Тепловой расчет электропечи сопротивления

 

Содержание

Введение --------------------------------------------------------------------------------- 4

Задание------------------------------------------------------------------------------------ 6

1. Расчет времени нагрева изделия и размеров печи---------------------------- 6

1.1 Определение массивности нагреваемых изделий-----------------------------6

1.2 Коэффициент теплоотдачи---------------------------------------------------------6

1.3 Определение габаритов печи------------------------------------------------------7

2. Тепловой расчет электропечи  сопротивления ----------------------------------9

2.1 Определение полезной теплоты --------------------------------------------------9

2.2 Затраты   теплоты  на  нагрев  вспомогательных  устройств---------------9

2.3 Определение тепловых потерь  в окружающую среду-----------------------9

2.3.1  Тепловые потери через  стенку печи-------------------------------------------9

2.3.2 Потери  теплоты излучением  через отверстие в футеровке.----------   10

2.3.3 Потери теплоты  через тепловые короткие замыкания .------------------11

2.3.4 Определение теплоты , аккумулируеиой  кладкой.-------------------------11

2.4 Установленная мощность печи .--------------------------------------------------12

2.5 Технико-экономические показатели работы печи.----------------------------12

3. Расчет нагревательных элементов .------------------------------------------------12

Список литературы.----------------------------------------------------------------------14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

    Камерные электропечи являются простейшими  по конструкции  и  вместе с  тем наиболее   универсальными  (рис.1.1).

 

 Рабочее пространство  электропечи   представляет собой горизонтальную камеру, ограниченную  футеровкой,  состоящей  из  огнеупорного и  теплоизоляционного слоев.

    Электропечь  имеет  внешний  металлический  кожух,  выполненный  из листовой или профильной  стали. Нагреваемые изделия  загружаются  и  выгружаются через отверстие в передней стенке ЭПС ;  имеется футерованная дверца , закрывающая загрузочное отверстие. Нагревательные  элементы могут  быть расположены на поду, своде, боковых стенках, реже на задней торцевой стенке и дверце. Делается это для увеличения  равномерности температуры  в  рабочем пространстве. Для  размещения изделия, как  правило, имеется подовая плита,  выполненная из жаропрочного  металла  или  карборунда. Электропечи наибольших размеров устанавливаются на ножках, большие  - непосредственно на  полу. Дверцы  камерных  ЭПС, как правило , выполняются с ручным или  ножным приводом у небольших ЭПС и электромеханическим приводом у крупных.

     В ряде камерных  ЭПС для  увеличения скорости нагрева и улучшения равномерности температур в рабочем пространстве применяются вентиляторы.  В нагревательных ЭПС печные  вентиляторы  применяются  до температуры 750 ºC, в печах химико-термической обработки  -  до 1000 ºC.

Электропечи выпускаются температуры  700, 1000, 1250, 1300 и 1650 º C. В   ЭПС с номинальной температурой  700, 1000 и  1250 ºC применяются нагреватели , изготовленные из хромоникелевых и железохромоалюминиевых   сплавов,  например тип  Х15Н60 - Н , Х20Н80-Н , Х23Ю5А , Х25Ю5Л и  др., в ЭПС с номинальной температурой  1350 º C применяются  карборундовые нагреватели (Si C),  а  ЭПС  с номинальной температурой   1700 ºC  −  нагреватели, изготовленные  из  дисилицида  молибдена (Mo Si2).Все это относится  к  ЭПС с окислительной  атмосферой в рабочем  пространстве.

        Камерные  электропечи  включаются непосредственно  в электрическую сеть  на напряжение  220   и 380  B или через понижающие трансформаторы. Электропечи  с  нагревательными  элементами из  карборунда комплектуются  многоступенчатыми  понижающими   трансформаторами , что  позволяет  при  старении нагревателей, когда повышается их  сопротивление, соответственно  повышается напряжение и тем  самым сохранять  необходимую  мощность  ЭПС. Электропечи с нагревателями  из  дисилицида  молибдена должны  комплектоваться  понижающими   трансформаторами ,  имеющими  большой  диапазон изменения  коэффициента трансформации , в связи с большим  различием  удельного  электрического  сопротивления  дисилицида   молибдена  в  горячем и  холодном состояниях.

