CC BY
8
УДК 621.314+692:64
DOI: 10.30838/J.BPSACEA.2312.040719.99.469
ОБГРУНТУВАННЯ ДОЦ1ЛЬНОСТ1 розширення сфери ЗАСТОСУВАННЯ 1НДУКЦ1ЙНИХ ТЕПЛОНАГР1ВАЧ1В ДЛЯ ОПАЛЕННЯ ЖИТЛОВИХ I ЦИВ1ЛЬНИХ БУД1ВЕЛЬ
ЧУПРИНА В. Л.1, тж., КОТОВ Н. А2*, к т. н., доц., ЗЕЗЮКОВ Д. М.3, к т. н, доц., МАХШЬКО М. М.4, к. т. н., доц.
1 Кафедра автоматики i електротехнжи, Державний вищий навчальний заклад «Придншровська державна академш будшництва та архггектури», вул. Чернишевського, 24-а, 49600, Дншро, Укра!на
2 Кафедра залiзобетонних та кам'яних конструкцш, Державний вищий навчальний заклад «Придншровська державна академш будшництва та архггектури», вул. Чернишевського, 24-а, 49600, Дншро, Украша, e-mail: kotokoto@i.ua, ORCID ID: 0000-0003-0233-0663
3 Кафедра залiзобетонних та кам'яних конструкцш, Державний вищий навчальний заклад «Придшпровська державна академш будiвницгва та архiтектури», вул. Чернишевського 24-а, 49600, Дншро, Украша, тел. +38 (0562) 47-03-19, e-mail: denis.zeziukov@mail.pgasa.dp.ua, ORCID ID: 0000-0001-7451-992X
4 Кафедра залiзобетонних та кам'яних конструкцш, Державний вищий навчальний заклад «Придншровська державна академш будiвницгва та архiтектури», вул. Чернишевського 24-а, 49600, Дншро, Украша, тел. +38 (0562) 47-03-19, e-mail: kolia2785@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-5541-8672
Анотащя. Постановка проблеми. Головний недолш використання газу в нашш кра!ш - постшне зростання щн на нього, i будь-яких змш у бш зменшення варгосгi в ситуацп, що склалася, не передбачаеться. Також до об'ективних недолЫв можна вiднесги високу вартють пiдключення до газово! мереж1, зменшення тиску газу за температур через його стиснення, низьку його яшсть i, як наслiдок, низьку геплогвiрну здагнiсгь. Альтернативою газу може виступати електричне опалення. Це один з найбшьш екологiчних i безпечних, а також зручних спосо6гв опалення примщення. Наразi iснуе значна рiзноманiтнiсть пристро!в i устаткування: електричнi котли ргзних титв; електроконвектори; електричнi тепловентилятори; маслянi радiатори. Ва вони поеднаш загальним принципом нагрiвання. На тепловид^ний елемент, найчастiше це ТЕН, безпосередньо подаеться електричний струм, в результата чого ввдбуваеться його рознргв. ТЕН (трубчастий електронагрiвач) являе собою на^вальний елемент у виглядг спiралi, яка помщаеться в закриту трубку з жаростшкого матерiалу. Робоча температура оболонки ТЕН у середньому може досягати 450...500 °С. 1стотний недолiк такого способу отримання тепла - значш витрати електроенергп на нагрiв ТЕНа. 1нший, набагато ефективнiший споаб - це Тндукцшне нагрiвання - полягае в на^вант струмопровщних тш (тонкостшних труб) за рахунок збудження в них електричних струмгв змшним електромагттним полем. Мета CTaTTi -обгрунтування доцшьносл розширення сфери застосування шдукцшних нагрiвачiв для опалення житлових та громадських будiвель.
Ключовi слова: тдукцшне нагргвання; первинна обмотка; короткозамкнений виток; закон трансформацп; тепло, що видыяеться
ОБОСНОВАНИЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ РАСШИРЕНИЯ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ ТЕПЛОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ЖИЛЫХ И ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ
ЧУПРИНА В. Л.1 , инж, КОТОВ Н. А 2*, к. т. н, доц., ЗЕЗЮКОВ Д. М.3, к т. н, доц., МАХИНЬКО М. М.4, к. т. н, доц.
