автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Снижение энергозатрат на нагрев воды при дойке коров за счет плавного регулирования мощности электродных водонагревателей объемным экраном

На правах рукописи

(¿СШШисЛ

Шишинина Наталья Геннадьевна

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА НАГРЕВ ВОДЫ ПРИ ДОЙКЕ КОРОВ ЗА СЧЕТ ПЛАВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ОБЪЕМНЫМ ЭКРАНОМ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ММ;

• 1

Саратов 2012

и

005017326

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им Н.И. Вавилова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ерошенко Геннадий Петрович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Усанов Константин Михайлович,

зав. кафедрой «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» кандидат технических наук, доцент Кожевников Вячеслав Юрьевич, доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы»

ФГБОУ ВПО «Саратовский ГТУ им. Гагарина Ю.А.» Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный аграрный университет»

Защита состоится «24» мая 2012г. в 12.00 час. на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».

Автореферат диссертации разослан «23» апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Требование к точности поддержания заданной температуры воды в коровнике имеет важное технологическое значение. Если заданные нормативы не выполняются, то возникает технологический ущерб или перерасход электроэнергии. При использовании нерегулируемых водонагревателей получение воды с заданной температурой происходит за счет накопления перегретой воды и дальнейшего ее разбавления. Эти процессы сопровождаются большим перерасходом энергии. Чтобы устранить недостатки необходимо разработать электроводонагреватель с плавным регулированием температуры, что позволит сократить потребление энергии. Возникла важная научно-техническая задача - разработать энергосберегающий плавнорёгулируемый электродный водонагреватель, обеспечивающий получение воды с температурой от 40 до 90 °С.

Прогрессивным направлением решения этой задачи может быть использование электродных водонагревателей, в которых в рабочем межэлектродном пространстве подвижный плоский диэлектрический экран заменяется объемным из эластичного диэлектрика, размеры которого изменяются при изменении давления воздуха в нем.

Исследования проводились по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» в соответствии с темой №6: «Повышение эффективности систем энергетического обеспечения систем АПК» и в рамках федерального закона РФ от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности».

Цель работы: Снижение энергозатрат на нагрев воды за счет применения плавнорегулируемых электродных водонагревателей с объемным экраном.

Объект исследования. Электродный водонагреватель с объемным экраном (ЭВН ОЭ) для коровников.

Предмет исследования. Закономерности плавного изменения мощности и температуры при увеличении и уменьшении размера эластичного объемного экрана электродного водонагревателя.

Научная новизна.

1. Усовершенствована классификация способов регулирования мощности в электродных водонагревателях.

2. Предложен аппарат плавного регулирования температуры объемным экраном электродного водонагревателя, защищенный патентом на полезную модель 78618 РФ.

3. Обоснованы регулировочные характеристики и параметры регулирования электродного водонагревателя с объемным экраном (ЭВН ОЭ).

4. Разработана установка для коровников, реализующей заявленный способ плавного регулирования и снижение энергозатрат на подготовку подогретой воды.

Практическая значимость. Обоснован и реализован новый ЭВН ОЭ, позволяющий плавно и точно регулировать мощность и температуру воды в коровниках с помощью электродного водонагревателя с объемным экраном. Использование электродного водонагревателя с объемным экраном позволяет снизить затраты электроэнергии на 15 %. Производственные испытания произведены, путем внедрения трех ЭВН ОЭ в коровнике СПК «Красавское» с. Красавка Лысогорского района Саратовской области и СПК «Стимул» с. Новинка Жирновского района Волгоградской области подтвердили названные результаты.

На защиту выносятся:

1. Расширенная классификация способов регулирования мощности в электродных водонагревателях.

2. Обоснование рационального способа регулирования мощности электродного водонагревателя с помощью объемного экрана.

3. Параметры и режимы регулирования при помощи объемного экрана.

4.Результаты экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях.

5. Оценка экономической эффективности внедрения способа.

Реализация научно-технических результатов.

Результаты исследований использованы и внедрены в

СПК «Красавское» с. Красавка Лысогорского района Саратовской области и СПК «Стимул» с. Новинка Жирновского района Волгоградской области.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 20072012 гг; на Всероссийской научно-практической Международной конференции «Вавиловские чтения» в 2009 - 2010 гг.; на Научно-

практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК», 2010 - 2011 гг., Саратовский ГАУ.

Публикация результатов исследования:

По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе две работы в периодических научных и научно - технических изданиях, рекомендованных ВАК и патент на полезную модель 78618 РФ. Общий объем публикаций составил 4,42 п.л. из них лично соискателя — 2,34 печ.л.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 33 рисунка, 4 приложения. Список использованной литературы включает 119 наименований, из них 11 на иностранных языках.

Методика исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При решении поставленных задач использовались законы и положения теплотехники, тепло- и массообмена, электротехнологии, автоматизации технологических процессов. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методом математической статистики и регрессионного анализа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, представлена ее общая характеристика, определены основные направления исследования.

Первая глава «Постановка задач исследования» посвящена анализу парка электродных водонагревателей и их классификации. Проведен обзор и анализ способов регулирования температуры воды в электродных водонагревателях.

Проблемой регулирования температуры в электродных водонагревателях, повышения их надежности в сельском хозяйстве занимались A.M. Басов, JI.A. Баранов, В.И. Барков, Г.Ф. Бахарев, В.А. Карасенко, И.Ф. Кудрявцев, В.Г. Петько, В.Н. Расстригин, П.А. Рубцов и другие ученые.

