CC BY
55
УДК 697.273.86
КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРООТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА ДЛЯ ПОМЕЩЕНИЙ МАЛЫХ ФОРМ
1 9
Н.П.Коновалов1, И.Ю.Шелехов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрен вопрос применения электронагревательных приборов для отопления помещений малых форм на примере монгольских юрт, представлен сравнительный анализ печного и электрического отопления с классическими нагревательными приборами. Приводятся данные по использованию отопительных приборов, разработанных авторами на основе полупроводниковых нагревательных элементов. Показано, что предложенные отопительные приборы и схема их расположения создают оптимальные климатические условия в помещении, при резких перепадах температуры быстро восстанавливают климатические условия в помещении юрты, а по техническим характеристикам значительно превосходят имеющиеся аналоги. Ил. 11. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: электронагреватели; конвекторы; плёночные элементы; монгольские юрты; обогрев юрт.
ELECTRIC HEATER DESIGN FOR SMALL-SCALE ACCOMMODATIONS N.P. Konovalov, I.Yu. Shelekhov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article deals with the issue of applying electric heaters for heating small scale accommodations on the example of Mongolian yurts. A comparative analysis of stove heating and electric heating with classical heating devices is presented. The data on the use of heating devices, developed by the authors on the basis of semiconductor heating elements are provided. It is shown that the proposed heating devices and the circuit of their location provide optimal climatic conditions inside. They quickly restore the climatic conditions inside the yurt under sharp temperature drops, and considerably su r-pass the available counterparts in performance specifications. 11 figures. 6 sources.
Key words: electric heaters; convectors; film elements; Mongolian yurts; yurt heating.
До народной революции в Монголии было очень мало стационарных строений жилого типа, за исключением храмов, монастырей и других строений культового назначения. Все население проживало в юртах, кочуя по всей стране. Вот почему Монголия называлась "страной войлочных юрт". Впрочем, и до сих пор в юртах проживает основная часть населения, особенно в сельской местности. Войлочная юрта идеально приспособлена к кочевой жизни. Ее можно свернуть и погрузить на транспорт буквально за час, и так же быстро поставить на другом месте. Юрта имеет деревянный остов, сборка которого производится без металлических соединений. В зависимости от площади остов юрты состоит из 4-6 и более деревянных решетчатых стен. Их ставят кольцом, а сверху крепятся жерди, образующие коническую крышу. Посреди крыши предусмотрено дымовое отверстие. На остов снаружи накладывается войлочная кошма, иногда в два слоя, поверх которой укладывается парусиновая или брезентовая ткань, защищающая войлок от дождя и снега. Юрта по периметру обвязывается веревкой. Внутреннее устройство юрты зависит от ее предназначения и материального положения семьи. Дверь монгольской юрты всегда обращена к югу. Эта осо-
бенность установки юрты позволяла кочевникам определять время суток. Солнечный луч, попадая в юрту через верхнее отверстие, в течение дня проходит весь периметр внутренней стенки, и весь световой день от восхода до заката солнца делился на 29 временных периодов, это служило для монголов часами. Северная сторона, прямо против входа, считается самой почетной: там принимают гостей. В центре юрты традиционно размещается очаг (печь). Очаг - символ обжитого дома и место хозяйки. Восточная половина юрты справа от двери считается женской, а западная левая - мужской. На мужской половине юрты хранится скотоводческий и охотничий инвентарь, а на женской половине - хозяйственная утварь. Это разделение сохраняется и сейчас.
Монголия - страна, где и сегодня основная масса населения проживает в юртах. Переселяясь ближе к столице из сельских районов, кочевники интенсивно застраивают окраины города. Во всех юртах в основном установлено печное отопление, где в качестве топлива используются дрова, уголь и саман. Это создаёт серьёзную экологическую обстановку не только в городе, но и на его окраинах. На сегодня в г. Улан-Баторе возникла экологическая проблема, связанная с
1Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, заведующий кафедрой физики, тел.: (3952) 405177, e-mail: [email protected]
Konovalov Nikolai, Doctor of technical sciences, Head of the Department of Physics, tel.: (3952) 405177, e-mail: [email protected]
2Шелехов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405474, e-mail: [email protected]
Shelekhov Igor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Civil planning and Economy, tel.: (3952) 405474, e-mail: [email protected]
интенсивным задымлением. Правительство Монголии подготовило программу о переоснащении юрт и переводе их на электрическое отопление. Несмотря на высокую стоимость, электрическая энергия является экологически чистым и эффективным видом обогрева помещений. Кроме того, она имеет ряд достоинств: использование непосредственно у потребителей, относительная простота подачи, легкость регулирования, изменение величины нагрузки и др. [1].
Применение электрической энергии для обогрева помещений в ряде случаев является единственно возможным и целесообразным по сравнению с другими источниками тепловой энергии. Таким случаем и являются помещения юрт. В настоящее время в столице Монголии располагается 157 тыс. юрт. Сейчас кварталы из юрт и деревянных домов отапливают "буржуйки", потребляя в год сотни тысяч тонн угля и дров. Высота каждой юрты небольшая, тяги для полного сгорания топлива не хватает, из-за недожога топлива углеводороды и дымовые газы образуют азиат-ропные смеси (смог). Задымление воздуха в городе в несколько раз превышает максимально установленные санитарные нормы и негативно сказывается на здоровье жителей. Поэтому монгольские власти заинтересованы в радикальных мерах по улучшению ситуации, чтобы население могло нормально жить и работать.
Исторически конструкция юрты приспособлена для обогрева от открытого огня, расположенного в центре. Такой способ обогрева юрта сохранила и до наших дней, но открытый огонь не применяется из-за высокой степени пожароопасности. Обычно (рис.1) юрта отапливается печкой «буржуйкой», которую устанавливают в центре.
Рис.1. Общий вид юрты: 1 - юрта; 2 - дымовое отверстие; 3 - места пребывания людей; 4 - печка «буржуйка»; 5 - дымовая труба
Через дымовое отверстие с помощью дымовой трубы удаляются дым и газообразные продукты горения. Такой метод нагрева способствует равномерному распределению тепла, быстрому прогреву юрты и поддержанию температуры в местах пребывания людей. Однако из-за недостаточной высоты дымовой
трубы происходит неполное сгорание твердого топлива и соответственно образуется большое количество вредных выбросов в атмосферу. Необходим также постоянный контроль над процессом горения и соблюдение требований пожарной безопасности из-за высокой температуры на поверхности печи. Кроме того, процесс горения требует постоянного притока кислорода, что вызывает дополнительные теплопоте-ри, когда холодный наружный воздух поступает внутрь юрты. Если же не обеспечить приток наружного воздуха, то внутри юрты может возникнуть недостаток кислорода, наступит «кислородное голодание», которое вызовет плохое самочувствие людей, а в некоторых случаях может привести к летальному исходу.
Нами произведены замеры тепловых полей в юрте с различными источниками тепла. На рис. 2 показано распределение полей теплоощущения в первые 30 минут работы печи. Из графика видно, что в зоне рядом с печью ощущается наиболее высокая температура (перегрев), а в зонах пребывания людей - переохлаждение.
Рис. 2. Распределение полей теплоощущения в юрте в первые 30 мин работы печи
На рис.3 показано распределение полей теплоощущения в зонах пребывания людей после 60 минут работы печи. При этом состояние «комфортно» не было зафиксировано, произошел быстрый переход из состояния «холодно» в состояние «жарко».
Для обеспечения равномерного теплового режима в юрте возможно применение традиционных электронагревательных приборов конвекционного, радиационного или совмещенного действия. Такие приборы можно разместить на стенах юрты или перемещать по её площади.
Учитывая особенности конструкции юрты (рис. 4), где вертикальная сторона не превышает 1,5 м и заставлена мебелью, установка отопительных приборов любого типа в этих местах невозможна. В центре юрты возникает естественный конвекционный поток, и всё вырабатываемое тепло концентрируется у дымного отверстия. При этом возникает эффект «тепловой подушки» в верхней части помещения (голове - жарко, ногам - холодно). Установка отопительных приборов радиационного действия возможна только на
наклонной части юрты, что приведет к концентрации теплового потока в центре юрты, при этом места постоянного пребывания людей останутся холодными. Применение теплых полов в юрте нецелесообразно по двум причинам: часть площади пола юрты, где можно установить теплые полы, находится в центре, и ее диаметр составляет не более 2 м, в то время как диаметр самой юрты 5 м. При площади 3,14 м2 даже с нарушениями санитарных норм и при применении нагревателей с удельной мощностью 200 Вт/м2 общая мощность составит 628 Вт, что недостаточно для отопления помещения такого объема [4].
