Электрический обогрев почвы и воздуха

Для обогрева воздуха применяют только посевной нагрев.

Для обогрева почвы применяют прямой и косвенный нагрев (нагрев сопротивлением) и косвенный индуктивный нагрев.

В парниках и теплицах распространен элементный и эл.калориферный способы нагрева. (с помощью стальной изолированной оцинкованной проволоки диаметром 2…6мм, нагревательных проводов, кабелей).

Нагреватели размещают в асбоцементных трубах диаметром 50…150мм, которые уменьшают с небольшим наклоном в песке под слом почвы, насыпанным на теплоизолирующий слой шлака. Нагревательные элементы в трубах защищены от влаги и механических повреждений, их легко эксплуатировать при этом, так же выравнивается температура почвы.

Недостатки: большой расход труб.

При обогреве неизолированным проводом с экранной сеткой нагревательным элементом является стальная проволока, которую укладывают зигзагообразно в слой песка поверх провода насыпают слой песка 15-20см, и укладывают экранированную сетку, которую присоединяют к нулевому проводу сети, поверх сетки насыпают культурный слой почвы.

При этом тепло выделяется как в самом нагревателе, так и в почве за счет тока протекающего между проволокой и сеткой.

Недостатки: расход металла (проволоки); возможность поражения током.

Парники с обогревом асфальтобетонными плитами обладают большой аккумулирующей способностью, обеспечивают равномерность нагрева и высокую электрическую безопасность.

На грунт насыпают слой шлака 0,2м, затем посыпают его песком, на песок укладывают асфальтобетон.

78% песок, 9-12 бетон

Затем укладывают стальной неизолированный провод 2..3мм.

Затем снова закладывают асфальтобетон, который обеспечивает хорошую изоляцию (380В).

При обогреве воздуха провод подвешивают на строительных конструкциях или крепят на несущем тросе.

Обогрев при помощи калориферов применяют в высоких теплица, парниках и пленочных укрытиях для этого укладывают в подогреваемый слой гончарные или асбоцементные трубы, а калорифер устанавливают в системе воздуховодов в трубы подают подогретый воздух.

Преимущество: простота, возможность автоматизации.

Используют установки СФОЦ.

Расчет нагревательных элементов для обогрева грунта

Мощность установки определяется исходя из условия теплового баланса, она должна быть достаточной для компенсации потерь тепла в окружающую среду. Расчет ведут по ночной температуре.

Условие баланса: Qоб=Qогр+Qвет+Qгрунт+……[Дж]

Qоб – необходимая производительность (энергия) обогрева

Qогр – потери через ограждения

Qвет – потери тепла с вентиляцией воздуха

Qгр – потери тепла в грунт

Точный расчет

Точный расчет теплового баланса часто затруднителен из-за недостаточности исходных данных, следовательно, в практических расчетах зачастую пользуются приблизительной формулой.

; или P=k₀A₀(t_вн-t_нар)

А₀ – площадь отепления

t_вн t_нар – температура внутри и снаружи

k₀ – приведенный коэффициент теплоотдачи через остекление который изменяет в зависимости от скорости ветра от 0 до 10м/с - изменяется от 4 до 12 вт/м²с.

R_T- удельное термическое сопротивление остекления м²с/Вт.

А₀ – площадь, определяется конструкцией теплицы

По удельным величинам мощность обогрева определяется: Р =Р₀ А₀.

Р₀ – удельная поверхностная мощность обогрева Вт / м².

В зависимости от климатического района Р₀= 150…200 Вт / м².

Соотношение мощностей почвенного и воздушного обогрева берется по опытным данным.

Например, для парников:

Р_почвы = (0,5 –0,7) Р_{воздушного обогрева}

для теплиц:

Р_почвы = (0,3 –0,5) Р_{воздушного обогрева}

Нагревательные элементы почвенного и воздушного обогревов рассчитываются отдельно.

Цель расчета определить диаметр и длину нагревательных элементов.

Исходя из конструкционных соображений обычно первый параметр задают, а другие рассчитывают.

Методика расчета

Для почвенного обогрева:

1. определить мощность обогревателя на одну фазу:

Р_{нагревателя}=Р_почвы / m;

m – число фаз

2. Определить фазный ток нагревателя

I_ф= Д_нагр / U_фcos 

cos =0,9

3. Определить допустимый ток провода при заданной температуре провода и его диаметре.

Температура провода в асфальтобетонных плитах не должна превышать 10^оС, следовательно, нагревательный элемент рассчитывают, используя экспериментальные данные.

Номограмма диаметров провода в зависимости от температуры стальной оцинкованной проволоки и допустимой токовой нагрузки

4. Рассчитывают число параллельных ветвей в фазе

n=I_ф/I_доп

5. Определяем уточненное значение силы тока в ветви

I_д=I_ф/n

6. Возвращаемся к монограмме и уточняем температуру по уточненному току

7. Определяем удельное линейное сопротивление R_l, зная диаметр проволоки и его температуру.

8. Находим фазное активное сопротивление ветви зная , U, cos 

9. Рассчитываем длину провода (длину ветви), подключаемое на данное сопротивление U (U_ф)

l=Rв/Rс

10. Находим суммарный расход провода

l_=nmL

Оптимальный микроклимат и длительный период вегетации семян овощных культур создают условие для развития и размножения в почве вредителей и возбудителей болезни. Следовательно, в почву необходимо обеззараживать или заменять, процесс замены требует больших затрат.

Чаще всего прибегают к стерилизации почвы, при этом нагрев почвы до 90-100^оС паром или электрическим током - наиболее эффективные способы борьбы с вредителями.

Преимущество электрического нагрева в том, что почву после стерилизации можно использовать сразу же, а процесс автоматизируется и контролируется.

Для обогрева почвы применяют стерилизаторы с элементными или электродными нагревателями.

Элементный стерилизатор представляет собой ящик в котором установлены пластины из сплава на основе алюминия и на пластина укреплены тэны. Тепловой поток от тэнов передается пластинам, а от низ в почву.

Электродный стабилизатор выполнен из деревянного ящика, вставленны 4 электрода и подключены на 380В.

Для равномерного распределения нагрузки между фазами крайние электроды соединяют между собой проводами, электрический ток проходя через почву нагревает его.

 Система управления.

Как объект автоматизации теплицу характеризуют параметры отопления естественную и принудительную вентиляции температурно-влажностные параметры воздуха и почвы, данные технологического оборудования для посева, приготовления минеральных удобрений.

Внешние факторы: солнечная радиация, скорость и направление ветра, температура воздуха.

Основы диэлектрического нагрева.

Под диэлектрическим нагревом понимают нагрев диэлектриков и полупроводников в переменном электрическом поле, под действием которого материал нагревается.

Поляризация – процесс смещения связанных зарядов, приводящих к появлению электрического момента у любого микроскопического объема тела.

Поляризацию разделяют:

1. упругую (без инерционная), обуславливает энергию электрического поля

2. релаксационную (инерционная), обуславливает (энергию) теплоту выделяющуюся в нагреваемом материале

Особенности диэлектрического нагрева

1. теплота выделяется в самом нагреваемом материале, что позволяет в 10…100 раз ускорить нагрев по сравнению с конвективным нагревом, особенно это заметно с малой теплопроводностью (дерево, зерно, пластмасса, клей …)

2. Диэлектрический нагрев селективен (изберателен)

Удельная объемная мощность, а следовательно и температура неоднородного материала различна, эту особенность используют например при дезинфекции.

3. При диэлектрической сушке температура в центре выше, чем по территории, влага перемещается от влажного слоя к сухому и от горячего к холодному. Значит диэлектрическая сушка эффективней конвективной. Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической поверхности, расположения и формы электродов, образующих поле. Наиболее часто встречаются следующие способы расположения электродов:

а). Цилиндрический конденсатор

б). Плоский однослойный конденсатор

в). Плоский многослойный конденсатор, с расположением слоев материала по периметру электрического поля

Предельное максимальное значение напряженности ограничивается электрической прочностью нагревательного материала. Например, напряженность должна составлять не более половины от пробивной напряженности для семян овощных культур и зерновых культур и составляет 5…19*10³;Для дерева 40*10³

Применение диэлектрического нагрева

1. Биологическое воздействие (стерилизация пищевых продуктов, дезинфекция семян, морение шелкопряда, предпосевная обработка семян, прогрев людей и животных).

2. Сушка пищевых продуктов, древесины, чая, табака, электрических изоляционных материалов , войлока, кожи, бумажных изделий.

3. Теплотехническое воздействие при пропитке древесины, приготовление кукурузных хлопьев.

4. Плавление жиров, пластмасс, стекла, клея, так же изготовление изоляционных материалов и.д.

5. Вулканизация каучука, морение древесины.

Недостатки диэлектрического нагрева:

1. Высокое потребление электрической энергии

2. Дорогое оборудование

3. Необходимость в квалифицированном персонале.

Следовательно применение диэлектрического нагрева целесообразно там, где это ведет к усовершенствованию технологий и эксплуатационные затраты и издержки компенсируются качеством и количеством продукции.

Установки для диэлектрического нагрева

- специальные высокочастотные установки для обработки одного или нескольких видов продукции.

- установки общего назначения

Все установки имеют одинаковую блок-схему

Блок схема установки:

1. Блок защиты установки от некорректных и аварийных режимов

2. Повышающий трансформатор до 6-10кВ.

3. Полупроводниковый выпрямитель

4. Ламповый генератор с анодно-разъединительными и сеточными цепями.

5. Блок промежуточных комбинированных контуров с регуляторами мощности, подстроечными емкостями и индуктивностями.

6. Высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором.

Материал нагревают в загрузочной емкости 6, напряжении высокой частоты подводится к 6 рабочей емкости через 5.

Основная часть энергии теряется на аноде лампы, которую приходится охлаждать.

Технические характеристики некоторых в.ч. генераторов.

Марка	Р(S)ном, кВт	Рабочая частота, МГц	Номинальное напряжение, кВ	Мощность из сети Р, кВт
ВЧГ-4/27	4	27,12	6	7,0
ВЧГ-160/15	160	13,56	10,5	300

Нагревание диэлектриков на сверх высокой частоте (СВЧ)

Для генерирования СВЧ обычные ламповые генераторы непригодны из-за механической инерции электронов, которая проявляется при частоте выше 100Мгц. Для этой цели применяют специальные приборы – магнетроны в которых колебания СВЧ генерируются модуляцией электрического потока по скорости.

Используют СВЧ для приготовления пищи, размораживания продуктов, нагрева диэлектриков.

Индукционный нагрев электромагнитным полем.

Осуществляется переменным магнитным полем, проводники, помещенные в переменное магнитное поле нагреваются вихревыми токами, наводимыми в них по закону электромагнитной индукции.

Индукционный нагрев можно получить лишь в поле высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами: индукторами – питается от сети или устройств (генератор повышенной частоты).

Индуктор является первичной обмоткой возбуждения трансформатора.

Различают:

1. Установки низкой (промышленной) частот 50Гц.

2. Средней частоты до 10кГц.

3. Высокой частоты свыше 10кГц.

Деление по частотам диапазона диктуются техническими и технологическими соображениями.

Сущность и основной законом одинаковы и основываются на представлении о поглощении проводящей средой электромагнитного поля, частота оказывает существенное влияние на интенсивность и характер нагрева.

При частотах 50Гц и напряженности магнитного поля 3-5тыс А/м у удельная мощность нагрева не превышает 10 Вт/см², а при высокочастотном нагреве достигает десятков тысяч Вт/см².

При этом возникают температуры, достающие до плавления самых тугоплавких материалов.

Чем выше частота, тем ниже глубина проникновения тока в материал, следовательно, тоньше нагревательный слой и наоборот. Можно получить глубинный или сквозной прогрев детали.

Индукционный нагрев широко используется для поверхностной закалки деталей, применяется для плавки, термической обработки и деформации металла.

Достоинства

1. Возможность закаливания деталей и инструментов на любую глубину. При необходимости обрабатывается поверхность.

2. Значительное ускорение процесса закаливания, что обеспечивает высокую производительность установки и снижает стоимость термообработки.

3. Меньший удельный расход энергии, в следствии избирательности нагрева, быстроте процесса.

4. Высокое качество закалки и мало брака.

5. Возможность организации поточного производства и автоматизации процесса.

В сельском хозяйстве применяют косвенный индукционный нагрев на частоте 50Гц. При этой частоте сокращается расход электрической энергии и низкие капитальные затраты, поскольку не требуется преобразования частоты.

Косвенный нагрев применяется для технологического нагрева металла трубопроводов и емкостей, животноводческих и птицеводческих помещений – полов, почву в парниках и теплицах, индукционного нагрева воды применяют при тепловодоснабжении и горячем водоснабжении животных, промышленных, бытовых помещений.

Источники питания индукционного и диэлектрического нагрева.

Основной признак классификации источников питания частота, так как частоты разных диапазонов получают разными способами. Иногда источником питания служит сеть с частотой 50Гц.

Частота	Диапазон частот	Способы нагрева	Источник питания
Промышленная частота	50	Индукционный	Сеть
Средняя повышенная	50Гц-20кГц	Индукционный	Электромагнитный и тиристорный преобразователь
Высокая	66кГц-5МГц	Индукционный	Ламповый генератор
Высокая	1-100мГц	Диэлектрический	Ламповый генератор
СВЧ	>100МГц	Диэлектрический	Магнетрон