автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Нагревательные элементы трансформаторного типа для систем нагрева воды

На правах рукописи

КАРПЕНКО ВАЛЕНТИНА АЛЕКСАНДРОВНА

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ НАГРЕВА ВОДЫ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005017416

1 о [дп

Комсомольск-на-Амуре - 2012

005017416

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (КнАГТУ) на кафедре "Электромеханика".

Научпый руководитель: кандидат технических наук, доцент кафедры

«Электромеханика» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» Сериков Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» Новосибирской государственной Академии водного транспорта (г. Новосибирск) Елшин Анатолий Иванович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»

Киба Дмитрий Анатольевич

Ведущая организация: ОАО «Амурская Эра»

(г. Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится " 24 " мая 2012 г. в 9.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу 681013, г.Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201-3, email: kem@knastu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан " 20 " апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета ДМ 212.092.04, к.т.н., профессор

В.И. Суздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Теплоснабжение крупных общественных зданий, многоквартирных домов и промышленных предприятий осуществляется присоединением их к теплоцентрали и котельным. Там, где это экономически невыгодно (в небольших городах, сельской местности с преобладанием малоквартирных домов, на небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, в фермерских хозяйствах, в северных районах, где имеются большие трудности для прокладки и эксплуатации теплотрасс и т.д.) потребность в отоплении и горячей воде может быть удовлетворена путём установок автономных систем теплоснабжения, например, с электрическим нагревом.

В качестве преобразователя электрической энергии в тепловую широко используются трубчатые электронагреватели, обладающие низким классом электробезопасности, невысокой надёжностью и долговечностью. Эти недостатки особенно проявляются при нагреве агрессивных и электропроводящих сред, например воды, используемой в качестве промежуточного теплоносителя в системах горячего водоснабжения и отопления. Качественно улучшить условия подготовки горячей воды помогут нагревательные элементы трансформаторного типа (НЭТ), в которых индуктор, как в обычных трансформаторах, состоит из магнитопровода и первичной обмотки. Особенностью конструкции является вторичная обмотка, выполненная в виде короткозамкнутого (КЗ) витка, в которой выделяется основная доля тепла. Вторичная обмотка непосредственно, без промежуточного теплообменника или дополнительного слоя изоляции, омывается нагреваемой водой. Такое техническое решение позволяет получить более безопасный в эксплуатации нагревательный элемент с большим сроком службы.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки новых типов НЭТ, обеспечивающих повышенный класс электробезопасности, высокую надёжность и долговечность при минимальных массо-стоимостных показателях. Исследования НЭТ с КЗ обмоткой для установок электроводонагрева проводятся на кафедре "Электромеханика" Ком-сомольского-на-Амуре государственного технического университета (КнАГТУ) под руководством доктора технических наук, профессора Кузьмина В.М. Результаты этих исследований опубликованы в работах Иванова С.Н., Размыслова В.А., Пяталова A.B., Янченко A.B., Романюка В.П. и других.

Целью работы является решение научно-технической проблемы по улучшению эксплуатационных показателей систем горячего водоснабжения и отопления для объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения (небольшие промышленные и сельскохозяйственные предприя-

тия, бытовой сектор и т.д.), за счёт создания теплогенериругощего комплекса на основе новых видов НЭТ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Новые конструкции НЭТ, обеспечивающие высокие показатели безопасности и надёжности в эксплуатации.

2. Алгоритмы электромагнитного расчёта однофазного тороидального НЭТ и трёхфазного НЭТ с короткозамкнутой обмоткой в виде бака.

3. Математические модели расчёта тепловых процессов, позволяющие определить области с наибольшей температурой и значение этой температуры с целью улучшения конструкции и оценки правильности выбора электромагнитных нагрузок, размеров и размерных соотношений на этапе проектирования НЭТ.

4. Методика определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с использованием метода планирования эксперимента, на основе которого производится построение и анализ функциональных зависимостей для поиска варианта с минимальной стоимостью материалов НЭТ.

5. Комплекс программно-реализованных математических моделей для расчёта, проектирования и исследования электромагнитных и тепловых процессов в НЭТ.

6. Математическая и компьютерная модели для анализа динамических режимов работы трёхфазного НЭТ в электрических сетях ограниченной мощности.

