Министерство сельского хозяйства ипродовольствия
Республики Беларусь
Белорусский Аграрный ТехническийУниверситет
Кафедра Электрооборудования с/хпредприятий
Автореферат
по дисциплине «Электротехнология»
на тему«Электрокалориферная установка дляотопительно-вентиляционной системы птичника для бройлеров»Выполнил: студент4 курса АЭФ
4эпт группы Федосеев А.А.Руководитель: Пашинский В.А
Минск – 2008
Введение
Микроклимат –это совокупность условий окружающей среды в некотором ограниченномпространстве, например в помещении или его части. Благоприятный микроклиматстимулирует жизнедеятельность и продуктивность животных и птицы, рост растенийв сооружения защищенного грунта, способствует сохранности сельскохозяйственнойпродукции в хранилищах.
Важнейшийпараметр микроклимата – температуру – поддерживают в помещениях с помощьюсистем отопления и вентиляции или кондиционирования воздуха.
Электротермическоеоборудование применяют в животноводческих, птицеводческих, подсобных ивспомогательных помещениях, сооружения защищенного грунта и хранилищахсельскохозяйственной продукции.
Создавоптимальный микроклимат, можно при одинаковом уровне кормления увеличитьприрост живой массы КРС на 20…25%, надой молока на 15…20%, сократить отходмолодняка на 10…15%, снизить потери продукции в хранилищах на 10…20%, получатьв течение года свежие овощи, а также продлить срок службы оборудования или помещений.
Пофункциональному назначению различают:
— оборудование общего отопления;
— местногообогрева;
— смешанное.
По способуиспользования электрической энергии:
— прямого (саккумуляцией теплоты и без нее) отопления;
— косвенного(с тепловыми насосами и теплообменниками) отопления.
В зависимостиот применяемого оборудования существуют следующие виды отопления:элетрокалориферное, электрокотельное, электропечное, элементное, лучистое икомбинированное.
Для общегоотопления в животноводческих помещениях, в основном, применяютэлектрокалориферные установки, электрокалориферы, электропечи,электрокотельные, электротепловые насосы и кондиционеры воздуха. Для местного –электрообогреваемые полы и панели, установки инфракрасного, напольного икомбинированного обогрева.
1 Расчетмощности электрокалориферной установки
Расчет ведемпо методике, описанной в пункте 3 [1].
Расчётныйтепловой поток для помещения молочно-товарной фермы определяем по формуле (1)[1] :
/> (1.1)
где qo – отопительная характеристика здания, Вт/(м3.°C), из исходных данных qo = 0.55Вт/(м3.°C);
V – внутренний объемпомещения, м3;
rв – плотность воздуха, rв = 1.29кг/м3 (пункт 3 [1]);
Cв – удельная теплоемкостьвоздуха, Cв = 1000 Дж/(кг.°С);
L – подача вентиляционноговоздуха, м3/с;
tв – температура воздухавнутри помещения, из исходных данных tв = +14°С;
tн – расчетная температуранаружного воздуха, из исходных данных tн = -8°С;
Фж – поток теплоты, выделяемый от животных, Вт.
Расчетныйобъем помещения определяем по формуле (2) [1]:
/> (1.2)
где V0 – удельный объемпомещения (на одну голову скота), из исходный данных V0 = 0,4м3/гол;
N – количество животных впомещении, из исходных данных N = 30000гол.
Подставляячисловые значения в формулу (1.2), получаем:
/>0,4*30000=12000, м3
Подачувентиляционного воздуха приближенно определяем по формуле (3) [1]:
/> (1.3)
где l – удельная подачавоздуха, для коров принимаем
l = 750м3/(кг.ч) (таблица 10.11 [3]);
m1 – средняя масса одногоживотного, из исходных данных
m1 = 1кг;
0.8 –Коэффициент учитывающий дополнительный приток воздуха за счёт инфильтрации.Подставляя числовые значения в формулу (1.3), получаем:
L=(0/8*0,75*10^3*1*30000)/3600=5м3/с,
Поток теплотыот животных определяем по формуле (4) [1]:
/> (1.4)
где Ф1 – явные тепловыделения одним животным, для коров принимаем Ф1 = 8,49Вт/гол (таблица 10.9 [3]).
