Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»

Институт КП МТО

Кафедра МТНМ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

 

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

1. Теплообмен в топливных и электрических печах

Топливные печи. Дымовые газы, заполняющие рабочее пространство топливной печи, передают тепло лучеиспусканием и конвекцией нагреваемым изделиям и стенкам печи. Последние излучают тепло на изделия. Все эти процессы учитываются при определении коэффициента теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием рассчитывается по формуле

,

где степень черноты поверхности изделия;

коэффициент, учитывающий взаимные процессы лучеиспускания дымовых газов, изделий и стенок печи. Коэффициент  выражается следующей формулой

,

где степень развития кладки, ее численное значение приблизительно равно отношению суммарной внутренней поверхности стенок и свода печи  к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла

,

степень черноты дымовых газов;

температура дымовых газов в рабочем пространстве печи, К;

средняя температура нагреваемого металла, К, определяемая следующим образом

где начальная температура металла, К;

конечная температура металла, К.

Степень черноты дымовых газов зависит от их состава. В состав печных дымовых газов входят азот (N₂), углекислый газ (СО₂) и водяной пар (Н₂О). Одно- и двухатомные газы имеют ничтожно малую интенсивность теплового излучения. Поэтому степень черноты дымовых газов определяется из выражения

,

где степень черноты углекислого газа;

условная степень черноты водяного пара;

поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара.

Степень черноты газа зависит от его температуры, парциального давления р и средней эффективной длины лучей в рассматриваемом газовом объеме . Величина р (Н/см²) численно равна объемной доле газа в составе продуктов горения. Величину  приближенно можно определить так

,

где объем, заполненный излучающим газом, м³;

площадь всех стенок, ограничивающих этот объем, м².

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при турбулентном движении воздуха или продуктов сгорания в каналах можно определить с помощью следующей приближенной формулы

,

где приведенная (0 ˚С; 1,013 Па) скорость движения газов;

эквивалентный диаметр канала, м.

Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием  и конвекцией

.

Величина перепада температуры по толщине изделия зависит от отношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад температуры по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления изделия к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется критерием Био ()

,

где внутреннее термическое сопротивление изделия;

внешнее термическое сопротивление;

коэффициент теплоотдачи;

коэффициент теплопроводности металла;

характерный геометрический размер изделия: для пластины половина ее толщины при двустороннем нагреве и полная толщина в случае одностороннего нагрева.

За условную границу между тонкими и массивными изделиями можно принять такое значение критерия , при котором погрешность определения времени нагрева изделия без учета перепада температуры в сечение изделия не будет превышать 5 % от действительной продолжительности нагрева.

В соответствии с этим условием изделия можно считать тонкими в тепловом отношении, если .

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_2k ≈ t₁ величина коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий (таб. 4).