Методы исследования включают аналитические и численные методы электромагнитного расчёта и расчёта тепловых полей, теорию электрических цепей, теплофизику, теорию подобия, теорию планирования эксперимента, физическое, математическое и численное моделирование, современные методы, способы и средства экспериментальных исследований. В качестве основных математических средств использованы методы математического анализа, вычислительная математика, математический аппарат теории планирования эксперимента, дискретной математики, методы математического программирования. Использовались современные пакеты прикладного программного обеспечения ELCUT, ANSYS, Matlab, MathCAD, а также системы программирования Visual Basic и Borland Fortran.

Научная новизна работы заключается в решении сложной научно-технической проблемы, включающей комплекс теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающих создание электроводонагре-вателыгых устройств с НЭТ, в частности:

- разработаны новые конструкции НЭТ, обеспечивающие повышенный класс электробезопасности и большой срок эксплуатации;

- выявлены особенности работы НЭТ с короткозамкнутой вторичной обмоткой;

- разработаны новые математические модели тепловых и электромагнитных процессов, учитывающие особенности конструкции и работы как однофазных, так и трёхфазных НЭТ и позволяющие их проектировать и исследовать;

- разработаны методики проектирования, определения параметров, размерных соотношений, электромагнитных и тепловых нагрузок НЭТ;

- предложена методика выбора варианта нагревательного элемента с минимальной стоимостью материалов и на её основе разработаны рекомендации по проектированию НЭТ для установок электроводонагрева.

Практическая ценность заключается в разработке и исследовании новых конструкций НЭТ, разработке методик и алгоритмов электромагнитного и теплового расчётов и методики выбора варианта при проектировании НЭТ для систем нагрева воды, ориентированных на использование современных ЭВМ, разработке рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проектирования однофазных и трёхфазных НЭТ с короткозамкнутой вторичной обмоткой различных мощностей, создании макетных и опытно-промышленных образцов НЭТ для установок электроводонагрева.

Реализация работы. Результаты работы использовались при проектировании НЭТ для аккумуляционных (ЭВАН-100/1,0; ЭВАН-50/1,0) и проточных (ЭВП-6/220) электроводонагревателей (ЭВН). Макетные образцы проточных и аккумуляционных ЭВН трансформаторного типа экспонировались на региональной выставке в г. Благовещенске, на трёх выставках научно-технических достижений КнАГТУ, на международной специализированной выставке в г. Харбине (КНР), на выставке в г. Комсомольске-на-Амуре в рамках Симпозиума глав муниципальных образований Азиатско-Тихоокеанского Региона с развитым машиностроением в 2009 г. и на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (2008 г.).

Личный вклад автора состоит в разработке теоретических положений, в самостоятельной подготовке задач исследования электромагнитных и тепловых процессов, их решении, проведении экспериментов, анализа полученных результатов и формировании выводов по работе.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и получило одобрение на четырёх международных научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета с 2004 по 2012 гг.; двух краевых конкурсах молодых учёных и аспирантов "Наука Хабаровскому краю" (г. Хабаровск, 2010 г., 2012 г.); научно-техническом семинаре кафедры "Электромеханика" Комсомольского-на-Амуре государственного

технического университета (2011 г.); молодёжном научно-инновационном конкурсе У.М.Н.И.К. - 2010 (г.Комсомольск-на-Амуре, 2010г.); научно-техническом совете электротехнического факультета КнАГТУ(2012 г.).

Публикации. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликовано 2 научные статьи, в журналах рекомендованных ВАК, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель, общее количество публикаций - 8.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения и библиографического списка из 155 наименований, содержит 177 страниц машинописного текста, иллюстрируется 57 рисунками и 8 таблицами. Работа включает в себя также 8 приложений на 22 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлены цель и задачи, показаны научная новизна и практическая ценность, перечислены методики проведения, апробация и реализация выполненных исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава работы посвящена перспективам развития автономных систем теплоснабжения, приведены преимущества и недостатки традиционных видов электроводонагревательных элементов, приведены классификация и конструктивные схемы однофазных и трёхфазных НЭТ, предназначенных для использования в системах нагрева воды, их достоинства и недостатки.

Безопасность НЭТ обеспечивается отсутствием электрической связи между сетью и вторичной обмоткой, непосредственно контактирующей с нагреваемой водой, многоуровневой электрической изоляцией первичной обмотки, а также выбором при расчёте напряжения витка таким образом, чтобы электрический потенциал на вторичной обмотке был менее допустимого значения по условиям безопасной эксплуатации.

Применение однофазных и трёхфазных НЭТ с короткозамкнутой вторичной обмоткой в качестве нагревательного элемента является одним из наиболее эффективных путей повышения надёжности и безопасности систем децентрализованного горячего водоснабжения и отопления небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Такие нагревательные элементы так же можно использовать в бытовых электроводонагревательных устройствах. Предлагаются новые конструктивные решения однофазных и трёхфазных НЭТ, предназначенные для использования в системах нагрева воды.

Важным фактором при разработке НЭТ является возможность организации их производства на существующих предприятиях трансформато-ростроения. Одной из конструкций, удовлетворяющей этому условию, яв-

ляется трёхфазный НЭТ с плоской стержневой магнитной системой, многослойной первичной обмоткой, как у силовых трансформаторов, и вторичной короткозамкнутой обмоткой, которая выполнена в виде металлического бака 1 (рис. 1, а) с перемычками 5. Бак снабжается дном 2 и крышкой 3, которые герметично закрывают магнитопровод 6 и первичную обмотку 4 от проникновения воды. Две поперечные перемычки, привариваемые к стенкам бака, служат для замыкания фазных токов вторичной обмотки. Перемычки выполняются полые и омываются водой изнутри. Первичная обмотка подключается к трёхфазной сети переменного тока.

В однофазных электроводонагревательных устройствах небольшой мощности (до 10 кВт) эффективно использовать тороидальные НЭТ с вторичной обмоткой в виде герметичной камеры (рис. 1, б). На тороидальном сердечнике 1 равномерно распределяется первичная обмотка 2. Индуктор (сердечник с первичной обмоткой) размещается внутри вторичной короткозамкнутой обмотки, представляющей собой герметичную полую кольцеобразную камеру 3.

в)

Рис. 1. Конструктивные схемы НЭТ

Представленные конструкции нагревательных элементов могут использоваться в ёмкостных и проточных электроводонагревательных блоках или устройствах. Для повышения КПД нагрева в проточных системах НЭТ 1 (рис. 1, в) размещается в дополнительном корпусе 2 с водоразделя-ющими перегородками 3. В такой конструкции нагрев воды осуществляется в несколько этапов по мере её протекания в канале. Первичный подогрев осуществляется в наружном канале (участки I, II, III), который выполняет важную функцию, препятствующую теплопередачи от НЭТ в окружающую среду. Вторичный подогрев осуществляется во внутреннем канале непосредственно от НЭТ (участки IV, V, VI). Окончательный нагрев до рабочей температуры происходит при протекании воды в центральной трубке (участок VII).

Во второй главе выявлены особенности, которые необходимо учитывать при электромагнитных расчётах НЭТ.

1. Для обеспечения повышенной электробезопасности максимальное напряжение прикосновения к вторичной обмотке должно быть менее допустимого, т.е. напряжение витка не должно превышать величины 2 В.

2. Конструкция вторичного контура НЭТ должна обеспечивать плотность теплового потока с теплоотдающей поверхности менее 10 Вт/см2 для значительного замедления процесса образования накипи и увеличения срока службы всего устройства.

3. В короткозамкнутой вторичной обмотке сосредоточена большая часть неравномерно распределенных по длине витка тепловыделений. Участки вторичного контура имеют разные условия теплоотвода.

4. Потери мощности в первичной обмотке и сердечнике используются по прямому назначению, т.е. на производство тепловой энергии, поэтому возможно завышение электромагнитных нагрузок.

5. В отличие от расчёта силовых трансформаторов, при проектировании НЭТ не требуется жёстко регламентировать ток и потери холостого хода, напряжение и потери короткого замыкания.

Так как индуктор исследуемого трёхфазного НЭТ конструктивно похож па индуктор силового трансформатора, то за основу принята методика электромагнитного расчёта трёхфазного двухобмоточпого трансформатора. Два основных размера НЭТ (диаметр стержня магнитопровода с1с и высота первичной обмотки /¡) связаны посредством коэффициента р к-(Р^+Р2н) _п-(с1с+ат +Р2„) 2/, 11х где /)|В - внутренний диаметр первичной обмотки; 02„ - наружный диаметр бака (ширина бака); а01 — изоляционное расстояние между стержнем и первичной обмоткой.

