Лабораторная работа № 6 Изучение этапов проектирования и определение конструктивных параметров бытовых электрофенов и электротепловентиляторов

Цель работы: изучить этапы проектирования (составление ТЗ, ТП и т.д.) бытовых фенов по заданию, сопоставить параметры реального фена (скорость выходящего воздуха, температура воздуха, мощность нагревателя, температура спирали) с рассчитанными в процессе проектирования.

Оснащение рабочего места: Бытовой прибор для ухода за волосами (фен), термоанемометр, пирометр с лазерным указателем, прибор К505.

Программа работы: составить краткое ТЗ на проектирование электрофена с на указанную преподавателем мощность нагревателя. Рассчитать параметры спирали и осевого вентилятора. Измерить параметры реального фена.

Сравнить полученные результаты с рассчитанными в процессе проектирования.

Теоретические основы

ТЗ на проектирование фена составить по примерной предлагаемой схеме.

1. Наименование и область применения.

1. Бытовой прибор для ухода за волосами (далее – прибор) предназначен для использования в парикмахерских или для индивидуального пользования.

2. Основанием для разработки является задание на лабораторную работу.

3.Прибор предназначен для сушки волос и оформления причёсок человека. Сушка волос происходит за счёт горячего потока воздуха, выходящего из сопла прибора.

4. Разработка ведётся на основе изучения отечественных об­разцов и образцов, выпускаемых за рубежом.

5. Технические требования

5.1.Состав продукции

Таблица 1.

Наименование	Количество
Электрофен	1
Насадка-…	1
Насадка-…	1
Футляр	1
Руководство по эксплуатации	1
Упаковочная коробка	1

5.2.Требования к конструктивному устрой­ству.

Электрофен должен состоять из следующих основных сборочных единиц и деталей: ….

5.3. Показатели назначения.

5.3.1. Прибор должен соответствовать требованиям ГОСТ 9043, комплекта конструкторской документации и образцам-эталонам, утверждённым в соответствии с ГОСТ 15.009-89.

5.3.2. Основные параметры и размеры.

5.3.2.1. Номинальная потребляемая мощность, Вт – ….

5.3.2.2. Масса с соединительным шнуром, кг, не более ….

5.3.2.3. Габаритные размеры не должны превышать следующих размеров, мм: длина – …, ширина – …, высота – ….

5.3.3. Характеристики.

5.3.3.1. Номинальное значение климатических факторов по ГОСТ 15543 и ГОСТ 15150.

5.3.3.2. Прибор должен изготавливаться на номинальное напряжение 220 В однофазного переменного тока частотой 50 Гц.

5.3.3.3. Удельная производственная материалоёмкость должна быть не более 2,8*10^-3 кг*ч/лет.

5.4.Требования к надёжности.

5.4.1.Установленная безотказная наработка, не менее, - 120 часов.

5.4.2.Средняя наработка на отказ, не менее, - 55 часов.

5.4.3. Установленный срок службы, не менее … лет.

5.4.5. Гарантийный срок службы – 12 мес.

5.5. Требования к уровню унификации и стан­дартизации.

Унифицированными для завода изготовителя в конструкции является шнур сетевой. Стандартными деталями являются детали крепежа.

5.6. Требования безопасности.

5.6.1. Требования безопасности по ГОСТ 9043.

5.6.2. По типу защиты от поражения электрическим током электрофены должны относиться к приборам II класса по ГОСТ 27570.0-87.

5.6.3. По степени защиты от влаги электрофены должны относиться к приборам обычного исполнения по ГОСТ 27570.0-87.

5.6.4. Положение выключателя “Включено”, “Отключено” должны быть обозначены символами по ГОСТ 24899-81.

5.6.5. Размеры, цветовое решение, способ и место нанесения символов органов управления должны соответствовать конструкторской документации.

5.6.6. Класс нагревостойкости обмоток – В по ГОСТ 8865.

5.6.7. Конструкция электрофена должна предусматривать наличие шнура питания. Способ крепления шнура питания – Y.

5.6.8. Класс нагревостойкости изоляции обмоток электродвигателя не ниже класса В, ГОСТ 8865.

5.6.9. Уровень радиопомех, создаваемый элек­тродвигателем не должен превышать норм, уста­навливаемых ГОСТ 23511, ГОСТ Р 50033.

5.6.10. Корректированный уровень звуковой мощ­ности дБ(А), не более 60.

5.7. Эстетические и эргономические требова­ния.

Конструкция прибора должна быть ком­пактной, удобной в использовании и отвечать со­временным требованиям технической эстетики. Оценку эстетических и эргономических показателей производить экспертной комиссией по балльной системе. Эстетический и эргономический уровень должен быть не менее 4 баллов.

5.8. Требования к патентной чистоте не предъ­являются.

5.9. Условия эксплуатации – климатическое ис­полнение УХЛ по ГОСТ 15150, группа условий экс­плуатации М23 по ГОСТ 17516.

5.10. Требования к маркировке и упаковке.

5.10.1. Маркировка прибора должна быть выполнена в соответствии с ГОСТ 14087, ГОСТ 9043 и конструкторской документацией завода из­готовителя. Маркировка транспортной тары должна содержать данные об упакованных электрофенах. Состав данных должен соответствовать конструкторской документации согласно условному обозначению изделия.

5.10.2. Упаковка.

Требования к потребительской и транспортной таре (тип ящиков, марка картона и т.п.), количество изделий в таре в соответствии с конструкторской документацией завода-изготовителя.

5.11.Транспортирование и хранение.

5.11.1.Электрофены могут транспортироваться всеми видами транспорта а крытых транспортных средствах, в температурных условиях от –50С до +50С.

5.11.2.Хранение допускается только в отапливаемых и вентилируемых хранилищах при температуре от +5С до +40С.

6. Экономические показатели.

6.1.Лимитная цена изделия, руб. – ….

6.2.Предполагаемая годовая потребность в продукции, тыс. шт. – ….

6.3.Ориентировочная экономическая эффектив­ность, руб.- …

6.4. Срок окупаемости затрат, лет – ….

Расчет параметров фена

Мощность спирали нагревателя

P ≈ 20V*(t₂ – 20),

где V – производительность по воздуху, м³/мин,

t₂- температура на выходе,

Р – мощность.

Следует ограничивать Р = 1,25 кВт, чтобы полная потребляемая мощность привода не превышала 1,3 кВт. При этой мощности t₂ равна:

V, м³/мин 1,6 2,5 4,0

t₂, ^оС 59 45 36

Коэффициент теплоотдачи для с проволочными нагревателями:

α_к = 2,91*w^0.446/d_пр^0,534 (1)

где w – скорость набегающего потока воздуха, м/с.

d_пр – диаметр проволоки

где Р_i – мощность i-й спирали, Вт,

U – напряжение, В,

t_пр.мах – допустимая температура проволоки, ^оС,

ρ_t – удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, Ом*м.

Например, при t_пр.мах = 500 ^оС, t₂ =60^оС

d_пр=

Расчетная скорость воздуха по условиям комфорта не более 2-3 м/с.

Выходное сечение вентилятора S = V/60w.

Число Рейнольца для скорости w = 2-4 м/с и диаметра проволоки

d_пр = 0,25…0,6 мм.

Re_f = w*d/V=(2…4)*(0,25…0,4)*10^-3/15,1*10^-6= 33,1…106

Для значений 80≤Re_f≤1000 применим число Гильперта

Nu_f = α_к* d_пр/λ_f= 0,625 Re_f ,

которая приводит к значениям α_к на 25…30% более, чем по формуле (1).

Для расчета вентиляторов, работающих при небольшом аэродинамическом сопротивлении сети (когда радиальное перемещение газа в рабочем колесе невелико и им пренебрегают), используется хорошо разработанная теория подъемной силы единичного крыла. Для расчета встроенных вентиляторов, работающих, как правило, при большом аэродинамическом сопротивлении сети, эта теория дает неудовлетворительные результаты, и поэтому приходится прибегать к другим методам расчета.

Суть теории подъемной силы единичного крыла заключается в следующем. Если на единичное крыло (рис.1) набегает поток со скоростью ω и углом атаки α, то в зависимости от формы и размеров крыла на него действует некоторая подъемная сила А, перпендикулярная направлению потока. При этом лопатка будет оказывать потоку сопротивление W, которое направлено навстречу потоку и обычно мало по сравнению с силой А. Каждый заданный профиль крыла имеет определенные соотношения между подъемной силой А и сопротивлением W, зависящие от качества профиля крыла (лопатки).

Если вместо сил, зависящих от размеров крыла и скорости потока, применить коэффициент подъемной силы с_а и коэффициент лобового сопротивления с_w, то получим следующие уравнения:

, (4.1)

,

где р_д – динамическое давление потока, Па; F – площадь крыла, м².

Значения коэффициентов с_а и с_w для профилей лопаток находятся опытным путем и пересчитываются на бесконечное удлинение лопатки.

При расчетах осевых вентиляторов общепромышленного назначения пользуются зависимостью , которая в области обычных углов атаки имеет линейный характер. При перерасчете на бесконечное удлинение лопатки характер функции не меняется.

Обозначение размеров профилей приведено на рис. 4.2, аэродинамические характеристики некоторых из них представлены на рис. 4.3. Размеры указанных на рис. 4.3 профилей приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Размеры профилей крыла в процентах от x=100

X	Профиль
	625		624		682		623		622
	ув	ун	ув	ун	ув	ун	ув	ун	ув	ун
0,00	5,50	5,50	4,00	4,00	2,50	2,50	3,25	3,25	2,40	2,40
1,25	9,00	3,30	7,15	2,25	4,55	1,05	5,45	1,95	3,75	1,45
2,50	10,80	2,35	8,50	1,65	5,55	0,60	6,45	1,50	4,50	1,05
5,00	13,30	1,25	10,40	0,85	7,00	0,25	7,90	0,90	5,45	0,60
7,50	14,95	0,75	11,75	0,60	8,05	0,10	9,05	0,35	6,15	0,35
10,00	16,35	0,40	12,85	0,40	8,90	0,06	9,90	0,20	6,60	0,25
15,00	18,25	0,15	14,35	0,15	10,00	0,05	10,95	0,10	7,30	0,15
20,00	19,30	0,10	15,30	0,05	10,65	0,20	11,55	0,05	7,70	0,05
30,00	20,00	0,00	16,00	0,00	11,20	0,55	12,00	0,00	8,00	0,00
40,00	19,05	0,00	15,40	0,00	10,90	0,75	11,70	0,00	7,80	0,00
50,00	17,35	0,00	14,05	0,00	10,05	0,80	10,65	0,00	7,10	0,00
60,00	15,05	0,00	12,00	0,00	8,65	0,85	9,15	0,00	6,15	0,00
70,00	12,10	0,00	9,50	0,00	6,90	0,75	7,35	0,00	5,00	0,00
80,00	8,60	0,00	6,60	0,00	4,85	0,60	5,15	0,00	3,55	0,00
90,00	4,75	0,00	3,55	0,00	2,55	0,35	2,80	0,00	1,95	0,00
95,00	2,25	0,00	2,00	0,00	1,35	0,15	1,60	0,00	1,15	0,00
100,0	0,65	0,00	0,50	0,00	0,00	0,00	0,30	0,00	0,20	0,00

Применение дуговых профилей (наиболее трудоемких и дорогих), согласно опытам Шмитца, целесообразно лишь при работе в области чисел Рейнольдса, превышающих значения и при том условии, что профиль выполнен точно, лопатка хорошо зачищена и шероховатость ее поверхности не превышает 0,01 мм.

Ниже приводится методика расчета осевых вентиляторов, в которую внесены некоторые изменения, связанные с использованием равенства модуля относительной скорости потока в межлопаточных каналах рабочего колеса ω модулю его окружной скорости u в данной точке. Эти изменения несколько упрощают ход расчета и, вместе с тем, дают некоторое повышение напорных качеств вентиляторов за счет увеличения угла установки лопаток или длины профиля, главным образом в тех сечениях, которые расположены ближе к втулке.

Рассмотрим сначала расчет решетки без учета сил трения. В этом случае сила лобового сопротивления W будет отсутствовать, а подъемная сила А направлена перпендикулярно направлению относительной скорости ω₂ (рис. 4.2). Эта сила равна

(4.2)

Окружная Т и осевая S составляющие силы А (формула (4.1)) равны

,

, (4.3)

По закону импульсов сила, действующая на профиль вдоль оси решетки, будет равна , где m_в – расход массы воздуха в межлопаточном канале; v_2u – окружная составляющая абсолютной скорости потока в канале.

Так как , где t – шаг решетки, то

. (4.4)

Из уравнений (4.2) – (4.4) следует

Так как и , то можно написать

При условии , имеем или

, (4.5)

где z – число лопаток в рабочем колесе.

Уравнение (4.2) является исходным для расчета осевых вентиляторов без учета их КПД.

Вместо уравнения (4.5) можно пользоваться формулой

,

которая справедлива для воздуха при давлении 101,3 кПа и температуре 20°С.

С учетом гидравлических потерь в вентиляторе последняя формула имеет вид

. (4.6)

Для практических расчетов, когда расчетное давление является заданным, а частота вращения и число лопаток могут быть заранее выбраны, вместо уравнения (4.6) удобно пользоваться формулой

, (4.7)

где М – постоянный для данного вентилятора коэффициент. Он равен

. (4.8)

Расчет по формуле (4.7) сводится к определению на каждом данном диаметре D длины профиля В и углов установки профиля θ_2Л. При этом необходимо задать форму профиля.

Наружный диаметр вентилятора и его КПД находятся следующим образом.

Сначала находим значение безразмерного коэффициента по формуле

, (4.9)

где n – частота вращения рабочего колеса, об/мин.

По рис. 4.4, задаваясь коэффициентом скольжения ε лопатки выбранного типа, при найденном значении σ определим оптимальные значения коэффициентов давления и производительности Q и H₀, а также ориентировочное значение КПД вентилятора η_r.

Внешний диаметр рабочего колеса D₂ находится по формуле

, (4.10)

полученной преобразованием уравнения .

Минимальный относительный диаметр втулки (втулочное отношение) определяется по формуле

. (4.11)

Поясним сказанное на примере расчета.

Пример 4.1. Рассчитывается вентилятор по следующим данным: производительность Q = 0,117 м³/с, давление р_п = 34,5 Па, частота вращения n = 2650 об./мин.

Из уравнения (4.9) находим

При данном значении коэффициента σ и при коэффициенте скольжения ε = 0,04 по рис. 4.4 находим Н₀ = 0,27 и Q₀ = 0,07.

По формуле (4.10) определяем наружный диаметр рабочего колеса

м.

Принимаем D₂ = 0,2 м.

Согласно формуле (4.11), относительный диаметр втулки

.

Расчетный диаметр втулки

м.

По конструктивным соображениям принимаем D₁ = 0,09 м.

Окружная скорость рабочего колеса на диаметре D₂

м/с.

Осевая скорость потока воздуха в вентиляторе

м/с

По рис. 4.4 полный КПД вентилятора при коэффициенте скольжения лопаток ε = 0,04 равен η_r = 0,8.

Принимаем число лопаток z = 4

По уравнению (4.8) находим

или .

Дальнейший расчет вентилятора сведен в табл. 4.2, в которой приведены данные по длине лопаток и углу их установки на различных промежуточных диаметрах рабочего колеса, а также некоторые вспомогательные коэффициенты, необходимые при расчете. В качестве расчетного профиля выбрана дужка f/L = 0,05.

Таблица 4.2.

Данные расчета вентилятора.

D, м	u, м/с	Са В,м	В,м	Са	α°	Sinβ2= =v2/u	β2°	θ2Л= =α+β
0,20	23,038	0,0212	0,0350	0,605	2,0	0,202	11,65	13,65
0,17	19,580	0,0249	0,0402	0,620	2,2	0,238	13,77	15,97
0,14	16,127	0,0302	0,0476	0,635	2,4	0,289	16,80	19,20
0,11	12,670	0,0385	0,0592	0,650	2,6	0,368	21,59	24,19
0,09	10,370	0,0470	0,0710	0,662	2,8	0,450	26,68	19,48

После проведения необходимых расчетов при проектировании фена необходимо измерить аналогичные размеры и параметры у реального образца и заполнить таблицу.

Таблица.

Параметр электрофена	Рассчитанный	Измеренный
Мощность нагревателя, Вт
Диаметр проволоки, мм
Скорость потока воздуха, м/с
Температура выходящего воздуха,С
Температура спирали, С
Число витков пружины

После заполнения таблицы сделать выводы о возможных причинах расхождений рассчитанных и измеренных параметров.

Указания по оформлению отчета

Отчет должен содержать:

22. Название работы, цель работы, программу работы;

23. ТЗ на проектирование прибора;

24. Расчеты основных параметров нагревателя фена и его вентилятора;

25. Таблицу сопоставимых параметров и размеров.

26. Выводы по работе

Контрольные вопросы

18. Основные разделы ТЗ на проектирование прибора ухода за волосами?

19. От каких параметров зависят размеры нагревателя?

20. От каких параметров зависят размеры осевого вентилятора?

21. Как измерить параметры фена?

Лабораторную работу составил доц. В.А. Титов