Электронагревательные элементы и устройства трансформаторного типа для систем энергообеспечения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Сериков, Александр Владимирович

• Сериков, Александр Владимирович
• доктор технических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор технических наук Сериков, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА.

1.1. Классификация систем теплоснабжения.

1.2. Перспективы развития электрических систем теплоснабжения.

1.3. Основные принципы построения нагревательных элементов.

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ.

2.1. Принцип построения и классификация нагревательных элементов трансформаторного типа.

2.2. Нагревательные устройства трансформаторного типа для систем дополнительного отопления.

2.3. Конструктивные схемы однофазных нагревательных элементов трансформаторного типа для систем нагрева жидкостей.

2.4. Трёхфазные нагревательные элементы с плоским стержневым магнитопроводом.

2.5. Нагревательные элементы трансформаторного типа с пространственной магнитной системой.

2.6. Электронагревательные устройства с вращающимся магнитным полем.

ВЫВОДЫ.

3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСЧЁТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА.

3.1. Особенности электромагнитных процессов в нагревательных элементах трансформаторного типа.

3.2. Электромагнитные расчёты однофазных нагревательных устройств трансформаторного типа для систем отопления.

3.3. Электромагнитные расчёты однофазных нагревательных элементов для систем горячего водоснабжения.

3.4. Методика расчёта трёхфазных нагревательных элементов трансформаторного типа.

3.5. Особенности электромагнитных расчётов трёхфазных нагревателей с пространственной магнитной системой.

3.6. Определение параметров вторичного контура сложной формы и учёт эффекта вытеснения тока.

ВЫВОДЫ.

4. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА.

4.1. Оценка теплового состояния нагревательных элементов с короткозамкнутой обмоткой методом схем замещения.

4.2. Тепловые поля в однофазных нагревательных элементах трансформаторного типа.

4.3. Трёхмерное температурное поле нагревательного элемента с пространственной магнитной системой.

ВЫВОДЫ.

5. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ОБМОТКОЙ.

5.1. Особенности применения метода планирования эксперимента при проектировании нагревательных элементов.

5.2. Проектирование однофазных тороидальных нагревательных элементов трансформаторного типа.

5.3. Проектирование трёхфазных нагревательных элементов с плоской магнитной системой с использованием метода планирования эксперимента.

5.4. Особенности проектирования нагревательных элементов с пространственной магнитной системой.

ВЫВОДЫ.

6. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКОЙ

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

6.1. Принципы формирования децентрализованных систем энергообеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа.

6.2. Моделирование динамических режимов работы нагревателя с короткозамкнутой вторичной обмоткой.

6.3. Особенности управления системами теплоснабжения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа.

ВЫВОДЫ.

7. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ.

7.1. Результаты проектирования нагревательных элементов трансформаторного типа для систем энергообеспечения.

7.2. Экспериментальные исследования нагревательных элементов и устройств трансформаторного типа.

7.3. Результаты освоения серийного производства нагревательных устройств и систем с нагревательными элементами трансформаторного типа.

7.4. Способы повышения надёжности нагревательных элементов трансформаторного типа.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронагревательные элементы и устройства трансформаторного типа для систем энергообеспечения»

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 типа; создании 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 устройств; разработке 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 энергии; создании 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 19931996 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., 2011г.; Международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы», г.Комсомольск-на-Амуре, 2010г.; 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 электронагрева; ООО «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 типа; Региональному 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 140601 «Электромеханика» и 150408 «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 энергообеспечения; создании 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 энергосистемах; создании методики определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с минимальной стоимостью материалов; получении рекомендаций для проектирования НЭТ разных конструкций и мощностей; проведении 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 диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Сериков, Александр Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