автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Исследование удельного энергопотребления индукционных водонагревателей и их совершенствование путём оребрения конструкционных элементов

На правах рукописи

Миронов Евгений Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПУТЁМ ОРЕБРЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

2 8 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005539804

Работа выполнена в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно — экономический институт».

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Оболенский Николай Васильевич

Официальные оппоненты: Лекомцев Петр Леонидович, доктор тех-

нических наук, профессор федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», декан факультета «Энергетики и электрификации»

Растимешин Сергей Андреевич, доктор технических наук, профессор федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет», заведующий кафедрой «Электрооборудования и автоматики»

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К. А. Тимирязева»

Защита состоится _2013 г. в /Сз ""часов на заседании

диссертационного совета Д 006.037.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ВИЭСХ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Автореферат разослан « 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Некрасов Алексей Иосифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время приоритетным направлением технической политики в агропромышленном комплексе является насыщение сельскохозяйственных товаропроизводителей высококачественной, экологически чистой, безопасной и высоконадежной техникой. В частности, для технологических процессов переработки и тепловой обработки сельскохозяйственной продукции, для обеспечения нормального функционирования машин, механизмов и обслуживающего их персонала в холодные периоды года, в системах отопления, санитарно-бытового и горячего водоснабжения необходимы экологически чистые нагреватели воды и других сред. Промышленностью выпускается огромное количество теплообменников. Экологически чистыми являются электрические водонагреватели: элементные (тэновые), электродные и индукционные.

Поэтому выявление энергосберегающих электронагревателей воды из их многочисленных конструкций, а также их совершенствование, весьма актуальная задача, так как нагрев воды является одним из путей эффективного расходования энергетических ресурсов страны. Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ГБОУ ВПО Нижегородского ГИЭИ на 2010. ..2014 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства».

Степень разработанности темы. В настоящее время для горячего водоснабжения, отопления и других нужд разработано и выпускается промышленностью множество конструкций электрических водонагревателей, в число которых входят перспективные электрические устройства индукционного нагрева жидких сред, обладающие высокой надежностью и большим сроком службы.

Однако наиболее востребованные электрические индукционные нагреватели имеют большую массу, повышенное гидравлическое сопротивление протеканию теплоносителя, и как следствие, повышенный расход электроэнергии при использовании циркуляционного насоса, значительную трудоемкость проведения регулярного ухода и обслуживания.

Наряду с этим, на современном этапе отсутствует методика исследования (выявления эффективности работы) различных конструкций электрических нагревателей, в том числе по определению удельного энергопотребления, в идентичных условиях при различных режимах работы.

В этой связи имеется необходимость в дальнейшей проработке вопросов конструкционного совершенствования электрических устройств индукционного нагрева жидких сред (ИНЖС), а также по разработке методик сравнения удельного энергопотребления индукционных, тэновых и электродных водонагревателей.

Профессором Оболенским Н. В. с доцентом Осокиным В. Л. для выявления энергосберегающих конструкций водонагревателей введено понятие «Удельные энергозатраты» с определением «Удельный расход электроэнергии для нагрева в единицу времени 1 кг воды на 1 °С с размерностью Вт ч/кг-°С», а с аспирантом Даниловым Д. Ю. оно расширено введением определения «Удельный расход электроэнергии в единицу времени на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна с размерностью Вт-ч/кг-%». Соответственно В. Л. Осокиным проведены диссертационные исследования тэнового водонагревателя, а Д. Ю. Даниловым — устройства для сушки зерна.

Цель исследования. Исследование удельного энергопотребления индукционных водонагревателей и их совершенствование путём оребрения конструкционных элементов.

Задачи исследования: разработать алгоритм, с математическим обеспечением, расчета гидравлического сопротивления аналога и модернизированного ИНЖС;

обосновать параметры оребрения индуктора и центрального канала ИНЖС; модернизировать (усовершенствовать) конструкцию аналога устройства индукционного нагрева жидких сред; разработать методику исследования удельных затрат электроэнергии ИНЖС и других электрических водонагревателей; провести технико-экономическое обоснование электрического модернизированного индукционного нагревателя жидких сред.

Объект исследования: серийный электрический индукционный нагреватель 8АУ-15 и модернизированный индукционный нагреватель жидких сред (МИНЖС).

Предмет исследования: удельный расход электроэнергии для нагрева в единицу времени 1 кг воды на 1 °С, удельный расход электроэнергии для прокачки через ИНЖС 1 кг воды с преодолением 1 кПа гидравлического сопротивления и влияние оребрения конструкционных элементов ИНЖС на их работоспособность.

Методика исследований. Теоретические исследования базировались на законах и методах электротехники, теплотехники и гидравлики. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым и частным методикам с использованием современных расходомеров, манометров, термографов и ПЭВМ.

Научную новизну представляют: Разработанная схема спирально-винтового оребрения, увеличивающая эффективность электрического индукционного водонагревателя, подтверждена патентом РФ 124470 на полезную модель с названием «Устройство индукционного нагрева жидких сред», а заявка на патентование самого устройства прошла формальную экспертизу с положительным результатом и подвергается экспертизе по существу; математическая модель теоретического обоснования параметров оребрения электрического МИНЖС; зависимость удельного расхода электроэнергии для прокачки 1 кг воды от 1 кПа гидравлического сопротивления электрических ИНЖС (Вт ■ ч • кПа/кг); алгоритм, с математическим обеспечением, расчета гидравлического сопротивления ИНЖС; разработанная методика исследования удельных затрат электроэнергии электрических ИНЖС на процесс нагрева теплоносителя.

Практическую значимость работы составляют: конструкционное решение электрического ИНЖС с оребрёнными индуктором и центральным каналом, позволяющее снизить энергопотребление циркуляционного насоса (один из основных эксплуатационных показателей) почти на 22,7 % по сравнению с аналогом; методика исследования удельного электропотребления электрических нагревателей жидких сред; оценка технико-экономической эффективности использования электрических нагревателей воды различных конструкций (индукционных, тэновых и электродных); модернизация стенда испытаний электрических подогревателей воды - инструмента для проведения исследований.

Экономическая эффективность использования электрического МИНЖС, включающая экономию средств за счет ежегодного уменьшения эксплуатационных расходов на оплату электроэнергии для нагрева воды, используемой при содержании животных (из расчета 100 голов КРС молочной фермы), а также за счет уменьшения материалоёмкости МИНЖС составляет 1939,63 руб.

Реализация результатов исследований. Для выявления удельных затрат электроэнергии и степени влияния пути прохождения нагреваемой среды на гидравлическое сопротивление электрических индукционных нагревателей модернизирован лабораторный стенд ТИЭПВ-1 (инв. № 027) ГБОУ ВПО НГИЭИ путем последовательной установки ЗЛУ-15, макетного и опытного образцов МИНЖС.

