Общие сведения

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ

Содержание отчета

1.Электрическая схема установки

2.Таблица экспериментальных результатов

3.Графики зависимостей:

.

4.Выводы.

4. Контрольные вопросы

1. В чем преимущества проточных электрических водонагревателей?

2. Какие требования предъявляются к проточным водонагревателям?

3. В чем особенности техники безопасности при эксплуатации проточных водонагревателей?

4. Как объясняется характер полученных экспериментальных кривых?

5. Какие факторы влияют на скорость нагрева воды в баке?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Цель работы: Изучить устройство и работу электродного водонагревателя, ознакомиться с методикой его испытания. Определить электрические свойства водопроводной воды.

Электрические водонагреватели позволяют комплексно использовать электроэнергию, выравнивая суточный график и повышать коэффициент использования установленной мощности источника энергоснабжения.

Наиболее распространены два типа электрических водонагревателей: электродные и элементные. Те и другие могут быть проточными (непрерывного действия) и непроточными (периодического действия), однофазные и трехфазные.

В практике сельского хозяйства применяются типы электродных водонагревателей (рис.1):

а) однобоковые непроточные с тремя пластинчатыми электродами, расположенными по схеме (рис.1 а);

б) однобоковые непроточные с тремя пластинчатыми электродами, и соответствующими им шестью экранами, укрепленными на заземленной траверсе (рис. 1 б);

в) однобоковые проточные с пластинчатыми электродами, расположенными параллельно друг другу (рис.1 в);

г) однобоковые проточные с цилиндрическими коаксиально расположенными электродами (рис.1 г).

В электродном водонагревателе сама вода является средой, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую. Электрический ток протекает через воду от одного электрода к другому и при этом выделяет в ней количество тепла, определяемое законом Джоуля-Ленца:

(1)

где I – ток, протекающий через воду, А;

R – сопротивление воды, Ом;

t – время протекания тока, с.

Рис.1. Принципиальные исполнения электродных водонагревателей.

При постоянном питающем напряжении потребляемая мощность водонагревателя зависит от площади электродов, расстояния между ними и электрической проводимости воды.

Во избежание электролиза и образования гремучей смеси электродный водонагреватель работает на переменном токе. По этой же причине плотность тока для плоских электродов допускается не более 0,5А/см², а для цилиндрических - до 2,0А/см².

В качестве материала электрода применяется нержавеющая сталь и графит. Особенность электродных водонагревателей состоит в том, что в процессе нагрева мощность их увеличивается в 3-4 раза. Это объясняется тем, что удельное сопротивление воды изменяется с изменением температуры. Напряжение на 1см межэлектродного расстояния подсчитывается по формуле:

(2)

где р – удельное сопротивление горячей воды (Ом/см);

δ_доп – допустимая плотность тока (А/см²).

Допустимый градиент напряжения в межэлектродном пространстве составляет 125-250 В/см. Более высокое значение приводит к очень малому межэлектродному расстоянию.

При ориентировочных расчетах площадь электродов и расстояние между электродами определяется по формулам:

(3)

При работе электродного водонагревателя на его корпусе может возникнуть опасный потенциал. Особенно высокое напряжение прикосновения появляется при перегорании одного или двух предохранителей и в незаземленном корпусе. Для предотвращения выноса потенции на выходном и входном патрубках водонагревателя устанавливаются резиновые вставки длиною 1,0- 1,5м. Кроме этого, требуется надежное заземление корпуса водонагревателя.

2. Программа работы и порядок выполнения

1. Изучить принцип действия и устройство установки.

2. Определить зависимость удельного сопротивления воды от ее температуры.

3. Снять основные характеристики водонагревателя.

Работа выполняется в следующем порядке:

1. Проверить наличие воды в приборе для определения удельного сопротивления и собрать схему включения (рис.2).

2. С разрешения преподавателя или лаборанта включить прибор и произвести нагрев воды до 80ºС. Запись показаний термометра, амперметра и вольтметра заносить в таблицу 1 через каждые 5 минут.

3. Зная удельное сопротивление воды в зависимости от температуры нагрева определить, пользуясь формулой:

(4)

где

с – геометрический коэффициент электродной системы.

Существует упрощенная формула для определения удельного сопротивления воды:

(5)

где р₂₀ – удельное сопротивление воды при 20°С, Ом×см,

t – текущее значение температуры воды, °С.

Таблица 1

τ, мин	t, °C	I, А	U, В	R, Oм	р, Ом×см
и т.д.

Рис.2. Электрическая схема включения.

4. Построить графики зависимостей удельного сопротивления p_t от температуры нагрева воды p_t = f (t), тока I от температуры нагрева воды t, I=f (t).

5. Проверить наличие воды в баке водонагревателя.

6. Собрать схему включения водонагревателя в сеть (рис.2). С разрешения преподавателя или лаборанта включить водонагреватель и произвести нагрев воды в котле до 80°С.

7. Записывать показания термометра в котле, амперметра и вольтметра в табл.2 через каждые 5 минут.

8. Мощность определяется: P_t = 1,71U×It, Вт

9. Построить графики зависимостей тока в водонагревателе I_t в зависимости от температуры нагрева воды t; I_t = f (t), мощности водонагревателя Р_t в зависимости от температуры нагрева воды P_t = f (t) и времени нагрева τ, P_t= f (τ), сопротивления воды в котле R_τ от температуры нагрева воды τ, R_t = f (τ).

τ, мин	tкотла, ºС	U, В	I, А	Рt, Вт	Rt, Ом
					!
ИТ д.

10. Построить график зависимости температуры воды в котле от времени нагрева

(6)

11.Определить основные параметры водонагревателя

а) среднюю мощность водонагревателя приближенно определить по формуле:

Вт (7)

где Р_нач – мощность, развиваемая при начальной температуре нагрева, Вт;

Р_кон – мощность, развиваемая при конечной температуре нагрева, Вт.

б) удельный расход электроэнергии:

(8)

где V – объем воды в водонагревателе, л.

в) коэффициент полезного действия водонагревателя:

(9)

где с – удельная теплоемкость воды 4,19 ,

τ – время нагрева воды от tнач до t_кон, с

12. Определить основные геометрические размеры электродной системы:

а) площадь электродов:

(10)

где δ_доп – допустимая плотность тока для цилиндрических электродов, 2,0А/см²

б) расстояние между электродами:

(11)

где grad U – допустимый градиент напряжения в межэлектродном пространстве, равен 125 -250 В/см

3. Содержание отчета

1. Электрическая схема установки.

2. Таблицы 1 и 2 результатов исследований.

3. Графики зависимостей, указанных в п.п. 4 и 9 предыдущего параграфа.

4. Основные параметры электродного водонагревателя.

5. Выводы.

4.Контрольные вопросы

1. Как устроен электродный водонагреватель?

2. Каков принцип действия электродного водонагревателя?

3. От каких факторов зависит мощность электродного водонагревателя?

4. Каков механизм нагрева воды в электродном котле?

5. Каковы основные схемы конструктивного исполнения электродных котлов?

6. Каковы преимущества и недостатки электродных котлов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАПОЛЬНЫХ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЕЙ

Цель работы: изучить назначение, устройство и применение напольных обогревателей (электрических). Экспериментальным путем получить основные технические и энергетические характеристики пленочных полупроводниковых электрообогревателей.

1.Общие сведения

Для создания микроклимата при содержании молодняка животных экономически целесообразно применение средств местного обогрева в зонах размещения животных.

По способу теплопередачи от обогревателя к животным, электрообогреватели подразделяются на устройства лучистого, контактного и конвективного обогрева. К устройствам местного обогрева относятся инфракрасные облучатели, элекрообогреваемые полы и напольные электрообогреватели (коврики, блоки, панели и т.д.).

Для поросят температура поверхности обогревателей поддерживается к пределах 30..32°С при температуре воздуха в свинарнике 12..18°С. По мере роста поросят температура обогревателей должна снижаться на 1,5°С в неделю. Период дополнительного обогрева составляет 50...60 суток.

Напольные обогреватели обладают существенными преимуществами перед облучателями и обогреваемыми полами: невысокой стоимостью, транспортабельностью, пониженным расходом электроэнергии, более высокой надежностью.

К конструкции напольных электрообогревателей предъявляются следующие требования:

- поддержание необходимого уровня и обеспечение равномерной температуры по поверхности обогревателя;

- электробезопасность при эксплуатации и обслуживании;

- низкая стоимость и коррозийная стойкость обогревателя.

