Тепловой баланс печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ САДКИ

Принимаем, что в 1 садке - 50 деталей. Детали будут располагаться в корзине навалом, размеры которой 0,3?0,2?0,3 .

Рисунок - Схема тары, в которой располагаются карданы в печи.

Корзину изготавливают из стальных прутов марки сталь 20. Прутья сварены между собой контактной точечной сваркой.

Для расчета массы корзины необходимо определить объем и количество использованных прутьев.

В данной конструкции использовались пруты по L = 200 и 300 мм.

Рассчитаем количество прутов:

N³⁰⁰ = 25*4 + 38*2 = 176 шт.

N²⁰⁰ = 38*4 = 152 шт.

Объем одного прута:

V³⁰⁰ = рd²/4 * 0.3 = 3.14*0.003²/4 * 0.3 = 0.00000212 м³

V²⁰⁰ = рd²/4 * 0.2 = 3.14*0.003²/4 * 0.2 = 0.000001413 м³

Зная объем одного прута, определим массу одного прута:

с = 7800 кг/м³ - плотность стали



m³⁰⁰ = с*V³⁰⁰ = 7800*0.00000212 = 0.0165 кг (1)

m²⁰⁰ = с*V²⁰⁰ = 7800*0.000001413 = 0,011 кг

Масса корзины равна:

m = n³⁰⁰ * m³⁰⁰ + n²⁰⁰ * m²⁰⁰ =176*0.0165 + 152*0.011= 2.904 + 1.672=4. 576 кг

Деталей в садки 50 штук, масса каждой детали 0,710 кг. Масса садки равна:

M = 50*0,710 = 35,5 кг. (2)

Общая масса, загружаемая в рабочее пространство печи равна:

M_общ = m + M = 4.576 + 35,5 = 40,076 кг

- будет зависит от нагревающего устройства (в нашем случае это будет электропечь т.е. время нагрева будет 1 мин/1 мм сечения наибольшего диаметра в изделии).

- будет составлять 25% от времени нагрева.

Закалку данной детали будем проводить в электропечи, располагая в ней некоторое количество изделий.

_{нагрева}= 1 мин * 1 мм сечения = 251=25 минут нагрева.

Время выдержки в электропечи составит 25% от времени нагрева, _{выдержки}= 1 минут 50 секунд.

Так как сталь коррозионностойкая , то время закалки увеличивается на 25%, следовательно

_{выдержки} = 11 минут.

_{закалки} =25+11 =36 минуты.

Время закалки составит 36 минуты.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЕЧИ

При проектировании печи для термической обработки определяем ее мощность и расход электроэнергии на основе теплового баланса. Тепловой баланс делаем также для того, чтобы выявить отдельные статьи прихода и расхода тепла. В электрических печах тепло получается за счет электрической энергии. Часть полученного тепла затрачивается на нагрев металла до заданной температуры по технологическому процессу. Это полезная затрата тепла. Часть тепла теряется с нагревательными газами, часть расходуется на нагрев кладки и на отдачу тепла кладкой окружающей среде. Эти и другие потери являются бесполезной тратой тепла.

Тепловой баланс действующей печи составляем с целью определения технико-экономических показателей и путей повышения эффективности ее работы

Тепловой баланс представляет собой уравнение, связывающее приход и расход теплоты.

УQ_прих = УQ_расх

Расходные статьи:

Q_полезн - расход тепла на нагрев металла:

,

t₁- температура метала при загрузке в печь = 20⁰С

t₂ - температура нагрева метала = 975⁰С

средняя теплоемкость металла в интервале температур t₁ и t₂ (20 - 975⁰С) = 483 Дж/ кг •⁰С

- производительность печи в один час

Q_кл - потери тепла через кладку печи:

t_в -средняя температура внутренней поверхности кладки

t₀ - температура воздуха, окружающего печь

F_кл - площадь кладки

- коэффициент теплопроводности кДж/час • ^оС

S - толщина кладки

= 0,15*116,7=17,505кВт

Q_отв =0,03 Q_полезн =0,03*116,7=3,501кВт

Q_ак - потери на аккумуляцию кладки:

Q_ак = 0,05 Q_полезн =0,05*116,7=5,835кВт

Q_тар - расход тепла на нагрев тары:

= (975-20) 700 (4,576/0,6) = 3,96 кВт

Суммируем все статьи расхода тепла:



? Q_расх = Q_полезн + Q_кл + Q_ак+ Q_отв + Q_тар

? Q_расх = 116,7 + 17,505 + 3,501 + 5,835 + 3,96 = 147,501 кВт

Приходные статьи:

Q_э - приход теплоты от электронагревателя является первой и единственной статьей прихода для электрической печи.

