Электрический расчет бытовых электроприборов

Расчетная контрольная работа №1

	по дисциплине: «Бытовые электроприборы и машины»

	ТЕМА: Электрический расчет бытовых электроприборов

	

	

	

	

	КЛАСС ЭСЭ23 В

	ФОРМА ОБУЧЕНИЯ: Заочная

	КУРС: III

	
1. Электрический расчет аккумулирующего ВЭНа

	

	Таблица1.1.

	№ варианта

	Размеры Акк., ВЭНа

	τн, мин

	tк, оС

	СУ

	10

	250х450

	50

	100

	Тр

	

	Примечание: t1=15оС,

	

	; γ=0,998 кг/л.

	

	Электрический расчет ВЭН сводится к определению мощности электроэнергии потребляемой из сети, необходимой для нагрева определенного количества воды за определенное время τн до заданной температуры tзад , а также определению элементов НЭ, диаметр проволоки спирального НЭ и ее длины.

	Задача 1

	Определить Рнэ, диаметр и длину проволоки НЭ в ВЭН аккумулирующего типа, если его размеры диаметр250 х450 мм, τн= 50мин=0,833333часа, а tзад=100оС. γ=0,998 кг/л (г/см³)

	Порядок расчета:

	1.Определяем массу воды 

	

	

	m = ( 3,14 ∙ (25см)² / 4) ∙ 45см ∙ 0,998 г/куб.см = (3,14 ∙ 625/4) ∙ 44,91 = 490,625 ∙ 44,91 =22033,97 г=22,034кг

	

	2. Определяем Qпол и Qобщ, принимая η=0,9

	Полезная теплота определяется по формуле: 

	
 Qпол=С0m(tзад- tн), кДж

	

	где С0- удельная теплоемкость воды при

	

	 =;

	

	m- масса воды в кг;

	tн – начальная температура воды, принимаем tн=150С.

	

	Qпол =mCo (tзад –tн)=22,034кг·4,2· (100-15)= 92,543·85=7866,127 кДж.

	

	Qобщ- потребляемая энергия с учетом тепловых потерь.

	

	

	

	η – КПД электрического прибора, принимаем η=0,85-0,95.

	

	

	

	3. Мощность НЭ определяется по формуле:

	

	

	

	k- коэффициент, учитывающий рост удельной теплоемкости воды с ростом ее температуры, k- принимают равным 1,1÷1,15.

	До Рнэ=5÷7 кВт нагреватели подключают к однофазной сети U=220 В, при больших мощностях используют 3-х фазную сеть 380 В 50 Гц.

	Мощность, потребляемая нагревателями из сети:

	

	

	

	Выбираем материал НЭ.

	- удельное сопротивление проволоки НЭ, Ом·м.

	ρо- удельное сопротивление при 20оС.

	k1- коэффициент, учитывающий рост ρt с ростом температуры нагревателя. Принимают k1=(1.01÷1.10).

	Сплав Х20Н80 с ρо=1,086·10-6 Ом·м k1=1,04

	ρt= ρо· k1=1,086·1,04=1,13·10-6 Ом·м.

	Допустимая защитная мощность излучения для НЭ в воде принимается

	

	βдоп=(4÷6) ·104

	

	Принимаем для нашего случая 

	

	βдоп=6 ·104.

	

	Определяем диаметр и длину проволоки НЭ.

	

	

	

	

	2. Электрический расчет проточного водоэлектронагревателя (ВЭН)

	

	Таблица 2.1.

	№

	вар.

	Число рожков

	Q собст. нужд

	л/мин

	t2,

	оС

	tсм,

	оС

	Соед. эл.

	

	Жен.

	Муж.

	

	

	

	

	1

	2

	3

	4

	5

	6

	7

	10

	8

	20

	16

	90

	40

	Δ

	

	Расход воды на одну помывку 30 литров.

	Время помывки 15 минут.

	НЭ- электроды из нержав. стали.

	Как правило, потребители используют горячую воду для хозяйственных нужд с температурой 35÷40оС. Поэтому воду после проточного ВЭН необходимо разбавлять до приемлемой температуры. Объем горячей воды, нагреваемой до t2=90оС определяется либо по номограмме, либо по формуле: 

	

	

	Vсм =V1+V2 или 

	V1 =Vсм+V2

	

	Решив относительно V2, – находим объем воды, прошедшей через проточный ВЭН, т.е. с t2=85оС.

	

	
Таблица 2.2. Данные расхода воды

	Наименование

	операции

	tсм, оС

	Объем воды, л

	Оптимальное время, мин

	Прием ванны

	40

	125-150

	10-15

	Прием душа

	37

	20-45

	10-15

	Умывание

	37

	3-5

	5

		Мытье головы

		мужчины

		женщины

	

	37

	37

	

	5-10

	10-15

	

	10

	15

	

	Задача 2.

	В цехе установлено 8 женских и 20 мужских кабинок для душа.

	Произвести электрический расчет проточного ВЭН. Если температура на выходе 90 оС.

	1. Считаем, что все рожки работают одновременно. Время помывки tп =15 мин. Объем воды на помывку одного человека 30 л.

	2. Находим расход смеси при температуре = 40 оС.

	

	

	

	3. Из выражения находим V2=(56∙40-30∙15)/90=(2240-450)/90=1790/90=19,9 л/мин или 19,9∙60 = V2=14 л/мин или 14·60=1194 л/час. 

	

	

	

	Находим мощность НЭ

	С0- удельная теплоемкость воды при

	

	 =;

	
k- коэффициент, учитывающий рост удельной теплоемкости воды с ростом ее температуры, k- принимают равным 1,1÷1,15. γ=0,998 кг/л (г/см³) – плотность воды при температуре 19-23 градуса.

	

	

	

	Если нагреватель выполнен в виде электродов. то находим фазное Rф, и из выражения

	

	

	

	Находим S электрода, а далее и ее размеры . Длину принимает 2-3 см, ρв=490÷500 Ом·см.

	Пусть электроды для нашего ВЭНа соединены в треугольник .

	Мощность Р=√3∙Uл∙Iл

	

	

	

	

	Задаем расстояние между электродами ℓ=2 см.

	

	

	

	ρв=500 Ом·см.

	размеры электрода : 

	

	

	

	С некоторым приближением принимаем размеры фазных электродов 17 см.

	

	3. Электрический расчет жарочного шкафа

	

	Трубчатые НЭ используют V и W вида на U=220, 110В. Ряд мощностей одного ТЭН: 0,12; 0,25; 0,4 0,55; 0,63кВт.

	

	Таблица 3.1.

	№

	вар.

	Размер противня

	мм

	δ,

	мм

	tн,

	оС

	τн,

	мин

	10

	450х650

	3

	290

	17

	

	Терморегулятор ТК-32 (0÷330оС).

	Плотность стали (чугуна) γ=7,9÷8,0 кг/дм3.

	tнач=20оС.

	В каждой секции установлено 2 ТЭНа.

	Задача 3.

	Рассчитать мощность ТЭН жарочного шкафа, если масса противня m=6,9 кг, tmax=290оС, а время разогрева до tраб. τр=17 мин.

	1. = 4,5 ∙6,5 ∙ 0,03 ∙ 7,9=6,9 кг

	2. Определяем Qпол.

	

	Счугуна=0,5; Kзапаса=1,1; η=0,6+0,85, принимаем η=0,7.

	Qпол=c·m (tр- t1)=0,5·6,9·(290-20)=931,5 кДж.

	

	

	3. Определяем мощность ТЭНов.

	

	

	

	4. выбираем 2 ТЭНа по 0,63 кВт.

	Шкаф подключается к сети через автоматический выключатель. Коэффициент отсечки по однофазному Iк.з. принимаем 3.

	

		Электрический расчет тепловентилятора

	

	Таблица 4.1.

	№

	вар.

	Размер помещения,

	м

	tокр,

	оС

	t1,

	оС

	τн,

	мин

	β

	%

	10

	4х3х3,5

	22

	6

	15

	11

	

	Тип ЭД выбираем из справочника.

	НЭ – спиральные –2НЭ на агрегат.

	Коэффициенты и КПД смотри в примере 4.

	Нормируемые параметры тепловентилятора:- Рнэ – мощность НЭ, Вт.- П – производительность по воздуху, по воде, м3/мин.- Температура воздуха за НЭ – T2, оС.

	Связаны зависимостью: Рнэ≈20П (t2-20), Вт.

	Задача 4.

	Пусть необходимо обогреть помещение с размерами 4х3х3, до tокр=22оС, если первоначальная температура t1=6оС.

	Определить параметры тепловентилятора, если t2-t на выходе тепловентилятора ~90оС, а время нагрева τ=15 мин= 0,25 часа.

	Порядок расчета.

	1.Температура отапливаемого помещения tокр. =22оС.

	Температура первоначальная t1= 6 оС.

	Тогда количество теплоты определяется по формуле:

	

	

	

	где ρ – плотность воздуха при ОоС ~ 1,293 кг/м3.

	V- объем помещения 4х3х3,5 м3 =42 м3

	Св- удельная теплоемкость воздуха ~ 1,004÷1,01 

	Определяем количество полезного тепла:

	

	

	

	2. Рассмотрим сам процесс нагрева: Сначала помещение нагревается до tокр. =22оС. Затем тепловентилятор возмещает тепловые потери в помещении. Но в первом режиме тепловентилятор должен и нагревать помещение до tокр и одновременно компенсировать тепловые потери Qтп.

	

	

	

	Общая теплота с учетом β=11% =0,11. 

	

	Q=Qп·(1+0,11)=875,84∙1,11=972,18 кДж.

	

	3. Найдя общую теплоту и задаваясь временем нагрева τ=15 мин, находим Рнэ

	


	

	k- коэффициент, учитывающий рост удельной теплоемкости воды с ростом ее температуры, k- принимают равным 1,1÷1,15. η – КПД электрического прибора, η=0,85-0,95. ηн-принимаем 0,95. Мощность НЭ max:

	

	

	

	Принимаем НЭ 1х1,25.

	4. Находим производительность вентилятора 

	

	

	

	

	5. Н- напор вентилятора выбираем в пределах (50÷70)ПА. Напор вентилятора принимаем Н~70 ПА при оборотах ηн ~1500 об/мин.

	6. Находим мощность вентилятора (осевого):

	

	

	

	где П – производительность на входе, м3/с. Н- напор в ПА. ηв- КПД ~ (0,4÷0,5).

	

	

	
7. Определив Рв – определяем Мощность ЭД =РЭД по формуле 

	

	

	

	kз – зависит от мощности Рв.

	При Рв=0÷2 кВт kз=2÷1,5

	При Рв=2÷5 кВт kз=1,5÷1,25.

	

	

	

	8. В справочнике (под ред. Орлова) выбираем ЭД однофазный типа ДПА Рн=15 Вт, n=1500 об/мин.

	9. В вентиляционных установках общий напор определяется по формуле:

	

	

	

	Величина  является динамическим напором вентилятора и оно составляет, как правило, 5÷7% общего напора вентилятора.

	Реальная скорость воздуха на выходе тепловентилятора, как правило 2÷3 м/с.

	Принимаем U=3 м/с, тогда динамический напор h будет:

	

	

	

	
Выводы по работе

	

			Что такое теплота? Теплота это энергия и поэтому она эквивалентна некоторой работе. Величина, характеризующая тепловое состояние тела, называется температурой. Та часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче, называют количеством теплоты.

			В чем измеряется теплота? Внутреннюю энергию тела и количество теплоты измеряют джоулями (Дж) или килоджоулями (кДж). Также калория - это количество теплоты, которое необходимо передать 1г воды для нагревания её на 1 оС.(1ккал-1000кал)

			Чему равен 1 Джоуль в килокалориях? 1кал=4,1868 Дж ;1ккал=4190 Дж

			Каким образом передается тепло? Теплопроводностью, конвекцией, излучением

			Что означает коэффициент теплопроводности, его размерность?

		Λ- величина, измеряемая количеством теплоты, переданной в единицу времени через слой единичной толщины при разности температур поверхностного слоя в 1о ,если площадь поверхности слоя равна 1. [ккал / (м ∙ час ∙град)] или[кал / (см∙ сек ∙град)]

		6. Что такое удельная теплоемкость, ее размерность?

		Удельная теплоёмкость- теплоёмкость единицы массы однородного вещества [кал / (г∙град)] [Дж / (кг ∙ о С ) ]. Удельная теплоёмкость показывает, на сколько джоулей изменяется внутренняя энергия вещества массой 1кг при изменении температуры на1 о С.

			В чем измеряется удельная теплота парообразования? Количество теплоты, необходимое для обращения в пар жидкости массой 1кг без изменения температуры, называют удельной теплотой парообразования.[Дж/кг]

			Как выглядит аккумулирующий водонагреватель? Грубо говоря, накопительный электрический водонагреватель это большая бочка, в которой с помощью электрического нагревательного элемента (традиционного ТЭНа или его усовершенствованных разновидностей) нагревается вода. Для продления срока службы стальных водонагревателей на поверхность внутреннего бака наносятся специальные покрытия (стеклофарфор, эмаль и т.д.). Но перепады температуры и насыщенная кислородом вода ведут к разрушению покрытия бака и его коррозии. Для повышения сопротивляемости коррозии в конструкцию большинства электрических накопительных водонагревателей встраивается магниевый анод. Еще один путь борьбы с коррозией - изготовление внутреннего бака из нержавеющей стали. Практически все электрические накопительные водонагреватели оснащены термостатом, с помощью которого можно задать температуру нагрева воды, которая будет поддерживаться автоматически.

			Какие виды НЭ используются в водонагревателях? Нагревательные элементы могут быть проволочными, ленточными, трубчатыми и электродными.

			Какие виды нагрева вы знаете? Водонагреватели классифицируются по различным типам, самые распространенные из которых – два: по виду топлива (электрические, газовые, косвенные или комбинированные) и по способу нагрева воды (проточные и накопительные).

	10. Как устроен проточный водонагреватель? В проточных водонагревателях резервуара нет, и вода, проходя сквозь бойлер, нагревается практически сразу. Большинство электрических проточных водонагревателей оснащено системой автоматического включения при начале водозабора. Проточные ВЭН могут быть косвенного и прямого нагрева, т.е.с нагревательным элементом или с электродами. НЭ - могут быть трубчатыми или спиральными. Проточные ВЭН с электродами применяются редко. Максимальная температура нагрева обычно не превышает 85оС. В случае изменения расхода горячей воды с целью поддержания постоянства tзад необходимо регулировать мощность НЭ. (См. рис.). Регулирование Рнэ осуществляется изменением напряжения на клеммах НЭ. Естественный коэффициент мощности (cos φ) проточного ВЭНа зависит от рода оборудования, используемого для регулирования Рнэ и имеет следующие значения:-трансформатор или автотрансформатор со ступенчатым регулированием напряжения cos φ=0,95÷0,98.-тиристорный регулятор напряжения с фазным управлением cos φ=0,7÷0,9.-при использовании контактора или тиристорного РН с ШИУ или питания НЭ непосредственно от сети cos φ=0,99÷1,0.

			Каков КПД проточного водонагревателя? Более 85%

			В каких случаях используют 3-х фазную сеть для подключения водонагревателя? Для 3-х фазных водонагревателей.

			Как устроен жарочный шкаф? Его назначение? Жарочные шкафы, или духовки, используют для приготовления пищи. Они бывают стационарного и переносного исполнения. Жарочный шкаф служит для обжаривания мяса, рыбы, овощей, приготовления котлет и т.д. В состав шкафа входят несколько отдельных секций (2,3,4), в каждой из которых находится противень (либо стальной, либо чугунный).Нагревательные элементы, как правило трубчатые, расположены попарно в нижней части каждой секции. Самым простым агрегатом является электрическая переносная духовка. Она состоит из внутреннего и наружного корпусов, между которыми имеется теплоизоляция из листового асбеста. На верхней и нижней стенках внутреннего корпуса уложены нагревательные элементы, которые представляют собой спирали из нихромовой проволоки с надетыми на них фарфоровыми бусами. Мощность каждого элемента составляет 475 Вт, сопротивление — 25 Ом. Элементы соединены последовательно. В верхней стенке внутреннего корпуса сделаны отверстия для лучшего обогревания духовки. Наружный корпус состоит из кожуха, передней и задней стенок.

			Как происходит управление мощностью НЭ в жарочном шкафу? Например, с помощью пакетных переключателей: для включения, выключения и переключения нагревательных элементов шкафа на различные степени мощности. Или в нижней части шкафа находится отсек оборудования, где размещены переключатели мощности (типа ПКУ-25), терморегуляторы ТК-32 (ТК-52) и сигнальные лампы типа ТЛ3-3-2.ПКУ-25 имеет 4 положения 0-II-III.I пол. – Рmin.II пол. – 0,5Рн.III пол. – Рном.Позиционное регулирование температуры в секции осуществляется с помощью ТК-32 (t=0÷330оС).Температура обжаривания (t2=180÷300оС) выбирается ручкой ТК-32.

			Какова конструкция бытового тепловентилятора?

	Бытовые тепловентиляторы служат для отопления жилых помещений.

	В состав БТ входят: корпус тепловентилятора; спирали НЭ; вентилятор (осевой, центробежный); клавишные переключатели; термореле.

	Обогрев помещения происходит преимущественно за счет принудительной конвенции.

	Технические данные типовых бытовых электрических тепловентиляторов.

	Uс, В -127, 220 В 50 Гц.

	Рном. НЭ, кВт - 1,0; 1,25; 1,6; 2,0.

	Qном, м3/мин - 1,0; 1,6; 2,5.

	Количество n, об/мин - 2 или плавно.

	Количество ступеней

	Регулирования Рнэ - 2 или плавно.

	На рисунке приведена типовая электрическая схема электрического тепловентилятора «Климат».

	

	

 Q1

 Q2

 Q3

 Q4

 Н1

 С1

 Н2

 М

 R1



 ТВ

	

	

	

	

	
Q1÷ Q4 – клавишные переключатели. М – ЭД типа ДВ –114. R1-резистор ПЭВ- 680 Ом.

	ТВ- термовыключатель. Н1, Н2- нагреватели по 1 кВт. ТВ срабатывает при повышении температуры внутри корпуса > 90оС.

	Температура кожуха тепловентилятора не более 60оС.

	16.Как управляется бытовой тепловентилятор? Теплопроизводительность тепловентилятора можно регулировать изменением скорости вращения вентилятора и изменением Рнэ.

	17.Какие меры Вы можете предложить по повышению эффективности использования бытовых электронагревательных приборов? Применение альтернативных источников энергии, например ветра. Автоматическое отключение при достижении необходимой температуры нагрева. Таймеры отключения при работе более 2-х часов (на случай если забыли выключить), применение фильтров для очищения и смягчения воды.