СОДЕРЖАНИЕ

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

2. ВВЕДЕНИЕ.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРА.

4. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРА.

5. РАСЧЁТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО

УСТРОЙСТВА.

6. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ТЭНов).

7. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

8. РАСЧЕТ СИЛОВОЙ СЕТИ, ВЫБОР АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И

ЗАЩИТЫ.

9. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ.

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ.

ЛИТЕРАТУРА.

     ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

    ВАРИАНТ - 96

1. Тип здания – телятник
2. Число животных – N=200 шт.
3. Температура внутри помещения -
4. Температура наружного воздуха - (для Москвы)
5. Средняя температура за отопительный сезон - (для Москвы)
6. Удельный объем помещения –
7. Расположение ТЭНов в нагревательном блоке – коридорное
8. Схема соединения – Δ
9. Регулятор температуры – РТ
10. Тепловая характеристика помещения – q₀ = 3,0
11. Напор воздуха – Н= 400 Н/м²

1. ВВЕДЕНИЕ.

       Одним из важнейших мероприятии по повышению продуктивности животных и птицы является создание для них оптимальных условий содержания, объединяемых понятием «микроклимат». Только за счет обеспечения в помещениях воздушной оптимальной среды продуктивность многих видов животных и птицы можно повысить на 25 - 30%. Температура воздуха животноводческих и птицеводческих помещений является одним из важнейших параметров микроклимата. Из существующих в настоящее время способов отопления наиболее рациональным и удобным считается воздушное отопление, при котором тепло, необходимое для возмещения потерь через строительные конструкции и на нагрев вентиляционного воздуха, подается в помещение с приточным воздухом путем подогрева его в калориферах.

    В системах воздушного отопления различных животноводческих и птицеводческих помещений используют электрокалориферные установки, состоящие из электрического калорифера и вентилятора. Эти установки просты по устройству, надежны, пожаробезопасны, не требуют постоянного присутствия обслуживающего персонала и могут быть сравнительно легко автоматизированы.

    Настоящая работа включает в себя задачу полного  расчета электрокалориферной установки для подогрева приточного воздуха отопительно-вентиляционной системы животноводческих и птицеводческих помещений. В задачу расчета входит:

    1) определение мощности электрокалорифера;

    2) выбор электродвигателя для привода  вентилятора;

    3) расчет конструктивных параметров, нагревательного устройства;

    4) тепловой расчет нагревательных  элементов;

    5) расчет силовой сети и выбор аппаратуры управления и защиты;

    6) разработка схемы управления  электрокалориферной установкой;

    7) определение эксплуатационных показателей. 

    2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРА.

    2.1. Теплопроизводительность электрокалорифера   (Q_к) в кДж/ч для отопительно-вентиляционной системы животноводческих помещений определяется из уравнения теплового баланса: 

    Q_k=Q_огр+Q_в-Q_ж  , 

    где Q_ог—теплопотери через ограждения помещений, кДж/ч;

            Q_в —теплопотери, обусловленные вентиляцией, кДж/ч;

            Q_ж —тепло, выделяемое животными, кДж/ч. 

    Теплопотери через ограждения могут быть определены по формуле: 

    Q_огр = q_o·V· (t_внутр-t_нар), 

    где    q_o—тепловая характеристика помещения;

              V=V₀·N=12·200=2400 м³ — объем помещения;

            t_внутр и t_нар —соответственно температура внутри и снаружи помещения, ⁰С. 

    Q_огр= 3,0·2400· (10-(-24,5)) = 248400 кДж/ч; 

    Количество  тепла Q_ж в кДж/ч, выделяемого животными: 

    Q_ж =Q₁·N= 889,2·200=177840 кДж/ч, 

    где Q₁= q_ж = 0,247·3600 = 889,2 кДж/ч — количество тепла, выделяемого одним животным,

           N – количество животных, 

      Количество тепла, теряемого с вентиляцией: 

    Q_в=L_в·С_в·

    где   L_в— подача вентиляционных установок, м³/ч;

             С_в— массовая теплоемкость воздуха, С_в=1,0 кДж/(кг · ⁰С);

             _в — плотность воздуха, _в =1,2 кг/м³;

             К_в— часовая кратность воздухообмена;

             V— объем помещения, м                       Подача вентиляционных установок L_в при определении мощности устройств отопления находится по удалению избыточной влаги и углекислоты.

