Розрахунок печі опору непрямої дії

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний  технічний університет України

«Київський  політехнічний інститут»

Кафедра електропостачання

 

 

 

 

РОЗРАХУНОК  ПЕЧІ ОПОРУ НЕПРЯМОЇ ДІЇ

 

 

НТУУ«КПІ» ОН91.04.04.01.2011 ПЗ

(шифр роботи)

 

 

курсова робота з дисципліни

«Споживачі  електричної енергії»

 

 

 

 

 

 

 

Керівник курсової роботи: Виконала:

студентка   Войтович К.Ю.                                                                                        

      Чернявський А.В.                  (прізвище, ініціали) 

        (прізвище, ініціали)

___________________________

Робота захищена з оцінкою:                                                            (підпис, дата)                                                        

 

 

____________________________ гр. ОН-91  

  (оцінка, підпис керівника)

                                                                   

«___»_____________2011 р. Залікова книжка №  ОН-91-03                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2011

 

АНОТАЦІЯ

Курсова робота виконана у вигляді пояснювальної записки на 56 аркушах формату А4, яка включає в себе 11 рисунків, 1 таблицю, 4 додатки, 17 бібліографічних найменувань.

У курсовій роботі розгядається питання вибору печі опору непрямої дії для досягнення заданої мети в проектуванні процесу металообробки. Піч використовують для гартування металевих виробів.У роботі розглядаються такі основні питання як визначення внутрішніх параметрів печі, тепловий та електричний розрахунки печі, розрахунок освітлення місця розташування печі, проектування схеми та вибір мережі живлення печі, двопозиційне регулювання температури печі, техніко-економічні показники нагрівання деталей в печі, енергетичний баланс печі, шляхи підвищення продуктивності печі, економії електричної енергії при експлуатації.

Ключові слова : кабельна лінія, нагрівальний елемент, освітлення, пакет плит, піч опору, плита, садка, світильник, світловий потік, трансформатор струму, фазо-гілка.

 

 

ЗМІСТ

 

АНОТАЦІЯ………………………………………………………………………..2

ВСТУП 4

1 УМОВИ ПРОЕКТУВАННЯ 5

2 ВИЗНАЧЕННЯ ВНУТРІШНІХ ПАРАМЕТРІВ ПЕЧІ 8

3 ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ПЕЧІ 11

4 ЕЛЕКТРИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ПЕЧІ 15

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 52

ДОДАТКИ 53

 

 

 

 

 ВСТУП

Електропечі мають дуже широке розповсюдження в промисловості, транспорті, сільському господарстві та побуті. На багатьох підприємствах електричні печі є основними споживачами електричної енергії. У 50-х роках почали активно розвиватися вакуумні печі опору. Електропечі отримали застосування у всіх галузях промисловості і навіть в побуті. Це обумовлене наступними істотними перевагами їх в порівнянні з паливними печами:

1. Можливість концентрувати виділення великої кількості енергії у досить малих об’ємах та отримувати завдяки цьому дуже великі швидкості нагріву та будь-які необхідні температури.
2. Можливість забезпечити високу рівномірність нагріву виробів як шляхом відповідного розташування джерела виділення тепла по стінкам нагрівальної камери, так і застосуванням примусової циркуляції атмосфери.
3. Легкість регулювання підведеної потужності, а тому, і температури, легкість автоматизації регулювання температурного режиму печі.
4. Зручність механізації та автоматизації процесів завантаження та розвантаження матеріалів або виробів, які піддаються нагріву, та їх пересування в печі, що значно спрощує ввімкнення електричних печей у технологічний потік, у автоматичні лінії та заводи.
5. Легкість герметизації електричних печей, можливість завдяки цьому захистити матеріали і деталі, які нагріваються, від окислення захисною атмосферою або вакуумом, або навпаки, розташувати їх у спеціальну атмосферу для насичення поверхні вуглецем, азотом, або іншими речовинами або в вакуум для обезгаження.
6. Компактність, чистота, зручність обслуговування, покращення умов праці, менше, у порівнянні з паливними печами, забруднення атмосфери.

