Определение теплотехнических характеристик и тепловой массивности садки

1. Определение теплотехнических характеристик и тепловой массивности садки.

Теплотехнические характеристики

- Коэффициент теплопроводности λме

- Коэффициент теплоёмкости сме

- Плотность ρме

- Коэффициент температуропроводности аме

аме= λме /сме*ρме

Для реальной садки расчёт производится с учётом коэффициента заполнения садки κ:

λс = λме*κ

ρс = ρме*κ

ас= аме

сс= сме

Данные по теплотехническим характеристикам стали 38ХМЮА взяты из [1]..

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	209	202	194	190	181	174	162	147	137
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	82	79	76	75	71	67	62	57	53
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)	33	33	32	31	20	20	28	27	27
Температура испытания, °С
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	11.5	11.8	12.7	13.4	13.9	14.7	14.9	12.3
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	496	517	533	546	575	609	638	676

Средняя температура нагрева садки

Значения плотности r, коэффициента теплопроводности λ и удельной теплоемкости c стали и садки при средней температуре [1]

Обозначение	Для стали 38ХМЮА	для садки (К=0.35)
r, кг/м3	7810	2734
l, Вт/(м·0С)	30	10,5
c, Дж/(кг·0С)	530	530

Определение коэффициент температуропроводности ас

ас=10,5/530*2734 =7,2*10-6(м2/с)

Тепловая массивность садки

Расчет ведем по критерию Био , где α – суммарный коэффициент теплоотдачи.

S – характеристический размер, расстояние между самой горячей и самой холодной точкой в процессе нагрева.

м

Коэффициент теплоотдачи αизл определяем по закону Стефана – Больцмана:

αизл =* спр

где спр - приведенный коэффициент (излучательная способность материала)

спр=ε* с0

с0 - излучательная способность АЧТ

ε – степень черноты материала (ε=0,8)

спр=0,8*5,67=4,536 (Вт/м2*К4)

Находим αизл и αкон для разных температур ( для 20°и 530°С).

по рекомендации руководителя

по рекомендации руководителя

Таким образом, критерий Био равен

Садка теплотехнически массивная.

2. Расчет времени нагрева садки.

2.1. Расчет времени τ1

Рис. 1. Диаграмма нагрева теплотехнически массивного тела

Определение теплового потока:

На этапе нагрева печи при постоянной мощности (τ1) рекомендуется принять:

Тогда тепловой поток:

.

Температура, до которой нагревается поверхность садки за время :

.

. При такой массивности садки данные формулы не годятся. Расчет tцикла ведем по графикам Будрина, взятых из источника [2]. Для этого рассчитываем относительную температуру нагрева.

2.2. Расчет времени τн

τн определяем с помощью графика Будрина [2].

υ – относительная температура;

tпеч – температура печи при установившемся нагреве (tпеч=550 °С);

tнач – начальная температура центра на этапе (τн=20 °С );

tп – температура процесса (азотирование ).

.

Критерий Био:

Определение коэффициента температуропроводности ас:

.

Из графика находим значение критерия Фурье ().

Отсюда:;

.

Рис. 2. График Будрина

3. Определение продолжительности цикла работы печи

τнагр – время нагрева;

τвыд – время выдержки;

τохл – время охлаждения вместе с печью равно 0;

τвсп – время на вспомогательные операции.

Время нагрева было рассчитано в пункте 2.2.

Время выдержки τвыдержки = 55 ч [3]

Время на вспомогательные операции для данной печи назначаем 24 мин=0.4 часа.

Определение производительности печи

4. Определение основных размеров печи

Исходя из анализа чертежей аналогичных шахтных печей, принимаем: диаметр 1200мм;

высоту 1800мм.

5. Расчет теплового баланса

Уравнения теплового баланса:

Qрасх – всё тепло, потребляемое печью;

Qпол – тепло, идущее на нагрев садки;

Qвсп - потери тепла, идущие на нагрев тары и атмосферы печи;

Qкл – тепло, пропускаемое кладкой;

Qакк – тепло, аккумулируемое всеми составляющими печи (в данном случае тепло, аккумулируемое футеровкой);

Qотв – потери тепла через отверстие;

Qохл. вод - тепло, отводимое охлаждающими водами (в данном случае пренебрегаем) .

