Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Методические указания и задания к выполнению курсовой работы
для студентов специальности
5B081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛИ: Е.С. Умбетов, Ш.К.Шоколакова. "Электротехнологии в сельском хозяйстве". Методические указания и задания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 5B081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства. – Алматы: АУЭС, 2013. – 33 с.

Данная разработка включает методические указания и задания к курсовой работе, а также список необходимой литературы по дисциплине "Электротехнологии в сельском хозяйстве".

Библиогр.–10 назв.

Рецензент: доцент Р.М.Кузембаева

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества "Алматинский университет энергетики и связи" на 2012г.

Содержание

Введение	4
Общие указания к выполнению курсовой работы	5
1 Расчет электронагревателей для обогрева пола животноводческого помещения	5
1.1 Область использования и конструкции электрообогреваемых полов	5
1.2 Расчет электробогрева пола	7
1.3 Расчет электрообогрева пола свинарника–маточника на 60 маток с кормлением в станках с чередованием площадок большего и меньшего нагрева	10
2 Расчет мощности электроподогревателей воздуха установок активного вентилирования	15
2.1 Технологическая схема сушки зерна активным вентилированием	15
2.2 Расчетная методика определения мощности электроподогревателей воздуха	16
2.3 Расчет мощности электроподогревателей воздуха для сушки зерна активным вентилированием	17
3 Электрический обогрев в парниках и теплицах	18
3.1 Области использования и классификация электрообогрева в закрытом грунте	18
3.2 Способы электрического обогрева почвы и воздуха	19
3.3 Расчет устройств электрообогрева	21
3.4 Расчет устройств электрообогрева теплицы площадью 384 м² для выращивания огурцов в условиях Алматинской области	25
Список литературы	31

Введение

Целью выполнения данной курсовой работы является приобретение студентами практических навыков по расчету , выбору и проектированию электротермических установок для объектов сельскохозяйственного производства.

Задачи курсовой работы– освоение методик расчетов по комплексному электронагреву сельскохозяйственного производства, для формирования способностей решать конкретные инженерные задачи.

Задания к курсовой работе

Методическое указание предназначена для студентов специальности 5B081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства при выполнении курсового проекта по комплексному электронагреву сельскохозяйственного производства.

В методическом указании рассмотрены конкретные примеры электронагрева отдельных процессов сельскохозяйственного производства.

В курсовой работе приведены области использования электрического нагрева в закрытом грунте, способы электрического обогрева почвы теплицы площадью 500 м². Изложены области использования и конструкции электрообогреваемых полов, выполнен расчет электрообогрева пола свинарника маточника на 50 маток с чередованием площадок большего и меньшего нагрева в станках. Также приведены технологические схемы сушки зерна активным вентилированием, выполнен расчет мощности электроподогревателей воздуха, произведен выбор соответствующего ТЭНа и вентилятора.

Студенты выполняют по дисциплине «Электротехнологии в сельском хозяйстве» курсовую работу по электронагреву по следующим темам (в скобках указаны сроки их , и защиты):

1) Расчет электронагревателей для обогрева пола животноводческого помещения.

2) Расчет мощности электроподогревателей воздуха установок активного вентилирования.

3) Расчет устройств электрообогрева теплиц и парников.

По каждой теме подобраны задания таким образом, чтобы они не только закрепляли общие теоретические положения, но и служили методикой расчета тех или других прикладных инженерных решений по электротехнологии.

Наиболее важные аспекты каждого из задания акцентируются контрольными вопросами преподавателя. Варианты задаются отдельными параметрами и задаются в виде формул, включающих номер учебной группы (m) и посписочный номер (n) фамилии каждого студента по журналу.

Варианты с m =n =0 ( где значения параметров близки к реальным) приведены с решениями.

Рекомендуется в конце решения каждого задания приводить вывод, а в конце каждой темы кратко излагать свое видение по проблемному вопросу, что важно для их усвоения.

Консультации и защита курсовой работы проводятся по кафедральному графику.

Общие указания к выполнению курсовой работы

Прежде чем приступить к выполнению курсовой работы следует ознакомиться с соответствующими темами и разделами рекомендованной литературы и с приведенными ниже методическими указаниями.

1 Расчет электронагревателей для обогрева пола животноводческого помещения

1.1 Область использования и конструкции электрообогреваемых полов

Электрообогреваемые полы наиболее успешно применяются в свинарных - маточниках, свинарниках для доращивания поросят, цыплятниках-бройлерниках, помещениях для выращивания утят и индюшат, в телятниках. Электрообогреваемые полы улучшают микроклимат в зоне нахождения животных и птиц. Обогреваемый пол обладает хорошей теплоаккумулирующей способностью, невысокой металлоемкостью, прост по устройству, безопасен в пожарном отношении. Температура поверхности пола достаточно равномерна и легко подвергается автоматизации. Затраты труда на техническое обслуживание незначительны.

Электрообогреваемые полы, применяемые для общего и местного обогрева, можно сооружать как в существующем, так и в строящемся живот-новодческом помещении.

Для обогрева пола часто используют нагревательные провода ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВТ и ПНВСВ, технические данные которых приведены в таблице 1.1:

Т а б л и ц а 1.1 – Техническая характеристика нагревательных проводов

Параметры	ПОСХВ	ПОСХП	ПОСХВТ	ПНВСВ
Наружный диаметр, мм	2,9	2,3	3,4	6,2
Диаметр токоведущей стальной жилы, мм	1,1	1,1	1,4	1,2
Материал изоляции	поливинил- хлорид	полиэтилен	поливинил- хлорид	поливинил- хлорид
Найбольшая удельная мощность, Вт/м	7. . .9	9.....10	12.....13	20
Допустимая рабочая температура, С жилы....... поверхности оболочки............	70 -	70 -	105 -	- 120
Теплопроводимость изоляции, Вт/(м)	0,17	0,3	0,2	-
Термическое сопротивление изоляции, (м· ^оС)/ Вт....	0,88	0,37	0,70	-
Линейное сопротивление, Ом/м	0,174	0,174	0,12	не менее 0,5 МОм/м
Срок службы, тыс. час.	12	12	12	20 год

Поперечный раз электрообогреваемого пола показан на рисунке 1.1.

