Контрольные вопросы и задания

1. Как происходит преобразование электрической энергии в тепловую? 2. Дай­те оценку динамики электронагрева. 3. Перечислите основные способы электро­нагрева. 4. Дайте классификацию электронагревательных установок. 5. Каково назначение основных видов расчета электронагревательных установок? 6. Каково содержание тепловой и электрической частей конструктивного расчета? 7. Как определяют полезный тепловой поток, расчетную и установленную мощности при нагреве? 8. Что определяет тепловой (термический) КПД установки? 9. Что харак­теризует электрический КПД установки? 10. Покажите баланс мощностей в ЭНУ. 11. Перечислите основные методы расчета толщины тепловой изоляции нагрева­тельных теплоаккумуляционных установок. 12. Назовите вторичные источники питания для электротехнологических установок.

165

2.4. Электротермическое оборудование для сельского хозяйства

2.4.1. Электродные водонагреватели и котлы

Электродным способом нагревают проводники второго рода, имеющие ионную проводимость. К ним относят воду, молоко, фруктовые и ягодные соки, сочные корма, почву, бетон и др. По­этому в сельскохозяйственном производстве электродный способ используют для нагрева воды, получения пара, стерилизации и пастеризации молока, обеззараживания почвы в парниках и теп­лицах, обогрева и обеззараживания навоза, электрохимической обработки соломы с целью скармливания скоту и пр.

В электродных нагревателях нагреваемое вещество размещают между электродами (см. рис. 2.2, б). В результате протекания элек­трического тока непосредственно в нагреваемой жидкости или ве­ществе согласно закону Джоуля—Ленца выделяется теплота. Тем­пературу нагрева регулируют силой тока или продолжительностью нагрева. Электродные ЭНУ прямого нагрева выполняют в виде различных водонагревателей, паровых и водяных котлов, стерили­заторов, пастеризаторов, кормозапарников и т. п.

В сельском хозяйстве наиболее распространены электроводо­нагреватели. Принципиально они мало отличаются друг от друга. Их основные части: корпус (резервуар), размещенные в нем элек­троды, устройство для регулирования мощности и патрубки для подвода холодной и отвода горячей жидкости.

Основные преимущества электродных водонагревате­лей — высокая надежность в работе; простота конструкции и схе­мы управления; удобство обслуживания; использование неперего-раемых элементов-электродов со сроком службы 7...9 лет; более высокий КПД по сравнению с элементными нагревателями, рабо­тающими на ТЭНах; большее значение мощности на единицу массы и объема по сравнению с другими нагревателями; меньший занимаемый объем по сравнению с установками на твердом или жидком топливе. Установки не боятся упуска воды, экологически чисты, имеют широкое и плавное регулирование мощности, обла­дают бактерицидными свойствами, могут быть отремонтированы в условиях хозяйства.

Основные недостатки — значительная зависимость на­дежности и долговечности установок от параметров воды; значи­тельная зависимость их мощности от температуры нагреваемой воды, удельное электрическое сопротивление которой р_т падает из-за резкого увеличения в ней количества ионов; электрохими­ческая коррозия электродов и электролиз воды и растворимых в ней солей (несмотря на использование переменного тока), нали­чие в воде продуктов «растворения» железа и продуктов электро­лиза; образование гремучего газа при большой плотности тока на электродах и возможность взрыва установки.

166

Основная область применения электродных водонагревате­лей — горячее водоснабжение технической водой; обогрев поме­щений любого типа, в том числе сельскохозяйственного назначе­ния; получение подогретой питьевой воды через теплообменник или бойлер-теплоаккумулятор.

Электродная система. В электродных нагревателях электроды, подводящие ток к нагреваемой среде, имеют различную форму: плоскую пластинчатую (рис. 2.5, в); пластинчатую, изогнутую под углом 120° (рис. 2.5, а); пластинчатую дуговую и рамочную; стерж­невую; стержневую многоэлементную; цилиндрическую (рис. 2.5, б) и др.

Плоскую электродную систему из двух плоских электродов можно использовать в однофазных нагревателях небольшой мощ­ности (до 10 кВт).

В мощных электродных нагревателях, которые имеют преиму­щественное распространение, используют симметричные трех­фазные электродные системы (см. рис. 2.5, а и в), образующие трехфазную нагрузку по схеме «треугольник». Система, показан­ная на рис. 2.5, б, соединена по схеме «звезда».

