Расчет динамики прогрева нагревательной плиты вулканизационного пресса с учетом изоляции
При работе над заказом по проектированию пресса с механизмом 3RT встала задача проведения расчета динамики прогрева нагревательной плиты с учетом потерь в окружающее пространство и нагрева присоединенных конструкций, в нашем случае — рельс скользящей плиты.
Целью расчета было определение распределения температур в пространстве плиты и рельс, а также изменения температуры во времени.
Для построения моделей рассчитываемых элементов использовалась бесплатная параметрическая САПР общего назначения FreeCAD.
Далее модель сохранялась в формате STEP для передачи в программу PrePoMax, в которой проводилась подготовка исходных данных для расчета и анализ результатов расчета. Подготовка заключалась в импорте геометрии модели, разбиение на конечные элементы и задание свойств материала, начальных и граничных условий (см. рисунок ниже).
Конечно-элементная сетка была создана автоматически из тетраэдров типа C3D10 с уточнением сетки вокруг отверстий для установки ТЭНов, их количество почти составило 530000 элементов.
В качестве материалов исполнения плиты и рельс была выбрана сталь, для изоляции снизу плиты — асбест. Для стали и асбеста были заданы теплофизические характеристики: плотность, коэффициенты теплопроводности и теплоемкости.
Между элементами (плита, рельсы и слой изоляции) были заданы сопряжения.
Начальное распределение температуры принято равное 20 °С.
В отверстиях для ТЭНов был задан удельный тепловой поток равный тепловой мощности ТЭНов 28150 Вт/м2.
На нижней поверхности слоя теплоизоляции задан нулевой тепловой поток.
На всех остальных поверхностях задано условие конвективного теплообмена с окружающей средой, температура которой равна 20 °С, а коэффициент теплоотдачи для воздуха соответствует теплоотдаче при естественном движении и равен 6 Вт/м2°С.
После подготовки варианта расчета был проведен расчет методом конечных элементов с помощью CalculiX.
При расчете использовался решатель Pardiso в параллельном режиме на компьютере с использованием 16 ядер процессора Intel Core i9-12900KF и 64 ГБ основной памяти.
По результатам расчета было принято решение изменить расстояние между ТЭНми и посмотреть, как это повлияет на равномерность распределения температур. Результаты этого исследования представлены на рисунке ниже. При этом исследовании использовалась программа ParaView.
Проведенные расчеты и исследования влияния различных геометрических параметров позволили выявить следующие закономерности:
- Существует оптимальное размещение ТЭН-ов, при котором распределение температур более равномерно. Причем, как показали расчеты, лучшим является равномерное распределение ТЭН-ов с одинаковым расположением между центрами, равным 67 мм (для плиты 400 на 400 мм), а не, как считалось ранее, с неравномерным распределением.
- Смещение крайних ТЭН-ов с целью размещения крепежных отверстий и по другим конструктивным соображениям от края плиты является ошибочным и существенно влияет на ухудшение прогрева края плиты. Тепловую задачу, как основную для плиты, необходимо ставить выше, чем конструктивную. Рассчитанные оптимальные положения ТЭН-ов ни в коем случае не менять, а пересматривать конструкцию других элементов плиты.
- Другие факторы, такие как глубина расположения, неравномерное расположение по глубине плиты ТЭН-ов, толщина плит, являются несущественными или вспомогательными, а в некоторых случаях вредными.
- Чтобы более полно изучить влияние изоляции на нагрев плиты, необходимо учесть в расчетной модели другие элементы конструкции пресса (траверса, опора нижней плиты, направляющие и, возможно, колонны). Также необходимо изучить динамические характеристики прогрева в этом случае, возможно, с фазой охлаждения и поддержания температуры системой автоматизации.