ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

       электронный учебно-методический комплекс

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Электродный водонагреватель

Цель работы

Программа работы

Общие теоретические сведения

Методика работы

Содержание отчёта

Контрольные вопросы

Приложение 4

Цель работы

Изучить устройство, принцип действия и методику расчёта электродных водонагревателей.

Программа работы

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями.
2. Изучить методику и выполнить работу.
3. Опытным путём исследовать зависимость удельного электрического сопротивления воды от температуры ρ = f(Т). Эту же зависимость рассчитать по эмпирической формуле и построить кривые ρ = f(Т) по опытным и расчётным данным.
4. Опытным путём исследовать зависимость потребляемой мощности от температуры воды Р = f(Т).
5. Составить и защитить отчёт.

Общие теоретические сведения

Электродный способ применяют для нагрева воды, молока, фруктовых и ягодных соков, сочных кормов, почвы, бетона и др. Материал, помещенный между электродами, нагревается за счёт электрического тока, протекающего через него от электрода к электроду. При этом происходит прямой нагрев: сам материал является средой, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую. Электродный нагрев представляет собой простой и экономичный способ нагрева материалов, не требующий ни понижающих трансформаторов, ни специальных нагревательных приборов из дорогостоящих сплавов. Для электродного нагрева, во избежание электролиза, используют только переменный электрический ток.

Особенностями электродных устройств являются зависимость теплопроизводительности от удельного электрического сопротивления нагреваемой жидкости и ограничение напряженности поля вследствие возможного электрического пробоя и разложения жидкости.

Электродные аппараты классифицируют по следующим признакам:

• по числу фаз питания - одно- и трёхфазные;
• по конструктивным особенностям - одно- двух- и трёхбакового исполнения, с цилиндрическими, трубчатыми, плоскими, спиралевидными и секторными электродами;
• по напряжению сети - низкого (380 В) и высокого (6 кВ и выше) напряжения;
• по способу регулирования мощности - с подвижными элементами из диэлектрического материала, с подвижными нулевыми электродами, со ступенчатым переключением электродов.

Наибольшее применение находят трехфазные однобаковые конструкции низкого напряжения с трубчатыми, цилиндрическими или секторными электродами, с плавным регулированием мощности, осуществляемым с помощью подвижных элементов из диэлектрических материалов или нулевых электродов (водонагреватели) или путём изменения глубины погружения электродов в котловую воду (парогенераторы).

Разработана серия трёхфазных электродных водонагревателей низкого напряжения (380 В) мощностью 25, 60, 100, 250, 400 и 1000 кВт. Водонагреватели рассчитаны для работы на воде с удельным электрическим сопротивлением 30 Ом-м при 20ºС. Допускается отклонение удельного сопротивления в пределах 10-50 Ом-м. Номинальному температурному режиму работы соответствуют 70ºС на входе в водонагреватель и 95ºС на выходе. Максимально допустимая температура воды на выходе составляет 130ºС. Водонагреватели могут работать как в системах атмосферного типа, так и в системах с избыточным давлением. Мощность первых трёх типоразмеров водонагревателей регулируется в пределах 10-100%, остальных - в пределах 20-100%.

В сельском хозяйстве применяются проточные и непроточные, однофазные и трёхфазные электродные водонагреватели с различными типами электродных систем: пластинчатой (рис. 4.1), коаксиальной (рис. 4.2), стержневой (рис. 4.3).

Водонагреватель представляет собой металлический бак, внутри которого находятся электроды. Напряжение к ним подводится через проходные изоляторы, установленные на крышке бака. В качестве материала для электродов используется титан, нержавеющая сталь, электротехнический графит и др. Электроды выполняют лишь функцию подвода электрического тока к нагреваемой среде, а сами электрическим током не нагреваются.

При работе электроводонагревателя на его корпусе может возникнуть опасный потенциал, поэтому корпус водонагревателя должен быть заземлён.

Рис. 4.1. Пластинчатая система электродов

Рис. 4.2. Коаксиальная система электродов

Рис. 4.3. Стержневая система электродов

В процессе нагрева воды мощность, потребляемая водонагревателем, увеличивается в результате уменьшения удельного электрического сопротивления воды. Последнее объясняется увеличением концентрации и подвижности ионов при повышении температуры воды.

Площадь поверхности электродов и расстояние между ними ограничивается максимально допустимыми значениями плотности тока на электродах и напряженности поля. При большой напряженности поля между электродами наблюдается пробой, а при большой плотности тока - электролитическое разложение воды с образованием взрывоопасного гремучего газа.

Удельное электрическое сопротивление воды, зависящее от концентрации растворенных в ней солей, кислот и щелочей, температуры и паросодержания, измеряют кондуктометром. Если этого прибора нет, используют ёмкость (1) (рис. 4.4) небольших размеров из стекла. Возле стенок ёмкости располагают прямоугольные электроды (2).

Рис. 4.4. Лабораторная установка для измерения удельного электрического сопротивления воды: 1 - стеклянная ёмкость; 2 - прямоугольные электроды

В схемах автоматического управления электродными водонагревателями для регулирования температуры могут быть использованы термо-электросигнализаторы, например, типа TCM-1OO (до 100ºС). Термосигнализатор работает на манометрическом принципе. Термобаллон заполнен жидкостью, имеющей большой коэффициент объёмного расширения. При изменении окружающей температуры давление внутри баллона изменяется, манометрическое устройство поворачивает стрелку, устанавливая её на делении шкалы, соответствующем значению температуры окружающей среды. Стрелка снабжена электрическим скользящим контактом, который замыкает или размыкает зафиксированные контакты, устанавливаемые на требуемом уровне температур и включает или выключает цепи управления или сигнализации.

Для регулирования мощности можно использовать следующие факторы:

• расстояние между электродами h_э;
• площадь электрода А;
• напряжение на электродной системе U.

Первые два фактора могут быть отнесены к механическим способам регулирования, а третий - к электрическим.

В настоящее время наибольшее распространение получили механические устройства регулирования путём изменения активной поверхности электродов. К ним относятся устройства с подвижными антиэлектродами и изоляционными экранами, передвигающиеся между электродами, а также секционированные электродные системы. Недостатком этих устройств является: 1 - сложность схем управления; 2 - наличие подвижных механических элементов.

Более совершенные установки - с изменением напряжения на электродной системе. Для этого часто применяются автотрансформаторы со ступенчатым переключением отпаек. Недостатком таких установок является необходимость наличия автотрансформатора, а также сложность схем управления.

Наиболее перспективными являются установки с тиристорными регуляторами напряжения, на создание которых требуются незначительные дополнительные затраты. Принцип работы таких регуляторов напряжения можно понять, анализируя схему, приведенную на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Регулятор напряжения

Величина действующего значения напряжения на нагрузке зависит от угла отпирания тиристоров VD1 и VD2 (ψ_от). Если этот угол равен нулю (ψот =0), то напряжение на нагрузке равно напряжению сети U. При ψ_от=180º напряжение на нагрузке равно нулю, U_наг=0. При изменении угла отпирания от 0 до 180º могут быть получены любые напряжения от U до 0. Таким образом, изменение напряжения сводится к изменению угла отпирания ψ_от. Следовательно, закон изменения напряжения в функции температуры должен быть заменен соответствующим законом изменения угла отпирания.

Принципиально иначе решается задача обеспечения постоянства мощности при использовании саморегулирующихся нагревательных устройств. В этом случае отсутствуют какие-либо регуляторы мощности. Поддержание постоянства мощности нагрева обеспечивается благодаря тому, что вода, заключенная в электродной системе, не смешивается с водой основной ёмкости и под действием тока быстро нагревается до температуры кипения. Образующийся при этом пар попадает в основную ёмкость и нагревает воду.

Методика работы

Определить при помощи установки, показанной на рис. 4.4, удельное электрическое сопротивление воды при различных температурах. Показания вольтметра, амперметра и термометра записывают через каждые 5ºС. Удельное сопротивление воды, Ом·м:

где R - сопротивление воды между электродами, Ом;

А_э - площадь сечения воды, перпендикулярного силовым линиям, м²

h_э - расстояние между электродами, м;

U - напряжение между электродами, В;

I - сила тока в цепи установки, А.

Рассчитать зависимость r = f(T) по эмпирической формуле:

где ρ₂₀ - удельное электрическое сопротивление воды при 20ºС;

Т - температура воды, ºС.

Данные опыта и результаты расчета занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Для определения расчётных параметров водонагревателя измерить объём (л), нагреваемой воды, площадь (м²), поверхности электрода одной фазы и расстояние (м), между электродами.

Рассчитать производительность, л/ч, водонагревателя.

Для исследования зависимости Р = f(Т) собрать схему (рис. 4.6). Водонагреватель заполнить водой и включить в сеть. Воду нагреть до 80ºС, измеряя ее температуру термометром.

Рис. 4.6. Принципиальная электрическая схема автоматического управления электродным водонагревателем.

Рассчитать коэффициент полезного действия водонагревателя, %:

где V - объём нагреваемой воды, л;

c - удельная теплоёмкость воды, кДж / (кгºС), с = 4,19;

ρ_в - плотность воды, кг/м³ (ρ_в = 1000);

Э - расход электроэнергии за время опыта, кВт·ч.

Рассчитать удельный расход электроэнергии, кВт·ч/(л·ºС), на нагрев воды:

Содержание отчёта

1. Эскизы и электрические схемы установки для исследования удельного сопротивления воды и лабораторного электродного водонагревателя.
2. Расчётные формулы, таблицы опытных и расчётных данных.
3. Графики зависимостей r = f(Т) по опытным и расчётным данным, график Р = f(Т).
4. Значения КПД электродного водонагревателя, удельного расхода электроэнергии на нагрев воды.
5. В выводах по работе проанализировать расхождение расчётных и фактических значений основных параметров водонагревателя.

Контрольные вопросы

1. Расскажите об устройстве и принципе работы электродного нагревателя.
2. Почему в электродных водонагревателях ограничиваются плотность тока на электродах и напряжённость поля между ними?
3. Когда на корпусе электродного водонагревателя появляется наибольший потенциал по отношению к земле?
4. Как находят удельное электрическое сопротивление воды опытным путем?
5. Как регулируется мощность в электродном водонагревателе?
6. От каких параметров зависит КПД электродного нагревателя?
7. Назовите преимущества и недостатки электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева по отношению к другим электродным нагревателям.
8. Принцип действия электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева.
9. Где применяется электронный нагрев?
10. Назовите типы электродных систем.
11. Каким недостатком обладает установка с изменением напряжения на электродной системе?
12. Какие установки являются наиболее перспективными?
13. Принцип действия саморегулирующихся нагревательных устройств.

Приложение 4

Таблица 1

Таблица 2

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006