1 Кафедра автоматики и электротехники, Государственное высшее учебное заведение «Приднипровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24-а, 49600, Днипро, Украина
2 Кафедра железобетонных и каменных конструкций, Государственное высшее учебное заведение «Приднипровская академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского, 24-а, 49600, Днипро, Украина, e-mail: kotokoto@i.ua, ORCID ID: 0000-0003-0233-0663
3 Кафедра железобетонных и каменных конструкций, Государственное высшее учебное заведение «Приднипровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского 24-а, 49600, Днипро, Украина, тел. +38 (0562) 47-03-19, e-mail: denis.zeziukov@mail.pgasa.dp.ua, ORCID ID: 0000-0001-7451-992X
4 Кафедра железобетонных и каменных конструкций, Государственное высшее учебное заведение «Приднипровская государственная академия строительства и архитектуры», ул. Чернышевского 24-а, 49600, Днипро, Украина, тел. +38 (0562) 47-03-19, e-mail: kolia2785@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-5541-8672
Аннотация. Постановка проблемы. Главным недостатком использования газа в нашей стране является постоянный рост цен на него, и какого-либо изменения в сторону уменьшения стоимости в сложившейся ситуации не предвидится. Также к уже объективным недостаткам можно отнести высокую стоимость подключения к газовой сети, уменьшение давления газа при отрицательных температурах в силу его сжатия, низкое его качество и, как следствие, низкую теплотворную способность. Альтернативой газу может выступать электрическое отопление. Оно является одним из самых экологичных и безопасных, а также удобных способов обогрева помещения. В настоящее время иметься значительное разнообразие устройств и оборудования: электрические котлы разных типов; электроконвекторы; электрические тепловентиляторы; масляные радиаторы. Все имеют общий принцип нагрева. На тепловыделяющий элемент, чаще всего это ТЭН, непосредственно подается электрический ток, в результате чего происходит его разогрев. ТЭН (трубчатый электронагреватель) представляет собой нагревательный элемент в виде спирали, которая помещается в закрытую трубку из жаростойкого материала. Рабочая температура оболочки в среднем может достигать 450...500 оС. Существенным недостатком такого способа получения тепла является значительные затраты электроэнергии на нагрев ТЭНа, но при этом контакт с теплоносителем имеет только малая площадь его поверхности. Другим намного более эффективным способом является индукционный нагрев. Он заключается в нагреве токопроводящих тел (тонкостенных труб) за счёт возбуждения в них электрических токов переменным электромагнитным полем. Цель статьи - обоснование целесообразности расширения области применения индукционных нагревателей для отопления жилых и обществееных зданий.