Т. к. УQ_прих = УQ_расх, то Q_э = Q_расх = 147,501 кВт

Требуемую мощность электрических печей сопротивления определяют при расчете теплового баланса. Номинальная мощность электропечи рассчитывается по формуле

Р_ном = kQ_прих

k -- коэффициент запаса, который равен 1,2--1,3 для непрерывно действующих печей. Этот коэффициент вводится для того, чтобы можно было увеличить мощность и получить в печи необходимую температуру при снижении в сети напряжения.

Р_ном = 1,3 • 147,501 = 191,75 кВт.

Но из-за того что значение мощности не может быть таким, то принимаемая мощность печи 192 кВт.

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Электронагреватель - это важный элемент в конструкции печи. Именно он обеспечивает нагрев детали во внутреннем пространстве печи, имеет наибольшую температуру и определяет работоспособность нагревательной установки в целом. Из-за особой значимости нагревателя в печи, он должен соответствовать ряду требований.

Основные требования к нагревателям (материалам нагревателей):

Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью (окалиностойкостью) и жаропрочностью. Жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах. Жаростойкость - сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах;

Нагреватель в электропечи должен быть сделан из материала, обладающего высоким удельным электрическим сопротивлением. Чем выше электрическое сопротивление материала, тем сильнее он нагревается.

Малый температурный коэффициент сопротивления является существенным фактором при выборе материала для нагревателя. Это означает, что при изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя меняется не сильно. Если температурный коэффициент электросопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение;

Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными. Некоторые материалы, например карборунд, который является неметаллическим нагревателем, с течением времени могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений;

Металлические материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, а именно: пластичностью и свариваемостью, - чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из ленты - сложные по конфигурации нагревательные элементы. Также нагреватели могут быть изготовлены из неметаллов. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, превращаясь в готовое изделие.



МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

термический печь электронагреватель тепловой

Наиболее подходящими и самыми используемыми в производстве нагревателей для электропечей являются прецизионные сплавы с высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся сплавы на основе хрома и никеля (хромоникелевые), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые).

Представителями хромоникелевых сплавов является нихром марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С), железохромоалюминиевых - фехраль марок Х23Ю5Т (950-1400 °С), Х27Ю5Т (950-1350 °С), Х23Ю5 (950-1200 °С), Х15Ю5 (750-1000 °С). Также существуют железохромоникелевые сплавы - Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Перечисленные выше сплавы обладают хорошими свойствами жаропрочности и жаростойкости, поэтому они могут работать при высоких температурах. Хорошую жаростойкость обеспечивает защитная пленка из окиси хрома, которая образуется на поверхности материала. Температура плавления пленки выше температуры плавления непосредственно сплава, она не растрескивается при нагреве и охлаждении.

В данном курсовом проекте в качестве материала для нагревателей будем использовать нихром.

Нихром - это сплавы никеля и хрома. Промышленностью выпускаются сплавы, содержащие от 15 до 27% хрома. Наиболее широко распространен сплав, содержащий 20% хрома. Нихром сочетает высокую жаростойкость (до 1250^оС) и значительное электрическое сопротивление (1,05-1,40 Ом*мм2/м), температура его плавления 1370-1420^оС, плотность 8,2-8,4 г/см3. Нихром достаточно пластичен в горячем и холодном состоянии, хорошо поддается сварке и обработке резанием. Полуфабрикаты из него изготовляют, в основном, в виде проволоки и ленты. Так как нихром имеет небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления, то нагреватели из него не требуют изменения питающего напряжения в процессе разогрева печи, и, следовательно, могут работать без специального трансформатора.

