внешнего тепловыделяющего цилиндра используется либо обычная углеродистая сталь, либо нержавеющая, конкретный характер функции распределения мощности определяется для каждой технологической установки индивидуально.

Решение задачи управления технологическим процессом в данном случае носит комплексный характер. Проблема оптимизации стационарного режима работы сводится к определению постоянного во времени оптимального распределения мощности внутренних теплоисточников по длине нагревателя, что целесообразно осуществить на стадии проектирования объекта [37, 64, 106]. В установившемся режиме работы система автоматического управления должна обеспечить заданное распределение температуры в пределах каждой тепловой зоны. Эта задача может быть решена системой оптимальной стабилизации [135, 136, 137, 156, 157].

В реальных условиях работы технологического оборудования значительное место наряду с установившимися режимами нагрева занимают переходные режимы, возникающие при первоначальном пуске установки или при смене производительности, сопровождающиеся существенными отклонениями от характеристик стационарных процессов. В связи с этим становится актуальной задача оптимального управления переходными режимами, ставящего целью минимизацию времени переходного процесса при максимальной точности поддержания температуры материала на выходе из нагревателя.

В общем случае задача оптимального управления нагревом в переходных режимах может быть поставлена как задача с обобщенным экономическим критерием, или как задача оптимизации какого-либо частного критерия, обусловленного технологическими особенностями конкретного производства, который оказывает наиболее существенное влияние на экономические показатели работы установки. Для ряда технологических процессов в условиях, когда работа нагревательной установки сдерживает работу связанного с ним технологического оборудования, определяющей является задача минимизации суммарной потери темпа выдачи изделий в переходных режимах работы нагревателей. Там, где основной задачей является обеспечение точности заданного температурного распределения, ставится задача на максимум точности нагрева. При этом критерий оптимальности в соответствующих задачах оптимизации переходных режимов работы может быть сформулирован в следующем виде [107]:

.

В реальной ситуации задачу повышения производительности технологической установки в условиях существующих энергетических и технологических ограничений можно рассматривать как задачу оптимального управления процессом нагрева, обеспечивающего минимум среднеквадратичного отклонения температуры материала на выходе из нагревателя при максимальном быстродействии в переходных режимах работы установки. Третий круг задач управления сводится к стабилизации тех или иных параметров системы при действии случайных возмущений. Очевидно, что предъявляемые к рассматриваемым технологическим процессам с индукционным нагревом требования могут быть удовлетворены с высоким качеством только с помощью создания оптимальных алгоритмов и систем автоматического управления, обеспечивающих выполнение заданного технологического режима с допустимой погрешностью.