ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОТЛА С КОСВЕННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ РЕЗИСТОРНЫМ НАГРЕВОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 628.81

DOI: 10.22227/1997-0935.2023.6.927-934

Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверхностным резисторным нагревом

теплоносителя

Алексей Леонидович Торопов

Инженерный центр «Апрель» (ИЦ «Апрель»); г. Москва, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. Доля энергии на теплоснабжение домохозяйств составляет до 80 % от общей потребляемой энергии. Работы по повышению энергетической эффективности оборудования HVAC вносят наибольший вклад в снижение техногенного воздействия на природную среду. Технология Power-to-Heat представляет собой электрические котлы, применяемые для отопления водяными системами с радиаторами и низкотемпературными приборами отопления «теплый пол». Представлено исследование энергетической эффективности настенного электрического котла, оснащенного теплогенератором косвенного поверхностного резисторного нагрева теплоносителя. Материалы и методы. Объект исследования — серийно выпускаемый одноконтурный настенный электрический котел ARDERIA Е24 номинальной мощностью 24 кВтч, оснащенный трехскоростным циркуляционным насосом, расширительным баком объемом 6 л, группой гидравлической безопасности и подпитки теплоносителя. Управление мощностью работы котла выполнено на симисторах с радиаторами охлаждения, расположенных на обратной маги- ^ е страли контура циркуляции. На котле установлен электрический теплогенератор с косвенным резисторным поверх- t 2 ностным нагревом теплоносителя с «сухими» трубчатыми электронагревателями (ТЭН). 2. н

Результаты. Исследованные электрические теплогенераторы имеют высокую удельную объемную мощность, рав- к

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Торопов А.Л. Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверх-

Автор, ответственный за переписку: Алексей Леонидович Торопов, toropov@aprilgroup.ru.

О

ную 9,3 кВтч/дм3. Средняя удельная мощность ТЭН — 25,1 Вт/см2, максимальная — 28,8 Вт/см2. Коэффициент

энергетической эффективности работы котла составляет 0,986. Гидравлическое сопротивление блока — 1,25 м

водяного столба при расходе 1,0 м3/ч. С у

Выводы. Применение конструкции электрического теплового генератора, состоящего из литого алюминиевого — —

блока с размещенными внутри трубчатыми нагревательными элементами и спиральной трубы циркуляции тепло- ° ^

носителя, показало высокую энергетическую эффективность с коэффициентами 0,98-0,986 в диапазоне модуля- 1 —

ции тепловой мощности. Коэффициент модуляции тепловой мощности электрического котла равен 12 (2-24 кВт). ^ 9

Энергоемкость конструкции теплового генератора составляет 9,3 кВтч/дм3, что значительно выше традиционных ° 7

г |

блоков генерации тепловой энергии с «мокрыми» ТЭН. Система управления тепловой мощностью котла исключает а °

вероятность возникновения температуры на поверхности внутренней трубы циркуляции теплоносителя выше 88 °С. — 5

— (

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Р2Н, электрический котел, резистор, косвенный нагрев, ТЭН, энергетическая эффектив- О П

ность, инерционный нагрев ^ -—

Е м

Благодарности. Автор благодарит рецензентов за замечания по стилю изложения и научно-технической сути, спо- о N собствующие более глубокому раскрытию темы научной работы. О

ностным резисторным нагревом теплоносителя // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 6. С. 927-934. DOI: 10.22227/1997- > 0 0935.2023.6.927-934 i о

СП

CD CD

Energy efficiency of an electric boiler = s

with indirect surface resistive heating of the heat carrier 1 «

Ю DO I T

Alexey L. Toropov u С

Engineering Center "April"; Moscow, Russian Federation

ABSTRACT О О

10 10

Introduction. The share of energy for heating of households makes up to 80 % of the total energy consumption. Works on increase of energy efficiency of HVAC equipment make the biggest contribution to reduction of manmade impact on

© А.Л. Торопов, 2023 927

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

the environment. Power-to-Heat technology — electric boilers used for heating with water systems with radiators and low-temperature heating devices of the "warm floor" type. The research of energy efficiency of the wall mounted electric boiler equipped with the heat generator of indirect surface resistive heating of the heat carrier is presented. Materials and methods. The object of the research is an electric boiler ARDERIA E24, with a nominal capacity of 24 kWh, equipped with a circulation pump, an expansion tank with a volume of 6 L, a group of hydraulic safety and heat carrier recharge. Control of the capacity of the boiler is carried out on semistors with cooling radiators located on the reverse line of the circulation circuit. The boiler is equipped with an electric heat generator with indirect resistor surface heating of the heat carrier.

