Определение основных размеров рабочего пространства печи

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ИТПФ»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Нагрев и нагревательные устройства»

на тему: «Расчёт и конструирование нагревательного устройства для нагрева заготовок под горячую штамповку»

Выполнил студент группы ОД-31 ФИО.

Проверил д.т.н., проф. Мороз Б.С..

Зав. кафедрой д.т.н., профессор Мороз Б.С.

Ростов-на-Дону

2013 г.

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ИТПФ»

Утверждаю

Зав. кафедрой д.т.н., профессор Мороз Б.С.

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Нагрев и нагревательные устройства»

на тему: «Расчёт и конструирование нагревательного устройства для нагрева заготовок под горячую штамповку»

Исходные данные

1. Производительность печи G = 110кг/ч

2. Заготовка вид - прокат

Материал - сталь 45

Ширина - d = 40мм

Длина - l = 80мм

3. Температура нагрева металла t_м = 1200^о С

4. Топливо (вид) - природный газ

Химический состав топлива:

CH ₄ = 81,7%; C ₂ H ₆= 5,0%; C₃H ₈= 2,0%; C₄H ₁₀= 1,2%; C₅H ₁₂= 0,6%;

CO = 0,4%; H₂S = 0,6%; N₂ = 8,5%.

Дата выдачи задания 20 февраля 2013 года

Задание получил студент группы ОД-31 ФИО.

Руководитель д.т.н., проф. Мороз Б.С..

Содержание

Введение

1. Расчёт конструирования нагревательной печи

2. Расчёт горения топлива

3. Расчёт продолжительности нагрева металла

4. Определения основных размеров рабочего пространства печи

5. Выбор материалов для печи и определение ее габаритных размеров

6. Составление теплового баланса печи

7. Расчет дымового канала

8. Определение основных показателей рабочей печи

Список литературы

Введение

Высокое качество поковок достигается при правильном нагреве металла для ковки или штамповки в пределах установленных темпе­ратур. Таким образом, нагрев металла при ковке и штамповке яв­ляется важнейшей операцией, в значительной степени, определяющей качество и стоимость продукции кузнечного производства.

В практике, как правило, рационализация нагрева металла при­водит не только к повышению качества получаемых поковок, но и к повышению производительности кузнечного цеха.

В кузнечном производстве металл нагревается в пламенных пе­чах и электронагревателях. Пламенные печи вследствие универ­сальности до сего времени имеют широкое применение. В них могут нагреваться заготовки различного веса, размера и формы.

Пламенная печь — сложный тепловой агрегат, в котором про­текают процессы получения тепла от горения топлива и передачи его нагреваемому металлу. Эта совокупность процессов теплообмена при горении топлива и движении газов в рабочем пространстве между печными газами, стенками и металлом является тепловой работой печи.

По характеру нагрева металла пламенные печи делятся на ка­мерные и методические. Камерная печь имеет обычно пря­моугольную форму. Основная часть печи представляет собой рабо­чую камеру, где на поду нагревается металл (заготовки). Посадка нагреваемых заготовок в рабочую камеру производится через окно, закрываемое специальной заслонкой. В стенке рабочей камеры уста­новлены горелки (при работе печи на газе) или форсунки (при работе на мазуте).

Продукты горения (дымовые газы) отводятся из рабочей камеры по каналам, находящимся в стенках камеры и сообщаю­щимся с дымоходом, над которым обычно устанавливается реку­ператор для подогрева воздуха, поступающего для горения, теплом уходящих дымовых газов. Если дымовые газы отводятся в подземный дымоход, то под рабочей камерой делается подовая камера, сообщающаяся с дымоходом. Тогда рекуператор может устанавливаться в подовой камере или в дымоходе

1. Выбор конструкции нагревательной печи

На основе исходных данных осуществляем выбор конструкции печи, обеспечивающей нормальную работу основного кузнечного оборудования. При этом, учитывая характер производства, способ изготовления поковок, вид топлива, способ отвода дымовых газов, а также вид и форму нагреваемых заготовок.

Конструируем камерную печь пламенного нагрева со стационарным подом для нагрева заготовок под горячую штамповку, отводом дымовых газов под зонт.

2. Расчёт горения топлива

Расчёт горения топлива сводится к определению теплоты сгорания данного топлива; количества воздуха, необходимого для горения; количества продуктов горения (дымовых газов); калориметрической и действительной температуры в рабочем пространстве печи.

2.2.1. Определение теплоты сгорания газообразного топлива.

Определяем теплоту сгорания газообразного топлива по формуле с. 7 [3]:

= 127 СО + 108 Н ₂ + 358 СН ₄ + 590 С ₂ Н ₄ + 636 С ₂ Н ₆ + 913 С ₃ Н ₈ + 1158 С ₄ Н ₁₀ + +1465 С ₅ Н ₁₂ + 234 Н ₂ S (кДж/м³),

где СО, Н ₂, С ₂ Н ₄,...., Н ₂ S – элементарный состав топлива в процентах;

= 127 СО + 358 СН ₄ + 636 С ₂ Н ₆ + 913 С ₃ Н ₈ + 1158 С ₄ Н ₁₀ + 1465 С ₅ Н ₁₂ + 234 Н ₂ S (кДж/м³) = 127*0,4 + 358*81,7 + 636*5,0 + 913*2,0 + 1185*1,2 + 1465*0,6 + 234*0,6 = 50,8 + 29248,6 + 3180 + 1826 + 1422 + 879 + 140,4 = 36746,8 (кДж/м³).

2.2.2. Определение теоретического количества воздуха, необходимого для горения топлива.

Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для горения топлива по формуле с. 12 [3]:

L_т = 0,26 10^-3 – 0,06 (м³),

где L_т – теоретическое количество воздуха, необходимого для горения топлива;

L_т = 0,26*10^-3 *36746,8 – 0,06 = 9,55 (м³).

2.2.3. Определение действительного количества воздуха, необходимого для горения топлива.

Определяем действительное количество воздуха, необходимого для горения топлива по формуле с. 28 [1]:

L_д = a_дL_т (м³),

где a_д – коэффициент избытка воздуха. Принимается при сжигании газообразного топлива a_д = 1,05....1,1;

Принимаем a_д = 1,05;

L_д - действительное количеств воздуха, необходимого для горения топлива;

L_д = 1,05*9,55 = 10 (м³).

2.2.4. Определение количества продуктов горения.

Определяем количество продуктов горения по формуле с. 13 [3]:

V_г = 0,272 10^-3 Q _н^р + 0,06 + (a_д + 1) L_{т ,}

где V_г - количество продуктов горения (объём);

V_г = 0,272 10^-3 36746,8 + 0,06 + (1,05 + 1) 9,55 = 10,5 (м³).

2.2.5. Определение калориметрической температуры горения топлива.

Определяем калориметрическую температуру горения топлива по формуле

с. 13 [3]:

где q_т^ф = С_тt_т – тепло, вносимое с подогретым топливом (кДж/м³);

q_в^ф = С_вt_вL_д – тепло, вносимое с подогретым воздухом (кДж/м³);

С _г – теплоёмкость продуктов горения. Принимается при сжигании газообразного топлива С_г = 1,41 – 1,5 (кДж/м^{3 0}К);

Принимаем С_г = 1,46 (кДж/м^{3 0}К);

С_т, С_в – соответственно, теплоёмкость топлива и воздуха при температуре подогрева;

t_т, t_в – температура подогрева, соответственно, топлива и воздуха;

t_к - калориметрическая температура горения топлива;

Так как топливо и воздух не подогреваются, то q_т^ф + q_в^ф = 0

2.2.6. Определение действительной температуры.

Определяем действительную температуру в печи определяется по формуле

с. 34 [1]:

где h - пирометрический коэффициент, зависящий от конструкции и режима работы печи. Принимаем h = 0,65...0,8 (с. 35 [1]);

t_п - действительная температура в печи;

t_п = 0,75 * 2397 = 1798⁰ С.

После проведения расчётов проверяется, обеспечивает ли данное топливо нагрева заготовок до заданной температуры. Для этого должно выполнятся условие:

t_п – t_м 100⁰ C

1798 – 1260 = 538⁰ C

538⁰ > 100⁰ C

Учитывая, что условие выполняется, необходимость в подогреве воздуха, поступающего в рабочее пространство печи, отсутствует.

Для расчёта печи принимаем температуру рабочего пространства печи равной 1360⁰ C.

2.3. Расчёт продолжительности нагрева металла.

Все нагреваемые заготовки можно условно разделить на две группы – «тонкие» и «массивные» тела. К тонким телам относятся заготовки, у которых критерий Био меньше 0,25, а к массивным – заготовки у которых критерий Био больше 0,5. Область значений критерия Био от 0,25 до 0,5 – переходная (эта область относится к «тонким» телам).

2.3.1. Определение критерия Био.

Определяем критерий Био по формуле с. 49 [2]:

где S – радиус заготовки (R _заг), обогреваемой с обеих сторон (м);

l - коэффициент теплопроводности материала при температуре нагрева (Вт/мК);

a_{л + к} - коэффициент теплопередачи, изменяется в широких пределах. При нагреве в камерных печах определяется по формуле с. 50 [2]:

(Вт/м²к)

(Вт/м²к)

0,3 < 0,5

Значение критерия Био равное 0,3 показывает, что заготовка относится к переходной области между «тонкой» и «массивной» заготовками и по рекомендации методического указания к курсовой работе относится к «тонким» телам.

2.3.2. Продолжительность нагрева «тонких» заготовок определяется по формуле:

(ч), где

- средняя теплоёмкость металла. Принимаем = 0,166*4,19=0,7;

F_эф – эффективная тепловоспринимающая поверхность заготовки (м²).

F_эф=3*0,04*0,08+2*0,04²=0,0128(м²)

- половина толщины заготовки (м);

- начальная температура металла;

- конечная температура металла.

- плотность металла. Принимаем = 7850кг/м³;

- коэффициент теплопроводности материала при температуре нагрева. Принимаем = 27 * 1,16 = 31,32 (Вт/(м²*К))

V - объём рабочего пространства печи. Рассчитываем по формуле V=a²*l

V=0,04²*0,08=0,128*10^-3(м³)

(ч)

Определение основных размеров рабочего пространства печи

2.4.1. Определение количества заготовок, одновременно находящихся в печи.

Определяем количество заготовок, одновременно находящихся в печи в зависимости от часовой производительности печи и продолжительности нагрева заготовок по формуле с.146 [2]:

,

где G – часовая производительность печи;

g – масса заготовки.

(кг)

=40²*80=0,128*10^-3 (м³).

g = 7850 * 0,128 * 10^-9 = 1 (кг)

n= (110*0,36) / 1 = 39,6 (шт)

Принимаем n = 40 (шт)

2.4.2. Составление эскиза расположения заготовок на поду печи определение шага укладки заготовок.

Определяем шаг укладки заготовок по формуле:

S_ш = d_з + k_ук,

где k_ук – коэффициент, принимаемый равным 0,5 d_заг

S_ш = 40 + 0,5 *40 = 60 (мм)

Эскиз расположения заготовок в поду печи

2.4.3. Определение ширины и длины пода печи.

Определяем ширину и длину пода печи по формулам с.246 [1]:

В_под = (n – 1) S_ш + 200 (мм);

L_под = l ₁ + (100 … 200) (мм),

где l ₁ – длина заготовки (при коротких заготовках l ₁ = l_заг m)

m – количество заготовок, уложенных в одну длину.

l ₁ = 80*5 = 400 (мм)

В_под = (8 – 1) 60 + 200 = 620 мм = 0,62 (м)

L_под = 400 + 200 = 600 мм = 0,6 (м)

2.4.4. Определение высоты рабочей камеры печи.

Определяем высоту рабочей камеры печи по формуле с. 246 [1]:

(м),

где w - коэффициент, зависящий от отношения поверхности нагреваемого металла к кладке, принимается w = 0,25 … 0,3 (с. 143 [1]);

F_к – внутренняя поверхность кладки. Определяем по формуле:

(м²), (м²)

F _с – площадь свода. Определяется по формуле:

F_с = 1,1 F_под (м²);

F _с = 1,1 * 0,372 = 0,41 (м²),

F_под = В_под *L_под = 0,62*0,6 = 0,372 (м²)

(м)

2.5. Выбор материалов для построения печи и её габаритных размеров

Дата добавления: 2015-12-08