Снижение энергозатрат на нагрев воды при дойке коров за счет плавного регулирования мощности электродных водонагревателей объемным экраном

На правах рукописи

Шишинина Наталья Геннадьевна

Снижение энергозатрат на нагрев воды при дойке

коров за счет плавного регулирования

МОЩНОСТИ электродных водонагревателей

объемным экраном

05.20.02 – Электротехнологии и

электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им Н.И. Вавилова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ерошенко Геннадий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Усанов Константин Михайлович,

зав. кафедрой «Применение

электрической энергии

в сельском хозяйстве»

ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

кандидат технических наук, доцент

Кожевников Вячеслав Юрьевич,

доцент кафедры

«Автоматизированные

электротехнологические установки

и системы»

ФГБОУ ВПО «Саратовский ГТУ

им. Гагарина Ю.А.»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный аграрный университет»

Защита состоится «24» мая 2012г. в 12.00 час. на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».

Автореферат диссертации разослан «23» апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл. 1, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Н.П. Волосевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Требование к точности поддержания заданной температуры воды в коровнике имеет важное технологическое значение. Если заданные нормативы не выполняются, то возникает технологический ущерб или перерасход электроэнергии. При использовании нерегулируемых водонагревателей получение воды с заданной температурой происходит за счет накопления перегретой воды и дальнейшего ее разбавления. Эти процессы сопровождаются большим перерасходом энергии. Чтобы устранить недостатки необходимо разработать электроводонагреватель с плавным регулированием температуры, что позволит сократить потребление энергии. Возникла важная научно-техническая задача – разработать энергосберегающий плавнорегулируемый электродный водонагреватель, обеспечивающий получение воды с температурой от 40 до 90 0С.

Прогрессивным направлением решения этой задачи может быть использование электродных водонагревателей, в которых в рабочем межэлектродном пространстве подвижный плоский диэлектрический экран заменяется объемным из эластичного диэлектрика, размеры которого изменяются при изменении давления воздуха в нем.

Исследования проводились по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» в соответствии с темой №6: «Повышение эффективности систем энергетического обеспечения систем АПК» и в рамках федерального закона РФ от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности».

Цель работы: Снижение энергозатрат на нагрев воды за счет применения плавнорегулируемых электродных водонагревателей с объемным экраном.

Объект исследования. Электродный водонагреватель с объемным экраном (ЭВН ОЭ) для коровников.

Предмет исследования. Закономерности плавного изменения мощности и температуры при увеличении и уменьшении размера эластичного объемного экрана электродного водонагревателя.

Научная новизна.

1. Усовершенствована классификация способов регулирования мощности в электродных водонагревателях.
2. Предложен аппарат плавного регулирования температуры объемным экраном электродного водонагревателя, защищенный патентом на полезную модель 78618 РФ.
3. Обоснованы регулировочные характеристики и параметры регулирования электродного водонагревателя с объемным экраном (ЭВН ОЭ).
4. Разработана установка для коровников, реализующей заявленный способ плавного регулирования и снижение энергозатрат на подготовку подогретой воды.

Практическая значимость. Обоснован и реализован новый ЭВН ОЭ, позволяющий плавно и точно регулировать мощность и температуру воды в коровниках с помощью электродного водонагревателя с объемным экраном. Использование электродного водонагревателя с объемным экраном позволяет снизить затраты электроэнергии на 15 %. Производственные испытания произведены, путем внедрения трех ЭВН ОЭ в коровнике СПК «Красавское» с. Красавка Лысогорского района Саратовской области и СПК «Стимул» с. Новинка Жирновского района Волгоградской области подтвердили названные результаты.

На защиту выносятся:

1. Расширенная классификация способов регулирования мощности в электродных водонагревателях.
2. Обоснование рационального способа регулирования мощности электродного водонагревателя с помощью объемного экрана.

3. Параметры и режимы регулирования при помощи объемного экрана.

4.Результаты экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях.

5. Оценка экономической эффективности внедрения способа.

Реализация научно-технических результатов.

Результаты исследований использованы и внедрены в СПК «Красавское» с. Красавка Лысогорского района Саратовской области и СПК «Стимул» с. Новинка Жирновского района Волгоградской области.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2007- 2012 гг; на Всероссийской научно-практической Международной конференции «Вавиловские чтения» в 2009 - 2010 гг.; на Научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК», 2010 – 2011 гг., Саратовский ГАУ.

Публикация результатов исследования:

По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе две работы в периодических научных и научно – технических изданиях, рекомендованных ВАК и патент на полезную модель 78618 РФ. Общий объем публикаций составил 4,42 п.л. из них лично соискателя – 2,34 печ.л.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 33 рисунка, 4 приложения. Список использованной литературы включает 119 наименований, из них 11 на иностранных языках.

