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.
Совершенствование электротехнических устройств и систем позволяет интенсифицировать ряд процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйствах, повышает качество, улучшает массо-габаритные и энергетические показатели многих промышленных и бытовых приборов и систем, повышает удобство их эксплуатации. Производство тепловой энергии, как средство создания необходимых комфортных условий возникло в древнейшие времена и с тех пор является спутником человека на пути цивилизованного развития. Замена традиционных видов нагрева на основе твёрдого, жидкого или газообразного топлива электронагревом повышает надёжность и безопасность оборудования, облегчает контроль и регулирование температуры. Развитие электронагревательных приборов является важным мероприятием, направленным на повышение производительности труда и жизненного уровня, экономию времени, улучшения санитарно-гигиенических условий жилищ и создание необходимого комфорта. Поэтому одной из наиболее важных и сложных проблем в развитии экономики является проблема повышения эффективности производства тепловой энергии.
В настоящее время горячее водоснабжение и обогрев общественных зданий, предприятий разных форм собственности, многоквартирных домов, жилых и промышленных помещений в крупных городах осуществляется присоединением их к теплоцентрали, а в небольших населённых пунктах с помощью котельных и печного отопления. При централизованном теплоснабжении помещения оборудуются системами центрального водяного отопления и горячего водоснабжения. Даже при условии увеличения объёма жилищного фонда и вводе в эксплуатацию новых объектов, охваченных централизованным отоплением и горячим водоснабжением, в настоящее время и на достаточно продолжительную перспективу сохранится множество жилых и производственных зданий, не имеющих централизованных систем энергообеспечения. Особенно остро стоит проблема получения тепла в небольших населенных пунктах и фермерских хозяйствах, а также в жилых зданиях, удаленных от тепломагистралей. В ряде случаев, строительство маломощных котельных, обеспечение их привозным топливом и обслуживающим персоналом встречает значительные затруднения. Поэтому там, где экономически невыгодно обустройство централизованных систем снабжения теплом и горячей водой (в небольших городах, сельской местности с преобладанием малоквартирных домов, на небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, в фермерских хозяйствах, в северных районах, где имеются большие трудности для прокладки и эксплуатации теплотрасс и т. д.) потребность в тепловой энергии и горячей воде может быть удовлетворена путём установок приборов децентрализованного нагрева, например, устройств с электрическим нагревом. Реализация систем децентрализованного электронагрева не требует значительных капиталовложений, строительных работ и постоянного обслуживающего персонала, а также отпадает необходимость организации доставки и хранения топлива.
Наиболее распространенными типами электронагревательных устройств являются установки, выполненные на основе трубчатых нагревательных элементов (ТЭН), электродные электроводонагреватели и электронагреватели с открытыми тепловыделяющими элементами. Основными недостатками этих видов электроприборов являются их низкая надёжность и недостаточный уровень безопасности в эксплуатации.
Установки индукционного нагрева, широко применяющиеся в промышленности, обладают высокой степенью безопасности в эксплуатации, но имеют низкие энергетические показатели.
Качественно улучшить условия нагрева могут нагревательные элементы трансформаторного типа (НЭТ), в которых индуктор, как в силовых трансформаторах, состоит из магнитопровода и первичной обмотки. Особенностью конструкции таких элементов является вторичная обмотка, выполненная в виде короткозамкнутого витка. НЭТ можно выполнять на основе однофазных и трёхфазных магнитных систем. Основная доля тепла выделяется во вторичной обмотке, которая непосредственно, без промежуточного теплообменника или слоя изоляции, омывается нагреваемой средой. Такое техническое решение позволяет получить более безопасный в эксплуатации нагревательный элемент с большим сроком службы.
В последнее время, несмотря на быстрое расширение производства электронагревателей, спрос на них значительно превышает предложение. Для покрытия потребностей промышленности и бытового сектора необходимо развивать производство установок энергообеспечения, создавать новые виды электронагревателей, разрабатывать методики их расчёта и проектирования, которые базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований.
