автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система индуктивно-кондуктивного типа для дополнительного обогрева помещений

На правах рукописи

СОБИН СЕРГЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ

СИСТЕМА ИНДУКТИВНО-КОНДУКТИВНОГО ТИПА ДЛЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОГРЕВА ПОМЕЩЕНИЙ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005046510

Комсомольск-на-Амуре - 2012

005046510

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «НГАВТ»)

Научный руководитель: доктор технических наук

Елшин Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кулииич Юрий Михайлович ФБОУ ВПО «ДВГУПС»

кандидат технических наук, Костючеико Владимир Иванович ФГБОУ ВПО «КиАГТУ»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится 24 мая 2012 г. в 14 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, e-mail: kepapu@knastu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».

Автореферат разослан 16 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Суздорф Виктор Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание эффективных электротехнических систем индуктивно-кондуктивного типа для отопления является актуальной задачей в связи с расширяющимся распространением электротеплоснабжения для коммунальных нужд, быта, сельскохозяйственного и промышленного производства.

Широкое внедрение электронагрева обуславливается проблемой энергосбережения при производстве тепла на коммунально-бытовые нужды рассредоточенных потребителей, где около 85% всего энергопотребления в жилище расходуется на отопление и горячее водоснабжение.

В настоящее время остается нерешенной проблема надежного электротеплоснабжения в связи с пожароопасностью и низкой надежностью существующих нагревателей на резистивной основе.

В достаточной степени удовлетворяющими требуемым критериям и перспективными для совершенствования являются системы на основе конвекторов индуктивно-кондуктивного типа, позволяющие осуществить эффективное тепловое воздействие на обогреваемый воздух помещений.

Здесь возможно достижение высоких энергетических показателей (коэффициент мощности 0,95 и более), обеспечение защитных свойств от поражения электрическим током и возникновения пожароопасных ситуаций.

Актуальность развития вопросов теории и практического применения систем нагрева индуктивно-кондуктивного типа для целей жизнеобеспечения диктуется экологической, социальной, экономической потребностями современного человека. Поиск оптимального конструктивного исполнения и многофакторный анализ электромагнитных и тепловых характеристик позволит создать высокоэффективные и безопасные устройства, методики их расчета, рекомендации к проектированию основных энергетических и массогабаритных показателей.

На основании этого возможно создание принципиально нового вида электротехнического оборудования - систем индуктивно-кондуктивного типа для дополнительного обогрева помещений, а в ряде случаев полной замены традиционного отопления. Поэтому тема диссертации является актуальной.

Целью работы является: создание математической модели системы индуктивно-кондуктивного типа для нагрева воздуха; оптимизация параметров системы на основе исследования взаимосвязанных элек-

тромагнитных процессов и нагрева; формирование рекомендаций к построению инженерной методики расчета.

В соответствии с этой целью формулируется общая научная

задача:

- в теоретическом плане - проведение анализа протекания процессов в установках индуктивно-кондуктивного типа, выявление взаимосвязей интегральных и отдельных составляющих электрических и тепловых потоков энергии, связи номинальной мощности с энергетическими характеристиками (КПД и коэффициентом мощности), разработка методов оптимизации конструкций и рабочих режимов;

- в экспериментальном плане - разработка технических требований и исследование электротехнического оборудования нового поколения, обеспечения его работоспособности и электробезопасности.

Основные задачи, решаемые в работе:

1 Анализ существующих бытовых устройств, для дополнительного обогрева помещений, их предельных взаимосвязанных тепловых и электромагнитных характеристик, рекомендаций к выбору типа установки.

2 Формулирование особенностей создания математической модели технических решений и конструктивных схем индуктивно-кондуктивных установок, обеспечивающих создание высокоэффективных и электробезопасных систем нагрева воздуха.

3 Разработка математической модели устройства на основании научно-обоснованных исходных положений для расчета электромагнитного и теплового полей, физико-математическое моделирование и идентификация математической модели целевыми экспериментами с измерением электромагнитных и тепловых параметров.

4 Обобщение теоретических и экспериментальных исследований распределения активной и тепловой энергий в системе индуктивно-кондуктивного нагрева.

5 Формулирование рекомендаций для создания инженерных методик расчета основных массогабаритных показателей установки по критерию уровня нагрева и коэффициента мощности, позволяющие создать техническую документацию для постановки на производство конвектора индуктивно-кондуктивного типа.

Методы исследования основаны на математическом моделировании электромагнитных процессов методами теории поля, тепловых явлений методами теории теплопроводности, численно-аналитическими методами с применением компьютерных технологий, экспериментальном сравнительном анализе расчетных и фактических

параметров опытных установок для нагрева воздуха, проектирования в системе МаЛсас!.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивалась: принятыми уровнями допущений и упрощений при построении математической модели описания электромагнитных и тепловых явлений; анализом погрешностей экспериментальных измерений; достаточной степенью совпадения теоретических и экспериментальных данных.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1 Особенности исследования технических решений и конструктивных схем индуктивно-кондуктивных установок, обеспечивающих создание высокоэффективных и электробезопасных систем нагрева воздуха.

2 Научно обоснованные исходные положения и математическая модель преобразования электрической энергии в электромагнитную и тепловую на основе численно-аналитического метода расчёта слоистых индуктивно-кондуктивных систем с использованием рекуррентных соотношений между параметрами поля.

3 Совокупность теоретических и экспериментальных исследований распределения энергии в системе коаксиальных цилиндров из алюминия и ферромагнитных металлов, анализ энергораспределений в цилиндрах при изменении их геометрических размеров.

4 Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых полей в коаксиальных цилиндрах системы, образующих нагрузку тороидального индуктора, и используемых в качестве теплоотдающих поверхностей.

5 Рекомендации к созданию инженерных методик расчета основных массогабаритных показателей установки по критерию уровня нагрева и коэффициента мощности, позволяющие создать техническую документацию для постановки на производство конвектора индуктивно-кондуктивного типа.

Научная новизна заключается в следующем:

- создание принципиально новых электротехнических устройств путем исследования комплекса научных и прикладных задач по новому направлению развития индуктивно-кондуктивных установок для низкотемпературного нагрева воздуха;

- впервые разработана методика численно-аналитического расчета электротеплового поля системы коаксиальных цилиндров, образующих активную зону нагрева;

- разработаны рекомендации к созданию инженерной методики расчёта индуктивно-кондуктивных систем для дополнительного обогрева помещений;

- сформулированы особенности применения теплоотдающих цилиндров из немагнитных и ферромагнитных металлов с различными удельными электрическими сопротивлениями с целью снижения себестоимости изготовления.

Практическая значимость полученных результатов определяется:

- созданием нового вида конвекторов, оказывающих на воздух одновременно с нагревом и термогравитационное вентиляционное воздействие;

- разработанной математической модели анализа электромагнитного поля в коаксиальных цилиндрах индуктивно-кондуктивных систем, позволяющей получить распределённые и интегральные характеристики системы нагрева и сформулировать технические требования к выбору материалов цилиндров и их геометрических размеров;

- решением электромагнитной и тепловой задач методами теории поля;

- подготовкой рекомендаций к созданию инженерной методики расчета массогабаритных и энергетических параметров по заданному уровню нагрева и мощности устройства.

Реализация работы: созданные рекомендации к инженерным методикам расчета систем дополнительного нагрева помещений переданы для формирования научно-технической документации постановки изделий на производство ТОО «ЭНСИ технологии» г. Степногорск, Казахстан; ТОО «Шнейдер Электрик» г. Астана, Республика Казахстан; ТОО «ФЕНИКС лтд» г. Степногорск, Республика Казахстан; ООО «Термотех» г. Новосибирск; ЗАО «ЭЛСИ Стальконструкция» г. Новосибирск. Методики расчета электромагнитных и тепловых полей используются в учебном процессе Новосибирской государственной академии водного транспорта и Новосибирского государственном техническом университете.

Личный вклад автора. Вклад автора состоит в обосновании общей концепции работы, в формулировании постановки целей и задач исследований, разработке теоретических положений и анализе результатов, в рещении электромагнитной и тепловой задач, проведении экспериментов, анализа полученных результатов и формировании выводов работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

Международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспек-

тивы», 2009, (Республика Казахстан, г. Павлодар); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», 2010 (г. Томск); Всероссийской научно-технической конференции, 2010, (г. Комсомольск-на-Амуре); II Всероссийской научно - практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты», 2010, (г. Махачкала); Международной юбилейной научно-технической конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе», 2011, (г. Новосибирск); а также ряде научно - технических совещаний и семинаров, проходивших на кафедре «Электроэнергетические системы и электротехника» НГАВТ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, в том числе три - в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и семи приложений. Материал диссертации изложен на 199 страницах и включает 66 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и научные задачи исследований; приведены основные научные результаты, выносимые на защиту; показана научная новизна объекта исследований; оценивается практическая значимость результатов, приведены области реализации и апробации работы; даны объем публикаций и структура и объем диссертации.

В первой главе представлен обзор современного состояния бытового использования электронагревательных установок для дополнительного обогрева помещений и дан анализ эффективности применения электроотопления.

Отмечено, что излучающие и конвекционные электроприборы отечественного и зарубежного производства, (например, ТЕПЛОЛЮКС, ЫОШОТ, ТШВЕЯК и др.) предназначены для дополнительного обогрева помещений; содержат резистивный нагревательный элемент с рабочей температурой 650-900 °С, подключаемый непосредственно к сети 220 В.

Конструктивное построение изделий на основе резистивных элементов предопределяет класс защиты прибора от поражения человека электрическим током - "0" или с применением специальных изоляционных и нагревостойких материалов - "1", что, несомненно, уве-

личивает затраты на производство и эксплуатацию переносных электроотопительных приборов.

Наряду с требованиями электробезопасности важным является пожаробезопасность электронагревательного устройства.

Электротехнические изделия традиционно являются одними из пожароопасных видов продукции, поскольку в них сочетаются присутствие горючих электроизоляционных материалов с появлением в аварийных режимах источников зажигания (искры, дуги, нагретые электрическим током детали и т.п.).

По данным ВНИИПО МЧС Российской Федерации в 2007 году от электротехнических изделий произошло 41 643 пожара (19,6 % к общему числу пожаров), вследствие которых погибло 1932 человека (12 °/о)\ прямой экономический ущерб составил 2619,6 млн. рублей.

Из-за неисправности электроотопительных приборов произошло 3313 пожаров, прямой ущерб составил 1387,9 млн. рублей, при этом погибло 584 человека. Такое же соотношение характерно и для многих промышленно развитых стран Европы.

Актуальность проблемы энергосбережения, электро - и пожаробезопасное™ электроотопительных переносных приборов потребовала создания принципиально нового конструктивного исполнения прибора, предназначенного для дополнительного обогрева жилищ, производственных помещений, сельскохозяйственных ферм.

Прибор является электроконвектором панельного типа с воздушным наполнением, индуктором в котором служит встроенный тороидальный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к напряжению сети с двойной изоляцией от корпуса (изоляция обмоточного провода и корпуса), а вторичная совмещена с тегагоизлу-чающей панелью, выполненной из электропроводящего материала.

Отличие свойств нового электроконвектора перед существующими обусловлено следующими факторами.

1 Энергетическая напряженность теплового поля (в сотни раз меньшая по отношению к резистивным нагревателям) исключает возникновение пожаров при аварийных ситуациях. Максимальная температура теплоизлучателя не превышает 85 °С.

2 Нагрев излучающей панели происходит под действием индуцированных токов, которые достаточно велики (несколько килоампер) при относительно низком напряжении (доли вольта). Возникающее магнитное поле полностью сосредоточено внутри прибора.

3 Двойная изоляция напряжения сети обеспечивает прибору электробезопасность, соответствующую классу "2" защиты от поражения электрическим током.

4 Отсутствие интенсивно разогретых (выше 100 °С) элементов и узлов электроконвектора исключает влияние нагрева на структуру подогреваемого воздуха в связи с резким снижением интенсивности окислительных процессов.

5 Электроконвектор с индуктивно-кондуктивным нагревателем обладает высокой степенью надёжности функционирования, определяемой в основном степенью старения изоляции обмоточного провода.

6 При условиях возможных перегревов регулирующая аппаратура достаточно проста в связи с естественным снижением потребляемой мощности при увеличении температуры теплоизлучающей панели.