Подставляярасчетные значения в формулу (1.4), получаем:
Фж=8,49*30000=254700Вт
Используяполученные данные, определяем расчётный тепловой поток по формуле (1.1):
Ф=(0,55*12000+1.29*1000*5)*(14+8)-254700=32400Вт
Установленнуюмощность электрокалориферной установки (ЭКУ) определяем по формуле (5) [1]:
/> (1.5)
где Кз – коэффициент запаса, в соответствиями с рекомендациямипункта 3 [1], принимаем Кз = 1,1;
h– коэффициент полезного действия (КПД) установки, принимаем h= 0,9.
Получаем:
Р=1,1*32400/0,9=39,6кВт
Затем, поустановленной мощности ЭКУ определяем единичную мощность установки Pэку, и их количество nэку. При выбореруководствуемся:
— соображениями надежности снабжения;
— равномерностью распределения подогретого воздуха;
— возможностью размещения установок в помещении.
Выбираем 4ЭКУ мощностью каждая по 9,9 кВт. Ближайшая большая мощность в размерном ряду –10 кВт.
Определяемколичество трубчатых нагревательных элементов (ТЭНов) в установке:
/>10/1.8=6 шт
Принимаем zэку = 6 шт. Число ТЭНовдолжно быть кратным 3 (количество фаз), кратным числу ступеней регулирования nсек = 2 (таблица 4 [1]).
Определяемколичество ТЭНов в фазе установки:
/>1 шт
Принимаем Zфв=1 ТЭН.
Действительнаямощность установки определяется по формуле (9):
/> (1.6)
Получаем:
Рэку.д=3*2*1*1.8=10,8кВт
Предельноеотклонение полученного значения действительной мощности ЭКУ Pэку.д. допускается в пределахот –10% до +10%. В нашем случае это условие выполняется:
/>
Суммарнаямощность всех калориферных установок определяется по формуле (8) [1]:
/> (1.7)
Имеем:
/>
/>
Расчет трубчатых электронагревателей.
Расчет ведемпо методике описанной в пункте 4 [1].
Исходныеданные к расчету:
- мощностьТЭНа: P1 = 1,8кВт;
- питающеенапряжение: U = 220 В;
- длинаактивной части ТЭНа: Lакт = 0.48м;
- формаТЭНа: прямая;
- условияэксплуатации: нагрев движущегося воздуха, теплопередача от ТЭНов осуществляетсяконвекцией, допустимая температура поверхности трубки tтрдля условий отопительно-вентиляционных систем сельскохозяйственных помещений180°С;
- диаметртрубки dтр.нар. = 13мм (таблица 5 [1]);
- площадьтеплоотдачи A1 = 0.27м2 (таблица 5 [1]);
Исходя изпредварительных расчетов, подбираем высоту окна калорифера для данного случая.Из таблицы 6 [1] выписываем основные размеры калорифера СФО-10/0,5Т-И1 изаносим их в таблицу 4.1.
Таблица 2.1 Основныеразмеры калорифера СФО-10/0,5Т.Тип калорифера Размеры, мм H H1 A B СФО-10/1Т-И1 140 220 184 185
ТЭНыразмещаем вертикально в шахматном порядке в 3 ряда. В каждом ряду размещаем 2ТЭНа. Проверим возможность размещения ТЭНов в данном калорифере.
Диаметроребренного ТЭНа — 40мм (в среднем), Расстояние между осями ТЭНов – 50 … 60мм.Следовательно: 50 * 2 = 100мм 2Проектирование ТЭНа
Выбираемсплав сопротивления для спирали и материал оболочки. Для спирали используемнихромовый сплав Х20Н80–Н, для оболочки ТЭНа используем углеродистую сталь.
Обосновываемрабочую температуру спирали tсп, исходя из условий:
1. tсп
где tдоп –максимальная допустимая температура для нихромового сплава Х20Н80–Н, из таблицы5.4 [2] tдоп = 1100°C
Получаем:0,6.tдоп= 0,6.1100 = 660°C. Принимаем tсп= 630°C.
2. обеспечения достаточного срока службы нагревателя;
3. обеспечения необходимой по технологическим условиямповерхности трубки.
