Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Децентрализованные системы электроотопления и горячего водоснабжения
1.1. Обзор конструкций нагревательных элементов 10
1.2. Использование однофазных нагревательных устройств трансформаторного типа в децентрализованных системах энергоотопления 15
1.3. Использование трехфазных электронагревательных устройств трансформаторного типа со стержневым магнитопроводом в децентрализованных системах энергоотопления 18
1.4. Электронагревательные устройства с вынесенной нагрузкой 27
1.5. Электронагревательные устройства для преобразования энергии и нагре ва воды 29
1.6. Методы исследования тепловых процессов.
1.6.1. Метод эквивалентных греющих потерь , 30
1.6.2. Метод эквивалентных тепловых схем замещения 33
1.6.3. Метод температурных полей 36
1.7. Методы исследования электромагнитных процессов 41
ВЫВОДЫ 44
ГЛАВА 2 . Особенности работы децентрализованных систем энергообеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа .
2.1. Принципы формирования автономных систем энергообеспечения 46
2.2. Системы управления трансформаторами с короткозамкнутой вторичной обмоткой для устройств электронагрева 49
2.3. Регулирование мощности систем электронагрева трансформаторного типа 62
2.4. Переходные процессы в системах электронагрева трансформаторного типа 69
ВЫВОДЫ 74
ГЛАВА 3. Параметры вторичных короткозамкнутых обмоток трансформаторов для децентрализованных систем .
3.1. Определение параметров короткозамкнутых вторичных обмоток для децентрализованных систем 75
3.2. Уравнение теплопроводности для расчета температуры вторичной ко-роткозамкнутой обмотки 82
3.3. Методика решения системы уравнений для расчета температуры тепловыделяющей вторичной короткозамкнутой обмотки 89
ВЫВОДЫ 97
ГЛАВА 4. Особенности проектирования, технологии изготовления и экспериментальные исследования систем электроотопления горячего водоснабжения .
4.1 Особенности проектирования однофазных систем электроводонагрева трансформаторного типа 98
4.2. Особенности проектирования трехфазных систем электроводонагрева трансформаторного типа : 102
4.3. Экспериментальные исследования однофазных аккумуляционных электронагревателей трансформаторного типа 106
4.4. Разработка конструкции и элементов технологии производства систем электроводонагрева трансформаторного типа 108
Выводы 117
Заключение 118
Приложения
- Использование однофазных нагревательных устройств трансформаторного типа в децентрализованных системах энергоотопления
- Принципы формирования автономных систем энергообеспечения
- Определение параметров короткозамкнутых вторичных обмоток для децентрализованных систем
- Особенности проектирования однофазных систем электроводонагрева трансформаторного типа
Введение к работе
Актуальность данной работы вызвана потребностью человека в повышении уровня жизни, необходимостью разработки и исследования систем децентрализованного обеспечения на основе короткозамкнутых трансформаторов для устройств электронагрева с высокими техническими и эксплуатационными показателями.
Улучшение условий производства и повышение комфортности рабочих мест и жилых помещений, удаленных от теплоцентрали, связано с развитием децентрализованного горячего водоснабжения и отопления.
В настоящее время системы децентрализованного энергообеспечения с источниками энергии, работающими на одного потребителя, не развиты. Однако в последнее время к ним возрос интерес, что объясняется, прежде всего, неудовлетворительным качеством централизованного теплоснабжения при явной тенденции к повышению стоимости отпускаемой теплоты.
Одним из путей повышения эффективности работы децентрализованных систем энергообеспечения является использование нагревательных элементов трансформаторного типа.
Нагревательные элементы трансформаторного типа представляют собой трансформатор, вторичная обмотка которого замкнута накоротко. Как правило, она имеет один объемный виток. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в основном в этом короткозамкнутом витке.
Нагревательные элементы трансформаторного типа обладают рядом преимуществ перед нагревательными элементами других типов.
Высокий класс электробезопасности, длительный срок службы, наибольшее напряжение прикосновения на нагревательном элементе не превышает 2 В. Тепловыделяющая поверхность нагревательного элемента трансформаторного типа не имеет гальванической связи с питающей сетью. Как правило, системы на основе короткозамкнутых трансформаторов относится
6 ко второму классу электробезопасности, тогда как трубчатые к первому, а спиральные и электродные - к нулевому.
