Электропечь.Нагрев и нагревательные устройства

 

Содержание

1)Введение…………………………………………………………………..……..3 
2) Выбор температурного интервала ковки и штамповки для заданного материала с обоснованием…………………………………………………..……5 
3) Выбор способа нагрева заданной заготовки детали……………………..…..6 
4) Расчет продолжительности нагрева, режима нагрева…………………...…15 
5) Выбор исходных данных для проекта нагревательного устройства……....22 
6) Расчет теплового баланса нагревательного устройства, определение расходов топлива или энергии………………………………………………….25 
7) Расчет и проектирование элементов конструкции печи……………...……33 
8) Выбор и расчет нагревателей……………………………………………..….35 
9) Эскизный проект нагревательного устройства, теплообменного аппарата, нагревательного элемента, индуктора…………………………………………36 
10) Общие выводы по проекту………………………………………………….43

11) Заключение…………………………………………………………………..45 
12) Список источников информации……………………………..……………47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Электропечи обладают существенными преимуществами по сравнению  с топливными печами: обеспечивают большие скорости нагрева и высокую производительность, легкость и точность регулировки теплового режима, возможность нагрева отдельных участков изделия, легкость герметизации и возможность нагрева в вакууме, лучшие условия труда, более высокий КПД (отсутствуют потери с выходящими газами). Основным недостатком таких печей является большая стоимость электроэнергии по сравнению со стоимостью топлива. Условия теплообмена в рабочем пространстве электропечей определяются способом преобразования электрической энергии в тепловую.

В индукционных печах нагрев происходит за счет выделения теплоты непосредственно в нагреваемом металле вихревыми токами, наводимыми в нем переменным магнитным полем. Данные печи широко применяются в качестве нагревательных печей при обработке цветных металлов и сплавов, а так же для получения особо качественных изделий, так как в такой печи отсутствует окислительная атмосфера продуктов сгорания топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Выбор температурного  интервала ковки и штамповки  для заданного материала с  обоснованием

 

Температурный интервал горячей штамповки является одним из основных термомеханических параметров, который включает в себя диапазон температур от максимальной в печи до температуры окончательной штамповки, т. е. температурный интервал имеет верхние и нижние границы.

Для стали 45 верхний предел 1250ºС, нижний предел 700ºС.

Для нагрева  металла в кузнечном производстве широко применяют различные печи, установки, приспособления. Для нагрева  нашей поковки выбираем индукционный нагрев.

Индукционный  нагрев основан на передаче на малые расстояния

 

Пользуясь литературой ([6], стр. 259-263) определяем параметры  индуктора и режим нагрева  заготовки.

 

 

Параметры индуктора и режим нагрева  заготовки

Индуктор				Режим
Внутренний  диаметр, мм	Длина обмотки, мм	Число витков	Число заготовок индукторе	Частота тока, кГЦ	Напряжение, В	Средняя мощность генератора, кВт	Темп  выдачи заготовок, с	Время нагрева заготовки, с	Произво- дительность, кг/ч
130	760	40	4	2,5	750	155	33	132	425

 

Толщина тепловой изоляции – 15-20 мм.

Витки индуктора  должны быть расположены таким образом, чтобы не было встречного магнитного поля.

\

 

3. Выбор способа нагрева заданной заготовки детали

 

\ работ.

 

Операция ковки

 

Тип оборудования: пневматический молот.

Масса падающих частей: 0,075 т.

Число ударов бойка: 210 ударов в минуту.

Разобьем пруток на части согласно приведенному ниже чертежу (рис. 1):

Рис. 1.

 

Для ступеней I,II,III,IV,V,VI,VII сделаем засечки согласно расчету:

 

 

Технологический процесс ковки

 

Процесс ковки  включает в себя следующие операции:

1. Разметка заготовки согласно рисунку 1.

 

2. Протяжка заготовки на диаметр D.
3. Правка поковки.

 

 

 

Технологические процессы предварительной термической  обработки детали.

 

Режимы термической  обработки Сталь 45

Марка стали	Температура критических  точек, °С		Виды и режимы термической обработки *\ температура, °С, время выдержки, ч	Твердость НВ
	Act	Ас,
45	730	755	Н, 860, воздух; 3, 830, вода -|-+ Ов, 600, воздух	175 … 217

 

С целью улучшения  обрабатываемости кованой заготовки  и подготовки

й толщины на коэффициент формы (Kф = 1).

Время выдержки в электропечи  при нагреве под нормализацию составляет:

 

,

 

где - условная толщина заготовки, мм.

Время охлаждения заготовки  на спокойном воздухе:

 

,

 

где - температура нормализации, °С; - скорость охлаждения на спокойном воздухе,°С/с∙см.

 

 

4. Расчет продолжительности нагрева, режима нагрева

Электрические печи с преобладанием излучения.

Методические  печи в большинстве случаев по длине делятся на несколько отдельно регулируемых тепловых зон. Нагревательные элементы в пределах одной зоны обычно размещаются равномерно. Поэтому каждая зона характеризуется постоянным тепловым потоком, передаваемым лучеиспусканием на тепловоспринимающую поверхность изделий. Температура зоны печи по мере нагрева изделий повышается в соответствии с основным уравнением теплообмена излучением:

(6)

 

где q_л - интенсивность теплового потока (излучением),

Т₁ - температура в данной зоне печи, К;

Т₂ - температура изделий, °К;

ε_п - приведенная степень черноты изделий и внутренней поверхности печи.

Интенсивность теплового потока q_л связана с полезной мощностью зоны:

 

(7)

 

где N'_п - полезная мощность зоны печи, кВт;

F' - тепловоспринимающая поверхность изделий в зоне, м².

Итак, температура зоны определяется следующим выражением:

 

(8)

 

При этих условиях уравнение  теплового баланса аналогично уравнению (1)

 

(9)

 

где G^’ - масса загрузки изделий в одной зоне, кг.

Интегрируя  уравнение (49) в пределах от начальной  температуры изделий  до конечной в данной зоне, получим следующую формулу, определяющую продолжительность нагрева изделий в зоне:

 

1(0)

 

Масса загрузки изделий в зоне равна

 

(11)

 

где g’ - нагрузка на метр пода печи, кг/м;

V - длина зоны, м.

Для первой зоны печи = , для последней зоны = . Если известно время нагрева, то можно определить скорость движения изделий в печи, т.е

 

нвективного теплообмена  в низкотемпературных конвекционных  печах. Процесс нагрева изделий  в методических конвекционных печах зависит от схемы движения газов (воздуха) и нагреваемых изделий в рабочей камере печи. Существуют три основные схемы движения газов

 

Рисунок 9 – Схемы прямоточной (а) и противоточной (б) методических конвекционных печей  и распределение температуры по их длине: 1— нагревательные элементы; 2 — вентилятор

 

В печах, работающих по схемам прямотока и противотока, изменение температуры газов  по длине рабочей камеры определяется теплообменом между газами и изделиями (рис. 9). При определении продолжительности нагрева изделий в этих печах обычно задаются температура газов (воздуха) на входе в рабочую камеру печи t_1вх, начальная t_н и конечная t_к температуры изделий. Температура газов на выходе из рабочей камеры печи определяется из уравнения теплового баланса:

 

(16)

 

где с_р - удельная теплоемкость газов в печи, Дж/(кг ∙° С);

р_г- плотность газов в печи, кг/м³;

V_г - объем газов, проходящий в единицу времени через поперечное сечение рабочей камеры печи, м³/ч;

Р - производительность печи, кг/ч;

с -удельная теплоемкость изделий, Дж/(кг· ° С).

Установившийся  квазистационарный режим теплообмена  в рассматриваемых печах позволяет  определить среднюю разность температур газов и изделий: для схемы  прямотока:

 

(17)

И в случае противотока

 

(18)

 

В результате этого  время нагрева изделий определяется следующим образом:

 

5. Выбор исходных данных для проекта нагревательного устройства

 

В расчет конструктивных параметров блока ТЭНов входит определение  расстояний (в просвете): х - между нагревателями в ряду;

х2 - между рядами нагревателей, а также определение  внешних размеров блока.

Для расчета  х определяем «живое» сечение блока нагревателей, т.е. не занятую ТЭНами площадь воздушного канала:

 

(25)

 

где расчетная воздухопроизводительность вентилятора, м3/с;

Vв— принятая  в тепловом расчете скорость  воздуха, м/с.

Вычисляем:

Расстояние между нагревателями в ряду х1 определяем по выражению:

 

(26)

 

где k - число  ТЭНов в ряду;

- активная длина ТЭНа, м.

 

При k=5

 

где m - число  рядов ТЭНов.

При m = 3  С = (3 + 1)10 + 3·12 = 76мм.

1-керамический  изолятор; 2-металлическая трубка; 3-окись  магния; 4-спираль; 5-выводы 

Рисунок 4 - Разрез гладкого ТЭНа

 

 

6. Расчет теплового баланса нагревательного устройства, определение расходов топлива или энергии

 

Уравнение теплового  баланса печи:

 

, где

 

- сумма статей прихода теплоты

- сумма статей расхода теплоты

 

, где

 

- теплота горения топлива

- теплота, вносимая с подогретым  воздухом

- теплота экзотермических реакций

 

Расчет  прихода теплоты

 

Теплота горения  топлива

 

;

;

,

 

 

;

;

;

,

 

 

 

 

 

Таблица 2

Сводная таблица  теплового баланса

Статьи прихода		Обозначение	Количество		Статьи расхода		Обозначение	Количество
			ккал/с	%				ккал/с	%
1	Теплота горения  топлива		351	85	1	Полезный расход тепла		91	22
2	Тепло, вносимое подогретым воздухом		55	13	2	Потери тепла  с уходящими дымовыми газами		204	49,4
3	Тепло экзотермических  реакций		7	2	3	Потери тепла  через окна печи		75	18,16
Всего:			413	100	4	Потери тепла  через кладку печи		4,41	1,1