Расчет и проектирование электрической конвейерной печи

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Р.Е. АЛЕКСЕЕВА Кафедра «Теплофизика, автоматизация и экология печей»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по ТЕПЛОТЕХНИКЕ Расчет и проектирование электрической конвейерной печи Руководитель Гущин В.Н.

Студент Кучеряева В.С.

• 1. Введение
• 2. Техническое задание
• 3. Расчёт нагрева металла
• 3.1 Определение «массивности» нагреваемых тел
• 3.1.1 Коэффициент теплоотдачи
• 3.1.2 Коэффициент теплопроводности
• 3.1.3 Расчётная прогреваемая толщина нагреваемого тела
• 3.2 Расчёт нагрева теплотехнически «тонких» тел
• 3.2.1 Расчёт «тонкого» тела при постоянной температуре печи
• 4. Определение габаритов печи
• 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
• 5.2 Конструкции кладки печей
• 5.2.1 Рекомендуемые конструкции кладки стен печи
• 6. Тепловой расчет электропечей сопротивления
• 6.1 Определение тепла, пошедшего на нагрев вспомогательных устройств
• 6.2 Определение удельных тепловых потерь стенки
• 6.3 Определение расчетных поверхностей
• 6.4 Определение потерь через отверстие
• 6.5 Потери тепла на короткое замыкание составляет около 90% от потерь через кладку
• 6.6 Неучтенные потери
• 6.7 Выходное количество тепла
• 6.8 Определение мощности
• 6.9 Определение КПД печи
• 7. Расчет электрических нагревательных элементов
• 7.1 Нагревательные элементы соединяют в звезду
• 7.2 Определение диаметра проволоки
• 7.3 Сечение проволоки
• 7.4 Проволочные сопротивления располагают в виде цилиндрической спирали
• 7.5 Длина витка спирали
• 7.6 Длина выводов нагревателя
• 7.7 Длина проволоки в спирали без выводов
• 7.8 Количество витков в спирали
• 7.9 Длина спирали одного элемента l=h2, мм, l=14 316=4,4 м
• Список использованной литературы

1. 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 °C;

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.).

Конвейерная печь — печь непрерывного действия с перемещением садки на горизонтальном конвейере.

Под печи представляет собой конвейер — полотно, натянутое между двумя валами, которые приводятся в движение специальными двигателями. Нагреваемые изделия укладываются на конвейер и передвигаются на нем через рабочее пространство печи. Конвейерная лента может быть выполнена плетеной из нихромовой сетки, штампованных пластин и соединяющих их прутков, а также для тяжелых нагреваемых изделий — из штампованных или литых цепных звеньев.

Конвейер размещается целиком в камере печи и не остывает. Однако валы конвейера находятся в очень тяжелых условиях и требуют водяного охлаждения. Поэтому часто концы конвейера выносят за пределы печи. В этом случае значительно облегчаются условия работы валов, но возрастают потери теплоты в связи с остыванием конвейера у разгрузочных и загрузочных концов. Нагреватели в конвейерных печах чаще всего размещаются на своде или в поду под верхней частью ленты конвейера, реже — на боковых стенках.

Конвейерные нагревательные печи в основном применяются для нагрева сравнительно мелких деталей до температуры около 1200 К.

2. Техническое задание

Рассчитать и спроектировать нагревательную печь:

Тип печи электрическая

Производительность печи, 350кг/ч

Температура нагрева, 780°С

Размер деталей d=80 mm, l=180mm

Материал сталь 40Х

Топливо электричество

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

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:

[ (Т_п/100) ^{4 - (}Т_м/100) ⁴] / (Т_п-Т_м), ,

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 .

[ (1113/100) ^{4 - (}1053/100) ⁴] / (1113 — 1053) =51 .

=51+15=65

3.1.2 Коэффициент теплопроводности

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

Коэффициент теплопроводности л можно определить по формуле:

Вт/ (м· К),

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· К).

=22,2 Вт/ (м· К).

3.1.3 Расчётная прогреваемая толщина нагреваемого тела

Отношение S к полной толщине нагреваемого тела, А называется коэффициентом несимметричности нагрева м: м=S/A, м=0,5

Bi=66· 0,025/22,2=0,07< 0,25 — нагреваемое тело является теплотехнически «тонким» .

3.2 Расчёт нагрева теплотехнически «тонких» тел

3.2.1 Расчёт «тонкого» тела при постоянной температуре печи

= ,

t_{м. н. -} начальная температура металла, (20°С)

t_{м. к. -} конечная температура металла,°С

с — массовая теплоемкость, кДЖ/ (кг К)

М — масса нагреваемого изделия, кг

Fм — тепловоспринимающая поверхность металла, м²

с = 0,52 кДж/кг К

М = с V;

с=7850 кг/м³; V= р r² h = 3,14*0,04²*0,18 = 9,04*10^-4

М =7850*9,04*10^-4= 7,1 кг

Fм =2р r (h + r) = 2*3,14*0,04* (0,18+0,04) = 0,055 м²

Красп = 2,0; 1,65; 1,35

электрическая конвейерная печь тепловой

4. Определение габаритов печи

Определение размеров конвейерной ленты 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, шт. /ч., М=7,1 кг

N=350/7,1 =49шт. /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=49*1=49 шт.

Примем 5 рядов заготовок по ширине печи: 10 шт. — по длине, тогда ширина пода будет 900 мм, длина будет 10•180= 1800 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=900+2· 150=1200мм и длина L=2100 мм, площадь 1,2· 2,1=2,5

Напряженность пода будет

350/2,5=5,8

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 °C ограничиваемся теплоизоляционным материалом в виде пеношамота. Его теплофизические свойства:

Температура начала деформирования под нагрузкой 0,2 МН/м — 1280 °C.

Объёмная масса — 600 кг/м.

Коэффициент теплопроводности в зависимости от температуры ;

=0,1+0,145· t Вт/ (м· К).

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

Максимальная температура применения — 1100 °C.

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 °C.

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 ½ кирпича (115 мм) до 1 кирпича (230−250 мм) и соответственно наружного теплоизоляционного слоя в пределах от ½ кирпича (115 мм) до 1 кирпича (230−250 мм). Если температура наружного слоя получится больше 50 °C, 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

(780−20)

Qполез= 350*0,52 3,6 = 38 422

6.1 Определение тепла, пошедшего на нагрев вспомогательных устройств

Принимаем сталь 30

Qт=Gc (t2-t1), где

с=0,212Втч/кгєС

G — вес вспомогательного устройства

V=LBU, где

U — толщина

U=0,02м=20 мм

V=0,3550,02=0,01 м³

G=78 500,02=78,5кг

Qт=78,50,212 (830−400) =7,2кВт

6.2 Определение удельных тепловых потерь стенки

где

t1,t2 — температуры внутренней и внешней поверхности футеровки

S1,S2 — толщина слоев футеровки

л1,л2 — коэффициент теплопроводности материалов отдельных слоев.

Определим тепловое сопротивление слоев футеровки. Для двухслойной кладки в 1 м приближенно можно принять, что средняя температура шамотного слоя:

tс=0,5 (810−20) =365єС

tср=0,5 (tвн+tс) =0,5 (810+365) =557,5єС

где tвн — температура внутренней кладки

tв — температура воздуха в цехе

tср2=0,5 (tc+tв) =0,5 (557,5+20) =288,75єС

Шамотного л1=0,96 Вт/м²К

Диатомого л2=0,16 Вт/м²К

Тогда суммарное тепловое сопротивление кладки:

где

S1 и S2 — толщина слоев 232 мм

бл+к=70,1Вт/м2К; 1/ бл+к=1/70,1=0,01

6.3 Определение расчетных поверхностей

а) F1 бок. ст=2,21,2=4,73 м²

б) F1 пода=3,140,62=1,13 м²

в) F1 торец=3,140,62=1,13 м²

Fрасч. общ=Fa+Fб+Fв=2,64+1,13+1,13=4,9 м²

Следовательно

Q6=3124,9=1,5кВт

6.4 Определение потерь через отверстие

где

Fакт — активная поверхность

Fакт=FотвКн

К н — коэффициент дифрагирования оконного проема

К н=0,4, Fотв=ВН

(размеры окна выбирают конструктивно)