Удельные тепловые нагрузки на тепловыделяющую поверхность в системах трансформаторного типа существенно ниже, чем в спиральных и трубчатых. Поэтому интенсивность образования накипи па поверхности нагревательных элементов трансформаторного типа меньше, чем у нагревательных элементов других типов. В связи с этим нагревательные элементы трансформаторного типа более надежны.
Рядом российских предприятий освоен выпуск систем децентрализованного обеспечения на основе короткозамкнутых трансформаторов (типы ЭВАН "Орель", ЭВП, ЭНТ, ЭРГНТ, ЭРГУ и другие).
Целью работы является разработка и исследование систем децентрализованного энергообеспечения на основе трансформаторов с короткозамк-нутой вторичной обмоткой с высокими эксплуатационными показателями.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка децентрализованных систем горячего водоснабжения и электроотопления на основе трансформаторов с короткозамкнутой, вторичной обмоткой.
Математическое моделирование электромагнитных и тепловых процессов в статических и динамических режимах работы.
Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных и тепловых процессов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Новые конструкции для децентрализованных систем горячего водоснабжения и электроотопления.
Математические модели для анализа процессов управления электромагнитными и тепловыми процессами в децентрализованных системах энергообеспечения.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований децентрализованных систем энергообеспечения.
Методы исследований Исследования проводились с использованием аналитических и численных методов расчета электромагнитных и тепловых процессов, теории электрических цепей, теплофизики, теории планирования эксперимента, физического моделирования, экспериментальных исследований.
Научная новизна предлагаемой диссертационной работы заключается в следующем:
разработаны новые конструкции нагревательных элементов трансформаторного типа для систем децентрализованного обеспечения;
созданы методики расчетов параметров элементов децентрализованных энергосистем на основе короткозамкнутых трансформаторов;
разработаны математические модели для анализа тепловых и электромагнитных процессов, учитывающие особенности предлагаемых элементов систем децентрализованного обеспечения;
в результате исследований выработаны рекомендации по использованию и проектированию элементов систем децентрализованного обеспечения.
Практическая значимость полученных результатов и выводов заключается в решении проблемы создания нового энергетического оборудования для систем горячего водоснабжения и отопления, отвечающего современным требованиям и соответствующего уровню лучших мировых образцов, в разработке и исследовании систем энергообеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа, в создании методик и алгоритмов электромагнитных и тепловых расчётов предложенных устройств, разработке рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проектирования однофазных и трёхфазных трансфор-
маторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой различной мощности для децентрализованных систем горячего водоснабжения и отопления.
Новизна и значимость технических решений подтверждены патентами РФ, созданных в процессе диссертационного исследования и публикациями в научных изданиях.
Реализация работы. Результаты работы внедрены на ЗАО "Электро-техника-БирЗСТ" г. Биробиджан; ЖКХ Ульчского района; в учебный процесс специальность 150408 "Бытовые машины и приборы" и используются при курсовом и дипломном проектировании, при чтении лекционных курсов "Бытовые машины и приборы", "Проектирование бытовых машин и приборов", "Бытовые электронагревательные устройства и приборы", в лабораторном практикуме и при проведении практических занятий по указанным курсам.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: - Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2001, - Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы», Томск, 2003, - Международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика», Комсомольск-на-Амуре, 2003.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 патента РФ.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, иллюстрированных 60 рисунками и 4 таблицами, списка использованных источников из 134 наименований и четырех приложений, в которых представлено 1
описание разработанного программного обеспечения, 3 актов о внедрении результатов диссертации.
Автор выражает сердечную благодарность кандидату технических наук, профессору Гринкругу Мирону Соломоновичу за оказанное содействие в планировании экспериментов и обсуждении их результатов, большую консультативную работу наставника.
В первой главе рассмотрены существующие типы нагревательных элементов для систем децентрализованного обеспечения, произведен их сравнительный анализ и рассмотрены методы исследования тепловых процессов.