На макетном образце осуществлялось исследование только влияния оребрения на гидравлическое сопротивление ИНЖС, а на опытном - его эффективная работоспособность.

Опытный образец электрического МИНЖС передан ГБОУ СПО «Нижегородский техникум отраслевых технологий» для производственной апробации и внедрения в качестве дополнительного средства отопления учебных классов.

Результаты исследований включены в монографию и методические указания, используемые в учебном процессе НГИЭИ.

Достоверность основных положений и выводов подтверждена: результатами экспериментальных исследований удельного энергопотребления электрических ИНЖС;

аттестацией стенда ТИЭПВ-1 Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии ФБУ «Нижегородский ЦСМ» (аттестат № 8938/1600 - 12). Основные положения и результаты исследования, выносимые на защиту: разработанный алгоритм, с математическим обеспечением, расчета гидравлического сопротивления электрических ИНЖС, позволил определить зависимость удельного расхода электроэнергии для прокачки 1 кг воды от 1 кПа гидравлического сопротивления;

выполненное теоретическое и конструкционно-технологическое обоснование параметров оребрения индуктора и центрального канала электрического МИНЖС показало, что оребрение следует выполнять из стальной ленты толщиной 3 мм и высотой 8,5 и 8,0 мм соответственно;

разработанная конструкционная схема снижения гидравлического сопротивления электрического МИНЖС позволяет снизить на 6,6 % массу по сравнению с прототипом, в 1,27 раза гидравлическое сопротивление и, как следствие, в 1,29 раза удельный расход электроэнергии на прокачку через него воды;

разработанная методика исследования и полученные результаты по определению удельных затрат электроэнергии электрических водонагревателей позволили определить, что для нагрева воды на санитарно-бытовые нужды и отопление целесообразно применение электрических индукционных нагревателей, а для бойлерного подогрева воды - элементных (тэновых). Применение электрического МИНЖС целесообразно во всех режимах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на: XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 3... 10.09.2011 г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых «Основные направления развития техники и технологии в АПК, лёгкой и пищевой промышленности (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 14.12.2011 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития аграрной экономики России (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 20...25.05.2012 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной памяти Мартыненко И. И. «Энергообеспечение технологических процессов в АПК» (г. Мелитополь, Украина, Таврический государственный агротехнологический университет, 30 мая - 2 июня 2012 г.); XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 21...24.09.2012г.); международной научной сессии (МНС-12) "Инновационные энергосберегающие технологии в АПК" (Москва, ФГОУ ВПО МГАУ, 08...09.11.2012 г.); XVIII Нижегородской сессии молодых учёных (Нижегородская область, Арзамасский район, профилакторий «Морозовский», 19...22.03.2013 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 18 печатных работах, в том числе 4 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных

журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, монографии, методических указаниях, патент на полезную модель, 2 работы в иностранных (Украина и Польша) изданиях, 2 работы опубликованы без соавторов. Объём публикаций 8,56 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 185 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 разделов и основных выводов. Работа содержит 27 таблиц, 74 рисунка и 12 приложений. Список литературы включает 145 источника, втом числе 10 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, определены объект и предмет исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Обзор электрических теплообменников и использования ин-дущионных нагревателей воды» отмечено, что одной из задач диссертационной работы является выявление энергосберегающих электронагревателей воды из их конструкций, которые используются в технологических процессах сельскохозяйственных производств и в быту, в частности, в системах отопления, санитарно-бытового горячего водоснабжения и т.п. В этой связи первостепенное значение было уделено изучению трудов Заслуженного изобретателя России, крупного специалиста по созданию электротермического оборудования для различных отраслей народного хозяйства, профессора Н.В.Оболенского.

Естественно, решая поставленную задачу, нельзя было обойтись без изучения трудов ведущих ученых по фундаментальным и прикладным вопросам электромеханизации сельского хозяйства: Альтгаузена А. П., Бородина И. Ф., Драганова Б. X., Жуковского В. С., Калиткина H. Н., Лыкова А. В., Лекомцева П. Л., Мусина А. М., Никитина Г. М., Осокина В. Л., Потапова Ю. С., Расстригина В. Н., Растимешина С. А., Рудобашты С. П., Смольского Б. М., Сырых H. Н., Рубцова П. А., Свенчанского А. Д., Тарушкина В. И. и др.

Обзор первого раздела показал, что существует множество конструкций электрических индукционных нагревателей жидких сред. Но в мире еще не научились греть 2 воду с минимумом затрат энергии. Поэтому следует ; искать путь снижения энергозатрат для более эффективного и экономичного её нагрева».

Во втором разделе «Теоретические аспекты S повышения эффективности ИНЖС», обосновано, что ~ путем снижения гидравлического сопротивления элек-~jf трического МИНЖС, можно уменьшить его энергопотребление и затраты на изготовление. Для этого нами предложено оребрение наружных поверхностей индук-i тора и центрального цилиндрического канала (рис. 1 ).

з Рисунок 1 — Усовершенствованное устройство

индукционного нагрева жидких сред: 1 — корпус; 2 -крышка; 3 — днище; 4 - центральный цилиндрический канал, оснащённый винтовыми рёбрами; 5 — винтовые рёбра; 6 - индуктор; 7 - винтовые рёбра; 8 - обмотка индуктора; 9 - патрубок входной; 10 - патрубок выходной.

Во 2 разделе произведены расчеты, с использованием разработанного нами алгоритма электрического МИНЖС, а также конструкционно-технологическое и теоретическое обоснование параметров оребрения наружных поверхностей индуктора и центрального цилиндрического канала электрического индукционного источника теплоты.

Математическую модель проектного решения оребрённого индуктора (ОИ), можно представить в виде:

У = №,«)> (!)

где х, }' , и - соответственно векторы входных и выходных параметров, а также параметров управления, а схематическое изображение объекта оптимизации — (рис. 2).

Вектор входных

Х\

параметров Объект (ОИ) ных парамет-

} Г

■Уп

Щ ... иг

Вектор управляющих параметров Рисунок 2 - Схематическое изображение объекта исследования

Элементы векторов и управления и выходных параметров у ограничены наименьшими и наибольшими значениями

"гшп ^и<и„ ,<У<1

Утт^У^Уты-

(2)

Математическая модель проектного решения ОИ выделяет множество допусти-и = {й\й(х,,хт)}

мых вариантов проектных решений. Выбор из этого множества наилучшего варианта осуществляется с помощью критерия оптимизации Л в качестве которого могут быть выбраны его себестоимость, приведенные затраты при эксплуатации, долговечность изделия, минимальные массогабаритные характеристики или удельный расход электроэнергии (И';,а). Задача оптимизации ОИ заключается в нахождении такого управлениям, которое удовлетворяет уравнению (1), ограничениям (2) и (3) и условию

/(«*) = тт {/(г<)}. иеС/ (4)

В диссертационной работе рассматривается структура фазовых переменных (х, у ) и управления и ОИ.

