Расчет и проектирование электрической камерной печи

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Р.Е.АЛЕКСЕЕВА

 

Кафедра «Теплофизика, автоматизация и экология печей»

 

 

 

 

 

 

 

Расчет и проектирование электрической камерной печи

(наименование  темы курсовой работы)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по ТЕПЛОТЕХНИКЕ

 

 

 

 

 

 

Руководитель

                                                                                                                      __________  Гущин В.Н.

        (подпись)                                                    (ф, и. о.)

«____»____________________2013

 

                                                                                                                   Студент         Тюрин Д. Ю.

                                           (ф, и. о.)

________________       12–МЕТ-1

  (подпись)                                 (группа)

                                                                                                          «____»___________________2013

 

Проект защищен                                                                                                                                                           «____»_____________________2013

 

с оценкой________________________

 

Зачетная книжка №  120763

 

 

 

 

Содержание

1. Задание.
2. Введение.
3. Расчет нагрева металла.
4. Определение размеров пода.
5. Выбор огнеупорных и теплоизоляционных материалов конструкции и толщины стен, свода и пода печи, составление рабочего эскиза печи.
6. Тепловой расчет электропечей сопротивления.
7. Расчет электрических нагревательных элементов.
8. Литература.

 

 

1. Техническое  задание

 

Рассчитать и спроектировать нагревательную печь:

Тип печи: камерная электрическая

Производительность печи: 700 кг/ч

Температура нагрева: 600 °С

Размер деталей: а=100mm, b=200mm, l=200mm

Материал сталь: 40

Топливо: электричество (380/220В) 
2. 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.).

Электрическая печь с замкнутым  циклом циркуляции для нагрева мелких металлических изделий в слое или длинномерных изделий. Это шахтная печь, предназначенная для отпуска стальных изделий, в которую вставляется выполненные из жароупорного материала корзины с решетчатым или перфорированным дном, заполненные изделиями, подлежащими нагреву. Нагреватели расположены по бокам печи, вокруг корзины, но они отделены от нее жаропрочным экраном. Внизу печи расположен вентилятор, прогоняющий нагретый воздух чрез корзины. Шахтные печи СШО мощностью от 2,5 до 160 кВт позволяют проводить нагрев изделий до температуры 760°С и обеспечивают равномерность нагрева загрузки до ± 5 °С. Шахтная печь с открывающейся крышкой. Здесь загрузка и выгрузка изделий осуществляется через верхнее отверстие печи, и поэтому они могут быть механизированы с помощью цехового крана или расположенного над печью тельфера. Подъем и отвод крышки в сторону осуществляется с использованием крана, тельфера или с помощью специального гидравлического или электромеханического механизма.

 

 

 

3. Расчёт нагрева металла

 

Определение продолжительности нагрева обрабатываемой заготовки или детали связано с производительностью печи и размерами пода печи, на котором располагается нагреваемый материал. Поэтому правильное определение времени нагрева имеет большое значение при расчете и конструировании нагревательных печей.

 

3.1 Определение «массивности» нагреваемых тел

Методы расчета нагрева металла (заготовки, детали) зависят от того, к какой категории нагреваемое тело можно отнести, к категории теплотехнически «тонких» или «массивных» тел. «Тонкими» телами с точки зрения нагрева называются такие тела, у которых разность температур по сечению тела невелика и ею можно пренебречь – считать, что температура по сечению тела при нагреве одинаковая. «Массивными» с точки зрения нагрева являются такие тела, у которых разностью температур по сечению пренебрегать нельзя. «Массивность» тел при нагреве определяется безразмерной величиной – числом подобия Био (Bi):

Bi= ·S/ ,

где – средний коэффициент передачи тепла на поверхность нагреваемого тела, .

       – средний коэффициент теплопроводности нагреваемого тела, Вт/(м·град).

       S – расчётная прогреваемая толщина нагреваемого тела, м.

Если число подобия Вi<0,25, то продолжительность нагрева можно определить по формулам для «тонких» тел, если же Вi>0,5, то по формулам (и графикам) для теплотехнически «массивных» тел. При значениях 0,25<Bi<0,5 нагреваемые изделия находятся в переходной области, которую при приближенных расчетах следует отнести к области «тонких» тел, а при точных расчетах к области «массивных» тел.

 

3.1.1 Коэффициент теплоотдачи

 

Коэффициент теплоотдачи в формуле для определения числа подобия Био характеризует интенсивность переноса тепла в печи на поверхность нагреваемого тела (В случае охлаждения тела он характеризует интенсивность теплоотдачи с поверхности охлаждаемого тела к окружающей среде).

Коэффициент теплоотдачи складывается из коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием и коэффициента теплоотдачи конвекцией:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией в нагревательных печах без искусственной циркуляции продуктов горения изменяется незначительно и может быть принят =10–20 .

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием при постоянной температуре печи определяется по формуле:

[(Тп/100)4 - (Тм/100)4] / (Тп-Тм) , ,

где – температура печи, К.

Тм – температура металла, К.

 

 

 

      – приведённый коэффициент лучеиспускания.

, ,

 

где =5,7 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

      – степень черноты поверхности нагреваемого тела 0,6.

      – степень черноты стенок нагревательной камеры примерно 0,9.

     – тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, м .

     – внутренняя поверхность стен камеры печи, м .

Отношением / приходится задаваться: 0,6–0,7.

=3,27 .

 

[(953/100)4 - (873/100)4] / (953 - 873) = 100 .