В настоящее время известно большое количество способов регулирования потребляемой мощности и температуры электродных водонагревателей. Диапазон регулирования мощности электродных

водонагревателей составляет от 25 до 100 % - это не обеспечивает стабильности температуры и необходимый ее диапазон регулирования. Кроме того, все известные способы регулирования имеют нелинейные характеристики изменения температуры и потребляемой мощности, а также полностью не используется возможный диапазон регулирования.

В заключение главы сформулированы задачи исследования:

1. Провести анализ существующих способов регулирования мощности электроводонагревателей и разработать эффективный плавнорегулируемый электродный водонагреватель.

2. Теоретически обосновать параметры и режимы регулирования электродного водонагревателя с объемным экраном (ЭВН ОЭ).

3.Изготовить экспериментальную установку, проверить работоспособность ЭВН ОЭ и провести производственные испытания плавнорегулируемого ЭВН ОЭ.

4. Определить технико-экономические показатели полученных результатов.

Во второй главе «Теоретическое обоснование рабочего процесса плавнорегулируемого электродного водонагревателя с объемным экраном» дано теоретическое обоснование процесса регулирования нагрева воды электродным водонагревателем с объемным экраном, обоснованны его параметры и режимы регулирования.

Разработана конструктивная (рисунок 1) и расчетная схемы (рисунок 2) ЭВН ОЭ. Было выделено два предельных режима работы

ЭВН ОЭ: наименьшей мощности ^гтп > когда объемный экран

перекрывает линии тока и наибольшей мощности ^тах ? когда

объемный экран удален из межэлектродного пространства ЭВН ОЭ. В промежуточном положении объемного экрана мощность будет

находиться в пределах от -^тах ДО -^min > а диапазон регулирования:

Р

Pntn ' О)

где -Pjnin - минимальная мощность, кВт; -^щах - максимальная мощность, кВт.

В современных ЭВН, диапазон регулирования d ~ 2,0 o.e. Это значение не удовлетворяет сельскохозяйственному производству, поскольку диапазон требуемой температуры составляет от 20-90 °С.

Возникла важная задача, определения способов увеличения диапазона регулирования электродных водонагревателей.

Из рабочего процесса ЭВН ОЭ видно, что положение объемного экрана изменяет сопротивление воды в активной и внешней зонах за счет изменения длины линий тока и площади, через которую они замыкаются.

Для изолированных с внешней стороны электродов в идеальном случае основные уравнения имеют вид:

I П2 ТГ2 Г7-2

и2 р и2 р я -■ Р., = — ■ р ■ ---а -> со (2)

п > Н О ' тп в ' > У }

тт и Лтах

где Рн - номинальная мощность, кВт; - диапазон регулирования, о.е; Р - удельное сопротивление воды, Ом-м; н - длина линий тока между электродами, м; 5*н - площадь электродов, м2;

и- напряжение, В; - сопротивление воды, Ом.

Для неизолированных электродов всегда сохраняются пути линий тока в активной и внешней зоне, что снизит сопротивление

ЭВН. Тогда с! Ф оо.

и и

Л у

"ж г

у у. ✓ < - V ^

1

' /-.' ^^у V/

ж ■ .V

• /■" ,'

» Г Г II

а а

а) б)

Рис. 1 Конструктивная схема электродного водонагревателя: а) с наименьшим объемом экрана; б) с наибольшим объемом экрана: 1 - электроды; 2 - объемный экран; Изк— высота объемного экрана, м; V-напряжение сети, В; А - высота электродов, м; е - ширина электродов, м; а- межэлектродное расстояние, м

и

и

1 1

1

, /

3

и

В)

а) б)

Рис. 2 Расчетная схема ЭВН ОЭ: а) Объемный экран отсутствует (/г3= 0; Р=Р,„ахУ, б) объемный экран перекрывает часть электродов (Иэ>0; Ртах >Р> Р„¡„У, в) объемный экран перекрывает электроды полностью (Аэ= И; Р='-Ртт)'. Ъ - высота электродов, м; высота объемного экрана, м; {/-напряжение сети, В; И0- высота без объемного экрана, м; / - длина линий тока, м; Э - объемный экран

Выделено три режима изменения мощности.

Чтобы вывести уравнение регулировочной характеристики примем следующие допущения: электроды имеют одностороннюю проводимость, т.е. внешние поверхности изолированы; электроды размещены на изолирующей подставке; проводимость воды не зависит от ее температуры; линии тока протекают по идеализированным путям.

а) Мощность в первом режиме, когда объемный экран отсутствует (Ьэ= 0; Р=Ртал) (рисунок 2 а):

в-к

2 эк-

р-а

(3)

где в - ширина электрода, м; Кэк - коэффициент пропорциональности между высотой объемного экрана и давлением в нем, учитывающий расширение эластичного материала (силиконовой резины), о.е; II- напряжение сети, В; а- межэлектродное расстояние, м.

б) Мощность ЭВН в промежуточном режиме, когда объемный экран перекрывает часть электродов (Ьэ>0; Ртах >Р> РтШ) (рисунок 26):

Л в

(4) р-а

>

где к - высота электродов, м; кЭК - высота объемного экрана, м.

Р1 = сг

в) Мощность в третьем режиме, когда объемный экран перекрывает электроды полностью (/гэ= /?; Р=Р,!ип) (рисунок 2 в):

2 в - {к — к ) л ——-=0

Р'а • (5)

В рассматриваемом варианте объемного экрана, когда он выполнен в виде пустотелого эластичного параллепипеда, копирующего межэлектродное пространство, переменным фактором

служит давление в нем. Этот фактор можно функционально связать с высотой Ьж объемного экрана и шириной электродов в при фиксированном а межэлектродном расстоянии:

Кк1 = ^ • Л- • Кэк , "(6)

где Р( - давление в объемном экране, Па.

