Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное производство и быт требуют широкого использования электрической и тепловой энергии. Системы энергообеспечения позволяют создать необходимые условия производства и комфорт на различных предприятиях и для бытовых потребителей. Важнейшими функциями этих систем являются эффективное генерирование, доставка и распределение тепловой энергии для отопления, горячего водоснабжения и удовлетворения технологических нужд.
Замена электронагревом традиционных видов нагрева повышает надёжность оборудования, облегчает контроль и регулирование температуры и в целом обеспечивает режимы энергосбережения. Развитие электронагревательных приборов, расширение их выпуска и использования является важным мероприятием, направленным на повышение производительности труда и жизненного уровня, экономию времени, улучшения санитарно-гигиенических условий жилищ и создание необходимого комфорта. Особое значение применение электронагревательных устройств приобретает для объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения. В качестве нагревательных элементов в таких приборах широко применяются трубчатые нагревательные элементы (ТЭН), которые наряду с неоспоримыми достоинствами (простота конструкции, дешевизна) имеют ряд существенных недостатков (низкий класс электробезопасности, небольшой срок службы и невысокая надёжность).
Качественно улучшить условия подготовки горячей воды позволяют электронагревательные элементы трансформаторного типа (НЭТ), в которых индуктор, как в силовых трансформаторах, состоит из магнитопровода и первичной обмотки. Особенностью конструкции таких нагревательных элементов является вторичная обмотка, выполненная в виде короткозамкнутого (КЗ) витка, в которой выделяется основная доля тепла. Вторичная обмотка непосредственно, без промежуточного теплообменника или слоя изоляции, контактирует с нагреваемой средой. Такое техническое решение позволяет получить более безопасный в эксплуатации электронагревательный элемент с большим сроком службы.
Актуальность рассматриваемых в работе вопросов вызвана потребностью повышения безопасности и эффективности использования электрической энергии в процессе преобразования её в тепловую, необходимостью разработки и исследования новых видов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа с высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, которые могут использоваться в бытовых и промышленных установках систем энергообеспечения.
В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки нагревательных элементов, которые обеспечивают повышенный класс электробезопасности, высокую надёжность и долговечность при минимальных массо- стоимостных показателях.
Объект исследования: электротехническое оборудование систем энергообеспечения бытовых, промышленных и сельскохозяйственных потребителей тепловой энергии.
Предмет исследования: электромагнитные и тепловые процессы в НЭТ и их влияние на массогабаритные и экономические показатели теплогенери- рующего оборудования систем энергообеспечения.
Цель работы: решение крупной научно-технической проблемы по повышению безопасности и улучшению эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, в первую очередь горячего водоснабжения и отопления, в том числе для объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения, за счёт создания теплогенерирующего оборудования на основе новых видов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа.
В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:
анализ существующих и перспективных электротехнических устройств для систем энергообеспечения, экономично и безопасно обеспечивающих заданные температурные условия посредством преобразования электрической энергии в тепловую;
разработка улучшенных конструкций электронагревательных элементов и устройств на основе трансформаторов с КЗ вторичной обмоткой;
анализ электромагнитных и тепловых процессов, разработка методик проектирования, определения параметров элементов конструкции, электромагнитных и тепловых нагрузок, энергетических показателей НЭТ, получение рекомендаций для проектирования таких устройств;
создание комплекса программ для расчёта и проектирования НЭТ, предназначенных для работы в системах отопления и горячего водоснабжения;
выявление особенностей работы НЭТ в системах теплоснабжения, разработка методов управления этими устройствами, работающими в энергетических системах;
выполнение комплекса работ по созданию, экспериментальному исследованию и освоению производства новых видов электронагревательных устройств трансформаторного типа.
Методы исследований включают аналитические и численные методы расчёта электромагнитных и тепловых полей, теорию электрических цепей, теплофизику, теорию подобия, теорию планирования эксперимента, физическое, математическое и численное моделирование, современные методы, способы и средства экспериментальных исследований. В качестве основных математических средств использованы методы математического анализа, вычислительная математика, математический аппарат теории планирования эксперимента, дискретной математики, методы математического программирования. Использовались пакеты ELCUT, ANSYS, MatLab, MathCAD, а также системы программирования Delphi, Visual Basic и др.
