Элементный непроточный водонагреватель аккумуляционного типа для горячего водоснабжения

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Электрификации и автоматизации сельского хозяйства и производства

Кафедра Применение электрической энергии в сельском хозяйстве

ЭЛЕМЕНТНЫЙ НЕПРОТОЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ АККУМУЛЯЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

КУРСОВАЯ РАБОТА

Пояснительная записка

ПЭСХ. ЭНВА. 00. 000 ПЗ

Студент Харрасов Д.М..

Группа 402

Нормоконтролёр

к.т.н., доцент Файн В.Б.

Руководитель

доцент, к.т.н. Файн В.Б.

2007

Введение

Общий подъем сельскохозяйственного производства неразрывно связан с развитием его теплофикации. Около 20% всей тепловой энергии, потребляемой народным хозяйством страны, расходуется на нужды сельского хозяйства. Во всех возрастающих количествах потребляется она на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение производственных, жилых и общественных зданий, создание искусственного микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях, сооружениях защищенного грунта, производство кормов для животных и птицы, сушку сельскохозяйственных продуктов, получение искусственного холода и на многие другие цели. Поэтому непрерывное совершенствование теплотехнического оборудования систем теплоснабжения и теплоиспользования оказывает большое влияние на дальнейшее развитие всех отраслей сельского хозяйства, перевод его промышленную основу. Основные производственные потребители теплоты в сельском хозяйстве – это животноводство и защищенный грунт.

Создание и поддержание оптимального микроклимата в животноводческих помещениях, комплексов и ферм, на птицефабриках – один из определяющих факторов в обеспечении здоровья животных, птиц, их воспроизводительной способности и получения от них максимума продукции при высокой рентабельности производства. Это имеет также важное значение для продления срока службы конструкций зданий, улучшение эксплуатации технологического оборудования и условий труда обслуживающего персонала.

1.Определение требуемых параметров ЭТУ

Основными параметрами элементного непроточного водонагревателя, которые необходимо знать для его выбора или проектирования, являются вместимость V, л, и расчетная мощность Р_р, Вт.

Согласно таблице принимаем удельные (325 голов) суточные нормы расхода нагретой воды на каждую операцию, осуществляемую в помещении.

Таблица 1 - Основные нормы расхода нагретой воды на животноводческих фермах.

Обычно электроводонагреватель выдает горячую воду с температурой Т₂=90°С, а воду с температурой Т_с, нужной для выполнения той или иной операции, получают, смешивая в нужной пропорции горячую и холодную воду. Массу горячей воды, необходимой для i-ой операции находят по формуле

где Т₁ – температура холодной воды, °С

Mi – масса нагретой воды, расходуемой на эту операцию для всего поголовья животных за сутки

Для обмывки вымени перед дойкой Mi= 341,25кг

Для мытья подойной посуды Mi=455 кг

Для обмывки вымени перед дойкой:

Для мытья подойной посуды:

Масса горячей воды, необходимой для выполнения всех операций в помещении за сутки:

где m – количество операций

Полезный тепловой поток водонагревателя.

Для водонагревателя выбираем полностью аккумуляционный режим. Тогда М=М_г,

Время нагрева первого периода t_н можно принять 9 ч.

где с – удельная теплоемкость воды; с=4190 Дж/кг×°С;

М – масса воды, нагреваемой в водонагревателе, кг;

t_н – время, за которое водонагреватель должен нагревать воду массой М, с.

Расчетная мощность электроводонагревателя:

где К_з – коэффициент запаса, учитывающий необходимость увеличения мощности из–за старения нагревателей, возможности снижения питающего напряжения, увеличения тепловых потерь в процессе эксплуатации (К_з=1,1…1,2);

h_т – тепловой КПД водонагревателя h_т=0,92…0,97.

Расчетная вместимость бака водонагревателя

2.Выбор стандартной ЭТУ

По рассчитанным значениям Р_р и Vвыбирают один или несколько элементных водонагревателей типа САОС соответствующего типоразмера.

Выбираем 1 водонагреватель САОС – 400.

Технические данные водонагревателя САОС – 400.

