Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и научные задачи исследований 9
1.1. Состояние проблемы по снижению энергозатрат в агропромышленном комплексе 9
1.2. Существующие водоэлектрические нагреватели (теплогенераторы) .11
1.3. Состояние теоретических и экспериментальных исследований по поиску новых экологически чистых источников энергии - .16
1.4. Научные задачи исследований 19
2. Теоретические исследования 20
2.1. Теоретическое обоснование тепловой эффектив ности водоэлектрического теплогенератора 20
2.2. Математическая модель импульсного источника питания 28
2.3. Схема замещения водоэлектрического тепло генератора 32
3. Методика исследований и их анализ 36
3.1. Методики измерений 36
3.2. Методика определения энергии, потребляемой водоэлектрическим теплогенератором .38
3.3. Методика определения тепловой энергии, вырабатываемой водоэлектрическим теплогенератором 43
3.4. Программа и методика разработки электрической схемы источника питания водоэлектрического теплогенератора 45
3.5. Результаты предварительных испытаний экспериментальной модели водоэлектрического теплогенератора .
3.6. Разработка и обоснование основных параметров электрической схемы источника питания для водоэлектрического теплогенератора
3.7. Основные требования к источнику питания
3.8. Алгоритм моделирования источника питания .
3.9. Расчет выходного фильтра источника питания .
3.10. Результаты экспериментальных исследований водоэлектрического теплогенератора
3.11. Параметры водоэлектрического теплогенератора и раствора, определяющие энергетическую эффективность процесса .
3.12. Технологическая схема отопления здания птичника.
4. Экономическая эффективность применения импульсного источника питания водоэлектрических теплогенераторов для отопления здания птичника .
4.1 Определение технико-экономической эффективности применения импульсного источника питания водоэлектрического теплогенератора в сравнении с существующей установкой для теплоснабжения птичника .
Общие выводы
Список литературы
Приложения
- Существующие водоэлектрические нагреватели (теплогенераторы)
- Математическая модель импульсного источника питания
- Методика определения тепловой энергии, вырабатываемой водоэлектрическим теплогенератором
- Расчет выходного фильтра источника питания
Введение к работе
Современное развитие мировой энергетики характеризуется началом исчерпаемости природных энергоносителей и ростом их экологической опасности. Предполагается, что, начиная с 2020 года, объем добычи нефти и газа начнет уменьшаться, к тому времени экологическая опасность основных энергоносителей, нефти, газа и угля еще больше обострится, поэтому научная мысль уже сейчас направлена на поиск неисчерпаемых и экологически чистых энергоносителей.
Сельскохозяйственное производство неразрывно связано с живыми организмами, жизнедеятельность которых в большой степени зависит от условий внешней среды и важнейшего из них - температуры. Тепловая энергия выступает как мощный фактор воздействия человека на природу. В одних случаях тепло используется для создания наиболее благоприятных температурных условий для растений и животных, в других — для подавления вредителей и вредных микроорганизмов, вызывающих порчу продукции.
Сельскохозяйственное птицеводство - одна из наиболее динамичных отраслей как российского, так и мирового агропромышленного комплекса. Его интенсивное развитие началось после второй мировой войны в США, а затем и в других передовых странах. Отрасли присущи черты высокотехнологичное, наукоемкости и экономической эффективности, в ней производятся относительно дешевые и биологически полноценные продукты питания.
Проблема производства продовольствия, в том числе и птицепродуктов, многоаспектная и зависит от демографической, экологической, экономической ситуации, весомости государства на мировом рынке. Численность населения и его покупательские способности являются важнейшими факторами, определяющими спрос на мясо птицы.
Прогнозируется, что к 2030 г. минимальные потребности населения планеты в мясе всех видов будут достигать 300 млн. т, а ожидаемое его производство - 260 млн. т, то есть мировой дефицит составит 40 млн. т при уело-
вии сохранения сравнительно невысокого уровня потребления - около 35 кг на человека в год.
