2. Методические указания по расчету и выбору основного эо, элементов управления и защиты типовых электропотребителей электроэнергии.

Согласно тематике курсового проектирования предлагается расчет следующих потребителей электроэнергии:

1. Печь сопротивления косвенного нагрева.

2. Водонагреватель проточный.

3. Электропаронагреватель.

4. Механизм подъема мостового крана.

5. Пассажирский подъемник (лифт).

6. Ленточный конвейер.

7. Насосная установка.

8. Компрессорная установка.

9. Вентиляторная установка.

10. Калориферная установка.

1. Электрический расчет печи сопротивления косвенного нагрева.

Электрический расчет печи сводится к определению электрической мощности, потребляемой из сети, необходимой для нагрева определенного количества материала за заданное время до определенной температуры t_зад.

Зная электрическую мощность печи, напряжение питающей сети, можно рассчитать нагревательный элемент, т.е. его сечение и длину.

Порядок расчета:

а) Определяем полезное количество теплоты, необходимое для повышения температуры нагреваемого материала до заданной величины без учета тепловых потерь.

Q_пол = с∙ т(t_к – t_н), кдж.

где с – удельная теплоемкость материала, (кДж/кг∙⁰С);

т – масса нагреваемого материала, кг;

t_к , t_н - конечная и начальная литература, ⁰С.

б) Определяем общее количество теплоты, необходимой для нагрева изделия до конечной температуры с учетом излучения теплоты в окружающую среду:

где η – КПД нагревательной установки.

в) Электрическая мощность Р_эл определяется по формуле:

где к – коэффициент запаса (1,1 – 1,3), учитывающий уменьшение напряжения сети, старение НЭ, увеличение теплоемкости нагреваемого материала при повышении температуры.

τ – время нагрева, час.

В таблицах 1.1 и 1.2 приведены значения «С» для различных материалов и значение η – КПД для различных устройств нагрева.

Таблица 1.1.

№ п/п	Материал	С, кдж/кг 0С
1 2 3 4 5 6 7 8 9	Алюминий Латунь Медь Сталь Никель Цинк Вода Олово Свинец	0,91 0,38 0,39 0,5 0,45 0,4 4,2 0,23 0,13

Таблица 1.2.

№ п/п	Материал	С, кдж/кг 0С
1 2 3 4 5 6 7	Электрические печи сопротивления (для термообработки Кастрюли, чайники Аккумулирующие водонагреватели Электрические котлы Электрический нагрев форм для прессования Электрические плитки закрытого типа Электрические плитки открытого типа	0,6 – 0,85 0,65 – 0,8 0,85 – 0,95 0,9 0,5 – 0,7 0,6 – 0,8 0,56

Порядок расчета нагревательных элементов.

При мощности нагревательных элементов 5 – 10 кВт они выполняются однофазными, при больших мощностях – трехфазными.

Материал для нагревательных элементов (НЭ) выбирают из условия конечной температуры нагрева по таблице 1.3.

Расчет НЭ начинают с выбора допустимой удельной поверхностной мощности, т.е. мощности выделяемой с единицы внешней поверхности НЭ, вт/м² .

Удельная поверхностная мощность β зависит от температуры нагреваемого материала, а также от конструктивного выполнения НЭ. Для температуры боле 800 – 900⁰С допустимая β равна β_доп=β_эфф α, где β_эфф – поверхностная мощность НЭ в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды (принимается по табл. 1.4.), α – коэффициент эффективности излучения (выбирается по табл.1.5.)

Таблица 1.3.

Марка сплава	tmax, 0С	Удельное сопротивл t=200C, ρ, 1∙10-6ом∙м	Лента холоднокатанная		Проволока d, мм
			толщина, мм	ширина, мм	холодно катанная	горячекатанная
Х23Ю5 Х23Ю5Т Х27Ю5Т Х15Ю5 ХН70 70 Х15Н60 Х15Н60 – Н Х20Н80 – Н	1200 1400 1350 1000 1200 950 1125 1200	1,3 – 1,4 1,34 – 1,45 1,37 – 1,47 1,24 – 1,34 1,25 – 1,35 1,06 – 1,17 1,04 – 1,17 1,04 – 1,15	0,2 – 3,2	6 – 80	0,3 – 7,5 0,3 – 7,5 0.5 – 5,5 0,2 – 7,5 1,0 – 7,0 0,3 – 7,0 0,1 – 7,5 0,1 – 7,5	6 – 12
			0,1 – 3,2	6 – 250		6 – 12

Таблица 1.4.

Т-ра тепловоспринимающей поверхности, 0С	βэфф ∙ 104 вт/см2 при температуре нагревателя, 0С
	800	850	900	950	1000	1050	1100	1150	1200	1250	1300	1350
100	6,1	7,3	8,7	10,3	12,5	14,15	16,4	19	21,8	24,9	28,4	36,3
200	5,9	7,15	8,55	10,15	12	14	16,25	18,85	21,65	24,75	28,2	36,1
300	5,65	6,85	8,3	9,9	11,7	13,75	16	18,6	21,35	24,5	27,9	35,8
400	5,2	6,45	7,85	9,45	11,25	13,3	15,55	18,1	20,9	24	27,45	35,4
500	4,5	5,7	7,15	8,8	10,55	12,6	14,85	17,4	20,2	23,3	26,8	34,6
600	3,5	4,7	6,1	7,7	9,5	11,5	13,8	16,4	19,3	22,3	25,7	33,7
700	2	3,2	4,6	6,25	8,05	10	12,4	14,9	17,7	20,8	24,3	32,2
800	-	1,25	2,65	4,2	6,05	8,1	10,4	12,9	15,7	18,8	22,3	30,2
850	-	-	1,4	3	4,8	6,85	9,1	11,7	14,5	17,6	21	29
900	-	-	-	1,55	3,4	5,45	7,75	10,3	13	16,2	19,6	27,6
950	-	-	-	-	1,8	3,85	6,15	8,65	11,5	14,5	18,1	26
1000	-	-	-	-	-	2,05	4,3	6,85	9,7	12,75	16,25	24,2
1050	-	-	-	-	-	-	2,3	4,8	7,65	10,75	14,25	22,2
1100	-	-	-	-	-	-	-	2,55	5,35	8,5	12	19,8
1150	-	-	-	-	-	-	-	-	2,85	5,95	9,4	17,55
1200	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3,15	-	14,55
1300	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	7,95

Таблица 1.5.

Размещение нагревателей	Коэфф. α
Проволочные спирали, полузакрытые в пазах футеровки. Проволочные спирали на полочках в трубках. Проволочные зигзагообразные (стержневые) нагреватели. Ленточные зигзагообразные нагреватели. Ленточные профилированные (ободовые) нагреватели.	0,16 – 0,24 0,3 – 0,36 0,6 – 0,72 0,38 – 0,44 0,56 – 0,7

Для конечной температуры менее 200 – 300⁰С допустимую β_доп можно принимать равной (4 – 6)10⁴ вт/м². После выбора материала нагревателя и β_доп расчет НЭ сводится к определению их размеров.

Диаметр НЭ круглого сечения, м находится по формулам:

где Р – мощность НЭ, вт,

U – напряжение на НЭ, в;

ρ_t = ρ₂₀ ∙к

к – поправочный коэффициент, который можно принимать для жаростойких сплавов в интервале температур от 20 до 1400 ⁰С равным 1,01 – 1,10.

Длина НЭ круглого сечения:

Если НЭ выполнен ленточным, где а и в толщина и ширина ленты, а т=в/а=(5 – 15).

Сопротивление НЭ одной фазы:

где Р_Ф – мощность одной фазы НЭ.

Формула удобна при выборе стандартных размеров диаметра или прямоугольного сечения НЭ.

Диаметр спирали НЭ принимают:

• для хромоалюминиевых сплавов D=(4 – 6) d;

• для нихрома и его сплавов D=(4 – 6) d.

Для устранения местных перегревов спираль необходимо растянуть, чтобы расстояние между витками было в 1,5 – 2 раза больше размера диаметра проволоки.

Определение размеров НЭ из круглой нихромовой проволоки можно определить следующим образом:

Для однофазного включения:

Для трехфазного включения:

где U – линейное напряжение, В;

Р – мощность НЭ, кВт.

По силе тока НЭ и таблице 1.6 определяют сечение НЭ из нихромовой проволоки, а затем по ранее приведенным формулам и их длину ℓ.

Таблица 1.6.

Диаметр нихромовой проволоки, мм	Сечение, мм2	Температура нагрева, 0С
		200	400	600	800	1000
		Нагрузка, А
3 2 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 02	7,07 3,14 1,77 0,785 0,636 0,503 0,385 0,342 0,196 0,126 0,085 0,0314	11 6,4 4,5 2,8 2,33 1,9 1,5 1,2 0,9 0,7 0,45 0,3	22 12,1 8,4 4,8 4,1 3,5 2,9 2,3 1,7 1,2 0,8 0,5	34,6 18,4 12,2 6,9 5,9 4,9 4,0 3,2 2,5 1,8 1,1 0,7	50 25,5 16,6 9,3 7,9 6,6 5,4 4,3 3,3 2,4 1,6 1,0	60 30,5 19,7 11,4 9,9 8,4 7,0 5,6 4,3 3,1 2,0 1,3

В таблице 1.6. приведены нагрузки, соответствующие температурам нагрева нихромовой проволоки, намотанной на керамику.

Пример 1.

Определить мощность водонагревателя сечение и длину НЭ для нагрева воды до 100⁰С, если размеры бака 400 × 1200, а время нагрева 0,5 часа.

Решение.

1. Определяем количество воды G, кг.

γ=0,998 кг/дм³ – плотность воды.

2. Количество теплоты, необходимое для нагрева воды:

3. Общее количество теплоты с учетом потерь:

4. Мощность, потребляемая из сети:

5. Нагреватель подключаем к трехфазной сети 380 В.

В ыбираем материал нагревателя Х20Н80 – Н, β_доп=6 ∙ 10⁴ вт/м², тогда

6. Длина нагревателя:

Пример 2.

В печи сопротивления косвенного нагрева необходимо нагреть статор ЭД до 200⁰С, т.е. до температуры размягчения пропиточного лака (перед разборкой вышедшей из строя обмотки). Масса статора 40 кг, время разогрева 20 минут. Определить мощность НЭ, его сечение и длину.

Решение.

1. Количество полезной теплоты

2. Общее количество теплоты с учетом потерь:

3. Мощность, потребляемая из сети:

3. Выбираем напряжение сети 220 В, материал нагревателя – нихром ( )

4. Определяем ток нагревателя

6. Выбираем диаметр и сечение провода НЭ из таблицы 1.6. Максимальная температура 600⁰С, d=2мм. S=3,14 мм².

7. Находим сопротивление НЭ:

8. Находим длину провода НЭ: