В
курсовой работе выполнены расчеты нагревательных элементов для:
электро-калорифера, бытового тепловентилятора, проточного
электроводонагревателя приближенным методом по рабочему току. Произведен расчет
нихромовой спирали бытового тепловентилятора по удельной мощности и сравнение
результатов расчетов с предыдущими. Приведен обзор материалов, используемых при
изготовлении нагревателей (электрокалорифера,проточного водонагревателя) и
конструктивные особенности ЭТУ. Рассмотрены симметричные и неполнофазные режимы
трехфазного электрокалорифера для различных схем их включения. В разделе по
автоматизации электрокалорифера принята базовая принципиальная схема установки
и рассмотрены варианты ее усовершенствования. Даны основные положения техники
безопасности при эксплуатации электрокалорифера.
Пояснительная записка содержит 27
страниц, 8 иллюстраций, 1 график, 5 таблиц. Библиографический список содержит 7
источников. Графический материал содержит один лист формата А1.
В развитии сельской электрификации
всё большее внимание уделяется надёжности электроснабжения, рациональному
использованию электроэнергии, безаварийной эксплуатации электрооборудования, а
также внедрению процессов и установок, в которых электроэнергия применяется не
только как энергоноситель, но и как технологический фактор. В последнем случае
речь идёт об электротехнологии.
Под электротехнологией понимают
область науки и техники, охватывающую изучение и использование технологических
процессов, в которых электрическая энергия участвует непосредственно,
преобразуясь в рабочей зоне в тепловую, электромагнитную, химическую,
механическую и в другие виды энергии.
Сельское хозяйство - крупный
потребитель тепловой энергии: в общем энергопотреблении приходится на тепловые
процессы. Существует несколько способов преобразования электрической энергии в
тепловую, которые различаются по нескольким признакам: по виду «греющего»
электрического тока или электромагнитной волны, по способу создания
электрического тока или электромагнитной волны и по частоте тока или поля.
По этим признакам в настоящее время
различают следующие способы электрического нагрева: сопротивлением, дуговой
нагрев, индукционный нагрев, диэлектрический, электролучевой, лазерный, ионный,
плазменный, инфракрасный и термоэлектрический нагрев.
Электронагрев в с/х. используется
для: подогрева воды для технических нужд, подогрева воздуха в установках
микроклимата, обогрева с/х животных и птицы, подогрева почвы и воздуха в
парниках и теплицах, сушки зерна, сена, овощей, фруктов,
санитарно-гигиенической обработки животных и оборудования и т.д.
Для этих целей используют выпускаемые
нашей промышленностью электротермическое оборудование сельскохозяйственного
назначения: комбинированные инфракрасные и ультрафиолетовые облучательных
установки, инфракрасные облучатели, брудеры, электронагреватели - термосы,
проточные электродные и элементные водонагреватели, электродные паровые котлы,
электрообогреваемые панели, коврики, электрокалориферные установки и
специальный нагревательный провод. Количество и мощность ЭТУ в с/х производстве
непрерывно увеличиваются. Большим потенциальным потребителем электронагрева
должны стать растениеводство и плодоводство (обогрев парников и теплиц,
термообработка продукции).
Таблица
1. Классификация электротермического оборудования по способу нагрева.
Электрический
нагреватель — основной элемент электротермической установки, преобразующий
электрическую энергию в тепловую. Конструктивное исполнение электрического
нагревателя определяется нагреваемой средой, характером нагрева, мощностью,
технологическим назначением и другими условиями.
В
зависимости от конструкции и технологического назначения электрические нагреватели
выполняют с электрической изоляцией, защитными устройствами, а также с устройством
для крепления и подвода электрического тока.
В
нагревателях открытого исполнения резистивное тело — нагревательное сопротивление
не изолируют от нагреваемой среды, а размещают непосредственно в ней.
Нагреватели
из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением изготовляют в виде
проволочных или ленточных зигзагов, проволочных спиралей и крепят на
керамических стержнях, трубах или изоляторах в воздушном потоке (электрокалориферы)
или в воздушном пространстве (электропечи) электротермических установок.
Достоинство
открытых нагревателей— простота устройства, ремонтоспособность и возможность
обеспечения высокого коэффициента теплоотдачи с поверхности нагревательного элемента.
К недостаткам следует отнести сравнительно низкий срок службы, невысокую
механическую прочность и невозможность использования в агрессивных средах.
В
нагревателях защищенного исполнения нагревательные сопротивления, изготовляемые
из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, размещают в защитном
корпусе, предохраняющем их от механических повреждений и от нагревательной
среды.
ТЭН
(рис.1) представляет собой тонкостенную металлическую трубку 6 (оболочку), в
которую запрессована спираль из проволоки 4 с большим удельным электрическим
сопротивлением. Концы спирали приварены к контактным стержням 3, снабженным с
внешней стороны контактными устройствами 1,2 для подключения к сети. Спираль изолируется
от стенок трубки наполнителем 5 из периклаза (плавленная окись магния), обладающим
высокими диэлектрическими свойствами и теплопроводностью. В качестве
наполнителя допускается использовать кварцевый песок, электрокорунд и другие
материалы. Торцы трубки герметизируют тепловлагостойким составом и изолирующими
втулками 7, что исключает доступ воздуха и влаги внутрь ТЭН.
Рис.1
- 1 и 2 - контактное устройство; 3 - контактный стержень; 4- нагревательная
спираль; 5 - накопитель (периклаз); 6 - оболочка (трубка) ТЭН;
Условное обозначение нагреваемой среды и нагреваемой оболочки ТЭНа
|
Нагреваемая среда
|
Характер нагрева
|
Удельная Мощность, Вт/см2 не более
|
Материал оболочки и температура на оболочке ТЭНа, °C
|
Ресурс ТЭНов, ч
|
P
|
Вода, слабые растворы щелочей и кислот
|
Нагрев,
кипячение
|
15
|
Углеродистая
сталь
|
7000
|
C
|
Воздух, газы,
смеси газов
|
Нагрев в спокойном воздухе
|
2.2
|
Углеродистая сталь до 450 °C
|
11000
|
T
|
то же
|
то же
|
5.0
|
Нержавеющая сталь до 750 °C
|
11000
|
O
|
то же
|
Нагрев в движущемся воздухе со скоростью не менее 5 м/c
|
5.5
|
Углеродистая
сталь
до 450 °C
|
11000
|
K
|
то же
|
то же
|
6.5
|
Нержавеющая сталь до 750 °C
|
11000
|
И
|
Жиры, масла
|
Нагрев в ваннах и др. емкостях
|
3.0
|
Углеродистая сталь до 300 °C
|
7000
|
В
качестве нагревательных сопротивления ПЭН используют металлическую фольгу,
уложенную в виде ткани; полупроводниковые и композиционные материалы. Для ПЭН
более перспективны композиционные материалы, состоящие из двух и более
компонентов. В композиционных ПЭН нагревательные сопротивления изготовляют из
графитизированного или металлического материала в виде токопроводящей ткани.
Наиболее распространена углеграфитовая ткань УТТ-2 с допустимой температурой на
поверхности до 463 К.
Таблица 3. Коэффициент монтажа
Км для электронагревателей сопротивления (в спокойном воздухе).
Конструктивное
выполнение нагревателя
|
Км
|
Проволока натянутая
горизонтально
|
1
|
Проволока
на огнестойком каркасе
|
0.7
|
Проволочная
спираль в воздухе
|
0.8…0.9
|
Проволочная спираль на
огнеупорном держателе
|
0.6…0.7
|
Нагревательный элемент
между двумя слоями огнеупорной изоляции
|
0.5…0.6
|
Нагревательное
сопротивление с герметизированным исполнением (достаточно мощным слоем
электрической изоляции, например ТЭНы)
|
0.3…0.4
|
Таблица 4. Коэффициент среды Кс для различных
условий.
Условия
работы нагревателя
|
Кс
|
В спокойном
воздухе
|
1
|
В воздушном потоке,
скорость которого 1…3…5…10 м/с
|
В спокойной
воде
|
2.5
|
В потоке
жидкости
|
3…3.5
|
2. Материалы для электрических нагревателей и требования,
предъявляемые к ним
Нагревательное
сопротивление-резистивное тело, наиболее ответственный элемент электрического
нагревателя, от которого зависит надежность и долговечность его работы в
заданном технологическом режиме. Поэтому к материалам для нагревательных
элементов предьявляются особые требования, основанные на следующих: достаточные
жаростойкость и жаропрочность ( не должны окислятся и терять механических
свойств при высоких температурах); большое удельное электрическое сопротивление
(должны обеспечивать возможность включения на сетевое напряжение при небольшой
длинне нагревателя) и малый температурный коэффициент сопротивления ( должны
незначительно изменять сопротивление при изменении температуры ); стабильность
размеров и электрических свойств .