Нихром образует на поверхности защитную пленку из окиси хрома, что позволяет использовать его для работы в окислительной атмосфере. В атмосфере галоидов, а также в щелочной среде нихром неработоспособен. Нихром не магнитен. Основной его недостаток - относительно высокая стоимость.

Исходными данными для расчета нагревателей электропечей сопротивления являются: мощность печи P, кВт, геометрические размеры печи, напряжение питающей сети U В , начальная t_м^нач и конечная t_м^кон температуры нагрева металла.

Целью расчета нагревателей является определение геометрических размеров, схемы включения («звезда» или «треугольник») и расположения нагревателей в печи, обеспечивающие при выбранном материале нагревателей оптимальные условия их службы. Мощность печи определили по ранее составленному тепловому балансу печи.

Расчётная часть.

Принимая рабочую температуру нагревательных элементов равной:

t_н= t_м^кон+ 100⁰С

t_н= 975+ 100= 1075⁰С

Выбираем сплав Х20Н80, для которого рекомендуемая рабочая температура 1150°С. Удельное сопротивление сплава с = 1,1 * 10^-6 Ом * м или 1,1 Ом·мм²/м.

Так как мощность печи превышает 15 кВт, то печь конструируется трех-фазной. Мощность фазы равна:

Р_фаз =

Р_ном - номинальная мощность печи =193 кВт.

Р_фаз = 192/3 = 64 кВт

В проектируемой печи могут быть использованы проволочный спиральный или ленточный зигзагообразный нагреватели.

Выбираем проволочный спиральный нагреватель.

Диаметр проволоки определяется по формуле:

d= ³v4·10⁵·с·P²/р²V²щ,

где с- удельное сопротивление материала нагревателя, Ом·мм²/м; P- мощность печи в кВт; V- напряжение питающей сети в В; щ- удельная поверхностная мощность нагревателя в Вт/см².

d= ³v4·10⁵·1,1·64²/3,14²·380²·4= ³v18022,4/56,949= ³v276,46? 5 мм.

При применении проволоки диаметром d мм площадь сечения равна:

q_пр = рd²/4

q_пр= 3,14·5²/4= 19,625 мм².

Сопротивление электронагревателя вычисляется по следующей формуле:

R= U²/ P·10³ Ом

R= 380²/64 ·10³ = 2,25 Ом

Длина элементов сопротивления в печи:

L=R·q/ с, где

R- сопротивление электронагревателя, Ом; q- площадь сечения проволоки в мм²; с- удельное электросопротивление нагревательных элементов в Ом·мм²/м.

L= 2,25*19,625/1,1= 40,14 м.

Вес элементов сопротивления подсчитывается по следующей формуле:

G= г·q·L /10³ кг, где

г- плотность (таблица 5); q- сечение проволоки в мм².

Таблица. Плотность материала нагревательных элементов.

Сплав	Плотность, в г/см3
Х13Ю5 Х17Ю5 Х15Н60 Х20Н80 Х25Ю5 ЭИ595 ЭИ626	7,4 7,0-7,2 8,4 8,4 7,0-7,2 7,27 7,19

G=8,4·19,625·40,14/10³= 6,61 кг

Проволочные элементы сопротивления располагают в печах в виде цилиндрической спирали (рис), для которой характерны два коэффициента K_c-коэффициент сердечника и K_н- коэффициент плотности намотки:

K_c = D/d K_н = h/d

Коэффициенты K_c и K_н принимают следующими( согласно таблицы ).



Рисунок - Проволочный элемент сопротивления в виде цилиндрической спирали.

Таблица. Значение коэффициентов K_c и K_н для разных материалов нагревателей.

Температура в оС	Kc	Kн
	Нихром	Хромаль
Менее 750 750-950 Более 950	8-11 6-8 5-6	4-5	2-4

K_c= D/ d K_н= h/ d h=2d

D= K_cd= 8*5=40 мм h= 2*5= 10 мм

Длина витка спирали будет равна:

L_вит = рD мм

L_вит= 3,14*40=125,6 мм.

Длина выводов нагревателя берётся:

L_выв= b+ 100 мм,

где b- толщина стены печи в мм.

Размещено на Allbest.ru

...