автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства

Иа правах рукописи

РУСИНОВ Владимир Александрович РАЗРАБОТКА

ПРОТОЧНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ЖИДКОСТИ ПОНИЖЕННОЙ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 2004

Работа выполнена на кафедре применения электрической энергии в сельском хозяйстве Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинского государственный агро-инженерный университет»

Научный руководитель-

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент КИРПИЧНИКОВА Ирина Михайловна

доктор технических наук, профессор ИЗАКОВ Феликс Яковлевич

кандидат технических наук, доцент ЧАРЫКОВ Виктор Иванович

Ведущее предприятие

Курганский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита состоится «23» декабря 2004 г, в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при Челябинском государственном агроинженер-ном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета.

Автореферат разослан «19» ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Плаксин А. М.

GS/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Традиционные способы получения тепловой энер-i ии, связанные со сжиганием углеводородов (дров, каменного угля, мазута, природного газа) обладают рядом существенных недостатков: низкий КПД, определенные сложности в доставке тепла потребителю и т.д. Поэтому лучше применять электронагрев, который не требует значительных капиталовложений, строительных работ и постоянного обслуживающего персонала; при этом повышается надежность оборудования, облегчаются контроль и регулирование температуры.

Среди электронагревателей большое значение для сельскохозяйственного производства имеют нагреватели жидкостей. Разработаны и используются электронагреватели различных типов: элементные (с использованием ТЭНов), электродные, индукционные. Последние обладают рядом существенных преимуществ над другими видами электронагревателей. Но широкому распространению этого типа нагревателей препятствует их большая металлоемкость (до 10 кг/кВт), пути понижения которой недостаточно исследованы. Разработка индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости позволит уменьшить их себестоимость, следовательно, я себестоимость сельскохозяйственной продукции.

Работа выполнена в соответствии с общероссийской отраслевой программой 0.51.21. «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства» и перечнем целевых программ, п.29 «Разработать основные направления долгосрочной федеральной технической политики, систему энергетического обеспечения, развития автоматизации производства и экологии энергетических средств в сельскохозяйственном производстве России» (приказ №10 от 17.03.95 г. По Главному управлению вузов Минсельхозпрода России).

Цель работы. Повышение удельной мощности проточных индукционных нагревателей жидкости сельскохозяйственного производства за счет снижения их металлоемкости.

Под удельной мощностью кВт/кг, понимается полученная тепловая энергия за единицу времени в расчете на единицу массы нагревателя: £, = P/m.

Задачи исследования:

1. Теоретически и экспериментально исследовать влияние отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционного нагревателя.

2. Теоретически и экспериментально исследовать влияние неферромагнитного металлического покрытия труб на электрические параметры нагревателей.

3. Произвести теоретический анализ влияния взаимного расположения частей стального сердечника нагревателя на его электромагнитные характеристики. Найти варианты конструкций проточного индукционного нагревателя жидкости с минимальной металлоемкостью.

4. Исследовать тепловые процессы, происходящие в индукционном проточном нагревателе жидкости для нахождения условий наилучшей теплоотдачи и теплового КПД нагревателя.

рОС » v :ьная в. ■ ■' ька

С Петербург

гоо{рк

5. Разработать методику расчета индукционного нагревателя жидкостей с пониженной металлоемкостью.

6. Произвести технико-экономическую оценку предложенных конструкций проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства.

Объект исследования: совокупность свойств исходных материалов, конструктивных параметров и режимов работы, влияющих на металлоемкость проточных индукционных нагревателей жидкости.

Предмет исследования: зависимость металлоемкости проточного индукционного нагревателя жидкости от конструктивных параметров, физических свойств исходных материалов, используемых для изготовления нагревателя, и режимных параметров его работы.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Разработан метод обнаружения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках и установлено ее влияние на коэффициент мощности проточных индукционных нагревателей. Впервые показано, что в отличие от магнетиков с постоянной магнитной проницаемостью в ферромагнетиках в области сильных магнитных полей отраженная электромагнитная волна не поглощается. Она дает вклад только в реактивную составляющую мощности, поэтому необходимо исключить ее появление в индукционных нагревателях.

2. Установлено влияние металлического неферромагнитного покрытия стального сердечника на электрические параметры нагревателей.

3. В результате исследования тепловых процессов в нагревателе определены условия повышения теплопередачи и теплового КПД нагревателя.

4. Установлена зависимость магнитного сопротивления сердечника нагревателя от взаимного расположения витков в трубчатом змеевике и обмотки из стальной ленты.

5. Раскрыта зависимость металлоемкости индукционных нагревателей от напряженности магнитного поля и мощности нагревателя. Определены параметры нагревателя, соответствующие его минимальной металлоемкости, сопоставимой с материалоемкостью электродных и элементных нагревателей жидкости.

Практическая значимость и реализация результатов исследования

Обнаруженная в работе особенность поведения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках может быть учтена и использована при разработке новых электрических машин и механизмов. Для этой же цели могут быть использованы и полученные зависимости электромагнитных характеристик ферромагнетиков от толщины металлического неферромагнитного покрытия.

Реализованы пути миниминизации металлоемкости индукционных нагревателей. Впервые предложены варианты конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости с такой металлоемкостью, которая сопоставима с металлоемкостью широко применяемых в настоящее время электродных и элементных нагревателей. Это приводит к большему использованию индукционного способа нагрева жидкостей в сельскохозяйственном производстве. Разработана методика инженерного расчета такого нагревателя. По конструкциям проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости подано

две заявки на изобретение (приоритет 2004110282 и 2004110283 от 5 апреля 2004 г.).

Проточной индукционный нагреватель жидкости пониженной металлоемкости внедрен в сельском кооперативном хозяйстве «Орион» в селе Сумки По-ловинского района, на Лебяжьевском элеваторе, ОАО «Кетовская агрохимия» Курганской области. Результатом внедрения является экономия металла, используемого на изготовление нагревателя. Ожидаемый расчетный экономический эффект составил 4200 руб./год на 1 нагреватель мощностью 15 кВт. Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются на практических занятиях по дисциплинам «Электротехника и электроника» и «Физика» в Курганской государственной сельскохозяйственной академии.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научных статьях.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных конференциях в Курганской ГСХА (17-18 марта 2004 г.), в Курганском государственном университете (23 декабря 2003 г.), в Челябинском государственном аг-роинженерном университете (28-29 января 2004 г.), в Пермской ГСХА (19-21 апреля 2004 г.) и в ВИЭСХ, г. Москва (12-13 мая 2004 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы (124 наименования), 8 приложений. Объем диссертации 170 страниц основного текста, включая 53 рисунка, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, ее научная и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены достоинства и недостатки используемых в настоящее время в сельскохозяйственном производстве электродных, элементных и индукционных электронагревателей жидкости. Для последних сделан обзор наиболее типичных конструкций и аналитических выражений, применяемых для их расчета.

Вопросами электронагрева в сельскохозяйственном производстве занимались такие ученые, как Евреинов М. Г., Листов П. Н., Пршцеп Л. Г., Назаров Г. И., Цекулина А. А., Климов А. А., Изаков Ф. Я., Рубцов П. А., Златковский А. П., Смирнов В. И., Клюшин Г. В., Корсак С. П., Яровиков И. П., Кисель О. Б., Шабалин Ю. А., Баранов Л. А., Цугленок Н. В. и др. Основные области применения электронагрева в сельскохозяйственном производстве отображены на рис. 1, из которого видно, что среди электронагревателей различного назначения важнейшее значение для сельскохозяйственного производства имеют нагреватели жидкости.

