Обновлено: 04.07.2024

Сельскохозяйственное производство связано с биологическими объектами, жизнедеятельность которых зависит от условий внешней среды и важнейшего ее фактора — температуры. Тепловая энергия выступает как мощный фактор воздействия человека на природу. В одних случаях теплота используется для создания наиболее благоприятных температурных условий животным и растениям, в других — для подавления вредных микроорганизмов, вызывающих порчу продукции, снижение плодородия. Обе эти задачи решаются с использованием как высоких температур (нагрев), так и низких (охлаждение). Важное значение имеет нагрев также при ремонте и восстановлении сельскохозяйственной техники.
Рациональное теплоснабжение сельского хозяйства является важной экономической и социальной задачей. Это связано с особенностями сельского хозяйства, для которого централизованные системы теплоснабжения, распространенные в городах (от ТЭЦ и крупных котельных), оказываются вс многих случаях экономически нецелесообразными. Основная причина этого — большая рассредоточенность потребителей и низкая плотность тепловых нагрузок. Поэтому в сельском хозяйстве в основном распространены децентрализованные системы теплоснабжения с использованием огневых установок. Однако они имеют следующие недостатки: большие транспортные расходы на доставку топлива (особенно низкокалорийного), низкую энергетическую эффективность (к.п.д. не превышает 0,6. 0,7) и значительные затраты ручного труда на обслуживание маломощных топливных установок.
Создание низких температур (4. 8°С) в теплое время года, необходимых для охлаждения и хранения продукции, вообще затруднено без использования электрифицированных холодильных установок.
В связи с этим электронагревательные и холодильные установки в сельском хозяйстве находят все возрастающее применение.
Электротепловые установки имеют следующие важнейшие преимущества:
высокое качество и избирательность нагрева и охлаждения; возможность полной автоматизации и точность поддержания теплового режима;
малые эксплуатационные затраты на обслуживание установок и постоянная готовность к действию;
малые капитальные затраты и меньшая потребность в производственных площадях, возможность установки в любом месте;
пониженная пожароопасность, отсутствие загрязнения окружающей среды и т. д.
Однако тепловые процессы весьма энергоемки. Перевод тепловых процессов на электроэнергию требует строгих технико-экономических обоснований. Из-за многократных преобразований энергии коэффициент полезного использования энергоресурсов в электротепловых установках в целом ниже, чем в топливных, и составляет 0,25. 0,35. Одновременно большая энергоемкость тепловых процессов и высокая стоимость электроэнергии вызывают увеличение общих затрат.
Применение электронагрева экономически оправдывается, если повышенный расход энергоресурсов и затраты на электроснабжение компенсируются экономией на других статьях расходов при существенном улучшении технологии процессов, увеличении продуктивности животных, снижении затрат труда и стоимости установок.
В настоящее время в сельском хозяйстве существует ряд тепловых процессов, где применение электроэнергии является не только выгодным, но и единственно оправданным (инкубация яиц, локальный обогрев молодняка животных и птицы, охлаждение воздуха в хранилищах, электросварка и т. д.). Число таких процессов непрерывно возрастает. В большинстве случаев экономически обосновано применение электротепловых установок для создания микроклимата в животноводческих помещениях, сушки и активного вентилирования семенного зерна, нагрева почвы в парниках, металлизации и поверхностной закалки деталей сельхозмашин, нагрева воды, приготовления пищи в быту и т. д.

СПОСОБЫ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Электронагревом называют прикладную область науки, изучающую рациональные способы превращения электрической энергии в тепловую, методы ее передачи к объекту нагрева и технические средства электронагрева.
Основным признаком классификации электронагревательных установок является способ превращения электрической энергии в тепловую.
По этому признаку различают следующие способы электронагрева.
Резистивный электронагрев (электронагрев сопротивлением) состоит в том, что электрическая энергия превращается в тепловую в твердых или жидких проводниках, включенных в электрическую цепь, в результате взаимодействия носителей электричества (электронов или ионов проводника) с кристаллической решеткой или атомами и молекулами этого проводника.
Электродуговой нагрев характеризуется тем, что электрическая энергия преобразуется в тепловую в дуге, горящей в газовой среде (или плазме).
Индукционный и диэлектрический нагрев состоит в том, что электрическая энергия преобразуется в тепловую в твердых или жидких телах, помещенных в переменное электромагнитное поле.
Электронный электронагрев обусловлен нагревом тел потоком электронов, ускоренным в электрическом поле в вакууме.
Лазерный (световой) электронагрев состоит в нагреве тел под действием пучка когерентных лучей оптического диапазона, индукцированного в оптическом квантовом генераторе (лазере).
В сельском хозяйстве применяют резистивный, электродуговой, индукционный и диэлектрический способы электронагрева.
Электронагревательной установкой (ЭНУ) называют электротепловое оборудование, включающее теплогенерирующий рабочий орган (электронагреватель), преобразующий электрическую энергию в тепловую, и конструктивные элементы — корпус, крепежные детали, тепло- и электроизоляцию, систему электропитания и автоматики, объединенные в единый агрегат, предназначенный для тепловой обработки среды.
В соответствии со способами электронагрева различают электронагреватели сопротивления (резистивные), индукционные (индукторы), диэлектрические (конденсаторы), электродуговые (плаз-матроны) и т. д.
По температуре нагреваемой среды бывают низкотемпературные (до 150°С), среднетемпературные (до 500°С) и высокотемпературные (свыше 500°С) ЭНУ.
По принципу нагрева (способу ввода тепловой энергии в объект нагрева) ЭНУ подразделяются на установки прямого и косвенного (поверхностного) электронагрева.
При прямом электронагреве электрическая энергия преобразовывается в тепловую непосредственно в нагреваемой среде.
При косвенном (поверхностном) электронагреве электрическая энергия, преобразованная в тепловую в специальных электронагревателях, передается от их поверхности к нагреваемой среде контактным, конвективным или лучистым путем. Чтобы обеспечить необходимую равномерность температуры нагреваемой среды и повысить электробезопасность устройств поверхностного электронагрева, обычно используются различного рода промежуточные теплоносители (воздух, пар, вода, масло, твердые и дисперсные материалы — бетон, асфальт, песок и др.).
В сельском хозяйстве наиболее распространены ЭНУ низкотемпературного резистивного поверхностного нагрева (около 80% от установленной мощности всех ЭНУ).
Вместе с этим значительное применение находит резистивный прямой нагрев воды и металлических изделий.
В ремонтном производстве распространен электродуговой и индукционный нагрев металлических деталей.
По принципу работы различают установки периодического и непрерывного действия (поточные установки).
В установках периодического действия чередуются операции загрузки, нагрева и выгрузки нагреваемого материала, а в установках непрерывного действия материал нагревается непосредственно в технологическом потоке.
Установки непрерывного действия более прогрессивны, так как позволяют повысить производительность труда и к. п. д. нагрева, уменьшить размеры агрегатов и капитальные затраты.
По частоте используемого электрического тока различают установки: постоянного тока; низкой (промышленной) частоты (50 Гц); средней (повышенной) частоты (до 10 кГц); высокой частоты (до 100 МГц) и сверхвысокой частоты (свыше 100 МГц)
По напряжению питания установки делят низкого (до 0,4 кВ) и высокого (свыше 0,4 кВ и до 10 кВ) напряжения.

