Содержание

 

Введение

    Общий подъем сельскохозяйственного производства неразрывно связан с развитием его теплофикации. Около 20% всей тепловой энергии, потребляемой народным хозяйством страны, расходуется на нужды сельского хозяйства. Во всех возрастающих количествах потребляется она на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение производственных, жилых и общественных зданий, создание искусственного микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях, сооружениях защищенного грунта, производство кормов для животных и птицы, сушку сельскохозяйственных продуктов, получение искусственного холода и на многие другие цели. Поэтому непрерывное совершенствование теплотехнического оборудования систем теплоснабжения и теплоиспользования оказывает большое влияние на дальнейшее развитие всех отраслей сельского хозяйства, перевод его промышленную основу. Основные производственные потребители теплоты в сельском хозяйстве – это животноводство и защищенный грунт.

    Создание  и поддержание оптимального микроклимата в животноводческих помещениях, комплексов и ферм, на птицефабриках – один из определяющих факторов в обеспечении здоровья животных, птиц, их воспроизводительной способности и получения от них максимума продукции при высокой рентабельности производства. Это имеет также важное значение для продления срока службы конструкций зданий, улучшение эксплуатации технологического оборудования и условий труда обслуживающего персонала.     
 
 

         
 

Тема  курсовой работы: «ЭЛЕМЕНТНЫЙ  НЕПРОТОЧНЫЙ  ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ  АККУМУЛЯЦИОННОГО  ТИПА  ДЛЯ  ГОРЯЧЕГО  ВОДОСНАБЖЕНИЯ»

Номер варианта: 36

Исходные данные:

Вид помещения  –доильный зал;

Количество  голов - ;

Температура холодной воды - ;

Схема соединения ТЭНов – “треугольник”;

Материал  спирали – Х23Ю5;

Наружный  диаметр трубки ТЭНа после опрессовки - ; 

Плотность периклаза после опрессовки - ;

Снижение  температуры воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети - ;

Коэффициент излучения покровного слоя – высокий;

Материал  тепловой изоляции – шлаковая минеральная вата марки 250. 

Задание выдал                                                                                        Быков В.Г.

Задание получил                                                                                     Огарков К.В.

  1 Определение требуемых параметров  ЭТУ

 

    Основными  параметрами  элементного  непроточного  водонагревателя, которые  необходимо  знать  для  его  выбора  или  проектирования, являются  вместимость  V, л, и расчетная мощность  Р_р, Вт.

    1.1 Удельные  суточные  нормы   расхода  нагретой  воды  на  каждую  операцию, осуществляемую  в  данном  помещении,  умножаем  на  численность  поголовья  животных  и  получаем  величину  (массу нагретой  воды, расходуемой на  эту операцию  для всего поголовья животных  за  сутки).

,

где  – норма  расхода  нагретой  воды  на  мойку доильных аппаратов на одну голову в сутки, кг.

,

где - норма расхода нагретой воды на мойку молокопровода в расчёте на одну голову в сутки, кг;

    - количество животных.

    1.2 Обычно  электроводонагреватель  выдает  горячую воду  с температурой  , а воду  с температурой , нужной  для выполнения той или иной  операции, получают, смешивая  в  нужной  пропорции  горячую  и  холодную  воду. Массу, кг, горячей воды, необходимой  для   операции  находят по  формуле: 

                                                 

,                                                       (1) 

   где  – температура холодной  воды, °С;  и - масса горячей воды необходимой для 1-й и 2-й операции; и - температура воды для 1-й и 2-й операции ( и ).

    По  выражению (1) определяем:

    

,

    

. 

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

    

,

где - количество операций.

.

    1.4 Для водонагревателя выбираем полностью аккумуляционный режим. Тогда  , а время нагрева можно принять ориентировочно  8…10 ч.

1.5 Полезный  тепловой  поток  водонагревателя. 

, 

   где с – удельная теплоемкость  воды; с=4190  Дж/кг×°С;

    М – масса воды, нагреваемой в водонагревателе, кг;

      – время, с, за которое  водонагреватель  должен нагревать воду массой М.

    

1.6 Расчетная мощность электроводонагревателя:

    

,

    где – коэффициент запаса, учитывающий необходимость увеличения мощности из–за старения нагревателей, возможности снижения питающего напряжения, увеличения тепловых потерь в процессе эксплуатации ( );

      – тепловой КПД водонагревателя .

    

    1.7 Расчетная вместимость бака водонагревателя

    

    Плотность воды принята равной 1 кг/л.

    2 Выбор стандартной ЭТУ

 

    По  рассчитанным значениям и выбирают один или несколько элементных водонагревателей типа САОС соответствующего типоразмера.

    Выбираем  три водонагревателя САОС – 1600.

     Таблица 1 - Технические данные водонагревателя САОС – 1600

    3 Разработка нестандартной ЭТУ

 

    В этом разделе разрабатывают элементный аккумуляционный водонагреватель, который обеспечил бы требуемые конкретные значения расчетной мощности и вместимости , определенных ранее.

    3.1 Конструкцию нестандартного водонагревателя принимают такой же, как и в серийном  водонагревателе САОС.

Высоту Н и  диаметр D бака водонагревателя следует определить из соотношения Н=2,5×D

    (здесь  V - вместимость водонагревателя, м³).

    

,

    

,

    

.

    Количество  групп ТЭНов принимается таким же, как и в серийном водонагревателе САОС.

    В нашем случае водонагреватель САОС – 1600 имеет две группы ТЭНов, расположенных в нижней и верхней частях бака.

    Число ТЭНов в водонагревателе n принимается на основании следующих соображений:

    а) мощность всех ТЭНов должна быть одинаковой;

    б) мощность одного ТЭНа желательно принимать в пределах 1,6…3 кВт;

    в) число ТЭНов в каждой группе должно быть кратным трем;

    г) отношение мощности нижней группы к мощности верхней группы (если групп две) желательно принимать в пределах 1,5…2.

    Мощность одного ТЭНа:

    

. 

    3.2 Конструктивный  расчет  ТЭНа

    Целью конструктивного расчета ТЭНа является определение диаметра проволоки , потребной длины проволоки для изготовления спирали ТЭНа , среднего диаметра витка спирали , расстояния между витками спирали , активного числа витков , полной длины трубки ТЭНа .

    Значение  удельной поверхностной мощности на проволоке спирали следует принять равным 38×10⁴ Вт/м², а значение удельной поверхностной мощности на трубке ТЭНа .

    а) питающее напряжение при схеме соединения ТЭНов в “треугольник” равно 380 В.

    б) мощность ТЭНа -

    3.2.1 Диаметр  проволоки, м

    

,

    

,

    где - удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре, Ом×м (допустимо вместо принять удельное сопротивление материала при ), .

   3.2.2 Электрическое  сопротивление, Ом, спирали ТЭНа при рабочей температуре

    

   3.2.3 Электрическое сопротивление, Ом, спирали ТЭНа при температуре 20°С

    

 

    где – поправочный коэффициент, учитывающий изменение электрического сопротивления материала в зависимости от температуры ( ).

    3.2.4 Электрическое сопротивление, Ом, спирали до опрессовки ТЭНа

    

  ,

    где  – коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате опрессовки (ориентировочно можно принять равным 1,3).

    3.2.5 Длина проволоки в рабочей части ТЭНа, м.

    

    3.2.6 Предусматривается навивка проволочной спирали на стержень диаметром

    

.

    3.2.7 Средний диаметр витка спирали

    

.

   3.2.8 Длина одного витка спирали до опрессовки

    

.

    где 1,07 – коэффициент, учитывающий увеличение » на 7% среднего диаметра витка проволоки (ввиду ее пружинности) при навивке на стержень.

   3.2.9 Активное число витков

   

 

    3.2.10 Длина активной части трубки ТЭНа после опрессовки:

    

    3.2.11 Длина активной части трубки оболочки ТЭНа до опрессовки:

    

,

    где – коэффициент удлинения трубки в результате опрессовки методом обсадки.

    3.2.12 Расстояние между витками спирали

    

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

    

   3.2.14 Полная длина трубки ТЭНа

   

,

    где – длина пассивного конца трубки. Можно принять равным 0,05 м.

    После конструктивного расчета проверяется возможность размещения нужного количества разработанных ТЭНов в корпусе водонагревателя (при этом учитывается, что ТЭНы имеют U – образную  форму). Затем выполняется проверочный расчет.

      3.3 Проверочный расчет ТЭНа

      Целью проверочного расчета является определение температуры спирали и сравнение ее с максимально допустимой рабочей температурой материала спирали.

      Значение    принимается равным  105°С, значение  плотности  периклаза  после  опрессовки  принимается  согласно  исходных  данных, материал трубки ТЭНа – сталь 10, толщина стенки трубки после опрессовки , теплопроводность стали .

    3.3.1 Мощность  ТЭНа  на  первом  этапе  расчета  принимается  равной

    

.

    3.3.2 Термическое  сопротивление  трубки  оболочки  ТЭНа

    

,

    где - внутренний диаметр трубки оболочки ТЭНа, м;

    

,

    

.

    3.3.3 Термическое  сопротивление  наполнителя (периклаза)

    

,

    где  – теплопроводность наполнителя (периклаза), ;

      – коэффициент, учитывающий   различия  условий  теплообмена   в  реальной  конструкции  нагревателя  и  в  эквивалентной  составной  трубе;

      – наружный  диаметр  спирали, мм;

    

,

    Коэффициент    определяется  по  формуле:

 

    Теплопроводность наполнителя (периклаза):

    

,

                                

    где – пористость  периклаза в готовом ТЭНе, %;

      – средняя  температура   периклаза, °С. 

    Пористость  периклаза  в  готовом  ТЭНе:

    

,                        

    где  – плотность  периклаза  после  опрессовки, кг/м³ (принимается согласно  исходных  данных).

       – плотность периклаза с  нулевой пористостью. 

    Средняя  температура  периклаза

    

.

    Поскольку  значение    пока  не  определено, принимаем  ориентировочно

    

,

    

. 

