Проектирование электрокотла для нагрева воды в телятнике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА»

Кафедра «ЭТСХП»

Курсовой проект

Проектирование электрокотла для нагрева воды в телятнике

Выполнил: Дмитриев Д.М

Проверил: Олин Н. Л.

Ижевск 2016



Содержание

Введение

Исходные данные и объем проектирования

1. Разработка схемы электротермического процесса

2. Тепловой расчет электротермических установок

2.1 Расчет электрокалориферной установки

2.1.1 Расчет тепловой нагрузки животноводческих помещений

2.1.2 Выбор вентиляторов

2.1.3 Тепловой и конструктивный расчет нагревательного блока электрокалорифера

2.2 Расчет горячего водоснабжен

2.2.1 Расчет теплоаккумуляционной установки

2.2.2 Расчет электродного водонагревателя

3. Расчет параметров автоматического регулирования

4. Расчет внутренних силовых сетей и выбор пускозащитной аппаратуры

5. Разработка мероприятий по технике безопасности

6. Расчет технико-экономических показателей

Заключение

Литература



Введение

нагревательный электрокалорифер животноводческий водонагреватель

Развитие сельскохозяйственного производства связано с широким потреблением тепловой энергии в процессах обработки материалов, создания микроклимата, получения искусственного холода. Наиболее универсальными источниками тепловой энергии в современных технологиях являются электронагревательные установки.

Повышение эффективности использования электронагрева и совершенствование нагревательных установок требует подготовки высококвалифицированных специалистов, глубоко понимающих физические процессы электронагрева.

Целью курсовой работы является закрепление, углубление и обобщение знаний, полученных студентами во время изучения курса «Электротехнологии»; развитие навыков самостоятельного решения инженерных задач по применению электротехнологии в процессах сельскохозяйственного производства.

На основе новейших достижений науки и техники в области электротехнологии необходимо разработать наиболее прогрессивные электронагревательные установки. При этом решения, принятые в работе, должны отличаться экономической эффективностью.

Выполнение курсовой работы должно продемонстрировать

знания студентов устройства, работы, технических данных, способов управления и автоматизации электротехнологического оборудования; умение студентов обосновывать технико-экономическими расчетами применение электронагрева и электротехнологии в технологических процессах сельского хозяйства;



Исходные данные

Проектирование ЭТУ технологических процессов. В роли ЭТУ выступает водогрейный электрокотёл накопительного типа косвенного нагрева. В установке используется нагрев сопротивлением с помощью переменного тока частотой 50 Гц.

Заданная ЭТУ предназначена для нагрева воды в телятнике на 150 телок с 15 до 18 месячного возраста (801-4-91.85) .

Температурный режим: tнач=8C, tконеч=12 C, tсреды=15.

При использовании установки для нагрева воды для поения на 1 голову будет затрачено 25 кг/ сут. Исходя из того, что в коровнике 150 голов КРС, в сутки нужно 3750 кг горячей воды.



1. Разработка схемы электротермического процесса

Электротермический процесс представляет собой совокупность приемов и операций, направленных на перевод материала или продукта из исходного состояния к необходимому конечному состоянию. Схема на рисунке 1.1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭТУ - электрокотёл для косвенного нагрева воды, накопительного типа, с трубчатыми нагревательными элементами (ТЭНами).

Холодная вода поступает в котёл из водопровода, нагревается в нём до заданной температуры и под давлением холодной воды вытекает из бака через выходной патрубок с вентилем.

Температура воды в котле измеряется с помощью датчика и термометра. Регулирование температуры в котле осуществляется с помощью терморегулятора. Терморегулятор связан с ЭТУ с помощью схемы управления.

С помощью задатчика устанавливается необходимый уровень температуры воды в баке.



2. Расчет электротермических установок животноводческий помещений

2.1 Расчет электрокалориферной установки

2.1.1 Расчет тепловой нагрузки животноводческих помещений

Тепловой поток системы отопления и вентиляции определяют из уравнения теплового баланса

,

где Ф_ог , Ф_в и Ф_ж - соответственно тепловые потоки, теряемые через ограждения, на нагрев вентиляционного воздуха и тепловой поток, поступающий от животных, Вт.

Тепловой поток через ограждения можно определить по выражению

,

где q₀ =0,174 - удельная тепловая характеристика помещения, характеризует количество теплоты, теряемого наружной поверхностью помещения 1 м ³ при разнице температур наружного и внутреннего воздуха 1 ⁰С, Вт/(м ^{3 0}С);

V_Н - объем помещения по наружному обмеру, м ³;

V_Н = 12*90*3,4+12*2,1/2*90=4806 м³;

t_н и t_в - соответственно температуры наружного и внутреннего воздуха, ⁰С.

Вт.

