WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

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

Комсомольск-на-Амуре – 2012

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

Научный консультант: Доктор технических наук, Елшин Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор, Кулинич Юрий Михайлович, ФГБОУ ВПО «ДВГУПС» Кандидат технических наук, Костюченко Владимир Иванович, ФГБОУВПО «КнАГТУ Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится 24 мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 в ФГБОУВПО «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 18 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.092. В.И.Суздорф

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 индуктивнокондуктивного 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 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.

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 индуктивнокондуктивных установок, обеспечивающих создание высокоэффективных и электробезопасных систем нагрева воздуха.

3 Разработка математической модели устройства на основании научнообоснованных 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 индуктивнокондуктивного 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, численноаналитическими методами с применением компьютерных технологий, экспериментальном сравнительном анализе расчетных и фактических параметров опытных установок для нагрева воздуха, проектирования в системе Mathcad.

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 индуктивнокондуктивного 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: 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 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 «Индустриальноинновационное 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. Комсомольскна-Амуре); II всероссийской научно - практической конференции «Cистемы 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 119 наименований и семи приложений. Материал диссертации изложен на 2страницах 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, NOIROT, TIMBERK 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 %); 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 пожаробезопасности 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 теплоизлучающей панелью, выполненной из электропроводящего материала.

Отличие свойств нового электроконвектора перед существующими обусловлено следующими факторами.

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

2 Нагрев излучающей панели происходит под действием индуцированных токов, величина которых достаточно велика (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.

На рисунке приведен внешний вид электроконвектора.

Анализ эффективности систем дополнительного электроотопления показывает, что “электрическое топливо” составляет обеспечивает:

- постоянную готовность к действию и стабильность паpаметpов независимо от вpемени года, погодных условий, вpемени суток и состояния окpужающей сpеды;

- возможность дозиpования мощности электpонагpева в месте потpебления от долей ватта до нескольких десятков и сотен киловатт;

- традиционность и пpостоту доставки;

- высокую упpавляемость пpоцессом электpонагpева;

- экологическую чистоту процесса электpонагpева в месте потpебления.

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 значи тельные тепловые потери и избавиться от затрат на устранение аварийных ситуаций.

Во второй главе проведено моделирование электромагнитных и тепловых процессов в активной зоне электроконвектора индуктивнокондуктивного типа.

Созданию и развитию теории и практики индукционного нагрева посвящены работы отечественных ученых: В.П.Вологдина, А.Е.Слухоцкого, А.В. Донского, Н.А.Павлова, Г.И.Бабата, А.Б.Кувалдина, М.Г.Лозинского, К.З.Шепеляковского, А.С.Васильева, Н.М.Родигина, В.А.Пейсаховича, А.Д.Свенчанского, А.М.Вайнберга, В.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.

H,, divH 0. (1) rot H E rotE t При переходе через границу раздела двух сред непрерывными остаются тангенциальные составляющие магнитного и электрического поля:

E E 0; H H 0.

1 2 1 Общие решения уравнений в цилиндрической системе координат:

Ez C1 J k r C2 N0k r, (2) k H C1 J1k r C2 N1k r.

j 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:

E2 E1 A11 H1 A21, (3) H2 E1 A21 H1 A22. (4) Коэффициенты уравнений 2 2 2 k r k r A 1 2 6 r , 1 2 2 3 j r r k r r A , 1 1 2 r 6 6 r 1 1 (5) 2 2 4 1 k r k r2 k r3 k r3 A21 , j 1 2 r1 6 6 r12 2 1 r k r2 k r3 r3 A22 .

r1 2 3 r1 6 r3 1 где r1 – внутренняя граница, r2 – внешняя граница элементарного слоя;

r = r2 - r1; - параметр, характеризующий электропровоk j дящую среду.

Расчетная схема торцевых теплоотдающих поверхностей представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Расчетная схема для торцевых стенок активной зоны конвектора индуктивно-кондуктивной системы Функциональные связи функции напряженности магнитного поля и ее производной на выходе элементарного слоя с координатой z2 и входа с координатой z1.

H H2 H1 B11 ( )1 B12, (6) z H H ( )2 H1 B21 ( )1 B22.

z z Коэффициенты равны B11 ch( kz2 ) ch( kz1 ) sh( kz2 ) sh( kz1 ), B12 ch( kz1 ) sh( kz2 ) ch( kz2 ) sh( kz1 ), (7) k B21 k B12, B22 B11, Для расчета параметров поля в ферромагнитных стенках теплообменника электроконвектора используются каскады нелинейных слоев с переменными коэффициентами уравнений четырехполюсников (рисунок 3).

Рисунок 3 – Каскад слоев ферромагнитной стенки с переменными коэффициентами Начальные значения магнитной проницаемости r 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 Е и Н 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 T 0, общее решение которого T C1 C2 ln| r | позволяет, исключая постоянные интегрирования, получить рекуррентные соотношения на элементарном шаге для функции температуры и ее производной.

