Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Элементный непроточный водонагреватель аккумуляционного типа для горячего водоснабжения

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Челябинская государственная агроинженерная академия

Факультет: Автоматизации и электрификации сельскохозяйственного производства

Кафедра: Применение электроэнергии в сельском хозяйстве

ЭЛЕМЕНТНЫЙ НЕПРОТОЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ АККУМУЛЯЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Пояснительная записка

ПЭСХ.ЭНВАТ.00.000 ПЗ

Студент: Михновец А.В.

Группа: 67 ФЗО ССО

Шифр: 09137

Челябинск 2012 год

Оглавление

Введение 3

1 Определение требуемых параметров электротермической установки (ЭТУ) 4

2 Выбор стандартной ЭТУ 5

3 Разработка нестандартной ЭТУ 6

3.1 Проверочный расчёт ТЭНа 8

3.2 Расчёт толщины тепловой изоляции 11

4 Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭТУ 14

5 Выбор силовых проводов 15

6 Выбор аппаратуры управления и защиты 16

7 Эксплуатация и техника безопасности 17

Литература 19

Введение

Электротехнология – одна из важнейших дисциплин, изучаемых студентами-электриками агроинженерного профиля. По значимости она стоит в одном ряду с такими дисциплинами, как электропривод, электроснабжение, светотехника.

Если говорить об электротехнологии как о науке, то здесь следует рассматривать изучение самих технологических процессов, используемых в сельском хозяйстве.

В настоящее время считают, что в дисциплине «Электротехнология» изучают процессы, связанные со следующими явлениями и техническими средствами: электронагревом и электронагревательными устройствами; системами местного нагрева и микроклимата; электронно-ионной технологией; электрофизической и электрохимической обработкой материалов; импульсными генераторами различного назначения; электрогидравлическим эффектом; использованием ультразвука; магнитной обработкой материалов; использованием электролиза и всё, что с ним связано; спользованием тепловых насосов и тепловых аккумуляторов.

Под электротехнологией понимают область науки и техники, охватывающей изучение и использование технологических процессов, в которых электрическая энергия участвует непосредственно, преобразуясь в рабочей зоне в различные виды энергии.

Электротехнология – быстроразвивающееся направление использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве, благодаря ей открываются новые возможности в создании высокоэффективных энергосберегающих технологий.

1 Определение требуемых параметров электротермической установки (ЭТУ)

Необходимо определить, какое количество горячей воды требуется в сутки для данного коровника. Для этого нужно знать нормы на одну корову. По [2, 3] определяем, что для обмывки вымени перед дойкой с 4 до 5 часов нужно 0,6 кг воды, а с 19 до 20 часов 0,45 кг воды. На мытьё подойной посуды утром и вечером уходит по 0,7 кг воды.

Температура воды для обмывки вымени 36⁰С, а для мытья подойной посуды 60⁰С. Водонагреватель греет воду до 90⁰С. Для получения необходимой температуры, горячую воду смешивают с холодной.

Определяю массу горячей воды за сутки для обмыва вымени, кг:

Определяю массу горячей воды за сутки на мытьё подойной посуды, кг:

Сложив расходы воды за сутки на каждую операцию, получаем необходимое количество воды.

Водонагреватель выбираю аккумуляционного типа, то есть он будет греть воду в ночные часы.

Далее, чтобы определить потребную мощность водонагревателя, определяем полезный тепловой поток, Вт:

Где с – удельная теплоёмкость воды; с=4190 Дж/кг*⁰С;

Т₁, Т₂ – температура воды в начале и в конце нагрева соответственно, ⁰С;

t_н – время нагрева воды, с; принимаем равным 7 часам.

Определяем расчётную мощность электроводонагревателя, Вт:

Где к_з – коэффициент запаса, учитывающий необходимость увеличения мощности из-за старения нагревателей, возможности снижения питающего напряжения, увеличения тепловых потерь в процессе эксплуатации; принимаю к_з=1,2;

η_Т – тепловой КПД водонагревателя; принимаю равным 0,92.

2 Выбор стандартной ЭТУ

Требуемым параметра ЭТУ удовлетворяет стандартный водонагреватель типа САОС-400. Однако, его мощность превышает необходимую в два с половиной раза, объём бака в два раза.

Таблица 1 – Технические данные водонагревателя САОС-400

Показатель	САОС-400
Мощность, кВт	12
Вместимость резервуара, л	400
Максимальная температура воды, ⁰С	90
Время нагрева воды на 80 ⁰С, ч	3,3

3 Разработка нестандартной ЭТУ

Необходимо рассчитать элементный аккумуляционный водонагреватель по определённым ранее мощности и объёму бака, который бы полностью покрывал потребность в горячей воде, не перерасходуя при этом лишнюю энергию.