В настоящее время известно несколько конструкций обогревателей, отличающихся друг от друга типом используемых нагревательных и изоляционных материалов.

Широкое распространение находят электрообогревательные коврики типа ЭП-935, выполненные из двух слоев резины: между которыми уложен нагревательный провод марки ПОСХВ с равномерным шагом укладки. Для прочности коврик по торцам армирован конструкцией из угловой стали. Основным преимуществом коврика является простота и их невысокая стоимость, а существенный недостаток-необходимость пониженного напряжения питания. Для электропитания ковриков завод-изготовитель рекомендует трехфазные сухие понижающие трансформаторы типа ТСЭ 1,5/1, 380/36В или 220/36В. Применяются также обогреватели в виде бетонных блоков с заделанным нагревательным проводом марки ПОСХП и сеткой-экраном, расположенном поверх провода.

Разработан также напольный электрообогреватель типа ОП-20 с нагревательным элементом в виде токопроводящего шнура из графитового волокна в стеклотканевой оплетке. Элемент запрессован в стеклопластиковый щит.

Напольный полупроводниковый пленочный электрообогреватель (рис.1) состоит из металлического корпуса 1, на который нанесено теплостойкое покрытие 2, пленочный нагревательный элемент 3.Сверху и снизу электрообогреватель покрыт стеклоэмалевой изоляцией 4. Токопроводность в пленке осуществляется с помощью металлизированных контактных полос 5, нанесенных по всей ширине и краям пленки. Нагревательным элементом служит полупроводниковая пленка на основе олова и смеси ферросилиция (сплава железа с кремнием) с жидким стеклом. Так как пленка обладает значительным удельным сопротивлением, то такие обогреватели допускают включение на 220 В.

Рис.1. Эскиз плёночного полупроводникового обогревателя

1- металлический корпус; 2 - теплостойкое покрытие; 3 - нагревательный элемент;

4 - стеклоэмалевая изоляция.

Такой обогреватель имеет равномерное распределение температуры по поверхности, он недорогой и транспортабельный, гигиеничен и долговечен в эксплуатации.

2. Программа работы и порядок выполнения

1. Изучить конструкцию и выполнить эскиз полупроводникового пленочного электрообогревателя.

2. Собрать схему испытания полупроводникового пленочного электрообогревателя (рис 2).

3. При помощи амперметра, вольтметра и термометра определить значения тока, напряжения и температуры для 3 режимов при напряжении на пленочном нагреве 4, 5, 6В. Данные измерения занести в таблицу 1

4. Построить кривую нагрева одним из известных методов, определить постоянную времени нагрева Т.

5. Вычислить удельную мощность электрообогревателя.

, Вт/м² (1)

где Рср - средняя мощность обогревателя

(2)

где S-площадь обогревателя.

Таблица 1

Время от начала нагрева (мин.)	U, В	I, A	t, °С	Р, Вт	Рут, Вт/мс	Т, мин
и тд.
и тд.
и тд.

Рис.2.Электрическая схема испытания пленочного полупроводникового обогревателя

3. Содержание отчета

Отчёт должен содержать:

1.Эскиз плёночного полупроводникового обогревателя.

2.Электрическую схему испытания пленочного полупроводникового обогревателя

3.Таблицу наблюдений.

4.Кривую постоянной времени нагрева.

5.Удельную мощность электрообогревателя.

6.Выводы.

4. Контрольные вопросы

1. Как подразделяются электрообогреватели?

2. Какие требования предъявляются к конструкции напольных электрообогревателей?

3. Какие конструктивные особенности у электрообогревательного коврика типа ЭП-935?

4. Какие конструктивные особенности у напольного электрообогревателя типа ОП-20?

5. Какие преимущества и недостатки у электрообогревательного коврика типа ЭП-935 и напольного электрообогревателя типа ОП-20?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВКИ НАГРЕВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН ТОКАМИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Цель работы: 1) Изучить принцип работы установки,

2) Исследовать основные электрические параметры установки.

1. Общие сведения:

В процессе ремонта тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных и других машин значительная часть их деталей подвергается нагреву. Одним их эффективных способов нагрева является индукционный. Физическая сущность которого заключается в использовании явления электромагнитной индукции, гистерезиса, поверхностного эффекта и т.п.

