CC BY
3
УДК 621.7.044.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-384-385
ПРИМЕНЕНИЕ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ С ЭЖЕКТОРОМ ДЛЯ ВНУТРЕННЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ КОНЦЕНТРАТОРОВ ИНДУКТОРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
В.Н. Самохвалов, Д.Г. Черников, Р.Ю. Юсупов, О.И. Кибисов
Рассмотрена возможность и эффективность внутриканального охлаждения индукторной системы с концентратором магнитного поля, применяемого в процессах магнитно-импульсной обработки металлов, низкотемпературным потоком воздуха от вихревой трубы с эжектором. Установлено, что предлагаемый способ и устройство обладает достаточно высокой эффективностью при высокой степени безопасности процесса.
Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка, концентратор магнитного поля, охлаждение, вихревая труба, эжектор.
Концентраторы магнитного потока широко применяются при высокочастотном нагреве проводников, для формирования зоны усиленного поля в приосевой области магнита [1], а также для создания требуемого распределения индукции и увеличения напряженности поля в локальных зонах при магнитно-импульсной обработке металлов (МИОМ) [2,3]. Концентраторы магнитного поля для МИОМ выполняются из высокопрочных материалов с высокой электропроводностью, поэтому применение концентраторов позволяет существенно увеличить ресурс индукторных систем.
В условиях серийного производства, при большой частоте следования импульсов разрядов магнитно-импульсной установки (МИУ), концентраторы требуют охлаждения. В связи с большой массой концентратора при относительно малой площади его открытой поверхности внутри индуктора, поверхностное охлаждение обдувом воздуха не эффективно. Охлаждение концентратора целесообразно проводить охлаждающей средой проходящей по каналам внутри него. Для этих целей может использоваться неэлектропроводная жидкость с малым коэффициентом поверхностного натяжения - деминерализованная вода, масло и т.п. В этом случае концентраторы охлаждают с применением системы охлаждения водяного или масляного радиатора с вентилятором. Но применение таких агрегатов требует высокой степени герметичности всей системы охлаждения концентратора, нарушение которой в процессе разряда МИУ может приводить к не допустимым последствиям.
Исключение этих недостатков возможно при охлаждении концентратора низкотемпературным потоком воздуха от вихревой трубы (ВТ), проходящим по его внутренним каналам. Концентратор, охлаждаемый изнутри воздухом, не требует обеспечения строгой герметичности, как в случае применения охлаждающей жидкости. Поэтому разъемный концентратор можно делать с поперечным разъемом и осевой стяжкой частей. Небольшой выход сухого воздуха через микро зазоры по поверхности стыка частей концентратора не представляет опасности для работы, как индуктора, так и всего технологического электрооборудования.
Вихревая труба может быть подключена к обычной заводской сети питания сжатым воздухом [4, 5]. Вихревые трубы имеют ряд положительных свойств по отношению к другим возможным устройствам охлаждения индукторных систем с концентраторами магнитного поля:
- отсутствуют какие-либо хладагенты и теплоносители;
- простота конструкции ВТ минимизирует трудоемкость ее изготовления, а также монтаж и обслуживание;
- отсутствуют подвижные части, что существенно повышает надежность функционирования системы охлаждения индуктора.
Вихревая труба является мало инерционным устройством - время выхода ВТ на номинальный режим работы после подачи сжатого газа на вход составляет 1-2 с [6], что позволяет практически мгновенно регулировать тепловой режим работы системы охлаждения концентратора.
Целью экспериментов было исследование возможности и эффективности внутриканального охлаждения концентратора магнитного поля воздухом с низкой температурой от ВТ. При этом, побочным продуктом при работе ВТ в режиме генератора холода является поток нагретого воздуха. Его можно использовать для увеличения эффективности прокачки охлажденного воздуха по длинным и узким каналам охлаждения в концентраторе путем применения встроенного эжектора.
Экспериментальное оборудование и оснастка. Принципиальная схема использованного экспериментального оборудования показана на рис. 1. Оно включает ВТ (1) с встроенным эжектором (2), подключенную к сети сжатого воздуха, воздушный редуктор и манометр. Выход охлажденного воздуха из ВТ через гибкие шланги, тройник и трубки подключены к входным отверстиям охлаждающих каналов в концентраторе (4). Выходные отверстия концентратора через шланги, тройник и трубки соединены с низконапорным входом эжектора. Высоконапорный вход эжектора соединен с «горячим» выходом ВТ. Концентратор расположен внутри многовиткового индуктора (3), подключенного к магнитно-импульсной установке МИУ-10У. В концентраторе установлена толстостенная заготовка (6) - пруток из
алюминиевого сплава. Измерение температуры нагрева и охлаждения в контрольных точках производилось тепловизором (5), а температура воздуха на выходе из ВТ и на входе в эжектор измерялась электронными термометрами Digital Thermometer Mastech MS6500 с применением термопар. Спай термопар размещался в центре соединительных резиновых трубок.