Конструкция водонагревателя аналогична стандартному.

Рассчитываем высоту Н, м, и диаметр D, м, бака водонагревателя из соотношения:

Приняв Н=2,5D. V - вместимость бака, равная массе воды V=M (255 л).

Выбираю бак с высотой 1,25 метра и диаметром 0,5 метра.

Исходные данные:

- Бак объёмом 255 литр с высотой 1,25 м и диаметром 0,5 м;

- Количество групп ТЭНов – одна;

- Количество ТЭНов – 3 штуки по 1,55 кВт;

- Питающее напряжение – 220 В, соединение ТЭНов звездой;

- Материал спирали Х15Н60-Н, наружный диаметр ТЭНа после опрессовки 14 мм.

Цель конструктивного расчёта – определить диаметр проволоки d, потребную длину проволоки для изготовления спирали ТЭНа l_потр, средний диаметр витка спирали d_с, расстояние между витками спирали h, активное число витков n_a, полную длину трубки ТЭНа L.

Мощность одного ТЭНа принята по условию Р₁=Р_Р/3.

Начало конструктивного расчёта ТЭНа.

1. Диаметр проволоки , м:

Где ρ – удельное электрическое сопротивление материала проволоки при температуре 20⁰С, Ом*м;

Р¹_А=38*10⁴ Вт/м² – удельная поверхностная мощность на проволоке спирали.

Округляем полученное значение до ближайшего стандартного значения, которым является проволока диаметром 0,4 мм.

2. электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре, Ом:

3. Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при температуре 20 ⁰С, Ом:

Где к_Т – поправочный коэффициент, учитывающий изменение электрического сопротивления материала в зависимости от температуры (выбираем из таблицы для 500 ⁰С).

4. Электрическое сопротивление спирали до опрессовки ТЭНа, Ом:

Где α_R – коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате опрессовки, принимаем 1,3.

5. Длина проволоки в рабочей части ТЭНа, м:

6. Предусматривается навивка проволочной спирали на стержень диаметром, мм:

7. Средний диаметр витка спирали, мм:

8. Длина одного витка спирали, мм:

Где 1,07 – коэффициент, увеличения ≈ на 7% среднего диаметра витка проволоки.

9. Активное число витков:

10. Длина активной части трубки ТЭНа после опрессовки, м:

Где Р_А¹¹=11*10⁴ Вт/м² – удельная поверхностная мощность на трубке оболочки ТЭНа.

11. Длина активной части трубки оболочки ТЭНа до опрессовки, м:

Где γ=1,15 – коэффициент удлинения трубки в результате опрессовки.

12. Расстояние между витками спирали, мм:

13. Потребная длина проволоки для изготовления спирали ТЭНа с учётом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчёта 20 витков спирали на конец стержня, м:

14. Полная длина трубки ТЭНа, м:

Где L_П – длина пассивного конца трубки. Принимаю ее равной 0,05 м.

На этом конструктивный расчёт ТЭНа считается законченным. Далее выполняется проверочный тепловой расчёт ТЭНа.

3.1 Проверочный расчёт ТЭНа

Исходные данные для проверочного расчёта ТЭНа:

- Геометрические размеры ТЭНа;

- Материал трубки оболочки – сталь 10;

- Толщина стенки трубки оболочки после опрессовки δ_ст=1*10^-3 м;

- Теплопроводность стали δ_ст=45 Вт/(м*⁰С);

- Значение Т_пов.об=105⁰С;

- Плотность периклаза после опрессовки р₁=3000 кг/м³.

Цель проверочного расчёта: определить температуру спирали Т_с и сравнить её с максимально допустимой рабочей температурой материала спирали Т_доп.

1. Мощность ТЭНа на первом этапе расчёта принимаю равной Р₁.

2. Термическое сопротивление, ⁰С/Вт, трубки оболочки ТЭНа:

где d_об.вн – внутренний диаметр трубки оболочки ТЭНа, мм:

3. Термическое сопротивление, ⁰С/Вт, наполнителя (периклаза):

Где λ_н – теплопроводность наполнителя (периклаза), Вт/(м*⁰С);

к_с – коэффициент, учитывающий различные условия теплообмена в реальной конструкции нагревателя и в эквивалентной составной трубе;

d_с.нар – наружный диаметр спирали, м:

Где П – пористость периклаза в готовом ТЭНе, %;

Т_П – средняя температура периклаза, ⁰С.

Где ρ₁ – плотность периклаза после опрессовки, кг/м³ (дано в задании);

ρ₂=3570 кг/м³ – плотность периклаза с нулевой пористостью.

