Одним из перспективных и основных путей развития животноводства является путь индустриализации, концентрации и специализации производства. Данное развитие идет в направлении совершенствования технологических процессов и повышения общей культуры ведения животноводства. В этих условиях проблема энергосбережения в отраслях сельского хозяйства требует особого внимания [1]. Она наиболее актуальна для таких энергоемких устройств как электрические водонагреватели. Применяемые в настоящее время в сельскохозяйственном производстве электродные и элементные нагреватели жидкости обладают рядом существенных недостатков. Наиболее важными из них являются: повышенная опасность поражения людей и животных электрическим током (электродные нагреватели) и небольшой срок службы ТЭНов (элементные нагреватели) [2]. Элементные водонагреватели являются более безопасными и распространенными электронагревательными устройствами, поэтому рассмотрим особенности их эксплуатации подробнее.
Как известно, принцип работы таких устройств основан на тепловом действии тока при протекании его по проводнику с относительно большим удельным сопротивлением и последующей передаче выделившегося тепла от рабочего элемента теплоносителю. Такие устройства достаточно просты в конструктивном исполнении, надежны и неприхотливы в эксплуатации, не требуют дорогостоящего технического обслуживания. Однако в процессе работы часто происходит нарушение нормальных условий эксплуатации, вследствие чего эффективность работы ТЭНов водонагревательных приборов постепенно снижается, и они преждевременно выходят из строя. Такими нарушениями являются образование отложений на теплообменной поверхности нагревательного элемента, агрессивность среды теплоносителя, повышение напряжения питания ТЭНа. Например, первичная накипь, образующаяся на оболочках ТЭНов, в 3-5 раз уменьшает срок их службы. Особенно серьезные проблемы с первичной накипью возникают при непрерывном нагреве и кипячении жесткой проточной воды, когда скорость ее образования на оболочках ТЭНов достигает 0,2-0,4 мм в сутки, а срок их службы не превышает одного месяца [3]. Чаще всего, подобные условия эксплуатации приводят к перегреву нихромовой спирали ТЭНа, её быстрому разрушению и электрическому обрыву, что требует частой замены ТЭНов.
Продлить срок службы водонагревательного устройства можно несколькими способами. Например, периодической очисткой или заменой теплоносителя, для поддержания его физико-химических свойств на должном уровне, однако это не всегда эффективно, особенно если такое обслуживание требует остановки отопительной системы. Также можно регулировать напряжение питания ТЭНа, снижать его при достижении температуры теплоносителя определенного порога, а затем использовать ТЭН на неполной мощности. Но в этом случае потребуется дополнительная модернизация всей системы: установка температурных датчиков, регуляторов мощности и т. п., что не всегда возможно эффективно реализовать на определённой конструктивно законченной отопительной системе.
Предлагается применить в отопительной системе проточный нагревательный модуль со встроенным тепловым элементом, нагреваемым индукционным способом, посредством токов высокой частоты. Основными преимуществами такого нагрева являются возможность передачи электрической энергии бесконтактным способом и выделение тепла непосредственно в нагреваемом объекте. В результате чего использование электроэнергии оказывается более эффективным, а скорость нагрева рабочего элемента значительно увеличивается по сравнению с ТЭНами.
Для проведения предварительных испытаний, исследования рабочих характеристик и оценки эффективности отопительной системы такого типа предполагается построить испытательный макет. Его примерная блок-схема приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Блок-схема макета отопительной системы с нагревателем индукционного типа. Цифрами обозначены: 1 –инвертор со встроенным амперметром, 2 – индуктор, 3 – нагревательный модуль, 4 – трубопровод с теплоносителем, 5 – радиатор отопления, 6 – циркуляционный насос, 7 – датчики температуры теплоносителя, 8 – блок управления инвертором.
Макет отопительной системы представляет собой замкнутый трубопроводный контур (4), в котором с помощью насоса (6) осуществляется циркуляция теплоносителя. Нагрев последнего происходит в нагревательном модуле (3), отвод тепла в окружающую среду обеспечивается радиатором (5). Контроль температуры теплоносителя осуществляется с помощью датчиков (7). Блок питания индуктора – инвертор (1) представляет собой мощный импульсный преобразователь частоты и служит для возбуждения высокочастотных колебаний в индукторе. По встроенному амперметру осуществляется контроль тока, потребляемого индуктором в различных режимах работы. Основой блока управления инвертором (8) является генератор импульсов с регулируемыми параметрами, позволяющий менять рабочие режимы инвертора в зависимости от поставленной экспериментальной задачи. Из литературы известны конструкции проточных водонагревателей, представляющие собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора. Нагрев воды в них осуществляется при прохождении последней по змеевику. Однако их основным недостатком является большая удельная металлоемкость до 10 и более кг/кВт, значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие потери тепла [4]. В предложенном макете отопительной системы используется иная конструкция нагревательного модуля (рисунок 2). Конструктивно он представляет собой диэлектрическую трубу (емкость), через которую циркулирует жидкий теплоноситель (вода, масло). Поверх трубы навивается индукционная катушка, а внутрь помещается система из металлических трубок (тепловых элементов), расположенных вдоль потока теплоносителя. Индукционная катушка при работе может достаточно сильно разогреваться, поэтому выполнена из тонкостенной медной трубки, через которую дополнительным маломощным насосом прокачивается охлаждающая жидкость.
