Практическая работа 3
Определение мощности по кратности воздухообмена.
Если задана кратность воздухообмена в помещении кв 1/с или 1/ч, то мощность потерь воздухообмена определяется:
,
Вт
кв
=3.6-14.4 1/час=1-4·10
1/с
-объем
помещения, м
-плотность
воздуха, кг/м
-удельная
теплоемкость воздуха, Дж/кг
,
-
температура внутри и снаружи помещения
Поскольку производительность вентилятора (или насоса, если теплоноситель вода) можно найти следующим образом:
=
кг/с -по массе
V
м
/с-
по объему
Тогда тепловой поток мощности воздухообмена:
,
Вт
,
Вт
Если нужно учитывать изменение удельной теплоемкости теплоносителя (воздуха) в процессе тепломассообмена , то в формулах необходимо брать значения энтальпии:
,
Вт
Пример:
в электропечи непрерывного действия
производительностью
=0,139
кг/с нагреваются стальные изделия под
отпуск от 20 до 230
Определить
полезную установленную мощность печи
(КПД=0,72,
=0,95,
коэффициент запаса
=1,2).
Удельная теплоемкость стали с=490Дж/кг
.
,
Вт
,
Вт
Расчет теплового потока мощности биологических объектов.
Каждый биологический объект выделяет тепловую энергию. Суммарную мощность, выделяемую группой биологических объектов (например, находящихся в одном помещении животных) можно определить:
,
Вт
тепловой
поток одного животного (птицы), Вт/гол.
количество
животных (птицы) вида i в помещении,
голов.
-удельный
тепловой поток мощности одного животного
(птицы) вида i , Вт/кг живой массы.
живая
масса животного (птицы) вида i , кг
Расчет мощности на нагрев окружающей среды к таре ЭТУ.
Расчет производится по выражению:
,
Вт
т.е. для определения суммарной мощности необходимо собрать все изменения теплосодержания всех элементов конструкции и тары и разделить на время нагрева.
Пример:
Определите общую мощность электрокалориферного
отопления телятника на 300 голов и выберите
калориферы. Температура в телятнике
должна быть 19
С;
кратность воздухообмена
=6раз/час.
Удельный объем помещения 7м
/голов,
расчетная температура воздуха наружного
минус 20
С.
Тепловая характеристика помещения 2,4
кДж/ м
С
·час. Тепловыделение одного животного
970кДж/час·голов.
Решение
Переводим известные данные в единицы СИ:
970кДж/час.голов.=970
Дж/С.гол.=270Вт/гол.
Определяем плотность и теплоемкость воздуха:
Составляем уравнение энергобаланса:
или
Q
=теплота,
теряемая с вентилируемым воздухом.
Q
-потери
через ограждения.
Определяем
поток мощности Ф
по кратности воздухообмена
=163,8
Вт
при
раз/час =
раз/с и объеме помещения:
-объем
помещения
Определение потока мощности, выделенной животными.
N-количество животных
-тепловой
поток мощности 1 животного
,
Вт
Определение мощности потерь через ограждение Ф
Тогда:
Вт
Мощность электрокалориферного отопления:
кВт
Выбираем 2 калорифера СФОЦ 60/0,5
Р=67,5 кВт мощность 1 калорифера.
С= нагрев сопротивлением (ТЭН)
Ф- индекс калорифера.
О-окисляющая среда (аммиак)
Ц- центробежный вентилятор
0,5-50 С предельная температура нагретого воздуха.
Оптимизация толщины тепловой изоляции ЭТУ.
Тепловая изоляция ЭТУ снижает потери энергии в окружающую среду и следовательно годовые издержки производства. Расчету тепловой изоляции предшествует ее выбор. Уменьшить потери теплоты и увеличить КПД ЭТУ можно двумя способами:
1 Увеличивая толщину изоляции (в разумных пределах)
2 Применять теплоизоляцию с меньшей теплопроводностью.
Вид изоляции обуславливается ее стойкостью, температурными режимами, характером воздействия со стороны окружающей среды(влажность, агрессивность, вибрации, и др.), санитарно-гигиеническими условиями(запах при нагреве)
Требования, предъявляемые к тепловой изоляции ЭТУ противоречивы: она должна быть как можно дешевле, легче, обладать достаточной механической прочностью, малой теплопроводностью и электропроводностью, сохранять свои свойства во времени, выдерживать высокие температуры и т.д. Практически ни одни материалы не удовлетворяют всем этим требованиям.
Поэтому тепловую изоляцию часто делают многослойной (например слой, прилегающий к нагревателю выполняют огнеупорной, термостойкой, а затем используют слой, эффективный по теплоизоляционным свойствам (минеральная вата, стекловолокно). Особое внимание уделяется теплоизоляции в сырых помещениях и при низких температурах окружающей среды, поскольку существует опасность насыщения теплоизоляции влагой, из-за чего она теряет свои свойства. После выбора типа изоляции задача расчета сводится к определению ее оптимальной толщины. Увеличение толщины снижает потери энергии, но возрастают затраты.
З
м
Рис. 1 Характер зависимостей приведенных затрат З от толщины изоляции.
1-Затраты на потери энергии
2-Затраты на приобретение изоляции
3-Сумма затрат
Это обычная технико-экономическая задача по определению минимума удельных приведенных затрат.
В технико-экономических расчетах используется метод приведенных затрат, позволяющий сравнивать варианты при помощи единого стоимостного критерия в виде удельных приведенных затрат.
, (1)
где З-удельные приведенные затраты
Е
-коэф. нормативный эффективности
капитальных вложений
к - удельные капитальные вложения
И- издержки удельные эксплуатационные.
В выражении 1 все затраты являются удельными, т.е. отнесенными к характерному и одинаковому параметру сравниваемых вариантов, причем за промежуток времени, обычно равный 1 году.
В формуле 1 нормативный коэффициент Е умножен на К, а это значит, что удельные капитальные вложения К делятся на нормативный срок окупаемости и уже затем суммируются с удельными эксплуатационными издержками И. Поэтому удельные затраты называют приведенными (например к нормативному сроку окупаемости 7-8 лет).
В исходной формуле 1 составляющие в удельных эксплуатационных издержках кроме издержек на оплату энергии можно выразить через коэффициенты отчислений на аморитазацию, текущий и капитальный ремонты.
Тогда:
З=
К+(
К+
)
-
стоимость годовых потерь тепловой
энергии руб./
·год,
- издержки на оплату энергии
- коэффициент отчислений (в основном на амортизацию) 1/год
Все затраты будем относить к 1 поверхности теплоизоляции ЭТУ. Тогда удельный приведенные затраты:
=
(
+
)
К+
руб./
год
З- удельные затраты к 1 поверхности теплоизоляции
- стоимость годовых потерь энергии с 1 поверхности теплоизоляции ЭТУ с ограждающих поверхностей
К- капитальный вложения на единицу площади изоляции руб./
Т.к.
=
·t
·
руб./
год
-поверхностная плотность теплового потока (тепловая мощность) отдаваемого в окружающую среду Вт/
t - продолжительность работы установки в году, сек/год
-стоимость энергии руб./Дж=руб./кВт·ч
При
этом
=
Вт/
-температурный
напор (разность температур) на внутреннем
и внешнем слое изоляции.
-удельное
термическое сопротивление теплопотери
изоляции
·с/
Вт
При
чем
где
толщина
изоляции, м
-
коэффициент теплопроводности изоляции,
Вт/м·
С
Тогда:
С
-цена
изоляции, руб/м
подставив
выражения для К и для И
в формулу для удельных приведенных
затрат
получим
Руб./м
·год
Формула показывает, что с ростом толщины изоляции растут капитальные затраты и уменьшаются издержки по оплате энергии (второе слагаемое)
Имея математическое выражение можно провести исследование
З- функция
- аргумент
Все остальные- постоянные коэффициенты.
Первая
производная
Тогда
оптимальное значение толщины:
,
м
Пример: Трехслойная стенка
Уравнение для термического сопротивления теплопередачи трехслойной стенки
-
коэффициенты теплоотдачи (теплообмена)
при конвекции, соответственно на
внутренней поверхности первого слоя и
на наружной поверхности i (третьего)
слоя.
Тогда
плотность тепловой мощности
, Вт/м
Уравнение для удельных приведенных затрат:
Продифференцируем
это уравнение по аргументу
,
приравняем производную к нулю и решив
при этом уравнение для производной
найдем значение аргумента, соответствующее
экстремуму функции, т.е. найдем оптимальную
толщину тепловой изоляции, соответствующую
минимуму удельных приведенных затрат.
Это основная формула, по которой считают оптимальную толщину изоляции ЭТУ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 4
Изучение средств местного электрообогрева и экспериментальное исследование электрообогревающей панели.