Поскольку значение Т_с пока не определено, принимаем ориентировочно 500⁰С.

4. Температура спирали ТЭНа, ⁰С:

5. Уточняем значение Т_с за счёт более точного определения величины Р₁ и R_Т2.

Удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре:

Где к_Т=1,013

Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре:

Мощность ТЭНа при рабочей температуре, Вт:

Далее уточняю следующие параметры:

6. Максимально допустимая рабочая температура материала спирали Т_доп должна быть меньше допустимой для данной проволоки. Т_доп берётся из методички и равно 950⁰С.

3.2 Расчёт толщины тепловой изоляции

Расчёт толщины тепловой изоляции δ 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.

Расчёт носит приближённый характер, что обусловлено следующим:

а) температура горячей воды Т₂ принимается во всех точках внутри водонагревателя одинаковой;

б) при остывании водонагревателя после отключения его от сети учитывается только теплота, теряемая водой; теплота, теряемая конструкцией водонагревателя, не учитывается ввиду того, что масса и удельная теплоёмкость материалов конструкции во много раз меньше соответствующих показателей для воды;

в) не учитываются вследствие своей малости: термическое сопротивление теплоотдаче от воды к корпусу водонагревателя; термическое сопротивление стенок корпуса; термическое сопротивление покровного слоя (кожуха), защищающего тепловую изоляцию от механических повреждений и проникновения влаги;

г) термическое сопротивление цилиндрического теплоизоляционного слоя определяется по формуле для плоской стенки, так как отношение наружного и внутреннего диаметров цилиндра в данном случае близко к единиц;

д) значение коэффициента теплоотдачи принимается постоянным для всей наружной поверхности водонагревателя.

Исходные данные для расчёта толщины тепловой изоляции:

- Масса горячей воды в водонагревателе М, кг, рассчитанная ранее;

- Заданное (допустимое) снижение температуры горячей воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети ΔТ, ⁰С;

- Температура горячей воды в водонагревателе Т₂=90⁰С;

- Температура воздуха в помещении, в котором установлен нагреватель, Т₀=15⁰С;

- Вид материала тепловой изоляции и коэффициент излучения покровного слоя, нанесённого на её наружную поверхность;

- Нормируемая (по соображениям безопасности) емпература наружной поверхности водонагревателя Т_ПВ=35⁰С;

- Толщину тепловой изоляции боковой поверхности, дна и крышки водонагревателя принимаю одинаковой.

Цель расчета – определение δ. Значение δ определяю по каждому из двух вышеуказанных условий и затем принимаю наибольшее значение.

Порядок расчёта δ по заданному снижению температуры горячей воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети:

1. Количество теплоты, которое теряет вода в водонагревателе при остывании её на разность температур ΔТ, Дж:

2. Средний тепловой поток, теряемый горячей водой в окружающую среду при её остывании на 1 час на разность температур ΔТ, Вт:

3. Требуемое термическое сопротивление теплопередаче от воды к окружающей среде, ⁰С/Вт:

4. С учётом допущений термическое сопротивление R_Т складывается из термического сопротивления слоя тепловой изоляции и термического сопротивления теплоотдаче наружной поверхности водонагревателя:

Где λ_из – теплопроводность материала тепловой изоляции, Вт/(м*⁰С), принимаю равной 0,08 из таблицы 9;

А – площадь теплоотдающей поверхности водонагревателя, м²;

α_н – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности водонагревателя, Вт/(м²*⁰С), из задания равен 11,5 Вт/(м²*⁰С), так как в моём случае он высокий.

Определяю площадь поверхности бака как сумму площадей дна, крышки и боковой поверхности:

Нахожу искомую толщину теплоизоляционного слоя, м:

Порядок расчёта δ по нормируемой температуре наружной поверхности водонагревателя.

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

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 этого выражения получаю формулу для расчёта искомой толщины теплоизоляционного слоя:

Из двух полученных величин толщины теплоизоляции выбираю наибольший, то есть тот, который удовлетворяет допустимому снижению температуры и составляет 2,9 см.

Условия безопасности по нагреву стенок водонагревателя с такой толщиной изоляции выполняются.

4 Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭТУ

На рисунке показана принципиальная электрическая схема управления работой водонагревателя МАВ-255 с двумя двухпозиционными регуляторами температуры UK1 и UK2. Регулятор UK2 (Т-419) контролирует рабочую температуру воды, а UK1 (ТРК) – аварийную. Датчики регуляторов типа ТСМ находятся в воде в одном блоке с ТЭНами. Схема защищена автоматическими выключателями QF1 и QF2. Защита от включения без воды осуществляется контактом поплавка в цепи управления Р. Водонагреватель включают нажатием кнопки SB2. Получает питание промежуточное реле KL1, которое своим контактом KL1:1 шунтирует кнопку пуска, а контактом KL1:2 подаёт питание на катушку пускателя КМ1. ТЭНы начинают нагрев воды. При этом горят сигнальная лампа о работе обогревателя HL1, и лампа процесса нагрева HL2. Вода нагревается до верхней уставке температуры UK2, после чего питание на катушку КМ1 отключется. При снижении температуры питание на КМ1 возобновляется. В случае неисправности UK2 при повышении температуры до опасной отметки, срабатывает UK1, которое отключает всю схему.

5 Выбор силовых проводов

Кабель выбираю только силовой и отходящий с пускателя на ТЭНы.

Определяю ток, А:

Таким образом, сечение кабеля должно выдерживать ток в 7,2 Ампера.

Выбираю кабель ВВГ5*2,5.

6 Выбор аппаратуры управления и защиты

В шкафу управления нужно установить трёхполюсный автоматический выключатель, однополюсный автоматический выключатель, магнитный пускатель, регуляторы Т-419 и ТРК, две кнопки, две лампочки. Все аппараты управления должны быть рассчитаны на переменное напряжение не ниже 380 Вольт, на частоту 50 Гц.

Автоматические выключатели серии ВА63: трёхполюсной на 10А, однополюсной на 2А.

Магнитный пускатель серии КМЭ тип КМЭ-1210.

7 Эксплуатация и техника безопасности

В животноводстве нагретая вода требуется для поения животных, приготовления кормов нужной консистенции и гигиенических целей.

Одним из основных требований, предъявляемым к водогрейным установкам, является соблюдение правил гигиены при минимальных затратах энергии на подогрев необходимого количества воды до требуемой температуры. Этому требованию наилучшим образом отвечают электроводонагреватели.

Перед тем как включить электроводонагреватель в работу, необходимо наполнить его резервуар водой до вытекания ее через трубопровод горячей воды. Следует иметь в виду, что включение электроводонагревателя под напряжение при отсутствии воды в резервуаре приводит к быстрому перегоранию нагревательных элементов (ТЭНов).

В трубопроводе холодной воды обязательно должны быть: вентиль-клапан, который пропускает воду из водопроводной магистрали в резервуар электроводонагревателя, но не выпускает ее обратно, а также тройник со спускным краном, служащий для освобождения резервуара электроводонагревателя от воды при его очистки и ремонте.

При монтаже электроводонагревателей, а также при их реконструкции не допускается сборка трубопровода холодной воды без обратного клапана. При отсутствии обратного клапана или при его неисправности возможно вытягивание горячей воды из резервуара электроводонагревателя в водопроводную магистраль с опасными при этом последствиями.

В электроводонагревателях надежность работы электронагревательных элементов (ТЭНов) в значительной степени определяется характеристикой воды, которая изменяется в широких пределах. Образование на ТЭНах накипи, обладающей низкой теплопроводностью, приводят к нарушению теплового баланса ТЭНа и перегоранию его нагревательного элемента. Скорость образования накипи в первую очередь зависит от жесткости воды, которая имеет соединения кальция и магния. В трубчатых электронагревателях толщина накипи не должна превышать 2 мм. Периодичность очистки ТЭНов от накипи в зависимости от жесткости воды и загрузки их в течение суток определяют по номограмме. Своевременная очистка ТЭНов от накипи предотвращает преждевременный выход их из строя. Основные меры защиты от поражения электрическим током состоят в занулении водонагревателей и парогенераторов, подключении их к водопроводной сети через изолирующие вставки, выравнивании потенциалов в помещениях.

Элементные водонагреватели должны быть запулены. Изолирующие вставки в трубопроводах холодной и горячей воды нужны во всех случаях, за исключением тех, когда водонагреватели снабжены аппаратами защитного отключения и если они установлены и снабжают горячей водой помещения с искусственным или естественным выравниваем потенциалов. В помещениях без устройств выравнивания потенциалов необходимо местное выравнивание потенциалов у водонагревателя и в местах разбора воды.

Элементные водонагреватели, обеспечивающие горячей водой душевые, должны иметь изолирующие вставки. Душевые кабины и места раздевания следует оборудовать устройствами выравнивания потенциалов в виде металлической сетки с ячейками размером не более 0,3 х 0,3 м2, заложенной в бетон на глубину 20...,30 мм от поверхности пола и соединенной сваркой с трубопроводами холодной и горячей воды, и канализационными.

Литература

Файн В.Б. Курсовая работа по электротехнологии, Челябинск 1988
Баранов Л.А., Захаров В.А. «Светотехника и электротехнология» Колос 2006