Введение к работе
Актуальность темы. Теплоснабжение крупных общественных зданий, многоквартирных домов и промышленных предприятий осуществляется присоединением их к теплоцентрали и котельным. Там, где это экономически невыгодно (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 отоплении и горячей воде может быть удовлетворена путём установок автономных систем теплоснабжения, например, с электрическим нагревом.
В качестве преобразователя электрической энергии в тепловую широко используются трубчатые электронагреватели, обладающие низким классом электробезопасности, невысокой надёжностью и долговечностью. Эти недостатки особенно проявляются при нагреве агрессивных и электропроводящих сред, например воды, используемой в качестве промежуточного теплоносителя в системах горячего водоснабжения и отопления. Качественно улучшить условия подготовки горячей воды помогут нагревательные элементы трансформаторного типа (НЭТ), в которых индуктор, как в обычных трансформаторах, состоит из магнитопровода и первичной обмотки. Особенностью конструкции является вторичная обмотка, выполненная в виде короткозамкнутого (КЗ) витка, в которой выделяется основная доля тепла. Вторичная обмотка непосредственно, без промежуточного теплообменника или дополнительного слоя изоляции, омывается нагреваемой водой. Такое техническое решение позволяет получить более безопасный в эксплуатации нагревательный элемент с большим сроком службы.
В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки новых типов НЭТ, обеспечивающих повышенный класс электробезопасности, высокую надёжность и долговечность при минимальных массо-стоимостных показателях. Исследования НЭТ с КЗ обмоткой для установок электроводонагрева проводятся на кафедре "Электромеханика" Ком-сомольского-на-Амуре государственного технического университета (КнАГТУ) под руководством доктора технических наук, профессора Кузьмина В.М. Результаты этих исследований опубликованы в работах Иванова С.Н., Размыслова В.А., Пяталова А.В., Янченко А.В., Романюка В.П. и других.
Целью работы является решение научно-технической проблемы по улучшению эксплуатационных показателей систем горячего водоснабжения и отопления для объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения (небольшие промышленные и сельскохозяйственные предприя-
тия, бытовой сектор и т.д.), за счёт создания теплогенерирующего комплекса на основе новых видов НЭТ.
Основные положения, выносимые на защиту
Новые конструкции НЭТ, обеспечивающие высокие показатели безопасности и надёжности в эксплуатации.
Алгоритмы электромагнитного расчёта однофазного тороидального НЭТ и трёхфазного НЭТ с короткозамкнутой обмоткой в виде бака.
Математические модели расчёта тепловых процессов, позволяющие определить области с наибольшей температурой и значение этой температуры с целью улучшения конструкции и оценки правильности выбора электромагнитных нагрузок, размеров 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 программно-реализованных математических моделей для расчёта, проектирования и исследования электромагнитных и тепловых процессов в НЭТ.
Математическая и компьютерная модели для анализа динамических режимов работы трёхфазного НЭТ в электрических сетях ограниченной мощности.
Методы исследования включают аналитические и численные методы электромагнитного расчёта и расчёта 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 современные пакеты прикладного программного обеспечения ELCUT, ANSYS, Matlab, MathCAD, а также системы программирования Visual Basic и Borland Fortran.
Научная новизна работы заключается в решении сложной научно-технической проблемы, включающей комплекс теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающих создание электроводонагреватель ных устройств с НЭТ, в частности:
- разработаны новые конструкции НЭТ, обеспечивающие повышенный класс электробезопасности и большой срок эксплуатации;
выявлены особенности работы НЭТ с короткозамкнутой вторичной обмоткой;
разработаны новые математические модели тепловых и электромагнитных процессов, учитывающие особенности конструкции и работы как однофазных, так и трёхфазных НЭТ и позволяющие их проектировать и исследовать;
разработаны методики проектирования, определения параметров, размерных соотношений, электромагнитных и тепловых нагрузок НЭТ;
предложена методика выбора варианта нагревательного элемента с минимальной стоимостью материалов и на её основе разработаны рекомендации по проектированию НЭТ для установок электроводонагрева.
Практическая ценность заключается в разработке и исследовании новых конструкций НЭТ, разработке методик и алгоритмов электромагнитного и теплового расчётов и методики выбора варианта при проектировании НЭТ для систем нагрева воды, ориентированных на использование современных ЭВМ, разработке рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проектирования однофазных и трёхфазных НЭТ с короткозамкнутой вторичной обмоткой различных мощностей, создании макетных и опытно-промышленных образцов НЭТ для установок электроводонагрева.
Реализация работы. Результаты работы использовались при проектировании НЭТ для аккумуляционных (ЭВАН-100/1,0; ЭВАН-50/1,0) и проточных (ЭВП-6/220) электроводонагревателей (ЭВН). Макетные образцы проточных и аккумуляционных ЭВН трансформаторного типа экспонировались на региональной выставке в г. Благовещенске, на трёх выставках научно-технических достижений КнАГТУ, на международной специализированной выставке в г. Харбине (КНР), на выставке в г. Комсомольске-на-Амуре в рамках Симпозиума глав муниципальных образований Азиатско-Тихоокеанского Региона с развитым машиностроением в 2009 г. и на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (2008 г.).
Личный вклад автора состоит в разработке теоретических положений, в самостоятельной подготовке задач исследования электромагнитных и тепловых процессов, их решении, проведении экспериментов, анализа полученных результатов и формировании выводов по работе.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и получило одобрение на четырёх международных научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета с 2004 по 2012 гг.; двух краевых конкурсах молодых учёных и аспирантов "Наука Хабаровскому краю" (г. Хабаровск, 2010 г., 2012 г.); научно-техническом семинаре кафедры "Электромеханика" Комсомольского-на-Амуре государственного
технического университета (2011 г.); молодёжном научно-инновационном конкурсе У.М.Н.И.К. - 2010 (г.Комсомольск-на-Амуре, 2010г.); научно-техническом совете электротехнического факультета КнАГТУ(2012 г.).
Публикации. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликовано 2 научные статьи, в журналах рекомендованных ВАК, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель, общее количество публикаций - 8.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения и библиографического списка из 155 наименований, содержит 177 страниц машинописного текста, иллюстрируется 57 рисунками и 8 таблицами. Работа включает в себя также 8 приложений на 22 страницах.
