Тепловой расчет лабораторных электропечей сопротивления

 

Тепловой расчет печи заключается в составлении теплового баланса, который включает только статьи расхода энергии. Единственная статья прихода - это тепло, выделяемое нагревателями, т.е. их установленная мощность, что и является целью расчета теплового баланса лабораторной печи. В лабораторных печах нагреваются металлические тела очень малой массы, иногда единичные образцы, и величина полезной энергии, затраченной на нагрев металла, часто не имеет существенного значения и составляет менее 10 % от общего расхода тепла, поэтому лабораторные печи имеют очень низкий коэффициент полезного действия (КПД).

В общем случае статьями расхода энергии являются:

- полезная энергия, затраченная на нагрев образцов;

- энергия, необходимая для нагрева вспомогательных устройств - тары;

- потери теплопроводностью через футеровку печи в окружающую среду;

- потери излучением через отверстия в футеровке;

- затраты энергии на нагрев воздуха, циркулирующего в рабочем пространстве конвективной печи, или на нагрев нагнетаемой в печь защитной атмосферы;

- затраты теплоты на аккумуляцию футеровкой и конструкциями печи как при разогреве печи от холодного состояния, так и при частичном остывании печи при достаточно долго открытой дверце или отключенных нагревателях.

Для лабораторных печей наиболее важным является определение тепловых потерь через футеровку, затраты теплоты на короткие замыкания и аккумуляции тепла футеровкой печи, а также потери излучением через окно. Последнее связано с тем, что в лабораторных печах производят термообработку очень мелких изделий, для которых время нагрева и выдержки обычно составляет несколько минут, поэтому приходится часто открывать дверцу печи, в результате чего печь теряет тепло излучением через окно.

Из-за очень малой массы образцов и малого их количества остается неиспользованное пространство в камере печи, что приводит к увеличению тепловых потерь. Уменьшать размеры рабочего пространства не всегда возможно, так как для размещения нагрева­телей требуется определенная минимальная площадь стенок камеры печи.

 

Затраты полезного тепла на нагрев металла:

 

(2.1)

 

Потери тепла на нагрев тары:

 

(2.2)

 

Потери теплопроводностью через футеровку печи

 

Исходными данными для расчета тепловых потерь через футеровку печи являются:

- конструктивный эскиз футеровки с основными размерами;

- данные о коэффициентах теплопроводности используемых огнеупорных и теплоизоляционных материалов;

- значение коэффициента теплоотдачи с внешней поверхности стенки в окружающую среду.

Тепловые потери теплопроводностью через плоскую многослойную стенку при стационарном режиме работы печи могут быть определены по формуле (при температуре окружающей среды t_окр = 20 °С):

 

(2.3)

 

Начальный выбор температур границ раздела слоев стенки и наружной поверхности печи производится следующим образом:

1) принимаем температуру на границе между первым и вторым слоями футеровки печи t_1,2 = (0,8…0,9)×t_п. Если имеется третий слой, температуру на границе между вторым и третьим слоем t_2,3 принимают равной (0,5…0,6)×t_п.

2) температуру наружной поверхности печи t_нар для начала принимаем равной 50 °С;

3) температуру окружающей среды t_окр здесь и далее принимаем равной 20 °С.

На основании принятых температур находят среднюю температуру каждого слоя . Выбрав материал каждого слоя, находят средний коэффициент теплопроводности для этой температуры. Затем для плоских стенок определяют среднюю поверхность каждого слоя.

Расчетная поверхность отдельного слоя стенки определяется как среднегеометрическая из значений внутренней и внешней поверхности слоя:

 

(2.4)

 

Далее производят проверку ранее принятых температур границ раздела и наружной стенки печи по формулам:

 

(2.5)

(2.6)

(2.7)

 

Если полученные при проверке температуры отличаются от принятых более, чем на 10 °С, то необходимо повторить расчет, приняв полученные при проверке температуры за исходные и пересчитав, соответственно, l_i. Если рассчитанная температура наружной поверхности t_нар получилась больше 100 °С, то необходимо либо увеличить толщину теплоизоляции, либо принять другой материал с меньшей теплопроводностью.

Тепловые потери через цилиндрическую стенку можно с достаточной для практики точностью рассчитать по формуле для плоской стенки, но при отношении внешнего диаметра печи к внутреннему более двух тепловые потери рассчитывают по формуле для цилиндрической стенки:

 

(2.8)

 

где R_i+1 – наружный радиус i-го слоя; R_i – внутренний радиус i-го слоя.

