Система индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания жидкости Ивликов Сергей Юрьевич

Ивликов Сергей Юрьевич. Система индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания жидкости : диссертация . кандидата технических наук : 05.09.03 / Ивликов Сергей Юрьевич; [Место защиты: Комсомольск-на-Амуре гос. техн. ун-т]. - Новосибирск, 2009. - 164 с. : ил. РГБ ОД, 61:10-5/766

Содержание к диссертации

ГЛАВ А 1. Обзор конструкций индукционных устройств для нагрева и омагничивания жидкостей 13

1.1 Конструкции устройств индукционного нагрева жидкости 13

1.2 Конструкции устройств для омагничивання жидкостей 30

ГЛАВА 2 Моделирование процессов в системе индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания воды 46

2.1 Методы расчета устройств нагрева и омагничивання 46

2.2 Постановка задачи 56

2.3 Моделирование электромагнитного поля в системе для нагрева и омагничивання воды 60

2.4 Моделирование теплового поля в системе для нагрева и омагничивання воды 67

ГЛАВА 3 Теоретическое и экспериментальное исследование системы индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания воды 74

3.1 Расчёт параметров электромагнитного поля системы для нагрева и омагннчивания жидкости 74

3.2 Экспериментальные исследования электромагнитных полей коаксиальных цилиндров ) индукционной установки для обработки жидкостей 83

3.3 Расчёт параметров теплового поля системы для нагрева и омагничивання жидкости 86

3.3.1 Расчет коэффициента теплоотдачи в системе концентрических цилиндров 86

3.3.2 Расчет параметров омагничивателя мощностью 16 кВт 88

3.3.3 Расчет распределения температуры в активных элементах омагннчивателя 91

3.3.4 Расчет максимальной напряженности магнитного поля в жидкости 94

ГЛАВА 4 Области применения систем нагрева и омагничивания индуктивно- кондуктивного типа 97

4.1 Электронагреватели жидкой среды 97

4.2 Очистка воды от избытка железа, солей кальция и марганца 99

4.3 Устройства для защиты от накипи н коррозии систем тепловодоснабжения 101

4.3.1 Влияние магнитного поля на свойства воды и ее примесей 102

4.4 Применение магннтпой обработки в нефтегазовой отрасли 104

4.4.1 Воздействие магнитного поля на АСПО 106

4.4.2 Воздействие магнитного поля на солеотложенпя 107

4.4.3 Воздействие магпнтного поля на эмульсии 108

4.4.3.1 Причины образования и свойства нефтяных эмульсий 108

4.4.3.2 Аппараты для воздействия на водонефтяные эмульсии магнитным полем 111

4.4.4 Аппараты УМП 113

4.4.5 Индуктивио-кондуктивные аппараты 119

4.4.6 Воздействие магнитного поля на коррозионные процессы 121

Список литературы 126

Приложение 1 139

Приложение 2 147

Приложение 3 156

Приложение 4 163

Введение к работе

Современное общество предъявляет всё более высокие требования к техническим устройствам бытового и промышленного назначения, поэтому разработка и внедрение новых устройств, особенно электронагревательных, как важнейших для жизнедеятельности человека, является актуальной задачей. Внедрение электронагрева обуславливается и проблемой энергосбережения при производстве тепла на коммунально-бытовые нужды рассредоточенных потребителей. Из общего количества тепла, расходуемого на эти цели в стране, около половины получают на ТЭЦ и крупных котельных, остальное — на мелких котельных, индивидуальных топливных печах и квартирных теплогенераторах. При этом последняя группа оборудования потребляет топлива примерно в два раза больше, чем первая в связи с низкими характеристиками печей и теплогенераторов, большой длительностью межсезонья, при котором объем теплопотребления не достигает номинальных нагрузок и коэффициент использования топлива снижается до 10-20%. Значительное удаление населенных пунктов от центров снабжения теплом и топливом приводит к высокой стоимости транспортировки, соизмеримой со стоимостью добычи энергоносителей. В [1,2] показано, что в сельской местности при существенной рассредоточенное агротехнического комплекса Сибири применение системы электротеплоснабжения по сравнению с теплоснабжением от котельных на твердом топливе позволяет снизить энергозатраты на 30-40%.

Насыщенность некоторых регионов страны дешевой электроэнергией ГЭС и АЭС способствует внедрению электронагрева в быту по экономическим и техническим аспектам. Обеспечение оптимальной нагрузки энергостанций в ночные часы и дни с пониженной производственной деятельностью промышленных предприятий создадут надежные и безопасные условия функционирования энергосистем.

Развитие ВЭУ(ветроэлектроустановок), микроГЭС и других альтернативных источников электроэнергии также стимулирует использование электронагрева.

Система многоставочных тарифов на электроэнергию, сложившаяся за рубежом и постепенно развивающаяся в России, значительно расширит применение электронагрева для отопления и горячего водоснабжения и на технологические нужды.

Усилиями отечественных и зарубежных фирм созданы высокоэффективные электронагревательные приборы, получившие широкое распространение в системах производственного и бытового электронагрева [3,4]. За последние двадцать лет удельное энергопотребление электротеплогенераторов снижено в среднем на 50%, что дало возможность концептуально изменить, например, назначение электроотопительных устройств от приборов для дополнительного обогрева помещений к приборам основного теплоснабжения.

К настоящему времени получили широкое распространение резистивные электронагреватели прямого нагрева (ТЭНы и электродные), которые, как известно, обладают рядом недостатков:

низким классом электробезопасности "0" или "1" (с применением дополнительных мер);

опасным напряжением прикосновения, препятствующим применению в жилых помещениях;

низким сроком службы и надежностью функционирования и высокой пожароопасностью.

Существенным недостатком систем нагрева на основе электродных конструкций и ТЭНов является отложение накипи на электродах, наружной поверхности ТЭНов и теплоотдающих поверхностях системы отопления. В результате снижается срок службы и надёжность работы нагревательного оборудования.

Снижение интенсивности накипеобразования и удаление накипи с рабочих поверхностей требует специальных методов водоподготовки и профилактической обработки рабочих поверхностей в периоды останова тепловой системы, так как принцип работы этих устройств не позволяет предотвратить или снизить интенсивность накипеобразования в эксплуатационный период.

Известно, что около 85% грунтовых и подземных вод Российской Федерации, используемых в качестве питьевой, содержат избыток железа и солей кальция. Поэтому пресная вода, используемая в качестве питьевой, в большинстве регионов РФ не соответствует требованиям ГОСТ, предъявляемым к питьевой воде. Это в первую очередь относится к избыточному количеству железа и солей кальция. Проблема получения с помощью энергосберегающих устройств питьевой воды, имеющей необходимый уровень примесей, является актуальной. Вместе с тем, состав минералов в воде, необходимых для жизнедеятельности человека, должен быть сохранён при её обработке.

Одним из наиболее перспективных и экологически чистых способов нормализации свойств питьевой воды является ее обработка постоянным или переменным электромагнитным полем, приводящая концентрацию железа и железосодержащих примесей к уровню требуемых норм. В процессах магнитной обработки частицы, обладающие ферромагнитными свойствами, при достаточно неоднородном магнитном поле выполняют "транспортную" функцию, увлекая при осаждении другие примесные частицы и ионы, что обеспечивает глубокую очистку жидкости.

Решение проблемы накипеобразования оказалось возможным в новых системах нагрева, созданных на основе индукционного метода преобразования электрической энергии в тепловую.

В начале 90-х годов прошлого столетия были разработаны и внедрены новые системы индукционного нагрева жидкостей на основе конструктивных решений с выполнением электропроводящей камеры нагрева, охватывающей первичную обмотку и магнитопровод. Такого типа индукционные системы, названные А.И.Елшиным индуктивно-кондуктивными, обеспечили высокие

эксплуатационные параметры (КПД 96 -г- 99%, соз(р 0,96 ч- 0,99) .

При эксплуатации первых образцов нагревателей индуктивно- кондуктивного типа для систем отопления и горячего водоснабжения жилых зданий экспериментально обнаружено новое свойство создавать объёмную коагуляцию взвешенных в воде частиц и растворять ранее сформировавшиеся отложения накипи на стенках трубопроводов и радиаторов. Совместное действие на воду теплового потока и электромагнитного поля обеспечивает условия объёмной коагуляции взвешенных в воде частиц без отложений и накипеобра- зования на нагревающих поверхностях. Продукты соединений различных химических элементов формируются в виде мелкодисперсного порошка в объеме жидкости без отложения накипи на внутренних поверхностях трубопроводов и радиаторов системы отопления и легко отделяются в отстойник. Одновременно с этим, во всей системе нагрева исключено формирование гальванических пар постоянного тока, способствующих возникновению коррозийных центров.

Это позволило сформировать гипотезу, что интенсивность объёмной коагуляции взвешенных в воде частиц будет увеличиваться при нагреве воды с одновременной обработкой сильными электромагнитными полями. Появляется возможность создания принципиально нового вида электротехнического оборудования — установок индуктивно-кондуктивного типа для переработки жидких промышленных отходов, опреснения воды (включая и морскую воду), удаления из воды накипеобразующих примесей при водоподготовке для использования в энергетике, обработке воды в пищевой промышленности при изготовлении напитков, в строительной индустрии (для приготовления бетонов) и других технических целей.

Анализ технических особенностей нового оборудования индуктивно- кондуктивного типа позволяет сделать вывод, что задача оптимизации конструктивных решений установок индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания возможна путём исследования взаимосвязанных процессов нагрева жидкостей и одновременной обработки интенсивными электромагнитными поля.

Целью работы является создание математической модели системы ин- дуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания жидкости; оптимизация параметров системы на основе исследования взаимосвязанных процессов нагрева с одновременной обработкой в электромагнитных полях; фор- Система индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания жидкости