Рис. 2. Конструкция нагревательного модуля. Цифрами обозначены: 1 – диэлектрическая трубка, 2 – тепловые элементы – металлические тонкостенные трубки, 3 – индуктор из медной трубки, 4 – вход холодного теплоносителя, 5 – выход нагретого теплоносителя.
Принцип действия индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию [5, с. 150]. Через катушку индуктора пропускается переменный электрический ток, в результате чего вокруг неё создается изменяющееся во времени переменное электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в находящихся внутри индуктора металлических трубках (тепловых элементах) вихревые токи (токи Фуко), которые и разогревают их под действием выделяющегося в проводнике джоулева тепла. Теплоноситель, омывая тепловые элементы, охлаждает их, при этом увеличивает свою температуру.
Подобная система «индуктор – тепловой элемент» представляет собой трансформатор без сердечника, где катушка индуктора является первичной, а тепловой элемент – вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.
Питание индуктора осуществляется переменным током повышенной частоты, порядка 100 кГц. В этом случае вихревые токи, наводимые в тепловых элементах, вытесняются собственным магнитным полем в тонкие поверхностные слои металла, где их плотность достигает наибольшего значения, что ведет к интенсивному разогреву поверхности тепловых элементов. Более глубокие внутренние слои теплового элемента, где плотность вихревых токов на порядки меньше, прогреваются за счёт теплопроводности. Такое неоднородное распределение плотности высокочастотного переменного тока по сечению проводников является следствием проявления поверхностного эффекта или скин-эффекта [6, с. 24], представляющего собой явление затухания электромагнитных волн по мере проникновения их в проводящую среду. Глубина скин-слоя в основном зависит от частоты питающего тока и относительной магнитной проницаемости материала теплового элемента. При очень больших частотах ток практически существует только в тонком поверхностном слое проводника [7, с. 2]. Таким образом, увеличивая частоту тока, питающего индуктор, можно добиться увеличения плотности тока на поверхности тепловых элементов и тем самым поднять их рабочую температуру без значительного увеличения электрической мощности, потребляемой устройством. На рисунке 3 представлена примерная электрическая блок схема инвертора.
Рис. 3. Электрическая блок-схема инвертора.
Схема состоит из двух модулей – управляющего и силового. В состав модуля управления входит задающий генератор и схема ограничения потребляемого тока. Силовой модуль содержит выпрямитель, модуль силовых ключей и собственно нагрузку.
Схема функционирует следующим образом. Переменное сетевое напряжение выпрямляется и подается на накопительный конденсатор Cн, соединенный с модулем силовых ключей. Силовой модуль выполнен по классической полумостовой схеме и состоит из двух полупроводниковых ключей (К1 и К2) и конденсаторного делителя (C1 и C2). Нагрузка подключается к общим точкам соединения ключей и конденсаторам делителя[8, с. 251]. Задающий генератор в составе модуля управления формирует управляющие импульсы с заданной частотой и скважностью и попеременно открывает и закрывает силовые ключи. Таким образом, верхний (по схеме) вывод нагрузки подключается то к положительной, то к отрицательной шине питания. В результате на нагрузке формируется переменное напряжение с амплитудой равной половине напряжения питания. Нагрузка инвертора представляет собой колебательный LC контур, образованный индуктором L и блоком конденсаторов Cx и подключается к силовому модулю через согласующий трансформатор Tr[9]. Эквивалентная схема нагрузки приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Схема нагрузки инвертора.
Эквивалент теплового элемента (обозначен пунктиром), нагреваемого вихревыми токами высокой частоты, изображен в виде последовательно соединенного витка катушки и резистора. Таким образом, подразумевается индуктивное и активное сопротивление нагреваемого материала.
Быстродействующая схема ограничения тока блокирует работу задающего генератора и закрывает оба силовых ключа при превышении установленного порогового значения тока, питающего индуктор.
Электрическая принципиальная схема силовой части инвертора представлена на рисунке 5. За её основу с минимальными изменениями взята схема от лабораторного инверторного индукционного нагревателя, предназначенного для плавки металлов. [10]. Управляющие импульсы от задающего генератора поступают на входы PDMC+ и PDMC− микросхемы оптической развязки IC1. Логический элемент D1 инвертирует сигнал после прохождения оптической развязки, а также формирует инверсный сигнал для управления нижним ключом VT2.