1-грунт; 2-щебень; 3, 6, 9-бетон; 4-гидроизоляция; 5-теплоизоляция

(котельный шлак); 7-наревательный элемент; 8-защитная сетка

Рисунок 1.1 – Устройство электрообогреваемого пола (размеры в см)

Работы по монтажу электрообогреваемого пола выполняют на месте в такой последовательности. На выделенных участках пола выкапывают углубление (0,3…0,6 м), дно которого уплотняют. Затем послойно укладывают щебень 2, бетонную стяжку 3, гидроизоляцию 4 из рубероида, поверхность которого покрывают битумом. Для сокращения потерь теплоты через грунт насыпают слой тепловой изоляции 5, (котельный шлак, керамзит и др.) и заливают бетоном 6, на который укладывают нагревательный элемент 7. Нагреватель также заливают бетоном, на поверхность которого укладывают защитную стальную сетку 8, с ячейкой 250·150 мм. Диаметр провода сетки 3-4 мм. Сетка соединяется с нулевым проводом сети. Монтаж заканчивают заливкой бетонной стяжки 9.

При рабочем напряжении 36 В использования проводов с теплостойкой изоляцией в экранировании нет необходимости.

Ширина обогреваемой полосы зависит от вида животных. В коровнике обогревают полосу шириной 0,5…0,6 м, в свинарнике маточнике -шириной 1,3 м. В птичнике с напольным содержанием обогревают полосу шириной 0,2…0,3 от ширины помещения.

В свиноматочниках площади, занимаемые поросятам и свиноматками, следует разгородить и устроить в перегородках лазы для свободного прохода поросят к маткам. Пол под поросятами следует нагревать сильнее, чем под свиноматками. Это необходимо потому, что поросятам требуется больше тепла. В стойлах для свиноматок оставляют необогреваемую полосу пола шириной не менее 0,9 м для дефекации. Нагреваетльный провод монтируется зигзагом по длине обогреваемых полос, причем в полосе для поросят шаг нитей берется меньше, чем в полосе для свиноматок.

При расчете электрообогреваемого пола необходимо выбрать материал нагревательного элемента, определить длину, сечения и способ его размещения (выполнить компановку). Материал элемента должен отвечать ряду требований, к которым относятся температура нагревателя, линейная мощность, длина, механическая прочность, работоспособность при температуре, обусловленной технологией (см. таблицу 1.2) .

Т а б л и ц а 1.2 – Рекомендуемые параметры для расчета электрообогреваемых полов

Вид животных	Рекомендуемая температура пола, ^оС	Удельная поверхностная мощность, Вт/м²	Линейная мощность нагревателя, Вт/м	Рекомендуемый шаг укладки, м
Цыплята	35...40	150...300	7,5...30	0,05...0,1
Поросята	25...30	100...200	7...20	0,1...0,15
Свиньи на откормке	18...20	80...150	12...30	0,15...0,2
Больные коровы	26...29	150...190	22....40	0,15...0,2
Телята	20...24	100...150	10...22	0,1...0,15

1.2 Расчет электробогрева пола

Обогрев пола рассчитывается в следующей последовательности:

Полный (т.е. вверх и вниз) поверхностный тепловой поток (удельная поверхностная мощность) обогреваемого пола Вт/:

, (1.1)

где α- коэффициент теплоотдачи пола, Вт/(м² · ^оС); α =10Вт/ (м² · ^оС);

и - температура соответственно поверхности пола и воздуха в помещении, (принимают по ОНТП в зависимости от вида и возрастной группы животных и птиц);

- коэффициент, учитывающие потери теплоты в грунт (при наличии гидро- и теплоизоляции ).

Шаг укладки а и температура t_ж поверхности провода – основные расчетные величины электрообогреваемого пола. Их определяют графическим способом путем совместного решения двух уравнений: t_ж = ƒ и t_ж = . Первое уравнение характеризует теплообмен нагревательного провода с окружающей средой, а второй дает связь между электрическими параметрами нагревателя.

Уравнение t_ж = ƒ можно записать на основе закона Ома для тепловой цепи:

или . (1.2)

Учитывая, что линейный тепловой поток провода равен , а термическое сопротивление теплоотдачи состоит из термического сопротивления изоляции провода R_Тиз и термического сопротивления пола R_Т_п, для провода длиной 1м можно записать:

. (1.3)

Термическое сопротивление изоляции провода длиной 1м определяют по выражению термического сопротивления для цилиндрической стенки

, (1.4)

где - наружный диаметр провода, м ;

d – диаметр жилы провода, м;

- теплопроводность материала изоляции провода Вт/.

Термическое сопротивление пола можно рассчитать по известному в теории теплопередачи выражению, если параллельно расположенные нагреватели, диаметр и температура которых одинаковы, размещены в полуограниченном массиве,

, (1.5)

где - гиперболический синус;

h – глубина, на которую заложен привод в массив пола, м;

- теплопроводность бетона, Вт/(мºС).

С учетом уравнений (1.4) и (1.5) отношение (1.3) можно записать в следующем виде:

(1.6)

Для построения кривой задаются тремя – четырьмя значениями а (например, 0,04; 0,06; 0,08; и 0,1м), по уравнению (1.6) для этих значений а и принятого значения Ф_F находят ∆t и определяют t_ж = ∆t + t_П.

Уравнение кривой t_ж=φ(Ф_F,a) можно получить из выражений для электрического сопротивления провода длиной 1м (l =1м).

(1.7)

(1.8)

Приравнивая правые части уравнений (1.7) и (1.8), получим

(1.9)

где - напряжение провода длиной 1м, В/м;

- отношение сопротивления стальной проволоки переменному току к сопротивлению стальной проволоки постоянному току при той же температуре (, где d – диаметр прово-локи, мм);

ρ₂₀ – удельное сопротивление стальной проволоки, Ом м.

Чтобы построить кривую , по выражению (1.9) для тех же значений шага а определяют температуру t_ж поверхности провода.

Построив кривые и , находят искомые значения шага укладки а и температуры t_ж поверхности провода как координаты точки пересечения этих прямых.

1.3 Расчет электрообогрева пола свинарника–маточника на 60 маток с кормлением в станках с чередованием площадок большего и меньшего нагрева

Исходные данные. Рассчитать электрообогрев пола в свинарнике на 60+10m+0,5n мест. Свинарник состоит из трех отделений по 20 мест. Число станков в одном ряду - 10.

Размеры станка - 2,55 х 3,0 м². Температура пола для свиноматок =20+m+0,5n ºС, для поросят =30+0,2n ºС (см. таблицу 1.2). Температура воздуха в свинарнике-маточнике =14+0,5n ºС. Глубина, на которую заложен провод ПОСХВ в массив пола, h=0,08 м. Параметры провода (см. таблицу 1.1) : d = 1,1·10^-3; D = 2.9 · 10^-3м; = 0,17 Вт/(м· ºС). Теплопроводность бетона =0,85 Вт/(м· ºС)

Решение варианта m =n =0.

1. Определяем ширину обогреваемой полосы в станках.

Обогреваемая площадь должна составлять для поросят одного помёта от 1 до 1,4 м², а для свиноматки – от 2 до 2,8 м². В связи с этими требованиями предусматриваем идущие через ряды станков обогреваемые полосы шириной Н=1,3 м. Холодные полосы шириной 2,55-0,47-1,3=0,78 м останутся для дефекации (0,47 м – ширина кормушки). Согласно [1,2,3] ширина полосы для дефекации должна быть не менее 0,6 м.

В каждом станке по фронту ряда выделяем обогреваемые площадки: для поросят длиной L₂=1,0 м, для свиноматки длиной L₁=2,0 м ( см. рисунок 1. 2).

Рисунок 1.2 – К расчёту электрообогрева пола в свинарнике-маточнике

Примем такую схему укладки проводов, при которой каждый отрезок, включённый на напряжение 220В, используется для обогрева всех станков данного ряда. В данном случае обеспечивается надёжность устройства, удобное соединение нагревателей и подключение их к сети. При этом на каждой обогреваемой площадке укладывают нечетное число отрезков провода.

Для равномерной нагрузки фаз в каждой обогреваемой полосе размещают по три отрезка провода.

2. Площадь обогрева одной площадки:

1) для свиноматки ;

2) для поросят .

Поверхностная плотность теплового потока:

1) площадки для свиноматки

; (1.20)

2) площадки для поросят

. (1.21)

Чтобы построить кривую при поверхностной плотности теплового потока. Ф_F₁= 75 Вт/м², по уравнению (1.6) определяем t_ж1 для следующих значений шага а укладки провода: 0,11; 0.13 и 0,15 м.

(1.22)

Аналогично рассчитываем три точки кривой t_ж2=f(Ф_F₂,a) при поверхностной плотности теплового потока Ф_F₂=200Вт/м² для таких значений шага a укладки провода: 0,04; 0,05; 0,06 м.

(1.23)

(1.24)

3. Затем для тех же значений шага а укладки провода и напряжения U₁₌1,3 В/м вычисляем tж=j(Ф_F,а) по выражению (1.9), которое после подстановки постоянных величин для провода ПОСХВ, имеет вид:

(1.25)

где .

Примем, что напряжение на 1м длины провода U₁₌1,3 В/м.

Температура tжв зависимости от шага укладки 0,04; 0,05; 0,06 м:

1) площадка для свиноматки:

2) площадка для поросят:

Результаты расчетов сводим в таблицу1.3.

Т а б л и ц а 1.3– К расчету электрообогрева пола

а,м	rt₁,⁰С (по формуле (1.22)	t_п1,⁰С	tж₁₌rt₁₊ t_п1,⁰С	rt₂,⁰С (по формуле (1.23)	t_п2,⁰С	tж₂₌rt₂₊ t_п2,⁰С	tж₌φ(Ф_F_,а),⁰С (по формуле (1.25)
0,04	-	-	-	24,1	30	54,1	108
0,05	-	-	-	26,7	30	56,7	46,7
0,06	-	-	-	29,4	30	59,4	5,6
0,11	16,2	20	36,2	-	-	-	99
0,13	18,4	20	38,4	-	-	-	53
0,15	20,6	20	40,6	-	-	-	19

Построив кривые t_ж=f(Ф_F,a) и tж=φ(Ф_F, а) (см. рисунок 1.3), находим для площадок свиноматки: а₁=0,138 м, tж₁=40⁰С, для площадок под поросятами: а₂=0,047 м, tж₂=57⁰С.

Для провода ПОСХВ эти значения допустимы.

11111111111111

Рисунок 1.3– Графическое решение уравнений tж=φ(Ф_F, а) и t_ж=f(Ф_F,a)

для нагревательного провода ПАСХВ при электрообогреве пола

4. Определяем число параллельных отрезков провода:

- на площадках для свиноматок:

; (1.26)

- на площадках для поросят:

Принимаем и .

5. Определяем длину провода под одним станком

l₁=m₁(L₁+a₁)+m₂(L₂+a₂)=9(2,0+0,138)+27(1,0+0,047)м=47,5 м. (1.27)

Длина отрезка провода, включаемого на напряжение 220 В, при напряжении провода длиной 1 м U₁₌1,3 В/м.

. (1.28)

Общая длина трех отрезков провода для обогрева одного ряда станков:

. (1.29)

Число станков в ряду, обогреваемых тремя отрезками провода:

. (1.30)

Принимаем n =10, т.к. в свинарнике-маточнике в одном ряду 10 станков.

6. Определяем мощность для обогрева одного ряда станков

. (1.31)

Мощность отрезка провода, включаемого на напряжение 220 В:

. (1.32)

Тепловой поток провода длиной 1м.

