Проектирование и энергоаудит электрического нагрева

Министерство образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
_______________________________________________________
УДК 631.371:621.365
№
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭНЕРГОАУДИТ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА
Учебное пособие
Новосибирск 2006
УДК 631.371:621.365 (075.8)
Проектирование и энергоаудит электрического нагрева. Учебное пособие/Новосиб.
гос. аграр. ун-т; Сост.: В.Г. Ляпин. - Новосибирск, 2006. - 98 с.
Рассмотрены методики расчета электронагревательных установок, приведены исходные
данные для проектирования, показаны примеры расчета. Содержатся справочные данные для
выполнения расчетов и выбора электрооборудования.
Предназначены для студентов очного и заочного обучения специальности 110302.
Рецензенты: профессор, д-р техн. наук Алиферов А.И. (НГТУ)
с.н.с., д-р техн. наук Делягин В.Н. (СибИМЭ)
© Новосибирский государственный технический университет, 2006
© Новосибирский государственный аграрный университет, 2006
2
ВВЕДЕНИЕ
Развитие сельскохозяйственного производства связано с широким потреблением тепловой энергии в процессах обработки материалов, создания микроклимата, получения искусственного холода. Наиболее универсальными источниками тепловой энергии в современных
технологиях являются электронагревательные установки. Повышение эффективности использования электронагрева и совершенствование нагревательных установок требует подготовки
высококвалифицированных специалистов, глубоко понимающих физические процессы электронагрева.
Целью курсовой работы являются:
 закрепление, углубление и обобщение знаний, полученных студентами во время изучения курса "Электротехнология";
 развитие навыков самостоятельного решения инженерных задач по применению электротехнологии в процессах сельскохозяйственного производства.
На основе новейших достижений науки и техники в области электротехнологии необходимо разработать наиболее прогрессивные электронагревательные установки. При этом решения, принятые в работе, должны отличаться экономической эффективностью.
Выполнение курсовой работы должно продемонстрировать
знания студентов:
 устройства, работы, технических данных, способов управления и автоматизации электротехнологического оборудования;
умение студентов:
 обосновать технико-экономическими расчетами применение электронагрева и электротехнологии в технологических процессах сельского хозяйства;
 производить расчет и проектирование устройств электронагрева и электротехнологии с
использованием современных расчетных методов и вычислительной техники;
 разрабатывать способы управления и автоматизации электротермических установок.
При выполнении курсовой работы используется патентная документация, учебная и
справочная литература, руководящие материалы по проектированию, а также другая научнотехническая литература.
Учебное пособие может быть также использовано при выполнении дипломных проектов
по специальности 110302.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
В качестве объекта проектирования принимают электротермические установки различного назначения или животноводческие и птицеводческие помещения. Предлагается два
направления курсовой работы.
1.Проектирование электротермических установок технологических процессов.
Исходными данными для проектирования служат:
1)назначение установки, технологический процесс; 2) количество нагреваемого материала, кг или производительность установки, кг/с; 3) агрегатное состояние вещества в начале и
конце нагрева (твердое, сыпучее, жидкое, газообразное); 4) температурный режим нагрева:
начальная t1 и конечная t2 температуры, скорость нагрева dt/dτ, время нагрева и время выдержки τ, температура окружающей среды, t0; 5) дополнительные данные (влажность, влагосодержание, плотность, вязкость т.п. нагреваемого материала).
В расчетно-пояснительной записке рекомендуется выделить следующие разделы: введение; разработка схемы электротермического процесса; тепловой расчет электротермических
установок; электрический расчет электротермических установок; расчет параметров автоматического регулирования; расчет внутренних силовых сетей и выбор ПЗА; разработка мероприятий по технике безопасности; расчет технико-экономических показателей.
3
Варианты заданий приводятся в приложении А.1.
2.Проектирование электротермических установок животноводческих помещений.
Исходными данными для проектирования служат:
1)типовой проект животноводческого помещения; 2) температура и относительная
влажность животноводческого помещения и окружающей среды; 3) компоновка ТЭНов в
нагревательном блоке электрокалорифера; 4) электродная система водонагревателя, удельное
сопротивление воды.
В расчетно-пояснительной записке рекомендуется выделять следующие разделы: введение; расчет тепловой нагрузки животноводческих помещений; расчет системы вентиляции;
тепловой и конструктивный расчет нагревательного блока электрокалорифера; расчет горячего водоснабжения; расчет теплоаккумуляционной установки; расчет электродного водонагревателя; расчет параметров автоматического регулирования; расчет внутренних силовых сетей
и выбор ПЗА; разработка мероприятий по технике безопасности; расчет техникоэкономических показателей. Варианты заданий приводятся в приложения А.2.
Объем расчетно-пояснительной записки составляет 25-30 стр. В графической части, на
листе формата А1, представляются конструктивные разработки и принципиальные электрические схемы управления и автоматизации. Пояснительная записка и чертежи оформляются согласно требованиям, приведённым в приложении Б.
1 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА
Электротермический процесс представляет собой совокупность приемов и операций,
направленных на перевод материала или продукта из исходного состояния к необходимому
конечному состоянию. Технологический процесс электротермии характеризуется режимами
функционирования. В общем случае различают следующие режимы:
 установочный, связанный с подготовкой электротермического оборудования к выполнению его основной функции;
 рабочий, связанный с процессом нагрева среды или материала;
 транспортный, связанный с процессом загрузки, перемещением при нагреве, и выгрузкой нагреваемого материала;
 контроля, связанный с контролем параметров электротермического процесса с изменением и контролем физических параметров нагреваемой среды (материала) на входе и выходе
электротермической установки;
 обслуживания, представляющим собой технический уход за электротермической установкой.
Для наглядного представления электротермического процесса составляют его структурную схему.
Структурную схему изображают или в виде прямоугольников, или в виде схематического изображения оборудования, занятого в данном процессе и связанного между собой в
определенной последовательности.
При изображении технологического процесса прямоугольниками внутри прямоугольников указывают наименование технологических операций. Направление движения нагреваемого материала (среды), поступление энергии, регулирующие воздействия и др. показывают
стрелками, связывающими отдельные блоки.
Примерная структурная схема электротермического процесса приведена на рисунке 1.1.
4
Нагреваемая
среда (тело)
Загрузка
Чувств.элемент
(датчик темп.,
влажн.скорости)
Регистрирующий
орган
Выгрузка
ЭТУ
Нагревательный
элемент
Источник
питания
Потребителю
на хранение
Исполнительный орган (схема управления)
Управляющий
орган (регулятор)
Чувств.элемент
(датчик темп.,
влажн.)
Задатчик
Рисунок 1.1 - Структурная схема электротермического процесса
Структурные схемы сопровождаются описанием технологических процессов. Описание
должно быть кратким и ясным, дающим четкое представление о процессах, происходящих в
отдельных блоках схемы.
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
2.1 Расчет мощности электротермических установок
Теловой расчет электротермических установок состоит в определении тепловой мощности, теплового КПД, основных конструктивных размеров установок, температуры отдельных
элементов конструкции, расчете тепловой изоляции. Эти общие тепловые параметры характерны для всех видов электротермических установок независимо от их назначения, устройства и способа электронагрева.
В ходе теплового расчета предварительно разрабатывают эскизный проект установки,
намечаются основные конструктивные размеры. При этом руководствуются типом и назначением установки, ее вместимостью, производительностью и т.п.
Форму и внутренние размеры рабочего пространства устанавливают, исходя из условий
размещения нагреваемого материала, нагревательных элементов, измерительной и контрольной аппаратуры. Во всех случаях, для повышения теплового КПД, необходимо стремиться к
тому, чтобы установка имела минимальную удельную ограждающую поверхность Fуд,
Fуд = F/V3,
(2.1)
2
3
где F – площадь поверхности ограждения, м ; V – объем рабочего пространства, м .
Размеры рабочего пространства установок периодического действия определяются объемом (массой, размерами) одновременно нагреваемого материала за один рабочий цикл.
Производительность установки периодического действия
G = Vρ/τ,
(2.2)
где V – объем нагреваемого материала, м3; ρ – плотность материала, кг/м3; τ – полное время
работы установки, включая время загрузки и разгрузки, с.
Для установки непрерывного действия размеры рабочей камеры также определяются ее
производительностью. Учитывая, что нагреваемый материал поступает непрерывно, производительность установки
G = υρF,
(2.3)
где υ – скорость поступления материала в рабочее пространство, м/с;
F – площадь сечения рабочего пространства, м2.
Длина рабочего пространства
5
l = Gτ/ρF,
(2.4)
где τ – время нахождения материала в рабочем пространстве, с.
Тепловой расчет основан на решении уравнения теплового баланса электротермического
процесса.
Расчетная мощность электротермической установки определяется из выражения
Ррас = Рпол + Рпот + Рэл,
(2.5)
где Рпол – полезный тепловой поток, необходимый для термического процесса, Вт; Рпот –
сумма тепловых потерь в окружающую среду, на нагрев конструкций установки и др., Вт; Рэл
– потери энергии в электрических элементах установки, Вт.
Полезную мощность Рпол можно рассчитать по упрощенным формулам.
Для установок периодического действия (нестационарные тепловые процессы) средняя
полезная мощность за время τ,
при нагреве материалов
Рпол = mc(t2 – t1)/τ,
(2.6)
при плавлении и испарении материалов тело вначале расходуется на нагрев материала до
температуры фазового превращения, а затем на изменение агрегатного состояния
Рпол = m[c(t2 – t1) + qуд] /τ.
(2.7)
Для установок непрерывного действия (стационарные тепловые процессы)
при нагреве
Рпол = Gc(t2 – t1),
(2.8)
при плавлении и испарении
Рпол = G[c(t2 – t1) + qуд],
(2.9)
где m – масса нагреваемого материала, кг; с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙˚С); t2
и t1 – конечная и начальная температура нагреваемого материала, ˚С; τ – время нагрева, с; qуд –
удельная теплота фазового превращения, Дж/кг (приложение Г.1); G – производительность
установки, кг/с.
Тепловые потери в окружающую среду в общем случае связаны с тремя способами передачи теплоты: теплопроводностью, конвекцией и излучением и описывается зависимостью
Рпот = qF.
(2.10)
где q – поверхностная плотность теплового потока при теплообмене теплопроводностью
(конвекцией, излучением) Вт/м2; F – площадь поверхности, участвующей в теплообмене, м2.
При неравенстве площадей внутренней Fвн и наружных Fнар поверхностей, участвующих в
теплообмене, для расчета принимают среднеквадратичную расчетную площадь FCP  FBHFHAP ,
м2 .
Плотность теплового потока, передаваемого теплопроводностью через стенку перпендикулярно ее плоскости, выражается законом Ома для тепловой цепи
q=tc1-tc2/R λ=∆t/R λ
(2.11)
где tc1, tc2 - температуры поверхностей стенки, °С; R λ - термическое сопротивление теплопроводности стенки, м2 °С /Вт.
Термическое сопротивление теплопроводности:
плоской многослойной стенки из п слоев
n
R   i / i ,
(2.12)
i 1
цилиндрической многослойной стенки из п слоев, отнесенное к единице длины
n
Rl  1 / 2 1 / i ln di  1 /di
(2.13)
i 1
где δi - толщина i-го слоя многослойной плоской стенки, м; λi- коэффициент теплопроводности i-го слоя многослойной стенки, Вт/(м°С)(приложения Г.2, Г.З); d1 - диаметр iго слоя многослойной цилиндрической стенки, м.
6
Для цилиндрического нагревателя длиной l, находящегося в полуограниченном пространстве (рисунок 2.1а), термическое сопротивление между нагревателем и ограничивающей
поверхностью (°С/Вт)
R 
h