Рис. 3. Распределение полей теплоощущения в юрте после 60 мин работы печи
г**
I * * + * + *
Рис. 4. Обслуживаемые зоны в юрте: 1 - традиционное место приготовления пищи; 2 - место передвижения людей; 3 - место постоянного пребывания людей;
4 - бытовая техника и мебель
Кроме этого, пол в юрте, в отличие от стандартных помещений, не стационарный и в зависимости от времени года устанавливается на разной высоте. Это
не позволяет использовать стационарный тёплый пол. Отсюда возникает потребность в создании нового электроотопительного прибора, предназначенного для обогрева помещений малых форм с потолком в виде купола, конуса или пирамиды. Предлагается электроотопительный прибор (рис. 5) низкотемпературного способа обогрева, который позволяет обеспечить высокую степень пожарной безопасности и избежать ожогов во время эксплуатации. Этот прибор состоит из низкотемпературных боковых нагревательных панелей радиационного типа, центрального нагревательного блока аккумулятора, имеющего форму цилиндра, на который устанавливается нагревательный элемент. Для уменьшения инерционности системы цилиндр заполнен материалом с высокой теплоёмкостью (кварцевым песком). Нагревательный элемент (аккумулятор) покрыт теплопоглощающим и теплоот-ражающим материалом в виде полос из полированной и черненой алюминиевой фольги. Для создания конвекционного потока устройство оборудовано экраном. Радиационные панели, установленные на наклонной части юрты, излучают тепловой поток в сторону центрального нагревательного блока аккумулятора. Часть теплового потока поглощается тёмной поверхностью центрального блока, а часть отражается от полированной поверхности в сторону постоянного пребывания людей.
В свою очередь, центральный блок является также низкотемпературным нагревательным элементом радиационного действия, который одновременно поглощает и излучает тепловую энергию, в результате чего за счет сложения тепловых потоков происходит равномерное распределение тепловой энергии в обслуживаемой зоне и в зоне пребывания людей. Экран в нижней части аккумулирующего устройства служит для создания низкоскоростного конвекционного потока, обеспечивающего обогрев пола, и работает по принципу «плинтусных» электроконвекторов [5].
Натурные испытания проводились в Улан-Баторе. Основная задача экспериментов заключалась в обосновании возможности перевода юрт, расположенных в городской черте, на экономное электрическое отопление. В эксперименте использовались конвекторы и масляные обогреватели стандартного типа, которые устанавливались в центре юрты. График распределения полей теплоощущения в юрте, обогреваемой масляными нагревателями, приведён на рис.6. С обогревателями конвективного типа положительного результата получить не удалось, поэтому данные не приводятся. Положительный результат получили при установке двух масляных обогревателей общей мощностью 3 кВт. Среднее потребление электроэнергии при температуре окружающего воздуха 20°С составило 2,2 кВт.
Распределение полей теплоощущения в юрте на основе предлагаемой конструкции отопительного прибора при установившемся режиме показано на рис. 7. Видно, что градиент температуры по всей площади юрты значительно ниже, чем при других видах обогрева. Параметры максимального комфорта удалось получить и в местах постоянного пребывания людей.
Рис. 5. Принцип работы аккумулирующей установки: 1 - низкотемпературные боковые нагревательные панели радиационного типа; 2 - центральный нагревательный блок аккумулятора; 3 - экран; 4 - тепловой поток; 5 - полированная поверхность; 6 - конвекционный поток
Рис. 6. Распределение полей теплоощущения в юрте, обогреваемой масляными нагревателями
Рис. 7. Распределение полей теплоощущения в юрте на основе предлагаемой конструкции отопительного прибора
Рис.8. Зависимость потребляемой мощности от температуры предлагаемого отопительного прибора
На рис. 8 показано изменение потребляемой мощности системой при изменении наружной температуры от -10°С до -40°С.
На рис. 9 показан график выхода на стационарный режим при печном отоплении.
На рис. 10 показан график выхода на стационарный режим при отоплении масляными обогревателями, на рис.11 - график выхода на стационарный ре-
жим при отоплении разработанной конструкцией отопительного прибора. За счет изменения сопротивления нагревательного элемента удалось получить регулировку температурного режима точно такую же, как и при пропорциональном интегрально-дифференциальном регулировании, что ранее было возможно только при использовании микропроцессорного оборудования [6].