В этом случае расчет температур границ раздела и наружной стенки производится по формулам:

 

(2.9)

 

(2.10)

 

(2.11)

Потери теплоты излучением через окна и другие отверстия в футеровке

 

Тепловые потери излучением зависят от формы окна или отверстия, которые могут быть круглого и прямоугольного сечения, температуры в печи, глубины окна (толщины футеровки стенки, в которой расположено окно) и относительного времени открывания окна Δt.

Расчет потерь теплоты излучением в окружающую среду производится по формуле:

 

(2.12)

 

Относительное время открытия окна Dt определяется по формуле:

 

Dt = t_откр/t_цикл, (2.13)

 

где t_откр – суммарное время, в течение которого окно открыто при загрузке и выгрузке; t_цикл – суммарное время продолжительности данной технологической операции, включая нагрев, выдержку, охлаждение с печью, время загрузки и выгрузки.

Передача тепла через зеркало ванны в окружающее пространство происходит лучеиспусканием и потери тепла могут быть определены по формуле:

 

Q_ИЗЛ = С F_ИЗЛ j [(T_P /100)⁴ - (T_O /100)⁴ ], (2.14)

 

где С = 4,6 Вт/ (м²·K) - коэффициент лучеиспускания расплавленной соли; F_ИЗЛ - поверхность зеркала ванны, м²; j - коэффициент диафрагмирования; T_P - температура соли, K; T_O - температура окружающей среды, K.

 

Потери через тепловые короткие замыкания.

 

В практических расчетах электропечей их принимают обычно равными 25...100 % от потерь теплоты через стенки. Для лабораторных печей эта величина составляет 25...50 % от потерь через футеровку печи.

N_ткз = (0,25…0,50)∙ N_cт (2.15)

 

Исключения составляют печи с экранной изоляцией, для которых эта величина будет (0,75...1,0)∙ N_ст.

 

Аккумуляция теплоты футеровкой печи.

 

Определение теплоты аккумуляцией печи необходимо при составлении теплового баланса печи периодического действия, а также для расчета времени разогрева печи τ_рп до технологической температуры.

 

, (2.16)

 

где m_i — масса i-го слоя футеровки, - прирост теплосодержания i-го слоя.

τ_pn принимают условно (для печей с классической футеровкой в зависимости от заданной температуры нагрева τ_pn принимают от 1 до 4 часов) и уточняют после окончательного расчета теплового баланса.

 

Затраты на нагрев контролируемой атмосферы.

 

(2.17)

 

Расход контролируемой атмосферы P_КА принимают по справочным данным, обычно он составляет не более 0,3…1 дм³/с. Начальная и конечная теплоемкость находится по составу применяемой атмосферы.

 

Неучтенные потери

 

Неучтенные потери составляют 10…20 % от суммарных тепловых потерь холостого хода N_х.х.

 

N_неуч = (0,1…0,2)× N_х.х. (2.18)

 

Под потерями холостого хода понимаются те потери, которые имеет пустая печь с закрытой дверцей, прогретая до заданной температуры.

 

N_х.х. = N_ст + N_т.к.з.+ N_КА (2.19)

 

На основе полученных данных составляется таблица теплового баланса печи, в которую внесены два режима: рабочий режим и режим разогрева печи.

 

Таблица 2.1 Тепловой баланс лабораторной печи при полунепрерывном режиме работы

Статьи расхода	Разогрев печи	Рабочий режим
тепла	Вт	%	Вт	%
Nм	–	–	+	+
Nт	–	–	+	+
Nст.	+	+	+	+
Nткз	+	+	+	+
Nакк	+	+	–	–
Nлуч	–	–	+	+
NКА	+	+	+	+
Nнеуч	+	+	+	+
Nрасч	+	+	+	+

 

С помощью мощности, рассчитанной при рабочем режиме, можно проверить время разогрева печи, выбранное ранее условно:

 

(2.20)

 

По максимальному значению N_pacч одного из периодов работы печи (обычно это стадия разогрева печи) определяем установленную мощность печи по формуле:

 

N_уст = k ∙N_paсч (2.21)

 

где k - коэффициент запаса, k = 1,25...1,40.

Избыток установленной мощности, который учитывается в виде коэффициента k, необходим по следующим причинам:

1) вследствие колебания напряжения сети в пределах ±10 %;

2) из-за старения нагревательных элементов;

3) в целях компенсации возможных ошибок, возникающих при проведении тепловых расчетов;

4) для создания повышенного теплового потока от нагревательных элементов к изделиям во время первого периода нагрева.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: