автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Электротепловые процессы в плазменно-напыленных нагревательных системах и разработка технических требований к их конструкциям

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПЛОСКИХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ИХ КОНСТРУКТИВНОМУ ИСПОЛНЕНИЮ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМ НАГРЕВА И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ.

1.1. Области применения электротехнологических установок для нагрева воды и воздуха.

1.2. Технический уровень современного оборудования для нагрева воды и воздуха.

1.3. Плоские нагревательные системы.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКИХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Конструкция и электротехнология плазменного напыления покрытий нагревательных элементов.

2.2. Физические основы электротехнологии нанесения порошковых покрытий на подложку.

2.3. Плазмоструйная термообработка напыленных покрытий.

2.4. Обоснование перспективности плазмоструйной термообработки напыленных покрытий.

2.5. Постановка экспериментальных исследований.

2.6. Эксплуатационные характеристики и температурное поле нагревательных систем.

2.7. Предельные режимы работы плоских электронагревательных систем.

2.8. Анализ результатов экспериментальных исследований и выводы.

ГЛАВА 3. ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПЛОСКИХ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1. Постановка задачи исследований.

3.2. Математическая модель теплового состояния плоского нагревательного элемента.

3.3. Безразмерная запись уравнений.

3.4. Особенности применения метода решений.

3.5. Анализ результатов расчета и выводы.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПЛОСКИХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

4.1. Обобщенная математическая модель электромагнитных процессов в плоских электронагревательных системах.

4.2. Анализ электрических схем включения нагревателей и групп нагревателей.

4.3. Анализ результатов расчетов и выводы.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПЛОСКИХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

5.1. Исследование накипеобразования при электронагреве воды

5.2. Инженерный метод расчета

5.3. Рекомендации по конструированию плоских плазменно-напыленных нагревателей

Неблагоприятные климатические условия Западной Сибири объективно вызывают повышение энергозатрат на поддержание температурного режима домов и зданий в период отопительного сезона, среднегодовая производительность которого составляет 8-9 месяцев.

В этих условиях закономерно проявляется большое внимание специалистов к использованию индивидуальных систем вентиляционного обогрева помещений и получения горячей воды для бытовых нужд.

Сравнительный анализ решения этой задачи для условий Сибири показал существенные преимущества систем обогрева помещений с использованием электронагрева. Важнейшими из них являются: повышение комфортности, соблюдение санитарно-гигиенических условий, снижение фактического расхода энергии за счет оперативного автоматического управления, повышение пожаробезопасности (по сравнению с газовыми или мазутными системами индивидуального обогрева), возможность аккумуляции тепловой энергии в ночное время, хорошее сопряжение с системами очистки и охлаждения воздуха в летнее время.

Индивидуальный электронагрев воздуха и воды имеет эксплуатационные преимущества по сравнению с нагревом в устройствах другого типа (на твердом и газообразном топливе):

1. Высокий КПД (порядка 95 %), исключаются тепловые потери в трубопроводах, снижается расход металла и труб, существенно сокращается расход энергии, так как повышается заинтересованность потребителей в контроле за ее расходом (оплата за электронагрев осуществляется по счетчику).

2. Повышение комфортности и соблюдение санитарно-гигиенических условий в помещениях за счет оперативного управления и автоматического поддержания температурного режима в них. Важнейший фактор - возможность использования низкопотенциальной лучистой энергии. Такие системы нагрева обеспечивают минимальное содержание пыли в воздухе помещений.

Удобство совмещения с системами кондиционирования при герметизации помещений.

3. Возможность аккумуляции тепловой энергии в ночное время, в часы провалов графиков нагрузки электрических сетей.

Высокий уровень комфортности при обогреве помещений обеспечивается индивидуальными системами электрообогрева. Различают системы с прямым нагревом воздуха с использованием теплоносителя - воды. Различные технические решения хотя и имеют индивидуальные показатели экономичности и комфортности, но обеспечивают современные требования. Проведенный анализ показал, что лучшие показатели обеспечивают системы с аккумуляцией тепла.

При использовании электронагрева возникает вопрос расхода первичной энергии на обогрев. Поэтому при общем анализе проблемы необходимо учитывать возникающие потери при генерировании тепла, при распределении тепла, при работе системы управления (несоответствие между вырабатываемой тепловой энергией и необходимой). Потери в генераторе тепла в этом случае отсутствуют из-за прямого преобразования электрической энергии в тепловую. Потери при распределении тепла также отсутствуют, так как тепло генерируется непосредственно в помещениях. Потери, связанные с управлением, могут иметь место из-за несовершенства систем управления и регулирования.

Системы электрообогрева с аккумулированием тепла отдают энергию двумя путями: через поверхность (не более 60 %) и через воздушный поток, создаваемый вентилятором. Такой нагреватель следующими преимуществами:

1. Приток тепла от внутренних источников (солнечное излучение, проходящее через окна, осветительные лампы и др.) немедленно приводит к снижению подачи тепловой энергии.

2. Может иметь большую производительность и широкий диапазон управления. Требуется несколько минут, чтобы нагреть помещение до требуемой температуры при возвращении жильцов в холодную квартиру.

3. Возможность обогрева каждой комнаты отдельно и поддержания температуры, необходимой для сохранения строений, до температуры комфортности.

4. Система позволяет точно определить потребление энергии. Каждый пользователь может получить информацию сколько энергии он израсходовал.

Перспективность и конкурентноспособность электронагрева воздуха и воды до температур 50.70 °С по сравнению с другими методами получения тепловой энергии определяются техническим уровнем электротехнологических систем для низкотемпературного нагрева. Наибольшая потребность в таких установках имеется в бытовом нагреве (обогрев жилых и производственных помещений) и для нагрева воды (коммунальное и сельскохозяйственное производство).

В конце 80-х и начале 90-х годов в Институте теплофизики РАН (г. Новосибирск) впервые в России была разработана электротехнология изготовления плоских электронагревателей на основе плазменного напыления тонких электроизоляционных и электропроводящего слоев, наносимых на основу-подложку. Нагреватель, изготовленный по этой технологии, оказался перспективным для создания установки локального теплоснабжения, индивидуального электрообогрева помещений, нагрева воды для сельскохозяйственного назначения, применения подогрева в зимнее время при производстве строительно-бетонных работ, для использования в парниковых производствах при отсутствии централизованного теплоснабжения и других областях человеческой деятельности. Появление принципиально нового технического решения - возможности изготовления плоского нагревателя на основе электропроводных покрытий, потребовало комплексного исследования эксплуатационных характеристик (электрических режимов, теплотехнических параметров, экологических показателей и др.) с целью определения сроков службы, областей рационального использования и усовершенствования технологии изготовления новых нагревательных устройств. Теоретические и экспериментальные исследования нагревательных систем, разрабатываемых на основе плазменно-напыленных тонких слоев, проводятся с 1995 года на кафедре автоматизированных электротехнологических установок Новосибирского государственного технического университета. Развитие этих работ положено в основу излагаемой диссертации.

Целью настоящей работы является в научном плане - комплексные экспериментально-теоретические исследования электрических и теплотехнических процессов в системе нагревателей с распределенными резистивными слоями на теплопроводных подложках при изменениях условий энергообмена в рабочем пространстве электротехнологических установок; в практическом плане - разработка инженерных методов расчета эксплуатационных параметров и оптимизации конструктивно-технологических решений плоских нагревателей, изготовляемых методом плазменной электротехнологии путем нанесения электроизоляционных и электропроводных покрытий на теплопроводную основу.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом выполненных исследований являются следующие выводы.

1. Установлена новая область использования плазменно-напыленных нагревателей для нагрева воды в аккумуляционных системах широкого использования для сельскохозяйственного и бытового применения.

2. Рекомендовано с целью увеличения срока службы и безаварийности работы плазменно-напыленных нагревателей электроизоляционные и рези-стивные слои после нанесения обрабатывать ламинарным потоком плазмы без подачи порошка для снижения пористости и разнотолщинности с одновременным повышением уровня сплавления порошковых материалов (ликвидация микротрещин и повышение сплошности покрытия).

3. Доказано, что оптимальная толщина резистивного слоя, обработанного дополнительно плазменным потоком, не должна быть ниже Si = 0,2-10" м; технологический контроль толщины резистивного слоя возможно проводить путем измерения среднего для каждой дорожки удельного электрического сопротивления нанесенного покрытия {pm-cr = 1Т0"4 Ом-см), а качество электроизоляционных слоев - путем 10-ти кратного погружения в воду с последующим испытанием на пробой U = 1000 В.

4. Установлено, что конструктивное исполнение нагревателей целесообразно ориентировать на использование параллельного включения резистивных дорожек, а группы параллельно включенных дорожек (проводников) соединять последовательно с подключением на рабочее напряжение.

5. Показано, что электрический расчет плоских плазменно-напыленных нагревателей существенно отличается от известных методов расчета нагревательных элементов с теплоотдачей теплопроводностью, которые включают ограничения в рекомендуемых и максимально допустимых температурах токо-проводящих сечений нагревателя, ограничения в удельных поверхностных мощностях собственно нагревателя и системы нагреватель - окружающая среда. Установлено, что для новых нагревателей токонесущие слои, выполняющие роль преобразователя электрической энергии в тепловую, необходимо в теплотехнической постановке задачи расчета нагревателя рассматривать совместно с теплопроводящей подложкой, обеспечивающей передачу энергии окружающим средам. Возможность существенного увеличения площади теплообмена подложки с окружающей средой позволяют без фактического увеличения температуры токопроводящего слоя обеспечивать передачу больших энергий в нагреваемую среду при низкой удельной поверхностной мощности на нагревающих поверхностях.

6. Расчетно-экспериментальным путем доказана возможность создания нагревателей, близких по параметрам к параметрам идеального нагревателя с относительным перепадом температуры {А Т/Ттах) < 0,1.

7. Разработаны методы расчета нагревательных систем на основе плаз-менно-нанесенных композиционных покрытий, принципы конструктивно-технологической оптимизации таких систем промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения.

8. Показано, что увеличение толщины накипи на поверхности нагрева подчиняется кинетическим закономерностям; разработан расчетно-экспериментальный метод оценки срока службы нагревательных систем, позволяющий учитывать изменение термических сопротивлений в системе нагрева за счет увеличения толщины накипи на теплопроводных подложках нагревателей.

Автор диссертации выражает благодарность сотрудникам кафедры "Автоматизированных электротехнологических установок" НГТУ и лаборатории "Электротехнологии" ИТФ СО РАН Алиферову А.И., Урбаху Э.К., Фалееву В.А. за помощь в проведении экспериментальной части исследований и участии в обсуждении результатов работы.

1. Коган Ю.М. и др. Современные проблемы электрофикации быта. М.: Наука, 1987.

2. Бесчннский А.А., Коган Ю.М. Экономические проблемы электрофикации. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Файбисович Д.Л. Электроэнергетика в США в 1990 году. // Энергохозяйство за рубежом. 1992. -№1.

4. Молодцов С.Д. Энергетика Германии // Энергохозяйство за рубежом. 1992.-№'3.

5. Исамухамедов Я.Ш. и др. Возрастающая роль электроэнергии и электротехнологии в экономике развитых стран Западной Европы. // Энергохозяйство за рубежом. 1991. - № 3.

6. Миронова Н.А. Бытовая электротехника и ключевые задачи развития. // Электротехника. 1995. - № 6.

7. Крупные бытовые электроприборы в США. М.: Информэлектро, 1991.

8. Мелкие бытовые приборы в США. М.: Информэлектро, 1991.

9. Бытовые приборы крупнейших капиталистических стран. М.: Информэлектро, 1991.

10. Крупные бытовые электроприборы в Японии. Современное состояние и тенденции развития производства. М.: Инфорэлектро, 1991.