Промышленная партия электроконвекторов «Эликон - С» с индуктивно-кондуктивным нагревателем изготовлена компанией ТОО "ЭНСИ технологии", г. Степногорск, Казахстан, на мощность 800 Вт.

Анализ эффективности систем дополнительного электроотопления показывает, что "электрическое топливо" обеспечивает:

- постоянную готовность к действию и стабильность параметров независимо от времени года, погодных условий, времени суток и состояния окружающей среды;

- возможность дозирования мощности электронагрева в месте потребления от долей ватта до нескольких десятков и сотен киловатт;

- традиционность и простоту доставки;

- хорошую управляемость процессом электронагрева;

- экологическую чистоту процесса электронагрева в месте потребления.

Установка электроотопления создает предпосылки для формирования экологически чистых зон не только в районах постоянного проживания людей, но и в курортно-санаторных местностях, домах отдыха и спортивных лагерях, школах и лечебных учреждениях, полностью устраняя воздействие продуктов сгорания топлива и вредных примесей на окружающую среду и человека.

Расчет эффективности электроотопления на основе цен на тепловую и электрическую энергию в данном регионе, например, в г. Усть-Кут Иркутской области в 2010 г., свидетельствует, что электроотопление в два раза дешевле централизованного отопления.

Экономически выгодным представляется использование электроотопления в районах Крайнего Севера, таких как Якутия, Магаданская обл., Чукотка, Эвенкия и т.п., работающих на привозном топливе. Можно существенно сократить объем северного топливного завоза, повысить качество и надежность теплоснабжения, устранить значительные тепловые потери и избавиться от затрат на устранение аварийных ситуаций.

Во второй главе проведено моделирование электромагнитных и тепловых процессов в активной зоне электроконвектора индук-тивно-кондуктивного типа.

Созданию и развитию теории и практики индукционного нагрева посвящены работы отечественных ученых: В.П.Вологдина, А.Е.Слухоцкого, A.B. Донского, Н.А.Павлова, Г.И.Бабата,

A.Б.Кувалдина, М.Г.Лозинского, К.З.Шепеляковского, А.С.Васильева, Н.М.Родигина, В.А.Пейсаховича, А.Д.Свенчанского, А.М.Вайнберга,

B.М.Слащева, В.С.Немкова, В.М.Кузьмина и других.

Создание математической модели в настоящей работе осуществлено на основе представления пространственного распределения среды со сложной конфигурацией и нелинейными электрофизическими характеристиками материалов (с магнитными и немагнитными свойствами) в виде совокупности чередующихся однородных слоев.

На рисунке 1 представлена расчетная схема для цилиндрических стенок активной зоны конвектора индуктивно-кондуктивной системы.

Задача расчёта электромагнитного поля сводится к решению уравнений Максвелла в присутствии среды с непрерывно нелинейными, анизотропными свойствами.

го,Н = у-Е, rotE=-u-—> divH=Q. (1)

И dt

При переходе через границу раздела двух сред непрерывными остаются тангенциальные составляющие магнитного и электрического поля: ЕЛ -Ег2 =0; tf„-tfr2=0.

Общие решения уравнений в цилиндрической системе координат:

E,=[CrJa{k-r)+C2-Nt(k-r)], (2)

Н =——-[С, -Jt(k-r) + C2 -NXk-r)].

J-CO-/U

По общим решениям системы уравнений электродинамики исключением постоянных интегрирования найдены рекуррентные соотношения между выходными характеристик поля элементарного слоя и входными.

Рисунок 1 - Расчетная схема для цилиндрических стенок активной зоны конвектора индуктивно-кондуктивной системы

С учетом упрощений рекуррентные соотношения для выходных параметров поля (индекс 2) от входных (индекс 1) в элементарном слое будут иметь следующий вид:

Е2=ЕГА„+НГА21, (3)

Н2=ЕгАп+НгА22. (4)

Коэффициенты уравнений

Д, =

' к2 -Аг2 к2-АгзЛ

1 +-+-

2 6 • к

4,=

1

1

Аг А г2 к -Аг Дг3

— +---+--

ч 1 2-г, 6 6т,2

Ґ к2-Аг к2-Аг2 к'-Аг' к2-АгзЛ

2-г.

4,=

У®-//

Г. Аг к2 ■ Аг2 к2 • Дг3 Дг3

1----+

V 1 2

6-г

і У

Зт. 6-г

1 I У

(5)

где г/ - внутренняя граница, г2 - внешняя граница элементарного слоя; Аг = г2 - г,; к = ^ - параметр, характеризующий электропроводящую среду.

Расчетная схема торцевых теплоотдающих поверхностей представлена на рисунке 2.

Функциональные связи функции напряженности магнитного поля и ее производной на выходе элементарного слоя с координатой х2 и входа с координатой Ъ].

ж

Нг = Я, -Ви +(—), -Ви , (6)

= НГВ2] +(—), -Л22 .

Коэффициенты равны

= сИ( Ь2 )-сИ(Ь1)~ зИ( кг2 )^И(кг1),

В.2=--[сИ(кг1)^И(кг2)-сИ(кг7)-5И(к21)], (7)

к

В21=к2-В12 ,

в22 = в,,,

Для расчета параметров поля в ферромагнитных стенках теплообменника электроконвектора используются каскады нелинейных слоев с переменными коэффициентами уравнений четырехполюсников (рисунок 3).

X,

/Ж\ f

\ <!г /Г1>

-р-

ЙГ /г

АГ

Рисунок 3 - Каскад слоев ферромагнитной стенки с переменными коэффициентами Начальные значения магнитной проницаемости рг для соответствующего слоя устанавливаются, по кривой намагничивания стали по значению магнитной напряженности, заданному или рассчитанному в процессе итерации.

Используя рекуррентные соотношения и задавая начальные значения величин, численным методом найдено распределение параметров £ и Я в функции координаты в многослойной среде. На каждом последующем шаге счета есть возможность корректировки электрофизических параметров среды по состоянию на предыдущем шаге, которые связаны с изменением величин поля.

Для исследования теплового процесса принята та же методология анализа на основе аналитически-численного метода с применением рекуррентных соотношений для функции температуры и ее производной. Решение задачи отыскивается на основании уравнения теплопроводности Фурье для стационарного режима.