Рис. 1. Схема экспериментального оборудования: 1 - вихревая труба, 2 - эжектор, 3 - индуктор, 4 - концентратор, 5 - тепловизор, 6 - заготовка
Общий вид экспериментально стенда представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Экспериментальный стенд на базе МИУ-10У
Давление охлажденного воздуха на выходе из ВТ сравнительно мало - не более 0,1 МПа, при давлении в обычных заводских сетях сжатого воздуха Р = 0,6 - 0,8 МПа. С учетом большого сопротивления протеканию воздушного потока по длинному и узкому каналу в концентраторе, выход из охлаждающего канала концентратора был подключен к низконапорному входу эжектора (2). Использование эффекта эжектирования (откачки воздуха) повышает разность давлений на входе и выходе из канала охлаждения концентратора. Это позволяет повысить скорость и объем охлажденного воздуха, проходящего по узким и длинным каналам в концентраторе, при неизменном давлении на входе ВТ и неизменном общем расходе сжатого воздуха.
Схема разработанной ВТ с встроенным эжектором, показана на рис. 3.
Рис. 3. Вихревая труба с встроенным эжектором
Сжатый воздух в ВТ подается через штуцер (6) и закручивается «улиткой» (5), выполненной по спирали Архимеда, в камере расширения (1). Диаметр камеры расширения равна Б=10 мм, длина 76 мм. Толщина «улитки» 2,5 мм.
Охлажденный поток воздуха выходит через штуцер (7) во фланце (2) и поступает на вход в канал охлаждения концентратора (рис. 1). Нагретый периферийный поток воздуха проходит через раз-вихритель во фланце (3) и отверстие в сопле (10), поступая на высоконапорный вход в камеру смешения (9) эжектора. Через низконапорный штуцер (8) в эжектор поступает нагретый воздух из канала охлаждения концентратора. Сменные диафрагмы (5) из нержавеющей стали толщиной 0,25 мм выполнены с диаметрами отверстия ё равными 3; 4; 4,5 и 5 мм (а/0=0,3...0,5). Сменные сопла (10) выполнены с диаметрами проходного отверстия БС равными 2,5; 3; 3,5; 4; 5; 6 и 7 мм. Шайба (11) предназначена для герметизации камеры эжектора при установке сменных сопел.
Для интенсификации теплоотвода, внутреннюю полость воздушных каналов внутри концентратора целесообразно выполнять с большой площадью теплоотвода (большим периметром сечения канала), т.е. узкие, но глубокие каналы. При этом, с учетом относительно низкой теплопроводности воздуха, желательна максимально большая длина этих каналов внутри концентратора, что повышает эффективность охлаждения концентратора при постоянном объеме проходящего потока воздуха от ВТ. Некоторые возможные схемы расположения каналов охлаждения, которые можно получит фрезерованием, например, на станках с ЧПУ, показаны на рис. 4.
— I —I
а б
Рис. 4. Принципиальные схемы возможного расположения каналов воздушного охлаждения
внутри концентратора
При выполнении каналов по первой схеме (рис. 4, а) достигается наибольшая площадь поверхности внутреннего канала, охлаждаемая воздухом, что существенно с учетом малой теплопроводности воздуха. Схема кольцевых каналов с одинарным вводом и выходом охлаждающего воздуха (рис. 4, б) проще в изготовлении и удобнее для размещения входных и выходных штуцеров, особенно у концентраторов малого диаметра, т.к. они располагаются дальше друг от друга. Число каналов определяется исходя из толщины перемычек между каналами для обеспечения необходимой механической прочности внешнего и внутреннего кольца концентратора, расположенных вблизи скин-слоя вихревых токов при работе индукторной системы.
Возможна схема кольцевых каналов с двойным входом и выходом воздуха, которая позволяет лучше охлаждать зону разреза концентратора и обеспечивает более равномерное охлаждение всего объема металла концентратора (рис. 5).