Основной особенностью расчёта НЭТ (см. рис. 1, а) является определение размеров короткозамкнутого контура, обеспечивающих необходимую мощность тепловыделений. В трёхфазном НЭТ конфигурация вторичной обмотки является довольно сложной, поэтому расчёт вторичного контура основывается на определении мощностей тепловыделений для отдельных конструктивных элементов (перемычки, боковые стенки бака и часть центральных стенок бака между двумя перемычками).

Суммарная мощность тепловыделений

Р - к

2 ~ ,

¿пер

г 2 ^пер т2 ¡бк г 2 ¡6ц

пер « ' бк г. г. -*бц ~ ,

пер рас й^рас

где /пср, /6ю /бц — токи, протекающие в перемычках, в стенке бака крайней и центральной фаз; р - удельное электрическое сопротивление материала вторичной обмотки; /пер, /гпер - длина и высота перемычки; /бк, /6ц - длины участков бака, по которым протекают токи крайней и центральной фаз;

5пер- толщина стенки перемычки; 8 - толщина стенки бака вторичного ко-роткозамкнутого контура; £рас - коэффициент растекания тока.

После расчёта вторичной обмотки уточняется геометрический коэффициент р. При существенном отличии полученного р от предварительно заданного рн производится корректировка высоты обмотки 1\.

При разработке методики расчёта однофазных тороидальных НЭТ выявлено, что размеры внутреннего осевого канала для прохождения нагреваемой жидкости в значительной степени определяют массогабарит-ные и стоимостные показатели устройства. Геометрия НЭТ с прямоугольной формой поперечного сечения магнитопровода характеризуется безразмерными коэффициентами:

-^с __ От а а а '

где х, у, 2 - относительные значения внутреннего диаметра магнитопровода, высоты магнитопровода и внутреннего диаметра центральной трубки соответственно; а, Дь Нс - ширина, внутренний диаметр и высота магнитопровода; А - внутренний диаметр центральной трубки вторичной обмотки.

Установлено, что сопротивление вторичной обмотки не зависит от абсолютных геометрических размеров, а определяется относительными параметрами, что позволяет его вычислить на предварительном этапе по формулам

р у(х + 2) + х(х-2) _ р у(х + 2) + х(х-г) ш

(х + 2)2 +х(х-г)' Гт ~ ПАТ(кт +1) г(х + 2)

р , (х + 2)г + х(х -2)

г..„ =—-—1п----!-.

тор ЯЛН г(х + 2)

где гш, гт, гтпр - сопротивления внешнего цилиндра, трубки и торцевой поверхности вторичной обмотки; АН - толщина стенки внешнего цилиндра и торцевых дисков; ДТ — толщина стенки трубки.

Через относительные размеры х, у, 2 и ширину магнитопровода а можно выразить все величины, зависящие от геометрических размеров, а также вес и стоимость.

Таким образом, электромагнитный расчёт тороидального НЭТ состоит из предварительного и поверочного этапов. На первом этапе производится выбор коэффициентов геометрии х, у, г и по приближённым соотношениям рассчитываются составляющие сопротивления вторичной обмотки. Электромагнитный поверочный расчёт заключается в окончательном определении всех размеров НЭТ в соответствии с выбранными на предыдущем этапе коэффициентами геометрии.

Источники горячего водоснабжения на основе НЭТ являются энергоёмкими нагрузками с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

которые потребляют из сети несинусоидальный ток, особенно при включении.

Для выявления особенностей работы в энергетических системах и для оценки влияния на электрическую сеть и других потребителей разработаны математическая и компьютерная модели трёхфазного НЭТ.

Для построения математической модели рассмотрены электрическая (рис. 2, а) и магнитная (рис. 2, б) схемы замещения НЭТ.