С изменением давления объемный экран изменяет лишь высоту, так как ширина ограничена межэлектродным расстоянием, а длина ограничена линейным размером объемного экрана. Эти исходные данные позволяют получить уравнение регулировочной характеристики мощности ЭВН ОЭ:

, в ■ (Ь - (¡1 • р: • Г )) 2 б • ¡1 р ■а р-а

где Р20 - мощность ЭВН ОЭ при 20 °С, кВт.

Диапазон регулировочной характеристики зависит от параметров объемного экрана и в первую очередь от его толщины. Для учета толщины показана упрощенная картина линии тока в сечении

(рисунок 3) в режиме Р^хт Для разных толщин объемного крана при условии, что электроды снизу имеют изолирующую подставку (снизу зона утечек линий тока отсутствует).

Из рисунка 3 видно, что картина верхних зон утечек линий тока зависит от толщины объемного экрана. Они отличаются длиной линии тока и площадью сечения зоны.

/7-/7,

/Л \ / а/2 \

а*

а

а)

а/2

а

б)

Рис. 3 Линии тока утечки при разной толщине экрана: а) аж « О; б) аж к а

Средняя длина линии тока утечки с плоским экраном равна

а

длине полуокружности с радиусом г = — :

/ 2 лг т

-= —, (8)

2 2 ^

где а - межэлектродное расстояние, м; г - радиус линий тока утечки, м.

Площадь зоны линий тока утечки с плоским экраном зависит от ее радиуса и длины электрода:

/ ав $ = гв = — 2 '

(9)

Сопротивление воды с плоским экраном в зоне линий тока утечки равно, с учетом (8) и (9):

/ / К

я =р— = р—

(10)

где р - удельное сопротивление воды, Ом-м; Б7 - площадь зоны линий тока утечки, м2.

Средняя длина линий тока утечки и площадь сечения зоны и ее сопротивление с объемным экраном равны соответственно:

ж • а - (1 + кэк )

8И _ а-в-(1-кэк)

П 7Г ■ (I +

К = р-

(П)

в-{\-кэк)

Уравнения (11) дают общую оценку влияния толщины объемного экрана на регулировочные характеристики ЭВН. Учитывая, что диапазон регулирования зависит от величины токов утечки в режиме наименьшей мощности (чем они меньше, тем шире диапазон), можно однозначно определить роль конструктивных параметров. Для

я"

этого на рисунке 5 построена зависимость —т = /(а.ж) ■ Отсюда видно,

я'

что начиная с аэк «0,8а достигается резкое увеличение сопротивления воды в зоне линий тока утечки, это является

предпосылкой для достижения с/ —> , т.е. Р^п ~* 0 .

Таким образом, основным направлением расширения диапазона регулирования служит применение объемных экранов.

Я"

44 АО 36 32 28 24 20 16 12 3 I

— — — ... 5

/

— — — /-

!

1 1

Q10.2 0.3 0A 0,50.6 0.70.80.9 1.0

Кж=Ож/о

Рис. 4 Зависимость сопротивления зоны утечек от толщины объемного экрана: я!1 - сопротивление зоны линий тока утечки с объемным экраном, Ом; Л' - сопротивление зоны линий тока утечки с плоским экраном, Ом

В основу анализа процесса нагрева воды может быть принята теория нагрева идеального однородного тела, под которым понимается тело с равномерным рассеиванием теплоты со всей поверхности и равномерным распределением температуры по объему.

Рассмотрим тепловой баланс ЭВН и на его основе составим дифференциальное уравнение. Пусть в единицу времени в воде

выделяется количество теплоты 6 = ^о ' ^ • Тогда за бесконечно малый

промежуток времени количество теплоты будет идти на нагрев воды и частично отдается во внешнюю среду.

Если за время Л температура воды повысилось на ¿Л5), то за

это время в воде накопилось теплота , где М - масса воды, кг

и с - ее удельная теплоемкость (с = с кк; где с! - идеальная теплоемкость, Дж/кг-°С; кк - коэффициент учитывающий конвективный поток, о.е.), Дж/кг-°С.

Если за этот же промежуток времени превышение температуры

ЭВН над окружающей средой равно ©, то количество теплоты,

отдаваемого в окружающее пространство за время , будет равно

, где Я - площадь охлаждаемой поверхности ЭВН, м2;

Л - коэффициент теплоотдачи с поверхности, Вт/(м2-°С). Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

где в левой части выделяемая теплота, а в правой 1 - доля потребляемая на нагрев воды, и 2 — доля, теряемая в окружающее пространство.

При включении ЭВН в сеть на первом этапе вся выделяющееся теплота идет на нагрев воды. По мере увеличения температуры воды, часть теплоты будет рассеиваться в окружающую среду. В некоторый момент увеличение температуры воды прекратится, она

стабилизируется на уровне и вся теплота будет передаваться в окружающую среду. Уравнение теплового баланса примет вид:

Р0сИ = тЫ0 + ,

(12)

Р(Л = Б А®, Ж

о

к

(13)

Отсюда уравнение температуры воды:

© = ©*■(!- ет ) + ©о е~т , (14)

где Т - постоянная времени нагрева ЭВНОЭ, o.e.;t- время нагрева, час; ©д. - температура установившейся воды, °С; ©о - исходная температура (0О = 20 °С), °С.

