Расчет печи косвенного действия

Содержание

 

1. Введение

2. Техническое задание

3. Расчёт нагрева металла

3.1 Определение "массивности" нагреваемых тел

3.1.1 Коэффициент теплоотдачи

3.1.2 Коэффициент теплопроводности

3.1.3 Расчётная прогреваемая толщина нагреваемого тела

3.2 Расчёт нагрева теплотехнически "тонких" тел

3.2.1 Расчёт "тонкого" тела при постоянной температуре печи

4. Определение габаритов печи

5. Выбор огнеупорных и теплоизоляционных материалов конструкции и толщины стен, свода и пода печи, составление рабочего эскиза печи

5.1 Выбор огнеупорных и теплоизоляционных материалов

5.2 Конструкции кладки печей

5.2.1 Рекомендуемые конструкции кладки стен печи

6. Тепловой расчет электропечей сопротивления

6.1 Определение тепла, пошедшего на нагрев вспомогательных устройств

6.2 Определение удельных тепловых потерь стенки

6.3 Определение расчетных поверхностей

6.4 Определение потерь через отверстие

6.5 Потери тепла на короткое замыкание составляет около 90% от потерь через кладку

6.6 Неучтенные потери

6.7 Выходное количество тепла

6.8 Определение мощности

6.9 Определение КПД печи

7. Расчет электрических нагревательных элементов

7.1 Нагревательные элементы соединяют в звезду

7.2 Определение диаметра проволоки

7.3 Сечение проволоки

7.4 Проволочные сопротивления располагают в виде цилиндрической спирали

7.5 Длина витка спирали

7.6 Длина выводов нагревателя

7.7 Длина проволоки в спирали без выводов

7.8 Количество витков в спирали

7.9 Длина спирали одного элемента l=h2, мм, l=14316=4,4м

Список использованной литературы

 

1. Введение

 

Электропечи косвенного нагрева  с элементами сопротивления широко распространены не только во всех отраслях промышленности, но и в быту. Основные преимущества печей с элементами сопротивления следующие:

возможность равномерного нагрева  при соответствующем расположении нагревателей и устройства циркуляции печной атмосферы при нагреве  в расславленных солях;

удобство и простота регулирования  температуры как ручного, так  и автоматического;

компактность, чистота и  создание культурных условий для  обслуживающего персонала;

возможность и удобство применения контролируемых атмосфер и вакуума.

К недостаткам таких печей  следует отнести необходимость  периодической смены нагревателей (элементов сопротивления) и высокие затраты энергии на нагрев печи и изделий, доведение рабочего пространства до требуемой температуры.

В металлообрабатывающей  промышленности электропечи косвенного нагрева применяются:

для сушки изделий небольших  размеров, но выполненных с большой  точностью;

термообработки различных  деталей и заготовок;

нагрева цветных сплавов  и под обработку давлением;

плавление цветных сплавов  на алюминиевой и магниевой основе;

нагрева под термообработку и обработку давлением в вакууме  и контролируемых атмосферах.

Типы и конструкции  печей с элементами сопротивления  многочисленны и разнообразны. Их можно разделить по температурам нагрева:

низкотемпературные tн=600 - 650°С;

среднетемпературные tн= (600 - 650) - (1150 - 1200)°С;

высокотемпературные tн=1200°С.

Каждая конструкция из этих печей может быть разделена  на:

печи с периодической  загрузкой (камерные, шахтные, с выдвижным  подом и др.);

печи с непрерывной  загрузкой (толкательные - проходные, конвейерные, с роликовым подом и др.).

Конвейерная печь - печь непрерывного действия с перемещением садки на горизонтальном конвейере.

Под печи представляет собой  конвейер - полотно, натянутое между  двумя валами, которые приводятся в движение специальными двигателями. Нагреваемые изделия укладываются на конвейер и передвигаются на нем  через рабочее пространство печи. Конвейерная лента может быть выполнена плетеной из нихромовой сетки, штампованных пластин и соединяющих их прутков, а также для тяжелых нагреваемых изделий - из штампованных или литых цепных звеньев.

Конвейер размещается  целиком в камере печи и не остывает. Однако валы конвейера находятся  в очень тяжелых условиях и  требуют водяного охлаждения. Поэтому  часто концы конвейера выносят  за пределы печи. В этом случае значительно  облегчаются условия работы валов, но возрастают потери теплоты в связи  с остыванием конвейера у разгрузочных и загрузочных концов. Нагреватели  в конвейерных печах чаще всего  размещаются на своде или в  поду под верхней частью ленты  конвейера, реже - на боковых стенках.

Конвейерные нагревательные печи в основном применяются для  нагрева сравнительно мелких деталей  до температуры около 1200 К.

 

2. Техническое задание

 

Рассчитать и спроектировать нагревательную печь:

Тип печи электрическая

Производительность печи,900 кг/ч

Температура нагрева, 300°С

Размер деталей d=170mm,l=350 mm

Материал сталь ст 35

Топливо мазут М80

 

3. Расчёт нагрева металла

 

Определениепродолжительностинагреваобрабатываемойзаготовкиилидеталисвязаноспроизводительностьюпечииразмерамиподапечи,накоторомрасполагаетсянагреваемыйматериал. Поэтомуправильноеопределениевременинагреваимеетбольшоезначениеприрасчетеиконструированиинагревательныхпечей.

3.1Определение "массивности" нагреваемыхтел

 

Методырасчетанагреваметалла (заготовки,детали) зависятоттого,ккакойкатегориинагреваемоетеломожноотнести,ккатегориитеплотехнически "тонких" или "массивных" тел. "Тонкими" теламисточкизрениянагреваназываютсятакиетела,укоторыхразностьтемпературпосечениютеланевеликаиеюможнопренебречь - считать,чтотемпературапосечениютелапринагревеодинаковая. "Массивными" сточкизрениянагреваявляютсятакиетела,укоторыхразностьютемпературпосечениюпренебрегатьнельзя. "Массивность" телпринагревеопределяетсябезразмернойвеличиной - числомподобияБио (Bi):

 

Bi= ·S/ ,

 

где - среднийкоэффициентпередачитепланаповерхностьнагреваемоготела, .

- среднийкоэффициенттеплопроводностинагреваемоготела,Вт/ (м·град).

S - расчётнаяпрогреваемаятолщинанагреваемоготела,м.

ЕсличислоподобияВi<0,25,топродолжительностьнагреваможноопределитьпоформуламдля "тонких" тел,еслижеВi>0,5,топоформулам(играфикам) длятеплотехнически "массивных" тел. Призначениях0,25<Bi<0,5нагреваемыеизделиянаходятсявпереходнойобласти,которуюприприближенныхрасчетахследуетотнестикобласти "тонких" тел,априточныхрасчетахкобласти "массивных" тел.

3.1.1Коэффициенттеплоотдачи

КоэффициенттеплоотдачивформуледляопределениячислаподобияБиохарактеризуетинтенсивностьпереносатеплавпечинаповерхностьнагреваемоготела (Вслучаеохлаждениятелаонхарактеризуетинтенсивностьтеплоотдачисповерхностиохлаждаемоготелакокружающейсреде).

Коэффициенттеплоотдачискладываетсяизкоэффициентатеплоотдачилучеиспусканиемикоэффициентатеплоотдачиконвекцией:

 

 

Коэффициенттеплоотдачиконвекцией внагревательныхпечахбезискусственнойциркуляциипродуктовгоренияизменяетсянезначительноиможетбытьпринят =10-20 .

Коэффициенттеплоотдачилучеиспусканиемприпостояннойтемпературепечиопределяетсяпоформуле:

 

[ (Т_п/100) ^{4 - (}Т_м/100) ⁴] / (Т_п-Т_м), ,

 

где - температурапечи,К.

Тм - температураметалла,К.

- приведённыйкоэффициентлучеиспускания.

 

, ,

 

где =5,7 - коэффициентизлученияабсолютночёрноготела.

- степеньчернотыповерхностинагреваемоготела0,6.

- степеньчернотыстенокнагревательнойкамерыпримерно0,9.

- тепловоспринимающаяповерхностьнагреваемогометалла,м .

- внутренняяповерхностьстенкамерыпечи,м .

Отношением / приходитсязадаваться: 0,6-0,7.

 

=3,27 .

[ (1113/100) ^{4 - (}1053/100) ⁴] / (1113 - 1053) =51 .

=51+15=65

3.1.2Коэффициенттеплопроводности

Коэффициенттеплопроводностиλхарактеризуетспособностьтелапроводитьтеплотуизависитотприродывещества,егоструктуры,температурыинекоторыхдругихфакторов.

Коэффициенттеплопроводностиλможноопределитьпоформуле:

 

,Вт/ (м·К),

 

где

=0,83 - среднее,дляпроцессанагрева,значениекоэффициентаучитывающеговлияниетемпературыметалланазначениетеплопроводности.

- величинатеплопроводностипри0°С:

 

=26,8Вт/ (м·К).

=22,2Вт/ (м·К).

3.1.3Расчётнаяпрогреваемаятолщинанагреваемоготела

ОтношениеSкполнойтолщиненагреваемоготелаАназываетсякоэффициентомнесимметричностинагреваμ:μ=S/A, μ=0,5

Bi=66·0,025/22,2=0,07<0,25 - нагреваемоетелоявляетсятеплотехнически "тонким".

3.2 Расчётнагреватеплотехнически "тонких" тел

3.2.1 Расчёт "тонкого" телаприпостояннойтемпературепечи

 

= ,

 

t_{м. н. -} начальнаятемператураметалла, (20°С)

t_{м. к. -} конечнаятемператураметалла,°С

с - массоваятеплоемкость,кДЖ/ (кгК)

М - массанагреваемогоизделия,кг

Fм - тепловоспринимающаяповерхностьметалла,м²

 

с=0,52кДж/кгК

М=ρV;

ρ=7850кг/м³; V=πr²h=3,14*0,04²*0,18=9,04*10^-4

М=7850*9,04*10^-4=7,1кг

Fм=2πr (h+r) =2*3,14*0,04* (0,18+0,04) =0,055м²

Красп=2,0; 1,65; 1,35

электрическая конвейерная печь тепловой

 

4. Определениегабаритовпечи

 

Определениеразмеровконвейернойлентыпечиведётсяисходяизпроизводительностипечи,продолжительностинагревазаготовкиприпринятомрасположениизаготовоквпечи. ОбычнозадаётсявесоваяпроизводительностьпечиGкг/ч; знаявеснагреваемойзаготовкиМкг/шт., можноопределитьштучнуюпроизводительностьN:

 

N=G/М,шт. /ч., М=7,1кг

N=350/7,1=49шт. /ч.

 

Задавшисьрасположениемзаготовок - расстояниеммеждусоседнимизаготовками - иопределивпродолжительностьнагревазаготовкиприэтомрасположении,можноопределитьколичествозаготовокn,котороедолжнобытьодновременновпечи:

 

n=N·

n₁=49*1=49шт.

 

Примем5рядовзаготовокпоширинепечи: 10шт. - подлине, тогдаширинаподабудет900мм,длинабудет10∙180=1800мм.

Крометого,надодатьнекотороерасстояниеоткрайнихзаготовокдостенокпечи100-150мм.

Дадимпоширине150мм. Тогдаобщиеразмерыподабудут: ширина

 

В=900+2·150=1200ммидлинаL=2100мм,площадь1,2·2,1=2,5

 

Напряженностьподабудет

 

350/2,5=5,8

 

5. Выборогнеупорныхитеплоизоляционныхматериаловконструкцииитолщиныстен,сводаиподапечи,составлениерабочегоэскизапечи

5.1 Выборогнеупорныхитеплоизоляционныхматериалов

 

Обычнодляпостройкитермическихпечейиспользуютсявкачествеогнеупорногоматериалашамотныйкирпич (обычныйилегковесный) ирежевысокоглиноземистыйииногдакорборундовыекирпичииизделия. Последниевредкихслучаях.

Вкачестветеплоизоляционныхматериаловиспользуются: диатомитовыйкирпич,вермикулитовыеплиты,асбоцементныеплиты,атакжезасыпки: асбестовые,диатомититрепел,шлаковаяиминеральнаявата.

Исходяизтемпературыврабочемпространствепечи1050°Сограничиваемсятеплоизоляционнымматериаломввидепеношамота. Еготеплофизическиесвойства:

Температураначаладеформированияподнагрузкой0,2МН/м - 1280°С.

Объёмнаямасса - 600кг/м .

Коэффициенттеплопроводностивзависимостиоттемпературы -

 

=0,1+0,000145·tВт/ (м·К).

 

Средняятеплоёмкость - 0,835кДж/кг·К.

Максимальнаятемператураприменения - 1100°С.

5.2 Конструкциикладкипечей

 

Конструкциякладкипечейзависитпреждевсегоотрабочейтемпературыпечиирежимаработы. Дляпечей,работающихнепрерывно,такчтовстенах,сводеиподупечиустанавливаетсястационарноераспределениетемператур,применяютсяодниогнеупорыиодниконструкции. Дляпечейже,работающихпериодически,когдамноготеплаидётнаразогревкладки,применяютсядругиематериалыидругиеконструкциикладки. Точнотакжеприболеевысокихиприболеенизкихтемпературахпечиконструкциикладкииспользуютсяразные. Потребованиютехникибезопасноститемпературанаружнойповерхностикладкинедолжнапревышать50°С.

5.2.1Рекомендуемыеконструкциикладкистенпечи

Стенынагревательныхтермическихпечейобычносостоятизвнутреннегоогнеупорногослояинаружноготеплоизоляционного. Толщинавнутреннегослояприменяетсявпределахот1/2кирпича (115мм) до1кирпича (230-250мм) исоответственнонаружноготеплоизоляционногослоявпределахот1/2кирпича (115мм) до1кирпича (230-250мм). Еслитемпературанаружногослояполучитсябольше50°С,тослойтеплоизоляционногоматериаласоответственноувеличивается.

Стеныпечи,подисводсостоитиздвухслоев:

1 - огнеупорныйслойшамота,толщинойв0,5кирпича, _ш=115мм.

2 - изоляционныйслойпеношамотав1кирпич _пш=250мм.

 

6. Тепловойрасчетэлектропечейсопротивления

 

(780-20)

Qполез=350*0,523,6=38422

6.1Определениетепла,пошедшегонанагреввспомогательныхустройств

 

Принимаемсталь30

 

Qт=Gc (t2-t1), где

с=0,212Втч/кгºС

 

G - весвспомогательногоустройства

 

V=LBU,где

U - толщина

U=0,02м=20мм

V=0,3550,02=0,01м³

G=78500,02=78,5кг

Qт=78,50,212 (830-400) =7,2кВт

6.2Определениеудельныхтепловыхпотерьстенки

 

,где

 

t1,t2 - температурывнутреннейивнешнейповерхностифутеровки

S1,S2 - толщинаслоевфутеровки

λ1,λ2 - коэффициенттеплопроводностиматериаловотдельныхслоев.

Определимтепловоесопротивлениеслоевфутеровки. Длядвухслойнойкладкив1мприближенноможнопринять,чтосредняятемпературашамотногослоя:

 

tс=0,5 (810-20) =365ºС

tср=0,5 (tвн+tс) =0,5 (810+365) =557,5ºС

 

гдеtвн - температуравнутреннейкладки

tв - температуравоздухавцехе

 

tср2=0,5 (tc+tв) =0,5 (557,5+20) =288,75ºС

 

Шамотногоλ1=0,96Вт/м²К

Диатомогоλ2=0,16Вт/м²К

Тогдасуммарноетепловоесопротивлениекладки:

 

, где

 

S1иS2 - толщинаслоев232мм

 

αл+к=70,1Вт/м2К; 1/αл+к=1/70,1=0,01

6.3Определениерасчетныхповерхностей

 

а) F1бок. ст=2,21,2=4,73м²

б) F1пода=3,140,62=1,13м²

в) F1торец=3,140,62=1,13м²

Fрасч. общ=Fa+Fб+Fв=2,64+1,13+1,13=4,9м²

 

Следовательно

 

Q6=3124,9=1,5кВт

6.4Определениепотерьчерезотверстие

 

, где

 

Fакт - активнаяповерхность

 

Fакт=FотвКν

 

Кν - коэффициентдифрагированияоконногопроема

Кν=0,4, Fотв=ВН

(размерыокнавыбираютконструктивно)

 

Fакт=ВНКν=0,90,50,4=0,18м2

 

Сприв=16,72

 

6.5Потеритепланакороткоезамыканиесоставляетоколо90%отпотерьчерезкладку

 

Qткз=0,9Q6=0,91,5=1,35кВт

 

6.6Неучтенныепотери

 

(принимаютвразмере20%отучтенных)

 

Qуч=Q6+Q5+Q7+Qктз

Qуч=1,5+8,25+7,2+1,35=19,9кВт

Qнеучт=0,2Qуч=0,219,9=3,98кВт

6.7 Выходноеколичествотепла

 

Qрасход=Q1+Q6+Q5+Qт+Qктз+Qнеучт

Qрасход=38,4+1,5+8,25+7,2+1,35+3,98=60,38кВт

6.8Определениемощности

 

W=Qрасход1,4,где1,4 - коэффициентзапаса

W=60,381,4=84,53кВт

6.9ОпределениеКПДпечи

 

,

 

гдеQполезн=Q1

 

 

ОпределяемтермическийиэффективныйКПДпечи.

ТермическимКПДназываетсятакойприрасчётекоторогополезноизрасходованноетеплоотноситсяковсемуприходуилирасходутепла,аэффективнымКПДназываетсятакойприрасчётекоторогополезноизрасходованноетеплоотноситсятолькоктеплу,введённомутопливом:

 

,%

КПД_терм= (1543850/ (36147,78∙108,23+141250)) ·100%=38,1%

,%

КПД_эфф= (1543850/ (108,23·34289,78)) ·100%=63,6%.

 

Дляподборагорелокполученныйрасходтопливаувеличиваютна20-40%,учитываявозможностьработыпечисповышеннойпроизводительностью,атакжеувеличениепотерьвокружающеепространствоиз-заизносакладкиидругихпричин.

 

7. Расчетэлектрическихнагревательныхэлементов

7.1Нагревательныеэлементысоединяютвзвезду

 

 

Vф - фазовоенапряжение

Vл - линейноенапряжение

7.2Определениедиаметрапроволоки

 

Р1=Руст. /3

 

Руст=k*Pобщ, гдеk-коэффициентзапаса, принимаетсяk=1,3

 

Робщ=Qприх

Р1=1,3*38,4/3=16,5

 

ρ - удельноесопротивлениематериаланагревателяприданныхтемпературах (830-850ºС) выбираемпроволокуизсплаваХ13Ю5.ρ=1,33Оммм2/м

Рл. в. - мощностьоднойпараллельнойветви20кВт

V - напряжениепитающейсети380В

W - удельнаяповерхностнаямощностьнагревателя

Wид - идеальнаяповерхностнаямощностьнагревателя

 

W=0,495,9=2,9Вт/см2

7.3Сечениепроволоки

 

7.4Проволочныесопротивлениярасполагаютввидецилиндрическойспирали

 

Кс - коэффициентсердечникаКс=5

Кн - коэффициентплоскостинамоткиКн=4

 

Кс=D/d; Кн=h/d

D=Ксd=53,7=18,5мм

h=Кнd=43,7=14,8мм

7.5Длинавиткаспирали

 

Lвит=пD=3,1418,5=58,09мм

7.6Длинавыводовнагревателя

 

Lвыв=в+100,

 

гдев - толщинастенокпечи,мм

 

Lвыв=2232+100=564мм

7.7Длинапроволокивспиралибезвыводов

 

Lсп=Lп. в.103-2Lвыв,мм

Lсп=19,5103-2564=18372мм

7.8Количествовитковвспирали

 

7.9Длинаспиралиодногоэлементаl=h2,мм, l=14316=4,4м

 

Внагревательнойпечирасполагаем,проволочныенагревателиввидеспираликерамическихтрубкахнабоковыхстенкахиподподомпечи.

Основныепараметрыспирали:

 

D=17,4ммh=14мм

d=3,7ммl=4424мм

 

Списокиспользованнойлитературы

 

1. АкименкоА.Д., СкворцовА. А,УльяновВ.А., ГущинВ. Н,Смольков "Нагревательныепечииустройствавкузнечно-штамповыхитермическихцехах",Н.Н., 2000

2. СкворцовА.А. "Нагревательныеустройства", М., 1965

3. СкворцовА.А. "Электрическиепромышленныепечи",М., 1971

4. СвенчанскийА.Д. "Электрическиепромышленныепечи",М., 1958

5. КацевичА.С. "Расчетконструкцийэлектрическихпечей",М., 1977

6. УльяновВ.А., ГущинВ.Н., КитаевЕ.М. - Методическиеуказанияпокурсовомуидипломномупроектированию,Н.Н., 2000

Размещено на Allbest.ru