а б
Рис. 5. Принципиальная схема каналов воздушного охлаждения (а) и общий вид (б) разъемного концентратора
Кроме того, здесь воздушные каналы проходят относительно близко к скин-слою тока, протекающего при разряде МИУ по поверхностям концентратора. Поэтому такая схема позволяет обеспечить наиболее быстрое охлаждение всего объема металла концентратора, нагреваемого протекающими по нему импульсными вихревыми токами.
Воздушные штуцеры целесообразно устанавливать с нерабочей стороны концентратора (со стороны подключения выводов индуктора к МИУ) - они не мешают свободному доступу к концентратору во время установки и съема обрабатываемых заготовок.
При проведении экспериментальных исследований был использован концентратор с двойным входом и выходом воздуха (рис. 5). Наружный диаметр концентратора равен 100 мм, диаметр рабочего отверстия 30 мм, длина его рабочей зоны 20 мм. Ширина рабочей зоны многовиткового индуктора составил 32 мм, ширина концентратора по наружному диаметру - 40 мм. Индуктор подключался к магнитно-импульсной установке МИУ-10У (емкость накопителя энергии C = 70 мкФ; частота разряда собственная F0 = 55 кГц; индуктивность разрядного контура L0 = 110 мкГн; напряжение заряда U = 1 - 19 кВ; максимальная запасаемая энергия Wmax = 10 кДж), разработанной Самарским университетом.
Для измерения температуры нагрева концентратора и фиксации общей картины его теплового поля применялся тепловизор FLIR Thermovision A20M-F (5, рис. 1). Ось объектива тепловизора была нормальна поперечному сечению индуктора (концентратора). Съемка производилась с расстояния 1,2 м. Для работы тепловизора и визуализации результатов измерений применялась программа ThermaCAM Resercher Professional 2.8 SR-1.
Для повышения контрастности теплового поля и точности измерения температур (исключения бликов) при работе тепловизора, поверхность концентратора была подвергнута пескоструйной обработке.
Методика экспериментального исследования. Эксперименты проводились при давлении сжатого воздуха на входе в ВТ равном P=0,5 МПа. Варьируемыми факторами в рандомизированных экспериментах были диаметр отверстия диафрагмы ВТ d («холодный» выход ВТ) и диаметр отверстия сопла De, выполняющего роль осевого диффузора ВТ («горячий» выход ВТ). Это позволило менять как относительный весовой расход холодного потока ц [4, 5], так и величину снижения температуры охлажденного потока ДТХ:
ц=0х/0, ДТх = Tx - To , (1)
где G - весовой расход сжатого воздуха на входе ВТ; Gx - расход холодного потока на выходе ВТ; Tx -температура охлажденного воздуха на выходе ВТ; Т0 - температура воздуха на входе ВТ.
Варьирование диаметром отверстия сопла, при постоянном диаметре смесительной камеры DK в корпусе эжектора, равном 8 мм, позволяло также изменять величину основной геометрической характеристики эжектора m:
m=Fk/Fs, (2)
где FK - площадь сечения камеры смешения; FS - площадь сечения сопла активного потока:
FK =f dK, Fs = J Dl
(3)
где ВК - диаметр смесительной камеры; ^ - диаметр отверстия сопла эжектора.
С увеличением т растет величина коэффициента эжекции [7]:
¡^СЪ/Сп, (4)
где С1 - расход (объем) эжектирующего потока; С2 - объем эжектируемого газа.
В нашем случае, С1 - расход «горячего» воздуха из ВТ на высоконапорном входе эжектора, С2 - объем охлаждающего воздуха на низконапорном входе эжектора, равный расходу холодного потока ВТ:
к = ^Х = _
С 1 -А, (5)
Экспериментальные исследования проводились при постоянном давлении сжатого воздуха на входе в ВТ Р = 0,5 МПа, поддерживаемым с помощью редуктора с использованием принципа рандомизации опытов. Варьируемыми параметрами были диаметр отверстия диафрагмы ё и диаметр отверстия сопла Вс, выполняющего одновременно роль диффузора. Это позволяло варьировать относительным весовым расходом холодного потока:
\irGJG, (6)
где С - весовой расход сжатого воздуха на входе ВТ, Сх - расход холодного потока.
Переменной геометрической характеристикой используемой ВТ совмещенной с эжектором являлось отношение площадей проходных сечений диафрагмы (холодный поток) и сопла эжектора, выполняющего роль диффузора ВТ (нагретый поток):
Р = ^ = 4, (7)
Рс вС
где Рд, ё - площади и диаметр отверстия диафрагмы ВТ; Рс, Вс - площади и диаметр отверстия сопла эжектора, выполняющего роль диффузора ВТ.
