Введение к работе
Актуальность темы. Создание эффективных электротехнических систем индуктивно-ко нду ктивно го 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 индуктивно-кондуктивного 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-ко ндуктивно го 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:
Анализ существующих бытовых устройств, для дополнительного обогрева помещений, их предельных взаимосвязанных тепловых и электромагнитных характеристик, рекомендаций к выбору типа установки.
Формулирование особенностей создания математической модели технических решений и конструктивных схем индуктивно-кондуктивных установок, обеспечивающих создание высокоэффективных и электробезопасных систем нагрева воздуха.
Разработка математической модели устройства на основании научно-обоснованных исходных положений для расчета электромагнитного и теплового полей, физико-математическое моделирование и идентификация математической модели целевыми экспериментами с измерением электромагнитных и тепловых параметров.
Обобщение теоретических и экспериментальных исследований распределения активной и тепловой энергий в системе индуктивно-кондуктивного нагрева.
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-ко ндуктивно го типа.
Методы исследования основаны на математическом моделировании электромагнитных процессов методами теории поля, тепловых явлений методами теории теплопроводности, численно-аналитическими 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:
Особенности исследования технических решений и конструктивных схем индуктивно-ко ндуктивных установок, обеспечивающих создание высокоэффективных и электробезопасных систем нагрева воздуха.
Научно обоснованные исходные положения и математическая модель преобразования электрической энергии в электромагнитную и тепловую на основе численно-аналитического метода расчёта слоистых ин-дуктивно-кондуктивных систем с использованием рекуррентных соотношений между параметрами поля.
3 Совокупность теоретических и экспериментальных исследований
распределения энергии в системе коаксиальных цилиндров из алюми
ния и ферромагнитных металлов, анализ энергораспределений в ци
линдрах при изменении их геометрических размеров.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых полей в коаксиальных цилиндрах системы, образующих нагрузку тороидального индуктора, и используемых в качестве теплоотдающих поверхностей.
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 индуктивно-кондуктивного типа.
Научная новизна заключается в:
исследовании комплекса научных и прикладных задач по новому направлению развития индуктивно-ко ндуктивных установок для низкотемпературного нагрева воздуха, обеспечивающего создание принципиально новых электротехнических устройств;
впервые разработана методика численно-аналитического расчета электротеплового поля системы коаксиальных цилиндров, образующих активную зону нагрева;
разработаны рекомендации к созданию инженерной методики расчёта индуктивно-ко ндуктивных 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 «Индустриально-инновационное 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. Комсомольск-на-Амуре); II всероссийской научно - практической конференции «Системы 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 205 страницах и включает 66 рисунков и 9 таблиц.
