Тема 13. Электротермическое оборудование для создания микроклимата

Рассматриваемые вопросы:

- область применения и классификация;

- электрокалориферные установки;

- электрические печи;

- электрокательные;

- тепловые насосы и утилизаторы тепла.

Рекомендуемая литература:

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992, (текст).

- Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. /Под общ. ред. В.Н. Растригина/. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Электротехнологические промышленные установки. Учебное пособие./ Под ред. Д. Свенчанского/. М.: Энергоиздат, 1982.

 

Краткое содержание

Микроклимат – это совокупность условий окружающей среды в некотором ограниченном пространстве.

Важнейший параметр микроклимата – температуру – поддерживают в помещениях с помощью систем отопления и вентиляции или кондиционирования воздуха.

В зависимости от применяемого оборудования существуют следующие виде отопления: электрокалориферное, электрокотельное, электропечное, элементное, лучистое, с помощью электрообогреваемых полов и панелей, комбинированное.

В зависимости от вида первичного теплоносителя различают водяные, паровые и электрические калориферы.

Унифицированный электрический калорифер типа СФО представляет собой блок нагревательных элементов, смонтированных в общем корпусе. При протекании электрического тока элементы нагреваются и отдают теплоту контактирующему с ними воздуху.

Выпускают данные электрокалориферы девяти типоразмеров мощностью 5, 10, 16, 25, 40, 60, 100, 160 и 250 кВт. Допустимая температура воздуха на выходе из калорифера 100 °С. В качестве нагревателей используют ТЭНы мощностью 1,6 и 2,6 кВт.

Конвекционный сельскохозяйственный электрообогреватель типа ЭОКС с развитой теплоотдающей поверхностью нагревает воздух в условиях естественной конвекции. Выпускается двух типоразмеров ЭОКС -2 /1,5 – И1 и ЭОКС -6/1,5-И1 мощностью 2 и 6 кВт. Максимальная температура поверхности нагревателя 150°С, мощность одного ТЭНа 0,63 кВт.

Электрокалориферная установка (ЭКУ) помимо электрокалорифера включает в себя побудитель движения воздуха – вентилятор и вспомогательные устройства для направления потока и регулирования подачи воздуха, а также гашения шума и пр.

В системах вентиляции и электроотопления животноводческих помещений при температуре воздуха не выше 50 °С применяют стационарные электрока лориферные установки типа СФОЦ.

Обозначение СФОЦ/40/0,5-И3 – нагрев сопротивлением; Ф- индекс калорифера; О- работа в окислительной среде; Ц –центробежный вентилятор; 40- установленная мощность около 40 кВт; 0,5 – предельная температура нагретого воздуха 50°С; ИЗ- исполнение.

В безнапорных системах отопления и вентиляции используют ЭКУ типа СФОО с осевыми вентиляторами. Их устанавливают в овоще- и фруктохранилищах и других помещениях, где не требуется больших перепадов температур нагреваемого воздуха (8…10 °С).

Выпускают установки СФОО-10/0,4 –И2 и СФОО-16/0,4-И2 мощностью 10 и 16 кВт. Калорифер смонтирован на нагнетающем патрубке вентилятора и содержит один ряд ТЭНов с ребристой поверхностью. Подача воздуха 2 м³/с, давление до 300 Па. ЭКУ типа СФОО эксплуатируют без распределительных воздуховодов.

Тип ЭКУ выбирают в зависимости от её назначения, характера окружающей среды, подачи воздуха и наличия распределительных воздуховодов. Типоразмер ЭКУ устанавливают по тепловой мощности, кВт, которую определяют из уравнения теплового баланса или по формуле:

 

Р= k_з∙V_t∙

где k_з – коэффициент запаса (k_з= 1,2); V_t∙ -подача, м³/с; - плотность воздуха, кг/ м³; с – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг∙°С); t_в и t_о – температура нагретого (на выходе из калорифера) и окружающего воздуха, °С; - КПД установки.

Выбранную установку проверяют по допустимым значениям температур выходящего воздуха и поверхности ТЭНОв.

По санитарно-техническим нормам для ЭКУ, расположенных в животноводческих помещениях, допустимая температура выходящего воздуха t_в = 50°С, а поверхности ТЭНов t_п = 180…190°С. При превышении этих значений ухудшается газовый состав воздуха из-за сухой возгонки пыли и снижается срок службы нагревателей.

Температура воздуха на выходе из калорифера, °С,

 

t_в = Р/()

Температура поверхности наиболее нагретого ТЭНа (из последнего по ходу движения воздуха ряда), °С

 

t_П= Р/(,

где - коэффициент теплоотдачи от нагревателей к воздуху, Вт/(м²∙°С), определяемый по эмпирическим формулам или номограммам; А - площадь поверхности одного ТЭНа, м²; n – число ТЭНов в калорифере.

Приточно-вытяжные установки (ПВУ) предназначены для вентиляции и отопления животноводческих помещений. В них совмещены системы удаления загрязненного воздуха, подача и подогрева приточного.

Электрокалориферные и приточно-вытяжные установки не аккумулируют теплоту и могут работать только в режиме свободного электропотребления, что требует дополнительных мощностей энергосистем и надежного энергосбережения.

Отопительные электрические печи не имеют этих недостатков. Установка ЭОКС -150/0,5 – И1, предназначена для подогрева воздуха в животноводческих помещениях. Основные сборочные единицы: сердечник, состоящий из 30 теплоаккумулирующих блоков, выполнены из бетона с магнезитовым заполнителем; нагреватели в виде спиралей их нихромовой проволоки, установленные в каждом блоке; электрический калорифер; центробежный вентилятор и система воздуховодов.

