Методология выбора материалов и технологий в машиностроении (123290)

Посмотреть архив целиком

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию


Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»


Институт КП МТО

Кафедра МТНМ




ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


1. Теплообмен в топливных и электрических печах


Топливные печи. Дымовые газы, заполняющие рабочее пространство топливной печи, передают тепло лучеиспусканием и конвекцией нагреваемым изделиям и стенкам печи. Последние излучают тепло на изделия. Все эти процессы учитываются при определении коэффициента теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием рассчитывается по формуле


,


где степень черноты поверхности изделия;

коэффициент, учитывающий взаимные процессы лучеиспускания дымовых газов, изделий и стенок печи. Коэффициент выражается следующей формулой


,


где степень развития кладки, ее численное значение приблизительно равно отношению суммарной внутренней поверхности стенок и свода печи к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла


,

степень черноты дымовых газов;

температура дымовых газов в рабочем пространстве печи, К;

средняя температура нагреваемого металла, К, определяемая следующим образом



где начальная температура металла, К;

конечная температура металла, К.

Степень черноты дымовых газов зависит от их состава. В состав печных дымовых газов входят азот (N2), углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Одно- и двухатомные газы имеют ничтожно малую интенсивность теплового излучения. Поэтому степень черноты дымовых газов определяется из выражения


,


где степень черноты углекислого газа;

условная степень черноты водяного пара;

поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара.

Степень черноты газа зависит от его температуры, парциального давления р и средней эффективной длины лучей в рассматриваемом газовом объеме . Величина р (Н/см2) численно равна объемной доле газа в составе продуктов горения. Величину приближенно можно определить так


,


где объем, заполненный излучающим газом, м3;

площадь всех стенок, ограничивающих этот объем, м2.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при турбулентном движении воздуха или продуктов сгорания в каналах можно определить с помощью следующей приближенной формулы


,


где приведенная (0 ˚С; 1,013 Па) скорость движения газов;

эквивалентный диаметр канала, м.

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


.


Величина перепада температуры по толщине изделия зависит от отношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад температуры по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления изделия к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется критерием Био ()


,


где внутреннее термическое сопротивление изделия;

внешнее термическое сопротивление;

коэффициент теплоотдачи;

коэффициент теплопроводности металла;

характерный геометрический размер изделия: для пластины половина ее толщины при двустороннем нагреве и полная толщина в случае одностороннего нагрева.

За условную границу между тонкими и массивными изделиями можно принять такое значение критерия , при котором погрешность определения времени нагрева изделия без учета перепада температуры в сечение изделия не будет превышать 5 % от действительной продолжительности нагрева.

В соответствии с этим условием изделия можно считать тонкими в тепловом отношении, если .

Электрические печи. В электрических печах без искусственной циркуляции воздуха основным видом теплообмена, определяющим нагрев изделий, является теплообмен лучеиспусканием. Конвективный теплообмен в результате свободного движения воздуха около поверхности нагреваемого изделия имеет небольшую интенсивность. Поэтому коэффициент теплоотдачи определяется формулой теплообмена лучеиспусканием, в которой конвективный теплообмен учитывается поправочным коэффициентом:


(20)


где εп - приведенная степень черноты изделий и внутренней поверхности рабочей камеры печи;

Т1 - температура печи, °К;

T2ср - средняя температура изделий, °К; определяется по формуле (8);

εк - поправочный коэффициент, учитывающий конвективный теплообмен, к ≈ 1,05…1,1).

Приведенная степень черноты εп определяется следующим образом:



где ε1- степень черноты внутренней поверхности рабочей камеры печи;

ε2- степень черноты изделий;

F1 - величина внутренней поверхности рабочей камеры печи, излучающей тепло на изделия, м2;

F2 – площадь поверхности изделий, воспринимающая тепловое излучение, м2.

В частном случае, если поверхность изделий, воспринимающая тепловое излучение, много меньше внутренней поверхности рабочей камеры печи (F1 << F2), то на основании выражения (21)

εп = ε2

В электрических печах с искусственной циркуляцией воздуха (в конвекционных печах) при определении коэффициента теплоотдачи на поверхности изделия необходимо учитывать и теплообмен лучеиспусканием, и конвективный теплообмен, т. е.


α=αл к


Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формуле, аналогичной уравнению (20):


(22)


Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией можно применять формулу (11) или (12).

В частном случае, при нагреве длинномерных изделий (профилей, труб, прутков, листов и т. д.) из алюминиевых сплавов в низкотемпературных конвекционных печах до температуры печи t2kt1 величина коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий (таб. 4).


2. Расчет нагрева «тонких» изделий в печах периодического действия


Переменная температура печи при постоянном расходе тепла

С целью максимального использования установленной мощности электрической печи ее величину уменьшают по сравнению с рассчитанной по формуле (25). Это обеспечивает работу печи во время нагрева изделий в основном без отключения. Уменьшение установленной мощности приводит к снижению температуры в рабочей камере печи после загрузки холодных изделий. По мере нагрева изделий температура печи повышается, при этом мощность печи остается постоянной. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура печи не достигнет заданной величины. После этого необходимо уменьшать мощность печи (или расход энергии), чтобы сохранить постоянной температуру в рабочей камере.

Таким образом, процесс нагрева изделий в электрической печи периодического действия можно разбить на два этапа: нагрев при постоянной мощности, но переменной температуре печи и нагрев при переменной мощности (при переменном расходе энергии), но постоянной температуре печи. Расчет продолжительности второго этапа выполняется по рассмотренным ранее формулам. Определим продолжительность первого этапа. Для первого этапа нагрева изделий справедливо равенство:


(30)


где Nп - полезная мощность печи, расходуемая на нагрев изделий, кВт.

Связь между Nп и Ny следующая:



Исходя из равенства (30), тепловой баланс изделия может быть выражен уравнением


(31)


где Gс - масса садки изделий в печи, кг.

В начальный момент времени температура изделий равна t конце первого этапа нагрева на основании выражения (30) она равна:


(32)


где t1y- установленная температура печи.


Интегрируя уравнение (31) в данных пределах, получим следующее выражение, определяющее продолжительность первого этапа нагрева изделий:


(33)


На основании формул (27) и (32) можно определить продолжительность второго этапа нагрева τ2:


(34)


Следовательно, полное время нагрева изделий в печи с уменьшенной установленной мощностью определяется следующим образом:


(35)


Чтобы во время нагрева изделий печь работала в основном без отключения или переключения на меньшую мощность, необходимо в течение первого этапа обеспечить нагрев изделий до температуры, близкой к конечной температуре нагрева, т. е:


(36)


где k - коэффициент, учитывающий соотношение между температурой нагрева изделий в течение первого этапа и их конечной температурой (k = 0,85…0,95).

Из равенства (36) можно определить количество изделий n, которое необходимо загрузить в печь, чтобы максимально использовать ее установленную мощность:

(37)


Рассчитав по формуле (37) количество изделий, необходимо сравнить получающуюся при этом продолжительность нагрева изделий [по формуле (35)] с допустимой по технологии.


3. Особенности нагрева длинномерных изделий в электрических конвекционных печах периодического действия


Большое количество различных длинномерных полуфабрикатов (профили, трубы, листы и т. д.) изготавливается из алюминиевых сплавов. Для термической обработки этих изделий широкое применение находят электрические конвекционные печи.

В конвекционной печи (рис. 5) при помощи вентилятора 1 создается циркуляция воздуха. Нагретый до заданной температуры в камере с нагревательными элементами 2 воздух поступает в рабочую камеру 5 печи, где помещаются длинномерные изделия 4. Перемещаясь вдоль изделий, воздушный поток 3 нагревает их, а сам при этом охлаждается. Максимальное охлаждение воздуха происходит в начальный момент, после загрузки холодных изделий в печь.


Рисунок 5 – Схема электрической конвекционной печи

По мере нагрева изделий повышается и температура воздушного потока. Следовательно, температура воздуха меняется в процессе нагрева садки длинномерных изделий как по длине рабочей камеры, так и во времени. В результате этого процесс нагрева изделий по длине будет неравномерным. Скорость нагрева ближнего по направлению воздушного потока конца садки будет больше, чем дальнего.

При расчете времени нагрева длинномерных изделий в конвекционных печах необходимо определять время нагрева дальнего конца садки, так как лишь за это время садка полностью нагреется до заданной температуры.


Рисунок 6 – Номограмма для определения продолжительности нагрева длинномерных изделий в конвекционных печах


Продолжительность нагрева дальнего конца садки определяется с помощью номограммы (рис. 6), построенной на основании аналитического решения задачи о нагреве длинномерных изделий в конвекционных печах [5]. При выполнении расчетов с помощью этой номограммы необходимо, прежде всего, вычислить значения критериев Кх и Кt



где ср - теплоемкость воздуха при температуре печи, дж/(кг · ° С);

рв - плотность воздуха при температуре, печи, кг/м3;

V - объем воздуха, проходящего через сечение рабочей камеры печи в единицу времени, или производительность вентилятора, м3/с;

Рс - поверхность садки длинномерных изделий, м2;

t1вх- температура воздушного потока на входе в рабочую камеру печи, °С.

По номограмме необходимо найти соответствующее этим критериям значение критерия Kτ, с помощью которого определяется время нагрева дальнего конца садки:


(38)


Продолжительность нагрева ближнего конца садки определяется по формуле (27), так как температура воздушного потока на входе в рабочую камеру печи tвх- постоянная, т. е:


(39)


где Тб.к - время нагрева ближнего конца садки, с.

Разница во времени нагрева дальнего и ближнего концов садки, т. е. неравномерность процесса нагрева садки, зависит в основном от величины критерия Кх. Если величина Кх ≤ 0,1, то время нагрева начального конца садки не превышает более чем на 10% время нагрева ближнего конца. При практических расчетах такой неравномерностью процесса нагрева садки, как правило, можно пренебречь. Следовательно если Кх ≤ 0,1, то с достаточной для практики степенью точности можно считать, что процесс нагрева садки происходит при постоянной температуре воздушного потока в рабочей камере печи. В этом случае время нагрева садки определяется формулой (27).

На равномерность нагрева садки длинномерных изделий в конвекционной печи большое влияние оказывает количество изделий в садке. С увеличением количества изделий растет неравномерность процесса их нагрева, так как увеличивается поверхность садки и величина критерия Кх .

Неравномерность процесса нагрева садки листов в конвекционной печи зависит от расстояния между листами в садке. Садка листов де лит рабочую камеру печи на ряд каналов с практически самостоятельными воздушными потоками (рис. 7,а). Вследствие этого при расчете времени нагрева садки листов целесообразно рассматривать нагрев одного листа, заменив соответственно часовой объем воздуха, проходящего через рабочую камеру печи, часовым объемом воздуха, проходящего между двумя соседними листами, т. е.


(40)


где ωt- скорость воздушного потока, м/с;

b - ширина листа, м;

h - расстояние между листами в садке, м.

В этом случае критерий Kx определяется так:


(41)


где L - длина листа в направлении воздушного потока, м. Так как с увеличением h величина Kx уменьшается, снижается также неравномерность процесса нагрева листов.