Электороводонагревательные системы с полупроводниковым элементом

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: i03@istu.edu

Konovalov Nikolai, Doctor of technical sciences, Head of the Department of Physics, tel.: (3952) 405177, e-mail: i03@istu.edu

2Шелехов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405474, e-mail: promteplo@yandex.ru

Shelekhov Igor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Civil planning and Economy, tel.: (3952) 405474, e-mail: promteplo@yandex.ru

точных водонагревателей компенсируется увеличением спроса на электрические водонагревательные системы. Доля автономных систем горячего водоснабжения, созданных на базе накопительных водонагревателей, в 2004 году составила 51%, системы горячего водоснабжения с электрическими проточными водонагревателями занимают относительно небольшую долю рынка - около 14%, а доля газовых и твердотопливных накопительных водонагревателей составляет лишь 1% [2].

Следует отметить, что несмотря на низкий процент использования, преимущество проточных водонагревателей перед накопительными неоспоримо, поскольку нет необходимости в накопительном баке и системе регулирования температуры воды. Проточные водонагреватели удобны в эксплуатации, экономичны, компактны и гигиеничны.

К недостаткам систем горячего водоснабжения с проточными водонагревателями можно отнести:

- применение нагревательных элементов с завышенной удельной мощностью;

- сложно осуществлять контроль греющего слоя, как следствие, возникает его перегрев, нарушается сопротивление изоляции, увеличиваются потери за счёт токов утечки, в результате снижается коэффициент полезного действия и выхода из строя нагревательного элемента;

- температура воды на выходе из проточного водонагревателя зависит от параметров входящей воды, перепадов давления в системе водоснабжения, что вызывает неудобства при эксплуатации.

Цель нашей работы заключается в исследовании и создании нового проточного водонагревателя с более высокими эксплуатационными характеристиками. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: разработать новую конструкцию проточного водонагревателя и нагревательного элемента на основе проводящих паст.

В классических схемах сложно плавно регулировать мощность нагревательного элемента, так как применяемые для этого двухпозиционные регуляторы обладают большой инерционностью и не позволяют обеспечить заданный технологический режим. Применение микропроцессорных систем управления нерентабельно из-за их высокой стоимости.

Проточный водонагреватель должен быть компактным и иметь малое время выхода на рабочий режим. Рабочий режим определяется постоянным протоком воды, постоянной мощностью и температурой. При этом теплотехнические характеристики должны быть достаточными для использования нагревателя в бытовых целях, а режим работы - продолжительным.

После проведения ряда экспериментов было установлено, что для оптимального режима горячего водоснабжения мощность нагревательного элемента должна плавно меняться в диапазоне от 3 до 6 кВт. Кроме этого, основные параметры нагревательных элементов для приборов горячего водоснабжения определяются нормативными стандартами на данный вид оборудования. При этом регламентируется уста-

новка дополнительных механизмов и устройств, которые корректируют работу прибора и защищают его при аварийных ситуациях.

Количество тепла Q, переданное водяному потоку, определяется уравнением теплопередачи [3]:

О = а М F п,

где а - коэффициент теплопередачи; М - средний температурный напор (средняя разница температур между входом и выходом теплоносителя); F - поверхность теплообмена; п < 1 - коэффициент, учитывающий тепловые потери.

Как видно из формулы (1), зависимость температурного режима носит линейный характер, но на практике процесс имеет не линейную зависимость, так как на характеристики коэффициента теплопередачи влияют скорость потока теплоносителя, удельная мощность нагревательного элемента, изменение теплоемкости воды от температуры и т.д.

Для определения характеристик нагревательного элемента была разработана и изготовлена установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. Установка состоит из корпуса (1), в котором расположены нагревательные элементы (2), вентиль (3) для подачи воды, вентиль (4) для слива воды после прохождения ее через нагревательные элементы. Предварительный подогрев до необходимой температуры осуществляется с помощью нагревателя (5), температура контролируется термопарой типа ТХL (6), сигнал поступает на регистратор-регулятор (7) типа ОВЕН ТРМ1. Данные о температурных характеристиках нагретой воды собираются в программируемом регистраторе-регуляторе ОВЕН ТРМ138 (12). Управление нагревом осуществляется через симисторный коммутирующий блок БТС-25(13), все данные архивируются в персональном компьютере (14).

Установка может работать в одном из двух режимов. Первый: при постоянной температуре на нагревательном элементе, которая обеспечивается регулятором мощности. Это даёт возможность контролировать необходимое количество энергии для поддержания заданной температуры при изменении термодинамического состояния среды.

Второй: при постоянной выделяемой мощности контролируется только температура на теплопереда-ющей поверхности. Это даёт возможность анализировать коэффициент теплопередачи при изменении термодинамического состояния среды.

Анализ полученных результатов показал, что характеристики нагревательного элемента должны меняться в зависимости от условий эксплуатации прибора, а период изменения нагрева для подержания стационарного состояния составляет от 1 до 15 с, это даёт возможность использования электромеханических регуляторов температуры. Кроме того, с помощью микропроцессорного регулирования возможно решить проблему контроля температуры на теплопе-редающей поверхности и определить количество выделяемой мощности. Для проточных водонагревателей было бы целесообразно использовать нагрева-

Рис.1. Установка для измерения параметров нагревательных элементов, предназначенных для проточных

водонагревателей

тельные элементы с изменяющимися электрофизическими свойствами в зависимости от условий среды, в которой они работают. Изменять электрофизические свойства можно только в резистивном слое на основе полупроводниковых паст или керамики. Современная теория электропроводности позволяет управлять ре-зистивным слоем, менять его электрические свойства в зависимости от внешних факторов [4]. Существующая нормативная документация законодательно определяет свойства и параметры всех нагревательных элементов и систем на их основе. Совмещение двух задач в единое целое и использование методик управления свойствами полупроводников позволило получить экономичные и надежные полупроводниковые нагревательные элементы, предназначенные непосредственно для систем горячего водоснабжения, построенных на проточных водонагревателях [5]. Основой для изготовления нашего полупроводникового резистивного слоя является суспензия тонкодисперсного порошка борида никеля (№3В) с размерами частиц от 0,5 до 5 мкм и стекла с органическим связующим. Для корректировки заданных свойств и доведения дисперсности порошка до 0,1 мкм, для увеличения температурного коэффициента сопротивления суспензию дополнительно обрабатывали в планетарной мельнице. Для изменения температурного коэффициента сопротивления в композицию вводили наносрук-турированный порошок кремния с удельной поверхно-

стью до 200 м /г. При этом увеличивается время формирования структуры, но уменьшаются энергозатраты на приготовления суспензии. Кроме этого, греющий слой формируется с добавками материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами в диапазоне 100оС [6].

На рис.2 представлен график изменения сопротивления полупроводникового нагревательного элемента от температуры на теплопередающей поверхности. Из графика видно, что в диапазоне температур от 30 до 80оС сопротивление меняется в пределах 50%, что соответствует снижению мощности нагревателя с 6 до 3 кВт, и тем самым обеспечивается технологический режим.

Нагревательный элемент в конструкции проточного водонагревателя прошел испытания в системах горячего водоснабжения, полученные результаты сопоставлены с характеристиками аналогичных водо-нагревательных приборов. Испытания показали, что в новой конструкции за счет применения полупроводниковых нагревательных элементов удалось свести к минимуму все недостатки данного оборудования. Кроме того, были внесены изменения в конструкцию водонагревателей. Емкость проточного водонагревателя определялась экспериментально. Полученные данные показали, что при объеме воды в водонагревателе менее 0,35 л и работе его на предельно допустимом режиме температур (85-90 0С) после отключе-

Рис. 2. Изменение сопротивления нагревательного элемента от температуры на теплопередающей

поверхности

ния питания может произойти закипание и образование пара из-за инерционности системы. Образовавшийся пар и горячая вода при неосторожном обращении могут привести к ожогу. Увеличивать объем воды в водонагревателе нецелесообразно, поскольку значительно увеличивается время на установившийся режим и снижается скорость движения воды у поверхности теплосъёма. Водонагреватель выходит на установившийся режим за 3-5 с, что превосходит результат аналогичных систем более чем в 2 раза.

Испытания проточного водонагревателя в продолжительном режиме с изменением скорости потока на ± 25% показали, что при водоразборе в течение 6 ч температура выходящей воды 40оС± 5%. Имеющиеся на сегодня конструкции водонагревателей не могут обеспечить такие показатели.

Испытания по регулировке заданного температурного режима проточных нагревателей на полупроводниковых нагревательных элементах показали, что температура воды на выходе прибора увеличивается не более чем на 10оС. Это значение в 2-2,5 раза превосходит показания аналогичных приборов промышленного производства.

Проведенные исследования проточных нагревателей на полупроводниковых нагревательных элементах в действующих системах водоснабжения показали, что данный прибор работает надёжно, а по техническим параметрам превосходит многие имеющиеся аналоги и может использоваться в установках с непрерывным режимом.

1. Российский статистический ежегодник. 2007: стат. сб. / Росстат. М., 2007. 815с.

2. Деловой журнал строительного рынка. 2005. №2. / http://www.media-park.ru/buildreport/index.php?dir=read&st=511

3. Рульнов А.А., Евстафьев К.Ю. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения : учеб. для сред. строит. спец. учеб. заведений. М. : ИНФРА-М, 2008. 203 с.

4. Мартынова Т.Н., Шелехов И.Ю., Гладкий Г.Ю. Разработка технологии изготовления толстопленочных нагревательных элементов // Материалы региональной научно-

ский список

практической конференции "Актуальные проблемы АПК". Иркутск, 2002. С.15-17.

5. Шелехов И.Ю., Шелехова И.В., Иванов Н.А., Kim Byoung Chul, Головных И.М. Патент на полезную модель №109628, приоритет от 21.03.2011 «Нагревательный элемент».

6. Шелехов И.Ю., Дрянов О.А. Новая конструкция нагревательного элемента // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 1; URL: www.science-education.ru/101-5389 (дата обращения: 05.02.2012).

УДК 628.87

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МУЛЬТИКОМФОРТНОГО ДОМА В г.НОТТИНГЕМ, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ

Т.А.Леник1, Д.Л.Тарасова2, М.Ю.Толстой3

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлен проект мультикомфортного дома, созданного для города Ноттингем, Великобритания. Спроектированы системы вентиляции, электроснабжения и горячего водоснабжения. Приведены расчеты коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций с помощью программы MCH-Designer-2. Ил. 11. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: мультикомфортный дом; теплоизоляция; световой колодец; солнечная батарея; рекуператор; геотермальный теплообменник.

DESIGNING A MULTI-COMFORT HOUSE IN NOTTINGHAM, UK T.A. Lenik, D.L. Tarasova, M.Y. Tolstoy

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article presents a design of a multi-comfort house created for a former industrial area of Nottingham, UK. It includes ventilation, power supply and heating schemes. The authors present the calculations of the heat-transfer coefficient of enclosing structures performed with the help of MCH-Designer-2. 11 figures. 6 sources.

Key words: multi-comfort house; heat insulation; light shelf; solar battery; recuperator; geothermal heat exchanger.

1Леник Татьяна Александровна, студентка, тел.: 89086479835, e-mail: tatyana_lenik@mail.ru Lenik Tatyana, Student, tel.: 89086479835, e-mail: tatyana_lenik@mail.ru

2Тарасова Дарья Леонидовна, студентка, тел.: 89500877577, e-mail: d.t.l91@mail.ru Tarasova Darya, Student, tel.: 89500877577, e-mail: d.t.l91@mail.ru

3Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952) 971445, e-mail: tolstoi@istu.edu

Tolstoi Mikhail, Candidate of technical sciences, Professor, Head of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: 971445, e-mail: tolstoi@istu.edu