Расчет электрокалориферной установки

Размещено на http://www.allbest.ru

Задание для курсового проекта и выбор исходных данных

Исходные данные для курсового проекта выбираем из методических рекомендаций к курсовому проектированию по электротехнологии по последней цифре шифра зачетной книжки из [6. приложение 1, табл.1.1]:

тип помещения - коровник;

N - число голов животных, N=150;

V0 - удельный объем помещения, м3/гол, V0=15 м3/гол;

Н - напор воздуха вентилятора, Н/м2, Н=700 Н/м2.

По предпоследней цифре шифра зачетной книжки и по типу помещения в тех же методических рекомендациях к курсовому проектированию по электротехнологии [6. приложение 1, табл.1.2] выбираем:

ВН - температуру внутри помещения,0С, вн =150С;

Н - среднюю температуру наружной среды,0С, н=-250С;

СР - среднюю температуру за отопительный период,°С, ср=-1,5°С;

Q0 - тепловую характеристику помещения, кДж/(м3°С), q0=2,2 кДж/(м3°С);

расположение ТЭНов в нагревательном блоке - коридорное.

По последней и предпоследней цифре шифра из [6. приложение 1, табл.1.3] выбираем вид и живую массу животных. В нашем случае это коровы весом 400 килограмм.

Влажность внутри помещения принимаем wвн=70%, а снаружи -wн=80% .

Аннотация

Расчёт электрокалориферной установки

Пояснительная записка 23 с., 4 рис., 6 источников, 2 приложения

Определена мощность электрокалорифера на основе данных из методических рекомендаций к курсовому проектированию по электротехнологии, произведён тепловой расчёт нагревательных элементов, выбран вентилятор и определена мощности электродвигателя для его привода, произведён расчёт конструктивных параметров нагревательного устройства, сети подключения, выбрана аппаратуры управления и защиты и разработана схема управления электрокалориферной установкой.

Содержание

Введение

1. Расчёт электрокалориферной установки

1.1 Определение мощности электрокалорифера

2. Тепловой расчёт нагревательных элементов

2.1 Выбор скорости воздушного потока

2.2 Определение критерия Рейнольдса

2.3 Определение критерия Нуссельта

2.4 Определение коэффициента конвективного теплообмена

3. Определение температуры воздушного потока

3.1 Расчет площади теплоотдающей поверхности всех ТЭНов

3.2 Выбор марки и количества ТЭНов

3.3 Компоновка нагревательного блока

3.4 Определение среднего коэффициента теплоотдачи

3.5 Проверка условия охлаждения нагревателей 1-го ряда

4. Выбор вентилятора и определение мощности электродвигателя для его привода

4.1 Расчет конструктивных параметров нагревательного устройства

4.2 Расчет сети подключения, выбор аппаратуры управления и защиты

4.3 Разработка схемы управления электрокалориферной установкой

Заключение

Список использованных источников

электрокалориферная установка нагревательный вентилятор

Введение

Микроклимат в помещении -- это климат ограниченного пространства, включающий в себя совокупность факторов среды: температура, влажность, скорость движения и охлаждающая способность воздуха, атмосферное давления, уровень шума, содержание взвешенных в воздухе пылевых частиц и микроорганизмов, газовый состав воздуха и др.

Экономическая эффективность интенсивного ведения животноводства на промышленной основе зависит от рационального содержания животных, которое в значительной мере определяется наличием оптимального микроклимата в помещениях. Какими бы высокими породными и племенными качествами ни обладали животные, без создания необходимых условий микроклимата они не в состоянии сохранить здоровье и проявить свои потенциальные производительные способности, обусловленные наследственностью. Влияние микроклимата проявляется через суммарное воздействие его параметров на физиологическое состояние, теплообмен, здоровье и продуктивность животных.