Входными параметрами объекта оптимизации являются! мощность г 01ь бго активная поверхность и теплопроводность её материала X об. К числу параметров

л: = тт

1(и)

(5)

управления относятся: толщина д0, высота кР и шаг л> спирально-винтового оребрения конструкционных элементов.

Выходными параметрами объекта оптимизации являются эффективность оребрения ц и тепловой поток IV, отводимый ребром.

Ограничения данной задачи подразделяются на конструкционные (геометрические размеры оребрения) и технологические (температуры конструкционных элементов).

Конструкционные ограничения: высота ребра 0 <гр<гр тах; толщина ребра 8Р„„„ < 4> < дтах'- шаг между ребрами эртШ <яр< ^И1ЯГ;

Технологические ограничения: температура поверхности оболочки 1об < 1„,-,тт.

В соответствии с изложенным выше, применительно к ОИ, задача оптимизации имеет вид:

у = М(х,й);

конструщи онные и технологи ческие ограничены я

где у = М(х,и)~ математическая модель задачи, включающей в себя систему уравнений для расчета выходных параметров объекта управления, в т. ч. критерий оптимизации.

Результаты анализа структуры фазовых переменных объекта управления и сформулированную задачу оптимизации ОИ можно использовать для нахождения оптимальных (или близких к ним) значений конструкционных и технологических (материал и способ оребрения) параметров ОИ. В качестве критерия оптимизации выбраны минимальные массогабаритные характеристики. Найденные таким образом наилучшие значения параметров управления использованы при проектировании модели ОИ.

Одной из проблем при конструировании ОИ со спирально-винтовым оребрени-ем является выбор оптимального варианта теплоотдающей поверхности.

Для упрощения решения задачи теплообмена его можно представить в виде совокупности последовательно соединенных радиальных колец.

зЖ

Рисунок 3 - Спирально-винтовое ребро прямоугольного профиля: 1 — оребряемая поверхность; 2 - ребро

Для спирально-винтового ребра прямоугольного профиля (рис. 3) контур профиля описывается уравнением

12(г) = сош-1 - -у-'

где ¿о - толщина ребра и ее производная равна нулю. Подставляя/:(г) и её производную в уравнение теплового баланса имеющего вид

получаем

ШУ—у + + ''^т^-г

¿г а г а г а г

,1г2 Ф

--адг

где ,„ = (2а/ЛРд~0)У2.

Уравнение (6) - это модифицированное дифференциальное уравнение Бесселя. Его общее решение определяется соотношением

О = С110(тг)+С2к0(тг) • (7)

Произвольные постоянные С/ и С2 вычисляются с помощью граничных условий:

при г - г„ О - 0„: (8)

при г = ге

<]0_ Ф

= о-

(9)

Подставив эти граничные условия в (7), получим два уравнения для определения С] и

Оо = С1 /о ("»'„) + С2 (тг0 );

0 = Сх1,(тге)-С2К1{тгс)-

Вычислив С1 и С2 и подставив их в (7). получим зависимость для распределения температурного напора по радиусу

д0[К\(тге)1й(тг)+ /, (/»/у )К0 (/«/■)] (10)

/о (тг0 )А", (тге ) + /, (ш/у )К0 (тг0)

При г = г,; (10) получаем <2 = <20.

Тепловой поток через основание ребра определяется по общей формуле

"'о = ~ 2яАРг080

г=г„

Знак «минус» использован потому, что с увеличением координаты температура уменьшается.

Дифференцируя (10), вычисляя производную при г = гп и подставляя результат в предыдущее соотношение, получаем

»о = 2щ30ЯРтд0г

1\(тге)Кх(тг0)-К^тге)1]{тг0) / о (тг0 К, (тге)+1х {тге )К0 (тг0 )_ Тепловой поток, передаваемый идеально проводящим ребром

Щи - ^последовательно, эффективность ребра

/1 (т/у (тга)- А', (м/у )/[ (тг0 ) / 0 (тг0 (ш/у )+ /; (т/у (шг0 )

(11)

2 лг^^ЯршО^

2л-/у

-'-око

Учитывая, что т2 = 2а/ХРд0, запишем предыдущее соотношение в виде

2л,

/1 (/иг. К, (mr0)- У, (mrc)/1 (mr0) /о (»""о )A'l ("">)+ Л 0>"V )A'o (""'0)

(12)

Эффективность теплопередачи ребра определяется в частности его площадью. В этом смысле часть спирали приходящейся на шаг винта эквивалентна по своему тепловому действию радиальному ребру, умноженному на фактор:

W-n2).

Г = Эспир/луг

В диссертационной работе осуществлено определение зависимости эффективности прямоугольного ребра от его толщины: <5; = 1 мм, 82 = 2 мм, д3 = 3 мм, ё4 = 4 мм, S} = 5 мм. В электрическом МИНЖС оребрены: индуктор - первый контур со следующими параметрами: наружный диаметр ребра 150 мм, внутренний диаметр ребра 133 мм, высота ребра 0,0085 м; центральный канал - второй контур со следующими параметрами: наружный диаметр ребра 36 мм, внутренний диаметр ребра 20 мм, высота ребра 0,008 м. Ребра изготовлены из стали с коэффициентом теплопроводности кР= 34,1 Вт/(м°С).

Температуру теплоносителя, при начальной работе электронагревателя в режиме отопления, в первом контуре (на входе в нагреватель) принята равной комнатной температуре 18 °С, температура на выходе второго контура - 24 °С. Температура в основании рёбер 70 "Си 120 °С соответственно, коэффициент теплоотдачи а - 18,50 Вт/(м2-°С) и 37,75 Вт/(м2 оС).

Определённые эффективность ребер rj разной толщины и тепловой поток IV, отводимый ребром, сведены в табл. 1, из которой следует, что с увеличением толщины

Таблица 1 - Основные расчетные характеристики спирально-винтовых

Толщина ребра 5, мм ть м"1 т2, м"1 тге1 тг01 тге2 тг02 Л1 Yi 72 W], Вт Wo, Вт

1 32,940 47,054 2,471 2,191 0,847 0,471 0,973 0,941 269,95 836.80 1909,8 4014,9

2 23,292 33,272 1,747 1,549 0,599 0,333 0,986 0,969 269,95 836,80 1935,7 4137,0

3 19,018 27,167 1,426 1.265 0,489 0,272 0,991 0,979 269,95 836.80 1944,5 4179,7

4 16,470 23.527 1,235 1,095 0,423 0,235 0,993 0,984 269,95 836,80 1949,0 4201,3

5 14,731 21,043 1,105 0,980 0,379 0,210 0,994 0.987 269,95 836,80 1951,7 4214.5

ребра при неизменной её высоте возрастает эффективность оребрения, а при увеличении высоты ребра при неизменной толщине эффективность оребрения падает. Поэтому следует учитывать, что с увеличением толщины и высоты ребра возрастает и стоимость электрического ИНЖС. Поэтому, исходя из конструкционно-технологических соображений, нами приняты толщина ребра 0,003 м, высотой 0,0085 м в первом контуре и 0,008 м во втором. Шаг между ребрами принят в первом контуре 120 мм и 127 мм во втором.