Results. The studied electric heat generators have high specific volumetric power equal to 9.3 kWh/dm3. The average specific power of tubular electric heaters is 25.1 watts/cm2. The coefficient of energy efficiency of the boiler is 0.986. The hydraulic resistance of the unit is 1.25 meters of water column at a flow rate of 1.0 m3/h.

Conclusions. The application of the electric heat generator design consisting of a cast aluminum block with tubular heating elements placed inside and a spiral coolant circulation pipe showed high energy efficiency with coefficients of 0.98-0.986 in the modulation range of heat output. The heat output modulation factor of the electric boiler is 12 (2-24 kW). The energy intensity of the heat generator design is 9.3 kWh/dm3, which is significantly higher than traditional heat generation units with "wet" heating elements. The boiler's heat output control system eliminates the possibility of the temperature rising above 88 °C on the inner heating medium circulation pipe surface.

KEYWORDS: Power-to-Heat, electric boiler, resistor, indirect heating, tubular electric heater, energy efficiency, inertial heating

Acknowledgements. The author would like to thank the reviewers for their comments on the presentation style and scientific and technical contents that helped to better disclose the topic of the scientific work.

FOR CITATION: Toropov A.L. Energy efficiency of an electric boiler with indirect surface resistive heating of the heat carrier. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(6):927-934. DOI: 10.22227/19970935.2023.6.927-934 (rus.).

Corresponding author: Alexey L. Toropov, toropov@aprilgroup.ru.

W (0

N N

О О

N N

<0<D

* <D

U 3

> (Л

с и

U oo

. г

« g. j

<D <1J

О ё

---' "t^

о

о У

z ■ i w « со E

E о

CL° ^ с Ю °

s 1

о E

fee

СП ^

<л

(Л

I

S!

О И

ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации 78 % от общего потребления энергии домохозяйствами приходится на отопление и подготовку горячей воды1. Аналогичные данные в Европейском Союзе — 79 %2, 3, в США — 60 %4. Указанные цифры убедительно показывают, что именно работы по повышению энергетической эффективности оборудования HVAC (Heating, ventilation and air conditioning — отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) вносят наибольший вклад в снижение техногенного воздействия технического оборудования домохо-зяйств на естественную природную среду. Для снижения выбросов парниковых газов все передовые

1 О состоянии энергосбережения и повышении энергетической эффективности в Российской Федерации : государственный доклад. М. : Министерство экономического развития Российской Федерации. 2020. 114 с. URL: https://www.economy.gov.ru/material/file/c3901dba442f8e3 61d68bc019d7ee83f7Energyefficiency2020.pdf

2 Heating and cooling constitute around half of the EU energy consumption // Directorate-General for Energy. URL: https:// ec.europa.eu/energy/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en?redir=1

3 Energy consumption and use by households // Eurostat. URL: https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-eurostat-news/-/DDN-20190620-1

4 Energy balances of OECD countries 2014 // International Energy Agency (IEA). URL: https://www.oecd-ilibrary.org/ content/publication/energy_bal_oecd-2014-en

страны уделяют внимание повышению энергоэффективности зданий и систем теплоснабжения5, 6 7.

Технологии Power-to-Heat (РШ или Р2Н) относятся к оборудованию, в которых электрическая энергия генерирует тепло. Р2Н предлагает множество преимуществ для управления энергетическим переходом. Водяные Р2Н с использованием избыточной переменной возобновляемой энергии позволяют оптимизировать энергопотребление и сокращают применение углеводородного топлива. Электричество не является первичной энергией. Баланс потребления первичной энергии значительно дифференцирован. В Российской Федерации по данным за 2018 г. при производстве электрической энергии доля газа составляет 60 %, угля 16 %, нефтепродуктов 13 %, ядерного топлива 8 %, гидроэнергии 3 %, все виды возобновляемых источников энергии составляют 0,03 %'. Каждая страна имеет

5 Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the Energy Performance of Buildings (recast). URL: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=celex%3A32010L0031