Рис. 2.5. Трехфазные схемы электродов:

в —из плоских изогнутых электродов; 6—аз коаксиальных цилиндрических; в —из плоских электродов с расщепленной фазой; г — устройство электродного водонагревателя КЭВ; / — корпус; 2 — днище; 3 — токоввод с изоляторами; 4 — электрод; 5 —защитный диэлектричес­кий экран; б—подвижный диэлектрический экран для регулирования мощности ЭНУ;

7— опора

167

Плоские электроды (см. рис. 2.5, а, в) применяют при удель­ном электрическом сопротивлении холодной воды р₂о, как пра­вило, превышающем значение 10 Ом ■ м. При более низком удельном сопротивлении, а также при высоковольтном питании 6 или 10 кВ используют коаксиальные цилиндрические электроды (см. рис. 2.5, б).

Для большинства ЭНУ р₂₀ лежит в пределах от 6 до 120 Ом • м при 20 °С. С целью снижения процесса электролиза при повышен­ной плотности тока, ведущей к ускоренному разрушению элект­родов, допустимая плотность токауд_ОП при нагреве воды плоскими электродами не должна превышать 1,0 ■ 10⁴ А/м², при нагреве ци­линдрическими — 2 • 10⁴А/м². Лучшие материалы для электро­дов — титан, нержавеющая сталь и электротехнический графит. Вследствие большей доступности, технологичности и прочности часто применяют нержавеющую сталь.

Расчет электродной системы. Поскольку электродные ЭНУ чаще всего работают в непрерывном (проточном) режиме, то в со­ответствии с формулами (2.28) и (2.33) их расчетная мощность, Вт,

(2.56)

где т, — массовая производительность установки, кг/с; С—удельная теплоем­кость, Дж/(кг • °С); Т\ и 7*2 — температура на входе и-выходе ЭНУ, °С.

Если нагреваемая жидкость (вещество) дана в литрах (л) или кубических метрах (м³), используют плотность вещества р, кг/л или 1000 кг/м³.

В этом случае

где ^ — объемная производительность установки, л/с; м³/с.

Таким образом,

(2.56') В конструктивном расчете площадь одного электрода ЭНУ, м²,

(2.57)

где для однофазных нагревателей часто принимают Р_р = Р_у, для трехфазных Р_р = Р«/3, Вт; V— напряжение на электродах, В;У<уд_0П — принимаемая плотность тока, А/м².

Если

где Н — высота, м; Ь — ширина электрода, м,

то, задаваясь к или Ъ, можно определить конструктивно необходи­мые Ь или к.

168

Расстояние между электродами ЭНУ, м,

(2.58)

где р_т —удельное электрическое сопротивление жидкости при температуре Т, Ом • м; для воды принимают р_т = 40 р₂о/(7" +20), Ом-м; Г—температура нагретой воды, °С.

Напряженность электрического поля Ев межэлектродном про­странстве не должна превышать значения пробивной напряжен­ности Е_пр нагреваемой жидкости, то есть Е= {11/1) < ^_р.

В более детальном конструктивном расчете принимают сопро­тивление фазы нагревателя

(2.59)

или

(2.60)

где / — расстояние между электродами; Р— площадь электродов; К_г — 1/Ъ — коэф­фициент геометрической формы электродов плоскопараллельной системы. Для коаксиально расположенных электродов

где О — диаметр наружного электрода; ^—диаметр внутреннего. Мощность одной фазы нагревателя

(2.61)

Используя вышеприведенные выражения, получим фазную мощность электродного водонагревателя для любой температуры воды Т

1/4(20+ Т)

А=^— -. (2.62)

^ф 40п™К

Из последнего выражения найдем высоту электрода

_и=Рф.нРсЛ^ ₍₂₆₃₎

Подставим значение К_т и получим

(2.64)

задаваясь значением ширины электродов Ь, найдем их высоту И, и наоборот.

При мощности трехфазного нагревателя Р= 5...25 кВт для уп­рощенного расчета часто расстояние между электродами прини­мают равным /=2,5...Зсм; при Р>25кВт /=3,5...4см (при р₂₀ = = 30Ом-ми {/„ = 380В).

Начальная мощность трехфазного нагревателя

Обращаясь к выражениям для определения фазной мощности, можно сказать, что функция Р=/(Т) представляет собой прямую, и при работе нагревателя в непроточном режиме конечная мощ­ность его увеличивается в 3...4 раза по сравнению с начальной. Это неудобно для выбора сечения питающих проводов, защитных аппаратов и предохранителей. Кроме того, в непроточном режиме значительно увеличивается накипь на электродах и плохо работает автоматика. Поэтому электродные системы работают, как прави­ло, в проточном режиме и в замкнутых контурах горячего водо­снабжения. Предпочтительными считают режимы, когда темпе­ратура на выходе нагревателя близка к Т₂ = 90...95 °С, а на входе Г! = 68..Л2 °С.

Таким образом, если по условию расчета заданы требуемая раз­виваемая мощность нагревателя Р_н и напряжение сети С/_н, то для конструирования установки можно найти ширину Ь и высоту И электродов.

Если заданы 11_Ю К_т и Н, можем найти мощность установки Р. В обоих случаях при расчетах необходимо принять значение удельного электрического сопротивления воды р₂о, которую чаще всего берут в интервале р₂о = 25...40 Ом • м.

Проведенный расчет электродной системы необходимо прове­рить по допустимой напряженности поля Е_аоп и допустимой плот­ности тока./д_ОП.

170

Для первой задачи находят удельное электрическое сопротив­ление воды р_т при максимальной рабочей температуре воды на­гревателя Т_тйх=Т₂: Рт = 40р2₀/(20+Г_тах). Затем по величине р_т находят значение Е_п0П по кривой Е_юп =Др_т) или по нижеприве­денным данным.

(2.67) Фактическое расстояние между электродами должно быть

(2.68)

При 11= 380 В принимают /= 3/_т1п, при 11= 10 кВ /= /_т1п. Проверка по допустимой плотности предполагает выполнение условия

(2.69)

где ./факт — фактическая плотность тока на электродах, Уф_а]ст = 1_ргб/Р, А/м²; у_доп — до­пустимая ПЛОТНОСТЬ ТОКа, ./д_ОП ⁼ Дцоп/Рг-

Фактическая плотность тока может быть также определена по выражению

(2.70)

где К_н — коэффициент неравномерности плотности тока по высоте электродов, К_н= 1,1...1,4; Ь — ширина плоского электрода, для коаксиальных электродов Ь = кс1/3, й — диаметр электрода.

Как указывалось раньше, у_До_П — нормируемая величина. Для нагревателей с плоскими электродами при 11= 380 В уд_ОП = = 0,5 • 10⁴ А/м², при /7= 10 кВ у_доп = 1 • 10⁴ А/м².

В установках с цилиндрическими электродами допустимая плот­ность тока принята равной соответственно 1 • 10⁴ и 2 • 10⁴ А/м².

Электродные водонагреватели КЭВ. В России наибольшее рас­пространение получили проточные электродные водонагреватели КЭВ (котел электродный водогрейный).

Водонагреватели выпускают на номинальное напряжение 0,4; 6 и 10 кВ и максимальное рабочее давление 0,6 МПа для низковоль­тных и 1...1.2 МПа для высоковольтных аппаратов.

Водонагреватели работают, как правило, в замкнутых системах

171

отопления или горячего водоснабжения. Для получения подогре-41 той питьевой воды в замкнутый контур теплоснабжения ЭНУ,| включают первичный замкнутый контур теплообменника (рис. 2.6) или бойлера-теплоаккумулятора (см. рис. 2.24), а из вто­ричного «открытого» контура отбирают горячую воду.

Обычно температура воды на выходе электродного нагревателя | 72 = 95 °С. Расчетную температуру воды на входе в электродный 1 водонагреватель принимают Т\ = 70 °С. ™

Типы и основные технические данные наиболее распростра­ненных водонагревателей приведены в таблице 2.2.

На рисунке 2.5, г показано устройство электродного водонагре­вателя КЭВ с пластинчатыми электродами, соединенными по схе­ме на рисунке 2.5, в.

Водонагреватель имеет цилиндрический корпус 1 с опорами 7. В днище 2на шпильках токовводов 3 установлена электродная си­стема в виде пакета пластин 4. Для обеспечения токовой симмет­рии при работе электродов используют защитные диэлектричес­кие экраны 5. Регулирование мощности нагревателя осуществля­ют изменением активной высоты электродов, для чего используют подвижные диэлектрические экраны 6, вдвигаемые в межэлект­родное пространство с помощью ручного привода.

\\Радиатор Ц отопления

Число рабочих электродов зависит от мощности нагревателя и равно Зл + 1, где я — целое число. Объем воды, заключенный меж­ду двумя соседними пластинами, создает рабочее сопротивление, находящееся под линейным напряжением. При четырех пласти­нах (п = 1) таких сопротивлений три и они образуют схему вклю-

чения «треугольник», при п = 2 — схему «двойной треугольник». При отсутствии электрической изоляции на внутренней поверх­ности корпуса нагревателя за счет сопротивления утечки токов на корпус создается дополнительная схема включения «звезда», кото­рая может развить мощность, равную 0,15...0,2 номинальной мощ­ности нагревателя.

2.2. Основные технические данные низковольтных электродных водонагревателей

Пример. Рассчитать электродный проточный водонагреватель КЭВ.

Условие. Электродный трехфазный водонагреватель КЭВ должен быть уста­новлен в системе обогрева помещений и развивать мощность Р=25 кВт. Напря­жение сети ?/=380В. Система электродов — плоская пластинчатая (см. рис. 2.5, в). Ширина пластин Ь = 20 см, удельное электрическое сопротивление воды рго = 30 Ом • м. Температура на входе и выходе нагревателя Т\ = 70 °С и Тг — 95 "С.

Определить межэлектродное расстояние / и высоту пластин к, фактическую напряженность поля между электродами .Еф_акт и фактическую плотность тока на электродах у_факт.

Решение. Так как мощность водонагревателя /">10кВт, то водонагреватель должен быть трехфазным. Мощность одной фазы

Для указанной системы плоских пластинчатых электродов напряжение между электродами в одной фазе Щ= 11= 380 В.

Необходимое электрическое сопротивление воды в одной фазе водонагревателя

173

Среднее (по высоте электродов) удельное электрическое сопротивление воды в водонагревателе

где Г_ср = (Г, + Т₂)/2 = (70 + 95)/2 = 82,5 °С.

Удельное электрическое сопротивление воды на выходе водонагревателя

Находим допустимую напряженность электрического поля в воде по графику ,_п =.Др_г). При Рт₂~ Ю,4Ом ■ м имеем Е_поп = 51 ■ 10³ В/м. Минимально допустимое расстояние между электродами

Фактическое оасстояние между электродами Коэффициент геометрической формы электродов

Определяем высоту электродов

Фактическая напряженность электрического поля в межэлектродных проме­жутках

Наибольшая фактическая плотность тока у поверхности электродов

/факт = Дикт/Ртъ = 16 964/10,4 = 1631 А/м² = 0,163 • 10⁴ А/и², то есть выполняется второе условие

Поэтому расчет электродной системы можно считать законченным.

Высоковольтные электродные нагреватели КЭВ на напряжение 6 и 10 кВ, мощностью 2500, 6000 и 10 000 кВт, с максимальной тем­пературой воды 130 и 150 °С и давлением до 1,2 МПа обычно име­ют цилиндрические электродные системы, состоящие из трех или шести однофазных групп. Группы образованы коаксиально распо­ложенными фазными и нулевыми электродами, между которыми

174

находятся подвижные цилиндры из диэлектрика для регулирова­ния мощности.

Электродный водонагреватель ЭПЗ-100. На рисунке 2.7 показан электродный водонагреватель ЭПЗ-100. Он представляет собой цилиндрический стальной корпус 3, покрытый снаружи тепловой изоляцией 2 и металлическим кожухом 1. Для подвода и отвода воды в корпус вварены два патрубка 9 и 7. В днище имеется слив­ной патрубок 10, в верхней части — винт 5 устройства для выпус­ка воздуха при заполнении водонагревателя водой. Верхний пат­рубок имеет два гнезда для установки регулирующего 8 и аварий­ного б датчиков температуры горячей воды, соединенных капил­лярной трубкой с манометрическими термометрами типа

тпг-ск.

В корпусе водонагревателя установлена электродная система, состоящая из трех электродных групп. Каждая имеет по три коак­сиально расположенных цилиндрических электрода: два из них — нулевые электроды, один — фазный. В зазоры между электродами вводятся два изоляционных цилиндрических экрана из стеклотек­столита, закрепленных на общей траверсе. При опускании экра­нов ходовым винтом с помощью маховика 4 активная площадь электродов уменьшается, а при поднятии увеличивается, что приводит к уменьшению или увеличению мощности водонагре­вателя.

Номинальная мощность нагревателя — 100 кВт; номинальное линейное напряжение — 380 В; схема рабочих сопротивлений воды — «звезда»; номинальная сила тока—152А; максимально допустимая температура воды в котле —130 °С; номинальное

Рис. 2.7. Электродный водонагреватель ЭПЗ-100:

а —общий вид; б —схема одной фазы; / — кожух; 2 —теплоизоляция; 3 — корпус; 4— махо­вик регулятора мощности; 5— винт для выпуска воздуха; 6, 8— аварийный и регулирующий датчики температуры горячей воды; 7, 9— отводящий и подводящий патрубки; 10 — патрубок для слива воды; 11 — фазный электрод; 12 — изолирующие экраны; 13— нулевые электроды

175

Рис. 2.8. Принципиальная электрическая схема водонагревателя ЭПЗ-100

удельное электрическое сопротивление воды при 20 °С — 30 Ом ■ м; вместимость водонагревателя — 28 л; КПД — 0,99.

Остальные технические данные водонагревателя указаны в таб­лице 2.2. Электрическая схема водонагревателя ЭПЗ-100 (рис. 2.8) предусматривает как автоматический, так и ручной режим управ­ления.

С помощью схемы водонагревателя обеспечивают контроль ве­личины линейного тока; аварийное отключение питания при ко­ротких замыканиях, при повышении заданной температуры воды на выходе и при появлении в нулевом проводе тока, равного 25 % номинального линейного тока.

Чтобы предотвратить работу водонагревателя без циркуляции нагреваемой воды, в схеме управления предусмотрен блок-кон­такт КМ2, который замыкается только после включения насоса. Таким образом, при включении водонагревателя в сеть сначала включают привод циркуляционного насоса, а затем рубильник (ЛУ. Переключатель ЗА устанавливают в положение, соответствую­щее выбранному режиму работы.

При ручном режиме работы ЗА ставят в положение «Руч». По­лучает питание обмотка реле КЬ2, которое своим контактом КЬ2:1 замыкает цепь контактора КМ. Контактор срабатывает и включает 176

водонагреватель в сеть. Для отключения водонагревателя ЗА пере­водят в положение «0».

Для работы в автоматическом режиме минимальную уставку (контакт 8К1: 2) и максимальную уставку (контакт 8К1: /) регули­рующего датчика температуры воды ЗК1 устанавливают на темпе­ратуру, отличающуюся на 1...2 °С от номинальной, соответственно в нижнюю и верхнюю стороны (например, 94 и 96 °С). Переклю­чатель ЗА ставят в положение «Авт».

Электрическая схема обеспечивает защиту водонагревателя от аварийных режимов. Так, если при максимальной уставке термо­датчика ЗК1 по какой-либо причине реле КЫ не срабатывает, то вступает в действие аварийный термодатчик 8К2, уставка которого на 1...2 °С превышает максимальную уставку ЗК1. Контакт 8К2 за­мыкается, и в результате последовательного включения и отклю­чения ряда контактов обмотка контактора КМ теряет питание и водонагреватель отключается от сети.

В схеме предусмотрена также защита на случай появления не­допустимой асимметрии питающих напряжений или обрыва фаз, когда на корпусе нагревателя может появиться потенциал опасно­го значения. Вследствие этого в нулевом проводе появляется ток, и если величина его будет больше 25 % номинального тока нагре­вателя, то срабатывает токовое реле КА и отключает питание. Для повторного включения водонагревателя в сеть необходимо также установить переключатель ЗА сначала в положение «0», а затем на один из рабочих режимов.

Модернизированный электродный водонагреватель ЭПЗ. Этот водонагреватель имеет два исполнения, различающихся приво­дом механизма регулирования мощности (ЭПЗ-100И2 — с руч­ным приводом и ЭПЗ-100ИЗ — с приводом от исполнительного ме­ханизма).

Вода заполняет пространство, образованное шестью фазны­ми электродами 2 и тремя регулирующими электродами 7 (рис. 2.9), выгнутыми по дугам концентрических окружностей и изолированными друг от друга. Регулирующие электроды изоли­рованы также от нулевого провода сети. Схема замещения водо­нагревателя — «треугольник», в каждой стороне которого после­довательно-параллельно включены рабочие сопротивления учас­тков воды.

177

Рабочий ток (см. рис. 2.9) протекает от электродов одной фазы через воду, затем по регулирующему металлическому электроду еще раз через воду и далее к электродам другой фазы. Регулирую­щие электроды /установлены на изоляционной траверсе 6, укреп­ленной на поворотном валу 16. Мощность водонагревателя регу­лируют изменением площади поверхности регулирующих элект­родов 7 путем их вращения вручную или электроприводным меха­низмом с помощью вала 16. При изменении угла поворота от 0 до 60° мощность водонагревателя возрастает от 25 до 100 % номи-

12-6572

13 14 15

Рис. 2.9. Устройство электродного водонагревателя ЭПЗ-100И2 (в) и схема электродной системы (б):

1, 3, 4, 22, 23 — изолирующие экраны; 2—фазный электрод; 5, 10 — кожухи; б—траверса; 7—регулирующий электрод; 8 — крышка; 9—шпилька; 11 — изолятор; 12— шина токоввода; 13 — табличка; 14 — ручка регулятора; 15— уплотнение; 16— поворотный вал; 17— сливная трубка; 18, 19 — датчики температуры; 20— предохранительное устройство; 21 — съемный узел верхнего патрубка; 24— нижний патрубок; 25— сливной патрубок; Г — силовой наруж­ный электрод; 2' — регулирующий электрод; 3' — силовой внутренний электрод; 4', 5', 6' —

изолирующие пластины

нальной. Номинальное удельное электрическое сопротивление воды при 20 "С должно быть не менее р₂о ⁼ 20 Ом • м.

В верхней части корпуса нагревателя предусмотрен кран со сливной трубкой 17, в днище имеется сливной патрубок 25.

Электрическая схема водонагревателя ЭПЗ-100И2 аналогична схеме водонагревателя ЭПЗ-100.

Конструкция ЭПЗ-ЮОИЗ аналогична водонагревателю ЭПЗ-100И2, однако схема управления существенно отличается. В схеме управления водонагревателем ЭПЗ-ЮОИЗ предусмотрены ручной и автоматический режимы работы, устанавливаемые пере­ключателем. В ручном режиме включение и отключение осуще­ствляют кнопками «Пуск» и «Стоп».

Автоматический режим обеспечивает три варианта управления мощностью электроводонагревателя: а) в зависимости от темпера-

178

туры воды на его выходе; б) в зависимости от температуры воздуха в отапливаемом помещении; в) в соответствии с заданным графи­ком отпуска теплоты.

Кроме того, имеется возможность управления водонагревате­лем от внешнего устройства (например, по заданному энергосис­темой графику потребления электроэнергии).

Автоматическое регулирование осуществляют с помощью регу­лятора температуры типа ЭРТ-4. Действие регулятора основано на преобразовании температуры, воздействующей на чувствительные элементы датчиков, в электрические сигналы управления элект­рическим приводом исполнительного механизма, меняющего по­ложение регулирующих электродов водонагревателя.

Электродный водонагреватель ЭВН-10/20-0,4 [1]. Электронаг­реватель наиболее прост и технологичен в изготовлении. Его ис­пользуют в различных отраслях производства, сельского хозяйства и коммунально-бытовом секторе, как самостоятельно, так и в комплекте КОГВ.

Электронагреватель ЭВН-10/20-0,4 представляет собой сталь­ной цилиндр, герметически закрытый крышкой, на которой смонтированы электроды с токоподводящими шпильками, изоля­торы, предохранительный клапан, выходной патрубок и патрубок для терморегулятора. Его выпускают с двумя типами терморегуля­торов: манометрическим термосигнализатором ТКП-1бОСг или электроконтактным термометром ТЗК. К корпусу водонагревате­ля приварены входной патрубок, три втулки для установки в за­щитный кожух и втулка для сливной пробки. Электродная систе­ма выполнена по схеме рисунка 2.5, аи состоит из трех изогнутых под углом 120° пластин из нержавеющей стали марки 1Х18Т тол­щиной 4 мм, трех шпилек диаметром 12 мм и соединительных пластин из фторопласта. Проходные изоляторы изготовлены из ситалла.

Электронагреватель изготовляют в двух исполнениях: с крепле­нием при помощи кронштейна к стене здания; с установкой его в защитный кожух на опорные фарфоровые изоляторы. Шкаф уп­равления и автоматики электроводонагревателя устанавливают от­дельно на стене здания с учетом длины кабеля и капилляра датчи­ка терморегулятора.

Принципиальная электрическая схема шкафа управления ШУА приведена в разделе о КОГВ.

Водонагреватели ЭВН-10/20-0,4 (в последние годы выпускают под маркой ЭВН-16/25-0,4) имеют определенные недостат-к и. Так, электроды имеют одностороннюю активную поверх­ность, что обусловливает существенный расход металла на их из­готовление. Кроме того, ухудшается теплообмен между частями воды, находящейся между сплошными пластинами электродов, и частями воды в объеме корпуса, что приводит к ее перегреву в меж­электродном пространстве при получении заданной температуры

12- 179

воды на выходе из водонагревателя и способствует интенсивному образованию накипи. Качество воды ухудшается из-за электрохи­мической коррозии значительного количества железа. Указанные факторы ухудшают условия работы электродной группы, что ска­зывается на ее надежности в работе. Мощность нагревателя изме­няют ступенчато (16 и 25 кВт) сменой комплектов электродов, имеющих разную активную поверхность. Проводят также работы по тиристорному регулированию мощности.

Электродный водонагреватель ЭВН-16/0,4. В результате совер­шенствования описанной конструкции разработан электродный водонагреватель ЭВН-16/0,4 номинальной мощностью 16 кВт, предназначенный для сельскохозяйственных и коммунально-бы­товых объектов, в частности для обогрева жилья. В данном водо­нагревателе сплошные углообразные электроды заменены углооб-разными рамками (рис. 2.10).

Для регулирования мощности нагревателя между электродами 4 установлен комбинированный экран 5 в виде трехлучевой звез­ды, верхняя часть которого вы­полнена из металла, а ниж­няя — из диэлектрического ма­териала. Высота каждой части равна высоте электродов. Мак­симальную мощность нагрева­теля обеспечивают введением в межэлектродное пространство металлической части экрана, а минимальную — диэлектричес­кой.

При отсутствии комбиниро­ванного экрана электродную группу электрически соединя­ют через нагреваемую проводя­щую среду по схеме «треуголь­ник», а мощность нагревателя, Вт, определяется по формуле

где 1!_л— линейное напряжение, В; Лф.о — фазное сопротивление при от­сутствии экрана, Ом.

Рис. 2.10. Конструкция электродного водонагревателя ЭВН-16/0,4:

/ — корпус; 2—крышка; 3 — колпак; 4— ра­мочные электроды; 5—комбинированный экран; 6, 7—механизмы перемещения экра­на; 8— предохранительный клапан; 9 — дат­чик регулятора температуры

180

Фазные электроды взаимо­действуют между собой прак­тически половиной своих по­верхностей. При введении в межэлектродное пространство металлической части экрана

эквивалентной схемой соединения электродов будет «звезда», причем во взаимодействии фазных электродов между собой уча­ствует вся их активная поверхность. Это обусловливает четырех­кратное уменьшение фазного сопротивления. Из эквивалентной схемы следует, что в этом случае фазное сопротивление /?ф_М = = Яф.о/4, тогда мощность определится как

(2.72)

то есть мощность увеличивается в сравнении со схемой «треуголь­ник» на 33 %, чем достигается расширение диапазона регулирова­ния. При диэлектрической части экрана значение минимальной мощности нагревателя определяется взаимодействием электро­дов между собой через слои воды, находящиеся ниже и выше электродов.

Эксплуатация указанных нагревателей показала, что примене­ние рамочных электродов для ЭНУ мощностью до 25 кВт позволя­ет снизить металлоемкость электродной группы с 0,065 кг/кВт у сплошных электродов до 0,05 кг/кВт для электродов в виде рамок. Следует отметить, что при использовании электродной группы с рамочными электродами в ЭВН обеспечивается хорошая циркуля­ция воды. Скорость растворения железа в воде снижается за счет уменьшения в 1,5...2 раза площади электродов, подвергающейся коррозии, что приводит к повышению качества нагретой воды. Использование комбинированного экрана в водонагревателе ЭВН-16/0,4 позволяет регулировать его мощность в пределах от 40 до 100 %.

Электродный водонагреватель ЭВН-25/0,4. Он имеет принци­пиально новую конструкцию [1]. Благодаря использованию мно­гоэлементных электродов и поперечной схеме их расположения в корпусе достигают повышения эксплуатационной надежности и снижения металлоемкости. Предложенный комбинированный способ регулирования мощности (раздвиганием электродов по вертикали и схемным переключением с «треугольника» на «звез­ду») обеспечивает работоспособность водонагревателя при изме­нении удельного электрического сопротивления воды в широком диапазоне. Техническая новизна конструкции ЭВН-25/0,4 отме­чена авторским свидетельством.

Многоэлементный электрод водонагревателя представляет со­бой набор элементов (стержней), имеющих дугообразную форму, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и электрически соединенных между собой. Такая конструкция электродов обеспечивает более развитую поверхность и снижает их металлоемкость в сравнении с пластинчатой не менее чем в 1,3 раза.

При поперечной схеме расположения электродов в корпусе ЭНУ неравномерное температурное поле не вызывает неравно-

181

мерного распределения плотности тока по элементам. Благодаря этому электродная группа работает при благоприятных условиях, способствующих повышению надежности водонагревателя.

Режим работы водонагревателя показывает, что комбинирован­ный способ регулирования мощности обеспечивает поддержание номинальной мощности при изменении р_в в диапазоне от 6 до 40 Ом ■ м, а также глубокое регулирование мощности в пределах от 14 до 100 % от номинального значения при р₂о ⁼ 40 Ом ■ м. Благо­даря указанному способу регулирования затраты труда, связанные с обеспечением необходимого удельного электрического сопро­тивления воды, снижаются в 3,3 раза.

Электродный водонагреватель ЭВН-6/9-0,4. Он представляет собой упрощенный вариант конструкции нагревателя ЭВН-25/0,4 и имеет меньшую мощность. Регулирование мощности от 6 до 9 кВт осуществляют поворотом рукоятки регулятора на 60 °С. Для совместной работы с водонагревателем ЭВН-6/9-0,4 использован скоростной проточный водонагреватель, позволяющий получать горячую воду для бытовых нужд с температурой 45...60 °С. Схема включения водонагревателя и радиаторов отопления показана на рисунке 2.6.

Электродный водонагреватель ЭВН-63/0,4. Поперечный разрез электродного водонагревателя ЭВН-63/0,4 [9] показан на рисунке 2.11. В корпус 1 вварены патрубки 2 для входа и выхода воды. Корпус имеет электро- и теплоизолированный защитный кожух 3.

Рис. 2.11. Поперечный разрез водонаг­ревателя ЭВН-63/0,4:

1 — корпус; 2— патрубок; 3 — изолирован­ный защитный кожух; 4 —фазный элект­род; 5—нулевые электроды; б—изолятор; 7—шпильки нулевых электродов; <?— тра­верса; 9 — диэлектрические пластины; 10 — вертикальная диэлектрическая пластина; 11 — теплоизоляция

182

На верхней крышке нагревателя смонтирована электродная груп­па, состоящая из трех фазных дуговых однопластинчатых элек­тродов 4, размещенных со сдви­гом в 120 ° С на общей условной окружности, и шести дуговых нулевых электродов 5, находя­щихся на условно коаксиально расположенных по отношению к фазным электродам окружнос­тях. Фазные электроды установ­лены на проходных изоляторах 6 с помощью токоподводящих шпилек. Нулевые электроды приварены к верхней крышке нагревателя с помощью шпи­лек 7.

Мощность водонагревателя ре­гулируют экранированием фаз­ных электродов с помощью ди­электрических пластин 9 к 10 (или изолирующих коробов), ус-

тановленных на общей траверсе 8. Последнюю поворачивают ру­кояткой, расположенной над защитным колпаком, на угол 60°.

Верхняя крышка нагревателя в пределах колпака утеплена ас­бестовым листом. Нагреватель оснащен рабочим терморегулято­ром ТКП-1бОСг, защитным термореле ТР-200 и предохранитель­ным клапаном.

Электродный водонагреватель ЭВН-63/0,4 развивает номи­нальную мощность 63 кВт в пределах р2о = 10...50 Ом ■ м при тем­пературе выходящей воды Т₂ = 95 С и производительности 2000...2145 л/ч. Диапазон плавного изменения мощности состав­ляет 15...100% номинального значения. Водонагреватель может работать как самостоятельно, так и в комплекте КОГВ-2500/63 (см. далее).

Водонагреватель ЭВН-60/0,4. Он имеет регулирование мощно­сти в широком диапазоне. Электроды каждой фазы нагревателя набраны из стержней, соединенных единым вертикальным токо-вводом, и изогнуты в плане под углом 120°. Имеются две схемы регулирования мощности: от 50 до 100 % номинальной мощности регулирование осуществляют механически — раздвиганием элект­родов; от 10 до 50 % регулирование может осуществляться с помо­щью тиристорного регулятора.

Пример. Рассчитать электродный проточный водонагреватель ЭВН-63/0,4.

Условие. Электродный трехфазный нагреватель ЭВН-63/0,4 должен быть уста­новлен в системе обогрева помещений и развивать мощность /^>=63кВт. Напря­жение сети {/=380 В. Система электродов — дуговая пластинчатая (см. рис. 2.11). Радиус фазного электрода г_э = 0,18 м; радиус внутреннего нулевого электрода г_{ = 0,145 м; радиус внешнего нулевого электрода г₂ — 0,21 м; длина дуги фазного электрода Ь_э = 0,18 м. Коэффициент а, учитывающий влияние материала корпуса нагревателя, равен 1,12...1,20. Коэффициент К_я, учитывающий неравномерное распределение тока по поверхности электрода, равен 1,15...1,40. Удельное элект­рическое сопротивление воды рго = 20 Ом ■ м. Температура на входе и выходе на­гревателя Т_{ = 70 °С и Т₂ = 95 "С.

Определить межэлектродное расстояние / и высоту пластин Н, фактическую плотность тока на электродах уф_акГ) а также производительность водонагревателя V,.

Решение. Удельное электрическое сопротивление воды при максимальной температуре 95 °С:

Определяем допустимое значение напряженности электрического поля между .электродами Е_юп =Лр_т) (см. с. 171). При р₉5 = 6,95 Ом • м Е_юп = 40 000 В/м.

Минимальное расстояние между фазным и нулевым электродами 1^ - 11^Е„_ОП = = 220/40 000 = 0,0055 м = 0,55 см.

Фактическое расстояние между электродами принимают исходя из конструк­тивных особенностей нагревателя /= 3 см, то есть / > /„ш,.

где Вф = 1/1/Р: 6 = 48 400/10 500 = 4,6 Ом. Приняв а = 1,15, получим Н = 0,55 м = 55 см.

183

Высота электродов

соответствует паспортным данным электроводонагревателя.