Электрические печи сопротивления (ЭПС) — это самый распространенный тип электрического аппарата в химической технологии. В них электрическая энергия преобразуется в тепловую в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Наиболее распространенный тип печей сопротивления — печи косвенного нагрева, в которых электрический ток протекает по специальному элементу — нагревателю. Передача тепла от нагревателя к загрузке печи может осуществляться теплопроводностью, конвекцией, излучением. При температурах выше 600 °С преобладает теплопередача излучением, при этом другими видами теплопередачи можно пренебречь. Такие печи относят к средне- и высокотемпературным, а их расчет осуществляют на основании законов физики и ряда эмпирических закономерностей, обнаруженных на опыте.
В последнее время в связи с бурным развитием металлургии большое значение приобретает термическая обработка металлов. Так термическая обработка сталей требует очень точной выдержки заданного температурного режима и высокой степени равномерности нагрева изделий, регулировать же этот режим и обеспечивать его равномерность в электрической печи можно намного легче и точнее, чем в топливной. Также электрическую печь легко герметизировать и создать в ней нужную газовую атмосферу, при помощи электронагревательных устройств можно получить избирательный нагрев отдельных участков изделия или его поверхности. Поэтому в металлургии все больше применяются электрические печи и индукционные установки для термической обработки самых разнообразных конструкций.
Для проведения режима термообработки, требующего равномерного прогрева детали и поддержание температуры с высокой точностью отлично подходят электропечи муфельного типа. Главной особенностью таких печей является наличие так называемого муфеля, защищающего обрабатываемый материал и являющегося главным рабочим пространством муфельной печи (то есть, муфель предохраняет материал от контакта с топливом и продуктами его сгорания, в том числе газами).
В данной курсовой работе проведем расчет муфельной электропечи для отпуска изделия.
1. Тепловой расчет
Цель теплового расчета электрических печей сопротивления определение оптимальных параметров (энергетических, геометрических, экономических) при которых обеспечивается проведение заданного технологического процесса. По результатам расчета выбирают конструкцию футеровки печи, определяют установленную мощность печи, вычисляют тепловые потери печи.
Завершают тепловой расчет вычислением производительности печи, удельного расхода электроэнергии и теплового КПД. Производительность садочных (периодических) ЭПС:
Электрическая печь сопротивления
... прогрев нагреваемых заготовок. Почти все промышленные и лабораторные печи снабжаются автоматическим регулированием температурного режима. Электропечи сопротивления являются наиболее распространенным видом электрических печей, они применяются для нагрева различных изделий и ...
, (1.1)
где G — производительность печи, кг/с;
- М — масса единовременной загрузки, кг;
- tц — время технологического цикла, с.
Время цикла состоит из:
, (1.2)
где tн — время нагрева;
- tзаг — время загрузки и выгрузки;
- время на охлаждение.
Данные материала:
л=30 кккал/м?Сч, с=0,16 ккал/кг?С, г=7850 кг/м 3, отсюда коэффициент температуропроводности изделия
Нагрев заготовок. Для tпечи =850°С, коэффициент теплопередачи б850=140 ккал/м 2?Сч
Критерий Био
К концу нагрева, когда температура поверхности достигнет 800?С, температурный критерий
По графику для расчета нагрева поверхности цилиндра определяем критерий Фурье:
отсюда
Такому критерию Фурье соответствует
откуда
Перепад между температурами поверхности и оси заготовок составляет, т. о., через 3,7 ч с начала нагрева — 12?С.
Таким образом, время технологического цикла составляет:
Отсюда,
Расчет полезной мощности
Теплоту, необходимую для нагрева загрузки и вспомогательных приспособлений, следует называть полезной Qпол, а соответствующую мощность — полезной мощностью Nпол. печь электрический муфельный
Теплоту Qз рассчитывают исходя из термодинамики процессов, происходящих при термообработки загрузки.
В случае, когда функциональная зависимость теплоемкости от температуры не известна, можно приближенно принять:
, (1.3)
где сс — усредненная теплоемкость загрузки, Дж/кг*К;
- сн — теплоемкость загрузки при Тн, Дж/кг*К;
- ск — теплоемкость загрузки при Тк, Дж/кг*К.
Тк=298 К
Тн=1073 К
=693 Дж/кг*К
=60,39 кг
Для расчета соответствующей мощности Nзн (мощность, необходимая для нагрева загрузки и прохождения физико-химических процессов) необходимо знать время нагрева загрузки tн до заданной температуры, тогда:
(1.4)
tнагр=13320 сек
Зная удельный расход электроэнергии, можно оценить энергетическую эффективность процесса.
(1.5)
где — удельный расход электроэнергии, Дж/кг
=0,66 МДж/кг
Теплота, необходимая для прогрева вспомогательных элементов:
- В качестве вспомогательного материала выступает подложка под обрабатываемое изделие. Размеры: Длина (а) 550 мм;
- Ширина (b) 550 мм;
- Высота (h) 25 мм.
- масса вспомогательного элемента, кг;
- усредненная теплоемкость i-го элемента, Дж/кг К.
Дж/кг К
Отсюда
В результате для полезной теплоты и мощности имеем:
1.1 Определение установленной мощности
Установленная мощность Nу — это потребляемая электропечью мощность, взятая с запасом, учитывающим «старение» нагревателей и возможное временное падение напряжения в сети:
(1.6)
где — коэффициент запаса мощности, =1,2ч1,4 — для ЭПС периодического действия.
=1,3
=
1.2 Расчет тепловых потерь
При расчете мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь ЭПС, принимают, что печь работает в установившемся тепловом режиме, когда тепловые потоки постоянны во времени. Обычно ограничиваются расчетами потерь через стенки печи Nф
Технологические печи
... печей являются производительность печи, полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверхности нагрева и коэффициент полезного действия печи. В промышленности применяют трубчатые печи с поверхностью нагрева радиантных труб 15-2000 м 2 . Теплопроизводительность трубчатых печей ... газов с поверхностью нагрева путем конвекции. Нагреваемый продукт в печи последовательно проходит через конвекционные и ...
, (1.7)
где kз’ — коэффициент запаса.
Коэффициент запаса на неучтенные потери мощности, например, «старение» футеровки, потери через неплотности футеровки, через швы, тепловые короткие замыкания принимают равным 1,2ч1,4.
Расчет тепловых потерь через стены печи сводится к решению задачи теплопередачи через многослойную плоскую, либо цилиндрическую, поверхность.
Для плоской стенки, имеющей, например, три слоя теплоизоляции, примем следующие обозначения (рис.1).
Твн — температура внутри печи; Тi — температура на i поверхности теплоизолирующего слоя; Тнар- температура снаружи печи; j — толщина j слоя теплоизоляции; Fi- площадь i поверхности теплоизолирующего слоя. Рисунок 1 — Трехслойная тонкая стенка
Уравнение теплопередачи имеет вид:
, (1.8)
где вн, нар — коэффициент теплоотдачи внутреннего (1) и наружного (Ш) слоев, соответственно, Вт/м 2*К;
- J — коэффициент теплопроводности j слоя, Вт/м*К; Fj — усредненная площадь j слоя, м 2.
Так как зависит от температуры материала футеровки, то в уравнение подставляют усредненный коэффициент, взятый для средней температуры слоя, например, для Ш слоя
Поверхность Fj берут как среднее квадратичное площадей поверхности j слоя, например,
рассчитывается отдельно для каждой стенки печи, затем их складывают и получают суммарную для печи.
Расчет футеровок проводят методом последовательных приближений:
а) задаем количество слоев, их толщину и материал футеровки, геометрические размеры печи и внутреннего пространства, температуру внутри печи (или на внутренней поверхности футеровки — Т 1) и температуру снаружи,
б) произвольно задаются значениями температур на i поверхностях теплоизолирующих слоев Тi,
в) рассчитываем Fj или Нj и Тj,
г) по справочным данным на основании выбранной Тj определяется j,
д) по уравнению (1.8) рассчитываем Nф,
е) проверяются значения температур Тi, решаем обратную задачу по отдельным слоям футеровки:
ж) сравниваем полученные значения Тi с заданными в начале расчета (п.б).
Если эти величины совпадают с достаточной точностью, то расчет считается законченным. В случае несовпадения, задаем новые Тi и расчет повторяем.
1. Горизонтальная стенка, обращенная вверх:
Tвнеш=1123 К л1=1,16 Вт/мК
Tнар=333 К л2=0,035 Вт/мК
д1=0,065м д2=0,035 м
F1=0,36 м 2
F2=0,53 м 2
F3=0,64 м 2
Коэффициенты теплоотдачи:
- бвн= 60 Вт/м 2 . К; бнар= 14,5 Вт/м 2 . К
Т 1=1123-359,66/(60*0,36)=1106 К
Т 2=1106-359,66*0,065/(1,16*0,36)=1050 К
Т 3=1050-359,66*0,035/(0,035*0,53)=371,76 К
Тнар=371,76-359,66/(14,5*0,64)=333 К
2. Вертикальные стенки (4 штуки).
бвн= 56,2 Вт/м 2 . К; бнар= 12,2 Вт/м 2 . К
Проверка температур:
Т 1=1123-355,86/(56,2*0,36)=1105 К
Т 2=1105-355,86*0,065/(1,16*0,36)=1050 К
Т 3=1050-355,86*0,035/(0,035*0,53)=378,56К
Тнар=378,56-355,86/(12,2*0,64)=333К
===
3. Горизонтальная стенка обращенная вниз.
бвн= 55,6 Вт/м 2 . К; бнар= 9,9 Вт/м 2 . К
Проверка температур:
Т 1=1123-351,07/(55,6*0,36)=1105 К
Т 2=1105-351,07*0,065/(1,16*0,36)=1051 К
Т 3=1051-351,07*0,035/(0,035*0,53)=388,4 К
Тнар=388,4-351,07/(9,9*0,64)=333 К
4. Итоги расчета:
Найденные значения температуры и заданные совпадают в пределах нормы.
Расчеты потерь:
kз=1,2
2. Расчет и конструирование нагревательных элементов
2.1 Материал нагревателя
Ферронихром — разновидность нихрома, в котором значительная часть никеля замещена железом, что способствует удешевлению и повышает технологическую пластичность сплава. Выпускают ферронихром с содержанием хрома 15-18%, железа 22-27%, никеля 55-61%. Жаростойкость ферронихрома до 1200оС, электрическое сопротивление до 1,30 Ом*мм 2/м. Температура плавления ферронихрома достаточно высокая — 1390 оС.
Рекомендуемые и максимально допустимые температуры нагревателя
|
Материал нагревателя |
Рекомендуемая температура, оС |
Максимально допустимая температура, оС |
|||
|
Непрерывный режим работы |
Прерывистый режим работы |
Непрерывный режим работы |
Прерывистый режим работы |
||
|
Ферронихром: Х 15Н 60 |
950 |
900 |
1050 |
1000 |
|
2.2 Рекомендации по конструированию металлических нагревателей
Проволочные зигзагообразные нагреватели рекомендуют крепить в специальных керамических плитках (при d=47 мм), либо подвешивать на металлических жароупорных или керамических крючках (штырях), если d>7 мм.
Рисунок 2 — Проволочный зигзагообразный нагреватель
Высота зигзага проволочного нагревателя Н=0,3 м. Проволока выполнена из сплава Cr-Ni. Нагреватель располагается на дверце печи и на трех его боковых стенах.
2.3 Определение допустимой удельной поверхности мощности нагревателя
Мощность, выделяемая с единицы поверхности нагревателя, определяет его температуру, а следовательно, работоспособность данного нагревателя в выбранных проектом условиях. Поэтому удельная поверхностная мощность W является важнейшей расчетной величиной при проектировании нагревательных элементов.
Обычно поверхностную мощность рассчитываемого нагревателя сравнивают с поверхностной мощностью идеального нагреватели Wид.. Под идеальным подразумевается такой нагреватель, который образует с загрузкой две сплошные параллельные бесконечные плоскости при условии, что футеровка в теплообмене не участвует, а передача тепла происходит за счет излучения. Для такого нагревателя уравнение теплопередачи:
, (2.1)
где со= 5,67 Вт/м 2*Кч — коэффициент излучения абсолютно черного тела;
- пр — приведенная степень черноты системы нагреватель-загрузка;
- Тн — температура нагревателя, К;
- Тз — температура загрузки, К.
, (2.2)
где з — степень черноты материала загрузки;
- н — степень черноты материала нагревателя.
Для того, чтобы рассчитать Wид при известной температуре загрузки печи необходимо задаться температурой нагревателя. Обычно Тн берут на 50100 градусов выше температуры Тз
изд = н = 0,8.
со= 5,67 Вт/м 2*Кч
Тз =1073 К
Тн = 1133 К
Отсюда,
Реальный нагреватель, в отличие от идеального, излучает на изделие не всей своей поверхностью, часть лучей попадает на соседние нагреватели и футеровку. Можно принять, что реальный нагреватель излучает на изделие тепло не полной своей поверхностью Fн, а только некоторой условной эффективной поверхностью. Тогда допустимая поверхностная мощность реального нагревателя WД будет отличаться от поверхностной мощности идеального нагревателя:
, (2.3)
где эф — коэффициент эффективности излучения данной системы нагревателя;
- г — коэффициент шага;
- с — коэффициент, учитывающий зависимость W от приведенного коэффициента излучения спр;
- р — коэффициент, учитывающий влияние размеров садки.
Коэффициент эф характеризует эффективность излучения системы нагревателей при минимально допустимых по конструкционным соображениям относительных витковых расстояний, т.е. для наиболее плотно размещенных нагревателей. Для проволочного зигзага, е/d = 2,75 коэффициент эф — 0,68.
Коэффициент шага г учитывает зависимость удельной поверхностной мощности от относительных витковых расстояний е/d, е/b, t/d для данной системы нагревателя. На рисунке 3 приведен график для нахождения г для проволочного зигзагообразного нагревателя.
Рисунок 3 — Значение г для проволочного зигзагообразного нагревателя
Для системы параллельно расположенных стержней и для изделий внутри спирального нагревателя используют график (3), как для проволочного зигзагообразного нагревателя.
Все другие геометрические соотношения мало влияют на удельную поверхностную мощность и поэтому при расчете нагревателя их не учитывают.
Коэффициент с учитывает зависимость удельной поверхностной мощности от приведенного коэффициента излучения спр. Для системы, когда загрузка находится внутри замкнутой излучающей поверхности:
, (2.4)
где Fз — площадь поверхности загрузки, обращенная к нагревателю, м 2;
Fст — площадь поверхности стен камеры печи, занятая нагревателями, м 2
Fз =0,5*0,5*4=1 м 2
Fст =0,308*0,3*4=0,3698 м 2
где 0,5 м — высота цилиндра;
0,5 м — диаметр цилиндра;
0,308 м — длина поверхности, занимаемой нагревателем;
0,3 м — высота нагревателя.
Коэффициент р учитывает влияние размеров загрузки на величину удельной поверхностной мощности. Значение этого коэффициента определяют как функцию отношения Fз/Fст (рисунок 4).
В случае когда
Fз/Fст >0,8, поправку на размер загрузки не вносят (т.е. р = 1).
