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.