ln   (h / r )2  1
2l  r

1
.
(2.14)
Если несколько таких нагревателей уложены в одной плоскости с шагом а, то
(2.15)
1
h
a
R 
ln  sh 2 
2l  r
a
В случае, когда несколько цилиндрических нагревателей уложены в панель с двусторонней отдачей (рисунок 2.1 б), термическое сопротивление между нагревателем и поверхностями панели
R 
h 
a
ln  sh 
2l  r 2a 
1
(2.16)
λ
h
a
λ
2r
2r
а
б
Рисунок 2.1 – К расчету термического сопротивления между нагревателем и поверхностью
панели
Плотность теплового потока, передаваемого конвекцией от поверхности тела к жидкости (газу) или в обратном направлении, в простейшем случае определяется формулой Ньютона
q=α(t1-tж) =∆t/R α,
(2.17)
где α - средний коэффициент теплоотдачи от поверхности тела,
Вт/(м2°С); Δt = (tС - tж) - температурный напор от стенки к жидкости, °С; Rа =1/α - термическое сопротивление конвекции, м2°С /Вт.
Процессы конвективного теплообмена весьма сложны. Коэффициент теплоотдачи α является сложной функцией многих переменных: вида конвекции (естественная или вынужденная), физических свойств жидкости (газа), ее скорости, температуры тела и жидкости, формы
и размеров тела и других факторов.
Для некоторых простых условий теплообмена коэффициент α определяют по следующим формулам.
При свободной конвекции
для вертикальных стенок и труб
  3,264 t ,
(2.18)
для горизонтальных, обращенных теплоотдающей поверхностью вверх
  2,554 t ,
(2.19)
для горизонтальных, обращенных теплоотдающей поверхностью вниз
  1,634 t .
7
(2.20)
При вынужденной конвекции коэффициент α зависит главным образом от скорости
движения среды.
Рассмотрим наиболее распространенные случаи.
Принудительное движение воздуха вдоль стенки со скоростью более 5 м/с
α = 7,12υ0,78
(2.21)
Поперечное обтекание воздухом спиральных проволочных и зигзагообразных ленточных нагревателей
при числе Re ≤ 1000
0,62cB  0, 47 0, 47
 0,09d 0,53
0 , 38
  10,79
(2.22)
при числе Re > 1000
0,62 c B0,38  0,62 0,62
  2,75
 0, 24 d 0,38
(2.23)
где λ – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м∙˚С); св – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг∙˚С); ρ – плотность воздуха, кг/м3; υ – скорость потока воздуха, м/с; μ – коэффициент динамической вязкости воздуха. Па∙с;d – размер обтекаемого воздухом тела (диаметр провода),м.
Поперечное обтекание воздухом пучков гладких труб при их “шахматной” компановке
(рисунок 2.2а)
при (s1 – d)/(s – d) ≥ 0,7
  0,39C
 Pr 0,35  s1  d 
0, 25


d 0, 40  s  d 
 
 
v
0, 60
(2.24)
при (s1 – d)/(s – d) > 0,7
  0,36C
где s 
2
2
0, 25 s1
 s2
 Pr 0,35   
0 , 60
(2.25)
 
d 0, 40  v 
– диагональный шаг нагревателей, м; d – диаметр трубы, м; С – поправоч-
ный коэффициент, зависящий от числа рядов нагревателей z в продольном направлении (рисунок 2.2б).
а
б
а – схема расположения нагревателей; б – поправка на число продольных рядов.
8
Рисунок 2.2 – К расчету теплоотдачи трубчатых нагревателей при поперечном обтекании.
Поперечное обтекание пучков труб с поперечными ребрами (оребренные трубчатые
электронагреватели в электрокалориферах) при их “шахматной” компоновке
  0,213

s 0p,35
Pr
0 , 35
d

s
 p




0 , 54
 hp

s
 p




0 ,14
 
 
v
0 , 65
(2.26)
где Sp – шаг оребрения, м; hp – высота оребрения, м.
Конвективный теплообмен всегда сопровождается теплопроводностью. Перенос теплоты от одной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их однослойную или
многослойную стенку любой формы называют “теплопередачей”.
При теплопередаче от одной среде к другой через плоскую многослойную стенку из n
слоев плотность тепловогоtпотока
равна t
ж1  t ж 2
q

n
1
i 1
Rt
(2.27)
 
1
i 1
i
2
где tж1, tж2 - температуры сред, α1, α2 -коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной
поверхностях стенки, Вт/(м∙˚С); δi, λi - толщина, м, и коэффициент теплопроводности,
Вт/(м∙˚С) i – ой стенки; Rt – полное термическое сопротивление теплопередаче, м2˚С/Вт.
Полное термическое сопротивление теплопередаче, Rt складывается из термического
сопротивления теплоотдаче внутренней стенке, Rα1, термического сопротивления теплопроводности каждого слоя стенки, Rλi, термического сопротивления теплоотдаче наружной стенки, Rα2
n

1
1
R1 
 i 
 R 1  Ri  R 2 .
(2.28)
1
i 1
i
2
При теплопередаче через цилиндрическую многослойную стенку из n слоев полное линейное термическое термическое сопротивление равно
n
d i 1
1 1
1
1 

,

ln

(2.29)

  1d1 i 1 2i
d i  2 d n1 
где d1,d2 – внутренний диаметр и диаметр i-го слоя многослойной цилиндрической стенки, м.
Излучение – процесс переноса теплоты от одного тела к другому посредством электромагнитных волн. Обычно наблюдается сложный теплообмен, сочетающий излучение и конвекцию. С повышением температуры интенсивность теплопередачи излучением возрастает
быстрее, чем конвекцией, и становится особенно заметной при температуре поверхности выше 500 °С.
Плотность теплового потока, передаваемого излучением с поверхности абсолютно черного тела определяется законом Стефана-Больцмана
E0 = σ0Τ4
(2.30)
для серого тела
Е = εЕ0 = εсσ0Τ4 = εС0(Т /100)4 = С(Т /100)4 ,
(2.31)
-8
2 4
где σ0 = 5,67∙10 Вт/(м ∙К ) - постоянная Стефана-Больцмана (константа излучения абсолютно
черного тела); Τ - температура тела, К; ε = Е/Ео - степень черноты тела (приложение Г.6); С0 =
5,67 Вт/(м2-К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; С= εС0 - коэффициент излучения серого тела, Вт/(м2∙К4).
Закон Стефана-Больцмана лежит в основе расчета лучистого теплообмена. Для идеализированного случая теплообмена между двумя "серыми" телами, мощность теплового потока
Rlt 
4 9
 T 4
 1   T2  


 
 H ,
P  5,67 c
 100   12
пр  100 
 
 


Р, передаваемого от излучателя с температурой Τ1, к нагреваемому телу с температурой Τ2,
определяют по выражению
(2.32)
cпp - приведенная степень черноты участвующих в теплообмене тел; H12 - взаимная поверхность излучения, м2.
Взаимная поверхность излучения определяется как
H12 = φ12F1 = φ21F2
(2.33)
2
где F1, F2 - поверхности участвующих в теплообмене тел, м ; φ12, φ21 - средние по поверхности
коэффициенты облученности тел, показывающие, какая часть полусферического теплового
потока, испускаемого излучателем, падает на облученное тело.
Если Р1 - мощность излучения, а Р2 - мощность, падающая на тело, то
Φ12 =Р2/Р1
(2.34)
Для простейшего случая теплообмена излучением между двумя параллельными плоскостями, имеющими размеры (F] = F2), значительно превосходящие расстояние между ними, φ12
= φ21, приведенная степень черноты
1
(2.35)
c пр 
,
1/ 1  1/  2  1
при лучистом теплообмене между двумя телами, одно из которых поверхностью F2, охватывает другое, поверхностью F1 (F2> F1)
1
c пр 
1 / 1  F1 / F2 (1 /  2  1)
(2.36)
где ε1, ε2 - степени черноты тел, участвующих в теплообмене.
Для сложных поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене, в выражение (2.32)
вводят поправочные коэффициенты, зависящие от формы и взаимного расположения тел [7].
Теплопотери на нагрев элементов конструкции электротермического устройства определяют по выражению (2.6).
Потери в электрических элементах электротермической установки зависят в основном
от наличия преобразователей электрической энергии, их сложности и элементной базы. При
наличии понижающих трансформаторов, электрические потери составляют 2...5% от расчетной мощности, в высокочастотных установках электрические потери могут достигать до 25%.
При отсутствии преобразователей электрической энергии потерями в электрических элементах можно пренебречь.
При известном удельном расходе электроэнергии на нагрев мощность можно приближенно определить по формуле
Ppac = Gω,
(2.37)
3
где G - производительность установки, кг/ч, м /ч и т.п.; ω - удельный расход электроэнергии
(включает не только полезный расход энергии, но и потери), кВт∙ч/кг, кВт∙ч/м3 и т.п.
Удельный расход электроэнергии некоторых тепловых процессов приведен в [7].
Для отопительных установок мощность определяют по выражению
Ppac = q0FΔt,
(2.38)
где qо - удельная отопительная характеристика помещения, Вт/(м2∙°С);
F - площадь ограждения, м2; Δt - перепад температур внутреннего и наружного воздуха °С.
Установленную мощность выбирают выше расчетной
Pycm = k3Ppac,
(2.39)
где k3 = 1,1... 1,3 - коэффициент запаса, учитывающий старение нагревательных элементов,
снижение термического сопротивления изоляции, возможное снижения напряжения в сети.
В ориентировочных расчетах мощность ЭТУ определяют по формуле
10
Ppac= Pпол/ ηm ηЭ = Pпол/ η ,
(2.40)
где ηm , ηЭ - соответственно тепловой и электрический КПД.
Значения теплового КПД ηm, некоторых электротермических установок приведены в
[7,20].
2.2 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Тепловая изоляция предназначена для снижения теплопотерь в окружающую среду и,
следовательно, уменьшения годовых издержек производства.
Вид изоляции обуславливается ее стоимостью, температурными режимами, окружающей средой, санитарно-гигиеническими условиями.
Изоляция должна быть механически прочной, дешевой, тонкой, легкой, обладать малой
теплопроводностью и электрической проводимостью, выдерживать высокие температуры.
Для удовлетворения этих требований изоляцию делают многослойной. Слои, прилегающие к зоне высоких температур, выполняют из огнестойкого материала (асбест), для поверхностных слоев используют материалы с низкой теплопроводностью (минеральная вата, стекловолокно, дерево, пенопропилен и т.д.)
Задача расчета изоляции сводится к определению ее толщины. Увеличение толщины
снижает потери энергии, но при этом возрастают расходы на изоляцию.
Следовательно, расчет изоляции является типичной технико-экономической задачей по
определению минимума приведенных Затрат.
Оптимальную толщину изоляции для плоской стенки определяют по выражению
u 
3
1 
1 
S э  u t 10
 ,
  c 

( p  E н ) S u  a1  c a 2  u
a
(2.41)
где SЭ - стоимость электроэнергии, руб/(кВт-ч); λu - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м°С) (приложение Г.7); τ - число часов работы установки в течение года, ч/год; Δt среднегодовая разность температур между нагреваемым материалом и окружающей средой,
°С; ра - коэффициент отчислений на амортизацию; ЕН - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, ЕН = 0,15 1/год; Su - стоимость 1 м3 изоляционного материала,
руб/м3; а1, а2 - коэффициенты теплоотдачи от нагреваемой среды внутренней стенке и от
наружной стенки к окружающей среде, Вт/(м2∙°С); δc, λс - толщина, м, и коэффициент теплопроводности металлической стенки, Вт/(м∙°С).
Полученная по формуле (2.41) толщина изоляции может оказаться слишком большой,
значительно увеличивающей габаритные размеры установки. В этом случае уменьшают толщину за счет увеличения приведенных затрат.
Уменьшение теплопотерь установки не всегда пропорционально увеличению толщины
тепловой изоляции. Объясняется это тем, что при увеличении толщины изоляции возрастает
теплоотдающая поверхность. Так, для цилиндрических тел уменьшение тепловых потерь
наступает при условии
dи /d -1 < a2du/2λu ln du/d,
(2.42)
где d, dи - соответственно наружный диаметр установки и наружный диаметр изоляции, м.
Исходя из условия (2.41), изоляция должна иметь коэффициент теплопроводности
λu < (α2/2)dи .
(2.43)
Термическое сопротивление изоляции должно быть достаточным для снижения наружной температуры установки до допустимого значения.
Пример 1. Определить расчетную мощность и тепловой КПД электротермической установки для нагрева 200 кг воды от 15 до 90 ◦С за 2 часа. Вода нагревается в баке из малоуглеродистой стали с внешним диаметром d2 = 0,6 м, высотой h = 0,8 м, с толщиной стенок
δc = 0,002 м. Коэффициент теплопроводности стенки λс = 50,5 Вт/(м∙°С). Теплоемкость воды св
= 4,19 кДж/(кг∙°С), температура окружающей среды t0 = 20 °С.
Решение.
11
Определяем полезную мощность
Pпол=mсв(t2-t1)/τ = 200∙4190∙(90-15)/2∙3600 =8729,16 кВт.
Внутренним контактным термическим сопротивлением 1/α1 при переходе теплоты от
воды к баку можно пренебречь ввиду его малости.
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности бака
a2  3,26 4 t  3,26 4 (90  20 )  9,42 BΤ/( м∙°С).
Внутренний диаметр бака
dв = d - 2δc = 0,6 - 2∙0,002 = 0,596 м
Термическое сопротивление боковой цилиндрической стенки бака на 1 м длины
Rlбок=1/π(1/2λсlnd2/dв+1/α2D2)=1/3,14(1/2∙50,5ln0,6/0,596+
1/9,42∙0,6)=0,056 BΤ/( м∙°С).
Термическое сопротивление боковой поверхности бака
Rбок = R1бок∙h = 0,056∙0,8 = 0,045 ( м∙°С)/ Вт
Термическое сопротивление торцевой поверхности бака по выражению
Rбок= δc/λc=1/α2 = 0,002/50,5+1/9,42=0,106 (м∙°С)/ Вт
Площадь боковой поверхности бака
F6ок = πd2Н = 3,14 ∙ 0,6 ∙ 0,8 = 1,51 м2
Площадь торцевой поверхности
F 
m
d 2
2
2  3,14  0,6  0,28
4
4
м2.
Тепловой поток, теряемый через боковую поверхность
Рбок=∆t/Rбок∙Fбок=90-20/0,045∙1,51=2348 Вт
Тепловой поток, теряемый через торцевую поверхность
Рm=∆t/Rm∙Fm=90-20/0,106∙0,28=184,9 Вт
Общие потери
Рпот=Рбок+2Рm=2348=2∙184,9=2717,8 Вт =2,72 кВт
Расчетная мощность
Ррасч=Рпол+Рпот=8,73+2,72=11,45 кВт
Тепловой КПД
ηm =Рпол /Ррасч =8,73/11,45=0,76
Установленная мощность
Руст=k3∙Ррасч = 1,2∙11,45 = 13,74 ≈14,0 кВт
Пример 2. ТЭН диаметром d1 = 13 мм, с температурой поверхности Т1 = 550 К, расположен коаксиально в трубе с внутренним диаметром d2 = 30 мм, с температурой поверхности
320 К. Степень черноты поверхности ТЭНа ε1 = 0,9, внутренней поверхности трубы - 0,3.
Средний коэффициент облученности тел φ12 = 0,95. Определить мощность теплового потоки
па 1 м длины, передаваемого от ТЭНа трубе.
Решение.
Площадь поверхности 1 м ТЭНа
F1=πd1l = 3,14∙13∙10-3∙1,0 = 0,04 м2.
Площадь поверхности 1м внутренней поверхности трубы
F2=πd2l = 3,14∙30∙10-3∙1,0 = 0,09 м2.
Приведенная степень черноты участвующих в теплообмене тел
cпр=1/[1/ε1=F1/F2(1/ε2-1) ] = 1/[1/0,9+0,04/0,09∙(1/0,3-1)] = 0,46.
Взаимная поверхность излучения
H12=φ12∙F1 = 0,95∙0,04=0,038 м2.
Мощность теплового потока
Р=5,67спр[(Т1/100)4-(Т2/100)4]Н12=5,67∙0,46[(550/100)4-(320/100)4]0,038=80,3 Вт
12
3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ
3.1 Расчет электрокалориферной установки
3.1.1 Расчет тепловой нагрузки животноводческих помещений
Тепловой поток системы отопления и вентиляции определяют из уравнения теплового
баланса
Фот = Фог + Фв - Фж,
(3.1)
где Фог ,Фв и Фж - соответственно тепловые потоки теряемые через ограждения, на нагрев
вентиляционного воздуха и тепловой поток, поступающий от животных, Вт.
Тепловой поток через ограждения можно определить по выражению
Фог = q0 Vн ( tв - tн ),
(3.2)
где q0 - удельная тепловая характеристика помещения, характеризует количество теплоты, теряемого наружной поверхностью помещения
1 м3 при разнице температур наружного и внутреннего воздуха 1°С, Вт/(м3∙°С), (приложение
Д.1); Vн - объем помещения по наружному обмеру, м3; tв и tн - соответственно температуры
наружного и внутреннего воздуха, °С.
Тепловой поток теряемый на нагрев приточного воздуха
Фв = 0,278Lcв ρ( tв - tн ),
(3.3)
где L - расчетный воздухообмен помещения, м3/ч; св - удельная теплоемкость воздуха, св = 1
кДж/(кг∙°С); ρ - расчетная плотность воздуха после калорифера, кг/м3.
Расчетный воздухообмен определяют из условия понижения концентрации углекислоты
и водяных паров в воздухе помещения.
Расход приточного воздуха, необходимого для понижения концентрации углекислоты,
вычисляют по формуле
Lco2 = 1,2∙c∙n/c1-c2,
(3.4)
где 1,2 - коэффициент, учитывающий количество co2, выделяемое подстилкой при ее разложении; с количество co2, выделяемое одним животным (птицей), л/ч; (приложения Д.2, Д.4); п
- количество животных (птицы) в помещении; c1 - предельно допустимая концентрация co2 в
воздухе помещения, л/м3; (в коровниках, телятниках и птичниках c1 не более 2,5 л/м3, в свинарниках - 2,0 л/м3); с2- концентрация co2 в наружном воздухе. В сельской местности c2 = 0,3
... 0,4 л/м3.
Расход приточного воздуха, необходимого для удаления водяных паров, находят по
формуле
Lw = W/ (dв-dн)ρ ,
(3.5)
где W – масса влаги, выделяющейся в помещении, г/ч; dв и dн – влагосодержание внутреннего
и наружного приточного воздуха, г/кг; ρ – расчетная плотность воздуха в помещении, кг/м2.
Плотность воздуха зависит от температуры и атмосферного давления
ρ = 346/273+t ∙ р/99,3 ,
(3.6)
где р – расчетное барометрическое давление в данном районе, кПа;
t – расчетная температура воздуха, ˚С; 99,3 - расчетное барометрическое давление для Центрального района России. кПа.
Значения dв и dн определяют при помощи Hd -диаграммы для влажного воздуха (приложение В) по соответствующим значениям температур и относительной влажности внутреннего и наружного воздуха.
Суммарные выделения влаги в помещении для животных подсчитывают по формуле
W = Wж+Wисп .
(3.6)
Влагу, выделяемую животными, определяют по выражению
N
(3.8)
W ж  k t  ni W i ,
i 1
13
где N - количество половозрастных групп; ni – число животных с одинаковым выделением
водяных паров (в i-й половозрастной группе);
Wi – выделение водяных паров одним животным. г/ч, (приложение Д.2); kt – коэффициент,
учитывающий изменение количества выделяемых животными водяных паров в зависимости
от температуры внутри помещения (приложение Д.3).
Влага, испаряющаяся с мокрых поверхностей помещения (пол, поилки, кормушки и др.)
Wисп = ξWж,
(3.9)
где ξ коэффициент, равный 0,1...0,125 для коровников и телятников, 0 1…0,3 для свинарников. Большие значения ξ относятся к помещениям с недостаточным количеством или полным
отсутствием подстилки при неудовлетворительной работе канализации.
Выделение влаги в птичнике
W = Wпт + Wпом + Wисп ,
(3.10)
Масса водяных паров Wпт выделяемых птицей
N
Wпт  k1  ni mi wi
,
(3.11)
i 1
где ni – число птиц с одинаковым выделением водяных паров; mi – живая масса одной птицы,
кг; wi – выделение водяных паров на 1 кг живой массы птицы, г/ч (приложение Д.4); kt – коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемых птицей водяных паров в зависимости от температуры внутри помещения (приложение Д.5).
Масса влаги Wпом испаряющейся из помета
Wпом = nPпом z/24,
(3.12)
где Pпом – среднесуточный выход помета от одной птицы (у взрослых кур яичного направления Pпом =240г, кур мясного направления – 290 г, индеек – 430 г, уток – 550 г, гусей – 600 г); zкоэффициент, учитывающий усушку помета (для кур и индеек z = 0,7, для уток z = 0,74).
Массу испаряющейся с мокрых поверхностей помещения влаги Wисп, берут равной Wисп
= 0,1Wпт.
Необходимый воздухообмен, L,для животноводческого или птицеводческого помещения принимается по наибольшей из двух величин:Lco2 или Lw.
Правильность расчета проверяют по кратности воздухообмена К
K = L/V,
(3.13)
где V-внутренний объем помещения, м3.
Кратность воздухообмена в животноводческих фермах для холодного периода года
должна быть К =3…5, птичниках К =10…12.
Тепловой поток, выделяемый животными
Фж = nqmkt ,
(3.14)
где n – число животных с одинаковым выделением свободной теплоты; qm – поток свободной
теплоты, выделяемой одним животным, Вт, (приложение Д.2.); kt – коэффициент, учитывающий изменение количества выделенной животными теплоты в зависимости от температуры
внутри помещения (приложение Д.3).
Поток свободной теплоты, выделяемой птицей,
Фпт = nmqmkt ,
(3.15)
где n – число птиц с одинаковым выделением свободной теплоты; m – живая масса одной
птицы, кг, (приложение Д.4); qm – поток свободной теплоты, выделяемый 1 кг живой массы
птицы, Вт, (приложение Д.4); kt – коэффициент, учитывающий изменение количества выделенной птицей теплоты в зависимости от температуры внутри помещения, (приложение Д.5).
Величины тепловых потоков, теряемых через ограждения и на подогрев приточного воздуха, а также воздухообмен по влаговыделениям зависят от температуры наружного воздуха.
Установленную мощность отопительных установок и подачу вентилятора определяют при
минимальной расчетной температуре наружного воздуха tн, соответствующей данной климатической зоне.
14
Для определения необходимой мощности отопления и подачи вентилятора при более
высоких температурах строят отопительную и вентиляционную характеристики помещения
при изменении наружной температуры от tн до + 8 ˚С. Результаты расчетов по выражениям
(3.1 – 3.15) сводят в расчетную таблицу (приложение Е.1).
По характеристикам определяют необходимое количество включенных секций и подачу
вентилятора при текущей температуре наружного воздуха.
Пример построения отопительной и вентиляционной характеристик приведен в приложении Д.6.
Общую мощность системы отопления определяют по выражению
Рот = Фот/η ,
(3.16)
где η – к.п.д. калорифера, η = 0,90…0,98.
Количество и мощность калориферных установок выбирают из следующих соображений: в животноводческом помещении устанавливают не менее двух калориферных установок
для обеспечения надежности отопления и равномерного распределения приточного воздуха в
помещении; мощность одного электрокалорифера должна быть в пределах 10…40 кВт. При
мощностях меньших 10 кВт расчетное количество калориферов оказывается слишком
большим, а при мощностях более 40 кВт возникают значительные трудности при конструктивном расчете калорифера.
Мощность одного калорифера равна
Рк=Рот/n,
(3.17)
подача одного вентилятора
Lв = kn(Ln/n),
(3.18)
где n – количество электрокалориферных установок; kn – поправочный коэффициент на подсосы воздуха в воздуховодах (для стальных, пластмассовых и асбоцементных воздуховодов
длиной до 50 м – 1,1, в остальных случаях – 1,15.
По величине подачи вентиляторов проводят аэродинамический расчет системы воздуховодов приточной вентиляции. Задачи аэродинамического расчета состоят в определении размеров поперечного сечения и потерь давления на отдельных участках системы воздуховодов,
а также потерь давления во всей системе воздуховодов. Примеры расчетов приведены в [3].
3.1.2 Выбор вентиляторов
Вентиляторы различают по номерам, показывающим диаметр рабочего колеса в дециметрах. Все вентиляторы одной серии или типа по своим размерам геометрически подобны
друг другу и имеют одинаковую аэродинамическую схему.
Вентиляторы подбирают по подаче и полному давлению, которое должен развивать вентилятор.
Расчетное полное давление, Нв, которое должен развивать вентилятор складывается из
потерь давления в вентиляционной системе, ΔН, и потерь давления в калорифере, Δhk
Нв =ΔН +Δhk .
(3.19)
Аэродинамическое сопротивление электрокалорифера, содержащего три секции ТЭНов
составляет 250 Па.
Подбирают вентиляторы по аэродинамическим характеристикам, показывающим графическую зависимость их полного давления, подачи, частоты вращения и окружной скорости
рабочего колеса [4] или по таблицам (приложение Г.8). По условиям допустимого уровня шума для животноводческих и птицеводческих помещений окружная скорость рабочего колеса
