Электрический расчет и автоматизация электротермической установки

Министерство  сельского хозяйства РФ

Департамент научно – технологической политики и образования

ФГОУ  ВПО Костромская ГСХА

 

Факультет электрификации и автоматизации  сельского хозяйства

 

Кафедра электропривода и электротехнологии

 

 

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

к курсовой работе по электротехнологии

 

на тему: “Электрический расчет и автоматизация

электротермической  установки”.

 

Вариант № 48

 

 

Автор работы _______________________________________

подпись, дата, инициалы, фамилия

 

Специальность 110302 – Электрификация и автоматизация сельского хозяйства

шифр специальности, наименование

 

Курс _____   Группа _____

 

Руководитель  работы ____________________________         ______________________

подпись, дата    инициалы, фамилия

 

Работа  защищена ________________________________         _____________________

дата     оценка подписью

 

 

 

 

Кострома 2009

Введение

Сельское  хозяйство — крупный потребитель  тепловой энергии: в общем, энергопотреблении  основная доля приходится на тепловые процессы. Сельскохозяйственные предприятия  как объекты теплоснабжения имеют  ряд особенностей.

Первая  особенность заключается в том, что для сельского хозяйства  характерны низкая плотность тепловых нагрузок и большая рассредоточенность потребителей. Поэтому в основном распространены децентрализованные системы  теплоснабжения от топливных котельных. Однако эти системы имеют следующие  недостатки: большие транспортные расходы  на доставку топлива; потери топлива  при транспортировке и хранении; значительные затраты ручного труда  на обслуживание маломощных топливных  установок; низкий коэффициент полезного  действия.

Вторая  особенность — большая неравномерность  нагрузки и малый коэффициент  использования максимума, приводящий к перерасходу топлива в периоды  провалов нагрузки.

Третья  особенность сельскохозяйственных потребителей заключается в том, что для нормальной жизнедеятельности  животных, птиц и растений нужна  оптимальная температура окружающего  воздуха. Отклонение температуры от оптимальной отрицательно сказывается  на протекании всех процессов. Особенно вредны резкие колебания температуры  в течение суток.

Перечисленные особенности сельскохозяйственных предприятий и обусловленные  ими трудности теплоснабжения вынуждают  изыскивать другие источники тепловой энергии. Наиболее перспективна для  этих целей  электрическая  энергия.  Её  использование  позволяет:

— автоматизировать технологические процессы, сократив потери теплоты на 20...25%; увеличив привесы и снизив расходы кормов (благодаря более точному поддержанию температурного  режима);

— повысить технический уровень производства, производительность и  культуру  труда;

—  уменьшить  загрязнение  окружающей  среды;

— высвободить большое количество технического персонала, обслуживающего  котельные  и  тепловые  сети;

—  увеличить  надёжность  системы  теплоснабжения.

Электрическая энергия в хозяйствах может применяться  для: нагрева воздуха (в системах приточной вентиляции с/х помещений  и рециркуляции овощехранилищ, при  сушке с/х продукции); нагрева  воды и генерации пара (для кормоприготовления, поения животных, санитарно - гигиенической  обработки животных и оборудования, полива растений),  местного  обогрева  (при выращивании молодняка).

Для  этих целей используют выпускаемые  нашей промышленностью электротермическое оборудование сельскохозяйственного  назначения: комбинированные инфракрасные и ультрафиолетовые облучательные  установки, инфракрасные облучатели, брудеры, электронагреватели - термосы, проточные  электродные и элементные водонагреватели, электродные паровые котлы, электрообогреваемые  панели, коврики, электрокалориферные  установки и специальный нагревательный провод. Количество и мощность ЭТУ  в с/х производстве непрерывно увеличиваются. Большим потенциальным потребителем электронагрева должны стать растениеводство  и плодоводство (обогрев парников и теплиц, термообработка продукции).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 1. Классификация электротермического

оборудования по способу нагрева

Таблица 1. Классификация электротермического  оборудования по способу нагрева.

Продолжение таблицы 1.

Продолжение таблицы 1.

