Расчет печи сопротивления (стр. 2 из 5)

Тепловой расчет основан на рассмотрении теплового баланса за один цикл работы печи:

Q_h⁼Q_И+ Q_b+ Q_П ,

где Q_h- количество тепла, выделенною нагревательными элементами зацикл; Q_н - полезное тепло, идущее на нагрев изделия; Q_в - вспомогательное тепло, идущее на нагрев жароупорных поддонов, газа; Q_П - тепловые потери за цикл:

.

Здесь С_И- средняя удельная теплоёмкость садки в интервале температур (t"_И;t'_И);G_И- масса садки:

где С_Ж, G_Г - средняя удельная теплоёмкость жароупорных деталей и газа в соответствующем интервале температур; G_Ж, С_Г - масса жароупорных деталей и газа; t'_ж, t"_ж, t'_г, t"_г - температуры жароупорных деталей и газа соответственно в начальном и нагретом состояниях:

.

где k_П 1,15-1,3- коэффициент неучтённых потерь; q_П.H,q_П.В ,q_П.О ,q_П.B.3— мощности тепловых потерь соответственно при нагреве, выдержке, охлаждении, выгрузке и загрузке.

Как следует из цикла работы печи, q_П.H = q_П.B = q_П.С, где q_П.С - мощность потерь через стенки печи. Для цилиндрической шахтной печи мощность потерь через боковые стенки

где t_ВН, t_НАР- температура воздуха соответственно внутри и снаружи печи; a_вн, a_нар— коэффициент теплоотдачи конвекцией соответственно на внутренней и наружной поверхности футеровки; D₁D₂, D₃ - диаметры соответственно внутpeнний (D₁=D_n), цилиндра раздела огнеупорного и теплоизолирующего слоев футеровки и наружный; a₁ , a₂ - коэффициенты теплопроводности слоев футеровки; Н_п - высота рабочей камеры печи.

Для определения потерь тепла камерной ЭПС, а также определения потерь тепла через крошку и днище круглой цилиндрической ЭПС используется формула стационарной теплопередачи через плоскую многослойную конечную стенку. Для двухслойной футеровки

,

где - l₁ , l₂толщина соответственно первого и второго слоев футеровки; F_I =

- расчетная поверхность огнеупорного слоя;

F_II =

- расчетная поверхность второго теплоизоляционного слоя; F₁, F₂, F₃,- площади поверхностей соответственно внутренней, раздела слоев футеровки и наружной.

Тепловые потери череззакрытую дверцу определяют аналогично тепловым потерямчерез любую стенку. Результирующую мощность потерь через стенки

печи определяют как сумму мощностей потерь через все стенки.

Потеритепла при охлаждении целесообразно определить как разность теплоты, аккумулированной кладкой печи в начале и конце процесса охлаждения:

При выгрузке и загрузке к потерям тепла через стенки добавляются потери излучением через открытое отверстие для загрузки печи, мощность которых рассчитывают по закону Стефана—Больцмана:

где e - степень черноты отверстия печи, для малых отверстий e» 1, для больших - 0,8; Т_п ,Т₀ - абсолютная температура соответственно рабочей камеры печи и окружающего воздуха; F₀ - площадь отверстия для загрузки печи; y=0,2-0,8 — коэффициент диафрагмирования, учитывающий глубину отверстия и экранизирующее действие его стенок.

Рис 6. Циклы работы печи

Мощность потерь конвекцией через открытую дверцу печи

где В₀, Н₀- соответственно высота и ширина отверстия печи.

После расчёта Q_hможет быть определен удельный расход энергии на единицу массы продукции А = Q_h/G_И , а также тепловой КПД печи

h_т=Q_И/Q_Н

Поскольку тепло, необходимое для нагрева садки и вспомогательных элементов, компенсации всех видов потерь, кроме потерь при выдержке, выделяется в период нагрева, то потребная мощность печи периодического действия (расчетная мощность нагревателя)

где к_м= 1,2-1,5 - коэффициент запаса мощности, учитывающий возможность понижения питающего напряжения, увеличение сопротивления нагревателя при старении, форсирование режима разогрева печи.

Для ЭПС непрерывного действия тепловой расчет отличается тем, что рассматривают не тепловой баланс за цикл работы печи, а баланс тепловых мощностей, поскольку процессы загрузки, нагрева, выдержки, выгрузки идут одновременно:

где Р_И, Р_В, Р_П - соответственно мощности полезная (нагрев изделий), вспомогательная (нагрев поддонов), потерь (через стенки печи и отверстия для загрузки и выгрузки).

Количество рабочих зон для печи непрерывного действия

,

где L_П, В_П - соответственно длина и ширина печи.

Соотношение мощностей:

-для двухзонной печи Р₁=0,7Р_П; P₂=0,3P_П;

- для трехтонной печи Р₁=0,5Р_П; P₂=0,3P_П; P₃=0,2P_П.

Здесь Р₁, Р₂, Р₃ - мощности соответствующих зон печи.

Электрический расчёт печей сопротивления

1. Электрический расчет печей сопротивления сводится к выбору материала нагревателя и определению его геометрических размеров при известной рабочей температуре, мощности печи и размерах рабочего пространства.

Расчет должен обеспечивать выполнение следующих требований:

- нагреватель должен отдавать заданную мощность, чтобы обеспечить заданную скорость нагрева;

- желательно наиболее полно использовать материал нагревателя, т. к. он дорог;

- интенсивность использования нагревателя должна учитывать достаточный срок службы;

- нагреватель должен иметь достаточную площадь для обеспечения равномерного нагрева загрузки;

- сечение нагревателя должно быть достаточным по механической прочности. Срок службы материала нагревателя зависит от целого ряда факторов: рабочей температуры, характера её изменения во времени, конструкции и размеров нагревателя, воздействия на него атмосферы печи. Срок службы может быть обусловлен постепенным окислением материала в работе или потерей нагревателем механической прочности. Применяемые для нагревателей материалы образуют при нагреве плотные окисные плёнки, защищающие основной материал от дальнейшего окисления, поэтому до определённых температур окисление развивается крайне медленно, а после перехода через этот температурный уровень процесс резко ускоряется. Максимально допустимой температурой данного материала считается температура, начиная с которой резко усиливается процесс окисления.

При окислении нагревателя плёнка окисла на нём постепенно утолщается, а сечение металлической сердцевины уменьшается. Поэтому сопротивление нагревателя постепенно увеличивается, а выделяющаяся в нём мощность падает. Когда уменьшение мощности достигает 10-15 % нагреватель приходится заменять на новый.

Также причиной выхода нагревателя из строя может явиться его недостаточная механическая прочность при высоких температурах, склонность к ползучести или короблению. При этом может получиться замыкание соседних витков и петель.

2. Электрический расчет ЭПС для выполнения РГР рассмотрим применительно к наиболее распространенной среднетемпературной печи сопротивления с рабочей температурой свыше 700 °С и теплоотдачей преимущественно излучением.

Уравнение преобразования энергии и нагревателе составим из условия равенства подводимой электрической мощности Р_ЭЛ и излучаемой с поверхности нагревателя тепловой мощности Р_Т, причём эти мощности должны быть равны расчетной мощности нагревателя Р_Н (Р_Д):

(1)

где U_h- напряжение на нагревателе, В; S_h- сечение нагревателя, м² ; r -удельное сопротивление материала нагревателя, Ом м; L_H - длина нагревателя, м; W - удельная поверхностная мощность излучения, Вт/м²; F_Н-поверхность нагревателя, м².

Система уравнений (1) имеет бесконечное множество решений, т.к. число неизвестных больше числа уравнений. Оптимальным решением из всего множества решений являются параметры нагревателя, удовлетворяющего приведённым выше требованиям и имеющего минимальные приведённые затраты на нагрев единицы продукции.