не должна превышать 40 м/с центробежных, и 45 м/с для осевых вентиляторов.
Необходимую мощность на валу электродвигателя для привода вентилятора подсчитывают по формуле
Рдв = LвHв /3,6∙103 ηвηп ,
(3.20)
15
где ηв – КПД вентилятора, принимаемый по его характеристике;
ηп – КПД передачи
(при непосредственной насадке колеса вентилятора на вал электродвигателя ηп =1, для муфтового соединения ηп = 0,98, для клиномерной передачи ηп = 0,95).
Установленную мощность электродвигателя определяют по формуле
Руст = kз Рдв ,
(3.20)
где kз – коэффициент запаса мощности, принимают для центробежных вентиляторов kз =
1,1…1,3.
Электродвигатель выбирают по каталогу.
Пример 3. Рассчитать мощность системы отопления коровника на 200 голов привязного
содержания. Средний уровень удоя за лактацию 10 л, средняя живая масса 400 кг. Размеры
коровника по наружному обмеру: длина 80 м, ширина 20 м, высота стен 2,5 м, высота по
коньку 5 м. Длина стойлового помещения 70 м. Толщина стен 0.3 м. перекрытий - 0,2 м. Расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха: tн =-30˚С, φн = 85%, tв = 10˚С, φв = 75%,
барометрическое давление 99,3 кПа.
Решение
Объем помещения по наружному обмеру
Vн = 80∙20∙2,5+20/2∙2,5=4025 м2.
Тепловой поток через ограждения. Удельная тепловая характеристика коровника q =
0,174 Вт/(м3∙˚С) (приложение Д.1).
Фог = q0 Vн ( tв - tн ) = 0,174∙4025∙(10-(-30)) = 28014 Вт
Воздухообмен по углекислоте.
Количество СО2 , выделяемое одним животным с=87 л/ч (приложение Д.2)
Lco2 = 1,2∙c∙n/c1-c2 = 1,2∙87∙200/2,5-0,3=9491 м3/ч
Воздухообмен по влаговыделениям.
Масса влаги, выделяемая одним животным W = 265 г/ч.
Влага, выделяемая животными
Wж=ktnW =1,00∙200∙265=53000 г/ч.
Влага, испаряющаяся с мокрых поверхностей
Wисп = ξWж = 0,1∙53000=5300 г/ч.
Суммарные влаговыделения
W=Wж+Wисп = 53000+5300=58300 г/ч.
Влагосодержание наружного и внутреннего воздуха определяем по Hd-диаграмме.
При tн = -30˚С, φн = 85%,dн = 0,4 г/кг, при tв = 10˚С, φв = 75%, dв = 5,6 г/кг.
Плотность воздуха в помещении
ρ=(346/273+t)∙(р/99,3) = (346/273+10)∙(99,3/99,3)=1,223 кг/м3
Воздухообмен, необходимый для удаления водяных паров
Lw = W/ (dв-dн)ρ =58300/((5,6- 0,4)∙1,223)=9176 м3/ч
Принимаем воздухообмен по углекислоте, как наибольший
L = Lw = 9491 м3/ч.
Внутренний объем помещения
V = 70∙18∙2,5=31505 м3.
Кратность воздухообмена
K = L/V = 9491/3150=3,01,
что соответствует нормам
Тепловой поток теряемый на нагрев приточного воздуха
Фв = 0,278Lcв ρ( tв - tн )=0,278∙9491∙1,0∙1,223∙(10-(-30)) =129075 Вт
Тепловой поток, поступающий от одного животного qm = 463 Вт.
Общий тепловой поток, выделяемый животными
Фж = nqmkt = 200∙463∙1,00=92600 Вт.
Тепловой поток системы отопления
16
Фот = Фог + Фв - Фж = 28014+129075-92600=64489 Вт.
Расчет отопительной и вентиляционной характеристик сведем в таблицу (приложение
Е1)
tн.
°С
-30
dн. Lco2 Lw,
г/к m
m
3
3
г
/ч
/ч
0,4 9491 9176
Фог,
Вт
28014
Фв,
Вт
Фж,
Вт
Фот,
Вт
12907
92600
64489
5
-25
0,5
9347
24512
11294
44852
21010
17508
99232
86213
27642
11121
14007
79062
469
10505
67702
-
0
-20
-15
0,7
0,9
-10
1,5
-5
2,0
0
3,0
+5
4,5
9728
1014
2
1162
6
1327
4
1833
4
4333
6
7003
3502
-
-
Отопительная и вентиляционная характеристики приведены в приложении Д.6. Из отопительной характеристики видно, что отопление коровника необходимо начинать при температуре наружного воздуха ниже – 4˚С.
Общая мощность системы отопления
Рот = Фот/η = 64489/0,90=71654 Вт
Мощность одного калорифера
Рк = Рот/n =71654/2=35827≈36 кВт.
Подача одного калорифера
Lв = kn(L/n)= 1,1(9491/2)=5220 м3/ч.
3.1.3 Тепловой и конструктивный расчет нагревательного блока электрокалорифера
Тепловой расчет нагревательных элементов
В качестве нагревательных элементов в электрокалориферах используют трубчатые
электронагреватели (ТЭН), смонтированные в единый конструктурный блок.
В задачу теплового расчёта блока ТЭНов входит определение количества ТЭНов в блоке
и действительной температуры поверхности нагревательного элемента. Результаты теплового
расчёта используют для уточнения конструктивных параметров блока.
Мощность одного ТЭНа определяют исходя из мощности калорифера Рк и числа ТЭНов
z, установленных в калорифере.
Рm = Рk /z .
(3.22)
Число ТЭНов z принимают кратным 3, причем мощность одного ТЭНа не должна превышать 3…4 кВт. ТЭН подбирают по паспортным данным (приложение Д.9).
По конструктивному исполнению различают блоки с коридорной и шахматной компоновкой ТЭНов (рисунок 3.1).
17
х2
х2
х1
х1
ØD
ØD
L
L
L
L
1
2
3
1
2
3
а)
б)
а - коридорная компоновка; б - шахматная компоновка.
Рисунок 3.1 - Схемы компоновки блока ТЭНов
Для первого ряда нагревателей скомпонованного нагревательного бока должно выполняться условие:
tн1 = Рm1 /0,6 αср Fm1+ tв <180˚С,
(3.23)
1
где tн - действительная средняя температура поверхности нагревателей первого ряда, ˚С; Рm1 суммарная мощность нагревателей первого ряда, Вт; αср – средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙˚С); Fm1 - суммарная площадь тепло отдающей поверхности нагревателей первого ряда, м2; tв – температура воздушного потока после калорифера, ˚С.
Суммарную мощность и суммарную площадь нагревателей определяют из параметров
выбранных ТЭНов по формулам
Рm1 = k Рm ,
Fm1 = k Fm ,
(3.24)
где k – количество ТЭНов в ряду, шт; Рm , Fm – соответственно мощность, Вт, и площадь поверхности, м2 , одного ТЭНа.
Площадь поверхности оребренного ТЭНа
Fm = π lа (d+h(d+hp)/а),
(3.25)
где d – диаметр ТЭНа, м; lа – активная длинна ТЭНа, м; hp – высота ребра, м; а – шаг оребрения, м.
Для пучков поперечно обтекаемых труб следует учитывать средний коэффициент теплоотдачи αср так как условия передачи теплоты отдельными рядами нагревателей различны и
определяются турболизацией воздушного потока. Теплоотдача первого и второго рядов трубок по сравнению с третьим рядом меньше. Если теплоотдачу третьего ряда ТЭНов принять
за единицу, то теплоотдача первого ряда составит около 0,6, второго - около 0,7 в шахматных
пучках и около 0,9 - в коридорных от теплоотдачи третьего ряда. Для всех рядов после третьего коэффициент теплоотдачи можно считать неизменным и равным теплоотдаче третьего ряда.
Коэффициент теплоотдачи ТЭНа определяют по эмпирическому выражению
α = Nu∙λ /d ,
(3.26)
где Nu – критерий Нуссельта, λ – коэффициент теплопроводности воздуха, λ = 0,027
Вт/(м2∙˚С); d – диаметр ТЭНа, м.
Критерий Нуссельта для конкретных условий теплообмена рассчитывают по выражениям
для коридорных пучков труб
при Re ≤ 1∙103
Nu = 0,49 Re0,5
(3.27)
3
при Re > 1∙10
Nu =0,149 Re0,65
(3.28)
для шахматных пучков труб:
18
при Re ≥ 1∙103
Nu = 0,49 Re0,5
(3.29)
при Re ≥ 1∙10
3
Nu =0,35 Re0,6
(3.30)
где Re – критерий Рейнольдса.
Критерий Рейнольдса характеризует режим обтекания ТЭНов воздухом и равен
Re = ν∙d /v,
(3.31)
где ν –скорость воздушного потока, м/с; v – коэффициент кинематической вязкости воздуха, v
= 18,5∙10-6 м2/с.
Для обеспечения эффективной термической нагрузки
ТЭНов, не приводящей к
перегреву нагревателей, следует обеспечивать в зоне теплообмена движение потока воздуха
со скоростью не менее 6 м/с. Учитывая возрастание аэродинамического сопротивления конструкции воздушного канала и нагревательного блока с ростом скорости потока воздуха, последнюю следует ограничить 15 м/с.
Средний коэффициент теплоотдачи для коридорных пучков
αср = α(n-0,5)/n ,
(3.32)
для шахматных пучков
αср = α(n-0,7)/n ,
(3.33)
где n - количество рядов труб в пучке нагревательного блока.
Температура воздушного потока после калорифера равна
tв = Рк / ρ∙св∙Lв ,
(3.34)
где Рк – суммарная мощность ТЭНов калорифера, кВт; ρ – плотность воздуха, кг/м3; св –
удельная теплоемкость воздуха, св=1 кДж/(кг∙˚С);
Lв - производительность калорифера,
м3/с.
Если условие (3.23) не выполняется, выбирают другой нагревательный элемент или изменяют принятые в расчете скорость воздуха, компоновку нагревательного блока.
Конструктивный расчет нагревательного блока
В расчет конструктивных параметров блока ТЭНов входит определение расстояний
между нагревателями в ряду x1 и расстояний между рядами x2, а также внешних размеров
блока При расчете конструктивных элементов следует учитывать принятую ранее скорость
воздушного
потока, количество нагревателей в ряду, количество рядов, расположение расположение
нагревателей и производительность вентилятора Lв.
Для расчета х1, определяют «живое» сечение блока нагревателей, т.е. не занятую ТЭНами площадь воздушного канала Fк.
Fк = Lв /ν,
(3.35)
где Lв – производительность калорифера, м3/с; ν – принятая в тепловом расчете скорость воздуха, м/с.
Минимальные размеры нагревательного блока определяют по следующим выражениям:
расстояние между нагревателями в ряду
x1 = Fк(k+1)lа+ D,
(3.36)
где k – количество ТЭНов в ряду.
расстояние между рядами нагревателей
при x1 ≥ 3/2D x2= x1 ,
при x1 < 3/2D x2=1,2 x1 ,
(3.37)
где D – диаметр выбранного ТЭНа с оребрением, м.
высота Н и ширина Вн блока нагревателей
H = (k+1) x1 ,
(3.38)
Вн = l+0,1 ,
(3.39)
19
где l – полная длинна ТЭНа, м.
глубина блока нагревателей Сн
Сн = (n+1) x2 ,
(3.40)
По результатам расчета нагревательного блока выполняют эскиз блока с указанием расчетных параметров нагревательного элемента.
Пример 4. Провести тепловой и конструктивный расчет нагревательного блока электрокалорифера, выбранного в примере 3. Компоновка ТЭНов шахматная.
Решение.
Тепловой расчет.
В калорифере установим 18 ТЭНов, количество рядов n = 3, количество ТЭНов в ряду k
= 6. Мощность одного ТЭНа
Рm =Рk/z =3600/18=2000 Вт
Выбираем ТЭН80В13/2, 0К220 (приложение Д.9). Мощность ТЭНа Рm = 2000 Вт, активная длина la = 0.8 м, диаметр d = 0,013 м.
Рассчитываем коэффициент теплоотдачи ТЭНа. Выбираем скорость воздуха в калорифере ν = 14 м/с.
Критерий Рейнольдса
Re = ν∙d /v =14∙0,013/18,5∙10-6=9837,83.
Критерий Нуссельта для шахматной компоновки, при Re > 1∙103
Nu =0,35 Re0,6 = 0,35∙9837,830,6=87,05.
Коэффициент теплоотдачи ТЭНа
α = Nu∙λ /d = 87,05∙0,027/0,013=180,79 Вт/(м2∙˚С).
Средний коэффициент теплоотдачи для шахматной компоновки
αср = α(n-0,7)/n = 180,79(3-0,7)/3=138,6 Вт/(м2∙˚С).
Суммарная мощность первого ряда ТЭНов
Рm1 = k Рm = 6∙2000=12000 Вт
Площадь поверхности одного ТЭНа с учетом оребрения. Шаг оребрения а = 0,005 м, высота ребра hp = 0,012 м.
Fm = π lа (d+h(d+hp)/а ) =3,14∙0,8(0,013+0,012(0,013+0,012)/0,005) =0,183 м2.
Суммарная мощность первого ряда ТЭНов
Fm1 = k Fm = 6∙0,183=1,098 м2.
Температура воздушного потока после калорифепа
tв = Рк / ρ∙св∙Lв = 18∙2000/1,1∙1000∙1,45=22,57 ˚С,
Температура ТЭНов первого ряда
tн1 = Рm1 /0,6 αср Fm1+ tв = 12000/0,6∙138,6∙1,098+22,57=153,99 ˚С,
что соответствует норме.
Конструктивный расчет.
“Живое” сечение блока нагревателей
Fк = Lв /ν = 1,45/14=0,103 м2.
Расстояние между нагревателями в ряду
x1 = Fк(k+1)lа+ D = 0,103/(6+1)0,8+0,037=0,0553 м.
Расстояние между рядами нагревателей
3/2∙D = 3/2∙ 0,037=0,0555, 0,0555>0,0553, следовательно
x2=1,2x1=1,2∙0,0553=0,0663 м.
Высота блока нагревателей
H = (k+1) x1 = (6+1)0,0553=0,387 м.
Ширина блока нагревателей
Вн = l+0,1 = 0,8+0,1=0,9 м.
Глубина блока нагревателей
Сн = (n+1) x2 = (3+1)0,0663=0,265 м.
20
3.2 Расчет горячего водоснабжения
3.2.1 Расчет теплоаккумуляционной установки
Расчет теплоаккумуляционной установки начинают с построения графика теплопотребления. Нормы потребления горячей воды в животноводческих объектах приведены в приложениях Д10, Д11.
Мощность теплопотребления в i-ый отрезок времени (кВт)
Рi = Gг i c(tг-tх)/3600,
(3.41)
где Gг I –расход горячей воды в i-ый отрезок времени, кг/ч; c – удельная теплоемкость воды, c
= 4,19 кДж/( кг∙˚С); tг , tх – температуры горячей и холодной воды, ˚С.
Максимальную температуру воды принимают равной 90…95 ˚С, что позволяет устанавливать аккумуляторы меньшего объема. Требуемую температуру воды tсм получают смешением горячей воды из аккумулятора с холодной водопроводной. Расход горячей воды Gг и смешанной Gсм воды связан соотношением
Gг = Gсм(tсм-tх)/(tг-tх).
(3.42)
Суточная потребность в горячей воде Gсм определяют по выражению
n
Gсмi   g i ni /  i ,
(3.43)
i 1
где gi – суточная норма расхода горячей воды i-го потребителя, кг/сут;
ni –количество потребителей i -го вида; τi – продолжительность потребления горячей воды i-м
потребителем, ч/сут.
По результатам расчетов потребления горячей воды составляют таблицу суточного теплопотребления и строят график теплопотребления. Общий вид таблицы и графика приведены
в приложении Д. 12.
Мощность нагревателя для зарядки аккумулятора (кВт) определяют по графику теплопотребления.
РН 
n
kЗ  P 
i i
i 1
,
 Н  а З
(3.44)
где k3 - коэффициент запаса, k3 = 1,1…1,25; Рi – мощность в i-й момент времени, кВт; τi – продолжительностьi-го отрезка времени, ч; ηн - к.п.д. нагревателя, ηн =0,96; ηа -к.п.д. аккумулятора, ηа = 0,94; τ3 - время зарядки.ч.
Объем аккумулятора
Va
n
3600 k З  P 
i i
i 1
,