Применение электрических водонагревателей и котлов в сельском хозяйстве

Электрические водонагреватели и котлы применяют в местных к централизованных системах горячего водоснабжения. В местных системах используют в основном элементные и реже - электродные водонагреватели малой (16 - 25 кВт) мощности. В централизованных системах горячую воду получают в электрокотельных при помощи высокопроизводительных водогрейных котлов, а также паровых электрокотлов и бойлеров.

Наиболее целесообразно применять системы горячего водоснабжения с аккумулированием горячей воды. Для этого используют емкостные водонагреватели или проточные водонагреватели в сочетании с хорошо теплоизолированными баками - аккумуляторами горячей воды.

Такие системы наиболее надежны и экономичны. Включаемые в часы "провалов" в суточных графиках нагрузки аккумулирующие водонагреватели выполняют важную роль потребителей - регуляторов нагрузки энергосистем, повышая коэффициент использования трансформаторных подстанций и электрических сетей, снижая отклонении напряжения у токоприемников и улучшая коэффициент мощности. Аккумуляционные системы позволяют значительно увеличить потребление электроэнергии без повышения мощности трансформаторных подстанций и пропускной способности сетей.

Специфическим и для животноводческих ферм являются устройства подогрева питьевой воды для животных. В зимнее время температура воды, подаваемой на фермы из буровых колодцев составляет 4 - 6 о С, а на поверхностных источников - 1,5 - 2 о С. Необходимость подогрева воды обусловливается прежде всего физиологическими потребностями животных. По зоотехническим условиям оптимальная температура воды в поилках для крупнорогатого скота равна 12 - 14 о С и не должна снижаться ниже 5 - 7 о С. Для свиней на откорме - 1 - 3 о С для кур несушек - 10 - 13 о С.

Холодную воду животные и птица пьют мало и неохотно, это сказывается на их продуктивности. При оптимальной температуре воды надоя от коровы выше обычных на 0,5 - 1 л в день, сокращается потребность в кормах, яйценоскость кур возрастает на 10 - 15 % и т. д. Кроме тою, потребление чрезмерно холодной поди чревато простудными заболеваниями особенно для молодняка животных и птицы. Подогрев воды необходим и для предотвращения замерзания внутренних водопроводов и автопоилок, особенно в неотапливаемых помещениях и в ночные часы.

Способ подогрева пойловой воды зависит от способа содержания животных. При привязном содержания сеть автопоения объединяется в замкнутую систему с проточным электрическим нагревателем воды и насосом. Подпиточная вода из водопроводов поступает и нагреватель, где смешивается с подогретой, и направляется и сеть автопоения. Непрерывная принудительная циркуляции воды с подогревом обеспечивает постоянство ее температуры. Аналогично подогревается вода в системах подмывания вымени коров перед дойкой, для полива растений в защищенном грунте и т. и.

Принципы использования водогрейных котлов и мощных электродных водонагревателей поясняются рисунком 1.

Рис. 1. Схемы использования электродных водонагревателей и водогрейных котлов напряжением до 1000 В: а - в системе отопления; б - с теплоаккулирующей емкостью; в - с теплообменником; 1 - электродный котел; 2 - главный поток; 3 - радиаторы; 4 - вспомогательная сеть, 5 - возвратная линия; 6 - насос (при необходимости); 7 - вторичные поток и возврат; 8 - смесительная задвижка; 9 - аккумулятор теплоты; 10 -насос вторичный; 11 - насос первичный; 12 - теплообменник (бойлер).

В системах горячего водоснабжения котлы работают в первичном контуре теплообменника с аккумулятором горячей водыили скоростного водо-водяного бойлера. Работа с теплообменником обеспечивает циркуляцию через котел несменяюшейся воды, что значительно уменьшает отложение накипи на электродах. Открытый водозабор из котлов возможен лишь при условии предварительного умягчении воды или если используется вода с температурой не выше 60 °С.

Устройство электрокотельных

Электрокотельные оснащаются электрокотлами, водонагревателями и другим оборудованием, необходимым для получения пара и горячей воды и снабжения ими сельскохозяйственных потребителей. Котельные могут быть центральными и местными.