По данным табл. 1 построены графики (рис. 4 и 5).

Ё

I

—

%

е

§

Рисунок 4 - Зависимость эффективности оребрения от толщины ребра

н 4500

(Я

^ 4000

О 3500

0

£ 3000

1 льоо -2000 1500

1 2 3 4 5 с 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Толщина ребра й. мм

Рисунок 5 - Зависимость теплового потока с ребра от его толщины

Естественно, возникает вопрос о долговечности электрического ИНЖС из-за возможности отложения накипи на оребрённых поверхностях. В литературных и Интернет источниках имеются сведения о том, что у индукционных нагревателей отложения накипи на внутренних поверхностях трубы-сердечника (центрального канала) не образуются из-за малой разницы температур между нагревателем и теплоносителем, не превышающей 30 °С, а также из-за вибраций, вызванных вихревыми токами, отталкивающих ионы солей от внутренних стенок трубы. Поэтому индукционные электронагреватели требуют минимум профилактических работ, не требуют высококвалифицированного персонала для монтажа и обслуживания, полностью автономны, не требуют специализированных помещений и обладают большим сроком службы.

Расчетный суммарный коэффициент гидравлического сопротивления прототипа составил = 40,32, а макетного образца МИНЖС, рис.1, - =2,4, а опытного образца МИНЖС, - = 32,46.

Третий раздел «Программа, средства и методика исследований» содержит: планирование эксперимента; разработку методик проведения экспериментов; выбор средств измерений; проведение экспериментов.

Планирование экспериментальных исследований сведено к: 1. Исследованию удельного расхода электроэнергии наиболее распространенных в сельском хозяйстве

■ Я'1 с пара 7

■ \Y2cmtptm

электроводонагревателей проточного типа: с трубчатыми электронагревателями ЭВП, электродного КЭВ-100. индукционных SAV-I5 и МИНЖС в режиме отопления; 2. Исследованию удельного расхода электроэнергии при работе ЭВП. SAV-15, КЭВ-100 и МИНЖС в проточном режиме; 3. Исследованию удельного расхода электроэнергии при работе ЭВП, SAV-15, КЭВ-100 и МИНЖС в бойлерном режиме; 4. Экспериментальному подтверждению снижения гидравлического сопротивления и расхода электроэнергии на прокачку нагреваемой воды через электрический МИНЖС; 5. экспериментальному подтверждению эффективной работоспособности МИНЖС.

Суть методики исследований по определению энергозатрат заключается в следующем:

Замеры: времени нагрева - г. ч (г принимается равным 1 ч); температуры воды на входе в МИНЖС - tex, °С: расхода воды (зафиксированного расходомером Р2) - G,/,, кг: температуры поверхности отопительного прибора - tom. или рабочей ёмкости стенда. °С; напряжения сети - U, В; тока в сети - I. А; количества потреблённой электроэнергии (зафиксированной электросчетчиком) - IV, Вт ■ ч.

Расчет по результатам замеров параметров: температуры нагрева воды в контуре стенда At - разница между температурой воды на входе в индукционный нагреватель при г = 1 ч (tK) и при т = 0 (/„), °С; температуры нагрева воды в рабочей ёмкости или отопительных приборах (батареях) At, - разница между температурой поверхности рабочей ёмкости или отопительных приборов при г - 1 ч (t„k) и при г = 0 (?„„), °С; удельного расхода электроэнергии (Wv„) для нагрева 1 кг воды на 1 °С, Вт • ч/кг ■ °С:

At = tK-t„: (13)

dt,=t„K~tnH; (14)

lVra = W/GéAt, (15)

где W— количество электроэнергии, потреблённой электронагревателями в течение 1 ч. Вт ■ ч: йф - фактическое количество воды, нагретой в течение 1 ч, кг.

Занесение результатов замеров и расчетов в специальные таблицы с дальнейшей их статистической обработкой.

Регистрацию исследуемых параметров проводили с помощью приборов и аппаратуры испытательного стенда и специальных переносных приборов Центра энергоаудита с лабораторией энергетических обследований. В частности: расход воды, прокачиваемой через МИНЖС, измеряли посредством ультразвукового расходомера жидкости Portaflow 330: нагрев конструкционных элементов стенда и МИНЖС фиксировался посредством тепловизора Flir Т335. (рис.6): динамика роста температуры нагрева воды, а также теплоотдающей поверхности отопительных приборов фиксировались посредством инфракрасного термометра Testo 845. (рис.7).

Рисунок 6 - Замер температурного поля батареи Рисунок 7 - Работа с Testo 845

Расчет по результатам замеров удельного (И'Гмг) расхода электроэнергии для прокачки 1 кг воды через электрические ИНЖС с преодолением 1 кПа гидравлического сопротивления, Вт • ч ■ кПа/кг:

\\\.дЛР=\УАРЮ. (16)

Занесение результатов замеров и расчета в табл. 2.

Таблица 2 - Экспериментальные данные АР, IV, Wr0JP

Продолжительн ость работы, мин Исследуемый объект

SAV-15 Макетный образец МИНЖС

га С и < G. кг сг н m ^ Wyajp, Вт ■ ч • кПа /кг я С О," G, кг W, Вт ч WytíAl'. Вт ■ ч ■ кПа /кг га С и о,' ^ G. кг ь 02 SiT . и S tr JÍ

30 16,5 1140 105 1,520 1,20 1260 110 0.105 13.0 1190 108 1,175

60 16.5 2280 210 1,520 1,20 2520 220 0,105 13,0 2380 215 1.175

В качестве основного средства экспериментальных исследований использован стенд испытаний электрических подогревателей воды, доработанный нами в части конструкторского решения и принципиальной электрической схемы управления МИНЖС (рис. 8).

А В С N

Рисунок 8 - Принципиальная электрическая схема управления ИНЖС: С/...СЗ - конденсаторы, VORI... VOR3—варисторы, ТР 1 - твердотельное реле, PTJJ 1 -тепловое реле, АВ I - автомат ввода, N - нулевой провод, М - насос, АВ 2 - автомат защиты, Л, В, С-рабочие фазы, «+» и «-» термопары.

Питание МИНЖС осуществляется трёхфазным переменным током напряжением 380 В частотой 50 Гц. Запуск и отключение, в том числе в случае короткого замыкания, осуществляется автоматическим выключателем ABl через тепловое реле РТЛ1, защищающее МИНЖС от перегрузок.

От теплового реле напряжение подаётся на трёхфазное твердотельное реле TPI, (рис. 8) обеспечивающее бесконтактную коммутацию электрической цепи, в частности, включает: входную цепь, оптическую развязку цепей управления и нагрузки, триггер-ную цепь, выходную цепь и защитную цепь.

Входная цепь (или «первичная») состоит из резистора, включённого последовательно со светодиодом входной пары (оптроном). Её задачей является принять сигнал управления и «скомандовать» твердотельному реле коммутировать нагрузку. Оптическая развязка цепей управления и нагрузки обеспечивает изоляцию между входной и выходной цепями. Триггерная цепь управляется эмиссией света оптрона и переключает выход твердотельного реле.

Выходная цепь, состоящая из кремниевых диодов, непосредственно коммутирует нагрузку. Защитная цепь необходима для надежной работы твердотельного реле. Наличие электрической защиты реле необходимо от его возможного повреждения или от ошибок, связанных с его неправильным использованием. Для исключения перегрузок по напряжению на выходе реле установлены защитные варисторы VOR1... VOR3.

На выходе силовой цепи из твердотельного реле установлены конденсаторы CI...C3 и контакты нагревателя. Управление МИНЖС осуществляется с помощью температурного контроллера TC4S.

Разработанные методики, подобранные приборы и спланированные эксперименты достаточны для проведения диссертационных исследований и определения наиболее эффективной конструкции подогревателя воды.

Удельный расход электроэнергии на преодоление гидравлического сопротивления в МИНЖС в 1,29 раза меньше, чем рассчитанный для прототипа при большей в 1,04 раза прокачке воды, что подтверждает целесообразность предложенной модернизации ИНЖС.

В четвёртом разделе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты экспериментальных исследований в виде зависимостей температуры воды от времени её нагрева и режимов работы SAV-15, ЭПВ, КЭВ-100 и

МИНЖС, (рис.9), зависимости начальных температур поверхности отопительных батарей от времени нагрева теплоносителя

Рисунок 9 - Зависимость температуры воды от времени её нагрева при работе SAV-15 в режиме отопления

посредством 8АУ-15, ЭПВ, КЭВ-100 и МИНЖС. при одинаковой потребляемой мощности: зависимостей удельного расхода электроэнергии Щ,дот времени и режима работы 8АУ-15, ЭПВ. КЭВ-100 и МИНЖС (рис. 10), а также зависимости удельного расхода электроэнергии

р от режима работы электродвигателя насоса, прокачивающего теплоноситель, через 8АУ-15 и макетный и опытный образцы МИНЖС (рис.11).

I

I

SAV.15: 1.520

макете мнговым

PpcOptHIiRt «10?

Рисунок 11 - Зависимость удельного расхода электроэнергии (¥У1,&р от режима работы электродвигателя насоса, прокачивающего теплоноситель через 8АУ-15, макетный и опытный образец МИНЖС

Рисунок 10 - Зависимости Wyd от режима работы нагревателя

Названные зависимости получены по экспериментальным и расчетным данным в прикладной программе Excel 2007.

Анализ графиков (рис. 11) показывает: наименьшее энергопотребление у индукционного нагревателя SAV-15 происходит при работе в проточном режиме, а наибольшее - в режиме отопления; наименьшее энергопотребление у ЭПВ наблюдается в бойлерном режиме, а наибольшее - в режиме отопления; наименьшее энергопотребление у КЭВ-100 происходит при работе в проточном режиме, а наибольшее — в режиме отопления.

При работе в режиме отопления и проточном наименьшее энергопотребление у SAV-15, (при нагреве теплоносителя до температуры 80"С); при работе в бойлерном режиме наименьшее энергопотребление у ЭПВ.

Применение электрического МИНЖС целесообразно во всех режимах.

Теплотехнические исследования и подтверждение целесообразности оребрения индуктора и центрального канала осуществлялось на стенде ТИЭПВ-1 (инв. № 027) ГБОУ ВПО НГИЭИ. Исследования проводились на выпускаемом промышленностью ИНЖС типа SAV-15 (рис. 12) макетном и опытном (рис. 13) образцах ИНЖС.

Рисунок 12-Базовый нагреватель SAV-15

Рисунок 13 - Нагреватель модернизированный ИНЖС

Таблица 4 — Сравниваемые характеристики прототипа, макета ИНЖС и МИНЖС

Параметры Объект исследования

прототип макет ИНЖС МИНЖС

Коэффициент гидравлического сопротивления 40,3 2,4 32.5

Гидравлическое сопротивление, кПа 16,5 1,2 13,0

Шаг между рёбрами, мм: индуктора центрального канала - 95/95 120/127

Высота ребра, мм: индуктора центрального канала - 8,5/8,5 8,5/8.0

Толщина ребра, мм - 1 3

Габариты: высота / диаметр, мм 1000/ 159 1000/ 159 1000/ 159

Масса общая, кг 92 34 86

Гидравлические испытания SAV-15 и опытного образца МИНЖС показали, что у последнего удельный расход электроэнергии lVrl) АР на прокачку нагреваемой среды (воды) значительно меньше (1.175 вместо 1.520 Вт ч-кПа/кг).

Для нагрева воды на санитарно-бытовые нужды и отопление целесообразно применение электрических индукционных нагревателей, а для бойлерного подогрева воды — элементных (тэновых). Применение электрического МИНЖС целесообразно во всех режимах. Применение оребрения индуктора и центрального канала позволяет снизить на 6,6 % массу по сравнению с прототипом, в 1,27 раза гидравлическое сопротивление и, как следствие, в 1,29 раза удельный расход электроэнергии на прокачку через него воды.

В пятом разделе «Реализация результатов диссертационной работы» отмечено. что работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ГБОУ ВПО НГИЭИ на 2010...2014 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства».

Для выявления удельных затрат электроэнергии электрических ИНЖС был модернизирован путём установки нагревателя SAV-15 (реализован патент № 107360 РФ) в лабораторный стенд ТИЭПВ-1 (инв. № 027) ГБОУ ВПО НГИЭИ.

По результатам исследования макетного образца модернизирован серийный SAV-15 (рис. 12 и 13), который прошёл апробацию в НГИЭИ (рис.14) и передан ГБОУ СПО «Нижегородский техникум отраслевых технологий» в качестве дополнительного средства отопления (рис. 15) учебных классов, а макетный образец используется для практического изучения и усвоения студентами материала (математического аппарата) монографии по расчету гидравлических сопротивлений. С этой целью выпущены «Методические рекомендации по расчету гидравлического сопротивления индукционных нагревателей» в качестве основной литературы для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Агроинженерия», и по специальностям «Механизация сельского хозяйства», «Технология обслуживания и ремонт машин в АПК». «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

Рисунок 15 — Установка МИНЖС в системе отопления Нижегородского техникума отраслевых технологий

Внедрение в производство оребрения индуктора и центрального канала позволит производителю экономить 744,68 руб. только на изготовлении одного ИНЖС.

Расходы на электроэнергию при использовании нагрева воды для 100 голов КРС ИНЖС с оребреннымн индуктором и центральным каналом уменьшатся на 1194,95 руб. ежегодно.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанный алгоритм с математическим обеспечением расчета гидравлического сопротивления электрических ИНЖС, позволил выявить, что коэффициент гидравлического сопротивления электрического МИНЖС в 1,24 раза меньше чем у прототипа п как следствие в 1,29 раза меньше удельный расход электроэнергии на прокачку через него воды, что подтверждено экспериментально.

2. На основании теоретического обоснования параметров оребрения индуктора и центрального цилиндрического канала, выполненного посредством математической модели, а также, исходя из конструкционно-технологических соображений, для оребрения индуктора и центрального канала в электрическом МИНЖС, приняты рёбра из стальной ленты толщиной 3 мм, высотой 8,5 и 8,0 мм, приваренные к индуктору и центральному цилиндрическому каналу.

3. Разработанная конструкционная схема снижения гидравлического сопротивления электрического МИНЖС (патент №124470 на полезную модель) позволяет снизить на 6,6 % массу по сравнению с прототипом, в 1,27 раза гидравлическое сопротивление и, как следствие, в 1,29 раза удельный расход электроэнергии на прокачку через него воды;

4. Разработанная методика исследования и полученные результаты исследования по определению удельных затрат электроэнергии электрических водонагревателей позволили определить, что для нагрева воды на санитарно-бытовые нужды и отопление целесообразно применение электрических индукционных нагревателей, а для бойлерного подогрева воды — элементных (тэновых). Применение электрического МИНЖС целесообразно во всех режимах;

Исследования электрических индукционных нагревателей 8А\М5 и МИНЖС показали, что у последнего удельный расход электроэнергии 1¥уД др на прокачку нагреваемой среды (воды) значительно меньше (1,175 вместо 1,520 Вт-ч-кПа/кг).

5. Экономическая эффективность использования МИНЖС, включающая экономию средств за счет ежегодного уменьшения эксплуатационных расходов на оплату электроэнергии для нагрева воды, используемой при содержании животных (из расчета 100 голов КРС молочной фермы), а также за счет уменьшения материалоёмкости ИНЖС составляет 1939,63 руб.

Перспективы дальнейшей разработки темы. Оребрение индуктора и центрального канала - патент № 124470 РФ на полезную модель принято ЗАО «НИК «ИНЕ-РА» для внедрения в качестве специализированной модели для промышленных систем подогрева жидких сред с критическими показателями гидродинамического сопротивления.

Индукционные водонагреватели имеют большую перспективу для использования в сельскохозяйственных производствах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

- в изданиях, рекомендованных ВАК:

I. Миронов Е.Б. Оребрение индуктора и центрального канала - путь снижения гидравлического сопротивления протеканию воды в ИНЖС / А. Е. Шамин, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2012. - № 5 (30). С. 70...74.

2. Миронов Е.Б. Теоретическое обоснование параметров оребрения индукционного источника теплоты / А. Е. Шамин, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Аграрная наука Евро-Северо-Востока, - 2013. -№ 1 (32). С. 65...69.

3. Миронов Е. Б. Результаты исследований по выявлению наиболее энергосберегающей конструкции электрического нагревателя воды / Н. В. Оболенский, Е. Б.Миронов // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. - 2012. -№3(54). - С. 27...29.

4. Миронов Е. Б. Энергопотребление индукционного водонагревателя / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // «Сельский механизатор». - 2012. -№ 11. -С. 30...31.

- в учебных и научных изданиях:

5. Миронов Е. Б. Оптимизация ИНЖС по критерию ресурсосбережения при нагреве воды для сельскохозяйственных нужд и технологических процессов / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков / Монография. - Княгинино: НГИЭИ, 2012. - 132 с.

6. Миронов Е. Б. Лабораторные работы по дисциплине «Гидравлика». / Е. Б. Миронов, В. Н. Нечаев / Метод, указания. - Княгинино: НГИЭИ, 2012. - 22 с.

- в журналах, сборниках научных трудов вузов, бюллетенях:

7. Миронов Е. Б. Преимущества и принцип действия индукционных водонагревателей / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов // Вестник НГИЭИ. - 2011. Сер. техн. науки. Вып. 6(7). -С. 89...97.

8. Миронов Е. Б. Модернизация системы отопления и горячего водоснабжения на примере мастерской сельскохозяйственной организации / Е. Б. Миронов // Материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых «Основные направления развития техники и технологии в АПК, лёгкой и пищевой промышленности». Княгинино: НГИЭИ, 2012. - С. 76...79.

9. Миронов Е. Б. Художественно-конструкторское решение стенда для сравнительных теплотехнических испытаний электрических подогревателей воды / Н. В. Оболенский, В. Л. Осокин, Ю. Е. Крайнов, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Вестник НГИЭИ. - 2012. Сер. техн. науки. Вып. 4(11). - С. 24...32.

10. Миронов Е. Б. Оребрение индуктора и центрального канала - путь снижения гидравлического сопротивления протеканию воды в ИНЖС / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Вестник НГИЭИ. - 2012. Сер. техн. науки. Вып. 6(13). -С. 45...54.

II. Миронов Е. Б. Исследования индукционного нагревателя жидких сред / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Вестник НГИЭИ. - 2012. Сер. техн. науки. Вып. 10(17).-С. 70...81.

12. Миронов Е. Б. Теоретическое обоснование параметров оребрения индукционного источника теплоты / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков //

Материалы международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Проблемы и перспективы развития экономики сельского хозяйства». -Княгинино: НГИЭИ, 2012. - С. 277...284.

13. Миронов Е. Б. Индукционные водонагреватели и их применение в АПК / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов // Материалы XVI международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований». Княгинино: НГИЭИ, 2012. -С. 130... 134.

14. Патент на полезную модель № 124470 РФ. Устройство индукционного нагрева жидких сред / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, (РФ). — 4 с: ил.1. Опубл. 20.01. 2013. Бюлл. № 2.

15. Миронов Е. Б. Оребрение теплоотдающих поверхностей индукционных нагревателей жидких сред / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Науковий вютник Тавршский державний агротехнолопчний ушверситет. - Мил1тополь: ТДАТУ, 2012-Выпуск№2. Том4.-С. 182...189.

16. Миронов Е. Б. Обоснование параметров оребрения индукционного источника теплоты / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Проблемы интенсификации животноводства с учетом пространственной инфраструктуры с.-х. и охраны окружающей среды: Монография под научной редакцией проф. докт. Вацлава Рома-нюка: - Фаленты - Варшава. Институт технологических и естественных наук. 2012. -С. 156... 160.

17. Миронов Е. Б. Исследования энергопотребления индукционного нагревателя жидких сред / Н. В. Оболенский, Е. Б. Миронов, С. Б. Красиков // Материалы XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований». Княгинино: НГИЭИ, 2013.-С.137...144.

18. Миронов Е. Б. Результаты исследования модернизированного индукционного нагревателя / Е. Б. Миронов // Вестник НГИЭИ. - 2013. Сер. техн. науки. Вып. 4(23). -С. 95...101.

Подписано в печать 14.11.2013 г. Формат 60x84 1/16

Объём 1 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № 63. Отпечатано в типографии НГИЭИ с оригинал-макета. 606340, Нижегородская область, г. Княгинино, ул. Октябрьская, 22,а

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Нижегородский государственный инженерно-экономический институт

04201365675

На правах рукописи

МИРОНОВ ЕВГЕНИЙ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПУТЁМ ОРЕБРЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Оболенский Н.В.

г. Княгинино 2013

Содержание

Введение........................................................................................................................................................................4

1 Обзор электрических теплообменников и использования индукционных нагревателей воды......................................................................................................................................10

1.1 Электрические нагреватели воды в сельском хозяйстве..........................................10

1.2 Элементные водонагреватели............................................................................................................14

1.3 Электродные котлы....................................................................................................................................17

1.4 Индукционные источники теплоты............................................................................................23

1.5 Конструкционные особенности устройств индукционного нагрева............38

1.6 Типовые схемы подключения индукционных водонагревателей....................41

1.7 Выводы. Цель и задачи исследований....................................................................................43

2 Теоретические аспекты повышения эффективности ИНЖС....................................44

2.1 Конструкционное решение снижения гидравлического сопротивления ИНЖС..............................................................................................................................................................................44

2.2 Расчет гидравлического сопротивления ИНЖС........................................................................51

2.3 Конструкционно-технологическое обоснование параметров оребрения ИНЖС..............................................................................................................................................................................53

2.4 Теоретическое обоснование параметров оребрения ИНЖС..........................................54

2.5 Выводы................................................................................................................................................................65

3 Программа, средства, и методика экспериментальных исследований............67

3.1 Программа экспериментальных исследований................................................................67

3.2 Средства экспериментальных исследований......................................................................67

3.3 Планирование экспериментальных исследований..................................................................84

3.4 Методика исследований удельного расхода электроэнергии..............................84

3.5 Методика исследований гидравлического сопротивления и расхода электроэнергии на прокачку нагреваемой воды через 8АУ-15, макетный и опытный образцы МИНЖС........................................................................................................................93

3.6 Методика подтверждения работоспособности МИНЖС..................................94

3.7 Вывод........................................................................................................................................................................................94

4 Результаты экспериментальных исследований..................................................................95

4.1 Обработка результатов экспериментальных исследований удельного расхода электроэнергии................................................................................................................................^^

4.2 Анализ результатов исследований удельного расхода электроэнергии........................................................................................................................................................................................106

4.3 Экспериментальное подтверждение снижения гидравлического сопротивления ИНЖС и удельного расхода электроэнергии на прокачку нагреваемой среды (воды)..................................................................................................................................................107

4.4 Доказательства точности и достоверности результатов исследований... Ю7

4.5 Параметры оребрения индуктора и центрального канала ИНЖС..........Ю9

4.6 Выводы................................................................................. НО

5 Реализация результатов диссертационной работы.............................. 111

5.1 Апробация модернизированного ИНЖС....................................... 111

5.2 Использование результатов исследований в учебном процессе........... 113

5.3 Технико-экономическая эффективность использования технических решений диссертационной работы.................................................. 114

5.4 Выводы................................................................................. 118

Общие выводы.............................................................................118

Библиографический список.............................................................120

Приложения................................................................................ 136

Введение

Актуальность темы. В настоящее время приоритетным направлением технической политики в агропромышленном комплексе является насыщение сельскохозяйственных товаропроизводителей высококачественной, экологически чистой, безопасной и высоконадежной техникой. В частности, для технологических процессов переработки и тепловой обработки сельскохозяйственной продукции, для обеспечения нормального функционирования машин, механизмов и обслуживающего их персонала в холодные периоды года, в системах отопления, санитарно-бытового и горячего водоснабжения необходимы экологически чистые нагреватели воды и других сред. Промышленностью выпускается огромное количество теплообменников. Экологически чистыми являются электрические водонагреватели: элементные (тэновые), электродные и индукционные.

Поэтому выявление энергосберегающих электронагревателей воды из их многочисленных конструкций, а также их совершенствование, весьма актуальная задача, так как нагрев воды является одним из путей эффективного расходования энергетических ресурсов страны. Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ГБОУ ВПО Нижегородского ГИЭИ на 2010...2014 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства».

Степень разработанности темы. В настоящее время для горячего водоснабжения, отопления и других нужд разработано и выпускается промышленностью множество конструкций электрических водонагревателей, в число которых входят перспективные электрические устройства индукционного нагрева жидких сред, обладающие высокой надёжностью и большим сроком службы.

Однако наиболее востребованные электрические индукционные нагреватели имеют большую массу, повышенное гидравлическое сопротивление протеканию теплоносителя, и как следствие, повышенный расход электроэнергии при использовании циркуляционного насоса, значительную трудо-

емкость проведения регулярного ухода и обслуживания.

Наряду с этим, на современном этапе отсутствует методика исследования (выявления эффективности работы) различных конструкций электрических нагревателей, в том числе по определению удельного энергопотребления, в идентичных условиях при различных режимах работы.

В этой связи имеется необходимость в дальнейшей проработке вопросов конструкционного совершенствования электрических устройств индукционного нагрева жидких сред (ИНЖС), а также по разработке методик сравнения удельного энергопотребления индукционных, тэновых и электродных водонагревателей.

Профессором Оболенским Н. В. с доцентом Осокиным В. Л. для выявления энергосберегающих конструкций водонагревателей введено понятие «Удельные энергозатраты» с определением «Удельный расход электроэнергии для нагрева в единицу времени 1 кг воды на 1 °С с размерностью Вт ч/кг °С», а с аспирантом Даниловым Д. Ю. оно расширено введением определения «Удельный расход электроэнергии в единицу времени на удаление 1 % влаги из 1 кг зерна с размерностью Вт-ч/кг-%». Соответственно В. Л. Осокиным проведены диссертационные исследования тэнового водонагревателя, а Д. Ю. Даниловым - устройства для сушки зерна.

Цель исследования. Исследование удельного энергопотребления индукционных водонагревателей и их совершенствование путём оребрения конструкционных элементов.

Задачи исследования: разработать алгоритм, с математическим обеспечением, расчета гидравлического сопротивления аналога и модернизированного ИНЖС; обосновать параметры оребрения индуктора и центрального канала ИНЖС; модернизировать (усовершенствовать) конструкцию аналога устройства индукционного нагрева жидких сред; разработать методику исследования удельных затрат электроэнергии ИНЖС и других электрических водонагревателей; провести технико-экономическое обоснование электрического модернизированного индукционного нагревателя жидких сред.

Объект исследования: серийный электрический индукционный нагреватель 8АУ-15 и модернизированный индукционный нагреватель жидких сред (МИНЖС).