Ключевые слова: индукционный нагрев; первичная обмотка; короткозамкнутый виток; закон трансформации; выделяемое тепло
SUBSTANTIATION OF REASONABILITY OF THE EXTENSION OF THE SCOPE OF APPLICATION OF THE INDUCTIVE HEATERS FOR HEATING THE RESIDENTIAL AND CIVIL BUILDINGS
CHUPRYNA V.L.1, Eng., KOTOV M.A2*, Cand. Sc. (Tech.), Ass. Prof, ZEZIUKOV D M.3, (Cand. Sc. (Tech.), Ass. Prof., MAKHINKO M.M4, Cand. Sc. (Tech.), Ass. Prof
1 Department of Automation and Electrical Engineering, State Higher Educational Institution "Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture", 24-A, Chernyshevskoho St., 49600, Dnipro, Ukraine
2 Department of Reinforced Concrete and Masonry Constructions, State Higher Education Institution "Prydnirovska State Academy of Civil Engineering and Architecture", 24-A, Chernyshevskoho St., 49600, Dnipro, Ukraine, e-mail: kotokoto@i.ua, ORCID ID: 0000-0003-0233-0663
3 Department of Reinforced Concrete and Masonry Constructions, State Higher Education Institution "Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture", 24-A, Chernyshevskoho St., Dnipro, 49600, Ukraine, +38 (0562) 47-03-19, e-mail: denis.zezjukov@mail.pgasa.dp.ua, ORCID ID: 0000-0001-7451-992X
4 Department of Reinforced Concrete and Masonry Constructions, State Higher Education Institution "Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture", 24-A, Chernyshevskoho St., 49600, Dnipro, Ukraine+38 (0562) 47-03-19, e-mail: kolia2785@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-5541-8672
Abstract. Problem statement. When referencing heating, most people immediately imagine bulky boilers, a significant amount of complex bound pipes, massive radiators and so on, which is typical for a heating system that runs directly on fossil fuels. The main disadvantage of using gas in our country is the constant price increase for it, and in the current situation, any changes towards the reduction of cost are not expected. It is also possible to include the high cost of gas network connection to the objective disadvantages, reducing the gas pressure at negative temperatures due to its compression, its low quality and, as a consequence, low heating value. Electric heating can be used as an alternative to gas. It is one of the most environmentally friendly as well as convenient ways to heat the space. Currently, there is a significant variety of devices and equipment such as electric boilers of various types; electric convector heaters; electric fan heaters; oil coolers. All of them are combined by the common principle of heating. An electric current is directly sent to a fuel element, most often it is a tubular electric heater, as a result of which it is heated. TEH (tubular electric heater) is a heating element in the form of a heating coil, which is placed in a closed tube of a heat-resistant material. The operating temperature of a tubular electric heater cover on average can reach 450.500 оС. An essential disadvantage of such a method of obtaining heat is the considerable expenses of the electric power spent for heating the tubular electric heater, but at the same time only the small surface area of tubular electric heater has contact with the heat carrier. Another much more effective way of electric heating is induction heating. It consists in heating conductive
bodies (fine pipes) due to the excitation of electric currents in them by an alternating electromagnetic field. The purpose of the article is to substantiate the extension of the scope of the application of the inductive heaters for heating residential and civil buildings.
Keywords: induction heating; primary winding; short-circuited coil; transformation law; released heat
1ндукцшне нагршання - це безконтактне нагршання електропровщних матертлш енерпею змшного магштного поля, шдукуе електричш струми. Принципи роботи шдукцшного нагршання були сформульоваш в 1831 рощ з вщкриттям електромагштно'! шдукцп.
Теплова д1я шдукцшного струму була устшно впроваджена в 1900 рощ на тдприемсга «Benedicks Bulttabrik» (Швещя) в шдукцшнш печ1 для виплавки сталь П1ч живилась в1д однофазного трансформатора, вторинною обмоткою якого е тигель, який являе собою коротко-замкненее кшьце.
Такий спос16
виплавки
стал1
застосовуеться донинi в деяких виробництвах для печей велико! емкост
[1-3].
В основу шдукцшного на^вання покладено принцип взаемно! шдукцп, який ефективно використовуеться в робот! трансформатора.
Розглянемо конструкщю для на^вання теплоносiя, яка являе собою класичний трансформатор (рис. 1). Первинна обмотка мае N витюв та тепловий реактор (вторинна обмотка, яка мае N короткозамкнених витюв), розташований на
замкненому осердi [5; 6].
Ui'v
Рис. 2. Загальний принцип пристрою реактора, де : 1 - первинна обмотка; 2 - магн1топров1д; 3 - вторинна обмотка (тонкосттний металевий елемент / Fig. 2. General principle of reactor device, where: 1 - primary winding; 2 - magnetron; 3 - secondary winding (thin-walled metallic element)
Оскшьки кшщ первинно'! обмотки тдключеш до джерела змшно'! напруги з ЕДС E1, в н1й виникае змшний струм I1, який створюе в осерд! трансформатора змшний магштний пот!к Ф1, котрий повшстю пронизуе короткозамкнений виток реактора. Змша цього потоку у коротко замкненому витку викликае ЕДС взаемно'!