В связи с вышеизложенным, возникает необходимость разработки новых типов нагревательных элементов, обеспечивающих повышенный класс электробезопасности, высокую надёжность и долговечность при минимальных массо-стоимостных показателях. Сведения о создании и использовании электронагревателей трансформаторного типа появились около 50 лет назад. Исследования трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой для установок электронагрева проводятся в течение многих лет на кафедре «Электромеханика» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета под руководством В. М. Кузьмина. Результаты этих исследований опубликованы в работах С. Н. Иванова, В. А. Размыслова, A.B. Пяталова, A.B. Янченко, В. П. Романюка, Т. В. Герасименко, В. И. Костюченко, В. А. Карпенко и других. Большой вклад в разработку, исследование и освоение производства электронагревательных устройств трансформаторного типа сделали В. В. Казаков, В. Н. Федяй, Ю. М. Гуревич, С. П. Бобровский, А. И. Елшин, В. М. Казанский [107, 108] и другие учёные. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области проводились в АО «Дальпромэлек-тро», ОАО «Электротехническая компания «Биробиджанский завод силовых трансформаторов» (г. Биробиджан), КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре), НИИ «Дальстандарт» (г. Хабаровск), ВИТ (г. Запорожье), АОЗТ «НЭЛМА», НГТУ (г. Новосибирск), ПГУПС (г. Санкт-Петербург) и др.
Отсутствие в отечественной и зарубежной технической литературе достаточного количества работ, обобщающих теоретические и практические сведения по электронагревательным устройствам трансформаторного типа, сдерживает их развитие и внедрение в производство.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью настоящей диссертационной работы является 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 ставятся 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 короткозамкнутой вторичной обмоткой;
— анализ электромагнитных и тепловых процессов, разработка методик проектирования, определения параметров элементов конструкций, 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 энергообеспечения;
— 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.
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 техникоэкономическими и эксплуатационными показателями, которые могут использоваться в бытовых и промышленных установках систем энергообеспечения.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ 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 нагревательных элементов, 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.
1. Новые конструкции электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, обеспечивающих высокие показатели безопасности и надёжности в эксплуатации.
2. Методика и алгоритмы электромагнитного расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, учитывающие особенности конструкции и режимов работы таких устройств в системах отопления и горячего водоснабжения.
3. Математические модели электромагнитных процессов, позволяющие определять параметры вторичного короткозамкнутого контура сложной формы для адекватного расчёта нагревательного элемента заданной мощности.
4. 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.
5. 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, используемых в нагревательном устройстве.
6. Комплекс программ для расчёта, проектирования и исследования электромагнитных и тепловых процессов в НЭТ, в том числе, программа моделирования трёхмерного температурного поля в конструкции с пространственной планарной магнитной системой.
7. Математическая и компьютерная модели для анализа динамических режимов работы трёхфазного НЭТ в электрических сетях ограниченной мощности, учитывающая особенности конструкции и режимы работы нагревательного элемента.
8. 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 теплогенерирующего оборудования на основе новых конструкций электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типасоздании методик и алгоритмов электромагнитных и тепловых расчётов и, I г, 'г, ' их реализации с использованием пакетов современных прикладных программ и авторского программного обеспечения при проектировании и исследовании предложенных устройствразработке 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 энергиисоздании 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 Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 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 19 931 996 гг. «Машиностроительный и приборостроительный комплексы Дальнего Востока проблемы конверсии», г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.- научно-техническом семинаре электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1997 г.- 3-й Международной конференции «Новые энергетические системы и преобразование энергии» (№}88С'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 нагревательных элементов трансформаторного типа 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 в Комсомольский-на-Амуре филиал ООО «Научно-Технический Центр Информационные Технологии» для использования при проектировании и освоении производства новых типов нагревательных элементов для систем электронагреваООО «Амурской нерудной компании» и ООО «Дальневосточной нерудной компании» г. Амурск для использования при вводе в эксплуатацию новых источников теплоснабжения производственных помещений на основе нагревательных элементов трансформаторного типаРегиональному учебно-научному инновационному центру энергосбережения (УНИЦЭ) при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете для создания энергосберегающих систем теплоснабжения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа.
Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе специальностей 140 601 «Электромеханика» и 150 408 «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 УШ Московском международном салоне инноваций и инвестиций (изобретения, инвестиционно-привлекательные инновации, высокие технологии) (2008 г.) и на выставке в рамках международного симпозиума глав муниципальных образований «Союза городов с развитым машиностроением Северо-Восточной Азии (иМСА)» в г. Комсомольск-на-Амуре (2009 г.).
ЛИЧНЫМ ВКЛАД заключается в разработке новых конструкций, методик, алгоритмов и программ расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств для систем энергообеспечениясоздании 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 энергосистемахсоздании методики определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с минимальной стоимостью материаловполучении рекомендаций для проектирования НЭТ разных конструкций и мощностейпроведении испытаний опытных образцов.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 73 печатных работах, в том числе 13 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК. Новизна разработок подтверждается 10 патентами и свидетельствами на изобретения и полезные модели. Зарегистрированы 4 программы для ЭВМ.
СТРУКТУРА 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.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