Вторая глава посвящена разработке устройств управления и регулирования мощности в системах децентрализованного обеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа. Сформулированы требования к устройствам управления и регулирования. Разработана и исследована математическая модель для расчета электромагнитных процессов и произведен их анализ.
В третьей главе рассмотрены особенности расчетов параметров элементов и распределения температуры тепловыделяющих элементов. ,
Четвертая глава посвящена разработке методики проектирования элементов технологий изготовления, экспериментальным исследованиям систем электроотопления и горячего водоснабжения.
Использование однофазных нагревательных устройств трансформаторного типа в децентрализованных системах энергоотопления
В бытовых системах электронагрева и горячего водоснабжения используются однофазные нагревательные элементы трансформаторного типа. Их целесообразно конструировать на основе тороидальных шихтованных магнитных систем /15/. Такая магнитная система представляет собой кольцевой магнитопровод, навитый из ленты электротехнической стали. Тороидальная конструкция магнитной системы электроводонагревателей позволяет существенно уменьшить магнитное поле рассеяния, а также избежать стыковых соединений участков магнитной системы, а следовательно уменьшить потери, величину намагничивающего тока, повысить коэффициент полезного действия и коэффициент мощности нагревательного элемента.
Нагревательный элемент такого типа имеет следующую конструкцию (рис. 1.1.) /37/. Первичная обмотка 2 нагревательного элемента выполняется из медного или алюминиевого изолированного провода круглого сечения, равномерно намотанного на сердечник магнитопровода 1. Вторичная корот-козамкнутая обмотка 3, выполненная в виде полой тороидальной камеры, герметично закрывает индуктор (сердечник и первичную обмотку) от проникновения воды.
Электронагревательное устройство работает следующим образом. Переменный ток, протекающий по первичной обмотке создает переменный магнитный поток в кольцевом магнитопроводе. Под действием электродвижущей силы, наведенной переменным магнитным потоком, по вторичной короткозамкнутой обмотке протекает электрический ток, нагревающий вторичную обмотку. От вторичной обмотки тепло передается в нагреваемую среду.
Тепловая энергия, выделяющаяся во вторичной обмотке, неравномерно распределена по ее поверхности. Наибольшая часть энергии выделяется в центральной трубке и в прилегающих к ней участков торцевых дисков, на долю которых приходится основная часть активного сопротивления вторичной обмотки. При этом тепловая мощность, приходящаяся на единицу поверхности трубки, может превышать допустимые значения. Поэтому целесообразно выполнять трубку из материала большей толщины, чем другие элементы вторичной обмотки.
Вторичная короткозамкнутая обмотка может иметь кольцевую форму поперечного сечения и изготавливаться из материала одной толщины. В этом случае можно использовать при изготовлении вторичной обмотки такие технологические процессы, как глубокая вытяжка и сварка давлением /107/. Для лучшего заполнения внутреннего объема вторичной обмотки желательно изготавливать магнитопровод с формой поперечного сечения, максимально приближенного к кругу.
Аналогичная конструкция может быть выполнена на шихтованном сердечнике прямоугольной формы (рис. 1.2).
Эта конструкция облегчает намотку первичной обмотки, так как она наматывается сначала на изоляционный каркас, а потом устанавливается на сердечник. Вторичная обмотка, выполненная в виде герметичной камеры, полностью закрывает индуктор. Предлагаемая конструкция по сравнению с тороидальной имеет то преимущество, что центральный канал имеет большой периметр и меньшее электрическое сопротивление. Это приводит к более рагномерному распределению тепловой мощности и температуры во вторичной обмотке. Недостатком рассматриваемой конструкции является наличие шихтованных стыков и относительно большой намагничивающий ток. Рассматриваемый нагревательный элемент может использоваться как в аккумуляционных, так и в проточных нагревателях.
