НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

 

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

 

 

 

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

 

          Методические указания и задания к

 расчетно-графическим работам по специальности

330400 – Электротехнологические установки и системы

 

 

 

Алматы 2004

СОСТАВИТЕЛЬ: Е.А.Абдрахманов. Методические указания и задания к расчетно-графическим работам по курсу «Электротермические установки» для студентов специальности 330400 - Электротехнологические установки и системы. (Часть 1 – Установки нагрева сопротивлением) Алматы: АИЭС,     2004. -19 с.

 

 

Методические указания включают задания к расчетно-графическим работам, методику  теплового и электрического расчета, порядок выполнения на компьютере и список рекомендуемой литературы.

Методические указания предназначены для студентов специальности 330440 – Электротехнологические установки и системы.

Ил.2, табл.3, библиогр. – 7 назв.

     

 

 

Рецензент: д-р техн .наук, проф. Болотов А.В.

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2004 год.

 

 

 

 

 

© Алматинский институт энергетики и связи, 2004 г.

 

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….3

1 Расчетно-графические работы ……………………………………………. 4

2 Расчетно-графическое задание №1 .……………………………………….5

3 Методика теплового расчета электропечей.……………………………….6

4 Расчетно-графическое задание №2 ……………………………………….13

5 Методика электрического расчета  электропечей………………………..14

6 Выполнение расчетно-графической работы на компьютере…..………..16

Список литературы …………………………………………………..………18

Введение

 

Дисциплина «”Электротермические установки» относится к специальным дисциплинам  специальности 330440 - «Электротехнологические установки и системы». Нагрев сопротивлением широко применяется в различных отраслях промышленности. Установки нагрева сопротивлением отличаются большим разнообразием конструкций, мощностей, температурных режимов и технологическим назначением.

Согласно учебному плану специальности 33.0440 по курсу «Электротермические установки» предусмотрено выполнение 2-х расчетно-графических работ, предназначенных для  самостоятельного закрепления студентами пройденных материалов по разделу «Электрические печи сопротивления».

 

1 Расчетно-графические работы

 

В 2-х расчетно-графических работах студенты должны решить ряд вопросов, связанных с конструированием, тепловым и электрическим расчетом шахтной и камерной электрических печей сопротивления периодического действия.

Исходными данными для выполнения РГР являются: тип электропечи, материал, размеры и количество изделий, подвергаемых термообработке, температура нагрева, способ укладки, способ нагрева, время нагрева, теплофизические характеристики материала изделия.

В объем расчетно-графического задания входит расчетно-пояснительная записка и графическая часть. Объем расчетно-графического задания: графическая часть на 1-2 листах формата А4 и расчетно-пояснительная записка на 7-10 страницах.

Тип электропечи студентом выбирается по начальной букве своей фамилии (таблица 1)

 

Таблица 1

 

Тип печи	Начальная буква фамилии студента	А,В,Д,Ж,И, Л,Н,П,С,У, Х,Ш,Ц,Ю	Б,Г,Е,З,К, М,О,Р,Т,Ф, Ч,Щ,Э,Я
Шахтная печь		+
Камерная печь			+

 

1.1 Расчетно-графическое задание №1

 

В расчетно-графической работе №1:

- выполняется тепловой расчет электропечи сопротивления;

- разрабатывается конструкция футеровки печи с выбором огнеупорных и теплоизоляционных материалов и слоев в зависимости от типа ЭПС;

- разрабатывается и вычерчивается общий вид ЭПС.

 

1.1.1  Задание для шахтной печи

 

Сконструировать и рассчитать электрическую шахтную печь для нагрева под термическую обработку валов из специальной стали диаметром d, мм, длиной l, мм. Температурный режим состоит из нагрева до tн±10,°С и медленного остывания в печи до tост,°С со скоростью не выше t,°С в 1 ч. В период нагрева температурный перепад в изделии не должен превышать t,°С Теплопроводность материала l, Вт/(м·°С), удельная теплоемкость с, Дж/|(кг·°С). Нагрев валов должен вестись в вертикальном положении. Производительность установки – три вала в сутки.