шдукцп, а в первиннш о6мотц1 - ЕДС самошдукци.
Для первинно'! обмотки зпдно з другим правилом Юрхгофа та законом Ома випливае:
де R± - оп1р первинно! обмотки.
Зниження напруги 1 А] на onopi Rj незначне, тому:
1з цього випливае, що витрати енергп для створення магштного поля досить незначш. ЕДС взаемно! шдукци, де виникае в короткозамкненому витку реактора, описуеться зaлежнiстю:
jgMO я йф
.
показуе, що
е2 =
йь
Знак мiнус показуе, що ЕДС у первиннш обмотцi та короткозамкненому витку протилежш за фазою. При цьому в короткозамкненому витку шдукуеться ЕДС Ек. 1 виникае струм зсунутий вщносно на кут ф = О, що визначаеться досить незначною шдуктившстю витка. Струм збуджуе магштний пот1к ф2, який охоилюе короткозамкнутий виток i зсувае в часi вiдносно до основного магштного потока, при цьому дещо зменшуеться вплив взаемошдукци в час (рис. 2).
Рис. 2. Принцип дИ короткозамкненого витка в електромагнтних системах змгнного струму / Fig. 2. The principle of work of short-circuited circle in electromagnetic systems of an alternating current
За законом трансформатора, вщношення числа витав N2/N1 мае назву «коефщент трансформацп», потужнють струму в обох обмотках практично однакова:
E2I2 * Vi
Звiдкi випливае:
N.
h II II
Я, h
гк2- h
2 1
Тoдi i3 закону Джоуля-Ленца теплотворнють струму можна розглядати як: Q =I2-R t
де I - струм короткозамкненого витка; R -oпiр коротко замкненого витка.
Короткозамкнений виток реактора виконаний з електропровщного мaтерiaлу i мае спещальну геометричну форму, що забезпечуе оптимальну величину опору.
Розглядаючи окремий випадок на приклaдi трансформатора потужшстю 1 кВАр (кiлoвaр - одиниця вимiрювaння реактивно! пoтужнoстi), можна виконати розрахунок отриманого тепла Q, видшеного за допомогою ферoмaгнiтнoгo
перетворювача струму. Повна потужнють перетворювача - 1 кВАр. Активна пoтужнiсть визначаеться за формулою:
Р = S-costp = 1 ■ 0,3 = 0,8 кВт
де Р - активна потужнють, кВт; S - повна потужнють, кВАр; со£ф - коефщент потужносп.
1з закону трансформацп на теплообмшнику реактора можливо отримати струм до 800 А, виходячи з того, що режим роботи первинно! обмотки буде певним, пoтрiбнo виконати розрахунок геометрично! форми короткозамкненого витка на 25 % менше, тобто струм дoрiвнюе 600 А. За законом Джоуля-Ленца виконуемо розрахунок тепла, що видшяе короткозамкнений виток:
Q = I2 • К-t = Ш2 ■ 0,02 ■ 3600 = 26 МДж
За незначних затрат, у первиннш мережi 0,8 кВт з'являеться можливють отримати бшьш значну кшькють тепла, особливо пoрiвнянo iз класичними активними на^вальними елементами (ТЕН):
Q = и ■ / ■ t = 300 ■ 3600 = 2,38 МДж
Висновки. Застосування методу шдукцшного на^вання в установках для опалення примщень набагато бшьш екoнoмiчне пoрiвнянo з iншими методами електричного опалення, а саме:
1) значно меншi затрати електроенергп на нaгрiвaння теплоноая;
2) значна швидкiсть нaгрiвaння теплоноая, залежно вiд конф^урацп реактора, час, витрачений на на^вання складае вщ 4 до 8 секунд;
3) значно бшьший вихiд тепла, рiзниця з трaдицiйними методами складае 88,92 %;
4) компактшсть, еколог1чн1сть та безпечн1сть використання реактора.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Растворова И. И. Оптимальное проектирование индукционных нагревателей с использованием численных моделей / И. И. Растворова, В. Б. Демидович, Ф. В. Чмиленко, Е. Г. Григорьев // Индукционный нагрев. -
2011. - № 15. - С. 4-7.
