Выбор стандартной электрокалориферной установки

1. Определение требуемых параметров электрокалориферной установки

1.1 Полезный тепловой поток отопительной установки

Полезный тепловой поток отопительной установки определяется из теплового баланса помещения:

,                          (1.1)

где Ф_О - тепловой поток, теряемый через наружные ограждения помещений, Вт;

Ф_В - тепловой поток, теряемый с вентилируемым воздухом, Вт;

Ф_ИСП - тепловой поток, расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей, Вт;

Ф_Ж - тепловой поток, выделяемый животными, Вт.

,                                   (1.2)

где q_ОТ - удельная отопительная характеристика помещения, ;

V₀ - удельный объем помещения, ;

N - количество животных, гол;

Т_В - температура внутри помещения, определяемая по нормам проектирования или по зоотребованиям. Т_В = 16 °С [2, стр. 123];

Т_Н - расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С;

а - поправочный коэффициент, учитывающий влияние разности температур на величину q_ОТ, определяется по формуле:

                                              (1.3)

 (Вт).

Тепловой поток, теряемый с вентилируемым воздухом, определяем по формуле:

,                                    (1.4)

где Q_V - объемный расход вентилируемого воздуха, ;

r_В-плотность воздуха при температуре Т_В,  [2, стр. 60];

С_Р - удельная теплоемкость воздуха, равная 1000 .

,

где Р - расчетное барометрическое давление в Центральном районе России, кПа. В Челябинской области Р = 99,3 кПа [2, прил. 6].

 (кг/м³).

Определяем воздухообмен по углекислому газу [2, стр. 126]:

, (1.5)

где С - количество углекислого газа выделяемое одним животным (находится по таблицам: «Нормы выделения животными теплоты, углекислоты и водяных паров» [2, прил. 19]) С = 63;

С_В - предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе помещения , принимаем С_В = 2,5  [2, стр. 123];

С_Н - концентрация углекислого газа в наружном воздухе 0,3…0,4 .

 (м³/ч). (м³/с).

Определяем воздухообмен по влагосодержанию [2, стр. 73]:

, (1.6)

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

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

r_в-плотность воздуха при температуре Т_в = 16 °С, r_в = 1,19.

Принимая Т_в = 16 °С и влажность j_в = 70% по [2, прил. 14] определяем d_в = 4 г/кг; при Т_н = -30 °С и j_н = 80% определяем d_н = 0,3 г/кг.

Масса влаги, выделяющаяся в помещении [2, стр. 126]:

 (1.7)

Определяем влагу, выделяемую животными:

 (1.8)

где N - количество животных;

W` - выделение водяных паров одним животным в зависимости от его массы [2, прил. 19], W` = 202 г./ч;

К_t - коэффициент изменения количества выделяемых водяных паров в зависимости от Т_в [2, прил. 20], К_t = 1,13 г./ч.

 (г/ч).

Определяем влагу, испаряющуюся с мокрых поверхностей помещения (пол, поилки, кормушки и др.)

 (1.9)

где x = 0,1…0,25 - для коровников и телятников; большее значение берется для помещений, где мало подстилки и плохо работает канализация. Примем x = 0,17.

 (г/ч).

 (г/ч).

Воздухообмен по влагосодержанию:

 (м³/ч).  (м³/с).

Сравним значения Q_CO2 = 3,18  и Q_W = 6,73 , по влагосодержанию воздухообмен больше и для дальнейших расчетов принимаем его.

Находим тепловой поток, теряемый с вентилируемым воздухом:

 (Вт).

Определяем тепловой поток, расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей животноводческого помещения [2, стр. 132]:

, (1.10)

где 2,49 - скрытая теплота испарения воды, ;

,278 - переводной коэффициент.

 (Вт).

Поток теплоты выделяемый животными [2, стр. 132]:

, (1.11)

где N - количество животных;

q - поток теплоты, выделяемый одним животным, q = 351 Вт [2, прил. 19];

К_t - коэффициент изменения количества выделяемой животными теплоты в зависимости от внутренней температуры, К_t = 0,86

 (Вт).

Необходимый поток отопительной установки:

 (Вт).

1.2 Расчетная мощность электрокалориферов в помещении

,                                                (1.12)

b - доля расчетной мощности, которая должна обеспечиваться от ЭКУ, %;

h_ЭКУ - тепловой КПД, учитывающий потери от корпуса ЭКУ и воздуховодов, h_ЭКУ = 0,95…1,0. Примем h_ЭКУ = 0,96.