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если в переменное магнитное поле поместить электропроводящее тело, оно будет нагреваться индуктированными переменными токами, возникающими под действием электродвижущей силы

,A (1)

(2)

где f - частота тока, Гц,

W - число витков индуктора;

Ф - магнитный поток, Тл×м²;

Z= R² + Х² - полное сопротивление проводника, Ом.

На этом явлении основаны электротехнологические процессы - высокочастотной плавки, сварки, пайки, закалки и других. Потери энергии от перемагничивания ферромагнитных материалов (гистерезис) малы, и поэтому в расчетах ими пренебрегают.

Индукционный нагрев металлов осуществляется при использовании токов промышленной частоты (50 Гц), а также повышенной (до 10 кГц) и высокой (свыше 10 кГц) частоты.

При сравнительно большом поперечном сечении проводника или высокой частоте, переменный ток протекает главным образом в поверхностном слое проводника.

Чем выше частота тока, тем меньше глубина этого слоя:

(3)

где ρ - удельное сопротивление проводника, Ом×см.,

μ - магнитная проницаемость проводника, Гн/м.

Лабораторная установка индукционного нагрева деталей состоит (рис. 1) из силовой цепи 1 и измерительной цепи 2.

Рис. 1. Схема установки

Если в переменное магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой 1 и сердечником 2, поместить стальную деталь 3, то в ней будет индуктироваться переменная ЭДС, под действием которой в металле возникнут вихревые токи, приводящие к его нагреву.

3. Программа работы и порядок выполнения

1. Изучить принцип действия установки.

2. Снять основные характеристики цепи.

3. Определить основные энергетические показатели.

Работа выполняется в следующем порядке:

1. Собрать цепь и установку для нагрева цилиндра.

2. С разрешения преподавателя или лаборанта произвести нагрев детали до 70- 75°С при поочередном включении: 1-400, 2-530, 3 -600, 4 -660, 5 -750 витков первичной цепи.

3. С момента включения установки записывать показания приборов в таблицу 1 через каждые 15 сек.

4. При переключении витков деталь охлаждать.

5. Собрать установку для нагрева венца.

6. Выполнить операции, описанные в п.п. 2 и 3.

Результаты исследований занести в таблицу 1

Таблица 1

Цилиндр

Венец

τ, с

t, °С

I, А

U, В

n, вит

P, Вт

V, град/с

τ, с

t, °С

I, А

U, В

n, вит

P, Вт

V, град/с

т.д.

т.д.

7. По полученным данным построить графические зависимости для двух деталей: температуры деталей от времени нагрева и количества витков первичной обмотки

8. Определить скорости нагрева деталей по формуле:

(4)

где ∆t – приращение температуры детали за время ∆τ, °С;

∆τ – время нагрева детали между двумя отсчётами, с.

9. По данным, полученным в пункте 8, построить графические зависимости скоростей нагрева деталей в зависимости от их конструктивных особенностей, количества витков первичной обмотки и , а также времени нагрева и .

10. Определить расход электроэнергии на нагрев деталей:

, кДж (5)

где G₁ – масса цилиндра = 1000 г; G₂ – масса венца = 850 г.

С – удельная теплоёмкость стали детали = 0,55

11. Определить электроэнергию, потребляемую установкой за весь период нагрева деталей:

кВт×с (6)

где Р – мощность установки, кВт.

τ – время нагрева детали, сек.

12. Определить КПД установки:

(7)

13. Найти удельную полезную мощность нагрева деталей:

(8)

где V₁ – объем венца, см³.

V₂ – объем цилиндра, см³.

14. Определить с помощью клещей Ц 90 величину тока I₂, наводимого в венце, в зависимости от числа витков первичной обмотки 1. Построить графическую зависи­мость I₂= f (n).

3. Содержание отчета

1. Электрическая схема установки.

2. Таблица экспериментальных результатов.

3. Графики зависимостей, указанных в пп.7,9,14.

4. Выводы

4. Контрольные вопросы

1. В чем сущность явлений электромагнитной индукции, поверхностного эффекта, эффекта близости?

2. Каков принцип действия установки?

3. Чем объясняется характер полученных экспериментальных зависимостей?

4. Какие факторы влияют на скорость нагрева деталей?

5. Какова область применения установок в сельском хозяйстве?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

Дата добавления: 2017-02-01