Если принять, что ЭВН включается при ©о ~ ® > выражение (14) примет вид:

^_ е = ®к (1-е т). (15)

Таким образом, при принятых допущениях нагрев воды идет по экспоненциальному закону. Установившаяся температура наступает через время равное (3-4) Г.

В литературе используют аналитическое описание сопротивления воды от температуры на основании аппроксимации экспериментальных данных. Наиболее часто применяют следующую формулу:

©0 +20

где 0у - температура нагретой воды, °С; р0 - удельное сопротивление воды как сопротивление столба жидкости при ©0 = 20 °С сечением

1 м2, длиной 1 м ( Ро =500-2000 Ом м).

Формула (16) затрудняет аналитическое описание процесса регулирования. Упрощение этой формулы оправдано в связи с

большим диапазоном изменения Pq .

Исследование уравнения (16) и экспериментальная проверка

позволили предложить более простое описание £>(©) = /(©, , ©0):

©о

/?(©) = р0и —, (17)

I

где п = 1 2 - поправочный коэффициент начального удельного сопротивления воды, o.e.

Рассмотрим уравнение теплового баланса ЭВН ОЭ с учетом влияния температуры воды на потребляемую мощность. Перепишем уравнение теплового баланса (14) с учетом зависимости мощности от температуры воды:

а Р0®аdt = med0 + SABdt, (l 8)

где а = р0пО0 - поправочный коэффициент, o.e.; CL - коэффициент чувствительности сопротивления воды к ее температуре, т.е. изменение сопротивления воды при изменении ее температуры воды на 1°С, o.e.

Несмотря на нелинейность изменения мощности ЭВН, тепловые процессы сохраняют свои характеристики. При некоторой температуре вся теплота будет отдаваться в окружающую среду и для этого случая, уравнение теплового баланса будет иметь вид:

а P(ßak dt = S?l®kdt. (19)

Уравнение нагрева:

/ ®к -0

(20)

Закон изменения температуры воды с учетом влияния ее температуры на выделяемую мощность ЭВН:

L -L.

Q = Q2-a(l-e-T) + Q0e т. (21)

Для анализа последней зависимости примем начальную температуру ©0 —> 0. Тогда закон изменения температуры воды в ЭВН будет иметь вид:

t_

® = Q2k~a( 1-е~г). (22)

Отсюда видно, что в отличие от идеального ЭВН нагрев осуществляется до более высокой температуры.

Эластичный полый объемный экран при отсутствии давления имеет наименьший объем (наименьшую высоту). В этом режиме сопротивление воды между электродами самое малое, а потребляемая мощность наибольшая. При увеличении давления увеличивается объемный экран и его высота, что увеличивает рабочее сопротивление ЭВН и снижает потребляемую мощность. Наконец, при полном

расчетном давлении объемный экран становится наибольшим. Межэлектродное пространство полностью перекрывается объемным экраном и потребляемая мощность снижается до нуля.

Таким образом, теоретические исследования позволили найти количественное описание процесса нагрева воды в электродном водонагревателе с объемным экраном, найти параметры и режимы его работы.

В третьей главе «Экспериментальные исследования» проведен анализ экспериментальных результатов, сравнение теоретических и экспериментальных данных.

Для проверки теоретических расчетов в лабораторных условиях была создана экспериментальная установка. Она выполнена таким образом, что позволяет моделировать различные режимы работы ЭВН ОЭ. --

Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5.

А - амперметр; К - компрессор; ОЭ - объемный экран; QF1, QF2 - автоматический выключатель; FUI, FU2 - предохранитель; SB1, SB3 - кнопка «Стоп»; SB2, SB4 - кнопка «Пуск»; КМ1, КМ2 - катушка магнитного пускателя; КМ1, КМ2 - контакты магнитного пускателя; КТ - тепловое реле; Вмах, Вмт - датчики максимального и минимального

уровня воды

Принцип действия экспериментальной установки заключается в следующем (рисунок 5). Электроды выполнены из нержавеющей стали, установлены вертикально и неподвижно в емкость с водой. В межэлектродное пространство помещен объемный экран. При нажатии кнопки «Пуск» БВI подается переменное напряжение 220 В с частотой 50 Гц на пару электродов. Через воду между электродами начинает протекать электрический ток и происходит постепенный нагрев воды. Измерение температуры нагрева воды осуществляется термометром, который располагается в емкости с водой. При необходимости уменьшить компрессором К, через воздушный патрубок нагнетается воздух в объемном экране, он изменяет форму и образует изолирующую зону в межэлектродном пространстве, что приводит к уменьшению мощности ЭВН ОЭ и уменьшению температуры воды. Чтобы увеличить температуру воды, при помощи компрессора откачивают воздух из объемного экрана. При снижении давления в объемном экране мощность ЭВН ОЭ увеличивается и вода нагревается.

Для контроля уровня воды в ЭВН ОЭ установлены датчики максимального и минимального уровня воды, а для предотвращения перегрева воды установлено тепловое реле.

Были проведены лабораторные исследования электродного водонагревателя с объемным экраном, с целью экспериментального подтверждения теоретических предположений. По полученным данным построены кривые:

Р, кВт 2522 20-¡6-

и-t2.

Ю-

08.

Об-04 02 О

001 ОС2 осв оа ОСБ ось

Ь4 м

Рис.6 Регулировочная характеристика мощности ЭВН ОЭ от высоты объемного экрана (— теоретическая; — экспериментальная)

уу

1 Л

\\

N

V

"ч 14

аю2 аз ал авив а '/аза 9 га

Кж^Ш'/а

Рис. 7 Сравнительные характеристики сопротивления в рабочей зоне от толщины экрана (----теоретическая; — экспериментальная)

Проверено влияние параметров объемного экрана на диапазон регулирования. Из рисунка 7 видно, что теоретические предположения подтвердились и экспериментально.