 (Вт).

1.3 Расчетная мощность одного калорифера

, (1.13)

где n - количество калориферов.

 (Вт).

1.4 Определение требуемой объемной подачи вентилятора ЭКУ

, (1.14)

где Q_V - объемный расход вентиляционного воздуха, м³/с;

n - количество калориферов;

,8 - коэффициент учитывающий инфильтрацию воздуха.

 (м³/с).

2. Выбор стандартной электрокалориферной установки

2.1 Выбор электрокалориферной установки

По рассчитанному значению мощности Р_к выбираем электрокалориферную установку СФОЦ-60/0,5Т [3, стр. 120].

Номинальная мощность Р_н = 60 кВт

2.2 Проверяем, способна ли установка обеспечивать требуемый объемный расход воздуха

Производительность по воздуху Q_VН = 1,1  (4000 )

Должно соблюдаться условие:

 (2.1)

,1 > 1,07

Условие выполняется. ЭКУ способна обеспечить требуемый воздухообмен в помещении.

2.3 Проверяем ЭКУ по температуре выходящего воздуха

Фактическая температура воздуха, выходящего из калорифера определяется по выражению

, (2.2)

где Р_н - номинальная мощность ЭКУ, Вт;

Q_VФ - фактический расход воздуха через калорифер, .

 (°С).

Предельно допустимая температура воздуха на выходе из установки СФОЦ-60 составляет 50 °С.

,5°С < 50°С, условие выполняется.

Определяем фактическую температуру поверхности оребрения ТЭНа.

 (2.3)

где Р₁ - мощность одного ТЭНа, Вт; (для СФОЦ-60/0,5Т Р₁=2500 Вт).

R_т - термическое сопротивление теплоотдаче от поверхности ТЭНа к омывающему его воздуху, ^оС / Вт.

 (2.5)

где: a - коэффициент теплоотдачи от поверхности ТЭНа к воздуху, ;

А_р - площадь поверхности оребрения ТЭНа, А_р = 0,32 м².

, (2.6)

где: l_В-теплопроводность воздуха, l_В = 2,59×10^-2  [1, табл. 5];

Р_Ч - число Прандтля, Р_Ч = 0,703;

V - скорость потока воздуха в электрокалорифере, м/с;

ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха, ν = 15,06×10^-6 м²/с.

, (2.7)

где: А_ж - площадь живого сечения электрокалорифера, м².

 (2.8)

где: l - высота окна электрокалорифера, l = 440×10^-3 м [1, табл. 6];

n₁ - число ТЭНов в одном вертикальном ряду.

Геометрические параметры оребрения ТЭНа [1, табл. 4]:

Шаг оребрения - S_P = 3,5×10^-3 м;

Наружный диаметр несущей трубы - d_ТР = 15×10^-3 м;

Высота ребра - h_Р = 14×10^-3 м;

Длина активной части - L_а = 480×10^-3 м.

, (2.9)

где: n₂ - число секций в электрокалорифере, для СФОЦ-60/0,5Т n₂ = 3 [3, стр. 120].

 (м²).

 (м/с).

(Вт/(м²×^оС)).

 (^оС / Вт).

 (⁰С).

Должно соблюдаться условие:

 (2.10)

,5 ⁰С < 180 ⁰С

Условие выполняется.

3. Разработка нестандартных узлов ЭКУ

3.1 Выбор вентилятора и определение мощности электродвигателя для его привода

Вентилятор подбираем по требуемым значениям давления Р = 650Па и объемной подачи воздуха Q_VТ = 3852 м³/ч (1,07м³/с). По номограмме [2, стр. 129] находим вентилятор типа Ц4-70 №4 с данными: h_В = 0,58 А = 4500.

Частота вращения вентилятора:

 (3.1)

 (об/мин).

Определяем требуемую мощность электродвигателя:

h_ПЕР - КПД передачи для непосредственного соединения валов равен 1;

h_В-КПД вентилятора.

 (Вт).

Установленную мощность электродвигателя определяется по формуле:

 (3.3)

где: К_З - коэффициент запаса мощности, К_З = 1,2 [2, стр. 130].

 (Вт).

Выбираем по каталогу [4, стр. 229] двигатель 4А80В4У3 Р_ном = 1,5 кВт, n = 1500 об/мин, h_дв = 0,77, cosj = 0,83.

3.2 Проектирование электрокалорифера

3.2.1 Конструктивный расчет ТЭНа

Мощность одной секции электрокалорифера:

 (3.4)

 (Вт).

Мощность одного ТЭНа:

, (3.5)

где n₁ - число ТЭНов в одной секции принимается кратным трем, n₁ = 6.

 (Вт).

Исходные данные для конструктивного расчета ТЭНа

·        питающее напряжение U=220 В;

·        мощность ТЭНа Р₁ = 2500 Вт;

·        материал проволоки Х15Н60-Н;

·        наружный диаметр трубки оболочки после опрессовки d_об.нар=13 10^-3 м.

1) Диаметр проволоки:

 (3.6)

где r - удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре, принимаем r₂₀ = 1,1×10^-6 Ом×м [1, табл. 8];

Р_А¹ = 28 ∙10⁴ Вт/м² [1, табл. 4].

 (м).

Принимаем стандартное d = 0,60 мм.

) Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре:

 (3.7)

 (Ом).

) Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при температуре 20 ⁰С

, (3.8)

где: К_т - поправочный коэффициент, принимаем К_т = 1,074 [1, табл. 8].

 (Ом).

) Электрическое сопротивление спирали до опрессовки ТЭНа:

, (3.9)

где: a_R - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате опрессовки, принимаем a_R = 1,3 [1, стр. 32].

 (Ом).

) Длина проволоки в рабочей части ТЭНа:

 (3.10)

 (м).

) Предусматривается навивка проволочной спирали на стержень диаметром:

 (мм). (3.11)

) Средний диаметр спирали:

d_c = d₁ +d (3.12)

d_c = (5,4 + 0,6)^.10^-3 = 6^.10^-3 (м).

) Длина одного витка спирали до опрессовки:

, (3.13)

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

 (м).

) Активное число витков:

 (3.14)

10) Длина активной части трубки ТЭНа после опрессовки:

, (3.15)

где: Р_А¹¹ - удельная поверхностная мощность на трубке оболочки ТЭНа, Вт/м².

 (м).

) Длина активной части трубки оболочки ТЭНа до опрессовки:

 (м), (3.16)

где g - коэффициент удлинения трубки в результате опрессовки методом обсадки.

) Расстояние между витками спирали

 (м). (3.17)

) Потребная длина проволоки для изготовления спирали ТЭНа.

С учетом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 20 витков спирали на конец стержня.

 (м). (3.18)

) Полная длина трубки ТЭНа

 (м), (3.19)

где L_п - длина пассивного конца, принимаем L_п = 0,05 м [1, стр. 34].

3.2.2 Проверочный тепловой расчет ТЭНа

1) Мощность ТЭНа на первом этапе расчета принимают Р=Р_1.

 (3.20)

 Ом

) Термическое сопротивление наполнителя

 (3.21)

Ом

где: l_Н - теплопроводность наполнителя;

К_С - коэффициент, учитывающий различие усилий теплообмена в реальной конструкции нагревателя и в эквивалентной составной трубе;

d_с.нар - наружный диаметр спирали.

 (3.22)

 м

 (3.23)

 (3.24)

где: П - пористость периклаза в готовом ТЭНе;

Т_п - средняя температура периклаза.

 (3.25)

где: r₁ - плотность периклаза после опрессовки;

r₂ - плотность периклаза с нулевой пористостью.

 (3.26)

) Температура спирали ТЭНа

 (3.27)

) Уточняем значение Т_с.

Удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре

 (3.28)

 Ом. м

Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре

 (3.29)

 Ом

Мощность ТЭНа при рабочей температуре

 (3.30)

 Вт

Уточняем

 ⁰С

 Ом

) Максимально допустимая рабочая температура материала спирали.

 (3.31)

,12⁰С £ 975⁰С.

4. Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭКУ

В качестве базовой схемы примем схему управления ЭКУ СФОЦ [1].

Схема управления должна обеспечивать:

1. защиту секций ЭКУ, электродвигателя вентилятора и схемы управления от токов

короткого замыкания (предохранители FU1…FU10, токовой отсечкой автомата QF1);

2. защиту двигателя вентилятора от перегрузки (тепловой расцепитель автомата QF1);

3. ручное и автоматическое регулирование мощности ЭКУ для поддержания заданной температуры воздуха в отапливаемом помещении (переключатели SA1, SA2, датчиками температуры SK1 и SK2);

4. блокировку, исключающую подачу напряжения на секции электрокалорифера при выключенном двигателе вентилятора (контактами автомата QF1);

5. отключение ЭКУ при повышении температуры на поверхности ТЭНов выше 180°С (датчик температуры SK1);

6. световую сигнализацию о подаче напряжения от сети на схему управления, о включении двигателя вентилятора и секций калорифера.