6 World energy balances 2020 edition. Database documentation. URL: https://iea.blob.core.windows.net/assets/4f314df4-8c60-4e48-9f36-bfea3d2b7fd5/WorldBAL_2020_Documen-tation.pdf

7 Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации : Федеральный закон № 261-ФЗ. URL: https://fzakon.ru/laws/federalnyy-zakon-ot-23.11.2009-n-261-fz/

с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя

свой баланс использования природных ресурсов при производстве электрической энергии. В качестве единицы сравнения коэффициента трансформации электрической энергии с точки зрения углеродного следа для каждой страны целесообразно взять количество выбросов СО2 при сжигании природного газа при производстве 1 кВтч тепловой энергии, равной 200 г8. В США в 2021 г. общая годовая выработка электроэнергии электростанциями разного типа происходила со средними выбросами 388 г на кВтч9, что соответствует коэффициенту 1,94 в сравнении с эмиссией при сжигании газообразного топлива. Реальные коэффициенты преобразования первичной энергии в электрическую различны в разных странах и меняются каждый год, причем не только в сторону уменьшения. По данным исследований [1, 2] в Китае — это 3,35, ФРГ — 2,2, в среднем по миру — 2,64.

Электрический котел — одно из популярных решений Р2Н, широко применяется в домохозяй-ствах для отопления водяными системами с радиаторами и низкотемпературными приборами отопления типа «теплый пол». Эта технология выгодна из-за комфортной, бесшумной и безопасной работы устройств, низкой начальной стоимости, простоты обслуживания, возможности аккумулирования энергии, интегрирования с устройствами генерации возобновляемой энергии. Классификация конструкций электрической генерации тепла в бытовых и промышленных зданиях представлена в работах [3-7]. В данной статье рассматриваются децентрализованные, низкотемпературные (менее 120 °С) электрические нагревательные котлы для систем теплоснабжения домовладения или коммерческих помещений небольшой мощности, использующие джоулев (рези-сторный) нагрев для преобразования электрической энергии в тепловую. В подавляющем большинстве в теплоснабжении домохозяйств применяются именно электрические котлы с косвенным резисторным типом нагрева теплоносителя10, 11 [8-14].

Преимущества данных систем:

1. Простота конструкции нагревательного элемента (НЭ), массовый характер производства, низкая стоимость.

8 Specific Carbon Dioxide Emissions of Various Fuels. URL: https://www.volker-quaschning.de/datserv/CO2-spez/ index_e.php

9 How much carbon dioxide is produced per kilowatthour of U.S. electricity generation? // U.S. Energy Information Administration. URL: https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php? id=74&t=11

10 Сферы применения и особенности трубчатых нагревателей. URL: https://polymernagrev.ru/nagrev-v-proizvod-stve/sfery-primeneniya-i-osobennosti-trubchatykh-nagre-vateley/

11 NidekA.J. Heating elements. URL: https://farnam-custom.

com/heating-elements?locale=en

2. Компактность, легкость монтажа и эксплуатации.

3. Возможность регулирования мощности в полном диапазоне изменения тепловой нагрузки.

4. Высокий коэффициент энергетической эффективности преобразования электрической энергии в тепловую, равный 0,95-0,99.

Недостатки систем косвенного нагрева теплоносителя резисторными нагревательными приборами:

1. Основаны на использовании электрической энергии. При оценке углеродного следа требуется учитывать коэффициенты трансформации первородного источника энергии в электрическую.

2. Ограниченный срок службы нагревательных элементов, связанный с материалами изготовления, конструкцией, интенсивностью работы.

3. Высокая температура поверхности в зоне контакта нагревательных деталей с жидкими теплоносителями (в большинстве случаев с водой), приводящая к закипанию поверхностного слоя теплоносителя.

4. Образование на поверхности НЭ отложений солей жесткости, значительно снижающих эффективность нагрева теплоносителя и уменьшающих срок службы НЭ.

5. Большая тепловая инерционность нагревательных элементов, приводящая к сложности в управлении тепловой нагрузкой.

6. Возможность возгорания устройств теплоснабжения и объемных деформаций при авариях в нештатных режимах работы.

Принцип работы и конструкция нагревательных элементов резисторного типа заключаются в следующем. На нагревательный элемент с высоким сопротивлением Я, Ом, подается электрический ток I, А. Выделение тепла происходит из-за сил сопротивления, которые задерживают электрический ток от свободного протекания через проводник. Нагрев пропорционален произведению электрического сопротивления проводника на квадрат электрического тока, протекающего через проводник Р да I 2 • Я, и зависит от времени. Выделяемое тепло Q, Втч, нагревает корпус НЭ через токоизолиру-ющий материал. Корпус НЭ контактирует с теплоносителем системы теплоснабжения и нагревает его. Материалом НЭ часто служат нихромовая проволока (№ 80 %, Сг 20 %), сплавы молибдена, вольфрама. Корпус НЭ — медь, нержавеющая сталь или керами-ка12 [15]. Форма НЭ может быть произвольная.

В классификации электрических котлов различают два типа резисторных НЭ: «мокрый», у которого оболочка трубчатого электронагревателя (ТЭН) контактирует с теплоносителем, и «сухой», у которого оболочка ТЭН нагревает промежуточный элемент, контактирующий с теплоносителем. В свою

12 Трубчатый электронагреватель. URL: https://magsbt.com/ blog/trubchatyy-elektronagrevatel/

< П

i H *к

G Г

S 2

0 СГУ § (Л

1 О y 1

J со

u-

^ I

n °

О 3 o

zs (

О i о §

§ 2 n 0

о 6

r 6 t (

О )

i!

® 0

00 В

■ т

s □

s у с о

DD К ®®

M 2

О О

10 10

U W

(О (О

N N

О О

N N

«В «В

¡É <D

U 3

> (Л

С И

U оо

. г

« (U j

<u 0J

очередь, ТЭН для котлов «сухого» типа по расположению делятся на внутренние объемные (внутри теплоносителя) и внешние поверхностные (теплоноситель находится внутри конструкции «сухого» ТЭН). На рис. 1 представлен блок ТЭН серийно выпускаемого на российском заводе «АРДЕРИЯ» настенного котла с одноименным названием ARDERIA, серия Е. Электрический теплогенератор состоит из шести трубчатых электрических НЭ, размещенных внутри спиральной трубы, по которой движется теплоноситель. Конструкция трубы теплоносителя и ТЭН расположены внутри цельнолитого алюминиевого блока.

Данный электрический теплогенератор с «сухим» типом ТЭН и внешним поверхностным нагревом трубки теплоносителя обладает следующими преимуществами по сравнению с «мокрым» типом:

1. Температура поверхности оболочки «мокрых» ТЭН не должна превышать 100 °C для снижения вероятности закипания теплоносителя на поверхности ТЭН, снижения интенсивности образования накипи. «Сухие» ТЭН рассматриваемого теплогенератора не контактируют с теплоносителем. Они нагревают весь объем алюминиевого блока и трубку движения теплоносителя. Данная конструкция допускает температуру оболочки ТЭН 150 °C, при этом температура в любой точке поверхности трубки движения теплоносителя не превышает 80 °C.

2. Эффективность нагрева. Максимальная удельная мощность «мокрого» ТЭН не превышает 15 Вт/см2. Мощность ТЭН длиной 1 м при диаметре 10 мм не превышает 4 кВт ч [16-19]. В этом случае для тепловых генераторов мощностью 24 кВт длина ТЭН при диаметре 10 мм должна быть не менее 6 м, что занимает большой объем

и вес. Теплогенератор котлов ARDERIA оснащен ТЭН с удельной мощностью до 30 Вт/см2, что позволяет уменьшить их размер по сравнению с «мокрыми» трубчатыми НЭ.

3. Нагрев трубчатыми электронагревателями алюминиевого монолитного корпуса дает возможность обеспечить равномерный нагрев всей поверхности трубы, по которой движется теплоноситель. Площадь поверхности трубы в 1,5 раза превышает площадь поверхности нагревательных резисторных элементов «мокрого» типа.

4. При размещении на поверхности алюминиевого блока термостата с ограничением температуры 80 °С возможность закипания теплоносителя исключается. Тепловая инерционность оболочек ТЭН теплогенератора меньше, чем у вариантов с «мокрым» ТЭН. Благодаря этому снижается инерционный перегрев объема теплоносителя при аварийном отключении электрического питания котла, поскольку избыточная температура оболочки ТЭН перераспределяется на массу литого алюминиевого блока, а не на объем воды, находящийся в теплогенераторе.

