Файл: Статья удк 631. 171 621 031 doi 10. 2689726871149202147275.pdf

72
Агроинженерия. 2021. № 4 (104)
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ
УДК 631.171:621.3.031
DOI: 10.26897/2687-1149-2021-4-72-75
ЭЛЕКТРОДНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ ДОЗИРОВАННОЙ МОЩНОСТИ
ДЛЯ УСТАНОВОК НАГРЕВА И ОБОГРЕВА
ШИЧКОВ ЛЕОНИД ПЕТРОВИЧ

, д-р техн. наук, профессор
shichkov@yandex.ru

СТРУКОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ, канд. техн. наук
struki@bk.ru
Российский государственный аграрный заочный университет; 143907, Российская Федерация, Московская область, г. Балашиха, ул. Шоссе Энтузиастов, д. 50
Аннотация. Изменение мощности электродных водонагревателей в зависимости от качества воды является основным их недостатком. Для устранения этого недостатка и повышения надёжности и качества работы водонагревателя разработана электродная система нагрева воды и проведен анализ её режима работы. В статье рассматривается агрегатированная система электродного нагрева воды, состоящая из однофазного электродного водонагревателя, подключаемого к однофазной сети через вентильно-конденсаторный преобразователь с дозируемой передачей энергии. Для регулирования и стабилизации мощности нагрева накопительная ёмкость преобразователя выполнена разделённой на отдельные секции. Выполненный формульный анализ режима нагрузки агрегатированной системы позволяет оптимизировать её режим работы. С целью повышения безопасности и удобства эксплуатации установки в электрической схеме предусмотрены дополнительные блокировки соответствующих электрических цепей. Сделан вывод о целесообразности использования однофазных электродных водонагревателей включением через вентильно-конденсаторный преобразователь с дозированной передачей энергии позволяющим регулировать и стабилизировать мощность нагрева и тем самым повысить электробезопасность, функциональность, надёжность электродных водонагревателей, а также обеспечить существенное повышение качества работы.
Ключевые слова: электрод, водонагреватель, конденсатор, диод, тиристор, ток, напряжение, стабилизация, регулирование.
Формат цитирования: Шичков Л.П., Струков А.Н. Электродный водонагреватель дозированной мощности для установок нагрева и обогрева // Агроинженерия. 2021. № 4(104). С. 72-75. DOI: 10.26897/2687-1149-2021-4-72-75.
© Шичков Л.П., Струков А.Н., 2021
ORIGINAL PAPER
DOSED-CAPACITY ELECTRODE WATER HEATER USED IN BOILING
AND HEATING INSTALLATIONS
LEONID P. SHICHKOV

, DSc (Еng), Professor
shichkov @yandex.ru

ALEKSEI N. STRUKOV, PhD (Еng)
struki@bk.ru.
Russian State Agrarian Correspondence University; 50, Shosse Entuziastov Str., Balashikha, Moscow Region, 143907, Russian Federation
Abstract. Power change of electrode water heaters depending on the water quality is their main disadvantage. To eliminate this drawback and improve the reliability of water heaters, an electrode water heating system was developed and its operating mode was analyzed. The paper considers an aggregated system of electric water heating, consisting of a single-phase electrode water heater connected to a single-phase network via a valve-capacitor converter with a metered energy transfer. To regulate and stabilize the heating power, the storage capacity of the converter is divided into separate sections. The performed formula analysis of the load mode of the aggregated system allows optimizing its operation mode. In order to increase the safety and ease of operation of the installation, additional interlocks of the corresponding electrical circuits are provided in the electrical circuit.
The authors conclude that it is advisable to use single-phase electrode water heaters by switching on through a valve-condenser converter with dosed energy transfer, which allows regulating and stabilizing the heating power and thereby increasing electrical safety, functionality, reliability of electrode water heaters, as well as ensuring a signifi cant improvement in the quality of operation.
Key words: electrode, water heater, capacitor, diode, thyristor, current, voltage, stabilization, regulation.

73
Agricultural Engineering, 2021; 4 (104)
POWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION
POWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION
Shichkov L.P., Strukov A.N.
Dosed-capacity electrode water heater used in boiling and heating installations
For citation: Shichkov L.P., Strukov A.N. Dosed-capacity electrode water heater used in boiling and heating installations.
Agricultural Engineering, 2021; 4 (104): 72-75. (In Rus.). DOI: 10.26897/2687-1149-2021-4-72-75.
Введение. Электродный способ электронагрева токо- проводящих сред, в том числе воды, нашёл широкое при- менение ввиду доступности и высокого значения КПД преобразования электрической энергии в тепловую. Элек- тродный нагрев на переменном токе исключает процесс электролиза воды и является простым и экономичным спо- собом нагрева, который не требует дорогостоящего обору- дования. Вместе с тем существенным недостатком электро- дных водонагревателей в виде электродных котлов являет- ся изменение их мощности ввиду изменения проводимости воды, зависящей от концентрации растворенных в ней солей, кислот, щелочей и от температуры воды. В диапа- зоне температур от 20 до 100°C удельное сопротивление воды изменяется в 3…5 раз за счёт увеличения концентра- ции и подвижности ионов. Во столько же раз изменяется мощность, потребляемая электродным водонагревателем из сети. Это один из существенных недостатков электро- дного нагрева, приводящий к завышению сечения питаю- щих проводов, к снижению надёжности установок электро- дного нагрева и усложняющий их эксплуатацию.
При большой напряженности электрического поля между электродами может возникнуть пробой, а при воз- никшей от нагрева большой плотности тока – электро- литическое разложение воды с образованием взрыво- опасного гремучего газа [1, 2]. Устранить отмеченные недостатки электродных водонагревателей и повысить надёжность и качество их работы можно стабилизацией и регулированием их мощности путём использования различных приёмов и технических средств: например, изменять мощность электродного нагрева регулирова- нием питающего напряжения, изменять рабочую (актив- ную) площадь электродов путем их перемещения или введения между электродами диэлектрических экранов, дозировать потребление электроэнергии и др. [1-4].
Цель исследований: разработка электродной системы нагрева воды и анализ её режима работы с использовани- ем электродного водонагревателя при питании от одно- фазной сети переменного тока через вентильно-конденса- торный преобразователь (ВКП) с дозированной передачей энергии (ДПЭ) для обеспечения стабилизации и регули- рования тока и мощности электродных водонагревателей и повышения качества и надёжности их работы [3, 4].
Материал и методы. В сельском хозяйстве применя- ются проточные и непроточные (накопительные), одно- фазные и трёхфазные электродные водонагреватели с раз- личными типами электродных систем, которые использу- ются для нагрева воды под технологические нужды и обо- грева различных помещений и сооружений защищённого грунта. Отдельные конструкции проточных и накопитель- ных водонагревателей имеют корпус с дополнительной тепловой и электрической изоляцией [1, 2]. Наиболее рас- пространённым является однофазный электродный водо- нагреватель с коаксиальной системой электродов (рис. 1).
В системах водяного обогрева электродный водонагре- ватель следует подключать к трубопроводам отопительной системы через электроизолирующие вставки для исключе- ния выноса электрического потенциала в трубопроводную систему обогрева, которая должна иметь дополнительное заземление. Перемещение жидкого теплоносителя может быть как естественным, так и принудительным.
1 2
3 4
5 7
6 8
Рис. 1. Конструкция однофазного электродного
водонагревателя с коаксиальной системой
трубчатых электродов:
1 – внутренний фазный электрод;
2 – наружный нулевой электрод;
3 – межэлектродный зазор; 4 – корпус;
5 – электроизоляционная крышка;
6, 7 – выходной патрубок с расширительной ёмкостью;
8 – входной патрубок
Fig. 1. Design of single-phase electrode water heaterwith
a coaxial tubular electrode system:
1 – internal phase electrode; 2 – external zero electrode;
3 – interelectrode gap; 4 – casing; 5 – insulating cover;
6, 7 – outlet branch pipe with an expansion tank; 8 – inlet pipe
В общем виде мощность Р (Вт) однофазного электро- дного водонагревателя можно выразить как [1, 2]
2 2
U
U
S
P
R
l
  


