Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
2.3. Проектирование электропечей сопротивления периодического действия При проектировании электропечи сопротивления периодического действия обычно задается либо часовая ее производительность, либо ее единовременная загрузка. Последняя необходима для конструирования камеры печи, поэтому, если она неизвестна, ею приходится задаваться с последующей проверкой ее соответствия заданной производительности печи. Конструируют печную камеру, определяют ее размеры и параметры, учитывая следующие положения: • внутренние размеры камеры печи должны быть по возможности малы и соответствовать размерам загрузки; наличие вредного, неиспользованного пространства в камере печи приводит к увеличению ее внешних размеров и тепловых потерь. • 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). Не следует при проектировании электрических печей экономить на теплоизоляции, так как она очень быстро окупает себя. Огнеупорная часть кладки должна выполняться из возможно более легкого, допустимого по условиям прочности материала, с тем, чтобы снизить аккумулированное тепло. Ни в коем случае не следует применять излишне прочный и, следовательно, тяжелый материал и по возможности избегать тепловых коротких замыканий (металлические детали, проходящие через кладку), способных значительно повысить тепловые потери печи, Расположение нагревателей в печи должно определяться как технологическими требованиями, так и возможностью размещения их в печи. Следующим этапом является определение времени нагрева садки. Если часовая производительность печи задана, то время цикла, ч, легко определяется из формулы М G цикла = τ , где G - масса загрузки печи, кг; М - ее часовая производительность, кг/ч. Время цикла в общем виде пр выд нагр цикла τ + τ + τ = τ , 131 где нагр τ - время нагрева; выд τ - время выдержки; пр τ - время простоя печи. Остывание, как правило, проводят вне печи, чтобы сохранить накопленное кладкой за время нагрева тепло. Время простоя печи пр τ складывается из времени ее загрузки и выгрузки, а иногда также из времени, необходимого на ее чистку или подправку. Время выдержки изделий в печи выд τ задается технологическим процессом, в противном случае оно сливается с последним этапом нагрева. Для определения времени нагрева нагр τ необходимо задаться значением удельного полезного теплового потока n q . Полезный тепловой поток, Вт/м 2 , определяется из следующего выражения ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ε + ε = 4 изд 4 печи cm cm изд изд np n 100 Т 100 T 1 1 F F 1 C q , где пр С - приведенный коэффициент лучеиспускания; изд ε - степень черноты изделия; ст ε - степень черноты стен камеры; изд F - тепловоспринимающая поверхность изделия; ст F - поверхность стен камеры; печи Т - температура в камере печи; изд Т - температура изделия. После определения времени нагрева и производительности печи следует приступить к расчету тепловых потерь печи и к составлению энергетического баланса. цикл ср . пот всп пол цикл q Q Q Q τ + + = , где пол Q - полезное тепло; всп Q - тепло, расходуемое на нагрев вспомогательного оборудования; ср . пот q - тепловые потери за время одного цикла. 132 Полезное тепло, идущее на нагрев садки, ( ) ( ) изд 1 изд 2 изд изд 1 изд 2 изд изд пол q q G t t C G Q − = − = где q - теплосодержание; С - удельная теплоемкость; t - температура; G - масса материала. Тепло, идущее на нагрев вспомогательного оборудования, ( ) ( ) газ 1 газ 2 газ газ всп 1 всп 2 всп всп всп t t C G t t C G Q − + − = Тепловые потери за время одного цикла складываются из тепловых потерь за отдельные периоды цикла, т.е. из потерь за время нагрева, выдержки, остывания и простоя печи при загрузке и выгрузке . q q q q q пр пр . пот ост ост . пот выд выд . пот нагр нагр . пот цикл ср . пот τ τ τ τ τ + + + = Отдельно подсчитываются тепловые потери через закрытую и открытую дверцы, причем учитывается время открытого состояния последней цикл откр цикл дв . закр . пот цикл откр дв . откр . пот дв . пот q q q τ τ τ τ τ − + = . Потери через тепловые короткие замыкания следует подсчитывать, оценивая температуру на обоих концах металлического стержня ( 1 t и 2 t ), проходящего через стенку: стр стр х . к . пот F L t t q 1 2 − = λ , где стр L - длина стержня; стр F - сечение стержня; λ - коэффициент теплопроводности. Расход энергии на единицу обрабатываемой в печи продукции может быть определен из выражения 133 цикла цикла М Q A τ = Тепловой КПД печи равен цикла пот всп пол пол T q Q Q Q τ + + = η Мощность печи периодического действия нагр нагр печи Q К Р τ = , где К - коэффициент запаса. Особое место занимает нагрев в таре или муфеле. В этих условиях определение времени нагрева расчетным путем затруднительно, и оно обычно задается на основе опытных данных. 2.3.1 Примеры расчета установленной мощности ЭПС Пример 1 Определить установленную мощность методической печи, предназначенной для нагрева стальных изделий под отпуск до температуры o 230 С. Исходные данные: производительность – 0,139 кг/с; тепловой КПД печи – 0,72; электрический КПД печи – 0,95; удельная теплоемкость стали – 490 Дж/кг ⋅°С (в интервале температур 20 - 230 °С). Решение 1. Определение полезной мощности печи 134 ( ) 1 2 пол t t MC P − = , где M - производительность; C - удельная теплоемкость; 1 t - начальная температура; 2 t - конечная температура. ( ) 1 14303 20 230 460 139 0 , , P пол = − ⋅ ⋅ = Вт, ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = = ⋅ ⋅ ⋅ Вт с Дж С С кг Дж с кг o o 2. Определение потребляемой мощности 96 20910 72 0 95 0 1 14303 , , , , Р Р т эл пол потр = ⋅ = = η η Вт, где эл η - электрический КПД; т η - тепловой КПД. 3. Определение установленной мощности 3 потр уст k Р Р = , где 3 k - коэффициент запаса (принимаем 2 1 k 3 , = ). 16 25093 2 1 96 20910 , , , P уст = ⋅ = Вт. Пример 2 Определить установленную мощность печи непрерывного действия (конвейерной), предназначенной для сушки изделий. 135 Исходные данные: конвейер – металлический; теплоемкость материала конвейера – 477 Дж/кг ⋅° С; начальная температура – С 20 o ; температура сушки – o 200 С; сушатся влажные металлические изделия; средняя теплоемкость материала изделий – 963 – (в интервале температур 20 - 200 ° С); в течение одного часа прогревается 300 кг изделий; средняя теплоемкость воды – 3 10 187 4 ⋅ , Дж/кг ⋅° С; скорость испарения влаги – 3 10 16 4 − ⋅ , кг/с; скрытая теплота испарения воды - 6 10 26 2 ⋅ , Дж/кг; средняя теплоемкость водяного пара при атмосферном давлении (в интервале температур от 100 - 200 ° С) – 2012 Дж/кг ⋅° С; в печи в течение часа осуществляется четырехкратный воздухообмен; объем печи 100 м 3 ; удельная теплоемкость сухого воздуха – 1021 Дж/кг ⋅° С; плотность сухого воздуха – 0,916 кг/м 3 ; мощность тепловых потерь с наружных поверхностей стенок печи составляет 20 % полезной мощности. Решение Установленная мощность 3 потр уст k Р Р = , где 3 k - коэффициент запаса (принимаем 3 1 3 , k = ). Потребляемая мощность 136 ак потерь вспом пол потр Р Р Р Р Р + + + = , где пол Р - мощность, затрачиваемая на разогрев изделий; вспом Р - мощность, затрачиваемая на разогрев вспомогательного оборудования (тары, транспортирующих устройств и т.д.); потерь Р - мощность, идущая на восстановление тепловых потерь; ак Р - мощность, аккумулируемая ограждающими конструкциями, находящимися в зоне повышенных температур; эта мощность требует сложного расчета нестационарных процессов, сопровождающих прогрев установки. Однако в ряде случаев ее значение составляет небольшую долю потребляемой мощности, например у слабофутерованных установок, а также когда установка разогревается лишь в начале компании, затем длительное время работает без отключения. В данной задаче этой мощностью пренебрегаем. 1. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев сухих изделий, ( ) 1 2 1 пол t t MC P − = , где M - производительность ( 083 0 3600 300 , G M = = = τ кг/с); C - удельная теплоемкость загрузки; 1 t - начальная температура; 2 t - конечная температура. ( ) 22 14387 20 200 963 083 0 1 , , P пол = − ⋅ ⋅ = Вт, ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = = ⋅ ⋅ ⋅ Вт с Дж С С кг Дж с кг o o 137 2. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев воды до температуры o 100 С и ее испарение, ( ) М t t MC P 1 2 2 пол ⋅ + − = λ , где M - производительность ( 3 10 16 4 − ⋅ = , M кг/с); C - удельная теплоемкость воды; 1 t - начальная температура ( o 20 С); 2 t - конечная температура ( o 100 С); λ - скрытая теплота парообразования ( 6 10 26 2 ⋅ = , λ Дж/кг). ( ) 03 10795 10 16 4 10 26 2 20 100 4187 10 16 4 3 6 3 2 , . , , P пол = ⋅ ⋅ ⋅ + − ⋅ ⋅ ⋅ = − − Вт. 3. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев водяного пара, ( ) 1 2 3 пол t t MC P − = , где M - производительность ( 3 10 16 4 − ⋅ = , M кг/с); C - удельная теплоемкость водяного пара; 1 t - начальная температура ( o 100 С); 2 t - конечная температура ( o 200 С). ( ) 99 836 100 200 2012 10 16 4 3 3 , , P пол = − ⋅ ⋅ ⋅ = − Вт. 4. Суммарная полезная мощность 24 26019 99 836 03 10795 22 14387 3 2 1 , , , , Р Р Р Р пол пол пол пол = + + = + + = Вт. Потери мощности, затрачиваемой на нагрев конвейера (нагрев вспомогательного оборудования), ( ) 1 2 1 пот вспом t t MC P Р − = = , 138 где M - производительность ( 083 0 3600 300 , G M = = = τ кг/с), производительность принимаем равной производительности по нагреву загрузки; C - удельная теплоемкость материала конвейера; 1 t - начальная температура ( o 20 С); 2 t - конечная температура ( o 200 С). ( ) 38 7126 20 200 1477 083 0 1 , , P Р пот вспом = − ⋅ = = Вт. Мощность, затрачиваемая на нагрев сухого воздуха при осуществлении заданного воздухообмена, ( ) 1 2 2 пот t t MC P − = , где M - производительность ( 1018 0 3600 4 , V M n в = = γ , здесь в γ - плотность сухого воздуха; n V - объем печи; 4 – четырехкратный воздухообмен в течение часа (3600 с)); C - удельная теплоемкость сухого воздуха; 1 t - начальная температура ( o 20 С); 2 t - конечная температура ( o 200 С). ( ) 72 18704 20 200 1021 1018 0 2 , , P пот = − ⋅ ⋅ = Вт. 7. Мощность тепловых потерь через стенки печи пол пот Р , P 2 0 3 = 85 5203 24 26019 2 0 3 , , , P пот = ⋅ = Вт. 139 8. Суммарная мощность тепловых потерь 3 пот 2 пот пот Р Р Р + = 57 23908 85 5203 72 18704 , , , Р пот = + = Вт. 9. Установленная мощность потерь вспом пол потр Р Р Р Р + + = 19 57054 57 23908 38 7126 24 26019 , , , , Р потр = + + = Вт. 45 74170 3 1 19 57054 3 , , , k Р Р потр уст = ⋅ = = Вт. 2.3.2 Инженерная методика расчета нагревателей электрических цепей α ИД W W = , (2.6) [ ] гд е α γ = + + − + C F C F C F C F C F C F F C C F C C F 1 2 1 2 1 3 1 3 1 3 1 3 3 2 3 2 1 2 1 2 3 2 3 2 1 1 2 1 3 1 3 1 2 3 2 3 2 1 ( ) При разработке инженерной методики, было установлено, что в коэффициенте α из (2.6) существуют несколько практически независимых сомножителей, т.е. рол р с г эф α α α α α α ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 140 эф α - коэффициент эффективности излучения системы нагревателя. г α - коэффициент шага учитывает зависимость W от относительных витковых расстояний e/d, e/b, t/d данной системы нагревателя. Таблица 2.4 Система нагревателя Минимальные относительные витковые расстояния Коэффициент эф α Проволочный зигзаг e/d=2.75 0.68 Ленточный зигзаг e/b=0.9 0.4 Ленточный зигзаг в выемных рамках e/b=0.9 0.34 Проволочная спираль на трубке t/d=2 0.32 Проволочная спираль на полочке t/d=2 0.32 Проволочная спираль на балках t/d=2 0.22 Рис. 2.34 141 С п р В т/(м 2 (К ) 4 ) 4 3 2 1 0.2 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Рис.2.35 С F F п изд изд ст н р , = + − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ 5 67 1 1 1 ε ε р α - коэффициент соотношения размеров садки и печи. Рис.2.36. рол α - коэффициент, учитывающий затенение подовых нагревателей неохлаждаемыми роликами рольганговой печи. α р F изд F ст 0 0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 142 Итогом прямого расчета электронагревателя