. (1.33)

Для провода ПОСХВ это допустимо (см. таблицу 1.1).

Фазный ток устройства обогрева одного ряда станков

. (1.34)

Общая установленная мощность устройства электрообогрева пола свинарника-маточника на 60 мест

Руст=6· Р = 6 · 4550Вт=27300Вт=27,3 кВт. (1.35)

7. Схема укладки обогревательного провода в полу площадок для свиноматки и поросят в одном станке показана на рисунке 1.2.

2 Расчет мощности электроподогревателей воздуха установок активного вентилирования

2.1 Технологическая схема сушки зерна активным вентилированием

Активное вентилирование – это принудительное продувание возду-хом массы материала, находящегося в покое. Его чаще всего применяют при заготовке зерна и сена.

Активное вентилирование используют для быстрого охлаждения зерна с целью временной консервации; обогрева семян с целью ускорения послеуборочного дозревания и тепловой обработки их перед посевом; обогрева семян с целью сушки; дегазаций зерна после фумигации.

Сушка активным вентилированием представляет собой разновид-ность конвективной сушки и отличается от нее лишь большей длитель-ностью, обусловленной низкой температурой теплоносителя высуши-ваемого материала.

Для подогрева воздуха в установках активного вентилирования обычно применяют электрокалориферы СФО, а для подачи воздуха – центробежные вентиляторы Ц4-70. Предельная температура воздуха, выходящего из калорифера: для семенного зерна – 30...40 °С, для продо-вольственого зерна и сена – 50...55 °С. Расход воздуха на 1т зерновой массы составляет 0,1...0,3 м³/с, а сена – 0,16... 0,33 м³/с.

При сушке зерна воздух подогревают в калорифере на ∆t=10...12 °С, а сена - ∆t=5...6 °С.

Технологическая схема сушки зерна представлена в соответствии с рисунком 2.1

Влажное зерно

М₁, Ө₁,W₁

1 2 Отрабо-

Подогретый танный

Наружный воздух воздух

воздух

t₁,φ₁,d₁,h₁ t₂,φ₂,d₂,h₂

t_o, φ_o, d_o, h_o

Сухое зерно

М₂, Ө₂, W₂

1) вентилятор, 2) электрокалорифер, 3) сушилка.

Рисунок 2.1 – Технологическая схема процесса сушки

Наружный воздух, имеющий параметры: температуру t_o(°С), отно-сительную влажность φ_o(%), влагосодержание d_o(г/кг) и энтальпию h_o( кДж/кг), забирается вентилятором 1 и подается в электрокалорифер 2.

Подогретый воздух с параметрами t₁, φ₁, d₁и h₁ подается в сушильную камеру 3, где проходя через слой высушиваемого материала (зерна), отби-рает излишнюю влагу и выходит из сушильной камеры с параметрами t₂, φ₂, d₂, h₂.

Влажное зерно, поступающее в сушильную камеру, имеет влаж-ность W₁(%) и температуру θ₁(°С), а высушенное зерно имеет влажность W₂ и температуру θ₂.

Исходные данные для выбора вентилятора и электрокалорифера:

– масса сырого зерна (сена) М₁, кг;

– начальная W₁ и конечная W₂влажность зерна, %;

– температура t_o, °С, и влажность φ_o, %, наружного воздуха ;

– температура воздуха после электрокалорифера t₁, °С;

– время сушки τ, с.

Значение φ₂чаще всего принимают равным 80%, а t₂=t₁-(3...4)°С.

2.2 Расчетная методика определения мощности электроподогревателей воздуха

1. По исходным данным из h-d диаграмма влажного воздуха находят значения энтальпии наружного h₀ и подогретого h₁ воздуха, влагосодер-жание подогретого d₁и отработанного d₂ воздуха.

Влагосодержание d₁, г/кг, воздуха, входящего в зерно (сено), опреде-ляют при температуре t₀ и относительной влажности φ₀ ( нагрев воздуха в электрокалорифере не изменяет его влагосодержание d₀).

Влагосодержание d₂ воздуха, выходящего из зерна (сена), находят при φ₂=80% и температуре t₂=t₁-(3...4) °С.

Плотность воздуха ρ рассчитывают при средней температуре воздуха

t=(t₁+t₂)/2 по выражению (1.2):

, (2.1)

где В-среднее атмосферное давление, мм ртутного столба, в местности (для Алматинской области, В=700 мм рт.ст)

2. Из материального баланса сушки определяют количество влаги, испаряемой из зерна (сена), кг/ч, [1,2]:

(2.2)

3. Находят подачу , м³/с, вентилятора, необходимую для удаления влаги [1,2]:

(2.3)

4.Потребную мощность, кВт, электрокалорифера (электроподогревателей воздуха) определяют по выражению:

, (2.4)

где η- коэффициент, учитывающий потери воздуха через неплотности укладки материала (η=0,8...0,9);

η_κ- К.П.Д. электрокалорифера.

Напор воздуха, создаваемый вентилятором, должен быть достаточным для преодоления аэродинамического сопротивления слоя материала (зерна, сена). Обычно принимают вентиляторы с напором 200...400 Па.

2.3 Расчет мощности электроподогревателей воздуха для сушки зерна активным вентилированием

Исходные данные. Определить мощность электроподогревателей воздуха для установки активного вентилирования зерна вместимостью 40 т. Продолжительность сушки зерна 90+m+0,5n ч, начальная влажность зерна W₁= 23+0,7m+0,5n %, конечная- W₂=14%. Параметры наружного воздуха: t_o=15+0,2n ºС; φ_o=60%. Воздух подогревается на 6+0,7n ºС [t₁=15+6ºС=21ºС]. температура воздуха , покидающего зерно t₂=(t₁-4+0,5n) ºС=(21-4)ºС=17ºС, влажность φ₂=80+0,1n %.

Решение варианта m =n =0.