    Содержание  Н₂О в воздухе:

    где w = 141 г/час – выделение влаги одним животным при t=20 ^оС,

         =1,2 кг/м³ – плотность воздуха,

           d₁ ,d₂ – влагосодержание внутреннего и наружного воздуха, определяемые по H-d диаграмме.

           d₁ =5,3 г/кг                                        d₂ = 0,32 г/кг

    Содержание  СО₂ в воздухе:

    где = 57 л/ч – выделение СО₂ одним животным при t=20 ^оС,

           с₁, с₂ – концентрация СО₂ в воздухе внутри и снаружи помещения

            с₁ = 2,5 л/м³                                         с₂  =0,3 л/м³

     > , следовательно принимаем L_в= =5332,329  

Q_в=5332,329·1·1,2·(10-(-24,5)) = 220758,434 кДж/ч 

Q_k=248400+220758,434-177840 = 291318,434 кДж/ч 

    2.2. Кратность воздухообмена в помещении равна:

    К_в=

    2.3. Общая мощность системы отопления:

    Р_к =

    Следовательно, мощность одного электрокалорифера  Р_к1 будет равна:

    Р_к1=

    а подача одного вентилятора в м³/ ч:

    L_в1=

    где Z=4 - число вентиляционных установок.

Эскиз плана  животноводческого помещения с  размещением электрокалориферных  установок и распределительных  воздуховодов приведен на листе 1 графической части.

3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРА.

    Требуемая подача вентилятора с учетом потерь и подсосов воздуха в воздуховодах определяется по формуле

    L_в1= м³/ ч

    где k₁—коэффициент, учитывающий потери или подсос воздуха в воздуховодах.

    Коэффициент k₁=1,1 для стальных, асбоцементных и пластмассовых воздуховодов длиной до 50 м.

    Для электрокалориферных установок  животноводческих помещений рекомендуется  использовать центробежные вентиляторы способные развивать высокое давление при достаточно большой подаче. Наилучшими аэродинамическими свойствами обладают вентиляторы типа Ц4-70.

    Принимаем вентилятор Ц4-70 №4с η_вен.=0,45; n_вен.= 875 об/мин 

    Мощность  электродвигателя для привода вентилятора определяется по формуле:

    Р_расч= ,

    где  L_в—подача вентилятора, м³/с;

    H_в—полный напор, Н/м²;

     _в — КПД вентилятора;

    К_з — коэффициент запаса.

    Значение  коэффициентов запаса принимается  равным 1,1 - 1,5. Вентиляторы рекомендуется комплектовать трехфазными асинхронными электродвигателями серии 4А. 

    Выбираем  двигатель серии 4А71В6У3.

    Технические данные:

    P_н=0,55 кВт

    n_н= 900 об/мин

    I_н=1,7 А

    η_н=0,675

    cosφ=0,71

    μ_п=2,0

    μ_кр=2,2

    4. РАСЧЁТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА.

    Мощность  одного ТЭНа Р_н определяется, исходя из мощности одного калорифера Р_к1 и числа Z_н ТЭНов в одном калорифере:

    Принимаем в каждой фазе секции по два нагревателя, включенных параллельно. Определяем рабочий ток нагревательного элемента с учетом схемы включения (Δ):

      а также расчетную температура t_расч нагревателя:

    t_расч=t_д∙К_м∙К_с=700∙0,5∙1,5=525°С

    где t_д—действительная температура нагревателя, °С;

           К_м —коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение охлаждения;

           К_с—коэффициент среды, учитывающий улучшение охлаждения. 

    По  рабочему току и расчетному значению температуры по литературе [1] определяется диаметр (d) и сечение (S) нагревателя:

    Нихром  тройной(Х15Н60-Н)  d=0,15 мм           S=0,0177 мм²

    Рабочее сопротивление нагревателя—запрессованной нихромовой проволоки. Ом:

    R_н=

      Сопротивление нагревателя до опрессовки:

    R_он=R_н

    где — коэффициент изменения сопротивления в результате опрессовки, =1,3.

    Длина проволоки до опрессовки в м: 

    где _д—удельное сопротивление нихромовой проволоки при действительной температуре, Ом∙м.

    Удельное  сопротивление _д определяют по формуле

     _д = ₂₀ [1+ (t-20)]= 1,1∙10^-6[1+16,3∙10^-6(700-10)]=1,11∙10^-6 Ом∙м,

    где ₂₀=1,1∙10^-6 Ом∙м —удельное сопротивление материала при температуре 20°С;

     =16,3∙10^{-6 0}С^-1 —температурный коэффициент изменения сопротивления. 

    Диаметр спирали (D_сп) равен, мм:

    D_сп =(8-10)d=(8-10)∙0,15=1,2 – 1,5мм;

    принимаем D_сп = 1,5 мм

    шаг спирали (в мм) равен:

    h=(2-4)d=(2-4)∙0,5= 0,3 – 0,6 мм;

    принимаем h = 0,3 мм

    а число витков:

    Внутренний  диаметр трубки ТЭНа (D_н) равен: 

    D_н =(2,5-3) D_cп=(2,5-3)∙1,5= 3,75 – 4,5мм 

    принимаем D_н = 3,75 мм

    Длина активной части трубки ТЭНа в м (L_а) после опрессовки равняется длине спирали (L_сп):

    L_а= L_сп=10^-3∙h∙n=0,001∙0,3∙1880= 0,564 м,

    а до опрессовки:              

    L_оа=

где —коэффициент, учитывающий изменение длины трубки при опрессовке,

  =1,15.