1. Расчёт электрокалориферной установки

1.1 Определение мощности электрокалорифера

Теплопроизводительность электрокалорифера в кДж/ч для отопительно-вентиляционной системы животноводческих помещений определяется из уравнения теплового баланса:

(1)

где - теплопотери через ограждения помещений, кДж/ч;

- теплопотери, обусловленные вентиляцией, кДж/ч;

-теплота, выделяемая животными, кДж/ч. Теплопотери через ограждения определяем по формуле:

(2)

где - тепловая характеристика помещения, т.е. количество теплоты, теряемое за 1 час одним кубическим метром объема при разности температур в 1°С, кДж/(м3 • 0С• ч);

V - объем помещения, м3;

- соответственно температура внутри и снаружи помещения,0 С.

Объем помещения находим по числу N голов коров и объему V0, приходящемуся на одну голову:

V = N * V0

V= 150*15 = 2250м3.

Подставляя числовые значения в формулу (2), найдем

Q=2,2•2250*(15-(-25)) = 198000

Количество тепла, теряемого с вентиляцией:

(3)

где - производительность вентиляционных установок, м3/ ч;

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

= 1,2 кг/м3 - плотность воздуха.

Для определения производительности вентиляционных установок предварительно найдем расход воздуха по удалению избыточной влаги и углекислоты на одну голову в час.

В качестве расчетного примем большее значение расхода, полученного для указанных вредностей.

Расход воздуха по удалению влаги:

(4)

где W - выделение влаги внутри помещения, г/(гол•ч);

и - влагосодержание соответственно наружного и внутреннего воздуха, г/м3.

Влага, выделяемая внутри помещения, определяется формулой:

(5)

где - влага, выделяемая дыханием и кожей животным, г/(гол•ч);,

W2 = 0,14, - количество влаги, испаряющейся с пола, стен, потолка и с технологического оборудования, г/(голч).

Влага, выделяемая животным, определяется формулой

(6)

где - поправочный коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемой влаги в зависимости от температуры воздуха внутри помещения [6, приложение 3, 5]

- норма выделения влаги на 1голову животного.

Для коров норма выделения влаги на 1кг живой массы животного составляет 123г/ч [6, приложение 4]. Согласно [6,приложению 5] при температуре 16°С поправочный коэффициент =1,1. Таким образом, получим

=1,26•400250 = 126000 ,

Тогда = 0,14, = 0,14 * 126000 =17640 ,

W = 126000 + 17640 = 143640.

Влагосодержание наружного и внутреннего воздуха найдем по [6, приложению 6] при влажности =70% внутри помещения и =80% снаружи:

Тогда по формуле (4):

Расход воздуха по углекислоте:

(7)

где 1 ,2 - коэффициент, учитывающий выделение углекислоты микроорганизмами

КСОг- количество углекислоты, выделяемое животным, л(голч);

Свн, Сн - допустимое содержание СО2 внутри помещения и снаружи.

В животноводческих помещениях концентрация углекислоты не должна превышать 2,5 л/м3. Концентрация СО2 в наружном воздухе в сельской местности составляет 0,3ч0.4 л/м3.

Количество углекислоты, выделяемое животным:

(8)

где - поправочный коэффициент, зависящий от температуры в помещении [6, приложение 3, 5].

- норма выделения СО2 на 1 голову животного, л/(голч).

По [6, приложению 5] поправочный коэффициент =1,1 . По [6, приложению 4] норма выделения углекислоты для коров составляет 50 л/ч на 1 голову животного. Получим:

К=1,1 •400•50 =34760

Приняв С = 2 л/м3 и С=0,4 л/ м3 , по формуле (7) вычислим

=19862

Т.к. >, принимаем =L1СО2=19862.

Определив вентиляционную норму на голову и зная число коров в помещении, вычислим необходимую производительность вентиляционной установки:

Проверяем производительность вентиляционной установки на допустимую кратность воздухообмена в помещении:

Kв = ,

Kв = = 1387.

что удовлетворяет требованиям: допустимая кратность воздухообмена в животноводческих помещениях в отопительный сезон .

По формуле (3) вычисляем количество тепла, теряемое с вентиляцией:

Количество тепла Qж в кДж/ч, выделяемое животными:

 (9)

где - теплота, выделяемая одним животным, кДж/(гол•ч).

Для вычисления воспользуемся формулой:

(10)

где - поправочный коэффициент, зависящий от температуры в помещении [6, приложение 5].