С середины 1980-х годов мировое производство мяса птицы ежегодно возрастало в среднем на 5% (на 6-8% -в развивающихся и на 2%- в экономически развитых странах). Доля его в общемировом объеме производства мяса в последние несколько лет увеличилась с 27,3 до 28,7% , что объясняется высокими потребительскими свойствами, соответствующими принципам здорового питания. Для успешной реализации производства птицеводческой продукции, предварительно требуются энергетические затраты по созданию микроклимата при выращивании птицы. В агропромышленном комплексе России требуется снижение энергозатрат при производстве сельскохозяйственной продукции и повышение надежности энергоснабжения предприятий.
Тепловая энергия в современном интенсивном сельскохозяйственном производстве приобретает исключительное значение, в данном случае птицеводстве. Традиционный способ теплоснабжения, распространенный в городах, - (теплофикация на базе ТЭЦ и котельных), оказывают в большинстве случаев сельскохозяйственного производства экономически нецелесообразными из-за низких плотностей тепловых нагрузок. Тенденция к укрупнению сельских населенных пунктов, концентрация производства, развитие межколхозных производств и местной промышленности способствуют расширению централизованного теплоснабжение от котельных. Однако основная масса сельскохозяйственных потребителей тепла еще длительное время будет иметь децентрализованное теплоснабжение от мелких котельных, отдельных топливных и электрических установок.
За последние 20 лет проведено большое количество экспериментальных исследований, доказывающих возможность генерирования дополнительной тепловой и электрической энергии в процессах, которые раньше считались строго соответствующими закону сохранения энергии.
Сейчас уже налажен промышленный выпуск кавитационных водона-гревательных генераторов, которые генерирует до 50% дополнительной тепловой энергии, в одноступенчатом варианте исполнения. Уже испытаны двухступенчатые генераторы и показано, что они генерируют тепловой энергии в 2,0-2,5 раза больше чем потребляют электрической энергии. В России уже несколько фирм «ЮСМАР», «ЮТЕКА», «ТЕРМОВИХРЬ» и др. производят и продают такие генераторы для отопительных систем.
Физика и химия этого процесса изучены недостаточно. Существует несколько гипотез, объясняющих причины появления дополнительной тепловой энергии в воде. Согласно одной из них источником дополнительной тепловой энергии является холодный ядерный синтез. Согласно другой -источником дополнительной тепловой энергии является физический вакуум. Энергию из него поглощают валентные электроны, механически разрушенных молекул, ионов и кластеров воды, и выделяют её при их повторном синтезе.
Теоретически установлено, что на механическое разрушение ионов, молекул и кластеров воды, требуется в 2 раза меньше энергии, чем на тепловое. В связи с этим одноступенчатые кавитационные генераторы не могут производить энергии в два раза больше чем потреблять.
Поскольку при механическом разрушении химических связей ионов, молекул и кластеров воды и их повторном синтезе выделяется дополнительная тепловая энергия, то если уменьшить затраты энергии на разрушение химических связей ионов, молекул и кластеров воды, то выход дополнительной тепловой энергии должен увеличиться. Из этого следует, что если указанные связи разрушать электродинамическим путем в резонансной зоне частот, то энергетическая эффективность этого процесса должна увеличиться. Поэтому первой целью наших исследований явилась разработка источника импульсного питания для водоэлектрических генераторов тепла.
Понятие водоэлектрический генератор тепла введено для устройств,
которые генерируют дополнительную энергию в виде тепла. Этим они отли
чаются от обычных электро-водонагревателей.
"» Таким образом, если гипотеза, объясняющая источник дополнитель-
ной тепловой энергии при воздействии на ионы, молекулы и кластеры воды верна, то эффективность этого процесса зависит от затрат энергии на разрушение химических связей. Если найти способ значительно уменьшающий эти затраты, то эффективность процесса получения дополнительной энергии в виде нагретого раствора или водорода можно увеличить.
Многолетние экспериментальные исследования воздействия на воду электрическим током, проведенные в лаборатории кафедры теоретической механики Кубанского госагроуниверситета при нашем участии показывают, что молекулы, ионы и кластеры воды можно разрушать с помощью водородной плазмы и путем без плазменного электродинамического воздействия.
Оказалось, что наиболее эффективным является процесс электроди
намического воздействия на химические связи ионов, молекул и кластеров
воды.
