Дипломная работа: Электрический расчет и автоматизация электротермической установки

ФГОУ ВПО

Костромская ГСХА

Кафедра электропривода и электротехнологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по электротехнологии

НА ТЕМУ:

“Электрический расчет и автоматизация электротермической установки.”

Выполнил: студент факультета

электрификации и автоматизации

736б группы Лузик А.С.

Проверил: Новожилов Ф.А.

Кострома 2009

Аннотация

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.

Введение

Электричествов настоящее время – основная энергетическая база животноводства, птицеводства, ремонтного производства, стационарных процессов растениеводства. Уровень электровооружённости труда определяет рост производительности труда в этих областях.

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.

1. Материалы, применяемые при изготовлении электрокалорифера и проточного электроводонагревателя

1.1 Конструкция нагревателей

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.

По исполнению различают открытые, защищенные и герметические нагреватели.

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.

Наиболее совершенными и универсальными являютсягерметические трубчатые электронагреватели (ТЭН). Их эффективно используют в электрокалориферах, водонагревателях, электрических печах, теплоаккумулирующих установках, электрокипятильниках, бытовых плитах и др. Промышленность выпускает ТЭН напряжением от 12 до 380 В, мощностью от 100 до 25000 Вт, развернутой длиной от 0.25 до 6.3 м и диаметром трубки от 6 до 16 мм.

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;

Таблица 2. Основные характеристики ТЭНов.

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 К_м для электронагревателей сопротивления (в спокойном воздухе).

Таблица 4. Коэффициент среды К_с для различных условий.

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 t_p =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

3.2Звезда

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

Рис. 7. Последовательный треугольник

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.

Данная схема предусматривает защиту от потери фазы в цепи электродвигателя при помощи токового реле КА , которое срабатывает при появлении тока в нулевом проводе. При его срабатывании оно своим нормальнозамкнутым контактом в цепи управления отключит катушку магнитного пускателя электродвигателя, отключив всю установку. А другим, нормальноразомкнутым контактом замкнёт цепь сигнальной лампы, сигнализирующая о неисправности. Кроме этого предусмотрена световая сигнализация подачи напряжения на щит управления HL1, работы секций нагрева HL2, HL3, HL4, и вентилятора HL5.

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.