Центральные электрокотельные предназначены для комплексного теплоснабжения значительного числа разнородных потребителей, а местные - для снабжении теплотой ограниченного круга потребителей обычно в пределах одного помещения. Местные электрокотельные чаще всего бывают специализированными: отопительными или горячего водоснабжения. Выработанные в электрокотлах горячая вода или пар подаются к потребителям по трубопроводам (тепловым сетям).

Для подсчета потребности в теплоте и выбора котлов строят суточные графики тепловых нагрузок. В графиках учитывают все потребители, снабжаемые теплотой от электрокотельной.

Наиболее целесообразны сравнительно небольшие по мощности (до 400 - 600 кВт) электрокотельные, не требующие больших капиталовложений в реконструкцию систем электроснабжения и сооружения дорогостоящих тепловых сетей.

Электрокотельные обязательно оборудуют устройствами аккумулирования теплоты (в виде горячей воды или пара), где она запасается в ночные часы работы электротепловой установки. В дневное время теплоснабжение осуществляется путем отбора теплоты из аккумулирующих емкостей.

На рисунке 2 приведена принципиальная теплотехническая схема простейшей электрокотельной с двумя водогрейными котлами для теплоснабжении животноводческой фермы на 200 - 400 голов. Вода, нагреваемая в котлах 8, циркулирует по замкнутой системе: котел 8 - теплоаккумулирующая емкость, 6 - коллектор горячей воды, 2 - система отопления - коллектор холодной воды, 3 - грязевик, 4 - котел.

Рис. 2. Принципиальная теплотехническая схема простейшей электрокотельной: 1 - скоростной водонагреватель; 2 - коллектор горячей воды; 3 - коллектор холодной воды; 4 - грязевик; 5 - циркуляционные насосы; 6 - аккумулирующая емкость; 7 - изоляционная вставка; 8 - элсктроводонагреватели (котлы).

Разборную горячую воду получают в скоростном водяном подогревателе 1, где водопроводная вода подогревается горячей водой, подаваемой от коллектора 2.

Электрическая схема электрокотельной

Принципиальная электрическая схема электрокотельной приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Электрическая принципиальная схема электрокотельной

Питание в силовую цепь подается рубильником QS. Циркуляционные насосы (основной и резервный) включаются автоматическими выключателями QF2 и QF3, а котлы - QF4, QF5 и контактором КМ.

Котлы можно включать только в определенные часы суток, задаваемые моторным реле времени КТ, имеющим две программы. Контроль температуры воды в аккумулирующей емкости осуществляет температурное реле SK1. Верхний контакт SK1 намыкается при температуре воды ниже нормы, нижний - при достижении максимального значения. В аварийном режиме, когда температура воды на 3 - 40 превысит верхнюю уставку реле SKI, срабатывает реле SK2.

Блокировочный контакт SQ предотвращает возможность включения котлов при незакрытых дверях ограждения. Включение котлов происходит при замкнутом состоянии одного из контактов реле времени КТ. Предварительно (включением QF2 или QF3) пускают в работу циркуляционный насос, включаются автоматические выключатели QF4, QF5 и QF1.

Кнопкой SB2 подают питание в катушку реле KV2, которое через промежуточное реле KV3 включает контактор КМ цепи питания котлов. При повышении температуры выше минимальной верхний контакт SK1 размыкается, но питание реле KV3 происходит через собственный контакт KV3.1.

При достижении максимального значения температуры замыкается нижний контакт SK1, получает питание реле KV4, и через контакт KV3.3 промежуточное реле KV3 снимает напряжение с контактора КМ, который отключает котлы.

В аварийном режиме, если схема не сработает, замыкается контакт SK2, получает питание реле KV5, своим контактом запитывает реле KV6, которое подает напряжение в катушку независимого расцепителя выключателя QF1 , отключающего питание котлов. Блок-контакты QF1.3 включают аварийную световую (HL2) и звуковую HA.

Изучение устройства электронагревательных установок и правил их эксплуатации.

Электрический нагрев обладает значительным техническим преимуществом: постоянная готовность к действию электро­тепловых установок, возможность полной автоматизации про­цессов нагрева с поддержанием температуры в установленных пределах (в инкубаторах, пастеризаторах и т. п.), малые капи­тальные затраты, хорошие санитарно-гигиенические условия. В практике применяют различные способы электронагрева: сопротивлением, индукционный, электродуговой, диэлектрический, электронно-лучевой, инфракрасными лучами.

В сельскохозяйственном производстве нашел широкое при­менение электронагрев сопротивлением. При этом способе ис­пользуется тепловое действие электрического тока. Проходя по твердым телам (проводникам) или жидким средам, электри­ческий ток нагревает их.

Электронагревательные установки сопротивления бывают прямого и косвенного электронагрева. При прямом электрона­греве преобразование электрической энергии в тепловую про­исходит в результате прохождения электрического тока непо­средственно по нагреваемой среде (вода, молоко и другие про­водящие среды). При косвенном электронагреве электрический ток проходит по специальному нагревательному элементу, от которого тепло передается нагреваемой среде.

В установках с прямым (электродным) нагревом нагревае­мая среда помещается между электродами, которые подклю­чаются к электрической цепи переменного тока. Электрический ток, протекая по среде между электродами, нагревает ее. Уста­новки с прямым нагревом называют электродными нагревате­лями.

В животноводстве электродные нагреватели применяют в ос­новном для нагрева воды. Электродные водонагреватели прос­ты по конструкции и удобны в эксплуатации. Основной недо­статок — значительное увеличение потребляемой мощности от начала нагрева воды до конца (примерно в пять раз при нагре­ве воды от 10 до 100°С). Это объясняется тем, что с повыше­нием температуры воды уменьшается ее удельное сопротивле­ние. Другим недостатком этих нагревателей является непосред­ственный контакт между электродами и средой (водой), что по­вышает опасность поражения электрическим током людей и жи­вотных.

