4.7 Тема: Электрообогрев сооружений защищенного грунта

Цель занятия: освоить методику расчета электрообогрева для парников и теплиц

Изучаемые вопросы:

- составляющие уравнения теплового баланса;

- определение тепловых потерь;

- расчет нагревательных элементов;

- определение установленной и удельной мощностей.

Рекомендуемая литература:

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

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

Краткое содержание

Мощность установок электрообогрева культивационных помещений должны быть достаточна для компенсации максимальных тепловых потерь в окружающую среду в ночное время, когда отсутствует солнечная радиация, а значение наружной температуры минимальное.

Уравнение теплового баланса помещений закрытого грунта

Q_об = Q_огр. + Q_инф. + Q_гр.,

Q_об – тепловая мощность электрообогреваемой установки, Вт;

Q_огр – тепловой поток, потерянный через отдельные элементы ограждения, Вт;

Q_инф.- тепловой поток, теряемый в связи с инфильтрацией воздуха через неплотности ограждений, Вт;

Q_гр. – тепловой поток в грунт, Вт.

Мощность, Р (Вт), нагревательных элементов

Р = Q_об / 

 - к.п.д. электрообогревательного устройства   1, если установка электрообогрева находится в культивационном помещении

Q_огр. = , где

R_T – полное термическое сопротивление ограждений установки С/Вт;

Расчет Q_огр. и Q_гр. сложен, вычисляется приблизительно

Основная доля потерь (70 %) приходится на светопрозрачные ограждения (стекло или пленку)

В практических расчетах:

Р = k (t_вн – t_нар) ∙ S_огр,

где k – коэффициент теплопередачи, приведенный к площади светопрозрачного ограждения, Вт/(м² ∙ С). Коэффициент зависит от скорости воздуха (рис. 10 [2])

t_вн – температура внутри парника или теплицы, С

t_нар – расчетная наружная температура, С (в соответствии с требованиями СНиП 2.10.84) – принимается для зимних теплиц – средняя температура наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,92, для весенних – см. СНиП

S_огр – площадь светопрозрачного ограждения, м².

При комбинированном (почвенно-воздушном) обогреве расчетную мощность делят между нагревателями почвы Р_п и воздуха Р_в в таком соотношении: для теплиц Р_п / Р_в = 1:1 или 1: 2, для парников 1:1 или 2:1

Для расчета Н.Э. парников и теплиц используют экспериментальные графики зависимости температуры нагревателя от диаметра проволоки, силы тока, мощности и напряжения провода длиной 1 м.

Особенность расчета заключается в том, что длину в Н.Э. принимают в начале расчета в зависимости от геометрических размеров культивационного помещения и схемы соединения нагревателей, а диаметр проволоки нагревателя рассчитывают.

Нагревательные элементы из стальной проволоки в асбоцементных или гончарных трубах рассчитывают путем совместного графического решения двух уравнений

t_н.э..= f(d) и t_н.э.=φ(d),

где t_н.э. температура нагревательного элемента, С

Уравнение t_н.э.= f(d) отражает условия теплообмена нагревателя и записывается на основе законов теплопередачи.

Для нагревателей воздуха

t_н.э.в = ∆t₁ + ∆t₂ + ∆t₃ + t_в,

где ∆t₁ – температурный перепад между нагревателем и внутренней поверхностью трубы, С;

∆t₂ – перепад температуры в трубе, С;

∆t₃ – перепад температуры между наружной поверхностью трубы и воздухом в парнике С.

Величины ∆t₁ и ∆t₃ как функции линейной мощности Р₁ и диаметров проволоки d и трубы D определяют по кривым рис. 11 и 12 [2].

Рисунок 7.1 – Схема электрообогрева почвы

Перепад температур в трубе ∆t₂ = ln ,

где - теплопроводность материала трубы, Вт / (м∙С);

D_н и D_в - наружный и внутренний диаметр трубы, м

Р₁ – мощность проволоки длиной 1м, Вт/м.

Для асбоцементных труб диаметром 0,05…0,1 м с учетом значений , D_н и D_в можно принять ∆t₂ = 0,06 Р₁

Для нагревателя почвы:

t_{н.э.поч.} = ∆t₁ + ∆t₂+ ∆t_пес+ ∆t_поч+ t_поч,

где ∆t₁ и ∆t₂ – аналогично, ∆t_пес – температурный перепад в слое песка, С:

∆t_пес = 0,3 Р₁ ln[ ]

∆t_поч – температурный перепад в слое почвы, С

∆t_поч = 1,1h₂ ∙ P₁,

толщина слоя соответственно песка, почвы (см. рис. 7.1)

t_поч – температура поверхности почвы, С

Уравнение t_н.э. = φ(d), получаемое из выражения для электрического сопротивления стальной проволоки длиной 1м, диаметром d при рабочей температуре t_н.э., характеризует зависимость температуры проволоки от диаметра, мощности и напряжения.

При ₂₀ = 0,13 ∙10 ^-6 Ом∙м, α_R = 0,0045 1/ С, cos φ = 0,93

t_н.э. = 222(5,4∙10⁶ ,

где U₁ = U / l_н.э. – напряжение проволоки длиной 1м, В/м;

d – диаметр проволоки, м;

k_R – отношение сопротивления стальной проволоки по переменному току к сопротивлению стальной проволоки по постоянному току при той же температуре (k_R = 1+0,0176 d^2,2);

Р₁ = Р_н.э. / l _н.э. - мощность проволоки длиной 1 м, Вт/м;

U – напряжение, подводимое к нагревательному элементу, В

l _н.э. - длина нагревательного элемента, м

Р_н.э. – мощность нагревательного элемента, Вт.

Путем совместного графического решения уравнений

t_н.э. = f(d) и t_н.э. = φ(d) определяют диаметр и температуру стальной проволоки, которая не должна превышать 300С.

Пример решения задачи

Определить диаметр стальной оцинкованной проволоки и мощность, необходимую для обогрева квартала из 12 – ти двадцатирамных парников. Стальная проволока для обогрева почвы и воздуха расположена в асбоцементных трубах диаметром 0,1 м. Напряжение сети 380/220 В; температура воздуха 18 С, расчетная температура наружного воздуха – 7,3 С, скорость ветра 5 м/с.

При скорости ветра 5 м/с – коэффициент теплопередачи через остекление по графику рис. 10 [2] – 6,3 Вт/(м²∙С).

Площадь остекления 20 рамных парников (рамы размером 1,06× 1,6 м - коэффициент остеклённости 0,95) = 20×1,06×1,6×0,95 = 32 м²

Мощность, необходимая для обогрева одного парника,

Р¹= 6,3 [18-(-7,3]∙32∙10^-3, кВт

Для рамных парников соотношение Р_п / Р_в -1:1

, кВт.

Мощность проволоки длиной 1 м, если длина Н.Э. почвы и воздуха в одном парнике составляет 43 м

Р_1П = Р_1В= , Вт/м.

Напряжение нагревательного элемента длиной 1 м при последовательном соединении четырех парников

U₁ = 380/ 4∙ 43 = 2,2 В/м

По кривым t_н.э.в = f₁(d) и t_{н.э.пач.} = f₂(d)

для Р₁ = 59,3 Вт/м, трех значений диаметров проволоки (2; 2,5; 3) и диаметра трубы 100 мм

D, мм	∆t1, С	∆t2, С	∆t3, С	∆tпес., С	∆tпоч., С	tВ, С	tн.э.в, С	tпоч., С	tн.э.печ., С
2 2,5 3	210 193 176	3,5 3,5 3,5	17 17 17	28 28 28	13 13 13	18 18 18	248,5 231,5 214,5	18 18 18	272,5 255,5 238,5

∆t₂ = 0,06 ∙ 59,3 = 3,5 С;

∆t_пес. = 0,3 ∙ Р₁ ∙ln [ ], С

∆t_поч. = 1,1∙ h₂ ∙ P₁, С

Рассчитываем значение коэффициента k_R для выше приведенных значений диаметров проволоки.

Для построения кривой t_н.э.= φ(d) вычисляем значения t_н.э. для диаметров проволоки 2; 2,5; 3 мм.

Пересечение кривых t_н.э.в= f₁(d), t_{н.э.поч.}= f₂ (d) и t_н.э. = φ(d) рис.14 [2] дает значения диаметра проволоки нагревателя воздуха, почвы и соответственно температуры С.

Установленная мощность квартала парников:

Р_кв = Р¹∙ n, Вт/м²

n = – число парников в квартале.

Удельная установленная мощность обогрева:

Р_уд. = , Вт/м²

Расчет значительно упрощается, если использовать опытные кривые

d = f (U₁; P₁) и t = φ(U₁; P₁)

приведенные на рис 15 [2].

Практическое занятие 8 (объем – 1ч.)