4.2 Тема: Расчет электродных нагревателей с регулированием мощности

Цель занятия: освоить методику расчета электродных систем

Изучаемые вопросы:

- разработка схемы регулирования мощности;

- определение мощности на фазу, для каждой ступени регулирования;

- расчет геометрических коэффициентов электродной системы;

- расчет мощности на каждой ступени;

- проверка на работоспособность.

Рекомендуемая литература:

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология . – М.: Колос, 1992.

- Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. М.: Агропромиздат, 1989.

- Изаков Ф.Я. и др. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 1972.

- Бабко А.Н. Электромеханика и электротехническое оборудование: Уч. пособие. – Астана: Каз АТУ, 2009.

Краткое содержание

Задание на расчет

Электродный водонагреватель имеет объем бака, V; температура воды на входе, t_н С (5, 10, 15, 20 и т.д.); температура воды на выходе, t_к = (80  90 С); удельное сопротивление воды, ₂₀ = 2000  3000 Ом∙см; диаметр корпуса d_к = 60 см; к.п.д. водонагревателя принять не менее 0,9; напряжение питающей сети, U = 380 В; время нагрева воды принять 1  1,5 часа; систему нагревателей принять шести стержневую (можно принять коаксиальную, с регулированием мощности).

Порядок расчета

1. Разработать схему регулирования мощности (для упрощения, ступенчатую).

2. Определить среднюю мощность на фазу для каждой ступени (для приема, 3 ступени)

Р_{ср. ф.} = Р₁ = Р₂ = Р₃ =

Согласно задания, начальная температура принята 10С, конечную температуру примем равной 85 С. Регулирование мощности (с учетом 3^х ступеней) принимаем через каждые 25 С [∆t = (85 -10) =75 / 3 = 25С].

Производительность найдем через объем, на фазу, на каждой ступени регулирования:

g = , л/ч

Т_ст. – продолжительность нагрева на каждой ступени, Т_ст. = Т/3 = 1,5 / 3 =0,5 ч, общее время нагрева принято равным 1,5 ч.).

3. Далее, согласно существующих методик расчета электродных нагревателей, определяется геометрический коэффициент электродной системы, размеры электродов, расстояние между ними и др. параметры.

Для упрощения расчетов принимаем: диаметр стержневых электродов, d_э = 2 см; электроды размещаем на окружности (согласно стандартных схем размещения) диаметром, d_о = 20 см; расстояние между центрами электродов принимаем, l = r_o = 10 см.

Рисунок 2.1 - Схема размещения стержневых электродов в электродном нагревателе: 1- корпус; 2- электрод

Определим длину электродов (с учетом предлагаемых схем регулирования мощности). Схемы, согласно задания, необходимо предложить свои, (схемы могут быть: звезда, треугольник, т.е. за счет различных комбинаций схем через коммутирующие устройства; в данном примере, не рассматривается плавное регулирование мощности в электродных нагревателях).

Рисунок 2.2 - Схема ступенчатого регулирования мощности

Произведем расчет для первой ступени, при всех шести работающих электродах, включены выключатели S₁ и S₃.

Геометрический коэффициент системы из шести электродов, при данной схеме включения:

К_э1 =

(с = 1,2 коэффициент, учитывающий трехмерность поля токов).

Длина электродов для второй ступени должна быть (шесть электродов, включены S₁ и S₂):

L ₂ =

К_э2 =

Для третьей ступени, при з^х включенных электродах и включенном S₁:

L₃ =

К_э3 =

Еще один вариант, при 3^х работающих электродах и включенном S₂:

Принимаем одну систему из трех электродов длиной, L₁ = , вторую L₂ =

Определим мощность водонагревателя, в начале нагрева, на первой ступени:

Р_фн1=

Рассчитаем мощность в конце нагрева на первой ступени:

Р_{ф.к 1} =

Мощность в начале второй ступени:

Р_{ф.н 2} =

Мощность в конце второй ступени:

Р_{ф.к 2} =

Мощность в начале третьей ступени:

Р_{ф.н 3} =

Мощность в конце третьей ступени:

Р_{ф.к 3} =

Определяем фактическую плотность тока на электродах и сравниваем с допустимой:

I_доп.=

К_н = 1,15  1,4 – коэффициент неравномерного распределения тока, для проточных нагревателей.

i_фак. < i_доп.

Допустимая плотность тока (по образованию гремучего газа) для непроточных водонагревателей из обычной стали i_доп. = 0,2  0,5 А/см² (электроды плоские), для цилиндрических электродов

i_доп. = 1 2 А/см²

Допустимая напряженность поля в межэлектродном пространстве для проточных водонагревателей Е_доп.= 1000  1100 В/см, для непроточных водонагревателей Е_доп.= 150  400 В/см.

Допустимую напряженность электрического поля можно найти по таблицам либо по графикам.

Таблица 2.1 Допустимая напряженность электрического поля

, Ом∙ см	250	500	700	2000	4000	8000
Едоп., В/см	100	250	400	800	1000	1200

_к =

Практическое занятие 3 (объем – 1 ч.)