CC BY
69
УДК 621.313 Р.М. Христинич, Е.В. Христинич, А.Р. Христинич
СОПРЯЖЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОНТАКТА ПРИ ПРОТЕКАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
В статье представлена численная модель сопряженного расчета электромагнитного и теплового полей триметаллического соединения, состоящего из двух проводников: термобиметалла Кантал 145(аналог сплава ТБ-138) и стали Ст3. Задача является актуальной при расчетах термометаллического реле в автоматических выключателях, а также при ведении контактной сварки многокомпонентных металлических соединений.
Введение. Соединение двух или более металлических элементов с различными электрическими, тепловыми и механическими свойствами широко применяется в системах автоматики, промышленности, автомобилестроении и т.п. Такие элементы могут образовывать термобиметаллические соединения или тер-мотриметаллические соединения, свойства и характеристики которых по-разному проявляются в различных условиях, возникающих в процессе их применения. Для разработки и использования таких элементов с требуемыми свойствами необходимо на стадии их создания и проектирования проводить многокомпонентные исследования, которые предпочтительно выполнять при помощи численного моделирования, например, в среде ANSYS.
1. Строение и свойства термостатического биметалла
Известно, что при нагреве различные металлы расширяются с различной степенью: при увеличении температуры расширение увеличивается, а при ее уменьшении - снижается. На рис. 1 показаны две полосы, выполненные из различных металлов до и после нагрева: участок, отмеченный пунктирной линией, показывает удлинение металлической полосы после нагрева. Как видно из рис. 1, полоса А удлинилась больше, чем полоса В.
При соединении двух означенных разнородных металлических полос (рис. 1) друг с другом и при их нагреве до температуры t расширению полосы А частично препятствует полоса В. В них развиваются значительные напряжения, которые заставляют соединенные полосы изгибаться, как показано на рис. 2. В отсутствии внешних сил биметалл принимает форму дуги.
Биметалл также называют термостатическим биметаллом, так как его работа происходит под воздействием тепла. Вместо простых металлов для полос, описанных выше, могут быть выбраны различные сплавы.
Для эффективной работы таких соединений выбирают обычно два сплава с разными коэффициентами теплового расширения. Из двух металлических слоев, которые жестко соединены друг с другом, слой, который обладает большим тепловым расширением, называется активной компонентой, слой с меньшим коэффициентом теплового расширения называют пассивной компонентой. Некоторые типы биметаллов имеют слой никеля или меди между основными слоями для того, чтобы уменьшить электросопротивление и увеличить теплопроводность. Термоэлектрические процессы, происходящие в биметаллических элементах, характеризуются эффектом Пельтье, который описывает процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников [1].
Рассмотрим термически однородную систему проводников, по которой протекает ток плотностью j. Тогда, согласно выражению
I = -XgradT - nj,
в случае двух разных проводников 1 и 2 к месту стыка по направлению тока по проводнику 1 проходит энергия Пу], а уходит по проводнику 2 энергия П2]. В стыке таких проводников выделяется в виде теплоты
Пельтье энергия (П2 — Пу)] . Теплота Пельтье пропорциональна величине силы тока.
Определим изменение энергии р(д и / д?) в термически неоднородной системе с током. В случае постоянного или медленно изменяющегося тока, имеем:
/ * 2 дП"
р(ди д?) = ёМхягаёГ) + * + (— — а)(ЕгаёГ).
/ а дТ
Выражение показывает, что изменение энергии в термически неоднородной системе обуславливается теплопроводностью div(%gradT), выделением теплоты *2/а и совместным действием теплопроводности и электропроводности ((дП/дТ) - а)(], gradT).
Количество теплоты, дополнительно выделяющееся в проводнике вследствие температурной неоднородности, характеризуется теплотой Томсона. Феноменологически эта теплота равна дт = т( gradT),
где Т - коэффициент Томсона, который равен
дП
т =------а.
дТ
Теплота Томсона может быть положительной или отрицательной в зависимости от знака (*, gradT). При изменении направления или только *, или только gradT, на противоположное величина дт меняет знак. В общем величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих
веществ, силы тока и времени прохождения тока. Количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт электрического тока.
Для описания электрического и температурного полей можно использовать уравнения электро- и теплопроводности соответственно:
div(bgradU) = 0,
dT 2
Су — = div(XgradT) + Ь(gradU) ,
где Ь, Л - коэффициенты удельной электро- и теплопроводности;
С/ - коэффициент удельной объемной теплоемкости; и, Т - функции электрического потенциала и температуры.
2. Постановка задачи
Описание процесса. Две свариваемые детали располагаются внахлест и сдавливаются усилием сжатия электродов сварочного аппарата контактной сварки. Через электроды и свариваемые детали протекает электрический ток, под действием которого происходит нагрев и расплавление деталей в месте сжатия электродами. После прекращения действия сварочного тока происходит кристаллизация и охлаждение зоны сварки и образование сварной точки типа «литое ядро». Рассмотрим совместное решение электромагнитной и тепловой задач, что впоследствии даст возможность решить механическую задачу относительно деформации свариваемых деталей.
Описание расчетной модели. На сварочной подставке располагается две детали, одна из которых -термобиметалл, а вторая - Ст3, медь М1 или латунь Л62. Толщина деталей, выполненных из стали Ст3, -1,5 и 2 мм; толщина медной М1 и латунной Л62 деталей соответственно 2 и 2,5 мм; толщина термобиметаллической пластины - 1,2 мм. В сочетании со сталью Ст3 можно успешно применить термобиметалл ТБ 138/80 (или KANTHAL 145) (рис. 3), а с медью и латунью - ТБ 1353 (ТБ 129/79 с прослойкой), или KANTHAL 135 R05; сварочные электроды выполнены из меди М1.
В представленной расчетной модели присутствуют три контактных сопротивления: два сопротивления величиной Rэ и сопротивление величиной Rк. В начальный момент времени сопротивления Rэ и Rк являются концентраторами тепловыделения. Толщина переходного слоя в процессе сварки стремится к нулю. Изменение их электрического сопротивления за время прохождения сварочного тока показано на рис. 4.
г , мкОм
Модель является цилиндрической осесимметричной, что предопределяет решение задачи в двухмерной постановке. Ориентировочные параметры модели следующие: иээ = 1,0 - 3,0 В; время прохождения тока кв = 0,05 - 0,4 с; диаметр верхнего электрода dэ = 4,0 - 6,0 мм; диаметр нижнего электрода Dэ = 5,0 -8,0 мм; угол наклона электродов может принимать значения а = 15, 30, 45,60 град.
В результате решения задачи необходимо определить изменение электрического и теплового полей и их характеристик в зависимости от входных параметров: величины напряжения иээ, рода тока (постоянного или переменного частотой 50 Гц), а также выяснить какое влияние оказывает эффект Пельтье на характер температурного поля.
3. Численное моделирование
Приложенное напряжение к зажимам электродов вызывает распределение электрического потенциала в рабочей области модели. Принимая во внимание, что свариваемые детали имеют правильную цилиндрическую форму, изменение электрического потенциала в модели будет происходить по двум координатам: радиусу г и аксиальной составляющей модели - оси £. Распределение потенциала по углу р в модели будет равномерным и в расчетах опускается [2].
С учетом принятых допущений в цилиндрической системе координат выражение распределение потенциала имеет вид:
д 1 ди д 1 ди
т (_ ^т (_ ^) = 0 ■
от тра от ог тра ог
Площадь соединения вдоль аксиальной оси г модели неоднородна и включает в себя следующие участки: электрод, место контакта между верхним электродом и деталью, саму деталь, контакт между деталью и нижним электродом, нижний электрод. Рассмотрим изменение электрического сопротивления в области контакта. В первом приближении удельное электрическое сопротивление контакта между деталями можно представить в виде:
рвк = рк
О
Граничные условия в модели представим в следующем виде:
и1 = 0 при г = 0; и z = иЭЭ при г = 1мах ■
Полное электрическое сопротивление, учитывающее сопротивление свариваемых деталей, можно определить из выражения:
и.
Я
ЭЭ
ЭЭ
Плотность тепловыделения определим из решения уравнения:
Я = —[(^ )= + )=].
ре дг от
Распределение энтальпии в зоне свариваемых деталей определим в соответствии с уравнением:
дН д А дТ д А дТ
р ~еГ “[ дТ(т ~дГ)+дг(г а")1 + р
при следующих граничных условиях:
д 2Т
дт
2
= 0 при т = т
МАХ
дТ дт ,
= 0 при т = 0 .
На рис. 5 наблюдается усиление расчетной конечно-элементной сетки в месте контакта «термобиметалл - сталь». Это обусловлено тем, что в этом месте расположено много разнородных элементов. Согласно результатам экспериментов, в этой области происходит максимальное выделение тепла и наблюдается большой градиент температур.
Рис. 5
Рис. 6
т
Рис. 7
На границе «электрод - окружающая среда» прикладывалась постоянная температура 200С.
Номер временного интервала, К
—♦—Ряді
Ряд2
Рис. 8
На рис. 8 представлены кривые изменения температуры в месте контакта в зависимости от времени нагрева. Ряд 1 характеризует изменение температуры при протекании тока в прямом направлении через биметаллическую пластину, а ряд 2 - при протекании тока в обратном направлении. На величину температуры для одних и тех же интервалов времени оказывает влияние термоЭДС, наведенная в биметаллическом контакте.
В результате можно сделать вывод, что при расположении свариваемых деталей необходимо учитывать влияние термоЭДС на тепловые процессы, протекающие в месте спая, так как это может определять длительность воздействия электрического тока на свариваемые детали.
Литература
1. Базаров, И.П. Термодинамика: учеб. для вузов / И.П.Базаров. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 376 с.
2. Вольман, В.И. Техническая электродинамика: учеб. / В.И. Вольман, Ю.В.Пименов. - М.: Связь, 1971. -487 с.
-------- ^----------
УДК 631.363(470.58) В.А. Новикова
МИКРОНИЗАЦИЯ КОРМОВОГО ЗЕРНА КАК СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЕГО К СКАРМЛИВАНИЮ
В статье представлены результаты исследования процесса микронизации кормового зерна, рассмотрены различные способы обработки и подготовки его к скармливанию сельскохозяйственным животным. Предложена установка для микронизации кормового зерна с двухсторонним подводом теплоты снизу от греющей поверхности желоба и сверху - от источника инфракрасного излучения. Температура внутри зерновки составляет 1800С, давление 10 атм.
Максимальное использование новых энергосберегающих технологий и механизмов - это один из путей повышения эффективности животноводства. Известно, что значительная часть (до 40%) даже подготовленного к скармливанию зерна не усваивается организмом животного и выводится с экскрементами. И уже совсем неотрадная картина наблюдается у молодняка сельскохозяйственных животных и птицы. У них желудок работает очень плохо, и корм переваривается и усваивается в пределах 20%. В связи с этим особую значимость приобретают различные способы подготовки зерна к скармливанию: измельчение, гранулирование, пропаривание, плющение, химическая обработка, экструдирование, микронизация [1].
Дробление и размол - наиболее дешевые способы увеличения перевариваемости зерна, но КПД при этом невысок [2].
Широкое распространение получило гранулирование комбикормов, в результате чего уменьшаются потери корма, облегчается транспортировка и механизация раздачи, улучшаются физические и вкусовые качества рациона. При гранулировании корма под действием механических и гидротермических процессов происходят биохимические изменения, повышающие его питательность и усвояемость на 10% [3].
Гранулированный корм способствует усиленной работе желез переднего отдела пищеварительного тракта - слюнных и желудочных; наблюдается изменение в кислотном режиме желудочного содержимого, особенно в начальный период скармливания гранул; благоприятно действует на кишечное пищеварение [4].
Во ВНИИ комбикормовой промышленности разработан технологический процесс двойного гранулирования сырья на прессах-грануляторах отечественного производства ДГ, Б6-ДТВ, позволяющих повысить степень декстринизации крахмала в кормах до 40,5%, улучшить поедаемость и усвояемость кормовой смеси свиньями [5].
Прессование и влажное нагревание рассыпного корма при гранулировании повышают его питательность на 2-6%. Высокая температура и давление при гранулировании вызывают изменение в структуре сырой клетчатки и сырого жира, в результате повышается усвояемость корма. При пропаривании корма в процессе гранулирования изменяется состояние крахмала и белков. Кроме того, гранулирование повышает использование фосфора, белка и обменной энергии. Продуктивность животных при кормлении таким кормом увеличивается на 10 - 15% [6].
Вместе с тем, при правильном приготовлении комбикормов в кормлении свиней преимуществ гранулированных смесей перед рассыпными не выявляют. Более того, при скармливании животным гранул случаи поражения желудочно-кишечного тракта учащаются. Ученые США высказали сомнение в целесообразности использования гранул при кормлении свиней.
С целью повышения питательности зернофуража применяют экструдирование: это баротермическая обработка зерна, повышающая его питательность и продуктивное действие за счет структурных преобразований полимерных соединений углеводов и белков.
При экструзии измельченное в пресс-экструдере зерно под действием высокого давления (25-30 атм.) и трения разогревается до температуры 150-1800С и превращается в гомогенную массу. При выходе