Энергетическая эффективность реализуется при формировании импульсов напряжения специальной формы и частоты. В связи с этим возникла необходимость разработать источник питания, генерирующий специальные импульсы напряжения.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой КубГАУ, «Повышение эффективности машинных технологий в растениеводстве и животноводстве, надежности машин и использования МТП» на 2001-2005 гг. (№ 01200113467 раздел 11.9.2) «Энергетика плазменного процесса электролиза воды».
Целью наших исследований является определение параметров источника питания высокоэффективных водоэлектрических теплогенераторов для снижения энергетических затрат на отопление птичников.
s В результате выполненных нами исследований на защиту выносятся следующие новые научно-практические результаты:
Электрическая схема источника питания для водоэлектрического теплогенератора и основные её параметры.
Оптимальные параметры водоэлектрического теплогенератора определяющие его энергетическую эффективность.
Математические модели, схемы замещения источника питания водоэлектрического теплогенератора
Экономическая эффективность применения водоэлектрического теплогенератора для отопления здания птичника.
Объект исследования - импульсный источник питания для водо-электрических теплогенераторов для отопления здания птичника
Предмет исследования — связь процесса генерирования дополнительной тепловой энергии и газов с параметрами импульсного источника питания.
Существующие водоэлектрические нагреватели (теплогенераторы)
По теоретическим исследованиям проводимым в России и в других странах мира, источники энергии делят на два типа: первичные источники энергии и вторичные источники энергии. К первичным источникам энергии относят солнечную радиацию, ветер, теплоту грунта, воды и воздуха, к вторичным - биоэнергию, сбросную теплоту сельскохозяйственных зданий, электростанций, промышленных предприятий. Диапазон применения возобновляемых источников энергии достаточно широк: это и обогрев или охлаждение зданий, сушка сельскохозяйственной продукции, и опреснение или подогрев воды, и автономное энергообеспечение. Достоинства таких источников энергии - экологическая чистота и небольшие затраты труда и средств на эксплуатацию установок для их использования. Все экологические источники энергии связаны с определенными критериями. Так, например, по последним исследованиям ученых, вода является наиболее перспективным источником энергии. Многолетние исследования в области экологически чистых источников связаны с большим потреблением энергии в мире и уменьшением природных энергоресурсов, а также с ухудшением экологической ситуации.
Недостатками систем отопления являются значительная металлоемкость, низкий коэффициент использования топлива, высокая себестоимость единицы тепла. Снабжение топливом мелких разбросанных установок связано со значительными издержками на транспорт и экономически оправдывается лишь при использовании высококалорийных топлив. Которые приобретают все большую значимость как ценное сырье химической промышленности. Мелкие топливные установки трудно поддаются автоматизации, требуют значительных затрат на обслуживание, загрязняют фермы отходами и продуктами сгорания, поэтому большое значение имеет электрификация тепловых процессов сельского хозяйства.
Электрические водонагреватели и парогенераторы применяют в промышленности и сельском хозяйстве, в системах горячего водоснабжения, отопления и вентиляции, а также в технологических процессах животноводства, растениеводства и ремонтного производства.
Недостатком серийно выпускаемых электронагревателей типов СА-ОС, С АЗС, ЭВАН, КЭВ является использование в качестве тепловыделяющих элементов ТЭНов, которые находятся внутри емкости с нагреваемой жидкостью. Из практики эксплуатации ТЭНов известно, что они имеют ограниченный срок службы. Кроме того, указанные выше нагреватели при проведении ремонтных работ требуют приостановки технологического процесса, слива находящейся внутри емкости жидкости, что в свою очередь, увеличивает срок продолжительности ремонтных работ и их стоимость.
По сравнению с топливными установками электрические водонагреватели позволяют снизить единичную мощность, повысить коэффициент использования энергии, уровень автоматизации теплогенераторов и получить больший технологический эффект. При этом значительно уменьшаются затраты на обслуживание таких установок и сокращается длина тепловых сетей [47]. Коэффициент полезного использования первичных энергоресурсов для огневых и электрических теплогенерирующих установок примерно одинаков и равен 0,23...0,30.
А Установки для электрического нагрева воды и генерации пара клас сифицируют по технологическому назначению (электрические водонагреватели, парогенераторы, пароводонагреватели), по виду нагрева (элементные, индукционные, электродные), по характеру работы (проточные и аккумуляционные), по напряжению (низковольтные до 0,4 кВ и высоковольтные до 10 кВ). Электродные водонагреватели и парогенераторы большой мощности иногда называют котлами.
Совокупность технических средств, обеспечивающих нагрев воды иподачу ее к месту потребления, образует систему горячего водоснабжения. Взависимости от степени концентрации электрических водонагревателей возможны следующие системы горячего водоснабжения: централизованные вмасштабах всего объекта (фермы, комплекса, механизированного двора) спроизводством теплоты в специальном помещении, называемом центральной котельной; с аккумулированием теплоты и распределением горячей воды поотдельным зданиям объекта и индивидуальным потребителям по наружным и внутренним тепловым сетям; системы, децентрализованные по отдельным зданиям объекта с производством теплоты в электрических водонагревателях, оборудованных расположенными с наружной стороны здания водяными теплоаккомуляторами и подачей горячей воды к точкам разбора по внутренним тепловым сетям. Децентрализованные системы по отдельным помещениям и тепловым процессам, сформированные на базе специализированных водонагревателей [47].
Элементные водонагреватели и парогенераторы представляют собой установки косвенного электронагрева током, протекающим через сопротивление. Электроэнергия преобразуется в теплоту в нагревательных элементах и от них передается конвекцией и теплопроводностью к воде. Различают аккумуляционные и проточные водонагреватели и пароводонагреватели.
Аккумуляционные водонагреватели предназначены для нагрева и сохранения горячей воды в течение длительного времени. Водонагреватель представляет собой металлический теплоизолированный резервуар цилиндрической формы, внутри которого установлены трубчатые электронагреватели. Такая конструкция в совокупности с автоматизацией работы обеспечивает поддержание требуемой температуры воды и позволяет включать водонагреватель в часы наименьшей загрузки электрических сетей.
Аккумуляционные водонагреватели САОС и САЗС (С - способ нагрева сопротивлением, А - аккумуляционный, ОС, ЗС — открытая или закрытая система водоразбора) устроены одинаково и предназначены для работы в системах водоснабжения с избыточным давлением до 0,4 М.Па. Водонагреватель САЗС, оснащен циркуляционным насосом для перекачивания горячей воды по замкнутому контуру в системах поения, отопления и др. Расход воды восполняют из водопровода путем естественного притока. В водонагревателе САОС горячая вода вытесняется холодной при открытом вентиле на подающем трубопроводе.Водонагреватели ЭВ-150М и САОС аналогичны по устройству и различаются размерами бака-аккумулятора [47].
Одним из недостатков аккумуляционных нагревателей воды является использование их только в комплексе с электрическими водонасосами, что приводит к дополнительным затратам электроэнергии.
Элементные водонагреватели наиболее эффективно применять для локального горячего водоснабжения потребителей сравнительно небольших сельскохозяйственных объектов. Водонагреватели САЗС используют в закрытых системах отопления и подогрева воды для поения животных, САОС — для подогрева воды на различные технологические и санитарно-бытовые нужды.Наработка элементного водонагревателя на отказ 10... 14 месяцев. При этом 81% повреждений приходиться на ТЭНы и 15% - на регуляторы темпе
Математическая модель импульсного источника питания
Для нахождения электрических параметров тока, напряжения и частоты, применяется расчет методом контурных токов, согласно которого рассматриваются контуры цепи и по первому и второму закону Кирхгофа и находятся напряжение и ток цепи. Рассмотрим схему замещения униполярного источника питания, показанную на (рис. 2.6). По теореме компенсации нелинейную нагрузку ZH представим виде ЭДС, Ег представленная на схеме замещения (рис. 2.8)
Для расчета параметров цепи и вывод функциональной зависимости входных параметров тока, напряжения и частоты от нелинейной нагрузки ZH, составим уравнения, разбивая нелинейную зависимость на линейные участки. Найдем напряжение U2 на нелинейном элементе Z,,
Если активная мощность на выходе четырехполюсника больше мощности на входе, то соответственно происходит усиление мощности.