В данном случае схему усовершенствуем: устанавливаем дополнительную световую сигнализацию об отключении калорифера при перегреве ТЭНов (сигнальная лампа HL5 красного цвета зажигается при работе датчика SK1 и промежуточного реле KL).

Автоматический режим работы установки обеспечивается переключателем SA1. Когда в помещении температура выше нормы, контакты SK2 и SK3 датчиков температуры ДТКБ разомкнуты и ступени нагревателя отключены рукоятка SA1 должна находиться в правом положении. При уменьшении температуры SK2 замыкается и включает первую ступень блока нагревателей. В случае дальнейшего снижения температуры замыкается SK3 и включается вторая ступень нагревателя. Отключение в обратном порядке.

В ручном режиме переключатель SA1 переводят в левое положение, в этом случае SA2 включает первую а затем вторую ступени нагревателя. В аварийном режиме срабатывает датчик ТР-200 (SK1), который отключает реле KL.

5. Выбор силовых проводов и аппаратуры управления и защиты

Рассчитываем ток для электрокалорифера

 (5.1)

 А

где: Р_с - расчетная активная мощность секции; U_н - номинальное линейное напряжение сети.

Рассчитываем ток двигателя вентилятора

 (5.2)

 А

где: Р_дв.н - номинальная мощность электродвигателя; h_н - номинальный КПД электродвигателя; cosj_н - номинальный коэффициент мощности электродвигателя.

6. Эксплуатация и техническое обслуживание

Электрокалориферы и электрокалориферные установки предназначены для нагрева приточного воздуха и системах воздушного отопления, теплицах н сушильных установках.

Электрокалорифер состоит из трубчатых нагревательных элементов, подключенных к клеммной колодке и закрепленных в стальной раме, с боков закрытой защитными кожухами. Электрокалорифер комплектуется вентилятором.

Электрокалориферные установки состоят из электрокалорифера типа СФО и центробежного или осевого вентиляторов типов ЦЧ-70 и МЦ, расположенных на одной раме, а также шкафа с аппаратурой автоматического управления. Нагревательные элементы установлены внутри каркаса электрокалорифера в три ряда в шахматном порядке. Каждый вертикальный ряд нагревателей представляет собой самостоятельную тепловую секцию. Нагреватели, соединенные звездой, получают питание от сети переменного напряжения 380 В частотой 50 Гц.

Подготовка электрокалориферов и установок к работе.

Перед началом эксплуатации нового или находившегося на хранении ранее бывшего в эксплуатации электрокалорифера или установки необходимо выполнить следующее.

. Снять упаковочную тару.

. Очистить калорифер снаружи от пыли щеткой-сметкой и протереть обтирочным материалом.

. Снять смазку с законсервированных деталей обтирочным материалом, смоченным бензином или уайт-спиритом.

. Проверить и при необходимости подтянуть крепежные винты, болты и гайки.

. Проверить мегомметром на 500 В сопротивление изоляции секции электронагревателей в холодном состояний относительно корпуса. Оно должно быть не менее 0,5 МОм.

. Заземлить корпус, а также электродвигатель вентилятора и убедиться в надежности защитного заземления путем измерения омметром переходного сопротивления между любой металлической частью установки и зажимом заземления. Переходное сопротивление должно быть не более 0,1 Ом.

. Убедиться в правильном соединении электронагревателей и в плотности контактных соединений.

. Проверить, не касаются ли токоведущие части корпуса электрокалорифера или защитных кожухов.

. Проверить и при необходимости обеспечить плотное соединение гибкого рукава с патрубками вентилятора и калорифера.

. Подсоединить кабели к электронагревателям и электродвигателю, а также провода терморегуляторов к щиту управления.

. Включить вентилятор установки на короткое время для проверки направления вращения рабочего колеса или лопастей.

. Включить установку, убедиться в исправной ее работе и отрегулировать при помощи шибера производительность и температурный режим работы установки.

7. Техника безопасности

Работы по техническому обслуживанию и текущему ремонту а также другие виды работ по электрооборудованию необходимо выполнять в строгом соответствии с «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правилами] техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденными Министерством энергетики и электрификации СССР.

К выполнению работ по техническому обслуживанию и текущему ремонту электроустановок допускаются электромонтеры и электрослесари, прошедшие в установленные сроки медицинское освидетельствование, знающие правила и инструкции по технике безопасности, прошедшие обучение безопасным методам работы и проверку знаний с присвоением определенной квалификационной группы, обученные приемам освобождения пострадавшего от электрического тока и правилам оказания первой помощи пострадавшим.

Техническое обслуживание и текущие ремонты электрооборудования проводят при полностью снятом напряжении, то есть электроустановка должна быть полностью отключена от сети. Для исключения ошибочной подачи напряжения к месту работы персонала снимают предохранители, прокладывают изоляционный материал между губками и ножами рубильников, отъединяют кабели.

На рукоятках выключающих аппаратов вывешивают плакат: «Не включать - работают люди». После вывешивания предохраняющих плакатов убеждаются в отсутствии напряжения на всех фазах, пользуясь индикатором, вольтметром или контрольной лампой.

Под напряжением работают только при испытании отремонтированных машин и аппаратов и только в случае, если этого требует технология проверки.

При работе на электродвигателях необходимо принимать меры к тому, чтобы двигатель не пришел во вращение со стороны приводимого механизма.

Запрещается работать в одежде с подвернутыми рукавами и без головного убора. При работе с вращающимися контактными кольца ми, коллектором и щетками рукава работающего должны быть застегнуты у кисти, а на руки надеты диэлектрические перчатки.

При ремонте электропроводок провода или кабели нельзя затягивать, стоя на приставной или раздвижной лестнице. Вручную провода и кабели можно затягивать в трубы при минимальных усилиях, а при тяжелых условиях - при помощи лебедки. Закрепление провода должно быть надежным и не допускать обрыва при натяжении. Электромонтер, подающий провод или кабель в трубы, должен работать с особой осторожностью, остерегаясь затягивания руки в трубу.

Запрещается опирать лестницу на тросовый провод. У лестниц, устанавливаемых на гладких поверхностях, основания обивают резиной, а у тех, которые устанавливают на земле, на основания надевают острые металлические наконечники. Работы с применением лестниц могут выполнять не менее двух электромонтеров.

При обслуживании и ремонте электрооборудования запрещается применять металлические лестницы.

Испытания электрооборудования с использованием повышенного напряжения должны проводить лица, прошедшие специальную подготовку и имеющие практический опыт проведения испытаний в действующих электроустановках. Перед началом испытания необходимо проверить заземление корпусов испытываемого оборудования и надежно заземлить испытательную установку. Место испытания, а также соединительные провода, находящиеся под высоким напряжением, должны быть ограждены. Кроме того, должен быть вывешен плакат: «Стой - высокое напряжение».

Все отъединения и присоединения проводов на испытательной установке и испытуемом электрооборудовании должно выполнять одно и то же лицо, пользуясь при этом диэлектрическими перчатками. После окончания испытания необходимо разрядить испытуемое электрооборудование на землю.

При проведении слесарных работ по разборке, ремонту и сборке электрических машин и аппаратов необходимо пользоваться съемниками, обеспечивающими безопасность. При рубке твердых и хрупких металлов зубилом или крейцмейсером необходимо надевать защитные очки.

При работе на сверлильном станке запрещается придерживать детали руками или закреплять деталь во время работы станка.

Допуск к работе в электроустановках персонала сторонних организаций, с которыми заключены договора на обслуживание и ремонт (в том числе «Сельхозэнерго» или Госкомсельхозтехники), должен оформляться в соответствии с требованиями «Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей».

Литература

электрокалориферный тепловой вентилятор мощность

1. Файн В.Б. Курсовая работа по электротехнологии: Учеб. Пособ. / ЧИМЭСХ Челябинск, 1988. - 48 с.

2. Захаров А.А. Применение теплоты в сельском хозяйстве. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1986. - 288 с., ил.

3. Электротехнология / А.М. Басов, В.Г. Быков, А.М. Лаптев, В.Б. Файн. - М.: Агропромиздат, 1985. - 256 с., ил.

4. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Ф74 Под общ. ред. И.П. Копылова и П.К. Клокова. Т. 1.-М: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.