Разработка индукционных проточных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства

• Автор: Русинов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.20.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 225 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ .

1.1 Существующие устройства для электронагрева жидкостей, их преимущества и недостатки

1.1.1 Электродные нагреватели жидкостей

1.1.2 Элементные водонагреватели.

1.1.3 Электрические индукционные нагреватели жидкостей.

1.1.3.1 Трубчатый индукционный нагреватель фирмы Сименс

1.1.3.2 Нагреватель с индукционными нагревательными элементами . .

1.1.3.3 Индукционный пастеризатор молока.

1.1.3.4 Индукционный нагреватель жидкостей конструкции Добрякова Д. Д

1.1.3.5 Нагревательтрансформатор Киселя О. Б

1.1.3.6 Индукционный нагреватель Серикова А. В.
1.2 Обзор существующих методов расчета индукционных нагревателей.ЗО
1.2.1 Векторная диаграмма и схема замещения нагревателя
1.2.2 Расчет активного и реактивного сопротивлений индуктора.
1.2.3 Расчет активного и реактивного сопротивлений стального сердечника нагревателя
1.3 Научная гипотеза о возможности уменьшения металлоемкости
индукционных нагревателей.
Основные выводы по главе. Цель и задачи исследования
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ПРОТОЧНЫХ ИН
ДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ЖИДКОСТИ. ПОИСК И ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ НАГРЕВАТЕЛЕЙ С ПОНИЖЕННОЙ МЕТАЛЛОЕМКОСТЬЮ .
2.1 Влияние отраженной электромагнитной волны на коэффициент
мощности индукционных нагревателей.
2.2 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на
электромагнитные характеристики индукционных нагревателей . .
2.2.1 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик
2.2.2 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на коэффициент мощности индукционных нагревателей. Пути
повышения соБф индукционных нагревателей
2.2.3 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на
электрическое сопротивление индукционных нагревателей.
2.3 Магнитное поле в тороидальном индукционном нагревателе
жидкости. Зависимость коэффициента мощности проточных тороидальных нагревателей жидкости от напряженности магнитного поля . .
2.3.1 Магнитный поток и средняя относительная магнитная проницаемость сердечника нагревателя в постоянном поле
2.3.2 Магнитный ноток и средняя относительная магнитная проницаемость сердечника нагревателя в переменном поле. Коэффициент мощности проточных тороидальных нагревателей жидкости
2.4 Металлоемкость и удельная мощность проточных тороидальных нагревателей жидкости.
2.4.1 Металлоемкость стального сердечника нагревателя.
2.4.2 Металлоемкость индуктора и удельная мощность нагревателя
2.5 Тепловые характеристики проточных тороидальных нагревателей жидкости
2.5.1 Оценка тепловых потерь в окружающую среду.
2.5.2 Оценка коэффициента теплоотдачи с внутренней поверхности трубьт змеевика, теплового КПД нагревателя и разности между средними температурами сердечника и нагреваемой жидкости
2.6 Предлагаемые конструкции проточного индукционного
нагревателя жидкости пониженной металлоемкости.
2.7 Разработка методики инженерного расчета проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости.
Основные результаты и выводы по главе.
ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
3.1 Программа экспериментальных исследований.
3.2 Лабораторные модели индукционного проточного нагревателя жидкости
3.3 Методика экспериментального исследования зависимости магнитной проницаемости стали от напряженности магнитного поля.
3.4 Методика экспериментального исследования зависимости удельного сопротивления стали от температуры
3.5 Методика экспериментального исследования влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционных нагревателей.
3.6 Методика экспериментального исследования электромагнитных характеристик индукционного нагревателя
3.7 Методика экспериментального исследования влияния неферромагнитного металлического покрытия стальной трубы змеевика на электромагнитные характеристики нагревателя
3.8 Методика исследования зависимости теплового КПД проточного индукционного нагревателя жидкости от скорости течения.
3.9 Программа и методика производственных испытаний проточного индукционного нагревателя жидкости.
Основные результаты по главе
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1 Исследование зависимости относительной магнитной проницаемости стали от напряженности магнитного поля.
4.2 Исследование зависимости удельного сопротивления стали от температуры .
4.3 Исследование влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционного нагревателя
4.4 Исследование электромагнитных характеристик нагревателя
4.4.1 Оценка вклада потока рассеяния в электромагнитные свойства
индукционного нагревателя.
4.4.2 Экспериментальная проверка правильности выбора оптимального варианта взаимного расположения витков змеевика и стальной ленты в сердечнике на1ревателя
4.4.2.1 Сравнение экспериментальных значений магнитного потока в кольце и змеевике из стальной трубы.
4.4.2.2 Коэффициент мощности в змеевике из стальной трубы с обмоткой из стальной ленты и без нее
4.4.2.3 Электрическое сопротивление индукционного нагревателя .
4.5 Исследование влияния неферромагнитного металлического покрытия стальной трубы змеевика на электромагнитные характеристики индукционного нагревателя.
4.5.1 Исследование влияния слоистой структуры ферромагнетика и металлического неферромагнитного покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик
4.5.2 Исследование влияния металлического пеферромагнитного покрытия на коэффициент мощности индукционного нагревателя.
4.5.3 Исследование влияния металлического неферромагнитиого покрытия трубчатого змеевика на электрическое сопротивление индукционного нагревателя
4.6 Исследование зависимости теплового КПД индукционного нагревателя от скорости течения жидкости и от наличия проволочной спирали в
просвете трубы змеевика
4.7 Результаты производственных испытаний проточного индукционного
нагревателя жидкости пониженной металлоемкости.
Основные результаты и выводы по главе.
ГЛАВА 5 ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТОЧНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ЖИДКОСТИ ПОНИЖЕННОЙ
МЕТАЛЛОЕМКОСТИ
Основные результаты и выводы по главе.
ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
ЛИТЕРАТУРА


Нагреватели просты по устройству, при изготовлении их не требуется дефицитных материалов. Таблица 1. Электродный водогрейный котел Мощность, кВт Напряжение сети,В Номинальное уделыюе электрическое сопротивление воды при С, Ом м Макси мальное давле ние, МПа. Производительность при номинальной температуре, м3ч Масса пагревателя, кг Удельная материа лоемкость, кгкВт Номинальная температура. ЭПЗ0И2 0 0,6 3. Таблица 1. ЭПЗ0ИЗМ 0 0 0. ЭКВ. ВЭБ. При ремонте нагревателей без учета элементов, применяемых при их автоматизации не требуется привлечение рабочих высокой квалификации. Электродные нагреватели имеют высокий коэффициент полезного действия г и коэффициент мощности р близкий к единице. Рис. В процессе нагрева воды мощность нагревателей резко увеличивается. Средняя мощность, кВт г , 1. ДжкгК ш масса воды, кг Т , Т0 соответственно конечная и начальная температура воды, К время нагрева воды, с коэффициент полезного действия ншревателя. Вт
1. Сопоставляя 1. Основными являются изменение положения электродов и тиристорное управление. Способ регулирования мощности путем изменения положения антиэлектродов относительно электродов или введением между электродами и антиэлектродами стеклотекстолитовых цилиндров требует применения довольно дорогой автоматики, усложняет конструкцию нагревателя и, как показывает опыт эксплуатации, имеет малую надежность, так как механизмы для перемещения покрываются накипыо и ржавеют, что приводит к их заклиниванию. Тиристорное управление мощностью нагревателей не отличается простотой схемы и совершенно неприемлемо в том случае, если нагреватели работают с зануленными корпусами и мощность их соизмерима с мощностью трансформатора, от которого они питаются. При такой схеме в обмотках трансформатора появляются токи нулевой последовательности и тройной периодичности недопустимой величины. Вода должна иметь совершенно определенное начальное удельное сопротивление при С р2о Если это условие не будет выполнено, то не представится возможным получить необходимые мощности. Начальное удельное сопротивление воды Р, полученной из различных источников водоснабжения, колеблется в очень широких пределах. По данным 8 нагреватели должны работать с начальным удельным сопротивлением р2о Ом м. Изменение солесодержания рабочей воды для получения необходимого удельного сопротивления достигается добавлением в нагреватели либо раствора соли, либо дистиллированной воды, что вызывает определенные неудобства при их эксплуатации. Плотность тока на электродах нагревателей должна быть ограничена. При определенных плотностях тока на поверхностях электродов начинается электролиз воды она разлагается на кислород и водород, при этом образуется взрывоопасный гремучий газ. Воду из электродного нагревателя с электродами из обычной стали нельзя использовать для питья. Электродные нагреватели особенно проточные имеют повышенную опасность поражения людей и животных электрическим током. Указания по электробезопасности устройств и эксплуатации электродных котлов. В соответствии с этим документом на электродных нагревателях должны быть следующие защиты максимальнотоковая без выдержки времени, мгновенная защита от однофазных коротких замыканий. Следует отметить, что электродные нагреватели, работающие в сельском хозяйстве, как правило, не имеют указанных защит. Инженер В. Б. Волков считает, что предусмотренные защиты электродных нагревателей, когда они работают с зануленными корпусами, не обеспечивают селективной работы и предлагает ввести еще направленную защиту от замыканий на землю 9. Омсм рюо удельное сопротивление воды при 0С, Омсм 5 плотность тока на электродах, Асм2. Основным недостатком электродного пастеризатора молока, с точки зрения технологии пастеризации, является чрезмерный перегрев молока вблизи электродов, что приводит к выпадению казеина. Все без исключения электродные нагреватели обладают одним общим недостатком в них можно нагревать только проводящие ток жидкости. В связи с этим и по настоящее время ведутся интенсивные работы по совершенствованию и модернизации существующих электродных нагревателей .