книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

Компрессионные тепловые насосы. Некоторые тепловые процессы на животноводческих фермах идут в противоположных направлениях. В одних случаях необходимо избавиться от излишнего тепла (охлажде­ ние молока, удаление излишнего тепла из животноводческих помеще­ ний и т. п.), а в других, наоборот, требуется тепло (нагрев воды, тепло­

вая обработка кормов и т. п.). Как при нагреве, так и при охлаждении затрачивается энергия.

Тепловые насосы позволяют со сравнительно невысокой затратой энергии «перекачивать» тепло от тех сред, где оно не нужно, к тем сре­ дам, которые в нем нуждаются. Компрессионные тепловые насосы работают по тому же принципу, что

ихолодильные машины. За счет затраты электрической энергии на привод компрессора забирается тепло от охлаждаемой среды (источ­ ник тепла с низкой температурой)

исообщается среде с более высо­ кой температурой.

Тепловые насосы с успехом могут быть использованы для обо­ грева животноводческих помеще­ ний, нагрева воды и т. п. Источни­ ком тепла низкой температуры для них могут служить охлаждаемое молоко, речная вода (зимой и ле­ том), биологическое топливо (на­ воз), окружающий воздух и др.

Принципиальная схема тепло­ вого насоса для одновременного охлаждения молока и нагрева воды приведена на рис. 157. Компрессор

подает сжиженный фреон в испаритель, находящийся в ванне с рас­ солом. Испаряясь, фреон охлаждает рассол. Охлажденный рассол насосом подается в охладитель, где отбирает тепло от молока. Пары фреона отсасываются компрессором и сжимаются, при этом температура фреона повышается до 80—90 °С. В конденсаторе-теплообменнике сжатые пары фреона отдают тепло воде, конденсируются и через терморегулирующий вентиль вновь подаются в испаритель, а нагретая вода используется для технологических нужд.

Каждый киловатт-час затраченной электроэнергии позволяет по­ лучить 10—15 МДж тепла, что в 3—4 раза экономичнее прямого элек­ тронагрева. Применение тепловых насосов на животноводческих фер­ мах имеет большие перспективы, так как в результате использования отбросного тепла дает значительную экономию энергии.

Опытами установлено, что по затратам электроэнергии тепловой насос экономичнее, например, холодильной установки МХУ-8с, работающей в комплекте с водонагревателем ВЭТ-200. В первом случае расход электроэнергии на 1 т охлажденного молока составляет 33 кВт -ч,

331

а во втором — 68 кВт*ч. Однако тепловые насосы требуют значитель­ ных единовременных затрат, которые более чем в 2 раза превышают затраты на устройство прямого электронагрева.

Термоэлектрические холодильники. Наиболее перспективными холо­ дильными установками являются термоэлектрические холодильники.

Принцип термоэлектрического получения холода основан на явлении, откры­ том в 1834 г. французским физиком Пельтье. Сущность этого явления заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термопару на одном из ее спаев выделяется тепло, а на втором оно поглощается. Если температуру нагревающегося спая за счет отвода тепла поддерживать постоянной, то второй спай будет охлаж­ даться и может при этом отнимать тепло от какого-либо объекта, подлежащего ох­ лаждению.

Явление Пельтье получило практическое применение только с разработкой полупроводниковых термоэлементов, у которых эффект охлаждения значительно выше, чем у металлов. Важнейшие работы в области теории и практического приме­ нения полупроводниковых термоэлектриче­ ских устройств принадлежат советскому уче­

ному А. Ф. Иоффе.

ческой планки 3 соединяется с эле­ ментом 2, имеющим дырочную проводимость; последний в свою оче­ редь соединяется планкой 4 с элементом, имеющим электронную проводимость, и т. д.

При пропускании тока через термоэлементы в направлении, ука­ занном на рис. 158, на спаях элемента с планкой 3 будет выделяться теплота (называемая теплотой Пельтье в отличие от теплоты Джоуля), а на спаях элемента с планкой 4 — поглощаться. Если при этом тем­ пературу планок 3 за счет теплообмена с окружающей средой поддер­ живать постоянной, то планки 4 будут охлаждаться до тех пор, пока тепло, приходящее по ветвям термоэлемента и из окружающей среды, не скомпенсирует поглощающуюся в этих элементах теплоту Пельтье.

Для более интенсивного отвода тепла от спаев блока термоэлемен­ тов последний снабжается наружным радиатором, обеспечивающим теплоотвод от горячих спаев, и внутренним радиатором, служащим для теплообмена между холодными спаями и воздухом внутри холо­ дильной камеры. Конструкции как самого термоблока, так и радиа­ торов могут быть весьма разнообразны.

В южных районах страны внедряются полупроводниковые тепловые насосы, которые зимой используются для отопления, а летом — для кондиционирования воздуха. Эти установки имеют высокие экономи­ ческие показатели.

3 2

20 .5 . Э КО НО М ИЧ ЕСКАЯ Э Ф Ф Е КТИ В Н О С Т Ь ЭЛЕ КТР О Н А ГР ЕВ А *

Наибольшее распространение в сельском хозяйстве имеют два способа получения тепловой энергии: 1) сжиганием топлива в энерго­ технологических агрегатах или специальных топливных (огневых) установках; 2) сжиганием топлива на электростанциях для получения электрической энергии с последующим преобразованием (у потреби­ телей) в тепловую энергию.

Второй способ получения тепловой энергии связан с неоднократ­ ным преобразованием одного вида энергии в другой. В результате этого коэффициент полезного использования энергоресурсов (топлив) в электротепловых установках в большинстве случаев значительно ниже, чем в топливных. Чтобы не допустить перерасхода энергоресурсов при переводе тепловых процессов на электронагрев, необходимо пред­ варительно сделать технико-экономическое обоснование.

Особенностью тепловых процессов в сельском хозяйстве является то, что они преимущественно низкотемпературные, с рабочими темпера­ турами не выше 150—200 °С. Низкотемпературный нагрев легко осуществляется непосредственным сжиганием твердого или жидкого топлива невысокого качества. Электрический же нагрев оказывается наиболее экономически целесообразным в высокотемпературных про­ цессах (1000—1500 °С и выше), которые трудно получить с помощью других способов нагрева. Необходимо учитывать, что тепловые про­ цессы являются очень энергоемкими и требуют больших затрат элек­ трической энергии, поэтому применение низкотемпературного электро­ нагрева в сельском хозяйстве должно быть экономически оправдано.

Вместе с тем, излишняя осторожность в применении электронагрева тормозит технический прогресс в сельском хозяйстве, сдерживает рост энерговооруженности труда, снижает эффективность электрифи­

кации.

В тех случаях, когда нагрев от огневых установок связан со значи­ тельными капиталовложениями — при разбросанности потребителей тепла, при больших затратах на обслуживание, при высоких требова­ ниях к поддержанию температурных режимов и других — электро­ нагрев является экономически оправданным.

Экономическое обоснование применения электронагревательных установок в каждом конкретном случае производится путем сравнения годовых расчетных (приведенных) затрат на электронагрев и, например,

огневой нагрев.

Приведенные затраты определяются по формуле:

- где 3 — годовые расчетные затраты, руб./ГДж; А — годовая выработка тепловой энергии, ГДж(1 ГДж = ІО9 Дж);*

* По работе В. А. Карасенко

333

рн — нормативный коэффициент эффективности капиталовложе­ ний, величина которого для различных отраслей народного хозяйства и вида оборудования устанавливается планирую­ щими органами (для сельскохозяйственной техники рп= 0,2)'

К— единовременные капиталовложения, определяемые по сметной стоимости теплогенерирующей установки (если

применение огневого или электрического нагрева связано с необходимостью сооружения специальных построек для них, то стоимость последних должна быть включена в едино­ временные капиталовложения наряду со стоимостью самих установок), руб.;

С — годовые эксплуатационные расходы, руб.

Годовые эксплуатационные расходы слагаются из следующих

Сз — годовая заработная плата персонала, занятого обслу­ живанием теплогенерирующей установки и другого оборудования, непосредственно связанного с работой этой установки, руб.;

Сэ, X— стоимость электроэнергии, израсходованной в электро­ нагревательной установке за год, или стоимость топ­ лива, израсходованного в огневой установке за год, руб-;

Сн — неучтенные за год расходы, в том числе накладные расходы, отчисления на соцстрах и др., руб.

Годовые отчисления на амортизацию и текущий ремонт определя­ ют по формуле:

где Ра и Рр — годовые нормы отчислений на амортизацию и ремонт в процентах от величины капиталовложений К-

Некоторые значения р.л и р Р( %

Затраты на зарплату рассчитывают исходя из фактической заня­ тости персонала по обслуживанию тепловых установок и выполнению вспомогательных операций (подвоз топлива, удаление золы, обслу­ живание электрохозяйства и т. п.) и норм оплаты труда для соответ­ ствующей категории работников.

334

Затраты на топливо и электроэнергию оцениваются по их годовому расходу (с учетом всех потерь). При экономической оценке электро­ нагрева для данного хозяйства стоимость топлива и электроэнергии

берется по действующим ценам и тарифам с учетом транспортных рас­ ходов (для топлива).

Вариант, имеющий меньшие значения приведенных затрат,

является экономически более выгодным и должен применяться в хо­ зяйстве.

Приведенные затраты, определяемые по формуле (20-2), не отра­ жают всех преимуществ электронагрева, в частности таких, как высокие санитарно-гигиенические условия, меньшая пожароопас­ ность, облегчение и улучшение условий труда людей. В то же время они оказывают заметное влияние на продуктивность животных, а также производительность труда и, в конечном счете, на себестоимость про­ дукции. При более глубоком сопоставлении вариантов необходимо по возможности производить количественную оценку побочных фак­ торов.

Р а с ч е т ы и п р а к т и ч е с к и й о п ы т п е р е д о в ы х э л е к т р и ф и ц и р о в а н н ы х х о з я й с т в п о к а з ы в а ю т , что наиболее рационально и экономично применять электронагрев в следующих случаях: 1) для процессов (установок), в которых тре­ буется высокая точность поддержания и регулирования температур­ ных режимов при сравнительно небольших мощностях (инкубаторы, брудеры, электровулканизаторы, бытовые приборы и др.); 2) для получения тепла в установках с малым числом часов их использова­ ния в год и постоянной готовностью к действию (нагрев воды на доильных площадках и молочных, обогрев доильных площадок в период доения в зимнее время, пастеризация молока на прифермских молочных, пастеризация обрата для телят и др.); 3) при местном обогреве молодняка животных и птицы (электробрудеры для цыплят и поросят, электрообогреваемые полы, установки лучистого обогрева для новорожденных телят и др.); 4) при электроподогреве воздуха в установках активного вентилирования зерна, сена и других сель­ скохозяйственных продуктов и кормов; 5) для установок с большой теплоаккумулирующей способностью, которые можно включать в часы (главным образом ночные) провалов в суточных графиках нагрузок трансформаторных подстанций (аккумуляторы горячей воды, электро­ обогреваемые полы и др.); 6) для получения тепла с помощью электротепловых насосов, использующих низкопотенциальные вторичные энергоресурсы животноводческих ферм (тепло охлаждаемого молока, отработанную технологическую воду, вентиляционный воздух) или природные источники (тепло рек, озер и т. д.); 7) при электроподо­ греве питьевой воды для животных в зимнее время.

Перечисленные случаи не исчерпывают всех рациональных в тех­ нико-экономическом отношении областей применения электронагрева

в сельском хозяйстве.

Пример. Произвести выбор источников теплоснабжения для отопле­ ния родильного отделения коровника и снабжения молочной техноло­

335

гической горячей водой. Расчетная тепловая нагрузка Qp = 200 АЩж/ч годовое число часов использования Тг = 2000 ч.

Расчетную нагрузку можно обеспечить с помощью огневого котла КВ-100 или электродного водогрейного котла КЭВЗ-60Я),4.

Технико-экономические показатели приведенных котлов

В котле КВ-100 сжигается донецкий уголь марки Т стоимостью 10 руб/т. Расстояние для перевозки (от железнодорожной станции) автотранспортом 50 км, стоимость перевозки 8 коп. за 1 т-км. Часовой

Q н

где QH— номинальная теплопроизводительноеть котла, МДж/ч. Стоимость годового расхода топлива

Ст = GTST = 24 • 14 = 336 руб.

Зарплата обслуживающего персонала (за год)

С3= 2000• 0 ,5 = 1000 руб.

Отчисления на амортизацию и ремонт

Неучтенные расходы, согласно рекомендациям ВИЭСХ, прини­ маются в размере 5% от затрат на амортизацию, текущий ремонт и зарплату

Котел КЭВЗ-60/0,4 автоматизирован; постоянного обслуживаю­ щего персонала не требуется. Годовые затраты труда на профилакти­ ческие осмотры и ремонт составляют 100 человеко-часов при часовой ставке 0,6 руб./ч.

336

Годовой расход электроэнергии

Стоимость расхода энергии за год при тарифе 1 коп./кВт-ч

С9 = 117 000 • 1 • 10-8=1170 руб.

Годовая зарплата с начислениями

С3= 100 • 0,6 = 60 руб.

Отчисления на амортизацию и ремонт за год

Неучтенные расходы

Сн = 0,05 (193 + 60)= 13 руб.

Годовая выработка тепла в обоих вариантах

Л = Qpr r = 200.2000 = 400 -Юз МДж = 400 ГДж.

Годовые эксплуатационные расходы и расчетные затраты опреде­ ляем но формулам (20-2), (20-3) для обоих вариантов:

для КВ-100

С = Са + Ср + С3 + Ст + Сн = 81 + 1000 + 336 + 5 4 = 1471 руб.,

з = (ряк + С) = ~ б (0,2 • 250 + 1471) = 3,80 руб./ГДж;

для КЭВЗ-60/0,4

С = 193 + 6 0 + 1170+ 13= 1436 руб.,

3 = “ q (0,2 ■600 + 1436) = 3,89 руб./ГДж.

Полученные результаты практически равноценны. При надежном электроснабжении следует принимать вариант с электродным водо­ грейным котлом КЭВЗ-60/0,4. Экономические показатели этого котла по сравнению с КВ-100 будут улучшаться с уменьшением годового числа часов использования и увеличением расстояния перевозок топлива. При малых затратах на топливо и большом числе часов использования лучшие показатели будет иметь огневой котел.

Контрольные вопросы

1. Какими преимуществами обладают электронагревательные установки?

2.Каковы способы электронагрева?

3.Чем отличаются электронагревательные установки прямого и косвенного

нагрева?

4. Какие электронагревательные установки относятся к установкам периоди­

ческого и непрерывного действия?

5. Каковы отличительные особенности компрессионных тепловых насосов в сравнении с компрессионными холодильными машинами?

337

21. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

21.1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Нагревательный элемент является основным устройством устано­ вок к о с в е н н о г о э л е к т р о н а г р е в а . Он состоит из нагре­ вательного сопротивления и вспомогательных.устройств для электри­ ческой изоляции, герметизации, защиты от механических поврежде­ ний, подвода тока, крепления. В нагревательном сопротивлении про­ исходит преобразование электрической энергии в тепловую, которая затем передается телам или средам.

Надежность и долговечность электронагревательных установок сопротивления зависит в основном от нагревательного элемента который работает в очень тяжелых условиях. Правильно рассчитанные и эксплуатируемые элементы имеют срок службы 1000—2000 ч, тогда как конструкционные части служат 5—10 лет.

которые должны обладать следующими основными свойствами: ^боль­ шим удельным сопротивлением р (порядка 0,5-ІО“6—1,0-10“®Ом-м), так как с увеличением р уменьшаются затраты материалов, а следова­ тельно, габариты и стоимость нагревательных устройств; 2) малым температурным коэффициентом сопротивления а (примерно 1 - ІО-4 °С_1) с тем, чтобы при изменении температуры нагрева сопротивление нагревательного элемента изменялось бы незначительно; 3) устойчи­ востью к окислению при высоких температурах (жаростойкостью), так как окисление приводит к уменьшению поперечного сечения, увели­ чению сопротивления нагревательного элемента и его разрушению; 4) жаропрочностью — способностью выдерживать механические на­ грузки от собственного веса при высоких температурах; 5) высокой температурой плавления (на 150—300 °С выше рабочей температуры); 6) невысокой стоимостью.

Этим требованиям в основном удовлетворяют такие материалы, как никель, хром, железо, марганец и сплавы: нихром, фехраль, константан. Для изготовления нагревательных сопротивлений применяются нихром, фехраль, нержавеющая сталь, константан, стальная оцин­ кованная проволока.

Н и х р о м — сплав никеля, хрома и железа с добавкой марганца. Различают двойные и тройные сплавы нихромов. Двойной сплав нихрома (Х20Н80) содержит около 20% хрома и 80% никеля и является наиболее высококачественным, и наиболее дорогим, сплавом для нагревательных сопротивлений. Тройной сплав (Х15Н60) содержит 13—15% хрома, около 60% никеля, остальное — железо. Это менее дорогой материал. Нихромы обладают высокой жаростойкостью (их допустимая рабочая температура равна 1000—1100 °С), высоким удельным электрическим сопротивлением (1,1-10'® Ом-м) и малым температурным коэффициентом сопротивления (1,6- ІО“4 °С“4 при 20 °С).

338

Особенность нихромов состоит в том, что они не являются магнит­ ными материалами.

Ф е х р а л ь — железохромистоалюминиевый сплав; например, сплав типа Х13А4 содержит 13% хрома, 83% железа и 4% алюминия! Фехраль более дешевый материал, чем нихромы.

Ко н с т а н т а н —■сплав меди, марганца и никеля. В установках

сневысокими температурами нагрева (до 400 °С) используется кон­ стантан, содержащий около 60% меди и 40% никеля.

Всельскохозяйственном производстве в некоторых случаях для изготовления нагревательных элементов применяется стальная оцин­ кованная проволока. Она является дешевым и доступным материалом, хорошо обрабатывается. К недостаткам стальных нагревательных элементов следует отнести низкую жаростойкость (допустимые рабо­ чие температуры не более 300—350 °С), низкое удельное сопротивле­ ние, высокий температурный коэффициент сопротивления. Стальные нагревательные элементы применяются для обогрева почвы и воздуха

впарниках и теплицах, для обогрева полов в животноводческих и птицеводческих помещениях. Технические данные наиболее распро­

рыночная

Нагревательные элементы изготовляются также из полупроводни­ ковых материалов, обладающих повышенным удельным сопротивле­ нием: силита, дисилицида молибдена и др.

В нагревательных элементах, кроме проводниковых материалов, используются и з о л я ц и о н н ы е м а т е р и а л ы , выбор которых столь же важен, как и выбор нагревательного сплава. Помимо обыч­ ных изоляционных свойств, они должны обладать хорошей тепло­ проводностью, чтобы свести к минимуму температурный перепад между нагревательным сопротивлением и рабочей поверхностью элемента. Изоляционные свойства (сопротивление изоляции и диэлектрическая

339