В
зависимости от температурного режима и технологических условий нагреваемой
cреды для изготовления электрических нагревателей используют металлические и
неметаллические материалы. Для низко- и средне-температурных установок широко
применяют специальные сплавы: хромоникелевые и железохромоникелевые. Наиболее
распространены нихромы. В низкотемпературных установках ( до 620 К) электрические
нагреватели выполняют из дешевого и доступного материала — углеродистой стали.
Неметаллические нагреватели используют нагреваватели используют в
высокотемпературных установок. В ЭТУ с рабочей температурой до 1570 К применяют
стержневые цилиндрические нагреватели из карборунда, а с температурой до 1870 К
— из дисилицида молибдена. В высокотемпературных вакуумных печах с температурой
нагрева до 3270 К используют графитовые нагреватели в виде стержней, трубок,
пластин и другой формы.
Электрические
нагреватели из карборунда, дисилицида и графита обладают высоким сопротивлением
и переменными температурным коэффициентом сопротивления. Питание на эти
нагреватели подается от понижающего трансформаторов с регулируемым вторичным
напряжением.
В качестве
электроизоляционного наполнителя ТЭНов используется периклаз (плавленый оксид магния,
который получают в дуговых электропечах, плавкой магнийсодержащих веществ). К
данному наполнителю предъявляются следующие требования:
-
низкая удельная электропроводимость;
-
высокая электрическая прочность;
-
химическая нейтральность;
-
достаточно высокий коэффициент теплопроводности;
-
низкая влагопоглащаемость;
-
достаточная сыпучесть.
В качестве
оболочек ТЭНов используют тонкостенные металлические трубы ( латунные,
алюминиевые, стальные)
Латунь
- до 250 °C;
Алюминий
- до 350 °C;
Углеродистая
сталь - до 450 °C;
Нержавеющая
сталь - до 750 °C;
Основным
требованием предъявляемым к оболочке является механическая прочность, для защиты
нагревательного элемента от механических повреждений.
Для
повышения долговечности нагревателей применяют защитные покрытия (хромникелевые
и др.). Такие покрития увеличивают ресурс нагревателей в несколько раз при работе
в водных растворах.
Для
герметизации ТЭНов прииеняют:
-
кремнийорганические лаки и эмали;
-
эпоксидные герметики;
-
битумную мастику;
-
легкоплавкое стекло.
3. Расчеты
симметричных и неполнофазных режимов трехфазной ЭТУ (электрокалорифера)
Регулировать мощность электрической
нагревательной установки мы будем, изменяя схему включения нагревателей.
Рассчитаем
варианты регулирования для электрического калорифера.
U=220
ВP=1000 Втt0=20 °С tp=8 °С
3.1 Двойной треугольник
Рис. 3. Двойной
треугольник.
а)
При данной схеме включения каждый нагреватель находится под номинальным
напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Так как двойной
треугольник содержит шесть нагревательных элементов, то общая мощность равна:
Вт
б) При обрыве линейного провода в
точке А (см. рис.3) под напряжением остаются все шесть нагревательных
элементов, но четыре из них только под напряжением равным половине
номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается
равная:
Вт
Полная
мощность тогда получается:
Вт
где
n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.;
P1
- мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным
напряжением, Вт.
в)
При обрыве фазы в точках В (см. рис.3) мы получаем, что два нагревателя не
включены вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением.
Следовательно, число нагревателей в работе будет четыре.
Вт
3.2 Звезда
Рис.4. Звезда
а)
При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под
фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное . Так как -
то если напряжение уменьшить в раз, то, мощность,
выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза. Следовательно,
полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:
Вт
б)
При обрыве линейного или фазного провода в точке А (см. рис.4) в работе оказываются
только два нагревателя и включены они на половину линейного напряжения,
следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:
Вт
3.3Треугольник
Рис.5.
Треугольник
а)
При данной схеме включения каждый нагреватель находится под
номинальным
напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Данная схема содержит три
нагревательных элемента.
Вт
б) При обрыве линейного провода в
точке А (см. рис.5) под напряжением остаются все три нагревательных элементов,
но два из них только под напряжением равным половине номинального.
Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:
Вт
Полная мощность тогда получается:
Вт
где
n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.; P1
- мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным
напряжением, Вт.
в)
При обрыве фазы в точке В (см. рис. 5) мы получаем, что один нагревателя не
включен вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением.
Следовательно, число нагревателей в работе будет два.
Вт
3.4 Двойная звезда
Рис.6. Двойная звезда
а) При включении
нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным
напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное . Так как то
если напряжение уменьшить в раз, то мощность
выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза.
Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:
Вт
б) При обрыве линейного или фазного
провода в точке А (см. рис.6) в работе оказываются только четыре нагревателя и
включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность,
выделяемая ими, вычисляется так:
Вт
3.5 Последовательный треугольник
а)
При включении нагревателей по такой схеме каждый нагреватель находится под
напряжением равным половине номинального, а следовательно, мощность на каждом
нагревателе уменьшается в четыре раза. Полная мощность нагревателя включенного
по такой схеме вычисляется так:
Вт
б)
При обрыве линейного провода в точке А (см. рис.7) у нас получается, что четыре
нагревателя включены на четвертую часть номинального напряжения, а два - на
половину. Мощность, отдаваемая в этом случае, вычисляется по формуле:
Вт
в)
При обрыве фазы в точке В (см. рис. 7) у нас два нагревателя не участвуют в
работе, а следовательно, в работе участвуют четыре нагревателя включенных на
половинное напряжение. Полная мощность в этом случае вычисляется следующим
образом:
Вт
3.6 Последовательная звезда
Рис.
8. Последовательная звезда
а)
При включении нагревателей по такой схеме каждый нагреватель находится под
напряжением равным , а следовательно, мощность на
каждом нагревателе уменьшается в раза. Полная
мощность нагревателя включенного по такой схеме вычисляется так:
Вт
б)
При обрыве линейного или фазного провода в точке А (см. рис.8) в работе
оказываются только четыре нагревателя и включены они на четверть линейного напряжения,
согласно зависимости мощности выделяемой на нагревательном элементе от
подводимого напряжения получаем:
Вт
Все
полученные данные сводим в таблицу 6.
Таблица 5. Сводная таблица.
Схема включения
|
Симметричная 3ф. нагрузка
|
Обрыв линейного провода
|
Обрыв фазы
|
нагревателей
|
число нагревателей в работе
|
, кВт
|
число нагревателей в работе
|
, кВт
|
число нагревателей в работе
|
, кВт
|
Двойной треугольник
|
6
|
6
|
6
|
3
|
4
|
4
|
Звезда
|
3
|
1
|
2
|
0,5
|
2
|
0,5
|
Треугольник
|
3
|
3
|
3
|
1,5
|
2
|
2
|
Двойная звезда
|
6
|
2
|
4
|
1
|
4
|
1
|
Последовательный треугольник
|
6
|
1,5
|
6
|
0,75
|
4
|
1
|
Последовательная звезда
|
6
|
0,5
|
4
|
0,25
|
4
|
0,25
|
4. Принципиальная электрическая схема автоматизации
электрокалорифера
Электрокалориферные
установки предназначены для подогрева воздуха в системах вентиляции на
животноводческих и птицеводческих фермах, что способствует созданию в них
оптимального микроклимата. Электрокалориферная установка типа СФОЦ рассчитана
на питание от сети переменного трёхфазного тока с глухозаземлённой нейтралью
напряжением 380\ 220 В. Схема соединения оребрённых трубчатых
электронагревателей – “звезда”. Установка состоит из центробежного вентилятора,
унифицированного электрокалорифера типа СФО и шкафа управления с
пускорегулирующей аппаратурой. Электрокалорифер и вентилятор смонтированы на сварной
металлической раме. Для снижения вибрации предусмотрена установка
виброизоляторов и мягкие вставки. В установке предусмотрено автоматическое
регулирование мощности по температуре воздуха в вентилируемом помещении. Схема
регулирования - позиционная, т.е. при достижении заданной температуры установка
отключается, а при понижении температуры на определённый интервал снова
включается. ТЭНы электрокалорифера секционированы на три ступени мощности,
которые в процессе эксплуатации могут переключатся. Перключение осуществляется
автоматически или вручную. Автоматическое переключение осуществляется по
сигналам датчиков температуры, установленных в обогреваемом помещении.