,
1
где U – действующее значение напряжения на электродах,
В; R – активное сопротивление нагрузки, Ом; γ – удельная электрическая проводимость воды, См/м; S – активная пло- щадь электрода, м
2
; l – расстояние между электродами, м.
В связи с тем, что конструктивные параметры S и l для однофазного электродного водонагревателя с коакси- альной системой электродов принимаем постоянными, при изменении удельного сопротивления воды при нагре- ве для сохранения постоянства мощности необходимо из- менять значение действующего напряжения на электро- дах. Этого можно достичь стабилизацией потребляемой мощности электронагревателя путём дозирования элек- трической энергии от конденсаторного источника пита- ния в виде вентильно-конденсаторного преобразовате- ля (ВКП) с дозированной передачей энергии (ДПЭ).
Процесс подключения электродного водонагревателя к однофазной сети переменного тока через ВКП с ДПЭ

74
Агроинженерия. 2021. № 4 (104)
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Шичков Л.П., Струков А.Н.
Электродный водонагреватель дозированной мощности для установок нагрева и обогрева с целью стабилизации и регулирования мощности нагре- ва и повышения надёжности и качества работы однофах- ных электродных водонагревателей поясняет электриче- ская схема, представленная на рисунке 2 [3, 4].
QF
VD1
VD4
VS1
VD5
C3
C1
S1
C2
S2
220
ȼ
, 50
Ƚɰ
ɌV
ɋ1:ɋ2:ɋ3
1 : 2 : 4
QF
VD2
VD3
N
N
1
2
3
R
S3
t
0
B
4
Рис. 2. Электрическая схема подключения
электродного водонагревателя
к сети переменного тока через ВКП с ДПЭ:
1 – внутренний фазный электрод;
2 – наружный нулевой электрод; 3 – корпус;
4 – электротеплоизоляция
Fig. 2. Wiring diagram for connecting an electrode
water heater to the alternating current network through
a valve-condenser converter with dosed energy transfer:
1 – internal phase electrode; 2 – external zero electrode;
3 – casing; 4 – electrical thermal insulation
Отличительной особенностью электрической схе- мы (рис. 2) является то, что нагрузка в виде электродного водонагревателя включена в цепь заряда и разряда батареи накопительных конденсаторов С1…С3, и это исключает электролиз нагреваемой воды. Схема (рис. 2) по сути пред- ставляет собой однофазный тиристорно-диодный мостовой выпрямитель с закороченным выходом постоянного тока и включением нагрузки в фазный провод цепи однофазно- го переменного тока. Управление тиристорным коммутато- ром осуществляется от вспомогательного трансформатора
TV, который фазирован так, чтобы при отрицательной по- луволне сетевого напряжения диод VD4 открывался и обе- спечивал открытие тиристора VS1 для разряда батареи кон- денсаторов С1…С3 через электродный водонагреватель. Ра- ботоспособность цепи управления на трансформаторе TV1 контролируется свечением светодиода VD5. Для исключе- ния возможного перегрева воды и дополнительной стаби- лизации заданной температуры её нагрева в цепь управле- ния включён размыкающий контакт датчика В температуры воды на выходе водонагревателя. Для обеспечения допол- нительной электробезопасности установки при её отключе- нии от питающей сети батарея конденсаторов С1…С3 под- ключается замыкающим блок-контактом QF вводного авто- матического выключателя к разрядному сопротивлению R.
Преобразование электрической энергии переменно- го тока сети в переменный ток водонагревателя по схе- ме (рис. 2) осуществляется в два этапа. На первом этапе заряд батареи конденсаторов (БК) С1…С3 производится при приложении к аноду диода VD1 положительных по- лупериодов фазного напряжения питания. При этом ти- ристор VS1 закрыт ввиду отсутствия напряжения управ- ления на его управляющем электроде.
Второй этап преобразования – разряд ёмкости БК при приложении к диоду VD1 отрицательных полуволн фаз- ного напряжения сети. В этом случае к управляющему элек- троду тиристора VS1 приложено отпирающее напряжение от трансформатора ТV1. В результате тиристор VS1 открыва- ется, и накопительная ёмкость конденсаторов БК разряжает- ся током нагрузки через водонагреватель. Ток через электро- дный водонагреватель реверсируется в каждом периоде пре- образования, что исключает электролиз воды при её нагреве.
Регулирование тока и мощности электродного водона- гревателя осуществляется дозирующими конденсаторами
БК, ёмкости которых, например, при трёх секциях, целесо- образно соотносить как 1:2:4. Это позволяет за счёт пере- ключателей S1…S3 устанавливать семь возможных значе- ний тока и мощности водонагревателя с одинаковой дис- кретностью. При использовании двух секций дозирующих конденсаторов С1…С2 соответственно достигаются три ступени регулирования одинаковой единичной мощности.
Результаты и обсуждение. Из анализа работы ВКП с ДПЭ следует, что мощность Р (Вт), отдаваемая преобра- зователем в нагрузке за один период сетевого напряжения, определяется формулой:
2 2
2 0,5
C U
P
C U
f
T


