Тепловой расчет электротермических установок.

Количество энергии, потребляемой из сети, и уста­новленная мощность печи зависят прежде всего от тем­пературного режима обработки, заданного технологичес­ким процессом, т. е. цикла работы печи.

Наиболее широко применяемые в практике циклы термической обработки металлов и неметаллических материалов:

1. простейший цикл, предусматривающий только достиже­ние нагреваемым телом заданной конечной температуры при стационарном режиме кладки печи (Рпот=соnst). Такой режим характерен для нагрева без выдержки вре­мени для выравнивания температуры тонкостенных из­делий из черных металлов или материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (алюминия и его плавов, меди и сплавов на медной основе). Наиболее часто этот цикл встречается в печах для нагрева заготовок под горячую деформацию цветных металлов или для закалки тонкостенных изделий.

2. Цикл включающий выдерж­ку изделий при определенной температуре. Назначение этой выдержки — выравнивание температуры по сечению изделия и обеспечение необходимых превращений в его материале. Этот цикл характерен для процессов закал­ен, отпуска, нормализации и термохимической обработ­ки металлов.

3. Третий вид цикла работы печи имеет место в печах для отжига металлов, керамики, спекания металлокерамических изделий, получения монокристал­лов и в других случаях, когда по технологии процесса требуются медленное охлаждение и выдача изделий из печи после 'охлаждения при определенной температуре. Печи периодического действия при таком цикле работы имеют очень низкие экономические показатели. В каж­дом цикле за период охлаждения печь теряет большое количество теплоты, аккумулированной кладкой в перио­ды нагрева и выдержки. Вследствие этого КПД печи ни­зок, а удельный расход электроэнергии велик. Такой цикл может быть оправдан только для термообработки дорогих материалов, для которых стоимость расходуемой электроэнергии несущественна (монокристаллов, ме­таллокерамики, тугоплавких металлов и т. п.).

В печах непрерывного действия охлаждение изделий осуществляется вне печи в специальной камере охлажде­ния, при этом КПД печи и расход электроэнергии не за­висят от времени охлаждения.

В общем случае для цикла работы садочной печи с охлаждением расход теплоты за цикл со­ставит:

Qц =Qпол + Qвсп + Σqпот

где Qпол — количество теплоты, потребное для нагрева загрузки до заданной конечной температуры; Qвсп — количество теплоты, потребное для нагрева вспомогатель­ных жароупорных устройств, входящих вместе с загруз­кой в печь (корзин, поддонов, муфелей, подвесок), и га­за; Qпот—суммарные тепловые потери печи за цикл (все величины—в Дж).

Полезная теплота Qпол, Дж, на нагрев изделий определяется по формуле

Qпол = Cизд Gизд (t``изд – t`изд)

где Cизд — средняя удельная теплоемкость материала загрузки, Дж/(кг-°С); Gизд—массазагрузки, кг; t``изд ' и t`изд — конечная и начальная температуры изделий, ° С.

Аналогично определяется количество теплоты Qвсп, Дж, потребное для нагрева вспомогательных загрузочных приспособлений и газа (защитного или специального), подаваемого в печь от газогенераторных установок или от газовой-тати::

Qвсп = Qж + Qг = Cж Gж (t``ж – t`ж) + Cг Gг (t``г – t`г)

Здесь соответственно Cж, Cг—удельные теплоемкости жароупорного материала и газа, Дж/(кг-°С); Gж, Gг — массы вспомогательных жароупорных устройств и газа, расходуемого за цикл работы печи, кг; t``ж, t`ж, t``г, t`г— конечная и начальная температуры жароупорных изделий и газа, °С.

Суммарные тепловые потери печи ΣQпот, Дж, приме­нительно к циклу с охлаждением загрузrи в печи равны:

ΣQпот = Kп (qпот.н*tн + qпот.выд * tвыд + qпот.охл*tохл + qпот.з.в * tз.в.)

