Full Text

Введение. Кабельная продукция - это общее наименование огромного разнообразия проводов - от бытовых электрических проводов до высоковольтных кабелей, включая специальные виды кабеля (например, телефонные или сетевые кабели для передачи данных), которые отличаются конструктивно в зависимости от конкретной сферы применения: каждый кабель имеет собственные номинальные параметры напряжения и тока, а также изоляцию в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации. Ни одно современное техническое устройство, работа которого связана с использованием электрических и электронных схем, не может работать без кабелей и проводов, которые образуют системы электроснабжения, информатики и управления работой этого устройства. Кабельная продукция должна отвечать жестким требованиям по качеству и надежности. Для того чтобы кабель отвечал всем требованиям, нужно учесть все физико-механические факторы при производстве, которые непосредственно влияют на расчетные ресурсные характеристики кабельной продукции. Экспериментальные изучения исследуемых процессов являются очень дорогими, сложными и занимают много времени, поэтому особенно актуальным является их численное моделирование. Конструкция и характеристики кабеля следующие (рис. 1): 1) алюминиевая или медная токопроводящая жила; 2) изоляция из этиленпропиленовой резины; 3) оболочка из резины, не распространяющей горение в пучке. Рис. 1. Конструкция кабеля РРГнг(А) Кабели силовые с этиленпропиленовой изоляцией предназначены для передачи и распределения электрической энергии в электрических сетях на номинальное переменное напряжение 1 кВ частотой 50 Гц. Они используются в помещениях, вне помещений, во влажной среде, в трубах или каналах, в каменных кладках, металлических конструкциях, открытой проводке, в пожаро- и взрывоопасных зонах при групповой прокладке [1, 2]. Построение математической модели в Polymat: 1. Выбор модели жидкости. Процесс течения этиленпропиленовой резины в экструзионной головке представляет собой модель неньютоновской псевдопластической жидкости. Процесс неизотермический [3, 4]. Выбрана модель Generalized Newtonian non-isothermal model. Закон в общем виде для вязкости имеет вид: где γ - градиент скорости сдвига материала. Поэтому F(γ) и H(T) представляют зависимость вязкости от скорости сдвига и температуры соответственно [5]. 2. Выбор модели зависимости вязкости от скорости сдвига. Выбрана модель Power Law: где K - коэффициент густоты потока; n - показатель аномалии вязкости материала; η - вязкость. Степенной закон обычно используется для описания течения вязких полимерных материалов со скоростью сдвига более 2 или 3 декад [6]. 3. Выбор модели зависимости вязкости от температуры Выбрана модель Arrhenius law: где H - вязкость; α - отношение энергии активации к универсальной газовой постоянной; T - температура расплава; T0 - сдвиг температуры относительно абсолютного нуля, Т0 = 0 оК; Tα - эталонная температура, для которой H(T) = 1, Тα = 363 оК [7]. 4. Загрузка экспериментальных кривых (рис. 2). Экспериментальные данные снимались при трех различных температурах, одна из которых равна Tα и две другие близки по значению к ней [8, 9]. Рис. 2. Экспериментальные кривые Для построенной модели течения, исходя из кривых зависимости вязкости от скорости сдвига, полученных в результате эксперимента, программой были автоматически рассчитаны следующие значения: α = 2533,491; n = 0,3294; μo = 155 562. Основные допущения и уравнения: - процесс стационарный; - плотность, теплоемкость и теплопроводность постоянны; - прилипание расплава к стенкам и непроникновение через твердую стенку; - движение в цилиндрической системе координат, игнорирование движения материала по угловой координате φ [10]. Основные уравнения: 1) уравнение несжимаемости: 2) уравнение движения: 3) уравнение энергии: Данная система дифференциальных уравнений решается числено при помощи МКЭ в программной среде ANSYS Fluent [11, 12]. Рис. 3. Модель кабельной головки ДЭГ 60/120 Построение геометрии. Для анализа процессов, происходящих в ходе наложения резиновой