Курсовая работа (т): Расчет теплового баланса камерной печи

- характерный геометрический размер изделия (для прямоугольного сечения - половина высоты при двустороннем нагреве), .

)        В соответствии с рекомендуемым режимом термической обработки и критическими температурами принимаем:

Температура нагрева металла под закалку……..

Температура в печном пространстве должна быть несколько выше, чтобы обеспечить такой нагрев

)        Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием  и конвекцией

                                                                                     (2)

Для электрических печей с температурой выше  коэффициент теплоотдачи конвекцией  приближенно может быть принят 10…15 .

)        Вычислим коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием

                                             (3)

где  - приведенный коэффициент излучения, ;

 - Температура в печном пространстве, ;

 - Начальная температура металла, ;

 - Конечная температура металла, .

                                                                             (4)

где  - коэффициент излучения абсолютно черного тела, ;

 - степень черноты нагреваемого металла;

 - тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, ;

 - поверхность нагревательной камеры печи, ;

 - степень черноты кладки печи.

тогда

Принимаем

Зная коэффициент теплоотдачи, определяющий размер и теплофизические характеристики металла вычислим критерий Био

Критерий Био , а значит изделие малогабаритное и перепад температуры по сечению незначителен и им можно пренебречь, поэтому при расчете времени нагрева и выдержки изделия целесообразнее пользоваться понятием теплотехнически «тонкое» изделие, а равно производить расчет по формулам для теплотехнически «тонких» изделий

)        Расчет времени нагрева

                                                 (5)

где  - масса садки, кг;

 - удельная теплоемкость загрузки, ;

 - приведенный коэффициент излучения, ;

 - тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, ;

 - Температура в печном пространстве, ;

 - Начальная температура металла, ;

 - Конечная температура металла, ;

 - функция отношения температуры загрузки к температуре печи (рис.3).

Рисунок 3 - Зависимость  от  [2]

Массу садки вычислим по формуле

где  - плотность металла при 20 , ;

 - объем, занимаемый заготовкой, ;

                                                                                    (7)

Таким образом время нагрева будет равно:

Для более рационального использования рабочего пространства печи, а также в целях сокращения времени нагрева партии заготовок будем использовать расположение заготовок приведенное в табл.7.

Таблица 7 - Коэффициент времени нагрева  в зависимости от расположения изделий в печи; d - сторона квадрата [2]

                (8)

Для малогабаритных изделий не требуются длительные выдержки, поэтому принимаем:

                                         (9)

Общее время нахождения изделия в печи

                            (10)

3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Тепловой расчет печи сводится к составлению теплового баланса, который представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепла. Тепловой баланс действующей печи составляют с целью определения технико-экономических показателей ее работы.

Для электрических печей учитываются только расходные статьи теплового баланса

3.1    Тепло, расходуемое на нагрев металла

Тепло, расходуемое на нагрев металла можно вычислить по следующему выражению:

                                                                   (11)

где  - масса изделий, ;

 - время нагрева изделий в печи (=83,26  = 4996 )

 - средняя теплоемкость стали ШХ15 в интервале температур от  до , =

 - начальная температура металла, =20;

 - конечная температура нагрева металла, =840.

3.2 Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печки

Тепло, теряемое вследствие теплопроводности кладки печи можно определить по формуле:

      (12)

Потери тепла в результате теплопроводности через под, свод и стены печи определяются уравнением:

     (13)

где tп - температура рабочего пространства печи, tп=900˚С;

tо - температура окружающего воздуха, tо=20˚С;

S1, S2, …, Sn - толщина отдельных слоев кладки, м;

λ1, λ2,…, λn,-коэффициенты теплопроводности слоев кладки, Вт/(м∙К);

F1, F2, …, Fn - средние расчетные поверхности слоев кладки, м2;

αв - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки печи в окружающую среду, αв =12 Вт/(м2∙К);

Fнар - наружная поверхность кладки, м2.

Средние расчетные поверхности слоев кладки рассчитываются по формулам:

,                   (14)

где Fвн - внутренняя поверхность кладки, м2;

F1,2 - поверхность между первым и вторым слоем кладки, м2.

Размеры слоев кладки печи представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Размеры слоев кладки печи

Расчет боковых стенок

Рисунок 4 - Эскиз боковых стенок печи. [2]

Боковые стенки печи состоят из двух слоев: огнеупорного материала - шамот класса А, толщиной S1=125 мм; теплоизоляционного материала - диатомит, толщиной S2=175 мм.

Используя данные, приведенные в таблице 8, находятся площади боковых стенок:

Hвн = Hвн∙Lвн = 0,280∙0,550 = 0,154 м2;                                  (15)

H1,2 = H1,2∙L1,2 = 0,625∙0,780=0,488 м2;                                 (16)

Hнар = Hнар∙Lнар = 0,925∙1,08=0,999 м2.                                (17)

Средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для шамота класса А (ША) и диатомита соответственно:

     (18)

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t1,2 = 710˚С, tнар = 60˚С, тогда:

; (20)

.         (21)

Значения коэффициентов теплопроводности:

Проверка:

;       (22)

;      (23)

где R1, R2- тепловые сопротивления слоев кладки; К/Вт.

;      (24)

    (25)

Полученные в результате проверки температуры отличаются от выбранных не более чем на 10 ºС, расчет произведен правильно.

Расчет торцевых стенок.

Рисунок 5 - Эскиз торцевых стенок печи. [2]

Количество слоев, их состав торцевых стенок такие же, как у боковых стенок, толщина стенок S1=115мм и S2=150мм.

Используя данные, приведенные в таблице 8, находятся площади торцевых стенок:

Hвн = Hвн∙Bвн = 0,280∙0,400 = 0,112 м2;                                  (26)

H1,2 = H1,2∙B1,2 = 0,625∙0,650=0,406 м2;                                (27)

Hнар = Hнар∙Bнар = 0,925∙1,000=0,925 м2.                             (28)

Рассчитываются средние площади слоев:

;

Коэффициенты теплопроводности для шамота класса А (ША) и диатомита соответственно:

     (29)

    (30)

Зададимся температурами между слоями футеровки и наружной поверхности кладки соответственно равными t1,2 = 680˚С, tнар = 60˚С, тогда:

; (31)

         (31)

Значения коэффициентов теплопроводности:

Проверка:

 ;      (32)

;      (33)

;      (34)