В качестве основы создания модели для исследования тепловых процессов принята конструктивная схема электроконвектора, образованного концентрическими электропроводящими цилиндрами. Исходными данными являются начальная температура воздуха и его теплофизические параметры, скорость воздуха, разность температур воздуха на входе-выходе электроконвектора. Выходными данными анализа являются параметры температурного поля в системе нагрева, позволяющие оценить работоспособность устройства в зависимости от условий теплоотдачи и мощности электронагревателя. Это позволит сформировать требования к оптимизационному проектированию предлагаемого индукционного электронагревателя, новизна которого не имеет аналогов в отечественной и зарубежной практике.

Исследование температурного поля во всей области проводим по уравнению Лапласа в цилиндрической системе координат АТ = 0, общее решение которого Т = Су + С2 • 1п \ г | позволяет, исключая постоянные интегрирования, получить рекуррентные соотношения на элементарном шаге для функции температуры и ее производной.

1 ' I дг

■г

•1п-

; + с!г

дТЛ (дТ дг)м 1эг

(8)

г, + Ф

Здесь <1г - элементарный шаг интегрирования, в пределах которого теплофизические параметры принимаются постоянными.

В стенках электроконвектора с внутренним тепловыделением источники тепла в пределах шага рассматриваются сосредоточенными в бесконечно тонких цилиндрах, расположенных посредине шага (рисунок 4). Это дает возможность исследовать температурное поле во всей области по уравнению Лапласа, «сшивая» решения по производной температуры с учетом скачка на величину расчетной поверхностной плотности теплового потока элементарного слоя: д, = с!г/Лс, где , Вт/м3 - удельные объемные источники тепла, определяемые величиной плотности электрического тока в данном слое ¿¡гу =5 ■ р\ Яс - коэффициент теплопроводности среды.

/

Рисунок 4 - Поверхностные источники тепла в стенке

Исследование тепловой модели производится численным методом. Количество итераций связано с точностью решения задачи, в качестве критерия которой является равенство тепловой энергии, выделенной активными элементами при протекании электрического тока и воспринимаемой окружающей средой.

В третьей главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов в активной зоне электроконвектора индуктивно-кондуктивного типа.

Расчетно-теоретический анализ электромагнитных и тепловых связей в активной зоне системы индуктивно-кондуктивного типа для дополнительного обогрева помещений проведен с помощью численно-аналитического метода. Для количественной оценки интегральных

электромагнитных параметров нагревателя проведены исследования синусоидального электромагнитного поля в объеме, включающем в себя цилиндрические и торцевые элементы нагревателя. Точность полученных результатов удовлетворяет инженерным требованиям; разница между расчётными и экспериментальными значениями на опытной установке составляет менее 10%. С помощью физико-математического моделирования установлена оптимальная конструкция конвектора, состоящая из двух коаксиальных цилиндров, охватывающих тороидальный магнитопровод. Это позволяет сконцентрировать электромагнитную энергию внутри конвектора, делая безопасной эксплуатацию системы нагрева, и выделить максимум активной мощности для нагрева теплоотдающих поверхностей.

Ниже представлены результаты расчета электромагнитного поля в системе концентрических немагнитных проводящих цилиндров с аксиальными токами и тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля внутри границ Г]- г2 и г3-г4 электроконвектора со следующими размерами:

высота — L0 = 1200 мм; внутренний радиус внутреннего цилиндра — г, = 21 мм; толщина внутреннего цилиндра - а, = 3 мм; внутренний радиус внешнего цилиндра - г3 = 79 мм; толщина внешнего цилиндра - а2= 1 лш; материал — алюминий с удельным электрическим сопротивлением - р = 0,033 ■ Ш6 Ом ■ м ; ток вторичного контура — /0 = 2173 А.

На рисунке 5 приведены модули относительной плотности тока (5а) относительной напряженности магнитного поля (56) во внутренней стенке.

а б

Рисунок 5 — Модули относительной плотности тока и напряженности магнитного поля во внутренней стенке Расчетное значение напряженности магнитного поля на внешней поверхности внутренней стенки и = 1 441-104 — ^ чт0 соответст-

м

вует уровню падающей электромагнитной волны от тороидального индуктора.

Полная мощность, выделяемая в исследуемом объеме, вычислялась с помощью теоремы Умова-Пойнтинга. Для этого определен поток вектора Пойнтинга на внешней поверхности внутреннего цилиндра = р ■ дл ■ Нг2 ■ 2тг • г2 • I, = (441,102+14,862j) ВА . Активная мощность, выделенная в объеме внутренней стенки и определяющая нагрев, равна Pi = 441,1 Вт. Активное сопротивление

внутренней стенки равно отношению активной мощности к квадрату р

тока в стенке л = _Ll -9 341 -10 5 °м- Падение напряжения на

a j 2 '

о

стенке U,=I0-R -0,203 в.

Аналогичные расчеты для внешней стенки дают следующее. Поток вектора Пойнтинга на внутренней поверхности внешнего цилиндра S2=p-Sr3- Нгъ -2n-r3-Lo= (370,635+j2,246) ВА. Активная мощность, выделенная в объеме внешней стенки и определяющая нагрев, равна Р2 = 370,6 Вт . Активное сопротивление внешней стенки R2 =7,893-10'5 Ом . Падение напряжения на стенке U2 =0,203 В .

Пренебрежимо малое значение реактивной мощности свидетельствует о высоком коэффициенте мощности системы нагрева (сот <р = 0,97).

Расчет поля в торцевой стенке проведен с учетом зависимости

падающей волны магнитного поля от радиуса _ •

2jr-r м

Напряженность магнитного поля в функции радиуса подчиняется гиперболическому закону, а в функции координаты z - линейному закону. Плотность электрического тока практически линейная функция от координаты z . В диссертации приведены графики модулей относительных значений плотности тока и напряженности магнитного поля в торцевой стенке от координаты z и картина значений в функции (r,z).

Полная мощность, выделяемая в торцевой стенке, определена как поток вектора Пойнтинга на поверхности торцевой стенки с координатами rl < г < r2, z = 0.

So = '\р ■ ¿(г, 0) • Я (г, 0) • 2 лг ■ dr=(9,741 + 70,3 85) ВА.

rl

Активная мощность, выделенная в объеме торцевой стенки относительно мала и равна Р, = 9,741 Вт . Активное сопротивление торцевой стенки на постоянном токе определится по формуле

=—С— Г—= 2,086-10''Одг.- Расчетное активное сопротивление 2 п-Мгг г

торцевой стенки равно отношению активной мощности к квадрату тока р

в стенке ^ _ = 2,127 • 10"6 Ом Падение напряжения на стенке

К

ничтожно мало относительно падения напряжения в цилиндрических стенках (7, = /„•/?„ = 4,55Ы0"3-б-

Предварительная оценка перегрева стенки по отношению к окружающей среде определена по величине поверхностного теплового потока и принятого среднего значения коэффициента теплоотдачи

а=]0 • Здесь выделено две области: с высокой плотностью тока

при (г2) и с низкой плотностью тока (г3). Активная мощность, выделенная в элементарном объеме при внутреннем радиусе г2 торцевой стенки, определяется по теореме Умова-Пойнтинга.

Р, =-Ке(р-/)1и -Н1и -2л-г2 -с1г) = 0,122 Вт-Среднее значение температурного перегрева торцевой стенки при г2 составит 110 К. Активная мощность, выделенная в элементарном объеме при внешнем радиусе г3 торцевой стенки, равна Рл =-Яе(р• ДЦ, • 2л--г3-Л-) = 0,038 Вт-

Среднее значение температурного перегрева торцевой стенки при гЗ составит ¡0,5 К.

Анализ результатов расчета показывает что, уровень напряжения вторичного контура составил 0,406 В, что делает прибор электробезопасным в быту и позволяет электрически не изолировать теплоиз-лучающие стенки, что благоприятно сказывается на процессе теплопередачи, снижая его инерционность. Выделяемая активная мощность внешнего цилиндра составило 45,8 % от общей активной мощности. Общая активная мощность равна 811,7 Вт. Средняя поверхностная мощность на внутреннем цилиндре в 4,18 раза выше, чем на внешнем и равна 1300 Вт/м2. Связанный с этим перегрев безопасен для окружающих, так как внутренний цилиндр не контактирует с человеком.

Значение внутреннего индуктивного сопротивления проводящих немагнитных цилиндров мало, и поэтому эта величина может не учитываться в последующих расчетах. В связи с этим коэффициент мощности системы практически равен единице. Экспериментальное исследование коэффициента мощности индуктивно-кондуктивного конвектора с немагнитными стенками подтверждает расчетные данные.

Расчет параметров поля в конвекторе с ферромагнитными стенками выявил тенденцию к вытеснению тока в сторону тороидального индуктора. На рисунке 6 приведены графики модуля относительной плотности тока во внутренней и внешней стенках.

Доля реактивной мощности в системе увеличилась, что, естественно, привело к снижению общего коэффициента мощности системы {cos (р = 0,907). Анализ влияния толщины стенки ферромагнитного теплообменника на коэффициент мощности показал, что приемлемых энергетических показателей на частоте 50 Гц можно получить при толщине металла не более 1,5 мм Рисунок7.

dlf= d2fe

Рисунок 6 - Модули относительной плотности тока во внутренней и

внешней стенках

сояф

Рисунок 7 - График изменения cos ср от толщины стенки

При дальнейшем увеличении толщины металла должна быть рассмотрена экономическая целесообразность такого использования устройства. Уровень температур поверхности стенок, непосредственно обращенных к первичной обмотке тороидального индуктора и отделенных от нее воздушным или изоляционным зазором, существенным образом влияет на тепловое состояние изоляции обмоточного провода и ее нагревостойкости, удовлетворяющей условиям длительной экс-

плуатации. Расчет распределения температуры в цилиндрической стенке в стационарном режиме на основе аналитически-численного метода с применением рекуррентных соотношений для функции температуры и ее производной показал, что температура стенки вдоль радиуса практически постоянна и не превышает допустимых значений.

Расчет времени нагрева цилиндрической стенки до установившейся температуры на основании численного анализа по уравнению Фурье с учетом математической модели хорошо согласуется с экспериментальными температурными характеристиками, полученными при испытаниях опытных образцов.

Экспериментальное исследование тепловых свойств индуктивно-кондуктивного электроконвектора «Эликон-С» опытно-

промышленной партии, изготовленной под руководством автора, при различных режимах работы свидетельствует, что температура наиболее нагретых поверхностей нагревателя не превышает допустимых значений, установленных техническими регламентами Российской Федерации.

Апробация физико - математической модели свидетельствует о ее работоспособности, что позволяет произвести оценку всего класса устройств на основе данной конструктивной схемы. Широкая вариация исходных данных даст информацию об эффективности использования энергии, материалов и на этой основе позволит сделать выводы относительно развития данного класса электроустановок.

В четвёртой главе рассмотрены вопросы регулирования температуры и защиты от перегрева в системе с индуктивно-кондуктивным конвектором. Задача регулирования температуры нагрева является одной из наиболее важных задач и решается путем формирования управляющего сигнала.

Влияние температуры на потребляемую мощность рассматриваемого нагревателя индуктивно-кондуктивного типа имеет существенные отличия по сравнению с общеизвестными резистивными электронагревателями. Сплавы, на основе которых изготавливаются теплообменники индуктивно-кондуктивных нагревателей, изготовлены на основе алюминия, меди и железа. Для этих сплавов характерны температурные коэффициенты на уровне 3-10'3 1/К, т.е. практически на два-три порядка выше, чем у сплавов резистивных нагревателей. Эти свойства материалов определяют наличие глубокой обратной связи между температурой нагрева и потребляемой мощностью, что используется при создании достаточно простых термоограничивающих и регулирующих устройств. Схема системы управления однофазным электронагревателем индуктивно-кондуктивного типа на основе естественных

защитных свойств состоит из автомата защиты, автомата комплексной защиты, электронного коммутатора, датчиков температуры, датчика напряжения, блока задатчиков ограничения температуры, блока индикации и микропроцессора, в качестве которого применена однокристальная микроЭВМ или Р1С контроллер, содержащие дискретные и аналоговые порты ввода/вывода. Для управления мощностью нагревательного элемента индуктивно-кондуктивного типа на промышленной частоте использовано двухпозиционное регулирование.

Основные выводы и рекомендации

1 На основе анализа развития и современного состояния бытовых установок для нагрева показано, что использование системы дополнительного нагрева помещений на основе индуктивно-кондуктивного конвектора обеспечивает решение важной технической задачи — создание конкурентоспособных бытовых нагревательных установок, обладающих способностью значительно уменьшить топливопотребление при создании систем децентрализованного отопления, а в ряде случаев обеспечить полную замену традиционного отопления.

2 Сформулированы способы исследования технических решений и конструктивных схем индуктивно-кондуктивных установок, обеспечивающих высокоэффективный, электро- и пожаробезопасный нагрев воздуха с требуемыми энергетическими параметрами.

3 Разработана научно обоснованная математическая модель для расчёта слоистых систем преобразования электрической энергии в тепловую на основе решений уравнений электродинамики и Фурье для каждого слоя с последующим построением расчетного алгоритма на основе рекуррентного метода. На основе модели было установлено, что при изготовлении коаксиальных цилиндров из немагнитных и ферромагнитных материалов обеспечивается максимальное энерговыделение с приемлемыми энергетическими показателями.

4 Обобщены теоретические и экспериментальные исследования распределения электромагнитной и тепловой энергии в системе индуктивно-кондуктивного нагрева. Показана достаточная степень совпадения теоретических и экспериментальных данных.

5 Сформулированы рекомендации к реализации инженерной методики расчета основных массогабаритных показателей установки по критерию уровня нагрева и коэффициента мощности, позволяющие создать техническую документацию для постановки на производство конвектора индуктивно-кондуктивного типа.

Список основных работ, опубликованных по теме

диссертации

Статьи в периодических изданиях по перечню ВАК

1 Система управления электроотоплением /Собин С.Л., Елшин А.И., Прудников С.С. // Научн. пробл. транс. Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - №2. - С. 295 - 298.

2 Эффективность применения электроотопления /Собин С.Л., и [др]//Научн. пробл. транс. Сибири и Дальнего Востока. - 2010 -№2.-С. 302-305.

3 Расчет электромагнитного поля в теплообменнике индуктивно-кондуктивного нагревателя /Елшин А.И., Собин С.Л., Прудников С.С. //Научн. пробл. транс. Сибири и Дальнего Востока. - 2011 -№1. — С. 266-269.

Статьи в российских и иностранных изданиях; материалы

международных и региональных конференций

1 Переносной электроконвектор с индуктивно-кондуктивным нагревателем / Елшин А.И., Собин С.Л. // Ученые записки ПГУ. -Павлодар: Изд-во ПГУ, 2009. - № 8. - С. 96 - 105.

2 Электроконвектор индуктивно-кондуктивного типа / Елшин А.И., Собин С.Л. // Материалы Междунар. научн.-техн. конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томск, 2010. - С.256 - 258.

3 Управление однофазным индуктивно-кондуктивным нагревателем / Собин С.Л., Елшин А.И., Прудников С.С. //Материалы Материалы международной научн.-техн. Конференции «Электротехнические комплексы и системы», - Комсомольск-на-Амуре, 2010. -С. 244 - 247.

4 Экономическая целесообразность электроотопления / Елшин А.И., Собин С.Л. и [др] //Материалы международной научн.-техн. Конференции «Электротехнические комплексы и системы», - Комсомольск-на-Амуре, 2010. - С. 190 - 196.

5 Индуктивно-кондуктивный электроконвектор / Елшин А.И., Собин С.Л. и [др] // Материалы междунар. юбилейной научн.-техн. конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе». - Новосибирск: изд-во НГАВТ, 2011.-С. 219-221.

6 Характеристики индуктивно-кондуктивных и индукцион-ных нагревателей /Елшин А.И., Прудников С.С., Собин С.Л. и [др] // Материалы междунар. юбилейной научн.-техн. конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе». - Новосибирск: изд-во НГАВТ, 2011. - С. 224 -226.

7 Расчет электромагнитного поля камеры нагрева индуктивно-кондуктивного нагревателя / Елшин А.И., Прудников С.С., Собин С.Л. и [др] // Материалы междунар. юбилейной научн.-техн. конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе». - Новосибирск: изд-во НГАВТ, 2011. - С. 226 - 228.

8 Расчет теплового поля цилиндрической камеры нагрева индуктив-но-кондуктивного нагревателя /Елшин А.И., Прудников С.С., Собин С.Л. и [др] // Материалы междунар. юбилейной научн.-техн. конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе». - Новосибирск: изд-во НГАВТ, 2011.-С. 231 -233.

9 Особенности управления системой отопления с ндуктивно-кондуктивными нагревателями/Елшин А.И., Кожухов В.В., Собин С.Л. и [др] // Материалы междунар. юбилейной научн.-техн. конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе». - Новосибирск: изд-во НГАВТ, 2011. - С. 233 - 235.

Подписано в печать 22.03.2012 г. С оригинал-макета. Формат 60 х 84 1/16. Бум. тип №3. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,1.Уч.-изд.л. 1,15. Тираж 100. Заказ № 16.

Полиграфическая лаборатория Государственного образовательного Учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный политехнический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

61 12-5/2928

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БЮДЖЕТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО

ТРАНСПОРТА

На правахрукописи

СОБИН СЕРГЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ

СИСТЕМА ИНДУКТИВНО-КОНДУКТИВНОГО ТИПА ДЛЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОГРЕВА ПОМЕЩЕНИЙ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск на Амуре -2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОРОВ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРООТОПЛЕНИЯ

1.1 Конструкции устройств систем дополнительного электроотопления.......12

1.2 Анализ эффективности систем дополнительного электроотопления........24

Выводы.........................................................................................46

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОРА ИНДУКТИВНО-КОНДУКТИВНОГО ТИПА

2.1 Методы расчета устройств нагрева..................................................46

2.2 Постановка задачи.......................................................................56

2.3 Моделирование электромагнитного поля в системе нагрева воздуха........60

2.3.1 Расчет электромагнитного поля в электропроводящих цилиндрических стенках системы нагрева...................................................................62

2.3.2 Расчет электромагнитного поля в торцевых частях системы нагрева.. ..68

2.3.3 Расчет электромагнитного поля в ферромагнитных электропроводящих стенках..........................................................................................71