Методика исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При решении поставленных задач использовались законы и положения теплотехники, тепло– и массообмена, электротехнологии, автоматизации технологических процессов. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методом математической статистики и регрессионного анализа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, представлена ее общая характеристика, определены основные направления исследования.

Первая глава «Постановка задач исследования» посвящена анализу парка электродных водонагревателей и их классификации. Проведен обзор и анализ способов регулирования температуры воды в электродных водонагревателях.

Проблемой регулирования температуры в электродных водонагревателях, повышения их надежности в сельском хозяйстве занимались А.М. Басов, Л.А. Баранов, В.И. Барков, Г.Ф. Бахарев, В.А. Карасенко, И.Ф. Кудрявцев, В.Г. Петько, В.Н. Расстригин, П.А. Рубцов и другие ученые.

В настоящее время известно большое количество способов регулирования потребляемой мощности и температуры электродных водонагревателей. Диапазон регулирования мощности электродных водонагревателей составляет от 25 до 100 % - это не обеспечивает стабильности температуры и необходимый ее диапазон регулирования. Кроме того, все известные способы регулирования имеют нелинейные характеристики изменения температуры и потребляемой мощности, а также полностью не используется возможный диапазон регулирования.

В заключение главы сформулированы задачи исследования:

1. Провести анализ существующих способов регулирования мощности электроводонагревателей и разработать эффективный плавнорегулируемый электродный водонагреватель.

2. Теоретически обосновать параметры и режимы регулирования электродного водонагревателя с объемным экраном (ЭВН ОЭ).

3.Изготовить экспериментальную установку, проверить работоспособность ЭВН ОЭ и провести производственные испытания плавнорегулируемого ЭВН ОЭ.

4. Определить технико-экономические показатели полученных результатов.

Во второй главе «Теоретическое обоснование рабочего процесса плавнорегулируемого электродного водонагревателя с объемным экраном» дано теоретическое обоснование процесса регулирования нагрева воды электродным водонагревателем с объемным экраном, обоснованны его параметры и режимы регулирования.

Разработана конструктивная (рисунок 1) и расчетная схемы (рисунок 2) ЭВН ОЭ. Было выделено два предельных режима работы ЭВН ОЭ: наименьшей мощности , когда объемный экран перекрывает линии тока и наибольшей мощности , когда объемный экран удален из межэлектродного пространства ЭВН ОЭ. В промежуточном положении объемного экрана мощность будет находиться в пределах от до , а диапазон регулирования:

, (1)

где - минимальная мощность, кВт; - максимальная мощность, кВт.

В современных ЭВН, диапазон регулирования о.е. Это значение не удовлетворяет сельскохозяйственному производству, поскольку диапазон требуемой температуры составляет от 20-90 0С. Возникла важная задача, определения способов увеличения диапазона регулирования электродных водонагревателей.

Из рабочего процесса ЭВН ОЭ видно, что положение объемного экрана изменяет сопротивление воды в активной и внешней зонах за счет изменения длины линий тока и площади, через которую они замыкаются.

Для изолированных с внешней стороны электродов в идеальном случае основные уравнения имеют вид:

; ; ; ; , (2)

где - номинальная мощность, кВт; - диапазон регулирова-

ния, о.е; - удельное сопротивление воды, Ом·м; - длина ли- ний тока между электродами, м; – площадь электродов, м2; U – напряжение, В; - сопротивление воды, Ом.

Для неизолированных электродов всегда сохраняются пути линий тока в активной и внешней зоне, что снизит сопротивление ЭВН. Тогда .

а) б)

Рис.1 Конструктивная схема электродного водонагревателя: а) с наименьшим объемом экрана; б) с наибольшим объемом экрана: 1 – электроды; 2 - объемный экран; hэк – высота объемного экрана, м; U – напряжение сети, В; h – высота электродов, м; в – ширина электродов, м; а – межэлектродное расстояние, м

а) б) в)

Рис. 2 Расчетная схема ЭВН ОЭ: а) Объемный экран отсутствует (hэ= 0; Р=Рmax); б) объемный экран перекрывает часть электродов (hэ>0; Рmax >Р> Рmin); в) объемный экран перекрывает электроды полностью (hэ= h; Р=Рmin): h – высота электродов, м; hэк – высота объемного экрана, м; U – напряжение сети, В; h0 – высота без объемного экрана, м; l – длина линий тока, м; Э – объемный экран

Выделено три режима изменения мощности.

Чтобы вывести уравнение регулировочной характеристики примем следующие допущения: электроды имеют одностороннюю проводимость, т.е. внешние поверхности изолированы; электроды размещены на изолирующей подставке; проводимость воды не зависит от ее температуры; линии тока протекают по идеализированным путям.