    Полная длина ТЭНа в м

    L=L_a+2∙L_n= 0,564 +2∙0,05= 0,664 м

    где L_n— длина пассивной части трубки ТЭНа может быть принята равной L_n=0,05 м.

    Потребное количество проволоки для одного ТЭНа с учетом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 15—20 витков на стержень:

    Определяем удельная мощность в Вт/см² поверхности активной части трубки ТЭНа:

    W=Р_н/L_a

    Эскиз ТЭНа с указанием основных размеров приведен на листе 2 графического материала, а эскиз электрокалориферной  установки и схема компоновки ТЭНов на 3 листе. 
5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ТЭНов)

    По  эскизу калорифера с учетом расположения ТЭНов (коридорное) определяем живое сечение калорифера F_к: 

    Скорость  воздуха должна быть в интервале 6 – 11 м/с. Приняв для всех вариантов  температуру воздуха на выходе из калорифера t₂=50°С, определяют среднюю температуру воздуха:

    t_ср=(t₁+t₂)/2=(-3,5+50)/2=23,25 ºС ,

    где t₁—средняя температура воздуха на входе в калорифер за период работы установки, °С.

    Коэффициент теплоотдачи ( ) от ТЭНа к воздуху находится по методике, изложенной в литературе [1], или могут быть использованы следующие формулы.

    Коэффициент теплоотдачи ( ) в Вт/(м² С) равен:

     =

    где N_u—критерий Нуссельта;

           — коэффициент теплопроводности воздуха, =0,027, Вт/(м °С);

           D_в—внешний диаметр трубки ТЭНа, м.

    При коридорном расположении ТЭНов

    N_u=0,21R_e^0,6                                                                                                                                                             (1)

    где R_e —критерий Рейнольдса.

    Критерий   Рейнольдса   определяет режим  обтекания ТЭНов воздухом и равен:

    R_e=(V_в∙D_в)/ = 8,206∙0,0575/(18,5∙10^-6)= 2550,658

    где V_в – скорость воздуха, м/с;

      - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м/с, ( 18,5∙10^-6). 

    N_u=0,21R_e^0,6 = 0,21∙2550,658^0,6 = 23,239 

     =  

    Формула (1) позволяет определить значение коэффициента теплоотдачи, а для ТЭНов третьего и всех последующих рядов в пучке. Если теплоотдачу третьего ряда ТЭНов принять за единицу, то в шахматных и коридорные пучках теплоотдача первого ряда составляет около 0,6, а второго—в шахматных пучках около 0,7 и в коридорных—около 0,9. Расчет проводится для ТЭНов первого ряда, работающих в наиболее тяжелых условиях.

    Удельное  контактное термическое сопротивление  ТЭНа в 

    R_т=

    Контактное  сопротивление нагревателя длиной 1 м в 

    Термическое сопротивление одного метра наполнителя  в С/Вт

    где — коэффициент теплопроводности наполнителя =1,5, Вт/(м °С).

    х =   y =   К=

    Термическое сопротивление трубки длиной 1 м, м °С/Вт

     =   ,

    где —коэффициент теплопроводности стенки, =40, Вт/(м °С).

    Общее термическое сопротивление теплопроводности 1 м ТЭНа

    Общее термическое сопротивление 1 м нагревателя  ТЭНа, м °С/Вт

    Общее удельное термическое сопротивление, м °С/Вт

    R_т =

    D_э—диаметр эквивалентного цилиндра в м.

               Диаметр эквивалентного цилиндра  определяется из уравнения

       , 

    R_т =

    Удельная  мощность на поверхности трубки ТЭНа, Вт/м²

    W=

    Температуру ТЭНа принимаем равной 180ºС.

    W=  

    Предельно допустимая удельная нагрузка активной поверхности ТЭНа выполненного из стальной трубки при скорости движения воздуха не менее 6 м/с 'равна 6 Вт/см².

    Удельная  погонная мощность ТЭНа, Вт/м

    W₁=W D_в=17104,6446∙3,14∙0,00575=308,981 Вт/м

    Температура спирали ТЭНа может быть определена из формулы

t_сп=t_тен+W₁r_т =180 + 308,981∙0,0983=210,370 ºС

или

t_сп=t_ср+W₁r_т =23,25+308,981∙0,6056=210,370 ºС

    и не должна превышать максимально  допустимое значение для материала  нагревателя (Л1).

