Титульный лист

     Содержание

     Техническое задание

    Вариант 16 

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 – ТК-6
10. Тепловая характеристика помещения –
11. Напор воздуха –

    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.

    1. Определение мощности  калорифера

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

    где  —теплопотери через ограждения помещений, кДж/ч;

            —теплопотери, обусловленные вентиляцией, кДж/ч;

            —тепло, выделяемое животными, кДж/ч. 

    Теплопотери через ограждения могут быть определены по формуле: 

    где    —тепловая характеристика помещения;

          — объем помещения;

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

    Количество  тепла Q_ж  в кДж/ч, выделяемого животными:

где — количество тепла, выделяемого одним животным,

           N – количество животных, 

      Количество тепла, теряемого с  вентиляцией:

    где   L_в— подача вентиляционных установок, м³/ч;

             — 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,

     , – влагосодержание внутреннего и наружного воздуха.

    Содержание  СО₂ в воздухе:

    где – выделение СО₂ одним животным при t=20 ^оС,

           , – концентрация СО₂ в воздухе внутри и снаружи помещения 

     , следовательно принимаем 

     Отсюда  находим мощность калорифера:

    2. Кратность воздухообмена в помещении  равна:

    3. Общая мощность системы отопления:

    Следовательно, мощность одного электрокалорифера  Р_к1 будет равна:

    а подача одного вентилятора в м³/ ч:

    L_в1=

    где Z=4 - число вентиляционных установок.

    2. Выбор электродвигателя для привода вентелятора

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

    L_в1=

    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 №4: 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

    3. Расчет 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∙712,1= 0,2136 м,

    а до опрессовки:              

    L_оа=

где =1,15—коэффициент, учитывающий изменение длины трубки при опрессовке.

    Полная  длина ТЭНа:

    L=L_a+2∙L_n= 0,2136 +2∙0,05= 0,313 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

     4. Тепловой расчет нагревательных элементов

    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 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                                                                                                               

    где R_e —критерий Рейнольдса.

    Критерий   Рейнольдса   определяет режим  обтекания ТЭНов воздухом и равен:

    R_e=(V_в∙D_в)/

    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 . 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

    Температура спирали ТЭНа может быть определена из формулы

t_сп=t_тен+W₁r_т

или

t_сп=t_ср+W₁r_т

Удельная  поверхностная мощность нагревательной опирали, Вт/м²

    W_сп=

    где r_т —термическое сопротивление теплопроводности.

    5. Разработка системы управления

    В связи с тем, что 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). 

    6. 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.