Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проектировка циркуляционной печи

Техническое задание

ВАРИАНТ №24.

Спроектировать циркуляционную печь периодического действия для искуственного старения полуфабрикатов из сплава В95 размерами мм. Садка печи 200 шт.Температура нагрева С.

РЕФЕРАТ

ПЕЧЬ,АЛЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ,СТАРЕНИЕ

ИССКУСТВЕННОЕ, САДКА,НАГРЕВ, БАЛАНС ТЕПЛОВОЙ,

НАГРЕВАТЕЛЬ.

Курсовая работа содержит расчет низкотемпературной печи, предназначенной для искусственного старения алюминиевых сплавов. Расчет состоит из проектировки расположения деталей в печи, эскизного проектирования печи, расчетов нагрева металла на первом и втором этапах. Также в работе рассчитываются тепловой баланс печи, потери тепла, КПД печи и аэродинамический расчет, предназначенный для последующего выбора вентилятора.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………5

РАССЧЕТ ПЕЧИ ИСКУССТВЕННОГО СТАРЕНИЯ……………………………...6

ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧИ……………………………….............6

1.1 СВОЙСТВА СПЛАВА В95……………………..……………………………...6

ВАРИАНТЫ ЗАГРУЗКИ ПЕЧИ……………………………………………………..8

1.2 АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В ПЕЧИ……………9

2. РАСЧЕТНАГРЕВА МЕТАЛЛА…………………………………………….........11

2.1 ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И СПОСОБА НАГРЕВА………………….11

2.2 РАССЧЕТ ПЕРВОГО ЭТАПА………………………………………………….12

2.3 РАСЧЕТ ВТОРГО ЭТАПА……………………………………………………...13

3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЕЧИ СТАРЕНИЯ………………….........13

3.1 ПОЛЕЗНОЕ ТЕПЛО……………………………………………………………..13

3.2 ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ТЕПЛО………………………………………………..14

3.3 ПОТЕРИ ТЕПЛА………………………………………………………………...14

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПЕЧИ………………………………………….16

4.1 РССЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ……………………………...16

4.2 МОЩНОСТЬ ПРИХОДЯЩАЯСЯ НА ОДИН ВЕНТИЛЯТОР……………....16

4.3 РАССЧЕТ НЕГРЕВАТЕЛЕЙ………………………………………………..….16

5. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАССЧЕТ ПЕЧИ…………………………………....18

5.1 ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ…………………………………………………..……….18

5.2 МЕСТНЫЕ ПОТЕРИ………………………………………………..…………...19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………..……………..20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………..………………21

ВВЕДЕНИЕ

Процесс старения изделий и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов является одним из важнейших в технологии получения высокопрочных изделий. Различают два типа старения алюминиевых сплавов – естественное и искусственное. Естественное старение протекает при комнатных температурах. При этом сплав в течение нескольких суток упрочняется. Главный недостаток этого процесса – его длительность во времени. Искусственное старение протекает при повышенных температурах, что позволяет сокращать время процесса. Для осуществления данного процесса полуфабрикаты помещают в электрическую печь, удобство применения которой заключается в легкости регулировки температуры процесса, высоком КПД печи и равномерности прогрева садки металла. Обычно это электрические циркуляционные печи.

РАССЧЕТ ПЕЧИ ИСКУССТВЕННОГО СТАРЕНИЯ

ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧИ.

1.1СВОЙСТВА СПЛАВА В95.

Сплав В95 – сплав системы Al-Cu-Mg-Мn. Сплав хорошо обрабатывается в холодном и горячем состояниях. Сплав хорошо сваривается точечной сваркой. Используется для производства профилей, при изготовлении средне загрузочных конструкций.

Основные легирующие элементы представлены в таблице 1.1.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СПЛАВА В95 ТАБЛИЦА 1.1

	Легирующие	компоненты, %
Al	Cu	Mg	Mn
основа	1.6-1.8	2.0-2.4	0.3-0.5

Сплав В95 закаливают при t=495-510^оС. Старение проводят при t=20^оС, в течение ч. Теплофизические характеристики, а также некоторые другие свойства сплава В95:

ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЛАВА В95 ТАБЛИЦА 1.2

сплав	состояние
В95		160	2800	0,88

Зависимость теплопроводности и теплоемкости сплава В95 от температуры представлена на графиках и .

Рис 1.3. Определение габаритов рабочего пространства печи.

АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ РАСПОЛОЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ В ПЕЧИ.

Для удобства загрузки металла в рабочее пространство печи принимаем, что печь имеет выдвижной под. Рассмотрим 3 варианта расположения садки, выбираем третий вариант. В этом случае горячий воздух быстрее и равномернее прогревает садку по всем поверхностям. Вес садки равен 820 кг. Вес одной детали равен 4.1 кг. Садка состоит из 200 штук полуфабрикатов. Для более экономичного расположения в пространстве проектируемой печи делаем садку в 200 штук полуфабрикатов, которые с использованием креплений и прокладок образуют загрузочную единицу – кассету. В связи с этим размеры рабочего пространства печи будут следующими: длина пода равна 1500мм, ширина пода равна 900мм, высота свода над полом равна 600 мм. На рисунке 1.3. приведена схема габаритов рабочего пространства печи.

За пределами боковых границ пода располагаются воздуховоды и камера центробежного вентилятора вокруг рабочего пространства печи, воздуховодов и калориферов монтируется кожух. В качестве теплоизолятора применяется минеральная вата, свойства которой выбраны из /1/. Толщина теплоизолирующего слоя равна 300 мм. Определенные габариты печи дают необходимую основу для расчетов.

2. РАСЧЕТ НАГРЕВА МЕТАЛЛА.

2.1 ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И СПОСОБА НАГРЕВА.

Для проведения расчетов определяются дополнительные данные.

Температура печи: .

Определим температуру изделия на стыке этапов нагрева:

Скорость воздушного потока около изделий: W=20м/с.

При =180 теплопроводность воздуха

Рис 2.1 Схема нагрева в 2 этапа.

В расчет принимается степень черноты поверхности материала (поверхность окислена), степень черноты поверхности печи .

Процесс нагрева будет осуществляться в 2 этапа. На первом этапе нагрев производится постоянным тепловым потоком, а на втором этапе - при постоянной температуре печи (циркулирующего воздуха). Предполагаем, что изделие при нагреве будет термически “тонким”, следовательно, нагрев можно представить в виде графика на рис 2.1.

2.2. РАСЧЕТ ПЕРВОГО ЭТАПА.

При выбранных параметрах нагрева определим величину теплового потока на первом этапе . Он равен сумме конвективного и лучистого тепловых потоков:

Конвективный коэффициент теплоотдачи определяется с помощью критериальной формулы: ,

где

Суммарный тепловой поток первого этапа:

Перед продолжением расчетов необходимо уточнить ситуацию, определив величину критерия Био: ; где -половина минимального размера изделия.

Столь малое значение величины критерия Био говорит о том, что при выбранных параметрах нагрева заготовки из сплава В95 будут иметь практически равномерное поле, то есть будут термически “тонкими”телами. В данном случае нет необходимости определять перепад температур по сечению полуфабриката.

Время нагрева на первом этапе:

Здесь - теплоемкость сплава В95, средняя на интервале температур первого этапа;

- масса одной детали

-поверхность теплообмена детали.

2.3 РАСЧЕТ ВТОРОГО ЭТАПА

На втором этапе нагрева температура воздушного потока в печи поддерживается постоянной. Изделия нагреваются от до температуры ,заданной технологией. Конвективный теплообмен считается постоянным, а лучистый несколько изменяется.

Определим - коэффициент лучистого теплообмена в конце второго этапа.

Время нагрева на втором этапе:

Суммарное время нагрева на двух этапа:

По достижении заданной температуры процесса начинается самая длительная операция – выдержка садки. Время выдержки принимается равным 12 часам.

Для проведения загрузки и выгрузки садки из печи, требуется около 30 мин = 1800с.

Цикл работы печи: или

3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЕЧИ СТАРЕНИЯ.

Тепловой баланс – сумма затрат тепловой энергии, для выполнения одного цикла.

3.1 ПОЛЕЗНОЕ ТЕПЛО

Это тепло идет на нагрев садки.

где - масса садки.

3.2 ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ТЕПЛО

Это тепло, затрачиваемое на нагрев кассет и прокладок, образующих садку вместе с полуфабрикатами из сплава В95. Принимаем общую массу кассет и прокладок 50кг. Предположим, что материал, из которого сделаны прокладки и кассеты – сталь 45.

Где - теплоемкость стали 45.

3.3 ПОТЕРИ ТЕПЛА.

Конструкция печи показана на рис 3.1 – указан поперечный разрез. Для определения потерь тепла необходимо найти коэффициент теплопередачи от рабочего пространства к окружающему воздуху:

Потери тепла через стены:

При загрузке и выгрузке металла тепло теряется излучением через открытую дверцу печи. Принимаем размеры проема

Лучистые потери определяются по формуле Стефана – Больцмана:

Принимается время открытого состояния дверцы 240с.

В связи с тем, что конструкция печей металлоемка, между внутренним и наружным кожухом имеется связь через металлические крепления. Потери через элементы конструкции называют потерями через “короткие” замыкания. Этот вид потерь учитывают, как 20-30% от потерь через изоляцию стен:

В итоге можно составить баланс тепла – затраты на один цикл:

Определим КПД печи:

Рис 3.1. Конструкция печи. 1 — калорифер, 2 — теплоизоляция, 3 - кожух печи, 4 - каркас, 5 - выдвижной под, 6 - вентилятор.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПЕЧИ

4.1 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

Мощность печи в течении цикла различна. Она максимальна на первом этапе нагрева и в течении второго этапа непрерывно уменьшается, достигая минимального значения, требуемого для компенсации потерь тепла через короткие замыкания и через стены. Поэтому для нахождения параметров нагревателей необходимо рассмотреть баланс тепла для первого этапа нагрева.

Составляющие этого баланса:

В итоге суммируются полученные результаты, и тепловой баланс первого этапа равен:

Мощность печи определяется всегда с некоторым запасом. Это необходимо для обеспечения нормальной работы при пониженном на величину до 10% напряжении а так же для компенсации ухудшения со временем свойств изоляции. Для этого вводят коэффициент запаса К=1,1.

Тогда мощность печи

4.2 МОЩНОСТЬ, ПРИХОДЯЩАЯСЯ НА ОДИН ВЕНТИЛЯТОР

Полученная мощность делится пополам, так как в печи данной конструкции имеется 1 вентилятор. В каждой группе так же размещается по 2 калорифера, последовательно продуваемых воздухом.

Питание каждого калорифера трехфазное. Тогда мощность одной фазы:

Параллельные ветви по 1.75кВт. это мощность одного нагревательного элемента, из которых собирается конструкция калорифера. Нагревательный элемент – спираль диаметром от 30 до 50 мм из проволоки не тоньше 2,5 – 3 мм. Материал – нихром или фехраль.

4.3 РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

Выбирается напряжение 380/220 В. Материал нагревателя фехраль марки ЭИ-60. . Рабочая температура нагревателя 250.

Скорость движения воздуха в калорифере определяется из условия постоянства расхода.

Расход через садку: V=WF, где F – живое сечение для прохода воздуха через садку.

F=1,368-0,645-0,0125=0,71

Живое сечение калорифера на 20% занято расположенными в нем спиралями.

Тогда

Скорость движения воздуха в калорифере:

Выбираем диаметр проволоки 10мм. По графиком из источника /1/ определяем теплоемкость конвекцией:

Излучение с 1 см спирали вычисляем, приняв степень черноты

Суммарный теплоотвод с поверхности нагревателя:

Длина проволоки нагревателя:

Шаг спирали выбирается 5мм, диаметр спирали 30мм.

Тогда полученное число витков:

Длина спирали элемента:

Спираль с запасом монтируется в пространстве калорифера.

5.АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАССЧЕТ ПЕЧИ.

Аэродинамический расчет проводится с целью определения расхода воздуха по тракту циркуляции и для нахождения сопротивлений движению воздуха. Эти данные требуются для подбора вентилятора.

5.1ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ.

Потери энергии потока вычисляются пропорционально “динамическому” напору, то есть величине . Здесь - плотность воздуха при температуре потока /1/.

W- скорость в том или ином сечении контура циркуляции.

Падение давления воздуха вследствие трения определяется по формуле Вейсбаха:

где l- длина участка контура циркуляции;

- эквивалентный диаметр поперечного сечения участка;

- коэффициент сопротивления трения. Эта величина определяется режимом течения воздуха в данном контуре циркуляции или величиной критерия Рейнольдса: , где - кинематический коэффициент вязкости воздуха.

Значение для значений Re порядка определяется формулой Некарудзе: .

Полученные из расчетов данные для каждого канала сводятся к таблицу 5.1.

СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ТРННИЕ. Таблица5.1

№ канала	W, м/с	F,	, м	l, м	,Н	Re		Па
1	15,9	0,45	0,57	1,21	103	1,63	0,0112	2,4
2	10	0,71	0,9	1,14	40,75	1,42	0,0117	0,6
3	7,9	0,89	1,13	1,2	25,43	1,46	0,0016	0,65
4	20	0,355	0,54	1,14	163	1,59	0,0113	4,7

Сумма ,Па

5.2. МЕСТНЫЕ ПОТЕРИ.

Под термином “местные потери” понимают потери энергии в тех местах, где поток воздуха внезапно сужается , расширяется или совершает поворот. В данной печи таких мест достаточно много. Эти потери так же необходимо высчитывать исходя из значения “динамического” напора, умножая его на коэффициент местного сопротивления .

Таким образом: .

Коэффициент местного сопротивления определяется по таблицам из /5/. Для примера можно привести местное сопротивление в виде поворота на при переходе канала 1 в канал 2.

Тогда .

Получаем .

Аналогичным образом вычисляются местные потери в других местах.

Результаты вычислений сводятся в таблицу 5.2.

МЕСТНЫЕ ПОТЕРИ. Таблица 5.2.

№ каналов	Тип местного сопротивления	W, м/с			Примечания
1-2	Поворот	15,9	0,46	39,5	-
2-2	Внезапное сужение	7,1	0,15	2,6	Перед садкой
2-2	Внезапное расширение	10	0,04	13,6	За садкой
2-3	Поворот	7,1	0,53	9,1	-
3-4	Поворот	7,9	0,46	9,8	-
4-4	Диафрагмы в потоке	20	0,19	25,8	В калорифере
4-1	поворот	16	0,46	40,0	-

Сумма ,Па.

Суммарные потери складываются из потерь на трение и “местных” потерь.

Вентилятор выбирается исходя из характеристик вентиляторов /5/. При данных условиях целесообразно применять центробежный вентилятор типа ВРС №8 с диаметром рабочего колеса 750 мм. Для производительности и необходимого напора Н>390,6Па получаем:

n = 750 об/мин, ,

Привод двигателя осуществляется от асинхронного электродвигателя мощностью 28 кВт типа А – 81 – 6 при 975 об/мин через клиноременную передачу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В курсовой работе была спроектирована циркуляционная печь старения алюминиевых сплавов, определены ее габариты и основные технические характеристики. В расчетах была определена температура печи, этапы нагрева, произведен расчет теплового баланса, расчет КПД печи, который равен 0,80. Также найдена мощность печи. В заключении был приведен аэродинамический расчет, в результате которого определили тип вентилятора, нагнетающего горячий воздух в рабочее пространство печи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Свенчанский А.Д. “Электрические промышленные печи”
Колачев Б.А. “Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов” , М.Металлургия, 1981.
Лахтин Ю.М. “Металловедение и термическая обработка металлов” М.Металлургия, 1975.
Кутателадзе С.С. “Теплопередача и гидродинамическое сопротивление” (пособие).
Рысин С.А. “Справочник по вентиляторам” М.Стройиздат, 1995.