Рис. 9. Выход на стационарный режим при печном отоплении
Рис.10. Выход на стационарный режим при отоплении масляными нагревателями
Рис.11. Выход на стационарный режим работы предлагаемой конструкции
Натурные испытания в зимний период времени с 2011 по 2012 г. на 40 монгольских юртах показали, что предложенная система надежно работает и создает оптимальные климатические условия в помещении. Предложенная схема системы обогрева позволяет быстро восстанавливать климатические условия в помещении при резких перепадах внешней темпера-
туры. Проведенные испытания показали, что по техническим, экономическим и экологическим параметрам предлагаемые отопительные приборы превосходят имеющиеся промышленные аналоги. Они позволяют поддерживать в юрте постоянную плюсовую температуру, при этом потребление электрической энергии регулирует сам нагревательный элемент.
Библиографический список
1. Аханов В.С. Электрообогревательные устройства в строительстве и муниципальном хозяйстве. М.: Стройиздат, 1978. 166 с.
2. Фаликов В.С. Энергосбережение в системах тепловодо-снабжения зданий. М.: ГУП ВИМИ. 2001. 164 с.
3. Владимирцов Б.Я. Работы по истории и этнографии монгольских народов // Восточная литература. 2002. 557 с.
4. Шелехов И.Ю., Янченко В.А. Особенности применения системы «теплый пол» в условиях Сибири // Вестник Иркут-
N
ского государственного технического университета. 2011. 12. С. 156-160.
5. Шелехов И.Ю., Гладкий Г.Ю. Электроконвектор с пла-нарными нагревательными элементами // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства в условиях Восточной Сибири: сб. науч. тр. Иркутск: ИрГСХА. 2002. С.115-121.
6. Проектирование систем автоматизации технологических процессов : справ.пособие / А.С.Клюев [и др.]. 3-е изд., стер. М.: Альянс, 2008. 464 с.
УДК 628.8 696.4 :644.62 : 683.97
ЭЛЕКТОРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
1 9
Н.П.Коновалов1, И.Ю.Шелехов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены проточные водонагревательные системы горячего водоснабжения, созданные на основе полупроводниковых элементов, оценены их достоинства и недостатки. Представлена методика подбора характеристик проточных водонагревателей. Предложена конструкция полупроводникового нагревательного элемента, изготовленного для систем горячего водоснабжения. Приведены результаты исследования параметров проточных водонагревателей с полупроводниковыми нагревательными элементами. Показано, что предложенная конструкция имеет высокие экономические показатели. Ил. 2. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: водонагреватели; нагревательные элементы; водонагревательные системы.
ELECTRIC WATER HEATING SYSTEMS WITH SEMICONDUCTOR ELEMENT N.P.Konovalov, I.Yu.Shelekhov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article presents flow water heating systems of hot water supply based on semiconductor elements and evaluates their advantages and disadvantages. The methods for selecting characteristics of instantaneous water heaters are provided. The design of a semiconductor heating element, made for the systems of hot water supply is proposed. The results of parameter study of instantaneous water heaters with semiconductor heating elements are given. It is shown that the proposed design has a high economic performance. 2 figures. 6 sources.
Key words: water heaters; heating elements; water heating systems.
Многообразие автономных систем горячего водоснабжения во многом определяется национальными особенностями. Так, в Японии наиболее популярны устройства для подогрева ванн, в Германии - проточные электроводонагреватели. Своеобразие российского рынка проявляется в разнообразии проточных газовых и твердотопливных водонагревателей, хотя в
последние годы их производство резко снизилось. По статистическим данным, к концу 90-х годов прошлого столетия количество систем, в которых использовали газовые и твердотопливные водонагреватели, составляло около 50% от всех водонагревателей, применяемых в России, а в начале нового тысячелетия их доля снизилась до 30% [1]. Снижение доли газовых про-
1Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, заведующий кафедрой физики, тел.: (3952) 405177, e-mail: [email protected]
Konovalov Nikolai, Doctor of technical sciences, Head of the Department of Physics, tel.: (3952) 405177, e-mail: [email protected]
2Шелехов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405474, e-mail: [email protected]
Shelekhov Igor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Civil planning and Economy, tel.: (3952) 405474, e-mail: [email protected]