Таблица 1

3.Разработка нестандартной ЭТУ

В этом разделе разрабатывают элементный аккумуляционный водонагреватель, который обеспечил бы требуемые конкретные значения расчетной мощности Р_р и вместимости V, определенные ранее.

Конструкцию нестандартного водонагревателя принимают такой же, как и в серийном водонагревателе САОС.

Высоту Н и диаметр Dбака водонагревателя следует определить из соотношения

приняв Н=2,5×D

(здесь V- вместимость водонагревателя, м³).

Мощность одного ТЭНа

Конструктивный расчет ТЭНа.

Целью конструктивного расчета ТЭНа является определение диаметра проволоки d, потребной длины проволоки для изготовления спирали ТЭНа l_потр, среднего диаметра витка спирали d_с, расстояния между витками спирали h, активного числа витков n_а, полной длины трубки ТЭНа L.

Значение удельной поверхностной мощности на проволоке спирали Р^¢_А следует принять равным 38×10⁴ Вт/м², а значение удельной поверхностной мощности на трубке ТЭНа Р^²_А=11×10⁴ Вт/м². (по данным завода “Миассэлектроаппарат”).

1. Диаметр проволоки

где r - удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре, Ом×м. (ρ=1.15·10^-6)

2. Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре

3. Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при температуре 20°С

где К_т – поправочный коэффициент, учитывающий изменение электрического сопротивления материала в зависимости от температуры. Кт= 1,029- (по таблице 8)

4. Электрическое сопротивление спирали до опрессовки ТЭНа

где а_r – коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате опрессовки (ориентировочно можно принять равным 1,3), значение а_rподлежит уточнению после изготовления пробного образца ТЭНа.

5. Длина проволоки в рабочей части ТЭНа

6. Предусматривается навивка проволочной спирали на стержень диаметром

7. Средний диаметр витка спирали

8. Длина одного витка спирали до опрессовки

где 1,07 – коэффициент, учитывающий увеличение » на 7% среднего диаметра витка проволоки (ввиду ее пружинности) при навивке на стержень.

9. Активное число витков

10. Длина активной части трубки ТЭНа после опрессовки

11. Длина активной части трубки оболочки ТЭНа до опрессовки

где g=1,15 – коэффициент удлинения трубки в результате опрессовки методом обсадки.

12. Расстояние между витками спирали

13. Потребная длина проволоки для изготовления спирали ТЭНа с учетом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 20 витков спирали на конец стержня

14. Полная длина трубки ТЭНа

где L_п – длина пассивного конца трубки. Можно принять равным 0,05 м.

После конструктивного расчета проверяется возможность размещения нужного количества разработанных ТЭНов в корпусе водонагревателя (при этом учитывается, что ТЭНы имеют U – образную форму). Затем выполняется проверочный расчет.

3.1 Проверочный тепловой расчёт расчет ТЭНа

Целью проверочного расчета является определение температуры спирали и сравнение ее с максимально допустимой рабочей температурой материала спирали.

Значение Т_пов.об принимается равным 105°С, значение плотности периклаза после опрессовки принимается согласно исходных данных.

1. Мощность ТЭНа на первом этапе расчета принимается равной Р₁=2600 Вт.

2. Термическое сопротивление трубки оболочки ТЭНа

°С

где λ_ст= 45 Вт/мּºС- теплопроводность стали

d_об.вн – внутренний диаметр трубки оболочки ТЭНа, м

3. Термическое сопротивление наполнителя (периклаза)

где l_н – теплопроводность н наполнителя (периклаза), Вт/м×°С;

К_с – коэффициент, учитывающий различия условий теплообмена в реальной конструкции нагревателя и в эквивалентной составной трубе;

d_с.нар – наружный диаметр спирали, м

мм

Коэффициент К_с определяется по формуле

Теплопроводность наполнителя (периклаза)

где П – пористость периклаза в готовом ТЭНе, %

Т_п – средняя температура периклаза, °С.

Пористость периклаза в готовом ТЭНе

где r₁ – плотность периклаза после опрессовки, кг/м³ (принимается согласно исходных данных).

r₀=3570 кг/м³ – плотность периклаза с нулевой пористостью.

Средняя температура периклаза

Поскольку значение Т_с пока не определено, принимаем ориентировочно Т_с=500°С

4. Температура спирали ТЭНа

где Т_пов.об – температура наружной поверхности оболочки ТЭНа, °С

При серийном изготовлении ТЭНа с алюминиевым оребрением термическое сопротивление между оболочкой ТЭНа и несущей трубкой оребрения незначительно, поскольку обеспечивается хороший контакт между ними. Поэтому при расчете температуры спирали ТЭНа с алюминиевым оребрением принимают температуру наружной поверхности оболочки равной температуре поверхности оребрения, т.е.

Т_пов.об=Т_пов.

5. Значение Т_с, полученное при первичном расчете, является ориентировочным и может быть уточнено за счет более точного определения величин Р₁ и R_т2. Уточняющий расчет проводят в следующем порядке.

Удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре.

Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре.

Мощность ТЭНа при рабочей температуре.

Далее, уточняем значение Т_п:

Уточняем значение l_н :

Уточняем значение R_т2 :

Уточняем значение Т_{с :}

3.2 Расчет толщины тепловой изоляции d

Расчет толщины тепловой изоляции проводится на основании двух условий:

а) по заданному (допустимому) снижению температуры горячей воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети;

б) по нормируемой температуре наружной поверхности водонагревателя.

Затем принимают наибольшее значение.

1. Количество теплоты, которое теряет вода в водонагревателе

2. Средний тепловой поток, теряемый горячей водой в окружающую среду при ее остывании за 1 час на разность температур DТ

3. Требуемое термическое сопротивление теплопередаче от воды к окружающей среде

4. Толщина изоляции

а) по заданному (допустимому) снижению температуры горячей воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети:

где l_из – теплопроводность материала тепловой изоляции. Для шлаковой минеральной ваты марки 250

l_из=0,07+0,198×10^-3×Т_ср

l_из=0,07+0,198×10^-3×65=0,082 Вт/м×°С

А – площадь теплоотдающей поверхности водонагревателя

a_н – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности водонагревателя, a_н=11,5 Вт/м²×°С.

б) по нормируемой температуре наружной поверхности водонагревателя:

Выбираем наибольшее значение: 0,0196

4.Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭТУ

Базовая часть схемы управления электроводонагревателем должна обеспечивать:

1) защиту водонагревателя и схемы управления от токов короткого замыкания;

2) ручное и автоматическое управление каждой группой ТЭНов;

3) световую сигнализацию о подаче напряжения от сети на схему управления и о включении групп ТЭНов.

В курсовой работе эта схема подвергается усовершенствованию. В нашем случае усовершенствованием является сигнализация о перегорании тэнов.

5.Выбор силовых проводов

Выбор проводов осуществляется только для силовой части схемы. Для каждой группы ТЭНов и для общей магистрали.

Формулы для определения расчетных токов, трехфазных электроприемников.

Для секции электрокалорифера и группы ТЭНов электроводонагревателя

водонагреватель аккумуляционный аппаратура провод

Где Р_с – расчетная активная мощность секции (группы), Вт;

U_н – номинальное линейное напряжение сети; U_н = 380 В.

Выбираем провод: АПВ

6.Выбор аппаратуры управления и защиты

6.1 Магнитный пускатель КМ

Принимаем магнитный пускатель марки ПМЛ 3110

U_KM U_C

380 B  380 B

I_HKM  I

40 A 32,2 A

IP54

6.2 Предохранители FU

Выбираем предохранители марки ПР-2-60

Uн = 380 В

I_HПЛ  I

35А32,2А

6.3 Реле времени КТ

Принимаем реле времени марки 2РВМ

Uн = 220 В

f = 50 Гц

Программное реле времени 2РВМ предназначено для автоматического управления двумя независимыми электрическими цепями при коммутации этих цепей по временным программам с повторяющимся суточным циклом.

Суточный ход при температуре окружающего воздуха (20±5) "С, мин, не более ±2

Температурный коэффициент суточного хода, с/^оС, не более: 2

Суммарное время работы двигателя в течение суток, мин: 4

Потребляемая мощность двигателя, Вт, не более: 0,4

Количество независимых программ: 2

Характеристика программы I

Число отверстий на внешней окружности программного диска: 96

Цена деления, мин: 15

Минимальный интервал времени между двумя смежными командами, мин: 30

Характеристика программы II

Число отверстий на внутренней окружности программного диска: 72

Цена деления, мин: 20

Минимальный интервал времени между двумя смежными командами, мин: 40

Продолжительность цикла программ, ч: 24

Погрешность выдачи команд без учета суточного хода, мин, не более: ±5

Характеристика цепей управления

Число контактных пар в каждой программе: 1

Контактное давление, Н, не менее: 0,5

Максимальный переменный ток частотой 50 Гц через одну контактную пару при напряжении 220 В,: 15

Максимальный постоянный ток при напряжении от 12 до 220 В, А : 1,5 Масса, кг, не более : 1,5

Габаритные размеры, мм, не более : 180x175x125

7. Эксплуатация и техника безопасности

В животноводстве нагретая вода требуется для поения животных, приготовления кормов нужной консистенции и гигиенических целей.

Одним из основных требований, предъявляемым к водогрейным установкам, является соблюдение правил гигиены при минимальных затратах энергии на подогрев необходимого количества воды до требуемой температуры. Этому требованию наилучшим образом отвечают электроводонагреватели.

Перед тем как включить электроводонагреватель в работу, необходимо наполнить его резервуар водой до вытекания ее через трубопровод горячей воды. Следует иметь в виду, что включение электроводонагревателя под напряжение при отсутствии воды в резервуаре приводит к быстрому перегоранию нагревательных элементов (ТЭНов).

В трубопроводе холодной воды обязательно должны быть: вентиль-клапан, который пропускает воду из водопроводной магистрали в резервуар электроводонагревателя, но не выпускает ее обратно, а также тройник со спускным краном, служащий для освобождения резервуара электроводонагревателя от воды при его очистки и ремонте.

При монтаже электроводонагревателей, а также при их реконструкции не допускается сборка трубопровода холодной воды без обратного клапана. При отсутствии обратного клапана или при его неисправности возможно вытягивание горячей воды из резервуара электроводонагревателя в водопроводную магистраль с опасными при этом последствиями.

В электроводонагревателях надежность работы электронагревательных элементов (ТЭНов) в значительной степени определяется характеристикой воды, которая изменяется в широких пределах. Образование на ТЭНах накипи, обладающей низкой теплопроводностью, приводят к нарушению теплового баланса ТЭНа и перегоранию его нагревательного элемента. Скорость образования накипи в первую очередь зависит от жесткости воды, которая имеет соединения кальция и магния.В трубчатых электронагревателях толщина накипи не должна превышать 2 мм.Периодичность очистки ТЭНов от накипи в зависимости от жесткости воды и загрузки их в течение суток определяют по номограмме. Своевременная очистка ТЭНов от накипи предотвращает преждевременный выход их из строя.Основные меры защиты от поражения электрическим током состоят в занулении водонагревателей и парогенераторов, подключении их к водопроводной сети через изолирующие вставки, выравнивании потенциалов в помещениях.

Элементные водонагреватели должны быть запулены. Изолирующие вставки в трубопроводах холодной и горячей воды нужны во всех случаях, за исключением тех, когда водонагреватели снабжены аппаратами защитного отключения и если они установлены и снабжают горячей водой помещения с искусственным или естественным выравниваем потенциалов. В помещениях без устройств выравнивания потенциалов необходимо местное выравнивание потенциалов у водонагревателя и в местах разбора воды.

Элементные водонагреватели, обеспечивающие горячей водой душевые, должны иметь изолирующие вставки. Душевые кабины и места раздевания следует оборудовать устройствами выравнивания потенциалов в виде металлической сетки с ячейками размером не более 0,3 х 0,3 м², заложенной в бетон на глубину 20...,30 мм от поверхности пола и соединенной сваркой с трубопроводами холодной и горячей воды, и канализационными.

Литература

1. Файн В.Б., Курсовая работа по электротехнологии

2. Казимир А.П., Керпелева И.Е., Эксплуатация электротермических установок в сельскохозяйственном производстве. – М.: Россельхозиздат, 1984.

3. Методические указания “ Электроснабжение сельскохозяйственного населенного пункта”, Челябинск 2000 г.