В данном случае рассмотренный при коммутационный режим и составленная математическая модель позволили определить резонансный режим источника питания его параметры: напряжения , силы тока и частоты для плазмоэлектролитической установки, проверив модель на пакете прикладных программ получили следующие параметры; предположительная частота импульсного тока 270-450 Гц, с длительностью импульсов 2-3 миллисекунды при напряжении 220 В, индуктивность в контуре запирания тиристора 2-4 мк Гн и емкость 200-1000 мкФ.
Для доступного расчета тепловой плазмоэлектролитической установки, приведем предполагаемую схему замещения, показанную на (рис. 2.2)
согласно которой можно рассчитать электрические параметры, такие как номинальное напряжение, ток, оптимальная частота, и подобрать конструкционные параметры установки. В состав параметров схемы входит емкостное, активное сопротивления, в данном случае рассматриваются емкость межэлектродного слоя с раствором, сопротивления электродов, сопротивление межэлектродного пространства.a - температурный коэффициент воды [114].R а— сопротивление анода, Ra = ра -- - Ом.
Представим формулу расчета полного сопротивления установки в общем, виде Если подставим в формулу (2.12) сопротивления в раскрытом виде то получим следующий вид формулыГде рк, рпр, pa — удельные сопротивления материалов, соответственно катода, межэлектродного промежутка анода, Ом/м;1К71 прЛ а - длина катода, межэлектродного промежутка, анода, м;ю - угловая частота, ш=2лґ;f- частота воздействующих импульсов, Гц. Из схемы (рисунок 9) замещения видно, что сопротивление установки имеет реактивную составляющую емкостного сопротивления, которая уменьшается с увеличением частоты пульсаций тока, что отражается на энергетических параметрах установки. Это объясняется тем, что установка работает по принципу накопления энергии. Работа установки и поддерживается периодическими разрядами в электролите. Это приводит к интенсивному разрушению ионов, молекул и кластеров воды, их повторному синтезу и протеканию химических реакций в результате которых генерируется дополнительная тепловая энергия.
Проверив модель на пакете прикладных программ, получили следующие параметры: частота импульсного тока 500-700 Гц, с длительностью импульсов 2-3 миллисекунды при напряжении 220 В, индуктивность в контуре запирания тиристора 2-4 мкГн, ёмкость 200-1000 мкФ. На рисунке 2.10 показана теоретическая модель отклика сопротивления нагрузки на частоту питающего тока. Как видно из графика сопротивление нагрузки лежит в пределах от 300 до 600 Ом в зависимости от параметров источника питания.
С учетом изложенного программой наших исследований предусматривалось участие в разработке конструктивных схем новых плазмоэлектро-литических и водоэлектрических теплогенераторов.
Для четкости изложения повторим ещё раз: главное отличие плазмо-электролитических и водоэлектрических генераторов от водонагревательных электрических устройств заключается в том, что первые генерируют дополнительную энергию, а вторые - нет.
Поскольку энергетическая эффективность существующих водонагревательных устройств характеризуется коэффициентом полезного действия(КПД), который не может быть больше единицы, то для характеристикиэнергетической эффективности водоэлектрических генераторов тепла и газов, которые производят энергии больше чем потребляют, мы ввели понятиещ «показатель энергетической эффективности», который может быть большеединицы.
После разработки и изготовления генераторов тепла проводились их предварительные и контрольные испытания, результаты которых представлены в третьей главе.
Особое место в нашей программе занимали вопросы разработки и проверки методов измерений электрической энергии, потребляемой разработанными устройствами. Непростым оказался вопрос обработки осциллограмм. В литературных источниках описаны различные варианты такой обработки и оказалось, что они противоречат друг другу и показаниям приборов, которые мы использовали в свих исследованиях.
В результате появилась задача выявления причин указанных противоречий. Эта задача также была включена в программу наших исследований и результаты ее решения представлены в третьей главе нашей диссертации.
Программой исследований предусматривалось участие в научных конференциях и публикация результатов исследований, чтобы привлечь внимание специалистов, к результатам наших исследований и тем проблемам, которые нам пришлось решать при реализации нашей программы.
Во всех случаях мы стремились использовать стандартные методики исследований и испытаний. Однако в процессе реализации программы возникали задачи, для решения которых не было стандартных методик или они были неполные. Поэтому некоторые стандартные методики пришлось дополнять. В некоторых случаях потребовалась разработка частных методик. Ниже представлена часть стандартных методик и разработанных нами, а в третьей главе есть элементы новых методик, корректность которых мы будем обсуждать, используя конкретные экспериментальные результаты.
