Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Челябинская государственная агроинженерная академия»

Факультет ЭАСХП

Кафедра ПЭЭСХ

Элементный непроточный водонагреватель аккумуляционного типа для горячего технологического водоснабжения курсовая работа

Пояснительная записка

ПЭСХ.ЭТУ.00.000 ПЗ

Студент Яшин С.С.

Группа 304

Руководитель Файн В.Б.

доцент, к.т.н.

2015

Тема курсовой работы: «ЭЛЕМЕНТНЫЙ НЕПРОТОЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ АККУМУЛЯЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ»

Номер варианта: 7

Исходные данные:

Вид помещения – Телятник;

Количество голов - ;

Температура холодной воды - ;

Схема соединения ТЭНов – “звезда”;

Материал спирали – Х20Н80-Н;

Наружный диаметр трубки ТЭНа после опрессовки - ;

Плотность периклаза после опрессовки - 3150;

Снижение температуры воды в водонагревателе за первый час после его отключения от сети - ;

Коэффициент излучения покровного слоя – малый;

Материал тепловой изоляции – Шлаковая минеральная вата марки 200.

Задание выдал Файн В.Б.

Задание получил Яшин С.С.

Дата консультации	Замечание	Подпись руководителя

Содержание

Задание на выполнение курсовой работы 2

Введение 4

1 Определение требуемых параметров ЭТУ 5

2 Выбор стандартной ЭТУ 8

3 Разработка нестандартной ЭТУ 9

4 Разработка принципиальной электрической схемы управления ЭТУ 25

5 Выбор силовых проводов 26

6 Выбор аппаратуры управления и защиты 28

7 Эксплуатация и техника безопасности 29

Список используемой литературы 31

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 на 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 также важно для продления срока службы конструкций зданий, улучшения 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. При определении этих параметров необходимо учитывать график потребления нагретой воды и режим электроснабжения.

1.1 Определяем суточную норму расхода нагретой воды на каждую операцию, осуществляемую в данном помещении.

1. Мойка посуды для поения телят:

М₁=350·1,5=525 кг

1.2 Находим массу горячей воды для каждой операции по формуле:

, (1)

где Т_сi – температура воды, необходимая для выполнения той или иной операции;

Т₁=9 ⁰С – температура холодной воды;

Т₂=65 ⁰С – температура горячей воды.

1. Мойка доильных аппаратов:

кг

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

, (2)

где m – количество операций.

М_r=363 кг

1.4 Выбираем режим работы электроводонагревателя. В данной курсовой работе выбираем полностью аккумуляционный режим работы.

При аккумуляционном режиме электроводонагреватель включают в сеть в разрешенные энергосистемой часы (часы провала графика электрических нагрузок), а горячую воду разбирают из электроводонагревателя в течение суток по мере необходимости.

1.5 Полезный тепловой поток, Вт, водонагревателя:

, (3)

где с – удельная теплоемкость воды; с=4190 Дж/кг·⁰С;

М – масса воды, нагреваемой в водонагревателе, кг;

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

Выбран полностью аккумуляционный режим, значит М=М_r=363 кг.

t_н=8 ч.

Вт

1.6 Расчетная мощность электроводонагревателя

, (4)

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=1,2);

η_т – тепловой КПД водонагревателя; η_т=0,95.

Вт

1.7 Расчетная вместимость бака водонагревателя, л:

V=М, (5)

V=М=363 л

(плотность воды принята равной 1кг/л).

2 Выбор стандартной ЭТУ

По рассчитанным значениям Р_р и V выбираем два элементных аккумуляционных водонагревателей типа САОС

САОС-400

Мощность – 12 кВт;

Вместимость резервуара – 400 л;

Максимальная температура воды в конце нагрева – 90 ⁰С;

Время нагрева воды на 80 ⁰С – 3,3 ч.

3 Разработка нестандартной ЭТУ

3.1 Высоту Н, м и диаметр D, м, бака водонагревателя следует определить из соотношения:

, (6)

приняв Н=2,5D

4V=2,5ПD³

м

Н=2,5·0,57=1,425 м

Мощность разрабатываемого электроводонагревателя принимается равной значению Р_р=5402 Вт.

Количество групп ТЭНов принимается таким же, как и в ближайшем по мощности серийном водонагревателе САОС:

САОС-400 – одна группа ТЭНов, расположенных в нижней части бака.

Число ТЭНов в водонагревателе n принимается на основании следующих соображений:

а) мощность всех ТЭНов должна быть одинакова;

б) мощность одного ТЭНа

, (7)

Вт

в) число ТЭНов в каждой группе должно быть кратно трем.

Нижняя группа – Р_с1=3·1800,6=5402 Вт

3.2 Исходные данные для конструктивного расчета ТЭНа:

а) питающее напряжение U при схеме соединения ТЭНов ϒ равно 220В;

б) мощность ТЭНа – Р=1800 Вт;

в) материал спирали – Х20Н80-Н;

наружный диаметр трубки ТЭНа после опрессовки d_об.нар.=13 мм;

Цель конструктивного расчета – определить диаметр проволоки d, потребную длину проволоки для изготовления спирали ТЭНа l_потр, средний диаметр витка спирали d_с, расстояние между витками спирали h, активное число витков n_a, полную длину трубки ТЭНа L.

3.3 Порядок конструктивного расчета ТЭНа таков:

1. Диаметр, м, проволоки

, (8)

где р – удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре, Ом∙м. р=1,1∙10^-6;

Вт/м² – удельная поверхностная мощность спирали;

2. Электрическое сопротивление, Ом, спирали ТЭНа при рабочей температуре

, (9)

Ом

3. Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при температуре 20 ⁰С

, (10)

где К_т – поправочный коэффициент, учитывающий изменение электрического сопротивления материала в зависимости от температуры. Для определения К_т температуру спирали Т_с можно принять равной 500 ⁰С. К_т=1,074

Ом

4. Электрическое сопротивление, Ом, спирали до опрессовки ТЭНа

, (11)

где α_R – коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате опрессовки; α_R=1,3

R₀=25,04∙1,3=32,55 Ом

5. Длина проволоки в рабочей части ТЭНа, м

, (12)

м

6. Предусматривается навивка проволочной спирали на стержень диаметром

(13)

7. Средний диаметр витка спирали

d_c=d₁+d=3,87+0,43=4,3 мм (14)

7. Длина одного витка спирали до опрессовки, м

, (15)

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

7. Активное число витков

(16)

10. Длина активной части трубки ТЭНа после опрессовки, м

, (17)

где – удельная поверхностная мощность на трубке оболочки ТЭНа; Вт/м²

м

11. Длина активной части трубки оболочки ТЭНа до опрессовки

, (18)

где – коэффициент удлинения трубки в результате опрессовки методом обсадки.

м

12. Расстояние между витками спирали

, (19)

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

l_потр.=l+2∙20∙l_в, (20)

l_потр.=4,295+2∙20∙0,0144=4,87 м

14. Полная длина трубки ТЭНа

L=L_a+2L_п, (21)

где L_п=0,05м – длина пассивного конца трубки.

L=0,4+2∙0,05=0,5 м

На этом конструктивный расчет ТЭНа окончен.

3.4 Проверочный тепловой расчет ТЭНа.

Исходные данные:

Геометрические размеры ТЭНа:

d=0,00043 м;

l_потр.=4,87 м;

d_c=0,0043 м;

h=0,00117 м;

n_a=299;

L=0,5 м;

Материал трубки ТЭНа – сталь 10;

Толщина стенки трубки оболочки после опрессовки δ_ст=1∙10^-3 м;

Теплопроводность стали λ_ст=45 Вт/м∙⁰С;

Плотность периклаза после опрессовки ρ₁=3150 кг/м³

Цель проверочного расчета – определить температуру спирали Т_с и сравнить ее с максимально допустимой рабочей температурой материала спирали Т_доп.

3.5 Порядок проверочного расчета ТЭНа таков:

1. Мощность ТЭНа на первом этапе расчета Р₁=1800 Вт

2. Термическое сопротивление, ⁰С/Вт, трубки оболочки ТЭНа

, (22)

где d_об.вн – внутренний диаметр трубки оболочки ТЭНа, м

d_об.вн.=d_{об.нар .}– 2δ_ст (23)

d_об.вн=13∙10^-3 – 2∙1∙10^-3=11∙10^-3 м

⁰С/Вт

3. Термическое сопротивление, ⁰С/Вт, наполнителя (периклаза)

, (24)

где – теплопроводность периклаза, Вт/м⁰∙С;

d_с.нар – наружный диаметр спирали, м;

d_с.нар= d_с+d, (25)

d_с.нар=0,0043+0,00043=0,00473 мм

k_c – коэффициент, учитывающий различие условий теплообмена в реальной конструкции нагревателя и в эквивалентной составной трубе:

, (26)

Теплопроводность периклаза, Вт/м∙⁰С

, (27)

где П – пористость периклаза в готовом ТЭНе, %;

Т_п – средняя температура периклаза, ⁰С;

Пористость, %, периклаза в готовом ТЭНе:

, (28)

где – плотность периклаза после опрессовки, кг/м³;

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

Средняя температура периклаза

, (29)

Поскольку значение Т_с пока не определено, принимаем ориентировочно Т_с=500 ⁰С.

⁰С

Вт/м∙⁰С

⁰С/Вт

4. Температура ⁰С, спирали ТЭНа

Т_с=Т_пов.об.+Р₁(R_Т1+R_Т2), (30)

где Т_пов.об. – температура наружной поверхности оболочки ТЭНа;

Т_пов.об.=105 ⁰С.

Т_с=105+1800∙ (1,47∙10^-3+0,15)=377,65 ⁰С

5. Уточняющий расчет Т_с.

Удельное электрическое сопротивление материала проволоки при рабочей температуре

ρ=ρ₂₀∙k_t, (31)

k_t=1,062; ρ₂₀=1,1∙10^-6 Ом∙м

ρ=1,1∙10^-6∙1,062=1,17∙10^-6 Ом∙м

Электрическое сопротивление спирали ТЭНа при рабочей температуре

, (32)

Ом

Мощность ТЭНа при рабочей температуре

, (33)

Вт

Далее уточняются значения Т_п, λ_н, R_T2 и Т_с.

⁰С

Вт/м∙⁰С

⁰С/Вт

Т_с=105+1602∙(1,47∙10^-3+0,11)=283,57 ⁰С

1. Максимально допустимая рабочая температура материала спирали Т_доп=950 ⁰С

Т_с≤Т_доп, (34)

283,57 ⁰С<950 ⁰С

Условие выполняется, расчет окончен.

3.6 Расчет толщины тепловой изоляции δ проводится на основании двух условий:

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

б) по нормируемой температуре наружной поверхности водонагревателя.

3.7 Расчет носит приближенный характер, что обусловлено следующим:

а) температура горячей воды Т₂ принимается во всех точках внутри водонагревателя одинаковой;

б) при остывании водонагревателя после отключения его от сети учитывается только теплота, теряемая водой; теплота, теряемая конструкцией водонагревателя, не учитывается ввиду того, что масса и удельная теплоемкость материалов конструкции во много раз меньше соответствующих показателей для воды;

в) не учитываются вследствие своей малости: термическое сопротивление теплоотдаче от воды к корпусу водонагревателя; термическое сопротивление стенок корпуса; термическое сопротивление покровного слоя (кожуха), защищающего тепловую изоляцию от механических повреждений и проникновения влаги;

г) термическое сопротивление цилиндрического теплоизоляционного слоя определяется по формуле для плоской стенки, т.к. отношение наружного и внутреннего диаметров цилиндра в данном случае близко к единице;

д) значение коэффициента теплоотдачи принимается постоянным для всей наружной поверхности водонагревателя.