Расчет элементного водонагревателя типа САОС-400

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Исходные данные

Технологическая характеристика объекта автоматизации

Разработка функциональной технологической схемы

Расчет и выбор технических средств автоматизации

Разработка схемы подключения устройства

Расчет и выбор пускозащитной аппаратуры

Определение основных показателей надежности

Разработка принципиальной схемы управления

Расчет технико-экономической эффективности автоматизации

Заключение

Литература



Введение

Электрический нагрев воды является одним из экономически выгодных применений электрической энергии в сельском хозяйстве. Особенно распространен электрический нагрев воды в животноводстве на технологические процессы (поение животных, получение и обработка продукции, мойка оборудования и т. д.). Распространению электроводонагревателей способствует простота устройства и обслуживания, легкость и точность автоматизации, постоянная готовность к работе.

Благодаря этому затраты труда на получение горячей воды и пара сокращаются в десятки раз, особенно на небольших животноводческих фермах, не имеющих собственных котельных.



Исходные данные

Количество молодняка КРС - 50 голов.

Суточная норма потребления воды на одну голову - а=30 л.

Температура воды для поения - Q₂ = 10 ⁰С

Коэффициент суточной неравномерности k_с = 1,2.

Коэффициент часовой неравномерности k_ч = 1.8.

Мойка молочной посуды водой, с температурой 80 ⁰С - 100 л в сутки.

Подогрев воды в поилках до 10 ⁰С, так как из скважины вода подается с температурой 5 ⁰С.

Для работников для принятия душа -- 200 л в сутки.

Определение мощности установки.

Определяем количество теплоты, необходимое для подогрева воды до 10 ⁰С.

Q1 = (mt*c*(v2-v1))/24,

где mt - количество воды, необходимое на сутки для телятника на 50 голов,

mt = kc*kч*а*n*?,

где kc = 1.2 - cуточная неравномерность потребления воды;

kч = 1,8 - часовая неравномерность потребления воды;

а = 0,03 м³ - норма потребления воды на одну голову;

n = 50 - количество телят;

? = 1000 кг/м³ - плотность воды.

mt = 1,2*1,8*0,03*50*1000 = 3240 кг

где с = 4,19 кДж/⁰С - теплоемкость воды;

v1 = 5 ⁰С - температура воды в трубопроводе;

v2 = 10 ⁰С - необходимая температура.

24 - постоянный коэффициент.

Q1 = 3240*4,19*(10 - 5)/24 = 2828,25 кДж/ч.

Определяем мощность нагревателя

Р1 = Q1/(3600*?н*?с),

где 3600 - постоянный коэффициент;

?н = 0,9 - к. п. д. неравномерности;

?с = 0,94 - к. п. д. водопроводной системы.

Р1 = 2828,25/(3600*0,9*0,94) = 0,93 кВт.

Определяем количество теплоты, необходимое для подогрева воды до 90 ⁰С.

Q2 = (mt1*c*(v3-v4))/24,

где mt1 - количество воды, необходимое на сутки для телятника на 50 голов молодняка КРС,

mt1 = kc*kч*а*n*?,

где kc = 1.2 - cуточная неравномерность потребления воды;

kч = 1,8 - часовая неравномерность потребления воды;

а = 0,1 м³ - норма потребления воды на одну голову;

n = 1 - количество потребителей;

? = 1000 кг/м³ - плотность воды.

mt = 1,2*1,8*0,1*1*1000 = 216 кг.

где с = 4,19 кДж/⁰С - теплоемкость воды;

v1 = 5 ⁰С - температура воды в трубопроводе;

v2 = 90 ⁰С - необходимая температура.

24 - постоянный коэффициент.

Q2 = 216*4,19*(90 - 5)/24 = 3205,35 кДж/ч.

Определяем мощность нагревателя

Р2 = Q2/(3600*?н*?с),

где 3600 - постоянный коэффициент;

?н = 0,9 - к. п. д. неравномерности;

?с = 0,94 - к. п. д. водопроводной системы.

Р1 = 3205,35/(3600*0,9*0,94) = 1,05 кВт.

Определяем общую мощность установки:

Р = Р1 + Р2

Р = 0,93 + 1,05 = 1,98 кВт

Необходимая мощность установки для телятника - 1,98 кВт. Выбираем элементную водонагревательную установку САОС--400/0,9 с максимальной производительностью 400 литров за 4 часа, мощностью 12 кВт.

Технологическая характеристика объекта автоматизации

Элементные водонагреватели используют теплоту, выделяющуюся при прохождении электрического тока через активный резистор (ТЭН).

Водонагреватель представляет собой металлический резервуар с хорошей тепловой изоляцией и расположенными в нижней его части элементами ТЭН 7. Объем резервуара 0,4 или 0,8 м³, а мощность нагревателей соответственно 12 или 18 кВт.

Холодная вода из водопровода поступает в резервуар 6 через нижний трубопровод 8, а разбирается через верхний 3. В комплект САОС входит циркуляционный насос 1, что позволяет водонагревателю работать в замкнутых системах автопоения животных, отопления и др.

Типовое решение по автоматизации таких нагревателей -- применение двухпозиционного устройства контроля температуры УКТ с контактным (иногда бесконтактным) выходом.

Нагреватель включают, нажимая кнопку SB2. При этом напряжение подается на УКТ, основой которого является контактный термометр и реле К1. Если температура воды в корпусе нагревателя ниже заданной, включается реле К1 и контактами К1: 2 подается напряжение на терморегулятор ВК, который включает КМ1 и нагревательные элементы ЕК1… ЕКЗ. Нагрев длится до выхода температуры воды на заданный уровень и размыкания контактов ВК.

В случае нарушения описанного алгоритма и аварийного подъема температуры до 95 °С устройство УКТ обесточивает реле К1 и нагреватель отключается.

Рис. 1. Элементный водонагреватель САОС (а) и принципиальная электрическая схема управления им (б): 1 -- циркуляционный насос; 2-- изоляционная вставка; 3 -- трубопровод горячей воды; 4-- термометр; 5-- шкаф управления; 6-- резервуар; /--блок электронагревателей; 8-- трубопровод холодной воды



Электродвигатель М циркуляционного насоса 1 включается переключателем SA. Более мощные элементные нагреватели имеют две группы ТЭНов, расположенных одна над другой и управляемых раздельно. Это позволяет осуществить два режима: форсированный (работают обе группы) и аккумуляционный (работает только нижняя группа).

Электроводонагреватель представляет собой сварной сосуд из стандартных сварных труб, а также из внутреннего цилиндра и кожуха 9, крышкой контактных соединений 11. Между цилиндром и кожухом уложена теплоизоляция 7. Вода нагревается ТЭНами 4, установленными на фланце. Водонагреватель оборудован патрубками для подвода и слива воды 12.

Разработка функционально-технологической схемы

Рис. 2. Функционально-технологическая схема водонагревателя САОС. 1 - термометр контактный; 2- реле промежуточное; 3 - контакты реле; 4 - терморезистор; 1-1 - терморегулятор; 1-2 - пускатель электромагнитный; 1-3 - контакты пускателя; ЕК - нагреватель (ТЭНы).

Сигнал от контактного термометра 1 поступает на промежуточное реле 1-1 при превышении температуры максимально допустимой.

Реле 1-1 срабатывает и своими контактами 1-2 подает сигнал на терморегулятор 2-1.

Терморегулятор 2-1 своими контактами управляет магнитным пускателем 2-2, а тот, в свою очередь, своими контактами 2-3 подключает или отключает нагревательный элемент ЕК.

Расчет и выбор технических средств автоматизации

К техническим средствам автоматизации в данной схеме относятся:

- термометр контактный;

- реле промежуточное;

- терморезистор;

- терморегулятор.

Терморезистор - выбираем типа ММТ-4 сопротивлением 3,6 кОм.

Реле промежуточное - выбираем промежуточное реле типа МКУ-48, с напряжением катушки Uк = 220 В, потребляемым током Iр = 0,03 А.

Термометр контактный - выбираем типа ТК-5,01 с несменным зондом на пределы температуры -20…+200?С и установленным пределом температуры 97?С.

Терморегулятор - выбираем типа ТК20-01-1-90±6%-85

Разработка схемы подключения устройства

Рис. 3. Электрическая схема подключения установки.



QS - рубильник предназначен для отключения установки при ремонте или обслуживании и предохранения от к. з. и чтобы можно было увидеть, что установка отключена, т. е. для видимого разрыва цепи;

FU - предохранитель предназначен для предохранения при аварийных режимах;

QF - автоматический выключатель, предназначен для автоматического отключения при больших токах и при ремонте;

КК - тепловое реле, предназначено для защиты силовой цепи от больших токов;

КМ - контакты магнитного пускателя;

ЕК - нагревательный элемент.

Расчет и выбор пускозащитной аппаратуры

водонагреватель автоматизация элементный экономический

Выбор рубильника

По номинальному току

In. руб ? 3*Iном. нагр

где Iном. нагр - номинальный ток нагрузки;

Iном. нагр = Р*1000/(v3*380)

Iном. нагр = 12,5*1000/(1,73*380) = 19,01 А

In. руб ? 3*19,01 = 57 А

Выбираем рубильник с ближайшим большим номинальным током 100 А.

По способу подключения проводов.

Выбираем рубильник с передним подключением проводов, так как это освобождает от лишних действий при ремонте рубильника или замене самих подводящих проводов.

По степени защиты.

Выбираем рубильник пылебрызгозащищенный, так как у нас в помещении агрессивная среда, а также для безопасности обслуживающего персонала.

По всем пунктам выбираем рубильник марки РПБ-31-100.

Выбор предохранителя.

По току плавкой вставки

Iвст ? 4*Iпуск.

где Iпуск - пусковой ток установки, Iпуск = Iном = 19,01 А

Iвст ? 4*19,01 = 76 А.

Выбираем предохранитель типа ПРС-100 с номинальным током плавкой вставки 100 А.

Выбор автоматического выключателя.

Расчет электрического расцепителя автоматического выключателя серии АЕ.

Iн. р. ? Iнагр.

Iн. р ? 19,01 А

Выбираем Iн. р = 20 А. Определяем кратность тока

k = Iнагр/Iн. р.

k = 19,01/20 = 0.95

Поворачиваем регулятор на деление -0,95.

Проверка выбранного автомата на возможность срабатывания при пуске водонагревателя.

Кратность тока по отношению к номинальному току расцепителя - 12*Iном. Эти автоматы применяются для мгновенного срабатывания, поэтому



Iсраб = 1,25* Iпуск.

где 1,25 - постоянный коэффициент, учитывающий средние условия пуска.

Iсраб = 1,25*19 = 23,75 А

Начальное значение тока срабатывания

Iн =12*Iн. р.

Iн =12*20 = 240 А

240 А ? 23,75 А

Выбираем автоматический выключатель серии АЕ2036 с числом полюсов 3 и номинальным током расцепителя 20 А.

Выбираем тепловое реле марки ТРН-25 с номинальным током Iутэ = 20 А.

Определяем разность токов

?I = Iнагр - Iутэ

?I = 19 - 20 = -- 1 А

Определяем число делений на шкале регулятора

n = ?I/(с*Iутэ)

где с = 0,055 - постоянный коэффициент для закрытых пускателей

n = - 1/(0,055*20) = -0,9

Устанавливаем стрелку регулятора на деление - 0,9.

Выбор магнитного пускателя.

Выбираем магнитный пускатель типа ПМЕ-22-193А-4Р+4З



Расчет основных показателей надежности

В соответствии с принципиальной схемой управления температурой водонагревателя все элементы разобьем на группы по числу разнотипных элементов.

Наименование разнотипных элементов, входящих в принципиальную схему	Число однотипных элементов	Интенсивность отказа элементов i-го типа ?i*10-6, (1/час)	Результирующая интенсивность ?рi, (1/час)
Тепловые выключатели	2	0,1375	0,275•10-6
Держатели плавких предохранителей	3	0,02	0,06•10-6
Плавкие предохранители	3	0,5	1,5•10-6
Реле электромеханическое	1	0,5	0,5•10-6
Резисторы переменные	1	7,0	7•10-6
Резисторы постоянные	1	0,03	0,03•10-6
Выключатели кнопочные	2	0,063	0,126•10-6
Контакты	20	0,250	5•10-6
Лампы сигнальные	3	0,625	1,185•10-6

Определим интенсивность отказов каждого вида элементов рассматриваемой схемы.

?_р = n• ?.

?_р1 = 2*0,1375•10^-6 = 0,275•10^-6 1/час.

?_р2 = 3•0,02•10^-6 = 0,06•10^-6 1/час.

?_р3 = 3•0,5•10^-6 = 1,5•10^-6 1/час.

?_р4 = 1•0,5•10^-6 = 0,5•10^-6 1/час.

?_р5 = 1•7•10^-6 = 7•10^-6 1/час.

?_р6 = 1•0,03•10^-6 = 0,03•10^-6 1/час.

?_р7 = 2•0,063•10^-6 = 0,126•10^-6 1/час.

?_р8 = 20•0,25•10^-6 = 5•10^-6 1/час.

?_р9 = 3•0,625•10^-6 = 1,875•10^-6 1/час.