Рис.5. Принципиальная электрическая схема силового модуля инвертора.
Элемент D2 введён для формирования задержек (т. н. «мертвого времени»), для предотвращения сквозных токов через выходные силовые транзисторы. Длительность вышеупомянутых задержек определяется резисторами R3, R4 и конденсаторами C2, C3 и с указанными на схеме номиналами элементов составляет около 0,5 мкс. На рисунке 6 представлен примерный вид осциллограмм управляющих импульсов для транзисторов верхнего и нижнего плеча полумоста.
Рис.6. Осциллограммы управляющих импульсов для ключевых транзисторов.
В качестве драйвера ключей VT1, VT2 используется широко распространенная микросхема IR2110, включенная по стандартной схеме, приведенной в технической документации на эту микросхему. Силовая часть выполнена по полумостовой схеме с несимметричным включением нагрузки. В качестве силовых ключей применяются мощные IGBT-транзисторы со встроенными внутренними «сверхбыстрыми» диодами. Их обвязка является стандартной для подобных схем включения. Резисторы R5, R6 ограничивают максимальный ток заряда и разряда затвора, R7, R8 выполняют защитные функции. Конденсаторы C7, C8, C9, играют роль простейших ёмкостных снабберов и служат для устранения выбросов на ключах, вызванных паразитными индуктивностями цепей питания инвертора, а также индуктивным характером его нагрузки. Нагрузка подключается непосредственно к выходам Out+ и Out−.
На логических элементах D1.3, D1.4 и транзисторе T1 собрана схема быстродействующей токовой защиты, срабатывающей при превышении порогового значения тока, потребляемого силовой частью схемы. Порог срабатывания устанавливается резистором R14. После срабатывания защиты перевод схемы в рабочий режим производится кнопкой «Перегрузка – Сброс».
Постоянное напряжение HV+, HV− с амплитудой порядка 310В. формируется из сетевого однофазного напряжения выпрямительным диодным мостом KBPC3510 и сглаживается электролитическим конденсатором большой емкости C16. Напряжение +15В. необходимо для питания микросхемы драйвера ключей, и подается от отдельного источника питания с максимальным током нагрузки не менее 0,5 А. Из этого же напряжения с помощью линейного стабилизатора 7805 формируется напряжение 5В. для питания логических элементов, оптической развязки и схемы защиты.
В качестве задающего генератора возможно применение любого универсального генератора сигналов, способного формировать импульсы прямоугольной формы с частотой 30…150 кГц, скважностью ≥ 2 и амплитудой порядка 5В.
Максимальная потребляемая мощность данной индукционной водонагревательной системы составляет порядка 2 кВт. Предусматривается её регулировка, как с помощью изменения скважности импульсов на определенной фиксированной частоте, так и регулировкой частоты, для перехода в резонансный режим работы. Такой подход позволяет экспериментальным способом подобрать наилучший материал проводника для изготовления тепловых элементов и получить от них максимальную теплоотдачу.
Подобные индукционные водонагревательные устройства можно использовать в системах отопления не только как основной нагреватель, но и совместно с ТЭНами (работающими на пониженной мощности), в качестве дополнительного проточного подогревателя, доводящего температуру теплоносителя до установленного нормативами значения. Таким образом, снижается тепловая нагрузка на штатные ТЭНы и значительно продлевается срок их эксплуатации.
Библиографический список
- Матвеев С. Д. Исследование и разработка коронно-разрядного озонатора для непрерывной дезинфекции яиц в инкубаторе – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 05.20.02., – ЧГАУ, 2009. – 108 с.
- Русинов В. А. Разработка проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 05.20.02., – ЧГАУ, 2004. – 225 с.
- Мордвинов Ю. А. Патент 2385552 C1. Тэн с защитой от первичной накипи/ Ю.А. Мордвинов, М.Ю. Мордвинов, Н.Ю. Силина.
- Котов В.А. Патент RU 2400944. Вихревой индукционный нагреватель и устройство обогрева для помещения / В.А. Котов, А.В. Слободян. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/240/2400944.html
- Егоров А.В. Электрические печи для производства сталей / А.В. Егоров, А.Ф. Моржин – М.: “Металлургия”, 1975 – 352 с.
- Глуханов .Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева / Н.П. Глуханов – М.: “Машиностроение”, 1965 – 80 с.
- Буханов В.М. Скин эффект – Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм) / В.М. Буханов, Т.М. Глушкова, А.В. Матюнин, А.М. Салецкий, Д.Э. Харабадзе – МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, кафедра общей физики – МГУ, 2011 – 12 с.
- Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б.Ю. Семенов – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.
- Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.icct.ru/Practicality/Papers/30-03-2010/Invertor-01.php
- Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 3. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.icct.ru/sites/default/files/Invertor-07.pdf