Особливості проектування індукційного водонагрівача

Abstract

Розглянуто принцип дії, конструкцію та особливості процесу проектування електронагрівача рідини індукційного типу, що відрізняється від існуючих пристроїв аналогічного призначення високими рівнями надійності та захисту від ураження електричним струмом, добрими техніко-економічними показниками. Метою дослідження обрано розроблення методики проектування індукційного водонагрівача оригінальної конструкції та перевірка достовірності цієї методики. Методи дослідження, які застосовуються для досягнення поставленої мети, поєднують переваги аналітичних підходів та числового симуляційного моделювання. Так, проектний розрахунок та аналіз технічних показників здійснено на підставі класичної електротехніки та теорії електричних машин змінного струму, а уточнення проектних рішень, пов’язаних із перебігом електромагнітних процесів – за методом скінченних елементів. Розроблений алгоритм проектування містить етап синтезу конструкції та математичну модель для розрахунку динамічних електромагнітних процесів у нагрівачі. Вона враховує двовимірний просторовий розподіл магнітного поля, насичення магнітопроводу та втрати від вихрових струмів у ньому, ефект витіснення струму в нагрівальному елементі. Ця модель ґрунтується на рівняннях Максвела у квазістаціонарному наближенні, а також містить низку співвідношень, що пов’язують між собою колові (інтегральні) та польові (розподілені) показники. Її можна віднести до класу колопольових або комбінованих моделей. Стаття містить опис конструкції та приклад розрахунку індукційного водонагрівача потужністю 4,8 кВт, коефіцієнт віддачі якого перевищує 95%. Порівняно результати розрахунку номінальних показників цього нагрівача, отримані з використанням аналітичних методів та FEM-аналізу. Проведенні дослідження дають право стверджувати, що застосування пропонованої методики проектування гарантує відповідність проекту вимогам технічного завдання й не потребуватиме виконання дороговартісних етапів виготовлення фізичних макетів та проведення їх експериментальних випробувань.

The principle of action is being considered, design and features of the design process of the electric heater of the induction type fluid, which differs from the existing devices of similar purpose with high levels of reliability and protection against electric shock, good technical and economic indicators are considered. The research methodology has developed a technique for designing an induction water heater of the original design and to check the accuracy of these methods. The research methods used to achieve this goal combine the advantages of analytical approaches and numerical simulation. Therefore, the design calculation and analysis of technical indicators are based on classical electrical engineering and theory of electric machines AC, and the refinement of design decisions related to the course of electromagnetic processes - using the finite element method. The design algorithm developed includes a design synthesis step and a mathematical model for the calculation of dynamic electromagnetic processes in a heater. It takes into account the twodimensional spatial distribution of the magnetic field, the saturation of the magnetic circuit and the loss from eddy currents in it, the effect of displacement of current in the heating element. This model is based on the Maxwell equations in a quasi-stationary approximation, and also contains a series of correlations that relate circular (integral) and field (distributed) indices. It can be attributed to the class of circle-field or combined models. The article describes the design and an example of calculating an induction water heater with a power of 4.8 kW, the efficiency of which exceeds 95 %. The results of the calculation of the nominal values of this heater obtained using analytical methods and FEM analysis are compared. The conducted researches give the right to state that the application of the proposed design methodology guarantees the compliance of the project with the requirements of the technical specification and will not require the implementation of costly stages of the manufacture of physical models and their experimental testing.