Рисунок 4 — Зависимостьр от Fз/Fст
Зависимость с от спр показана на рисунке (5)
Рисунок 5 — Зависимость с от спр
Fз =1 м 2 эф =0,68 г =0,88 с=0,8
Fст =0,3698 м 2
изд = н = 0,8. Fз/Fст=таким образом, р = 1
Wид=12243,82 Вт/м 2
После завершения расчетов, мы знаем предельно допустимую удельную поверхностную мощность Wд, которую может обеспечить выбранная нами конструкция нагревательных элементов. Эта мощность излучается с реальной поверхности нагревателя Fн и связана с его геометрическими и электрическими параметрами.
2.4 Расчет размеров нагревателя
При расчете нагревательных элементов ЭПС, работающих при температуре выше 600оС, исходят из ряда предпосылок:
- вся забираемая электропечью из сети мощность Nц выделяется в ее нагревательных элементах в виде тепла, при этом питающее напряжение U постоянно.
(2.5)
- нагреватель имеет неизменную длину и постоянное сечение S, удельное электрическое сопротивление при работе печи в заданном температурном режиме неизменно, тогда его сопротивление:
(2.6)
- выделенная на нагревателе энергия передается изделиям и кладке печи излучением с поверхности нагревателя Fн. Удельная поверхностная мощность нагревателя:
(2.7)
Для определения размеров нагревателя необходимо найти соотношения между его геометрическими и электрическими параметрами. Для нагревателя круглого сечения (проволока, стержень и т.п.) диаметром d эти соотношения описываются уравнениями:
, (2.8)
, (2.9)
, (2.10)
где М — масса нагревателя, кг;
- н — плотность материала нагревателя, кг/м 3.
=1,3
U=220В
н=8300 кг/м 3
Таким образом,
2.5 Определение ориентировочного срока службы нагревателя
В процессе эксплуатации нагреватели «стареют», т.е. изменяют свои электрические параметры, что в конечном итоге приводит к необходимости их замены. Если принять скорость окисления ок постоянной во времени, тогда для круглого нагревателя
, (2.11)
где n — отношение площади сечения окисленного слоя к первоначальной площади сечения нагревателя;
- t — время работы нагревателя.
Скорость окисления ок для некоторых сплавов приведена на рисунке 6.
Рекомендуется ориентировочный срок службы нагревателя принимать равным времени его работы, в течении которого сечение нагревателя окислится на 20% от первоначальной площади, т.е. когда n достигнет 0,2. Исходя из этого условия срок службы нагревателя tс, будет равен:
; (2.12)
1 — Х 15Н 60; 2 — Х 25Н 20; 3 — Х 15Н 60-Н; 4 — Х 20Н 80ТЗА;
5 — Х 20Н 80Т; 6 — Х 20Н 80; 7 — Х 20Н 80-Н.
Рисунок 6 — Зависимость скорости окисления от температуры нагревателя для различных сплавов
Выводы
Расчеты были проведены для электрической печи сопротивления периодического действия. Размер печи: высота — 800мм, длина — 800 мм, ширина — 800 м. Загрузкой печи является стальная цилиндрическая деталь d=500 мм, h=500 мм, толщина стенки t=10 мм. Масса изделия — 60,39 кг. Температурный режим: нагрев до 800?С, затем остывание в течении 3 часов в печи. Материал нагревателя — ферронихром Х 15Н 60. Футеровка печи двухслойная: внутренний огнеупорный слой представляет собой шамотный кирпич, размерами 113Ч65Ч230 мм. по ГОСТ 4247-48, наружный теплоизоляционный слой — стекловата. Были получены следующие данные:
Производительность периодической ЭПС:
Время цикла:
Удельный расход электроэнергии:
=0,66 МДж/кг
Мощность, расходуемая на нагрев в загруженном образце:
Мощность, потребляемая печью из сети:
Установленная мощность:
Потери через стенки печи:
Поверхностная мощность идеального нагревателя:
Предельно допустимая удельная поверхностная мощность:
Диаметр нагревателя:
d=м
Длина нагревателя, расположенного на четырех стенках:
L=82,44 м
Масса нагревателя:
М=9,93 кг
Срок службы нагревателя:
