Исследование трехфазного электродного водонагревателя

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

Общие сведения

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 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?

РАЗДЕЛ IV