Расчет электрокалориферной установки для отопительно-вентиляционных систем

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ДЕПАРТАМЕНТ КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По Светотехнике и электротехнологии

На тему: Расчет электрокалориферной установки для отопительно-вентиляционных систем

Выполнил: студент IV курса Зянкин А. В Глазов 2009 год

Содержание

1. Задание курсовой работы

2. Характеристика объекта

3. Определение мощности электрокалорифера

4. Тепловой расчет нагревательных элементов

5. Выбор вентилятора и определение мощности электродвигателя для его привода

6. Расчет конструктивных параметров нагревательного устройства

7. Расчет сети подключения, выбор аппаратуры управления и защиты

8. Разработка схемы управления электрокалориферной установкой Литература

Введение

Актуальным вопросом в сельском хозяйстве является создание и строительство полностью механизированных и автоматизированных процессов. Цикл работы в них будет осуществляться автоматически, т. е. без вмешательства человека. При введении данных новшеств функции человека будут сводиться к контролю за работой и эксплуатацией оборудования.

Излишнее содержание углекислоты, аммиака и влаги в воздухе, а также отклонение температуры от допустимых пределов, приводит к снижению продуктивности и ухудшению здоровья животных.

Известно, что несоблюдение указанных норм приводит к снижению молочной продуктивности коров на 10−15, уменьшению привеса свиней на 20−30, снижению яйценосности кур на 15−20. При разработанной и правильно установленной отопительно-вентиляционной системе эти недостатки невозможны.

1. Задание курсовой работы

1. Определить мощность электрокалорифера.

2. Произвести тепловой расчет нагревательных элементов.

3. Выбрать вентилятор и определить мощность электродвигателя для его привода.

4. Рассчитать конструктивные параметры нагревательного устройства.

7. Рассчитать сети подключения, выбрать аппаратуру управления и защиты.

8. Разработать схему управления электрокалориферной установкой.

2. Характеристика объекта

1.Тип помещения — свинарник;

2.Число голов -80 шт.;

3.Удельный объем помещения V₀=12 м³/гол.;

4.Напор воздуха вентилятора Н=400 Н/м²;

5.Температура внутри помещения ?_вн =20 ?С;

6.Средняя температура наружного воздуха ?_н = -26? С;

7. Средняя температура за отопительный период ?_ср=-2,3? С;

8.Тепловая характеристика объекта q=3 кДж/(м³*? С);

9. Расположение тенов в нагревательном блоке — шахматное;

10. Свиноматки подсосные с поросятами, вес 100 кг.

3. Определение мощности электрокалорифера

Определяем объем помещения по числу голов свиней, :

(1)

где: N=100 — количество свиней, гол;

=12 — уд. объем помещения, /гол.

10 012=1200 .

Определяем теплопотери через ограждения, кДж/ч:

(2)

где: 3 — тепловая характеристика помещения, кДж/();

— 26

=31200(20-(-26))=165 000 кДж/ч.

Определяем влагу, выделенную свиньями, г/голч.:

=, (3)

где: =1,5 — поправочный коэффициент, учитывающий изменения количества выделяемой влаги в зависимости от температуры воздуха внутри помещения;

100 — живая масса свиньи, кг;

=282 — норма выделения влаги на 1 кг веса свиньи, г/ч.

1,5 100 282=42300 г/голч.

Определяем количество влаги, испаряющейся с пола, стен, потолка и с технологического оборудования, г/голч.

(4)

0,14 42 300=5922 г/голч.

Определяем влагу, выделяемая внутри помещения, г/голч.

(5)

W=42 300+5922=48 222 г/голч.

Определяем расход воздуха по удалениям влаги, / ч:

(6)

где: =10,3 — влагосодержание внутри помещения, г/м³;

=0,3 — влагосодержание наружного воздуха, г/.

Определяем количество углекислоты, выделяемой свиньями, л/голч:

(7)

где: =0,9 — поправочный коэффициент, зависящий от температуры в помещении;

=88 — норма выделения на 1 кг живой массы свиньи, л/ч.

