Расчет параметров электроводонагревателя для телятника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Исходные данные

2. Определение требуемых параметров водонагревателя

3. Выбор стандартной ЭТУ

4. Разработка нестандартной ЭТУ

4.1 Разработка аккумуляционного водонагревателя

4.2 Порядок проверочного расчета тэна

4.3 Исходные данные для расчета тепловой изоляции

4.4 Порядок расчета по заданному снижению температуры горячей воды в водонагревателе при остывании ее на разность температур

4.5 Порядок расчета по нормируемой температуре наружной поверхности

водонагревателя

5. Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭТУ

6. Выбор силовых проводов

7. Выбор аппаратуры управления защиты

8. Эксплуатация и техника безопасности

Литература

1. Исходные данные

Вид помещения - телятник; количество животных - 400 голов; температура холодной воды - 8⁰С; схема соединения тэнов - треугольник ; материал спирали - Х23Ю5; наружный диаметр трубки тэна после опрессовки - 12 мм; плотность периклаза после опрессовки - 3100 кг/м; снижение температуры воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети - 0,9⁰С; коэффициент излучения покровного слоя - высокий ; материал теплоизоляции - шлаковая минеральная вата 150.

электроводонагреватель аккумуляционный изоляция

2. Определение требуемых параметров водонагревателя

Основными параметрами элементного непроточного водонагревателя являются вместимость и расчетная мощность.

Суточные нормы расхода нагретой воды на мытье посуды для поения телят:

кг.

Обычно электроводонагреватель выдает горячую воду с температурой T2 = 90⁰С, а воду с температурой, нужной для выполнения той или иной операции, получают, смешивая в нужной пропорции горячую и холодную воду.

(1)

где Т1 - температура холодной воды.

,кг

Масса горячей воды, необходимой для выполнения всех операций в помещении за сутки:

(2)

кг



При работе в частично аккумуляционном режиме электроводонагреватель включают в сеть не только ночью, но и в дневные часы спада электрических нагрузок, а отключают от сети в периоды пиковых нагрузок в энергосистеме (на 6…8 ч). Таким образом, в этом режиме суточное количество горячей воды, может быть получено как сумма нескольких порций, число которых равно числу периодов включения электроводонагревателя в сеть.

Полезный тепловой поток водонагревателя:

(3)

С - удельная теплоемкость воды (4190 Дж/кг•⁰С);

- масса воды, нагреваемой в водонагревателе, кг;

tн - время, за которое водонагреватель должен нагревать воду (3…5 ч).

Для телятника Z = 3

Вт.

Расчетная мощность электроводонагревателя:

(4)

Кз - коэффициент запаса, учитывающий необходимость увеличения мощности из-за старения нагревателей возможности снижения питающего напряжения, увеличения тепловых потерь в процессе эксплуатации (1,1…1,2); з - тепловой КПД водонагревателя (0,92…0,97)

Вт.

Расчетная вместимость бака водонагревателя (плотность воды принять равной 1 кг/л)

V = М = 102 л.

3. Выбор стандартной ЭТУ

По рассчитанным значениям Рр=2,8 кВт и V=102 л выбираем аккумуляционный водонагреватель, тип САОС - 400: Рн = 12 кВт; V = 400 л; максимальная температура воды в конце нагрева 90 ⁰С; время нагрева на 80⁰С = 3,3 ч.

4. Разработка нестандартной ЭТУ

4.1 Разработка аккумуляционного водонагревателя

В этом разделе разрабатывают элементарный аккумуляционный водонагреватель, который обеспечивал бы требуемые конкретные значения расчетной мощности и вместимости, определенные ранее.

Конструкцию нестандартного водонагревателя принимают такой же, как и в ближайшем по мощности серийном водонагревателе САОС.

Высоту Н и диаметр D бака водонагревателя следует определить из соотношения.

(5)

V - вместимость водонагревателя, м³.

Приняв Н = 2,5•D

(6)

м.

Н = 2,5 * 5,9 = 14,7 м.

м³.

САОС - 400 имеется одна группа тэнов, расположенных в нижней части бака.

Мощность одного тэна:



(7)

n - число тэнов (n = 6 - кратное 3)

кВ.

Исходные данные для конструктивного расчета тэна:

U = 380 В; Р = 2 кВ; d_об.нар = 12 мм.

Диаметр проволоки:

(8)

с - удельное электрическое сопротивление материалов проволоки при рабочей температуре (1,1•10^-6 Ом•м);

Ра - удельная поверхность мощности на проволоке спирали тэна (38•10⁴ Вт/м²)

мм.

Электрическое сопротивление спирали тэна при рабочей температуре:

(9)

Ом

Электрическое сопротивление спирали тэна при температуре 20⁰С:

(10)

К_Т - поправочный коэффициент, учитывающий изменение электрического сопротивления материала в зависимости от температуры (1,032).