Рассматривая методики исследований, мы старались учесть все факторы, влияющие на результаты экспериментов. Основной задачей исследований являлось обоснование основных параметров источника питания, путем теоретических и экспериментальных исследований.Методика исследований построена на использовании в источнике питания генератора униполярных импульсов с частотой до 2000Гц. При этом проводились установочные эксперименты для определения оптимальных параметров напряжения, тока и частоты для питания теплового реактора. Проводились метрологические исследования для определения мощности нагрузки, характера нагрузки, а также проверялись параметрические возможности источника питания. В метрологическом анализе использовались следующие измерительные приборы, прошедшие предварительно метрологическую поверку:1. Для измерения тока использовали амперметр типа М 2015. Это магнитоэлектрический прибор класса точности 0,2. Многопредельный магнитоэлектрический и вольтметр, типа М 2004, класс точности 0,2. Однофазный счетчик тип СО-И446, с классом точности 2,5. Все эти приборы использовались для измерения мощности при пульсациях постоянного тока до 1000Гц.
Методика определения тепловой энергии, вырабатываемой водоэлектрическим теплогенератором
Рассмотрим методику определения тепловой энергии, вырабатываемой тепловым генератором. При проведении эксперимента фиксировалась масса раствора проходящего через нагреватель, и температура выходящего раствора. Расчет выделяемой тепловой энергии производился по формулегде: с - теплоемкость раствора, кДж/ кг-К;m - масса раствора, прошедшего через водоэлектрическийгенератор тепла, кг; At - разность температур раствора, С . При этом энергия, потраченная на образование пара, рассчитывалась по формуле (3.11)Дт-разность масс раствора (масса воды, перешедшей в пар), кг.
Данная методика считается стандартной. Она применяется в исследованиях при определении тепловой энергии с учетом теплоемкости раствора и теплосодержания пара.
Так как в наших экспериментах присутствовал процесс образования водорода с последующим сгоранием в плазме, то рассмотрим методику определения, тепловой энергии выделяемой при сгорании водорода в плазме. Для этого определим содержание водорода и кислорода в 1л воды.
Известно, что в одном литре воды содержится 111 грамм молекулярного водорода Нг и 889 грамм молекулярного кислорода. Известно также, что один литр молекулярного водорода имеет массу 0,09 грамм, а один литр молекулярного 02 кислорода - 1,43 грамма. Следовательно, из одного литра воды можно получить 111/0,09 =1222,2 литра водорода и 889/1,43 = 621,67 литра кислорода.В процессе соединения молекулы водорода с атомом кислорода образуется молекула воды. При этом выделяется энергия равная 285,5 кДж /моль [114].Зная все эти энергии можно вычислить показатель энергетической эффективности водоэлектрического нагревателя по формуле (3.13)где: Ер электрическая энергия, потребляемая из сети, кДж;Ег- тепловая энергия нагретого раствора, кДж; Ез -тепловая энергия парообразования, кДж; Е4 — химическая энергия процесса, кДж,
Разработка электрических схем основана, на том какие, сигналы мы должны получить на выходе источника для подачи их в тепловую установку. При этом необходимо учитывать следующие цели. 1. Разработать устройство импульсного изменения напряжения, подаваемого потребителю электрической энергии. 2. Разработать генератор частоты напряжения, изменяющий эту величину в диапазоне 100-2000 Гц, 3. Обеспечить защиту цепи питания и всех элементов от перегрузки. 4. Обеспечить компенсацию возможной реактивной составляющей нагрузки. 5. Проверить влияние различных форм тока, в схемах питания водоэлектрического генератора тепла и газов на его энергетическую эффективность. 