Электрический нагрев

Содержание

            Введение……………………………………………………………………….3

1.РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭТП………………………………………………..4

2. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ………………………………………..5

3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ  УСТАНОВОК ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ……………………………………………………...6

4.РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ……9

4  РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ   АВТОМАТИЧЕ

Список  литературы…………………………………………………………...12 4  РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ   АВТОМАТИЧЕСКОГО

Введение

Развитие агропромышленного комплекса связано с широким потреблением тепловой энергии в процессах обработки материалов, создания микроклимата, получения искусственного холода. Наиболее универсальными источниками тепловой энергии в современных технологиях являются электронагревательные установки (ЭНУ). Повышение эффективности использования электронагрева и совершенствование ЭНУ требует подготовки высококвалифицированных специалистов, глубоко понимающих физические процессы электронагрева.

Целью проектирования электротермических процессов (ЭТП) являются:

• закрепление, углубление и обобщение знаний, полученных студентами во время изучения дисциплин "Светотехника и электротехнология" и "Энергосберегающие электротехнологии";
• развитие навыков самостоятельного решения инженерных задач по применению электротехнологии в технологических процессах (ТП) сельскохозяйственного производства.

На основе новейших достижений науки и техники в области  электротехнологии необходимо разрабатывать наиболее прогрессивные ЭНУ, а решения, принятые при проектировании, должны отличаться экономической эффективностью.

• обосновать технико-экономическими расчетами применение электронагрева и электротехнологии в ТП сельского хозяйства;
• производить расчет и проектирование устройств электронагрева и электротехнологии с использованием современных расчетных методов и вычислительной техники;
• разрабатывать способы управления и автоматизации электротермических установок (ЭТУ).

1. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭТП

ЭТП представляет собой совокупность приемов и операций, направленных на перевод материала или продукта из исходного состояния к необходимому конечному состоянию. ТП электротермии характеризуется режимами функционирования. В общем случае различают следующие режимы:

• установочный, связанный с подготовкой электротермического оборудования к выполнению его основной функции;
• рабочий, связанный с процессом нагрева среды или материала;
• транспортный, связанный с процессом загрузки, перемещением при нагреве, и выгрузкой нагреваемого материала;
• контроля, связанный с контролем параметров ЭТП с изменением и контролем физических параметров нагреваемой среды (материала) на входе и выходе ЭТУ;
• обслуживания, представляющим собой технический уход за ЭТУ.

Для наглядного представления ЭТП составляют его структурную схему. Структурную схему изображают или в виде прямоугольников, или в виде схематического изображения оборудования, занятого в данном процессе и связанного между собой в определенной последовательности. При изображении ТП прямоугольниками внутри прямоугольников указывают наименование технологических операций. Направление движения нагреваемого материала (среды), поступление энергии, регулирующие воздействия и др. показывают стрелками, связывающими отдельные блоки. Примерная структурная схема ЭТП приведена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Структурная схема ЭТП

Структурные схемы сопровождаются описанием ТП, которое должно быть кратким и ясным, дающим четкое представление о процессах, происходящих в отдельных блоках схемы.

2 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Тепловая изоляция предназначена  для снижения теплопотерь в окружающую среду и, следовательно, уменьшения годовых издержек производства.

Вид изоляции обуславливается  ее стоимостью, температурными режимами, окружающей средой, санитарно-гигиеническими условиями.

Изоляция должна быть механически прочной, дешевой, тонкой, легкой, обладать малой теплопроводностью и электрической проводимостью, выдерживать высокие температуры.

Для удовлетворения этих требований изоляцию делают многослойной. Слои, прилегающие к зоне высоких  температур, выполняют из огнестойкого материала (асбест), для поверхностных слоев используют материалы с низкой теплопроводностью (минеральная вата, стекловолокно, дерево, пенопропилен и т.д.)

Задача расчета изоляции сводится к определению ее толщины. Увеличение толщины снижает потери энергии, но при этом возрастают расходы на изоляцию.