2.4 Моделирование теплового поля в системе нагрева................................74

Выводы.........................................................................................79

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОРА ИНДУКТИВНО-КОНДУКТИВНОГО ТИПА 3.1 Расчет электромагнитных характеристик электроконвектора с немагнитным теплообменником......................................................................81

3.1.1 Расчет электромагнитного поля на внутреннем цилиндре...................81

3.1.2 Расчет электромагнитного поля на внешнем цилиндре.......................84

3.1.3 Расчет электромагнитного поля на торцевых стенках........................86

Выводы.........................................................................................91

3.2 Расчет электромагнитных характеристик электроконвектора с ферромагнитным теплообменником.................................................................93

3.2.1 Расчет электромагнитного поля на внутреннем цилиндре...................93

3.2.2 Расчет электромагнитного поля на внешнем цилиндре.......................97

3.2.3 Анализ влияния толщины стенки ферромагнитного теплообменника на

коэффициент мощности...................................................................100

Выводы.......................................................................................101

3.3 Исследование теплового поля в активной зоне электроконвектора индук-тивно-кондуктивного типа................................................................103

3.3.1 Расчет коэффициента теплоотдачи цилиндрической стенки..............103

3.3.2 Расчет распределения температуры в цилиндрической стенке в стационарном режиме..............................................................................106

3.3.3 Расчет времени нагрева цилиндрической стенки до установившейся температуры.....................................................................................109

3.4 Экспериментальное исследование тепловых свойств индуктивно-кондуктивного нагревателя..................................................................................110

3.4.1 Номинальный режим работы.....................................................111

3.4.2 Режим работы нагревателя при перенапряжении (U = 1.15-Uhom).....113

3.4.3 Режим работы нагревателя, закрытого материей в вертикальном положении при перегрузке (Р = 1.15-Рном)...................................................115

Выводы.......................................................................................117

3.4.4 Режим работы нагревателя, закрытого материей и находящегося в горизонтальном положении.....................................................................117

ГЛАВА 4 РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРЕВА В СИСТЕМЕ С ИНДУКТИВНО-КОНДУКТИВНЫМ КОНВЕКТОРОМ

4.1 Схема регулирования температуры нагрева индуктивно-кондуктивным нагревателем....................................................................................121

4.2 Схема защиты от перегрева индуктивно-кондуктивного нагревателя.....133

Выводы.......................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 Программа расчета электромагнитного поля в цилиндрических

стенках........................................................................................154

Приложение 2 Программа расчета двухмерного электромагнитного поля в

торцевой стенке..............................................................................163

Приложение 3 Программа расчета электромагнитного поля в ферромагнитных

цилиндрических стенках...................................................................169

Приложение 4 Программа расчета теплового поля в цилиндрической

стенке.........................................................................................181

Приложение 5 Программа работы микропроцессорного регулятора мощности

на микроконтроллере АИту.............................................................. 184

Приложение 6 Программа работы микропроцессорного регулятора мощности

на микроконтроллере АШ^а............................................................189

Приложение 7 Акты внедрения и использования научных результатов кандидатской диссертации.......................................................................193

ВВЕДЕНИЕ

Современное общество предъявляет всё более высокие требования к техническим устройствам бытового назначения, поэтому разработка и внедрение новых устройств, особенно электронагревательных, как важнейших для жизнедеятельности человека, является актуальной задачей.

Внедрение электронагрева обуславливается и проблемой энергосбережения при производстве тепла на коммунально-бытовые нужды рассредоточенных потребителей. Из общего количества тепла, расходуемого на эти цели в стране, около половины получают на ТЭЦ и крупных котельных, остальное -на мелких котельных, индивидуальных топливных печах и квартирных теплогенераторах. При этом последняя группа оборудования потребляет топлива примерно в два раза больше, чем первая в связи с низкими характеристиками печей и теплогенераторов, большой длительностью межсезонья, при котором объем теплопотребления не достигает номинальных нагрузок и коэффициент использования топлива снижается до 10-20%. Значительное удаление населенных пунктов от центров снабжения теплом и топливом приводит к высокой стоимости транспортировки, соизмеримой со стоимостью добычи энергоносителей. В [1,2] показано, что в сельской местности при существенной рассредо-точенности агротехнического комплекса Сибири применение системы электротеплоснабжения по сравнению с теплоснабжением от котельных на твердом топливе позволяет снизить энергозатраты на 30-40%.

Насыщенность некоторых регионов страны дешевой электроэнергией ГЭС и АЭС способствует внедрению электронагрева в быту по экономическим и техническим аспектам. Обеспечение оптимальной нагрузки энергостанций в ночные часы и дни с пониженной производственной деятельностью промышленных предприятий создадут надежные и безопасные условия функционирования энергосистем.

Развитие ВЭУ(ветроэлектроустановок), микроГЭС и других альтернативных источников электроэнергии также стимулирует использование электронагрева.

Система многоставочных тарифов на электроэнергию, сложившаяся за рубежом и постепенно развивающаяся в России, значительно расширит применение электронагрева для отопления и горячего водоснабжения и на технологические нужды.

Усилиями отечественных и зарубежных фирм созданы высокоэффективные электронагревательные приборы, получившие широкое распространение в системах производственного и бытового электронагрева [3-11]. За последние двадцать лет удельное энергопотребление электротеплогенераторов снижено в среднем на 50%, что дало возможность концептуально изменить, например, назначение электроотопительных устройств от приборов для дополнительного обогрева помещений к приборам основного теплоснабжения. К настоящему времени получили широкое распространение резистивные электронагреватели прямого нагрева (трубчатые электронагреватели и керамические нагреватели с открытой спиралью)[12], которые, как известно, обладают рядом недостатков:

- классом электробезопасности "0" или "1" (с применением дополнительных мер);

- опасным напряжением прикосновения, препятствующим применению в жилых помещениях;

- малым сроком службы (3000-^5000) часов, низкой надежностью функционирования и высокой пожароопасностью.

В начале 90-х годов прошлого столетия были разработаны и внедрены новые системы индукционного нагрева газов и жидкостей на основе конструктивных решений с выполнением электропроводящей системы нагрева, охватывающей первичную обмотку и магнитопровод. Такого типа индукционные системы, названные проф. А.И.Елшиным индуктивно-кондуктивными, обеспечили высокие эксплуатационные параметры (КПД 96 + 99%, соэф 0,96 0,99) [14-18].

Анализ технических особенностей нового оборудования индуктивно-кондуктивного типа для нагрева воздуха позволяет сделать вывод, что задача оптимизации конструктивных решений установок индуктивно-кондуктивного

типа для нагрева возможна путём исследования взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов. Целью работы является создание математической модели системы индуктивно-кондуктивного типа для нагрева воздуха; оптимизация параметров системы на основе исследования взаимосвязанных электромагнитных процессов и нагрева; формирование рекомендаций к построению инженерной методики расчета.

В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача:

- в теоретическом плане - проведение анализа протекания процессов в установках индуктивно-кондуктивного типа, выявление взаимосвязей интегральных и отдельных составляющих электрических и тепловых потоков энергии, связи номинальной мощности с энергетическими характеристиками (КПД и коэффициентом мощности), методов оптимизации конструкций и рабочих режимов;

- в экспериментальном плане - разработка технических требований и исследование электротехнического оборудования нового поколения, обеспечения его работоспособности и электробезопасности.

Достижение поставленной цели осуществляется на основе исследования конструктивного исполнения системы индуктивно-кондуктивного типа, существенным отличием которой является формирование зоны нагрева на основе концентрических цилиндров [19], между которыми расположен тороидальный индуктор.

Это позволяет:

- создать надежные тепловые условия для первичной обмотки и равномерный уровень электромагнитных и тепловых нагрузок любой зоны теплообменника;

- максимально приблизить к единице коэффициент преобразования электроэнергии в тепло для электронагревателя;

- создать рекомендации для дальнейшего совершенствования конструкции с целью улучшения массогабаритных и энергетических показателей.

На защиту данной диссертационной работы выносятся:

1 Особенности исследования технических решений и конструктивных схем индуктивно-кондуктивных установок, обеспечивающих создание высокоэффективных и электробезопасных систем нагрева воздуха.

2 Научно обоснованные исходные положения и математическая модель преобразования электрической энергии в электромагнитную и тепловую на основе численно-аналитического метода расчёта слоистых индуктивно-кондуктивных систем, с использованием рекуррентных соотношений между параметрами поля.

3 Совокупность теоретических и экспериментальных исследований распределения энергии в системе коаксиальных цилиндров из алюминия и ферромагнитных металлов, анализ энергораспределений в цилиндрах при изменении их геометрических размеров.

4 Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых полей в коаксиальных цилиндрах системы, образующих нагрузку тороидального индуктора, и используемых в качестве тепло-отдающих поверхностей.

5 Рекомендации к созданию инженерные методик расчета основных мас-согабаритных показателей установки по критерию уровня нагрева и коэффициента мощности, позволяющие создать техническую документацию для постановки на производство конвектора индуктивно-кондуктивного типа.

Научная новизна заключается в:

1 исследовании комплекса научных и прикладных задач по новому направлению развития индуктивно-кондуктивных установок для низкотемпературного нагрева воздуха, обеспечивающего создание принципиально новых электротехнических устройств;

2 впервые разработана методика численно-аналитического расчета электротеплового поля системы коаксиальных цилиндров, образующих активную зону нагрева;

3 разработаны рекомендации к созданию инженерной методики расчёта индуктивно-кондуктивных систем для дополнительного обогрева помещений;

4 сформулированы особенности применения теплоотдающих цилиндров из немагнитных и ферромагнитных металлов с различными удельными электрическими сопротивлениями с целью снижения себестоимости изготовления.

Практическая значимость полученных результатов определяется:

- созданием нового вида конвекторов, оказывающих на воздух одновременно с нагревом и термогравитационное вентиляционное воздействие;

- разработанной математической модели анализа электромагнитного поля в коаксиальных цилиндрах индуктивно-кондуктивных систем, позволяющей получить распределённые и интегральные характеристики системы нагрева и сформулировать технические требования к выбору материалов цилиндров и их геометрических размеров;

- решением электромагнитной и тепловой задач методами теории поля;

- подготовкой рекомендаций к созданию инженерной методики расчета массогабаритных и энергетических параметров по заданному уровню нагрева и мощности устройства.

Реализация работы:

- рекомендации к инженерным методикам расчета систем дополнительного нагрева помещений переданы для формирования научно-технической документации постановки изделий на производство ТОО «ЭНСИ-технологии» г. Степногорск, Казахстан;

- ООО «Термотех» г. Новосибирск, Россия;

- методики расчета электромагнитных и тепловых полей используются в учебном процессе Новосибирской государственной академии водного транспорта «НГАВТ» и в Новосибирском техническом университете «НГТУ».

Вклад автора состоит в обосновании общей концепции работы, в формулировании постановки целей и задач исследований, в разработке теоретических положений и анализе результатов, в решении электромагнитной и тепловой задач, проведении экспериментов, анализа полученных результатов и формировании выводов работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: Международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие на современном этапе: состояние и перспективы», 2009, (Республика Казахстан, г. Павлодар); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», 2010 (г. Томск); Всероссийской научно-технической конференции, 2010, (г. Комсомольск-на-Амуре); II Всероссийской научно - практической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты», 2010, (г. Махачкала ); Международной юбилейной научно-технической конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе», 2011, (г. Новосибирск); а также ряде научно - технических совещаний и семинаров, проходивших на кафедре «Электроэнергетические системы и электротехника» EOT АВТ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах, в том числе три в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и 7 приложений. Материал диссертации изложен на 199 страницах и включает 66 рисунков и 9 таблиц.

В первой главе представлен обзор современного состояния промышленного и бытового использования излучающих и конвекционных установок для систем дополнительного электроотопления. Проведен анализ характеристик устройств и даны их преимущества и недостатки. Показано, что наиболее предпочтительной представляется система индуктивно-кондуктивного типа с распределенной поверхностью нагрева, позволяющей существенно снизить значение удельного теплового потока [14-18]. Проведен анализ эффективности применения систем дополнительного электроотопления в России и за рубежом, который свидетельствует о недостаточно высокой электровооруженности

быта населения России, и в связи с этим в ближайшем будущем возможен рост удельного потребления электроэнергии в этом секторе. Расчеты теплоснабжения при замене твердотопливных генератор