1. По "h-d" диаграмме находим: h₀=31,4 кДж/кг;

d_o=d₁=6,5 г/кг; h₁=37,7 кДж/кг; d₂=9,2 г/кг;

По формуле (2.1) определяем плотность воздуха:

кг/м³.

2. По формуле (2.2) вычисляем количество испаряемой влаги:

3. По формуле (2.3) определяем необходимую подачу вентилятора:

4.По формуле (2.4) вычисляем потребную мощность электрокалорифера:

Принимаем η = 0,9; η_к = 0,92.

5. Выбираем оребренные ТЭН-ы с мощностью 2,5 кВт и определяем их количество:

шт.

Выбираем n = 15 шт.

3 Электрический обогрев в парниках и теплицах

3.1 Области использования и классификация электрообогрева в закрытом грунте

Для выращивания растений помещения закрытого грунта оборудуется системами отопления, вентиляции, полива, добавочного освещения и другими, предназначенными для создания надлежащих условий микроклимата, устанавливаемых агротехникой.

Среди параметров микроклимата наиболее важным является температура внутри помещений.

Оптимальные температурные условия для растений можно создать лишь при гибкой системе обогрева с надежной автоматизацией температурного режима.

В наибольшей степени этим условиям отвечает электрический обогрев почвы и воздуха.

В закрытом грунте применяют три вида обогрева:

– почвенный;

– воздушный;

– почвенно–воздушный.

Агротехническом условиям в наибольшей степени отвечает почвенно–воздушный обогрев, который по затратам энергии наиболее экономичен.

В теплицах при почвенно–воздушном обогреве расход тепла в 2 раза меньше, чем при почвенном обогреве.

В парниках, где объем воздушной среды мал, иногда ограничиваются только почвенным обогревом.

3.2 Способы электрического обогрева почвы и воздуха

Для обогрева сооружений защищенного грунта можно использовать различные электротермические установки [1,2].

В современных сооружениях защищенного грунта наиболее распространен элементный способ обогрева. В зависимости от типа нагревателя и способа его монтажа элементный обогрев разделяют на несколько видов (см. рисунок 3.1).

Элементный способ электрообогрева

Нагревательным изолированным проводом ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВТ, ПНВСВ

Стальным проводом без изоляции

В асфальтобетонных плитах

На пониженном напряжении

С экранной сеткой

В асбоцементной или керамической трубе

Рисунок 3.1– Виды элементного способа электрообогрева

сооружений защищенного грунта

При обогреве парников проводом без изоляции для снижения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током провод укладывают в специальных трубах (асбоцементных, керамических и др.) или над проводом протягивают экранную сетку, а так же для питания нагревателя используют пониженное напряжение.

В трубчатых обогревателях нагревательным элементом служит сталь-ной оцинкованный провод диаметром 2,5…4 мм. Трубы (диаметр 50…150 мм.) укладывают (см. рисунок 3.2) в слое песка, насыпанном на теплоизо-лирующий слой шлака, с уклоном для стока влаги. Трубы соединяют между собой муфтами на цементном растворе. Чтобы провод не касался стенок трубы, его прокладывают на изолирующих опорных дисках.

1-элементы почвенного обогрева;

2-парубни; 3-элементы воздушного обогрева; 4-культурный слой почвы;

5-рама; 6-песок; 7-шлак.

Рисунок 3.2– Поперечный разрез парника с электрообогревом трубчатыми нагревательными элементами

При обогреве парников неизолированным проводом с экранной сеткой нагревательным элементом является стальная проволока, которую укладывают зигзагообразно вдоль сооружения в слое песка. Напряжение питания 380/220 В. Поверх провода насыпают слой почвы 15…20 см и укладывают экранирующую стальную сетку, которую присоединяют к нулевому проводу сети. Поверх сетки насыпают культурный слой почвы. При данном способе обогрева теплота выделяется как в самом нагревателе, так и в почве за счет тока, протекающего между проводом и экранной сеткой. Недостаток этого способа – большая металлоемкость.

При обогреве парников неизолированными проводами на пониженном напряжении используют специальную понизительную трансформаторную подстанцию 380/12…42 В. В качестве нагревательного элемента применяют стальной провод диаметром 2…8 мм, покрытый термостойким лаком. Провод в парнике укладывают так же, как и в предыдущем случае. Недостаток дан-ного способа – большие капитальные затраты на устройство электрообогрева (подстанция).

Парники с обогревом асфальтобетонными плитами обладают большой аккумуляционной способностью, обеспечивают равномерность нагрева почвы и достаточную электробезопасность. Обогреватель выполняют в такой последовательности. На грунт насыпают слой шлака толщиной 0,2 мм. Сверху шлак присыпают песком. На песок укладывают асфальтобетон (88% песка, 12% битума), а затем стальной неизолированный провод диаметром 2…3 мм, который заливают стяжкой из асфальтобетона. Асфальтобетон обеспечивает хорошую электрическую изоляцию нагревателя, что позволяет использовать для питания парника напряжение 380/220 В. Иногда нагреватель парника набирают из отдельных асфальтобетонных или асфальто-керамзитобетонных плит. Это позволяет сократить сроки сооружения парников и улучшить качество нагревателя, т.к. плиты изготавливаются в заводских условиях. Однако, при этом способе трудно заменять поврежденные провода и, кроме того, требуются сравнительно большие затраты на сооружение обогрева.

Обогрев закрытого грунта нагревательным проводом типа ПОСХВ, ПОСХВТ, ПОСХП и ПНВСВ аналогичен обогреву неизолированным проводом. При непосредственной укладке провода в песок его защищают от повреждений металлической сеткой, которую заземляют для обеспечения электробезопасности. При обогреве воздуха нагревательный провод подве-шивают на строительных конструкциях или крепят к несущему тросу.

Недостаток описанных конструкций парников с почвенным обогревом заключается в том, что тепловой поток от нагревательных элементов, уложенных на дно парника, направлен не только в культурный слой почвы, но и в массу грунта под нагревателями. Чтобы уменьшить тепловой поток, уходящий в грунт, парник целесообразно приподнять над землей. При этом воздушный промежуток, образовавшийся между дном парника и поверх-ностью земли, играет роль тепловой изоляции.