Применяемые в настоящее время в сельскохозяйственном производстве электродные и элементные нагреватели жидкости, удельная мощность которых находится в диапазоне 0,4-1 кВт/кг, обладают рядом существенных недостатков. Наиболее важными из них являются: повышенная опасность поражения людей и

животных электрическим током (электродные нагреватели), низкий срок службы ТЭНов (элементные нагреватели). Индукционный нагрев обладает рядом существенных преимуществ над другими видами электронагрева. В частности, индукционные нагреватели не создают повышенную опасность поражения людей и животных электрическим током. Нагреваемая в них вода пригодна для питья. В них можно надевать и непроводящие электрический ток жидкости. Разность температур между поверхностью нагревательного элемента и нагреваемой жидкостью невелика (ДК10°С), поэтому не происходит выделение накипи при нагревании воды и казеина при пастеризации молока, подгорание пищевых жидкостей. Рассмотрены различные варианты конструкций индукционных нагревателей жидкости, разработанные в настоящее время. Удельная мощность этих нагревателей невелика (0,15-0,25 кВт/кг), что препятствует их широкому применению на практике.

ЭЛЕКТРОНАГРЕВ

I _воздуха__

в системах приточной вентиляции и кондиционирования

при создании оптимального темпера-турно-влажностиого режима (микроклимата) в сельскохозяйственных объектах с применением автоматического регулирования и программиро-_вания процесса_

в системах рециркуляции теплоты в овоще- и фруктохранилищах

для сушки сена, термической обра_ботки семян и др._

Рис 1. Применение

Существуют два основных пути увеличения удельной мощности нагревателей этого вида: 1) использование сильных магнитных полей; 2) совмещение магнитопровода и нагревательного элемента. Этого можно достичь, изготовив магнитопровод в виде змеевика из стальной трубы, по которой течет нагреваемая жидкость.

При использовании сильных полей глубина проникновения электромагнитного поля может оказаться сопоставимой с толщиной стенки трубы и даже превышать ее. Это приведет к появлению отраженной волны. При этом неизвестно, каким образом отраженная от внутренней поверхности трубы электромагнитная волна будет сказываться на электрических параметрах нагревателя.

Для увеличения долговечности стальных труб используются металлические неферромагнитные покрытия, которые могут существенно влиять на электромагнитные характеристики нагревателя: глубину проникновения электромагнитного поля, коэффициент мощности и электрическое сопротивление.

_воды и пара_

при кормоприготовлении

для санитарно-гигиенической обработки животных, производственных помещений, оборудования

для первичной обработки сельскохозяйственной продукции

для отопления

при поливе растений

для различных технологических _нужд_

для весеннего прогрева почвы втеп-лицах

электронагрева в сельском хозяйстве

В случае тороида, состоящего из трубчатого змеевика, который является сердечником предлагаемой нами конструкции проточного индукционного нагревателя жидкостей, магнитный поток при переходе из одного витка в другой замыкается через воздушную прослойку. В результате магнитное сопротивление увеличивается, что приводит к изменению электрических параметров нагревателя. Учитывая это, на основании поставленной цели были сформулированы задачи исследования.

Во второй главе «Теоретический анализ работы проточных индукционных нагревателей жидкости. Поиск и обоснование оптимальных вариантов конструкции нагревателей с пониженной металлоемкостью» исследовано влияние отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности и влияние металлических неферромагнитных покрытий на электромагнитные характеристики индукционных нагревателей; произведено описание магнитного поля в тороидальном индукционном нагревателе и осуществлена оценка металлоемкости, удельной мощности и теплового КПД проточных тороидальных нагревателей жидкости; на основе теоретического анализа предложено два варианта конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости с минимальной металлоемкостью, разработана методика их инженерного расчета.

Опираясь на работу Л. Р. Неймана «Поверхностный эффект в ферромагнитных телах», показано, что появление отраженной электромагнитной волны в ферромагнитном сердечнике нагревателя неизбежно приведет к уменьшению коэффициента мощности. Нами предложена формула для оценки минимальной толщины слоя ферромагнетика в сердечнике нагревателя, при которой влиянием отраженной волны можно пренебречь:

А = 2,Ь£-,м, (1)

где р - удельное сопротивление стали, Омм; со - круговая частота, с"1' /¿о - магнитная постоянная, Гн/м; // - относительная магнитная проницаемость стали. Так как при появлении отраженной электромагнитной волны коэффициент мощности убывает, то при изготовлении индукционных нагревателей необходимо использовать ферромагнетик такой толщины, которая была бы не меньше глубины проникновения электромагнитной волны Д. Для наращивания слоя ферромагнетика до необходимой толщины можно использовать обмотку из нескольких слоев тонкой стальной ленты, так как слоистая структура не приводит к появлению отраженных волн (толщина воздушных промежутков значительно меньше длины волны).

Используя приведенную в работе Л. Р. Неймана зависимость плотности тока от глубины проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик, нами были получены теоретические зависимости от толщины б металлического неферромагнитного покрытия стальных труб следующих величин: глубины Д; проникновения электромагнитной волны (2), напряженности Н] магнитного поля (3), при которой глубина проникновения будет такой же как и при напряженности Н2, когда отсутствует покрытие, коэффициента мощности соБф (4) и электрического сопротивления 7Л (5) нагревателя.

(3)

Г Го,86х2+^0УГ5

(4)

о,8бх+1 ;

л+1

2^2^ ¿.У А,

(5)

РАг I До,

(6)

где Л2 и Z2- глубина проникновения, м, и электрическое сопротивление, Ом, когда покрытие отсутствует; рг и р] - удельное сопротивление стали и материала покрытия, Ом-м; б„ - толщина обмотки из стальной ленты, наложенной на трубчатый змеевик, м; (ро = 31° - разность фаз между колебаниями напряженностей электрического Е и магнитного Н полей в ферромагнетике; <р' - разность фаз между Е и Н при отсутствии потерь в магнитопроводе; До - теоретическая глубина проникновения электромагнитного поля в ферромагнетик (До = 1,2Д); п -показатель степени в зависимости индукции от напряженности магнитного поля.

На рис. 2 изображены различные варианты взаимного расположения витков змеевика и обмотки из стальной ленты в сердечнике нагревателя. Чтобы найти такой вариант, при котором удельная мощность и коэффициент мощности максимальны, нами, используя аналог закона Ома для магнитных цепей, были получены соотношения для магнитного потока Ф (7), средней относительной магнитной проницаемости <ц> (8), магнитного сопротивления Zm змеевика (9) и активного магнитного сопротивления Яга воздушного промежутка между витками змеевика (10) без обмотки из стальной ленты.

Ф =

(7)

Ь

&(щ-А)

(8)

2жЯ

'т

(9)

InR

- А)

1(A)'

—1

(10)

Рис. 2. Варианты взаимного расположения витков трубы змеевика и стальной ленты (поперечное сечение): с одинаковым (а, б) и не одинаковым (в, г, д) радиусом витков

Здесь

,2 . 1 1 н— arcsin —

1-1 А

1 + 1 Л

средняя относительная проницае-

мость змеевика в постоянном магнитном по-L

_ _i_ I

N и R - число и

ле,

А = -

2VJ1 +

А2

радиус витков змеевика, Го и 5- внутренний радиус и толщина стенок трубы.

Была построена векторная диаграмма магнитных сопротивлений, представленная на рис. 3, опираясь на которую был сделан вывод, что при отсутствии обмотки из стальной ленты коэффициент мощности не превышает значения 0,7. При наличии обмотки из стальной ленты в сердечнике нагревателя в вариантах айв, изображенных на рис. 2, активная составляющая R„, магнитного сопротивления Z'm змеевика уменьшается вдвое, что приводит к уменьшению ср = я/2 -9' и возрастанию коэффициента мощности. Наибольшее значение cosq> будет иметь при плотном прилегании обмотки из стальной ленты к внешней поверхности змеевика в вариантах б, г, д. В вариантах гид внутренние слои ферромагнетика находятся в области ослабленного поля. Поэтому наибольшей удельной

Рис 3 Векторная диаграмма Z'ra, Rm, Zm для змеевика 6ej лен i ы

мощностью будет обладать нагреватель с сердечником, изображенном на рис 26, так как здесь в тепловыделении участвует весь объем ферромагнетика. Исходя из этих соображений, нами были предложены два варианта конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости (ИНЖ) с наибольшей удельной мощностью, изображенных на рис. 4.

