автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование децентрализованных систем электроотопления и горячего водоснабжения на основе трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой

Актуальность данной работы вызвана потребностью человека в повышении уровня жизни, необходимостью разработки и исследования систем децентрализованного обеспечения на основе короткозамкнутых трансформаторов для устройств электронагрева с высокими техническими и эксплуатационными показателями.

Улучшение условий производства и повышение комфортности рабочих мест и жилых помещений, удаленных от теплоцентрали, связано с развитием децентрализованного горячего водоснабжения и отопления.

В настоящее время системы децентрализованного энергообеспечения с источниками энергии, работающими на одного потребителя, не развиты. Однако в последнее время к ним возрос интерес, что объясняется, прежде всего, неудовлетворительным качеством централизованного теплоснабжения при явной тенденции к повышению стоимости отпускаемой теплоты.

Одним из путей повышения эффективности работы децентрализованных систем энергообеспечения является использование нагревательных элементов трансформаторного типа.

Нагревательные элементы трансформаторного типа представляют собой трансформатор, вторичная обмотка которого замкнута накоротко. Как правило, она имеет один объемный виток. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в основном в этом короткозамкнутом витке.

Нагревательные элементы трансформаторного типа обладают рядом I преимуществ перед нагревательными элементами других типов.

Высокий класс электробезопасности, длительный срок службы, наибольшее напряжение прикосновения на нагревательном элементе не превышает 2 В. Тепловыделяющая поверхность нагревательного элемента трансформаторного типа не имеет гальванической связи с питающей сетью. Как правило, системы на основе короткозамкнутых трансформаторов относится ко второму классу электробезопасности, тогда как трубчатые к первому, а спиральные и электродные - к нулевому.

Удельные тепловые нагрузки на тепловыделяющую поверхность в системах трансформаторного типа существенно ниже, чем в спиральных и трубчатых. Поэтому интенсивность образования накипи па поверхности нагревательных элементов трансформаторного типа меньше, чем у нагревательных элементов других типов. В связи с этим нагревательные элементы трансформаторного типа более надежны.

Рядом российских предприятий освоен выпуск систем децентрализованного обеспечения на основе короткозамкнутых трансформаторов (типы ЭВАН "Орель", ЭВП, ЭНТ, ЭРГНТ, ЭРГУ и другие).

Целью работы является разработка и исследование систем децентрализованного энергообеспечения на основе трансформаторов с короткозамк-нутой вторичной обмоткой с высокими эксплуатационными показателями.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка децентрализованных систем горячего водоснабжения и электроотопления на основе трансформаторов с короткозамкнутой, вторичной обмоткой.

2. Математическое моделирование электромагнитных и тепловых процессов в статических и динамических режимах работы.

3. Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных и тепловых процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новые конструкции для децентрализованных систем горячего водоснабжения и электроотопления.

2. Математические модели для анализа процессов управления электромагнитными и тепловыми процессами в децентрализованных системах энергообеспечения. X

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований децентрализованных систем энергообеспечения. I

Методы исследований Исследования проводились с использованием аналитических и численных методов расчета электромагнитных и тепловых процессов, теории электрических цепей, теплофизики, теории планирования эксперимента, физического моделирования, экспериментальных исследований.

Научная новизна предлагаемой диссертационной работы заключается в следующем: разработаны новые конструкции нагревательных элементов трансформаторного типа для систем децентрализованного обеспечения; созданы методики расчетов параметров элементов децентрализованных энергосистем на основе короткозамкнутых трансформаторов; разработаны математические модели для анализа тепловых и электромагнитных процессов, учитывающие особенности предлагаемых элементов систем децентрализованного обеспечения; в результате исследований выработаны рекомендации по использованию и проектированию элементов систем децентрализованного обеспечения.

Практическая значимость полученных результатов и выводов заключается в решении проблемы создания нового энергетического оборудования для систем горячего водоснабжения и отопления, отвечающего современным требованиям и соответствующего уровню лучших мировых образцов, в разработке и исследовании систем энергообеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа, в создании методик и алгоритмов электромагнитных и тепловых расчётов предложенных устройств, разработке рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проектирования однофазных и трёхфазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой различной мощности для децентрализованных систем горячего водоснабжения и отопления.

Новизна и значимость технических решений подтверждены патентами РФ, созданных в процессе диссертационного исследования и публикациями в научных изданиях. I

Реализация работы. Результаты работы внедрены на ЗАО "Электро-техника-БирЗСТ" г. Биробиджан; ЖКХ Ульчского района; в учебный процесс специальность 150408 "Бытовые машины и приборы" и используются при курсовом и дипломном проектировании, при чтении лекционных курсов "Бытовые машины и приборы", "Проектирование бытовых машин и приборов", "Бытовые электронагревательные устройства и приборы", в лабораторном практикуме и при проведении практических занятий по указанным курсам. I

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: - Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2001, - Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы», Томск, 2003, - Международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика», Комсомольск-на-Амуре, 2003.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 патента РФ.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, иллюстрированных 60 рисунками и 4 таблицами, списка использованных источников из 134 наименований и четырех приложений, в которых представлено 1

Основные результаты диссертационной работы:

1. Установлено, что одним из наиболее эффективных путей повышения надежности и безопасности децентрализованного горячего водоснабжения и отопления является использование трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой в качестве нагревательных элементов. Такие системы энергообеспечения обладают наилучшими массогабаритными, эксплуатационными и технологическими показателями при производстве и эксплуатации.

2. Разработаны варианты конструкций трубчатых короткозамкнутых обмоток для электроводонагревателей трансформаторного типа.

3. Установлено, что для управления системами горячего водоснабжения и отопления, выполненными на основе нагревательных элементов трансформаторного типа, целесообразно использовать двухпозиционное регулирование с «мягким» включением.

3. Электронагреватели трансформаторного типа с короткозамкнутой вторичной обмоткой должны оснащаться устройствами, способными осуществлять защиту, регулирование температуры или степени нагрева.

4. Предложены структурные схемы систем электронагрева и математические модели, которые позволяют исследовать процессы управления, определять особенности работы систем в динамических режимах и разрабатывать рекомендации для проектирования устройств управления.

5. Разработанная система уравнений для расчета электроводонагревателя с трубчатой короткозамкнутой вторичной обмоткой, позволяет оценить закономерности распределения температуры по поверхности тепловыделяющего элемента с учетом изменения температуры и тепловыделения по длине короткозамкнутой вторичной обмотки. Создана и программно реализована модель теплового поля данного нагревателя.

6. С целью выбора варианта при проектировании нагревательных элементов трансформаторного типа для децентрализованных систем .электроотопления и горячего водоснабжения целесообразно использовать метод планирования численного эксперимента, с помощью которого установлена зависимость технико-экономических показателей нагревательного элемента от геометрических соотношений и размеров.

7. Экспериментальные исследования макетных образцов предложенных устройств полностью подтвердили правильность теоретических выводов, а анализ результатов освоения серийного производства и опыт эксплуатации серийных образцов электроводонагревателей для децентрализованных систем электроотопления и горячего водоснабжения подтверждают высокие эксплуатационные характеристики и степень защиты от поражения электрическим током, высокую надежность и долговечность таких устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