где ₂₀=1,1∙10^-6 Ом∙м —удельное сопротивление материала при температуре 20°С;

     =16,3∙10^{-6 0}С^-1 —температурный коэффициент изменения сопротивления. 

    Диаметр спирали (D_сп) равен, мм:

    D_сп =(8-10)d=(8-10)∙0,15=1,2 – 1,5мм;

    принимаем D_сп = 1,5 мм

    шаг спирали (в мм) равен:

    h=(2-4)d=(2-4)∙0,5= 0,3 – 0,6 мм;

    принимаем h = 0,3 мм

    а число витков:

    

 

    Внутренний  диаметр трубки ТЭНа (D_н) равен: 

    D_н =(2,5-3) D_cп=(2,5-3)∙1,5= 3,75 – 4,5мм 

    принимаем D_н = 3,75 мм

    Длина активной части трубки ТЭНа в м (L_а) после опрессовки равняется длине спирали (L_сп):

    L_а= L_сп=10^-3∙h∙n=0,001∙0,3∙1880= 0,564 м,

    а до опрессовки:              

    L_оа=

м

где —коэффициент, учитывающий изменение длины трубки при опрессовке,

  =1,15.

    Полная длина ТЭНа в м

    L=L_a+2∙L_n= 0,564 +2∙0,05= 0,664 м

    где L_n— длина пассивной части трубки ТЭНа может быть принята равной L_n=0,05 м.

    Потребное количество проволоки для одного ТЭНа с учетом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 15—20 витков на стержень:

    

потр= +( 15 - 20) =

    

,

    Определяем удельная мощность в Вт/см² поверхности активной части трубки ТЭНа:

    W=Р_н/L_a

D= 337,2/(56,4∙3,14∙0,575)=3,31 Вт/см²  ,

    Эскиз ТЭНа с указанием основных размеров приведен на листе 2 графического материала, а эскиз электрокалориферной  установки и схема компоновки ТЭНов на 3 листе. 
5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ТЭНов)

 

    По  эскизу калорифера с учетом расположения ТЭНов (коридорное) определяем живое сечение калорифера F_к: 

    

    

    Скорость  воздуха должна быть в интервале 6 – 11 м/с. Приняв для всех вариантов  температуру воздуха на выходе из калорифера t₂=50°С, определяют среднюю температуру воздуха:

    t_ср=(t₁+t₂)/2=(-3,5+50)/2=23,25 ºС ,

    где t₁—средняя температура воздуха на входе в калорифер за период работы установки, °С.

    Коэффициент теплоотдачи ( ) от ТЭНа к воздуху находится по методике, изложенной в литературе [1], или могут быть использованы следующие формулы.

    Коэффициент теплоотдачи ( ) в Вт/(м² С) равен:

     =

    где N_u—критерий Нуссельта;

           — коэффициент теплопроводности воздуха, =0,027, Вт/(м °С);

           D_в—внешний диаметр трубки ТЭНа, м.

    При коридорном расположении ТЭНов

    N_u=0,21R_e^0,6                                                                                                                                                             (1)

    где R_e —критерий Рейнольдса.

    Критерий   Рейнольдса   определяет режим  обтекания ТЭНов воздухом и равен:

    R_e=(V_в∙D_в)/ = 8,206∙0,0575/(18,5∙10^-6)= 2550,658

    где V_в – скорость воздуха, м/с;

      - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м/с, ( 18,5∙10^-6). 

    N_u=0,21R_e^0,6 = 0,21∙2550,658^0,6 = 23,239 

     =  

    Формула (1) позволяет определить значение коэффициента теплоотдачи, а для ТЭНов третьего и всех последующих рядов в пучке. Если теплоотдачу третьего ряда ТЭНов принять за единицу, то в шахматных и коридорные пучках теплоотдача первого ряда составляет около 0,6, а второго—в шахматных пучках около 0,7 и в коридорных—около 0,9. Расчет проводится для ТЭНов первого ряда, работающих в наиболее тяжелых условиях.

    Удельное  контактное термическое сопротивление  ТЭНа в 

    R_т=

    Контактное  сопротивление нагревателя длиной 1 м в 

    

    Термическое сопротивление одного метра наполнителя  в С/Вт

    

    где — коэффициент теплопроводности наполнителя =1,5, Вт/(м °С).

    х =   y =   К=

    Термическое сопротивление трубки длиной 1 м, м °С/Вт

     =   ,

    где —коэффициент теплопроводности стенки, =40, Вт/(м °С).

    Общее термическое сопротивление теплопроводности 1 м ТЭНа

    

    Общее термическое сопротивление 1 м нагревателя  ТЭНа, м °С/Вт

    

    Общее удельное термическое сопротивление, м °С/Вт

    R_т =

    D_э—диаметр эквивалентного цилиндра в м.

               Диаметр эквивалентного цилиндра  определяется из уравнения

       , 

    R_т =

 

    Удельная  мощность на поверхности трубки ТЭНа, Вт/м²

    W=

    Температуру ТЭНа принимаем равной 180ºС.

    W=  

    Предельно допустимая удельная нагрузка активной поверхности ТЭНа выполненного из стальной трубки при скорости движения воздуха не менее 6 м/с 'равна 6 Вт/см².

    Удельная  погонная мощность ТЭНа, Вт/м

    W₁=W D_в=17104,6446∙3,14∙0,00575=308,981 Вт/м

    Температура спирали ТЭНа может быть определена из формулы

t_сп=t_тен+W₁r_т =180 + 308,981∙0,0983=210,370 ºС

или

t_сп=t_ср+W₁r_т =23,25+308,981∙0,6056=210,370 ºС

    и не должна превышать максимально  допустимое значение для материала  нагревателя (Л1).

    Удельная  поверхностная мощность нагревательной опирали, Вт/м²

    W_сп= Вт/м²

    где r_т —термическое сопротивление теплопроводности. 
 

    6. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ  УПРАВЛЕНИЯ. 

    В связи с тем, что в настоящей  работе решаются задачи использования  электрической энергии для подогрева  наружного воздуха в прямоточной системе вентиляции, совмещенной с отоплением, и принимая во внимание стоимость электроэнергии, ставится вопрос об экономичном расходовании электроэнергии для отопления и вентиляции. Положительное решение этого вопроса возможно только при использовании электроподогрева воздуха в автоматизированных отопительно-вентиляционных системах.

    По  динамическому признаку автоматическое регулирование отопительно-вентиляционных систем может быть выполнено двухпозиционным и пропорциональным. Пропорциональное регулирование является более гибким и способно более полно удовлетворить зоотехнические требования по качеству воздуха внутри помещения. Двухпозиционное регулирование отличается более простым решением и в большинстве случаев при правильном выборе элементов системы дает удовлетворительные результаты.

    Контроль  температуры воздуха внутри помещения осуществляется с помощью регулятора РТ-2. Контроль предельного значения температуры поверхности ТЭНов осуществляется с помощью дилатометрических термометров ТР-400. Техническая характеристика этих приборов приведена в литературе [З]. При достижении предельной температуры электрокалориферная установка отключается во избежание перегорания нагревательных элементов. По этим же соображениям включение электрического калорифера должно происходить только при работающем вентиляторе.

    Электрическая схема установки приведена в графической части – лист 4. Установку включают под напряжением со щита управления автоматическим выключателем QF1. Нагреватели калорифера можно включать лишь после включения двигателя вентилятора автоматическим выключателем QF2 и нажатия кнопки «ПУСК» - SB2. При этом на катушку магнитного пускателя КМ1 подается напряжение и магнитный пускатель срабатывает запуская электродвигатель вентилятора. В цепи питания магнитного пускателя КМ1 предусмотрен блок-контакт автоматического выключателя QF2 для недопущения срабатывания пускателя КМ1 при не включенном QF2. Блок-контакт КМ1.2 магнитного пускателя КМ1 служит для недопущения включения нагревателей при не работающем электродвигателе вентилятора. При установке переключателя SA1 в положение А осуществляется автоматическое регулирование одной секций калорифера по температуре воздуха в помещении, которая контролируется регулятором температуры  ТР-2 , установленным в помещении. Регулятор температуры размыкает свой контакт при  повышении температуры выше допустимой - 12ºС . Универсальный переключатель SA2 позволяет отключать отдельные секции калорифера и этим регулировать мощность нагрева при работе вручную (установив переключатель SA1 в положение Р).

    В схеме предусмотрена световая сигнализация подачи напряжения на щит управления (HL1), работы секций нагрева (HL2, HL3 ) , вентилятора (HL5), а также аварийный перегрев нагревателей (HL2).

    7. РАСЧЕТ СИЛОВОЙ СЕТИ, ВЫБОР АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ. 

    Расчет  силовой сети электрокалориферной  установки и линии ее подключения, а также выбор аппаратуры управления и защиты производится по расчетным токам.

    Для линии электрокалорифера величина расчетного тока определяется по формуле

    I_к=

    для линии электродвигателя —

    I_д=

    где Р _к , и Р_дв—соответственно мощность калорифера и двигателя, кВт;

    U_н—номинальное напряжение на зажимах калорифера и двигателя, равное междуфазному (линейному) напряжению сети к которой они присоединяются, В;

    соs и К_зд—соответственно коэффициент мощности и коэффициент загрузки электродвигателя.

    Коэффициент загрузки электродвигателя учитывает  несоответствие между значением расчетной мощности и установленной (номинальной) мощностью электродвигателя, характер нагрузки рабочей машины, учитываемый коэффициентом загрузки рабочей машины К_зм

    Для вентиляторов коэффициент загрузки рекомендуется принимать К_зм=1.

    С учетом этого обстоятельства имеем:

    К_зд= К_н К_зм=

    I_д=  

    Расчетный ток магистрали, питающей электрокалориферную установку, определяется суммой расчетных токов калорифера и двигателя.

    

    Определение сечений проводов или кабелей  линий электрокалорифера и вентилятора, а также линии подключения производим по условиям нагрева.

    Подключение электрокалориферной установки  к сети осуществляется с помощью автоматического выключателя. Включение электрокалорифера и электродвигателя вентилятора осуществляется магнитными пускателями. Электрокалорифер должен иметь защиту от коротких замыканий  предохранителями. Электродвигатель вентилятора, помимо защиты от коротких замыкании, выполняемой  помощью автоматического выключателя, должен иметь защиту от перегрузки с помощью автоматического выключателя с тепловым расцепителем.