Тепловой поток, теряемый на нагрев приточного воздуха:



,

где L - расчетный воздухообмен помещения, м ³/ч;

с_в - удельная теплоемкость воздуха, с_в =1 кДж/(кг ⁰С);

- расчетная плотность воздуха после калорифера, кг/м ³.

Расчетный воздухообмен определяют из условия понижения концентрации углекислоты и водяных паров в воздухе помещения.

Часовой объем приточного воздуха, необходимого для понижения концентрации углекислоты, вычисляют по формуле

,

где 1,2 - коэффициент, учитывающий количество СО₂ , выделяемое подстилкой при ее разложении;

с- количество СО₂, выделяемое одним животным, л/ч;

n - количество животных в помещении;

с₁ - предельно - допустимая концентрация СО₂ , в воздухе помещения (в телятнике 2,0 л/м ³);

с₂ - концентрация СО₂ в наружном воздухе, с₂ = 0,3 ... 0,4 л/м ³.

м ³/ч.

Часовой объем приточного воздуха, м ³/ч, необходимого для удаления водяных паров, находят по формуле

,

где W - масса влаги, выделяющейся в помещении, г/ч;

d_в и d_н - влагосодержание внутреннего и наружного приточного воздуха, г/кг;

- расчетная плотность воздуха в помещении, кг/м ³.

Плотность воздуха зависит от температуры и атмосферного давления

,

где t - расчетная температура воздуха, ⁰С;

p - расчетное барометрическое давление в данном районе, р = 99,3 кПа.

Значения d_в и d_н определяют при помощи Hd-диаграммы для влажного воздуха по соответствующим значениям температур и относительной влажности внутреннего и наружного воздуха. При наружной температуре t_н=-28 ⁰С и относительной влажности j_н=85%, d_н=0,4 г/кг; при внутренней температуре t_в=15 ⁰С и относительной влажности j_н=70%, d_в=9 г/кг.

.

Суммарные выделения влаги в помещении для телят подсчитывают по формуле

,

Масса водяных паров W_ж , выделяемых животным

,

Где N- количество половозрастных групп, k_t - коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемых телятами водяных паров в зависимости от температуры внутри помещения ;

n_i - число телят с одинаковым выделением водяных паров;

w_i - выделение водяных паров на 1 кг живой массы КРС, г/ч,

г/ч.

Массу испаряющейся с мокрых поверхностей помещения влаги W_исп берут равной:

W_исп = 0,1*W_ж = 0,1*52785=5278,5 г/ч.

г/ч.

м ³/ч.

Необходимый воздухообмен L, м ³/ч для животноводческого помещения принимается по наибольшей из двух величин: или . Значение L_w выше, значит принимаем м ³/ч.

Внутренний объем помещения:

V=90*12*3,4=3672 м³

Кратность воздухообмена:

K=L/V=5721,7/3672=1,6

Кратность воздухообмена в животноводческом помещении для холодного периода года должна быть К=3…5, поэтому принимаем К=3.

Вт.

Поток свободной теплоты, выделяемый животным:

,



где q_m - поток свободной теплоты, выделяемый 1 кг живой массы животного, Вт, k_t - коэффициент, учитывающий изменение количества выделенной животным теплоты в зависимости от температуры воздуха внутри помещения.

Вт.

Ф_от =38467.2+86339.5-92310=32496.7 Вт.

Величины тепловых потоков, теряемых через ограждения и на подогрев приточного воздуха, а также воздухообмен по влаговыделениям зависят от температуры наружного воздуха. Установленную мощность отопительных установок и подачу вентилятора определяют при минимальной расчетной температуре наружного воздуха t_Н , соответствующей данной климатической зоне.

Общую мощность системы отопления определяют по выражению

,

где - к.п.д. калорифера, = 0,90…0,98.

Вт.

Мощность одного калорифера равна:

,

где n - количество электрокалориферных установок.

кВт.

Принимаем 2 электрокалориферные установки для более равномерного обогрева воздуха внутри помещения.

2.1.2 Выбор вентиляторов

Вентилятор следует подобрать по подаче и полному давлению, которое он должен развивать во время работы.

Требуемая подача L_B вентилятора определятся по формуле

,

где k_п - коэффициент, учитывающий наличие подсосов воздуха в воздуховоде, k_п = 1,1.

м ³/ч.

Необходимый напор, который должен создавать вентилятор

,

где Н_Т -потери напора в трубопроводе, Па;

h_МС -потери напора от местных сопротивлений, Па.;

?h_к -аэродинамическое сопротивление электрокалорифера.

,

где - коэффициент трения воздуха в трубопроводе, = 0,02;

l - длина трубопровода, м;

d - эквивалентный диаметр трубопровода, м;

- скорость движения приточного воздуха в трубопроводе, = 10…15 м/с;

- плотность воздуха в воздуховоде, = 1,214 кг/м ³.