Параметры валов и требуемый технологический режим термообработки представлены в таблице №2.

 

Таблица 2

 

Параметры изделия	Последняя цифра зачетной книжки
	0; 5	1; 6	2; 7	3; 8	4; 9
Диаметр d,мм Длина l, мм Количество, шт Температура нагрева, tн, C Температура остывания, tост,C Допустимый температурный перeпад в изделии, t,C Теплопроводность изделия, lст , Вт/'(м·°С), Теплоемкость изделия, сст,  10 Дж/(кг·°С). Производительность, шт	200 2000 1 800 650   50   51,5   0.486 3	250 2000 1 850 650   50   41,9   0,631 3	300 2200 1 900 650   50   47,4   0,532 3	350 2200 1 950 650   50   49,2   0,513 3	450 2400 1 1000 650   50   43,7   0.593 3

 

1.1.2 Задание для камерной печи

 

Сконструировать и рассчитать электрическую камерную печь для нагрева под термическую обработку n шт стальных брусков размерами длина а, мм, ширина в, мм и высота с, мм.  Бруски укладываются в печь в один ряд, вплотную, нагрев – двусторонний, Температурный режим состоит из нагрева до tн±10,°С. Коэффициент теплопроводности стали l_{ст ,} Вт/'(м·°С), удельная теплоемкость с_ст,  Дж/(кг·°С).

Параметры брусков и требуемый технологический режим термообработки представлены в таблицы №3

 

Таблица 3

 

Параметры изделия	Последняя цифра зачетной книжки
	0; 5	1; 6	2; 7	3; 8	4; 9
Дина l, мм Ширина b, мм Высота с,мм Количество, шт Температура нагрева tн, C Допустимый температурный перeпад в изделии  t,C Теплопроводность изделия, lст , Вт/'(м·°С), Теплоемкость изделия, сст,  Дж/(кг·°С).	600 100 100 3 750   50   34,9   0,670	700 100 100 33 800   50   41,9   0,631	800 100 100 3 850   50   51,5   0,486	900 100 100 3 900   50   49,2   0,513	1000 100 100 3 950   50   43,7   0,593

 

1.2 Методика теплового расчета электропечей

 

1.2.1 Выбор размеров рабочей камеры печи. Внутренние размеры камеры печи должны быть по возможности малы, но должны обеспечить рациональное размещение садки, удобство загрузки и выгрузки из печи. Кроме того, внутренние размеры камеры печи и дверец должны быть таковы, чтобы в ней мог поместиться рабочий, производящий ремонт.

1.2.2 Внешние габариты печи определяются ее внутренними размерами и толщиной кладки. Кладка должна обеспечить низкие температуры кожуха печи (не выше 60°С при температуре окружающего воздуха в 20°С).

Огнеупорная часть кладки, особенно в печах, работающих с частыми остановками, в которых проводится остывание изделий для уменьшения аккумулированного тепла, должна выполняться из возможно более легкого, допустимого по условиям механической прочности материала.

1.2.3 Расположение нагревателей в печи должно определяться как технологическими требованиями, так и возможностью их размещения в печи.

В шахтной печи нагреватели следует размещать на боковых стенках. В камерной печи нагреватели, наоборот, должны быть сосредоточены на своде и в поду.

В крупных печах следует создавать несколько тепловых зон. В печах с высокими камерами и шахтных (свыше 1,5 м) следует предусматривать несколько тепловых зон по высоте, примерно через каждые 1–1,5 м. В длинных горизонтальных камерных печах следует предусматривать раздельные зоны на каждые 1,5–2,5 м длины.

Время цикла (час) определяется из формулы:

t_цикл = G/Е,                                (1)                                        

         где     G – масса  загрузки  печи,   кг;

           Е – ее  часовая  производительность.

Время цикла в общем виде

t_цикл =t_нагр + t_выд + t_пр              (2)

t_нагр – время нагрева изделия, час;

t_выд – время выдержки, час.  Задается технологическим процессом, в противном случае оно сливается с последним этапом нагрева;

t_пр – время простоя, час. Складывается из времени ее загрузки и выгрузки, а иногда также из времени, необходимого на ее чистку или подправку. Определяется оно на основе данных эксплуатации аналогичных печей, а также на основе общих соображений в зависимости от формы и количества загружаемых и выгружаемых деталей и т. п.

Если получить нужную производительность не удается, то следует изменить загрузку печи и размеры ее камеры и заново рассчитать время нагрева.

В тех случаях, когда часовая производительность не задана, расчет времени нагрева позволит ее выявить по выражению (1) и (2).

Процесс нагрева состоит из двух этапов: первый - нагрев при постоянном тепловом потоке qп =const; второй -  нагрев при постоянной температуре печи tпечи = const.

Для определения времени нагрева изделия на первом этапе необходимо определить удельный полезный тепловой поток q_П, Вт/м², из выражения:

,            (3)

 

где Т_печи – условная температура печи, средняя между температурами стен и нагревателей. Она ограничивается допустимой рабочей температурой нагревателей и должна быть по крайней мере на 50°С меньше последней. С другой стороны, она не должна превышать намного заданную температуру нагрева изделий во избежание их перегрева при задержке выгрузки из печи. Если же предусмотрена выдержка изделий при постоянной температуре, то температура печи (задаваемая на терморегуляторе) может превышать заданную температуру изделий лишь на 10-20°С;

Т_изд -  температура изделия, изменяется в процессе нагрева, и можно выбрать различное ее значение для выражения (3). Для хорошего использования мощности печей при приемлемой скорости нагрева рекомендуется принимать t_изд = 0,8÷0,9 от конечной температуры нагрева изделий. Большее значение, если температура печи существенно превосходит заданную температуру нагрева изделий, меньшее, если эти температуры близки;

F_{изд –}   площадь поверхности изделия, м;

F_ст - площадь поверхности стен камеры печи, на которых установлены нагреватели, м.

Принимается, что F_изд меньше или по крайней мере равно F_ст.

Если температурный перепад Dt в изделиях в период нагрева ограничен технологическим заданием или задана максимальная скорость нагрева изделий Q, то принятые значения удельного теплового потока q_П должны быть проверены по выражениям:

для пластины

                            или ,                                  (4)      

для цилиндра

                            или q_П £0,5QсрR.                            (5)                 

В зависимости от степени массивности для расчета времени нагрева изделия используются различные расчетные выражения.

Для определения степени массивности вычисляем число Био:

                                    ,                                                  (6)          

где - средний коэффициент теплоотдачи в нагреваемом интервале температур;

       - теплопроводность материала, Вт/(м С).

Для определения находим коэффициенты теплоотдачи для температур изделия в начале  и конце нагрева первого этапа по формуле:

                                                               (7)             

Затем определяем средний коэффициент теплоотдачи в интервале температур  - .

При Bi<0,25 изделие тонкое, при 0,25 <Bi<0,5 – переходная область, при Bi>0,5 массивное.

В случае тонких изделий расчет времени нагрева на первом этапе осуществляется по выражению:

                                     ,                              (8)                            

где G – масса изделия.

 Температура изделия к концу первого этапа нагрева при постоянном тепловом потоке qп =const будет

,                        (9)

здесь       приведенный коэффициент

                                                     лучеиспускания.

 

Второй этап нагрева производится при постоянной температуре печи tпечи = const до достижения максимальной допустимой температуры  изделия  tизд max = (tизд+ 10) С.

Для оценки степени массивности изделия на втором этапе также вычисляем число Био:

                                            .                                       (10)

Затем определяем средний коэффициент теплоотдачи в интервале температур  - , рассчитав в данном температурном интервале нагрева коэффициенты теплоотдачи по формуле (8).

В случае тонких изделий расчет времени нагрева проводим по выражению:

,       (11)

где  - абсолютная температура изделия в конце второго этапа нагрева;

 - абсолютная температура нагрева изделия в начале второго этапа нагрева;

- функции, определяющиеся по окончательной температуре нагрева  из графиков Будрина.

