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, ;

_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;

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

Принимая Т_в = 16 С и влажность _в = 70% по [2, прил. 14] определяем d_в = 4 г/кг; при Т_н = -30 С и _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 = 0,1…0,25 — для коровников и телятников; большее значение берется для помещений, где мало подстилки и плохо работает канализация. Примем = 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, ;

0,278 — 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)

где К_з — коэффициент запаса, К_з = 1,05…1,1. Примем К_з = 1,05;

— доля расчетной мощности, которая должна обеспечиваться от ЭКУ, %;

_ЭКУ — тепловой КПД, учитывающий потери от корпуса ЭКУ и воздуховодов, _ЭКУ = 0,95…1,0. Примем _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;

0,8 — 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-60/0,5 Т [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 > 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, .

©.

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

17,5С < 50С, условие выполняется.

Определяем фактическую температуру поверхности оребрения ТЭНа.

(2.3)

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

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

(2.5)

где: — коэффициент теплоотдачи от поверхности ТЭНа к воздуху, ;

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

(2.6)

где: _В-теплопроводность воздуха, _В = 2,5910^-2 [1, табл. 5];

Р_Ч — число Прандтля, Р_Ч = 0,703;

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

н — коэффициент кинематической вязкости воздуха, н = 15,0610^-6 м²/с.

(2.7)

где: А_ж — площадь живого сечения электрокалорифера, м².

(2.8)

где: l — высота окна электрокалорифера, l = 44 010^-3 м [1, табл. 6];

n₁ — число ТЭНов в одном вертикальном ряду.

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

Шаг оребрения — S_P = 3,510^-3 м;

Наружный диаметр несущей трубы — d_ТР = 1510^-3 м;

Высота ребра — h_Р = 1410^-3 м;

Длина активной части — L_а = 48 010^-3 м.

(2.9)

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

(м²).

(м/с).

(Вт/(м^2оС)).

(^оС / Вт).

(⁰С).

Должно соблюдаться условие:

(2.10)

142,5 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 (1,07 м³/с). По номограмме [2, стр. 129] находим вентилятор типа Ц4−70 № 4 с данными: _В = 0,58 А = 4500.

Частота вращения вентилятора:

(3.1)

(об/мин).

Определяем требуемую мощность электродвигателя:

(3.2)

_ПЕР — КПД передачи для непосредственного соединения валов равен 1;

_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, _дв = 0,77, cos = 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 — удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре, принимаем ₂₀ = 1,110^-6 Омм [1, табл. 8];

Р_А¹ = 28 •10⁴ Вт/м² [1, табл. 4].

(м).

Принимаем стандартное d = 0,60 мм.

2) Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре:

(3.7)

(Ом).

3) Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при температуре 20 ⁰С

(3.8)

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

(Ом).

4) Электрическое сопротивление спирали до опрессовки ТЭНа:

(3.9)

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

(Ом).

5) Длина проволоки в рабочей части ТЭНа:

(3.10)

(м).

6) Предусматривается навивка проволочной спирали на стержень диаметром:

(мм). (3.11)

7) Средний диаметр спирали:

d_c = d₁ +d (3.12)

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

8) 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).

9) 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).

11) Длина активной части трубки оболочки ТЭНа до опрессовки:

(м), (3.16)

где — коэффициент удлинения трубки в результате опрессовки методом обсадки.

12) Расстояние между витками спирали

(м). (3.17)

13) 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)

14) 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.

2) Термическое сопротивление трубки оболочки ТЭНа

(3.20)

Ом

3) Термическое сопротивление наполнителя

(3.21)

Ом

где: _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: ₁ — плотность периклаза после опрессовки;

₂ — плотность периклаза с нулевой пористостью.

(3.26)

4) Температура спирали ТЭНа

(3.27)

5) 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

6) Максимально допустимая рабочая температура материала спирали.

(3.31)

336,12⁰С 975⁰С.

4. Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭКУ

В качестве базовой схемы примем схему управления ЭКУ СФОЦ.

Схема управления должна обеспечивать:

защиту секций ЭКУ, электродвигателя вентилятора и схемы управления от токов

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

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

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

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

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

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; _н — номинальный КПД электродвигателя; cos_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.

1. Снять упаковочную тару.

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

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

4. Убедиться в отсутствии механических повреждений деталей.

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

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

7. 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.

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

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

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

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

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

13. 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».

электрокалориферный тепловой вентилятор мощность

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

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

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

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.