Объемный диэлектрический экран выполняется из силиконовой резины, она сохраняет свои свойства практически неограниченное время при температурах от -50°С до +180°С.

Для подтверждения лабораторных исследований и определения достоверности и эффективности способа регулирования мощности электродными водонагревателями объемным экраном были проведены производственные испытания.

Для производственной проверки изготовили ЭВН ОЭ.

Работу ЭВН ОЭ поясняет его конструкция, показана (рисунок 8 а, б). В наливной бак 1, установлена пара вертикальных неподвижных пластинчатых электродов 4, которые разделены межэлектродным расстоянием и в указанное расстояние помещен диэлектрический объемный экран 5. ЭВН ОЭ заполняется водой через трубку подачи холодной воды 8. При подключении к электрической сети, электрический ток проходит через воду между электродами 4 и вода нагревается. Объемный экран 5 через патрубок подвода/отвода воздуха 13 соединяют с компрессором (на рисунке 8 он не указан).

Для того чтобы уменьшить температуру нагреваемой воды увеличивают объемный экран (рисунок 9, а) за счет подачи воздуха при помощи компрессора, что приводит к уменьшению нагрева воды и уменьшению мощности нагревателя. Чтобы увеличить температуру нагреваемой воды уменьшают объемный экран (рисунок 9, б) за счет отвода воздуха компрессором, что приводит к увеличению нагрева

воды и увеличению мощности ЭВН ОЭ. Потребление горячей воды осуществляется через трубку отбора горячей воды 7.

5

7

I

9

И ХЖ

.1 ,1 I

1

ю

3

\

5

Х..0

а)

б)

Рис. 8 Конструкция ЭВН ОЭ: а — объемный экран заполнен воздухом и перекрывает площадь электродов; б - объемный экран не заполнен воздухом: 1 - наливной бак, 2 - корпус, 3 - слой термоизоляции, 4 - пластинчатые электроды, 5 - диэлектрический объемный экран, б - диэлектрическая вставка, 7 - трубка отбора горячей воды, 8 - трубка подачи холодный воды,

9 - термометр, 10 - предохранительный клапан, 11 - крепления, 12 - патрубок подвода/отвода воздуха

Диэлектрические вставки 6 установленные в трубке отбора горячей воды 7 и трубке подачи холодной воды 8 предназначены для защиты людей и животных от поражения электрическим током при использовании ЭВН ОЭ. Корпус 2 через слой термоизоляции 3 изолирован от наливного бака 1 для воды.

На лицевой стороне корпуса расположен термометр 9, а на обратной стороне крепление 12 электродного водонагревателя к стенке.

Производственные испытания произведены, путем внедрения трех ЭВН ОЭ (рис. 9) в коровнике СПК «Красавское» с. Красавка Лысогорского района Саратовской области и СПК «Стимул» с. Новинка Жирновского района Волгоградской области.

Рис. 9 Производственные испытания ЭВН ОЭ: а) ЭВН ОЭ в помещении молочной; б) ОЭ в межэлектродном пространстве (установка заполнена водой: 1- объемный экран; 2 - электроды)

В четвертой главе «Технико-экономическое обоснование эффективности применения систем с электродными водонагревателями» произведен расчет экономической эффективности применения электродного водонагревателя с объемным экраном.

Применение ЭВН ОЭ дает несколько экономических эффектов: снижение потерь теплоты, снижение затрат на электроэнергию на 15%. Экономические показатели внедрения ЭВН ОЭ представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета экономической эффективности

Наименование показателя Базовый Новый Индекс изменения показателя

Стоимость потребленной электроэнергии, руб./год 62928 54720 -15%

Капитальные вложения, руб. 50677 69982 -

Эксплуатационные затраты, руб./год 17618,9 18905,1 -

Годовая экономия, руб. - 8208 -

Срок окупаемости капиталовложений, лет - 0,85 -

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Рассмотрены и проанализированы особенности и условия регулирования мощности электродных водонагревателей и произведена классификация по способам регулирования. Среди различных способов регулирования в электродных водонагревателях наиболее эффективным является изменение рабочего сопротивления воды в межэлектродном пространстве. Показана перспектива нового способа регулирования за счет замены плоских экранов на объемные.

2. Плавное регулирование электродного водонагревателя с помощью объемного экрана расширяет диапазон регулирования потребляемой мощности по сравнению с плоским экраном. Рабочая температура воды в идеализированном случае изменяется по экспоненциальному закону, а с учетом реальных параметров воды по более сложному.

3. Геометрические размеры объемного экрана должны на 10-15 % превышать объем межэлектродного пространства. Наибольшее влияние на регулирование нагрева имеет объемный экран при его толщине более 80% ширины межэлектродного пространства.

4. Создана установка ЭВН ОЭ, в которой используется электроды из легированной стали, объемный экран из силиконовой резины и компрессор для изменения давления в объемном экране. Для нагрева воды в коровнике на 200 скотомест предложено устанавливать 3 аппарата ЭВН ОЭ по 100 литров.

5. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях подтвердили достоверность полученной зависимости мощности и температуры от объема экрана. Экспериментально подтверждено, что регулировочная характеристика электродного водонагревателя имеет линейную зависимость от размера объемного экрана. Производственная проверка подтвердила, что при использовании 3-х аппаратов плавного регулирования при дойке коров поддерживается заданная температура с точностью ±5 %, исключается хранение (остывание) нагретой воды. Все это позволяет устранить сверхнормативный расход электроэнергии и снизить ее потребление на 12-15%.

6. Экономический эффект от применения устройства ЭВН ОЭ достигается за счет снижения энергопотерь на 15%. Внедрение установки ЭВН ОЭ на нагрев воды при дойке коров экономически выгодно. Срок окупаемости капиталовложений на внедрение трех ЭВН ОЭ в коровниках на 200 скотомест составляет 0,85 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шишинина, Н.Г. Сравнительная характеристика электродных водонагревателей для сельскохозяйственного производства / В.А. Глухарев, Н.Г. Шишинина.// Вестник Саратовского госагроуниверситета им Н.И. Вавилова. - 2007 - №2, - С. 48-50. (0,75/0,4 печ.л.).

2. Шишинина, Н.Г. Регулирование мощности электродного водонагревателя / Г.П. Ерошенко, Н.Г. Шишинина// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. №2 - С.35-36. (0,2/0,1 печл.).

В описаниях патентов:

3. Электродный нагреватель текучих сред: Патент на полезную модель 78618 РФ: МКП Н 05 3/60./ Г.П. Ерошенко, Н.Г. Шишинина (RU): заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Саратовский аграрный университет им. Н.И. Вавилова». - №2008126584/22; заявл. 30.06.2008; опубл. 27.11.2008, Бюл.№33.

В других изданиях:

4. Шишинина, Н.Г. Анализ способов регулирования электродных водонагревателей./ Глухарев В.А., Шишинина Н.Г. СГТУ сборник научных трудов «Проблемы электроэнергетики». - 2007 С. 2325 (0,70/0,37 печл.).

5. Шишинина, Н.Г. Новое решение в регулировании мощности электродного водонагревателя/ Г.П. Ерошенко, Н.Г. Шишинина// Вавиловские чтения-2008: материалы Междунар. науч.-практ.конф. -Саратов: 2008. С.179-181 (0,69/0,34 печ.л.).

6. Шишинина, Н.Г. Электродный водонагреватель с объемным экраном./ Г.П. Ерошенко, Н.Г. Шишинина // Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования: Материалы III Международной научно-практической конференции. - Волгоград, С. 129-131 (0,69/0,34 печл.).

7. Шишинина, Н.Г. Экспериментальные результаты испытаний электродного водонагревателя с объемным экраном / Г.П. Ерошенко, Н.Г. Шишинина// Вавиловские чтения-2009: материалы Междунар. науч.-практ.конф. - Саратов: 2009. -4.2. С.238-240 (0,74/0,39 печл.).

8. Шишинина, Н.Г. Результаты экспериментального исследования плавного регулирования электродного водонагревателя с объемным экраном/ Г.П. Ерошенко, Н.Г. Шишинина// Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы Международной научно-практической конференции / Под ред. A.B. Павлова. - Саратов: 2010. Стр. 21 -23. (0,65/0,25 печ. л.)

Подписано в печать 23.04.12. Формат 60x84 716. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печ.л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 150/133.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» 410012, Саратов, Театральная пл., 1

61 12-5/3061

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ

Н.И. ВАВИЛОВА»

На правах рукописи

ШИШИНИНА Наталья Геннадьевна

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА НАГРЕВ ВОДЫ ПРИ ДОЙКЕ КОРОВ ЗА СЧЕТ ПЛАВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ОБЪЕМНЫМ ЭКРАНОМ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Г.П. Ерошенко

Саратов 2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

1.Постановка задач исследования......................................................9

1.1. Анализ парка электроводонагревательных установок в сельском хозяйстве......................................................................................9

1.2.Анализ условий эксплуатации и область применения электродных водонагревателей в сельском хозяйстве................................................17

1.3.Характеристики электродных водонагревателей...............................19

1.3.1.Краткий обзор способов защиты электродных водонагревателей.......21

1.4.Роль регулирования электродных водонагревателей в повышении их

эффективности..............................................................................23

1.4.1.Требования к процессу регулирования электродных водонагревателей..........................................................................................26

1.5.Обзор и анализ способов регулирования электродных

водонагревателей............................................................................26

1.6.Постановка задач исследования.....................................................33

2.Теоретическое обоснование рабочего процесса плавнорегулируемого электродного водонагревателя с объемным экраном................................37

2.1.Сравнение способов получения подогретой воды на животноводческих фермах.........................................................................................37

2.2.Анализ эффективности регулирования температуры

воды.................................................................................................40

2.3.Описание конструктивной схемы электродного водонагревателя с объемным экраном............................. .................................................42

2.4.Анализ рабочего процесса регулирования мощности................................46

2.5.Теоретическое обоснование размеров объемного экрана..........................54

2.6.Вывод уравнения нагрева..............................................................................57

2.6.1.Уравнение нагрева с учетом температуры воды......................................59

2.7.Вывод ы............................................................................................................62

3.Экспериментальная проверка эффективности электродного

водонагревателя с плавным регулированием мощности..................................64

3.1 .Методика исследования.................................................................................64

3.2.0писание экспериментальной установки...................................................65

3.3.Расчет экспериментального образца электродного водонагревателя с объемным экраном................................................................................................67

3.4.Исследование режимов работы электродного водонагревателя с

объемным экраном................................................................................................74

3.4.1.Влияние размера объемного экрана на мощность электродного

водонагревателя.....................................................................................................74

3.5 .Производственные испытания.................................................................78

З.б.Выводы............................................................................................................83

4.Технико-экономическое обоснование результатов электродного

водонагревателя с объемным экраном (ЭВН ОЭ)............................................85

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................................................91

Список использованной литературы...................................................................93

Приложения

Введение

Развитие экономики требует широкого внедрения достижений электротехнической науки. Мы являемся свидетелями все более широкого применения электричества буквально во всех областях деятельности человека: в промышленности и сельском хозяйстве, космонавтике и медицине, в быту и сфере услуг [29].

В настоящее время практически нет другого вида энергии, способного конкурировать с электрической энергией по доступности, удобству ее использования, преобразования в другие виды энергии и передачи на огромные расстояния без значительных потерь [8].

Основные направления ускорения научно-технического прогресса в технологии и организации сельскохозяйственного производства на перспективу требуют создания и развития новой, более совершенной системы энергоснабжения, основанной на широком применении электроэнергии в технологических, в том числе и в тепловых, процессах сельскохозяйственного производства [29].

Наиболее многочисленные и энергоемкие потребители тепловой энергии в сельском хозяйстве — животноводческие фермы и комплексы, птицефабрики и т.д. В производственных помещениях этих объектов теплоту используют для нагрева воды и получения пара на технологические и санитарно-гигиенические нужды, создания требуемых параметров микроклимата, на тепловую обработку сельскохозяйственной продукции и приготовление кормов и т. п. [1].

Применение электрической энергии во многих тепловых процессах, животноводства способствует повышению производительности труда, увеличению производства животноводческой продукции и снижению энергозатрат [2].

Сложившиеся тенденции и наметившиеся перспективы развития

топливно-энергетического комплекса страны, в частности в сельском

4

хозяйстве, показывают, что потребности в теплоте в стационарных тепловых процессах будут удовлетворяться в основном за счет дешевого угля, газа (где это возможно) и электрической энергии.

Теплоснабжение объектов сельскохозяйственного производства имеет свои особенности, состоящие в том, что все потребители рассредоточены и имеют небольшую мощность (как правило, до 1000 кВт). Поэтому приходится использовать мелкие неэкономичные топливные котельные, для обслуживания которых необходимо очень большое количество рабочих и материальных затрат. Эксплуатационный КПД таких котельных значительно ниже паспортных данных.

Тенденции развития топливно-энергетического комплекса страны, отмеченные особенности теплоснабжения сельскохозяйственных объектов, наличие резервов повышения эффективности систем электротеплоснабжения создают технико-экономические предпосылки для более широкого применения электрической энергии в тепловых процессах сельскохозяйственного производства [1].

Низкотемпературный нагрев в сельском хозяйстве является наиболее перспективной отраслью электротермии. Однако проблема использования электроэнергии для теплофикации технологических процессов в сельхозпроизводстве и быту остается одной из наиболее актуальных научных и производственных задач [4].

Цель работы: Снижение энергозатрат на нагрев воды за счет применения плавнорегулируемых электродных водонагревателей с объемным экраном.

Объект исследования. Электродный водонагреватель с объемным экраном (ЭВН ОЭ) для коровников.

Предмет исследования. Закономерности плавного изменения мощности и температуры при увеличении и уменьшении размера эластичного объемного экрана электродного водонагревателя.

Методика исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При решении поставленных задач использовались законы и положения теплотехники, тепло- и массообмена, электротехнологии, автоматизации технологических процессов. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методом математической статистики и регрессионного анализа.

Научная новизна.

1. Усовершенствована классификация способов регулирования мощности в электродных водонагревателях.

2. Предложен аппарат плавного регулирования температуры объемным экраном электродного водонагревателя, защищенный патентом на полезную модель 78618 РФ.

3. Обоснованы регулировочные характеристики и параметры регулирования электродного водонагревателя с объемным экраном (ЭВН ОЭ).

4. Разработана установка для коровников, реализующей заявленный способ плавного регулирования и снижение энергозатрат на подготовку подогретой воды.

Практическая значимость. Обоснован и реализован новый ЭВН ОЭ, позволяющий плавно и точно регулировать температуру воды в коровниках с помощью электродного водонагревателя с объемным экраном. Использование электродного водонагревателя с объемным экраном позволяет снизить затраты электроэнергии на 15 %. Производственные испытания произведены, путем внедрения трех ЭВН ОЭ в коровнике СГЖ «Красавское» с. Красавка Лысогорского района Саратовской области и СПК «Стимул» с. Новинка Жирновского района Волгоградской области подтвердили названные результаты.

Реализация научно-технических результатов.

Результаты исследований использованы и внедрены в СПК «Красавское» с. Красавка Лысогорского района Саратовской области и СПК «Стимул» с. Новинка Жирновского района Волгоградской области.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2007- 2012 гг; на Всероссийской научно-практической Международной конференции «Вавиловские чтения» в 2009 - 2010 гг.; на Научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК», 2010 - 2011 гг., Саратовский ГАУ.

Публикация результатов исследования:

По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе две работы в периодических научных и научно - технических изданиях, рекомендованных ВАК и патент на полезную модель 78618 РФ. Общий объем публикаций составил 4,42 п.л. из них лично соискателя - 2,34 печ.л.

На защиту выносятся:

1. Расширенная классификация способов регулирования мощности в электродных водонагревателях.

2. Обоснование рационального способа регулирования мощности электродного водонагревателя с помощью объемного экрана.

3. Параметры и режимы регулирования при помощи объемного экрана.

4.Результаты экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях.