ф. 1

Рис. 2. Электрическая схема (а) и схема замещения магнитной цепи (б) трёхфазного НЭТ с короткозамкнутой вторичной обмоткой

Активное сопротивление короткозамкнутого контура г2 условно рассматривается как сумма собственного активного сопротивления вторичной обмотки г2с и нагрузочной составляющей гг„. Уравнения напряжений принимают вид

+ г -I

- Л 1 " Л ¿Уа. + г и -¿Чь

и,

и п — . г Г| ■

иг

.¿Ус

+ 1 •>с>

и=-

- + /% - г

ь>

и„=-

л

¿Ус Л 2

где ил, ив, 11с, Иа, иь, ис - фазные напряжения питающей сети и вторичного контура; и, гв, 'с, »а. Ч, 4 - фазные токи первичной и вторичной обмоток, г1,г2 — активные сопротивления первичной и вторичной обмоток,

Потокосцепления первичной и вторичной обмоток можно выразить через соответствующие потоки

Ус=фс

где №2 - число витков первичной и вторичной обмоток.

Уь=Ф2т 'Щ,

Потоки взаимной магнитной связи

ФУт=ФА-ф1а>

Ф,

где Ф.и Фв, Фс~ магнитные потоки стержней; Ф,„, Ф2а, Фза - магнитные потоки рассеяния.

Уравнения для магнитной цепи имеют следующий вид:

Ф„

Фс-Ф3а,

FB -Фв +Ra-(Фв-02m),Fb =-RB-(Фв-Ф2т) + Л0-Ф0, Fc Рс=-Ъ-(ФС-Ф3т) + К0-Ф0,

Фп

Ф1т+Ф2т+Ф3т>

где }га, Ь'в , Гц , Рп , ¡:ь, Рс - намагничивающие силы соответствующих фаз первичной и вторичной обмоток; - магнитные сопротивления

стержней фаз А, В, С, соответственно; Я„ - магнитное сопротивление рассеяния; Ко - магнитное сопротивление потоков нулевой последовательности; Фд- поток нулевой последовательности.

Токи определяются через магнитодвижущие силы обмоток

'Л =

т

ir,

■ Fc ■ 'C = W~' =

W,

h -

Fh

W

Г. lc =

W,

В качестве исследуемого нагревательного элемента в компьютерной модели (рис. 3) для исследования переходных процессов в среде МаШ1аЬ использовался блок трёхфазного двухобмоточного трансформатора с параметрами, соответствующими НЭТ мощностью от 10 до 100 кВт и рези-стивным сопротивлением, имитирующим нагрузочную составляющую сопротивления вторичной обмотки. Питание НЭТ осуществляется от трёхфазного источника напряжения, через силовой трансформатор.

I Discrete, I

I- 5е-0051

®ч

Ъ с

com А Vabc

А / Iabc

т ?ь в а

Ь

с ■—■ С

□

НЭТ

Transformer (Two windings)

V-I Measurement

А » А А

—

С Y Yg с Three-Phase с с

I Transformer Згг|„ RLC Branch I (Two Windings)2

Рис. 3. Компьютерная модель для исследования переходных процессов

Используя компьютерную модель, проведены исследования влияния начальной фазы <р0 питающего напряжения, которая в реальных условиях работы является величиной случайной, на броски тока в первичной обмотке НЭТ (рис. 4).

Оценка длительности переходного процесса при самом неблагоприятном моменте включения данного устройства (ф0 = 0) показывает, что время окончания переходного процесса = 2,9 с. Зная величины бросков тока и время переходного процесса можно производить настройку защитной аппаратуры, делая небольшой запас (2 5 %), ввиду вводимых допущений и некоторых погрешностей расчёта. Так же максимальные броски токов позволяют оценить механическую прочность конструкции при воз-

никновении дополнительных электромагнитных сил, действующих на обмотки.

б)

Рис. 4. Результаты расчёта переходного процесса при фо = 0 (а) и при фо = я/6 (б)

Оценено влияние начальной фазы фо на искажение напряжений. Анализ результатов исследований для НЭТ различных мощностей выявил, что при наиболее неблагоприятном моменте включения общий коэффициент искажения синусоидальности напряжения не превышает предельно допустимого значения. Следует отметить, что наблюдается некоторое пре-

вышение предельно допустимых значений по ряду гармонических составляющих (V = 2, 3, 4, 8). Эти превышения наблюдаются довольно короткое время после подключения НЭТ к сети. При завершении переходного процесса рассматриваемые высшие гармоники приходят в норму.

