Объектом расчёта является электрокалориферная установка в помещении свинарника для опоросов на 52 места и поросят отъемышей на 380 мест. Геометрические размеры помещения:
· длина a=78 м;
· ширина b=18 м;
· высота c=3 м.
Тем самым объем помещения V= 4212 м3
.
В ходе выполнения курсового проекта пользуемся методикой изложенной в [3].
В соответствии с заданием давление p=370 Па, расчетная зимняя температура наружного воздуха tH
= -32 о
С.
В соответствии с [4, прил.2] расчетная температура воздуха в помещении свинарника откормочника tВ
=20 о
С.
1. Определение требуемых параметров
электрокалориферной установки
Основными параметрами электрокалориферной установки, которые необходимо знать для ее выбора или проектирования, является расчётная мощность электрокалорифера P, Вт, и объемная подача вентиляторной установки Qvt
, м3
/с.
1.1. Определение объемной подачи вентиляторной установки
При определении объемной подачи вентилятора электрокалориферной установки Qvt
учитываем, что в животноводческом помещении обычно имеется просачивание (инфильтрация) воздуха через неплотности наружных ограждений (притворы окон, дверей, ворот). Общее количество инфильтрующегося воздуха ориентировочно принимаем равным 20% от объёмного расхода вентиляционного воздуха Qv
. Тогда объемный расход воздуха, который должен обеспечиваться приточными вентиляторами, можно оценить как [3]:
, (1.1)
С учетом этого требуемая объемная подача вентилятора одной калориферной установки равна [3]:
(1.2)
где n – число вентиляционных установок в помещении.
Значение QV
определим из расчета воздухообмена в помещении. Расчет проводим по методике, изложенной в литературе [4] по условиям удаления избытков влаги и углекислого газа.
Необходимый воздухообмен при повышенной концентрации углекислого газа в помещении QCO
2
определяем по формуле [4, с.26]:
(1.3)
где VCO2
– количество углекислого газа, выделяемого в помещении, м3
/ч;
СН
=0,3 л/м3
[4, с.29] – концентрация углекислоты в наружном приточном воздухе;
СВ
=2,5 л/м3
[4,с.28] – допустимая концентрация углекислого газа в воздухе помещения.
Количество углекислого газа, выделяемого в помещении по формуле [4, с.29]:
(1.4)
где С1Ж
=100 л/ч [4, прил.7] – норма выделения углекислоты одним животным
(для опоросов);
где С2Ж
=39 л/ч [4, прил.7] – норма выделения углекислоты одним животным
(для отъемышей);
nЖ
– количество животных, из исходных данных n1Ж
=52, n2Ж
=380
Подставив численные значения в формулу (1.3), получим численное значение расчетного воздухообмена по углекислому газу:
Воздухообмен при условии удаления из помещения избыточной влаги QW
находим по формуле [4, с.26]:
(1.5)
где W – масса водяных паров, выделяющихся в помещении, г/ч;
dВ
=15 г/кг – влагосодержание внутреннего воздуха найденное по H-d-диаграмме [4, прил.11] для температуры воздуха внутри помещения свинарника по исходным данным tВ
=20°С и, определяемой по [4, прил.2], влажности воздуха fВ
=75 %;
dН
=0.5 г/кг – влагосодержание наружного приточного воздуха найденное по H-d-диаграмме [4, прил.11] для расчетной зимней температуры наружного воздуха tН
=-32°С и влажности воздуха fН
=80 % [3];
r – плотность воздуха при температуре помещения, кг/м3
.
Суммарные влаговыделения в помещении для животных рассчитываем по формуле [4, с.148]:
(1.6)
где WЖ
– влага, выделяемая животными, г/ч;
WИСП
– влага, испаряющаяся с поилок, кормушек, пола и других мокрых поверхностей, г/ч.
Влагу, выделяемую животными, определяем по формуле [4,с.148]:
(1.7)
где n1=52, n2=380 – количество животных;
W1=320 г/ч , W2=124 г/ч [4, прил.7] – норма выделения водяных паров одним животным;
kt
=1,5 [4, прил.8] – коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемых животным водяных паров в зависимости от температуры воздуха внутри помещения;
Подставив в формулу (1.7) значения величин, масса выделяемой влаги будет равна:
Массу влаги WИСП
принимаем равной 10%WЖ
[4, с.148]:
Для барометрического давления Р=99,3 кПа, являющегося среднегодовым в Центральном районе России плотность сухого воздуха в зависимости от температуры определяют по формуле [4, с.26]:
(1.8)
где t = tB
= 20°C – температура внутреннего воздуха;
Подставив в формулу (1.6) значения величин, станет известно значение воздухообмена по избыточной влажности:
Так как значение воздухообмена по углекислоте больше значения воздухообмена по избыточной влаге, то воздухообмен по углекислоте принимаем за расчетный воздухообмен Qv
:
Подставив в формулу (1.2) значение Qv
,объемная подача вентилятора одной калориферной установки для двух калориферов в помещении будет равна:
1.2. Определение расчетной мощности электрокалорифера
Расчётная мощность одного калорифера [3]:
(1.9)
где Pp
– расчётная мощность калориферов в помещении;
n – число вентиляционных установок в помещении.
Расчётная мощность калориферов в помещении [1]:
(1.10)
где кз
=1,05…1,10 [1] – коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение питающего напряжения и старение нагревателей, принимаем кз
=1,07;
Фп
– полезный тепловой поток отопительных установок, Вт;
ηк
=0,95…1,00 [1] – тепловой КПД, учитывающий потери от корпуса электрокалорифера и воздуховодов, принимаем ηк
=0,96;
β– доля расчётной энергии, которая должна быть обеспечена от калорифера, %, принимаем β=100% [3].
Полезный тепловой поток отопительных установок Фп
, Вт определяется из уравнения теплового баланса помещения [3]:
(1.11)
где Фо
– тепловой поток через наружные ограждения помещения, Вт;
Фв
– тепловой поток, теряемый с вентиляционным воздухом, Вт;
Фисп
– тепловой поток, расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей животноводческого помещения, Вт;
Фж
– тепловой поток, выделяемый животными, Вт.
Тепловой поток Фо
определяем приближенно по выражению [3]:
(1.12)
где qот
=0,407 Вт/м3
*о
С[4,с.124]–удельная отопительная характеристика помещения;
V – объем помещения, м3
, из исходных данных =4212 м3
;
tв
–температура внутреннего воздуха помещения, из исходных данных tв
=20 о
С;
tн
–расчетная зимняя температура наружного воздуха,из исходных данныхtн
=-32 о
С;
а – поправочный коэффициент, учитывающий влияние разности температур на значение qот
[3]:
(1.13)
Подставив численные значения в (1.13) получим значение поправочного коэффициента:
Подставив в формулу (1.12) значения величин, найдем тепловой поток через наружные ограждения:
Тепловой поток, теряемый с вентиляционным воздухом [4, с.149]:
(1.14)
где Qv
– объемный расход вентиляционного воздуха из пункта 1.1 Qv
=9100 м3
/ч ;
ρв
– плотность воздуха при температуре из пункта 1.1
ρв
=1,181 кг/м3
;
ср
=1 кДж/кг*о
С [3] – удельная изобарная теплоемкость воздуха.
Поток теплоты, расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей животноводческого помещения, находим по формуле[4, с.149]:
(1.15)
где 2,49 – скрытая теплота испарения воды, кДж/г;
Wисп – масса испаряемой влаги из пункта 1.1. Wисп = 9564 г/ч.
Поток свободной теплоты, выделяемой животными, находим по формуле [4, с .149]:
(1.16)
где n1=52 , n2=380 – количество животных;
q –поток свободной теплоты выделяемой одним животным, из [3, прил.7]
q1=558, q1=215 Вт;
kt
=1,5 [3, прил.8] – коэффициент, учитывающий изменение количества выделяемых животным водяных паров в зависимости от температуры воздуха внутри помещения;
Подставив в формулу (1.11) значения величин, значение полезного теплового потока отопительных установок будет равно:
Подставив в формулу (1.10) значения величин, расчётная мощность калориферов в помещении будет равна:
Подставив в формулу (1.9) значение РР
, расчётная мощность одного калорифера для двух калориферов в помещении будет равна
2. Выбор стандартной калориферной установки
По рассчитанному значению Р = Вт выбираем электрокалориферную установку типа ЭКОЦ – 40 мощностью 43.2 кВт. Для установки в помещение принимаем две электрокалориферных установки ЭКОЦ – 40, тем самым соблюдая условия надежности.
Выполним проверку данной электрокалориферной установки на способность обеспечить требуемый расход воздуха Qvt
= м3
/ч, для этого сравним значение Qvt
с номинальной объёмной подачей воздуха Qv
н
, которая для электрокалорифера СФОЦ – 40 равна 3500 м3
/ч [3]. Так как Qv
н
<Qvt
, то к выбранной установке параллельно подключаем дополнительный вентилятор.
Выполним проверку данной электрокалориферной установки по температуре выходящего воздуха. Фактическая температура воздуха, выходящего из электрокалорифера, определяется по формуле [3]:
(2,1)
где РН
= 43200 Вт – номинальная мощность калорифера;
Qv
н
– номинальный объемный расход воздуха через калорифер, м3
/с,
Qv
н
=3500/3640 = 0,972 м3
/с.
Предельно допустимая температура на выходе из установок типа ЭКОЦ составляет 50 О
С. Таким образом, должно соблюдаться условие [3]:
(2.2)
Подставив в формулу (2.1) значения величин, температура выходящего воздуха будет равна:
Выполним проверку данной электрокалориферной установки по температуре поверхности оребрения ТЭНов tпов
. Предельно допустимая температура поверхности ТЭНа в электрокалориферах типа СФО tпов.пред.
= 180 О
С, что связано с необходимостью исключить отрицательное воздействие на животных газообразных продуктов горения мельчайших органических частиц, находящихся в воздухе сельскохозяйственных помещений. Таким образом должно соблюдаться условие [3]:
(2.3)
Значение tпов
определяем для ТЭНа из последнего (по ходу движения воздуха) ряда нагревателей, т.к. в этом ряду ТЭНы омываются наиболее нагретым воздухом и, следовательно, имеют наибольшую температуру поверхности. Фактическая температура поверхности ТЭНа, находящегося в последнем ряду, определяется по формуле [3]:
(2.4)
где Р1
= 1600 Вт [1] – мощность одного ТЭНа;
RT
– термическое сопротивление теплоотдаче от пове
С/Вт, которое находится по формуле [3]:
(2.5)
где α – коэффициент теплоотдачи от поверхности ТЭНа к воздуху, Вт/(м2
*О
С);
Ар
– площадь поверхности оребрения ТЭНа, м2
, согласно [3, табл.1] принимаем Ар
= 0,32 м2
.
Коэффициент теплоотдачи α для оребрённых ТЭНов при их шахматном расположении и поперечном обдувании воздухом определяем по формуле[3]:
(2.6)
где λв
– теплопроводность воздуха, в соответствии с tвых
= 5.63 О
С и [3, табл.2] принимаем λв
= 0,0248 Вт/м*О
С;
Рч
– число Прандтля, в соответствии с tвых
= 5.63 О
С и [3, табл.2] принимаем
Рч
= 0,706;
ν – коэффициент кинематической вязкости воздуха, в соответствии с tвых
=5.63 О
С и [3, табл.2] принимаем ν = 0,0000134 м2
/с;
sp
= 0,0035 м [3, табл.1] – шаг оребрения ТЭНа;
dтр
= 0,015 м [3, табл.1] – наружный диаметр несущей трубы ТЭНа;
hр
= 0,014 м [3, табл.1] – высота ребра ТЭНа.
V – скорость потока воздуха в электрокалорифере, м/с, которую определяем по формуле [3]:
(2.7)
где АЖ
– площадь живого сечения электрокалорифера, м2
, если пренебречь оребрением, то АЖ
определяется по формуле [3]:
(2.8)
где l – высота окна калорифера, м, из [3, табл.3] l = 0,31 м;
La
=0,48 м – длина активной части ТЭНа;
n1
– число ТЭНов в одном вертикальном ряду (одной секции), которое определяется по формуле [3]:
(2.9)
где n2
– число вертикальных рядов ТЭНов в электрокалорифере, в соответствии с [3] принимаем n2
= 3.
Подставив в формулу (2.8) значение n1
, площадь живого сечения электрокалорифера будет равна:
Подставив в формулу (2.7) значение АЖ
, скорость потока воздуха в электрокалорифере будет равна:
Подставив в формулу (2.6) значение V, коэффициент теплоотдачи будет равен:
Подставив в формулу (2.5) значение α, термическое сопротивление теплоотдачи будет равно:
Подставив в формулу (2.4) значение RT
, фактическая температура поверхности ТЭНа будет равна:
Как видно условие (2.3) выполняется т.к. tпов
≤ 180 О
С, следовательно принимаем к установке электрокалориферную установку типа ЭКОЦ – 40.
3. Разработка нестандартной электрокалориферной установки
В этом разделе разработаем электрокалориферную установку. Которая обеспечивала бы конкретные значения расчетной мощности Р=41074,5 Вт и объёмной подачи воздуха Qvt
= 3640 м3
/ч, определенные ранее в разделе 1.
Основными технологическими частями электрокалориферной установки является вентилятор с электродвигателем и электрокалорифер.
3.1. Выбор вентилятора
Вентилятор подбирают по требуемым значениям давления p=370 Па из исходных данных и объёмной подачи воздуха Qvt
. Вентилятор выбираем центробежного типа из серии Ц4-70 по методике изложенной в [4].
Подачу вентиляторов Qв
(м3
/ч) принимаем по значению расчетного воздухообмена Qvt
с учетом подсосов воздуха в воздуховодах [4, с.35]:
(3.1)
где kп
– поправочный коэффициент на подсосы воздуха в воздуховодах, принимаем
kп
= 1,1 [4, с.35];
t – температура воздуха, проходящего через вентилятор, т. е. t = tн
= -32 О
С;
tв
= 20 О
С – температура воздуха в рабочей зоне помещения.
Выбор вентилятора производим по номограмме для подбора центробежных вентиляторов серии Ц4-70 [4, с.39]. в результате выбираем вентилятор Ц4-70 №5, частота вращения которого n = 1300 об/мин, КПД η=0,8.
Для привода вентилятора используем асинхронный электродвигатель серии 4А. Необходимая мощность на валу электродвигателя определяется по формуле [3]:
(3.2)
где Qvt
– расчетный воздухообмен, м3
/с, Qvt
= 3640 / 3600 = 1,011 м3
/с;
р – необходимое давление вентилятора, из исходных данных р = 370 Па;
ηв
=0,8 – КПД вентилятора;
ηпер
– КПД передачи, принимаем ηпер
= 0,95 для клиноременной передачи [3];
kз
– коэффициент запаса, принимаем kз
= 1,5 [3].
Из [6] выбираем электродвигатель 4А80А4У3 с мощностью на валу 1,1 кВт, частотой вращения 1500 об/мин, с cosφ= 0.81. Расхождение в частоте вращения учитывают соответствующими диаметрами шкивов клиноременной передачи между электродвигателем и вентилятором.
3.2. Расчет конструктивных параметров нагревательного устройства
Мощность одного ТЭНа Рн
определяется, исходя из мощности одного калорифера
Р = 41074 Вт, определенной ранее в разделе 1, и числа ТЭНов в одном калорифере [3]:
(3.3)
где z – число ТЭНов, принимаем z = 15 [1].
Рабочий ток нагревательного элемента с учетом схемы включения Iн
, А: Iн =Pн/U,Iн=2738,3/220=12.4 А
(3.4)
где tд
– действительная температура нагревателя, принимаем по литературе [3] tд
=180+50=230 О
С;
Км
– коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение охлаждения, по литературе [7] принимаем Км
= 1.5;
Кс
– коэффициент среды, учитывающий улучшение охлаждения, по литературе [7] принимаем Кс
= 0.8 .
По рабочему току и расчетному значению температуры по литературе [7] определяем диаметр (d) и сечение (S) нагревателя:
d = 1,8 мм;
S =2,54 мм2
.
Рабочее сопротивление нагревателя – запрессованной нихромовой проволоки Rн
, Ом [3]:
(3.5)
где Uн
= 220 В – номинальное напряжение нагревателя.
Сопротивление нагревателя до опрессовки Rон
, Ом [3]:
(3.6)
где α1
– коэффициент изменения сопротивления в результате опрессовки, по литературе [3] принимаем α1
= 1,3.
Длина проволоки до опрессовки l, м [3]:
(3.7)
где ρд
– удельное сопротивление нихромовой проволоки при действительной температуре tд
= 230 О
С, которое определяем по формуле [3]:
(3.8)
где ρ20
– удельное сопротивление материала при температуре 20 О
С, для нихрома по литературе [7] ρ20
= 1,17 Ом*м;
α – температурный коэффициент изменения сопротивления, для нихрома по литературе [7] α = 35*10-6
.
Подставив в формулу (3.7) значение ρд
, длина проволоки до опрессовки будет равна:
Диаметр спирали (dc
, мм) равен [3]:
(3.9)
Шаг спирали (h, мм) равен [3]:
(3.10)
Число витков (n) равно [3]:
(3.11)
Внутренний диаметр трубки ТЭНа (dв
, мм) равен [3]:
(3.12)
Длина активной части трубки ТЭНа (La
, м) после опрессовки равняется длине спирали (Lсп
, м) равна [3]:
(3.13)
а до опрессовки (Loa
, м) равна [3]:
(3.14)
где γ1
– коэффициент, учитывающий изменение длины трубки при опрессовке, из литературы [3] γ1
= 1,15.
Полная длина ТЭНа L, м равна [3]:
(3.15)
где Ln
– длина пассивной части трубки ТЭНа, по литературе [3] принимаем Ln
=0,05 м.
Потребное количество проволоки для одного ТЭНа с учётом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 15 – 20 витков на стержень [3]:
(3.16)
Удельная мощность W, Вт/см2
поверхности активной части трубки ТЭНа определим по формуле [3]:
(3.17)
Удельная мощность по литературе [3] для трубки, выполненной из стали Ст.10, при использовании в качестве наполнителя кварцевого песка или периклаза должна составлять 3 – 5 Вт/см2
при работе ТЭНов в калориферах. Как видно это условие соблюдается, следовательно делаем вывод о том, что расчёты выполнены верно и ТЭН с данной конфигурацией применим в калориферах.
4. Расчет силовой сети, выбор аппаратуры управления и защиты
Расчет силовой сети электрокалориферной установки и линии её подключения, а также выбор аппаратуры управления и защиты производится по расчётным токам.
Для линии электрокалорифера величина расчётного тока (Iк
, А) определяется по формуле [3]:
(4.1)
где – мощность калорифера, кВт;
UH
= 380 В – номинальное напряжение на зажимах калорифера.
Для линии электродвигателя величина расчетного тока (Iд
, А) определяется по формуле [3]:
(4.2)
где – мощность электродвигателя, кВт;
UH
= 380 В – номинальное напряжение на зажимах электродвигателя;
сosφ – коэффициент мощности электродвигателя, из пункта 3.1. сosφ= 0.81;
Кзд
– коэффициент загрузки электродвигателя.
Коэффициент загрузки электродвигателя учитывает несоответствие между значением расчетной мощности и установленной (номинальной) мощностью электродвигателя, характер нагрузки рабочей машины, учитываемый коэффициентом загрузки рабочей машины Кзм
. Для вентиляторов по литературе [3] принимаем Кзм
= 1.
С учётом этого коэффициент загрузки электродвигателя определяем по формуле [3]:
(4.3)
где Ррасч
– необходимая мощность на валу электродвигателя для привода вентилятора, из пункта 3.1. Ррасч
= Рдв
= 738,3 Вт;
Рном
–номинальная мощность выбранного электродвигателя из пункта 3.1 Рном
=1100Вт.
Подставив в формулу (4.2) значение Кзд
, расчетный ток для линии электродвигателя будет равен:
Расчетный ток магистрали, питающей электрокалориферную установку, определяется суммой расчетных токов калорифера и двигателя [3]:
Сечение проводов и кабелей линий электрокалорифера и вентилятора, а также линии подключения определим по условиям нагревания [1, с.29]:
(4.4)
где Iдоп
– длительно допустимый ток нагрева для данного способа прокладки, числа жил и сечения провода, А;
Iрасч
– расчетный ток для участка сети, который принимаем равным в зависимости от участка сети Iк
, Iд
, Iм
.
По литературе [1, табл. П.1.19] определяем сечение жил кабеля АВВГ для каждого участка. Выбор этого типа кабеля обусловлен тем, что помещение свинарника особо сырое с химически активной средой, а этот тип кабеля допускается к прокладке в таких помещениях. Кабель принимаем четырехжильный.
Сечение жилы кабеля:
· на магистральном участке: S = 2,5 мм2
, ;
· на участке калорифера: S = 2,5мм2
, ;
· на участке электродвигателя : S = 2,5 мм2
, ;
Как видно условие (4.4) соблюдается для всех участков сети.
Для защиты сети от перегрузок используем автоматический выключатель Е203/80r с номинальным током 80А.