         Определенным  недостатком  камерных  ЭПС является трудность  их  герметизации  из-за наличия вертикальных  щелей между  дверцей  и  обрамлением  отверстия в  передней  торцевой  стенке.

В конструкциях  камерных  ЭПС , предназначенных для  работы  с контролируемой атмосферой , предусматривается  « пламенная  завеса » , принцип  действия  которой  заключается  в том ,что в расположенную  под  входным  отверстием  трубу,  имеющую   по  длине  ряд  отверстий  или  прорезь , подается  горючий  газ . Этот  газ , сгорая , своим пламенем отсекает рабочее  пространство печи от  атмосферы  помещения , в котором  находится  ЭПС. При  открывании   дверцы  количество горючего газа , подаваемое  в трубу , увеличивается .

Камерная   ЭПС ,  как правило , не  механизированы. Для  этих печей характерны высокий  удельный  расход электроэнергии  и   высокий  расход  контролируемого газа .

 

 

 

 

Задание

Рассчитать  и спроектировать нагревательную печь :

Тип печи : камерная электрическая

Производительность печи  : 800 кг/ч 

Температура нагрева : 820 ºС

Размер деталей : 150*150*300 мм

Материал  : ст. 20

Топливо :  380 1220 В

 

 

1. Расчет времени нагрева изделия и размеров печи

 

1. Определение массивности нагреваемых изделий

 

Условия и соответственно методы расчета времени нагрева изделия зависят от того, к какой категории тел оно относится – к технически «тонким» или  «массивным». Массивность тел определяется безразмерной величиной – критерием (числом) Bi.

Bi=αΣ S/λ ,                                                              

где αΣ  - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*К);  λ – коэффициент теплопроводности нагреваемого тела, Вт/(м*К); S- расчетная прогреваемая толщина изделия, м.

Bi=171,11*0,075/36=0,4

     Если рассчитанный  по этой  формуле критерий Bi<0,25, то время нагрева изделий определяется по формулам, характерным для теплотехнически тонких тел, если Bi>0,50 – по формулам ( и графикам) для теплотехнически массивных тел. При значении 0,25<Bi<0,5 нагреваемые изделия находятся в переходной области, которую при приближенных расчетах следует отнести к тонким. А при точных – к массивным.

 

2. Коэффициент теплоотдачи

 

В формуле Bi=αΣ S/λ.   αΣ - суммарный коэффициент теплоотдачи, характеризующий интенсивность переноса теплоты между поверхностью нагреваемого тела и окружающей  средой. Суммарный коэффициент теплоотдачи складывается из коэффициентов теплоотдачи конвекцией αк   и лучеиспусканием αл:

αΣ   =  αк + αл.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией αк  в нагревательной камере

электрических печей сопротивления без принудительной циркуляции газовой среды изменяется незначительно и может быть принят равным 10 – 15 Вт/(м²*К).

      Коэффициент теплоотдачи  лучеиспусканием αл   в общем случае (при конкретных и неизменных значениях температуры печи и нагреваемого изделия) определяется по формуле

αл  = Спр [(Тп  /100)4  - (Тм  /100)4 ]  /( Тп- Тм) ,             

где Тп , Тм  - текущие значения температур соответственно печи и металла, К; приведенный коэффициент излучения Спр

Спр   =Сₒ/[1/εм +Fм / Fп  (1/εп -1) ],

где  Сₒ=5,7 Вт/(м²*К4) – коэффициент излучения  абсолютно черного тела; εм   - степень черноты нагреваемого металла; εп  - степень черноты стенок камеры печи; Fм  - тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, м²; Fп - поверхность стенок нагревательной камеры печи, м². При расчете Спр  задаются отношением  Fм / Fп  , а  после определения габаритов печи выполняют соответствующее уточнение расчета.