§14 о

В

I ,

4* / 4. . /

\ / / \ / / V ч /

\ / / \ \ / 1 \ 1 /

\ / \ / t \ ( /

\ / С \ ^ 1 ) (

/ \ ✓ \ / \ N

з ф}.

Анализ полученных результатов (рис. 5) показал, что наихудшим моментом включения трёхфазного НЭТ в сеть является вариант при начальной фазе фо = 0, фо = т/3 и фо=2я/3. Наиболее благоприятным является включение трёхфазного НЭТ в сеть при ф0 = л/2 и при фо = я/6.

Рис. 5. Результаты исследования

Таким образом, для минимизации негативного влияния на питающую электрическую сеть ограниченной мощности при работе НЭТ следует по возможности ограничивать мощность в пределах 40 % от мощности всей сети. Для более мощных НЭТ использовать меры по снижению негативного влияния, такие как изменение момента включения. Особенно актуально при использовании двухпозиционного регулирования мощности НЭТ, так как происходят частые коммутации, и негативное влияние переходных процессов усиливается.

Третья глава посвящена исследованию тепловых процессов в трёхфазном НЭТ с плоской стержневой магнитной системой и КЗ вторичной обмоткой в виде бака, а также в однофазном тороидальном НЭТ.

Существующие методики расчёта с помощью схем замещения позволяют определить среднемассовую температуру элементов конструкции. Для выявления мест локального перегрева с учётом сложных процессов теплообмена, протекающих в трёхфазных НЭТ с короткозамкнутой обмоткой в виде бака, разработана и реализована математическая модель трёхмерного теплового поля. Исследование таких полей позволяет увидеть более точную картину распределения температур и тепловых потоков в объёме исследуемой конструкции с учётом теплообмена через крышку и дно НЭТ.

Максимальная температура в НЭТ наблюдается в длительном режиме работы, когда температура всех частей достигнет установившихся значений, при этом рассматриваемое тепловое поле является стационарным.

1. Тепловой поток на прилегающих сторонах симметричной области отсутствует.

2. Область исследования кусочно-однородна, а коэффициенты теплопроводности материалов и мощность источников тепла не зависят от температуры.

3. Главные оси анизотропии сред совпадают с осями локальной системы координат соответствующих областей.

С учётом принятых допущений тепловое поле в сечении НЭТ описывается трёхмерным уравнением теплопроводности

„ д2Т . д2Т . д2Т X —— + >. —г- + Я —— + а,г=0,

Хдх2 Уду2 2&2 Г где Хх, Ху, X, - коэффициенты теплопроводности среды по осям; дч - удельная мощность источников тепла; Т- температура нагретой воды.

На внешней поверхности бака, полой перемычки, дна и крышки справедливы граничные условия конвективной теплоотдачи в воду

где 4,1У , 4 - направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности; а - коэффициент теплоотдачи в воду; Ть~ температура нагреваемой воды.

На прилегающих к осям симметрии сторонах справедливо условие теплоизоляции

*Д = 0

Зп

Расчёт коэффициентов конвективной теплоотдачи (КТО) производится для каждой поверхности охлаждения отдельно для наиболее нагруженного в тепловом отношении режима, когда теплоотдача осуществляется естественной конвекцией при установившейся температуре нагреваемой воды 85 °С.

Число Нуссельта и критерий Грасгофа при естественной конвекции определяются по известным формулам

Ш = С (Ог ■ ?г)" ОУ; Ог = • (Гп - ТпУ

где Сип — коэффициенты, зависящие от режима теплопередачи, определяемого величиной произведения (ОгРг); Сг - безразмерное число Грасгофа; Рг, Рг„, Ргп - безразмерные числа Прандтля при средней температуре пограничного слоя Гср, температуре воды Гв и температуре теплоотдающей поверхности Гп, соответственно; (дР/V2) - коэффициент критерия Грасгофа при средней температуре пограничного слоя Гср; / - определяющий размер для соответствующей поверхности охлаждения.

За определяющий размер / для стенки бака и стенки перемычки принималась высота бака и перемычки, соответственно. Для дна и крышки -ширина НЭТ.