Полагая, что сопротивление обмотки индуктора не превышает 5% от полного электрического сопротивления Ъ нагревателя, для оценки металлоемкости и удельной мощности нагревателей предлагаемых конструкций было использовано выражение для электрического сопротивления из вышеуказанной работы Л. Р. Неймана

г « 1,05и>2 ^^(ОМоМР ; х = 0,6г ■ (Ц)

'я

'н

где 1Е - длина периметра сечения стального тороида; 1н - длина тороида по средней линии; со - круговая частота тока.

Рис 4 Внешний вид (а) и сечения ИНЖ (б) предлагаемых конструкций 1 - обмотка индуктора, 2 - обмотка из стальной ленты, 3 - змеевик из стальной трубы, 4 - тонкостенный нержавеющий вкладыш

Исходя из формулы (12), была получена зависимость удельной металлоемкости у = т/Б, кг/кВА, от напряженности Н магнитного поля и полной мощности нагревателя Б, которые описываются величиной х = Ни = г^ 8:

1,3 -Ю4 -—

У = и "-тгх " , (13)

со^К

где и - напряжение; П1 - число витков на единицу длины индуктора; К - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально; п - показатель степени в зависимости индукции от напряженности магнитного поля (для углеродистой стали и материала стальной ленты К=1013,6 (кА/м)0,811, п = 6).

Для напряжения 220В

у= 17600х"1167, (14)

а минимальная толщина слоя ферромагнетика Д в соответствии с формулой (1)

Д= 1,29-10-У4'7. (15)

Опираясь на формулы (13-15), была получена зависимость удельной мощности ИНЖ от напряженности магнитного поля и полной мощности, показанная на рис. 5.

а) б)

Рис 5. Зависимости удельной мощности нагревателя при использовании медного провода в обмотке индуктора: а) от напряженности магнитного поля (8 = 10 кВА); б) от полной мощности (Н = 40 кА/м)

При использовании медного провода в обмотке индуктора —>0,7 кВт/кг, при использовании алюминиевого провода - i; —И кВт/кг. Следовательно, удельная мощность предлагаемого ИНЖ сопоставима с удельной мощностью электродных и элементных нагревателей.

Согласно работе В.Г. Фастовского и А.Е. Ровнинского «Исследование теплоотдачи в спиральном канале» теплоотдача с внутренней поверхности змеевика протекающей по нему жидкости при переходном характере течения определяется эмпирическим соотношением для критерия Нуссельта, полученным М. А. Михеевым в работе «Теплоотдача при турбулентном движении жидкости в трубах»:

<NiW>= 0,021 Re*d 0 8 Ргж0'43 (Ргж/ Ргс)0-25 <£>,, (16)

где Rcjud - число Рейнольдса; Рг - критерий Прандтля; <£>/ - коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы. За определяющую температуру здесь принята средняя температура жидкости, а за определяющий размер - внутренний диаметр трубы. Величина Ргс выбирается по средней температуре поверхности стенки. Отсюда коэффициент теплоотдачи

0,02l(— | Рг°"

(MQ* __U

0.8 Г т. Л0'25

Рг

Рг,

(£,)Л

-, (И)

с/ ¿1

где "к - коэффициент теплопроводности; и - скорость течения жидкости; V - коэффициент кинематической вязкости; с1 - внутренний диаметр трубы.

С учетом того, что для воды при 50°С и Дг = 0-50° отношение (Ргж/ Рг,)025 удовлетворительно описывается зависимостью (Ргж/ Ргс)°'25 = 1+3,8 10"3 Д1, нами было получено, что при увеличении скорости течения жидкости от 0,2

до 1 м/с тепловой КПД г) нагревателя возрастает от 96 до 99% (рис. 12). Высокое значение теплового КПД объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности змеевика превышает коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности нагревателя при изменении скорости течения от 0,2 до 1,6 м/с в 200-1000 раз. При скоростях течения и < 0,3 м/с происходит изменение характера течения жидкости в змеевике. Течение становится ламинарным. Это сопровождается уменьшением коэффициента теплоотдачи в десятки раз и значительным уменьшением теплового КПД. Чтобы избежать такого развития событий, нами было предложено для создания дополнительной циркуляции протекающей по змеевику жидкости при и < 0,3 м/с вводить в просвет трубы змеевика проволочную спираль. При этом течение жидкости будет сохранять переходный характер и при малых скоростях, а тепловой КПД иметь значение, близкое к 0,95.

В основе инженерного расчета предлагаемого нагревателя лежат соотношения (1) и (13). Исходными данными для расчета являются расход жидкости Gy, м3/с, и разность температур ДТЖ, на которую она нагревается. По ним определяется полезная мощность нагревателя Р0 = piGvcAT*, где pi - плотность жидкости, с - ее удельная теплоемкость, затем по известному значению теплового КПД (г)! - 0,97-0,99) - его активная Р = Po/rji и полная мощность S = P/cos(p, где costp = 0,86. Здесь же производится выбор внутреннего диаметра тонкостенного нержавеющего вкладыша (с толщиной стенок 1 мм). Он должен быть таким, чтобы, во-первых, обеспечивалась оптимальная для теплоотдачи скорость течения жидкости (и = 0,5-1,5 м/с), во-вторых, его внешний диаметр был близок к внутреннему диаметру трубы из углеродистой стали Для этого используется зависимость скорости v течения жидкости от величины Gv при различных значениях внутреннего диаметра трубы d: и = 4 Gv/td2 и стандартные значения внутреннего диаметра выпускаемых стальных труб: 7 мм, 15 мм, 20 мм.

Выбирается значение напряженности магнитного поля, обеспечивающего минимальную металлоемкость индуктора, H = 25 кА/м при S=10 кВА, 35 кА/м при S=20 кВА и 40 кА/м при S>20 кВА. Используя известное значение Н, по номограмме на рис. 6 определяются величины параметра х = HU, где U - сетевое напряжение, минимальная толщина слоя ферромагнетика А, масса активного слоя ферромагнетика тш = yS, площадь внешней поверхности стального сердечника нагревателя SBHC1II. Производится оценка числа витков змеевика по формуле

с 1

ДГ --sas»---+ 1

x2(d0 + 2A)Dk к ' где d0 - внутренний диаметр стальной трубы, к - поправочный коэффициент из геометрии поперечного сечения сердечника нагревателя, D - диаметр змеевика по средней линии. Для этого принимается D = 0,3 м, а величина к определяется по графикам на рис 7. Для найденного значения NTp определяется диаметр то-

е

г\___внеш_

роида и ~ '

' л2(da+2A)[(jV„p-l)* + l]-

кВА/м

Рис 6. Номограмма для определения величин х, у, Д по известной величине

напряженности магнитног о поля Н

Определяется длина трубы /,р и вкладыша /вк. Находится число слоев в обмотке из стальной ленты = (Д - 51р)/5л, где 5,р - толщина стенок трубы, 5Л -толщина ленты, длина стальной ленты /л по известной ширине а, толщине 5Л по формуле /л = N... 8внеш /а. Определяется площадь поперечного сече ния 8± провода

/45

в обмотке индуктора и его диаметр с1пр: 8 [ = 5/(Ц(); с1,|р = /—-, где) - допусти-

V к

мая плотность тока (для алюминия 3 А/мм2, для меди 5 А/мм2). Затем находится

плотность обмотки индуктора п и число витков Nnp: n = x/S, Nnp слоев в обмотке индуктора Ki=ndnp, средняя длина витка 1\ = 2(NTp f 7i(d0 + 2Д + dnp + dnp(Ki -1)), длина провода /„p=/iN„p, масса нагревателя ш

0,8 -i

: Шре + mAi u, удельная металлоемкость m/P.

7мм •15мм 20мм

: íiDn, число lXdo + 25^) масса провода ш = р /пр Si,

5.5 Л uu ®

Рис. 7. Зависимость поправочного коэффициента ог глубины проникновения электромагнитного поля в сталь при различных значениях внутреннего диаметра стальной трубы

В третьей главе «Программа и методики экспериментальных исследований» изложены программа и методики экспериментальных исследований и производственных испытаний ИНЖ.

Программой экспериментов предусматривалось:

1) исследование зависимости магнитной проницаемости стали от'напряженности магнитного поля;

2) исследование зависимости удельного сопротивления стали от температуры;

3) изучение влияния отраженной электромагнитной волны в ферромагнетике на коэффициент мощности индукционного нагревателя;

4) исследование зависимости электромагнитных характеристик (глубины проникновения электромагнитной волны, коэффициента мощности, электрического сопротивления) индукционного нагревателя от металлического неферромагнитного покрытия стального трубчатого змеевика;

5) исследование электромагнитных характеристик индукционного нагревателя и их зависимости от взаимного расположения обмотки из стальной ленты и витков трубчатого змеевика;

6) исследование зависимости теплового КПД индукционного нагревателя от скорости течения жидкости при наличии и отсутствии проволочной спирали в просвете трубы змеевика.

Для обнаружения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетике и исследования ее влияния на коэффициент мощности, для исследования зависимости электромагнитных характеристик от толщины металлического неферромагнитного покрытия трубы змеевика и от взаимного расположения обмотки из стальной ленты и витков змеевика использовалась экспериментальная установка (рис. 8.)

Измерение магнитной проницаемости и удельного сопротивления производились по стандартным методикам. Необходимость их измерения связана с тем, что данные величины, необходимые для сопоставления теоретических и экспериментальных результатов исследования, зависят от химического состава стали.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты исследования зависимости магнитной проницаемости углеродистой стали и материала стальной ленты от напряженности магнитного поля, температурной зависимости удельного сопротивления этих материалов, влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности ИНЖ, электромагнитных характеристик нагревателя и влияния металлического неферромагнитного покрытия на них, зависимости теплового КПД от скорости течения жидкости и результаты производственных испытаний нагревателя.

Полученные экспериментальные зависимости с 5% погрешностью для относительной магнитной проницаемости углеродистой стали и материала стальной ленты в области сильных магнитных полей описываются уравнением ц = 1013,6Н"0'8347 (Н измеряется в кА/м), для температурной зависимости удельного сопротивления углеродистой стали - р = 0,1422-(1 + 0,04541)-10"6 Ом м, материала стальной ленты р = 0,1122 (1 + 0,065 И)10"6 Ом м.

Из осциллограмм зависимости напряженности Н и индукции В магнитного поля от времени, приведенных на рис. 9, следует, что отраженная электромагнитная волна в ферромагнетиках, появляющаяся при Нир, когда глубина проникновения поля равна толщине слоя ферромагнетика, не поглощается; Для нее колебания напряженности магнитного поля совпадает по фазе с индукцией, что соответствует разности фаз между напряженностями электрического и магнитного полей, равной 90°. Объяснением этому, на наш взгляд, является то, что характеристи-

Рис. 8. Схема установки для наблюдения отраженной электромагнитной волны и исследования электромагнитных характеристик ИНЖ' 1 - ЛАТР, 2 - кольцо из трубы, 3 - основная обмотка; 4 - индикаторная обмотка, 5 - интегрирующая ячейка; 6 - осциллограф

кой ферромагнетиков является не только зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, но и зависимость градиента магнитной проницаемости от эгой величины. Только в этом случае градиент магнитной проницаемости, созданный прямой волной, не может быть изменен отраженной волной. Коэффициент мощности индукционного нагревателя при появлении отраженной волны уменьшается до 0,5 и ниже.

Рис. 9 Осциллограммы зависимости напряженности Н и индукции В магнитного поля от времени: а) при Н < Нф, 6) при Н > в) при Н»Нкр

Экспериментальная проверка показала, что для нагревателя с сердечником из змеевика без обмотки из стальной ленты коэффициент мощности, как и ожидалось, очень низок и равен 0,7. Наибольшее значение (0,86-0,91) эта величина приобретает при наличии обмотки из стальной ленты, наложенной на змеевик. При этом потоки рассеяния не превышают 2% от основного магнитного потока. Проверка проводилась, как в постоянном магнитном поле с помощью фотокомпенсационного микровеберметра Ф18, так и в переменном поле с помощью милливольтметра В3-38 и образцового витка.

Нами было экспериментально установлено, что при неплотном прилегании обмотки из стальной ленты к внешней поверхности змеевика электрическое сопротивление нагревателя возрастает. Это объясняется тем, что в области воздушных зазоров индукционные токи в стенках трубы соседних витков змеевика направлены противоположно и поэтому ослабляют друг друга.

Для исследования влияния металлического неферромагнитного покрытия использовались оцинкованная и неоцинкованная трубы из углеродистой стали с одинаковым внутренним диаметром (15 мм). Результаты измерений приведены в табл. 1 и на рис. 10 и 11, из которых видно, что в пределах 5% погрешности теоретические соотношения соответствуют экспериментальным значениям.

Экспериментальное исследование зависимости теплового КПД г| от скорости течения жидкости (рис. 12) показало, что эта величина принимает значение 96-99% и в пределах 4% погрешности, соответствует расчетным значениям, полученным с использованием формулы (17). При малых скоростях (о< 0,2 м/с) в результате того, что течение становится ламинарным, т) резко уменьшается до 76%. Эго сопровождается перегревом нагревателя. Рхли при переходном характере течения, когда г) = 96 - 99%, температура нагревателя была выше средней температуры жидкости на 5-10°, то при ламинарном - она была выше на 20-30°

конечной температуры жидкости. С введением проволочной спирали в просвет трубы змеевика, в результате возникновения вторичных циркуляции жидкости область высокого значения теплового КПД расширяется в сторону малых скоростей течения до 0,05-0,1 м/с. Производственные ис пытания нагревателя мощностью 15кВт в электроцехе завода Кургансельмаш подтвердили высокое значение теплового КПД нагревателя данного типа (л = 96%).

Таблица 1 - Сопоставление экспериментальных и теоретических значений критической напряженности в сердечнике нагревателя

Параметр Значения

Толщина слоев стальной ленты, 5Л, мм 0 0,55 1,1 1,65 2,2 2,75

Критическая напряженность магнитного поля для неоцинкованной трубы, Н, кА/м (эксперимент) 4,8 7,0 11,0 14,0 20,0 25,0

Критическая напряженность магнитного поля для неоцинкованной трубы, Н, кА/м (теоретический расчет по формуле (1)) 4,8 7,4 10,8 14,2 19,7 25,3

Критическая напряженность магнитного поля для оцинкованной трубы, Н, кА/м (эксперимент) 8,5 13,0 17,0 21,0 28,0 -

Критическая напряженность магнитного поля для оцинкованной трубы, Н, кА/м (теоретический расчет по формулам (2) и (3)) 8,46 12,41 16,4 21,5 27,5 -

110 90 -70 ■ 50

8

Н, кА/м

а)

г, Ом

110 90

70 -50

б)

8

Н, кА/м

Рис 10 Зависимость электрическою сопротивления ИНЖ с ферромагнитным сердечником, имеющим металлическое неферромагнитное покрытие и без него' а) 1 и 2 - экспериментальные результаты для ИНЖ с сердечником из неоцинкованной и оцинкованной трубы соответственно; б) сопоставление теоретической зависимости (6) с экспериментальными результатами. Начало области сильных магнитных полей отмечено вертикальной линией

Рис. 11 Зависимость соэф от толщины металлического неферромагнитного покрытия сердечника на! ревателя. Теоретические кривые по формулам (5) и (7) в сопоставлении с результатами эксперимента при наличии ♦ - обмотки из стальной ленты; 0 - цинкового покрытия

1Ъ%Ю0 90 80 70

йл—% д А з з

□ 2 х 1 — 3

у,см/с

20 40

60

80 100

Рис 12 Зависимость! еплового КПД нагревателя от скорости течения жидкости- 1 - экспериментальные результаты при отсутствии проволочной спирали в просвете трубы; 2 - при ее наличии; 3 - расчетные значения с применением (17) Начало области ламинарного течения жидкости при уменьшении скорости в отсутствии спирали отмечено вертикальной прямой

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность применения проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости» приводятся результаты сравнения нагревателя-трансформатора, базового элементного нагревателя ЭЛКО-15/2, основные параметры которого (масса, производительность, масса нагреваемой воды, мощность) близки к используемым в настоящее время электронагревателям воды в сельских коллективных хозяйствах Курганской области и предлагаемого ИНЖ пониженной металлоемкости с одинаковой мощностью 15 кВт.