Температура поверхности изделия к концу первого этапа нагрева при постоянном тепловом потоке qп =const достигнет

 

.                                            (12)

Время нагрева поверхности массивного изделия до температуры t’’пов составляет

для пластины

                      ,                            (13)

для цилиндра

 

                       ,                          (14)         

где - коэффициент температуропроводности изделия;

S - толщина пластины, м;

R – радиус цилиндра, м;

с – удельная теплоемкость материала, Дж/кг ;

- плотность материала, кг/м3;

- теплопроводность материала, Вт/(м ).

К началу регулярного режима через время  температура на поверхности и в центре изделия c учетом начальной температуры t0 достигнет

для пластины

+t0 ,              +t0  ,                  (15)

 

для цилиндра

  +t0 ,                  +t0         .                  (16)

 

Второй этап нагрева производится при постоянной температуре печи tпечи = const до достижения поверхности изделия максимальной допустимой температуры  tпов max = (tизд+ 10) С.

Для оценки степени массивности изделия на втором этапе также вычисляем число Био по (10), средний коэффициент теплоотдачи в интервале температур  - , по коэффициентам теплоотдачи, вычисленным  по формуле (8).

Определяем относительную температуру поверхности изделия

                                       ,                                  (17)                                                

где tср = t- для пластины;

      tср = t- для цилиндра.

Для центра

                                        .                                      (18)            

С учетом полученных данных по графикам нагрева Будрина определяем критерий Фурье Ф0..

Тогда время нагрева на втором этапе рассчитывается из формул:

для пластины

                                    ,                                              (19)                     для цилиндра

                                     .                                            (20)

          После определения времени нагрева и производительности печи следует приступить к расчету тепловых потерь последней и к составлению энергетического баланса. Выделяющееся в нагревателях за время одного цикла тепло идет на нагрев изделий, вспомогательное тепло и покрытие тепловых потерь

Q_цикл = Q_пол +Q_всп +q_пот.срt_цикл.                             (21)

Полезное тепло, идущее на нагрев садки, очередь определяется из

, (22)

  где    G_изд  - масса садки;

             с_изд - средняя удельная теплоемкость садки в интервале                                     температур t′_изд –t″_изд;

             t′_изд и t″_изд - температуры садки в начальном и нагретом                                          состояниях;

          W′_изд и W″_изд  - теплосодержания садки в начальном и нагретом                                      состояниях.

Вспомогательное тепло складывается из тепла, идущего на нагрев жароупорных поддонов, муфелей, корзин, ящиков и тому подобных деталей, нагреваемых вместе с садкой, а также из тепла, идущего на нагрев специальных газов, поступающих в печи для светлого отжига, цементационные и т. п.

               (23)

где G_всп – масса поддонов или иных жароупорных деталей, нагреваемых                                  в печи за цикл;

      G_газ – масса защитного газа, вводимого в печь за время одного                 цикла;

      с_всп и с_газ - средние удельные теплоемкости жароупорных деталей и                         газа в соответствующем интервале температур;

      t′_всп, t′_газ, t′′_всп, t′′_газ - температуры жароупорных деталей и газа в                                        начальном и нагретом состояниях.

Тепловые потери печи за время одного цикла складываются из тепловых потерь за отдельные периоды цикла, т. е. из потерь за время нагрева, время выдержки, время остывания и время простоя печи при загрузке и выгрузке:

   (24)

Определение тепловых потерь печи производится для установившегося режима работы. При этом тепловые потери через футеровку определяются по формулам теплопередачи через сложную стенку при граничных условиях третьего рода. Отдельно подсчитываются тепловые потери через закрытую и открытую дверцы, причем учитывается время открытого состояния последней:

                (25)

здесь q_{пот.откр.дв.} и q_{пот.закр.дв.} - тепловые потери через открытую и закрытую дверцы печи.

Тепловые потери через закрытую дверцу определяются так же, как и тепловые потери через любую стенку, тепловые потери через открытую дверцу определяются излучением и конвекцией. Потери на излучение рассчитываются по закону Стефана-Больцмана, причем можно принять, что малые отверстия излучают как абсолютно черные тела (e=1,0), а крупные отверстия, приближающиеся по своим размерам к внутренним габаритам печной камеры – со степенью черноты e = 0,8:

                        (26)

            где Т_печи – абсолютная температура рабочей камеры печи;

                     Т_о – абсолютная температура окружающего печь воздуха;

                      F_отв – площадь окна дверцы;

                      f – коэффициент диафрагмирования, учитывающий глубину отверстия и экранирующее действие его стен.

Расход энергии на единицу обрабатываемой в печи продукции может быть определен из выражения

                                                                                (27)                    где    Е – производительность печи.

Тепловой к. п. д. печи равен:

                                                       (28)                    Количество тепла, которое необходимо ввести в печь за период нагрева изделий, должно быть достаточным, чтобы нагреть садку и жароупорные детали, а также чтобы компенсировать тепловые потери печи за время остывания в ней изделий и ее простоя:

Q_нагр.=Q_пол+Q_всп+q_{пот.нагр}t_нагр+q_{пот.ост.} t_ост+q_рот.прt_пр          .         (29)

Мощность печи периодического действия

                                                                          (30)                               или

               (31)

здесь К =1,2÷1,5 – коэффициент запаса, который вводится для того, чтобы обеспечить повышенную теплоотдачу изделиям в первый этап нагрева изделий (при q_П=const); кроме того, им предусматриваются возможное ухудшение тепловой изоляции печи в эксплуатации, старение нагревателей, возможное снижение напряжения в цехе против поминального на 5-10% и другие местные обстоятельства, учесть которые при проектировании невозможно.

1.3 Расчетно-графическая работа №2

 

В расчетно-графическом задании №2:

- выполняется электрический расчет электропечи сопротивления по варианту задания;

- разрабатывается конструкция нагревателей ЭПС с выбором

  материалов;

- разрабатывается и вычерчивается схема размещения нагревателей в электропечи.

 

1.4 Методика электрического расчета электрических печей

 

Расчет электрических нагревателей проводится в следующем порядке.

1.4.1  В зависимости от типа электрической печи, размещения изделия и технологических требований выбирают расположение нагревателей на стенках камеры.

1.4.2  Выбираются материалы, которые могут быть использованы при рабочей температуре tн,°С.: Х15Н60; Х20Н80; ОХ23Ю5А (ЭИ-595); ОХ27Ю5А (ЭИ-626) и устанавливают расчетные температуры нагревателей.

1.4,3  По графикам для принятых расчетных температур и номинальной температуры нагревателей определяют значение идеальной поверхностной мощности Wид.

1.4.4 Используя табличные рекомендуемые отношения W/Wид для принятых систем нагревателей определяют абсолютное значение расчетной удельной мощности W.

1.4.5 Мощность и напряжение нагревателя определяют исходя из принимаемой схемы включения (звезда, треугольник) числа фаз и параллельных ветвей нагревателей печи или зоны.

1.4.6 Определяют размеры – сечение и длины нагревателей – используя следующие формулы.

Для круглого материала:

                             .                                            (32)

Для прямоугольного материала с отношением ее сторон b/a=m:

                             .                                               (33)

Длина и масса для проволочного нагревателя:

                             ;                                             (34)

                                      ,                                     (35)

где - плотность материала нагревателя, кг/м.

Для ленточного нагревателя соответственно:

                            ;                                   (36)

                           .                                (37)

По полученным расчетным данным выбирают ближайшее большее стандартное сечение нагревателя.

1.4.7 Нагреватели размещают в камере печи, выбирая количество зон, рядов по высоте, исходя из длины сечения, как нагревателя, так и размеров камеры печи. В данном случае можно использовать ленточный зигзагообразный нагреватель на крючках и проволочную спираль на керамической полочке.

Если рассчитанные нагреватели не размещаются в камере печи, необходимо выбрать более жаростойкий  материал или снизить питающее напряжение сети.

