Проектирование сушки тягового электродвигателя

Проектирование сушки тягового электродвигателя

Исходные данные:

Назначение тягового электродвигателя - элкетровоз;

Одновременное количество якорей и остовов, подлежащих сушке - Я и О;

Температура сушки - tвн = 110 ºС;

Температура окружающего пространства - tнар = 18 ºС;

Температура наружных стенок установки - t2 = 35 ºС;

Скорость воздуха в калорифере - V = 7 м/с;

Тип нагревательных элементов - ТЭН;

Напряжение питания калорифера - U = 220 В;

Количество ступеней мощности калорифера - 3;

Материал теплоизоляции установки - Кирпич диамитовый 500;

Защиту установки от перегрузки и токов короткого замыкания производить - автоматическим выключателем;

Производительность вентилятора - L = 3600 м3/ч;

ТЭД - ДК-259г;п

Высота остова - hост = 1086 мм;

Диаметр остова - dост = 1208 мм;

Высота якоря - hя = 385 мм;

Диаметр якоря - dя = 660 мм;

Масса тягового электродвигателя - mд = 4350 кг.

1. Определение габаритов установки для сушки ТЭД

Количество тепла, кДж, требуемого для нагревания заданного количества воздуха,

,

где с - средняя удельная теплоемкость воздуха, ; согласно [1] принимаем с = 1,3 ;- производительность вентилятора, м3/с; согласно заданию L = 1 м3/с;

tк - температура, до которой необходимо нагреть воздух, ºС; согласно заданию tк = 110 ºС;

tн - первоначальная температура воздуха, ºС (температура цеха); согласно заданию tн = 18 ºС.

кДж.

Предварительная мощность электрического нагревателя, кВт

,

где 1,3 - коэффициент запаса, учитывающий неучтенные потери тепла через стенки печи и калорифера;- время, с; согласно [1] t = 1 с.

кВт.

Мощность одного калорифера, кВт

,

где n - количество принятых калориферов; n = 3.

кВт.

Мощность одной фазы калорифера, кВт

,

кВт.

По каталогу выбираем ТЭН-60Б13/1К220.

Основные размеры выбранного ТЭНа представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Трубчатый электрический нагреватель

Основные характеристики выбранного ТЭНа:

Номинальный ток: Iн = 4,55 А;

Номинальное напряжение: Uн = 220 В;

Номинальное сопротивление: Rн = 48,4 Ом;

Номинальная мощность: Pн = 1 кВт;

Допустимая удельная поверхностная мощность: Wдоп = 5,2 Вт/см2;

Активная длина: lа = 470 мм;

Диаметр: d = 13 мм;

Масса: m = 0,31 кг.

Живое сечение калорифера, м2

,

где Vв - скорость воздуха, м/с; Vв = 7 м/с;

м2.

Минимальная допустимая поверхность нагревателей, см2

,

см2.

Активная площадь нагревателя Fакт, см2

,

см2.

Число необходимых нагревателей

,

.

Расстояние между ТЭНами, м

,

где b - длина калорифера, м; b = la = 0 м;

м.

Ширина калорифера, м

,

м.

2. Расчет расхода тепла на нагревание изделия и тепловые потери печи

.1 Определение размеров печи и калорифера

В проектировании печи производится сушка одного остова и одного якоря электродвигателя электровоза одновременно, которые имеют следующие размеры:

высота остова hост = 1086 мм;

диаметр остова dост = 1208 мм;

высота якоря hя = 385 мм;

диаметр якоря dя = 660 мм;

масса тягового электродвигателя m = 4350 кг.

Так как одновременно в печи подвергаться сушке будут одновременно один остов и один якорь, то расчет тележки будем выполнять по остову, а высоту печи - по якорю. Определение внутренних размеров печи приведено на рисунке 2.

Длина тележки lтел, мм

,

где lм - расстояние между остовами, мм; принимаем lм = 100 мм;к - расстояние от остова до края тележки, мм; lк = 20 мм.

мм.

Ширина тележки bтел, мм

,

мм.

