Расчет лабораторной камерной электрической печи с воздушной средой

Расчет времени нагрева металла производится по методике [1].

Исходные данные:

μ = 0,5 (для двустороннего симметричного нагрева);

ρ = 7850 кг/м³ ;

e_м = e_п = 0,8;

t_п = 1300 °С;

t_мн = 20 °С;

t_мк = 1250 °С;

k = 2 (для цилиндра);

= 33 Вт/м∙град;

С_р = 527,5 кДж/кг∙К.

                                                                                                                                         (2.1)

δ = d = 0,015 мм;

                                                    ;                                       (2.2)

;

                                  ;                    (2.3)

;

Так как температура печи больше 1000 ºС, рассчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи по формуле:

                                                          ;                                                (2.4)

;

По числу Био определяем массивность нагреваемых изделий:

                                                                              ;                                                                    (2.5)

;

Полученное число Био больше 0,25, следовательно, тело не является теплотехнически "тонким" и время нагрева изделий, определяем по формуле:

                                                          ;                                     (2.6)

                                                                                   ;          

.

Время цикла:                                                                                           (2.7)

Принимаем:  ;

                       ;

.

3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЕЧИ

Расчет теплового баланса печи производится по методике [3].

3.1     Тепло, расходуемое на нагрев метала:

Исходные данные:

 = 565 Дж/кг∙К;

 = 490 Дж/кг∙К;

                                               ;                                       (3.1)

где: - масса всех образцов; - конечная теплоёмкость стали; - начальная теплоёмкость стали;

.

3.2 Потери тепла на нагрев тары:

          ;

         

                                                                       (3.2)

3.3 Потери тепла теплопроводностью через стенки:

Материал для стенок печи:

а) огнеупор.

Корундовый легковес КЛ-1.3. Для него далее используется индекс 1.  - плотность;    - теплопроводность; - теплоёмкость.

б) теплоизоляция.

Вата Каолиновая ВГВ-80. Для неё далее используется индекс 2.  - плотность;    - теплопроводность;  - теплоёмкость.          

Рис. 3.1.Схема распределения температур по сечению кладки

Исходные данные:

t_п = 1300 ºС;

Коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией наружной поверхности печи в окружающую среду:

α_ст.нар. = 10 Вт/м²∙град;

Температура на границе между огнеупорным и теплоизоляционным слоями:

t₁₂ = 0,8∙1300 = 1040 ºC;

t_нар = 50 ºС.

Рассчитываем среднюю температуру и теплоемкость слоев:

;     ;

;          ;

Толщина слоев:

S₁ = 0,04 м;

S₂ = 0,11 м.

Среднегеометрическая площадь стенок:

                                             ;                                                        (3.3)

Верхней и нижней стенок:

= 0,056 м²;

= 0,142 м²;

_ст.нар. = 0,253 м².

 Боковых стенок:

= 0,039 м²;

= 0,114 м²;

_ст.нар. = 0,22 м².

  Задней и передней стенок:

= 0,026 м²;

= 0,089 м²;

_ст.нар. = 0,184 м².

Считаем потери на верхней и нижней стенках:

                             ;                             (3.4)

.

Температурная проверка:

                                                              ;                                     (3.5)

; 

                                                ;                                  (3.6)

;

                                                            ;                                               (3.7)

Пересчитаем потери для получившихся температур:

;     ;

;         ;

.

Температурная проверка:

;

;

.

Считаем потери на боковых стенках:

.

Температурная проверка:

;

;

.

Пересчитываем потери для получившихся температур:

;     ;

;    ;

.

Температурная проверка:

;

;

.

Считаем потери на передней и задней стенках:

Температурная проверка:

;

;

.

Пересчитываем потери для получившихся температур:

;     ;

;          ;

.

Температурная проверка:

;

;

.

Считаем общие потери через стенки:

                               ;                                     (3.8)

.

3.4 Потери тепла излучением через открытые отверстия:

Исходные данные:

 = 5,7 Вт/м² ∙ К⁴;

Площадь открытого окна:

F = 0,1 ∙ 0,16 = 0,016м² ;

Ф = 0,3 (принимаем по графику [3, рисунок 7])

;

                                 ;                                           (3.9)

.               

3.5  Потери тепла через тепловые короткие замыкания:

По нормам техники безопасности наружная температура печи должна превышать 50⁰С (для исключения ожога). Поэтому устанавливаем экран, выполненный из материала с хорошей отражающей способностью.

С учётом потерь через футеровку и заслонку:

.

3.6 Аккумуляция тепла футеровкой:

Исходные данные:

V₁ = 0,0103 м³ ;

V₂ = 0,0869 м³ ;

t_н1 = t_н2 = 20 ^оС;

γ₁ = 1300 кг/м³ ;

γ₂ = 80 кг/м³ ;

τ_н = 7200 с.

                                       .                              (3.10)

Рассчитываем средние температуры и теплоемкости на каждом слое кладки:

;

;

;

;

;

.

      Считаем аккумуляцию каждого слоя:

;

.

Считаем общую аккумуляцию:

.

3.7 Неучтенные потери: 

Принимают равными 10...15% от суммы всех статей расходной части баланса без учета потерь тепла с уходящими продуктами сгорания и затрат на нагрев металла.

                                       ;                                 (3.11)

.

Тепловой баланс лабораторной печи при полунепрерывном режиме работы

Статьи расхода тепла	Разогрев печи		Рабочий режим
	Вт	%	Вт	%
Nм	-	-	845	28
Nтары	-	-	448	15
Nст	948	21	948	32
Nлуч	-	-	101	3
Nткз	237	5	237	8
Nакк	2948	65	-	-
Nнеуч	423	9	423	14
Nрасч	4556	100	3002	100

По максимальному значению N_расч одного из периодов работы печи (в данном случае это стадия разогрева печи) определяем установленную мощность печи по формуле:

.

4. РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЯ

Расчет проводится по методике [4]:

          10 нагревателей типа открытый карборунд КЭН А с утолщенными выводами. Позиционное регулирование температуры в воздушной среде.

Исходные данные

N_уст = 5,8 кВт;

n = 8;

d_раб = 8 мм;

d_выв = 14 мм;

l_раб = 150 мм;

l_выв = 110 мм;

F_раб = 38 см²;

t_м = 1250 ^оС;

t_н = 1500 ^оС;

L = 250 мм;

U = 127 В;

F_м = 0,033 м²;

F_н = 0,08 м²;

F_м/F_н = 0,413;

R_{t min} = 1,65 Ом;

R_{t max} = 2,65 Ом;

Температуру нагревателя выбираем по графику на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1.  Нагреватели  из   карбида  кремния:  а — типа  КЭН А, б — типа КЭН вп, в — зависимость t_н от t_печ, вида регулирования температуры и печной атмосферы: 1 — непрерывное  регулирование (нр)  в  воздушной среде (Вс); 2 — позиционное регулирование (ПР) в ВС; 3 — НР в контролируемой атмосфере (КА с Н₂  и СН₄);  4 — ПР в КА  (с Н₂  и СН₄)

Исходя из схемы размещения определяется общее число нагревателей n и мощность одного нагревателя N₁ = N_уст / n кВт

.

          В идеальном случае допустимая удельная поверхностная нагрузка находится по формуле:

                            Вт/см²;                          (4.1)                            

где С_пр  рассчитывается  по формуле

                       , Вт/(м²·К⁴);                                    (4.2)

гдеe_н  —  степени  черноты нагревателя; F_н  —  поверхность  стенок  печи,   на которых   размещены нагреватели.

 Вт/(м²·К⁴);                                   

 Вт/см²

Связь реально допустимой удельной поверхностной мощности w_д с идеальной w_ид выражается зависимостью

                                                          (4.3)

где  a_эф , a_г , a_с , a_р — поправочные коэффициенты.

Все стержневые нагреватели (КЭН и СМ) рассматриваются как ветви проволочного зигзага, поэтому принимается  a_эф =0,68, а затем определяются остальные коэффициенты  a_г , a_с  и a_р.

 Расчитываем шаг между нагревателями:

;

 —  коэффициент, учитывающий зависимость w_д от С_пр

 = С_пр/3,9 = 4,19/3,9 = 1,07.

 — коэффициент соотношения тепловоспринимающей F_м и теплоизлучающей поверхностей F_{н ,} при F_м / F_н >0,8 принимать = 1

 Вт/см².

Проверяется правильность выбора числа и типоразмера нагревателя:

                                                                                                   (4.4)

Расчетаная мощность нагревателя совпала с ранее принятой, с разницей меньше чем в 10%, значит число и типоразмер нагревателей выбран верно.

Выбор понижающего трансформатора:

R_ст = R_макс · (2,5¼3,0)

Тип трансформатора: ЭАОС—4/0,5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте была рассчитана лабораторная камерная электрическая печь с воздушной средой. Данная печь применяется для нагрева и термической обработки металла. Максимальная температура применения печи 1300 ^оС.

Конструкция печи содержит один открытый неметаллический нагреватель