Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Цветных металлов и материаловедения институт

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет камерной электропечи сопротивления

Преподаватель Лебедева О.С.

Студент Загорская Н.И.

Красноярск 2014

ВВЕДЕНИЕ

В металлургии и машиностроении при производстве строительных материалов и во многих других отраслях промышленности одним из основных видов оборудования является печи - агрегаты, в которых осуществляется тепловая обработка различных материалов. Во многих производствах качество работы печей определяет качество готовой продукции. Печи являются весьма энергоёмким оборудованием, потребляющим значительное количество твердого (кокса), газообразного и жидкого топлива, а также электроэнергии. Промышленные печи и топки котлов работают при высоких температурах. Благодаря этому основная доля тепла передаётся излучением. Явления излучения, происходящие в металлургических печах и топках котлов и других теплотехнических агрегатах, по существу одинаковы. Однако при разработке методов расчета теплообмена агрегатов приходится учитывать специфические различия, свойственные для каждого типа печи в отдельности. Эти различия большей степенью бывают связаны с явлением внутреннего теплообмена, т.е. с процессами теплоотдачи в самом нагреваемом материале. Первоначально методы расчета теплообмена были разработаны для топок котлов, причем явление внутреннего теплообмена не рассматривались. Принималось, что температура поверхности нагрева низка и её роль в теплообмене очень мала. В дальнейшем влияние температуры поверхности на теплообмен стали учитывать. Такая задача применительно к топкам котлоагрегатов облегчается тем, что температуру лучевоспринимающей поверхности можно считать одинаковой по поверхности и во времени.

Явления внутреннего теплообмена в печах играют в большинстве случаев весьма значительную роль. Поэтому при создании методов расчета лучистого теплообмена в печах необходимо решать одновременно задачи теплообмена в рабочем пространстве печи и внутреннего теплообмена.

Эти явления в печах протекают гораздо сложнее, чем в некоторых установках. Кроме того, они отличаются большим разнообразием.

Они различны в нагревательных и плавильных печах. Нагрев материала может происходить в стационарных и нестационарных условиях. В большинстве случаев температура поверхности нагрева меняется в объёме печи. В секционных печах нагрев осуществляется в виде ступенчатого процесса. Большое различие в процессе нагрева получается при изменении массы заготовок. Все это пока исключает создание универсального метода расчета лучистого теплообмена печей. Для топок котельных агрегатов уже давно созданы широко применяемые практические методы расчета теплообмена. Между тем при проектировании печей расчет теплообмена чаще всего не проводят. Существующие методы расчета тепла печей не совершенны и пригодны в большинстве случаев лишь для получения общей картины влияния отдельных факторов на лучистый теплообмен и в учебных целях.

1. Характеристика печи

Электрические печи, электронагревательные приборы и устройства получили очень широкое распространение в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и быту. На ряде предприятий электрические печи являются основными потребителями энергии, а в целом около 15% всей потребляемой электроэнергии нашей промышленностью расходуется на цели электротермии.

Рассмотрим электрические печи сопротивления (ЭПС), в которых электрическая энергия превращается в тепло твердых или жидких телах при протекании через них тока.

ЭПС делятся на печи косвенного действия, в которых тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и передается нагреваемым телам лучеиспусканием, конвекцией, теплопроводностью, и на печи прямого действия, в которых ток протекает непосредственно через нагреваемые тела, тем самым обуславливается выделением в них "джоулева" тепла. Печи косвенного нагрева в свою очередь делятся на группы в зависимости от способа передач тепла от нагревателей к нагреваемым телам. В большинстве печей косвенного действия теплопередача осуществляется как лучеиспусканием, так и конвекцией, причем в высокотемпературных и среднетемпературных печах (с рабочей температурой свыше 700) доминирует излучение, а в низкотемпературных и среднетемпературных печах с принудительной циркуляцией атмосферы нагрев осуществляется преимущественно конвекцией.

В печах прямого действия заготовки, стержни, прутки, проволока, непосредственно или через понизительный трансформатор включаются в питающую сеть и нагреваются выделяющимся в них "джоулевым" теплом.

ЭПС классифицируется также по температурам при которых они работают:

низкотемпературные ЭПС (до 600 - 700);

Среднетемпературные (от 600 - 700 до 1250);

высокотемпературные (свыше 1250);

Также могут быть разделены на печи периодического и непрерывного действия (методические).

В печах периодического действия изделия загружаются в камеру печи и постепенно нагреваются в ней, оставаясь неподвижными.

В печах непрерывного действия, изделия загружаются с одного конца печи и, перемещаясь постепенно по ее длине, прогреваются и выдаются с другого ее конца нагретыми до заданной температуры.

Камерные электропечи - это один из наиболее распространенных видов общепромышленных электропечей периодического действия. Объясняется это тем, что они разнообразны по конструкции и назначению, удобны в использовании, просты в обслуживании. Из-за постоянного спроса камерные электропечи еще с 30-х годов выпускаются нашей промышленностью серийно.

В настоящее время заводы электротехнического оборудования (ЭТО) выпускают более двух десятков типоразмеров камерных общепромышленных печей с большим диапазоном размеров рабочего пространства на номинальные рабочие температуры от 300 до 1500.

Различие конструктивных решений камерных печей, выпускаемых за рубежом связано также со значительным количеством фирм-изготовителей, в числе которых практически все ведущие электропечестроительные фирмы. Среди них сложилась определенная специализация по видам выпускаемых печей и характерным решениям конструкции. Так, камерные печи фирмы "Naber" (Германия) предназначены для обработки в воздушной атмосфере; ряд других фирм, например "Ipsen" (Германия), "Aichelin" (Австрия) выпускают печи для термообработки в контролируемых атмосферах.

Отечественной промышленностью выпускаются электропечи широкого назначения типов СНО и СНЗ: аналогичные печи выпускаются фирмой "Naber", а также фирмами "Heraeus", "Ruhstrat", "LEW" (Германия), "SOLO" (Швейцария) и другие. \Основные конструктивные решения общие для всех камерных электропечей - теплоизоляция (футеровки), нагреватели, дверцы, системы регулирования температуры и атмосферы - определяются главным образом уровнем номинальной температуры печи, также спецификой, связаной с назначением печи.

Конструкция камерной печи принципиально проста. Она состоит из прямоугольной камеры с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом и помещенной в металлических кожух. Печь загружается и выгружается через отверстие в передний стенке, перекрываемой дверцей.

Маленькие печи для удобства их загрузки устанавливаются на ножках, большие печи - непосредственно на полу. Нагреватели располагаются в поду и на боковых стенках печи, реже также на своде. У очень крупных печей нагреватели располагаются и на задней стенке печи, и на дверцах для обеспечения большей равномерности распределения температур в камере печи. Подовые нагреватели перекрываются обычно жароупорными плитами, на которые и укладываются нагреваемые изделия.

Дверки камерных печей, как правило, выполняются подъемными, у небольших печей с ручным или ножным приводом, у более крупных с электромеханическим. В последнем случае устанавливаются у верхнего и нижнего положений дверки конечные выключатели, отключающие электродвигатель в крайних положениях.

Камерные печи с металлическими нагревателями изготавливаются самых разных величин, от очень маленьких до очень крупных. Наши заводы изготавливают серию камерных печей с ручной загрузкой типа СНО с мощностью от 8 до 165 кВт. Печи снабжены нихромовыми или железохромоалюминиевыми нагревателями и жароупорными подовыми плитами и могут обеспечить нагрев изделий до 1250 0С. Все они выполняются однозонными.

спиральный нагреватель заготовка проволочный

2. Тепловой расчет камерной электропечи сопротивления

1 Размеры печи

Для печей данного типа при двустороннем нагреве изделий напряжение активного пода равно 0,140 - 0,195 кг/() (500 - 700 кг/. Принимая p = 0,183 кг/(), находим площадь пода, занятую металлом

р - напряжение активного пода, кг/().

Нагрев заготовок производится на поддонах. Принимая ширину поддона , определим длину поддона:

Учитывая, что нагревательные элементы, расположенные на стенах печи выступают внутрь стен рабочего пространства на 50 - 150 мм, а расстояние от нагревательных элементов до металла не должно быть меньше 150 - 250 мм, принимаем ширину печи равной:

а длину печи L = 1,2 м.

При двустороннем нагреве нагревательные элементы расположены не только на стенах, но и на своде и поду печи. Учитывая рекомендованные расстояния между нагревателями, стенами печи и нагреваемым металлом, принимаем расстояние между сводом и нагреваемым металлом равным 0,35 мм, а между поддоном и подом 0,15 м.

Тогда общая высота рабочего пространства печи (с учетом толщины нагреваемого металла) равна Н = 0,7 м.

При двустороннем нагреве площадь тепловоспринимающей поверхности металла равна

и теплоотдающей поверхности печи

.

1,2х1х0,7 м - параметры внутреннего пространства печи.

2.2 Определение коэффициента теплоотдачи

Учитывая, что степень черноты футеровки равна , а степень черноты латуни (по приложению Vl), находим приведенную степень черноты по формуле

Находим средний коэффициент теплоотдачи излучением по формуле:

Принимая коэффициент теплоотдачи конвекцией равным , находим значение суммарного коэффициента теплоотдачи к металлу

2.3 Расчет времени нагрева печи

Определяем критерий Био

где коэффициент теплопроводности латуни Л62, Вт/(мК),

l - характерный размер, м. Т.к. заготовка имеет цилиндрическую форму, то l = d = 0, 1м.

Рассчитанный критерий Био = 0,1. Следовательно, заготовки под дальнейшую обработку являются термически тонкими телами (Bi≤0,25).

Температурный критерий для поверхности заготовок

По номограмме на рис.22 находим величину критерия Фурье Fo = 14. Коэффициент температуропроводности равен:

Продолжительность нагрева заготовок в печи

где S - прогреваемая толщина, S = d = 100 мм.

По номограмме на рис. 24 находим температурный критерий для центра нагреваемых заготовок: при известных значениях Bi = 0,1; Fo = 14; . Тогда:

Температурный перепад по сечению заготовки равен

что не превышает заданного значения (11,125<15).

4 Расчет окончательных размеров внутреннего пространства печи

Уточняем основные размеры печи. Для обеспечения заданной производительности в печи должно одновременно находиться следующее количество металла

Учитывая, что масса одной заготовки равна

найдем число заготовок, одновременно находящихся в печи

При плотной укладке на поддон заготовки занимают площадь

где n - количество заготовок, n = 4шт.

Напряжение пода равно

Полученная величина напряжения активного пода совпадает с той, которая была принята при ориентировочном расчете, поэтому перерасчета времени нагрева производить не надо.

Заготовки на поддоне располагаем в 1 ряд по 4 шт, тогда ширина поддона:

а длина поддона:

С учетом расположения нагревательных элементов на боковых стенах, своде и поду печи, окончательно принимаем:

ширина поддона: ;

длинна поддона:

Ширина печи: В = 1,3 м;

длина печи: L = 1, 7 м.

При температуре печи 800 - 1000 принимаем однослойную теплоизоляцию из диатомита естественного толщиной 0,5 м. Теплофизические параметры материала теплоизоляции: плотность ρ = 444 кг/теплоемкость с = 920 Дж/(кг),λ = 0,116+0,00015t

2.5 Мощность печи

Мощность печи вычисляем по формуле:

,

где расход тепла в печи,

К - в рассматриваемом случае коэффициент запаса принимаем К=1,2.

Расход тепла в печи равен:

где полезное тепло, затраченное на нагрев металла;

Потери тепла теплопроводностью через кладку;

Потери тепла на тепловые короткие замыкания.

Расход тепла на нагрев металла в печи равен:

где Р - производительность печи, кг/с,

Энтальпии сплава при конечной и начальной температурах по приложению Х для меди.

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи при стационарном режиме работы определяем учитывая, что температура внутренней поверхности футеровки равна 840, а температура наружной поверхности 100.

Тогда

По приложению XI находим теплопроводность диатомита при и = (840+100)/2 = 470

.

Тогда плотность теплового потока

где - температура окружающего воздуха ,

коэффициент теплопроводности диатомита, 0,365

толщина диатомита, 0,5 м.

Уточняем температуру наружной поверхности футеровки

С учетом принятой толщины стен, найдем площадь наружной поверхности футеровки

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи равны

Потери на тепловые короткие замыкания принимаем равными 70% от потерь тепла теплопроводностью через кладку.

Общий расход тепла в печи:

Тогда мощность печи

3. Электрический расчет камерной электропечи сопротивления

3.1 Нагревательные элементы

Принимая рабочую температуру нагревательных элементов равной:

по приложению XIII выбираем нихром Х15Н60, для которого рекомендуемая рабочая температура составляет 900. Удельное сопротивление сплава при рабочей температуре:

ρ=1,1

По графику (рис.68), при , находим удельную мощность идеального нагревателя, принимая температуру изделия равной 790 (в этом случае температура нагревателей будет наивысшей) .

Выше отмечалось, что нагревательные элементы в рассматриваемой печи располагаются на стенах, своде и поду рабочего пространства. Относительная мощность стен, несущих нагреватели, равна:

где - площадь наружной поверхности печи.

В соответствии с полученным значением относительной мощности стен, несущих нагреватели, выбираем тип последнего.

В проектируемой печи могут быть использованы проволочный спиральный или ленточный зигзагообразный нагреватель. Для каждого из выбранных типов можно принять схему соединения нагревателей "звезду" или "треугольник". Выбор оптимального варианта соединения и типа нагревателя производим по номограмме приложения XIV.

3.2 Ориентировочный расчет ленточного зигзагообразного нагревателя

Для ориентировочного расчета геометрических расчетов нагревателя по номограмме приложения XIV необходимо найти значение удельной поверхностной мощности реального нагревателя; . Коэффициент α выбираем по таблице 55. При нагреве латуни при использовании ленточного зигзагообразного нагревателя α = 0,48.

Тогда .

Поскольку питание печи производится трехфазным током с линейным напряжением то мощность, приходящаяся на одну фазу, составит

.

.

Из точки номограммы приложения XIV проводим вертикальную линию да пересечения с кривой заданной мощности кВт. Из полученной точки пересечения 1 проводим горизонтальную линию до пересечения с кривой, соответствующей условной поверхностной мощности - точка 2. Этой точке соответствует площадь сечения нагревателя S = 15 и соответственно и b = 10a = 12,2 мм. Опуская перпендикуляр из точки 2 до пересечения с горизонтальной линией, проведенной из точки , получаем точку 3, соответствующую длине нагревателя l = 69 м.

Согласно таблице 56 наиболее близким к полученному значению сечения S = 15 обладает ленточный нагреватель сечением 2,0×10 (S = 20). При оптимальном расположении нагревателей (e/b = 2,0) на 1 футеровки размещается 38 м нагревателя. При общей длине нагревателя 69 м3 = 207 м для его размещения потребуется 207/38 = 5,44 , что является приемлемым.

При максимально плотном (e/b = 0,9) расположении нагревателей требуемая площадь поверхности будет равна 207/84 = 2,46.

Таким образом, при соединении нагревателей по схеме "треугольник" на внутренних поверхностях печи можно разместить ленточные нагреватели сечением 2,0×10 с относительным шагом e/b = 0,9.

При соединении ленточных нагревателей по схеме "звезда":

.

.

Аналогично вышеприведенному, проводя прямые, получим:

S = 29 , и b = 10a = 17 мм, l = 50 м.

Наиболее близкое значение площади сечения имеет нагреватель сечением 2,0×15, для размещения которого требуется площадь: при e/b = 0,9 50,3/55,5 = 0,9 и при e/b = 2,0 50,3/25 = 2,01 , т. е. оба варианта являются приемлемыми.

Учитывая, что более массивный нагреватель имеет больший срок службы выбираем ленточный нагреватель сечением 2,0×15 с длиной одной фазы , соединенный по схеме "звезда".

3.3 Ориентировочный расчет проволочного спирального нагревателя

По таблице 55 находим, что при нагреве латуни с использованием проволочного спирального нагревателя α = 0,475. Тогда .

В случае соединения нагревателей по схеме "треугольник":

;

.

По номограмме приложения XIV находим: d = 5 мм, l = 120 м.

Проволочный спиральный нагреватель с диаметром проволоки 5 мм, подвешенный на полочках при t/d = 2, имеет максимальную длину нагревателя, размещаемого на 1 поверхности футеровки 160 м. (таблица 57). При общей длине нагревателя 120*3 = 360 м, это требует площадь поверхности стен 360/160 = 2,25 , что не превышает имеющиеся геометрические размеры.

Таким образом, на основании сопоставления всех возможных типов нагревателей и схем их соединения следует выбрать ленточный зигзагообразный нагреватель сечением 2,0×15 и длиной, приходящейся на одну фазу (схема соединения "звезда").