где qпот.н—мощность тепловых потерь через стенки пе­чи в период нагрева, Вт; qпот.выд—то же в период вы­держки, Вт; qпот.охл—то же в период охлаждения, Вт; qпот.з. — мощность тепловых потерь через загрузочные кроемы и щели при загрузке и выгрузке, Вт; Kп=1,15— 1,3 — коэффициент неучтенных тепловых потерь, ко­торый вводится для учета трудно определяемых тепло­вых потерь (через неплотности и щели конвекцией, че­рез выводы нагревателей, термопары и другие элемен­ты конструкции печи, представляющие собей тепловые

короткие замыкания).

Количество теплоты, прошедшее через стенки печи за период охлаждения, есть не что иное, как потери теп­лоты, аккумулированной кладкой:

qпот.охл*tохл = Q``акк – Q```акк

где Q``акк и Q```акк — аккумулированная кладкой теплота, соответствующая температурам изделия t``изд и t```изд

Очевидно, что при работе печи по циклам 1 и 2 кладка теряет только небольшую часть аккумули­рованной ею теплоты за период выгрузки и загрузки за счет потерь теплопроводностью через стенки,излучением и конвекцией через открытые проемы. Суммарные теп­ловые потери печи ΣQпот, Дж, для этих циклов равны:

ΣQпот = Kп (qпот * tпот + qз.п. * tз.п)

Тепловые потери в периоды нагрева и выдержки мо­гут быть приняты одинаковыми и определяются раз­дельно для участков кладки, отличающихся по конструк­ции и материалам. Потери излучением Qизл, Дж, за время выгрузки и загрузки через печные проемы равны:

Qизл = qизл * tэ.в. = ψCsεкл[(Tпечи/100)^4 – (Tнар/100)^4]* Fпр*tэ.в.

Здесь ψ—коэффициент диафрагмирования.

Потребная мощность печи периодического действия Pпотр, Вт, определяется по расходу теплоты в период нагрева, так как именно в этот период требуется макси­мальное количество энергии:

Pпотр = Qн / tн

Qн = Qпол + Qвсп + qпот*tн + qпот.охл*tохл + Qизл

Полученное значение потребной мощности следует увеличить на 10—50%; установленная мощность печи Р, Вт,равна:

P=Kм*Pпотр = (1.1-1.5)Pпотр

Коэффициент запаса мощности &м учитывает:

1) возможность понижения напряжения сети против номинального значения;

2) увеличение сопротивления нагревательных эле­ментов с течением времени («старение» материала на- ' гревателей);

3) форсирование режима разогрева печи с холодного состояния.

Чем выше рабочая температура печи и чем массивнее кладка, тем больше теплоты аккумулируется кладкой, тем большим следует принимать коэффициент запаса ' мощности для уменьшения времени разогрева печи с хо­лодного состояния.

Тепловой КПД печи периодического действия равен отношению полезной теплоты, расходуемой на нагрев садки, ко всей теплоте, затрачиваемой за время цикла:

n = (Qпол/Qпол)/100

Удельный расход электроэнергии w, кВт-ч/кг, т. е. расход ее на единицу массы материала, обрабатываемого ч печи, равен:

w = Qп/Gизд

Если печь велика по габаритам рабочего простран­ства, то она делится на участки — тепловые зоны. Каж­дая тепловая зона имеет самостоятельное регулирование ^ температуры посредством изменения мощности соответ­ствующих нагревателей.

Принцип разбивки рабочего пространства печи и ее мощности на тепловые зоны основывается на требова­нии равномерного распределения температуры внутри печи. По высоте рабочего пространства зона должна занимать 1,5—2 м, по длине печи—не более 2—2,5 м. Чем выше требования технологического режима к рав­номерности распределения температуры, тем меньше размеры зоны по высоте и длине (для печей без при­нудительной циркуляции атмосферы).

В печах с принудительной циркуляцией равномер­ность нагрева изделий достигается организацией на­правления движения газовой среды и большими значе­ниями скорости газа. Мощность зоны, как правило, здесь ограничивается номинальным током контактора IV ве­личины, т. е. током 300 А, и предельные значения мощ­ности трехфазной зоны составляют: 180—190 кВт при напряжении сети 380 В и 100—110 кВт при напряжении 220 В.

Дата добавления: 2015-07-15