Следовательно, расчет изоляции является типичной технико-экономической задачей по определению минимума приведенных затрат.

Оптимальную толщину  изоляции для плоской стенки определяют по выражению, в котором учитывают коэффициенты теплоотдачи от нагреваемой среды внутренней стенке и от наружной стенки к окружающей среде, Вт/(м²∙°С); δ_c, λ_с - толщина, м, и коэффициент теплопроводности металлической стенки, Вт/(м∙°С).

Полученная по формуле толщина изоляции может оказаться слишком большой, значительно увеличивающей габаритные размеры установки. В этом случае уменьшают толщину за счет увеличения приведенных затрат.

Уменьшение теплопотерь  установки не всегда пропорционально увеличению толщины тепловой изоляции. Объясняется это тем, что при увеличении толщины изоляции возрастает теплоотдающая поверхность. Так, для цилиндрических тел уменьшение тепловых потерь наступает при условии

Термическое сопротивление  изоляции должно быть достаточным для  снижения наружной температуры установки до допустимого значения.

3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Тепловой поток системы  отопления и вентиляции определяют из уравнения теплового баланса

Ф_от = Ф_ог + Ф_в - Ф_ж=28014+129075-92600=64489 Вт               (3.1)

где Ф_ог ,Ф_в и Ф_ж - соответственно тепловые потоки теряемые через ограждения, на нагрев вентиляционного воздуха и тепловой поток, поступающий от животных, Вт.

Объем помещения по наружному  обмеру

Vн = 80∙20∙2,5+20/2∙2,5=4025 м2

Тепловой поток через  ограждения можно определить по выражению

Ф_ог = q₀ V_н ( t_в - t_н )=0,174*4025*(10-(-30))=28014 Вт                                      (3.2)

где q₀ - удельная тепловая характеристика помещения, характеризует количество теплоты, теряемого наружной поверхностью помещения 1 м³ при разнице температур наружного и внутреннего воздуха 1°С, Вт/(м³∙°С), (приложение Д.1); V_н - объем помещения по наружному обмеру, м³; t_в и t_н - соответственно температуры наружного и внутреннего воздуха, °С.

Тепловой поток теряемый на нагрев приточного воздуха

Ф_в = 0,278Lc_в ρ( t_в - t_н )=0,278*9491*1,0*1,23*(10-(-30))=129075 Вт       (3.3)

где L - расчетный воздухообмен помещения, м³/ч; с_в - удельная теплоемкость воздуха, с_в = 1 кДж/(кг∙°С); ρ - расчетная плотность воздуха после калорифера, кг/м³.

Расчетный воздухообмен определяют из условия понижения  концентрации углекислоты и водяных паров в воздухе помещения.

Расход приточного воздуха, необходимого для понижения концентрации углекислоты, вычисляют по формуле

 Lco₂ = 1,2∙c∙n/c₁-c₂=1,2*87*200/2,5-0,3=9491    м3/ч                                     (3.4)

где 1,2 - коэффициент, учитывающий количество co₂, выделяемое подстилкой при ее разложении; с количество co₂, выделяемое одним животным (птицей), л/ч; (приложения Д.2, Д.4); п - количество животных (птицы) в помещении; c₁ - предельно допустимая концентрация co₂ в воздухе помещения, л/м³; (в коровниках, телятниках и птичниках c₁ не более 2,5 л/м³, в свинарниках - 2,0 л/м³); с₂- концентрация co₂ в наружном воздухе. В сельской местности c₂ = 0,3 ... 0,4 л/м³.

Расход приточного воздуха, необходимого для удаления водяных  паров, находят по формуле

  L_w = W/ (d_в-d_н)ρ=58300/((5,6-0,4)*1,223)=91,76    м3/ч                                       (3.5)

где W – масса влаги, выделяющейся в помещении, г/ч; d_в и d_н – влагосодержание внутреннего и наружного приточного воздуха, г/кг; ρ – расчетная плотность воздуха в помещении, кг/м².