  


,
2
где С – ёмкость батареи конденсаторов, Ф; U – действую- щее значение напряжения заряда батареи конденсаторов,
В; T, f – длительность периода (с) и частоты при f = 50 Гц.
Продолжительность полного заряда накопительной
ёмкости БК преобразователя до максимально возможного значения напряжения, которое определяется амплитудным значением напряжения питания
2
U
U


ò
Ï
, составляет четверть периода Т/4. Следовательно, ёмкость накопитель- ного конденсатора из условия его полного заряда до ампли- тудного значения напряжения питания U
m
определяется для частоты питания f = 50 Гц следующими соотношениями:
t
З


/ 4 1/ 4
T
f


 .
3
Из условия полного заряда накопительного конденсатора за четыре постоянных времени t
З
= 4 · τ, где τ = R · C – посто- янная времени переходного процесса заряда конденсатора, максимально целесообразное значение τ
m
из этого условия:
1 1
0,00125 4
16 16 50
m
t
f
 





Ç
ñ
4
Соответственно получаем зависимость максимально- го значения накопительной ёмкости из условия её полно- го заряда до амплитудного значения напряжения питаю- щей сети:
1 0,00125
,
16
m
m
C
R
f R
R




 
Ф или
1250
m
C
R

, мкФ.
5
В связи с тем, что ёмкость накопительного конденсато- ра постоянна, согласно (1) из условия сохранения энергии преобразования мощность нагрева ввиду снижения напря- жения на электродах нагревателя сохраняется неизменной.
Учитывая, что энергия, запасаемая, а затем отдавае- мая накопительным конденсатором за каждый период Т сетевого напряжения, осуществляется за время 2·(Т/4), соответственно имеем значение действующей тепловой

75
Agricultural Engineering, 2021; 4 (104)
POWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION
POWER SUPPLY AND AUTOMATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION
мощности P
m
(Вт), отдаваемой в водонагреватель с учётом полного заряда и разряда накопительного конденсатора:


2 6
2 10 2
4
m
m
U
P
C
T






Ï
,
6
где U
П
– действующее напряжение питающей сети пере- менного тока, В; С
m
– максимальная ёмкость из условия её полного заряда до амплитудного значения напряжением питающей сети, мкФ; T = 1 / f – длительность периода сете- вого напряжения (для f = 50 Гц соответственно Т = 0,02 с).
Завышение ёмкости конденсаторов накопительной БК при определённом значении сопротивления цепи нагруз- ки свыше рассчитанного по (5) экономически нецелесо- образно ввиду неполного использования конденсаторов.
Ориентировочно удельная ёмкость БК А/мкФ определя- ется из режима короткого замыкания цепи нагрузки:
6 6
/
2 10 220 314 1 10 0,069,
U
I
U
f C
X



    


 

ÑÓ
C
À ìêÔ
7
По заданному расчётному току нагрузки I
Р
на основа- нии (7) определяется необходимая общая ёмкость БК:
,
I
C
I


