Расчет нагрева «тонких» изделий в методических печах

4. Расчет нагрева «тонких» изделий в методических печах

Электрические печи с преобладанием излучения.

Методические печи в большинстве случаев по длине делятся на несколько отдельно регулируемых тепловых зон. Нагревательные элементы в пределах одной зоны обычно размещаются равномерно. Поэтому каждая зона характеризуется постоянным тепловым потоком, передаваемым лучеиспусканием на тепловоспринимающую поверхность изделий. Температура зоны печи по мере нагрева изделий повышается в соответствии с основным уравнением теплообмена излучением:

(46)

где q_л - интенсивность теплового потока (излучением),

Т₁ - температура в данной зоне печи, К;

Т₂ - температура изделий, °К;

ε_п - приведенная степень черноты изделий и внутренней поверхности печи.

Интенсивность теплового потока q_л связана с полезной мощностью зоны:

(47)

где N'_п - полезная мощность зоны печи, кВт;

F' - тепловоспринимающая поверхность изделий в зоне, м².

Итак, температура зоны определяется следующим выражением:

 

(48)

При этих условиях уравнение теплового баланса аналогично уравнению (31)

(49)

где G^’ - масса загрузки изделий в одной зоне, кг.

Интегрируя уравнение (49) в пределах от начальной температуры изделий  до конечной  в данной зоне, получим следующую формулу, определяющую продолжительность нагрева изделий в зоне:

(50)

Масса загрузки изделий в зоне равна

(51)

где g’ - нагрузка на метр пода печи, кг/м;

V - длина зоны, м.

Для первой зоны печи =  , для последней зоны =. Если известно время нагрева, то можно определить скорость движения изделий в печи, т.е

(52)

где  - скорость движения изделий в печи, м/сек.

В большинстве случаев скорость движения изделий во всех зонах печи должна быть одинаковой, поэтому время нагрева изделий в каждой зоне ограничивается ее длиной. В этом случае необходимо рассчитывать температуру нагрева изделий в каждой зоне на основании выражения (50):

(53)

Нагрузка на погонный метр пода g' и скорость движения изделий в печи ν выбираются из следующего соотношения:

(54)

где N_п- полезная мощность печи, кВт. Произведение  равно производительности печи

Р = 3600 (55)

где Р - производительность печи, кг/ч.

Печи с конвективным теплообменом.

В методических топливных печах и в электрических печах с искусственной циркуляцией воздуха нагрев изделий происходит как за счет теплообмена излучением, так и конвективного теплообмена. Особенно велика роль конвективного теплообмена в низкотемпературных конвекционных печах. Процесс нагрева изделий в методических конвекционных печах зависит от схемы движения газов (воздуха) и нагреваемых изделий в рабочей камере печи. Существуют три основные схемы движения газов

б)

а)

Рисунок 9 – Схемы прямоточной (а) и противоточной (б) методических конвекционных печей и распределение температуры по их длине: 1— нагревательные элементы; 2 — вентилятор

В печах, работающих по схемам прямотока и противотока, изменение температуры газов по длине рабочей камеры определяется теплообменом между газами и изделиями (рис. 9). При определении продолжительности нагрева изделий в этих печах обычно задаются температура газов (воздуха) на входе в рабочую камеру печи t_1вх, начальная t_н и конечная t_к температуры изделий. Температура газов на выходе из рабочей камеры печи определяется из уравнения теплового баланса:

(56)

где с_р - удельная теплоемкость газов в печи, Дж/(кг ∙° С);

р_г- плотность газов в печи, кг/м³;

V_г - объем газов, проходящий в единицу времени через поперечное сечение рабочей камеры печи, м³/ч;

Р - производительность печи, кг/ч;

с -удельная теплоемкость изделий, Дж/(кг· ° С).

Установившийся квазистационарный режим теплообмена в рассматриваемых печах позволяет определить среднюю разность температур газов и изделий: для схемы прямотока:

(57)

И в случае противотока

(58)

В результате этого время нагрева изделий определяется следующим образом:

(59)

где G₂ - масса изделия, кг;

F₂ - активная поверхность изделия, м².

Анализ нагрева изделий в методических конвекционных печах показывает, что схема прямотока с теплотехнической точки зрения менее эффективна, чем схема противотока. В печах, работающих по схеме прямотока, необходима повышенная температура газов на входе в рабочую камеру печи:

(60)

Это создает опасность перегрева и пережога изделий в случае изменения ритма работы печи, на пример при задержке подачи изделий в печь или остановке конвейера печи и т.д. Схема противотока обеспечивает также повышенную скорость нагрева изделий при данном режиме работы печи.

Методические конвекционные печи с перекрестным током разбиваются по длине на ряд самостоятельных тепловых зон (рис. 10).

Рисунок 10 – Схема методической конвекционной печи с перекрестным током и возможное распределение температуры по ее длине

Длина зоны определяется шириной газового (воздушного) потока, создаваемого одним или двумя вентиляторами. Большая интенсивность, высокая турбулентность потока обеспечивает практически постоянную температуру в зоне. Устанавливая температуру отдельно в каждой зоне, можно получить требуемое распределение температуры по длине печи.

Расчет нагрева изделий в печах с перекрестным током необходимо выполнять по отдельным зонам или по труппам зон, имеющим одинаковую температуру. Так как температура газового потока постоянная, то для расчета нагрева изделий в отдельной зоне печи можно применить формулу (27). При этом конечная температура нагрева изделий в данной зоне печи принимается за начальную в следующей зоне.

В данном случае применяется методика расчета нагрева изделий в методических печах с заданным распределением температуры по длине печи.

Список Литературы

1. Термическая обработка в машиностроении справочник. Под ред. Ю.М Лахтина.- М.: Машиностроение, 1980. – 783 с.

2. Оборудование Механизация и автоматизация в термических цехах Под ред. Д.Я Вишнякова.- М.: Металлургия, 1964. -467 с.

3. Исаченко В.П. и др. Теплопередача.- М.: Энергоиздат, 1981. -416 с.