11. Мелкие бытовые электроприборы в Японии. Современное состояние и тенденции развития производства. М.: Инфорэлектро, 1991.

12. Расстригин В.Н. Направления развития тепловых процессов в сельском хозяйстве. С.-х. теплоэнергетика: Тез. докл. конф. Севастополь, 1992.

13. Коршунов А.П. Об управлении НТП в сельской электроэнергетике. // Энергетическое строительство. 1994. - № 2.

14. Белавин Ю.А. и др. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением-М.: Энергоатомиздат, 1989.-157 с ил.

15. ГОСТ 12.1.019 79. Электробезопасность. Общие правила и номенклатура видов защиты.

16. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электрических изделий //Пожарная профилактика в электроустановках: Сб. научн. тр. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1991. - с3-13.

17. Елшин А.И., Казанский В,М. Безопасные электронагреватели. //Сб. трудов: Электронагреватели трансформаторного типа. Новосибирск. Изд-во НГТУ, 1997. С. 46-57.

18. Кудрявый, В., Малафеев В. Проблемы централизованного теплоснабжения в России. Мировая электроэнергетика №3, 1995, с. 19-23.

19. Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома: Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1991. - 184 с.

20. Ливчак И.Ф. Квартирное отопление. М.: Стройиздат, 1977. - 119с.

21. Свидетельство на полезную модель RU 185 U1. Электрический котел. Елшин А.И., Казанский В.М. Карманов Е.Д. // Открытия. Изобретения., 1994. -№12.

22. Патент RU 2039327 С1. Электроотопительный прибор. /Елшин А.И., Казанский В.М.// Открытия. Изобретения. 1995. -№1 9.

23. Girault Yves. Un nouvear produit: le generatear a thermo-induction // Rev. energ. 1988. - 39, № 400. - 112-114.

24. Кисель О.Б. Индукционный нагреватель жидкости // Докл. ВАНИЛ. -1974., №11. С.41-42.

25. Предоляк Н.А., Химюк И.В. К расчету магнитного поля и вихревых токов в плоскослоистых средах // Техническая электродиманика. 1982. - № 2.-С. 20-22.

26. Киани К.К. Эксплуатация газового хозяйства жилого дома. Изд-во МКХ РСФСР, М.; 1953.

27. Breitling Е. Die elektrische Energie fur den Haushalt, besonders fur die Warmwasserbereitung. "Elektrofachmann", 1963, № 3.

28. Puttmann H. Heibwasserbereitung mit Electrogeraten. "Heiz., Luft, Haustechn", 1963, 14, №2.

29. Стандарт Германии Din 44899.

30. Длин A.M. Математическая статистика. M.: изд-во "Советская наука", 1963.

31. Чередниченко B.C., Алиферов А.И., Ершов А.А. Оптимизация эксплуатационных характеристик плоских напыленных нагревательных элементов // Сб. докл. междун. науч.-техн. конф. "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана". Павлодар: ПГУ. - 1996.

32. Краткая химическая энциклопедия. Ред. колл. И.Л. Кнуняяц (отв. ред.) и др. Т.2. М.: "Советская энциклопедия". - 1993. - 1087 с.

33. Охлаждение доменных печей / С.М. Андоньев, О.В. Филипьев, Г.А. Кудинов и др. М.: Металлургия, 1972. - 452 с.

34. Чередниченко М.В. Рабочий процесс вакуумных дистилляционных электропечей / Научный вестник НГТУ, 1999. №1(6) - С. 106-116.

35. Создание низкотемпературного нагревателя методом плазменного напыления А.С. / Аныпаков, A.M. Казанов, Э.К. Урбах и др. // Физика и химия обработки материалов. 1998. - №3. - С. 56-61.

36. Электрические промышленные печи: Учеб. для вузов: В 2 ч. 4.1: Электрические печи сопротивления. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1975.

37. Электротермическое оборудование. Справочник / Под общ. ред. А.П. Альтгаузена, М.Я. Смелянского и М.С. Шевцова. -М.: Энергия, 1967.