Достоверность результатов подтверждается как использованием апробированных теоретических положений и математического аппарата, так и согласованными результатами вычислительных и физических экспериментов, испытаниями опытных образцов в реальных условиях, а также результатами их внедрения и опытной эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в решении сложной научно- технической проблемы, которая требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающих повышение безопасности и улучшение эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, в частности:
сформулированы требования, предъявляемые к системам энергообеспечения на основе НЭТ, и разработаны принципы формирования таких систем;
получены новые математические модели электромагнитных и тепловых процессов, позволяющие проектировать и исследовать однофазные и трёхфазные НЭТ с учётом особенностей их конструкции и режимов работы;
разработаны методики проектирования, определения параметров, размерных соотношений, электромагнитных и тепловых нагрузок НЭТ;
создана методика выбора варианта конструкции при проектировании НЭТ с минимальной стоимостью материалов;
разработаны и предложены новые конструкции НЭТ, обеспечивающие повышенный класс электробезопасности и высокие эксплуатационные показатели систем энергообеспечения;
предложен метод управления НЭТ с учётом особенностей их работы, в том числе в энергетических системах ограниченной мощности;
разработаны рекомендации по проектированию и использованию НЭТ в системах энергообеспечения.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
-
Новые конструкции электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, обеспечивающих высокие показатели безопасности и надёжности в эксплуатации.
-
Методика и алгоритмы электромагнитного расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, учитывающие особенности конструкций и режимов работы таких устройств в системах отопления и горячего водоснабжения.
-
Математические модели электромагнитных процессов, позволяющие определять параметры вторичного короткозамкнутого контура сложной формы для адекватного расчёта НЭТ заданной мощности.
-
Математические модели тепловых процессов, позволяющие определять области с наибольшей температурой и значения этой температуры с целью улучшения конструкции и оценки правильности выбора электромагнитных нагрузок и размерных соотношений на этапе проектирования НЭТ.
-
Методика определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с использованием метода планирования эксперимента, на основе которого производится построение и анализ функциональных зависимостей для поиска варианта с минимальной стоимостью материалов НЭТ.
-
Комплекс программ для расчёта, проектирования и исследования электромагнитных и тепловых процессов в НЭТ, в том числе, программа моделирования трёхмерного температурного поля в НЭТ с пространственной планарной магнитной системой.
-
Математическая и компьютерная модели для анализа динамических режимов работы трёхфазного НЭТ в электрических сетях ограниченной мощности, учитывающая особенности конструкции и режимы работы НЭТ.
-
Рекомендации по проектированию, использованию и эксплуатации электронагревательных устройств трансформаторного типа для систем энергообеспечения, полученные на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы заключается в решении крупной научно-технической проблемы по повышению безопасности и улучшению эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, за счёт создания теплогене- рирующего оборудования на основе новых конструкций электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа; создании методик и алгоритмов электромагнитных и тепловых расчётов и их реализации с использованием пакетов современных прикладных программ и авторского программного обеспечения при проектировании и исследовании предложенных устройств; разработке теоретических положений и практических рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений при проектировании, конструировании и эксплуатации электротехнических устройств генерации тепловой энергии в системах энергообеспечения потребителей, удалённых от централизованных источников тепловой энергии; создании макетных и опытно-промышленных образцов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа для систем энергообеспечения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-техническом семинаре электротехнического факультета КнАГТУ, 2012 г.; двух дальневосточных научно-практических конференциях «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий», г. Комсомольск-на-Амуре, 1992 г., 1995 г.; региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 1994 г.; двух Международных научно- технических симпозиумах «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона», г. Комсомольск-на-Амуре, 1994 г., 1995 г.; конференции по итогам выполнения МРНТП «Дальний Восток России» за 1993-1996 гг. «Машиностроительный и приборостроительный комплексы Дальнего Востока проблемы конверсии», г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.; научно-техническом семинаре электротехнического факультета КнАГТУ, 1997 г.; 3-й Международной конференции «Новые энергетические системы и преобразование энергии» (NESSC'97), г. Казань 1997 г.; научно-техническом семинаре кафедры электрических машин и аппаратов Томского политехнического университета, 1997 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы механики сплошной среды», г. Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.; двух Международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2001 г., 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» (ЭЭЭ-2003), г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.; двух Международных научно-практических конференциях в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна», г. Комсомольск-на- Амуре, 2010 г., 2011 г.; Международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.; 2-й научно-практической конференции с международным участием «Инновационная энергетика 2010», г. Новосибирск, 2010 г.
