Тепловой расчет электропечи сопротивления
Содержание
Введение ------------------------------
Задание-----------------------
1. Расчет времени нагрева изделия
и размеров печи--------------------------
1.1 Определение массивности нагреваемых
изделий-----------------------
1.2 Коэффициент теплоотдачи-------------------
1.3 Определение габаритов печи--------------------------
2. Тепловой расчет электропечи
сопротивления ----------------
2.1 Определение полезной теплоты
------------------------------
2.2 Затраты теплоты на нагрев вспомогательных устройств---------------9
2.3 Определение тепловых потерь
в окружающую среду------------
2.3.1 Тепловые потери через
стенку печи-------------------
2.3.2 Потери теплоты излучением
через отверстие в футеровке.--
2.3.3 Потери теплоты через тепловые короткие замыкания .------------------11
2.3.4 Определение теплоты , аккумулируеиой
кладкой.----------------------
2.4 Установленная мощность печи
.-----------------------------
2.5 Технико-экономические показате
3. Расчет нагревательных
Список литературы.-------------------
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
- Расчет времени нагрева изделия и размеров печи
- 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.
- 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)=
Fм=0,15*0,3*4+0,15*0,15*2=0,
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)
Fп2=800*0,045*0,76/(51,3*0,29)
напряженность пода
Рп=G/Fп=М*Кп / (fм*τн) , кг/(м2ч)
Рп1=51,3*0,36/(0,045*1,05)=
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
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.
- 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
- затраты теплоты на
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
- значение коэффициента теплоотд
Тепловые потери
tп - to
Qст = ------------------------------
δ1/(λ1*F1,2) + δ2/( λ2*F2,3) + 1/(αст *Fст)
где tп , to ̶ соответственно температура внутренней поверхности футеровки печи (принятой равной температуре печи) и окружающей среды, °С; δ1, δ2 – толщина огнеупорных и теплоизоляционных слоев стенки, м; λ1, λ2 –коэффициент теплопроводности огнеупорного и теплоизоляционного слоев стенки, Вт/(м*К); αст - коэффициент суммарной теплоотдачи с внешней поверхности стенки печи в окружающую среду, Вт/(м²*К); Fст(F3) – поверхность наружной стенки печи, м²; F1,2, F2,3 - средняя расчетная поверхность слоев стенки, м².
Расчетная поверхность
отдельного слоя стенки
F1= Fпода*2+2*L*H+2*B*H=1,838*2+2*
F2= (1,838+0,12)*2+2*(1,5+0,12)*(
F3= (1,838+0,36)*2+2*(1,5+0,36)*(
F1,2= √6,46*7,55 =6,98 м2
F2,3 = √7,55*10,39 =8,86 м2
2.3.2 Потери теплоты излучением через отверстие в футеровке.
Для определения
потерь теплоты излучением
- геометрические размеры
- температура и коэффициент излучения печной камеры;
- температура и коэффициент
излучения окружающего
Q31=СₒFотвФ[(Тп/100)4-(Тₒ/100)
где Сₒ=5,7 Вт/(м²*К) – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; Fотв – площадь поперечного сечения отверстия, м²; Ф – коэффициент дифрагмирования ,зависящий от соотношения ширины Х и высоты отверстия D и от толщины стенки; Тп, Тₒ -температура печи и окружающего воздуха, К; τотн – доля времени, в течение которого окно открыто.
Со=5,7 Вт/(м2*К)
Fотв=1,2*0,5=0,6 м2
Ф=0,8
τотн=0,07/0,76 =0,092
Q31= 5,7*0,6*0,8*[1173/100)4-(293 /100)4] = 51593Вт ≈ 51,6 кВт
2.3.3 Потери теплоты через тепловые короткие замыкания .
Тепловые короткие замыкания следует понимать как нефутерованные конструкции ,помещенные частично или полностью внутрь печной камеры (термометры , выводы нагревателей ,валы вентиляторов и т.п.).
Определить
тепловые потери из печной
камеры через тепловые
Qткз = (0,5 – 1,0) Qст
Qткз =0,6*15,4=9,24 кДж
2.3.4 Определение теплоты , аккумулируеиой кладкой.
Qакк = М1 с1 ∆t1+ М2 с2 ∆t2 ,
где М1 , М2 ̶ масса соответственно огнеупорной части футеровки , теплоизоляции ,кг; с1 , с2 ̶ средние удельные теплоемкости огнеупора , теплоизоляции , кДж, (кг* К).
V1=(B+0,12)*(L+0,12)*(H+0,12) - B*L*H
V1=(1,225+0,12)*(1,5+0,12)*(0,
V2=(B+0,36)*(L+0,36)*(H+0,36) - V1 - B*L*H
V2=(1,225+0,36)*(1,5+0,36)*(0,
М1 = V1*ρ1
М1 =0,436 *4000 = 1744 кг
М2= V2*ρ2
М2= 1,19 *1000 = 1190 кг
Qакк = 1744*0,535*120+1190*0,535*100 =125629 Дж =125,6 кДж
2.4 Установленная мощность печи .
Установленная мощность печи определяется по формуле
Pуст =κ Pобщ , Вт, (кВт) ,
где κ ̶ коэффициент запаса принимается в пределах 1,2 - 1,6 ; Pобщ ̶ общий расход теплоты , Вт , (к Вт) .
Для электрической печи Pобщ =Qприх .
Значения Qприх находится при суммировании расходных статей теплового баланса .
Pобщ =Qполезн+Qтары+Qст+Qз 1+Qткз+Qакк
Pобщ = 95+9,4+15,4+51,6+9,24+125,6 = 306,2 кДж
κ = 1,3 - 1,5
Pуст = 1,5*306,2 =459,3 кВт ≈ 460 кВт .
2.5 Технико-экономические показатели работы печи.
Коэффициент использования электроэнергии (топлива)
η кит = 1 - ψ =0,9 ,
где ψ ̶ коэффициент потерь мощности во внешней сети (определяют опытным путем)
Термический (эффективный) коэффициент полезного действия , показывающий ,какая доля электрической энергии используется для данной технологической операции ,
η терм = 100 % *Qпол/Qэл
η терм = 100 % *95 / 306,2 =31,02
3. Расчет нагревательных элементов .
Находим удельную поверхностную мощность Wид , Вт/см2 , идеального нагревателя
Wид= Со*10-4/(1/εн +1/ εм – 1)*[(Tп /100)4 – (Tм /100)4] ,
где εн , εм ̶ степень черноты нагревателя и металла ; Tп , Tм ̶
температура нагревателя и металла ,К.
Wид=5,7*10-4/(1/0,8)+(1/0,5 – 1)*[(1193/100)4 – (1093/100)4]=2,53*0,598 =1,513 Вт/ см2
Тип нагревателя : ленточный зигзаг на полочке
α=0,47
W= α* Wид= 0,47*1,513=0,71 Вт/ см2
Принимают схему электрического соединения нагревателей и находят величину фазового напряжения :
при схеме «треугольник» Uф = Uc
Uc =220В
Толщина ленточного нагревателя с соотношением сторон
m=b/a ,
где a ̶ толщина ленты ,мм ; b ̶ ширина ленты ,мм ,
m=25/3 =8,3
a=3√2*(ρt*P12*1011 /n(m+1)*Uф2*W) ,
где P1 ̶ мощность одной параллельной ветви или мощность одной фазы ,кВт; Uф ̶ напряжение на нагревателе , В; ρt ̶ удельное сопротивление материала нагревателя в горячем состоянии ,Ом*м; W ̶ удельная поверхность мощности нагревателя , Вт/см2.
ρt=110*10-8 Ом*м
a=
P1=P/3n,
n ̶ число параллельных ветвей
P1=460/3*3=51,1 кВт
Определяют длину нагревателя по формуле
L=U2* q / ρt *P1*109 , м ,
Где q ̶ сечение нагревателя ,мм2.
L=2202*19,6 /110*10-8*51,1*109=16,8 м.
Список литературы.
1.Расчет и проектирование
2.Электрические печи сопротивления и дуговые печи : Учебник для техникумов / М.Б.Гутман , Л.С.Кацевич , М. С. Лейканд и др. :Под ред. М.Б.Гутмана. ̶ М. : Энергоатомиздат ,1983. ̶ 360 с.