Положение датчиков в помещении определяется опытным путём при регулировании
теплового режима установки.
Датчики
устанавливаются на уровне 1..2 м от пола вдали от мест с резкими колебаниями
температуры.
В
схеме контроля предусмотрены блокировки и отключения нагревателей при остановке
электродвигателя вентилятора, а также включение нагревателей при отключенном электродвигателе
вентилятора. В утановке предусмотрено отключение нагревателей датчиком ТР-200
при повышении температуры на поверхности ТЭНов более 180 град. Во избежание
прикосновения обслуживающего персонала к токоведущим частям, попадания капель
воды на выводы нагревателей их размещают в коробках, закрытых крышками с
резиновым уплотнением.
5. Техника безопасности при эксплуатации электрокалорифера
*
К эксплуатации допускаются
электронагревательные установки заводского изготовления, соответствующие ГОСТу или
техническим условиям. Применение установок кустарного производства запрещается.
*
Вновь вводимые
или реконструируемые установки должны пройти приемо-сдаточные испытания в
соответствии с требованиями ПТЭ электроустановок потребителей.
*
Монтаж, ремонт,
техническое обслуживание выполняет только электротехнический персонал,
ознакомленный с устройством установок, квалификационная группа по технике
безопасности не ниже III.
*
Работы по
техническому обслуживанию электротехнических установок выполняет электромонтер
с квалификацией не ниже 4-го разряда.
*
В процессе работы
электротехнических установок по назначению необходимо проводить их техническое
обслуживание. Периодичность технического обслуживания установки и шкафа
управления 2 мес.
*
Техническое
обслуживание электротехнических установок проводят в определенной
последовательности, то есть отдельно для электроводонагревателей с трубчатыми и
электродными нагревателями.
*
Оболочки и ограждения,
закрывающие токоведущие части, выполняют таким образом, чтобы их можно было
открывать только при помощи специального инструмента или ключа.
*
Оборудование
должно иметь защиту от коротких замыканий, а части, подлежащие занулению,
должны быть снабжены специальным болтом для присоединения нулевого защитного
проводника.
-
Калориферы нельзя устанавливать в особо опасных помещениях. Для этого
предусматривают специальные помещения.
-
Оборудование для нагрева воды соединяют с трубопроводом ч/з изолирующие вставки
(из резины, фторопласта). Сопротивление столба воды во вставке должно быть
таким, чтобы напряжение прикосновения за вставкой даже в аварийном режиме не
превышало 12 В.
-
Трубопровод за вставкой присоединяют к нулевому проводу не менее чем в двух
точках.
-
Размещение оборудования должно соответствовать требованиям ПУЭ. Место установки
выбирается проектной организацией или специализированной службой в соответствии
с техническими условиями.
-
Перед установкой необходимо проверить техническое состояние электроустановки на
отсутствие механических повреждений корпуса, изоляторов и контактов.
-
Корпуса всех элементных нагревателей присоединяют к нулевому проводу.
- Корпус
установки можно изолировать от земли, заземленных частей и нулевого
оборудования. При этом корпус установки необходимо оградить зануленной сеткой
(расстояние сетки от корпуса оборудования не менее 1 метра, высота сетки –
более 1.7 метра).
-
Оболочка проводов и кабелей, присоединяемых непосредственно к нагревателям
электроустановки, следует выполнять опрессовкой наконечников.
Библиографический
список
использованной литературы
1.
Электрический
нагрев и электротехнология./ Кудрявцев И.Ф., Коросенко В.А./ - Москва:
Колос,1975.-383с.
2.
Электротехнологии
/А.М. Басов и др. - Москва: Агропромиздат,1985.-256с.
3.
Электротехнологии
/В.А. Коросенко и др. - Москва: Колос,1992.-304с.
4.
Электронагревательные
установки в сельскохозяйственном производстве / В.Н. Расстригин и др. - Москва:
Агропромиздат,1985.-304с.
5.
Электротехнология
и электрическое освещение./ Живописцев Е.Н., Косицин О.А. - Москва:
Агропромиздат,1990.-303с.
6.
Гайдук В.Н.
Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. Москва: Агропромиздат,1989.-175с.
7.
Курсовое и дипломное
проектирование./ Каганов И.Л. - Москва: Агропромиздат, 1990.-351с.