Па.

,

где -сумма коэффициентов местных сопротивлений отдельных участков приточной системы.

Па.

Па.

По номограмме для данной производительности и напора определяем, что наиболее приемлем центробежный вентилятор Ц4-70 № А=7100, кпд=0.8

Частота вращения n= 1420 об/мин

Установленную мощность электродвигателя определяют по формуле

,

где k_З - коэффициент запаса мощности, принимают для центробежных вентиляторов k_З = 1,1…1,3;

- к.п.д. вентилятора;

_п - к.п.д передачи.

кВт

Для привода вентилятора следует применить электродвигатель марки 4АМ80А4УЗ



2.1.3 Тепловой расчет нагревательного блока электрокалорифер

В качестве нагревательных элементов в электрокалориферах используют трубчатые электронагреватели (ТЭН), смонтированные в единый конструктивный блок.

В задачу теплового расчёта блока ТЭНов входит определение количества ТЭНов в блоке и действительной температуры поверхности нагревательного элемента. Результаты теплового расчёта используют для уточнения конструктивных параметров блока.

Мощность одного ТЭНа определяют исходя из мощности калорифера P_К и числа ТЭНов z, установленных в калорифере

,

Число ТЭНов z принимают кратным 3(z=9), причем мощность одного ТЭНа не должна превышать 3…4 кВт. ТЭН подбирают по паспортным данным.

кВт.

Выбираем ТЭН80В13/2,0 К220

Произведем расчет для коридорной компоновки ТЭНов (рисунок 1.1)

Для первого ряда нагревателей скомпонованного нагревательного блока должно выполняться условие:

⁰С,

где - действительная средняя температура поверхности нагревателей первого ряда, ⁰С;

- суммарная мощность нагревателей первого ряда, Вт;

_СР - средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^{2 0}С);

- суммарная площадь теплоотдающей поверхности нагревателей первого ряда, м²;

t_в - температура воздушного потока после калорифера, ⁰С.

Рисунок 2.1 - Схема коридорной компоновки блока ТЭНов

Суммарную мощность нагревателей определяют из параметров выбранных ТЭНов по формуле

,

где k - количество ТЭНов в ряду, шт;

P_т - мощность поверхности одного ТЭНа, кВт.

кВт.

Суммарную площадь нагревателей определяют из параметров выбранных ТЭНов по формуле

,

где F_т - площадь поверхности одного ТЭНа, м².

Площадь поверхности оребренного ТЭНа

,

где l_а - активная длина ТЭНа, м;

d - диаметр ТЭНа, м;

h - высота ребра, м;

a - шаг оребрения, м.

м².

м².

Для пучков поперечно обтекаемых труб следует учитывать средний коэффициент теплоотдачи _ср, так как условия передачи теплоты отдельными рядами нагревателей различны и определяются турбулизацией воздушного потока.

Коэффициент теплоотдачи ТЭНа определяют по эмпирическому выражению

,

где Nu - критерий Нуссельта;

- коэффициент теплопроводности воздуха, = 0,027 Вт/(м⁰С);

d - диаметр ТЭНа, м.

Критерий Нуссельта для конкретных условий теплообмена рассчитывают по выражениям для коридорных пучков труб

при ,



,

где Re -критерий Рейнольдса.

При

,

Критерий Рейнольдса характеризует режим обтекания ТЭНов воздухом и равен

,

где - скорость воздушного потока, м/с;

- коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с.

Так как значение критерия Рейнольдса больше 1000, следовательно

Вт/м^{2 0}С.

Для обеспечения эффективной термической нагрузки ТЭНов, не приводящей к перегреву нагревателей, следует обеспечивать в зоне теплообмена движение потока воздуха со скоростью не менее 6 м/с. Учитывая возрастание аэродинамического сопротивления конструкции воздушного канала и нагревательного блока с ростом скорости потока воздуха, последнюю следует ограничить 15 м/с.

Средний коэффициент теплоотдачи для коридорных пучков

,



где n - количество рядов труб в пучке нагревательного блока.

Вт/м^{2 0}С.

Температура воздушного потока после калорифера равна

,

где P_К - суммарная мощность ТЭНов калорифера, кВт;

- плотность воздуха, кг/м³;

с_в - удельная теплоемкость воздуха, св = 1 кДж/(кг ⁰С);

L_в - производительность калорифера, м³/с.

⁰С

⁰С

Условие (1.22) выполняется, следовательно принимаем выбранные ТЭНы и его компановку.