Для снижения затрат электрической энергии на обогрев рассадных теплиц применяют зонный обогрев. При этом способе обогревают только рабочую зону (высотой 0,3 м), оградив ее от объема теплицы пленочным укрытием. В качестве нагревательного элемента используют провода типа ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВТ и ПНВСВ.

3.3 Расчет устройств электрообогрева

Мощность установок электрообогрева культивационных помещений должна быть достаточна для компенсации максимальных тепловых потерь в окружающую среду в ночное время, когда отсутствует солнечная радиация, а значение наружной температуры минимальное.

Уравнение теплового баланса помещения закрытого грунта имеет вид [1,2,3]:

Ф_об=Ф_огр+Ф_инф+Ф_гр, (3.1)

где Ф_об- тепловая мощность электрообогревательной установки, Вт;

Ф_огр- тепловой поток, теряемый через отдельные элементы ограждения, Вт;

Ф_инф- тепловой поток, теряемый в связи с инфильтрацией воздуха через неплотности ограждений, Вт;

Ф_гр- тепловой поток в грунт, Вт.

Мощность, Вт, нагревательных элементов [1,2,3]:

, (3.2)

где η – кпд электрообогревательного устройства.

Если установка электрообогрева находится в культивационном помещении, то η=1.

Потери теплоты Ф_огр легко определяют по формуле потерь через плоскую стенку

. (3.3)

Точно рассчитать Ф_инф и Ф_гр сложно, поскольку потери на инфильтрацию зависят от конструкции и состояния строительной части сооружения, а расчет потерь в грунт сопряжен с математическими трудностями из-за сложности картины теплового поля растекания. Поэтому мощность, требуемую для обогрева парника или теплицы, можно вычислить лишь приближенно. Стремиться к большой точности расчета нет необходимости, так как он проводится для каких-то средних многолетних климатических условий, и, следовательно, задача в значительной степени усредняется.

Основная доля потерь (примерно 70%) приходится на светопрозрачные ограждения (стекло или пленку).

С учетом сказанного в практических расчетах [1,2,3] мощность, Вт, установок для электрообогрева парников и теплиц определяют по приближенной формуле:

P = k(t_вн- t_нар)· F_огр, (3.4)

где k-коэффициент теплопередачи, приведенный к площади светопрозрачного ограждения, Вт/(м^{2 о}C).

Коэффициент «k» зависит от скорости воздуха (рис.3). t_вн– температура внутри парника или теплицы, ^оС. t_нар- расчетная наружная температура, ^оС (в соответствии с требованиями СНиП 2.10.04-85 для зимних теплиц в качестве t_нар необходимо брать среднюю температуру наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,92, а для весенних теплиц и парников среднюю температуру наиболее холодного месяца за период эксплуатации, сниженную наполовину максимальной суточной амплитуды температуры воздуха); F_огр- площадь светопрозрачного ограждения, м².

Рисунок 3.3– Значения приведенного коэффициента теплопередачи через остекление теплиц (1) и парников (2) при разной скорости ветра

При комбинированном (почвенно-воздушном) обогреве расчетную мощность делят между нагревателями почвы Р_п и воздуха Р_в в таком соотношении: для теплиц Р_п/Р_в= 1:1 или 1:2, для парников – 1:1 или 2:1. [1,2].

Для расчета нагревательных элементов парников и теплиц используют экспериментальные графики зависимости температуры нагревателя от диа-метра проволоки, силы тока, мощности и напряжения провода длиною 1 м.

Особенность расчета заключается в том, что длину ℓ нагревательного элемента принимают в начале расчета в зависимости от геометрических размеров культивационного помещения и схемы соединения нагревателей, а диаметр проволоки нагревателя рассчитывают. Например, если вдоль пар-ника проложено два нагревателя, то при последовательном соединении нагревателей четырех парников общая длина проволоки будет 21,5х2х4=172м (21,5 длина двадцатирамного парника).

Нагревательные элементы из стальной проволоки в асбоцементных или гончарных трубах рассчитывают путем совместного графического решения двух уравнений: t_н.э= f(d) и t_н.э=φ(d), где t_н.э- температура нагревательного элемента. [1, 2, 3].

Уравнение t_н.э= f(d) отражает условия теплообмена нагревателя и записывается на основе законов теплопередачи:

Для нагревателя воздуха:

t_н.э.в= ∆t₁+∆t₂+∆t₃+t_в, (3.5)

где ∆t₁-температурный перепад между нагревателем и внутренней поверхностью трубы, ^оС;

∆t₂- перепад температуры в трубе, ^оС;

∆t₃- перепад температуры между наружной поверхностью трубы и воздухом в парнике, ^оС.

Величины ∆t₁ и ∆t₃ как функции линейной мощности Р₁ и диаметров проволоки d и трубы D определяют по кривым рисунков 3.4 и 3.5.

Перепад температур в трубе

, (3.6)

где λ – теплопроводность материала трубы, Вт/(м ^оС);

D_н и D_в – соответственно наружный и внутренний диаметры трубы, м.

Для асбоцементных труб диаметром 0,05…0,1 м с учетом значений λ, D_ни D_в можно принять ∆t₂ = 0,06 P₁.

Для нагревателя почвы

t_{н.э.поч.}= ∆t₁+ ∆t₂+ ∆t_пес+ ∆t_поч+t_поч , (3.7)

где ∆t₁ – температурный перепад между нагревателем и внутренней поверхностью трубы, ^оС; (то же, что и для нагревательного элемента воздуха); ∆t_пес – температурный перепад в слое песка, ^оС:

, (3.8)

где ∆t_поч – температурный перепад в слое почвы, ^оС:

∆t_поч ≈1,1· h₂ · P₁, (3.9)

где h₁ и h₂ – толщина слоя соответственно песка и почвы, м (см. рисунок 3. 6);

t_поч – температура поверхности почвы, ^оС.

1 – d=2 мм; 2 – d=3 мм; 3 – d=4 мм.

Рисунок 3.4– Зависимость перепада температуры между нагревательной проволокой и внутренней поверхностью асбоцементной трубы ∆ t₁от линейной мощности Р₁

1 – D=70 мм; 2 – D=100 мм; 3 – D=130 мм.

Рисунок 3.5– Зависимость перепада температуры между наружной поверхностью асбоцементной трубы и воздухом ∆t₂от линейной мощности Р₁

1 – почва;

2 – песок;

3 – изоляционная труба

Рисунок 3.6 – Схема расположения нагревательного элемента почвы

Уравнение t_н.э. = φ(d), получаемое из выражения для электрического сопротивления стальной проволоки длиной 1м, диаметром d при рабочей температуре t_н.э., характеризует зависимость температуры проволоки от диаметра, мощности и напряжения.

При ρ₂₀ = 0,13 10^-6Ом м, α_R= 0,0045^оС^-1 и Cosφ=0,93,

, (3.10)

где U₁ = U/ℓ_н.э.– напряжение проволоки длиной 1м, В/м;

d – диаметр проволоки, м;

k_R – отношение сопротивления стальной проволоки переменному току к сопротив-лению стальной проволоки постоянному току при той же температуре (k_R=1+0,0176d^2,2);

P₁=P_н.э./ ℓ_н.э. – мощность проволоки длиной 1м, Вт/м.

Причем U – напряжение, подводимое к нагревательному элементу, В;

ℓ_н.э.–длина нагревательного элемента, м;

P_н.э. – мощность нагревательного элемента, Вт.

Путем совместного графического решения уравнений t_н.э.=f(d) и t_н.э.=φ(d) опреде-ляют диаметр и температуру стальной проволоки, которая не должна превышать 300^оС.

3.4 Расчет устройств электрообогрева теплицы площадью 384 м² для выращивания огурцов в условиях Алматинской области

Исходные данные. Определить диаметр стальной оцинкованной проволоки и мощность, необходимую для обогрева квартала из 12 двадцатирамных парников. Стальная проволока для обогрева почвы и воздуха расположена в асбоцементных трубах диаметром 0,1м. Напряжение сети 380/220В. Температура воздуха в парнике 18+m+0,5n^оС, расчетная температура наружного воздуха - 15+0,3n^оС, скорость ветра 2,5+m+0,7n м/с (Алматинская область, апрель).

При скорости ветра 2,5м/с коэффициент теплопередачи через остекле-ние по графику на рисунке 3 равен k = 5Вт/(м^2оС).

Площадь остекления двадцатирамного парника (рамы размером 1,06·1,6м, коэффициент остекления 0,95) равна F=20 · 1,06 · 1,6· 0,95м²= 32м².

Решение варианта m =n =0.

1. Мощность, необходимая для обогрева почвы и воздуха одного парника по формуле (3.8):

P¢ = kF(t_в-t_н)10^-3 = 5·32·10^-3[18-(-15)] кВт = 5,28 кВт=5,3 кВт. (3.11)

Для ранних парников соотношение P_п/P_в принимаем равным 1:1. Тогда:

. (3.12)

2. Мощность проволоки длиной 1м, если длина нагревательного элемента почвы и воздуха в одном парнике составляет 2· 21,5 = 43 м:

. (3.13)

Напряжение нагревательного элемента длиной 1м при последова-тельном соединении четырех парников (12:3=4, т.е. на каждую фазу соединены нагревательные элементы четырех парников):

. (3.14)

Для построения кривых t_н.э.в=¦₁(d) и t_н.э.п.= ¦₂(d) находим значения составляющих правой части уравнений (3.2) и (3.4): ∆t₁ и ∆t₃ – по кривым рисунков 4 и 5 для P₁ = 61,6 Вт/м, трех значений диаметров проволоки (2; 2,5 и 3 мм) и диаметра трубы 100 мм;

Результаты расчетов заносим в таблицу 3.1

Таблица 3.1– К расчету электрообогрева парников

d, мм	∆t₁, ^oC	∆t₂,^oC	∆t₃, ^oC	∆t_пес,^oC	∆t_поч, ^oC	t_в, ^oC	t_н.э.в, ^oC	t_поч, ^oC	T_н.э.поч, ^oC
2	216	3,7	19	29,0	13,5	18	256,7	18	280,2
2,5	20,2	3,7	19	29,0	13,5	18	242,7	18	266,2
3	182	3,7	19	29,0	13,5	18	222,7	18	246,2

∆t₂ = 0,06P₁ = 0,06· 61,6^oC = 3,7^oC.

3. Определяем температурный перепад в слое песка согласно выражению (5) при h₁ = 0,125 м:

(3.15)

Температурный перепад в слое почвы, ^oC, при h₂ = 0,2 м:

∆t_поч = 1,1· h₂ · P₁ = 1,1· 0,2· 61,6 = 13,5^oC. (3.16)

Значения коэффициента k_R для тех же значений диаметров проволоки таковы:

d = 2 мм k_R = 1+0,0176· 2^2,2 = 1+0,08 = 1,08;

d = 2,5 мм k_R = 1+0,0176· 2,5^2,2 = 1+0,14 = 1,14; (3.17)

d = 3 мм k_R = 1+0,0176· 3^2,2 = 1+0,2 = 1,2.

Для построения кривых t_н.э. = φ(d) вычисляем по формуле (3.10) значения t_н.э. для диаметров проволоки 2; 2,5; 3 мм:

d=2 мм:

;

d=2,5 мм

;

d=3 мм

1 - t_н.э. = φ(d); 2 - t_н.э.поч = ¦₂(d);

3 - t_н.э.в = ¦₁(d).

Рисунок 3.7 – Графическое решение уравнений

t = f(d) и t = φ(d) для стальной проволоки

при электрообогреве парников

Пересечение кривых t_н.э.в = ¦₁(d), t_н.э.поч = ¦₂(d) и t_н.э. = φ(d) (см. рисунок 3.7) дает значения диаметра проволоки нагревателя воздуха d = 2,3 мм и почвы d = 2,35мм и температуры соответственно t_н.э.в = 250^oC и t_н.э.поч = 270^oC.