л/гол*ч.

Определяем расход воздуха по углекислоте,

(8)

где: дополнительное содержание углекислоты в воздухе !! внутри помещения, л/

содержание углекислоты в воздухе снаружи помещения, л/

Так как <, принимаем .

Проверяем производительность вентиляционной установки на допустимую кратность воздухообмена в помещении:

(9)

.

Определяем количество тепла, теряемое вентиляцией, кДж/ч:

(10)

где: удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг);

плотность воздуха, кг/

кДж/ч.

Определяем теплоту, выделяемую свиньями, кДж/(голч):

(11)

где: поправочный коэффициент, зависящий от температуры в помещении;

норма выделения теплоты на 1 кг живой массы свиньи, кДж/ч.

кДж/(голч).

Определяем теплопроизводительность электрокалорифера, кДж/ч :

(12)

165 600+266185−117 705,6=314 079,4 кДж/ч Определяем общую мощность системы отопления, кВт:

(13)

кВт.

Определяем число относительно-вентиляционных установок:

(14)

.

Определяем расчетную мощность одного калорифера, кВт:

(15)

кВт.

4. Тепловой расчет нагревательных элементов

В качестве нагревательного устройства в электрокалориферах используем герметические нагревательные элементы, смонтированные в конструктивный блок. Учитывая обеспечение эффективной термической нагрузки ТЭНов, принимаем скорость потока воздуха м/с.

Для определения режима обтекания ТЭНов воздухом, определяем критерий Рейнольдса:

(16)

где: скорость воздушного потока, м/с;

диаметр ТЭНа, м;

коэффициент кинематической вязкости воздуха, /с.

Определяем критерий Нуссельта, который позволяет определить коэффициент теплоотдачи нагревателей в зависимости от расположения теннов в пучке. По заданию расположение нагревателей шахматное, поэтому формула примет вид:

(17)

.

Определяем коэффициент конвективного теплообмена, Вт/:

(18)

где: коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/.

133,5 Вт/.

Определяем температуру воздушного потока, :

(19)

где: средняя температура воздуха за отопительный период, ;

температура воздуха на выходе калорифера.

Определяем площадь теплоотдающей поверхности всех ТЭНов,

(20)

где: полный тепловой поток, переданный от нагревателя воздуху, равный мощности калорифера, кВт;

температура теплоотдающей поверхности нагревателя, ;

.

По приложению 7 выбираем нагревательный элемент № 8 марки ЭТ-140, который имеет следующие технические данные:

· номинальная мощность кВт;

· номинальное напряжение 220В;

· номинальный ток 11,36А;

· развернутая длина l=1440 мм;

· активная длина мм;

· удельная поверхностная мощность 5,35 Вт/;

· диаметр D=12 мм.

Рисунок 1. Конструкция электротена.

Определяем площадь теплоотдающей поверхности выбранного ТЭНа, мм²:

(21)

м².

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

(22)

Определяем расчетную мощность одного ТЭНа:

(23)

Этот расчет удовлетворяет условию. Выбрав марку и определив число ТЭНов, производим предварительную компоновку нагревательного блока, располагая 19 нагревателей в 4 ряда: по 5 нагревателей в первых трех рядах и 4 нагревателя в четвертом ряду.

Рисунок 2. Расположение нагревателей в блоке.

Определяем средний коэффициент теплоотдачи пучка труб, Вт/м²:

(24)

где: m=4количество рядов труб в пучке нагревательного блока;

Вт/м ².

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

Для первого ряда нагревателей скомпанованного нагревательного блока должно выполняться условие:

(25)

где: суммарная мощность нагревателей первого ряда ТЭНов, Вт;

суммарная площадь теплоотдающей поверхности первого ряда ТЭНов, м ².

.

Данное условие выполняется. Значит, данный нагреватель, скорость воздуха и конструкция блока выбраны правильно.