- норма выделения теплоты коровами, Вт.

По [6,приложению 5] для =0,025. По [6, приложению 2] норма выделения теплоты коровами массой 400 килограмм составляет Q1норм = 215 Вт. По формуле (10) получим

Тогда =369•150=55350 кДж/ч, и по формуле (1) определяем производительность электрокалориферов коровника:

Общая мощность системы отопления

В животноводческих помещениях рекомендуется принимать мощность одной калориферной установки не более 50кВт при четном числе отопительно-вентиляционных установок.

Определяем число Z отопительно-вентиляционных установок:

Приняв Z=1, найдём расчётную мощность одного калорифера:

В заключение этого раздела приведём эскиз электрокалориферной установки (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Общий вид электрокалориферной установки.

2. Тепловой расчёт нагревательных элементов

В качестве нагревательного устройства в электрокалориферах используем геометрические нагревательные элементы (ТЭНы), смонтированные в конструктивный блок. Порядок расчёта следующий:

2.1 Выбор скорости воздушного потока

Для обеспечения эффективной термической нагрузки ТЭНов, не приводящей к перегреву нагревателей, обеспечивают движение потока воздуха в зоне нагревателей со скоростью не менее 6 м/с. Учитывая возрастание аэродинамического сопротивления конструкций воздушного канала и нагревательного блока с ростом скорости потока воздуха, ограничивают последнюю до 10м/с. Поэтому принимаем

2.2 Определение критерия Рейнольдса

Критерий Рейнольдса, который определяет режим обтекания ТЭНов воздухом, вычисляется по формуле:

(11)

где VВ - скорость воздушного потока, м/с;

D - диаметр ТЭНа, м;

= 18,5 - коэффициент кинематической вязкости воздуха.

Приняв D = 12·10-3 м, вычисляем Rе = =6486,5

2.3 Определение критерия Нуссельта

Критерий Нуссельта позволяет определить коэффициент теплоотдачи нагревателей в зависимости от расположения ТЭНов в пучке. В нашем случае расположение коридорное (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема расположения нагревателей в пучках

Формулы для вычисления критерия Нуссельта имеют следующий вид:

*для коридорных пучков труб:

при Rе< Nu = 0,49Rе05 , (12)

при Rе> Nu = 0,149Rе. (13)

где Nи - критерий Нуссельта;

Rе - критерий Рейнольдса.

Для шахматного расположения ТЭНов при Rе=6486,5>1•103, вычисляем Nu по формуле (13):

Nu = 0,149 *6486,50,65 = 44,77.

2.4 Определение коэффициента конвективного теплообмена

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент конвективного теплообмена по формуле

(14)

где Nи - критерий Нуссельта;

= 0,027 Вт/м•°С - коэффициент теплопроводности воздуха.

3. Определение температуры воздушного потока

Температуру воздушного потока определяем по выражению:

(15)

где = -2,8 °С - средняя температура воздуха за отопительный период;

= 50 °С - температура воздуха на выходе калорифера.

3.1 Расчет площади теплоотдающей поверхности всех ТЭНов

Площадь F теплоотдающей поверхности всех ТЭНов:

, (16)

где - полный тепловой поток, переданный от нагревателя воздуху, равный мощности калорифера, Вт;

к - коэффициент конвективного теплообмена, вычисленный по формуле (14), Вт/(м30С);

- соответственно температура теплоотдающей поверхности нагревателя и воздушной среды, С.

Температура теплоотдающей поверхности нагревателя принимаем равной 380°С, и по формуле (16) вычисляем

3.2 Выбор марки и количества ТЭНов

Согласно [4] при нагреве воздуха в калорифере допустимая поверхностная мощность составляет 4,5ч5,5 Вт/см2. По [6, приложению 7] выбираем нагревательный элемент №8 марки ЭТ-160, который имеет следующие технические данные:

номинальная мощность Р=2,0кВт;

номинальное напряжение Uн= 220В;

номинальный ток Iн= 9.09А;

развернутая длина =1600мм;

активная длина l=1440мм;

удельная поверхностная мощность Рл= 3.69Вт/см2;

диаметр D=12мм.