Qнеуч – неучтённые потери;

Для нашего случая Qнеуч=10% от всех учитываемых потерь.

Qприх – энергия, потребляемая из сети.

Qткз - тепло, отводимое тепловыми короткими замыканиями, чем являются муфель и вентилятор.

5.1. Расчет Qпол

.

5.2. Расчет Qкл

Расчет теплового потока через боковые стенки

Так как наша печь рассчитана на 550°С, то рассмотрим два варианта футеровки. Назначаем материалы слоев однослойной футеровки:

1-шамот - легковес

Назначаем материалы слоев однослойной футеровки:

1-пенодиатомит

Толщина слоя футеровки зависит от множества факторов. Окончательно ее определяют расчетом, однако до расчета ее необходимо назначить. На данном этапе рекомендуется принять ее такой, чтобы температура на наружной поверхности tн не превышала 60°С из соображений техники безопасности. В то же время, если tн <40°C, то считается, что футеровка получается слишком громоздкой и экономически невыгодной.

Для первого варианта.

Назначаем толщину слоёв: d1=0,115 м.

Для второго варианта: d2=0,115м.

- коэффициент теплоотдачи от внутренней среды печи к стенке;

Определяем площади:

Dнар=1,2+2d=1,2+2·0,115=1,43 м

Fвн=p·Dвн ·hвн =p·1.2·1.8=6,786м2 Fвн=6,786м2

Fнар= p· Dнар·(h+2·d)=p·1,43(1.8+2·0.115)=9,119 м2 Fнар=9,119м2

т. к. <2

Назначаем температуры:

На внутренней поверхности футеровки t1=5200C

На внешней поверхности футеровки t2=500C

tср=2850C

Определяем l:

λш-л=0.314+0,349·10-3·285=0,413

λп=0.078+0,314·10-3·285=0,176

Определяем потери теплоты через футеровку:

Расчет термических сопротивлений:

Потери тепла через кладку:

1..

2..

где tвн- температура внутреннего пространства печи; tокр- температура окружающего пространства; коэффициенты теплоотдачи от внутренней среды печи к стенке и от стенки к окружающему воздуху соответственно; коэффициент теплопроводности футеровки.

Поскольку при выборе граничных температур очень велика вероятность ошибки, необходима проверка правильности назначенных температур.

Проверка слева.

- для первого варианта:

-для второго варианта:

Проверка справа.

- для первого варианта:

-для второго варианта:

Результаты расчета показывают, является ли заданная толщина футеровки оптимальной.

Разница между минимальным и максимальным значениями должна быть:

Исходя из проверки, выбираем новые температуры (чтобы уменьшить t2 – увеличим d).

Назначаем толщину слоёв: d1=0,345 м.

Для второго варианта: d2=0,18м.

Определяем площади:

1. Dнар1=1,2+2d1=1,2+2·0,345=1,89 м

Fвн=p·Dвн ·hвн =p·1.2·1.8=6,786м2 Fвн=6,786м2

Fнар= p· Dнар1·(h+2·d1)=p·1,89(1.8+2·0.345)=14,777 м2 Fнар=14,777м2

т. к.

2.Dнар2=1,2+2d2=1,2+2·0,18=1,56 м

Fвн=p·Dвн ·hвн =p·1.2·1.8=6,786м2 Fвн=6,786м2

Fнар= p· Dнар2·(h+2·d2)=p·1,56(1.8+2·0.18)=10,581 м2 Fнар=10,581м2

т. к. <2

Назначаем температуры:

На внутренней поверхности футеровки t1=5400C

На внешней поверхности футеровки t2=560C

tср=2980C

Определяем l:

λш-л=0.314+0,349·10-3·298=0,418

λп=0.078+0,314·10-3·298=0,181

Определяем потери теплоты через футеровку:

Расчет термических сопротивлений:

Потери тепла через кладку:

1..

2..

Проверка слева.

- для первого варианта:

-для второго варианта:

Проверка справа.