Панель ПЭБ-0,7
Время нагрева t, мин. |
Напря-жение,В. |
Температура в помещении |
Ток, А |
Температура бетона, t0б, 0С |
Температура жилы, t0ж, 0С |
0 |
110 |
20 |
5,9 |
20 |
20 |
10 |
|
|
5,6 |
26 |
31,9 |
20 |
|
|
5,5 |
33 |
36,16 |
30 |
|
|
5,4 |
37 |
40,6 |
40 |
|
|
5,3 |
42 |
45,16 |
50 |
|
|
5,2 |
46 |
49,9 |
60 |
|
|
5,1 |
50 |
54,86 |
70 |
|
|
5,08 |
52 |
56,12 |
80 |
|
|
5,05 |
55 |
57,4 |
100 |
|
|
4,95 |
58 |
62,65 |
120 |
|
|
4,93 |
62 |
63,7 |
140 |
|
|
4,9 |
65 |
65,35 |
160 |
|
|
4,86 |
66,5 |
67,35 |
180 |
|
|
4,83 |
68 |
69,22 |
200 |
|
|
4,8 |
69 |
70,33 |
210 |
|
|
4,78 |
69,6 |
72,07 |
230 |
|
|
4,76 |
70 |
73,22 |
Определение длины нагреваемого провода
Провод марки ПОСПХ уложен в бетоне электронагревательной панели ПЭБ-0,7.
rt – активное сопротивление проводника переменнму току при его температуре toC, Ом.
-
коэффициент поверхностного эффекта
(эмпирическая формула), равный отношению
активного сопротивления проводника
переменному току к его сопротивлению
при постоянном токе. (значение 1,025
приведено для частоты 50 Гц и диаметра
жилы провода ПОСПХ 0,0011 м из низкоуглеродистой
стали, отн. ед).
,
сечение проводника, м2.
d- диаметр проводника равный 0,0011 м,
-удельное
электрическое сопротивление проводника
при температуре t,
Ом*м.
=0,135*10-6
Ом*м – удельное
сопротивление при t0=20o
=0.0045
– термический коэффициент сопротивления
низкоуглеродистой стали 1/oC.
Активное сопротивление проводника переменному току при его температуре t0, то есть при температуре в лаборатории < или > 20оС :
Сопротивление жилы провода при 20оС:
,
Ом
-
среднеарифметическое значение
сопротивления из 3х опытов при t0
провода равной температуре в лаборатории,
Ом.
,
Ом*м
Длина провода:
,
м
Определение мощности нагрева
Определяем удельную мощность:
Руд – мощность, которую тепловыделяющий материал может отдать в окружающую среду с одного квадратного метра своей активной поверхности (удельная мощность)Вт/м2.
Rt
– удельное (для 1 м2
активной поверхности) термическое
сопротивления теплопередачи на пути
теплового потока мощности между активной
поверхностью тепловыделяющего материала
с температурой to
и жидкой или газообразной средой или
другого нагреваемого материала с
температурой
,
0С*м2/Вт.
- заданная температурная (нормируемая технологическим заданием) объема или наружной поверхности жидкой, газообразной или твердой нагреваемой среды оС.
Для нашей панели:
-
температура на активной поверхности
тепловыделяющей стальной низкоуглеродной
жилы круглого сечения внутри нагревательного
провода с полиэтиленовой изоляцией
марки ПОСХП, уложенного в бетоне оС.
- температура окружающего воздуха в лаборатории во время опытов.
Руд – удельная поверхностная мощность, которую стальная жила может отдавать в окружающую ее среду с одного квадратного метра своей активной поверхности при том или ином диаметре провода круглого сечения и длине l. Вт/м2.
Rt
– удельное термическое сопротивления
на пути теплового потока мощности от
активной поверхностью круглой стальной
жилы с температурой ее поверхности
,
[0С·м2/Вт].
Вт/м2
-
электрическая мощность, потребляемая
из сети электрической обогревательной
панелью, Вт.
Itож – ток в зависимости от температуры нагрева.
-активная
поверхность жилы, м2.
-
периметр круглого сечения жилы с
диаметром d,
м.
l – длина нагревательного провода, м.
Температура жилы:
t0ож=t0б0+Руд·Rt , 0С
где
,
м2·0С/Вт
δ – толщина бетона, (в нашем случае 0,05 м)
λ – коэффициент теплопередачи для бетона, = 0,84 Вт/м·0С
Отсюда мощность нагрева:
