Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ функционирования систем жизнеобеспечения, работающих с использованием электрической энергии. Постановка задач исследования .
1.1. Системы отопления жилых и производственных помещений 12
1.2. Автономные системы горячего водоснабжения жилых и общественных зданий 23
1.3.Тепловые завесы 26
1.4. Определение цели и постановка задачи исследования 28
Выводы кглаве1 , 31
2. Методы исследования и их теоретические основы..
2.1. Определение параметров для разрабатываемых нагревательных элементов с учетом особенностей функционирования систем жизнеобеспечения 32
2.2. Программа исследования стабильности электротехнических параметров нагревательных элементов 36
2.3. Оценка теплоощущений человека 38
2.4. Методика расчетов параметров электронагревательных приборов, которые определяют характеристики отопительной системы 45
2.5. Методики проведения экспериментов 51
Выводы к главе 2 53
3. Разработка и исследование элеетротехнических параметров нагревательных элементов для систем жизнеобеспечения .
3.1. Выбор материала подложки и изоляционного покрытия 54
3.2. Выбор тепловыделяющего элемента 58
3.3. Исследование температурного коэффициента сопротивления 60
3.4. Исследование изменения сопротивления толстопленочного резистора при термическом старении под электрической нагрузкой и без неё 63
3.5. Контактная паста 66
3.6. Исследование влияния режимов термообработки на величину температурного коэффициента сопротивления 66
3.7. Краткое описание технологии изготовления толстопоеночного нагревательного элемента 68
Выводы к главе 3 : 71
4. Разработка электронагревательных приборов и исследование эффективности их работы в действующих системах жизнеобеспечения .
4.1.Системы водяного отопления и горячего водоснабжения на основе разработанного электроводонагревателя.
4.1.1. Системы горячего водоснабжения 72
4.1.2. Проточный водонагреватель 75
4.1.3. Испытания систем горячего водоснабжения с разработанным проточным водонагревателям 77
4.1.4. Системы совместного отопления и горячего водоснабжения 79
4.1.5. Водонагреватель для систем отопления 81
4.1.6. Испытания водонагревателей в системах отопления 82
4.2. Системы стационарного электрического отопления созданные на основе
разработанного электроконвектора.
4.2.1. Область применения стационарного электрического отопления. Создаваемые условия комфорта 89
4.2.2. Электроконвектор с толстопленочными нагревательными элементами, исследование эффеютивности его работы в помещениях различного назначения 100
4.3. Воздушно- тепловые завесы созданные на базе разработанных тепловозду ходувок.
4.3.1. Мероприятия по предотвращению поступления холодного воздуха в помещения 105
4.3.2. Тепловоздуходувка (электрическая тепловая завеса), исследование эффективности её работы 106
Выводы к главе 4 118
5. Технико- экономический анализ ,...'. 119
Выводы к главе 5 126
Заключение 127
Список литературы 129
- Автономные системы горячего водоснабжения жилых и общественных зданий
- Методика расчетов параметров электронагревательных приборов, которые определяют характеристики отопительной системы
- Исследование изменения сопротивления толстопленочного резистора при термическом старении под электрической нагрузкой и без неё
- Область применения стационарного электрического отопления. Создаваемые условия комфорта
Автономные системы горячего водоснабжения жилых и общественных зданий
Автономные системы горячего водоснабжения в жилищно-коммунальном секторе имеют длительную историю развития, как в малоэтажной застройке, так и в многоэтажных зданиях. Первыми теплогенераторами были водогрейные колонки. Однако уже в самом начале их использования они имели различную конструкцию в зависимости от вида используемого топлива (дровяные и газовые). Газовые водогрейные колонки - термоблоки - как элемент единой системы теплоснббжения (при централизованном отоплении) в настоящее время широко используются в газифицированных районах городской застройки. Развитие социальной сферы расширяет область применения и увеличивает мощность автономных источников в системах горячего водоснабжения объектов питания, гостиниц, спортивных сооружений, предприятий автосервиса и др., работающих от различных источников энергии, в том числе и от электрической, [85,89] Существенное влияние на технические решения и режимы работы автономной системы горячего водоснабжения оказывает тип теплогенераторов, которые можно классифицировать как проточные и емкостные. Проточные теплогенераторы
Основной особенностью проточных автономных теплогенераторов является форсированный гидравлический режим водяного контура с движением теплоносителя со скоростью более 1,5 м/с. Такие гидравлические режимы работы теплогенератора реализуются за счет существенного уменьшения (по сравнению с емкостными теплогенераторами) объема теплоносителя в нем до 0,025-0,035 дм на 1 кВт теплопроизводительности. Малые объемы теплоносителя улучшают динамические характеристики теплогенератора, обеспечивая период релаксации по тепловому возмущеншо 0,5-2 с/С, и позволяют создать компактные высокоэффективные теплообменниси теплогенераторов при использовании со стороны продуктов сгорания развитых поверхностей нагрева с высоким ребром и большой степенью оребрения. В большинстве конструкций проточных теплогенераторов для теплообменников используется медь или нержавеющая сталь. [11,17]
Проточные теплогенераторы имеют сравнительно высокое гидравлическое сопротивление, однако, их важным эксплуатационным качеством является устойчивость к отложению накипи в поверхностях нагрева, что объясняется явлением «смывания» отложений солей жесткости при значительной скорости потока (для меди - уже при скорости потока от 1 м/с, а при скорости 5 м/с-полное исключение отложений). Емкостные теплогенераторы. Особенности работы проточных теплогенераторов должны учитываться и при использовании емкостных теплогенераторов в тех случаях, когда объем воды в емкостном теплогенераторе менее 5 дм на 1 кВт мощности. Для емкостных теплогенераторов систем горячего водоснабжения и для вторичных контуров схем с независимым подключением проточных теплогене 25 раторов необходимо учитывать ряд важных моментов: - предусматривать защиту оборудования от отложений накипи умягчением воды в установках ее химической обработки (наиболее остро необходимость обработки воды становится при ее общей жесткости 4,5 мг-экв/л и более); - обеспечить защиту емкостей-аккумуляторов от внутренней коррозии (в большинстве случаев путем ангикоррозионной обработки поверхностей емкости и электрохимической защитой, преимущественно с магниевым анодом); - системой управления работой емкостных водонагревателей» баков-аккумуляторов обеспечивать периодический (один раз в 5-8 дней) нагрев воды в емкости до 90С с целью уничтожения бактерий легионелл. Необходимо также учитывать, что схемы с емкостными теплогенераторами обладают значительной тепловой инерцией в периоды запуска и больших водоразборов и могут приводить к существенным колебаниям температуры воды у потребителя. [33,115] При обосновании числа установленных теплогенераторов и их единичной мощности необходимо руководствоваться суточным графиком потреблевия горячей воды, значениями часовой неравномерности потребления, максимальным и среднечасовым расходами в системе, наличием баков-аккумуляторов, типом теплогенераторов (емкостные или проточные) и их параметрическим рядом (по мощности). При применении схем без баков - аккумуляторов горячей воды суммарная мощность устанавливаемых теплогенераторов подбирается по максимальному «пиковому» потреблению горячей воды, при использовании баков-аккумуляторов (емкостных нагревателей) все оборудование первичного контура схемы горячего водоснабжения (включая теплогенераторы) подбирается по среднечасовой нагрузке горячего водюснабжения. Производство ёмкостных электрических теплогенераторов широко распространено как в нашей стране, так и за рубежом. Проточные водонагреватели сравнительно недавно появились на нашем рынке. До недавнего времени основными поставщиками проточных водонагревателей были зарубежные фирмы (фирма "Atmor"). В последние годы появились изделия Российских производителей (водонагреватели марок ПЭВН-220-3,5-02, ПЭВН220-5,0), которые не могут удовлетворить возросший спрос па аналогичные изделия. Базовым нагревательным элементом для проточных водонагревателей служит ТЭН с высокой удельной мощностью. Выбор ТЭНа определяет габаритные размеры прибора и режим его работы. Режим работы проточных водонагревателей характеризуется как повторно - кратковременный. Что снижает спектр применения аналогичных приборов. Например: точках общественного питания (кафе, столовые, бары, рестораны,...); банях; прачечных; общественных душевых на производствах, детских лагерях; в производственных целях, где требуется непрерывная подача горячей воды, особенно при производстве продуктов питания. Располагаясь над дверным проемом, тепловая завеса создает мощный воздушный поток, который служит невидимым барьером между помещением и улицей, благодаря чему холодный воздух практически не проникает вовнутрь. Правильно подобранная завеса позволяет сохранить до 90 процентов тепла. Выбор тепловой завесы зависит от многих факторов: габаритов дверного проема, перепада температур и давлений в помещении и на улице, ветровой нагрузки, наличия тамбура и т. д. Поэтому выбор должен делать специалист. [80, 81] Основной задачей тепловой завесы является не обогрев помещения, а отсечка холодного воздуха с улицы и предотвращение утечки теплого воздуха из помещения. Это мощный электронагревательный прибор, действие которого заключается в создании узкой струи горячего воздуха, движущейся с большой скоростью вдоль всей ширины дверного проема. При этом холодный уличный воздух отсекается от теплого внутреннего, устраняются сквозняки, и прекращается утечка тепла на улицу. Тепловая завеса размещается либо в верхней части дверного проема, при этом поток воздуха направлен сверху вниз, либо устанавливается вертикально, сбоку от дверного проема.
Методика расчетов параметров электронагревательных приборов, которые определяют характеристики отопительной системы
Предполагается, что разрабатываемый электронaгpeватель на основе толстых пленок состоит из подложки, иа одну из сторон которой методом сеткот-рафаретной печати наносится изоляционный слой и тепловыделяющая дорожка из резистивной пасты.
Высокая электробезопасность в эксплуатации, исключающая поражение электрическим током, будет достигаться нанесением верхнего изоляционного слоя, к контактным площадкам с помощью контактной пасты, припаивается жгут из никелевой проволоки, либо ленты фольги из тонкого материала в соответствии с силой тока, протекающего через контакт. [14]
Одним из наиважнейших требований к настам и подложке, обеспечивающим бесперебойную и длительную работу изделия, является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Он должен быть равным как у подложки, так и у изоляции, иначе, при перепаде в широком диапазоне рабочих температур вероятно растрескивание и отслаивание слоев пленок.
ТКЛР материалов применяемых для изготовления НЭПС, в интервале температур 20...800С он равен ПЧО- кЛТермообработка борида никеля, применяемого для изготовления толстопленочного проводника, производится при температуре от 873 до 1123К, что обеспечивает дополнительные возможности при выборе материала подложки. В качестве основания могут применяться различные керамические подложки (в том числе: керамика на основе оксида алюминия, керамика на основе глин и аллюминосиликатов, спеченные нитрат кремния и нитрид алюминия), эмалированная нержавеющая сталь марок 15Х25Т; 20X13; 08X17Т; 04X17Т и титан, стекло, а также фарфоровые, фаянсовые нодложки. Эмалевые покрытия на стали и титане изготавливаются из ситаллоцементов марки СЭ-3 и СЭ-2 соответственно, методом электрофореза или трафаретной печатью паст с последующей трафаретной печатью паст с последующей термообработкой при температурах выше1073К.[27,28]
Керамические пластины из перечисленных материалов, как правило, не выдерживают ни быстрого нагрева, ни резкого перепада температур. Они разрушаются (растрескиваются) уже при первом нагреве или после первых термоциклов (нагрев-охлаждение). Несколько более термически стойкими являются пористые керамические основания, но они требуют специального эмалевого покрытия в качестве подслоя под пасту. Стекла нецелесообразно использовать в качестве основания, в виду их плохой теплопроводности, хрупкости.
Наиболее персцективной является эмалированная металлическая подложка. Разработанная изоляционная паста СЭ-3 на основе ситаллоцементов первоначально предназначалась в качестве покрытия стали. Важнейший показатель совместимости подложки и изоляции (паст), температурный коэффициент линейного расширения, соответственно совпадает у стали и ситаллоцемента СЭ-3. Из этих же ситаллоцементов можно изготовить защиту проводникового слоя, обеспечивающую электроизоляцию токопроводящей пленки и способствующую увеличению срока службы нагревателя[15, 16].