У електричних печах  опору непрямої дії тепло виділяється  у спеціальних нагрівальних елементах та передається тілам, які нагріваються променеспусканням, конвекцією або теплопровідністю.

У більшій кількості печей непрямої дії теплопередача здійснюється як променеспусканням, так і конвекцією, причому в високотемпературних  або середньотемпературних печах (з робочою температурою більше ніж 700°С) домінує опромінення, а у низькотемпературних печах з примусовою циркуляцією атмосфери нагрів здійснюється у більшій мірі конвекцією.

У печах непрямої дії з рідким теплоносієм, у який занурюються вироби які нагріваються, тепло передається виробам як конвекцією, так і теплопровідністю. Рідкий теплоносій у свою чергу може нагріватися або струмом, який через нього протікає (електродні ванни), або через стінку тигля від нагрівальних елементів (ванни з зовнішнім підігрівом).

 

 

1 УМОВИ ПРОЕКТУВАННЯ

 

Вибираємо складальний цех – складання інструменту .

Здебільшого складальний цех розміщується на великих площах багатопролітних промислових корпусів з висотою до нижнього поясу ферм до 18 метрів та більше при ширині прольоту 18-24 м.

Складання дрібних виробів складається з трьох загальних циклів: вузлового складання окремих частин, наступної чистової збірки та контролю готових виробів. Часто між чистовою збіркою та контролем проводиться цілий комплекс регульовно-накладочних робіт, налаштування, тарировка, градуювання та нагрів виробів. На вузловій та загальній збірці дрібних виробів повинна бути використана система комбінованого освітлення; тільки там, де установка (ОП) місцевого освітлення неможлива внаслідок специфіки технології, допускається використання одного загального освітлення.

Розміри об’єктів розпізнавання в складальних цехах різних галузях промисловості можуть бути досить різноманітні: від 0,1 мм в часовій та ювелірній промисловості до одного чи навіть декількох міліметрів, наприклад при збірці кузова автомобіля.

Умови середовища в більшості складальних цехів нормальні, що дозволяє використовувати для їхнього освітлення відкриті ОП зі степенню захисту ІР20.

Використання ламп ДРИ в освітлювальній установці (ОУ) складальних цехів може зробити освітлення більш економічним та зручним в експлуатації, але потребує спеціальних засобів по покращенню кольорового середовища в приміщенні та зниженню пульсації освітленості на робочих місцях.

     

 

Вихідні дані:

1. Продуктивність печі: Q=6 т/добу.
2. Тепловий ККД: h=0,7.
3. Температура нагрівання плит: t_вир=900 °С.

4. Час нагріву: t_нг=2 год.
5. Час допоміжних операцій: t_доп=0,3 год.
6. Параметри плит:

     довжина L=700 мм;

ширина B=200 мм;

                     висота H=100 мм

7. Регулювання температури у межах: Dt=±40 °С.
8. Потужність цехового трансформатору: S_тр=1000 кВ×А.
9. Матеріал плит – сталь.

 

 

Умови експлуатації:

• в частині впливу кліматичних умов зовнішнього середовища                  по ГОСТ 15543-70 та ГОСТ15150-69;
• висота над рівнем моря до 1000 м;
• температура навколишнього повітря від +5 до +40˚С;
• відносна вологість повітря до 80% при температурі +25˚С;
• навколишнє середовище невибухонебезпечне, з дозволеною концентрацією агресивних газів та парів, пилу в концентрації, що не перевищує вказані в ГОСТ 12.1.005-76.
• розміри робочої зони цеху біля печі:

довжина А=10 м;

ширина В=9 м;

•    висота цеху:

Н=8,4 м;

• мінімальна освітленість приміщення: Е_min = 300 лк;
• коефіцієнти відбиття:

r_1(с)=0,5% - від стелі;

r_2(ст)=0,3% - від стін;

r_3(п)=0,1% - від підлоги;

• Густина матеріалу: γ_в=7650 кг/м³;
• Відстань від внутрішньої кладки до нагрівачів: l₁=0,05 м;
• Конструктивний габарит нагрівачів у плані: l₂=0,05 м;
• Мінімальна відстань від нагрівачів до виробу: l₃=0,05 м;
• Відносний ступінь чорноти поверхні виробу: ε_вир=0,9;
• Ступінь чорноти внутрішньої кладки печі: ε_печі=0,9;
• Ступінь чорноти поверхні нагрівачів: ε_нагр=0,9;
• Коефіцієнт поверхневої потужності ідеального зигзагоподібного нагрівача: α_н=0,46;
• Коефіцієнт запасу: К_з=1,5;
• Коефіцієнт відмінності середнього освітлення від мінімального: z=1,15;
• для піднімання та опускання заслону печі використовуємо асинхронний двигун;
• потужність КЗ на шинах ГПП: S_кз=100 МВА;
• довжина КЛ1: L_кл1=400 м;
• довжина КЛ2: L_кл2=60 м;
• довжина КЛЗ: L_кл3=3 м;
• довжина КЛ4: L_кл4=3 м;
• довжина КЛ5: L_кл5=6 м;
• довжина КЛ6: L_кл6=3 м;
• довжина КЛ7: L_кл7=3 м;
• електрична піч повинна відповідати ТУ 16.531.529-80, по техніці безпеки ГОСТ 12.2.007.9-75;

• режими тарифних зон:
• зона піку: 8-11 год, 17-19 год;
• зона напівпіку: 6-8 год, 11-17 год, 19-22 год;
• зона ночі: 22-6 год.
• тариф на електроенергію – 87,6  коп /(кВт×год)

 

 

 

 

 

2 ВИЗНАЧЕННЯ ВНУТРІШНІХ  ПАРАМЕТРІВ ПЕЧІ

 

Визначення маси одного виробу

,

де   – маса одного виробу, т;

      – густина матеріалу, =7650 кг/м³;

       Н – висота плити, мм;

     L – довжина плити, мм

       В – ширина плити, мм. 

=7650×0,1×0,7×0,2=107,1 кг

Визначення маси однієї садки

,

де    – маса однієї садки, т;

   Q – продуктивність, т/добу;

  t_нг – час нагріву, год;

  t_доп – час допоміжних операцій, год.

 кг.

Визначення кількості виробів, які одночасно нагріваються

,

де    n - кількість виробів, які одночасно нагріваються;

      – маса однієї садки, т;

      – маса одного виробу, т.

Приймаємо n=6 виробів.

Приймаємо кількість  пакетів: =2.

Визначення кількості плит в одному пакеті

де    n^' - кількість плит в одному пакеті;

       n - кількість виробів, які одночасно нагріваються;

        к – кількість пакетів.

плит.

Рисунок 2.1. Розташування плит в пакеті і пакетів у садці

 

Визначення висоти пакету

,

де  - висота пакету, м;

   – висота плити, м;

   - кількість плит в одному пакеті.

=0,1×3=0,3 м

Визначення висоти внутрішньої камери печі

,

де Н_п -   висота внутрішньої камери печі при розміщенні виробів в один пакет, м;

   H_в - висота пакету, м

Н_п=0,3+0,8=1,1 м

Визначення внутрішніх розмірів пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі

а) ширина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі:

В_п=2×(l₁+l₂+l₃)+B_c ,

де В_п - ширина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі, м;

     В_с=2×В+0,05, м – ширина садки;

     В_с=2×0,2+0,05=0,45 м.

В_п=2×(0,05+0,05+0,05)+0,45=0,75 м

б) довжина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі:

L_п=2×(l₁+l₂+l₃)+L_c,

де L_п – довжина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі, м;

     L_с=L– довжина садки; L_с=0,7 м;

      l₁– відстань від внутрішньої кладки до нагрівачів, l₁=0,05 м;

     l₂– конструктивний габарит нагрівачів у печі, l₂=0,05 м;

      l₃– мінімальна відстань від нагрівачів до виробу, l₃=0,05 м.

