Лабораторная работа 15. Изучение и исследование электрических нагревателей воды

1. Цель работы: изучить конструкцию, принцип действия, правила монтажа и эксплуатации электрических водонагревателей. Определить коэффициент полезного действия электродного водонагре­вателя.

Задание

2.1. к самостоятельной работе:

- ознакомиться и дать краткое описание принципа действия элек­трических водонагревателей элементного и электродного типов [ 1, 2, 11, 13,14,15];

- описать способы регулирования мощности электродного водона­гревателя;

- указать основные правила монтажа и техники безопасности при эксплуатации электрических водонагревателей [ 1, 8, 9, 13];

- вычертить принципиальную схему (рис. 15.8), таблицу и выпи­сать расчетные формулы 15.1... 15.4;

- подготовить устные ответы на контрольные вопросы.

2.2. к работе в лаборатории:

- изучить устройство, электрическую схему и правила эксплуатации электрических водонагревателей ЭВ-150, ЭВ-Ф-15, САОС и САЗС;

- изучить конструкции и расшифровку условных обозначений трубчатых электрических нагревателей (ТЭН);

- изучить устройство, электрическую схему и правила эксплуатации электродного котла ЭП3-100-И3;

- собрать монтажную схему и провести испытания электродного водонагревателя;

- построить график зависимости Р= ¦(t);

- записать выводы по результатам исследования электродного во­донагревателя.

 

Бщие сведения

При изучении электрических водонагревателей обратите внимание на то, что подогретая вода необходима для поения животных, приго­товления кормов, подмывания вымени коров, промывки молокопроводов, полива растений в парниках и теплицах. Наибольшее распростра­нение получилиэлементные нагреватели, которые могут использовать­ся для нагрева не только воды, но и воздуха, почвы и других сред. Их принцип действия основан на выделении тепла при протекании элек­трического тока по металлическому или неметаллическому проводнику, либо по полупроводниковой пленке. В практике наиболее распростра­нены трубчатые электрические нагреватели (ТЭН). Нагревательная спираль помещена в тонкостенную металлическую трубку и изолиро­вана от нее наполнителем, который хорошо проводит тепло (рис. 15.1).

Концы трубки герметически закрыты. В трехфазных водонагрева­телях ТЭНы включаются в сеть звездой или треугольником в зави­симости от их номинального напряжения и линейного напряжения се­ти. Срок службы их составляет 10000 ч. Достоинства ТЭНов - универ­сальность, удобство монтажа, безопасность обслуживания. Недостаток - выход их строя спирали при включении нагревателя без воды.

 

Рис. 15.1. Схема устройства трубчатого нагревателя:

1 - выводы спирали; 2 - изоляторы; 3 - спираль из нихрома; 4 - наполнитель; 5 - трубка

Конструкции и расшифровка условных обозначений ТЭНов пред­ставлены на стенде " Электронагревательные приборы".

Изучая типы элементных водонагревателей, обратите внимание на то, что они могут быть периодического действия, или аккумулирующие (типа УАП, ЭВ, САОС, САЗС), непрерывного действия или проточ­ные (ВЭП, ЭВП, ЭВ-Ф). У первых большой объем бака (от 100 до 1600 л) и нагревают они воду в течение 4-5 ч, т.к. их мощность срав­нительно невелика. При достижении заданной температуры воды на­греватели автоматически отключаются. Их рекомендуется включать в ночные часы, а днем использовать горячую воду. У проточных водона­гревателей объем бака невелик (от 5 до 100 л), но установлены ТЭНы большой мощности. Поэтому время нагрева воды составляет 1-4 мин.

Технические данные выпускаемых промышленностью водонагре­вателей приведены в таблице стенда "Электронагревательные прибо­ры".

В лаборатории установлены элементный водонагреватель перио­дического действия типа ЭВ-150 и проточный типа ЭВ-Ф-15. При их изучении особое внимание обратите на правила монтажа и безопасной эксплуатации.

Водонагреватель ЭВ-150 состоит из цилиндрического бака 1 ем­костью 150 л (рис. 15.2) и кожуха 2. Между баком и кожухом помеще­на теплоизоляция 13. Нагревательное устройство 12 состоит из трех ТЭНов мощностью 2 кВт каждый и рассчитанных на напряжение 220 В.