Допустимая температура для стальной проволоки t_доп. = 300^oC, т.е. тем-пература нагревателей из стальной проволоки допустима.

Установленная мощность квартала из 12 двадцатирамных парников

P_кв = P¢ · n = 5,3· 12 кВт = 63,6 кВт, (3.18)

где n=12 – число парников в квартале

4. Уточняем удельную установленную мощность обогрева

. (3.19)

Расчет значительно упрощается, если использовать опытные кривые d = f(U₁, P₁) и t = φ(U₁, P₁), приведенные на рисунке 3.8.

Для U₁ = 2,2 В/м и P₁ = 61,6 Вт/м по кривым находим d = 2,2 мм и t = 250^оС.

Нагревательные элементы из голой стальной проволоки при пониженном напряжении питания рассчитывают при помощи опытных кривых U₁ = f(I) (см. рисунок 3.9) в такой последовательности.

Зная длину парника или теплицы и напряжения питания, определяют напряжение U₁ проволоки длиной 1м и по нему при помощи опытных кривых (см. рисунок 3.9) находят значение силы тока для выбранного диаметра стальной проволоки (4…6 мм). Разделив затем значение общего тока нагревателей на значение силы тока одной проволоки находят число параллельных проволок.

Рисунок 3.8 – Зависимость диаметра и температуры стальной проволоки

от линейного напряжения (на 1м длины) и линейной мощности при электрообогреве парников

1 – d = 4мм;

2 – d = 5мм;

3 – d = 6мм.

Рисунок 3.9 – Зависимость потери напряжения на 1м стальной проволоки от силы тока

5. Определить число параллельных нагревателей при обогреве парников стальной проволокой диаметром 5+0,4nмм и питании комплектной понизительной трансформаторной подстанции типа КТП-06-63 напряжением 380/49…12 В.

Для удобства монтажа нагревателей примем удлиненные парники (80 рам в парнике). Тогда квартал будет состоять из трех восьмидесяти-рамных парников (12х20 = 240 или 3х80 = 240 рам).

6. Определяем мощность одного парника:

P¢ = 5,3· 4кВт = 21,2 кВт.

При напряжении питания 49В общий ток нагревателей:

. (3.20)

При длине восьмидесятирамного парника 1,06· 80 = 85 м напряжение на провод длиной 1м

. (3.21)

По кривым, приведенным на рисунке 3.9, для U₁ = 0,58 В/м и диаметра прово-локи 5 мм находим I₁ = 41А.

7. Определяем число параллельных проволок в парнике

. (3.22)

Принимаем 12 параллельных проволок, из которых шесть прокла-дывают в почве, а шесть – на стенках парника для обогрева воздуха.

Следует помнить, что при обогреве голой стальной проволокой, проложенной в почве, теплота выделяется в проволоке и в почве. Проводимость почвы зависит от ее влажности, температуры и наличия в ней солей. Это затрудняет расчет нагревательных элементов и регулирование температурного режима. В приведенном примере проводимость почвы не учитывали. Для уменьшения силы тока, проходящего через почву, и повышения срока службы нагревателей их необходимо перед укладкой покрывать нитрокраской.

Для расчета электрообогрева парников и теплиц нагревательными проводами марок ПОСХВ и ПОСХП пользуются графиками, приведенными на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 – Номограмма для расчета электрообогрева почвы в парниках и теплицах нагревательным проводом

Расчет выполняют в такой последовательности.

Задавшись температурой окружающей среды, определяют допустимый перегрев ∆t = t_доп – t_окр оболочки провода и отмечают это значение на кривой ∆t. Из этой точки проводят вертикальную линию и в точках ее пересечения с кривыми U₁, P₁ и осью абсцисс определяют напряжение, мощность провода длиной 1м и силу тока. Разделив напряжение сети на U₁, находят требуемую длину отрезка провода. Умножая P₁ на длину отрезка провода, вычисляют мощность одного нагревателя. Нужное число нагревателей определяют, разделив общую мощность, необходимую для обогрева парника или теплицы, на мощность одного нагревателя.

8. Для условий пункта 5 определить длину и число нагревателей, выполненных из провода ПОСХВ, для одного двадцатирамного парника.

9. Приняв температуру почвы t_п = 20+m+0,5n^оС, определяем предельно допустимый перегрев провода ПОСХВ

∆t = t_доп- t_поч = 70 - 20^оС = 50^оС. (3.23)

Для повышения надежности и долговечности нагревателей уменьшим предельно допустимый перегрев провода ПОСХВ на 10^оС и расчет будем вести для ∆t = 40^оС.

По графику рисунка 10 для ∆t =40^оС сила тока нагревателя I_н = 8А, напряжение и мощность провода длиной 1 м U₁ = 1,41 В/м и Р₁ = 11,2 Вт/м.

Необходимая длина отрезка провода

10. Определяем мощность одного нагревательного элемента:

Р_н.э = Р₁ · ℓ =11,2 · 156 Вт = 1747 Вт. (3.24)

11. Уточняем число нагревателей для одного парника:

. (3.25)

Принимаем три нагревателя.

12. Схему укладки нагревательного провода представляем согласно выполненным расчетам.

Список литературы

1. Карасенко В.А., Е.М.Заяц, А.Н.Баран, В.С.Корко. Электротехнология. – М.: Колос, 1992. – 304с.

2. Басов А.М., Быков В.Г., Лаптев А.В., В.Б. Файн. Электротехнология. – М.: Агропромиздат, 1985. – 256 с.

3. Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. – М.: Агропромиздат, 1989. – 175 с.

4. Лысаков А.А. Электротехнология. – Ставрополь, 2010. – 30с.

5. Дунаев С.А. Способы интенсификации технологических процессов в мясной отрасли. – Кемерово, 2006. - 64с.

Сводный план 2012 г., поз. 13