5. Конструкция теплогенератора компактная, энергоемкость блока более высокая, чем при использовании «мокрых» ТЭН.

Цель исследования — определить энергетическую эффективность настенного электрического котла с теплогенератором в виде цельнолитого алюминиевого блока с расположенным внутри спиральным стальным трубчатым каналом циркуляции теплоносителя и блока ТЭН, гидравлическое сопротивление теплогенератора и тепловую инерционность при аварийном отключении энергопитания.

о ё —■

о

О У СО <f

z ■ i от Ц от Е

Е о

^ с ю °

S 1

о Е

СП ^ т- ^

£

ОТ О

> 1 £ w

Е!

О (Я

Рис. 1. Блок косвенного нагрева теплоносителя с использованием резисторных нагревательных элементов и электрический настенный котел ARDERIA, серия Е24: 1 — алюминиевый корпус нагревательного блока; 2 — электрический нагревательный элемент; 3 — трубка теплоносителя

Fig. 1. Block of indirect heating of the heat carrier with the use of resistor heating elements and electric wall-mounted boiler ARDERIA E24 series: 1 — aluminum body of the heating block; 2 — electric heating element; 3 — heat carrier tube

с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования — серийно выпускаемый одноконтурный настенный электрический котел ARDERIA Е24 номинальной мощностью 24 кВтч, оснащенный трехскоростным циркуляционным насосом (ЦН) с мотором асинхронного типа, расширительным баком объемом 6 л, группой гидравлической безопасности и подпитки теплоносителя. Управление мощностью работы котла выполнено на сими-сторах с радиаторами охлаждения, расположенными на обратной магистрали контура циркуляции.

Рис. 2. Конфигурация ТЭН (a); форма спиральной трубки движения теплоносителя (b)

Fig. 2. Tubular electric heating element configuration (a); the shape of the spiral tube for the movement of the heat carrier (b)

Тепловой электрический блок — размер 150 х х 325 х 53 мм (Ш х В х Г), объем 2,58 дм3, удельная номинальная энергоемкость 9,3 кВтч/дм3. На рис. 2 представлены блок электрических ТЭН и сжатая спиралеобразная трубка движения теплоносителя. Длина трубки контура циркуляции теплоносителя внутри блока 4750 мм. Диаметр 18 мм, толщина стенки 1 мм, сталь АШ1 304, площадь поверхности трубы 2684 см2. Количество ТЭН — 6 штук, диаметр оболочки 10 мм. Средняя длина 513 мм, суммарная длина 3,08 м. Вес блока, включая вес ТЭН, спиральной трубки, патрубков подключения, без теплоносителя — 6,25 кг. Испытания проводились на исследовательском стенде завода «АРДЕРИЯ». Теплоноситель — вода. Количество циклов испытаний 5. Электрическая сеть трехфазная. Температура в помещении 18 °С.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Электрические котлы, оснащенные блоком косвенного поверхностного резисторного нагрева теплоносителя, имеют высокую удельную мощность,

равную 9,3 кВтч/дм3. Традиционные, погруженные в объем нагревательного блока, заполненного теплоносителем, трубчатые НЭ требуют наличия зазора между ТЭН и корпусом не менее 5 мм, что приводит к увеличению размеров блока. Удельная мощность блоков электрического нагрева с использованием ТЭН «мокрого» типа составляет менее 3,0 кВтч/дм3. Средняя удельная мощность ТЭН, используемых в исследуемом блоке косвенного резисторного поверхностного нагрева, составляет 25,1 Вт/см2 при максимальной достигнутой мощности 28,8 Вт/см2. Конструкция исследуемого блока косвенного нагрева теплоносителя исключает закипание теплоносителя в зоне его контакта с поверхностью трубки установкой блока термореле с температурой отключения питания, равной 90 °С, расположенного на внешней поверхности нагревательного литого блока, и пропорционального датчика температуры, установленного на выходной магистрали. Алгоритм работы котла ограничивает максимальную температуру теплоносителя 80 °С. Коэффициент энергетической эффективности работы котла составляет 0,98-0,986 в диапазоне модуляции мощности от 2 до 24 кВтч. Гидравлическое сопротивление блока электрического нагрева теплоносителя — 1,25 м водяного столба при расходе 1,0 м3/ч, что соизмеримо с гидравлическим сопротивлением настенного газового котла аналогичной мощности [20]. Электрические котлы с симисторной схемой управления тепловой нагрузкой имеют возможность «плавной» модуляции мощности с шагом изменения меньше номинальной мощности одного ТЭН. В исследуемом котле шаг изменения мощности равен половине мощности ТЭН, что по потребляемому току соответствует половине величины потребляемого тока одного ТЭН. Данный факт имеет преимущество перед релейными типами систем управления тепловой мощностью электрических котлов, поскольку допускает эффективное приоритетное распределение выделенной на домохозяйство электрической мощности в случае ее лимитирования [21]. Инерционный нагрев теплоносителя в зоне максимального нагрева при аварийном выключении электропитания и остановке движения теплоносителя при отключении ЦН составил 8 °С. Аварийный инерционный нагрев происходит за счет предварительного нагрева оболочки трубчатых НЭ до температуры 150 °С, размещенных в литом блоке косвенного нагрева. Избыточный нагрев оболочки ТЭН перераспределяется на нагрев всех элементов блока (вес 6,25 кг), включая алюминиевый блок, трубку движения теплоносителя, теплоноситель. Температура теплоносителя на входе в блок нагрева в момент аварийного отключения питания не превышает 60 °С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

