ОЦЕНКА  ДИНАМИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК  РАБОТЫ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ  НАКОПИТЕЛЬНОГО  ТИПА

Денисов  Сергей  Егорович

д-р  техн.  наук,  профессор,  заведующий  кафедрой  водоснабжения  и  водоотведения, 
Южно-Уральский  государственный  университет, 

РФ,  г.  Челябинск

Е-mail: 

Максимов  Сергей  Павлович

магистрант

Южно-Уральский  государственный  университет, 

РФ,  г.  Челябинск

Е-mail:  balid@hotbox.ru

Гордеев  Евгений  Николаевич

магистрант

Южно-Уральский  государственный  университет, 

РФ,  г.  Челябинск

Е-mail:  balid@hotbox.ru

DYNAMIC  EVALUATION  OF  WORK  FOR  ELECTRIC  ACCUMULATION  WATER  HEATERS

Sergej  Denisov

doctor  of  Sc.,  Full  Professor,  head  of  the  Department  water  supply  and  sanitation,

South  Ural  state  University, 

Russia,  Chelyabinsk

Sergej  Maksimov

master  student, 
South  Ural  State  University

Russia,  Chelyabinsk

Gordeev  Ewgeny

master  student, 
South  Ural  State  University, 

Russia,  Chelyabinsk

АННОТАЦИЯ

Проведена  оценка  динамических  характеристик  для  электрических  водонагревателей  накопительного  типа  цилиндрической  поверхности.  В  расчетах  использовался  утеплитель  равной  толщины,  но  разного  состава  (прессованный  минеральный  утеплитель,  пенопласт,  пенополиуретан).  Определен  переходный  процесс  нагрева  объема  холодной  воды  в  баке  и  количество  электрической  энергии,  необходимой  как  для  нагрева  воды,  так  и  для  поддержания  температуры  в  заданном  диапазоне.  Приведен  анализ  динамических  характеристик  для  нагревателей  объемом  30,  50,  100  и  200  литров.

ABSTRACT

We  carry  out  a  dynamic  evaluation  for  the  electric  accumulation  water  heaters  that  have  a  cylindrical  surface.  In  calculations  we  use  an  insulant  of  constant  optical  thickness,  but  it  has  various  compositions  (extruded  mineral  insulant,  plastic  foam,  polyurethane  foam).  We  define  a  transient  of  heating  time  for  cold  water  in  a  tankage,  and  the  necessary  electrical  energy  to  heat  water  as  well  as  to  maintain  a  temperature  within  the  required  range.  We  show  an  analysis  of  a  dynamic  evaluation  for  heaters  that  have  volume  30,  50,  100  and  200  liters.

Ключевые  слова:  энергоэффективность;  электросбережение;  водонагреватель  накопительного  типа;  переходный  процесс;  динамические  характеристики;  анализ.

Keywords:  energy  performance;  energy-saving;  accumulation  water  heater;  transient  process;  dynamic  characteristic;  analysis.

В  последнее  время  все  острее  встает  вопрос  энергоэффективности  и  энергосбережения,  поскольку  данная  составляющая  в  доле  всех  расходов,  как  в  быту,  так  и  на  производстве  может  достигать  значительных  величин.  Рост  тарифов  на  энергоносители  заставляет  собственников  пересматривать  подходы  и  принципы  использования  данных  ресурсов.  Бережное  использование  позволяет  значительно  снизить  расходы,  переходить  на  использование  современного  и  прогрессивного  оборудования  и  в  целом  поднять  культуру  производства.  Применение  в  частности  водонагревателей  обосновано  не  только  использованием  горячей  воды  для  хозяйственно-бытовых  нужд  производственных  и  бытовых  помещений,  но  и  напрямую  может  использоваться  в  ходе  технологических  процессов  [1].