 Н  а   c (t г  t х )
(3.45)
где ρ – плотность воды, кг/м3.
Производительность нагревателя, (м3/ч)
Gн = Va/τз ,
(3.46)
Пример 5. Рассчитать горячее водоснабжение и выбрать аккумулятор для коровника на
200 голов. Температура холодной воды tχ = 8˚С, температура горячей воды в нагревателе tr =
90 ˚С/ Определить оптимальную толщину изоляции аккумулятора. Аккумулятор изготовлен
из стали толщиной δс = 0,003 м, теплопроводностью λс = 40 Вт/(м∙˚С).
Годовые амортизационные отчисления составляют 12%, нормативный коэффициент эффективности капиталовложений Ен = 0,15, стоимость электр. энергии Sэ = 0,46 руб/кВт∙ч,
Внутренним термическим сопротивлением 1/α1 можно пренебречь, коэффициент теплоотдачи наружной оболочки α2 = 10 Вт/(м∙˚С). Температура окружающего воздуха t0 = 10˚С.
Решение.
21
В коровнике горячая вода используется для поения коров, подмывания вымени коров,
промывки доильных аппаратов, промывки оборудования молочной, промывки молочной автоцистерны, на нужды обслуживающего персонала.
Норма потребления горячей воды молочными коровами
g = 65 кг/сут. (приложение Д.10), температура воды tсм = 10˚С, продолжительность потребления воды 3 ч/сут.
Суточная потребность в воде для поения
Gсм = g∙n/τ = 65∙200/3=4333,33 кг/ч.
Расход горячей воды на поение
Gг = Gсм(tсм-tх)/(tг-tх) =4333,33(10-8)/(90-8)=105,69 кг/сут.
Мощность теплопотребления на поение
Рi = Gг i c(tг-tх)/3600 = 105,69∙4,19(90-8)/3600 =10,08≈10 кВт.
Расчеты по остальным видам потребления горячей воды аналогичны. Результаты всех
расчетов сведем в таблицу теплопотребления (приложение Д. 12). По таблице теплопотребления построим график суточного теплопотребления (приложение Д. 12).
Мощность нагревателя для зарядки аккумулятора
РН 
n
kЗ  P 
i i
i 1
=3600∙1,1(11∙2∙+10∙3+25∙2+7∙3+0,4∙7)/
 Н  а З
0,96∙0,94∙ 6 =25,55≈26 кВт.
Объем аккумулятора
Va
n
3600 k З  P 
i i
i 1

