МИНИСТЕРСТВОСЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ
ФГОУ ВПО
ЧЕЛЯБИНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет Электрификации и автоматизации сельскогохозяйства и производства
Кафедра Применение электрической энергии в сельском хозяйстве
ЭЛЕМЕНТНЫЙ НЕПРОТОЧНЫЙВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ АККУМУЛЯЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯКУРСОВАЯРАБОТА
Пояснительнаязаписка
ПЭСХ. ЭНВА. 00.000 ПЗ
Студент Харрасов Д.М..
Группа 402
Нормоконтролёр
к.т.н., доцент Файн В.Б.
Руководитель
доцент, к.т.н. Файн В.Б.
2007
Введение
Общий подъемсельскохозяйственного производства неразрывно связан с развитием еготеплофикации. Около 20% всей тепловой энергии, потребляемой народным хозяйствомстраны, расходуется на нужды сельского хозяйства. Во всех возрастающихколичествах потребляется она на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжениепроизводственных, жилых и общественных зданий, создание искусственногомикроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях, сооруженияхзащищенного грунта, производство кормов для животных и птицы, сушкусельскохозяйственных продуктов, получение искусственного холода и на многиедругие цели. Поэтому непрерывное совершенствование теплотехническогооборудования систем теплоснабжения и теплоиспользования оказывает большоевлияние на дальнейшее развитие всех отраслей сельского хозяйства, перевод егопромышленную основу. Основные производственные потребители теплоты в сельскомхозяйстве – это животноводство и защищенный грунт.
Создание и поддержаниеоптимального микроклимата в животноводческих помещениях, комплексов и ферм, наптицефабриках – один из определяющих факторов в обеспечении здоровья животных,птиц, их воспроизводительной способности и получения от них максимума продукциипри высокой рентабельности производства. Это имеет также важное значение дляпродления срока службы конструкций зданий, улучшение эксплуатациитехнологического оборудования и условий труда обслуживающего персонала.
1.Определение требуемых параметров ЭТУ
Основными параметрами элементногонепроточного водонагревателя, которые необходимо знать для его выбора или проектирования,являются вместимость V, л,и расчетная мощность Рр, Вт.
Согласно таблицепринимаем удельные (325 голов) суточные нормы расхода нагретой воды на каждуюоперацию, осуществляемую в помещении.
Таблица 1 — Основныенормы расхода нагретой воды на животноводческих фермах.Операция, для которой нужна нагретая вода
Температура воды Тсi, оС Расход воды в кг., по часам Суточная норма, кг. 4-5 5…6 19…20 20…21 Обмывка вымени перед дойкой 32…38 195 146,25 341,25 Мытьё подойной посуды 50…65 227,5 227,5 455
Обычно электроводонагревательвыдает горячую воду с температурой Т2=90°С, а воду с температурой Тс,нужной для выполнения той или иной операции, получают, смешивая в нужной пропорциигорячую и холодную воду. Массу горячей воды, необходимой для i-ой операции находят по формуле
/>
где Т1 –температура холодной воды, °С
Mi – масса нагретой воды, расходуемойна эту операцию для всего поголовья животных за сутки
/>
Для обмывки вымени перед дойкой Mi= 341,25кг
/>
Для мытья подойной посуды Mi=455 кг
Для обмывки вымени перед дойкой:
/>
Для мытья подойной посуды:
/>
Масса горячей воды, необходимой для выполнения всех операций в помещенииза сутки:/>
где m – количество операций
/>
Полезный тепловой поток водонагревателя.
Для водонагревателя выбираемполностью аккумуляционный режим. Тогда М=Мг,
Время нагрева первогопериода tн можно принять 9 ч.
/>
где с – удельная теплоемкостьводы; с=4190 Дж/кг×°С;
М – масса воды,нагреваемой в водонагревателе, кг;
tн – время, за которое водонагреватель должен нагревать водумассой М, с.
Расчетная мощность электроводонагревателя:
/>
где Кз –коэффициент запаса, учитывающий необходимость увеличения мощности из–за старениянагревателей, возможности снижения питающего напряжения, увеличения тепловых потерьв процессе эксплуатации (Кз=1,1…1,2);
hт – тепловой КПД водонагревателя hт=0,92…0,97.
Расчетная вместимость бака водонагревателя
/>
2.Выбор стандартной ЭТУ
По рассчитанным значениямРр и V выбирают один или несколько элементныхводонагревателей типа САОС соответствующего типоразмера.
Выбираем 1 водонагревательСАОС – 400.
Технические данные водонагревателяСАОС – 400.
Таблица 1 Мощность, кВт 12 Вместимость резервуара, л 400 Максимальная температура воды в конце нагрева, °С 90 Время нагрева воды на 80°С, ч 3,3
3.Разработка нестандартной ЭТУ
В этом разделе разрабатываютэлементный аккумуляционный водонагреватель, который обеспечил бы требуемые конкретныезначения расчетной мощности Рр и вместимости V, определенные ранее.
Конструкцию нестандартноговодонагревателя принимают такой же, как и в серийном водонагревателе САОС.
Высоту Н и диаметр D бака водонагревателя следует определить из соотношения
/>
приняв Н=2,5×D
(здесь V- вместимость водонагревателя, м3).
/>
/>
Мощность одного ТЭНа
/>
Конструктивный расчет ТЭНа.
Целью конструктивного расчетаТЭНа является определение диаметра проволоки d, потребной длины проволоки для изготовления спирали ТЭНа lпотр, среднего диаметра витка спирали dс, расстояния между витками спирали h, активного числа витков nа, полной длины трубки ТЭНа L.
Значение удельной поверхностноймощности на проволоке спирали Р¢А следует принять равным 38×104 Вт/м2, а значениеудельной поверхностной мощности на трубке ТЭНа Р²А=11×104 Вт/м2. (по данным завода“Миассэлектроаппарат”).
1. Диаметр проволоки
/>
/>
где r — удельное электрическое сопротивлениематериала проволоки при рабочей температуре, Ом×м. (ρ=1.15·10-6)
2. Электрическоесопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре
/>
3. Электрическоесопротивление спирали ТЭНа при температуре 20°С
/>
где Кт –поправочный коэффициент, учитывающий изменение электрического сопротивления материалав зависимости от температуры. Кт= 1,029- (по таблице 8)
4. Электрическоесопротивление спирали до опрессовки ТЭНа
/>
где аr – коэффициент, учитывающий изменениесопротивления проволоки в результате опрессовки (ориентировочно можно принять равным1,3), значение аrподлежитуточнению после изготовления пробного образца ТЭНа.
5. Длина проволокив рабочей части ТЭНа
/>
6. Предусматриваетсянавивка проволочной спирали на стержень диаметром
/>
7. Средний диаметрвитка спирали
/>
8. Длина одного виткаспирали до опрессовки
/>
где 1,07 – коэффициент,учитывающий увеличение » на7% среднего диаметра витка проволоки (ввиду ее пружинности) при навивке на стержень.
9. Активное числовитков
/>
10. Длина активнойчасти трубки ТЭНа после опрессовки
/>
11. Длина активнойчасти трубки оболочки ТЭНа до опрессовки
/>
где g=1,15 – коэффициент удлинения трубки врезультате опрессовки методом обсадки.
12. Расстояние междувитками спирали
/>
13. Потребная длинапроволоки для изготовления спирали ТЭНа с учетом необходимой навивки на концы контактныхстержней из расчета 20 витков спирали на конец стержня
/>
14. Полная длинатрубки ТЭНа
/>
где Lп – длина пассивного конца трубки. Можно принять равным0,05 м.
После конструктивного расчетапроверяется возможность размещения нужного количества разработанных ТЭНов в корпусеводонагревателя (при этом учитывается, что ТЭНы имеют U – образную форму). Затем выполняется проверочный расчет.
3.1 Проверочныйтепловой расчёт расчет ТЭНа
Целью проверочного расчета является определениетемпературы спирали и сравнение ее с максимально допустимой рабочей температуройматериала спирали.
Значение Тпов.обпринимается равным 105°С,значение плотности периклаза после опрессовки принимается согласно исходных данных.
1. Мощность ТЭНана первом этапе расчета принимается равной Р1=2600 Вт.
2. Термическое сопротивлениетрубки оболочки ТЭНа
/>°С
где λст= 45 Вт/мּºС- теплопроводность стали
dоб.вн – внутренний диаметр трубки оболочкиТЭНа, м
/>
3. Термическое сопротивлениенаполнителя (периклаза)
/>
где lн – теплопроводность н наполнителя (периклаза), Вт/м×°С;
Кс – коэффициент,учитывающий различия условий теплообмена в реальной конструкции нагревателя и вэквивалентной составной трубе;
dс.нар – наружный диаметр спирали, м
/>мм
Коэффициент Кс определяетсяпо формуле
/>
/>
/>
Теплопроводность наполнителя(периклаза)
где П – пористость периклаза в готовомТЭНе, %
Тп – средняя температура периклаза,°С.