Использование  водонагревателей  электрического  типа  может  быть  обусловлено  необходимостью  высокой  степени  автоматизации  процесса  водоподготовки,  отсутствием  других,  более  дешевых,  источников  энергии,  относительно  небольшими  объемами  горячей  воды,  необходимой  для  потребителей.  В  этой  связи  остро  встает  вопрос  рационального  выбора  водогрейных  котлов,  как  по  виду,  так  и  по  другим  конструктивным  особенностям  [5].

В  быту  используются  водонагреватели  проточного  [3]  или  накопительного  типов  [7],  потребляемая  мощность  которых  ограничена  значениями  от  1,2  до  5  кВт  и  более.  Однако  большие  значения  проточных  водонагревателей  создают  высокую  нагрузку  на  электрическую  сеть  и  в  условиях  использования  старой  алюминиевой  проводки  в  жилых  домах  и  наличия  соединений  проводов  типа  «скрутка»  является  небезопасным  с  точки  зрения  пожарной  и  электробезопасности.  Поэтому  предпочтение,  как  правило,  отдается  котлам  накопительного  типа  с  потребляемой  мощностью  от  1,5  до  2,5  кВт  [4].

Для  оптимального  подбора  параметров  водонагревателя  и  автоматизации  процесса  регулирования  его  параметров  работы  необходимо  знать  передаточную  функцию,  т.  е.  динамические  характеристики.  Параметры  объема  водонагревателя,  толщины  и  состава  теплоизоляционного  слоя  являются  решающими  при  расчете  переходного  процесса.  В  работе  поставлена  задача  оценки  влияние  данных  параметров  на  динамические  характеристики  водонагревателей  и  как  следствие  обусловленных  ими  расходы  электроэнергии  в  процессе  эксплуатации.

Передаточную  функцию  водонагревателя  определяют,  как  правило,  экспериментально  по  его  кривой  разгона  [6],  что  не  дает  возможности  точного  расчета  и  подбора  еще  на  стадиях  проектирования  параметров  водогрейных  котлов.  Поэтому  теоретические  расчеты  динамических  характеристик  являются  актуальной  задачей.

Рассмотрим  цилиндрические  водонагреватели  [7],  используя  следующие  параметры:

а.   Размер  бака,  соответственно  его  диаметр  и  высота,  определяющие  площадь  корпуса  S  —  площадь  корпуса,  и  другие  массовые  и  объемные  характеристики;

Рисунок  1.  Параметры  водонагревателя

б.  Характеристики  теплоизоляции  водяного  бака  от  внешней  среды.  Для  упрощения  расчетов  зададимся  теплоизоляцией  одинаковой  толщины,  но  из  разных  материалов,  изменяя  соответственно  коэффициент  теплопроводности  K_p  (Вт/(м*К):

·     для  пластмассового  корпуса  —  0,1;

·     для  прессованного  минерального  утеплителя  —  0,07;

·     для  пенопласта  —  0,05  (125  кг/м3);

·     для  пенополиуретана  —  0,023  (32  кг/м3).

Остальные  коэффициенты  были  взяты  из  справочников.  Коэффициент  теплоотдачи  поверхности  нагретого  тела  воздуху  K_tо=30  Вт/(м·с).  Температуру  воды  в  нагревателе  стабилизируем  на  уровне  –  T₁  =60  °С,  при  отклонении  5  °С.  Теплоемкость  воды  —  c=4180  Дж/(кг·К).  Температура  окружающей  среды  —  T₂=20  °С.

Определим  переходный  процесс  нагрева  всего  объема  холодной  водой  в  баке  и  количество  электрической  энергии  необходимой  как  для  нагрева  воды,  так  и  для  поддержания  температуры  в  течение  дня.  Это  необходимо  для  анализа  возможного  режима  расхода  воды  и  влияния  эффективности  теплоизоляции.  Решение  подобной  задачи  выполняется  согласно  уравнению  Ньютона  [2]:

Pdt=K_to  K_p  (T₁−T₂)Sdt+cmdT₁                              (1)

где:  t  —  время; 

S  —  площадь  корпуса; 

m  —  масса  воды  и  бака.