Предварительноопределяем диаметр проволоки спирали d, в следующей последовательности:
1. Находим сопротивление спирали при рабочей температуре Rt, Ом:
/> (2.1)
где e — коэффициент,учитывающий уменьшение сопротивления ТЭНа при опрессовке, e = 0.77.
2. Рабочий ток определяем по формуле (11) [1]:
/> (2.2)
Имеем:
/>
3. Находим расчетную температуру спирали применительно кусловиям составления таблиц нагрузок:
/> (2.3)
где kм – коэффициент монтажа, принимаем kм = 0.85;
kс –коэффициент среды, принимаем kс = 1.3;
Подставляячисловые значения, получаем:
/>
4. По Iр = 6,3 А и tр = 696 °C по таблице нагрузок для выбранного сплава(таблица 5.5 [2]) находим d = 0,6 мм.
Затем,определяем геометрические параметры ТЭНа, руководствуясь рекомендуемымисоотношениями (5.57) [2]:
/> (2.4)
/> (2.5)
где h– шаг спирали, мм;
dсп.нар. –наружный диаметр спирали, мм;
dтр.вн. –внутренний диаметр трубки. Толщина оболочки приближенно равна 0.1.dтр.нар.,следовательно:
/> (2.6)
Получаем:
/> /> />
Пользуясьсоотношениями (2.4) и (2.5), получаем:
Определяемнеобходимую длину проволоки спирали по формуле (4.59) [2]:
/> (2.7)
где r20 – сопротивление нихромапри 20°С, r20 = 1.1.10-6Ом.м (таблица5.4 [2]);
a – температурный коэффициент сопротивлениянихрома, a = 16.8.10-6°С-1 (таблица5.4 [2]);
Витоге имеем:
/>
Числовитков спирали определяем по формуле (15) [1]:
/> (2.8)
где dсп – средний диаметр витка спирали, для данногослучая принимаем dсп = dсп.нар. -d= 8,3-0,6=0,005м.
Получаем:
/>
Активнуюдлину ТЭНа определяем по формуле (16) [1]:
/> ТЭНа 2.9)
Окончательнополучаем:
/>
ВеличинаLакт должна быть равной 0.48м. Допустимое отклонение – не более 3%.
Проверяем:
/>
Таккак допустимое отклонение 0,8% Проверочный тепловой расчет ТЭНа.
Задача этогорасчета состоит в определении температуры поверхности оболочки tтр спроектированного ТЭНа итемпературы спирали tсп.
Температуратрубки ТЭНа определяется по формуле (19) [1]:
/> (2.10)
где P –мощность ТЭНа, P =1,8 кВт;
tв – средняя температуравоздуха в калорифере, °С;
a– коэффициент теплоотдачи от ТЭНа к воздуху, Вт/(м2.°С).
Средняятемпература воздуха в калорифере определяется по следующей формуле:
/> (2.11)
где t1 – температурапоступающего (холодного воздуха), из условия задания t1 = -8 °С;
t2 – температура выходящего(нагретого) воздуха, определяется по формуле (17) [1]:
/> (2.12)
где L – стандартная подача ЭКУ
Имеем:
/>
Подставляячисловые значения в формулу (2.11), определяем среднюю температуру воздуха вкалорифере:
/>
Коэффициенттеплоотдачи от ТЭНа к воздуху a определяем по номограмме 3 [1] при следующихпараметрах:
- шагоребрения: Sр = 3.5.10-3м [1];
- высотаоребрения: hр = 14.10-3м[1];
- отношение: hр/Sр = 14/3.5 = 4.0;
- отношение:dтр.нар./Sр = 13/3.5 = 3.7;
Скоростьвоздуха в калорифере определяется по формуле (21) [1]:
/> (2.13)
где f – площадь поперечногосечения канала калорифера в месте наиболее заполненном нагревателями,определяется по формуле (22) [1]:
/> (2.14)
где H – высота канала (окна), H = 140мм;
zр – число ТЭНов в одномвертикальном ряду, zр = 2.
В итоге,имеем:
/>
По формуле(2.13) определяем скорость движения воздуха в калорифере:
/>
Окончательно,определяем a = 45Вт/(м2.°С).
Подставляярассчитанные значения определяем температуру трубки tтр:
/>
Полученнаятемпература трубки удовлетворяет следующие условия:
1. tтр = 155,7 °С не превышает допустимуютемпературу для выбранного материала (углеродистая сталь): 155,7°С
2. tтр = 155,7 °С соответствуеттехнологическим требованиям на нагрев, т.е. не превышает 180°С: 155,7°С
Температуруспирали определяем по формуле (23) [1]:
/> (2.15)
где lн – теплопроводность наполнителя (для периклаза lн = 1Вт/(м.°С));
/> (2.16)
Kсп – коэффициент,учитывающий различие условий теплообмена на модели и в реальном нагревателе,определяется по формуле (24):
Подставляяранее рассчитанные значения, получаем:
/>
Окончательноимеем:
/>
Рассчитаннаятемпература спирали удовлетворяет условию пункта 4[1] и не превышает допустимуюдля материала проволоки: 335,1°СВыбор электродвигателя для привода вентилятора.
Согласноуказаниям пункта 5 [1] подбираем электродвигатель для вентилятора. Необходимаяподача воздуха вентилятором ЭКУ с учетом потерь и подсосов воздуха ввоздуховодах определяем по формуле (25) [1]:
/> (3.1)
где k – коэффициент,учитывающий потери и подсос воздуха в воздуховодах. Для стальных воздуховодовдлиной до 50м принимаем k = 1.1.
Подставляячисловые значения, получаем:
/>
В ЭКУ типаСФОЦ используют центробежные вентиляторы, способные развивать высокое давлениепри достаточно большой подаче. По номограмме пункта 8.7 [3] по расчетномунапору вентилятора DP = 350Па (из задания на проектирования) и необходимой подачевоздуха L= 871,2 м3/ч выбираем центробежный вентилятор типа ВЦ 4-75марки Е3.15.105-1.
Мощностьэлектродвигателя для привода вентилятора определим по формуле (26) [1]:
/> (3.2)
где kз – коэффицент запаса,принимаем kз = 1,4;
hп – КПД передачи hп = 1;
hв – КПД вентилятора,принимаем hв = 0.9;
В итогеимеем:
/>
По таблице8.16 [3] определяем двигатель, которым комплектуется вентилятор. Двигательасинхронный короткозамкнутый серии 4АА63В4.
Данные покомплектации вентиляционного агрегата сводим в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 Комплектностьвентиляционного агрегата с вентилятором ВЦ 4-75.Обозна-чение Вентилятор ВЦ 4-75 Электродвигатель Номер Диаметр колеса, % номинального Частота вращения, мин-1 Тип Мощность, кВт Частота вращения, мин-1 Мас-са, кг. Е3.15.105-1 3,15 105 1365 4АА63В4 0,37 1365 38,1
Выбор ипроверочный расчет серийной ЭКУ.Выборсерийной ЭКУ.
Задача выборасерийной ЭКУ состоит в определении типоразмера установки и их числа. Выборпроизводим по трем основным параметрам:
1. Тепловой мощности P, кВт;
2. Подаче воздухавентилятора L,м3/ч;
3. Давлению вентилятора DP, Па.
Для нашегослучая выбираем установку типа СФОЦ10/0,5-И1. Технические данные даннойустановки заносим в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 Техническиеданные установки СФОЦ10/0.5-И1. Установленная мощность, кВт В том числе электрокалорифера, кВт Подача воздуха, м3/ч Напор вентилятора, Па Число секций электрокалорифера, шт Число ТЭНов, шт Мощность секции, кВт 10 9,6 800 350 2 6 4,8 Температура выходящего воздуха, не более, °С Напряжение сети, В Частота тока, Гц Число фаз, шт Схема соединения 50 380/220 50 3 Y /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> Проверочныйрасчет.
Задачапроверочного расчета состоит в определении температуры воздуха на выходе изкалорифера, которая не должна превышать 50°С и температурыповерхности ТЭНов, допустимое значение которой 180°С
Необходимостьв проверочном расчете возникает в том случае, если условия работы ЭКУотличаются от тех, которые указаны в паспорте.
Определяемтемпературу воздуха на выходе из калорифера по формуле (27) [1]:
/>
/> (4.1)
Получаем:
Среднюютемпературу внутри калорифера определим по формуле (2.11):
/>
Так какгеометрические размеры ЭКУ в предварительном расчете мы брали аналогичнымиразмерам СФОЦ10/0,5-И1, то коэффициент теплоотдачи от поверхности ТЭНа квоздуху будет таким же как и в предыдущем расчете: a = 45Вт/(м2.С°).
По формуле(2.10) определяем температуру трубки, приняв А1 = 0.27м2:
/>
Ксп будет аналогичным предыдущему расчету: Ксп = 0,93
Поформуле (4.15) определяем температуру спирали:
/>
Врезультате проверочного расчета определили, что температура воздуха на выходеиз калорифера не превышает 50°С,температура поверхности трубки не превышает 180°С, атемпература спирали на превышает допустимого значения температуры для нихрома.
Разработкапринципиальной электрической схемы силовых цепей ЭКУ, выбор коммутационной изащитной аппаратуры.
Согласнопункту 7 [1] в данном проекте требуется разработать магистрали, питающей ЭКУ, атакже защиту электрокалорифера от токов короткого замыкания и двигателявентилятора от токов короткого замыкания и перегрузки, а также осуществитьвыбор коммутационной аппаратуры.
Защиту отаварийных режимов электрокалорифера (ТЭНов) будем осуществлять с помощью предохранителей.Защита электродвигателя и питающей магистрали будет осуществляться с помощьюавтоматического выключателя. В качестве коммутационной аппаратуры используемэлектромагнитные пускатели.
Выбораппаратуры, вставок предохранителя и уставок автоматического выключателяпроизводиться по расчетным токам, которые определяются следующим образом:
- длялинии электрокалорифера:
-
/> /> (1)
- длялинии электродвигателя:
/> /> (2)
- длямагистрали, питающей ЭКУ:
/>/>/> (3)
Подставляячисловые значения в формулы (1), (2), (3) определяем токи:
/>
Определиммаксимальный (пусковой) ток двигателя по следующей формуле:
/> (4)
где Kп – коэффициенткратности пуска, примем Kп = 5.
/> Выборпредохранителей.
Выборпроизводится по трем условиям:
1. По номинальномунапряжению предохранителя.
2. По номинальному токупредохранителя.
3. По номинальному токуплавкой вставки.
Для защитыТЭНов, установленных в ЭКУ выбираем предохранитель типа ПР-2, осуществляемпроверку:
Uн: 380В
Iн: 6.7А
Iн.вст.: 6.7A Выборавтоматических выключателей.
Выборпроизводится по пяти условиям:
1. По номинальномунапряжению автомата.
2. По номинальному токуавтомата.
3. По номинальному токурасцепителя.
4. По току срабатыванияэлектромагнитного расцепителя.
5. По току срабатываниятеплового расцепителя.
Для защитыэлектродвигателя выбираем автоматический выключатель серии АЕ2023 сэлектромагнитным расцепителем. Номинальный ток автомата Iн= 16А, Iн.расц. = 2.0А Осуществляем проверку:
Uн: 380В
Iн: 1.4А
Iн.расц.: 1.4A
Iср.э/м: 7.0A
Аналогичнымобразом осуществляем выбор автоматического выключателя для защиты линии.
Выбираемавтоматический выключатель серии АЕ2056М с электромагнитным расцепителем.Параметры автомата: Iн = 100А, Iн.расц. = 80А.Выборэлектромагнитных пускателей.
Выборэлектромагнитных пускателей осуществляется по следующим условиям:
1. По номинальномунапряжению пускателя.
2. По номинальному токупускателя.
Длядистанционного управления фазными группами ТЭНов используем электромагнитныепускатели серии ПМЛ-112002 с Iн = 63А. Осуществляемпроверку:
Uн: 380В
Iн: 6.7А
Разработкасхемы управления и автоматизации.
Cистема управления иавтоматизации ЭКУ должна обеспечить:
1. Защитуэлектрооборудования от аварийных режимов работы, в том числе ТЭНов отперегрева;
2. Регулированиетепловой мощности для поддержания температуры воздуха в отапливаемом помещениина заданном уровне. В нашем случае (по условию задания) требуется обеспечитьступенчатое регулирование мощности ЭКУ;
3. Регулированиетемпературы выходящего воздуха;
4. Световуюсигнализацию о включении электрокалорифера и возможных аварийных режимах;
5. Возможностьручного и автоматического управления.
