Энергопотребление в печах с жидким теплоносителем

Задание : 

      Необходимо  спроектировать электрическую соляную  печь для нагрева изделий из углеродистой стали под закалку. Начальная  температура нагрева t = 20° С, конечная температура нагрева t = 860° C, допустимый перепад температуры по сечению изделий Δt = 10° C

Изделие имеет  цилиндрическую форму диаметром ᴓ = 100 и ᴓ = 66 мм, высота изделия  l = 250 мм, масса изделия g = 12 кг, производительность  р = 210 кг/ч, температура плавления t = 670° C, плотность ρ = 1740 кг/м³, средняя удельная теплоемкость С = 1,20 кДж/ кг*К, марка стали У8, соль 44%NaCl + 56% KCl. 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.Определение  времени нагрева  изделия в печи.

     Весь  процесс разбивают на два расчетных  интервала, продолжительностью .Граница раздела между этими интервалами принимается момент, когда температура поверхности изделий становится равной температуре плавления теплоносителя.

     По  данным [5, 6] находим зависимость коэффициента теплопроводности углеродистой стали от температуры. 

 

          Среднее значение коэффициента теплопроводности для отдельных  интервалов вычисляются по формуле:

           ,m-кол-во количество коэффициентов в заданном расчетном интервале.

                      

                              

    По  графику [1] зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры для расплава с химическим составом 44% NaCl+56%KCl при температуре ванны 870°С коэффициент теплоотдачи .

                             

          Где -скорость принудительной циркуляции жидкого теплоносителя вблизи изделия ,принимаемая 0,1м/с; А-коэффициент, учитывающий жидкотекучесть теплоносителя: для расплавов хлористых солей А=940.

Значение  среднего коэффициента  теплоотдачи  для первой стадии находится:

                       ,

где F/V – отношение поверхности изделия к его объему; Б – коэффициент, учитывающий теплофизические свойства жидкой среды: для расплавов хлористых солей Б=1,4. Для цилиндра с диаметром 100 мм F/V=4/100=0,4 1/см.

     Значение  критериев Bi1 и Bi2:

       

     

      ,

     где L-определяющий размер тела, равный половине диаметра изделия. 

L=0,1/2=0,05,м.

          По таблице 2 [1] для изделий цилиндрической формы находят основные расчетные коэффициенты:

Rм(Bi1)=0,995                                

(Bi1)=0,895

Rм(Bi2)=0,923                                 

(Bi2)=0,533

(Bi2)=0347

          Rм-коэффициент, зависящий от формы тела и критерия Bi; -критерии неравномерности температурного поля.

          Принимаем среднюю  по массе изделия температуру  в конце второго расчетного интервала  tм( )=tкон=860°С,определяем точное значение температуры ванны:

tв=tм( )+ =860+ ,

где tком -допустимый перепад температуры по сечению изделия.

          Проверяем возможный  перепад температур между поверхностью и центром изделия:

tпц=[tв-tм(

)-0,4 tком)] =[869-860 ]( )=9,4

    Так как  tкон, то температуру ванны tв=860°С принимают для дальнейших расчетов.

    Среднюю по массе температуру в конце  первого расчетного интервала находим:

                               t( )= ,

где tп( )-средняя температура по поверхности изделия равная температуре плавления теплоносителя.

          Относительная температура  для первого интервала:

                                

средняя температура для первого интервала.

          Относительная температура  для второго интервала:

 

          Значение средней  удельной теплоемкости для первого  и второго интервалов находят  по формуле:

,

     где  t( ) и t(0) средние по массе температуры для начала и конца интервала.

С1=

       С2  

    Тогда продолжительность первого и  второго периода равна:

,

          где -плотность стали;L-определяющий размер тела; К-коэффициент, зависящий от формы тела, координат точки i и критерия Bi.

    Для цилиндра:Uм(Bi)=Rм(Bi)   Uм(Bi1)=0,995   Uм(Bi2)=0,923

      

     

     

 Общее  время нагрева изделия в соляной  печи: 

     _{τ  =τ₁+τ₂=422+787=1209с.=0,338ч.} 

2.Определение размеров печи  

          При рассчитанном времени нагрева единовременная садка металла составляет:

кг 

а количество изделий в печи: 

 

Размещаем на подвеске по 2 детали, следовательно нужно 3подвески. 

Рисунок 1 – Эскиз изделия 

                    

Рисунок 2 – Эскиз подвески с изделиями 

     Минимально  допустимые размеры ванны: 

     

мм

     

мм

     

мм 

Объём расплавленного теплоносителя: 

     

м³, 

     где b – ширина подвески, мм;h -  высота подвески, мм;l – длина подвески, мм;

      - диаметр электродов. Диаметр  электородов  ориентировочно задают, а после расчета мощности печи уточняют его по таблице 6 [1].

     Возможное падение температуры распада  при погружении в него подвески с  холодными изделиями:

G – средняя удельная теплоёмкость расплавленного теплоносителя 

 

          Допустимое падение  температуры в ванне 20⁰  С , то размеры ванны оставляем без изменения. 

 
 
 
 

3.Определение мощности печи 

     Нагрев металла

кВт

    Нагрев подвесок. Эти потери можно принять равными 25% от потерь мощности на нагрев металла

кВт 

      Теплопередача через стенки:

          Коэффициент теплопроводности шамотного кирпича, согласно приложению 11[6, c.336]

   Толщина шамотной кладки:

     

    Коэффициент теплопроводности диатомитового кирпича:

     

   
 

    Толщина диатомитового кирпича:

       

     Температура печи ;Температуру окружающего воздуха принимают равной .Находим температуру на границе раздела слоев.

     

     

 

     Средняя температура слоя шамота: 

 

    Коэффициент теплопроводности шамота 

     

     Средняя температура слоя диатомита:

 

     Коэффициент теплопроводности слоя диатомита 

.

          Коэффициент теплопередачи  конвенцией от наружной поверхности  футеровки в окружающую среду 

     Плотность теплового потока через стенку:

      Потери мощности через стенки:

,

где F- площадь поверхности стенок, м² 

 Вт 

          Теплопередача через под:

     Толщина слоя шамота и диатомита:

;

          Коэффициент теплопередачи  конвенцией от наружной поверхности  футеровки в окружающую среду

 

     Средняя температура шамота и диатомита:

 

 

 

 Температура наружной поверхности пода: 

 

 

     

, 

    где  F-площадь поверхности стенок,м². 

     

Вт,