5. Оценка экономической эффективности внедрения способа.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, общих

выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена

на 109 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 33 рисунка,

7

4 приложения. Список использованной литературы включает 119 наименований, из них 11 на иностранных языках.

Настоящая работа выполнена на кафедре «Эксплуатация энергооборудования и электрические машины» Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова. Выражаю благодарность коллективу кафедры за доброжелательное отношение и помощь в работе.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ парка электроводонагревательных установок в сельском хозяйстве

Задачи экономии энергоресурсов, вопросы рационального использования и выбора топлива и энергии для теплоснабжения сельскохозяйственных объектов приобрели важное народнохозяйственное значение. Все сельскохозяйственные объекты как потребители тепловой энергии очень рассредоточены и имеют низкую плотность тепловой нагрузки, изменяющейся в течение года.

Сельские потребители, в частности животноводческие объекты, характеризуются значительными колебаниями тепловых нагрузок в течение суток и года, различными режимами потребления теплоты, отдельными помещениями и процессами.

В настоящее время электрическую энергию широко применяют для электрификации тепловых процессов в сельскохозяйственном производстве, для обеспечения микроклимата и нагрева воды на технологические нужды. Удельный вес электроэнергии, используемой на электротеплоснабжение, продолжает расти быстрыми темпами и составляет в настоящее время существенную часть энергетического баланса.

Тенденция возрастания энергоемкости сельскохозяйственной электротермии является отражением более общих процессов, происходящих в мировом сельском хозяйстве. Потребность в энергоресурсах удваивается через каждые 10-15 лет. Рост производства сельхозпродукции сопровождается возрастанием энергоемкости технологий их производства: так, прирост сельскохозяйственной продукции на 1% требует увеличения расхода энергоресурсов на 2-3% [28].

Основными потребителями энергии являлись и являются системы, обеспечивающие оптимальную среду обитания животных, и технологические процессы, связанные с содержанием, кормлением, уходом за животными и первичной обработкой молока. В сумме они составляют основную долю в общих энергозатратах.

Сегодня, несмотря на кризисные явления в экономике, несмотря на то, что электровооруженность труда на одного работающего в сельском хозяйстве в 2,5 раза ниже, чем в промышленности [31], сельское хозяйство продолжает оставаться крупным потребителем тепловой энергии, в котором имеет место достаточно широкое и разнообразное применение электронагрева.

Создание надежных и экономически эффективных систем теплоснабжения бытовых и производственных потребителей различной формы собственности может рассматриваться в качестве одного из направлений вывода сельского хозяйства из системного кризиса.

Разработка таких систем требует учета некоторых специфических особенностей сельского хозяйства как потребителя тепловой энергии [26, 27]:

- низкая плотность тепловых нагрузок и большая рассредоточенность потребителей, что обуславливает широкое распространение децентрализованных систем теплоснабжения от топливных котельных, обладающих рядом известных недостатков: большие транспортные расходы на доставку топлива, потери топлива при транспортировке и хранении, значительные затраты ручного труда на обслуживание большого количества маломощных топливных установок по причине сложности автоматизации, "перетопы" в связи с недостаточной гибкостью топливных установок и неполным сгоранием топлива из-за плохого состояния оборудования и нередким применением низкокалорийного топлива (бурый уголь, дрова и т.п.), что снижает КПД топливных установок до 0,08...0,15 вместо 0,35...0,5,

определенных техническими характеристиками;

10

- особенности формирования топливно-энергетического баланса каждого района, региона;

большая неравномерность нагрузки и малый коэффициент использования максимума, что сопровождается перерасходом топлива в периоды провалов нагрузки;

- дефицит трудовых ресурсов;

- наличие достаточно развитых энергетических систем, имеющих возможность для увеличения отпуска электроэнергии сельскому хозяйству, особенно во время ночного "провала" в суточном графике потребления электрической энергии;

- необходимость обеспечения большинства технологических процессов (кормоприготовление, санитарно-гигиеническая обработка животных и оборудования и др.) горячей водой и в летний период, когда отопительный сезон уже закончен;

- для нормальной жизнедеятельности животных, птиц и растений в суровых природно-климатических условиях требуется оптимальная температура окружающего воздуха, отклонение от которой негативно отражается на всех биофизических процессах.

Перечисленные выше особенности обусловлены трудностями снабжения сельхозпотребителей теплом и горячей водой, применение электронагрева является наиболее перспективным [27]:

создание, более совершенного оборудования и устройств, преобразующих электроэнергию в тепловую;

- неравномерность суточного потребления электроэнергии при ее росте;

- требований к качеству электроснабжения;

- санитарно-гигиенические требования потребителей и др.

Нагревательные установки, основанные на преобразовании

электрической энергии в тепловую, обладают рядом преимуществ по сравнению с топливными [26, 27, 33]:

- возможность регулирования в широких пределах процесса нагрева во времени и пространстве, благодаря чему можно получать любые графики температурного режима (при высокой степени равномерности нагрева и точности поддержания заданных температур);

- простота автоматизации процессов, которая дает большой экономический эффект как за счет точности соблюдения технологии, так и за счет существенной экономии энергии (15...20%) и сокращения потерь теплоты (20...25%);

- снижение в большинстве случаев капитальных затрат по сравнению с топливным нагревом за счет отсутствия котельных, бойлерных, складов топлива, теплотрасс, специальных транспортных средств;

- высокая скорость нагрева, недостижимая при обычном топливном нагреве;

- высокая культура производства в сочетании с соблюдением санитарно-гигиенических условий работы обслуживающего персонала;

- простота и практически полная безынерционность включения и выключения электронагр