Дляобеспечения вышеперечисленных условий воспользуемся уже разработанной типовойсхемой управления ЭКУ типа СФОЦ исп.1. Схемное решение этого исполненияобеспечивают управление ЭКУ СФОЦ-10/0.5Т в ручном и автоматическом режимеработы, обеспечивает ступенчатое регулирование мощности, а, следовательно, итемпературы воздуха путем изменения числа включенных ТЭНов электрокалорифера(100, 50% от номинальной мощности). Данная схема также обеспечиваетрегулирование температуры воздуха на выходе в зависимости от температуры внутриотапливаемого помещения.
Рассмотримпринципиальную электрическую схему.
Установкатипа СФОЦ исп.1 предусматривает ручной «Р» и автоматический «А» режим работы(переключатель SA1), ступенчатое включение мощности (SA2), двухпозиционноерегулирование температуры регулятором температуры SK1 и SK2, защиту ТЭНов отперегрева (терморегулятор SK3), защита электрокалорифера от включения принеработающем вентиляторе (блок-контакт QF2 в цепи управления).Вручном режиме работы секции электрокалорифера выключателем SA2. В автоматическомрежиме секции Iи II управляются регуляторамитемпературы SK1 и SK2.
Рассмотримработу схемы:
ПереключательSA1 ставим в положение «А»,SA2 – в положение 0 или1/2, в других положениях автоматический режим не работает. Устанавливаем на SK1 — 12°С, на SK2 — 16°С. Температура впомещении ниже заданной. Включаем автомат QF1 – загорается лампа HL1. Включаем QF2, запускаетсяэлектродвигатель вентилятора, напряжение подается на катушки пускателей КМ1,КМ2. Пускатели замыкают свои контакты в силовой цепи и включают секцииэлектрокалорифера ЕК. При температуре воздуха 12°С размыкается контакт SK1 и отключается секция I, при 16°С размыкается SK2 и отключается секция II. При понижениитемпературы SK2, SK1 замыкают свои контакты и включают секции калорифера.
Притемпературе оребрения ТЭНов 180°С терморегулятор SK3 выключаетэлектрокалорифер.
Определениеэксплуатационных показателей.
Мощность,потребляемая электродвигателем вентилятора определяется по формуле :
/>
где Pдв.уст. – установленная мощностьэлектродвигателя, кВт;
Kз – коэффициент загрузкидвигателя, Kз = 0,6.
Получаем:
Далееопределяем суммарную мощность, потребляемую ЭКУ, по формуле:
/>
где Pэк.уст. – установленная мощностькалорифера, Pэк.уст. = 10,8 кВт.
В итогеимеем:
/>
Удельныйрасход электроэнергии за сезон эксплуатации ЭКУ, кВт.ч/(гол.год), рассчитываем по формуле:
/>
где tот – продолжительностьотопительного периода, для птичников для кур tот = 102 суток/год;
zэку – количество ЭКУ в помещении,шт;
N – количество голов впомещении.
Получаем:
/>
Энергетическаясоставляющая годовых эксплуатационных затрат, руб/(гол.год):
/>
где c – тариф наэлектроэнергию, руб/(кВт.час), c = 62руб/кВт.
Подставляячисловые значения, имеем:/>
Аннотация
Курсовая работа представлена расчетно-пояснительной запиской на19 страницах машинописного текста, содержащей 5 таблиц и графической частью,включающей 4 листа формата А3.
В работе выполнены расчеты мощности калориферной установки,трубчатых электронагревателей, выбор электродвигателя для привода вентилятора,выбор и проверочный расчет серийной калориферной установки. Записка такжесодержит разработку принципиальной электрической схемы силовых цепей и выборкоммутационной и защитной аппаратуры. В процессе выполнения курсового проектабыла разработана схема управления и автоматизации и определены эксплуатационныепоказатели.
Графическая часть работы выполняется на листах формата А3 ивключает в себя:
1. Конструктивные разработки (конструкции ТЭНа, электрокалорифера,электрокалориферной установки).
2. Схемные разработки (принципиальная электрическая схема).
Курсовойпроект оформлен на текстовом редакторе MS Word XP, для расчетов былаиспользована система электронных таблиц MS Excel XP