Тепловой расчет печи для обработки методом газовой цементации шестерни. Выбор и расчет нагревательных элементов
Содержание
1.Техническое задание
. Тепловой расчет печи
.1 Тепло идущее на нагрев металла
.2 Тепло, теряемое в окружающее
пространство через кладку печи
.3 Потери тепла на нагрев
транспортирующих устройств
.4 Потери тепла на нагрев
контролируемой атмосферы
.5 Различные неучтенные потери,
коэффициент запаса
. Расчет электрических элементов
. Расчет нагревательных элементов
. Расчет конструкции металлических
элементов сопротивления
. Определение коэффициента полезного
действия печи
. Вывод
. Литература
1.Техническое задание
.1 Деталь
= 36 мм, наружный диаметр детали;
= 12 мм, внутренний диаметр детали;
= 69 мм, длина детали;
= 212 тыс. тонн в год, программа
выпуска деталей;
= 7000 час, действительный годовой
фонд времени;
= 7850 кг/, плотность
материала детали;
Материал: сталь 12Х2НВФА -
высококачественная легированная конструкционная цементуемая сталь. Применяется
для деталей, работающих при повышенных температурах до 500 °С, эта сталь имеет
высокие прочностные характеристики, невысокую стоимость.
Обрабатываемая деталь представлена
на рисунке 1.
1.2 Печь
Шахтная печь сопротивления для
газовой цементащии: СШЦМ 6.12 / 9,5;
Размеры рабочего пространства: 600 х
1200 мм;
Рабочая среда: метан (расход: 20
л/час)
2. Тепловой расчет печи
Тепловой расчет печи сводиться к
определению расхода тепла, мощности печи и определению коэффициента полезного
действия.
Расход тепла определяется по
формуле:
, Вт (.ф.15.1)
- тепло идущее на нагрев металла,
Вт;
- тепло, теряемое в окружающее
пространство через кладку печи, Вт;
- потери на нагрев транспортирующих
устройств (этажерка), Вт;
- потери на нагрев контролируемой
атмосферы, Вт;
- различные неучтенные потери,
коэффициент запаса, составляющий 10%(), Вт
.1 Тепло идущее на нагрев металла
= G (),Вт (.ф.15.8),
где
- масса садки печи, кг;
- конечная и начальная
среднемассовая температура металла, составляет 950 и 20 ;
= 0,544 кДж/кг К, средняя теплоемкость
металла в интервале температур от (.с.463);.
G = 240 0,8 = 120 кг, где
- количество деталей в садке, g = 0,5 кг -
вес одной детали;
= 120 (950 - 20) 0,544 = 60710 Вт.
.2 Тепло, теряемое в окружающее
пространство через кладку печи
= , Вт (.ф.15.14), где
- удельный тепловой поток через
кладку, кВт/;
- площадь теплоотдающей поверхности
кладки, ;
= , Вт/ (.ф.11.51)
Из справочника выбираем
материал для футеровки, основным критерием для выбора материалов является
максимальная температура использования и используемая среда, предусмотренная
технологическим процессом в данном случае среда углеродосодержащая, для
проведения газовой цементации.
Для данного процесса футеровка
состоит из трех слоев, каждый слой выбирается по ГОСТ 21736 - 76. (.табл.3 -
36,3 - 37).
Первый слой: керамо - перлитовое
изделие КП - 350, второй слой: шамотный легковес ШЛ - 0,4, третий слой:
корундовый легковес КЛ - 1,3. Кожух - углеродистая сталь. Размер и форма
каждого слоя выбирается по ГОСТ 8691 - 58. (.с.51, рис.9). Эскиз футеровки можно
увидеть на рисунке 2.
Рисунок 2. (.с.62)
= 1300; = 0,087 + 0,186 Вт/м
= 1150; = 0,100 + 0,296 Вт/м
= 800; = 0,710 - 0,118 Вт/м
Назначаем температуру на внутренней
и наружной поверхности стенки
= 1000 и = 100.
Определяем коэффициент
теплопроводности при
температуре = 100 по рисунку
(.11.19).
= 14,8 кВт/;
Рассчитываем тепловой поток через 1 стенки:
= 14,8 (100 - 20) = 1184 Вт/.
В соответствии с максимальной
температурой эксплуатации материалов футерованной стенки назначаем температуру
границы между первым и вторым слоем = 800, а между вторым и третьим = 650.
Определяем термические сопротивления
слоев по (.11.52):
/Вт;
/Вт;
/Вт.
;
;
,
Вт/м;
Вт/м;
Вт/м.
Определяем расчетные величины
толщины слоев по формуле:
, (.11.53)
м; м;
м.
В соответствии с ГОТС назначаем
толщины слоев:
м, м, м.
Рассчитываем площадь теплоотдающей
поверхности кладки:
Площадь поверхности можно увидеть на
рисунке 3.
Рисунок 3
=
= 2,2608 + 1,1304 = 3,3912 .
= 11843,3912 =
4015,3 Вт.