    3.3.4 Температура  спирали  ТЭНа

    

,

    где  – температура  наружной  поверхности  оболочки  ТЭНа, °С. 

    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  принимают  температуру  наружной  поверхности  оболочки  равной  температуре  поверхности  оребрения, т.е.

    

. 

   3.3.5 Значение  , полученное  при первичном расчете, является  ориентировочным  и может быть  уточнено  за  счет  более точного  определения  величин    и . Уточняющий  расчет  проводят  в следующем порядке.

    Удельное  электрическое  сопротивление  материала  проволоки  при  рабочей  температуре

    

,

    где коэффициент  принимается согласно при температуре . 

    Электрическое  сопротивление  спирали  ТЭНа  при  рабочей  температуре.

    

,

    где – коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате  опрессовки  (ориентировочно  можно принять равным  1,3). 

    Мощность  ТЭНа  при  рабочей  температуре.

    

.

    Далее,  уточняем значение  :

    

. 

    Уточняем  значение  :

,

    

 

    Уточняем значение  :

    

,

    

. 

    Уточняем  значение  :

    

 

    3.3.6 Максимально допустимая рабочая  температура материала спирали , если оказывается, что , то расчет ТЭНа можно считать законченным ( ).

    3.4 Расчет  толщины  тепловой  изоляции.

    Расчет  толщины  тепловой  изоляции  проводится  на  основании  двух  условий:

    а)  по  заданному  (допустимому)  снижению  температуры  горячей  воды  в  водонагревателе  за  первый  час  после  его  отключения  от  сети;

    б)    по  нормируемой  температуре  наружной  поверхности  водонагревателя.

    Цель  расчета – определение толщина тепловой изоляции. Значение d определяют по каждому из двух вышеуказанных условий и затем принимают наибольшее значение. 

    3.4.1 Порядок расчета d по  заданному (допустимому)  снижению  температуры  горячей  воды  в  водонагревателе  за  первый  час  после  его  отключения  от  сети.

    3.4.1.1 Количество  теплоты, которое  теряет  вода  в  водонагревателе при остывании её на разность температуры :

    

,

    где  с – удельная  теплоемкость  воды; с=4190  Дж/кг×°С;

    М – масса  воды, нагреваемой  в  водонагревателе, кг;

     - снижение температуры воды  в водонагревателе за первый  час после его отключения от сети.

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

    

 

    3.4.1.3 Требуемое  термическое  сопротивление  теплопередаче  от  воды  к  окружающей  среде:

    

,

    где - температура воздуха в помещении, в котором установлен водонагреватель ( )

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

    

,

    где - теплопроводность материала тепловой изоляции, ;

          - площадь теплоотдающей поверхности водонагревателя, ;

          - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности водонагревателя, .

    Теплопроводность материала тепловой изоляции:

    

    - шлаковая минеральная вата марки 150.

    Согласно  рекомендациям:

    

,

    

.

    Площадь теплоотдающей поверхности водонагревателя, :

    

    Толщина теплоизоляционного слоя:

    

    3.4.2 Порядок расчета d по  нормируемой температуре наружной  поверхности  водонагревателя.

    Для расчета используется условие неизменности теплового потока при прохождении им последовательных участков тепловой цепи (рассматривается стационарный процесс теплопередачи):

    

(1),

    Левая часть выражения представляет собой  тепловой поток, идущий от горячей воды через теплоизоляционный слой к наружной поверхности водонагревателя, а правая часть - тепловой поток отдаваемый от наружной поверхности водонагревателя в окружающую среду.

    Из  выражение  (1) получается формула  для расчета искомой толщины теплоизоляционного слоя :

     ,

    где - нормируемая (по соображениям безопасности) температура наружной поверхности водонагревателя принимается равной .

    Принимаем толщину  тепловой  изоляции  .

    4 Разработка  принципиальной  электрической  схемы  управления  ЭТУ

    Базовая  часть  схемы  управления  электроводонагревателем  должна  обеспечивать:

1. защиту  водонагревателя  и  схемы  управления  от  токов  короткого  замыкания;
2. ручное  и  автоматическое  управление  каждой  группой  ТЭНов;

    3)световую  сигнализацию  о  подаче  напряжения  от  сети   на  схему  управления  и  о  включении  группы  ТЭНов.

      В  курсовой  работе  эта  схема  подвергается  усовершенствованию. В  нашем  случае  усовершенствованием  является схема: «Автоматическое поддержание не заданного значения температуры, как в стандартной схеме, а температуры в заданном интервале (в интервале 80…90 ⁰С)».

    5 Выбор  силовых  проводов.

    Выбор проводов осуществляется только для  силовой части схемы. Для каждой группы ТЭНов и для общей магистрали. В настоящей курсовой работе задача выбора проводов и кабелей решается в неполном объеме: она сводится к выбору площади сечения только по условию допустимого нагрева провода (кабеля) и по условию его механической прочности.

    

    Формулы для определения расчетных токов, трехфазных электроприемников:

    а) Для группы ТЭНов электроводонагревателя

    

,

    Где – расчетная активная мощность секции (группы), Вт;

      – номинальное линейное  напряжение сети; .