изоляции, была разработана осесимметричная модель канала кабельной головки и части токопроводящей жилы (рис. 3) [13, 14]. В программной среде ANSYS ICEM CFD геометрическая модель разбита на сетку конечных элементов (рис. 4) и созданы зоны под граничные условия (рис. 5) [15, 16]. Рис. 4. Сетка конечных элементов Рис. 5. Граничные условия: 1 - ось симметрии; 2, 3 - границы жилы, 4 - выход их канала, 5 - вход в канал, 6 - стенка, 7 - граница между жилой и каналом Исследование модели в среде Fluent проводят в следующей последовательности: настройка среды Fluent, выбор уравнений, ввод теплофизических свойств материалов (таблица) [17, 18]. Теплофизические свойства материалов Элемент Материал Плотность, r, кг/м3 Коэффициент удельной теплоемкости, С, Дж/кг×С Коэффициент теплопроводности, l, ВТ/м×С Жила Алюминий 2698 930 237 Изоляция Резина 1475 1231 0,414 Определение граничных и начальных условий: на границах жилы справа и слева заданы граничные условия нулевого теплового потока. На поверхности кабельной головки заданы температура Т = 363оК и нулевые компонеты скорости: Vx = Vy = 0. На входе в канал заданы температура Т = 403оК и расход Q = 0,02001 кг/с. На выходе - граничное условие типа outflow. На границе жилы и кабельной головки заданы температура подогрева жилы Т = 403оК и линейная скорость жилы Vx = 0,6 м/с. На нижней границе жилы задано граничное условие типа axis, так как она является осью симметрии (рис. 6, 7) [19, 20]. Рис. 6. Распределение теплового поля в программе ANSYS Fluent Рис. 7. Распределение скоростей в программе ANSYS Fluent Влияние на распределение температурного поля и скорости течения резиновой смеси различных факторов проиллюстрировано и описано далее. 1. Расход резиновой смеси (рис. 8). Рис. 8. Распределение скоростей и температур в сечении на выходе При увеличении расхода возрастают скорости, следовательно, увеличивается диссипативное тепловыделение за счет сил вязкого трения около подвижной и неподвижной стенки, и температура возрастает. 2. Температура кабельной головки (рис. 9). Рис. 9. Распределение скоростей и температур в сечении на выходе Изменение температуры кабельной головки в допустимых пределах на среднюю температуру и скорости на выходе и в сечениях влияния не оказывает. 3. Плотность резины (рис. 10). Рис. 10. Распределение скоростей и температур в сечении на выходе Массовый расход задается через эпюру скорости и плотность материала. Чем больше плотность, тем меньший объем занимает материал. Следовательно, меньше площадь эпюры скорости, меньше диссипативное тепловыделение. 4. Теплоемкость резины (рис. 11). Рис. 11. Распределение скоростей и температур в сечении на выходе При увеличении теплоемкости материалу сообщается меньшее количество энергии, следовательно, температура уменьшается. На среднюю температуру по центру канала изменение теплоемкости влияние практически не оказывает, так же как и на скорость. 5. Теплопроводность резины (рис. 12). Рис. 12. Распределение скоростей и температур в сечении на выходе При увеличении теплопроводности температура уменьшается за счет более быстрой отдачи тепла стенкам. На скорость изменение теплопроводности влияние практически не оказывает. Незначительное уменьшение эпюры скорости около стенок обусловлено уменьшением вязкости материала при увеличении температуры. Выводы. В рамках данного исследования были рассчитаны режимы наложения резиновой изоляции в кабельной головке ДЭГ 60/120. Экспериментально были получены физико-реологические свойства расплава резиновой смеси. Были построены температурные поля внутри кабельной головки, которые позволяют оценить возможные перегревы. Уровень перегрева не превысил допустимых значений. Была исследована стабильность распределения температур и скоростей в канале при изменении свойств исходного сырья. Изменения характеристик не превысили допустимых значений.

About the authors

M. M Tkachuk

Perm National Research Polytechnic University

A. V Kazakov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 35

PDF (Russian) - 25

Refbacks

• There are currently no refbacks.