Теплотехнический расчет электрической соляной печи – ванны

1.4.3  Теплотехнический расчет электрической соляной печи – ванны

Необходимо спроектировать электрическую соляную печь для нагрева траверсы из алюминиевого сплава 1933 под закалку. Начальная температура нагрева 20°С, а конечная 475°С. Задано также, что перепад температур по сечению не должен превышать 10°С. Размеры детали: 970х380х165 мм, масса изделия 5,856 кг.

Расчет ведется по методике Китаева Б.И. и др. [8]

1) Выбор состава теплоносителя и типа печи

Для нагрева детали до 475°С необходима соляная печь с температурой ванны t_вн= (475+10)=485°С. Для проектируемой печи выбираем калиево-натриевый расплав селитры 50% NaNO₃ + 50% KNO₃ с температурой плавления t_пл=218°С [5, таблица 57]. Производительность печи составляет 70 кг/ч.

2) Определение времени нагрева изделия в печи

Весь процесс нагрева разбиваем на два расчетных интервала продолжительностью τ₁ и  τ₂. За границу раздела между этими интервалами принимаем момент, когда температура t_п(τ₁)=218°С.

По данным [9] находим зависимость коэффициента теплопроводности λ для алюминия от температуры:

Средние значения коэффициентов теплопроводности для отдельных интервалов вычислим по формуле:

, Вт/(м·град),                                              (1)

Для первого расчетного интервала:

 Вт/(м·град)

Для второго расчетного интервала:

 Вт/(м·град)

По графику [8, рисунок 86] для расплава с химическим составом 50%KNO₃+50%NaNO₃ при температуре ванны 485°С коэффициент теплообмена α_т=1250 Вт/(м²·град).

По формуле:

, Вт/(м²·град),                                                   (2)

где ω - скорость принудительной циркуляции жидкого теплоносителя вблизи изделия, м/сек;

А - коэффициент, учитывающий жидкотекучесть теплоносителя: А=940

 Вт/(м²·град)

Для вычисления коэффициента α₁ предварительно определим отношение поверхности наиболее массивной части нагреваемого изделия к его объему:

 м²

 м³

 м

По формуле:

, Вт/(м²·град),                                 (3)

где F/V – отношение поверхности изделия к его объему, 1/м;

Б – коэффициент, учитывающий теплофизические свойства для расплавов солей, Б=1,9.

 Вт/(м²·град)

Значение критериев Bi₁ и Bi₂ :

, Вт/(м²·град)                                                           (4)

 Вт/(м²·град)

 Вт/(м²·град)

По [8, таблица 59] для изделий цилиндрической формы находим основные расчетные коэффициенты: R_м(Bi₁)=0,9697, ψ_п.м.(Bi₁)=0,7496, ψ_п.ц(Bi₁)_.=0,5347, R_м(Bi₂)=0,8721, ψ_п.м.( Bi₂)=0,3959, ψ_п.ц.(Bi₂)_.=0,2296.

Приняв t_м(τ₂) = t_кон = 475°С, определяем точное значение температуры ванны:

, °С                                                      (5)

°С

Проверим возможный перепад температур по сечению изделия по формуле:

, °С                                (6)

°С

Так как ∆t_п.ц.≤ ∆t_кон , то есть 8,79 ≤ 10°С, то температуру ванны t_в=482°С примем для дальнейших расчетов.

Температуру, среднюю по массе в конце первого расчетного интервала  t_м(τ₁), найдем по формуле:

, °С                                                  (7)

°С

Относительная температура:

для первого интервала:

                                                       (8)

для второго интервала:

                                                  (9)

По справочным данным [9] находим, что для алюминия плотность ρ = 2700 кг/м³, а энтальпия имеет следующую зависимость от температуры:

Значения средней удельной теплоемкости для первого и второго интервалов находим по формуле:

, кДж/(кг·град)                                               (10)

где t_м(0) и t_м(τ) - температуры средние по массе для начала и конца рассматриваемого интервала, °С;

i_нач и i_кон – значения энтальпии материала тела при температуре t_м(0) и t_м(τ), кДж/кг.

 кДж/(кг·град)

 кДж/(кг·град)

Вычислим продолжительность первого и второго интервалов:

, сек                                           (11)

сек

Общее время нагрева изделия в соляной печи:

3) Определение основных параметров соляной печи

Для того чтобы рассчитать установленную мощность печи необходимо рассчитать количество потерь тепла. Это потери через кладку печи и потери тепла через короткие замыкания.