Применение конструкции электрического теплового генератора, состоящего из литого алюми-

< п

i H *к

G Г

S 2

0 ся § (Л

1 о

y 1

J со

u-

^ I

n °

O 3 o

=s (

O i о §

§ 2 n 0

о 6

r 6 t (

O )

iï

® 0

00 В

■ г

s □

s У с о

1 к ®®

M 2 О О 10 10 U W

ниевого блока с размещенными внутри трубчатыми НЭ и спиральной трубы циркуляции теплоносителя, показало высокую энергетическую эффективность с коэффициентами 0,98-0,986 в диапазоне модуляции тепловой мощности. Коэффициент модуляции тепловой мощности электрического котла равен 12 (2-24 кВт). Энергоемкость конструкции теплового генератора высокая, составляет 9,3 кВтч/дм3, что значительно выше традиционных блоков генерации тепловой энергии с «мокрыми» ТЭН. Максимальная удельная мощность ТЭН, примененных в конструкции блока, — до 30 Вт/см2. Система управления тепловой мощностью котла, включая установку термостата на внешней поверхности алюминиевого литого блока, позволяет ис-

ключить вероятность возникновения температуры на поверхности внутренней трубы циркуляции теплоносителя выше 80 °С. При аварийном отключении электрического питания котла и прекращении работы ЦН разогрев объема теплоносителя, находящегося в теплогенераторе, происходит за счет тепловой инерции ТЭН на температуру не более 8 °С. Температура теплоносителя в блоке нагрева в нормальном рабочем режиме не превышает 80 °С, скорость движения теплоносителя в нагревательной трубке существенно выше конструкций объемного нагрева с «мокрыми» ТЭН, что значительно снижает интенсивность нарастания твердых образований накипи на внутренней поверхности каналов движения теплоносителя.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

(О (О

N N

о о

N N

<о <о

¡É <D

U 3

> (Л

с и

U оо

. г

e (U j

<u 0J

о ё

---' "t^

о

о "

8 «

™ . 9

ОТ Ц от Е

Е о

^ с

ю °

S ¡¡

о Е

СП ^

т- ^

от от

^ 1

£ w

I ^

iE 3s

О И

1. Белобородов С.С. Снижения эмиссии СО2: развитие когенерации или строительство ВИЭ? // Энергосовет. 2018. № 1 (51). С. 16-25.

2. Hussy С., Klaassen E., KoornneefJ., Wigand F. International comparison of fossil power efficiency and CO2 intensity — Update 2014. Netherlands, ECOFYS, 2014. 84 p.

3. Maruf N.I., Morales-Espana G., Sijm J., Helisto N., Kiviluoma J. Classification, potential role, and modeling of power-to-heat and thermal energy storage in energy systems: A review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 53. P. 102553. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102553

4. Bloess A., Schill W.P., Zerrahn A. Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials // Applied Energy. 2018. Vol. 212. Pp. 1611-1626. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.12.07

5. Pieper C. Transformation of the German energy system — Towards photovoltaic and wind power. Technology Readiness Levels 2018: Thesis for: Dr.-Ing. Technische Universität Dresden, 2018. 264 p.