Плотность воздуха зависит  от температуры и атмосферного давления

ρ  = 346/273+t ∙ р/99,3=(346/273+10)*99,3/99,3)=1,223 кг/м3                                          (3.6)

где р – расчетное барометрическое давление в данном районе, кПа;

t – расчетная температура воздуха, ˚С; 99,3 - расчетное барометрическое давление для Центрального района России. кПа.

 Значения d_в и d_н определяют при помощи Hd -диаграммы для влажного воздуха (приложение В) по соответствующим значениям температур и относительной влажности внутреннего и наружного воздуха.

Суммарные выделения  влаги в помещении для животных подсчитывают по формуле

W = W_ж+W_исп =53000+5300=58300                                (3.7)                                    

 Влагу, выделяемую  животными, определяют по выражению

                             =1,00*200*265=53000 г/ч                       (3.8)                              

где N - количество половозрастных групп;  n_i – число животных с одинаковым выделением водяных паров (в i-й половозрастной группе); W_i – выделение водяных паров одним животным. г/ч, (приложение Д.2); k_t – коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемых животными водяных паров в зависимости от температуры внутри помещения (приложение Д.3).

Влага, испаряющаяся с  мокрых поверхностей помещения (пол, поилки, кормушки и др.)

W_исп = ξW_{ж=0,1*53000=53000} г/ч                                           (3.9)                                        

где ξ коэффициент, равный 0,1...0,125 для коровников и телятников, 0 1…0,3 для свинарников. Большие значения ξ относятся к помещениям с недостаточным количеством или полным отсутствием подстилки при неудовлетворительной работе канализации.

Необходимый воздухообмен, L,для животноводческого или птицеводческого помещения принимается по наибольшей из двух величин:Lco₂ или L_w.

Правильность расчета  проверяют по кратности воздухообмена К

K = L/V=9491/3150=3,01                                                                          (3.10)                                      

где V-внутренний объем помещения, м³.

Кратность воздухообмена  в животноводческих фермах для холодного  периода года должна быть К =3…5, птичниках К =10…12.

Тепловой поток, выделяемый животными

Ф_ж = nq_mk_{t =  1,00*200*265=53000 г/ч                                                                     (3.11)}

где n – число животных с одинаковым выделением свободной теплоты; q_m – поток свободной теплоты, выделяемой одним животным, Вт, (приложение Д.2); k_t – коэффициент, учитывающий изменение количества выделенной животными теплоты в зависимости от температуры внутри помещения (приложение Д.3).

Величины тепловых потоков, теряемых через ограждения и на подогрев приточного воздуха, а также воздухообмен по влаговыделениям зависят от температуры наружного воздуха. Установленную мощность отопительных установок и подачу вентилятора определяют при минимальной расчетной температуре наружного воздуха t_н, соответствующей данной климатической зоне.

Для определения необходимой  мощности отопления и подачи вентилятора при более высоких температурах строят отопительную и вентиляционную характеристики помещения при изменении наружной температуры   от t_н до + 8 ˚С. Результаты расчетов по выражениям (3.1 – 3.15) сводят в расчетную таблицу (приложение Е.1).

По характеристикам определяют необходимое количество включенных секций и подачу вентилятора при текущей температуре наружного воздуха.

Пример построения отопительной и вентиляционной характеристик  приведен в приложении Д.6.

Общую мощность системы  отопления определяют по выражению

Р_от = Ф_от/η =64489/0,98=65805                                                              (3.12)                                      

где η – к.п.д. калорифера, η = 0,90…0,98.            

 Количество и мощность  калориферных установок выбирают из следующих соображений: в животноводческом помещении устанавливают не менее двух калориферных установок для обеспечения надежности отопления и равномерного распределения приточного воздуха в помещении; мощность одного электрокалорифера должна быть в пределах 10…40 кВт. При мощностях меньших 10 кВт расчетное количество калориферов  оказывается  слишком  большим, а  при  мощностях  более 40 кВт возникают значительные трудности при конструктивном расчете калорифера.