Реализация работы осуществлена в рамках межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально- экономические проблемы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электрооборудования, направленное на применение и освоение производства предприятиями Дальневосточного региона»; гранта Г-215/3 «Разработка конструкций и методики расчёта однофазных электроотопительных устройств трансформаторного типа»; ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, выполняемых на кафедре электромеханики КнАГТУ. На новые технические решения автором получено 10 патентов и свидетельств РФ.
Научные рекомендации и технические предложения автора использованы при разработке, проектировании и подготовке производства новых видов изделий на основе НЭТ на ОАО «Электротехническая компания «Биробиджанский завод силовых трансформаторов»; при разработке и создании электрорадиатора трансформаторного типа ЭРГПС-0,75/220(ст) по заданию ОАО «Амурская ЭРА, г. Комсомольск-на-Амуре. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанная техническая документация переданы Ком- сомольскому-на-Амуре филиалу ООО «Научно-Технический Центр Информационные Технологии» для использования при проектировании и освоении производства новых типов нагревательных элементов для систем электронагрева; ООО «Амурская нерудная компания» и ООО «Дальневосточная нерудная компания» г. Амурск для использования при вводе в эксплуатацию новых источников теплоснабжения производственных помещений на основе электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа; Региональному учебно-научному инновационному центру энергосбережения (УНИЦЭ) при КнАГТУ для создания энергосберегающих систем теплоснабжения на основе электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа.
Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе специальностей 140601 «Электромеханика» и 150408 «Бытовые машины и приборы» при изучении дисциплин «Бытовые машины и приборы», «Проектирование бытовых машин и приборов», «Бытовые электронагревательные устройства и приборы», «Математическое моделирование электрических машин», «Основы научных исследований», при проведении практических и лабораторных занятий по указанным курсам, а также при курсовом, дипломном проектировании и при подготовке магистерских диссертаций по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
Созданные макетные образцы проточных и аккумуляционных электроводонагревателей, а также электрорадиаторов трансформаторного типа экспонировались на международных выставках в г. Шанхай, КНР (1996, 1997 гг.), на международной специализированной выставке «Российские наукоёмкие технологии и техника» в г. Харбине (КНР) (1996 г.), на региональных выставках в г.г. Хабаровске, Благовещенске, Комсомольске-на-Амуре (1996, 1997, 1998 гг.), на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (изобретения, инвестиционно-привлекательные инновации, высокие технологии) (2008 г.) и на выставке в рамках международного симпозиума глав муниципальных образований с развитым машиностроением Азиатско-Тихоокеанского региона в г. Комсомольск-на-Амуре (2009 г.).
Личный вклад заключается в разработке новых конструкций, методик, алгоритмов и программ расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств для систем энергообеспечения; создании и реализации математических моделей электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в НЭТ, в том числе, программ для моделирования трёхмерного температурного поля в НЭТ с пространственной магнитной системой, программ для определения активного сопротивления вторичной обмотки сложной формы в трёхфазном НЭТ, компьютерной модели НЭТ для исследования динамических режимов работы в энергосистемах; создании методики определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с минимальной стоимостью материалов; получении рекомендаций для проектирования НЭТ разных конструкций и мощностей; проведении испытаний опытных образцов.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в монографии и 73 печатных работах, в том числе 13 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК. Новизна разработок подтверждается 10 патентами и свидетельствами Российской Федерации на изобретения и полезные модели. Зарегистрированы 4 программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка из 210 наименований и 18 приложений. Содержит 375 страниц машинописного текста, 23 таблицы и 132 рисунка.
Похожие диссертации на Электронагревательные элементы и устройства трансформаторного типа для систем энергообеспечения
-
