Исходные данные

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 t_H = -32 ^о С.

В соответствии с [4, прил.2] расчетная температура воздуха в помещении свинарника откормочника t_В =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 Q_vt , м³ /с.

1.1. Определение объемной подачи вентиляторной установки

При определении объемной подачи вентилятора электрокалориферной установки Q_vt 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 Q_v . 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 Q_V 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 Q_{CO 2} определяем по формуле [4, с.26]:

(1.3)

где V_CO2 – количество углекислого газа, выделяемого в помещении, м³ /ч;

С_Н =0,3 л/м³ [4, с.29] – концентрация углекислоты в наружном приточном воздухе;

С_В =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 С1_Ж =100 л/ч [4, прил.7] – норма выделения углекислоты одним животным

(для опоросов);

где С2_Ж =39 л/ч [4, прил.7] – норма выделения углекислоты одним животным

(для отъемышей);

n_Ж – количество животных, из исходных данных n1_Ж =52, n2_Ж =380

Подставив численные значения в формулу (1.3), получим численное значение расчетного воздухообмена по углекислому газу:

Воздухообмен при условии удаления из помещения избыточной влаги Q_W находим по формуле [4, с.26]:

(1.5)

где W – масса водяных паров, выделяющихся в помещении, г/ч;

d_В =15 г/кг – влагосодержание внутреннего воздуха найденное по H-d-диаграмме [4, прил.11] для температуры воздуха внутри помещения свинарника по исходным данным t_В =20°С и, определяемой по [4, прил.2], влажности воздуха f_В =75 %;

d_Н =0.5 г/кг – влагосодержание наружного приточного воздуха найденное по H-d-диаграмме [4, прил.11] для расчетной зимней температуры наружного воздуха t_Н =-32°С и влажности воздуха f_Н =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 W_Ж – влага, выделяемая животными, г/ч;

W_ИСП – 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;

k_t =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 W_ИСП принимаем равной 10%W_Ж [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 = t_B = 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 Q_v :

Подставив в формулу (1.2) значение Q_v ,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 P_p – расчётная мощность калориферов в помещении;

n – число вентиляционных установок в помещении.

Расчётная мощность калориферов в помещении [1]:

(1.10)

где к_з =1,05…1,10 [1] – коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение питающего напряжения и старение нагревателей, принимаем к_з =1,07;

Ф_п – полезный тепловой поток отопительных установок, Вт;

η_к =0,95…1,00 [1] – тепловой КПД, учитывающий потери от корпуса электрокалорифера и воздуховодов, принимаем η_к =0,96;

β– доля расчётной энергии, которая должна быть обеспечена от калорифера, %, принимаем β=100% [3].

Полезный тепловой поток отопительных установок Ф_п , Вт определяется из уравнения теплового баланса помещения [3]:

(1.11)

где Ф_о – тепловой поток через наружные ограждения помещения, Вт;

Ф_в – тепловой поток, теряемый с вентиляционным воздухом, Вт;

Ф_исп – тепловой поток, расходуемый на испарение влаги с мокрых поверхностей животноводческого помещения, Вт;

Ф_ж – тепловой поток, выделяемый животными, Вт.

Тепловой поток Ф_о определяем приближенно по выражению [3]:

(1.12)

где q_от =0,407 Вт/м³ *^о С[4,с.124]–удельная отопительная характеристика помещения;

V – объем помещения, м³ , из исходных данных =4212 м³ ;

t_в –температура внутреннего воздуха помещения, из исходных данных t_в =20 ^о С;

t_н –расчетная зимняя температура наружного воздуха,из исходных данныхt_н =-32 ^о С;

а – поправочный коэффициент, учитывающий влияние разности температур на значение q_от [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 Q_v – объемный расход вентиляционного воздуха из пункта 1.1 Q_v =9100 м³ /ч ;

ρ_в – плотность воздуха при температуре из пункта 1.1

ρ_в =1,181 кг/м³ ;

с_р =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;

k_t =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 Р_Р , 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 Q_vt = м³ /ч, для этого сравним значение Q_vt с номинальной объёмной подачей воздуха Q_{v н} , которая для электрокалорифера СФОЦ – 40 равна 3500 м³ /ч [3]. Так как Q_{v н} <Q_vt , 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 Р_Н = 43200 Вт – номинальная мощность калорифера;

Q_{v н} – номинальный объемный расход воздуха через калорифер, м³ /с,

Q_{v 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 t_пов . Предельно допустимая температура поверхности ТЭНа в электрокалориферах типа СФО t_{пов.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 t_пов 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;

R_T – термическое сопротивление теплоотдаче от поверхности ТЭНа к омывающему его воздуху, ^О С/Вт, которое находится по формуле [3]:

(2.5)

где α – коэффициент теплоотдачи от поверхности ТЭНа к воздуху, Вт/(м² *^О С);

А_р – площадь поверхности оребрения ТЭНа, м² , согласно [3, табл.1] принимаем А_р = 0,32 м² .

Коэффициент теплоотдачи α для оребрённых ТЭНов при их шахматном расположении и поперечном обдувании воздухом определяем по формуле[3]:

(2.6)

где λ_в – теплопроводность воздуха, в соответствии с t_вых = 5.63 ^О С и [3, табл.2] принимаем λ_в = 0,0248 Вт/м*^О С;

Р_ч – число Прандтля, в соответствии с t_вых = 5.63 ^О С и [3, табл.2] принимаем

Р_ч = 0,706;

ν – коэффициент кинематической вязкости воздуха, в соответствии с t_вых =5.63 ^О С и [3, табл.2] принимаем ν = 0,0000134 м² /с;

s_p = 0,0035 м [3, табл.1] – шаг оребрения ТЭНа;

d_тр = 0,015 м [3, табл.1] – наружный диаметр несущей трубы ТЭНа;

h_р = 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 А_Ж – площадь живого сечения электрокалорифера, м² , если пренебречь оребрением, то А_Ж определяется по формуле [3]:

(2.8)

где l – высота окна калорифера, м, из [3, табл.3] l = 0,31 м;

L_a =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 А_Ж , 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 R_T , фактическая температура поверхности ТЭНа будет равна:

Как видно условие (2.3) выполняется т.к. t_пов ≤ 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 Q_vt = 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 Q_vt . Вентилятор выбираем центробежного типа из серии Ц4-70 по методике изложенной в [4].

Подачу вентиляторов Q_в (м³ /ч) принимаем по значению расчетного воздухообмена Q_vt с учетом подсосов воздуха в воздуховодах [4, с.35]:

(3.1)

где k_п – поправочный коэффициент на подсосы воздуха в воздуховодах, принимаем

k_п = 1,1 [4, с.35];

t – температура воздуха, проходящего через вентилятор, т. е. t = t_н = -32 ^О С;

t_в = 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 Q_vt – расчетный воздухообмен, м³ /с, Q_vt = 3640 / 3600 = 1,011 м³ /с;

р – необходимое давление вентилятора, из исходных данных р = 370 Па;

η_в =0,8 – КПД вентилятора;

η_пер – КПД передачи, принимаем η_пер = 0,95 для клиноременной передачи [3];

k_з – коэффициент запаса, принимаем k_з = 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 Р_н 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 I_н , А: Iн =Pн/U,Iн=2738,3/220=12.4 А

(3.4)

где t_д – действительная температура нагревателя, принимаем по литературе [3] t_д =180+50=230 ^О С;

К_м – коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение охлаждения, по литературе [7] принимаем К_м = 1.5;

К_с – коэффициент среды, учитывающий улучшение охлаждения, по литературе [7] принимаем К_с = 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 R_н , Ом [3]:

(3.5)

где U_н = 220 В – номинальное напряжение нагревателя.

Сопротивление нагревателя до опрессовки R_он , 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 ρ_д – удельное сопротивление нихромовой проволоки при действительной температуре t_д = 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 ρ_д , длина проволоки до опрессовки будет равна:

Диаметр спирали (d_c , мм) равен [3]:

(3.9)

Шаг спирали (h, мм) равен [3]:

(3.10)

Число витков (n) равно [3]:

(3.11)

Внутренний диаметр трубки ТЭНа (d_в , мм) равен [3]:

(3.12)

Длина активной части трубки ТЭНа (L_a , м) после опрессовки равняется длине спирали (L_сп , м) равна [3]:

(3.13)

а до опрессовки (L_oa , 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 L_n – длина пассивной части трубки ТЭНа, по литературе [3] принимаем L_n =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 (I_к , А) определяется по формуле [3]:

(4.1)

где – мощность калорифера, кВт;

U_H = 380 В – номинальное напряжение на зажимах калорифера.

Для линии электродвигателя величина расчетного тока (I_д , А) определяется по формуле [3]:

(4.2)

где – мощность электродвигателя, кВт;

U_H = 380 В – номинальное напряжение на зажимах электродвигателя;

сosφ – коэффициент мощности электродвигателя, из пункта 3.1. сosφ= 0.81;

К_зд – 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 К_зм . Для вентиляторов по литературе [3] принимаем К_зм = 1.

С учётом этого коэффициент загрузки электродвигателя определяем по формуле [3]:

(4.3)

где Р_расч – необходимая мощность на валу электродвигателя для привода вентилятора, из пункта 3.1. Р_расч = Р_дв = 738,3 Вт;

Р_ном –номинальная мощность выбранного электродвигателя из пункта 3.1 Р_ном =1100Вт.

Подставив в формулу (4.2) значение К_зд , 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 I_доп – длительно допустимый ток нагрева для данного способа прокладки, числа жил и сечения провода, А;

I_расч – расчетный ток для участка сети, который принимаем равным в зависимости от участка сети I_к , I_д , I_м .

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.