2.1.4 Конструктивный расчет нагревательного блока

В расчет конструктивных параметров блока ТЭНов входит определение расстояний между нагревателями в ряду x₁ и расстояний между рядами x₂ , а также внешних размеров блока. При расчете конструктивных элементов следует учитывать принятую ранее скорость воздушного потока, количество нагревателей в ряду, количество рядов, расположение нагревателей и производительность вентилятора L_в .

Для расчета x₁ , определяют « живое » сечение блока нагревателей, т. е. не занятую ТЭНами площадь воздушного канала F_К



,

где L_в - производительность калорифера, м³/с;

- принятая в тепловом расчете скорость воздуха, м/с.

м².

Минимальные размеры нагревательного блока определяются значениями размеров х₁ и х₂ .

Расстояние между нагревателями в ряду х₁

,

где k - количество ТЭНов в ряду.

Расстояние между рядами нагревателей x₂

при , x₂ = x₁ ,

при , x₂ = 1,2 x₁ ,

где D - диаметр выбранного ТЭНа c оребрением, м.

м.

Так как соблюдается условие , следовательно, получаем

Высота H и ширина B_Н блока нагревателей

,

,

где l - полная длина ТЭНа, м.

м.

м.

Глубина блока нагревателей С

,

м.

2.2 Расчет горячего водоснабжения

2.2.1 Расчет теплоаккумуляционной установки

Расчет теплоаккумуляционной установки начинают с построения графика теплопотребления.

Мощность теплопотребления в i-ый отрезок времени (кВт)

,

где G_гi - расход горячей воды в i-ый отрезок времени, кг/ч;

с - удельная теплоемкость воды, с = 4,19 кДж/(кг ⁰С);

t_г, t_х - температуры горячей и холодной воды, ⁰С.

Максимальную температуру воды принимают равной 90…95 ⁰С, что позволяет устанавливать аккумуляторы меньшего объема. Требуемую температуры воды t_СМ получают смешиванием горячей воды из аккумулятора с холодной водопроводной. Расход горячей G_г и смешанной G_СМ воды связан соотношением



,

Суточная потребность в горячей воде G_СМ определяют по выражению

,

где g_i - суточная норма расхода горячей воды i-го потребителя, кг/сут;

n_i - количество потребителей i-го вида;

_i - продолжительность потребления горячей воды i-м потребителем, ч/сут.

Расчет потребления горячей воды

кг/ч.

кг/сут.

кВт.

Расчет потребления воды при других операциях аналогичен. По результатам расчетов составляем таблицу суточного теплопотребления и строим график теплопотребления.

Мощность нагревателя для зарядки аккумулятора (кВт) определяют по графику теплопотребления

,

где k_з - коэффициент запаса, kз = 1,1…1,25;

P_i - мощность в i-й момент времени, кВт;

_i - продолжительность i-го отрезка времени, ч;

_H - к.п.д. нагревателя, _H = 0,96;

_a - к.п.д. аккумулятора, _a = 0,94;

_з - время зарядки, ч.

Объем аккумулятора

,

где - плотность воды, кг/м ³.

Производительность нагревателя, м ³/ч

,

м ³/ч.

В качестве тепловой изоляции выбираем минеральную вату с теплопроводностью , стоимостью 1250 руб/м³.

Оптимальная толщина тепловой изоляции

, (1.50)

где -стоимость 1 электроэнергии, =2.2 руб/();

-теплопроводность минеральной ваты, =0,043 Вт/м ⁰С;

-число часов работы водонагревателя в течение года, =1095 ч;

-годовые отчисления на амортизацию, =12%;

-нормативный коэффициент экономической эффективности, =15%;

-стоимость 1 м³ теплоизоляции, =1250 руб/м³;

_1,, ₂ - коэффициенты теплоотдачи от нагреваемой среды внутренней стенке и от наружной стенки к окружающей среде, Вт/(м^{2 0}С);

_с - толщина, м;

_с - коэффициент теплопроводности металлической стенки, Вт/(м ⁰С).

м.

Таблица 2.1 - Суточное теплопотребление телятника на 150 голов

Технологический процесс	РУСТ, кВт	Часы в сутки
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
Поение телят	5,8	------ ------ ------
Обсл. персонал	0,4	----------- -----------------------------

Рисунок 2.2 - График теплопотребления

2.2.2 Расчет электродного водонагревателя

Потребная мощность нагревателя P_н=8,2 кВт, производительность G_н = 0,09 м³/ч, удельное сопротивление воды ₂₀ = 7000 Омсм.

Выбираем нагреватель со 6 стержневыми электродами.

Диаметр электрода d = 2r = 50 мм.

Радиус корпуса R = 4,76r =119120 мм.

Радиус расположения стержневых электродов

a = 0,51R=0,51120=61,2 мм.

Рисунок 2.2.1 - Электродный водонагреватель

Электродный нагреватель представляет собой систему электродов, предназначенных для подвода электрического тока к нагреваемому материалу. Если электроды не экранированы и размещены в металлическом сосуде, то стенки сосуда также являются элементами электродной системы. К основным параметрам нагревателей относят: число фаз, количество электродов, электрическая схема соединения, форма, размеры и материал электродов, расстояние между электродами.

Исходными данными для расчета являются потребная мощность нагревателя P_н (2.46) и производительность G_н (2.48).

Геометрические параметры электродной системы обычно выражают через геометрический коэффициент K.



(1.53 )

Расчет электродного водонагревателя проводят в следующей последовательности.

Предварительно, по конструктивным соображениям задаются шириной электродов b или диаметром d = 2r.

В проектной практике для водонагревателей и водогрейных котлов значения E_доп в зависимости от удельного сопротивления воды принимают в пределах 125…250 В/см, где минимальное значение E_доп соответствует удельному сопротивлению воды ₂₀ 2000 Омсм, а максимальное ₂₀ 10000 Омсм.

Для стержневых систем ориентировочно принимают

R=4,76r; a = 0,51R.

Длину активной части электродов (см) определяют по выражению

, (1.54)

где G₁ - производительность нагревателя на одну фазу, кг/c;

с - удельная теплоемкость воды, с = 4190 Дж/(кг ⁰С);

K- геометрический коэффициент электродной системы;

₂₀ -удельное сопротивление воды, ₂₀ =7000

_т - тепловой к.п.д., _т = 0,97.



кг/с.

см.

Длину электродов принимаем равным расчетному

Полученную площадь электродов проверяют по максимальной плотности тока для стержневых электродов

, (1.55)

где k_Р - коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электродов, k_Н = 1,1…1,4;

_t - удельное сопротивление воды при конечной температуре, Ом см.

Удельное сопротивление воды при конечной температуре

, (1.56)

.

Максимальная плотность тока должна быть меньше допустимой

, (1.57)



Допустимая плотность тока для для стержневых составляет не более 2 А/см ². Условие (1.57) выполняется.

Мощность водонагревателя, вычисленная по параметрам электродной системы для всех трех фаз, составит

, (1.58)

кВт.

Полученная мощность P должна приближенно равна исходной мощности P_Н . Условие соблюдается, следовательно, расчет электродного водонагревателя произведен правильно.



3. Расчет параметров автоматического регулирования

Масса бака m_б = 4 кг.

Теплоемкость материала бака с_б = 451 Дж/(кг^оС).

Теплоемкость установки

,

где mв, св - масса, кг и теплоемкость воды, Дж/(кг^оС).

Коэффициент теплопередачи боковой стенки бака

,

где Rбок - термическое сопротивление боковой поверхности бака (м^оС)/Вт.

Коэффициент теплопередачи торцовой стенки

,

где Rm - термическое сопротивление торцовой поверхности бака (м^оС)/Вт.

Средний коэффициент теплопередачи

,

где kбок и km - Коэффициенты теплопередачи боковой и торцовой стенки, Вт /(м ^оС)

Площадь боковой поверхности бака:

F_бок=2*П*r*h=2*3.14*0.15*0.3=0.28 м²

Площадь торцевой поверхности бака:

F_т=П*r²=3.14*0.15²=0.07 м²

Коэффициент теплопотерь в окружающую среду:

,

где Fбок и Fт - площади боковой и торцевой поверхности, м²

Постоянная времени

,

где С - теплоемкость установки, Дж/(кг^оС); А - коэффициент теплопотерь в окружающую среду, Вт/ ^оС.



Коэффициент передачи установки

,

где А - коэффициент теплопотерь в окружающую среду, Вт/ ^оС.

Мощность, необходимая для поддержания заданной температуры в установившемся режиме

,

где tу -температура нагрева воды, ^оС; kоб - коэффициент передачи установки, ^оС /Вт.

Регулирующее воздействие при включении электронагревательных элементов

,

где Рн -установленная мощность, Вт; Ро - мощность, необходимая для поддержания заданной температуры в установившемся режиме, Вт.

Регулирующее воздействие при выключении электронагревательных элементов

В2=1

Зона неоднозначности регулятора ДТКБ -53

,

а = 0.028/2 = 0.01

где 2а=2…3 ^оС, из параметров регулятора ДТКБ -53.

Длительность включения нагревателей. Коэффициент передачи для тепловых процессов в относительных единицах равен единице k_об = 1.

Время запаздывания в расчетах можно принять равным 10…600 с. для нагревательных установок

,



Длительность пауз

, (3.12)

где В1 и В2 - регулирующее воздействие при включении и при выключении электронагревательных элементов; - время запаздывания; а - зона неоднозначности прибора; kоб - коэффициент передачи установки.

Период колебаний

где Т1 и Т2 - длительность включения нагревателей и длительность пауз, с.