Предмет исследования: удельный расход электроэнергии для нагрева в единицу времени 1 кг воды на 1 °С, удельный расход электроэнергии для прокачки через ИНЖС 1 кг воды с преодолением 1 кПа гидравлического сопротивления и влияние оребрения конструкционных элементов ИНЖС на их работоспособность.

Методика исследований. Теоретические исследования базировались на законах и методах электротехники, теплотехники и гидравлики. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым и частным методикам с использованием современных расходомеров, манометров, термографов и ПЭВМ.

Научную новизну представляют: Разработанная схема спирально-винтового оребрения, увеличивающая эффективность электрического индукционного водонагревателя, подтверждена патентом РФ 124470 на полезную модель с названием «Устройство индукционного нагрева жидких сред», а заявка на патентование самого устройства прошла формальную экспертизу с положительным результатом и подвергается экспертизе по существу; математическая модель теоретического обоснования параметров оребрения электрического МИНЖС; зависимость удельного расхода электроэнергии для прокачки 1 кг воды от 1 кПа гидравлического сопротивления электрических ИНЖС (Вт • ч • кПа/кг); алгоритм, с математическим обеспечением, расчета гидравлического сопротивления ИНЖС; разработанная методика исследования удельных затрат электроэнергии электрических ИНЖС на процесс нагрева теплоносителя.

Практическую значимость работы составляют: конструкционное решение электрического ИНЖС с оребрёнными индуктором и центральным каналом, позволяющее снизить энергопотребление циркуляционного насоса (один из основных эксплуатационных показателей) почти на 22,7 % по срав-

/ 1 - /6 ' 1 А»«,

1 /

4

нению с аналогом; методика исследования удельного электропотребления электрических нагревателей жидких сред; оценка технико-экономической эффективности использования электрических нагревателей воды различных конструкций (индукционных, тэновых и электродных); модернизация стенда испытаний электрических подогревателей воды - инструмента для проведения исследований.

Экономическая эффективность использования электрического МИНЖС, включающая экономию средств за счет ежегодного уменьшения эксплуатационных расходов на оплату электроэнергии для нагрева воды, используемой при содержании животных (из расчета 100 голов КРС молочной фермы), а также за счет уменьшения материалоёмкости МИНЖС составляет 1939,63 руб.

Реализация результатов исследований. Для выявления удельных затрат электроэнергии и степени влияния пути прохождения нагреваемой среды на гидравлическое сопротивление электрических индукционных нагревателей модернизирован лабораторный стенд ТИЭПВ-1 (инв. № 027) ГБОУ ВПО НГИЭИ путем последовательной установки 8АУ-15, макетного и опытного образцов МИНЖС.

На макетном образце осуществлялось исследование только влияния оребрения на гидравлическое сопротивление ИНЖС, а на опытном - его эффективная работоспособность.

Опытный образец электрического МИНЖС передан ГБОУ СПО «Нижегородский техникум отраслевых технологий» для производственной апробации и внедрения в качестве дополнительного средства отопления учебных классов.

Результаты исследований включены в монографию и методические указания, используемые в учебном процессе НГИЭИ.

Достоверность основных положений и выводов подтверждена: результатами экспериментальных исследований удельного энергопотребления электрических ИНЖС;

аттестацией стенда ТИЭПВ-1 Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии ФБУ «Нижегородский ЦСМ» (аттестат № 8938/1600 - 12).

Основные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

разработанный алгоритм, с математическим обеспечением, расчета гидравлического сопротивления электрических ИНЖС, позволил определить зависимость удельного расхода электроэнергии для прокачки 1 кг воды от 1 кПа гидравлического сопротивления;

выполненное теоретическое и конструкционно-технологическое обоснование параметров оребрения индуктора и центрального канала электрического МИНЖС показало, что оребрение следует выполнять из стальной ленты толщиной 3 мм и высотой 8,5 и 8,0 мм соответственно;

разработанная конструкционная схема снижения гидравлического сопротивления электрического МИНЖС позволяет снизить на 6,6 % массу по сравнению с прототипом, в 1,27 раза гидравлическое сопротивление и, как следствие, в 1,29 раза удельный расход электроэнергии на прокачку через него воды;

разработанная методика исследования и полученные результаты по определению удельных затрат электроэнергии электрических водонагревателей позволили определить, что для нагрева воды на санитарно-бытовые нужды и отопление целесообразно применение электрических индукционных нагревателей, а для бойлерного подогрева воды - элементных (тэновых). Применение электрического МИНЖС целесообразно во всех режимах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на: XVI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 3... 10.09.2011 г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых «Основные направления развития техники и тех-

8

нологии в АПК, лёгкой и пищевой промышленности (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 14.12.2011 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития аграрной экономики России (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 20...25.05.2012 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной памяти Мартыненко И. И. «Энергообеспечение технологических процессов в АПК» (г. Мелитополь, Украина, Таврический государственный агротехнологический университет, 30 мая -2 июня 2012 г.); XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Социально-экономические проблемы развития муниципальных образований» (Княгинино, ГБОУ ВПО НГИЭИ, 21...24.09.2012г.); международной научной сессии (МНС-12) "Инновационные энергосберегающие технологии в АПК" (Москва, ФГОУ ВПО МГАУ, 08...09.11.2012 г.); XVIII Нижегородской сессии молодых учёных (Нижегородская область, Арзамасский район, профилакторий «Морозовский», 19...22.03.2013 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 18 печатных работах, в том числе 4 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, монографии, методических указаниях, патент на полезную модель, 2 работы в иностранных (Украина и Польша) изданиях, 2 работы опубликованы без соавторов. Объём публикаций 8,56 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 185 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 разделов и основных выводов. Работа содержит 27 таблиц, 74 рисунка и 12 приложений. Список литературы включает 145 источника, в том числе 10 на иностранных языках.

»» V

г

1 ОБЗОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ВОДЫ

Основной задачей диссертационной работы является выявление энергосберегающих электронагревателей воды из их многочисленных конструкций, которые используются в технологических процессах сельскохозяйственных производств и в быту, в частности, в системах отопления, санитарно-бытового горячего водоснабжения и т.п. В этой связи первостепенное значение было уделено изучению трудов Заслуженного изобретателя России, крупного специалиста по созданию электротермического оборудования для различных отраслей народного хозяйства, профессора Н. В. Оболенского [44...76].

Естественно, решая поставленную задачу, нельзя было обойтись без изучения трудов ведущих ученых по фундаментальным и прикладным вопросам электромеханизации сельского хозяйства: Альтгаузена А. П., Бородина И. Ф., Драганова Б. X., Жуковского В. С., Калиткина Н. Н., Лыкова А. В., Лекомцева П. Л., Мусина А. М., Никитина Г. М., Потапова Ю. С., Рас-стригина В. Н., Растимешина С. А., Рудобашты С. П., Смольского Б. М., Сырых Н. Н