Площадь теплоотдающей поверхности данного ТЭНа

Исходя из требуемой площади Рн теплоотдающей поверхности всех нагревательных элементов, определяем расчетное число ТЭНов:

(17)

соблюдая правило:ZT, = 3n, (18)

где - выбранное число ТЭНов;

n - положительное целое число, при этом n < 8.

Следовательно, количество ТЭНов в одном калорифере должно быть не более двадцати четырех.

Вычисляем по формуле (17) расчетное число ТЭНов:

Согласно условию (18) принимаем ZТ= 15. При этом расчетная мощность одного ТЭНа

что удовлетворяет условию

3.3 Компоновка нагревательного блока

Выбрав марку и определив число ТЭНов, производим предварительную компоновку нагревательного блока, располагая 15 нагревателей в 3 ряда по 5 нагревателей в каждом ряду.

3.4 Определение среднего коэффициента теплоотдачи

Средний коэффициент теплоотдачи (коэффициент конвективного теплообмена) пучка труб определяем по формулам:

для коридорных пучков (19)

где т - количество рядов труб в пучке нагревательного блока;

ак - коэффициент конвективного теплообмена, вычисленный ранее по

формуле (14).

Для коридорных пучков при т = 3 по формуле (19) вычисляем

3.5 Проверка условия охлаждения нагревателей 1-го ряда

Конструкцию сформированного нагревательного блока следует проверить по условию охлаждения первого ряда нагревателей, находящихся в наиболее неблагоприятных условиях.

Для первого ряда нагревателей скомпонованного нагревательного блока должно выполняться условие:

<380°С, (20)

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

- средний коэффициент конвективного теплообмена, вычисленный ранее по формуле (19);

Р - суммарная мощность нагревателей первого ряда ТЭНов, Вт;

-температура воздушной среды, °С;

F- суммарная площадь теплоотдающей поверхности первого ряда ТЭНов, м2.

Значения определяются из параметров выбранных ТЭНов:

(21)

(22)

где k - число ТЭНов в ряду;

Выполняем расчет по условию (20):

Условие (20) выполняется. Значит, данный нагреватель, скорость воздуха и конструкция блока выбраны правильно.

4. Выбор вентилятора и определение мощности электродвигателя для его привода

Производительность одного вентилятора

Требуемую подачу вентилятора с учетом потерь и подсосов воздуха в воздуховодах определяем по формуле:

(23)

где - коэффициент, учитывающий потери (подсос) воздуха в воздуховодах.

Для стальных, асбоцементных и пластмассовых воздуховодов длиной до 50м коэффициент =1,1.

Тогда по формуле (23) вычислим:

Для электрокалориферных установок животноводческих помещений рекомендуется использовать центробежные вентиляторы, способные развивать высокое давление при достаточно большой подаче. Наилучшие аэродинамические свойства имеют вентиляторы типа Ц4-70.

Зная подачу и напор вентилятора, по номограмме в [6, приложение 16] выбираем вентилятор Ц4-70 № 5 и находим рабочую точку, определяющую КПД вентилятора = 0,73 и безразмерный коэффициент А=6000, по которому вычисляем частоту вращения вентилятора:

Мощность электродвигателя для привода вентилятора определяем по формуле

(24)

где - подача вентилятора, м3/с;

Нв - полный напор, Н/м2;

- КПД вентилятора;

- КПД передачи;

k3 - коэффициент запаса.

Значение коэффициента запаса принимаем равным 1,1 (из интервала 1,1ч1,15). Полагая, что скорости вращения вентилятора и электродвигателя совпадают, принимаем =1 и вычисляем

Вентиляторы рекомендуется комплектовать трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором серий АИР, 5А.

Поэтому по [6, приложению 8] выбираем электродвигатель типа АИР80А4 с синхронной частотой вращения 1500мин. Его технические данные:

 = 1.1 кВт; =7%; = 75%; ,

Номинальный ток выбранного двигателя:

4.1 Расчет конструктивных параметров нагревательного устройства

В расчет конструктивных параметров блока ТЭНов входит определение расстояний (в просвете): х - между нагревателями в ряду;

х2 - между рядами нагревателей, а также определение внешних размеров блока.