 3600∙1,1(11∙2+10∙3+25∙2+7∙3+0,4∙7)/
 Н  а   c (t г  t х )
0,96∙0,94∙965∙4,19∙(90-8)= 1,66 м3.
Производительность нагревателя
Gн = Va/τз = 1,66/6=0,27 м3/ч.
В качестве тепловой изоляции выберем минеральную вату с теплопроводностью
λu = 0,043 Вт/(м∙˚С), стоимостью 1375 руб/м3.
Число часов работы установки τ = 6∙365 = 2190 ч/год.
Оптимальная толщина тепловой изоляции
u 
3
1 
1 
S э  u t 10
 
  c 

( p  E н ) S u  a1  c a 2  u
a
0, 46  0, 0043  2190  ( 90  10)  10
( 0,12  0,15)  1375
3

 0,003  1   0,043  0,092 м.
 40 10 
3.2.3 Расчет электронного водонагревателя
Электродный нагреватель представляет собой систему электродов, предназначенных для
подвода электрического тока к нагреваемому материалу. Если электроды не экранированы и
размещены в металлическом сосуде, то стенки сосуда также являются элементами электродной системы. К основным параметрам нагревателей относят: число фаз, количество электродов, электрическая схема соединения, форма, размеры и материал электродов, расстояние
между электродами.
Задача расчета электродных нагревателей состоит в определении их параметров, обеспечивающих заданные условия нагрева.
Исходными данными для расчета являются потребная мощность нагревателя Рн (3.44) и
производительность Gн (3.46).
22
Геометрические параметры электродной системы обычно выражают через геометрический коэффициент К. В приложении Д. 13 приведены электродные системы и геометрические
параметры электродных нагревателей, рассчитываемых в курсовом проекте.
Расчет электродного водонагревателя проводят в следующей последовательности.
Предварительно, по конструктивным соображениям задаются шириной электродов b
или диаметром d = 2r.
Расстояние между пластинчатыми
электродами (см) определяют по допустимой
напряженности электрического поля
l = U/ Едоп ,
(3.47)
где U – напряжение между электродами, В; Едоп –допустимая напряженность электрического
поля в межэлектродном пространстве, В/см.
В проектной практике для водонагревателей и водогрейных котлов значения Едоп в зависимости от удельного сопротивления воды принимают в пределах 125…250 В/см, где минимальное значение Едоп соответствует удельному сопротивлению воды ρ20 ≤ 2000 Ом∙см, а
максимальное ρ20 ≥ 10000 Ом∙см.
Для стержневых систем ориентировочно принимают
R = 4,76 r; a = 0,51R.
Длину активной части электродов (см) определяют по выражению
h = 40 G1сКρ20 /U2ηm∙ln(20+ tг/20+tх),
(3.48)
где G1 – производительность нагревателя на одну фазу, кг/с; с – удельная теплоемкость воды,
с = 4190 Дж/(кг∙˚С); К – геометрический коэффициент электродной системы: ηm - тепловой
к.п.д., ηm = 0,97.
Если длина электродов получается слишком большой, то задаются новыми значениями
ширины электродов b или диаметра d и расчет повторяют.
Полученную площадь электродов проверяют по максимальной плотности тока
для стержневых электродов
jmax = kнU/Kρt2πr ,
(3.49)
для пластиковых электродов
jmax = kнU/Kρtb ,
(3.50)
где kн – коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электродов, kн = 1,1…1,4; ρt = 40ρ20/(20+tг) - удельное сопротивление воды при конечной температуре, Ом∙см.
Максимальная плотность тока должна быть меньше допустимой
jmax ≤ jдоп .
(3.51)
Допустимая плотность тока для плоских электродов составляет 0,5 А/см2, для
стержневых – не более 2 А/см2. Если условие (3.61) не выполняется, расчет повторяют при
других значениях b или d.
Мощность водонагревателя, вычисленная по параметрам электродной системы для всех
трех фаз, составит
Р = 3U2h(tг-tх) ηm /40K ρ20∙ln(20+ tг/20+tх).
(3.52)
Полученная мощность Р должна быть приближенно равна исходной мощности Рн
Пример 6. Рассчитать электродный водонагреватель для заполнения аккумулятора, рассчитанного в примере 5. потребленная мощность нагревателя Рн = 26 кВт, производительность G = 0,27 м3/ч, удельное сопротивление воды ρ20 = 2000 Ом∙см.
Решение.
Выбираем нагреватель со стержневыми электродами (приложение Д.13, № 6).
Диаметр электрода d = 2r = 20 мм
Радиус корпуса R = 4,76∙r = 4,76∙10=47,6≈50 мм
Радиус расположения стержневых электродов
а = 0,51∙R = 0,51∙50=25,5 мм.
23
Геометрический коэффициент электродной системы
K = 1/2π ∙ln(3a2(R2-a2)3/r2(R6-a6)) = 1/2∙3,14∙ln(3∙25,52(502-25,52)3/
102(506-25,56) = 0,332.
Производительность нагревателя на одну фазу
G1 = 0,278(G/3) = 0,278(0,27/3) = 0,025 кг/ч.
Длина активной части электродов
h=40G1сКρ20/U2ηm∙ln(20+tг/20+tх) = 40∙0,025∙4190∙0,332∙2000/3802∙
0,97∙ln(20+90/20+8) = 27 см.
Удельное сопротивление воды при конечной температуре
Ρt = 40 ρ20 /20+tг = 40∙2000/20+90 =727,27 Ом∙см.
Максимальная плотность тока
jmax = kнU/Kρt2πr = 1,1∙380/0,332∙727,27∙2∙3,14∙1,0 = 0,27 А/см2
Максимальная плотность тока меньше допустимой jдоп = 2 А/см2.
Мощность водонагревателя по параметрам электродной системы
Р = 3U2h(tг-tх) ηm /40K ρ20∙ln(20+ tг/20+tх) = 3∙3802∙27(90-8)∙0,97/
40∙0,332∙2000∙ln(20+90/20+8) = 25,6 кВт.
4 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ
В каждом конкретном случае тип регулятора выбирают, используя данные об объекте
автоматизации - статические и динамические характеристики, сведения о возмущениях, технологические требования к качеству регулирования. При этом учитывают, что позиционные
регуляторы просты по устройству и эксплуатации, дешевле регуляторов плавного действия.
Кроме того, имеют ввиду, что непрерывное регулирование может быть реализовано только на
объектах, регулирующий орган которых обеспечивает плавное изменение своего положения.
Ниже рассматривается определение параметров настройки двухпозиционного регулятора.
Расчет двухпозиционного регулятора заключается в определении длительности включения T1 и отключения Т2 нагревателей, диапазона колебаний температур ∆t, периода колебаний
Тк, положительной t1 и отрицательной t2 амплитуд колебаний температур, суточного расхода
энергии w.
Для выполнения расчетов необходимо определить постоянную времени объекта T, коэффициент передачи объекта kоб, и время запаздывания τ.
Постоянную времени находят по выражению
T = С/А,
(4.1)
где С – теплоемкость объекта, Дж/˚С; А - коэффициент теплопотерь объекта, Вт/˚С.
Теплоемкость объекта в общем случае складывается из теплоемкости нагреваемого материала и теплоемкости конструкций электротермической установки
n
С   mi c i ,
(4.2)
i 1
где mi и сi – масса , кг, и удельные теплоемкости, Дж/(кг∙˚С), нагреваемого материала и конструкций электротермической установки.
Теплоемкость животноводческого помещения можно принять равным
С = (1,3…1,5)ρвVcв ,
(4.3)
где ρв – плотность воздуха, кг/м3; V – объем помещения, м3; св –удельная теплоемкость воздуха, св = 1000 Дж/(кг∙˚С).
Коэффициент теплопотерь объекта в окружающую среду для установок периодического
действия определяют по выражению
А = kF,
(4.4)
2
2
где k=1/Rt – коэффициент теплопередачи, Вт/(м ∙˚С); F – площадь теплоотдачи, м .
24
В установках непрерывного действия теплота дополнительно выносится с нагретым материалом и коэффициент теплопотерь рассчитывают по выражению
А = kF+ сG,
(4.5)
где с – удельная теплоемкость нагреваемого материала Дж/(кг∙˚С);
G – производительность установки, кг/с.
Коэффициент теплопотерь животноводческих помещении можно определить по формуле
A = (Фог + Фв) / (tв- tн),
(4.6)
Коэффициент передачи тепловых объектов обратно пропорционален теплопотерям и
определяется по выражению
Kоб=1/А ,
(4.7)
Время запаздывания τ в расчетах можно принять равным 10…6000 с.
для нагревательных установок, и 10... 15 мин для животноводческих помещений.
Расчет параметров регулирования ведут в следующем порядке.
Определяют регулирующее воздействие регулятора в относительных единицах при
включении электронагревательных элементов
В1=(Рн-Ро)/Ро,
(4.8)
при включении
В2 =1,
(4.9)
где Рн – установленная мощность нагревателей, Вт; Ро–мощность, необходимая для поддержания заданной температуры в установившемся режиме, Вт.
В установившемся состоянии tу = kобРо, отсюда
Ро = tу /kоб .
(4.10)
Большинство регуляторов, используемых в системах регулирования температуры имеют
зону неоднозначности - некоторый предел изменения регулируемой величины, на которую
регулятор не реагирует. Зона неоднозначности 2а регулятора в относительных единицах равна
2а=2а’/tу.
(4.11)
Для регулятора ПТР-2–03 2а’=0,5…5˚С; для ДТКБ-53 2а’=2…3˚С; для ТРЭ104
2а =0,5…1˚С; для контактного термометра 2а’ =0.
Коэффициент передачи для тепловых процессов в относительных единицах равен единице kоб = 1.
Большинство нагревательных установок можно представить в виде апериодического
звена с запаздыванием. При использовании регуляторов, имеющих зону неоднозначности, для
подобных объектов используют следующие расчетные формулы:
длительность включения нагревателей
’
|  T
k ( B1  B 2)  ( k об B 2  a ) e
T 1    T ln об
k об B1  a
;
(4.12)
;
(4.13)
длительность пауз
|  T
k ( B1  B 2)  ( k об B1  a ) e
T 2    T ln об
k об B 2  a
период колебаний
Tк = T1+T2;
(4.14)
частота включений
n = 2/Tк
диапазон колебаний температуры
Δt = kоб(B1+B2)(1-e-τ/T)+2ae-τ/T;
положительная амплитуда температуры
t1 = kобB1 (1-e-τ/T)+ ae-τ/T;
25
(4.15)
(4.16)
(4.17)
отрицательная амплитуда
t2 = kобB2 (1-e-τ/T)+ ae-τ/T;
(4.18)
По формулам (4.16)-(4.18) расчеты выполняют в относительных единицах. Для перехода к абсолютным единицам, полученные результаты следует умножить на заданную температуру tу.
Так как для общего случая положительная и отрицательная амплитуда не равны, то для
обеспечения равенства амплитуд колебаний относительно заданного значения температуры
при практической настройке регулятора следует скорректировать задание регулятора на величину
ε = kоб(B1+B2)(1-e-τ/T).
(4.19)
Расход энергии за сутки определяют по формуле
W = 24Pн(t1/Tк).
(4.20)
Из выражений (4.12)-(4.14) следует, что уменьшение зоны неоднозначности 2а приводит
к уменьшению периода колебаний Тк и увеличению числа переключений п регулятора.
Уменьшение числа переключений возможно при увеличении постоянной времени объекта.
По полученным параметрам регулирования строят график регулирования температуры
объекта.
Пример 7. Рассчитать параметры автоматического регулирования электротермической
установки для нагрева воды из примера 1. Масса бака m0=32,34 кг. Теплоемкость материала
бака сб =451 Дж/(кг∙˚С).
Теплоемкость установки
C = mвcв+mбcб = 200∙4190+32,34∙451= 852585,34 Дж/˚С.
Коэффициент теплопередачи боковой стенки бака
kбок =1/Rбок =1/0,045 =22,22 Вт/(м2∙˚С).
Коэффициент теплопередачи торцевой стенки
km =1/Rm = 1/0,106 = 9,43 Вт/(м2∙˚С).
Средний коэффициент теплопередачи
k = (kбок+km)/2 = 15,82 Вт/(м2∙˚С).
Коэффициент теплопотерь в окружающую среду
А = k(Fбок+2∙Fm) = 15,82(1,51+1,51+2∙0,28) = 32,74 Вт/˚С.
Постоянная времени
T = C/A = 852585,34/32,74 =26041,09 c.
Коэффициент передачи установки
kоб =1/А =1/32,74 = 0,03 ˚С/Вт.
Мощность, необходимая для поддержания заданной температуры в установившемся режиме
Ро = tу /kоб = 90/0,03 =3000 Вт.
Регулирующее воздействие при включении электронагревательных элементов
B1 = (Pн-Ро) Ро = (13000-3000)/3000 =3,66.
Регулирующее воздействие при выключении электронагревательных элементов В2 = 1.
Зона неоднозначности регулятора ТРЭ104
2а=2а’/tу = 1/90 =0,011, а = 0,011/2 =0,0055.
Длительность включения нагревателей
|  T
k ( B1  B 2)  ( k об B 2  a ) e
T 1    T ln об
k об B1  a
60  26041  ln
1  (3,66  1)  (1  1  0,0055) e
3,66  0,0055
=
60 / 26041
 216,31 c.
Длительность пауз
26
|  T
k об ( B1  B 2)  ( k об B1  a ) e
=



