|
ЭКОНОМИЧНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ
ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОВОДОСНАБЖЕНИЯ
© Валерий Дудышев,д.т.н., академик
http://www.energy21.ru
Контакт с автором:
Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script
СКАЙП Dud063
Моб.8 927 726 23 83
«Все гениальное – просто !»
«Все новое – это хорошо забытое старое !»
Вместе мы сила !
РЕФЕРАТ
Горячая и теплая вода нужны нам почти постоянно и практически везде ,как в быту так и практически в любых сферах народного хозяйства. Однако, как ни парадоксально, но пока в мире еще не научились греть воду с минимумом затрат энергии. И поскольку пока нагрев воды сопряжен с большими энергозатратами, поэтому теплая и горячая вода весьма дорого нам обходятся.. Поэтому любые прорывные энергосберегающие технологии в теплоэнергетике- для получения теплой и горячей воды - важны и полезны буквально всем. Совершенно очевидно огромное значение прогресса в данной сфере техники для всей цивилизации, и особенно, для стран с холодным климатом. Удивительно то обстоятельство, что, оказывается, такая прорывная энерготехнология экономичного нагрева воды в системах теплоснабжения, уже изобретена ранее и буквально у нас всех на виду. Это –давно известный специалистам, индукционный метод нагрева металлов. Но именно в случае ее рационального применения для нужд тепловодоснабжения –мы и получим вскоре огромную –практически двухкратную экономию электроэнергии в этой сфере и многократное снижение общих материально- технических и финансовых затрат на монтаж и эксплуатацию автономных систем теплоснабжения любых помещений. Именно она, такая индукционная электротехнология при правильном ее применении и с использованием стандартного электрооборудования при минимуме модернизации,и позволит легко и просто, и почти в два раза снизить электротребление на нагрев воды по сравнению с нагревом этого же объема воды в обычном электрокотле с электроТЭНами. Ниже мы поясним этот метод и технологию применительно к экономичному тепловодоснабжению - подробнее
Такое стандартное индукционное устройство с успехом может быть использовано в любых системах отопления и горячего водоснабжения. Устройство содержит индукционный нагреватель, включающий магнитопроводную цилиндрическую емкость с входным и выходным патрубками, наружные и внутренние индукционные обмотки, цилиндрические и круговые распределители потока жидкости, изоляционные прокладки, магнитопроводный экран. Для управления нагревом в состав устройства входят выпрямитель переменного тока и инвертор, последовательно соединенные друг с другом и с индукционным нагревателем. Инвертор также соединен с блоком управления инвертором, узлом сравнения температур, к которому подключены термодатчики, блоком управления насосом и насосом. Нагрев воды происходит теплопередачей от стенок цилиндрической магнитопроводной емкости, которые, в свою очередь, нагреваются вихревыми токами, индуцируемыми обмотками, к тонким слоям холодной жидкости, разделенным системой распределителей теплового потока. Устройство обеспечивает повышение его коэффициента мощности, КПД, быстрый и экономичный нагрев воды.
ПРОСТОЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ВОДЫ
НА ОСНОВЕ СЕРИЙНОГО СВАРОЧНОГО ТРАНСФОМАТОРА
Самый простой индукционный нагреватель воды – можно довольно легко сделать на основе стандартного сварочного трансформатора.Для этого необходимы серийный китайский сварочный трансформатор с высокочастотным инвертором и регулятором сварочного тока от 10 Ампер, пластиковую водопроводную трубу большого диаметра (50-80 мм внутренний) длиной около метра, стальную проволоку-катанку диаметра 6-8 мм, медный обмоточный провод диметром 1-1.5 мм и терморегулятор. Катанку режете на отрезки по 90см и помещаете внутрь трубы. Трубу закрываете переходниками до 0,5-1 дюйма и соединяем ее в замкнутый трубопровод нужной длины. Поверх этой трубы наматываем медным эмалированным снаружи,проводом, в один слой плотно, виток к витку, обмотку –всего не более 100 витков.Возле патрубка подачи ставите датчик терморегулятора, а выходы инвертора подключаете к концам обмотки, а сам инвертор включаете через терморегулятор.
Все. Экономичный индукционный нагреватель готов к работе .
Инвертор на полупроводниках служит источником токов высокой (15-40кГц) частоты, которые наводят электромагнитное поле в трубе, где находятся обрезки катанки, точнее именно в этих обрезках катанки, от которых и греется вода .Под действием сильного электромагнитного поля высокой частоты от индуктора в катанке наводятся вихревые токи Фуко, приводящие к разогреву катанки, которая и нагревает теплоноситель. Осталось наполнить водяную отопительную систему теплоносителем и включить насос. Кстати ,тепловые потери инвертора тоже можно использовать для нагрева воды . Для этого надо сделать жидкостное охлаждение для силовых ключей инвертора - тогда тепловые потери инвертора тоже будут работать на нагрев теплоносителя- в нашем случае- воды .Соответственно, КПД такой автономной теплоэнергетической системы на основе стандартного сварочника в целом, будет выше.
Рис. 1 Опытный образец индукционного теплонагревателя
Ниже приведена схема включения такого индукционного нагревателя в систему отопления.
Рис. 2
1. ВИН, 2. Фланцевое соединение, 3. Шаровые краны, 4. Система безопасности, 5. Насос циркуляционный, 6. Фильтр сетчатый, 7. Мембранный бак 8. Регистры отопления, 9. Линия наполнения и слива системы отопления, 10. Шкаф управления, 11. Вход теплоносителя, 12. Датчик аварийного выключения, 13. Заземление.
Конструкция достаточно простая, питание от сети 3х380/50 через управляемый контактор. Но на этом преимущества кончаются. Использование промышленной частоты тока приводит к необходимости наматывать три индуктора - по одному на фазу; – с большим количеством витков дорогим медным проводом со стеклотканевой изоляцией; вес меди более половины веса всего нагревателя.
Анализируя преимущества и недостатки аналогичных нагревателей, приходим к выводу о необходимости использования повышенной частоты питающего напряжения на индукторе . Главным моментом этого новшества является то, что питание индукторов осуществляется на частоте порядка 5 000 -50 000 Гц от полупроводникового автогенератора, конструкция и схема которого достаточно оригинальны
Генератор этот состоит из трёхфазного выпрямителя, двух конденсаторов, перезарядной индуктивности и тиристора. Для управления тиристором имеется электронная плата, которая обеспечивает регулирование температуры и защиту от аварийных режимов. Повышенная частота питающего тока значительно уменьшает размер индукторов и количество меди, идущее на их изготовление.
Конструкция нагревателя представляет собой две стальные трубы, вставленные одна в одну, с обеих торцов они герметизированы сваркой. Между этими трубами циркулирует жидкость системы отопления: вода, тосол, иные смеси. Индуктор монтируется во внутренней трубе и контакта с жидкостью не имеет. Индуктор содержит 15-25 витков изолированной медной шины 3х5 мм с отводом от средней точки.
Схема нагревателя:
Здесь:
1 – клеммная колодка;
2 – индуктор;
3- внутренняя труба;
4 – наружная труба;
5 – жидкость системы отопления.
Рис. 3
Электронное устройство преобразователя высокой частоты для электропитания индуктора
Рис. 4 Электрическая схема
Здесь VD1-VD6 – трёхфазный выпрямитель типа М6Д-80-10, А1 – устройство управления тиристором и регулятор температуры, VT1 – тиристор, Lр – перезарядная индуктивность, C1, C2 - главные накопительные конденсаторы, L1,L2 – нагревательный индуктор, Fs – автомат включения.
Устройство работает следующим образом. Трёхфазное напряжение питания от сети выпрямляется модулем VD1-VD6 и, имея пульсации напряжения всего 14% от номинального значения 530В, питает электронную схему преобразователя по схеме Фитча-Говелла. Ток заряжает конденсаторы С1 и С2 встречно, т.е. напряжения на них имеют разную полярность и на входе в индуктор нагрева L1, L2 напряжение в этот момент равно нулю. При этом балластами зарядки конденсаторов – устройством, ограничивающим зарядный ток – является сам же индуктор. Поскольку через обмотки L1 и L2 в обе стороны протекает изменяющийся от 0 до некоего максимального значения ток, он индуцирует во внутренней и, отчасти, в наружной трубе (см. рис.3) вихревой ток короткозамкнутого витка. Практически вся энергия магнитного поля превращается в этих трубах в тепловую, а сам индуктор является с электротехнической точки зрения не индуктивностью, а резистором. Это позволяет использовать для нагрева цикл заряда, а заряд конденсаторов осуществляется до напряжения не более напряжения питания, т.е. 530 в.
Если после этого на управляющий электрод тиристора VT1 подать сигнал включения, последний откроется и соединит противоположенные полюса конденсатора С2 между собой через разрядную индуктивность Lр. Создаётся параллельный колебательный контур и конденсатор С2 начинает перезаряжаться до полной инверсии напряжения на его полюсах. Это происходит за время, определяемое величинами ёмкости С2 и индуктивности Lр и может составлять несколько десятков микросекунд. После перезарядки конденсаторы С1 и С2 становятся включёнными согласно последовательно, напряжение на их выходах становится равным двум напряжениям зарядки, т.е. до 1000 в., и через обмотки индуктора L1 и L2 начинает протекать ток, который также создаёт в трубах вихревые токи и приводит к их нагреву.
 Тиристор VT1, оказавшись при обратной полярности напряжения, спустя некоторое время закроется и восстановит свои изолирующие свойства до подачи следующего импульса запуска.
Таким образом нагрев труб происходит в обеих циклах: и заряда емкостей, и их разряда.
Тепловая мощность, выделяемая в трубах нагревателя, определяется частотой повторения циклов и может быть доведена при использовании обычных тиристоров до 3-5 кГц.
Устройство А1 (электронный блок управления) предназначено для управления, в соответствии с заданным значением температуры, импульсами запуска тиристора, и изменения этой частоты в зависимости от разницы заданной и реальной температуры теплоносителя и выключать всю систему при перегреве индуктора (более 1400С).
Расчёты параметров элементов и режимов работы для базовой модели тепловой мощностью 5 кВт уже сделаны. Практика работы с такими генераторами показывает, что реальные режимы работы отличаются от расчётных не более чем на 10%, так что особой подгонки элементов не требуется. Единственное, что достаточно сложно поддаётся расчёту – это нагревательный индуктор, здесь доведение его до расчётных параметров возможно только экспериментально.
Расчёт себестоимости серийного нагревателя тепловой мощностью 15 квт составляет всего порядка 12-15 тыс. руб. на изделие
В случае серийного производства при заключении прямых договоров поставки с производителями комплектующих и выпуске хотя бы 1 000 к-ов/год, эта себестоимость может быть снижена до 9 -10 тысяч рублей.
Пути снижения энергозатрат индукционного нагревателя от сети
Импульсно -резонансный режим работы трансформаторов –для нагрева жижкого теплоносителя -наиболее экономичен в работе индукторов -но пока мало изучен. Рассмотрим его подробнее
Весьма перспективно ввести вторичный контур такого индуктора в резонансный режим, а первичную катушку его силового трансформатора ввести в режим ударного возбуждения, причём первичную обмотку индуктора надо сделать бифилярной, чтобы индукционные токи совершали не вредную, а полезную работу. Скорее всего, рабочее количество витков первичной обмотки у такого индуктора получится довольно большим, что приведёт к полезному использованию реактивной мощности во вторичной обмотке для нагрева металла труб и воды . Таким образом, источник первичной мощности – в нашем случае обычная электросеть будет затрачивать на такой необычный индуктор минимальную электроэнергию – в основном на незатухающий процесс генерации электрических импульсов напряжения в ударном режиме, а резонансно настроенная вторичная обмотка будет расходовать на нагрев металла и воды именно реактивную мощность индуктора. При этом вторичная обмотка будет ее преобразовывать в полезную тепловую мощность омических потерь, поскольку во вторичном контуре индуктора возникнут индукционные незатухающие колебательные электрические токи. Следовательно, потребление электроэнергии таким оригинальным индуктором из сети будет минимально , поскольку в этом импульсно -резонансном режиме работы первичного контура индуктора -вторичная обмотка индуктора не будет значительно нагружать первичную обмотку трансформатора индуктора.
Резонансный преобразователь частоты для индуктора
Ниже приведена электрическая схема резонансного преобразователя частоты для экономичного индуктора нагрева воды
Описание работы электрической схемы
Бизнес-план по освоению серийного произвордства
Сфера применения индукционных нагревателей воды огромная: это автономное теплоснабжение многоэтажных домов и коттеджей, поселков, промышленных объектов и прочее. Нами разработан бизнес-план по освоению и производству таких нагревателей. Он учитывает потенциальную прибыль, затраты на создание произхводства, комплектацию, сертификацию и прочее. Ищем партнеров и инвесторов.
Бизнес-план по освоению серийного произвордства
Заключение
Индукционный нагрев металлических труб автономного тепловодоводоснабжения –один из самых перспективных методов и направлений автономной теплоэнергетики в плане экономии электроэнергии для получения дешевого тепла из воды. Для реализации таких систем тепловодоснабжения вполне подойдут и серийные сверочные трансформаторы .Наиболее экономичен в них для таких целей именно импульсный режим работы первичного контура индуктора.
Литература
- Дудышев В.Д. Дешевое тепло из воды http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9935.html
- Дудышев В.Д. Разработка автономного аномального бестопливного источника энергии на основе трансформатора Тесла http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9958.html
|