Из всех марок стали наиболее подходят жаростойкие, нержавеющие, марок 15Х25Т; 20X13; 08X17Т; 04X17Т. Сталь данных марок является коррозионно-стойкой и жаростойкой (окалиностойкой). Температурный коэффициент линейного расширения стали марки 15Х25Т равен 10,5 10" и близок по значению к ТКЛР ситаллоцемента СЭ-3 величина которого Ситаллоцемент марки СЭ-3 имеет ряд преимуществ по сравнению с диэлектрическими пастами на основе стёкол. Основной недостаток последних при создании многослойных конструкций - деформация при последующих термообработках. Применение для изоляционных слоев композиций стеклa с керамическим наполнителем даёт возможность получать плёнки, выдерживающие многократные термообработки без деформации. Однако, в состав таких композиций вхо 56 дит до 50% керамического наполнителя, вызывающего значительную пористость, что приводит к снижению сопротивления изоляции под воздействием влаги и электрической прочности изоляции. Ситаллоцементы (кристаллизирующиеся стёкла) лишены этих недостатков, так как при термообработке образуют кристаллическую фазу; это предотвращает размягчение слоя при повторных термообработках вплоть до температуры кристализации. [31] В результате проведенного анализа была выбрана подложка из стали 15Х25Т и изоляционное нокрятне на основе ситаллоцемеита марки СЭ-3 с близкими характеристиками ТКЛР. Характеристики диэлектрического слоя. Ситаллоцемент СЭ-3 имеет следующие основные характеристики: Температура вжигания диэлектрического слоя не превышает 830 С, в интервале температур 25... 125 С величина диэлектрической проницаемости материала относительно постоянна - ее изменение не превышает 12%, в интервале 125...235 С величина диэлектрической проницаемости материала изменяется по закону 1/s = 0,001614 + 0,000053t; диэлектрические потери в материале убывают с ростом температуры, при этом выше 125 С tg5 не превышает 80 10 4. [55]
Исследование изменения сопротивления толстопленочного резистора при термическом старении под электрической нагрузкой и без неё
Наиболее широкое распространение элеетрическое горячее водоснабжение получило в индивидуальном секторе. Система отопления индивидуального жилого дома включает теплогенератор, разводящий водные коммуникации с подключенными отопительными приборами. Система горячего водоснабжения состоит из теплогенератора с подсоединенным к нему коротким трубопроводом с нагретой водой.
Горячее водоснабжение устраивается в домах, оборудованных системой отопления со своим теплогенератором. Зачастую этот теплогенератор и используют для горячего водоснабжения. [17]
Совместное использование одного теплогенератора для отопления и горячего водоснабжения имеет определенные неудобства. Это объясняется тем, что режим теплопотребления систем отопления и горячего водоснабжения существенно отличается. Система отопления в течение дня имеет стабильное теплопотребление, в то время как горячее водоснабжение характеризуется неравномерной нагрузкой с резко выраженными "пиками" в утренние и вечерние часы. [43]
Согласно тепловым расчетам и практическим данным, пиковое потребление тепла системой горячего водоснабжения, как правило, превышает отопительную нагрузку. Если установить в доме теплогенератор на суммарную тепловую нагрузку отопления и горячего водоснабжения, то его установочная мощность окажется завышенной. В результате, в периоды, когда отсутствует разбор горячей воды, теплогенератор будет работать недогруженным с пониженной экономичностью. Поэтому при использовании общего теплотенератора для отопления и горячего водоснабжения, его теплопроизводитель-ность часто выбирают исходя из обеспечения только одной пиковой нагрузки горячего водоснабжения. В период максимального водоразбора горячей воды система отопления отключается и теплогенератор работает лишь на горячее водоснабжение. Период отключения системы отопления определяется временем, необходимым для приготовления порции нагретой воды. Наибольшее количество нагретой воды требуется для приготовления ванны. При вместимости 250 л, температуре нагретой воды 40 С и холодной 5 С количество теплоты для приготовления ванны составляет 4Д9 250/(40-5)=36700 кДж. Для дома с расчетным теплопотерями менее 8000 Вт продолжительность отключения системы отопления на период подогрева воды для ванны составит примерно 1,3 часа. За это время, как показывают расчеты и практика эксплуатации, температура воздуха внутри помещения снижается на 1...2 С, что соответствует санитарно-гигиеническим нормам. [9]
Тем не менее, необходимость периодического проведения операции по переключению системы отопления представляет известное неудобство, особенно в период окончания отопительного сезона. Поэтому заслуживают внимание системы с раздельными теплогенераторами для отопления и горячего водоснабжения соответственно. Традиционно используемые емкостные водонагреватели характеризуются рядом недостатков, один из основных - длительное время приготовления воды. В таблице 4.1. показаны некоторые параметры серийно выпускаемых нагревателей. [88]
Из этих данных очевидно, если пользователю необходимо большое количество воды, то приготовление новой порции горячей воды займет продолжительное время, и, наоборот, если необходима небольшая порция воды, то электроэнергия будет расходоваться впустую. [96]
Поэтому целесообразно применение проточного водонагревателя, которому не требуется дополнительное время для подготовки воды. Температура воды в проточных водонагревателях зависит от потока и регулируется вентилем. Подробно они описывалиеь в главе 1.