Частота включений

Тк - период колебаний, с.

Диапазон колебаний температуры

где В1 и В2 - Регулирующее воздействие при включении и при выключении электронагревательных элементов; а - зона неоднозначности прибора; - время запаздывания; kоб - коэффициент передачи установки.

Положительная амплитуда температуры

где В1- Регулирующее воздействие при включении электронагревательных элементов; а - зона неоднозначности прибора; - время запаздывания; kоб - коэффициент передачи установки.

Абсолютное значение

, (3.17)

где t1 - положительная амплитуда температуры; tу -температура нагрева воды, ^оС.

Отрицательная амплитуда температуры

,

где В2 - Регулирующее воздействие при выключении электронагревательных элементов; а - зона неоднозначности прибора; - время запаздывания; kоб - коэффициент передачи установки.

Абсолютное значение

,

где t2 - отрицательная амплитуда температуры; tу -температура нагрева воды, ^оС.

Величина коррекции регулятора

,

где В1 и В2 - Регулирующее воздействие при включении и при выключении электронагревательных элементов; kоб - коэффициент передачи установки.

Расход энергии за сутки

где Т1- длительность включения нагревателей, с; Рн - номинальная мощность, Вт; Тк - период колебаний, с.



Рисунок 3.1 График регулирования температуры объекта.

Работа схемы

Установку включает автоматический выключатель QF1 и переключателем SA выбирают режим работы (ручной или автоматический). Предохранитель FU1 предохраняет схему управления от короткого замыкания.

При ручном режиме управление осуществляется кнопками управления SB1, SB2. При нажатии кнопки SB2 питание подается на катушку магнитного пускателя KM1, который своими контактами подает напряжение на электродную систему ЕК.

В автоматическом режиме промежуточным реле KV1 управляет электроконтактный термометр SK1. Если температура воды, выходящей из водонагревателя ниже установленного минимального значения, контакт SK1:1 замкнется и сработает реле KV1, который в свою очередь своими контактами включает магнитный пускатель KM1 и готовит к работе цепь катушки реле KV2, а также блокирует контакт SK1:1. При нагреве воды до установленного максимального значения замыкается контакт SK1:2 и срабатывает реле KV2, который своим размыкающим контактом отключает реле KV1, что приводит к отключению магнитного пускателя KM1. Повторное включение водонагревателя происходит при снижении температуры воды до установленного минимального значения и замыкании контакта SK 1:1.

Если температура воды превысит установленное максимальное значение, электроконтактный термометр SK2 замкнет цепь катушки реле KV3, его размыкающие контакты отключат магнитный пускатель KM1, и водонагреватель отключится от сети.

При несимметрии питающего напряжения (например, потере фазы, перегорании предохранителя) на корпусе водонагревателя появляется опасный потенциал. Для защиты от неполнофазного режима в нулевом проводе установлено токовое реле КА, которое срабатывает и отключает водонагреватель при увеличении тока в нулевом проводе до 0,25 I_Н.



4. Расчет внутренних силовых сетей и выбор пускозащитной аппаратуры

Согласно ПУЭ для первичной цепи ЭТУ выберем выключатель (рубильник с дугогасящими контактами, пакетный выключатель) на вводе и автоматический выключатель с электромагнитными и тепловыми расцепителями.

Так как расчётная ЭТУ имеет 6 тэнов мощностью по 2 кВт, целесообразно для питания использовать трехфазную сеть.

В качестве расчетного тока примем номинальный ток, который определяют по формуле тока для трехфазных потребителей

. (5.1)

Выбор рубильника:

U_н U_н.уст (5.2)

380 В 380 В;

I_н I_н.уст (5.3)

100 А 18 А

Выберем рубильник Р21

Выбор предохранителей:

Плавкие предохранители выбирают по следующим параметрам:

.(5.4)



220(380) В 220 В

. (5.5)

60А 18 А

, (5.6)

45 А 1.5*18=27 А

где I_р.max - максимальный рабочий ток цепи, защищаемой предохранителем, А; k_н - коэффициент надежности.

Тип плавких предохранителей НПН60М

Выбор автоматического выключателя:

Автоматический выключатель выбираем по следующим условиям:

; (5.7)

380(660)В 380 В

; (5.8)

63 18 А

, (5.9)

32 А 1.2*18=21,6 А

,

630 А 1.25*18=22,5 А

где U_н.а, I_н.а - соответственно номинальные напряжение и ток автомата; I_н.т - номинальный ток теплового расцепителя; k_н.т - коэффициент надежности, учитывающий разброс по току срабатывания теплового расцепителя, принимают в пределах 1,1…1,3; I_н.э - ток отсечки электромагнитного расцепителя; k_н.э - коэффициент надежности, учитывающий разброс по току электромагнитного расцепителя (для автоматов АП-50, АЕ-2000 и А3700 k_н.э = 1,25, для А3100 k_н.э = 1,5); I_max - максимальный рабочий ток в цепи (для электродвигателей пусковой ток I_п).