    Удельная  поверхностная мощность нагревательной опирали, Вт/м²

    W_сп= Вт/м²

    где r_т —термическое сопротивление теплопроводности. 
 

    6. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ  УПРАВЛЕНИЯ. 

    В связи с тем, что в настоящей  работе решаются задачи использования  электрической энергии для подогрева  наружного воздуха в прямоточной системе вентиляции, совмещенной с отоплением, и принимая во внимание стоимость электроэнергии, ставится вопрос об экономичном расходовании электроэнергии для отопления и вентиляции. Положительное решение этого вопроса возможно только при использовании электроподогрева воздуха в автоматизированных отопительно-вентиляционных системах.

    По  динамическому признаку автоматическое регулирование отопительно-вентиляционных систем может быть выполнено двухпозиционным и пропорциональным. Пропорциональное регулирование является более гибким и способно более полно удовлетворить зоотехнические требования по качеству воздуха внутри помещения. Двухпозиционное регулирование отличается более простым решением и в большинстве случаев при правильном выборе элементов системы дает удовлетворительные результаты.

    Контроль  температуры воздуха внутри помещения осуществляется с помощью регулятора РТ-2. Контроль предельного значения температуры поверхности ТЭНов осуществляется с помощью дилатометрических термометров ТР-400. Техническая характеристика этих приборов приведена в литературе [З]. При достижении предельной температуры электрокалориферная установка отключается во избежание перегорания нагревательных элементов. По этим же соображениям включение электрического калорифера должно происходить только при работающем вентиляторе.

    Электрическая схема установки приведена в графической части – лист 4. Установку включают под напряжением со щита управления автоматическим выключателем QF1. Нагреватели калорифера можно включать лишь после включения двигателя вентилятора автоматическим выключателем QF2 и нажатия кнопки «ПУСК» - SB2. При этом на катушку магнитного пускателя КМ1 подается напряжение и магнитный пускатель срабатывает запуская электродвигатель вентилятора. В цепи питания магнитного пускателя КМ1 предусмотрен блок-контакт автоматического выключателя QF2 для недопущения срабатывания пускателя КМ1 при не включенном QF2. Блок-контакт КМ1.2 магнитного пускателя КМ1 служит для недопущения включения нагревателей при не работающем электродвигателе вентилятора. При установке переключателя SA1 в положение А осуществляется автоматическое регулирование одной секций калорифера по температуре воздуха в помещении, которая контролируется регулятором температуры  ТР-2 , установленным в помещении. Регулятор температуры размыкает свой контакт при  повышении температуры выше допустимой - 12ºС . Универсальный переключатель SA2 позволяет отключать отдельные секции калорифера и этим регулировать мощность нагрева при работе вручную (установив переключатель SA1 в положение Р).

    В схеме предусмотрена световая сигнализация подачи напряжения на щит управления (HL1), работы секций нагрева (HL2, HL3 ) , вентилятора (HL5), а также аварийный перегрев нагревателей (HL2).

    7. РАСЧЕТ СИЛОВОЙ СЕТИ, ВЫБОР АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ. 

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

    Для линии электрокалорифера величина расчетного тока определяется по формуле

    I_к=

    для линии электродвигателя —

    I_д=

    где Р _к , и Р_дв—соответственно мощность калорифера и двигателя, кВт;

    U_н—номинальное напряжение на зажимах калорифера и двигателя, равное междуфазному (линейному) напряжению сети к которой они присоединяются, В;

    соs и К_зд—соответственно коэффициент мощности и коэффициент загрузки электродвигателя.

    Коэффициент загрузки электродвигателя учитывает  несоответствие между значением расчетной мощности и установленной (номинальной) мощностью электродвигателя, характер нагрузки рабочей машины, учитываемый коэффициентом загрузки рабочей машины К_зм

    Для вентиляторов коэффициент загрузки рекомендуется принимать К_зм=1.

    С учетом этого обстоятельства имеем:

    К_зд= К_н К_зм=

    I_д=  

    Расчетный ток магистрали, питающей электрокалориферную установку, определяется суммой расчетных токов калорифера и двигателя.

    Определение сечений проводов или кабелей  линий электрокалорифера и вентилятора, а также линии подключения производим по условиям нагрева.

    Подключение электрокалориферной установки  к сети осуществляется с помощью автоматического выключателя. Включение электрокалорифера и электродвигателя вентилятора осуществляется магнитными пускателями. Электрокалорифер должен иметь защиту от коротких замыканий  предохранителями. Электродвигатель вентилятора, помимо защиты от коротких замыкании, выполняемой  помощью автоматического выключателя, должен иметь защиту от перегрузки с помощью автоматического выключателя с тепловым расцепителем.