1 Разработка схемы электротермического процесса
Электротермический процесс представляет собой совокупность приемов и операций, направленных на перевод материала или продукта из исходного состояния к необходимому конечному состоянию. Схема на рисунке 1.1
ЭТУ – электрокотёл для косвенного нагрева воды, накопительного типа, с трубчатыми нагревательными элементами (ТЭНами).
Холодная вода поступает в котёл из водопровода, нагревается в нём до заданной температуры и под давлением холодной воды вытекает из бака через выходной патрубок с вентилем.
Температура воды в котле измеряется с помощью датчика и термометра. Регулирование температуры в котле осуществляется с помощью терморегулятора. Терморегулятор связан с ЭТУ с помощью схемы управления.
С помощью задатчика устанавливается необходимый уровень температуры воды в баке.
2 Тепловой расчет электротермических установок
2.1 Расчет мощности электротермических установок
Исходные данные расчёта:
Определим расчетную мощность и тепловой КПД электротермической установки для нагрева 150 кг воды от 8 до 60 оС за 1.5 часа. Вода нагревается в баке из малоуглеродистой стали с внешним диаметром d2 = 0,54 м, высотой h = 0,7 м, с толщиной стенок dс = 0,002 м. Коэффициент теплопроводности стенки lс = 50,5 Вт/(м×оС). Теплоемкость воды св = 4,19 кДж/(кг×оС), температура окружающей среды tо = 10 оС.
Производительность установки
,
(2.1)
где V
– объем нагреваемого материала,
;
t
– время работы установки, ч;
– плотность материала, кг/
Определяем полезную мощность
,
(2.2)
где m – масса нагреваемой жидкости, кг; св = 4,19 кДж/(кг×оС) - теплоемкость воды; t1 – начальная температура жидкости, оС; t2 – конечная температура жидкости, оС.
Внутренним контактным термическим сопротивлением 1/a1 при переходе теплоты от воды к баку можно пренебречь ввиду его малости.
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности бака
,
(2.3)
где
t
– разница температур.
Внутренний диаметр бака
,
(2.4)
где d2
– внешний диаметр бака, м;
- толщина стенки бака, м.
Термическое сопротивление боковой цилиндрической стенки бака на 1 м длины
,
где lс
- коэффициент теплопроводности стенки
lс
= 50,5 Вт/(м×оС);
- коэффициент теплоотдачи наружной
поверхности бака, Вт/(м×оС);
d2
– внешний диаметр бака, м.
Термическое сопротивление боковой поверхности бака
,
(2.6)
где h – высота бака, м; Rlб - термическое сопротивление боковой цилиндрической стенки бака на 1 м длины (м×оС)/Вт.
Термическое сопротивление торцевой поверхности бака
,
(2.7)
где
- толщина стенки бака, м; lс
- коэффициент теплопроводности стенки
lс
= 50,5 Вт/(м×оС);
- коэффициент теплоотдачи наружной
поверхности бака, Вт/(м×оС);
Площадь боковой поверхности бака
,
(2.8)
где Н – высота бака, м; d2 – внешний диаметр бака, м.
Площадь торцевой поверхности
,
(2.9)
Тепловой поток, теряемый через боковую поверхность
,
(2.10)
где t – разница температур; Fбок - площадь боковой поверхности бака, м ; Rбок - термическое сопротивление боковой поверхности бака (м×оС)/Вт.
Тепловой поток, теряемый через торцевую поверхность
,
(2.11)
где t – разница температур; Fт - площадь торцевой поверхности бака, м ; Rт - термическое сопротивление торцевой поверхности бака (м×оС)/Вт.
Общие потери
,
(2.12)
где Рбок - тепловой поток, теряемый через боковую поверхность, Вт; Рт - тепловой поток, теряемый через торцевую поверхность, Вт.
Расчетная мощность
,
(2.13)
где Рпол - полезная мощность, Вт; Рпот – общие потери, Вт.
Тепловой КПД
,
(2.14)
где Рпол - полезная мощность, Вт; Ррасч – расчетная мощность, Вт.
Установленная мощность
, (2.15)
Мощность нагревательных элементов должна соответствовать расчетной мощности. Шесть ТЭНов мощностью по 2 кВт будут удовлетворять условию.
12,0кВт
11,9
кВт
Выбираем в роли нагревательных элементов трубчатые электронагреватели ТЭН 73В 13/2.0 Р 220 – 6 шт.
ТЭН – трубчатый электронагреватель;
73 – развёрнутая длина нагревателя, см;
В – длина контактного стержня в заделке(100 мм);
13 – наружный диаметр трубки, мм;
2.0 – номинальная мощность, кВт;
Р – обозначение нагреваемой среды (вода);
220 – номинальное напряжение 220 В.