Определим результирующую интенсивность отказов всех элементов схемы

?_р = ,

?_р = 0,275*10^-6 +0,06*10^-6+1,5*10^-6+ 0,5•10^-6 +7*10^-6+ 0,03*10^-6+ 0,126*10^-6+ 5*10^-6+ +1,185*10^-6 =

= 15,676•10^-6 1/час.

Определим результирующую вероятность безотказной работы элементов схемы

Р_рез(t) = ,

Р_рез(t) = = 4,77.

Результирующая надежность системы оказалась меньше нормативного значения, т.е.

4,77 < 0,96.

Разработка принципиальной схемы управления

Рис. 4. Электрическая схема управления установкой.



K1 - промежуточное реле, предназначенное:

для подачи питания на сигнальную лампу HL1 при помощи контактов К1,1;

для шунтирования кнопки «Пуск» SB2 при помощи контактов К1,1;

для подачи питания на цепь терморегулятора ВК и магнитного пускателя КМ1 при помощи контактов К1,2.

КМ1 - магнитный пускатель, предназначен для подключения электронагревательного элемента ЕК при помощи силовых контактов КМ1,1;

SВ1 - кнопка «Стоп» для обесточивания цепи управления;

HL1 - сигнальная лампа, сигнализирующая о подаче питания на схему управления;

RС - цепочка, играющая роль бесконтактного термометра для устройства контроля температуры;

HL2 - сигнальная лампа, сигнализирующая о работе нагревательного элемента;

УКТ - устройство контроля температуры, срабатывает при достижении критической температуры и отключает схему управления и водонагреватель от сети;

ВК - терморегулятор, поддерживает температуру в заданных пределах;

t?C - терморезистор терморегулятора, играет роль датчика температуры воды в водонагревателе.

Расчет технико-экономической эффективности автоматизации

При применении схемы автоматизации водонагревателя увеличиваются капитальные вложения К2.

Определим К2

Элемент	Стоимость, руб	Количество, шт	Итого, руб
Терморезистор типа ММТ-4.	22	1	22
Реле промежуточное МКУ-48	180	1	180
Термометр контактный типа ТК-5,01	3559	1	3559
Терморегулятор типа ТК20	1600	1	1600
	Всего	5361

Получаем К2=5361 руб.

Определяем снижение эксплуатационных издержек.

В связи с автоматизацией водонагревателя исчезнет такой пункт в затратах как заработная плата рабочего, обслуживающего этот водонагреватель, даже не полная ставка, а половина ставки.

На данный момент минимальная ставка составляет 4300 рублей, а половина ставки - 2150 руб.

Тогда экономическая эффективность автоматизации водонагревателя составит

Э = ?И - 0,15* ?К,

где ?И - уменьшение эксплуатационных издержек, ?И = 2150 руб.;

0,15 - нормативный коэффициент отчислений;

?К - увеличение капитальных вложений, ?К = 5361 руб.

Э = 2150 - 0,15* 5360=1360 руб.

Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений

Т = ?К/ ?И.

Т = 5361/ 2150 = 2,5 года.

Заключение

В результате работы над курсовым проектом мы произвели расчет элементного водонагревателя типа САОС-400. Разработали схему подключения и управления, выбор элементов схемы автоматизации, функционально-технологическую схему, определили основные показатели надежности и экономическую эффективность автоматизации.



Список литературы

1. Элементы и устройства сельскохозяйственной автоматики: Справочное пособие / [Бохан Н.И., Дробищев Ю.В. и др.]; Под ред. Н.И.Бохана. - М.: Урождай, 1983. - 176с.

2. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / [ А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А.Клюев]; Под ред. А.С. Клюева. М.: Энергоатомиздат, 1990 - 464с.

3. Пястолов А.А., Ерошенко Г.П. Эксплуатация электрооборудования.- М.: Агропромиздат, 1982. - 287с.

4. Бородин И.Ф. Технические средства автоматики. - М.: Колос, 1982. - 303с.

5. Электротехнология В.А. Карасенко, Е.М. Заящ, А.Н.Баран, В.С.Корько. - М.: Колос, 1992. - 304с.

6. Живописцев Е.Н., Косицин О.А. Электротехнология и электрическое освешение. - М.: Агропромиздат, 1990. - 303с.

7. Грундулек А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1982. - 104с.

8. Таев И.С. Электрические аппараты автоматики и управления. Учебн. пособие для ВУЗов. М.: /Высшая школа/, 1975.-304c.

9. Бородин И.Ф., Рысс А.А. Автоматизация технологических процессов. - М.: Колос, 1996. - 351с.

Размещено на Allbest.ru