T ri dr T T ri (8) Ti1 Ti ri ln ; .

r ri r r ri dr i i1 i Здесь dr 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: qi = qv dr/с, где qv, Вт/м3 – удельные объемные источники тепла, определяемые величиной плотности электрического тока в данном слое qv = ; с - 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 численноаналитического 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 физикоматематического 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 r1 – r2 и r3 – r4 электроконвектора со следующими размерами:

высота – Lo = 1200 мм; внутренний радиус внутреннего цилиндра – r1 = 21 мм; толщина внутреннего цилиндра – а1 = 3 мм; внутренний радиус внешнего цилиндра – r3 = 79 мм; толщина внешнего цилиндра – а2 = 1 мм; материал – алюминий с удельным электрическим сопротивлением - = 0,033 10-6 Ом м ; ток вторичного контура - Io = 2173 А.

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

а б Рисунок 5 – Модули относительной плотности тока и напряженности магнитного поля во внутренней стенке Расчетное значение напряженности магнитного поля на внешA ней поверхности внутренней стенки, что соответHr 2 1.441 1м ствует 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 ВА.

S1 r 2 Hr 2 2 r2 Lo (441,102 +14,862j) Активная мощность, выделенная в объеме внутренней стенки и определяющая нагрев, равна P1 = 441,1 Вт. Активное сопротивление внутренней стенки равно отношению активной мощности к квадрату P тока в стенке Ом. Падение напряжения на стенке -R 9.341a I o U I R 0,203 В.

1 o a Аналогичные расчеты для внешней стенки дают следующее. Поток вектора Пойнтинга на внутренней поверхности внешнего цилиндра ВА. Активная мощS2 r3 Hr3 2 r3 Lo (370,635+ j2,246) ность, выделенная в объеме внешней стенки и определяющая нагрев, равна P2 = 370,6 Вт. Активное сопротивление внешней стенки R2a 7,89310-5 Ом. Падение напряжения на стенке U2 0,203 В.

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

Расчет поля в торцевой стенке проведен с учетом зависимости I А падающей волны магнитного поля от радиуса.

o Ht(r) 2 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 r1 < r < r2, z = 0.

r ВА.

So (r,0) H (r,0) 2r dr (9,741 j0,385) r Активная мощность, выделенная в объеме торцевой стенки относительно мала и равна Pt = 9,741 Вт. Активное сопротивление торцевой стенки на постоянном токе определится по формуле r dr Rr 2,086106 Ом. Расчетное активное сопротивление 2 at r r торцевой стенки равно отношению активной мощности к квадрату тока P -в стенке t R 2,127 10 Ом. Падение напряжения на стенке ниa I o чтожно мало относительно падения напряжения в цилиндрических стенках В.

U I R 4,551t o a Предварительная оценка перегрева стенки по отношению к окружающей среде определена по величине поверхностного теплового потока и принятого среднего значения коэффициента теплоотдачи Вт. Здесь выделено две области: с высокой плотностью тока м2 К при (r2) и с низкой плотностью тока (r3). Активная мощность, выделенная в элементарном объеме при внутреннем радиусе r2 торцевой стенки, определяется по теореме Умова-Пойнтинга.

.

P Re( D1 H1 2 r dr) 0,122 Вт o1 1,1 1,1 Среднее значение температурного перегрева торцевой стенки при r2 составит 110 К. Активная мощность, выделенная в элементарном объеме при внешнем радиусе r3 торцевой стенки, равна.

Po2 Re( D1n1,1 H1n1,1 2 r3 dr) 0,038 Вт Среднее значение температурного перегрева торцевой стенки при r3 составит 10,5 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 теплоизлучающие 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 модули относительной плотности тока во внутренней и внешней стенках.

Доля реактивной мощности в системе увеличилась, что, естественно, привело к снижению общего коэффициента мощности системы (cos = 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.

Рисунок 6 – Модули относительной плотности тока во внутренней и внешней стенках 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 эксплуатации. 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 индуктивнокондуктивного электроконвектора «Эликон–С» опытнопромышленной 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 индуктивнокондуктивным конвектором. Задача регулирования температуры нагрева является одной из наиболее важных задач и решается путем формирования управляющего сигнала.

Влияние температуры на величину потребляемой мощности 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 310-3 1/K, 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 PIC 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, обла дающих способностью значительно уменьшить топливопотребление при создании систем децентрализованного отопления, а в ряде случаев обеспечить полную замену традиционного отопления.

2 Сформулированы принципы 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 Cистема 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 индуктивнокондуктивного 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 4 Переносной электроконвектор с индуктивно-кондуктивным нагревателем / Елшин А.И., Собин С.Л. // Ученые записки ПГУ. – Павлодар: Изд-во ПГУ, 2009. № 8. – С. 96-105.

5 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.

6 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.

7 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.

8 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.

9 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.

10 Расчет электромагнитного поля камеры нагрева индуктивнокондуктивного 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.

11 Расчет теплового поля цилиндрической 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.231-233.

12 Особенности управления системой отопления с ндуктивнокондуктивными 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. 1,4. Уч.-изд.л. 1,35. Тираж 100. Заказ № 16..

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




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.