2. Растворова И. И. Энергоэффективный индукционный нагрев алюминиевых заготовок перед прессованием / И. И. Растворова, В. С. Немков, В. Б. Демидович, Ф. В. Чмиленко, П. А. Ситько // Индукционный нагрев. -
2012. - № 21. - С. 4-10.
3. Batygin Yu. V. Pulsed electromagnetic attraction of nonmagnetic sheet metals / Yu.V. Batygin, S. F. Golovashchenko, A. V. Gnatov // Journal of Materials Processing Technology / Еlsevier. - 2014. - Vol. 214. -№ 2. - Рр. 390-401.
4. Енергозбереження - прюритетний напрямок державно! полгшки Украши : монография / [М. П. Ковалько, М. П. Денисюк]. - Кшв : УЕЗ, 1998. - 506 с.
5. Бший Л. А. Нов1 напрямки конструювання трансформатор1в / Л. А. Бший, Я. В. Ков1вчак // Вюник Нацюнального ушверситету «Льв1вська полггехшка». Електроенергетичш та електромехашчш системи. -2014. - № 785. - С. 106-113. - Режим доступу : http://nbuv.gov.ua/UJRN/VNULPEEC 2014 785 20
6. Пуйло Г. В. Энергоэффективные силовые трансформаторы / Г. В. Пуйло, Е. П. Насыпаная // Електротехшчш та комп'ютерш системи. - 2016. - № 22. - С. 144-149. - Режим доступу : http://nbuv.gov.ua/UJRN/etks_2016_22_27
REFERENCES
1. Rastvorova I.I., Demidovich V.B., Chmilenko F.V. and Grigorev E.G. Optimalnoe proektirovanie indukcionnyh nagrevatelej s ispolzovaniem chislennyh modelej [Optimal design of induction heaters using numerical models]. Indukcionnyj nagrev [Induction heating], 2011, no. 15, pp. 4-7. (in Russian).
2. Rastvorova I.I., Nemkov B.C., Demidovich V.B., Chmilenko F.V. and Sitko P.A. Energoeffektivnyj indukcionnyj nagrev alyuminievyh zagotovok pered pressovaniem [Energy-efficient induction heating of aluminum blanks before compression]. Indukcionnyj nagrev [Induction heating]. 2012, no. 21, pp. 4-10. (in Russian).
3. Batygin Yu.V., Golovashchenko S.F. and Gnatov A.V. Pulsed electromagnetic attraction of nonmagnetic sheet metals // Journal of Materials Processing Technology. Еlsevier. 2014, vol. 214, no. 2, pp. 390-401.
4. Kovalko M.P. and Denisyuk M.P. Energozberezhennya - prioritetnij napryamok derzhavnoi politiki Ukraini [Energy saving is a priority direction of the state policy of Ukraine]. Kyiv : UEZ, 1998, 506 p. (in Ukrainian).
5. Bilij L.A. and Kovivchak Ya. V. Novi napryamki konstruyuvannya transformatoriv [New directions for constructing transformers]. Visnik Nacional'nogo universitetu "Lvivska politehnika". Elektroenergetichni ta elektromehanichni sistemi [Bulletin of Lviv Polytechnic National University. Electric power and electromechanical systems.]. 2014, no. 785, pp. 106-113. (in Ukrainian).
6. Pujlo G.V. and Nasypanaya E.P. Energo effektivnye silovye transformatory [Energy efficient power transformers]. Elektrotehnichni ta kompyuterni sistemi [Electrotechnical and computer systems]. 2016, no. 22, pp. 144-149. (in Russian).
Над1йшла до редакцп: 13.05.2019 р.