Результаты расчета технико-экономической эффективности сравниваемых нагревателей представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Технико-экономические показатели нагревателей жидкости

Параметр Нагреватель-трансформатор Базовый элементный нагреватель ЭЛКО-15/2 Проточной ИНЖ пониженной металлоемкости

Номинальное напряжение питающей сети и, В 380 380 380

Мощность Р, кВт 15 15 15

Тепловой КПД, % 95 92 98

Масса, кг 89,5 43 20

Срок службы, лет 15 ' 7 15

Удельная мощность, кВт/кг 0,17 0,35 0,75

Цена, руб. 5390 8970 2270

Производительность при нагревании воды от 20 до 80°С, л/ч 204 198 211

Прямые затраты, руб /г - 21500 17300

Срок окупаемости, лет - - 0,5

Ожидаемый экономический эффект, руб./г. 4200

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Применяющиеся в настоящее время в сельскохозяйственном производстве электродные и элементные (с использованием ТЭНов) нагреватели жидкости наряду с достоинствами обладают рядом существенных недостатков, которых лишены индукционные нагреватели.

Широкому распространению индукционных нагревателей мешает их большая металлоемкость. Существуют два основных пути ее уменьшения: использование области сильных магнитных полей, так как в этом случае с единицы массы ферромагнетика снимается большее количество теплоты; совмещение магнитопровода и нагревательного элемента.

2. Появляющаяся при использовании сильных магнитных полей отраженная электромагнитная волна в ферромагнетике не поглощается, что существенно уменьшает коэффициент мощности индукционных нагревателей (до 0,5 и ниже). Полученное аналитическое соотношение для минимальной толщины слоя ферромагнетика, при которой влиянием такой волны можно пренебречь, позволяет производить расчет индукционных нагревателей с пониженной металлоемкостью.

3. Увеличение толщины слоя ферромагнетика путем наложения на сердечник нагревателя обмотки из нескольких слоев стальной ленты не приводит к появлению отраженной электромагнитной волны на отдельных слоях этой обмотки. Отраженная электромагнитная волна появляется лишь в том случае, когда глубина проникновения электромагнитного поля будет больше суммарной толщины слоя ферромагнетика.

4. Если металлический неферромагнитный слой располагается на внешней поверхности сердечника нагревателя, то он существенно уменьшает глубину проникновения электромагнитного поля в ферромагнетик и электрическое сопротивление нагревателя (на 20-25%). При расположении такого слоя внутри ферромагнетика его влиянием можно пренебречь (не превышает 5%).

5. Анализ влияния взаимного расположения частей стального сердечника нагревателя на его электромагнитные характеристики позволил найти варианты конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости с удельной мощностью, достигающей при использовании обмотки индуктора из медного провода 1,5 кВт/кг, при использовании алюминиевого провода - 1 кВт/кг. Это достигается тем, что в предлагаемых конструкциях в тепловыделении принимает участие весь объем ферромагнетика.

6. Тепловой КПД нагревателей предлагаемых конструкций равен 96-99% при скоростях течения жидкости и>0,3 м/с. При меньших скоростях течения эту величину можно поддержать на данном уровне введением проволочной спирали в просвет трубы змеевика.

7. Разработанная методика инженерного расчета позволяет рассчитать аналитически или с помощью номограмм проточные индукционные нагреватели жидкости предлагаемых конструкций с нужными потребителю параметрами.

8. Технико-экономическая оценка предложенных конструкций проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства показала, что металлоемкость нагревателей предлагаемых конструкций в 4,5 раза меньше нагревателей-трансформаторов и сопоставима с элементными нагревателями. Годовая экономическая эффективность от использования одного предлагаемого нагревателя мощностью 15 кВт на животноводческих фермах в расчете на 100 голов КРС достигает 4200 руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Кирпичникова И. М., Русинов В. А.Тепловые характеристики проточного тороидального индукционного нагревателя жидкости// Вестник ЧГАУ, Челябинск, 2004, Т. 41.

2. Русинов В. А. Метод обнаружения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках и его использование в демонстрационном эксперименте и учебно-исследовательских лабораторных работах: Сборник научных трудов КГУ. Курган, 2004.

3. Русинов В. А. Влияние отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционных нагревателей. Материалы Х1Л11 научно-технической конференции. Часть 2. Челябинск, 2004.

4. Кирпичникова И. М., Русинов В. А. Конструкции проточных индукционных нагревателей жидкости малой металлоемкости: Электрификация сельского хозяйства: Межвузовский научный сборник, вып.4 - Уфа: Башкирский государственный агроуниверситет, 2004

5. Кирпичникова И М., Мокеев В. К., Русинов В. А. К вопросу о глубине проникновения электромагнитного поля в углеродистую сталь. Материалы международной научно-практической конференции «Научные результаты - агропромышленному производству», посвященной 60-летию КГСХА. т.2. Курган, 2004.

6. Кирпичникова И. М , Мокеев В. К., Русинов В. А. Влияние металлического неферромагнитного покрытия на электрическое сопротивление тороидальных индукционных нагревателей жидкости. Материалы международной научно-практической конференции «Научные результаты - агропромышленному производству», посвященной 60-летию КГСХА. т.2. Курган, 2004.

7. Русинов В. А. Отраженная электромагнитная волна в ферромагнетиках как причина дополнительных потерь электроэнергии в индукционных нагревателях. Материалы 4-й международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» ГНУ ВИЭСХ, М., 2004, Т. 3.

8. Кирпичникова И. М., Русинов В. А. Электрическое сопротивление тороидальных проточных индукционных нагревателей жидкости // Пермский аграрный вестник. Вып. 9. Часть 1. Пермь, 2004.

9. Кирпичникова И. М , Русинов В. А. Влияние металлического неферромагнитного покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик и на коэффициент мощности тороидального проточного индукционного нагревателя жидкости.// Вестник Красноярского государственного аграрного университета. № 6. Красноярск, 2004.

_ЛИЦЕНЗИЯ ЛР № 021298 от 18 июня 1998 г._

Подписано в печать 16 11 2004 Формат 60 х 84l/i6 Бумага офсетная Гарнитура Times Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 1223

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курганская государственная сельскохозяйственная академия им Т С Мальцева» 641300 Курганская область, Кетовский район, с Лесниково, КГСХА

РНБ Русский фонд

2006-4 687

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Существующие устройства для электронагрева жидкостей, их преимущества и недостатки.

1.1.1 Электродные нагреватели жидкостей.

1.1.2 Элементные водонагреватели.

1.1.3 Электрические индукционные нагреватели жидкостей.

1.1.3.1 Трубчатый индукционный нагреватель фирмы Сименс.

1.1.3.2 Нагреватель с индукциоиными нагревательными элементами

1.1.3.3 Индукционный пастеризатор молока.

1.1.3.4 Индукционный нагреватель жидкостей конструкции Добрякова Д. Д.

1.1.3.5 Нагреватель-трансформатор Киселя О. Б.

1.1.3.6 Индукционный нагреватель Серикова А. В.

1.2 Обзор существующих методов расчета индукционных нагревателей.

1.2.1 Векторная диаграмма и схема замещения нагревателя.

1.2.2 Расчет активного и реактивного сопротивлений индуктора.

1.2.3 Расчет активного и реактивного сопротивлений стального сердечника нагревателя.

1.3 Научная гипотеза о возможности уменьшения металлоемкости индукционных нагревателей.

Актуальность темы. Традиционные способы получения тепловой энергии, связанные с сжиганием углеводородов: дров, каменного угля, мазута, природного газа, обладают рядом существенных недостатков: низкий КПД, определенные сложности в доставке тепла потребителю и т.д. Поэтому представляет значительный интерес электронагрев, реализация которого не требует значительных капиталовложений, строительных работ и постоянного обслуживающего персонала. При этом повышается надежность оборудования, облегчается контроль и регулирование температуры. Вопросами электронагрева в сельскохозяйственном производстве занимались такие ученые как Евреинов М. Г., Листов П. Н., Прищеп JI. Г., Назаров Г. И., Цекулина А. А., Климов А. А., Изаков Ф. Я., Рубцов П. А., Златковский А. П., Смирнов В. И., Клюшин Г. В., Корсак С. П., Яровиков И. П., Кисель О. Б., Сазыкин В. Г., Шабалин Ю. А, Баранов Л. А., Цугленок Н. В. и многие другие.

Среди электронагревателей различного назначения важнейшее значение для сельскохозяйственного производства имеют нагреватели жидкостей. Разработаны и используются электронагреватели различных типов: рези-стивные, электродные, индукционные, из которых индукционные нагреватели обладают рядом существенных преимуществ над другими видами электронагрева. Но широкому распространению этого типа нагревателей препятствует их большая металлоемкость (до десяти килограммов на киловатт мощности). Разработка индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости позволит использовать преимущества нагревателей такого типа и, одновременно, уменьшить их себестоимость, а, следовательно, и себестоимость сельскохозяйственной продукции.

Работа выполнена в соответствии с общероссийской отраслевой программой 0.51.21. «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства» и перечнем целевых программ, п.29 «Разработать основные направления долгосрочной федеральной технической политики, систему энергетического обеспечения, развития автоматизации производства и экологии энергетических средств в сельскохозяйственном производстве России» (приказ №10 от 17.03.95 г. По Главному управлению вузов Минсельхозпрода России).

Цель исследования — Повышение удельной мощности проточных индукционных нагревателей жидкости сельскохозяйственного производства за счет снижения их металлоемкости

Под удельной мощностью £ понимается полученная тепловая энергия за единицу времени в расчете на единицу массы нагревателя:^ = Р/ш (кВт/кг).

Объект исследования: Совокупность свойств исходных материалов, конструктивных параметров и режимов работы , влияющих на металлоемкость проточных индукционных нагревателей жидкости.

Предметом исследования являются зависимости металлоемкости проточного индукционного нагревателя жидкости от конструктивных параметров, от физических свойств исходных материалов, используемых для изготовления нагревателя, и от режимных параметров его работы. Научная новизна:

1. Показано, что в отличие от магнетиков с постоянной магнитной проницаемостью в ферромагнетиках в области сильных полей отраженная электромагнитная волна не поглощается. Разработан метод обнаружения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках и установлено ее влияние на коэффициент мощности проточных индукционных нагревателей.

2. Теоретически и экспериментально описано влияние металлического неферромагнитного покрытия трубы, из которой изготовлен сердечник нагревателя, на электрические параметры нагревателей.

3. Исследованы тепловые процессы, происходящие в нагревателе, найдены условия получения наилучшей теплопередачи и повышения теплового КПД нагревателя.

4. Теоретически установлена зависимость магнитного сопротивления сердечника нагревателя от взаимного расположения его частей.

5. Теоретически исследована зависимость металлоемкости индукционных нагревателей от напряженности магнитного поля и мощности нагревателя. Определены параметры нагревателя, соответствующие его минимальной металлоемкости.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Конструкция проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках на коэффициент мощности индукционных нагревателей.

3. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния металлического неферромагнитного покрытия стальной трубы, используемой для изготовления сердечника нагревателя, на электромагнитные параметры индукционных нагревателей.

4. Результаты теоретического и экспериментального исследования зависимости электромагнитных параметров индукционных нагревателей от взаимного расположения витков в трубчатом змеевике и обмотки из стальной ленты.

5. Методика инженерного расчета проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости.

Практическая ценность работы. Разработан, изготовлен и внедрен в сельскохозяйственное производство проточной индукционный нагреватель жидкости пониженной металлоемкости мощностью 15 кВт.

Разработана методика инженерного расчета нагревателей жидкости предлагаемой конструкции.

Обнаруженная в работе особенность поведения отраженной электромагнитной в ферромагнетиках может быть учтена и использована при разработке новых электрических машин и механизмов. Для этой цели могут быть использованы и полученные зависимости электромагнитных характеристик ферромагнетиков от толщины металлического неферромагнитного покрытия Реализованы пути миниминизации металлоемкости индукционных нагревателей. Впервые предложены варианты конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости с такой минимальной металлоемкостью, которая электродных и элементных нагревателей. Это открывает возможность более широко использовать индукционный способ нагрева жидкостей в практике сельскохозяйственного производства, наряду с применяемыми в настоящее время электродным и элементным способами нагрева. Разработана методика инженерного расчета такого нагревателя. По конструкциям проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости подано две заявки на изобретение. Полученные теоретические и экспериментальные зависимости и методика инженерного расчета могут быть использованы для последующего совершенствования конструкций индукционных нагревателей.

Реализация результатов работы. Проточной индукционный нагреватель жидкости пониженной металлоемкости внедрен в сельском кооперативном хозяйстве «Орион» в селе Сумки Половинского района, на Лебяжьев-ском элеваторе и ОАО «Кетовская агрохимия» Курганской области. Результатом внедрения является экономия металла, используемого на изготовление нагревателя. Ожидаемый расчетный экономический эффект составил по 4200 руб./год на 1 нагреватель мощностью 15 кВт. Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются на практических занятиях по дисциплинам «Электротехника и электроника» и «Физика».

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных конференциях в Курганской ГСХА (17-18 марта 2004 г.), в Курганском государственном университете (23 декабря 2003 г.), в Челябинском государственном агроинженерном университете (28-29 января 2004 г.), в Пермской ГСХА (19-21 апреля 2004 г.) и в ВИЭСХ, г. Москва (12-13 мая 2004 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в девяти научных статьях, подано две заявки на изобретение (приоритет 2004110282 и 2004110283 от 5 апреля 2004 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Объем диссертации - 225 страниц машинописного текста, в том числе 55 страницы приложений, 57 рисунков, 24 таблицы. Список используемой литературы содержит 124 источника.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Применяющиеся в настоящее время в сельскохозяйственном производстве электродные и элементные (с использованием ТЭНов) нагреватели жидкости наряду с достоинствами обладают рядом существенных недостатков, которых лишены индукционные нагреватели.

Широкому распространению индукционных нагревателей мешает их большая металлоемкость. Существуют два основных пути ее уменьшения: использование области сильных магнитных полей, так как в этом случае с единицы массы ферромагнетика снимается большее количество теплоты; совмещение магнитопровода и нагревательного элемента.

2. Появляющаяся при использовании сильных магнитных полей отраженная электромагнитная волна в ферромагнетике не поглощается, что существенно уменьшает коэффициент мощности индукционных нагревателей (до 0,5 и ниже). Полученное аналитическое соотношение для минимальной толщины слоя ферромагнетика, при которой влиянием такой волны можно пренебречь, позволяет производить расчет индукционных нагревателей с пониженной металлоемкостью.

3. Увеличение толщины слоя ферромагнетика путем наложения на сердечник нагревателя обмотки из нескольких слоев стальной ленты не приводит к появлению отраженной электромагнитной волны на отдельных слоях этой обмотки. Отраженная электромагнитная волна появляется лишь в том случае, когда глубина проникновения электромагнитного поля будет больше суммарной толщины слоя ферромагнетика.

4. Если металлический неферромагнитный слой располагается на внешней поверхности сердечника нагревателя, то он существенно уменьшает глубину проникновения электромагнитного поля в ферромагнетик и электрическое сопротивление нагревателя (на 20-25%). При расположении такого слоя внутри ферромагнетика его влиянием можно пренебречь (не превышает 5%).

5. Анализ влияния взаимного расположения частей стального сердечника нагревателя на его электромагнитные характеристики позволил найти варианты конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости с удельной мощностью, достигающей при использовании обмотки индуктора из медного провода 1,5 кВт/кг, при использовании алюминиевого провода - 1 кВт/кг. Это достигается тем, что в предлагаемых конструкциях в тепловыделении принимает участие весь объем ферромагнетика.

6. Тепловой КПД нагревателей предлагаемых конструкций равен 96-99% при скоростях течения жидкости v>0,3 м/с. При меньших скоростях течения эту величину можно поддержать на данном уровне введением проволочной спирали в просвет трубы змеевика.

7. Разработанная методика инженерного расчета позволяет рассчитать аналитически или с помощью номограмм проточные индукционные нагреватели жидкости предлагаемых конструкций с нужными потребителю параметрами.

8. Технико-экономическая оценка предложенных конструкций проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства показала, что металлоемкость нагревателей предлагаемых конструкций в 4,5 раза меньше нагревателей-трансформаторов и сопоставима с элементными нагревателями. Годовая экономическая эффективность от использования одного предлагаемого нагревателя мощностью 15 кВт на животноводческих фермах в расчете на 100 голов КРС достигает 4200 руб.

1. Рудобашт С. П., Оболенский Н. В., Мокеев А. А. Подогреватели воды для сельскохозяйственных объектов. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003, №9, с. 16-17.

2. Изаков Ф. Я. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. М., Колос, 1972, 304 с.

3. Рубцов П. А., Осетров П. А., Бондаренко С. П. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве, "Колос", М., 1971, 527 с.

4. Промышленный каталог «Электротехника». Информэлектро, М., 1992, 1998.

5. Баранов Л. А. Новые электронагревательные устройства для сельскохозяйственного производства. Челябинск, 1997, 68 с.

6. Баранов Л. А. Электронагреватели в сельском хозяйстве. Алма-Ата: Кайнар, 1977, 288с.

7. Климов А. А. Электрификация производственных процессов в животноводстве. Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, М., 1955, 376 с.

8. Альтгаузен А. П., Гутман М. Б., Малышев С. А., Свенганский А. Д., Смоленский Л. А. Низкотемпературный электронагрев, Энергия, М., 1968, 184 с.

9. Волков Б. Н. Релейная защита электродных котлов, Энергия, М., 1970, №5.

10. Проценко П. П., Леонова С. В. Проблемы водоподготовки в электроводогрейных установках // Механизация и электрификация технологических процессов в с.-х. производстве. 1998- вып.З с. 101-106.

11. Королев В. А. Система саморегулирующихся электродных нагревателей для АПК (Электродный нагреватель косвенного нагрева со стабилизацией температуры)// Электрификация технологических процессов в АПК.- Благовещенск, 1993-вып. 1 с.64-70.

12. Королев В. А., Проценко П. П. Система саморегулирующихся электродных нагревателей для АПК (Водонагреватели постоянной мощности)// Электрификация технологических процессов в АПК. Благовещенск, 1993- вып. 1 с.52-58.

13. Проценко П. П. Электродный водонагреватель постоянной мощности нагрева.// Электрификация технологических процессов в АПК.- Благовещенск, 1993-вып 1 с.59-63.

14. Поцелуев А. А., Щербак Н. А. Исследование рабочего процесса водонагревателя циркуляционной системы автопоения.// Совершенствование процессов и технические средства в АПК.- Зерноград, 1999-С.71-74.

15. Тихомиров Д. А. Разработка электропароводонагревательной установки сельскохозяйственного назначения. Автореферат дис. канд. техн. наук./ Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства. М. 2000- 23с. *

16. Поцелуев А. А., Щербак Н. А. Анализ тепловых потерь в проточных водонагревателях. // Сб. науч. тр. /Азово Черномор, госагроинж. акад.-2000-вып. 2 с.138-140.

17. Альтгаузен А. П., Гутман М. Б., Малышев С. А., Пронько Н. С., Свен-чанский А. Д. Низкотемпературных электронагрев. М. Энергия, 1978. с. 131-152.

18. Оболенский Н. В. Справочник по судовому электротермическому оборудованию. Д.: Судостроение, 1985.

19. Промышленный каталог «Электротехника», Информэлектро, М., 1993, 1996, 1998.

20. Катков П. А., Валявский Ю. П., Попов Р. А. О целесообразности использования внепиковой электроэнергии для теплоснабжения. Механизация и электрификации социалистического сельского хозяйства, 1970, №6.

21. Фелькнер Н. И. Электрические нагревательные приборы, М. Д., ГЭИ, 1941.

22. Staack Н., Inducktiv Beheizte Anlagen, Elektrowarme, 1937, ll.

23. Добряков Д. Д. Индукционный нагреватель воды. Сборник " Наука -сельскому хозяйству", Рига, 1961, №5.

24. Кисель О. Б., Букша В. И. Индукционный прямоточный котел для нагрева жидкостей. Труды ЦСХИ, 1972.

25. Кисель О. Б., Шпилько Ю. Е. Однофазный индукционный нагреватель с замкнутой магнитной цепью. Тезисы докладов и сообщений на зональном семинаре по применению электроэнергии в сельском хозяйстве. Целиноград, 1971.

26. Кисель О. Б. Физические условия работы индукционного проточного нагревателя-трансформатора, его векторная диаграмма и схема замещения. Труды ЦСХИ/ Электрификация сельского хозяйства Северного Казахстана. Целиноград, 1973.

27. Кисель О. Б. Индукционный нагреватель жидкости. Доклады ВАСХНИЛ. 1974, №12.

28. Кисель О. Б. Расчет индукционного проточного нагревателя жидкости. Труды ЦСХИ/ Вопросы электрификации сельскохозяйственного производства. Целиноград. 1972.

29. Пат. 6353213 США МПК7 Н05В6/10 BMG Holdings, LLC, Miller Blair, Mayer Thomas J. '09/751651. Voltage transformer type water heating unit. 2002.

30. Пат. 2101882 РФ. МПК Н05В6/10.Электроводонагревательное устройство трансформаторного типа/ Кузьмин В. М., Сериков А. В., Бобровский С. П.// Открытия. Изобретения. 1998. №1.

31. Кузьмин В. М., Сериков А. В. Разработка и исследование трансформаторов для установок электроводонагрева. Электротехника, 2001, № 7, с.45-51.

32. Яровиков И. П. Исследование индукционных нагревателей. Тр. ЧИМЭСХ.- Челябинск, 1972, вып. 67, с. 117 121.

33. Андрианов В. Н. Электрические машины и аппараты, Колос, М., 1971.

34. Мельников С. В., Андреев П. В., Базенков В. Ф., Вагин Б. И., Жевла-ков П. К., Фарбман Г. Я. Механизация животноводческих ферм, Колос, М., 1969.

35. Аркадьев В. К. Избранные труды . М., Изд-во АН СССР, 1961, 331 с.

36. Белоруссов Н. И. Электрические кабели и провода. М., Энергия, 1971, 512с.

37. Бодашков В. А. Индукционный нагрев труб. JL, Машиностроение, 1969, 152 с.

38. Вайнберг А. М. Индукционные плавильные печи. М., Энергия, 1967, 415с.

39. Вуценс А. П. Расчет электромагнитного нагрева индуктором, расположенным внутри цилиндрической полости. Магнитная гидродинамика. 1975, №3. с.135-142.

40. Гельбух JI. А. Нагрев ферромагнитного эллипсоида вращения в переменном магнитном поле. Электричество, 1958, №3, с. 5 52.

41. Глуханов Н. П. Физические основы высокочастотного нагрева. M.-JI., Ленинградское отделение, Машиностроение. 1965, 80 с.

42. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. М., Энергия. 1968, 488 с.

43. Добряков Д. Д., Грислис В. Я. Трубчатый индукционный нагреватель в различных электрических режимах. Изв. АН Латв. ССР. 1976, №3, с. 66 74.

44. Донской А. В. Вопросы теории и расчета при индукционном нагреве. Электричество, 1954, №5. с. 52 58.

45. Изаков Ф. Я., Яровиков И. П. Расчет индукционных нагревателей для обогрева полов в животноводческих фермах. Труды ЧИМЭСХ, 1974. вып. 75. с.233-236.

46. Кувалдин А. Б. Низкотемпературный индукционный нагрев стали. М., Энергия, 1976, 112 с.

47. Маквардт Е. Г. Вихревые токи в ферромагнитных телах. Электричество, 1934, №8, с. 35^2.

48. Мондрус Д. Б. Расчет индукционного нагрева проводящих цилиндров. ЖТФ,1946, т. 16, вып. 10, с. 1167-1174.

49. Простяков А. А. Индукционные нагревательные установки. М., Энергия, 1970, 120 с.

50. Ратников Д. Г. Индукционный нагрев полых разностенных тел. Электричество, 1963, № 6, с.50-54.

51. Родигин Н. М. Индукционный нагрев стальных изделий токами нормальной частоты. Свердловск, Металлургиздат, 1950, 248 с.

52. Стреттон Д. А. Теория электромагнетизма. М., Гостехиздат, 1948, 535с.

53. Нейман JI. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. JL, Госэнергоиздат, 1949, 190 с.

54. Немков В. С., Демидович В. Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. JL, Энергоатомиздат, 1988, 279 с.

55. Кувалдин А. Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М., Энергоатомиздат, 1988, 198 с.

56. Донской А. В., Куляшов С. М. Электротермия. М JL, Госэнергоиздат, 1961,312с.

57. Васютинский С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. JL, Энергия, 1970, 432 с.

58. Бабат Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. M.-JI., Госэнергоиздат, 1946,431 с.

59. Нейман JI. Р., Калантаров П. JI. Теоретические основы электротехники. M.-JL, Госэнергоиздат, 1959, 444 с.

60. Глуханов Н. П. Физические основы высокочастотного нагрева. M.-JI., Машиностроение, 1965, 80 с.

61. Шамов А. Н., Бодажков В. А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. M.-JL, Машгиз,1963, 220 с.

62. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. М.- JI., 1972.

63. Абрикосов А. А. Введение в теорию нормальных металлов. М., 1972.

64. Бессонов JI. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. М., 1978.

65. Брагин С. М. Электрический и тепловой расчет кабеля. M.-JL, Госэнергоиздат, 1960, 328 с.

66. Калантаров П. JL, Цейтлин JI. А. Расчет индуктивностей. JI., Энергоатомиздат, 1986. 488 с.

67. Аркадьев В. К. Вычисление электрического сопротивления и магнитной проницаемости проводов и тросов в переменном поле. Вестник электротехники, 1930, №5, разд. 3, с. 77.

68. Сазыкин В. Г. Теория и метод расчета индукционных излучателей для высокотемпературной сушки продуктов растениеводства. Тр. КСХИ, Краснодар, 1973, вып. 166(194), с. 67-74.

69. Химические аппараты с индукционным обогревом/ Горбатков С. А., Кувалдин А. Б., Минеев В. Е., Жуковский В. Е. JL, Энергоиздат, 1985.

70. Установки индукционного нагрева./ Слухоцкий А. Е., Немков В. С., Павлов Н. А., Бамунэр А. В. Л., Энергоиздат, 1981, 325 с.

71. Телеснин Р. В., Яковлев В. Ф. Электричество. М., 1970, 488 с.

72. Справочник по электротехническим материалам, т. 2, М. Госэнерго-издат, 1960, 511 с.

73. Мокеев В. К., Зуев В. С. Проточные нагреватели воды индукционного типа. Через опыт в науку. Материалы региональной научно практической конференции посвященной 100-летию Т. С. Мальцева. Курган, 1995.

74. Михеев М. А., Михеева И. М. Краткий курс теплопередачи. Госэнер-гоиздат, М.-Л., 1960.

75. Михеева И. М. Теплопередача и тепловое моделирование. Изд-во АН СССР, 1959.

76. Михеев М. А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, М.-Л., 1947.

77. Ицкович А. М. Основы теплотехники. Высшая школа, М., 1970.

78. Пехович А. И., Жидких В. М. Расчеты теплового режима твердых тел. Энергия, Л., 1968.

79. Ковалев А. П. Основы теплотехники и гидравлики. Техника, Киев, 1967.

80. Рухман А. А. Физические основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1934.

81. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. Машгиз, Л., 1957.

82. Шап А. Промышленная теплопередача. Металлургиздат, М., 1961.

83. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности. Мир, 1960.

84. Михеев М. А. Сб. Теплопередача и тепловое моделирование. Изд-во АН СССР, 1959.

85. Михеев М. А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат. 1956.

86. Михеев М. А. Теплоотдача при турбулентном движении жидкости в трубах. Изв. АН СССР, ОТН, №10, 1952, с. 1448-1455.

87. Аладьев И. Т. Экспериментальное определение локальных и средних коэффициентов теплоотдачи при турбулентном движении жидкости в трубах. Изв. АН СССР, ОТН, №11, 1951,

88. Фастовский В. Г., Ровнинский А. Е. Исследование теплоотдачи в спиральном канале. Теплоэнергетика, №1, 1957, с. 39-42.

89. Гомелаури В. И. Тр. института физики АН Груз. ССР, том 9, стр. 111, 1963.

90. Селезнев А. А. Влияние шероховатости на теплоотдачу при вынужденном движении воздуха в трубах. Теплоэнергетика, № 7, 1955, с. 4548.

91. Федынский О. С. Сб. Теплопередача и тепловое моделирование. Изд. АН СССР, 1959.

92. Glass G. Allgemeine Warmetechnik, Н. 4, 1956.

93. Glass G. Atomkern-Energie, Bd 3, 40, 1958.

94. Glass G. Chemie-Ingenitur-Technik, 13, 1959.

95. Nunner W. VDI Forschungsheft, 455, S. 39, 1956.

96. Исаченко В. П., Агабабов С. Г., Галин Н. М. Сб. Теплообмен и гидравлическое сопротивление, труды МЭИ, вып. 63, изд-во МЭИ, 1965.

97. Кот С. Н., Шаровар Л. В. Исследование параметров магнитострикци-онного аппарата для ультразвуковой обработки котловой воды// Проблемы развития энергетики и электрификации АПК. Минск, 1998 -вып. 2-е. 107-118.

98. Руководство к лабораторным занятиям по физике под ред. Гольдина Л. Л. М. Наука. 1973.688с.

99. Кравцов А. В. Электрические измерения. М., Агропромиздат, 1988. 240с.

100. Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, изобретений и рационализаторских предложений. М.: Колос. 1980. 112с.

101. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М., Энергия, 1968.

102. Петров Г. Н. Трансформаторы. М.,ОНТИ, 1934.

103. Петров Г. Н. Электрические машины. 4.1. М., Энергия, 1974.

104. Кирпичникова И. М., Русинов В. А.Тепловые характеристики проточного тороидального индукционного нагревателя жидкости.// Вестник ЧГАУ, Т 41, Челябинск, 2004.

105. Русинов В. А. Метод обнаружения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках и его использование в демонстрационном эксперименте и учебно-исследовательских лабораторных работах. Сборник научных трудов КГУ. Курган, 2004.

106. Русинов В. А. Влияние отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционных нагревателей. Материалы XLIII научно-технической конференции. Часть 2. Челябинск, 2004, с. 336 -340.

107. Кирпичникова И. М., Русинов В. А. Конструкции проточных индукционных нагревателей жидкости малой металлоемкости. // Электрификация сельского хозяйства: Межвузовский научный сборник. Башкирский государственный агроуниверситет, вып.4 Уфа 2004.

108. Решение правления департамента государственного регулирования цен и тарифов Курганской области от 9 октября 2003 года № 86/6.

109. Прайс-лист. Трубы нержавеющие. ООО «Промснабметалл АГ». М., 12.04.2004.

110. Прайс-лист. ООО «Металлика». Курган, 07.04.04.

111. Прайс-лист. Изоляционные материалы. «Уралэнергопромпроект». Екатеринбург, 12.04.04.

112. Прайс-лист на провода обмоточные. ТПП Теплотехнология. 1.02.04.

113. Прайс-лист. ОАО «МЕЧЕЛ». Челябинск, 12.04.04.

114. Прайс-лист. Уралфирм. Екатеринбург, 13.04.04.

115. Прайс-лист компании СТЭН от 1.06. 03.

116. Прайс-лист. Электроводонагреватель проточной. Гродно.

117. Кирпичникова И. М., Русинов В. А.Электрическое сопротивление тороидальных проточных индукционных нагревателей жидкости.//Пермский аграрный вестник, вып. 9, часть 1, Пермь, 2004.