3.4 Уточненный расчет ленточного зигзагообразного нагревателя

Выше было определено, что при рабочей температуре 900 удельное электросопротивление сплава Х15Н60 равно

Сопротивление одной фазы:

Длина нагревателя, приходящаяся на одну фазу:

Удельная поверхностная мощность:

Так как полученное значение удельной поверхностной мощности достаточно близко к исходному, перерасчета нагревателей производить не требуется. Поскольку площадь поверхности стен, необходимая для размещения нагревателей с относительным шагом e/b = 0,9, меньше внутренней поверхности проектируемой печи (соответственно 0,9 и 7,71 ), следует провести перераспределение нагревателей. Будем считать, что нагреватели равномерно распределены по своду, стенам и поду печи.

Легко подсчитать, что площадь поверхности пода (свода) равна B*L = 1,3*1,7 = 2,21, площадь поверхности боковой стены равна L*H = 1,7*0,7 = 1,19, а площадь поверхности торцевой стены B*H = 1,3*0,7 = 0,91 .

Так как общая длина ленточного нагревателя равна 54,85*3 = 164,55 м, на поду и своде должно быть размещено по 164,55

В различных видах промышленности и в лабораториях часто используется такое оборудование, как электропечь сопротивления. Данное оборудование предназначается для подогрева материалов для исследований, а так же выполняет такие функции, как плавка металлических поверхностей и изделий. Стоит отметить что в производстве металлов также часто используют .

Основным принципам действия такого типа печей является то, что ток, проходящий по проводнику, установленному в печи, образует в нем тепло. основным преимуществом такого типа печей является то, что посредством подбора сил тока и непосредственного сопротивления можно подобрать такую мощность, которая будет способна расплавить металлические материалы и сплавы.

Самыми распространенными типами электропечей сопротивления являются такие, как печи, в которых элементом сопротивления может быть непосредственно само тело, подвергающееся воздействию тепла. А так же специальные проводники. Однако то оборудование, в котором элементом сопротивления служит тело, не разогреваются до такой мощности, которая позволила бы расплавить металл. При этом если элементами сопротивления выступают проводники, то такие печи способны к разогреву температур, при которых металл начинает плавиться. Первый тип электропечей сопротивления имеет название печь прямого нагрева, второй тип, описанный выше, называется печами косвенного нагрева.

Разновидности и классификация электропечей сопротивления

Стоит отметить, что на сегодняшний день моделей и типов печей имеется в огромном количестве. Однако при выборе такого оборудования следует опираться на основные характеристики электропечей сопротивления. Во-первых, данное оборудование может быть непрерывного типа действия и периодического типа действия. К тому же печи классифицируются на такие виды, как аппараты, которые работают при низких температурах, достигающих не более трехсот пятидесяти градусов. Такие печи чаще называют сушильными шкафами. Их используют достаточно часто для .

Следующим типом печей являются аппараты, в которых температура может достигать порядка тысячи градусов. эти печи относятся к разряду среднетемпературных. И, наконец, печи, способные вырабатывать температуру, достигающую тысячи шестьсот градусов, относят к высокотемпературным печам. Есть еще более мощные агрегаты, однако их причисляют уже к вакуумным и атмосферным установкам, нежели к печам сопротивления.

Также данное оборудование классифицируется по конструктивным качествам. Так бывают печи камерного типа, шахтные печи, и колпаковые. А так же существуют аппараты с выдвижным подом, установленным в камере. Печи плавильного типа. Муфельные аппараты и печи трубчатого типа. Так же электропечи сопротивления подразделяются непосредственно по самому материалу, который подвергается обработке. Так на сегодняшний день наиболее часто используются , для обработки керамических и фарфоровых изделий, печи для обработки и запекания и закалки стеклянных поверхностей. И, наконец, печи, которые производят прокалку опок и так далее.

Характеристики электропечи сопротивления

Основными характеристиками, которые следует учитывать при выборе той или иной электропечи сопротивления, являются такие как мощность, которая может варьироваться в зависимости от модели и типа печи. Так же характеристиками электропечи являются размеры самой рабочей камеры печи, которые так же являются настолько разнообразными, что это зависит только от непосредственно типа печи.

Выполнение хода работ в таких печах не требует практически никаких действий, кроме загрузки в камеру материала и запуска самой печи. В печах непрерывного типа материал двигается внутри камеры, что способствует лучшему его прогреванию, и в значительной степени действует на качество продукции. Периодические печи имеют в этом плане некоторые отличия. В них материал просто закладывается и лежит неподвижно, пока не достигает заданного состояния.