В  левой  части  —  энергия,  передаваемая  нагревателю.  Первое  слагаемое  правой  части  отражает  рассеяние  энергии  в  окружающее  пространство,  второе  слагаемое  —  энергия  идущая  на  повышение  температуры  воды.

Преобразовав  уравнение  (1)  и  перейдя  к  операторной  форме  записи,  получим:

T₁=(P/S  −  K_to  K_p  (T₁−T₂)S/S)/(cm).           (2)

Согласно  уравнению  (2)  произведем  расчет  динамических  характеристик  в  программе  Vissim  соответственно  для  водонагревателей  емкостью  30,  50,  100  и  200  л.

На  представленных  графиках  (рисунок  2,  3,  4  и  5)  красным  цветом  показана  зависимость  для  пенополиуретановой  теплоизоляции,  зеленым  —  для  пенопласта,  синим  —  для  прессованного  минерального  утеплителя,  фиолетовым  —  для  пластмассового  корпуса  водонагревателя.

Рисунок  2.  Динамическая  характеристика  котла  объемом  200  л

Рисунок  3.  Динамическая  характеристика  котла  объемом  100  л

Динамическая  характеристика  для  любого  из  водонагревателей  включает  три  этапа:  первоначальный  нагрев  от  температуры  Т₂=20  ⁰С  до  температуры  Т₁=60  ⁰С,  с  последующим  отключением  нагрева,  далее  происходит  охлаждение  воды  до  температуры  срабатывания  терморегулятора  (55  ⁰С)  и  последующий  нагрев,  направленный  на  поддержание  заданной  температуры  (60  ⁰С).  После  чего  процесс  охлаждения  (до  55  ⁰С)  и  нагрева  (до  60  ⁰С)  циклически  повторяется.  В  работе  оценивались  следующие  параметры:  время  и  расход  электроэнергии  нагрева  от  20  до  60  градусов;  время  охлаждения,  количество  включений  за  сутки,  расход  электроэнергии  за  сутки  необходимый  для  поддержания  заданной  температуры  для  каждого  типа  изоляции.  Мощность  нагревателя  для  всех  устройств  максимально  возможная  была  в  расчетах  принята  2500  Вт.

Рисунок  4.  Динамическая  характеристика  котла  объемом  50  л

Рисунок  5.  Динамическая  характеристика  котла  объемом  30  л

Проанализируем  динамические  характеристики  для  нагревателя  объемом  30  л.  Время  нагрева  практически  не  зависит  от  характеристик  теплоизоляции  (около  50  мин),  но  при  этом  время  остывания  изменяется  значительно:  от  15  часов  при  наилучшей  теплоизоляции  и  снижается  до  3,3  часов  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции.  Расход  энергии  за  сутки  при  наилучшей  теплоизоляции  составил  2250  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  2000  Вт,  на  поддержание  температуры  250  Вт,  а  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции  3500  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  2000  Вт,  на  поддержание  температуры  1500  Вт.

Проанализируем  динамические  характеристики  для  нагревателя  объемом  50  л.  Время  нагрева  практически  не  зависит  от  характеристик  теплоизоляции  (около  75  мин),  но  при  этом  время  остывания  изменяется  значительно:  от  17  часов  при  наилучшей  теплоизоляции  и  снижается  до  3,8  часов  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции.  Расход  энергии  за  сутки  при  наилучшей  теплоизоляции  составил  3600  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  3100  Вт,  на  поддержание  температуры  500  Вт,  а  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции  5200  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  3100  Вт,  на  поддержание  температуры  2000  Вт.

Проанализируем  динамические  характеристики  для  нагревателя  объемом  100  л.  Время  нагрева  практически  не  зависит  от  характеристик  теплоизоляции  (около  150  мин),  но  при  этом  время  остывания  изменяется  значительно:  от  22  часов  при  наилучшей  теплоизоляции  и  снижается  до  5  часов  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции.  Расход  энергии  за  сутки  при  наилучшей  теплоизоляции  составил  6500  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  5800  Вт,  на  поддержание  температуры  700  Вт,  а  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции  8500  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  6000  Вт,  на  поддержание  температуры  3500  Вт.