Ð
ÑÓ
ìêÔ
8
Система электродного нагрева воды с ВКП ДПЭ со- храняет работоспособность при изменении режима нагрузки от холостого хода до короткого замыкания.
При коротком замыкании выходов ток источника макси- мален, а напряжение равно нулю. При увеличении сопро- тивления нагрузки от короткого замыкания до холостого хода ток нагрузки уменьшается при возрастании напря- жения. Максимум выделяемой на нагрузке мощности до- стигается при токе, составляющем 0,5I
Р
[5].
Выводы
1. Использование однофазных электродных водонагре- вателей включением через вентильно-конденсаторный пре- образователь с дозированной передачей энергии позволяет регулировать и стабилизировать мощность нагрева и тем самым повысить электробезопасность, функциональность и надёжность электродных водонагревателей, а также обе- спечить существенное повышение качества их работы.
2. Полученные зависимости (5), (6), (7) и (8) позволя- ют оптимизировать параметры агрегатированной систе- мы электродного нагрева воды, состоящей из однофазно- го электродного водонагревателя, подключённого к вен- тильно-конденсаторному преобразователю с дозирован- ной передачей энергии.
Библиографический список
1. Баранов Л.А., Захаров В.А. Светотехника и элек- тротехнология. М.: КолосС, 2006. 344 с.
2. Волгин А.В. Светотехника и электротехнология:
Учебное пособие. Саратов: Саратовский ГАУ, 2015. 137 с.
3. Преобразователь с дозированной передачей энергии и питанием от сети переменного тока: пат. RU2 415 505
С1 РФ: МПК H02J 7/02 / Л.П. Шичков, А.Н. Струков;
2010100925/07; заявл. 14.01.2010; опубл. 27.03.2011. Бюл.
№ 9. 4 с.
4. Шичков Л.П., Башкирёв А.П., Мохова О.П. и др. Ис- точник тока для специальных электротехнологий // Вест- ник Курской ГСХА. 2012. № 2. С. 131-134.
5. Шичков Л.П. Электрический привод: Учебник и прак- тикум для академического бакалавриата. 2-е изд., испр. и доп. М.: Юрайт, 2020. 330 с.
References
1. Baranov L.A., Zakharov V.A. Svetotekhnika i elektrotekh- nologiya [Lighting engineering and electrical technology]. M.:
KolosS, 2006: 344. (In Rus.)
2. Volgin A.V. Svetotekhnika i elektrotekhnologiya: Uchebnoe posobie [Lighting engineering and electrical technology: Study manual]. Saratov: Saratovskiy GAU, 2015: 137: 3. (In Rus.)
3. Preobrazovatel’ s dozirovannoy peredachey energii i pi- taniyem ot seti peremennogo toka [Converter with metered transmission of energy and power supply from an alternat- ing current network]: pat. RU2 415 505 S1 RF: MPK H02J
7/02 / L.P. Shichkov, A.N. Strukov; 2010100925/07; applied on 14.01.2010; issued on 27.03.2011. Bul. No. 9: 4. (In Rus.)
4. Shichkov L.P., Bashkirov A.P., Mokhova O.P. et al. Is- tochnik toka dlya spetsial’nykh elektrotekhnologiy [Power source based on special electrical technologies]. Vestnik Kur- skoy GSKHA. 2012; 2: 131-134. (In Rus.)
5. Shichkov L.P. Elektricheskiy privod: Uchebnik i praktikum dlya akademicheskogo bakalavriata [Electric Drive: Study Manu- al and Workshop for the Academic Bachelor’s Degree students].
2
nd ed., reviewed and extended. M.: Yurayt, 2020: 330. (In Rus.)
Критерии авторства
Шичков Л.П., Струков А.Н. выполнили теоретические ис- следования, на основании полученных результатов провели обобщение и подготовили рукопись. Шичков Л.П., Стру- ков А.Н. имеют на статью авторские права и несут ответ- ственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила в редакцию 18.03.2021
Одобрена после рецензирования 28.06.2021
Принята к публикации 28.06.2021
Contribution
L.P. Shichkov, A.N. Strukov performed theoretical stud- ies, and based on the results obtained, generalized the results and wrote a manuscript. L.P. Shichkov, A.N. Strukov have equal author’s rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Confl ict of interests
The authors declare no confl ict of interests regarding the publica- tion of this paper.
The paper was received 18.03.2021
Approved after reviewing 28.06.2021
Accepted for publication 28.06.2021
Shichkov L.P., Strukov A.N.
Dosed-capacity electrode water heater used in boiling and heating installations