Мощность одного калорифера равна

  Р_к=Р_от/n=65805/15=4378 Вт                                                                 (3.13)                                         

подача одного вентилятора

 L_в = k_n(L_n/n)=1,15(91,76/15)=9,76                                                      ( 3.14)                                   

где n – количество электрокалориферных установок; k_n – поправочный коэффициент на подсосы воздуха в воздуховодах (для стальных, пластмассовых и асбоцементных воздуховодов длиной до 50 м – 1,1, в остальных случаях – 1,15.

По величине подачи вентиляторов проводят аэродинамический расчет системы воздуховодов приточной вентиляции. Задачи аэродинамического расчета состоят в определении размеров поперечного сечения и потерь давления на отдельных участках системы воздуховодов, а также потерь давления во всей системе воздуховодов. Примеры расчетов приведены в [3].

  4.РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При эксплуатации электротермических установок пользуются Правилами технической эксплуатации электропотребителей, Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей, а также указаниями по обеспечению электробезопасности электроустановок в сельском хозяйстве.

Основная мера защиты от поражения электрическим током  при коротких замыканиях (замыкание на корпус) состоят в занулении электротермических установок, подключение водонагревателей к водопроводной сети через изолирующие вставки, выравнивание потенциалов в помещениях.

Установка защитного  аппарата и максимально допустимое значение сопротивления цепи фаза-нуль должны соответствовать требованиям Руководящих указаний по обеспечению электробезопасности электротермических установок в сельском хозяйстве.

Элементные водонагреватели должны быть занулены. В трубопроводах горячей и холодной воды необходимы изолирующие вставки. Сопротивление столба воды во вставке должно быть таким, чтобы напряжение прикосновения за вставкой в аварийном режиме не превышало 12 В. Это обеспечивается при длине вставки

l = (1,4∙10⁴d²)/ ρ_t = 14000*900/20=6300 мм                                      (4.1)

где d –внутренний диаметр вставки, м; ρ_t – удельное сопротивление горячей воды, Ом∙м.

В качестве изолирующих  вставок применяют резинотканевые, полиэтиленовые, полихлорвиниловые шланги и трубы.

Изолирующие вставки  не нужны, если:

водонагреватели снабжены аппаратами защитного отключения;

водонагреватели размещены в помещениях с искусственным или естественным выравниванием потенциалов, и горячая вода разбирается в этих же помещениях. При этом корпус водонагревателя должен иметь надежное болтовое соединение с устройством выравнивания потенциалов или металлоконструкциями, создающими естественное выравнивание потенциалов, обеспечивающее напряжение прикосновения не более 12 В.

Водонагреватели, снабжающие горячей водой несколько помещений, должны иметь изолирующие вставки, если даже в одном из них отсутствует естественное или искусственное выравнивание электрических потенциалов. Трубопроводы в этом помещении не должны иметь связи с заземленными конструкциями и зануленным оборудованием. При невозможности соблюсти эти требования вместо изолирующих вставок выполняют выравнивание потенциалов в местах разбора воды, проложив металлический проводник в полу на расстоянии 1 м от водоразборной трубы и соединив его с трубопроводом и близко расположенным зануленным оборудованием.

Элементные водонагреватели, обеспечивающие горячей водой душевые, должны иметь изолирующие вставки в соответствующих трубопроводах. Душевые кабины, включая место раздевания, оборудуют устройствами выравнивания потенциалов в виде металлической сетки с ячейками размером не более 30x30 см², которую закладывают в слой бетона на глубину 2...3 см от поверхности пола. Сетку соединяют сваркой с трубами горячей и холодной воды, а также канализационными. 

Для предотвращения воздействия  шагового напряжения при выходе из зоны потенциально выравнивающей сетки (у дверей душевой кабины) кладут деревянную решетку или резиновый коврик длиной не менее 75 см.