=100+14=114

 

3.1.2 Коэффициент теплопроводности

 

Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность тела проводить теплоту и зависит от природы вещества, его структуры, температуры и некоторых других факторов.

Коэффициент теплопроводности λ можно определить по формуле:

, Вт/(м·град),

где =0,83 – среднее, для процесса нагрева, значение коэффициента учитывающего влияние температуры металла на значение теплопроводности.

       – величина теплопроводности при 0 °С:

=26,8 Вт/(м·град).

=22,2 Вт/(м·К).

 

 

 

3.1.3 Расчётная прогреваемая толщина нагреваемого тела

 

Отношение S к полной толщине нагреваемого тела a называется коэффициентом несимметричности нагрева μ. Он зависит от формы и способа расположения изделий в печи, а его величина колеблется в пределах 0,4-1.

 

μ=0,5

S= μa=0,5*100=50

 

Bi=114·0,05/22,2≈0,257  (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. Расчёт нагрева теплотехнически «тонких» тел

 

3.2.1. Расчёт «тонкого» тела при постоянной температуре печи

 

= ,

 

 tм.н. – начальная температура металла, (20 °С)

 tм.к. – конечная температура металла, °С

 с – массовая теплоемкость, кДЖ/(кг К)

 

М – масса нагреваемого изделия, кг

 

Fм – тепловоспринимающая поверхность металла, м2

 

с = 0,534 кДж/кг К

 

М = ρ V;

 

ρ=7850 кг/м3 ; V= а*b* l = 0,8*10-3

 

М = 7850*0,8*10-3= 6,28 кг

 

Fм = 4*a*l+2*a*b = 4*0.05*0,2+2*0.07*0.08 = 0,0512 м2

 

Красп = 3,0; 2,2; 1,6

 

= = 2085с = 0,58ч

 

= = 1529с = 0,43ч

 

= = 1112с = 0,3ч

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Определение  размеров пода печи

 

Определение размеров пода печи ведётся исходя из производительности печи, продолжительности нагрева заготовки при принятом расположении заготовок в печи. Обычно задаётся весовая производительность печи G кг/ч; зная вес нагреваемой заготовки М кг/шт., можно определить штучную производительность N:

N=G/М, кг ./ч.

М=6.28 кг

N=700/6,28=111 шт./ч.

Задавшись расположением заготовок – расстоянием между соседними заготовками – и определив продолжительность нагрева заготовки при этом расположении, можно определить количество заготовок n, которое должно быть одновременно в печи:

n=N·

n 1=111·0,43=48 шт.

Примем 4 рядов заготовок по ширине печи : 4 шт. -по длине , тогда  ширина пода будет

370 мм, длина будет  4∙200+8*48= 1184 мм.

Кроме того, надо дать некоторое расстояние от крайних заготовок до стенок печи 100-150 мм.

Дадим по ширине 150 мм. Тогда  общие размеры пода будут: ширина

В=370+2·150=670мм и длина L=1340 мм, площадь 0,670·1,340=0,89  

Напряженность пода будет 700/0,89=787

.

 

 

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

 

Обычно для постройки термических печей используются в качестве огнеупорного материала шамотный кирпич (обычный и легковесный) и реже высокоглиноземистый и иногда корборундовые кирпичи и изделия. Последние в редких случаях.

В качестве теплоизоляционных материалов используются: диатомитовый кирпич, вермикулитовые плиты, асбоцементные плиты, а также засыпки: асбестовые, диатомит и трепел, шлаковая и минеральная вата.

Исходя из температуры в рабочем пространстве печи 1050 °С ограничиваемся теплоизоляционным материалом в виде пеношамота. Его теплофизические свойства:

Температура начала деформирования под нагрузкой 0,2 МН/м – 1280 °С.

Объёмная масса – 600 кг/м .

Коэффициент теплопроводности в зависимости от температуры – =0,1+0,000145·t Вт/(м·К).

Средняя теплоёмкость – 0,835 кДж/кг·К.

Максимальная температура применения – 1100 °С.

 

5.2. Конструкции кладки печей

 

Конструкция кладки печей зависит прежде всего от рабочей температуры печи и режима работы. Для печей, работающих непрерывно, так что в стенах, своде и поду печи устанавливается стационарное распределение температур, применяются одни огнеупоры и одни конструкции. Для печей же, работающих периодически, когда много тепла идёт на разогрев кладки, применяются другие материалы и другие конструкции кладки. Точно так же при более высоких и при более низких температурах печи конструкции кладки используются разные. По требованию техники безопасности температура наружной поверхности кладки не должна превышать 50 °С.

 

5.2.1 Рекомендуемые конструкции кладки стен печи

 

Стены нагревательных термических печей обычно состоят из внутреннего огнеупорного слоя и наружного теплоизоляционного. Толщина внутреннего слоя применяется в пределах от 1/2 кирпича (115 мм) до 1 кирпича (230-250 мм) и соответственно наружного теплоизоляционного слоя в пределах от 1/2 кирпича (115 мм) до 1 кирпича (230-250 мм). Если температура наружного слоя получится больше 50 °С, то слой теплоизоляционного материала соответственно увеличивается.

Стены печи, под и свод состоит из двух слоев:

1 – огнеупорный слой  шамота, толщиной в 0,5 кирпича, ш=115 мм.

2 – изоляционный слой  пеношамота в 1 кирпич пш=250 мм.

 

 

 

 

6. Тепловой расчет  электропечей сопротивления

 

6.1 Определение тепла, пошедшего на нагрев загрузки

Q1=G•c(tмк-tмн), где