Fакт=ВНКн=0,90,50,4=0,18 м²

Сприв=16,72

6.5 Потери тепла на короткое замыкание составляет около 90% от потерь через кладку

Qткз=0,9Q6=0,91,5=1,35кВт

6.6 Неучтенные потери

(принимают в размере 20% от учтенных)

Qуч=Q6+Q5+Q7+Qктз

Qуч=1,5+8,25+7,2+1,35=19,9кВт

Qнеучт=0,2Qуч=0,219,9=3,98кВт

6.7 Выходное количество тепла

Qрасход=Q1+Q6+Q5+Qт+Qктз+Qнеучт

Qрасход=38,4+1,5+8,25+7,2+1,35+3,98=60,38кВт

6.8 Определение мощности

W= Qрасход1,4, где 1,4 — коэффициент запаса

W=60,381,4=84,53кВт

6.9 Определение КПД печи

где Qполезн=Q1

Определяем термический и эффективный КПД печи.

Термическим КПД называется такой при расчёте которого полезно израсходованное тепло относится ко всему приходу или расходу тепла, а эффективным КПД называется такой при расчёте которого полезно израсходованное тепло относится только к теплу, введённому топливом:

%

КПД_терм= (1 543 850/ (36 147,78•108,23+141 250)) · 100%=38,1%

%

КПД_эфф= (1 543 850/ (108,23· 34 289,78)) · 100%=63,6%.

Для подбора горелок полученный расход топлива увеличивают на 20−40%, учитывая возможность работы печи с повышенной производительностью, а также увеличение потерь в окружающее пространство из-за износа кладки и других причин.

7. Расчет электрических нагревательных элементов

7.1 Нагревательные элементы соединяют в звезду

Vф — фазовое напряжение

Vл — линейное напряжение

7.2 Определение диаметра проволоки

Р1=Руст. /3

Руст =k*Pобщ, где k-коэффициент запаса, принимается k=1,3

Робщ=Qприх

Р1=1,3*38,4/3=16,5

с — удельное сопротивление материала нагревателя при данных температурах (830−850єС) выбираем проволоку из сплава Х13Ю5. с=1,33Оммм2/м

Рл. в. — мощность одной параллельной ветви 20кВт

V — напряжение питающей сети 380В

W — удельная поверхностная мощность нагревателя

Wид — идеальная поверхностная мощность нагревателя

W=0,495,9=2,9Вт/см2

7.3 Сечение проволоки

7.4 Проволочные сопротивления располагают в виде цилиндрической спирали

Кс — коэффициент сердечника Кс=5

Кн — коэффициент плоскости намотки Кн=4

Кс=D/d; Кн=h/d

D=Ксd=53,7=18,5 мм

h=Кнd=43,7=14,8 мм

7.5 Длина витка спирали

Lвит=пD=3,1418,5=58,09 мм

7.6 Длина выводов нагревателя

Lвыв=в+100,

где в — толщина стенок печи, мм

Lвыв=2232+100=564мм

7.7 Длина проволоки в спирали без выводов

Lсп=Lп. в.103−2Lвыв, мм

Lсп=19,5103−2564=18 372мм

7.8 Количество витков в спирали

7.9 Длина спирали одного элемента l=h2, мм, l=14 316=4,4 м

В нагревательной печи располагаем, проволочные нагреватели в виде спирали керамических трубках на боковых стенках и под подом печи.

Основные параметры спирали:

D=17,4 мм h=14мм

d=3,7 мм l=4424мм

1. Акименко А. Д., Скворцов А. А, Ульянов В. А., Гущин В. Н, Смольков «Нагревательные печи и устройства в кузнечно-штамповых и термических цехах», Н.Н., 2000

2. Скворцов А. А. «Нагревательные устройства», М., 1965

3. Скворцов А. А. «Электрические промышленные печи», М., 1971

4. Свенчанский А. Д. «Электрические промышленные печи», М., 1958

5. Кацевич А. С. «Расчет конструкций электрических печей», М., 1977

6. Ульянов В. А., Гущин В. Н., Китаев Е. М. — Методические указания по курсовому и дипломному проектированию, Н.Н., 2000