.3 Потери тепла на нагрев
транспортирующих устройств
= G (), Вт (.с.159), где
- масса транспортирующего
устройства, кг;
- конечная и начальная
среднемассовая температура металла транспортирующего устройства, составляет 950 и 20 ;
= 0,544 кДж/кгК, средняя
теплоемкость металла транспортирующего устройства в интервале температур от . (.с.463)
В данном случае транспортирующим
устройством является приспособление, типа этажерка из стали 36Х18Н25С2, на
которое выкладываются детали и загружаются в печь. Диаметр этажерки D1 = 600 мм,
высота диска h = 10 мм,
количество этажерок одновременно загружаемых в печь р = 10 шт. На этажерке
имеются отверстия для циркуляции науглероживающей атмосферы, количество
отверстий составляет n = 44 шт, диаметр отверстия d1 = 20 мм.
Этажерки крепятся на штырь из стали 36Х18Н25С2, диаметр которого d2 = 40 мм и
длинной l = 1200 мм.
Определим массу транспортирующего
устройства:
= ( + ), кг
= 7850 кг/ - плотность
металла;
- объем этажерки, ;
- объем штыря, .
Определим объем этажерки:
= 10,
= - ,
= , = = 0,00028 ,
= , = = 0,00000031 .
Определим объем 44 отверстий в
этажерке:
= 440,00000031 = 0,000014 ,
Теперь находим полный объем
этажерки:
= 0,00028 - 0,000014 = 0,000266 ,
= 100,000266 = 0,0027 .
Определим объем штыря:
= , = = 0,0015 .
G = 7850
(0,0027 + 0,0015) = 33 кг.
= 33 (950 - 20) 0,544 = 16971,5 Вт.
.4 Потери тепла на нагрев
контролируемой атмосферы
= V (), Вт (.с.161), где
- объем газа в котором
обрабатываются детали, /час;
- конечная и начальная температура
газа, составляет 950 и 20 ;
= 3 кДж/К,
теплоемкость газа в печи. (.с.563)
Объем газа определяется из
справочных данных ( . разд.5) в
зависимости от типа печи и того какой размер слоя предусмотрен технологическим
процессом для данного типа детали. Для осуществления процесса потребуется 20
литров в час газа (0,02 /час ).
Науглероживающей средой в данном случае является природный газ на 97% состоящий
из метана, теплоемкость, которого составляет 3 кДж/К.
= 0,02 (950 - 20) 3 = 56 Вт.
2.5 Различные неучтенные потери,
коэффициент запаса
= 10% (),кВт (.с.161
= 0,01 (60710,4 + 4015,2 +
16594,176 + 56) = 8137,6 Вт.
= 60710,4 + 4015,2 + 16594,176 + 56
+ 8137,6 =89513,3 Вт.
Рассчитываем количество приходящего
тепла:
1,2 , кВт (.с.170.п.2)
1,2 89513,3 = 107416 = 107,4 кВт
3. Расчет электрических элементов
Определим номинальную
(установленную) мощность печи:
, кВт (.с.170)
= 1,2 - 1,3 - коэффициент запаса
для непрерывно действующих печей;
= 1,2107,4 = 128,9 кВт
Так как мощность печи выше 15 кВт,
то печь конструируется - трехфазной.
Определяем мощность фазы:
= /3, кВт (.с.171)
= 128,9/3 = 42,9 кВт
Так как для печи мощность фазы
получилась большой, тогда в каждой фазе берем по две параллельные ветви.
Определяем мощность одной
параллельной ветви:
, кВт (.с.171)
= 42,9 / 2 = 21,45 кВт
= / = 220В (.с.171), где
- линейное напряжение сети, 380В
Определим сопротивление фазы:
, Ом (.с.171)
= 1,1 Ом
- фазовое напряжение, В;
- мощность фазы, кВт;
- множитель для перевода киловатт в
ватты.
Соответственно сопротивление
параллельной ветви будет:
, Ом (.с.171)
= 2,26 Ом.
4. Расчет нагревательных элементов
Для шахтной печи в качестве
нагревательного элемента в соответствие с ГОСТ 2615 - 54, выбираем ленту из
стали Х15Н60, ширина (в) х толщина (а): 20 х 2 мм (ориентировочные показатели),
температура применения 800 - 1000. (.таб.55)
Рассчитаем толщину ленты:
При использовании ленты толщиной а
мм и шириной в мм обычно принимается следующее отношение ширины к толщине m = в / а =
8…12, принимаем значение m = 10, тогда в = mа.
,мм (.стр.172), где
= 1,1 Ом /м -
удельное сопротивление материала нагревателя, (.табл.56);
- мощность печи, кВт;
- напряжение питающей сети, В;
- удельная поверхностная мощность
нагревателя В/.
= 2 мм,
ширина ленты будет равна: в = 102 = 20 мм.
Для нагревателей используется лента
с закругленными краями, поэтому в формулу сечения вводится коэффициент 0,97,
учитывающий уменьшение площади.
Определяем сечение ленты:
, (.стр.172)
= 0,97104 = 38,8
Определим длину элемента
сопротивления в одной параллельной ветви:
, м (.стр.172), где
- сопротивление параллельной ветви,
Ом;
- площадь сечения в, ;
- 1,1 Ом /м -
удельное сопротивление материала нагревателя, (.табл.56).
= 2,26 38,8 / 1,1
= 79,7 м
Определим длину сопротивления в
фазе:
, м (.стр.172), где
- число параллельных ветвей.
= 2 79,7 = 159,4 м
Общая длина элементов сопротивления
в печи будет:
3, м (.стр.173)
= 3 159,4 = 478,2 м
Рассчитаем вес ленточного
нагревателя:
, кг (.стр.173), где
- удельный вес, г / (.табл.56);
- сечение ленты, .
= = 155 кг.
5. Рассчитаем конструкции
металлических элементов сопротивления
Ленточные элементы сопротивления
располагают обычно зигзагом на стенках печи. В нашем случае нагревательные
элемента будут располагаться в три ряда, так как вертикальная шахтная печь размерами
рабочего пространства 600 х 1200 мм, что показано на рисунке (приложение).
Расстояние внутри зигзагов принимаем
D = 17 мм,
высоту зигзагов В = 200 мм. Из принятых характеристик нагревателя следует, что
высота зигзага между центрами закрепления ленты будет равна А = 180 мм и радиус
закругления ленты r = 10 мм. Основные характеристики
нагревательного элемента можно увидеть на рисунке (*).
Рисунок 4
Определим длину одного зигзага:
, мм (.стр.174)
= 2 (3,1410 + 180) =
392 мм.
Число зигзагов будет равно:
, (.стр.174)
- длина выводов нагревателя, мм;
= в + 100, мм (.стр.173),
где
в = 340 мм, толщина стенки печи,
= 340 + 100 = 440 мм,
= 201.
Шаг зигзага будет равен:
= 2D, мм
= 217 = 34 мм.
Рассчитаем поверхность излучения
нагревательных элементов:
Для ленточных нагревательных
элементов расчет будет иметь вид
Определим периметр ленты:
, (.стр.174)
= 4 (1 + 10) = 44 мм.
Поверхность излучения:
= 1,94а (1 + m) 10, (.стр.174), где
а - толщина ленты, мм;
m = в / а;
,97 - коэффициент, учитывающий
уменьшение величины периметра прокатанной ленты с закругленными краями.
S = 1,942 (1 + 10) 478,210 =
204095,76 .
Определим удельную поверхностную
нагрузку на нагревательные элементы:
, (.стр.174)
- номинальная мощность печи, кВт;
- поверхность излучения
нагревательных элементов, ;
= 0,7
Удельная поверхностная нагрузка
должна быть не более допустимой.
Допустимая удельная поверхностная
нагрузка для металлических нагревательных элементов приведена в таблице 58 .
Сравниваем:
Так как температура в печи до 1000, то
удельная поверхностная нагрузка не должна превышать 1 Вт/ .
Выбранный нагревательный элемент
подходит для данного технологического процесса и диапазона температур
применения, не превышая предельно допустимую нагрузку.
,7 < 1,0 Вт/ .
6. Определение коэффициента
полезного действия печи
100%, (.стр.164),
где
- тепло идущее на нагрев металла,
Вт;
- общий расход тепла, Вт,
определены ранее.
.
7. Вывод
тепло потеря нагрев печь
В процессе выполнения курсовой
работы, я рассчитала тепло печи, затраченное на нагрев: садки, кладки, транспортирующего
устройства, рабочей среды и прочие неучтенные потери. На основании этого была
рассчитана мощность печи, подобраны нагревательные элементы, удовлетворяющие
условиям работы. Так же рассчитала толщину стенки печи и подобрала размеры в
соответствие с ГОСТ 8691 - 58. Определила характеристики нагревательных
элементов сопротивления представленные на рисунке (*). На рисунке (*)
представлена печь с располагающимися в ней нагревательными элементами.
8. Литература
1.
Тымчак В.М., Гусовский В.Л. Расчет нагревательных и термических печей. М.
Металлургия, 1983 - 480 с.
.
Альтгаузена А.П. Электротермическое оборудование: Справочник под редакцией.
3. Погодин - Алексеев Г.И., Земсков Г.В. Газовая
цементация стали. Киев. Машгиз, 1987. - 113 с.
. Лахтин Ю.М., Дубинина Г.Н. Химико-термическая
обработка стали и сплавов. М. Машиностроение, 1969 - 151 с.
5.
Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки стали.
М.: Металлургия, 1986. 424с.
.
Гуляев А.П., Металловедение. М.: Машиностроение, 1988г.
.Парфеновская
Н.Г., Самоходский А.И. «Технология термической обработки металлов».
8. Солнцев Ю.П., Веселов В.А. Металловедение и
технология металлов. М. Металлургия, 1988 - 512 с.
. Рустем С. Л. Оборудование и проектирование
термических цехов. М. Машгиз, 1962 - 580 с.
. Арендарчук А. В., Катель Н. М.
Общепромышленные электропечи непрерывного действия. М. Энергия, 1977 - 248 с.