- для первого варианта:

Dt1=1,210C Dt2=0,410C

-для второго варианта:

Dt1=2,440C Dt2=2,460C

Сравним два варианта футеровки

Материал	Q, Вт	δ, м	t2,°С
Шамот-легковес	6310,96	0,345	56
Пенодиатомит	5335,78	0,18	56

Сравнивая два варианта, выбираем второй вариант футеровки, т. к. общая цена и суммарные энергозатраты меньше.

Боковые стенки печи выполняем однослойными из пенодиатомита.

Расчет теплового потока через под печи

Под печи выполняем однослойным из пенодиатомита.

Выбираем толщину футеровки .

.

- коэффициент теплоотдачи от внутренней среды печи к стенке;

Определяем площади:

Dнар=1,2+2d=1,2+2·0,18=1,56 м

Fвн=p·Dвн ·hвн =p·1.2·1.8=6,786м2 Fвн=6,786м2

Fнар= p· Dнар·(h+2·d)=p·1,56(1.8+2·0.18)=10,581 м2 Fнар=10,581м2

т. к. <2

Назначаем температуры:

На внутренней поверхности футеровки t1=5400C

На внешней поверхности футеровки t2=560C

tср=2980C

Определяем l:

λп=0.078+0,314·10-3·298=0,181

Определяем потери теплоты через футеровку:

Расчет термических сопротивлений:

Потери тепла через кладку:

.

Проверка слева.

Проверка справа.

Dt1=2,440C Dt2=2,460C

Расчет теплового потока через свод печи

Свод печи выполняем однослойным из шамота-легковеса.

Толщина - δ=0.345 м

λ=0.314+0,349·10-3·tср

Выбираем температуры

На внутренней поверхности футеровки t1=5400C

На внешней поверхности футеровки t2=560C

tср=2980C

λ=0.314+0,349·10-3·298=0,418

Dвн=1,2 м

Dотв=0,9 м

Dнар=1,2+2δ=1,2+2·0,345=1,89 м

Fвн=π·(0.5Dвн)2-π·(0.5Dотв) 2=π·(1.2/2)2-π·(0,9/2)2 =0,495м2 Fвн=0.495м2

Fнар=π·(0.5Dнар)2-π·(0.5Dотв)2=π·(1,89/2)2-π·(0,9/2)2=2.168м2 Fнар=2.168м2

Потери тепла через кладку:

Проверка слева

Проверка справа

Dt1=8,910C Dt2=6,160C

Исходя из проверки, выбираем новые температуры

На внутренней поверхности футеровки t1=5300C

На внешней поверхности футеровки t2=500C

tср=2900C

λ=0.314+0,349·10-3·290=0,415

Dвн=1,2 м

Dотв=0,9 м

Dнар=1,2+2δ=1,2+2·0,345=1,89 м

Fвн=π·(0.5Dвн)2-π·(0.5Dотв) 2=π·(1.2/2)2-π·(0,9/2)2 =0,495м2 Fвн=0.495м2

Fнар=π·(0.5Dнар)2-π·(0.5Dотв)2=π·(1,89/2)2-π·(0,9/2)2=2.168м2 Fнар=2.168м2

Потери тепла через кладку:

Проверка слева

Проверка справа

Dt1=1,20C Dt2=0,340C

Расчет теплового потока через крышку

Крышку печи выполняем однослойную из минеральной ваты

минеральная вата δ=0.23 м

λ=0.044+1.67·10-4·tср

Выбираем температуры

На внутренней поверхности крышки t1=5400C

На внешней поверхности крышки t2=500C

tср=2950C

λ=0.044+1.67·10-4·295=0,0933

Fвн=Fср=Fнар=π·(0.5Dотв)2=π·(0,9/2)2=0,636 м2 Fвн=0,636м2

Потери тепла через кладку:

Проверка слева

Проверка справа

Dt1=7,50C Dt2=12,760C

Выбираем новые температуры

На внутренней поверхности крышки t1=5450C

На внешней поверхности крышки t2=400C

tср=292.50C

λ=0.044+1.67·10-4·292,5=0,0928

Fвн=Fср=Fнар=π·(0.5Dотв)2=π·(0,9/2)2=0,636 м2 Fвн=0,636м2

Потери тепла через кладку:

Проверка слева

Проверка справа

Dt1=2,50C Dt2=2,830C

.