является определение требуемых диаметра, длины проволоки (ленты) нагревателя, удовлетворяющих необходимой мощности одной фазоветви тепловой зоны электропечи, температуры нагреваемого изделия с обеспечением работоспособной температуры нагревателя. Электросопротивление нагревателя (фазоветви) и удельная поверхностная мощность реального нагревателя рассчитывается по формулам R U P l S W P F Р Пl P Пl н = = = = = − 2 3 6 3 3 3 6 10 10 23 10 10 10 10 24 ρ ( . ) ( . ) Диаметр проволоки нагревателя d P U W = 4 10 15 2 2 2 3 ρ π Развернутая длина нагревателя r r 2 p 4 R d L ρ π ⋅ = Рассмотрим определение срока службы нагревателя. За срок службы или технический ресурс нагревательного элемента принимается время его работы при температуре эксплуатации до увеличения электрического сопротивления на 20 %. Для никельхромовых нагревателей это соответствует уменьшению его активного сечения на 20 %, получаемому в процессе его окисления, для железохромоалюминиевых нагревателей, кроме окисления, существенную роль в уменьшении срока службы нагревателя играет снижение концентрации алюминия в поверхностном слое. Расчетный срок службы нагревателя определяют по следующим формулам: Для никельхромовых сплавов и железохромоалюминиевых сплавов при температуре до 1200ºС , к к d к L p ⋅ ⋅ ⋅ = 1 τ τ 143 Для железохромоалюминиевых сплавов при температуре, большей или равной 1200°С , к к d к L , p ⋅ ⋅ ⋅ = 1 9 1 τ τ - где KL - коэффициент длины, учитывающий снижение срока службы реального нагревателя при увеличении его длины; Кк - коэффициент конструкции, учитывающий затемнение отдельных участков нагревателя. Кк=1 - для никельхромовых сплавов, Кк=0,82 - нагреватель из железохромоалюминиевых сплавов (в воздушной атмосфере) Рис.2.37Срок службы проволоки d - 1 мм из никельхромовых сплавов: 1 - ХН70Ю; 2 - Х20Н80-Н; 3 - XI5H6; 4 – ХН20ЮС Рис.2.38Срок службы проволоки d - 1 мм из железохромоалюминиевых сплавов: 1 – Х23Ю5Т, Х27Ю5Т; 2 – X23Ю5 Коэффициент K L L,м Менее 30 30…50 Более 50 K L 1-0,005L 0,85 0,7 Рассмотрим подробнее методику электрического расчета. Исходные данные для выбора материала нагревателя: 1) номинальная температура в рабочем пространстве печи tп и ко- нечная температура нагрева изделия tизд.кон.; 2) материал изделия (степень черноты εизд.); 3) особенности технологического процесса (требования к точности поддержания температуры, среда в рабочем пространстве и т.д.); 144 4) размеры и форма внутреннего пространства печи, расположение загрузки и нагревателей; 5) установленная мощность печи и мощность расчетной фазо-ветви нагревателя Р, кВт; 6) напряжение питающей сети U и напряжение на рассчитываемом нагревателе 7) система автоматического регулирования температуры печи (позиционное регулирование или непрерывное регулирование); 8) режимы работы печи (непрерывный или прерывистый с охлаж- дением печи вместе с загрузкой или во время длительных простоев). Выбор материала нагревателя производится по рекомендуемой рабочей температуре сплава таким образом, чтобы она была примерно на 150°С больше t изд.кон. Рекомендуемые и максимально допустимые температуры табл. 2.5. Таблица 2.5 Марка сплава Рекомендуемая рабочая температура, °С Максимально допустимая температура, °С Непрерывны й режим Прерывистый режим Непрерывны й режим Прерывисты й режим ХН20ЮС 850-1000 850-950 1100 1050 Х15Н60-Н 900-1025 900-975 1125 1075 ХН20Н80- Н 1000-1100 1000-1075 1200 1150 ХН70Ю 1050-1100 1050-1075 1200 1175 Х23Ю5 1050-1100 1000-1050 1200 1150 Х27Ю5Т 1150-1250 1150-1200 1350 1300 Х23Ю5Т 1300-1350 1250-1300 1400 1350 Замечание: При выборе материала следует учитывать, что железохромо - алюминиевые сплавы при температуре выше 1000 °С не могут работать в контакте с шамотными огнеупорами и требуют применения высокоглиноземистых материалов, например муллита. Для проведения расчета потребуются - удельное электрическое сопротивление сплава в горячем состоянии (при рабочей температуре) ρ г , Ом·мм 2 /м. Алгоритм расчета параметра нагревателя Определение удельной поверхностной мощности идеального нагревателя 145 По графикам рис.2.39 по принятой рабочей температуре нагревателя и температуре тепловоспринимающей поверхности Определение допустимой удельной поверхностной мощности реального нагревателя производится по формуле: W= α·W ид , где α= α эф ·α г ·α с ·α р ·α рол Рис.2.39. Удельная поверхностная мощность идеального нагревателя и ориентировочные мощности, размещаемые на I м 2 в зависимости от температуры нагревателя и тепловоспринимающей поверхности Определение электрических параметров нагревателя (мощности и напряжения расчетной фазоветви). Для этого необходимо установить количество тепловых зон в электропечи и выбрать схему соединения нагревателей зоны. Количество тепловых зон принимается на основании общих рекомендации: в печах с высокими камерами, в шахтных и колпаковых высота зоны 1…1,5 м., в протяженных в длину и печах непрерывного действия – длина зоны 1,5…2,5 м. В крупных печах периодического действия мощности зон могут быть приняты равными. 146 С точки зрения обеспечения работы нагревателей от сети 220/380 В, мощность трехфазной зоны может составлять 100…160 кВт, но не более 250 кВт. Необходимо выделять тепловые зоны для перемещающихся частей печей, например выдвижного пода. Маломощные зоны или печи могут быть однофазными. Если при проектировании рассчитывалось время нагрева в печи непрерывного действия, то из этого расчета получается количество зон и их мощность. В остальных случаях установленная мощность тепловых зон распределяется так, чтобы максимальное значение было в первой зоне у загрузочного окна, а далее мощность уменьшается в каждой следующей зоне на 10...15 %, При питании от трехфазной сети напряжением 380/220В могут быть применены две схемы соединения нагревателей: треугольник - на нагревателе линейное напряжение 380В, звезда - фазное напряжение 220 В. Для, однофазной зоны, как правило, принимается напряжение 220 В. В отдельных обоснованных случаях, например для питания нагревателей маломощных зон в печах непрерывного действия, допускается применение понижающих трансформаторов. Выбор размеров нагревателя по номограммам. Номограммы связывают электрические и геометрические параметры нагревателя. По мощности P, напряжению на нагревателе U и допустимой удельной поверхностной мощности W определяются диаметр d и длина проволочного нагревателя L - из никельхромовых сплавов (рис.2.40), - из железохромоалюминиевых сплавов (рис. 2.41). С помощью номограмм можно просмотреть несколько вариантов питания нагревателя. Выбирается нагреватель более массивный с большим сроком службы, более удобный для размещения, соответствующий предварительно выбранной конструкции (проволочный зигзаг d = 6,3…11 мм, спираль d = 4...5,6 мм). Принимается стандартный диаметр проволоки: 4; 4,5; 5; 5,6; 6,3; 7; 8; 9; 10; 11; 12 мм. 147 Рис. 2.40. Номограмма для расчета проволочных нагревателей из никельхромовых сплавов Рис. 2.41. Номограмма для расчета проволочных нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов Уточненный расчет параметров нагревателя - сопротивление нагревателя (фазоветви) , P 10 U R 3 2 r = 148 где U - напряжение на нагревателе, В; Р - мощность фазы, кВт; - развернутая длина нагревателя, м r r 2 p 4 R d L ρ π ⋅ = , где ρг - удельное сопротивление материала при рабочей температуре, Ом.мм2/м; - расчетная удельная поверхностная мощность p p L d P W ⋅ ⋅ = π 3 10 Действительная температура нагревателя tн определяется по рис.2.7 (W'и.д.=Wp/α) сравнивается с рекомендуемой температурой для данного сплава. Если tн > tреком, необходимо произвести пересчет нагревателя, изменив электрические параметры, или выбрать более жаростойкий сплав. Определение размеров готового нагревателя и размещение его в печи Размеры зигзагообразного нагревателя определяются по формулам: - развернутая длина одной петли зигзага. ср з R ) R H ( L π 2 2 2 + − = ; - количество петель в нагревателе з p L / L n = ; - длина готового нагревателя . nt L = |