T
ln
T2
k об B 2  a
60  26041  ln
1  (3,66  1)  (3,66  0 ? 0055) e
60 / 26041
 1276,12 c.
1  1  0,0055
Период колебаний
Tк = T1+T2 = 216,31+1276,12 =1492,43 c.
Частота включений
n = 2/Tк = 2/1492,43 =0,0013.
Диапазон колебаний температуры
Δt = kоб(B1+B2)(1-e-τ/T)+2ae-τ/T =
1∙(3,66+1)(1-e-60/26041)+2∙0,0055e-60/26041 =0,057.
Положительная амплитуда температуры
t1 = kобB1 (1-e-τ/T)+ ae-τ/T = 1∙3,66(1-e-60/26041)+0,0055e-60/26041=0,042.
Абсолютное значение
t1a = t1∙ tу = 0,042∙90 =3,78 ˚С
Отрицательная амплитуда температуры
t2 = kобB2 (1-e-τ/T)+ ae-τ/T = 1∙1(1-e-60/26041)+0,0055e-60/26041=0,015.
Абсолютное значение
t2a = t2∙ tу = 0,015∙90 =1,35 ˚С.
Величина коррекции регулятора
ε = kоб(B1+B2)(1-e-τ/T) =1∙(3,66-1)(1-e-60/26041) =0,026.
Расход энергии за сутки
W = 24Pн(t1/Tк) = 24∙14000∙(216,31/1492,43)=48699 кВт∙ч.
4 РАСЧЕТ ВНУТРЕННИХ СИЛОВЫХ СЕТЕЙ И ВЫБОР ПЗА
Согласно ПУЭ первичная цепь каждой электротермической установки должна содержать следующие коммутационные и защитные аппараты: выключатель (рубильник с дугогасящими контактами, пакетный выключатель) на вводе и предохранители или блок предохранитель-выключатель либо автоматический выключатель с электромагнитным и тепловыми
расцепителями.
Допускается использовать рубильники без дугогасящих контактов при условии, что
коммутация ими выполняется без нагрузки.
В качестве расчетных токов потребителей принимают их номинальные токи, которые
определяют по формулам:
для однофазных потребителей
Рн
.
(5.1)
Iн 
U н cos 
для трехфазных потребителей
Рн
.
(5.2)
Iн 
3U н cos 
Расчетный ток магистральных линий определяют по выражению
Iн = k0 ∑ Iн
(5.3)
где k0 – коэффициент одновременности работы потребителей.
Рубильники и блоки предохранитель-выключатель выбирают по номинальному напряжению (Uн ≥Uн.уст), номинальному току(Iн ≥Iн.уст), по числу полюсов, конструктивному и климатическому исполнению, категории размещения и степени защиты. Рекомендуется выбрать
рубильники типа Р11, Р16, РШ 1, РП16, блоки предохранитель-выключатель типа БПВ, ППВ.
Плавкие предохранители выбирают по следующим параметрам:
27
по номинальному напряжению
Uн.пр. ≥ Uн.уст.
( 5.4)
Iн.пр. ≥ Iн.уст.
( 5.5)
по номинальному току
по номинальному току плавкой вставки
Iв ≥ kн Ip.max,
( 5.6)
Iв ≥ Imax/α
( 5.7)
где Ip.max - максимальный рабочий ток цепи, защищаемой предохранителем, А; kн –
коэффициент надёжности. Imах- максимальный пусковой ток электродвигателя электротермической установки, А; α – коэффициент, зависящий от режима пуска защищаемых двигателей
(для легкого режима пуска α = 2,5…3. для тяжелого – α = 1,6…2).
При защите плавкими предохранителями линии, к которой присоединены более пяти
двигателей, ток плавкой вставки определяют по условию
Iв ≥ k0∑ Ip(n-1)+In /а ,
( 5.7)
при защите предохранителями линии, к которой присоединены до пяти двигателей,
Imax ≥ k0∑ Ip(n-1)+In ,
( 5.9)
где k0 –коэффициент одновременности; ∑ Ip(n-1) – сумма рабочих токов всех двигателей, за исключением одного, у которого разность между пусковым и номинальным токами наибольшая;
In – пусковой ток исключенного из суммы двигателя.
Рекомендуется выбрать предохранители типа ПРС, НПН2 , ПН2, ПР2.
Автоматические выключатели выбирают по следующим условиям:
Uн.а ≥ Uн.уст;
Iн.а ≥ Iн.уст;
Iн.m ≥ kн.m Iн.уст;
(5.10)
Iн.э ≥ kн.эImax,
где Uн.а, Iн.а – соответственно номинальные напряжения и ток автомата; Iн.m – номинальный
ток теплового расцепителя; kн.m - коэффициент надежности, учитывающий разброс по току
срабатывания теплового расцепителя, принимают в пределах 1,1…1,3; Iн.э ток отсечки электромагнитного расцепителя; kн.э - коэффициент надежности, учитывающий разброс по току
электромагнитного расцепителя (для автоматов АП-50, АЕ-2000 и А3100 kн.э = 1,5); Imax – максимальный рабочий ток в цепи (для электродвигателя пусковой ток Iн).
При выборе автоматических выключателей также учитывают число полюсов, конструктивное и климатическое исполнение.
Автоматические выключатели рекомендуется выбрать типа АЕ2000, АЗ 700.
Для дистанционного управления электронагревательными элементами и электродвигателями выбирают магнитные пускатели серии ПМЛ, ПМА.
Для защиты электродвигателей от перегрузок магнитные пускатели комплектуются тепловыми реле типа РТЛ и РТТ. Диапазон регулирования тока уставки реле от 0,75 до 1,25 Iн.
Магнитные пускатели выбирают по конструктивному и климатическому исполнению,
по номинальному напряжению(Uн.п ≥ Uн.уст), нормальному току(Iн.р ≥ Iн.дв), и по напряжению
втягивающей катушки.
В схемах управления электротермическими процессами применяют различного рода реле: промежуточные ЭП-1, РП-1, РП-2, РП-3, РП-20, МКУ-48, ПЭ-21, РПУ, пневматические
реле времени РВП-1М, РВП-72, ПКЛ, моторные Е-52 и ВС-10, электромеханические ЭВ-24,
ЭВ-217 и др.
Реле выбирают по назначению, напряжению и току обмотки, числу, типу, длительно допускаемому току и коммутационной способности контактов.
Внутренние силовые кабели должны быть надежными, доступными для эксплуатации,
минимальной протяженности, соответствовать условиям окружающей среды и в полной мере
обеспечивать безопасность людей и сельскохозяйственных животных, пожаро- и взрывобезопасность.
28
Кабели выбирают таким образом, чтобы его температура при длительном протекании
тока не была больше предельно допустимой.
Так как выбор проводов по допустимому нагреву тесно связан с выбором защитных аппаратов, то расчет начинают с выбора защиты от перегрузок и коротких замыканий.
По принятому значению номинального тока плавкой вставки или тока срабатывания
расцепителя автомата находят допустимый ток проводника Iдоп по условию согласования с
защитой.
Согласно ПУЭ значение Iдоп определяют по следующим условиям:
для проводников с резиновой и подобной ей по тепловым характеристикам изоляцией
(tдоп =65˚С), прокладываемых в пожароопасных и взрывоопасных помещениях, защищаемых
плавкими вставками предохранителей или мгновенно действующими электромагнитными
расцепителями автоматов
Iдоп ≥ 1,25Iв
или Iдоп ≥ 1,25Iн.э
(5.11)
для тех же проводников, прокладываемых во всех других помещениях
Iдоп ≥ Iв
или Iдоп ≥ Iн.э
(5.12)
для проводников всех марок при защите их автоматами с расцепителями, имеющими обратнозависимую от тока характеристику
Iдоп ≥ Iн.m .
(5.13)
для ответвлении к электродвигателям в невзрывоопасных помещения
Iдоп ≥ Iн.дв .
(5.14)
По значениям Iдоп по таблицам допустимых значений токов для принятой марки кабеля
выбирают соответствующую площадь сечения проводника.
Выбранный провод проверяют по допустимой потере напряжения. Согласно. ПУЭ потеря напряжения в силовых проводках не должна превышать 5%.
Расчетные потери напряжения без учета индуктивного сопротивления при условии, что
нагрузка равномерно распределена по фазам и на всех участках проложен одинаковый провод, определяют по формуле
ΔU = Pl/cs ,
(5.15)
где Р – присоединенная мощность, кВт; l – длина линии, м; с – постоянный для данного провода коэффициент, зависящий от напряжения сети, числа фаз и материала провода (таблица
5.1); s - сечение провода, мм2.
Таблица 5.1 - Значения коэффициента с
НапряКоэффициент с для проже- ние,
Вид сети
водов
В
медалюми- стальных
ниевых ных
380/220 Трехфазная с нуле- 77,0
46,0
10,0
вым проводом
380/220 Двухфазная с нуле- 34,0
20,0
4,5
вым проводом
220
Двухпроводная пе- 12,8
7,7
1,7
ременного или постоянного тока
Разрабатывают принципиальную схему управления электротермической установкой.
Основным назначением принципиальных схем является отражение всех электрических
элементов и устройств, необходимых для осуществления и контроля заданных электрических
параметров, всех электрических связей между ними, а также электрических элементов (соединителей, зажимов и т.п.) которыми заканчиваются входные и выходные цепи.
В общем случае принципиальные схемы содержат:
29
• условные графические обозначения электрических устройств;
• буквенно-цифровые обозначения устройств;
• поясняющие надписи;
• диаграммы переключений контактов многопозиционных устройств;
•
перечень
используемых
в
данной
схеме
элементов.
Принципиальные
схемы
необходимо
выполнять
по
требованиям,
при
веденным в приложении Б.
6 РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ТЕХНИКЕ ЕЗОПАСНОСТИ
При эксплуатации электротермических установок пользуются Правилами технической
эксплуатации электропотребителей, Правилами техники безопасности при эксплуатации
электроустановок потребителей, а также указаниями по обеспечению электробезопасности
электроустановок в сельском хозяйстве.
Основная мера защиты от поражения электрическим током при коротких замыканиях
(замыкание на корпус) состоят в занулении электротермических установок, подключение водонагревателей к водопроводной сети через изолирующие вставки, выравнивание потенциалов в помещениях.
Установка защитного аппарата и максимально допустимое значение сопротивления цепи
фаза-нуль должны соответствовать требованиям Руководящих указаний по обеспечению
электробезопасности электротермических установок в сельском хозяйстве.
Элементные водонагреватели должны быть занулены. В трубопроводах горячей и холодной воды необходимы изолирующие вставки. Сопротивление столба воды во вставке
должно быть таким, чтобы напряжение прикосновения за вставкой в аварийном режиме не
превышало 12 В. Это обеспечивается при длине вставки
l = (1,4∙104d2)/ ρt ,
(6.1)
где d –внутренний диаметр вставки, м; ρt – удельное сопротивление горячей воды, Ом∙м.
В качестве изолирующих вставок применяют резинотканевые, полиэтиленовые, полихлорвиниловые шланги и трубы.
Изолирующие вставки не нужны, если:
водонагреватели снабжены аппаратами защитного отключения;
водонагреватели размещены в помещениях с искусственным или естественным выравниванием потенциалов, и горячая вода разбирается в этих же помещениях. При этом корпус
водонагревателя должен иметь надежное болтовое соединение с устройством выравнивания
потенциалов или металлоконструкциями, создающими естественное выравнивание потенциалов, обеспечивающее напряжение прикосновения не более 12 В.
Водонагреватели, снабжающие горячей водой несколько помещений, должны иметь
изолирующие вставки, если даже в одном из них отсутствует естественное или искусственное
выравнивание электрических потенциалов. Трубопроводы в этом помещении не должны
иметь связи с заземленными конструкциями и зануленным оборудованием. При невозможности соблюсти эти требования вместо изолирующих вставок выполняют выравнивание потенциалов в местах разбора воды, проложив металлический проводник в полу на расстоянии 1
м от водоразборной трубы и соединив его с трубопроводом и близко расположенным зануленным оборудованием.
Элементные водонагреватели, обеспечивающие горячей водой душевые, должны иметь
изолирующие вставки в соответствующих трубопроводах. Душевые кабины, включая место
раздевания, оборудуют устройствами выравнивания потенциалов в виде металлической сетки
с ячейками размером не более 30x30 см2, которую закладывают в слой бетона на глубину 2...3
см от поверхности пола. Сетку соединяют сваркой с трубами горячей и холодной воды, а также канализационными.
30
Для предотвращения воздействия шагового напряжения при выходе из зоны потенциально выравнивающей сетки (у дверей душевой кабины) кладут деревянную решетку или резиновый коврик длиной не менее 75 см.
В случае разбора горячей воды непосредственно у водонагревателя, установленного в
помещении без устройства выравнивания потенциалов, необходимо местное выравнивание
потенциалов.
В помещениях с нетокопроводящими полами местного выравнивания потенциалов не
требуется. Корпус водонагревателя дополнительно к обычному занулению соединяют стальной шиной с повторным заземлением или выполняют автоматический контроль состояния нулевого провода.
Если водонагреватели снабжены аппаратами защитного отключения, местного выравнивания потенциалов и контроля состояния нулевого провода не требуется.
Трехфазные электродные котлы устанавливают в отдельных помещениях, где допускается размещение технологического оборудования электрокотельной, а также устройств защиты и автоматики.
Не разрешается использование котлов в производственных помещениях других назначений, особо опасных в отношении поражения электрическим током (помещения для содержания животных и др.).
Котлы должны иметь защиту от коротких замыканий и перегрузок. Для этого применяют трехполюсный автоматический выключатель.
Электродные котлы подключают через отдельные трансформаторы, но допускается подключение и непосредственно к электросети общего назначения 0,38 кВ с глухозаземленной
нейтралью. Корпус котла должен быть занулен. При этом коэффициент звездности
kзв = (Р-Риз)/Р ≤ 25/Р,
(6.2)
где Р и Риз - мощность водонагревателя в нормальном режиме и при условии, что внутренняя