1.4.8 После размещения нагревателей в камере печи следует проверить реальную температуру его работы по выражениям:

,                      (38)

,                      (39)

где Pпол- полезная мощность печи;

      Fакт.нагр.- активная поверхность нагревателя;

     Fизд – поверхность изделия;

      - степень черноты нагревателя;

     -степень черноты изделия.

В расчетах можно принимать ==0,8.

6  Выполнение  расчетно-графической работы на компьютере

 

6.1 Математический пакет Mathcad Professional

 

Выполнение расчетно-графической работы удобно выполнять на компьютере c использованием одного из популярных и самого распространенного в студенческой среде математического пакета Mathcad Professional. Mathcad является программным средством для выполнения на компьютере разнообразных математических и технических расчетов, предоставляющим пользователю инструменты для работы с формулами, числами, графиками и текстами, снабженными простым в освоении графическим интерфейсом.

Основным достоинством Mathcad является представление математических выражений на экране компьютера в общепринятом виде. Записав в привычной форме математическое выражение, можно выполнить самые разнообразные математические операции: вычислить значение, выполнить алгебраические преобразования, решить уравнение, продифференцировать, построить график и т.п.

 

6.2 Порядок расчета в среде Mathcad Professional

 

6.2.1 Для запуска программы Mathcad Professional нужно дважды щелкнуть мышью по его значку, дождаться исчезновения с экрана заставки пакета  и появления рабочего окна пакета.

6.2.2 Щелкнуть мышью в необходимом Вам месте рабочего документа, после чего появится крестик, обозначающий позицию, с которой начинается ввод.

6.2.3 Ввести с клавиатуры исходные для расчетов параметры перед формулой: набрать символ параметра, знак «=» и его значение.

6.2.4 Набрать расчетную формулу.

6.2.5 Щелкнуть мышью справа или ниже расчетной формулы. Наберите символ вычисляемого параметра и знак «=». Щелкните по свободному месту рабочего поля. Компьютер выдаст вычисленное согласно формуле значение параметра.

 

 

6.2.6 П.п. 6.2.3 – 6.2.5 повторить для всех формул в приведенной в разделах 3,5 последовательности.

Если параметры в формулах вычисляются в предыдущих расчетах, то их отдельно вводить не надо.

Если при вводе была допущена ошибка, щелкните мышью справа внизу символа и выделите его угловой рамкой. Удалите ошибочный символ и внесите исправления.

Вычисления можно дополнить текстовыми комментариями, иллюстрациями, построенными в других приложениях и получить отчет о проделанных вычислениях.

 

 

 

 

Список литературы

 

1.     Слесарев Ю.А. Электрооборудование и  электроснабжение электротермических установок. – М.: МЭИ, 2000. -44 с.

2.     АрендарчукА.В., Бородачев А.В., Филиппов В.Н. Общепромышленные электрические печи периодического действия. – М.: Энергоатомиздат, 1990. -112 с.

3.     Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. - М: Высшая школа, 1988. -336 с.

4.     Свенчанский А.Д. Электротехнологические промышленные установки. – М.: Энергоиздат, 1982. - 400 с.

5.     Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. – М.: Энергия, 1975. -384 с.

6.     Гутман М.Г. Материалы для электротермических установок. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1987. -96 с.

7.     Плис А.И., Сливина Н.А. Mathcad: математический практикум для экономистов и инженеров: Учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 1999. – 656 с.

                                                                      Доп. план 2004 г. поз. 37

 

 

 

Еркеш Абдрахманович Абдрахманов

 

 

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

 

Методические указания и задания

к расчетно-графическим работам по специальности

330440 – Электротехнологические установки и системы

 

 

 

Редактор                                Ж.М.Сыздыкова

 

Специалист

по стандартизации

 

 

 

 

Подписано в печать  ____                                    Формат 60х84 1/16

                                                                               Бумага типографская №1

Тираж         50 зкз.                                                 Заказ ­        Цена         тенге

Объем        уч.-изд.л.

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

480013, г.Алматы, ул. Байтурсынова, 126