2.2 Расчет тепловой изоляции
Для водонагревателей тепловая изоляция выполняется в виде внешнего кожуха (двухслойной стенки). Пространство между колом и кожухом заполняется теплоизоляционным материалом. Применение такого варианта дает возможность не только снизить потери тепла, но и исключить конденсацию капель жидкости на внешней поверхности котла, что повысит уровень безопасности при работе с данной установкой.
В роли теплоизоляционного материала выберем асбестовую ткань АТ с хлопком.
Плотность р=500
кг/
,
коэффициент теплопроводности lи
= 0,139
Вт/(моС),
удельная теплоемкость с=0,83 кДж/(кг×оС),
допустимая температура t=200
оС.
Оптимальная толщина изоляции для плоской стенки определяется:
(2.15)
где Sэ - стоимость электроэнергии, руб/(кВт×ч);
lи - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м×оС);
t - число часов работы установки в течение года, ч/год;
Dt - среднегодовая разность температур между нагреваемым материалом и окружающей средой, оС;
pа - коэффициент отчислений на амортизацию;
Eн - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, Eн = 0,15 1/год;
Sи - стоимость 1 м3 изоляционного материала, руб/м3;
a1, a2 - коэффициенты теплоотдачи от нагреваемой среды внутренней стенке и от наружной стенки к окружающей среде, Вт/(м2×оС);
dс, lс - толщина, м, и коэффициент теплопроводности металлической стенки, Вт/(м×оС).
Для цилиндрических тел уменьшение тепловых потерь наступает при условии:
(2.16)
Условие соблюдается, следовательно, теплопотери снижаются.
Изоляция должна иметь коэффициент теплопроводности:
(2.17)
Условие соблюдается, следовательно, величина термического сопротивления изоляции достаточна для снижения наружной температуры установки.
4 Расчет параметров автоматического регулирования
Масса бака mб = 25.62 кг.
Теплоемкость материала бака сб = 451 Дж/(кг×оС).
Теплоемкость установки
, (3.1)
где тв, св – масса, кг и теплоемкость воды, Дж/(кг×оС).
Коэффициент теплопередачи боковой стенки бака
,
(3.2)
где Rбок – термическое сопротивление боковой поверхности бака (м×оС)/Вт.
Коэффициент теплопередачи торцовой стенки
,
(3.3)
где Rт – термическое сопротивление торцовой поверхности бака (м×оС)/Вт.
Средний коэффициент теплопередачи
,
(3.4)
где kбок и km – Коэффициенты теплопередачи боковой и торцовой стенки, Вт /(м ×оС)
Коэффициент теплопотерь в окружающую среду
,
(3.5)
где Fбок и Fт – площади боковой и торцевой поверхности, м
Постоянная времени
,
(3.6)
где С – теплоемкость установки, Дж/(кг×оС); А – коэффициент теплопотерь в окружающую среду, Вт/ оС.
Коэффициент передачи установки
,
(3.7)
где А – коэффициент теплопотерь в окружающую среду, Вт/ оС.
Мощность, необходимая для поддержания заданной температуры в установившемся режиме
,
(3.8)
где tу –температура нагрева воды, оС; kоб – коэффициент передачи установки, оС /Вт.
Регулирующее воздействие при включении электронагревательных элементов
,
(3.9)
где Рн – номинальная мощность, Вт; Ро – мощность, необходимая для поддержания заданной температуры в установившемся режиме, Вт.
Регулирующее воздействие при выключении электронагревательных элементов
В2=1
Зона неоднозначности регулятора ДТКБ -53
,
(3.10)
а = 0.028/2 = 0.014
где 2а=2…3 оС, из параметров регулятора ДТКБ -53.
Длительность включения нагревателей. Коэффициент передачи для тепловых процессов в относительных единицах равен единице kоб = 1.
Время запаздывания t в расчетах можно принять равным 10…600 с. для нагревательных установок
, (3.11)
Длительность пауз
, (3.12)
где В1 и В2 – регулирующее воздействие при включении и при выключении электронагревательных элементов; t – время запаздывания; а – зона неоднозначности прибора; kоб – коэффициент передачи установки.
Период колебаний
,
(3.13)
где Т1 и Т2 – длительность включения нагревателей и длительность пауз, с.
Частота включений
,
(3.14)
Тк – период колебаний, с.
Диапазон колебаний температуры
(3.15)
где В1 и В2 – Регулирующее воздействие при включении и при выключении электронагревательных элементов; а – зона неоднозначности прибора; t – время запаздывания; kоб – коэффициент передачи установки.
Положительная амплитуда температуры
, (3.16)
где В1– Регулирующее воздействие при включении электронагревательных элементов; а – зона неоднозначности прибора; t – время запаздывания; kоб – коэффициент передачи установки.
Абсолютное значение
,
(3.17)
где t1 – положительная амплитуда температуры; tу –температура нагрева воды, оС.
Отрицательная амплитуда температуры
,
(3.18)
где В2 – Регулирующее воздействие при выключении электронагревательных элементов; а – зона неоднозначности прибора; t – время запаздывания; kоб – коэффициент передачи установки.
Абсолютное значение
,
(3.19)
где t2 – отрицательная амплитуда температуры; tу –температура нагрева воды, оС.
Величина коррекции регулятора
,
(3.20)
где В1 и В2 – Регулирующее воздействие при включении и при выключении электронагревательных элементов; kоб – коэффициент передачи установки.
Расход энергии за сутки
,
(3.21)
где Т1– длительность включения нагревателей, с; Рн – номинальная мощность, Вт; Тк – период колебаний, с.
Рисунок 3.1 График регулирования температуры объекта.
Работа схемы
С помощью рубильника SQ1 напряжение трехфазной сети через предохранители FU1…FU3 подаем на автоматический выключатель QF1, установленный на входе схемы установки. С него напряжение поступает на силовые контакты КМ 1.1 магнитного пускателя КМ1. С линии L3 однофазное напряжение поступает на схему управления через предохранитель FU4. Кнопкой SB2 включаем промежуточное реле KV1, которое в свою очередь контактами KV 1.1 блокируется, а контактами KV 1.2 включает магнитный пускатель КМ1. Также загорается лампа HL1 – «Сеть», питающаяся через резистор R1 и блокконтакты KV 1.1. Через контакты KV 2.1 и резистор R2 питается лампа HL2 – «Нагрев». Промежуточное реле KV2, контакты которого в исходном состоянии (вода в котле холодная) замкнуты и питают магнитный пускатель КМ1 и лампу HL2, устанавливает связь между терморегулятором и схемой управления установки. Когда температура в котле достигнет заданной (70 оС), сработает терморегулятор и через промежуточное реле KV2 отключает магнитный пускатель КМ1, размыкаются контакты
КМ 1.1, отключив ТЭНы АК1. Размыкаются контакты KV 2.1, отключив лампу HL2. При снижении температуры воды в котле вновь сработает терморегулятор и включив промежуточное реле KV2 включит котел в режим нагрева воды. Лампа HL2 загорается.