/>
Пористость периклаза в готовом ТЭНе
где r1 – плотность периклаза после опрессовки, кг/м3(принимается согласно исходных данных).
r0=3570 кг/м3 – плотность периклазас нулевой пористостью.
Средняя температура периклаза
/>
Поскольку значение Тс покане определено, принимаем ориентировочно Тс=500°С
/>
/>
4. Температура спиралиТЭНа
/>
где Тпов.об – температура наружнойповерхности оболочки ТЭНа, °С
При серийном изготовлении ТЭНа с алюминиевыморебрением термическое сопротивление между оболочкой ТЭНа и несущей трубкой оребрениянезначительно, поскольку обеспечивается хороший контакт между ними. Поэтому прирасчете температуры спирали ТЭНа с алюминиевым оребрением принимают температурунаружной поверхности оболочки равной температуре поверхности оребрения, т.е.
Тпов.об=Тпов.
5. Значение Тс,полученное при первичном расчете, является ориентировочным и может быть уточненоза счет более точного определения величин Р1 и Rт2. Уточняющий расчет проводят в следующемпорядке.
Удельное электрическое сопротивление материалапроволоки при рабочей температуре.
/>
Электрическое сопротивление спирали ТЭНапри рабочей температуре.
/>
Мощность ТЭНа при рабочей температуре.
/>
Далее, уточняем значение Тп:
/>
/>
Уточняем значение lн :
/>
Уточняем значение Rт2 :
/>
/>
Уточняем значение Тс :
/>
3.2 Расчет толщинытепловой изоляции d
Расчет толщины тепловой изоляции проводитсяна основании двух условий:
а) по заданному (допустимому) снижениютемпературы горячей воды в водонагревателе за первый час после его отключения отсети;
б) по нормируемой температуре наружнойповерхности водонагревателя.
Затем принимают наибольшее значение.
1. Количество теплоты,которое теряет вода в водонагревателе
/>
2. Средний тепловойпоток, теряемый горячей водой в окружающую среду при ее остывании за 1 час на разностьтемператур DТ
/>
3. Требуемое термическоесопротивление теплопередаче от воды к окружающей среде
/>
4. Толщина изоляции
а) по заданному (допустимому) снижению температуры горячейводы в водонагревателе за первый час после его отключения от сети:
/>
где lиз – теплопроводность материала тепловойизоляции. Для шлаковой минеральной ваты марки 250
lиз=0,07+0,198×10-3×Тср
/>
lиз=0,07+0,198×10-3×65=0,082 Вт/м×°С
А – площадь теплоотдающей поверхностиводонагревателя
/>
aн – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности водонагревателя,aн=11,5 Вт/м2×°С.
/>
б) по нормируемой температуре наружной поверхности водонагревателя:
/>
Выбираем наибольшее значение: 0,0196
4.Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭТУ
Базовая часть схемы управления электроводонагревателемдолжна обеспечивать:
1) защиту водонагревателяи схемы управления от токов короткого замыкания;
2) ручное и автоматическоеуправление каждой группой ТЭНов;
3) световую сигнализациюо подаче напряжения от сети на схему управления и о включении групп ТЭНов.
В курсовой работе эта схема подвергаетсяусовершенствованию. В нашем случае усовершенствованием является сигнализация оперегорании тэнов.
5.Выбор силовых проводов
Выбор проводов осуществляется толькодля силовой части схемы. Для каждой группы ТЭНов и для общей магистрали.
Формулы для определения расчетныхтоков, трехфазных электроприемников.
Для секции электрокалорифера и группыТЭНов электроводонагревателя
/>
водонагревательаккумуляционный аппаратура провод
Где Рс – расчетнаяактивная мощность секции (группы), Вт;
Uн – номинальное линейное напряжение сети; Uн = 380 В.
Выбираем провод: АПВ
6.Выбор аппаратуры управления и защиты
6.1 Магнитный пускатель КМ
Принимаем магнитный пускатель марки ПМЛ3110
UKM UC
380B 380B
IHKM I
40 A 32,2 A
IP54
6.2 Предохранители FU
Выбираемпредохранители марки ПР-2-60
Uн = 380 В
IHПЛ I
35А32,2А
6.3Реле времени КТ
Принимаем реле времени марки 2РВМ
Uн = 220 В
f = 50 Гц
Программное реле времени 2РВМпредназначено для автоматического управления двумя независимыми электрическимицепями при коммутации этих цепей по временным программам с повторяющимсясуточным циклом.
Суточный ход при температуреокружающего воздуха (20±5) «С, мин, не более ±2
Температурный коэффициент суточногохода, с/оС, не более: 2
Суммарное время работы двигателя втечение суток, мин: 4
Потребляемая мощность двигателя, Вт,не более: 0,4
Количество независимых программ: 2
Характеристика программы I
Число отверстий на внешней окружностипрограммного диска: 96
Цена деления, мин: 15
Минимальныйинтервал времени между двумя смежными командами, мин: 30
Характеристикапрограммы II
Числоотверстий на внутренней окружности программного диска: 72
Цена деления,мин: 20
Минимальныйинтервал времени между двумя смежными командами, мин: 40
Продолжительностьцикла программ, ч: 24
Погрешностьвыдачи команд без учета суточного хода, мин, не более: ±5
Характеристикацепей управления
Числоконтактных пар в каждой программе: 1
Контактноедавление, Н, не менее: 0,5
Максимальныйпеременный ток частотой 50 Гц через одну контактную пару при напряжении 220 В,:15
Максимальныйпостоянный ток при напряжении от 12 до 220 В, А: 1,5 Масса, кг, не более: 1,5
Габаритныеразмеры, мм, не более: 180x175x125
7.Эксплуатация и техника безопасности
В животноводстве нагретая водатребуется для поения животных, приготовления кормов нужной консистенции игигиенических целей.
Одним из основных требований, предъявляемымк водогрейным установкам, является соблюдение правил гигиены при минимальныхзатратах энергии на подогрев необходимого количества воды до требуемойтемпературы. Этому требованию наилучшим образом отвечаютэлектроводонагреватели.
Перед тем как включитьэлектроводонагреватель в работу, необходимо наполнить его резервуар водой довытекания ее через трубопровод горячей воды. Следует иметь в виду, чтовключение электроводонагревателя под напряжение при отсутствии воды врезервуаре приводит к быстрому перегоранию нагревательных элементов (ТЭНов).
В трубопроводе холодной водыобязательно должны быть: вентиль-клапан, который пропускает воду изводопроводной магистрали в резервуар электроводонагревателя, но не выпускает ееобратно, а также тройник со спускным краном, служащий для освобождениярезервуара электроводонагревателя от воды при его очистки и ремонте.
При монтаже электроводонагревателей,а также при их реконструкции не допускается сборка трубопровода холодной водыбез обратного клапана. При отсутствии обратного клапана или при егонеисправности возможно вытягивание горячей воды из резервуараэлектроводонагревателя в водопроводную магистраль с опасными при этомпоследствиями.
В электроводонагревателях надежностьработы электронагревательных элементов (ТЭНов) в значительной степени определяетсяхарактеристикой воды, которая изменяется в широких пределах. Образование на ТЭНахнакипи, обладающей низкой теплопроводностью, приводят к нарушению тепловогобаланса ТЭНа и перегоранию его нагревательного элемента. Скорость образованиянакипи в первую очередь зависит от жесткости воды, которая имеет соединениякальция и магния. В трубчатых электронагревателяхтолщина накипи не должна превышать 2 мм. Периодичность очистки ТЭНов от накипи в зависимости от жесткости воды изагрузки их в течение суток определяют по номограмме. Своевременная очисткаТЭНов от накипи предотвращает преждевременный выход их из строя. Основные меры защиты от поражения электрическим током состоятв занулении водонагревателей и парогенераторов, подключении их к водопроводнойсети через изолирующие вставки, выравнивании потенциалов в помещениях.
Элементные водонагреватели должныбыть запулены. Изолирующие вставки в трубопроводах холодной и горячей водынужны во всех случаях, за исключением тех, когда водонагреватели снабженыаппаратами защитного отключения и если они установлены и снабжают горячей водойпомещения с искусственным или естественным выравниваем потенциалов. Впомещениях без устройств выравнивания потенциалов необходимо местноевыравнивание потенциалов у водонагревателя и в местах разбора воды.
Элементные водонагреватели,обеспечивающие горячей водой душевые, должны иметь изолирующие вставки. Душевыекабины и места раздевания следует оборудовать устройствами выравниванияпотенциалов в виде металлической сетки с ячейками размером не более 0,3 х 0,3 м2, заложенной в бетон на глубину 20...,30 мм от поверхности пола и соединеннойсваркой с трубопроводами холодной и горячей воды, и канализационными.
Литература
1. Файн В.Б.,Курсовая работа по электротехнологии
2. Казимир А.П.,Керпелева И.Е., Эксплуатация электротермических установок всельскохозяйственном производстве. – М.: Россельхозиздат, 1984.
3. Методическиеуказания “ Электроснабжение сельскохозяйственного населенного пункта”,Челябинск 2000 г.