В случае, когда температура теплоотдающей поверхности будет выше температуры насыщения воды Ттс (Гнас=100 °С при атмосферном давлении) возникает кипение. В этом случае КТО уточняется

44/71-100/

а =-----

т,-т,

где а, - коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции без кипения.

Картина поля для трёхфазного НЭТ мощностью 25 кВт с короткоза-мкнутой вторичной обмоткой, выполненной из нержавеющей стали, приведена на рис. 6.

|Ьр

а) б) в)

Рис. 6. Температурное поле: магнитопровод (а), первичная обмотка (б) и НЭТ (в)

Анализ теплового поля в среднем сечении НЭТ показывает, что максимальная температура наблюдается в районе сердечника и первичной обмотки (142 °С). Часть тепла от первичной обмотки через изоляцио отводится с боковой поверхности бака НЭТ (74 %), другая - отводится к перемычкам (15,8 %), остальная часть через дно и крышку бака. Максимальная температура поверхности вторичной обмотки равна 108 °С. Вода, омывающая эту поверхность, начинает кипеть, что нежелательно с точки зрения возникновения накипи и ухудшения теплового состояния НЭТ. Это объясняется ламинарным режимом теплообмена воды в перемычках и низким

КТО. Поэтому целесообразно принять меры для увеличения интенсивности теплоотдачи с помощью турбулизации течения за счёт изменения формы полых перемычек.

В четвёртой главе разработаны рекомендации для проектирования и приведены результаты экспериментальных исследований НЭТ.

Предварительные исследования показали, что число витков в первичной обмотке \¥х и геометрический коэффициент Р значительно влияют на массогабаритные и стоимостные показатели НЭТ. Для получения рекомендаций при проектировании таких устройств в работе исследовано влияние и р на стоимость активных материалов С^ НЭТ. Математические модели в виде полиномов второго порядка получены с помощью метода планирования эксперимента на основе ортогонального центрального композиционного плана.

В качестве функций цели выбраны стоимость активных материалов Сша, толщина стенки вторичного контура 5, плотности теплового потока с поверхности первичной и вторичной обмоток.

По результатам численного эксперимента построены зависимости (Рис. 7), анализ которых позволил обоснованно подойти к выбору варианта для проектирования НЭТ с минимальной стоимостью при следующих наложенных ограничениях. Толщина 5 по технологическим и механическим условиям должна быть более 1 мм. Для снижения скорости образования накипи на теплоотдающих поверхностях плотность теплового потока <?т не должна превышать 10 Вт/см2. Оценка теплового состояния первичной обмотки производится с помощью теплового потока величина которого из анализа температурного поля для изоляционных материалов класса нагревостойкости Н должна быть менее 1100 Вт/м".

Анализ полученных результатов показал, что с учётом ограничений для НЭТ мощностью 25 кВт с вторичной обмоткой в виде бака рекомендуется выбирать число витков в первичной обмотке Ж] в пределах 152 174. а геометрический коэффициент р в пределах 0,86 1,15, при этом стоимость активных материалов Сакг не превышает минимальную стоимость Си- более чем на 1 %.

Проведены исследования трёхфазных НЭТ мощностью от 10 до 100 кВт с использованием метода планирования эксперимента, что позволило получить рекомендации по выбору Щ и р при проектировании (Рис. 8).

Анализ результатов проектирования однофазных и трёхфазных НЭТ с использованием полученных рекомендаций показал, что стоимость активных материалов незначительно (менее 4 %) отличается от минимальных значений, полученных нри теоретических исследованиях.

Для экспериментальных исследований режимов работы НЭТ, определения температур его частей, энергетических и массогабаритных показателей были изготовлены три физические модели НЭТ, отличающиеся конструктивным исполнением, выходной мощностью и режимом работы.

Температурные испытания макетного образца в аккумуляционном режиме производили при температуре воды в баке 85 °С. а для проточного режима поддерживалась температура воды на выходе 75 °С. Измеренная температура частей НЭТ с помощью расположенных внутри физической модели термодатчиков близка к расчётной. Коэффициент мощности составил 0,98. Потенциал на поверхности вторичного контура менее 1 В, что подтвердило соответствие НЭТ второму классу электробезопасности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Для повышения безопасности и срока эксплуатации систем горячего водоснабжения и отопления целесообразно использовать НЭТ с вторичной обмоткой, конструктивно выполненной в виде короткозамкнутого витка.