Ом.

Электрическое сопротивление спирали до опрессовки тэна:

(11)

б - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате опрессовки (1,3).

Ом.

Длина проволоки в рабочей части тэна:

(12)

м.

Предусматривается навивка проволочной спирали на стержень диаметром:

(13)

мм.

Средний диаметр витка:

(14)

мм.

Длина одного витка спирали до опрессовки:

(15)

1,07 - коэффициент, учитывающий увеличение ? на 7% среднего диаметра витка проволоки при навивке на стержень.

мм.

Активное число витков:

(16)

Длина активной части трубки тэна после опрессовки:

(17)



Р¹¹_А - удельная поверхностная мощность н трубке оболочки тэна (11•10⁴ Вт/м²).

м.

Длина активной части трубки оболочки тэна до опрессовки:

(18)

г -коэффициент удлинение трубки в результате опрессовки методом обсадки:

м.

Расстояние между витками спирали:

(19)

м

Потребная длина проволоки для изготовления спирали тэна с учетом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 20 витков спирали на конец стержня:

(20)

м.

Полная длина трубки тэна:

(21)

Ln - длина пассивного конца трубки (0,05 м.)

м.

Исходные данные для проверочного расчета тэна: геометрические размеры тэна, определенные в результате конструктивного расчета; материал трубки тэна - сталь 10; толщина стенки трубки после опресовки 1•10^-3 м; теплопроводность стали
45 Вт/м•⁰С; плотность периклаза после опрессовки 3100 кг/м.

Цель проверочного расчета - определить температуру спирали и сравнить ее с максимально допустимой рабочей температурой материала спирали.

4.2 Порядок проверочного расчета тэна

Мощность тэна на первом этапе расчета принимаем 12 кВт.

Термическое сопротивление трубки оболочки тэна:

(22)

d_об.вн - внутренний диаметр трубки оболочки тэна

(23)

мм.

⁰С/Вт.

Термическое сопротивление наполнителя (периклаза):

(24)

d_с.нар - наружный диаметр спирали;

лн - теплопроводность наполнителя (переклаза);

Кс - коэффициент, учитывающий различие условий теплообмена в реальной конструкции нагревателя и в эквивалентной составной трубе.

(25)

мм.

(26)

Теплопроводность наполнителя:

(27)

П - пористость периклаза в готовом тэне;

Тп - средняя температура периклаза.

Пористость периклаза в готовом виде:



(28)

с1 - плотность периклаза после опрессовки;

с₀ =3570 кг/м3 - плотность периклаза после опрессовки

Средняя температура периклаза:

(29)

Поскольку значение Тс пока не определено, принимаем 500⁰С.

При серийном изготовлении тэна с алюминиевым оребрением термическое сопротивление между оболочкой тэна и несущей трубкой оребрения незначительно, поскольку обеспечивается хороший контакт между ними. Поэтому при расчете температуры спирали тэна с алюминиевым оребрением приниамют температуру наружной поверхности оболочки равной температуре поверхности оребрения.

Т_пов.об = Т_пов = 105 ⁰С

⁰С.

%.

Вт/м•⁰С.

⁰С/Вт.



4.3 Исходные данные для расчета тепловой изоляции.

Масса горячей воды в водонагревателе М = 102 кг

Заданное (допустимое) снижение температуры горячей воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети - ДТ=0,9⁰С

Температура горячей воды в водонагревателе Т₂ = 90⁰С.

Температура воздуха в помещении, в котором установлен водонагреватель, Т₀ = 15⁰С.

Вид материала тепловой изоляции - шлаковая минеральная вата 150, коэффициент излучения покровного слоя, нанесенного на её поверхность - высокий.

Нормируемая (по соображениям безопасности) температура наружной поверхности водонагревателя Тпв = 35⁰С.

Толщину тепловой изоляции боковой поверхности, дна и крышки принимаем одинаковой.

4.4 Порядок расчета по заданному снижению температуры горячей воды в водонагревателе при остывании ее на разность температур.

Количество теплоты, которое теряет вода в водонагревателе при остывании ее на разность температур.

(30)

Дж

Средний тепловой поток, теряемый горячей водой в окружающую среду при ее остывании на 1 час на разность температур.

(31)

Вт.

Требуемое термическое сопротивление теплопередаче от воды к окружающей среде.

(32)

⁰С/Вт

С учетом допущений термическое сопротивление, складывается из термического сопротивления слоя тепловой изоляции и термического сопротивления теплоотдаче наружной поверхности водонагревателя.

(33)

(34)

⁰С

лиз - теплопроводность материала тепловой изоляции.

Вт/м⁰С

А - площадь тепловой поверхности водонагревателя.

б_н - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности водонагревателя (11,5Вт/м^{2 0}С).