5.3. Расчет Qакк

Qакк=+++7284525= Дж

Qакк на 1 неделю (168 часов), т. к. τц>10 ч.=60 ч.

5.4. Расчет Qотв

Qотв.= Qизл+ Qконв.

-соответствует квадратному сечению 0,797х0,797 м2

φ=0.73 - коэффициент диафрагмирования [4].

ε=0.8

с0=5.67

Qотв.= Qизл+ Qконв=9492+395500=404992 Вт

τзакр= τнагр+τвыд=4,6+55=59,6 ч

τоткр= τц-τзакр=60-59,6=0,4 ч

5.5. Расчет Qвсп

Qвспом=Qтары+Qатм

Qтары=(10..15%)*Qпол=0,13*2146=278,98 Вт

Qатм=3Vгаза*CVгаза(Tк-Tн)газа

Vгаза=3*( Vвнутр. простр -Vраб. простр.)=3*(π*0.62*1.8-π*0.42*1.2)=4,298 м3

Qатм=4,298*0,291*(550-20)=662,88 Вт

Qвспом=278,98+662,88=941,86 Вт

5.6. Расчет Qткз

Средний диаметр тепловых замыканий d=0,03 м.

Средняя длина теплового замыкания L= 0,18 м.

Определим среднюю площадь тепловых замыканий

λ=30 Вт/м·К - теплопроводность стали 20Х

Qткз=55,34 Вт

5.7. Расчет Qнеуч

5.8. Расчет Qрасх

6. Определение мощности печи

КПД нагревательной камеры: .

Удельный расход энергии: .

Время разогрева печи:

7.Расчет нагревателей

Нагреватели размещаем на боковой поверхности печи.

Установленная мощность зоны Руст=26,4 кВт

Температура нагрева изделия в печи tпт=5500С

Поверхность стен зоны печи, занятая нагревателями Fст=10,581 м2

Срок службы нагревателей не менее 10000 ч

Электропитание зоны трехфазным током без трансформатора

Выбираем конструкцию электронагревателей - проволочный зигзаг с относительным витковым расстоянием l/d=2,75

Удельная мощность, которую надо расположить на 1 м2 стенки зоны печи

Рис. 3. Значения Wид и удельных мощностей p, размещаемых на 1м2 футеровки, в зависимости от температур тепловоспринимающей поверхности t и нагревателя tн.

Wид=0,7 Вт/см2 и соответствующая tн=6000С

Выбираем материал Х15Н60 и d=3 мм

Допустимая удельная поверхностная мощность[4]

W=Wидaэфaгaрaс=0.7×0.68×1∙1×1.1=0.52 Вт/см2

Берем 3 нагревателей, каждый мощностью P1=26,4/3=8,8 кВт

Удельное сопротивление сплава Х15Н60 при температуре 6000С

ρг=1,186 Ом×мм2/м

Напряжение одного нагревателя

Принимаем стандартное напряжение U1=380 В. Схема соединения нагревателей - звезда. Исходя из принятой величины напряжения, рассчитываем

принимаем d=4 мм

Сопротивление нагревателя

Длина одного нагревателя

Действительная температура нагревателя tн=6000С

Размещение нагревателя в печи

Т. к. e/d=2.75, то emin=2,75*d=2.75*4=11 мм

Выбираем е=11 мм. Внутренний радиус изгиба нагревателя

	Боковая поверхность	Развернутый нагреватель
Общая длина	3,768 м	169 м
t=2e	22 мм	Х мм

Длина боковой поверхности печи πD=π*1.2=3,768 м

расстояние между нагревателями

Длина выводов нагревателей l=δфут+80 мм=260 мм

8.Расчет механизма подъема крышки

8.1.Выбор двигателя

Определяем массу крышки:

mкрышки=mм. в.+mкожух

mм. в =ρм. в×Fм. в×δм. в=1900×0,636×0,23=277,9 кг

Объем кожуха

Vкожух=p×(1,202/2)2×0,002+p×(0,898/2)2×0,002+p×0,002×0,23(1,202/2)=

=0,0044 м3

mкож =ρкож×Vкож=0,0044×7,8=0,03 т= 30 кг

mкрышки=mм. в.+mкожух=277,9+30=307,9 кг»308кг

Вес крышки P=mкрышки·g=308·9.8=3018 H

Скорость подъема v=4 м/мин = 0,067 м/с

Высота подъема H=200 мм= 0,2 м

Выбираем полиспаст с кратностью а=2, числом ветвей m=1, числом отклоняющих блоков t=0.

