Курсовая работа: Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

Электрические печи. В электрических печах без искусственной циркуляции воздуха основным видом теплообмена, определяющим нагрев изделий, является теплообмен лучеиспусканием. Конвективный теплообмен в результате свободного движения воздуха около поверхности нагреваемого изделия имеет небольшую интенсивность. Поэтому коэффициент теплоотдачи определяется формулой теплообмена лучеиспусканием, в которой конвективный теплообмен учитывается поправочным коэффициентом:

(20)

где ε_п - приведенная степень черноты изделий и внутренней поверхности рабочей камеры печи;

Т₁ - температура печи, °К;

T_2ср - средняя температура изделий, °К; определяется по формуле (8);

ε_к - поправочный коэффициент, учитывающий конвективный теплообмен, (ε_к ≈ 1,05…1,1).

Приведенная степень черноты ε_п определяется следующим образом:

где ε₁ - степень черноты внутренней поверхности рабочей камеры печи;

ε₂ - степень черноты изделий;

F₁ - величина внутренней поверхности рабочей камеры печи, излучающей тепло на изделия, м² ;

F₂ – площадь поверхности изделий, воспринимающая тепловое излучение, м² .

В частном случае, если поверхность изделий, воспринимающая тепловое излучение, много меньше внутренней поверхности рабочей камеры печи (F₁ << F₂ ), то на основании выражения (21)

ε_п = ε₂

В электрических печах с искусственной циркуляцией воздуха (в конвекционных печах) при определении коэффициента теплоотдачи на поверхности изделия необходимо учитывать и теплообмен лучеиспусканием, и конвективный теплообмен, т. е.

α=α_л +α_к

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формуле, аналогичной уравнению (20):

(22)

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией можно применять формулу (11) или (12).

В частном случае, при нагреве длинномерных изделий (профилей, труб, прутков, листов и т. д.) из алюминиевых сплавов в низкотемпературных конвекционных печах до температуры печи t_{2 k} ≈ t₁ величина коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий (таб. 4).

2. Расчет нагрева «тонких» изделий в печах периодического действия

Переменная температура печи при постоянном расходе тепла

С целью максимального использования установленной мощности электрической печи ее величину уменьшают по сравнению с рассчитанной по формуле (25). Это обеспечивает работу печи во время нагрева изделий в основном без отключения. Уменьшение установленной мощности приводит к снижению температуры в рабочей камере печи после загрузки холодных изделий. По мере нагрева изделий температура печи повышается, при этом мощность печи остается постоянной. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура печи не достигнет заданной величины. После этого необходимо уменьшать мощность печи (или расход энергии), чтобы сохранить постоянной температуру в рабочей камере.

Таким образом, процесс нагрева изделий в электрической печи периодического действия можно разбить на два этапа: нагрев при постоянной мощности, но переменной температуре печи и нагрев при переменной мощности (при переменном расходе энергии), но постоянной температуре печи. Расчет продолжительности второго этапа выполняется по рассмотренным ранее формулам. Определим продолжительность первого этапа. Для первого этапа нагрева изделий справедливо равенство:

(30)

где N_п - полезная мощность печи, расходуемая на нагрев изделий, кВт.

Связь между N_п и N_y следующая:

Исходя из равенства (30), тепловой баланс изделия может быть выражен уравнением

(31)

где G_с - масса садки изделий в печи, кг.

В начальный момент времени температура изделий равна t_2н конце первого этапа нагрева на основании выражения (30) она равна:

(32)

где t_{1 y} - установленная температура печи.

Интегрируя уравнение (31) в данных пределах, получим следующее выражение, определяющее продолжительность первого этапа нагрева изделий:

(33)

На основании формул (27) и (32) можно определить продолжительность второго этапа нагрева τ₂ :

(34)

Следовательно, полное время нагрева изделий в печи с уменьшенной установленной мощностью определяется следующим образом:

(35)

Чтобы во время нагрева изделий печь работала в основном без отключения или переключения на меньшую мощность, необходимо в течение первого этапа обеспечить нагрев изделий до температуры, близкой к конечной температуре нагрева, т. е:

(36)