Площадь приближенно может быть подсчитана по внутренней поверхности бака водонагревателя как сумма трех составляющих (площади дна, площади боковой цилиндрической поверхности и площади крышки).

(35)

м².

Толщина теплоизоляционного слоя находят из выражения:

(36)

м

4.5 Порядок расчета по нормируемой температуре наружной поверхности водонагревателя.

Для расчета используется условие неизменности теплового потока при прохождении им последовательных участков тепловой цепи.

(37)

5. Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭТУ

Схема управления электроводонагревателем должна обеспечивать:

1. Защиту водонагревателя и схемы управления от токов короткого замыкания;

2. Ручное и автоматическое (в зависимости от температуры воды) управление группой ТЭНов

3. Световую сигнализацию о подаче напряжения от сети на схему управления и о включении групп ТЭНов.

В качестве рабочей схемы принимаем схему управления водонагревателем УАП.

6. Выбор силовых проводов

Выбор проводов осуществляется только для силовой части схемы.

Расчетный ток трехфазных электроприемников:

(38)

А.

Сечение провода выбираем из ПУЭ, сечение магистральных проводов, питающих силовые электроприемники, должны быть не менее 2,5 мм².

Марка кабеля ВВГ 4х2,5

7. Выбор аппаратуры управления и защиты

Проведем выбор предохранителя. Номинальный ток плавкой ставки должен быть равен или превышать рабочий ток.

Iр ? Iв (39)

Iв = 1,1 • Iр = 1,1 •18,2 = 20,1 А

Выбираем предохранитель ПН2-31,5А

Реле температурное ТР-1А

Рубильник ЯБПВУ-100-1М

Автоматический выключатель АЕ2044

Арматура светосигнальная AL-22

Пускатель электромагнитный ПМЛ2230

Пускатель электромагнитный ПМЛ110004

Реле промежуточное ПЭ-37-22

8. Эксплуатация и техника безопасности

Для поддержания электроводонагревателей в исправном состоянии в процессе эксплуатации рекомендуется система технического обслуживания, разработанная в соответствии с ГОСТ 18322 - 78 «Система технического обслуживания и ремонта техники».

В электроводонагревателях надёжность работы электронагревательных элементов в значительной степени определяется характеристикой воды, которая изменяется в широких пределах. Образование на ТЭНах накипи, обладающей низкой теплопроводностью, приводит к нарушению теплового баланса ТЭНа и перегоранию его нагревательного элемента.

Технология технического обслуживания водонагревателей включает ряд последовательно выполняемых операций.

Стеклянным техническим термометром проверяют температуру воды на выходе водонагревателя. Температура воды у электроводонагревателей УАП должна быть в пределах 90±5⁰С. Температура нагретой воды на выходе не соответствует требуемым значениям, если неисправны схемы автоматики (регуляторы температуры) или перегорели один или несколько трубчатых электроводонагревателей. В процессе технического обслуживания устраняют выявленную неисправность.

Затем электроводонагреватель отключают от сети и на коммутационном аппарате помещают плакат «Не включать! Работают люди».

Щеткой-смёткой, ветошью обтирочной и керосином осветительным очищают электроводонагреватель от пыли и грязи.

Визуально проверяют отсутствие утечек воды из бака и из трубопроводов.

При помощи ключей, отвёрток и молотка снимают защитную крышку нагревательного устройства и проверяют надёжность крепления контактных соединений питающего кабеля (проводов). Ослабленные крепления подтягивают. При снятой защитной крышке проверяют работоспособность каждого нагревательного элемента. После этого защитную крышку устанавливают на место.

Проверяют исправность заземления корпуса электроводонагревателя. Убедившись в его наличии, измеряют величину переходного сопротивления, которая не должна превышать 0,1 Ом между заземляющим проводником и наиболее доступной металлической частью водонагревателя.

Если величина измеряемого сопротивления контакта заземления превышает 0,1 Ом, то контактное соединение разбирают и тщательно зачищают контактные поверхности до металлического блеска; зачищенные места покрывают соответствующей смазкой. Затем собирают соединение и повторно измеряют переходное сопротивление, которое должно быть не более 0,1 Ом.

С коммутационного аппарата снимают плакат «Не включать! Работают люди» и включают под напряжение водонагреватель. Нормальная работа водонагревателя определяется требуемой температурой на его выходе. Исправный электроводонагреватель следует передать обслуживающему персоналу.

Литература

1. Казимир А.П., Керпелева И.Е. Эксплуатация электротермических установок в сельскохозяйственном производстве. - М.: Россельхозиздат, 1984.

2. Каталог ОАО «Электрокабель»Кольчугинский завод».

3. Правила устройства электроустановок. - Челябинск: министерство РФ. 7-ое издание 2004 г.

Размещено на Allbest.ru

...