2. Созданы и программно реализованы методики электромагнитного расчёта однофазных тороидальных и трёхфазных НЭТ с плоской магнитной системой и вторичной обмоткой в виде бака. Эти методики учитывают особенности конструкции и режимы работы НЭТ в системах нагрева воды.

3. Разработаны тепловые схемы замещения, математические модели расчёта двухмерных и трёхмерных температурных полей. Выполненные на их основе исследования позволили проанализировать тепловое состояние нагревательных элементов в различных режимах работы. Выявлено, что исследование теплового состояния трёхфазного НЭТ с обмоткой в виде бака и сложными путями для тепловых потоков целесообразно проводить с помощью моделирования трёхмерного температурного поля для объёмного сектора составляющего !/» части наиболее нагруженной в тепловом отношении центральной фазы.

4. Установлено, что для улучшения теплового состояния трёхфазного НЭТ с вторичной обмоткой в виде бака необходимо перемычку выполнять полой. Улучшить тепловое состояние однофазного тороидального НЭТ позволит формирование выступающей части центральной трубки.

5. Установлена связь стоимости и массы активных материалов, температуры изоляции, плотности теплового потока с поверхности вторичной обмотки НЭТ от обмоточных данных и геометрических соотношений с помощью метода планирования расчётного эксперимента. Получены рекомендации для проектирования НЭТ минимальной стоимости.

6. Разработаны математические и компьютерные модели для исследования динамических режимов работы НЭТ. Установлено, что управлять мощностью НЭТ целесообразно с помощью двухпозиционного регулирования.

7. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность полученных теоретических выводов.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Карпенко, В.А. Нагревательный элемент трансформаторного типа для системы теплосиабжения./В.М. Кузьмин, A.B. Сериков//«Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока», 2009г, С.344 346

2. Карпенко, В.А. Выбор варианта для расчета трансформатора с ко-роткозамкнутой обмоткой в виде бака./А.В. Сериков//Вестник Тихоокеанского государственного университета - 2011, №4 (23), С. 105 - 110

Публикации в других источниках:

1. Карпенко, В.А. Нагревательные элементы трансформаторного типа для систем энергообеспечения.//«Наука-Хаб. краю: материалы XII краевого конкурса молодых ученых и аспирантов» ,2010г., С.51 61

2. Карпенко, В.А. Нагревательный элемент трансформаторного типа для системы теплоснабжения./В.М. Кузьмин, A.B. Сериков//Материалы 10-

ой межд. науч.-практ. конф. в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна-2010», С.103 106

3. Карпенко, В.А. Децентрализованная система электроотопле-ния./В.М. Кузьмин, A.B. Сериков//«Науч.-техн. творчество аспирантов и студентов», ч. 2 -Комс.-н/А 2010г., С.24 27

4. Карпенко, В.А. Нетрадиционные источники энергообеспечения для жилых помещений./В.М. Кузьмин, A.B. Сериков//Материалы межд. науч.-техн. конф. «Электротехнические комплексы и системы» -Коме. н/А, 2010г., С.203 206

5. Карпенко, В.А. Рекомендации по выбору безопасного нагревательного элемента трансформаторного типа для системы теплоснабже-ния./А.В. Сериков //Материалы 11-ой науч.-практ. конф. с межд. участ. «Дальневосточная весна-2011», С.222 226

6. Карпенко, В.А. Выбор варианта для расчета трансформатора с ко-роткозамкнутой обмоткой в виде бака./А.В. Сериков//«Науч.-техн. творчество аспирантов и студентов», ч. 1 - Комс.-н/А 2011г., С.196 198

7. Карпенко, В.А. Положительное решение на полезную модель «Электроводонагревательное устройство трансформаторного типа»/В .М. Кузьмин, A.B. Сериков// Заявка № 2011144952. - М., 2012.

Карпенко Валентина Александровна

Нагревательные элементы трансформаторного типа для систем нагрева воды

Автореферат

Подписано в печать 17.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Ризограф RIZO RZ 370ЕР Усл. печл. 1,16 Уч.-изд.л. 1,10. Тираж 100. Заказ 24773

Редакционно-издательский отдел Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27