Высота тележки hтел, мм

,

где dк - диаметр колеса тележки, мм; принимаем dк = 200 мм;- основание тележки, мм; l = 100 мм.

мм.

Высота печи hпечи, м

,

где hв.т. - расстояние от верхней точки якоря до потолка печи, мм; hв.т. = 400 мм.

м.

Длина печи lпечи, м

,

где lc - расстояние от крайней точки тележки до стенки печи, мм; lс = 300 мм.

м.

Ширина печи bпечи, м

,

где b3 - расстояние от крайней точки тележки до стенки печи, мм; b3 = 300 мм.

м.

Определим толщины стенок, пола и потолка печи.

Для этого определим удельный тепловой поток через каждые из выше перечисленных элементов печи, приходящийся на 1 м2 этих элементов (стенки, пол и потолок), при этом предварительно задаемся толщиной стенок печи δ = 0,1 м,

,

где tвн - температура внутри печи, ºC; tвн = 110 ºC;нар - температура снаружи печи, ºC; tнар = 18 ºC;

δ - толщина стенок печи, м;

λ - коэффициент теплопроводности материала потолка печи, Вт/(м·ºC);

αвн - коэффициент теплоотдачи температуры в печи, Вт/(м2·ºC);

αнар - коэффициент теплоотдачи температуры снаружи печи, Вт/(м2·ºC).

Коэффициент теплопроводности материала λ общий для стенок, потолка и пола печи, зависит от средней температуры и материала кладки печи

,

где t1 - температура стенки внутри печи, ºC

,

ºC;- температура наружной стенки печи, ºC; t2 = 35 ºC.

ºC.

Тогда при найденной температуре tср = 70 ºC и материале изоляции печи новоасбозурит, коэффициент теплопроводности материала λ будет вычисляться по формуле

,

Вт/(м·ºС).

Коэффициент теплоотдачи температуры в печи и снаружи ее вычисляем по следующим формулам.

Для потолка печи

,

Вт/(м2·ºС);

,

Вт/(м2·ºС).

Для пола печи

,

Вт/(м2·ºС);

,

Вт/(м2·ºС).

Для стен печи

,

Вт/(м2·ºС);

,

Вт/(м2·ºС).

Так как в формуле удельного теплового потока через стенки печи q0 два неизвестных, а именно само q0 и d, то это уравнение решается путем последовательного подбора одной из переменных (в нашем случае подбирать будем d).

Зададимся следующими d для потолка, пола и стенок соответственно:

dпотолка = 0,175 м;

dпола = 0,34 м;

dстенок = 0,151 м.

Толщина стенок калорифера  = 1…3 мм. Принимаем  = 0,003 м.

Тогда, подставив в уравнение удельного теплового потока q0 соответствующие толщины и найденные выше значения aнар, aвн, получим:

Вт/м2;

Вт/м2;

Вт/м2.

Для правильности определения d и q0 необходимо провести проверку

,

где tнар - температура воздуха электромашинного отделения, ºС; tнар = 18 ºС;

αнар - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки печи к окружающему воздуху, Вт/(м2·ºС).

Температура наружных стенок установки t2 = 35 ºС. Тогда для потолка

ºС.

Для пола

ºС.

Для стенок

ºС.

Высота калорифера hкал, м

,

где c - расстояние между трубами калорифера, м; c = 0,0169 м;

d - диаметр ТЭНа, м; d = !Синтаксическая ошибка, # м.

м.

.2 Определение полных потерь тепла через стенки печи

Полные потери тепла через стенки печи, Дж, для однородной кладки

,

где Fвн - площадь внутренней поверхности печи, м2;нар - площадь наружной поверхности печи, м2;

Fср - площадь среднего слоя поверхности печи, м2.

Площадь внутренней поверхности печи Fвн, м2, для потолка

,

м2;

Так как , то Fср, м2, для потолка будет равна

м2.

Для пола печи

,

м2;

,

м2.

Так как , то Fср, м2, для пола будет равна

м2.

Для боковых стенок печи

,

м2;

,

м2.