поверхность корпуса котла покрыта электроизоляционным материалом.
Если зануление и выравнивание потенциалов не обеспечивают требуемого коэффициента звездности и напряжения прикосновения в аварийном режиме не более 12 В, то электродный водонагреватель необходимо изолировать от земли, заземленных частей и зануленного
оборудования и оградить сеткой высотой 1,7 м на расстоянии от корпуса не менее 1 м. Сетку
зануляют и устанавливают двери с блокировкой, отключающей водонагреватель от сети. Отходящие от котла трубы холодной и горячей воды должны иметь изолирующие вставки.
Трубопроводы тепловой сети присоединяют к нулевому проводу не менее чем в двух
точках, одна из которых должна находиться в электрокотельной.
В зданиях, теплоснабжение которых обеспечивается электрическими котлами, все металлические трубопроводы различных назначений соединяют между собой и зануляют.
При ремонтных работах в тепловых сетях с электрокотлами, последние отключают от
электросети.
Допускаются ремонтные работы на трубопроводах при включенных электродных котлах
при условии, что целостность трубопроводов и защитного нулевого провода не нарушается.
Однофазные отопительные электродные нагреватели напряжением 220 В и ниже устанавливают в сухих помещениях. В ванных комнатах, санузлах и других особо опасных помещениях нагреватели устанавливать запрещается.
Нагреватель следует включать в сеть с глухозаземленной нейтралью. Корпус должен
быть занулен. Защитный нулевой провод присоединяют к повторному заземлению на вводе в
здание.
От перегрузки и коротких замыканий водонагреватели защищают автоматическими выключателями. Применение штепсельных розеток в цепях питания электротермических установок запрещено.
Электрокалориферные установки типа СФОЦ размещают в отдельном помещении, в котором может находиться только обслуживающий персонал.
31
Корпуса установок и устройств зануляют. Электротермические установки и устройства
осматривают после их отключения от питающей электросети.
Металлические воздуховоды, если возможно соприкосновение с ними человека или животного, соединяют с металлоконструкциями, зануленным технологическим оборудованием,
находящимся в помещении, или устройством выравнивания потенциалов.
У передвижных электротермических установок должен быть обеспечен контроль цельности нулевого провода или применены аппараты защитного отключения.
7 РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Экономическая эффективность новых технологий определяется по их влиянию на улучшение конечных показателей производства, главным образом на прирост прибыли за счет повышения урожайности культур и продуктивности животных, улучшения качества продукции,
сокращения затрат труда и снижения себестоимости производства продукции.
В ходе экономической оценки определяют общую (абсолютную) и сравнительную эффективность технологий и техники [12]. Общая (абсолютная) эффективность показывает целесообразность применения новых технологий, машин и оборудования, а сравнительная позволяет определить, какие из наиболее эффективных вариантов новых технических средств и
технологий по сравнению с базисным вариантом следует применять.
При определении общей (абсолютной) экономической эффективности рассчитывают абсолютное значение и норму прибыли по каждому объекту оценки
При определении сравнительной экономической эффективности показателем служит годовой экономический эффект. Прибыль в данном случае не рассчитывается.
К дополнительным показателям относят срок окупаемости капиталовложений, коэффициент эффективности капиталовложений, показатель энергетической эффективности и др.
Годовой экономический эффект за счет снижения-себестоимости, при сравнительной
оценке технологий, отдельных машин и их комплексов, применяемых для производства продукции без увеличения объема и повышения качества, определяют по формуле
Э = Зб - Зн,
(7.1)
где Зб,, Зн - совокупные затраты- по базовому и новому вариантам, руб.
Совокупные затраты находят по выражению
З = КЕн + И,
(7.2)
где К – суммарные капиталовложения, руб; Ен – нормативный коэффициент эффективности
капиталовложений, %; И – эксплуатационные затраты, руб.
Нормативный коэффициент эффективности капиталовложений определяют с учетом
инфляции
r 
Ен 
,
1
(7.3)
где r – номинальная норма прибыли (не ниже ставки рефинансирования Центрального Банка),
%, α – коэффициент инфляции, %.
Годовой экономический эффект по показателю “прирост прибыли” при сравнительной
оценке технологий, отдельных машин и их комплексов определяют по формуле
П
П 
,
(7.4)
Э   н  б  Ан
 Ан Аб 
где Пн, Пб – годовая прибыль по новому и базовому вариантам, руб.; Ан, Аб – годовой объем
произведенной сельскохозяйственной продукции по новому и базовому варианту, т.
При отсутствии базы сравнения или при создании новых производств определяют абсолютную величину прибыли, П, и норму прибыли, Нпр по формулам
П=Ц–С,
(7.5)
Hпр =(П/С)/100%.
(7.6)
32
где Ц - стоимость произведенной продукции в ценах реализации, руб;
С - стоимость произведенной продукции (работ, услуг), отражающая совокупные затраты в
основные фонды, оборотные средства и трудовые ресурсы для внедрения - новых технологий
и техники, руб.
Полученная величина Нпр должна быть не ниже коэффициента эффективности вложений, равного процентной ставке за кредит, установленной Центральным банком РФ, увеличенной на коэффициент гарантии получения положительного эффекта.
Дополнительные показатели определяют по выражениям:
срок окупаемости капиталовложений, год
T =К/Э или T =К/П
(7.7)
коэффициент эффективности капиталовложений (должен быть не ниже Ен), 1/год
Е =1/Т,
(7.8)
показатель энергетической эффективности
R = Eпр/Eс ,
(7.9)
где Епр – количество произведенной энергии, МДж; Ес – количество затраченной энергии,
МДж.
Экономические показатели, входящие в выражения (7.1) – (7,9) определяют по следующим формулам.
Суммарные капиталовложения
K  Ц i ni  Ц i H imc  Ц i H imoн ni ,
(7.10)
где Цi – отпускная цена i-го технического средства (по справочникам бирж на конкретный период), руб.: ni – количество технических средств i-го типа: Нтсi –коэффициент для определения торгово-транспортных и складских расходов; Нмонi -коэффициент для определения расходов на монтажные работы.
На технические средства, которые серийно не производятся и на них не установлены отпускные цены (цены реализации потребителям), а также для новых машин и установок (опытных партий, экспериментальных образцов), цены их реализации могут быть определены по
аналогии с выпускаемыми, исходя из массы и затрат на приобретение комплектующих узлов
и агрегатов. В этом случае цену приобретения определяют по формуле:
Цi = Мi P+ Цк ,
(7.11)
где Мi – масса машины, кг; Р – удельная цена 1 кг машины аналогичного назначения и конструктивной сложности, руб.; Цк – отпускная цена комплектующих, руб.
Себестоимость производства продукции определяют в соответствии с Методическими
рекомендациями по планированию, учету и калькулированию себестоимости продукции (работ, услуг) в сельском хозяйстве по формуле:
С = И+Ик+Ипр+Иупр+Икр,
(7.12)
где И – прямые эксплуатационные затраты, руб.; Ик – стоимость кормов, руб.; Ипр – прочие
затраты (ветпрепараты, вода, подстилка и др.); Иупр – общехозяйственные и общецеховые затраты, руб.; Икр – оплата процентов за кредиты, руб.
При этом стоимость кормов определяют по формуле:
Ик= НiЦк.ед ,
(7.13)
где Нi – годовой расход для производства i-го типа продукции, т.корм.ед.; Цк.ед.- цена 1 т
корм.ед.,руб.
Прочие затраты на основные и вспомогательные материалы (воду, подстилку ветпрепараты и т.п.) определяют по формуле:
Ипр =∑ βi Аi Цм
(7.14)
где βi – расход i-го вида материала на производство единицы продукции или на содержание
животного, м3, т/т, гол.; Аi – общий объем продукции, т, гол.; Цм – цен i-го вида расходуемого
материала , руб./ед.
Эксплуатационные затраты определяют по формуле:
33
И = ∑ (Иai+Иmoi +Зni+Иэлi),
(7.15)
где Иai – амортизационные отчисления на реновацию технических средств, руб.; Иmoi –
затраты на техобслуживание, ремонт технических средств, руб.; Зni – оплата труда с отчислениями на социальные нужды, руб; Иэлi –затраты на электроэнергию, руб.
Годовую сумму отчислений на амортизацию технических средств определяют по
формуле:
Иаi = ∑(Бi аi /100),
(7.16)
где Бi – балансовая стоимость технических средств, руб.: аi – норматив амортизационных отчислений на реновацию, % от балансовой стоимости объекта, технологической линии, машин
и оборудования.
Затраты на техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты технических
средств определяют по формуле:
Иmoi = ∑(Бi Нi /100),
(7.17)
где Нi – норматив отчислений на техническое обслуживание и ремонт технических средств,
% от балансовой их стоимости.
Оплату труда обслуживающего персонала рассчитывают по формуле
год
(7.18)
И ni  Cтар Зтрi
Kн ,
где Стар – часовая тарифная ставка оплаты труда обслуживающего персонала по i-му разряду
с учётом надбавок (за классность полученной продукции и пр.), руб./ч; 3год -общие затраты
труда на производство продукции, выполнение работ, ч; Кн –коэффициент, учитывающий отчисления на социальные нужды (пенсионный фонд, фонд занятости и др.).
Затраты на электроэнергию при применении тех или иных технических средств iго типа определяют по формуле
(7.19)
И элi  Eij Ц эл ,
где Еi - потребление электроэнергии при выполнении работы техническим средством i-го типа, кВт. ч.; Цэл – тариф электроэнергии, руб/(кВт∙ч).
Потребление электроэнергии техническими средствами 1-го типа на выполнение заданного объема работ определяют по формуле:
Ei  Pi K м ,
(7.20)
где Рi - установленная мощность, кВт; Км – коэффициент использования установленной мощности приводов технических средств (Км = 0,8);
τ – продолжительность выполнения работы, ч.
Полную энергоемкость производства продукции (совокупные затраты энергии) при
применении той или иной технологии определяют по формуле:
Ес = Епр +Ео ,
(7.21)
где Епр – прямые энергозатраты, МДж (ГДж); Ео – овеществленные энергозатраты, МДж,
(ГДж).
В прямые энергозатраты включаются затраты жидкого топлива, тепловой энергии в виде
горячей воды и пара и электроэнергии.
Энергоемкость потребленной электроэнергии определяют по формуле:
Епр.эл = Еi Lпр.эл ,
(7.22)
где Lпр.эл - энергетический эквивалент 1 кВт∙ч прямых затрат, МДж (Lпр.эл = 3,6 МДж).
Энергоемкость живого труда определяют по формуле:
год
Еж  Зтр
Iж ,
(7.23)
год
где Зтр - затраты труда за год, чел∙ч; Iж – энергетический эквивалент живого труда (Iж = 1,26
МДж/чел∙ч).
Овеществленные энергозатраты включают энергоемкость машин и оборудования, кормов и энергосодержание электроэнергии и жидкого топлива.
Овеществленные затраты энергии в средствах механизации определяют по формуле:
Ео.mе = М Iмс ,
(7.24)
34
где М - масса технических средств кг ; Iмс – энергетический эквивалент 1 кг массы технических средств, МДж (Iмс = 20 МДж).
Овеществленные затраты энергии в потребленных кормах определяют по формуле:
Ео.корм = Нi Iкорм ,
(7.25)
где Нi – годовой расход кормов для производства I-го типа продукции, корм.ед.; Iкорм – энергетический эквивалент 1 корм.ед.. МДж (Iкорм = 10 МДж).
Овеществленную энергию в потребляемой электроэнергии определяют по формуле:
Ео.эл = Еi Iэл ,
(7.26)
где Еi - годовой расход электроэнергии, кВт∙ч.; Iэл - энергетический эквивалент 1 кВт∙ч овеществленных затрат, МДж (Iэл = 8,4 МДж).
Энергосодержание произведенной продукции определяют по выражениям:
Энергосодержание молока
Пмол = Амол Iмол ,
(7.27)
где Амол - валовое производство молока,, кг; Iмол – энергосодержание молока (Iмол = 3,07
МДж/кг).
Энергосодержание прироста живой массы скота
Ппр = Апр∙Iпр ,
(7.28)
где Апр – прирост живой массы скота за год, кг; Iпр - энергосодержание прироста МДж/кг (Iпр =
9 МДж/кг).
Энергосодержание приплода
Пприп = N∙m∙Iприп ,
(7.29)
где N – количество приплода за год, гол.; m – средняя масса теленка при рождении, кг; Iприп –
энергосодержание живой массы теленка (Iприп = 6 МДж/кг).
Энергосодержание навоза
Пэкс = S Iэкс ,
(7.30)
где S – сухое вещество навоза, кг; Iэкс – энергосодержание сухого вещества навоза, (Iэкс = 10,0
МДж).
Сухое вещество навоза определяют по формуле
100  в j 
S  hij
П 100  I подст ,
(7.31)
2
где hij – годовой расход кормов j –го вида для производства i –го типа продукции. т; П – годовой расход подстилки, т; Iподст - влажность кормов j –го вида и подстилки,%.
Энергосодержание некоторых продуктов приведено в таблице 7.1
Таблица 7.1 - Энергосодержание продуктов
Продукт
картофель
подсолнечник
кукурузное
зерно
пшеница
сахарная
свекла
Энергетический
эквивалент,
МДж/кг
8,0
5,0
5,0
Энергосодержание
продуктов,
Мдж/кг
2,0
15,5
14,6
6,8
18,4
13,7
2,5
Методика расчета экономической эффективности электротеплоснабжения приведена в
[7.19.20].
35