L_п=2×(0,05+0,05+0,05)+0,7=1 м

 

 3 ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ПЕЧІ

3.1 Розрахунок параметрів нагріву і теплового режиму печі

Визначення кількості  теплоти, яка необхідна для нагріву садки до загальної температури:

,

де  - кількість теплоти, яка необхідна для нагріву садки до загальної температури, Дж;

  С_в - середня теплоємність за цикл нагріву, С_в=0,486×10³  ;

    G_с – маса однієї садки, кг;

   τ_вир і τ_о –кінцева і початкова температури виробу відповідно, °С

Q_кор=0,486×10³×575×(900 - 20) =245,916×10⁶ Дж.

Визначення необхідної корисної потужності нагрівачів:

,

де Р_кор - необхідна корисна потужність нагрівачів, кВт;

   Q_кор - кількість теплоти, яка необхідна для нагріву садки до загальної температури, Дж;

     t_нг – час нагріву виробу, год

 кВт.

Визначення теплоприймаючої  поверхні садки за рахунок прямого опромінення:

F_c=a_в×n×F_б,

де F_c - теплоприймаюча поверхня садки за рахунок прямого опромінення, м²;

     F_б - бокова поверхня садки, м²;

F_б=2×(L×В+B×Н+L×Н)×n,

де L, B, H – геометричні розміри виробу, м;

   n – кількість виробів у пакеті;

F_б=2×(0,7×0,2+0,7×0,3+0,3×0,2)×6=4,92 м²,

    a_в – відносна поверхня садки, що сприймає опромінення безпосередньо від нагрівачів:

a_в = F_опр / (F_опр+ F_неопр ),

де F_опр – поверхня, що опромінюється, м²:

F_опр= F_б+ F_верх= F_б+B×L×k

F_опр=4,92+0,2×0,7×2=5,2 м²,

   F_неопр - поверхня, що неопромінюється, м²

F_неопр= F_нижн = B×L×k

F_неопр=0,2×0,7×2=0,28 м²,

Тоді

F_с=0,95×4,92×6=28,01 м².

Визначення питомого теплового потоку, що приймається одиницею поверхні садки:

,

де q_п - питомий тепловий потік, що приймається одиницею поверхні садки, Вт/м²;

     Р_кор - необхідна корисна потужність нагрівачів, кВт;

     F_c - теплоприймаюча поверхня садки за рахунок прямого опромінення, м²

 кВт/м²

3.2 Розрахунок температурних режимів печі та нагрівачів

Визначення тепловипромінюючої поверхні печі.

Приймаємо, що нагрівачі, які розміщуються щільно та рівномірно

лише на боковій поверхні внутрішньої камери печі, тоді тепловипромінююча поверхня складає:

F_печі=2×Н_п×(B_п+L_п),

 

де F_печі - тепловипромінююча поверхня печі, м²;

   Н_п - висота внутрішньої камери печі при розміщенні виробу в один поверх, м;

   В_п - ширина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі, м;

   L_п – довжина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі, м:

F_печі=2×1,1×(0,75+1)=3,85 м².

Визначення приведеного  коефіцієнту променеспускання від печі садці:

,

де С_п-с - зведений коефіцієнт променеспускання від печі садці;

   e_вир – відносний ступінь чорноти поверхні виробу, e_вир=0,9;

   e_печі - ступінь чорноти внутрішньої кладки печі, e_печі=0,9;

   F_c - теплоприймаюча поверхня садки за рахунок прямого опромінення, м²;

   F_печі - тепловипромінююча поверхня печі, м²;

;

 

Визначення температури у камері печі:

,

де τ_печі - температура у камері печі, °С;

   q_п - питомий тепловий потік, що приймається за 1 с одиницею поверхні садки, Вт/м²;  

   С_п-с - зведений коефіцієнт променеспускання від печі садці;

   t_вир - температура нагріву виробу, t_вир=900°С;

С

Визначення відносної  тепловипромінюючої поверхні нагрівачів, що приймається по даним практики:

,

де F_печі - тепловипромінююча поверхня печі, м²;

   F_нагр – поверхня нагріву печі, м².

Визначення зведеного коефіцієнта  променеспускання від нагрівачів стінками печі:

де С_н-п - зведений коефіцієнт променеспускання від нагрівачів стінками печі;

   F_печі - тепловипромінююча поверхня печі, м²;

   F_нагр – поверхня нагріву печі м²;

   e_печі - ступінь чорноти внутрішньої кладки печі, e_п =0,9;

   e_нагр - ступінь чорноти поверхні нагрівачів, e_нагр=0,9;

Визначення робочої  температури нагрівачів:

де τ_нагр - робоча температура нагрівачів, °С;

   q_п - питомий тепловий потік, що приймається за 1 с одиницею поверхні садки, Вт/м²;

   С_н-п - зведений коефіцієнт променеспускання від нагрівачів стінками печі;

   τ_печі - температура у камері печі, °С;

C

Приймаємо τ_нагр = 950 °С

3.3 Вибір матеріалу нагрівачів

Матеріал нагрівачів вибирається з урахуванням наступних умов:

• атмосфера в печі – звичайна;
• робоча температура – τ_нагр=950 °С;
• максимальна температура нагрівачів:

τ_{нагр max}=τ_нагр+Dt,

де τ_{нагр max} - максимальна температура нагрівачів, °С;

   τ_нагр - робоча температура нагрівачів,°С ;

   Dt - межі регулювання температури, °С;

τ_{нагр max}=950+40=990 °С.

Приймаємо матеріал нагрівача (додаток А): ніхром марки Х15Н60-Н з наступними властивостями:

• питомий електричний опір при τ=20 °С: ρ_о=1,1·10^-6 Ом×м;
• питома густина  матеріалу: g=7900 кг/м³
• температурний коефіцієнт електричного опору: a=0,0001×10^-6 К^-1;
• максимальна робоча температура: τ=1000°С

 

4 ЕЛЕКТРИЧНИЙ РОЗРАХУНОК  ПЕЧІ

 

4.1 Визначення встановленої  потужності і струму навантаження

Визначення встановленої потужності:

,

де Р – встановлена потужність, кВт;

   Р_кор - необхідна корисна потужність нагрівачів, кВт;

   h - тепловий КПД;

 кВт

Визначення струму навантаження в лінії, який живить піч:

,

де І - струм навантаження в лінії, який живить піч, А;

   Р – встановлена потужність, кВт;

   U_ф – фазна напруга, В;

   сos j=1 – коефіцієнт потужності печі

 А.

4.2 Вибір типу та конструктивної компоновки нагрівачів

Оскільки допустима висота секції нагрівачів не перевищує 1,5 м, тому нагрівачі не секціонуємо. Тоді потужність однієї секції:

Р_с=Р,

де Р_с - потужність однієї секції, кВт;

    Р – встановлена потужність, кВт

 кВт.

Так як маємо трьохфазну систему електроживлення, то потужність, яка припадає на одну фазо-гілку  дорівнює:

,

де Р_ф-г - потужність, яка припадає на одну фазо-гілку, кВт;

    Р_с - потужність однієї секції, кВт

 кВт

Схема з’єднання нагрівачів (зірка з загальною заземленою нейтраллю на обидві секції) та чергування фаз живлення рядів нагрівачів зображені на рис. 4.1.

 

                        

Нейтраль	——————
1а фазогілка		Секція
2а   —//—
3я   —//—

 

 

Рисунок 4.1 - Секціонування та фазування нагрівачів печі

 

Визначаємо коефіцієнт використаної питомої поверхневої потужності ідеального зигзагоподібного нагрівача для випадку нагріву стальних виробів:

α_н=0,46

Визначення питомої  поверхневої потужності ідеального нагрівача для τ_вир=900 °С і τ_нагр=950 °С (додаток А):

            

w_ід=0,9 Вт/см²,

де w_ід – питома поверхнева потужності ідеального нагрівача, Вт/см²

Визначення питомої поверхневої потужності реального нагрівача:

w=a_н×w_ід,

де a_н - коефіцієнт використаної питомої поверхневої потужності ідеального зигзагоподібного нагрівача для випадку нагріву стальних виробів, α_н=0,46;

      w_ід – питома поверхнева потужності ідеального нагрівача, Вт/см³

w=0,46×0,9=0,41 Вт/см²

Розрахунок товщини  а і ширини b стрічки нагрівача при стандартному співвідношенні сторін її поперечного перерізу m=b/а:

а= ,

де а – товщина стрічки нагрівача, мм;

   m - співвідношення сторін стрічки поперечного перерізу;

   Р_ф-г - потужність, яка припадає на одну фазо-гілку, кВт;

   U_ф– фазна напруга,В;

   r_г - питомий електричний опір при τ, Ом×м

ρ_г=ρ_о·(1+α·

τ),

де ρ_о – питомий електричний опір при τ=20 , ρ_о=1,1·10^-6 Ом·м;

    α – температурний  коефіцієнт електричного опору, α=0,1·10^-3 К^-1

ρ_г=1,1·10^-6·(1+0,1·10^-3·930)=1,2·10^-6 Ом·м

Тоді

а

мм

   b=m×а – ширина стрічки нагрівача, мм;

    b=10×1,8 =18 мм;

    S=а×b – поперечний переріз стрічки, мм²

S=1,8×18=32,4 мм²

Розміри стрічки нагрівача  приймемо згідно стандартів [16]:

а= 2 мм;

b= 20мм;

S= 40 мм²

Визначення опору фазо-гілки нагрівача:

,

де R_ф-г - опір фазо-гілки нагрівача, Ом;

   U_ф – фазна напруга, В

   Р_ф-г - потужність, яка припадає на одну фазо-гілку, кВт

 Ом

Визначення довжини стрічки на фазо-гілці:

а,

де L_ф-г - довжина стрічки на фазо-гілці, м;

   R_ф-г - опір фазо-гілки нагрівача, Ом;

   а– товщина стрічки нагрівача, м;

   b – ширина стрічки нагрівача, м;

   r_г - питомий електричний опір, Ом×м

 м

Перевірка:

,

де Р_ф-г- потужність однієї фазо-гілки, Вт;

   L_ф-г- довжина нагрівача однієї фазо-гілки, см;

   П- периметр перерізу нагрівача, см;

П=2·(а+b)=2·(2+20)=44 мм =4,4 см

 В/см²

Розбіжність значення ω  відповідає допустимим нормам ±10%.

Перевірка виконується.

Визначення маси нагрівача  однієї фазо-гілки:

G_н.ф-г=g_н×L_ф-г×а×b,

де G_н.ф-г – маса нагрівача однієї фазо-гілки;

  L_ф-г - довжина стрічки на фазо-гілці, м;

  g_н – питома щільність, кг/м³;

    а×b – поперечний переріз стрічки, мм²

G_н.ф-г=7900×99,2×40×10^-6=31,3 кг

Визначення маси нагрівачів всієї печі:

G_н=n_c×n_ф G_н.ф-г ,

де G_н - маса нагрівачів всієї печі, кг;

  n_с – кількість секцій, n_с=1;

   n_ф – кількість фаз електромережі, яка живить, n_ф=3;

  G_н.ф-г - маса нагрівача однієї фазо-гілки, кг

G_н=1·3·31,3=93,3 кг

Розрахунок параметрів зигзагу стрічкового нагрівача (рис. 4.3):

Рисунок 4.3 - Конструктивні параметри нагрівачів

 

Визначення радіусу  заокруглення на установочних гачках:

r=3×а,

де r - радіус заокруглення на установочних гачках, мм;

  а – товщина стрічки нагрівача, мм

r=3×2=6 мм.

Визначення конструкційної довжини секції зигзагу в одній фазо-гілці:

L_н=L_п+B_п - 4×l₁ - 4×b,

де L_н - конструкційна довжина секції зигзагу в одній фазо-гілці, м;

   L_п – довжина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі, м;

    В_п - ширина пічної камери при розташуванні нагрівачів тільки на бічній поверхні печі, м;