В установках с косвенным (элементным) нагревом теплота выделяется при прохождении тока через нагревательные эле­менты. Установки с косвенным нагревом называют элемент­ными.

Нагревательные элементы изготовляют в форме ленты или проволоки из материала, обладающего следующими физико-техническими свойствами: большим удельным сопротивлением, высокой температурой плавления, малым температурным коэф­фициентом сопротивления, устойчивостью к окислению.

Для изготовления нагревательных элементов применяют; ни­хром, фехраль, констант и другие проводниковые материалы.

Нагревательные элементы могут быть открытыми и закры­тыми.

Закрытые нагревательные элементы не имеют непосредст­венного контакта с нагреваемым материалом. В практике' ши­роко применяют трубчатый электрический нагреватель (ТЭН). Он представляет собой металлическую трубку, внутри которой в кварцевом песке или в плавленой окиси магния находится спираль из нихромовой или константановой проволоки. Трубки герметизированы. Срок службы ТЭНов около 10 000 ч.

Рассмотрим устройство и работу некоторых типов электро­нагревателей.

Водонагреватель-термос - типа ВЭТ предназна­чен для нагрева воды до заданной температуры (от 8 до 90°С) и сохранения ее в горячем состоянии. Они состоят из стально­го сварного резервуара вместимостью от 200 до 1600 л, ко­жуха с крышкой, нагревательного устройства, температур­ного реле. Между кожухом и резервуаром размещен тепло­изоляционный слой 3 из стеклянной или шлаковой ваты. Водо­нагреватели комплектуются станцией управления с автомати­ческим выключателем и магнитным пускателем.

А – устройство; б – электрическая схема; в - температурное реле; 1 – кожух; 2 - резервуар; 3 – теплоизоляция; 4,7 – патрубки; 5 – температурное реле; 6 - нагревательное устройство; 8 – кран спускной; 9 – изоляционная вставка; 10 – термометр; 11 – ртутный переключатель; 12 – Г-образный палец; 13 – обойма; 14 - биметаллическая спираль; 15 – валик; 16 – трубка; 17 – противовес; 18 – упор; Г1 - рубильник; Г2,Г3, Г4 – предохранители; К – магнитный пускатель; Т – терморегулятор.

Нагревательное устройство состоит из нескольких трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов) с питанием от сети с на­пряжением 220 В.

Температурное реле служит для автоматическо­го включения и выключения нагревательного устройства в за­висимости от температуры воды. Оно состоит из биметаллической пластинчатой спирали, один конец которой прикреплен к корпусу, а другой соединен с валиком и укрепленным на ва­лике ртутным переключателем. Перед включением водонагре­ватель заполняют водой; пока она не потечет через разборную трубу. Затем нажимают на пусковую кнопку автомата. Через замкнутые контакты температурного реле включается катушка магнитного пускателя, который, в свою очередь, включает труб­чатые электрические нагреватели. По мере нагрева воды спи­раль закручивается и поворачивает валик с Г-образным паль­цем, который наклоняет ртутный переключатель. Когда тем­пература воды достигнет верхнего заданного предела, ртутный переключатель повернется настолько, что ртуть в нем перель­ется в одну сторону, и цепь катушки магнитного пускателя разомкнется, и, следовательно, отключаются нагревательные эле­менты. С охлаждением воды охлаждается и температурное ре­ле, которое вновь включит магнитный пускатель и нагреватель­ные элементы.

Необходимую температуру нагрева воды устанавливают по шкале температурного реле. При повороте рычажка по часо­вой стрелке устанавливаемая температура нагрева увеличива­ется, при повороте рычажка против часовой стрелки — умень­шается. К водопроводной сети водонагреватель присоединяют через резиновый шланг (изоляционная вставка) 9 длиной не менее 1 м. Резиновый шланг служит для электроизоляции во­допровода от водонагревателя. При пуске в эксплуатацию водонагреватель наполняют хо­лодной водой, открыв вентиль на питающем трубопроводе. Как только вода потечет из патрубка горячей воды, закрывают вентиль на питающем трубопроводе и включают нагреватель­ное устройство в сеть.

Горячую воду из резервуара забирают через патрубок, от­крыв предварительно вентиль на питающем трубопроводе. При открытом вентиле холодная вода из водопровода поступает че­рез патрубок холодной воды в резервуар и вытесняет нагре­тую воду через патрубок горячей воды. В результате резер­вуар всегда наполнен водой.

Нагретую воду нельзя разбирать через спускной кран при включенном нагревательном устройстве, так как уровень воды в резервуаре может опуститься ниже нагревательных элемен­тов и последние, нагреваясь без воды, могут выйти из строя. Поэтому включать нагревательное устройство в электросеть можно только при заполненном водой резервуаре.

Проточные водонагреватели типа ЭВП предназначены для подогрева проточной воды во время ее непосредственного по­требления Вода может подогреваться до любой заданной тем­пературы в пределах до 90°С.

На верхнем патрубке установлены термометр и предохра­нительный клапан, который служит для предотвращения воз­можности взрыва при интенсивном парообразовании (напри­мер, в случае прекращения притока воды). Для включения во­донагревателя надо открыть вентиль и пустить воду из водо­провода в резервуар, а потом включить нагревательные эле­менты в электрическую сеть.

Схема автоматики водонагревателя ЭВП-2А позволяет осу­ществлять двухпозиционное регулирование температуры выход­ной воды. Проточные электроводонагреватели типа ЭВП вы­пускаются промышленностью в различных модификациях.

Кроме рассмотренных электроводонагревателей, на живот­новодческих фермах применяются электрические нагреватели УАП-1600/0,2,ЭВ-Ф-15А, УАП-300/0.2-М1, УАП-400/0,9-М1 и др.

Электрокалориферные установки предназначены для нагре­ва воздуха в системах приточной вентиляции животноводческих, птицеводческих и других сельскохозяйственных помещений. Их можно также использовать для сушки различных материалов, трав, сена, зерна и т. д. Нагрев воздуха в электрокалориферах осуществляется труб­чатыми нагревательными элементами, оребренными алюмини­ем. Применяются также открытые нагревательные элементы. Нагревательные элементы установлены в камере нагрева на пу­ти движения воздуха. Количеством нагревательных элементов регулируют мощность (теплопроизводительность) электрокало­риферной установки. Температуру нагретого воздуха при по­стоянном числе элементов можно изменять, варьируя произво­дительность вентилятора.

Наша промышленность выпускает электрокалориферные ус­тановки серии СФОА. Эти установки просты по конструкции, компактны, удобны в эксплуатации, могут быть легко автома­тизированы.

Электрокалориферная установка (рис. 90) состоит из эле­ктрокалорифера, центробежного вентилятора, электродви­гателя 6 и шкафа с аппаратурой автоматического управления. Для сельского хозяйства выпускают калориферы мощностью от 5 до 100 кВт на напряжение 380/220 В. Выпускаются эле­ктрокалориферы и другого типа (НЭК-В1, 1СФО-18/0.5Т, ЭК, ЭКВидр.).

Электробрудеры Предназначены для местного обогрева цып­лят в первый месяц их выращивания при напольном содержа­нии.

Электрический зонтичный брудер БП-1 состоит из пирамидального шестигранного зонта, обогревателя, темпе­ратурного реле и подвески.

Обогреватель представляет собой усеченный конус, на боко­вой поверхности которого установлены четыре трубчатых эле­ктронагревателя типа ТЭН, соединенных попарно в две груп­пы. Мощность каждого элемента 300 Вт при напряжении 110В. Заданное значение температуры под зонтом поддерживается при помощи терморегулятора, который состоит из мембран­ного датчика, заполненного эфиром, промежуточного реле, микровыключателя, регулировочного винта с механизмом от­ключения и тумблера для включения и отключения лампы ос­вещения. Для контроля за работой нагревательных элемен­тов ТЭНов служит сигнальная лампа Я.

При включенном электробрудере ток из сети через контакты температурного реле поступает в катушку проме­жуточного реле и через его контакты на нагреватели (ТЭН). В случае превышения установленной температуры контакты температурного реле размыкаются и отключаются ТЭНы и сигнальная лампа. При понижении температуры под бруде­ром температурное реле срабатывает и включает нагревате­ли с сигнальной лампой. Подвешивают брудеры к потолку зда­ния. По мере роста цыплят брудер при помощи лебедочного устройства поднимают. Электробрудер БП-1 потребляет мощ­ность 1,2 кВт и рассчитан на напряжение 220В.

Электрообогреваемые полы получают все более широкое применение на животноводческих и птицеводческих фермах. Они улучшают микроклимат в помещениях и предохраняют жи­вотных от простудных заболеваний. Полы нагреваются нагре­вательными проводами или стальной оцинкованной проволокой. Для этих целей применяются провода марок ПОСХВ и ПОСХП.

При устройстве пола (глинобитного или бетонного) на хо­роший уплотненный грунт укладывают гидроизоляцию из толя или полиэтиленовой пленки в два слоя. На гидроизоляцию (ес­ли пол бетонный), покрытую песком, укладывают тепловую изо­ляцию. В качестве изоляции применяют пенобетон, пенопласт, керамзит или котельный шлак, который насыпают слоем тол­щиной до 150 мм. На теплоизоляцию кладут бетон. В слое бе­тона прокладывают нагревательные провода, сверху которых помещают экранирующую металлическую сетку. Толщина слоя бетона может составлять от 60 до 200 мм в зависимости от ме­ханической нагрузки на пол и графика снабжения электроэнер­гией. При частом отключении энергии толщину полов делают больше, чтобы увеличить их теплоаккумулирующую способ­ность. При бесперебойном снабжении электроэнергией толщи­ну слоя бетона делают не более 60 мм, толщину слоя под на­гревательным проводом — около 40 мм. При устройстве глино­битного пола на гидроизоляцию насыпают песок слоем около 100 мм, в котором прокладывают зигзагом нагревательные про­вода. На песок укладывают экранирующую сетку и затем глиносоломенную смесь или же глинобетон. Экранирующую сетку заземляют или зануляют. Нагревательное устройство пола раз­бивают на несколько секций с самостоятельным управлением.

В зависимости от возраста животных температуру пола поддер­живают в определенных пределах с помощью температурного двухпозиционного датчика или реле.

Проблемы эффективности электрических водонагревательных отопительных устройств, применяемых в различных отраслях сельского хозяйства. Конструкции проточных водонагревателей. Принцип действия индукционного нагрева. Питание индуктора переменным током.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	25.05.2017
Размер файла	618,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Повышение эффективности электроводонагревательных устройств для отопления вспомогательных помещений на животноводческих фермах

Матвеев Сергей Демьянович

Черкасов Михаил Михайлович

Государственный аграрный университет Северного Зауралья, магистрант

В статье обсуждаются проблемы эффективности электрических водонагревательных отопительных устройств, применяемых в различных отраслях сельского хозяйства. Подробно рассматриваются особенности эксплуатации элементных водонагревателей с трубчатым нагревательным элементом (ТЭНом), их основные технические неисправности и причины преждевременного выхода из строя. Высказывается предложение использовать индукционный метод нагрева теплоносителя в отопительных системах. Приводятся преимущества и недостатки данного технического решения, в общих чертах излагается принцип действия индукционных нагревателей, а также особенности их работы при питании токами высокой частоты 30?300 кГц. Предлагается примерная схема экспериментального лабораторного макета индукционной водонагревательной отопительной.