Выберем автоматический выключатель ВА 47-29

Выбор магнитного пускателя:

Для управления электронагревательными элементами и выберем магнитный пускатель ПМЛ-2000. Для данной установки тепловое реле не требуется, так как оно не будет защищать её от перегрузок. Для защиты устройства от перегрузок достаточно теплового расцепителя автоматического выключателя.

Магнитные пускатели выбирают по конструктивному и климатическому исполнению, по электрическим параметрам:

номинальному напряжению

U_н.п U_н.уст (5.11)

380 В 380 В,

номинальному току

I_н.п I_н.уст (5.12)

40 А 18 А,

и по напряжению втягивающей катушки

Uвт =220 В. (5.13)

Выбор кабелей:

Кабели выбирают таким образом, чтобы его температура при длительном протекании тока не была больше предельно допустимой.

Согласно ПУЭ значение I_доп определяют по следующим условиям:

для проводников с резиновой и подобной ей по тепловым характеристикам изоляцией (t_доп = 65 ^оС), защищаемых плавкими вставками предохранителей или мгновенно действующими электромагнитными расцепителями автоматов

ВРГ-3*10+1*6 - с медными жилами с резиновой изоляцией и ПВХ оболочке, небронированный. Для открытой прокладки внутри сырых и особо сырых помещений, в каналах при наличии агрессивных сред (кислот, щелочей и др.) на напряжение до 660 В.

(5.14)

65 А 45 А;

По значениям I_доп по таблицам допустимых значений токов для принятой марки кабеля выбирают соответствующую площадь сечения проводника.

S = 10 мм²

Выбранный провод проверяют по допустимой потере напряжения. Согласно ПУЭ потеря напряжения в силовых проводках не должна превышать 5%.

, (5.15)

где P - присоединенная мощность, кВт; l - длина линии, м; с - постоянный для данного провода коэффициент, зависящий от напряжения сети, числа фаз и материала провода с=77,0; s - сечение провода, мм².

(5.16)



5. Разработка мероприятий по технике безопасности

При эксплуатации электротермических установок пользуются «Правилами технической эксплуатации электропотребителей», «Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей», а также «указаниями по обеспечению электробезопасности электроустановок в сельском хозяйстве».

Основные меры защиты от поражения электрическим током при коротких замыканиях (замыкание на корпус) состоят в занулении электротермических установок, подключение водонагревателей к водопроводной сети через изолирующие вставки, выравнивание потенциалов в помещениях.

Установка защитного аппарата и максимально допустимое значение сопротивления цепи фаза-нуль должны соответствовать требованиям «Руководящих указаний по обеспечению электробезопасности электротермических установок в сельском хозяйстве».

Сопротивление столба воды во вставке должно быть таким, чтобы напряжение прикосновения за вставкой в аварийном режиме не превышало 12 В. Это обеспечивается при длине вставки

, (6.1)

где d - внутренний диаметр вставки, м; _t - удельное сопротивление горячей воды, Омм.

Удельное сопротивление горячей воды

(6.2)

При температуре 90 ^оС

В качестве изолирующих вставок применяют резинотканевые, полиэтиленовые, полихлорвиниловые шланги и трубы.

При ремонтных работах в тепловых сетях с электрокотлами, последние отключают от электросети.

Нагреватель следует включать в сеть с глухозаземленной нейтралью. Корпус должен быть занулен. Защитный нулевой провод присоединяют к повторному заземлению на вводе в здание.

От перегрузки и коротких замыканий водонагреватели защищают автоматическими выключателями. Применение штепсельных розеток в цепях питания электротермических установок запрещено.



6. Расчёт технико-экономических показателей

Экономическая эффективность новых технологий определяется по их влиянию на улучшение конечных показателей производства, главным образом на прирост прибыли за счет повышения урожайности культур и продуктивности животных, улучшения качества продукции, сокращения затрат труда и снижения себестоимости производства продукции.

Данная установка предназначена для обеспечения некоторых технологических процессов в животноводческих помещениях (коровнике) горячей водой. При использовании установки для нагрева воды для прогрева воздуха на 1 голову будет затрачено 0,4 кг/ сут. Исходя из того, что в коровнике 150 голов КРС, в сутки нужно 60 кг горячей воды. Следовательно при производительности котла 20 кг, он будет использоваться 3 раз в сутки.

Суммарные капиталовложения

,(7.10)

где Ц_i - отпускная цена i-го технического средства (по справочникам бирж на конкретный период), руб.; n_i - количество технических средств i-го типа;- коэффициент для определения торгово-транспортных и складских расходов; - коэффициент для определения расходов на монтажные работы.