εм   = 0,5;  εп  = 0,8;  Fм / Fп =0,5; αк =15        

 Спр   = 5,7/[1/0,5+0,5(1/0,8-1)]=2,68

αл  =2,68*[(1173/100) 4 - (1093/100) 4 ]/(1173-1093)=156,11

                        αΣ  =  15+156,11=171,11.

 

    1.3      Определение габаритов печи

               

                Определение продолжительности нагрева τн    деталей в печах связано

производительностью и правильным выбором пода проектируемой печи. Эта связь определяется следующими соотношениями.

      Штучная производительность печи

                  N=G/M, шт/ч,

где G – массовая производительность, кг/ч;  М- масса нагреваемой заготовки, кг/шт.

     Объем одной детали

V=0,15*0,15*0,3=0,00675м³

М=ρ*V=7600*0,00675=51,3кг

N=800/51,3=15,6≈16шт/ч

Количество деталей, которое должно находиться одновременно в печи, чтобы обеспечить указанную штучную производительность,

                    η=N*τн  ,

где   τн  -  время  нагрева одной заготовки , ч .

τ=М*с*Красп   ln Тп -Тмн   ,                                      

    αΣ* Fм                    Тп -Тмк

где с - средняя массовая теплоемкость, кДж/(кг*К);  Красп – коэффициент расположения; Тмн – температура  металла начальная, °С; Тмк - температура  металла конечная, °С

с=i/t,

где i- теплосодержание металла при температуре t=500°С,  i=267,54 кДж/кг

с=267,54/500=0,535кДж/(кг*К)=535Дж/(кг*К)

Fм=0,15*0,3*4+0,15*0,15*2=0,225м²

Красп1=2,2 ; Красп2 =1,6

τ1=51,3*535*2,2   ln 900-20  =3760.6c=1.05ч     

    171,11*0,225       900-820

τ2= τ1*1,6/2,2=2734,98с=0,76ч

η1=N* τ1=16*1.05=16.8≈16шт

η2=N* τ2=16*0,76=12,16≈12шт

Площадь пода, занятая металлом  Fакт=η*fм, м²,

где fм – проекция нагреваемой заготовки на под, м²

Fакт1=16*0,045=0,72м²

Fакт2=12*0,045=0,54м²

Коэффициент загрузки пода  Kn=Fакт/ Fп  ,

где Fп   ̶̶   полная площадь пода печи , м2

Kn1= 0,72/2,014=0,36 м2

 

Kn2 =0,54/1,838=0,29 м2 .

 

      Необходимые размеры   пода  для  обеспечения  массовой  или  штучной  производительности

Fп = Fакт/Кn=η*fм/ Кn=N* τн*fм/ Кn=G*fм* τн / (М* Кn) ,м2

Fп1=800*0,045*1,05/(51,3*0,36)=2,05  м2

Fп2=800*0,045*0,76/(51,3*0,29)=1,839 м2

напряженность пода

Рп=G/Fп=М*Кп / (fм*τн) , кг/(м2ч)

Рп1=51,3*0,36/(0,045*1,05)=390,86 кг/(м2ч)

Рп2=51,3*0,29/(0,045*0,76)= 435 кг/(м2ч)

При выборе расположения деталей на поду  необходимо учитывать тот  факт , что при  малом  значении  К n  (заготовки лежат на поду с большим  расстоянием  межу ними )  τн сокращается ,  но вследствие уменьшения  К n

производительность  печи  может уменьшаться. При плотном  расположении заготовок  К n   возрастает , но увеличивается время  нагрева.

        Практически  в  целях получения  максимальной  производительности для камерных  печей  К n должно находиться в пределах (0,4 ÷ 0,5).Для периодических  и  проходных  печей , когда  заготовки  лежат  вплотную  друг к  другу , увеличение  К n ведет к повышению G , однако ,  чтобы края заготовок  при   движении  не разрушали  стенок печи , К n   будет в  пределах (0,7÷0,9).

          Эффективным  мероприятием  по сокращению   τн  в методических печах  является  введение интенсивного нижнего подогрева.

Печи периодического  действия .

В1=4*0,15+ 3*0,02+2*0,1+2*0,1=1,06 м

L1=1,9 м

Fпода=2,014 м2

В2=4*0,15+ 3*0,075+2*0,1+2*0,1=1,225 м

В ̶  ширина  внутреннего пространства печи 

L ̶  длина   внутреннего пространства печи 

Высоту рабочего пространства можно определить как

H=(A+0,05*В) *tп*10-3,м  ,

где  А=0,5 при tп  ≤ 1000 °С.

Н1= (0,5+0,05*1,06)*900=0,498 м

Н2= (0,5+0,05*1,225)*900=0,505 м  ≈ 0,51 м

L2=1,5 м

Fпода =1,838 м2  ̶  наилучший  вариант.

2. Тепловой расчет электропечи сопротивления .

Целью  теплового  расчета  электрической печи является определение потребной и установленной мощности , а также удельного расхода  электроэнергии , термического коэффициента полезного действия  и времени разогрева печи  до  технологической температуры.  Тепловой  расчет  печи заключается  в составлении теплового баланса , который включает  все статьи  расхода и прихода  тепловой энергии.

2.1 Определение полезной теплоты.

Qполезн = G*c* (tм к – tм  н ) / 3,6  ,

где Qполезн ̶   мощность ,Вт ; М  ̶  масса полезной загрузки ,кг ; G  ̶  производительность печи ,кг/ч ; c  ̶   средняя массовая теплоемкость нагреваемого металла , кДж/(кг*К) ; tм к , tм  н  ̶ конечная  и  начальная  температуры  нагрева металла , °С ; 1/3,6  ̶  переводной  коэффициент из кДж/ч  в  Вт .

Qполезн = 800* 0,535*(820 – 20)/3,6=95*103 Вт =95 кВт

2.2 Затраты  теплоты на нагрев вспомогательных устройств.

   К вспомогательным  устройствам  относятся нагреваемые вместе с обрабатываемыми изделиями тара  и  элементы транспортных  устройств.

   Определение теплоты на  нагрев  вспомогательных  устройств  производится по формуле , используемой  при расчете полезной  теплоты , т.е

Qтары = Gт *cт (tт к – tт н )/3,6 ,

где  Gт  ̶  масса тары , кг/ч ; cт   ̶  средняя массовая удельная теплоемкость (жаропрочного материала тары ) , кДж/(кг*К) ; tт к ,  tт н  ̶   конечная и начальная температуры материала тары , °С.

Qтары = 197,4*0,535*(820 – 500)/3,6 = 9387 Вт =9,4 кВт

 

2.3 Определение тепловых потерь в окружающую среду.

 

      К этим потерям  в общем случае относятся :

- потери теплопроводности через футеровку печи в окружающую среду;

- потери через отверстия в  футеровке излучением;

- потери теплоты вследствие  тепловых коротких замыканий;

- затраты энергии на нагрев  воздуха, циркулирующего в рабочем                            пространстве печи, или на нагрев нагнетаемой в печь защитной атмосферы;

- затраты теплоты на аккумуляцию  футеровкой и конструкциями печи.

 

2.3.1  Тепловые потери через  стенку печи

 

Исходными данными для расчета тепловых потерь через футеровку (стенку) печи являются:

- конструктивный эскиз футеровки с основными размерами;

- данные о коэффициентах теплопроводности  используемых огнеупорных и теплоизоляционных  материалов;

- значение коэффициента теплоотдачи с внешней поверхности стенки печи в окружающую среду.