Принципы формирования автономных систем энергообеспечения
Системы децентрализованного энергообеспечения с источниками энергии, работающими на одного потребителя (без электрических и тепловых сетей), в настоящее время в России не развиты. Однако, с учетом постоянно возрастающих тарифов и острой необходимости создания энергосберегающих технологий, они находятся в первом ряду приоритетных направлений устойчивого развития регионов. Как правило, автономные энергосистемы создаются преимущественно по традиционным схемам и построены на базе дизельэлектрических установок, теплогенераторов, а также отопительных печей о низким КПД и имеют значительные выбросы вредных веществ в атмосферу, поэтому находят применение только при отсутствии централизованных систем электро- и теплоснабжения. Применяются также автономные системы горячего водоснабжения с использованием электронагрева. Особенно эффективно применение электронагрева в условиях 2-х тарифной системы оплаты электроэнергии /26,27,39,40,66,67/.
Резко возросший в последнее время интерес к системам децентрализованного теплоснабжения объясняется, прежде всего, неудовлетворительным качеством централизованного теплоснабжения при явной тенденции к повышению стоимости отпускаемой теплоты. Повышение тарифа на теплоту нельзя объяснить только ростом цен на энергоносители - значительная его часть определяется непроизводительными потерями энергии (при транспортировании, отсутствии автоматизации и пр.) и повышенной материалоемкостью тепловых и электрических сетей. За рубежом, в том числе для крупных потребителей, наряду с системами централизованного теплоснабжения ши рокое применение имеют системы децентрализованного энергоснабжения на основе высокоэффективных автоматизированных источников, обеспечивающих меньший расход энергоресурсов (на 10...30%), снижение материалоемкости в 2...5 раз, значительное сокращение сроков строительства, чем при централизованном энергообеспечении /54,55,58,59/.
Применяемые в системах децентрализованного энергообеспечения теплогенераторы зарубежного производства представляют собой, как правило, газовые водогрейные аппараты. Они могут использоваться, как в составе котельной для теплоснабжения группы потребителей, так и для децентрализованного теплоснабжении с установкой на крыше или в чердачном помещении здания. Возможна установка модулей в подвальном помещении, пристройке к зданию или на техническом этаже. Централизованное теплоснабжение (тепловая сеть) отсутствует. Котельная, при соответствующей диспетчеризации, может работать «на замке», без постоянного обслуживающего персонала. Опыт применения систем децентрализованного теплоснабжения в стране невелик, так как владельцев импортного оборудования мало, а выпускаемые промышленностью теплогенераторы типа АГВ и АОГВ имеют ограниченную мощность /116/.
Внедрение систем децентрализованного теплоснабжения:
- не требует дефицитных труб, теплоизоляционных и строительных материалов, т. е. сокращает программу строительства и реконструкции традиционных систем теплоснабжения, а дополняет ввод мощностей по источникам теплоты, прежде всего за счет производства на предприятиях, ранее не работавших для нужд жилищно-коммунального хозяйства; исключает отвод земельных площадей под сооружение котельных, ТЭЦ и тепловых сетей;
- не только обеспечивает собственно экономию топлива за счет высокого КПД и автоматизации отпуска теплоты, но и благодаря организованному учету расхода теплоты (топлива) дает возможность внедрения действенного хозяйственного механизма управления энергосбережением;
- требует более квалифицированного обслуживания, но в то же время создает предпосылки для внедрения новых, более совершенных организационных форм в жилищно-коммунальном хозяйстве (арендный подряд, сервисное обслуживание и пр.), что особенно актуально в условиях приватизации;
- дает возможность существенного снижения затрат на внутридомовые системы отопления за счет перехода на трубы меньшего диаметра, применения неметаллических материалов, разделенных систем и т. п.;
- расширяет масштабы использования нетрадиционных и во зобновляемых источников энергии, ограниченного трудностями совмещения с системами централизованного теплоснабжения.
Надежность систем децентрализованного теплоснабжения обосновывается мгюгоблочностью котельных и значительно более низкой повреждаемостью электрических и газовых сетей по сравнению с водяными тепловыми сетями. Естественно, что такие системы на данном этапе не могут и не должны полностью решить проблему обеспечения растущих тепловых нагрузок, однако их применение может весьма экономично дополнять развитие существующих централизованных систем уже в ближайшем будущем, например, в следующих случаях:
1. При строительстве новых или реконструкции (с ростом тепловых нагрузок) старых зданий в районах, где по экологическим или другим ограничениям затруднено строительство крупных источников теплоты.
2. При выходе из строя теплотрасс в условиях, затрудняющих их перекладку (насыщение транспортными и инженерными коммуникациями, наличие памятников архитектуры и пр.).
3. При обеспечении потребителей: - когда перерывы теплоснабжения или горячего водоснабжения недопустимы (в медицинских учреждениях) или влекут за собой существенные экономические потери (в гостиницах);
Определение параметров короткозамкнутых вторичных обмоток для децентрализованных систем
В рассматриваемых децентрализованных системах наиболее специфическим элементом, определяющим свойства систем и особенности процессов систем, являются вторичные короткозамкнутые обмотки нагревательного элемента трансформаторного типа.
Вторичные обмотки такого типа, как правило, выполнены в виде ко-роткозамкнутого витка большого сечения. Форма такого витка может быть достаточно сложной. Такие обмотки изготавливаются либо из листового то-копроводящего материала, либо из металлических труб, а также с использованием специфических технологий (напыление, отливка и т.д.). Индуктивное сопротивление рассеяния короткозамкнутых обмоток в большинстве случаев невелико, оказывает незначительное влияние на величину коэффициента мощности трансформатора и может быть определено по известным методикам, однако, в ряде случаев требуется корректировка традиционных методик. Это обусловлено спецификой материала и формы короткозамкнутого витка, неравномерностью распределения тока по его длине, а также особенностями проявления эффекта вытеснения тока.
Указанные факторы оказывают существенное влияние и на величину активного сопротивления вторичной обмотки. При расчете и проектировании короткозамкнутых трансформаторов особое значение имеет определение активного сопротивления вторичной обмотки, так как именно на этом сопротивлении выделяется полезная мощность трансформатора. Расчет активного сопротивления алюминиевых обмоток, имеющих относительно простую форму, может быть выполнен с использованием аналитических методов /19 /. Определение параметров обмоток, выполненных с использованием ферромагнитных материалов, требует применения ЭВМ.
Активное сопротивление вторичной обмотки г2 сложной формы может быть представлено суммой сопротивлений r2i отдельных последовательно соединенных между собой элементов относительно простой формы: трапеция, диск, сектор и т.д. При этом сопротивление каждого элемента определяется с учетом проявления эффекта вытеснения тока и неравномерности рас I
Примеры конструкций, встречающихся в короткозамкнутой вто ричной обмотке. пределения плотности тока по длине элемента, обусловленной формой элемента и особенностями токоподвода к элементу. Примеры конструкций, встречающихся в короткозамкнутой вторичной обмотке, приведены на (рис.3. 1)/50/.
Сопротивления простой формы: лента, лист, конус определены ранее /19/. Сопротивление элемента простой формы удобно представлять в виде ПрОИЗВедеНИЯ Г2і ГИ - Г2біГ2і » где rm = р базовое значение сопротивления, определяемое по средним Аа значениям длины Ь, толщины А и ширины а элемента обмотки, р- удельное сопротивление материала вторичной обмотки при рабочей температуре; r2t -относительное значение сопротивления элемента обмотки, учитывающее увеличение сопротивления вследствие неравномерности распределения плотности тока по длине элемента. Тогда общее сопротивление короткозамкнутой вторичной обмотки может быть рассчитано по формуле: п Г2 = 2-і W Г2б/ Г2і і где п — число участков; kri— коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления /-го участка вследствие проявления эффекта вытеснения тока.
В некоторых случаях для элементов простых форм возможно вычисление сопротивлений путем интегрирования сопротивлений элементарных участков.
Рассмотрим расчет активного сопротивления элементов вторичной обмотки при постоянной температуре на наиболее типичных примерах.