Для расчета х определяем «живое» сечение блока нагревателей, т.е. не занятую ТЭНами площадь воздушного канала:

(25)

где расчетная воздухопроизводительность вентилятора, м3/с;

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

Вычисляем:

Расстояние между нагревателями в ряду х1 определяем по выражению:

(26)

где k - число ТЭНов в ряду;

- активная длина ТЭНа, м.

При k=5

Расстояние между рядами нагревателей х2 определяем из условий: при

(27)

При выбранном D=12мм 10 ? =18, поэтому по условию (27)

х2=1,210=12 мм.

Высоту H и ширину В блока нагревателей определяем из выражений:

(28)

(29)

где l - развернутая длина ТЭНа, мм.

Глубину С блока нагревателей определяем из выражения:

С = (m + 1)х2+mD, (30)

где m - число рядов ТЭНов.

При m = 3 С = (3 + 1)10 + 3·12 = 76мм.

1-керамический изолятор; 2-металлическая трубка; 3-окись магния; 4-спираль; 5-выводы

Рисунок 4 - Разрез гладкого ТЭНа

4.2 Расчет сети подключения, выбор аппаратуры управления и защиты

Расчет силовой сети электрокалориферной установки и линии ее подключения, а также выбор аппаратуры управления и защиты производится по рабочим токам.

Для линии электрокалорифера величина рабочего тока определяется по формуле:

(31)

а для линии электродвигателя - по формуле:

(32)

где РК1 - мощность калорифера, кВт;

Uн - номинальное напряжение на зажимах калорифера, равное линейному напряжению сети, В;

kЗД - коэффициент загрузки электродвигателя.

Коэффициент загрузки электродвигателя учитывает несоответствие значений расчетной мощности и номинальной мощности, а также характер нагрузки рабочей машины, учитываемый коэффициентом загрузки рабочей машины kЗМ.

Для вентиляторов рекомендуется принимать коэффициент загрузки kЗМ =1. С учетом этого обстоятельства имеем:

Вычисляем по формулам (31) и (32):

Рабочий ток для линии секции электрокалорифера:

Рабочий ток магистрали, питающей электрокалориферную установку, равен сумме рабочих токов калорифера и двигателя:

Для магистрали максимальный ток равен сумме рабочего тока линии калорифера и пускового тока двигателя:

Пусковой ток двигателя:

где - кратность пускового тока двигателя.

Для выбранного двигателя IПУСК = 5,5 * 9,09 = 49,9А, тогда максимальный ток магистрали

Imax=78.8+(5.5*9.09)=128.8 A.

По вычисленным рабочим токам выбираем согласно [6, приложению 9]:

для линии электрокалорифера - кабель ВВГ 3Ч16;

для линии электродвигателя - кабель АВРГ 3Ч2,5;

для магистрали - кабель ВВГ 3Ч25+1Ч10.

Подключение к сети магистрали и линии электродвигателя осуществляем с помощью автоматических воздушных выключателей ВА 47-100, которые выбираем по [6, приложению 12], исходя из условий:

*номинальное напряжение выключателя =380В;

*номинальный ток автомата равен рабочему току Iр или превышает его, т.е.

*номинальный ток расцепителя автомата также должен быть равен рабочему току или превышать его, т.е. IН.РАСЦ > IР;

*ток срабатывания автомата

Для подключения магистрали выбираем по [6, приложению 12] автоматический выключатель ВА 47-100 с комбинированным расцепителем, удовлетворяющий вышеуказанным условиям:

Для подключения двигателя выбираем выключатель ВА47-29, но с Iн.расц=2,9А>Iд=1,53А и .

Защиту секций электрокалорифера от коротких замыканий выполняем с помощью плавких предохранителей, которые выбираем из условия:

,

где - номинальный ток плавкой вставки;

- рабочий ток для линии секции электрокалорифера.

Каждую секцию электрокалорифера защищаем от коротких замыканий предохранителями ПРС-63 [6, приложение 10]:

Номинальное напряжение 380В;

Номинальный ток предохранителя 63А;

Ток плавкой вставки =80А > = 78А.

Включение электрокалорифера и двигателя вентилятора осуществляем магнитными пускателями, которые выбираем по [приложению 13], исходя из условий:

Для включения электрокалорифера выбираем магнитный пускатель КМИ-48010 с тепловым реле:

а для включения электродвигателя - магнитный пускатель КМИ-35010 (тоже с тепловым реле):

Далее все основные расчетные данные изображаем графически в виде схемы (см. приложение).

4.3 Разработка схемы управления электрокалориферной установкой

Схема управления электрокалориферной установкой должна обеспечить:

работу установки в ручном и автоматическом режимах;

световую сигнализацию: подачи напряжения;

работы каждой секции электрокалорифера; «калорифер включен»; «аварийный перегрев калорифера»; аварийное отключение установки при перегреве ТЭНов;

защиту электродвигателя и нагревательных элементов калорифера от токов короткого замыкания;

отключение и включение установки датчиками температуры воздуха в помещении.

Автоматическое управление отопительно-вентиляционной установкой должно предусматривать посекционное включение и отключение электрокалорифера в автоматическом и ручном режимах.

Включение нагревательных элементов калорифера при неработающем вентиляторе невозможно.

Контроль за температурой воздуха внутри помещения осуществляется с помощью терморегулятора ПТР-2, действие которого основано на изменении сопротивления полупроводников от температуры.

Принципиальная электрическая схема управления электрокалориферной установкой приведена в приложении. Описание ее работы приведено ниже:

Схема управления предусматривает автоматический и ручной режимы работы. В автоматическом режиме универсальный переключатель SA1 ставят в положение А. Получают питание катушки магнитных пускателей KM1-KM3 и включают все три секции нагревательных элементов калорифера, о чем сигнализируют лампы HL2-HL4.

Когда температура воздуха в отапливаемом помещении выше установленной, срабатывает температурный регулятор KМ6, размыкает свои контакты в цепи катушки магнитного пускателя KM1, который отключает одну секцию калорифера.

Если температура продолжает увеличиваться, регулятор температуры KМ6 лишает питания магнитный пускатель KM2, который прекращает работу второй секции. Третья секция работает аналогично.

Регуляторы KK3-КК5 защищают нагреватели от перегрева, размыкая свои контакты в цепи магнитных пускателей KM1-KM3, когда температура на поверхности (оребрения) нагревательных элементов превысит 180° С. В этом случае прекращают работу нагревательные элементы, а при понижении температуры включаются вновь. Ввод нагревателей в действие возможен лишь после включения вентилятора автоматическим выключателем QF2, блок-контакты которого находятся в цепях управления магнитными пускателем KM4.

В ручном режиме переключатель SA1 ставят в положение Р, а работой нагревательных секций электрокалорифера управляют при помощи ключа SA2: в положении 1 включена первая секция калорифера, в положении 2 первая и вторая, в положении 3 -- все три секции.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была спроектирована электрокалориферная установка, необходимая для коровника в котором содержатся 150 голов весом 400 килограмм.

При сравнении технических характеристик электрокалориферных установок мы видим, что предлагаемая нами установка близка по техническим характеристикам к установке типа СФОЦ-40.

Список использованных источников

1. Алиев А.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: Учеб. пособие для вузов. Ростов-на-Дону: Феникс, 2004.-480с.

2. Захаров А.А. Применение теплоты в сельском хозяйстве: Учебник. - М.: Агропромиздат, 1986.-287с.

3. Захаров А.А. Практикум по применению теплоты и теплоснабжению в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1995.-175с.

4. Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология: Учеб.пособие. М.: Колос, 1975.-384с.

5. Оберюхтин В.А. Светотехника и электротехнология. Часть 2. Методические указания по изучению дисциплины и задания для курсовой работы. -М.: Рос.гос.аграр.заоч.ун-т., 2004.-35с.

6.Электротехнология (методические рекомендации к курсовому проектированию) Сост. Н.В. Коняев, Ю.В. Назаренко, Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2009.-51с.

Размещено на www.allbest.