Ключевые слова: вихревые токи, инвертор, индуктор, индукционный нагрев, поверхностный эффект, полумостовая схема., скин-слой, скин-эффект, теплоноситель, токи высокой частоты, трубчатый электронагреватель, ТЭН

Одним из перспективных и основных путей развития животноводства является путь индустриализации, концентрации и специализации производства. Данное развитие идет в направлении совершенствования технологических процессов и повышения общей культуры ведения животноводства. В этих условиях проблема энергосбережения в отраслях сельского хозяйства требует особого внимания [1]. Она наиболее актуальна для таких энергоемких устройств как электрические водонагреватели. Применяемые в настоящее время в сельскохозяйственном производстве электродные и элементные нагреватели жидкости обладают рядом существенных недостатков. Наиболее важными из них являются: повышенная опасность поражения людей и животных электрическим током (электродные нагреватели) и небольшой срок службы ТЭНов (элементные нагреватели) [2]. Элементные водонагреватели являются более безопасными и распространенными электронагревательными устройствами, поэтому рассмотрим особенности их эксплуатации подробнее.

Как известно, принцип работы таких устройств основан на тепловом действии тока при протекании его по проводнику с относительно большим удельным сопротивлением и последующей передаче выделившегося тепла от рабочего элемента теплоносителю. Такие устройства достаточно просты в конструктивном исполнении, надежны и неприхотливы в эксплуатации, не требуют дорогостоящего технического обслуживания. Однако в процессе работы часто происходит нарушение нормальных условий эксплуатации, вследствие чего эффективность работы ТЭНов водонагревательных приборов постепенно снижается, и они преждевременно выходят из строя. Такими нарушениями являются образование отложений на теплообменной поверхности нагревательного элемента, агрессивность среды теплоносителя, повышение напряжения питания ТЭНа. Например, первичная накипь, образующаяся на оболочках ТЭНов, в 3-5 раз уменьшает срок их службы. Особенно серьезные проблемы с первичной накипью возникают при непрерывном нагреве и кипячении жесткой проточной воды, когда скорость ее образования на оболочках ТЭНов достигает 0,2-0,4 мм в сутки, а срок их службы не превышает одного месяца [3]. Чаще всего, подобные условия эксплуатации приводят к перегреву нихромовой спирали ТЭНа, её быстрому разрушению и электрическому обрыву, что требует частой замены ТЭНов.

Продлить срок службы водонагревательного устройства можно несколькими способами. Например, периодической очисткой или заменой теплоносителя, для поддержания его физико-химических свойств на должном уровне, однако это не всегда эффективно, особенно если такое обслуживание требует остановки отопительной системы. Также можно регулировать напряжение питания ТЭНа, снижать его при достижении температуры теплоносителя определенного порога, а затем использовать ТЭН на неполной мощности. Но в этом случае потребуется дополнительная модернизация всей системы: установка температурных датчиков, регуляторов мощности и т. п., что не всегда возможно эффективно реализовать на определённой конструктивно законченной отопительной системе.

Предлагается применить в отопительной системе проточный нагревательный модуль со встроенным тепловым элементом, нагреваемым индукционным способом, посредством токов высокой частоты. Основными преимуществами такого нагрева являются возможность передачи электрической энергии бесконтактным способом и выделение тепла непосредственно в нагреваемом объекте. В результате чего использование электроэнергии оказывается более эффективным, а скорость нагрева рабочего элемента значительно увеличивается по сравнению с ТЭНами.

Для проведения предварительных испытаний, исследования рабочих характеристик и оценки эффективности отопительной системы такого типа предполагается построить испытательный макет. Его примерная блок-схема приведена на рисунке 1.

водонагреватель индуктор ток отопительный

Рис. 1. Блок-схема макета отопительной системы с нагревателем индукционного типа. Цифрами обозначены: 1 -инвертор со встроенным амперметром, 2 - индуктор, 3 - нагревательный модуль, 4 - трубопровод с теплоносителем, 5 - радиатор отопления, 6 - циркуляционный насос, 7 - датчики температуры теплоносителя, 8 - блок управления инвертором

Макет отопительной системы представляет собой замкнутый трубопроводный контур (4), в котором с помощью насоса (6) осуществляется циркуляция теплоносителя. Нагрев последнего происходит в нагревательном модуле (3), отвод тепла в окружающую среду обеспечивается радиатором (5). Контроль температуры теплоносителя осуществляется с помощью датчиков (7). Блок питания индуктора - инвертор (1) представляет собой мощный импульсный преобразователь частоты и служит для возбуждения высокочастотных колебаний в индукторе. По встроенному амперметру осуществляется контроль тока, потребляемого индуктором в различных режимах работы. Основой блока управления инвертором (8) является генератор импульсов с регулируемыми параметрами, позволяющий менять рабочие режимы инвертора в зависимости от поставленной экспериментальной задачи. Из литературы известны конструкции проточных водонагревателей, представляющие собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора. Нагрев воды в них осуществляется при прохождении последней по змеевику. Однако их основным недостатком является большая удельная металлоемкость до 10 и более кг/кВт, значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие потери тепла [4]. В предложенном макете отопительной системы используется иная конструкция нагревательного модуля (рисунок 2). Конструктивно он представляет собой диэлектрическую трубу (емкость), через которую циркулирует жидкий теплоноситель (вода, масло). Поверх трубы навивается индукционная катушка, а внутрь помещается система из металлических трубок (тепловых элементов), расположенных вдоль потока теплоносителя. Индукционная катушка при работе может достаточно сильно разогреваться, поэтому выполнена из тонкостенной медной трубки, через которую дополнительным маломощным насосом прокачивается охлаждающая жидкость.