КПД полиспаста [5]:

Выбираем двигатель 4АС71В8У3 [6]

с мощностью Pдв=0,3 кВт и частотой n=750 мин-1

8.2. Выбор каната

Наибольшая сила натяжения в канате

Разрушающая нагрузка должна удовлетворять условию

Выбираем канат двойной свивки типа ЛК-Р конструкции 6Х19 (1+6+6/6) +1 о. с. по ГОСТ 2688-80 для которого dк=4.1 мм, Sпр=5.63 мм2, Fразр=10 кН [6]

8.3 Расчет барабана

Диаметр барабана по дну канавки

Принимаем

Крутящий момент на барабане

Частота вращения барабана

Необходимое передаточное отношение привода

Фактическая скорость подъема

Шаг нарезки барабана p=1.2*dк=1.2*4.1=4.92 ≈ 5 мм

Число витков

Длина барабана 5· (2+6)=40 мм

8.4 Выбор редуктора

Наибольший момент на тихоходном валу

Эквивалентный момент на выходном валу

Выбираем редуктор Ч-63, iР=31.5, THlim=125 Н×м [6]

8.5 Выбор муфты

Выбираем упругую муфту с пальцами

Т=63 Н×м, d=22мм по ГОСT [6].

9.Расчет ориентировочной стоимости печи.

Для определения ориентировочной себестоимости печи будет достаточно найти стоимость материалов для изготовления печи, стоимость работ основных рабочих, а также определить размер цеховых и заводских расходов.

Таблица9.1. Стоимость основных материалов

№	Наименование	Количество	Оптовая цена,	Сумма руб.
1	Пенодиатомит	1,56 т	13,5руб/шт*	14040
2	Минеральная вата	0,029 т	1650руб/т *	47,85
3	Шамот-легковес	0,436 т	21000руб/т	9156
4	Х15Н60	0,0127т	12000руб/т	152,4
5	Металлоизделия	2,5т	8500руб/т	21250
6	Термопара	1 шт	200 руб/шт	200
Суммарная стоимость материалов печи	44846,25

* http://www. *****/files/prajs_kirpichbloki_2005.htm

Таблица 9.2. Зарплата основных рабочих

№	Профессия	Объем работы, ч	Разряд	Расценки, руб/160 ч	Норма	Зарплата, руб
1	Слесарь
2	Сварщик
3	Огнеупорщик
4	электрик
Суммарная зарплата рабочих

Таблица 9.3. Заводская себестоимость

№	Затрата	Сумма, руб
1	Материалы	44846,25
2	Зарплата рабочих
3	Цеховые расходы
4	Заводские расходы
Заводская себестоимость печи

Заводская себестоимость печи З. с.= руб.

Плановая себестоимость печи П. с. =З. с.+0,03∙З. с. = руб.

Плановая цена П. ц.=1,03∙П. с.= руб.

11.Таблица технико-экономических показателей.

№	Наименование	Единицы	Значение	Примечание
1	Название печи		США-8.12/5,5	Азотирование
2	Размеры рабочего пространства: диаметр высота	мм мм	1200 1800
3	Габаритные размеры: диаметр высота	мм мм	1560 2325
4	Стоимость печи	руб	44846,25
5	Масса	кг
6	Максимальная температура	˚С	550
7	Температура выдачи металла	˚С
8	Время нагрева печи до заданной температуры	час	21
9	Время нагрева деталей Время выдержки деталей	час час	4,6 55
10	Производительность печи	кг/час	27,5
11	Установленная мощность	кВт	26,4
12	Число регулируемых зон		1
13	Распределение мощности по фазам	кВт	8,8
14	Напряжение	В	380
15	Число фаз		3
16	КПД	%	8,1
17	Удельный расход энергии	кВт*ч/кг	0,96
18	Мощность холостого хода	кВт	20,3