Так как , то Fср, м2, для боковых стенок будет равна

м2.

Для стенок калорифера

,

м2;

,

м2.

Так как , то Fср, м2, для стенок калорифера будет равна

м2.

Тогда полные потери тепла потолка печи будут равны:

Дж.

Полные потери тепла пола печи

Дж.

Полные потери тепла стенок калорифера

Дж.

Полные потери тепла стенок печи

Дж.

Полные потери тепла печи, Дж

,

Дж.

.3 Уточнение размеров и мощности калориферов

Уточненная мощность нагревателя Pу, кВт

,

кВт.

Уточненная мощность одного калорифера Pку, кВт

,

кВт.

Уточненная мощность одной фазы калорифера Pфу, кВт

,

кВт.

Количество ТЭНов на фазу в калорифере nт

,

.

Расстояние между ТЭНами, м

,

м.

Ширина калорифера, м

,

м.

3. Аэродинамический расчет печи

Диаметр воздухопровода d, м

,

где L - производительность вентилятора, м3/с; L = 1,000 м3/с;- скорость воздуха, м/с; [1] V = 2…10 м/с; принимаем V = 9 м/с.

м.

Принимаем воздухопровод круглого сечения с внутренним размером d = 0,355 м [2, таблица 8].

Потеря давления, Па, на каждом участке воздухопровода определяется по формуле:

,

где l - длина соответствующего участка воздухопровода, м;

l - коэффициент сопротивления трения; [3, стр 16] принимаем l = 0,02;- диаметр воздухопровода, м;

x - коэффициент местного сопротивления;

r - плотность воздуха, кг/м3; принимаем r = 1,2 кг/м3;- скорость воздуха, м/с.

Эскиз печи с изображением на ней основных длин участков воздухопровода изображаем на рисунке 3. Для предварительных расчетов принимаем размеры вентилятора типа Ц4-70 [3, стр. 183].

Падение давления в калорифере определяются отдельно, в зависимости от скорости воздуха V в нем и плотности этого воздуха r.

Рассмотрим определение коэффициентов местного сопротивления на участках, а также длины этих участков.

Участок 1:

Длина участка l, м

м.

Коэффициент местного сопротивления на входе в трубу [3, стр. 19] принимаем ζ = 1.

Диаметр участка, м: d1 = 0,355 м.

Участок 2:

м.

Коэффициент местного сопротивления на удар при внезапном расширении потока [1, стр. 18]

,

где  м2;  м2. Тогда

.

Диаметр участка, м

,

м.

Участок 3 - калорифер:

м.

Для калорифера потери давления, Па, определяем из таблицы 1-24 [3, стр. 42]. При  кг/(м2·с) для гладкотрубчатого трехрядного калорифера принимаем P = 66 Па.

Участок 4:

м.

Коэффициент местного сопротивления на удар при расширении потока [1, стр. 18]

.

Коэффициент местного сопротивления в зависимости от угла поворота α принимаем из таблицы 1-15 [1, стр. 34]. При α = 90º принимаем ζ2 = 1,2.

Диаметр участка, м

м.

Участок 5:

м.

Коэффициент местного сопротивления на входе в трубу [3, стр. 19]

.

Коэффициент местного сопротивления в колене с округленными кромками можно определить по формуле [3, стр. 36]

,

где а - коэффициент, который принимается из таблицы 1-18 [3] в зависимости от угла поворота α; при α = 90º принимаем а = 1;

б - коэффициент, который принимается из таблицы 1-19 [3] в зависимости от относительного радиуса закругления r/b, d (радиус закругления берется по осевой линии); при  м и d = 0,355 м, т.е.  принимаем б = 0,7;

в - коэффициент, который принимается из таблицы 1-20 [3] в зависимости от вытянутости поперечного сечения h/b, d (для круглого отвода h = d = 0,355 м, h/d = 1); при h/d = 1 принимаем в = 1.

;

;

Коэффициент местного сопротивления на удар при расширении потока [1, стр. 18]= 0,099 м2;

м2.

.

Диаметр участка, м: d5 = 0,355 м.

Участок 6 - вентилятор:

м.

При α = 90º принимаем ζ1 = 1,2; ζ2 = 1,2.

Эквивалентный диаметр, м

м.

Участок 7:

м;

;

м.

Участок 8:

м;

;

м.

Участок 9:

м;

;

м.

Расчет потерей давления при открытой циркуляции воздуха сведем в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 - Расчет потерь давления при открытой циркуляции

Расчет падения давления при закрытой циркуляции воздуха представлен в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Расчет потерь давления при закрытой циркуляции

Сравнив падения давления при открытом и закрытом режиме работы печи, делаем вывод, что наибольшее падение давления Рmах, Па, происходит при открытом режиме работы: Рmах = 962,2 Па.

4. Выбор мощности электродвигателей

.1 Выбор вентилятора для печи

При следующих исходных и вычисленных величинах: L = 3600 м3/ч, Рmax = 962,2 Па, выбираем вентилятор Ц4-70 № 3,2 [3, стр.185], у которого: в = 0,81; Н = 1300 Па;  = 300 рад/с; nв = 2865 об/мин.

Критерий быстроходности для стандартных частот вращения для непосредственного соединения вентилятора с электродвигателем рассчитывается по формуле [3, стр. 111]

,

< 100.

.2 Выбор двигателя вентилятора для печи

Электродвигатель вентилятора работает в длительном режиме. Мощность электродвигателя определяется по формуле [4, стр. 157]:

,

где kзап  - коэффициент запаса; [4, стр. 157] kзап = 1,1…1,6; принимаем kзап = 1,2;- производительность вентилятора, м3/с; L = 1,000 м3/с;

H - полный напор, Па;

hв - КПД вентилятора;

hп - КПД передачи; принимаем для непосредственного соединения вентилятора с электродвигателем hп = 1.

кВт.

По найденной мощности электродвигателя скорости вращения вентилятора по [2, таблица 10] выбираем электродвигатель мощностью P = 2,2 кВт, cosφ = 0,87, скоростью вращения n = 2860 об/мин, KI = 6.

.3 Выбор мощности электродвигателя для привода тележки печи

Электродвигатель привода технологической тележки печи работает в кратковременном режиме.

Статическая мощность электродвигателя для передвижения тележки, кВт, определяется по формуле

,

где K1 - коэффициент, учитывающий трение ребер ходового колеса о рельсы; для конического обода принимаем K1 = 1,2;- сила тяжести перемещаемого груза, Н;;

G1 - сила тяжести тележки, Н;

μ - коэффициент трения скольжения; для роликоподшипников μ = 0,015;

r - радиус шейки вала колёс, м; принимаем r = 0,05 м;

f - коэффициент трения качения; f = 0,01…0,05; принимаем f = 0,03;

Vт - скорость перемещения тележки, м/с; Vт = 0,15…0,25 м/с; принимаем Vт = 0,15 м/с;

Rхк - радиус ходового колеса, м; Rхк = dк = 0 м;

η - КПД механизма перемещения; принимаем η = 0,94.

Так как в печи может сушится сразу 4 якоря или 4 остова, то сила тяжести перемещаемого груза будет определяться исходя из этого условия

,

где ni - количество перемещаемых единиц груза;

mгр - масса перемещаемого груза, кг;

Н;

,

где mтел - масса тележки, кг; mтел = 200…300 кг; принимаем mтел = 250 кг.

Н;

Расчётная мощность электродвигателя, кВт

,

где Км1 - коэффициент допустимой механической перегрузки; Км1 = 1,6…2,0; принимаем Км1 = 1,8.

кВт.

Принимаем из каталога [2, таблица 10] электродвигатель ближайшей большей мощности с параметрами: Pн = 0,4 кВт; nн = 910 об/мин; Кп = 1,8; Км = 2; cosφ = 0,65; KI = 4,5.

Номинальный момент выбранного двигателя, Н·м

Ошибка! Закладка не определена.,

где Рн - номинальная мощность выбранного электродвигателя, кВт;н - номинальная скорость вращения выбранного электродвигателя, об/мин.

Ошибка! Закладка не определена. Н·м.

Максимальный момент выбранного электродвигателя с учётом возможного снижения напряжения, Н·м

,

где Км - кратность максимального момента.

Н·м.

Пусковой момент выбранного электродвигателя, Н·м

,

где Кп - кратность пускового момента.

Н·м.

Момент сопротивления механизма передвижения тележки, Н·м

Ошибка! Закладка не определена.,

где Рст - статическая мощность для привода тележки, кВт;с - скорость вращения механизма, об/мин; nс = 720 об/мин.

Ошибка! Закладка не определена. Н·м.

Выполняем проверку:

,

;

,

.

Выбранный электродвигатель удовлетворяет условиям проверки, значит электродвигатель выбран верно.

4.4 Выбор электродвигателя привода двери печи

Электродвигатель привода двери также работает в кратковременном режиме.

Статическая мощность электродвигателя подъёма двери определяется по формуле, кВт

,

где G - сила тяжести поднимаемой двери, Н; G = 2000 Н;

Vп.гр. - скорость подъёма груза, м/с; принимаем Vп.гр. = 0,25 м/с;

η - КПД механизма подъёма; [4, стр. 35] принимаем η = 0,55.

кВт.

Расчётная мощность электродвигателя, кВт

кВт.

Принимаем из каталога [2, таблица 10] электродвигатель ближайшей большей мощности с параметрами: Pн = 0,8 кВт; nн = 930 об/мин; Кп = 2; Км = 2,2; cosφ = 0,74; KI = 4.

Номинальный момент выбранного двигателя, Н·м

Ошибка! Закладка не определена. Н·м.

Максимальный момент выбранного электродвигателя с учётом возможного снижения напряжения, Н·м

Н·м.

Пусковой момент выбранного электродвигателя, Н·м

Н·м.

Скорость вращения механизма, об/мин, принимаем nс = 910 об/мин. Тогда момент сопротивления механизма передвижения тележки, Н·м

Ошибка! Закладка не определена. Н·м.

Выполняем проверку:

,

;

,

.

Выбранный электродвигатель удовлетворяет условиям проверки, значит электродвигатель выбран верно.

5. Разработка электрической принципиальной схемы печи для сушки

электродвигателей

При составлении принципиальной электрической схемы печи необходимо учесть следующие требования и ограничения:

а) электрическая схема должна обеспечивать возможность ступенчатого автоматического и ручного регулирования температуры в печи;

б) вентилятор печи должен включаться только при закрытых дверях печи;

в) электрические калориферы могут быть включены в сеть только после включения вентилятора, чтобы не пережечь нагревательные элементы в отсутствии потока воздуха в калорифере;

г) перемещение тележки в печь и из печи должно быть возможным только в случае нахождения двери печи в крайнем верхнем положении (дверь полностью открыта);

д) подъем и опускание двери печи возможны только при нахождении тележки в двух крайних положениях: в печи и полностью выведенной из печи;

е) при достижении тележкой двух крайних положений электродвигатель тележки должен автоматически отключаться от сети;

ж) электродвигатели вентилятора, тележки и двери должны быть снабжены защитой от токов короткого замыкания и перегрузки;

з) электродвигатели тележки и двери должны быть снабжены реверсивными пускателями;

и) нагревательные элементы электрокалорифера должны быть обеспечены защитой от токов короткого замыкания;

к) должна быть обеспечена световая сигнализация о наличии напряжения в трехфазной сети;

л) должна быть предусмотрена возможность перехода с автоматического регулирования температуры в печи на ручное регулирование.

Требование п.п. а) может обеспечиваться переключением нагревателей со звезды на треугольник и выключением части секций калорифера. Автоматизация процесса нагрева обеспечивается введением в электрическую схему регуляторов температуры.

Требования п.п. а), г), д), е) обеспечивается введением в электрическую схему конечных выключателей.

Требование п.п. б) обеспечивается вспомогательными контактами магнитного пускателя электродвигателя вентилятора.

сушка электродвигатель печь мощность

6. Выбор элементов силовой электрической схемы (аппаратов,

проводов)

.1 Выбор элементов силовой цепи для двигателя вентилятора

Двигатель вентилятора работает более 5000 часов в год, поэтому расчет будем вести как для длительного. В этом случае кабель выбираем по экономическому сечению токоведущей жилы и нагревательному действию тока

,

А.

По нагревательному действию тока выбираем провод марки СРГ с сечением токоведущей жилы 0,5 мм2 и токовой нагрузкой 10 А.

По экономической плотности тока площадь сечения, мм2

,

где jэк - экономическая плотность тока, А/мм2; принимаем jэк = 2 А/мм2.

мм2.

Принимаем провод марки СРГ [2, таблица 20] сечением 4 мм2 и токовой нагрузкой 24 А.

Пусковой ток двигателя, А

,

где KI - кратность пускового тока; KI = 6.

А.

Номинальный ток электромагнитного расцепителя выбирается по длительному расчетному току линии

,

Ток срабатывания (отсечки) электромагнитного расцепителя проверяется по максимальному кратковременному пиковому току линии

,

где K - коэффициент, зависящий от типа выключателя; K = 1,25…1,4; принимаем K = 1,3;пик - пиковый ток линии, А

.

Для цепи двигателя вентилятора

А.

Принимаем автомат типа А3110 номинальным током расцепителя Iн = 100 А [2, таблица 11].

.2 Выбор элементов силовой цепи для двигателя перемещения

тележки

Номинальный ток двигателя, А

,

А.

Пусковой ток двигателя, А

,

где KI - кратность пускового тока; KI = 4,5.

А.

Выбираем провод по нагревательному действию тока, т. к. двигатель работает менее 5000 часов в год.

Принимаем провод марки СРГ [2, таблица 20] с сечением токоведущей жилы 0,5 мм2 и токовой нагрузкой 10 А.

Выполним выбор автоматических выключателей

,

,

.

Для цепи двигателя перемещения тележки

А.

Принимаем автомат типа А3160 номинальным током расцепителя Iн = 15 А [2, таблица 11].

.3 Выбор элементов силовой цепи для двигателя поднятия двери

Выбираем провод по нагревательному действию тока, т. к. двигатель работает менее 5000 часов в год.

Номинальный ток двигателя, А

,

А.

Пусковой ток двигателя, А

,

где KI - кратность пускового тока; KI = 4.

А.

Принимаем провод марки СРГ [2, таблица 20] с сечением токоведущей жилы 1,5 мм2 и токовой нагрузкой 15 А.

Выполним выбор автоматических выключателей

,

,

.

Для цепи двигателя перемещения тележки

А.

Принимаем автомат типа А3160 номинальным током расцепителя Iн = 20 А [2, таблица 11].

.4 Выбор элементов силовой цепи для схемы калорифера

Кабель выбираем по экономическому сечению токоведущей жилы и нагревательному действию тока.

Номинальный ток двигателя, А

,

А.

По нагревательному действию тока соответствует кабель марки СРГ с сечением токоведущей жилы 50 мм2 и токовой нагрузки 135 А.

Экономическое сечение кабеля

,

мм2.

По нагревательному действию тока принимаем кабель СРГ с сечением токоведущей жилы 70 мм2 и токовой нагрузки 155 А.

.5 Выбор ограничивающего резистора и ламп цепи сигнализации

Предусматриваем лампочки для сигнализации о наличии напряжения в трехфазной цепи. Выбираем лампы со следующими параметрами: Uл = 26 В, Iл = 0,12 А. Для подключения этих ламп в трехфазную сеть необходимо предусмотреть ограничивающие резисторы. Номинальную величину ограничивающего резистора рассчитаем по формуле

,

где Umax - максимальное напряжение в сети, В; принимаем Umax = 240 В.

Ом.

Для увеличения срока службы лампы нужно снизить на ней напряжение, увеличив ограничивающее сопротивление резистора. Выбираем резистор ПЭВ-35: Rp = 1800 Ом, Iн = 35 А.