Расчет закалочных баков: Методическое пособие к курсу лекций «Металловедение, технология и оборудование термических цехов», страница 2

где   Q, - количество тепла, которое надо передать от масла к воде за 1 ч, кДж/ч (или кВт);  a - средний коэффициент теплопередачи от масла к воде через стенку змеевика (80-120 Вт/м °С); F - теплопередающая поверхность змеевика, м ; t_ср. - средняя разность температур между маслом и охлаждающей водой

t_ср.= -

где  - начальная и конечная температуры нагрева масла; - начальная и конечная температуры воды.

Пример 2. Определить необходимые размеры змеевика для условий предыдущего примера.

Размеры бака были равны: внутренний диаметр 2,8 м и высота 0 н. Наименьшее время между операциями  закалки - 6 ч. Среднее количество тепла, которое должно быть передано от масла к воде в час, составляет

Q¹=====792 800 кДж/ч.

При охлаждении масла от 40 °С максимальная температура нагрева воды может быть принята не выше 35 °С. Начальная температура воды принимается равной 20 °С (температура воды в водопроводе летом). Следовательно, потребуется пропустить такое количество воды

V_в= =792- 800= 12 584 л/ч 12,6 м³/ч = 0,0035 м³/с,

При скорости воды V_в = 1 м/с поперечное сечение змеевика должно быть равно 0,0035 : 1 = 0,0035 м , откуда внутренний диаметр трубы змеевика d_вн- 21 мм, а наружный диаметр, взятый по сортаменту трубы, d_нар=24 мм.

Среднюю разность температур между маслом и водой можно определить как среднее арифметическое по формуле

t_ср.= -==32°С

Коэффициент теплопередачи  a=100 Вт/м²°С. Тогда по формуле находим теплопередающую поверхность змеевика

F===68.8м²

При наружном диаметре 24 мм поверхность одного погонного метра трубы П* d_нар=3,14*0,24¹=0,075м²

Необходимая длина змеевика L = 68,8 : 0,075 = 9,17 м. Змеевик размещается на внутренней стенке бака, поэтому средний диаметр витка змеевика меньше диаметра бака на 0,1 м, т.е. равен 2,7 м, а его длина П*Д=3,14*2,7=8,5 м. Змеевик должен иметь 917:8,5= 108 витков.

При размещении змеевика в баке на высоте 7,5 м шаг змеевика равен 7500:108 = 70 мм, т.е. просвет между его соседними витками составит 70 - 24 = 46 мм. Змеевик можно изготовить так: необходимо взять трубу диаметром 24 мм, длиной 917 м, загнуть ее по среднему диаметру 2,7 м разместить в баке с шагом 70 мм.

2.РАСЧЕТ ЗАКАЛОЧНОГО БАКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1. Закалка в масле.

Такие баки устанавливаются у печей непрерывного действия. Расчет ведется по часовой производительности печи или агрегата.

Объем закалочного бака непрерывного действия, определенный из условий теплового баланса, получается небольшим, и в нем нельзя разместить конвейер, поэтому размеры бака находятся конструктивно. Ширина бака берется в зависимости от полезной ширины печи, обслуживаемой баком, или ширины ленты конвейера печи; длина горизонтального участка конвейера определяется по необходимому времени пребывания деталей в охлаждающей среде и скорости движения конвейера бака. Последняя должна быть в два-три раза больше скорости движения конвейера печи или средней скорости движения деталей в печи V_б=2-3V_печ, чтобы в закалочном баке не нагромождались детали. Время пребывания деталей в охлаждающей среде Т  рассчитывается. Длина горизонтального участка конвейера L_гор=V_б*Т. Длину бака определяем с учетом размеров конве прерывного действия. Затем вычисляется количество тепла, вносимого в бак охлаждаемым металлом за 1 ч, к необходимые размеры охлаждающего змеевика или размеры трубы для подачи холодной жидкости и отвода нагретой.

Пример. Требуется найти размеры конвейерного бака для закалки в масле 400 кг металла в час. Необходимое время охлаждения деталей - 1 мин, а средняя скорость движения в печи – V_печ= 0,3 м/мин.

Берем ширину конвейерного бака на 100 мм больше ширины лотка печи, выдающего нагретые детали в бак. Минимальная длина горизонтального участка конвейерного бака (от места падения деталей на конвейер) L_гор=(0,3*3)*1,0=0,9м.

Угол наклонной части конвейера принимаем равным 30°. Находим размеры бака, учитывая длину горизонтальной и наклонной частей конвейера и высоту жидкости над закаливаемыми деталями (200-400 мм). В данном случае высота бака равна 1,5 м, а длина - 4,0 м.

Определяем количество тепла, выделяемого в 1 ч закаливаемым металлом, имеющим первоначальную температуру 850 °С.

Q=G(c₁t_м.к.-с₂t_м.к.)=400-(0,71 850 - 0,50 150) = 211 400 кДж/ч.

При охлаждении змеевиком его теплопередачи поверхностьвычисляется по формуле

F=  ==18м2

Потребное количество охлаждающей воды

V_в=  = =3360  кг/ч=3,36= =м3*ч=0,0009 м3/с.

При скорости воды в змеевике V_в=1м/с внутренний диаметр d_вн.=34 мм, а наружный d_нар.=40 мм.  Поверхность длины  1м змеевика F=1*П*d_нар.= =3,14*0,04=0,125м², его длина L=18:0,125=144м.

Размещаем змеевик на двух боковых станках бака,  имеющих высоту 1,5,   длину - 4м каждая.  Длина одного  витка  змеевика составляет 1,5*2=3 м.   Количество  витков равно  144:3=48. при общей длине стенок 8м, размер шага составля ет 8000:48=167мм, т.е.зазор между соседними трубками равен 42мм, что вполне приемлемо. Если зазор будет меньше диаметра трубы,   змеевики  размещают еще и на торцах бака или используют централизованную маслоохладительную установку.

Для случая охлаждения закалочной жидкости в центральной маслоохладительной остановке определяют сечения подводящих и отводящих труб. Количество масла, которое надо сменить при его нагреве от 30° до 60°С

_ас.=  = =3360л/ч=3,36 м3/ч=

=0,001 м3/с

Масло в змеевик подается под давлением, и его скорость в подводящей трубе можно принять равной 1 м/с. Масло из бака отводится самотеком, поэтому в отводящей трубе V=0,25 м/с. При указанных скоростях необходимые диаметры подводящей и отводящей труб будут соответственно равны 36 и 72 м.

При среднем диаметре цепной шестерни Д_шес=550 мм и скорости движения ленты конвейера V_б=0,3*3=0,9 м/мин частота вращения приводного вала

n===0,009с-1

Если двигатель имеет частоту вращения 20 с^-1, то передаточное число должно быть равно 20:0,009=2220. Это может быть достигнуто с помощью двух шкивов (j₁=1,5), червячного редуктора (j₂=25) и храповика (j₃=60).