Проанализируем  динамические  характеристики  для  нагревателя  объемом  200  л.  Время  нагрева  практически  не  зависит  от  характеристик  теплоизоляции  (около  5—5,5  ч),  но  при  этом  время  остывания  изменяется  значительно:  от  28  часов  при  наилучшей  теплоизоляции  и  снижается  до  11  часов  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции.  Расход  энергии  за  сутки  при  наилучшей  теплоизоляции  составил  14000  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  12000  Вт,  на  поддержание  температуры  1500  Вт,  а  при  максимальной  теплопроводности  теплоизоляции  16500  Вт,  из  них  на  первоначальный  нагрев  13000  Вт,  на  поддержание  температуры  3500  Вт.

Анализ  проведенных  расчетов  показывает,  что  периодичность  «опустошения»  (замещения  горячей  воды  холодной)  котла,  для  эффективного  его  использования,  должна  быть  приближена  к  времени  его  нагрева.  В  этой  связи  при  частом  и  незначительном  использовании  горячей  воды  целесообразно  применять  проточные  водонагреватели.  Это  позволит  существенно  сократить  энергопотребление.  Для  больших  накопительных  котлов,  которые  редко  используются,  рационально  иметь  наивысший  уровень  теплоизоляции,  а  при  возможности  усилить  его  дополнительно,  минимизируя  расходы  электроэнергии  на  поддержание  заданной  температуры  воды.  Для  котлов  малой  и  средней  емкости,  постоянно  работающих  в  цикле  «нагрев-расход-нагрев»  не  сильно  важен  уровень  теплоизоляции,  поскольку  время  нагрева  много  меньше  времени  рассеивания  тепла  при  охлаждении  воды.

Используемая  модель  позволяет  эффективно  рассчитать  еще  на  стадии  проектирования  водогрейное  оборудование  накопительного  типа  с  учетом  специфики  его  работы  и  минимизировать  расходы  на  его  изготовление  и  эксплуатацию.

Список  литературы:

1. Водонагреватели.  Виды  водонагревателей.  Малинина  Е.М.,  Корноухова  И.Е.  Вологдинские  чтения.  —  2009.  —  №  76.  —  С.  88—91.
2. Курс  физики:  учебное  пособие  для  вузов  /  Т.И.  Трофимова.  —  18-е  изд.,  стереотип.  —  М.:  Академия,  2010.  —  557  с.
3. Обзор  рынка  однофазных  напорных  водонагревателей  проточного  типа.  Милова  Л.  Сантехника,  отопление,  кондиционирование.  —  2012.  —  №  7  (127).  —  С.  38—43.
4. Обзор  энергоэффективных  водонагревающих  установок.  Макотрина  Л.В.,  Селех  Е.В.  Известия  вузов.  Инвестиции.  Строительство.  Недвижимость.  —  2012.  —  №  1  (2).  —  С.  61—69.
5. Современные  энергосберегающие  водонагреватели.  Лысаков  А.А.  В  сборнике:  Совершенствование  учебного  процесса  в  вузе  на  основе  информационных  и  коммуникационных  технологий  сборник  научных  трудов  по  материалам  74-й  Научно-практической  конференции  Ставропольского  государственного  аграрного  университета.  2010.  —  С.  116—120.
6. Экспериментальное  определение  передаточной  функции  электродного  водонагревателя  по  его  кривой  разгона.  Багаев  А.А.,  Калинин  Ц.И.,  Горшенин  В.Г.,  Булавцев  В.И.  Вестник  Алтайского  государственного  аграрного  университета.  —  2013.  —  №  5  (103).  —  С.  114—118.
7. Электрические  емкостные  настенные  водонагреватели.  Обзор  рынка.  Милова  Л.  Сантехника,  отопление,  кондиционирование.  —  2013.  —  №  5  (137).  —  С.  36—42.