 

Рис. 15.2. Устройство электроводонагревателя ЭВ-150:

1 - бак; 2 - кожух; 3 - сливная труба; 4 - подающая труба;

5 - питающий кабель; 6 - капилляр манометрического термометра; 7 - тройник; 8 – щит управления;

9 - водопроводная сеть; 10, 17 - изолирующие вставки;

11 - подающий вентиль; 12 - нагревательное устройство; 13 - теплоизо­ляция; 14 - манометрический термометр; 15 - датчик манометрического термометра; 16 - клеммная коробка нагревательного устройства; 18 - обратный клапан; 19 - сливной кран; 20 - клапан избыточного давления

Щит управления 8 изготовлен из листовой стали. В щите находит­ся аппаратура управления и защиты. Для включения нагревательного устройства Е1 - ЕЗ (рис. 15.3) служит магнитный пускатель КМ1 и промежуточно реле КV1, управляемое манометрическим термометром SК. Для защиты от короткого замыкания имеются плавкие предохра­нители FU1 - FUЗ. Пакетный выключатель QS1 предназначен для включения цепей управления.

Рис. 1.5.3. Принципиальная электрическая схема включения электроводонагревателя ЭВ-150

Перед включением водонагревателя в сеть необходимо убедиться, что бак заполнен водой. Для этого открывают вентиль 11 на впускной трубе 4 и держат его открытым, пока вода не будет вытекать из сливной трубы 3. На манометрическом термометре задают пределы температуры воды путем установки двух указателей в виде красных стрелок на нужные деления шкалы. Затем включают водонагреватель в сеть, замы­кая контакты QS1. Срабатывает магнитный пускатель КМ1, загорается сигнальная лампа НL1 на щите.

Контакты манометрического термометра SК1 замыкаются при до­стижении нижнего предела заданной температуры воды, но нагрев продолжается до замыкания контактов верхнего предела SК2. Срабаты­вает промежуточное реле КV1, отключая контактами КV1.1 катушку магнитного пускателя КМ1 и шунтируя с помощью КV1.2 контакты SК2. Если температура воды снизилась в результате ее расхода или охлаждения, повторное включение водонагревателя произойдет при размыкании контактов SК1.

Для обеспечения безопасной работы водонагревателя предусмот­рен обратный клапан 18 (рис. 15.2) на подающей водопроводной тру­бе, исключающий возможность выпуска воды из бака при ее от­сутствии в водопроводной сети.

Чтобы избежать взрыва бака в случае закипания воды при отказе автоматики регулирования температуры, на выходе водонагревателя установлен клапан избыточного давления 20. Запрещается устанавли­вать запорный вентиль на сливной трубе. В случае пробоя изоляции ТЭНов напряжение попадает на бак водонагревателя и соединенные с ним металлические трубопроводы. Для защиты людей и животных бак водонагревателя заземляют, а водопроводные трубы присоединяют че­рез изолирующие вставки (резиновые шланги) длиной не менее 1 м. Сопротивление воды внутри вставки должно быть достаточно боль­шим, чтобы ограничить ток, протекающий по телу человека или жи­вотного в аварийном режиме, до безопасной величины.

Водонагреватель ЭВ-Ф-15 имеет бак 1 (рис. 15.4) емкостью 14 л, на верхней крышке которого установлены три ТЭНа мощностью 5 кВт каждый, рассчитанных на напряжение 220 В. Здесь же установлено температурное реле 12, которое отключает нагревательное устройство при температуре воды 75-80°С. Для визуального контроля температуры во­ды служит термометр 11.

Схема подвода и отвода воды аналогична водонагревателю ЭВ-150. Регулирование температуры подогреваемой воды осуществляется вентилем 8.

Электрическая схема (рис. 15.5) обеспечивает работу водонагрева­теля в автоматическом и ручном режимах (тумблер SА1). В автомати­ческом режиме замкнуты нижние контакты SА1, включающие в работу температурное реле SK1 и реле времени КТ1. При достижении задан­ной температуры 75-80°С контакты термореле размыкаются и выдают сигнал на отключение ТЭНов. Поступающая холодная вода охлаждает датчик термореле, и его контакты замыкаются. Однако включение ТЭНов произойдет лишь через 15-45 с. Выдержку времени обеспечивает реле КТ1. Оно исключает многократное включение магнитного пуска­теля КМ1 при дребезжании контактов термореле SК1 и за счет этого исключает подгорание контактов этих аппаратов. Кроме того, оно уси­ливает сигнал термореле SК1, чем повышает надежность его работы.

 

 

Рис. 15.4 Устройство электроводонагревателя ЭВ–Ф-15:

1 – бак; 2 – кожух; 3 – трубчатый электронагреватель; 4 – клапан избыточного давления; 5 – обратный клапан; 6, 10 – изолирующие вставки; 7 –вентиль; 8 – подающая труба; 9 – сливная труба; 9 – термометр; 12 – температурное реле ТР-200; 13 – кабель подключения ТЭНов; 14 – кабель подключения температурного реле; 15 – щит управления; 16 – питающий кабель.

 

Действительно, контакты реле SК1 включены не в цепь катушки пускателя КМ1, а в цепь управления тиристора VS1. Тиристор управля­ет катушкой пускателя КМ 1.

В ручном режиме термореле не участвует в автоматическом под­держании температуры воды. Работа в ручном режиме допускается лишь при выходе из строя автоматики на период ее восстановления. При этом необходимо строго контролировать температуру воды на выходе из водонагревателя по термометру, не допуская ее нагрева вы­ше 75 ⁰С.

Электроводонагреватели серий САОС и САЗС являются аккумули­рующими и по конструкции аналогичны водонагревателю ЭВ-150.

 

Рис. 15.5. Принципиальная электрическая схема включения электроводонагревателя ЭВ-Ф-15: QF1 - автоматический выключатель; Е1-ЕЗ - ТЭНы: FU1 - плавкий предохранитель защиты цепи управле­ния; SВ1 - кнопка " Стоп"; SВ2 - кнопка " Пуск"; SА1 - переключа­тель режима работы; КМ1 - магнитный пускатель; НL1 - сигнальная лампа включения сети; НL2 - сигнальная лампа включения ТЭНов; SK1 - контакты температурного реле; КТ1 - электронное реле времени (плата)

 

Отличаются от последнего тем, что не имеют вентиля на подающей трубе и работают под избыточным давлением водопроводной сети до 0,4 МПа.

В водонагревателе САОС разбор горячей воды может осущест­вляться одновременно в нескольких точках с помощью вентилей, уста­навливаемых на выходном патрубке. Для предотвращения взрыва бака водонагреватель имеет клапан избыточного давления и терморегуля­тор, а также обратный клапан.

Водонагреватель САЗС оборудован циркуляционным насосом, что позволяет непрерывно подавать нагретую воду в трубопроводную си­стему (в автопоилки, для подмывания вымени коров и т.п.). Управле­ние насосом осуществляет отдельный терморегулятор, датчик которого установлен в наиболее холодном месте подачи воды.

Водонагреватели САОС и САЗС выпускаются с емкостью бака 400, 800 и 1600л.

Электродные водонагреватели работают по принципу прямого на­грева: вода нагревается протекающим по ней электрическим током, подводимым при помощи электродов. Электроды изготовлены в виде стальных пластин, стержней или труб. К каждому электроду подво­дится один провод сети.

Электрическое сопротивление воды между электродами зависит от их площади, расстояния между ними, а также от количества растворен­ных в воде солей и ее температуры. С повышением температуры воды, которая является при наличии солей слабым электролитом, ее сопроти­вление уменьшается, а потребляемый ток и мощность водонагревателя растут.

В трехфазных электродных водонагревателях и паровых котлах для создания симметричной нагрузки фаз сети электроды располагают на одинаковом расстоянии друг от друга. Так, в лабораторном водо­нагревателе они выполнены в виде пластин, изогнутых под углом 120° (рис. 15.6). Такая конструкция электродов соответствует включению сопротивлений фаз треугольником.

 

Рис. 15.6. Электроды лабораторного электродного водонагревателя

Мощность водонагревателя или котла можно регулировать изме­нением площади электродов или расстоянием между ними. Обычно между электродами устанавливают регулируемую по высоте пластину из изоляционного материала (рис. 15.7).

 

 

Рис. 15.7. Регулирование мощности электродного водонагревате­ля: 1 - электроды; 2 - изоляционная пластина

В отличие от элементных электродные водонагреватели не боятся включения в сеть без воды, так как цепь оказывается разомкнутой и на­греватель не работает.

Недостатками их являются зависимость потребляемой мощности от содержания солей и температуры воды и повышенная опасность пора­жения током. Для обеспечения безопасности внутреннюю поверхность бака покрывают изоляционным материалом. Предусматривается авто­матическое отключение при несимметричном режиме (ток в нулевом проводе более 25% номинального тока фазы) и при коротком замыка­нии, а также автоматическое управление температурой воды на выходе водонагревателя, работающего в системе отопления или горячего водо­снабжения. На животноводческих фермах запрещается устанавливать водонагреватели в стойловых помещениях. Наружный кожух водона­гревателя заземляют.

В сельскохозяйственном производстве используются электродные водонагреватели серии ЭПЗ-ИЗ мощностью от 25 до 400 кВт для водя­ного отопления и в первичном контуре теплообменника системы горя­чего водоснабжения. Они имеют плавную регулировку мощности в пределах 20... 100%. Максимальная температура воды на выходе 95°С.