6. YilmazH., Keles D., Chiodi A., HartelR., Miku-lic M. Analysis of the power-to-heat potential in the European energy system // Energy Strategy Reviews. 2018. Vol. 20. Pp. 6-19. DOI: 10.1016/j.esr.2017.12.009

7. Wong S., Pinard J.-P. Opportunities for smart electric thermal storage on electric grids with renewable energy // IEEE Transactions on Smart Grid. 2016. Pp. 1-9. DOI: 10.1109/TSG.2016.2526636

8. Taileb A. A comparative study of a direct current heating system and a gas furnace heating coil // WEENTECH Proceedings in Energy. 2019. Pp. 185194. DOI: 10.32438/WPE.3019

9. Hegazy A., Diab M.R. Performance of an improved design for storage-type domestic electrical wa-

ter-heaters // Applied Energy. 2002. Vol. 71. Issue 4. Pp. 287-306. DOI: 10.1016/S0306-2619(02)00006-5

10. Lee S., Jang D, Chung Y.S., Lee S. Cost-effective and highly efficient surface heating elements using high thermal conductive carbon fibers // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020. Vol. 137. P. 105992. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105992

11. Пшеничников В. Коммерческие водонагреватели на предприятиях // С.О.К. — Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2011. № 6 (114). С. 40-43.

12. Горкин А.П. Энциклопедия «Техника». М. : Rosmen, 2006. 488 с.

13. Белавин Ю.А., Евстигнеев М.А., Чернявский А.Н. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. М. : Энергоатомиз-дат, 1989. 157 с.

14. Boldrini A., Jiménez Navarro J.P., Crijns-Graus W.H.J., van den BroekM.A. The role of district heating systems to provide balancing services in the European Union // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. Vol. 154. P. 111853. DOI: 10.1016/j. rser.2021.111853

15. Пилипенко А.И. Промышленные электронагреватели // Промышленный электрообогрев и электроотопление. 2012. № 1. С. 28-34.

16. Заяц А.Е., Корко В.С., Кустова Р.И. Электрические элементные нагреватели : пособие. Минск : БГАТУ, 2011. 180 с.

17. Матвеев С.Д., Черкасов М.М. Повышение эффективности электроводонагревательных устройств для отопления вспомогательных помещений на животноводческих фермах // Современная техника и технологии. 2017. № 5. URL: https:// technology.snauka.ru/2017/05/13344

с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя

18. Вадова Л.Ю. Способы и средства повышения эффективности работы трансформаторного нагревателя // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2022. № 8. С. 51-55.

19. Балашов С.М., Балашов С.С., Фролов А.А., Балашов М. С. Совершенствование трубчатых электронагревателей // Теплоэнергетика. 2005. № 2. С. 53-56.

Поступила в редакцию 13 марта 2023 г. Принята в доработанном виде 11 апреля 2023 г. Одобрена для публикации 18 мая 2023 г.

20. Торопов А. Л. Гидравлическая и тепловая устойчивость работы автономных систем по-квартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 7. С. 944-953. DOI: 10.22227/19970935.2022.7.944-953

21. Торопов А.Л. Использование электрических котлов с иерархическим управлением нагрузкой для поквартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 11. С. 1488-1498. Б01: 10.22227/19970935.2022.11.1488-1498

Об авторе: Алексей Леонидович Торопов — кандидат технических наук, генеральный директор — главный конструктор; Инженерный центр «Апрель» (ИЦ «Апрель»); 105122, г. Москва, Щелковское шоссе, д. 13; РИНЦ ГО: 1030472, 0RCID: 0000-0002-7457-6948; Toropov@aprilgroup.ru.

REFERENCES

1. Beloborodov S.S. Reduction of CO2 emissions: development of cogeneration or construction of RES? Energy Advice. 2018; 1(51):16-25. (rus.).

2. Hussy C., Klaassen E., Koornneef J., Wigand F. International comparison of fossil power efficiency and CO2 intensity — Update 2014. Netherlands, ECOFYS, 2014; 84.