5. Выбор вентилятора и определение мощности электродвигателя для его привода

Определяем производительность одного вентилятора, м³/ч:

(27)

где: расход воздуха, м³/ч;

число отопительно — вентиляционных установок.

м³/ч.

Определяем требуемую подачу вентилятора с учетом потерь и подсосов воздуха в воздуховодах, м³/ч:

(28)

где: коэффициент, учитывающий потери воздуха в воздуховодах.

м³/ч м³/с.

Зная подачу и напор вентилятора, по номограмме на с. 36 в /2/ выбираем вентилятор Ц4−70 № 4 и находим рабочую точку, определяющую КПД вентилятора и безразмерный коэффициент А=5100, по которому определяем частоту вращения вентилятора, мин^-1:

(29)

мин^-1.

Определяем мощность электродвигателя для привода вентилятора, кВт:

(30)

где: полный напор;

КПД вентилятора;

КПД передачи;

коэффициент запаса.

кВт.

По приложению 8 выбираем электродвигатель типа АИР71А4 с синхронной частотой вращения 1500 об/мин. Его технические данные: кВт; мин^-1; ;

Определяем номинальный ток выбранного двигателя, А:

(31)

6. Расчет конструктивных параметров нагревательного устройства

Для расчета конструктивных параметров блока ТЭНов определяем расстояние (в просвете): х₁— между нагревателями в ряду и х₂ — между рядами нагревателя, а также определяем внешние размеры блока.

Определяем «живое» сечение блока нагревателей, м²:

(32)

м².

Определяем расстояние между нагревателями в ряду, мм :

х₁, (33)

где: k=5 число ТЭНов в ряду;

активная длина ТЭНа, м.

мм.

Определяем расстояние между рядами нагревателей из условия:

=1,2 х₁, (34)

=1,2 13=16 мм.

Определяем высоту блока нагревателей, мм:

+, (35)

где: диаметр ТЭНа, мм.

+ мм.

Определяем ширину блока нагревателя, мм:

(36)

где развернутая длина ТЭНа, мм.

Определяем глубину блока нагревателей:

(37)

где: число рядов.

мм.

7. Расчет сети подключения, выбор аппаратуры управления и защиты

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

Определяем величину рабочего тока для линии электрокалорифера, А:

(38)

где: расчетная мощность одного калорифера, кВт;

напряжение сети, В.

Определяем коэффициент нагрузки электродвигателя:

(39)

где: расчетная мощность двигателя, кВт;

номинальная мощность двигателя, кВт;

коэффициент загрузки машины.

Определяем величину рабочего тока для линии электродвигателя, A:

(40)

где: номинальный ток двигателя, A.

A.

Определяем рабочий ток для линии секции электрокалорифера:

(41)

.

Определяем рабочий ток магистрали, питающей электрокалориферную установку, :

(42)

.

Определяем пусковой ток двигателя, :

(43)

где: кратность пускового тока.

.

Определяем максимальный ток магистрали, :

(44)

.

По вычисленным рабочим токам выбираем согласно приложению 9:

· для линии электрокалорифера — кабель АВРГ 325;

· для электродвигателя — кабель АВРГ 32,5;

· для магистрали — кабель АВРГ 325+1

Подключение к сети магистрали и линии электродвигателя осуществляется с помощью автоматических воздушных выключателей, которые выбираем по приложению 10, исходя из условий:

· номинальное напряжение выключателя В;

· номинальный ток автомата равен рабочему току или превышает его т. е.

· номинальный ток расцепителя автомата также должен быть равен рабочему току или превышает его, т. е.. ;

· срок срабатывания автомата .

Для подключения магистрали выбираем по приложению 10 автоматический выключатель А-3114/1 с комбинированным расцепителем, удовлетворяющий вышеуказанным условиям:

В;

;

;

Для подключения двигателя выбираем тот же выключатель АЕ 2036, но с 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-20 (приложение 11):

· номинальное напряжение 380В;

· номинальный ток предохранителя 63А;

· ток плавкой вставки ;

Включение электрокалорифера и двигателя вентилятора осуществляется магнитными пускателями, которые выбираем по приложению 12, исходя из условий:

;

.

