Классификация электрических котлов резистивного нагрева автономных водяных систем теплоснабжения

Введение. Электрические котлы рассматриваются как важный элемент энергетического перехода от использования углеводородного топлива к возобновляемой энергии. Электрический котел — одно из популярных решений технологии Power-to-Heat, широко применяется в домохозяйствах для отопления водяными системами с радиаторами и низкотемпературными приборами отопления типа «теплый пол». Анализируется вариант джоулевого нагрева теплоносителя систем отопления, посредством которого при прохождении электрического тока по токопроводящему элементу выделяется тепло.

Материалы и методы. Объект исследования — варианты конструкций теплообменников генерации тепловой энергии с помощью резисторных нагревательных элементов нормального проводникового и полупроводникового типа. Рассмотрены различные варианты косвенного нагрева теплоносителя и контактов поверхности нагревательных элементов с теплоносителем. Использованы методы сравнительного анализа и балльной оценки применимости различных конструкций.

Результаты. Представлена классификация электрических котлов по типам нагревательных резисторов, контакту, размещению нагревательных элементов в теплообменнике, форме теплообменника, варианту контакта нагревательного элемента с теплоносителем. Дан сравнительный комплексный анализ вариантов электрических тепловых генераторов.

Выводы. Результаты сравнительного анализа вариантов конструкции электрических котлов показывают перспективность использования в качестве нагревательных элементов полупроводниковых термисторов. По конструкции исполнения камеры генерации тепловой энергии с точки зрения компактности, удельной мощности и снижения условий выпадения осадков солей жесткости теплоносителя наиболее эффективными являются канальные пластинчатые электрические теплообменники.

1. Bloess A., Schill W.P., Zerrahn A. Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials // Applied Energy. 2018. Vol. 212. Pp. 1611–1626. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.12.073

2. Pieper C. Transformation of the German energy system — Towards photovoltaic and wind power Technology Readiness Levels 2018 : PhD Dissertation. Technische Universität Dresden, 2018. 264 p.

3. Стертюков К.Г., Стародубцева О.А. Проблемы внедрения новых технологий и технических средств с целью увеличения КПД в энергетической отрасли // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2018. № 25. C. 58–73. EDN UOAKVZ.

4. Яшин Д.Г., Псарев С.А. Анализ аварий на газотранспортной системе России // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2018. № 9.

5. Терёшкин А.А. Анализ аварийности на сетях газораспределения // Вестник магистратуры. 2021. № 5–6 (116). С. 63–65. EDN JURZHC.

6. Данилова А.С. Анализ аварийности сетей тепло- и газоснабжения // Вестник магистратуры. 2021. № 1–5 (112). С. 27–31. EDN QQGWFA.

7. Соколов Ю.И. Системный кризис жилищно-коммунального хозяйства России // Проблемы анализа риска. 2020. Т. 17. № 5. С. 10–25. DOI: 10.32686/1812-5220-2020-17-5-10-25. EDN EZIUIH.

8. Nidek A.J. Heating Elements. URL: https://farnam-custom.com/heating-elements?locale=en

9. Taileb A. A comparative study of a direct current heating system and a gas furnace heating coil // WEENTECH Proceedings in Energy. 2019. Pp. 185–194. DOI: 10.32438/WPE.3019

10. Hegazy A.A., Diab M.R. Performance of an improved design for storage-type domestic electrical water-heaters // Applied Energy. 2002. Vol. 71. Issue 4. Pp. 287–306. DOI: 10.1016/S0306-2619(02)00006-5

11. Lee S., Jang D., Chung Y.S., Lee S. Cost-effective and highly efficient surface heating elements using high thermal conductive carbon fibers // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020. Vol. 137. P. 105992. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105992

12. Пшеничников В. Коммерческие водонагреватели на предприятиях // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2011. № 6 (114). С. 40–43. EDN RHVZSV.

13. Горкин А.П. Энциклопедия «Техника». М. : Rosmen, 2006. 488 с.

14. Белавин Ю.А., Евстигнеев М.А., Чернявский А.Н. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. М. : Энергоатомиздат, 1989. 157 с.

15. Торопов А.Л. Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 6. С. 927–934. DOI: 10.22227/19970935.2023.6.927-934

16. Торопов А.Л. Использование электрических котлов с иерархическим управлением нагрузкой для поквартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 11. С. 1488–1498. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.11.1488-1498

17. Maruf N.I., Morales-Espana G., Sijm J., Helisto N., Kiviluoma J. Classification, potential role, and modeling of power-to-heat and thermal energy storage in energy systems: A review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 53. P. 102553. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102553

18. Пилипенко А.И. Промышленные электронагреватели // Промышленный электрообогрев и электроотопление. 2012. № 1. С. 28–34. EDN YWDUPQ.

19. Заяц А.Е., Корко В.С., Кустова Р.И. Электрические элементные нагреватели : учебное пособие. Минск : БГАТУ, 2011. 180 с.

20. Вадова Л.Ю. Способы и средства повышения эффективности работы трансформаторного нагревателя // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2022. № 8. С. 51–55.

21. Балашов С.М., Балашов С.С., Фролов А.А., Балашов М.С. Совершенствование трубчатых электронагревателей // Теплоэнергетика. 2005. № 2. С. 53–56. EDN HSCYPN.

22. Musat R., Helerea E. Characteristics of the PTC heater used in automotive HVAC systems // IFIP Advances in Information and Communication Technology. 2010. Pp. 461–468. DOI: 10.1007/978-3-642-11628-5_51

23. Chen Q.F., Yuan Z.X., Guo Z.Q., Zhao Y. Practical performance of a small PTC solar heating system in winter // Solar Energy. 2019. Vol. 179. Pp. 119–127. DOI: 10.1016/j.solener.2018.12.061

24. Колца Л.Н., Елистратова Ю.В., Семиненко А.С. Влияние отложений солей жесткости на теплоотдачу отопительных приборов // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 7–2. С. 58–59. EDN SALRRV.

25. Гоненко Т.В., Хацевский В.Ф. Исследование процесса накипеобразования при электронагреве жидкостей // Система управления экологической безопасностью : сб. тр. XIV Междунар. науч.-практ. конф. 2020. С. 242–248.

26. Жигулина И.С., Алифанова А.И. Особенности применения электрического отопления // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8–1. С. 41–42. EDN QYYPOV.

27. Аллох М.Ю., Маликов С.А. Сравнение эффективности теплового насоса и электрического котла для теплоснабжения коттеджа // Х Междунар. студ. науч. конф. Студенческий научный форум. 2018. URL: https://scienceforum.ru/2018/article/2018007141