Для технических средств, которые серийно не производятся и на которые не установлены отпускные цены (цены реализации потребителям), а также для новых машин и установок (опытных партий, экспериментальных образцов), цены реализации могут быть определены по аналогии с выпускаемыми, исходя из массы и затрат на приобретение комплектующих узлов и агрегатов. В этом случае цену приобретения определяют по формуле:

, (7.11)

где М_i - масса машины, кг; Р - удельная цена 1 кг машины аналогичного назначения и конструктивной сложности, руб.; Ц_к - отпускная цена комплектующих, руб.

Эксплуатационные затраты

, (7.15)

где И_аi- амортизационные отчисления на реновацию технических средств, руб.; И_тоi - затраты на техобслуживание, ремонт технических средств, руб.; З_пi - оплата труда с отчислениями на социальные нужды, руб; И_элi - затраты на электроэнергию, руб.

Годовую сумму отчислений на амортизацию технических средств определяют по формуле:

, (7.16)

где- балансовая стоимость технических средств, руб.; - норматив амортизационных отчислений на реновацию, % от балансовой стоимости объекта, технологической линии, машин и оборудования.

Затраты на техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты технических средств определяют по формуле:

(7.18)

где - норматив отчислений на техническое обслуживание и ремонт технических средств, % от балансовой их стоимости.

Оплату труда обслуживающего персонала рассчитывают по формуле

, (7.19)

где С_тар - часовая тарифная ставка оплаты труда обслуживающего персонала по i-му разряду с учетом надбавок ( за классность полученной продукции и пр.), руб./ч; - общие затраты труда на производство продукции, выполнение работ, ч; К_н - коэффициент, учитывающий отчисления на социальные нужды (пенсионный фонд, фонд занятости и др.).

Затраты на электроэнергию при применении тех или иных технических средств i-го типа определяют по формуле

, (7.20)

где Е_i - потребление электроэнергии при выполнении работы техническим средством i-го типа, кВт.ч.; Ц_эл - тариф электроэнергии, руб/(кВтч).

Потребление электроэнергии техническими средствами i-го типа на выполнение заданного объема работ определяют по формуле:

, (7.21)

где P_i - установленная мощность, кВт; К_м - коэффициент использования установленной мощности приводов технических средств (К_м=0,8); - продолжительность выполнения работы, ч.

Энергоемкость производства продукции (совокупные затраты энергии) при применении той или иной технологии определяют по формуле:

, (7.22)

где Е_пр - прямые энергозатраты, МДж (ГДж); Е_о - овеществленные энергозатраты, МДж, (ГДж).

В прямые энергозатраты включаются затраты жидкого топлива, тепловой энергии в виде горячей воды и пара и электроэнергии.

Энергоемкость потребленной электроэнергии определяют по формуле:

; (7.23)



где L_пр.эл - энергетический эквивалент 1 кВтч прямых затрат, МДж (L_пр.эл.= 3,6 МДж).

Овеществленную энергию в потребляемой электроэнергии определяют по формуле:

;(7.27)

где Е_i - годовой расход электроэнергии, кВтч.; I_эл - энергетический эквивалент 1 кВтч овеществленных затрат, МДж (l_эл=8,4 МДж).



Заключение

В процессе выполнения курсового проекта на тему «Проектирование электротермических установок технологических процессов» по дисциплине «Электротехнология» разрабатывалась схема электротермического процесса, проводился расчет электротермических установок, параметров автоматического регулирования, внутренних силовых сетей и выбор ПЗА, а также мероприятий по технике безопасности и технико-экономических показателей.

Курсовое проектирование - важная составляющая при получении высшего образования. Оно позволяет закрепить, углубить и обобщить теоретические знания, полученные в процессе изучения технических дисциплин и повысить уровень знаний студентов; развить навыки самостоятельного решения инженерных задач по применению электротехнологии в процессах сельскохозяйственного производства.



Литература

1. Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. - М.: Агропромиздат , 1989.

2. Лекомцев П.Л. Курсовое проектирование по электротехнологии. - Ижевск: Шеп, 2002 - 77 с.

3. А.М.Басов, В.Г.Быков, А.В.Лаптев, В.Б.Файн. - М.: Агропромиздат, 1985. - 256 с., ил. - (Учебники и учеб. пособия для высш. с.-х. учеб. заведений).

4. Кисаримов Р.А.Справочник электрика. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ИП РадиоСофт 2004. - 512 с.: ил.

5. Система планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания электрооборудования сельскохозяйственных предприятий /Госагропром СССР. - М.: ВО Агропромиздат, 1987. - 191 с.

Размещено на Allbest.ru

...