Не смотря на то, что для проточных водонагревателей требуется высокая установленная мощность, они не заменимы в тех местах, где требуется большое количество горячей воды. Проточные водонагреватели удобны в эксплуатации, они экономичны, компактны и гигиеничны в эксплуатации. Недостатком систем горячего водоснабжения проточными водонагревателями является: 1. Режим работы - повторно- кратковременный. В приборах такого класса применяют нагревательные элементы с завышенной удельной мощностью, для уменьшения габаритных размеров, следовательно, и себестоимости изделия. 2. Сложно осуществить контроль греющего слоя. Работа, с завышенной удельной мощностью, связана с возникновением разного рода отложениями на нагревательном элементе. Это вызывает перегрев греющего слоя и как следствие нарушение сопротивления изоляции, увеличение токов утечки, снижению коэффициента полезного действия и выходом его из строя. Чтобы увеличить надежность систем горячего водоснабжения, необходимо устранить указанные недостатки. Для этого требовалось разработать Hовую конструкцию проточного водонагревателя. Во время разработки водонагревателей исследовались условия эксилуатации систем водоснабжения с известными электроводонагревателями. [ 101.102.104] Для систем водоснабжения предлагается проточный водонагреватель с базовой мощностью 5кВT. При выборе геометрических размеров проточного нагревателя, учитывались следующие моменты: Водонагреватель должен быть компактным, с малым временем выхода на установившийся режим. Установившийся режим - это когда при постоянном протоке воды и постоянной мощности, температура воды не изменяется. Теплотехнические характеристики должны быть достаточными для использования нагревателя й бытовых целях. Режим работы - продолжительный. Проведен ряд экспериментов с нагревательными элементами разной мощности от 3 до 6 кВт. Полученные результаты сопоставлены с характеристиками аналогичных нагревателей, описанных в главе 1. Установлено: наиболее оптимальной мощностью является номинальная выходная мощность 5 кВт на напряжение 220В и 12 кВт на напряжение 380В.
Для 5 кВт водонагревателя предлагается конструкция с распределением номинальной мощности на два нагревательных элемента, каждый но 2,5 кВт. Экспериментально установлено, чго для материала, используемого при изготовлении нагревательных элементов, предельную допустимую мощность для продолжительного режима работы молено изготовить на стальной подложке площадью 0,017 м , что соответствует размерам круглой подложки диаметром 0,15м.
Область применения стационарного электрического отопления. Создаваемые условия комфорта
Вода, которая использовалась в выше описанных системах, прошла предварительную противон1кипную подготовку и стечении срока эксплуатации не менялась. Естественно, что в системах, где нет возможности провести аналогичную водоподготовку и где одновременно осуществляется водозабор, таких положительных результатов не будет достигнуто.
Следовательно, необходимо исследовать системы отопления, работающие без водоподготовки, выявить возможные отказы, определить оптимальный режим работы, отработать мероприятия по быстрому устранению неисправностей.
Отказ работы системы отопления, по причине выхода из строя теплогенератора, может произойти по трем основным причинам: 1. Загрязнение и образование накипи на поверхности нагрева. 2. Износ пуско- регулирующей аппаратуры. 3. Отказ (отклонение от паспортных характеристик) датчиков контроля режимов работы. Загрязнение и образование накипи на поверхности нагрева зависит от качества теплоносителя, скорости движения у поверхности теплопередачи и температуры на теплопередшощей поверхности. Этот процесс может длиться от нескольких дней до несколько месяцев. Очевидно, что этот процесс будет происходить быстрее в системах с естественной циркуляцией.
Для экспериментов была выбрана система отопления с расчетной мощностью 15 кВт, расположенная на 21 км Байкальского тракта. Система была заполнена водой из скважины.
В систему был установлен водонагреватель мощностью 15 кВт, удельная мощность нагревателей составляла Руд= 15 Вт/см2 (150 кВT/м2). На рис.4.7, показан процесс потери работоспособности системы в зависимости от скорости движения теплоносителя. При естественной циркуляции система теряла работоспособность на 5- 7 сутки. Измерения проводились в относительных единицах по десяти бальной шкале, в зависимости от температуры на нагревательном элементе.
На рис.4.8. показан график зависимости образования загрязнения поверхности теплообмена в зависимости от удельной мощности нагревательного элемента и ограничении температуры теплоносителя до параметров 40 -75С, при этом пришлось увеличить количество отопительных приборов, чтобы сохранить условия комфортности в помещении. Процесс каждого измерения проходил в течение 5 суток. Повышение температуры на нагревательном элементе более 50% было принято за 1, превышение 25% - 5, 0% -10. Измерения проводились термопарой медь- константан и универсальным прибором В7-35.
На рис.4.9. показан нагревательный блок водонагревателя. Из рисунка видно, что для снятия нагревательного элемента необходимо открутить 8 шпилек. Причем, для этого не требуется специальная подготовка или специальный инструмент. Процесс разборки, механической чистки и сборки нагревательного блока составляет 30-40 мин.
Согласно требованиям госэнергонадзора [76] системы отопления с установленной мощностью от 15 кВт (включительно) необходимо устраивать с принудительной циркуляцией теплоносителя. Для увеличения срока службы И надежности системы, нами было принято решение изготавливать водонагреватели мощностью до 15 кВT С нагревательными элементами, удельная МОЩНОСТЬ которых меньше 9Вт/см2. В паспорте на изделие указываются благоприятные условия эксплуатации. Для уменьшения износа пускорегулирующей аппаратуры, мы применяем метод разделения мощности. (Рис.4.6.) Это обеспечивает более равномерный режим отопительной системы, при этом увеличивает её надежность. Датчики контроля технологических режимов SK1 - SK5 (Рис.4.6.) перед установкой проходят дополнительные испытания. Как это видно из схемы, в процессе работы они дублируют друг друга, что повышает степень надежности системы. Область применения стационарного электрического отопления. Создаваемые условия комфорта. Согласно СНиП 2.04.05-91 (отонление, вентиляция и кондиционирован іе) электрическое отопление можно применять в зданиях, как с постоянным, ак и с переменным тепловым режимом. Широко распространено электрическое отопление (имеется в виду обогрев с помощью настенных и (или) напольных эл. приборами) в качестве дежурного или вспомогательного. В зданиях И помещениях с постоянным тепловым режимом электрическое отопление применяется: -В жилых домах, общежитиях, гостиницах, домах отдыха, санаториях, пансионатах, пионерских лагерях, поликлиниках, амбулаториях, аптеках, здравпунктах, психиатрических и наркологических больницах, музеях, выставках, 1шигохрашілищах, архивах, библиотеках, административно- бытовых зданиях при непрерывном производственном процессе. - В вокзалах, аэропортах, дошкольных учреждениях ( с температурой те-плоотдающей поверхности до 150 С.) - Производственные помещения категории В при непрерывном технологическом процессе без выделения пыли и аэрозолей. - В производственных помещениях категории Г и Д при непрерывном технологическом процессе без выделения пыли и аэрозолей, или при выделении негорючих пыли и аэрозолей.
Похожие диссертации на Разработка электронагревательных приборов и исследование их эффективности в системах жизнеобеспечения