38. Развитие теплофикации в рыночных условиях с учетом формирования электрического и топливно-энергетического балансов страны/ Л.С. Хрилев, М.С. Воробьев, Г.П. Кутовой, Л.П. Рафиков // Теплоэнергетика. -1994.-№ 12.-С. 2-10.

39. Ressoursen-und umweltschonende Energietechnic in der neuen Reha-Klinik "Porto Westialica" // Fernwarme int. 1990. - T. 19. - № 2. - P. 142-145.

40. Bresowar K. Altes Wissen zu neuem Leben erweckt // Energi und Umwelt aktuell. 1990. - Т. 14.-№ 3.-P. 15-18.

41. Contemp von Sieger // Stadt-und Gebaudetechnik. 1991. - T. 48. -№ 1-2.

42. Viessman mit Komplett- Paket // Stadt-und Gebaudetechnik. 1994. -T. 48.-№ 1-2.-P. 48.

43. Стырикович M.A. Природный газ в централизованном электро- и теплоснабжении // Теплоэнергетика. 1992. -№11.

44. Ковылянский Я.А., Громов Б.Н. Основные направления развития теплоснабжения в России // Теплоэнергетика. 1992. - № 11.

45. Оценка :эффективности схем теплоснабжения в условиях индивидуальной коттеджной застройки / Информ. реф. СибНИИЭ.-Новосибирск: АОО СибНИИЭ, 1995.

46. Бытовые нагревательные электроприборы: конструкция, расчеты, испытания / А.С. Варшавский, J1.B. Волкова. М.: Энергоиздат, 1987.

47. Плоский электронагревательный элемент: заявка 2261976 Япония, МКИ Н05В 3/14, Н05 В З/201/Эмида Каууюми, Фудзихара Хирохино. -№ 63213177; опубл. 1.3.90// Кокай Топпе кохо. Сер.7(1).- 1990.- 21.- С.441-443.

48. Полак J1.C., Суров Н.С. Исследование взаимодействия частиц порошка с потоком плазмы в сопле // Физ. и хим. обработки материалов. -1969.-№2.

49. Алиферов А.И., Казанов А.М, Ершов А.А. Экспериментальные характеристики резистивных плоских электронагревателей // Электротехнологические процессы и установки. Новосибирск: ИТФ СО РАН, 1995.

50. Вайстух, И.М., Костиков В.И., Кудинов В.В. Механизм формирования покрытий из плакированных порошков при напылении // Физ. и хим. обработки материалов. 1976. - № 3.

51. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск: Наука 1975. - 298 с.

52. Лясников В.Н., Украинский В.С, Богатырев Г.Ф. Плазменное нанесение покрытий в производстве изделий электронной техники: Саратов, 1985.

53. Петров А.В., Моренов А.И. К вопросу формирования струи напыляемого материала при нанесении покрытий с помощью сжатой дуги // Сварочное производство. 1965. - № 9. - С. 5-7.

54. Китаев Ф.И., Цидулико А.Г. Изучение процесса напыления плазменной струей // Порошковая металлургия. 1968. - № 6.

55. Фабел Ингхам. Сравнение газов, применяемых при напылении. -Получение покрытий высокотемпературным распылением. М.: Атоимздат, 1973.

56. Максимович Г.Г., Шатинский А.В., Копылов В.И. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. Киев: Наук, думка. - 1983. - С. 264.

57. Солоненко О.П., Лягущкин В.П., Пекшев В.П. и др. Комплексные исследования процессов при формировании покрытий турбулентной плазменной струей // Генерация потоков электродуговой плазмы. -Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1987. С. 359-383.

58. Стельмах Г.Г., Чесноков Н.А., Погорелов В.Ф. и др. Изменение свойств дисперсной окиси алюминия в процессе плазменной сфероидазации // Физ. и хим. обработки материалов. 1971, - № 2. - С. 133-137.

59. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергоиздат,1981.

60. РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКАq 2Zk11'& -OS 6