Рис. 2. Конструкция нагревательного модуля. Цифрами обозначены: 1 - диэлектрическая трубка, 2 - тепловые элементы - металлические тонкостенные трубки, 3 - индуктор из медной трубки, 4 - вход холодного теплоносителя, 5 - выход нагретого теплоносителя

Принцип действия индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию [5, с. 150]. Через катушку индуктора пропускается переменный электрический ток, в результате чего вокруг неё создается изменяющееся во времени переменное электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в находящихся внутри индуктора металлических трубках (тепловых элементах) вихревые токи (токи Фуко), которые и разогревают их под действием выделяющегося в проводнике джоулева тепла. Теплоноситель, омывая тепловые элементы, охлаждает их, при этом увеличивает свою температуру.

Питание индуктора осуществляется переменным током повышенной частоты, порядка 100 кГц. В этом случае вихревые токи, наводимые в тепловых элементах, вытесняются собственным магнитным полем в тонкие поверхностные слои металла, где их плотность достигает наибольшего значения, что ведет к интенсивному разогреву поверхности тепловых элементов. Более глубокие внутренние слои теплового элемента, где плотность вихревых токов на порядки меньше, прогреваются за счёт теплопроводности. Такое неоднородное распределение плотности высокочастотного переменного тока по сечению проводников является следствием проявления поверхностного эффекта или скин-эффекта [6, с. 24], представляющего собой явление затухания электромагнитных волн по мере проникновения их в проводящую среду. Глубина скин-слоя в основном зависит от частоты питающего тока и относительной магнитной проницаемости материала теплового элемента. При очень больших частотах ток практически существует только в тонком поверхностном слое проводника [7, с. 2]. Таким образом, увеличивая частоту тока, питающего индуктор, можно добиться увеличения плотности тока на поверхности тепловых элементов и тем самым поднять их рабочую температуру без значительного увеличения электрической мощности, потребляемой устройством. На рисунке 3 представлена примерная электрическая блок схема инвертора.

Рис. 3. Электрическая блок-схема инвертора

Схема состоит из двух модулей - управляющего и силового. В состав модуля управления входит задающий генератор и схема ограничения потребляемого тока. Силовой модуль содержит выпрямитель, модуль силовых ключей и собственно нагрузку.

Схема функционирует следующим образом. Переменное сетевое напряжение выпрямляется и подается на накопительный конденсатор Cн, соединенный с модулем силовых ключей. Силовой модуль выполнен по классической полумостовой схеме и состоит из двух полупроводниковых ключей (К1 и К2) и конденсаторного делителя (C1 и C2). Нагрузка подключается к общим точкам соединения ключей и конденсаторам делителя[8, с. 251]. Задающий генератор в составе модуля управления формирует управляющие импульсы с заданной частотой и скважностью и попеременно открывает и закрывает силовые ключи. Таким образом, верхний (по схеме) вывод нагрузки подключается то к положительной, то к отрицательной шине питания. В результате на нагрузке формируется переменное напряжение с амплитудой равной половине напряжения питания. Нагрузка инвертора представляет собой колебательный LC контур, образованный индуктором L и блоком конденсаторов Cx и подключается к силовому модулю через согласующий трансформатор Tr[9]. Эквивалентная схема нагрузки приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема нагрузки инвертора

Эквивалент теплового элемента (обозначен пунктиром), нагреваемого вихревыми токами высокой частоты, изображен в виде последовательно соединенного витка катушки и резистора. Таким образом, подразумевается индуктивное и активное сопротивление нагреваемого материала.

Быстродействующая схема ограничения тока блокирует работу задающего генератора и закрывает оба силовых ключа при превышении установленного порогового значения тока, питающего индуктор.

Электрическая принципиальная схема силовой части инвертора представлена на рисунке 5. За её основу с минимальными изменениями взята схема от лабораторного инверторного индукционного нагревателя, предназначенного для плавки металлов. [10]. Управляющие импульсы от задающего генератора поступают на входы PDMC+ и PDMC? микросхемы оптической развязки IC1. Логический элемент D1 инвертирует сигнал после прохождения оптической развязки, а также формирует инверсный сигнал для управления нижним ключом VT2.

Рис.5. Принципиальная электрическая схема силового модуля инвертора

Рис.6. Осциллограммы управляющих импульсов для ключевых транзисторов

Постоянное напряжение HV+, HV? с амплитудой порядка 310В. формируется из сетевого однофазного напряжения выпрямительным диодным мостом KBPC3510 и сглаживается электролитическим конденсатором большой емкости C16. Напряжение +15В. необходимо для питания микросхемы драйвера ключей, и подается от отдельного источника питания с максимальным током нагрузки не менее 0,5 А. Из этого же напряжения с помощью линейного стабилизатора 7805 формируется напряжение 5В. для питания логических элементов, оптической развязки и схемы защиты.

В качестве задающего генератора возможно применение любого универсального генератора сигналов, способного формировать импульсы прямоугольной формы с частотой 30…150 кГц, скважностью ? 2 и амплитудой порядка 5В.

Максимальная потребляемая мощность данной индукционной водонагревательной системы составляет порядка 2 кВт. Предусматривается её регулировка, как с помощью изменения скважности импульсов на определенной фиксированной частоте, так и регулировкой частоты, для перехода в резонансный режим работы. Такой подход позволяет экспериментальным способом подобрать наилучший материал проводника для изготовления тепловых элементов и получить от них максимальную теплоотдачу.

Подобные индукционные водонагревательные устройства можно использовать в системах отопления не только как основной нагреватель, но и совместно с ТЭНами (работающими на пониженной мощности), в качестве дополнительного проточного подогревателя, доводящего температуру теплоносителя до установленного нормативами значения. Таким образом, снижается тепловая нагрузка на штатные ТЭНы и значительно продлевается срок их эксплуатации.

1. Матвеев С. Д. Исследование и разработка коронно-разрядного озонатора для непрерывной дезинфекции яиц в инкубаторе - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 05.20.02., - ЧГАУ, 2009. - 108 с.

2. Русинов В. А. Разработка проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 05.20.02., - ЧГАУ, 2004. - 225 с.

3. Мордвинов Ю. А. Патент 2385552 C1. Тэн с защитой от первичной накипи/ Ю.А. Мордвинов, М.Ю. Мордвинов, Н.Ю. Силина.

4. Егоров А.В. Электрические печи для производства сталей / А.В. Егоров, А.Ф. Моржин - М.: “Металлургия”, 1975 - 352 с.

5. Глуханов .Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева / Н.П. Глуханов - М.: “Машиностроение”, 1965 - 80 с.

6. Буханов В.М. Скин эффект - Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм) / В.М. Буханов, Т.М. Глушкова, А.В. Матюнин, А.М. Салецкий, Д.Э. Харабадзе - МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, кафедра общей физики - МГУ, 2011 - 12 с.

7. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б.Ю. Семенов - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 416 с.

Размещено на Allbest.ur

Подобные документы

Основные способы определения потерь коэффициента полезного действия и часового расхода топлива. Характеристика конструкции топки. Анализ горелочных устройств, предназначенных для различных типов горелок. Знакомство с классификацией топочных устройств.

практическая работа [1,2 M], добавлен 31.10.2014

Традиционные системы отопления, их типы и значение на современном этапе. Преимущества использования инфракрасных отопительных приборов, характер влияния соответствующего излучения на человека. Принцип работы инфракрасной пленки, расчет энергопотребления.

дипломная работа [2,0 M], добавлен 02.06.2015

Гидравлический расчет и конструирование системы отопления жилого здания. Характеристика отопительных приборов. Определение количества типоразмеров конвекторов. Прокладка магистральных труб. Установка отопительных стояков. Расчет отопительных приборов.

курсовая работа [35,2 K], добавлен 11.06.2013

Компоновка структурной схемы ТЭЦ. Выбор числа и мощности трансформаторов. Построение и выбор электрических схем распределительных устройств. Расчет токов короткого замыкания. Выбор аппаратов, проводников и конструкции распределительных устройств.

курсовая работа [3,8 M], добавлен 08.02.2021

Выявление наиболее экономичного вида отопления жилых помещений. Расчет количества теплоты, которое необходимо для отопления. Сравнительный анализ различных систем отопления. Формула для внутренней энергии для идеального газа. Отопление тепловыми сетями.

1. Электрические водонагреватели, водогрейные и паровые котлы

В сельском хозяйстве горячую воду получают в огневых и электрических водонагревателях, водогрейных и паровых котлах или в бойлерах при наличии централизованной котельной. Выбирают водонагреватели по расчетному часовому расходу горячей воды из суточных графиков горячего водоснабжения и режимов водопотребления.

Электроводогрейные установки находят все большее применение в сельском хозяйстве. Многие хозяйства используют их для снабжения горячей водой животноводческие фермы, ремонтные мастерские, гаражи, теплицы и другие производственные помещения.

Следует подробно ознакомиться с конструкцией и методиками расчета различных типов элементных и электродных водонагревателей.

В настоящее время выпускаются электронагреватели сельскохозяйственного назначения проточного и емкостного типов (ЭВ, ЭПВ, ВЭТ, УАП), широко используемые на животноводческих фермах. Надо изучить особенности режимов их работы, достоинства и недостатки, методы расчета мощности и принципы автоматизации.

Для отопления производственных и культурно-бытовых помещений хозяйств, а также для получения теплой воды на животноводческих фермах промышленность выпускает электродные водогрейные котлы типа ЭПЗ, потребляемая мощность которых может регулироваться в пределах от 10 до 100% от номинальной. Следует ознакомиться с их конструкцией, схемами автоматизации и особенностями расчетов.

Важным вопросом является электронагрев воды для поения животных и птиц. Следует уяснить, какое положительное влияние оказывает нагрев питьевой воды на здоровье и продуктивность животных и птиц, а также на состояние водопроводной сети в животноводческих помещениях. Надо знать устройство принудительно-циркуляционных установок и автопоилок для животных с электрическим подогревом воды и автоматическим регулированием температуры нагрева.

Паровые котлы электродного и элементного типов используются на животноводческих фермах для запаривания кормов, пастеризации молока и т.д.

Расчет паровых котлов надо начинать с определения потребного количества пара для данного технологического процесса. Электрический расчет парового котла заключается в вычислении средней мощности котла по его паропроизводительности.

В настоящее время для комплексного теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей сооружают электрокотельные.

Теплопроизводительность электрокотельных определяют по суточным графикам тепловых нагрузок с учетом режимов загрузки энергосистемы и распределительных сетей. Особое внимание следует обратить на то, что электрокотельные представляют собой наиболее крупные потребители электроэнергии в сельском хозяйстве, и их сооружение требует строгого технико-экономического обоснования.

Большое внимание должно быть уделено вопросам техники безопасности при монтаже и эксплуатации перечисленных выше установок.

Контрольные вопросы:

Как устроены электродные водонагреватели и паровые котлы, и какие их преимущества и недостатки?

В чем состоят различия в методиках расчета непроточных и проточных электродных водонагревателей?

От каких параметров зависит изменение величины мощности непроточных электродных водонагревателей в процессе нагрева?

Какие типы элементных водонагревателей используются в сельском хозяйстве и в чем состоят их конструктивные отличия?

В чем заключается методика определения необходимой паропроизводительности котлов?

Опишите устройство электрокотельной. Как осуществляется автоматизация управления режимами работы котлов?

С какой целью строятся суточные графики тепловых, нагрузок?

Перечислите основные правила безопасной эксплуатации электрокотлов.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Читайте также:

  
• Организация проектных работ реферат
  
• Экология лесных животных реферат
  
• Мировой энергетический кризис 2021 реферат
  
• Танатология наука о смерти реферат
  
• Строение солнечной атмосферы реферат