Вторичная короткозамкнутая обмотка может содержать элементы, имеющие форму равнобедренной трапеции (рис.3.2). Активное сопротивление трапеции при токе, текущем перпендикулярно основанию трапеции:
Особенности проектирования однофазных систем электроводонагрева трансформаторного типа
При расчете и проектировании электронагревателей трансформаторного типа на предварительном этапе особое значение приобретает определение технико-экономических показателей /36,52,123,124/. К ним относятся: вес, объем и цена. Эти показатели могут быть удельными, определяемые на единицу мощности:
Как выяснилось при расчетах, главными факторами, влияющими на технико-экономические показатели, являются основные геометрические соотношения и плотность тока в первичной обмотке.
Геометрия сердечника трансформатора характеризуется соотношениями: где Dci - внутренний диаметр магнитопровода, Нс - высота сердечника, а - ширина магнитопровода.
Через базовый размер а и безразмерные коэффициенты х, у выражаются сечения, поверхность, объем трансформатора, а при использовании некоторых постоянных величин, также его вес и стоимость /36/.
Для нахождения прямой связи между весом G, объемом V, стоимостью Ц, характеризующие геометрические размеры трансформатора, применялся метод планирования эксперимента. В качестве объекта рассматривался тороидальный трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой, применяемый в проточном электроводонагревателе. Мощность трансформатора Р = 5 кВт, индукция в сердечнике В=1,6 Тл. Согласно избранного метода функции L(=F(x,y,j); G-F(x,y,j); V=F(x,y,j) - называются функциями цели, a x,y,j - факторами. В результате трехфакторного планирования эксперимента получены коэффициенты регрессии и полиномов, позволяющие определить технико-экономические показатели для любого сочетания факторов. Интервалы варьирования независимых факторов указаны в табл.4.1
Таким образом, использование метода планирования эксперимента позволяет определить аналитические выражения для расчета технико-экономических показателей электронагревательных элементов трансформаторного типа тороидальной конструкции.
Для определения основных геометрических соотношений и технико-экономических показателей проведена серия электромагнитных, тепловых и технико-экономических расчетов для нагревательных элементов трансформаторного типа различной мощности: 1,25 кВт; 5,5 кВт; 6 кВт; 25 кВт. Построены аппроксимирующие зависимости и получены для них аппроксимирующие функции.
На рис. 4.4. показана зависимость, которая отражает характер изменения толщины вторичной обмотки при увеличении мощности. Зависимость практически линейна.
При мощностях от 1 кВт до 2 кВт масса первичной обмотки и масса вторичной обмотки близки по величине, а с увеличением мощности до 25кВт масса первичной обмотки нагревателя больше в 2,5 раза из-за непропорционального изменения ЭДС витка, которое искусственно ограничивается с целью обеспечения заданного класса по электробезопасности (рис.4.5).
При анализе расчетных данных было установлено, что мощность 1,25 кВт «выпадает» из общего ряда зависимостей, для нагревателей такой малой мощности нужно производить отдельные расчёты. Полученные результаты позволяют упростить расчеты электроводонагревателей трансформаторного типа.
С целью проверки работоспособности таких устройств, соответствие технико-экономических показателей ГОСТ 27570.0-87, ГОСТ Р МЭК 60335-2-30-99, проверки адекватности математической модели были проведены экспериментальные исследования нестационарных тепловых процессов, протекающих в электронагревателях трансформаторного типа в процессе пуска при различных напряжениях (220В, 253В) и при различных условиях работы.
Исследования проведены на опытном образце аккумуляционного бытового электроводонагревателя мощностью 1 кВт и ёмкостью бака 50 литров, выполненного на базе нагревательного элемента ЭНТ-1,0/220 в составе с блоком управления ЭВАН-50/1,0-220 /51/.
Полученные в ходе испытаний экспериментальные зависимости приведены на рис.4.11 -4.14 (сплошной линией обозначены зависимости, соответствующие напряжению 220В, пунктирной линией - 253В).
В процессе пуска с ростом температуры воды 7в ток / и мощность Р, потребляемые из сети, мощности, выделяющиеся в первичной Pi и вторичной Рг обмотках, температура первичной обмотки Т\, а также превышения температур первичной обмотки ЛТ\ и вторичной обмотки ЛТ2, изменяются весьма нелинейно, что обусловлено непостоянством коэффициентов теплоотдачи, изменением сопротивления обмоток при изменении их температуры и управляющим воздействием системы управления