Все электротермические установки, данные в задании, по способу  нагрева являются электротермическими  установками, которые используют нагрев сопротивлением.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 2. Электрический расчет нагревательных элементов приближенным методом по рабочему току

2.1. Выполняем расчет нагревательного элемента емкостного электроводонагревателя приближенным методом по рабочему току.

2.1.1. Определяем рабочий ток нагревателя I, A, для следующих значений исходных данных индивидуального варианта:

 

где P – мощность нагревательного элемента, Вт;

U – напряжение нагревательного элемента, В.

 

2.1.2. Выбираем  материал нагревательного элемента (НЭ), рабочая температура t_раб (дана в задании) которого не должна превышать допустимую для выбранного сплава.

Выбираем  нихром двойной, который имеет следующие  характеристики:

ρ₂₀=1,1∙10^-6 – удельное электрическое сопротивление при t=20^oC, Ом∙м;

α=16,5∙10^-6 – коэффициент теплоотдачи, 1/^°C;

t_max=1200 – максимально допустимая температура для данного материала НЭ, ^°С;

t_пл=1400 – температура плавления материала НЭ, ^°С.

Рабочая температура  спирали t_раб=500 ^°С.

2.1.3.Определим коэффициент монтажа k_m, коэффициент среды k_c и расчетную (фиктивную) температуру, соответствующую стандартным условиям. Конструктивное исполнение НЭ – спираль запрессована в трубке k_m =0,3...0,4. Условие работы НЭ - в спокойной воде k_c =2,5, [5].

Принимаем коэффициент  монтажа k_m равный 0,4.

 

 

2.1.4. По рабочему току I (допустимая нагрузка) и расчетной температуре t_р из таблицы 5.1 находят диаметр проволоки d, м, и площадь сечения S, м², [5]. Из двух значений d выбирают большее:

d=1,0 мм, S=0,785 мм² при температуре 400 ^°С, d=0,75 мм, S=0,442 мм² при температуре 600 ^°С, то есть d=1,0 мм, S=0,785 мм².

2.1.5. Определяем длину l, м, проволоки на один НЭ:

 

 

2.1.6. Определяем другие геометрические размеры нагревателя: диаметр витков спирали D=(8...10)*d, м; шаг спирали h=(2...6)*d, м.

 

 

Определяем  число витков спирали:

 

 

Округляем число  витков спирали до 842. Определяем длину спирали, м:

 

 

2.2. Выполняем расчет нагревательного элемента проточного электроводонагревателя приближенным методом по рабочему току.

2.2.1. Определяем рабочий ток нагревателя I, A, для следующих значений исходных данных индивидуального варианта по формуле (1):

 

2.2.2. Выбираем материал нагревательного элемента (НЭ), рабочая температура t_раб (дана в задании) которого не должна превышать допустимую для выбранного сплава.

Выбираем  нихром двойной, характеристики которого приведены ранее. Рабочая температура спирали t_раб=250 ^°С.

2.2.3. Определим коэффициент монтажа k_m, коэффициент среды k_c и расчетную (фиктивную) температуру, соответствующую стандартным условиям по формуле (2). Конструктивное исполнение НЭ – спираль запрессована в трубке k_m =0,3...0,4. Условие работы НЭ - в потоке воды k_c =3…3,5, [5].

Принимаем коэффициент  монтажа k_m равный 0,4. Принимаем коэффициент монтажа k_с равный 3,5.

 

2.2.4. По рабочему току I (допустимая нагрузка) и расчетной температуре t_р из таблицы 5.1 находят диаметр проволоки d, м, и площадь сечения S, м², [5]: d=1,4 мм, S=1,54 мм² при температуре 200 ^°С, d=0,9 мм, S=0,636 мм² при температуре 400 ^°С, так как температура ближе к 400 ^°С, то принимаем d=0,9 мм, S=0,636 мм².

2.2.5. Определяем длину l, м, проволоки на один НЭ по формуле (3):

 

2.2.6. Определяем другие геометрические размеры нагревателя: диаметр витков спирали D=(8...10)*d, м; шаг спирали h=(2...6)*d, м.

 

 

Определяем  число витков спирали по формуле (4):

 

Округляем число витков спирали до 145. Определяем длину спирали по формуле (5), м:

 

2.3. Выполняем расчет нагревательного элемента тепловентилятора приближенным методом по рабочему току.

2.3.1. Определяем рабочий ток нагревателя I, A, для следующих значений исходных данных индивидуального варианта по формуле (1):

 

2.3.2. Выбираем материал нагревательного элемента (НЭ), рабочая температура t_раб (дана в задании) которого не должна превышать допустимую для выбранного сплава.

Выбираем  нихром двойной, характеристики которого приведены ранее. Рабочая температура спирали t_раб=200 ^°С.

2.3.3. Определим коэффициент монтажа k_m, коэффициент среды k_c и расчетную (фиктивную) температуру, соответствующую стандартным условиям по формуле (2). Конструктивное исполнение НЭ – открытая спираль в защитном кожухе k_m =0,8...0,9. Условие работы НЭ - омывается воздухом со скоростью 5 м/с k_c =1,5, [5].

Принимаем коэффициент  монтажа k_m равный 0,8.

 

2.3.4. По рабочему току I (допустимая нагрузка) и расчетной температуре t_р из таблицы 5.1 находят диаметр проволоки d, м, и площадь сечения S, м², [5]: d=1,8 мм, S=2,54 мм² при температуре 200 ^°С, d=1,3 мм, S=1,33 мм² при температуре 400 ^°С, так как температура ближе к 200 ^°С, то принимаем d=1,8 мм, S=2,54 мм².

2.3.5. Определяем длину l, м, проволоки на один НЭ по формуле (3):

 

2.3.6. Определяем другие геометрические размеры нагревателя: диаметр витков спирали D=(8...10)*d, м; шаг спирали h=(2...6)*d, м.

 

 

Определяем  число витков спирали по формуле (4):

 

Округляем число  витков спирали до 48. Определяем длину спирали по формуле (5), м:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 3. Выполняем расчет нагревательного элемента методом удельной мощности тепловентилятора

В качестве материала нагревательного элемента возьмем двойной нихром. По исходным данным и характеристикам двойного нихрома определим удельную проводимость материала НЭ при t_раб:

 

 

Определяем  графически значение диаметра d и соответствующей удельной мощности. Изменяя  диаметр d от 1 до 1,8 мм в выражениях

 

 

где Р – мощность нагревательного элемента (исходные данные), Вт;

ω – скорость потока воздуха, ω=5 м/с;

ν – кинематическая вязкость газа, ν=1,66∙10^-5 м²/с;

λ – коэффициент  теплопроводности газа, λ=2,58∙10^-2 Вт/м∙°С;

и сроим графики:

Рис.1. Графики изменения диаметра сечения  провода в зависимости

от мощности нагревательного элемента.

Пересечение графиков является решением системы  из выше указанных уравнений. Из графиков видно, что диаметр провода получился d равный 0,00112 мм, а удельная мощность 3,3∙10⁴ Вт/м³.

Принимаем ближайшее большее стандартное  значение диаметра проволоки НЭ d_д=1,2мм, S=1,13 мм².

Определяем  длину проволоки НЭ, м:

 

 

Определяем  длину проволоки НЭ с учетом поправки, м:

 

 

Сделаем проверку длины:

 

 

Сделаем проверку по мощности:

 

 

Определяем  другие геометрические размеры нагревателя: диаметр витков спирали D=(8...10)*d, м; шаг  спирали h=(2...6)*d, м.

 

 

Определяем  число витков спирали по формулу (4):

 

Округляем число  витков спирали до 32. Определяем длину спирали по формуле (5), м:

 

 

Часть 4 .Основные материалы, применяемые при изготовлении нагревательных элементов, конструкции нагревателей и предъявляемые к ним технические требования.

Электрокалориферы.

4.1. Конструкция нагревателей. 

Электрический нагреватель - основной элемент электротермической установки, преобразующий электрическую  энергию в тепловую. Конструктивное исполнение электрического нагревателя определяется нагреваемой средой, характером нагрева, мощностью,   технологическим назначением  и  другими   условиями.

 В  зависимости от конструкции и  технологического назначения электрические  нагреватели выполняют с электрической  изоляцией, защитными устройствами, а также с устройством для крепления и подвода электрического тока.

Таблица 2. Основные характеристики ТЭНов