а) Мощность в первом режиме, когда объемный экран отсутствует (hэ= 0; Р=Рmax) (рисунок 2а):

, (3)

где в – ширина электрода, м; – коэффициент пропорциональнос-

ти между высотой объемного экрана и давлением в нем, учитывающий расширение эластичного материала (силиконовой резины), о.е; U – напряжение сети, В; а – межэлектродное расстояние, м.

б) Мощность ЭВН в промежуточном режиме, когда объемный экран перекрывает часть электродов (hэ>0; Рmax >Р> Рmin) (рисунок 2б):

, (4)

где h – высота электродов, м; hэк – высота объемного экрана, м.

в) Мощность в третьем режиме, когда объемный экран перекрывает электроды полностью (hэ= h; Р=Рmin) (рисунок 2в):

. (5)

В рассматриваемом варианте объемного экрана, когда он выполнен в виде пустотелого эластичного параллепипеда, копирующего межэлектродное пространство, переменным фактором служит давление в нем. Этот фактор можно функционально связать с высотой hэк объемного экрана и шириной электродов в при фиксированном а межэлектродном расстоянии:

, (6)

где - давление в объемном экране, Па.

С изменением давления объемный экран изменяет лишь высоту, так как ширина ограничена межэлектродным расстоянием, а длина ограничена линейным размером объемного экрана. Эти исходные данные позволяют получить уравнение регулировочной характеристики мощности ЭВН ОЭ:

, (7)

где - мощность ЭВН ОЭ при 20 0С, кВт.

Диапазон регулировочной характеристики зависит от параметров объемного экрана и в первую очередь от его толщины. Для учета толщины показана упрощенная картина линии тока в сечении (рисунок 3) в режиме для разных толщин объемного крана при условии, что электроды снизу имеют изолирующую подставку (снизу зона утечек линий тока отсутствует).

Из рисунка 3 видно, что картина верхних зон утечек линий тока зависит от толщины объемного экрана. Они отличаются длиной линии тока и площадью сечения зоны.

а) б)

Рис. 3 Линии тока утечки при разной толщине экрана: а) ; б)

Средняя длина линии тока утечки с плоским экраном равна длине полуокружности с радиусом :

, (8)

где а – межэлектродное расстояние, м; r – радиус линий тока утеч-

ки, м.

Площадь зоны линий тока утечки с плоским экраном зависит от ее радиуса и длины электрода:

. (9)

Сопротивление воды с плоским экраном в зоне линий тока утечки равно, с учетом (8) и (9):

, (10)

где – удельное сопротивление воды, Ом·м; S/ - площадь зоны линий тока утечки, м2.

Средняя длина линий тока утечки и площадь сечения зоны и ее сопротивление с объемным экраном равны соответственно:

. (11)

Уравнения (11) дают общую оценку влияния толщины объемного экрана на регулировочные характеристики ЭВН. Учитывая, что диапазон регулирования зависит от величины токов утечки в режиме наименьшей мощности (чем они меньше, тем шире диапазон), можно однозначно определить роль конструктивных параметров. Для этого на рисунке 5 построена зависимость . Отсюда видно, что начиная с достигается резкое увеличение сопротивления воды в зоне линий тока утечки, это является предпосылкой для достижения , т.е. .

Таким образом, основным направлением расширения диапазона регулирования служит применение объемных экранов.

Рис. 4 Зависимость сопротивления зоны утечек от толщины объемного экрана: R// - сопротивление зоны линий тока утечки с объемным экраном, Ом; R/ - сопротивление зоны линий тока утечки с плоским экраном, Ом

В основу анализа процесса нагрева воды может быть принята теория нагрева идеального однородного тела, под которым понимается тело с равномерным рассеиванием теплоты со всей поверхности и равномерным распределением температуры по объему.

Рассмотрим тепловой баланс ЭВН и на его основе составим дифференциальное уравнение. Пусть в единицу времени в воде выделяется количество теплоты . Тогда за бесконечно малый промежуток времени количество теплоты будет идти на нагрев воды и частично отдается во внешнюю среду.

Если за время температура воды повысилось на , то за это время в воде накопилось теплота , где – масса воды, кг и с – ее удельная теплоемкость (, где с/ - идеальная теплоемкость, Дж/кг·0С; кк – коэффициент учитывающий конвектив-ный поток, о.е.), Дж/кг·0С.

Если за этот же промежуток времени превышение температуры ЭВН над окружающей средой равно , то количество теплоты, отдаваемого в окружающее пространство за время , будет равно , где - площадь охлаждаемой поверхности ЭВН, м2; - коэффициент теплоотдачи с поверхности, Вт/(м·0С).

Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

, (12)

где в левой части выделяемая теплота, а в правой 1 - доля потребляемая на нагрев воды, и 2 – доля, теряемая в окружающее пространство.