6. Проверить зависимость показателя энергетической эффективности водоэлектрического генератора тепла и газов от формы подаваемого сигнала на. 7. Разработать электрическую схему источника питания с возможностью ее дальнейшего совершенствования. В современной научной литературе устройства, в которых идет нагревание воды с помощью электрического тока, называются водоэлектриче-скими нагревателями. Количество тепловой энергии, получаемой с помощью таких нагревателей, меньше количества затраченной электрической энергии. Они имеют коэффициент полезного действия меньше единицы, что полностью соответствует закону сохранения энергии. Мы разрабатывали источник питания для водоэлектрических генера торов тепла и газов. Эти генераторы могут работать в различных режимах: производить дополнительную энергию в виде тепла и одновременно разлагать воду на водород и кислород. Существуют конструкции таких генераторов и режимы их работы, когда производится максимум тепловой энергии и минимум газов: водорода и кислорода. Есть и такие устройства, и режимы их работы, при которых идет разложение воды на водород и кислород без образования тепла. Однако во всех этих случаях количество потребляемой электрической энергии значительно меньше производимой тепловой энергии и энергии, получаемых при этом газов водорода и кислорода. Поскольку уже созданы и производятся промышленно устройства, в которых тепловой энергии получается больше, чем затрачивается электриче ской энергии, то возникает необходимость определить такие устройства особым понятием. Тот факт, что они производят дополнительную энергию, » даёт нам снование назвать их генераторами тепла или энергии. Мы считаем некорректно использовать понятие коэффициент полезного действия (КПД) для характеристики энергетической эффективности таких устройств и вводим новые два равноценные понятия: «Показатель энергетической эффективности» и «Показатель преобразования электрической энергии». Эти понятия будем использовать при описании устройств, которые производят энергии больше, чем потребляют.
Прежде чем разрабатывать электрическую схему источника питания для водоэлектрического генератора тепла были проведены предварительные эксперименты. Для этого была разработана конструкция ячейки водоэлектрического генератора тепла, показанная на рис. 3.4. Впоследствии она была запатентована. Патент №2228390.
Устройство для получения тепловой энергии, водорода и кислорода содержит корпус 1, изготовленный из диэлектрического материала, крышку 2 с приливом 3 и сквозным осевым отверстием 4, изготовленную также из диэлектрического материала. Межэлектродная камера имеет катодную 5 и анодную 6 полости. Анодная полость сообщается каналом 7 с над катодной полостью 4. Анод 8 выполнен плоским кольцевым и соединен с положительным полюсом блока питания, который состоит из генератора импульсов 9 и цепи управления 10.
Катод 11 - в виде стержня из тугоплавкого материала вставлен в диэлектрический стержень 12 с наружной резьбой, посредством которой он введен в нижнюю межэлектродную камеру 13 через резьбовое отверстие 14 в нижней части корпуса и центрирован в сквозном отверстии 4 крышки 2. Катод соединен с положительным полюсом блока питания. Патрубок 15 для ввода рабочего раствора расположен в средней части анодной полости 6. Патрубок 16 для вывода раствора расположен в боковой части корпуса, а патрубок 17 для выхода смеси газов — в верхней части крышки соосно с её осевым отверстием.
Устройство работает следующим образом. Устанавливается заданный электролитический зазор (рис. 3.4. позиция 20) и заданный расход раствора, проходящего через устройство. Включается блок питания и устанавливается заданное напряжение. Через несколько минут процесс приобретает устойчивый характер. После этого задается необходимая частота импульсов и начинается процесс фиксирования расхода раствора, напряжения, тока и разности температур раствора на входе и выходе из устройства. Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.5.
Расчет выходного фильтра источника питания
Проведя анализ соотношений, приведенных в работах [100], [111], с учетом того, что наибольшая пульсация напряжения происходит на входе фильтра при минимальном коэффициенте заполнения. После преобразований получим относительное значение пульсации (в процентах) 1-й гармоники на входе высокочастотного фильтра2. Коэффициент пульсаций (в процентах) на выходе источника пита ния где: U„/2 - амплитуда переменной составляющей на выходе фильтра источника питания. 3. Теперь можно найти требуемый коэффициент подавления пульса ции выходным фильтром 4. На основании изложенного в работах [61], [65] минимальная ин дуктивность (в микрогенри) дросселя фильтра при условии сохранения не прерывности тока через дроссель будет равна f- частота пульсаций, кГц. 5. Для выбора или,расчета дросселя фильтра необходимо знать эффективное значение переменной составляющей напряжения на нем ІДьзф. Из определения эффективного (действующего) значения функции иэф. [73] следует напряжение U(t) Используя формулу (3.20) и проведя раздельное интегрирование по интервалам времени t„ и T„ после преобразований получим AUVDl и AUVD1 - прямое падение напряжения на диодах в режиме номинального тока нагрузки. Отметим, что наибольшее значение переменной составляющей на дросселе фильтра соответствует режиму максимального входного напряжения, т.е. при Ymin. Таким образом, получены все необходимые параметры для выбора дросселя, например, типа Д13. Отметим, что дроссель выбирается по следующим параметрам: а) - номинальному току подмагничивания, который в нашем случае равен Ін.номї б) - минимальной индуктивности Ьдр=цТраб) и Ц = LM0M-kf -к (при обя зательном учете справочных данных), где Ьф. - эффективная индуктивность дросселя на рабочей частоте fpa6.; к - температурный коэффициент, приве денный в технических условиях для дросселя типа Д13. В данном случае дроссель прототип ручной сборки Д13 на основании данных в работе [104], [66]. 6. Емкость (в микрофарадах) выходного конденсатора фильтра источника питания определяется по формуле где: Q„- коэффициент подавления пульсаций выходным фильтром. Выбор типа конденсатора фильтра и его номинальной емкости необходимо произвести с учетом эффективной емкости на рабочей частоте, а также с учетом разброса его номинальной емкости (обычно отклонение емкости не превышает 20%). Для этого введем коэффициенты кЭф и км, Исходя из данных, приведенных в [60], можно определить значения коэффициентов кЭф., отражающие характер уменьшения емкости при работе на частоте f: а) для конденсаторов типов К53-28 и К53-25 б) для конденсатора типа К53-31 Коэффициент kN, отражающий разброс номинального значения, для всех типов конденсаторов принимается равным 0,8. Таким образом, необходимо вести поиск нужного типа конденсатора, исходя из выражения (3.25) 7. Рассчитаем реальную емкость конкретно выбранного конденсаторана высокой частоте с учетом разброса номинального значения. Обозначимэту величину C(j,f и вычислим по формуле (3.26)8. Уточним значение переменной составляющей выходного напряжения при выбранных реальных значениях Ьф и Сф. Обозначим эту величинуUp.„ и определим по уравнению (3.27)Проводя по этим формулам расчеты элементов схемы источника питания можно методично исключить ошибки подбора и расчета параметров,теплогенератора
Основная задача экспериментов состояла в проверке гипотезы: «Электродинамическое воздействие на ионы и молекулы воды позволяет формировать такие режимы, при которых расход энергии на разрушение ионов, молекул и кластеров воды будет наименьшим, а последующий синтез указанных элементов выделит наибольшее количество дополнительной энергии в виде тепла нагретого раствора».
Для реализации поставленной задачи были проведены специальные эксперименты по электродинамическому разрушению химических связей ионов, молекул и кластеров воды специальными электрическими импульсами. Ниже приведены результаты комплексной обработки экспериментов.
Исходные данные, по которым получены эти результаты, приведены (табл. 1-20) в приложении 1.
По экспериментальным данным, приведенным в Приложении 1, была составлена матрица факторов, влияющих на энергетическую эффективность водоэлектрического генератора тепла. В качестве независимых факторов были выбраны: Х - напряжение, подаваемое в водоэлектрический генератор тепла, В; Х2 — частота тока, генерируемая импульсным источником питания , Гц; Хз - плотность раствора, проходящего через водоэлектрический генератор тепла, кг/м3.
В качестве параметра, характеризующего водоэлектрический генератор тепла, был взят показатель у і энергетической эффективности (коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую) водоэлектрического генератора тепла. Результаты обработки экспериментальных данных приведены в таблице 3.21.
Полученные данные были использованы, для построения поверхностей отклика с помощью программы «STATISTIKA». Вначале проанализируем воздействие факторов хь х2, х3 на показатель энергетической эффективности водоэлектрического генератора тепла уь используя программу «Regress 2», для обработки однофакторных экспериментов.
Изменяя Х2 - частоту тока и плотность раствора - хз диапазоне от 1008 кг/м до1038 кг/м , проанализируем воздействие напряжения Xj на коэффициент энергетической эффективности уі (приложение 4. табл. 21) .