3. Maruf N.I., Morales-Espana G., Sijm J., Helisto N., Kiviluoma J. Classification, potential role, and modeling of power-to-heat and thermal energy storage in energy systems: A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022; 53:102553. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102553

4. Bloess A., Schill W.P., Zerrahn A. Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials. Applied Energy. 2018; 212:1611-1626. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.12.07

5. Pieper C. Transformation of the German energy system — Towards photovoltaic and wind power. Technology Readiness Levels 2018 : Thesis for : Dr.-Ing. Technische Universität Dresden, 2018; 264.

6. Yilmaz H., Keles D., Chiodi A., Hartel R., Mikulic M. Analysis of the power-to-heat potential in the European energy system. Energy Strategy Reviews. 2018; 20:6-19. DOI: 10.1016/j.esr.2017.12.009

7. Wong S., Pinard J.-P. Opportunities for smart electric thermal storage on electric grids with renewable energy. IEEE Transactions on Smart Grid. 2016; 1-9. DOI: 10.1109/TSG.2016.2526636

8. Taileb A. A comparative study of a direct current heating system and a gas furnace heating coil.

WEENTECH Proceedings in Energy. 2019; 185-194. DOI: 10.32438/WPE.3019

9. Hegazy A., Diab M.R. Performance of an improved design for storage-type domestic electrical water-heaters. Applied Energy. 2002; 71(4):287-306. DOI: 10.1016/S0306-2619(02)00006-5

10. Lee S., Jang D., Chung Y.S., Lee S. Costef-fective and highly efficient surface heating elements using high thermal conductive carbon fibers. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020; 137:105992. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105992

11. Pshenichnikov V. Commercial water heaters in factories. Plumbing, Heating, Air Conditioning. 2011; 6(114):40-43. (rus.).

12. Gorkin A.P. Encyclopedia "Equipment". Moscow, Rosmen Publ., 2006; 488. (rus.).

13. Belavin Yu.A., Evstigneev M.A., Chernyavs-kiy A.N. Tubular electric heaters and installations with their application. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989; 157. (rus.).

14. Boldrini A., Jiménez Navarro J.P., Crijns-Graus W.H.J., van den Broek M.A. The role of district heating systems to provide balancing services in the European Union. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022; 154:111853. DOI: 10.1016/ j.rser.2021.111853

15. Pilipenko A.I. Industrial electric heaters. Industrial Electric Heating and Electric Heating. 2012; 1:28-34. (rus.).

16. Zayats A.E., Korko V.S., Kustova R.I. Electric elemental heaters: manual. Minsk, BGATU, 2011; 180. (rus.).

< П

i H * к

G Г

0 С/5 § С/5

1 Z

y 1

J со

u-

^ I

n °

О 3 О

zs (

о H

о §

§ 2 n 0

о 6

r 6 t (

о )

Í!

oo в

■ T

s У с о

<D к ®®

О О 2 2 W W

Ig ^ El

ü M

17. Matveev S.D., Cherkasov M.M. Improving the efficiency of electric water heaters for heating auxiliary premises on livestock farms. Modern Technique and Technologies. 2017; 5. URL: https://technology. snauka.ru/2017/05/13344 (rus.).

18. Vadova L.Yu. Methods and means of improving the efficiency of the transformer heater. International Journal of Applied and Fundamental Research. 2022; 8:51-55. (rus.).

19. Balashov S.M., Balashov S.S., Frolov A.A., Balashov M.S. Improving tubular electrical heaters. Teploenergetika. 2005; 2:53-56. (rus.).

20. Toropov A.L. Hydraulic and thermal stability of independent systems of apartment heating. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(7):944-953. DOI: 10.22227/19970935.2022.7.944-953 (rus.).

21. Toropov A.L. Using electric boilers with hierarchical load control systems to supply heat to apartments. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(11): 1488-1498. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.11. 1488-1498 (rus.).

Received March 13, 2023.

Adopted in revised form on April 11, 2023.

Approved for publication on May 18, 2023.

Bionotes: Alexey L. Toropov — Candidate of Technical Sciences, General Director — Chief Designer; Engineering Center "April"; 13 Schelkovskoe shosse, Moscow, 105122, Russian Federation; ID RISC: 1030472, ORCID: 0000-0002-7457-6948; Toropov@aprilgroup.ru.

W (0

N N

o o

N N

<o <o

* <D

U 3

> in

E M

HQ 00

. r

« gi j

<D <u

o g

---' "t^

o o

™ . I

w « ot E

E o clu

c

LT> O

s H

o E

CD ^

M M