Точки измерения тепловизором температуры открытой поверхности концентратора при всех режимах работы ВТ с эжектором и без эжектора показаны на рис. 6. Контрольные точки расположены на плоской торцевой поверхности концентратора, что позволило минимизировать погрешности измерения температуры тепловизором (угол наклона конической части концентратора 27,5°, а допустимый угол при работе тепловизора не более 7°).
Рис. 6. Точки и линия измерения температуры на поверхности концентратора
В качестве показателя эффективности охлаждения концентратора взята скорость его охлаждения, т.е. отношение величины снижения средней температуры нагретого концентратора ДТ в контрольных точках к времени снижения средней температуры охлажденного концентратора в контрольных точках до заданной величины, от момента включения ВТ Дт :
0.=ДТ/Дт , ° С/мин, (8)
где ДТ= Тнс - Тхс, Тнс - средняя температура в контрольных точках после серии импульсов МИУ; Тхс -средняя температура в контрольных точках при достижении значения Т5 = 25 °С при работе вихревой трубы.
Экспериментальные исследования. В каждом отдельном опыте производился 10-ти кратный разряд накопителей МИУ-10 с энергией W=2 кДж, с минимальной временной задержкой. С использованием тепловизора измерялась температура в контрольных точках Т\ ... Т5 поверхности концентратора. После этого запускалась ВТ и фиксировалось время охлаждения в точке Т5. (точка максимального нагрева) до температуры 25 °С.
С использованием тепловизора производилось измерение температуры нагрева (рис. 7, а) и охлаждения (рис. 7, б) в контрольных точках на поверхности концентратора. Одновременно по тепловизору фиксировалась и фотографировалась общая картина теплового поля на поверхности концентратора.
fí ^ < - " гиме» ' <.►■ i't- Л Т«1сн
Í а.1 i/j
■П
li- 4-^
je-
И-
Ом щ„ и,.
tu IM
б
Рис. 7. Температура поверхности концентратора в контрольных точках и по линии L[0]: а - после серии разрядов МИУ, б - после включения вихревой трубы и охлаждении концентратора
Определялась разница средних температур в контрольных точках при импульсном нагреве и последующем охлаждении, а затем величина эффективности охлаждения ДТХС при работе ВТ с эжектором и без эжектора. В последнем случае выходной шланг отсоединялся от штуцера низконапорного входа эжектора и штуцер заглушался пробкой.
Для серийного производства главным фактором оценки работоспособности индукторной системы с концентратором является скорость его охлаждения. Получены зависимости интенсивности (скорости) охлаждения концентратора О от температуры нагрева после серии импульсов к времени достижения температуры 25 °С в точке Т5 от величины в (при ё/В=0,4), при работе вихревой трубы с эжектором и без эжектора (рис. 8).
Рис.8. Сравнение скорости охлаждения концентратора вихревой трубой с эжектором
и без эжектора
Обсуждение результатов экспериментов. Эффект охлаждения воздуха ДТХ в ВТ без применения эжектора достигает максимума при ц= 0,25, а удельная холодопроизводительность q - при ц= 0,6 [4]:
q = Ц -ДТх • Ср, (9)
где Ср - изобарная теплоемкость воздуха; ц - относительный весовой расход холодного потока.
Вследствие возрастания степени расширения газа при использовании эжектора, теоретическая расчетная величина эффекта охлаждения ДТХ может увеличиться на 12...22 %, а наиболее эффективное использование эжектора для утилизации энергии горячего потока наблюдается при ц = 0,3...0,4 [4].
Экспериментально полученные результаты качественно подтверждают результаты этих теоретических расчетов. Скорость охлаждения концентратора при использовании ВТ с эжектором и без примерно равны при в<1 (рис. 8). С ростом величины в (увеличением отношения площади диафрагмы к площади диффузора) увеличивается относительный весовой расход холодного потока ц, но одновременно начинает снижаться степень охлаждения воздуха ДТХ. При работе ВТ с эжектором, в диапазоне 1,25<в<3 это обеспечивает более высокую удельную холодопроизводительность q. Скорость охлаждения концентратора О ВТ с эжектором в этом диапазоне на 6...8 % больше, чем ВТ без эжектора. При дальнейшем увеличении в эффект эжектирования снижается и исчезает при т.к. это в обоих случаях режим работы однорасходной ВТ.