Работа печи состоит из циклов зарядки и разрядки. В период зарядки включают нагревательное устройство, и температура теплоаккумулирующего сердечника повышается до 500…700°С. При этом часть мощности устройства может расходоваться на нагревание воздуха. В период разрядки нагревательное устройство включают, и запасенная теплота распределяется в воздухе при продувании через каналы теплоаккумуляционной насадки.

Установленная мощность печи 155 кВт, в том числе аккумулирующего нагревательного устройства 105 кВт, отопительного (электрокалорифера) в период зарядки 45 кВт. Длительность зарядки 8, разрядки 16 ч; разность температур входящего и выходящего воздуха 35°С.

Мощность нагревательного устройства, Вт.

 

Р= k∙P_p∙

где k – коэффициент, учитывающий теплопотери установки и запас мощности; P_Р – расчетная мощность отопления, Вт; и - длительность процессов разрядки и зарядки, с.

Объём аккумулирующего сердечника, м³,

 

V = Q/ ,

 

где Q – количество теплоты, которую необходимо аккумулировать, Дж; t_max и t_min – средние (по объему сердечника) температуры в конце процессов зарядки и разрядки, °С; - КПД установки.

Электрокотельные отличаются от систем общего центрального водяного отопления тем, что вместо котлов, работающих на твердом, жидком или газообразном топливе, обычно применяют электрические водонагреватели. Достоинства электрокотельного отопления – несложное регулирование тепловой мощности, возможность использования обычных отопительных приборов (труб, радиаторов, панелей и др.), лучшие санитарно-гигиенические условия.

В основе термоэлектрического метода лежат термоэлектрические явления. Под термоэлектрическими явлениями понимают три термоэлектрических эффекта – Зеебека, Пельтье и Томсона, связанные с процессом переноса теплоты между местами контакта (спаями) в проводниках и полупроводниках.

Эффект Зеебека заключается в следующем: если составить электрическую цепь (термоэлемент) из двух разнородных проводников и места контактов поддерживать при разных температурах, то на свободных концах появится термоэлектродвижущая сила или термоЭДС.

ТермоЭДС, мкВ, может быть определена как:

 

где е – коэффициент Зеебека, мкВ/К; Т₂ и Т₁ – температуры горячего и холодного спаев, К.

Явление Зеебека обусловлено тем, что средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, во всех проводниках зависит от температуры, но в несходных материалах по-разному. Электроны в нагретом спае приобретают высокие скорости и устремляются на холодный спай, на котором накапливается отрицательный заряд. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока возникающая таким образом термоЭДС не уравновесит термодиффузию электронов.

Эффект Пельтье представляет собой явление, обратное явлению Зеебека. Если через электрическую цепь, составленную из разнородных материалов, пропустить ток, то в зависимости от его направления в дополнение к теплоте Ленца – Джоуля на одном из контактов выделяется теплота, а на другом – она поглощается, т.е. происходит охлаждение.

Теплота Пельтье, Дж, определяется выражением:

где К_п - коэффициент Пельтье, В/с; I - сила тока в цепи термоэлемента, А; τ – время протекания тока, с.

Эффект Томсона состоит в том, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, в котором существует перепад температур, к теплоте Ленца-Джоуля дополнительно выделяется или из нее поглощается некоторое количество теплоты (теплота Томсона), Дж.

 

где К_Т - коэффициент Томсона, В/(с·К); Т₂ и Т₁ - температура в различных участках проводника, К.

В основе работы термоэлектрических устройств нагрева и охлаждения лежит использование эффекта Пельтье.

Работа теплового насоса заключается в перекачке тепловой энергии от материала с более низкой температурой к материалу с более высокой температурой.

Распространенные компрессионные и абсорбционные агрегаты имеют значительную массу, большие габаритные размеры и потребляют много электроэнергии. Этих недостатков лишены термоэлектрические тепловые насосы.

Если температура охлаждаемого спая Т₁, а нагреваемого Т₂, то теплоту Пельтье для горячего и холодного спаев можно выразить как:

 

Холодному спаю от окружающей среды сообщается теплота Q₀. Кроме того, по ветвям термоэлемента вследствие их теплопроводности от горячего спая к холодному передается теплота Q_Т. С некоторым приближением можно считать, что на каждом из спаев выделяется половина теплоты Ленца-Джоуля Q_R. Уравнение теплового баланса для холодного спая может быть записано в следующем виде:

Теплота, забираемая от окружающей среды:

 

Уравнение теплового баланса для горячего спая запишется так:

где Q_r - теплота, передаваемая горячим спаем нагреваемому объекту.

Из уравнения получаем:

Так как Q_r и Q_o представляют собой количество теплоты в единицу времени, то потребляемая мощность:

Данное уравнение можно переписать в следующем виде:

где R - сопротивление ветви термоэлемента, Ом.

Следовательно, эффективность отопления будет тем выше, чем меньше разность температур Т₂ - Т₁ между спаями.

Наиболее экономичным является режим работы теплового насоса, при котором отопительный или холодильный коэффициенты максимальны.

Термоэлектрические тепловые насосы перспективно применять в качестве кондиционеров.

Легкий переход с охлаждения на нагрев и, следовательно, большая гибкость по сравнению с обычными системами дают значительные преимущества термоэлектрическим кондиционерам.