В случае разбора горячей  воды непосредственно у водонагревателя, установленного в помещении без устройства выравнивания потенциалов, необходимо местное выравнивание потенциалов.

В помещениях с нетокопроводящими  полами местного выравнивания потенциалов не требуется. Корпус водонагревателя дополнительно к обычному занулению соединяют стальной шиной с повторным заземлением или выполняют автоматический контроль состояния нулевого провода.

Если водонагреватели  снабжены аппаратами защитного отключения, местного выравнивания потенциалов и контроля состояния нулевого провода не требуется.

Трехфазные электродные  котлы устанавливают в отдельных помещениях, где допускается размещение технологического оборудования электрокотельной, а также устройств защиты и автоматики.

Не разрешается использование  котлов в производственных помещениях других назначений, особо опасных в отношении поражения электрическим током (помещения для содержания животных и др.).

Котлы должны иметь защиту от коротких замыканий и перегрузок. Для этого применяют трехполюсный автоматический выключатель.

Электродные котлы подключают через отдельные трансформаторы, но допускается подключение и непосредственно к электросети общего назначения 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью. Корпус котла должен быть занулен. При этом коэффициент звездности

Если зануление и  выравнивание потенциалов не обеспечивают требуемого коэффициента звездности и напряжения прикосновения в аварийном режиме не более 12 В, то электродный водонагреватель необходимо изолировать от земли, заземленных частей и зануленного оборудования и оградить сеткой высотой 1,7 м на расстоянии от корпуса не менее 1 м. Сетку зануляют и устанавливают двери с блокировкой, отключающей водонагреватель от сети. Отходящие от котла трубы холодной и горячей воды должны иметь изолирующие вставки.

Трубопроводы тепловой сети присоединяют к нулевому проводу  не менее чем в двух точках, одна из которых должна находиться в электрокотельной.

В зданиях, теплоснабжение которых обеспечивается электрическими котлами, все металлические трубопроводы различных назначений соединяют между собой и зануляют.

При ремонтных работах  в тепловых сетях с электрокотлами, последние отключают от электросети.

Допускаются ремонтные  работы на трубопроводах при включенных электродных котлах при условии, что целостность трубопроводов и защитного нулевого провода не нарушается.

Однофазные отопительные электродные нагреватели напряжением 220 В и ниже устанавливают в сухих помещениях. В ванных комнатах, санузлах и других особо опасных помещениях нагреватели устанавливать запрещается.

Нагреватель следует  включать в сеть с глухозаземленной нейтралью. Корпус должен быть занулен. Защитный нулевой провод присоединяют к повторному заземлению на вводе в здание.

От перегрузки и коротких замыканий водонагреватели защищают автоматическими выключателями. Применение штепсельных розеток в цепях питания электротермических установок запрещено.

Электрокалориферные установки типа СФОЦ размещают в отдельном помещении, в котором может находиться только обслуживающий персонал.

Корпуса установок и  устройств зануляют. Электротермические установки и устройства осматривают после их отключения от питающей электросети.

Металлические воздуховоды, если возможно соприкосновение с  ними человека или животного, соединяют с металлоконструкциями, зануленным технологическим оборудованием, находящимся в помещении, или устройством выравнивания потенциалов.

У передвижных электротермических установок должен быть обеспечен контроль цельности нулевого провода или применены аппараты защитного отключения.

Список  литературы

1. Светотехника и электротехнология/Л.А. Баранов, В.А. Захаров. М.: КолосС, 2006.
2. Современные энергосберегающие электротехнологии/Ю.И. Блинов, А.С. Васильев, А.Н. Никаноров и др. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2000. 548 с.
3. Электрический нагрев. Лабораторный практикум/Новосиб. гос. аграр. ун-т; Сост.: В.Г. Ляпин. Новосибирск, 2007. 96 с.
4. Ляпин В.Г. Проектирование и энергоаудит электрического нагрева и специальных видов электротехнологий. Учебное пособие/Новосиб. гос. аграр. ун-т. Новосибирск, 2007. 130 с.

2