Относительно малое различие скорости охлаждения концентратора при работе ВТ с эжектором и без эжектора (рис. 8), очевидно обусловлено тем, что параметры использованного эжектора не позволили обеспечить оптимальные режимы эжектирования охлаждающего потока при относительно большой длине канала концентратора.
Количество теплоты Q, полученное концентратором после разряда МИУ:
Q = М • СУ •ДТ, (10)
где М - масса концентратора; СУ - удельная теплоемкость материала концентратора; ДТ - изменение средней температуры концентратора за счет нагрева вихревыми токами.
В серийном производстве, для поддержания стабильной температуры концентратора перед каждой последующей операцией магнитно-импульсной обработки необходимо выполнение условия равенства энергии выделяемой на предыдущем разряде МИУ и отводимой энергии. Это позволяет определить интервал следования разрядов МИУ Дт при выполнении технологических операций.
При известной (расчетной или измеренной) величине Q и экспериментально полученному значению скорости охлаждения О при заданных (выбранных) параметрах ВТ и эжектора можно определить время Дт, необходимое для охлаждения концентратора до заданной начальной температуры (длительность цикла):
* ДТ Q
Дт =-=---
а м -су-а (11)
При неизменных параметрах ВТ и эжектора величиной скорости охлаждения О, а следовательно и Дт, можно варьировать за счет изменению весового расхода воздуха, регулируя давление на входе ВТ редуктором.
Выводы. Экспериментально полученные результаты позволяют сделать вывод, что охлаждение концентратора магнитного поля воздухом от ВТ обладает достаточно высокой эффективностью при высокой степени безопасности процесса. Применение ВТ с эжектором позволяет, при неизменном расходе сжатого воздуха, интенсифицировать прокачку охлажденного в ВТ воздуха по узким и длинным каналам в материале концентратора магнитного поля
Для повышения эффективности охлаждения концентратора при работе ВТ с эжектором необходимо обеспечение оптимальных параметров эжектора и ВТ, при их совместной работе, с учетом конкретных параметров (длины, площади сечения, геометрии) внутренних каналов концентратора.
Список литературы
1. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Наука, 1964. 347 с.
2. Белый И.В. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко. Харьков: Вища школа, 1977. 168 с.
3. Расчет технологических параметров процессов электромагнитной штамповки плоских заготовок с использованием концентраторов / Н.Е. Проскуряков, А.К. Талалаев, Д.З. Лай, А.В. Володин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 4. С. 55-63.
4. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969.
183 с.
5. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш.А. Пи-ралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев / Под. ред. А.И. Леонтьева. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. 412 с.
6. Самохвалов В.Н. Распределение температуры на оси камеры расширения при различных схемах работы вихревой трубы // Письма в журнал технической физики, 2021, Т. 47, № 19. С. 41-43. DOI: 10.21883/PJTF.2021.19.51513.18786
7. Александров В.Ю. Оптимальные эжекторы (теория и расчет) / В.Ю. Александров, К.К. Кли-мовский. М.: Машиностроение, 2012. 136 с.
Самохвалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Черников Дмитрий Генадьевич, канд. техн. наук, научный руководитель лаборатории прогрессивных технологических процессов пластического деформирования, chernikov. dg@ssau. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Юсупов Ринат Юнусович, научный сотрудник лаборатории прогрессивных технологических процессов пластического деформирования, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Кибисов Олег Игоревич, магистрант, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
APPLICATION OF A VORTEX TUBE WITH AN EJECTOR TO INTERNAL COOLING OF COIL SYSTEM CONCENTRATORS FOR ELECROMAGNETICMATERIAL PROCESSING
V.N. Samokhvalov, D.G. Chernikov, R.Yu. Yusupov, O.I. Kibisov
This paper evaluates the possibility and efficiency of inner channel cooling of a coil system with magnetic field concentrator used in electromagnetic metal forming with low-temperature air flow from a vortex tube with an ejector. It is proven that the proposed method and device have considerably high efficiency with a high degree of the process safety.
Key words: electromagnetic metal forming, magnetic field concentrator, cooling, vortex tube, ejector.
Samokhvalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Samara, Samara University,
Chernikov Dmitry Genadevich, candidate of technical sciences, docent, head of laboratory of advanced technological processes of plastic deformation, chernikov. dg@ssau. ru, Russia, Samara, Samara University,
Yusupov Rinat Yunusovich, researcher of laboratory of advanced technological processes of plastic deformation, [email protected], Russia, Samara, Samara University,
Kibisov OlegIgorevich, master's, [email protected], Russia, Samara, Samara University