Для включения электрокалорифера выбираем магнитный пускатель ПМЕ-212:

;

.

Для включения электродвигателя — магнитный пускатель ПМЕ-002 (с тепловым реле):

;

.

электрокалорифер привод мощность тепловой

8. Разработка схемы управления электрокалориферной установкой

1. Система стационарная, контактная.

2. Схема работает в 2х режимах: ручном и автоматическом. Переключение осуществляется тумблером поз. SA1.

3. Переключатель поз. SA1 устанавливает на «P"(ручной режим). Вентилятор (поз. М) включается магнитным пускателем поз. КМ1, который включается кнопочным постом поз. SB3. В схеме предусмотрена блокировка пусковой кнопки с соответствующим контактом магнитного пускателя поз. КМ1.1. Секции электрокалорифера поз. ЕК1; поз. ЕК2; поз. ЕК3 включается магнитным пускателем поз. КМ2; поз. КМ3; поз. КМ4 соответственно. Эти пускатели в свою очередь включаются переключателями поз. SA2; поз. SA3; поз. SA4.

4. Переключатель поз. SA1 устанавливаем на «A» (автоматический режим), при этом включается регулятор температуры поз. РТ1 (ПТР-2) и промежуточное реле поз. KV1, который в свою очередь своим контактом KV1.1 включает магнитный пускатель поз. КМ2. Этот пускатель включает первую секцию калорифера поз. ЕК1. При температуре воздуха менее 10⁰С терморегулятор своими контактами поз. РТ1.1 и поз. РТ1.2 включает магнитные пускатели поз. КМ3; поз. КМ4 соответственно. Эти пускатели включают вторую и третью секцию калорифера. Когда температура воздуха достигнет 20⁰С контакт РТ1.2 размыкается и отключает третью секцию калорифера. Если температура продолжает расти и достигнет 22⁰С размыкается контакт терморегулятора поз. РТ1.1, который отключит вторую секцию калорифера. При понижении температуры до 15⁰С контакт поз. РТ1.1 замкнётся и включит магнитный пускатель поз. КМ3 (2 секция калорифера поз. ЕК2). Если температура продолжает падать и достигнет 10⁰С замкнётся контакт поз. РТ1.2 и включит магнитный пускатель поз. КМ4 (3 секция калорифера поз. ЕК3).

5. Схема имеет блокировку от преждевременного включения секции калорифера. Она осуществляется контактом магнитного пускателя поз. КМ1.2.

6. В схеме предусмотрена световая сигнализация:

а. HL1- сигнализация сети.

б. HL2, HL3, HL4-сигнанализация включения 1,2,3 секций калорифера соответственно.

в. HL5- аварийное отключение секции калориферов при перегреве токов.

7. В схеме предусмотрена защита от токов К3 всех секций калорифера (предохранитель FU1- FU9). Электродвигатель защищен автоматическим выключателем QF2 и тепловым реле КК1. Также в схеме имеется вводный автомат QF1. Цель управления однополюсным автоматическим выключателем SF1. Защиту теннов от перегрева осуществляет датчик температуры поз. SK, который отключает промежуточное реле поз. KV2.1. Это реле отключает цепочку управления секциями калорифера.

1. Электротехнология: Учеб. пособие /А.М. Басов, В. Т. Быков, А. В. Лаптев, В. Б. Файн. — М.: Агропромиздат, 1985.

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

3. Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве: Справочник / Под ред. П. Н. Листовав. — М.: Колос, 1974.

4.Светотехника и электротехнология. Часть 2: Методические указания по изучению дисцмплины / Рос. гос. аграр. заоч. ун-т; Сост. В. А. Оберюхтин. М., 2004. 30 с.