Тема 14. Электрообогрев почвы и воздуха в сооружениях защищенного грунта

Рассматриваемые вопросы:

- электрообогрев почвы;

- электроподогрев воздуха;

- основы расчета и выбор установок;

- создание микроклимата в хранилищах с.х. продукции.

 

Рекомендуемая литература:

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

- 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.

- Глушков А.М., Юдаев И.В. Светотехнтка и электротехнология. ч. 2 «Электротехнология» ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА». – Волгоград, 2008, (текст).

 

Краткое содержание

В низкотемпературных электротермических процессах сельскохозяйственного производства очень часто используют нагреватели изготавливаемые из стали благодаря дешевизне и доступности этого материала для производства нагревательных элементов.

Существенным недостатком стальных нагревателей является нестабильность таких параметров, как: электрическое сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, магнитная проницаемость. Это объясняется наличием поверхностного эффекта и внутренней индуктивности из-за чего электрическое сопротивление таких проводников из углеродистой стали на переменном токе больше, чем на постоянном. Степень влияния поверхностного эффекта зависит от геометрических размеров, удельного электрического сопротивления ρ, и магнитной проницаемости среды μ. Из-за перечисленных выше факторов, и из-за внутренней индуктивности cos меньше единицы (cos < 1).

Полное сопротивление нагревателя из стали можно определить по формуле:

где к_п = 1+0,0176 d² – коэффициент поверхностного эффекта (для d = 1…6 мм, и удельной мощности Р_уд = 20…100Вт/м).

Тогда длина стального провода, используемая для нагревательного элемента, может быть рассчитана по следующей формуле:

 

 

Для обогрева почвы и воздуха в парниках и теплицах, для обогрева пола, для прогрева водопроводов на вводе в помещения, водостоков, карнизов и др., применяют специальные электронагревательные провода и кабели. К ним относятся нагревательные провода ПОСХП, ПОСХВ, ПНВСВ, ПОСХВТ и кабели КНРПВ, КНРПЭВ, КНМСС, КМЖ, КМНС и др.

Токопроводящая жила нагревательных проводов изготовлена изоцинкованной малоуглеродистой стали диаметром 1,1 мм (ПОСХП, ПОСХВ), 1,2 мм (ПНВСВ) и 1,4 мм (ПОСХВТ). В качестве электроизоляции используют поливинилхлорид (ПОСХВ, ПОСХВТ) и полиэтилен (ПОСХП). Максимальная рабочая температура нагрева проводов типа ПОСХП составляет 70ºС, ПНВСВ - 80ºС, ПОСХВ - 70ºС, ПОСХВТ - 105ºС. При этом электрическое сопротивление проводов ПОСХП и ПОСХВ составляет 0,174 Ом/м, ПОСХВТ - 0,120 Ом/м и ПНВСВ - 0,121 Ом/м, а удельная погонная мощность не должна превышать при обогреве полов и почвы 11 Вт/м для проводов ПОСХП и ПОСХВ и 16 Вт/м – для ПОСХВТ и ПНВСВ. В проводе ПНВСВ имеется дополнительная изоляция из фторопластовой ленты, экран из стальных проволочек диаметром 0,3 мм и наружная поливинилхлоридная оболочка, что увеличивает его срок службы в 4…5 раз и безопасность в эксплуатации.

Нагревательные кабели могут иметь до трёх токопроводящих жил. Их изолируют асбестом, силиконом, кристаллическим оксидом магния, переклазом и другими теплостойкими материалами. Снаружи кабель покрыт оболочкой из свинца, алюминия, меди, нержавеющей стали или поливинилхлоридного пластика, предохраняющей его от механических

повреждений и от воздействия окружающей среды.

В сельском хозяйстве широко применяют для локального обогрева съемные электрообогревательные плиты, панели, коврики, грелки, манежи и другие устройства. В них используют нагревательные провода, кабели, угольнографитовые шнуры и ленты, а также резистивные композиционные материалы.

В последнее время разработаны и изготавливаются новые типы нагревателей. К ним относятся нагревательные провода типов: ПНСФсЭФ, ПННФсЭФ, ПНМФеЭФ с удельной мощностью 30 Вт/м и максимальной температурой жилы 200ºС; ПНСВ, ПНСП, ПНСФЭВ, ПНМФЭМ, ПНМФЭВ с удельной мощностью 20…50 Вт/м и максимальной рабочей температурой 80ºС…200ºС и др.

Для изготовления нагревательных секций систем электрического обогрева строительных конструкций зданий и жилых помещений предназначены нагревательные кабели марок КНМПЭВ, КННПЭВ, КННмПЭВ, КННсПЭВ, с рабочей температурой ниже 80ºС; нагревательные кабели КНЛЛЭВ, КНЛсПЭВ, КНФНФЭ с удельной мощностью 20…40 Вт/м и др.

Нагревательные кабели типа КМЖ, КМНС, КНРПВ, КНРПЭВ имеют 1…4 нагревательные жилы из стальной оцинкованной проволоки или сплавов с повышенным сопротивлением, допустимая температура нагрева жилы 250ºС, линейное сопротивление 0,11 Ом/м, удельная мощность до 109 Вт/м, напряжение 220 В.

Гибкие ленточные нагреватели (плоские кабели) марок ЭНГЛ-80, ЭНГЛ-190 допускают температуру соответственно 85 и 180ºС, имеют по

восемь нагревательных жил, расположенных в одной плоскости в изолирующей стекловолокнистой ленте. Лента с жилами заключена в пластиковую оболочку. Жилы могут соединяться параллельно, последовательно и т.д. Линейная мощность 40…100 Вт/м, линейное сопротивление 0,5…1,0 Ом/м. Там, где требуется высокая интенсивность нагрева, используют теплостойкие ленточные нагреватели типа НТЛ, допускающие температуру 400…600ºС и линейную нагрузку 150…360 Вт/м, напряжение до 380 В.

Выпускаются также гибкие ленточные нагреватели типа ЭНГЛ-1, ЭНГЛ - 2, ЭНГЛУ- 400, ЭНГКЕх мощностью 0,16…5,0 кВт и температурой нагрева ленты 23…400ºС.

В настоящее время начинают широко внедряться в электронагревательных установках саморегулирующиеся кабели. Это сравнительно новое направление в области нагревательных кабелей. Их производство стало возможным в связи с разработкой пластмасс и резистивных композиционных материалов, обладающих электропроводящими свойствами, изменяющимися в зависимости от их температуры.

Расчет нагревательных проводов и кабелей сводится к определению длины одного нагревательного элемента и их количества, приходящихся на одну фазу и в целом на нагревательную установку, которая бы обеспечила необходимую тепловую мощность Р_{pacч ,} при принятом напряжении питания U, для выбранных проводов или кабелей с удельным сопротивлением R₁, Ом/м; и допустимой удельной мощностью ΔP_доп, Вт/м.

При этом должно соблюдаться условие ΔP_раб ≤ ΔР_доп.

Расчётная мощность принимается: для однофазных нагревателей – P_расч = Р_у, а для трехфазных нагревателей – Р_расч = Р_у / 3.

Расчет ведется для установившегося режима, т.е. Р_тепл. = Р_эл., тогда соотношение между электрическими и геометрическими параметрами нагревателя представляет:

где l – длина нагревателя, м; S – поперечное сечение токоведущей жилы, мм².

Так как в нагревательных проводах и кабелях используются в основном жилы круглого сечения, а их диаметр приводится в технических характеристиках, то определять надо только длину нагревательного провода или кабеля.

Из приведенного выражения видно, что геометрические параметры нагревателя можно определить по напряжению, току, сопротивлению и мощности. Рассмотрим методику расчета по напряжению.

По известной расчётной мощности P_pacч, Вт, и допустимой удельной мощности ΔP_доп, Вт/м, находят необходимую минимальную длину провода, м:

По известным параметрам нагревателя определяют удельное допустимое напряжение (В/м):

Затем рассчитывают минимальную длину одной секции, м, нагревателя по выражению:

 

Число секции на одну фазу определяют по выражению:

Полученное расчётом число округляют до ближайшего большего

целого числа Z_c.

Тогда мощность одной секции, Вт, будет составлять:

Так как мощность одной секции может быть определена как

 

,

то расчетная длина секции, м, будет составлять:

 

Затем уточняют удельную рабочую нагрузку нагревателя, Вт/м:

Определяют полную длину нагревателя одной фазы:

 

Затем определяют длину нагревателя в целом:

Уточняют величину мощности, Вт, однофазного нагревателя по формуле:

 

для трёхфазного нагревателя: