Тепловой расчет печи сопротивления периодического действия

 

Количество энергии, потребляемой из сети, и установленная мощность печи зависят прежде всего от температурного режима обработки, заданного технологическим процессом, т. е. цикла работы печи.

 Наиболее широко применяемые в практике циклы термической обработки металлов и неметаллических материалов показаны на рис.2.24.

Простейший цикл, предусматривающий только достижение нагреваемым телом заданной конечной температуры при стационарном режиме кладки печи (Р_пот=const), показан на рис. 2.24, а. Такой режим характерен для нагрева без выдержки времени для выравнивания температуры тонкостенных изделий из черных металлов или материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (алюминия и его сплавов, меди и сплавов на медной основе).

Наиболее часто этот цикл встречается в печах для нагрева заготовок под горячую деформацию цветных металлов или для закалки тонкостенных изделий.

Наиболее распространенный цикл работы печи, с выдержкой изделий при определенной температуре, представлен на рис. 2.34, б. Назначение этой выдержки – выравнивание температуры по сечению изделия и обеспечение необходимых превращений в его материале. Этот цикл характерен для процессов закалки, отпуска, нормализации и термохимической обработки металлов. Третий вид цикла работы печи (рис. 2.24, в) имеет место в печах для отжига металлов, керамики, спекания металлокерамических изделий, получения монокристаллов и в других случаях, когда по технологическому процессу требуется медленное охлаждение и выдача изделий из печи после охлаждения при определенной температуре. Печи периодического действия при таком цикле работы имеют очень низкие экономические показатели.

 

Рис. 2.24. Циклы работы печей: а – нагрев без выдержки; б – нагрев с выдержкой; в – нагрев с выдержкой и последующим охлаждением

 

Такой цикл может быть оправдан только для термообработки дорогих материалов, для которых стоимость расходуемой электроэнергии несущественна (монокристаллов, металлокерамики, тугоплавких металлов и т. п.). В общем случае для цикла работы садочной печи с охлаждением (рис. 2.24, в) расход теплоты за цикл составит:

 

Q_ц = Q_пол + Q_всп + ∑Q_пот,                                                       (2.14)

 

где Q_пол – количество теплоты, потребное для нагрева загрузки до заданной конечной температуры, Дж; Q_всп – количество теплоты, потребное для нагрева вспомогательных жароупорных устройств, входящих вместе с загрузкой в печь (корзин, поддонов, муфелей, подвесок), и газа, Дж; ∑Q_пот – суммарные тепловые потери печи за цикл, Дж.

Полезная теплота Q_пол, Дж, на нагрев изделий определяется по

формуле

Q_пол=с_издG_изд(t²_изд−t¢_изд),                                                        (2.15)

 

где с_изд – средняя удельная теплоемкость материала загрузки, Дж/(кг ⋅°С);

G_изд – масса загрузки, кг; t²_изд и t¢_изд – конечная и начальная температуры изделий, °С.

Аналогично определяется количество теплоты Q_всп, потребное для нагрева вспомогательных загрузочных приспособлений и газа (защитного или специального), подаваемого в печь от газогенераторных установок или от газовой сети:

Q_всп = Q_ж + Q_г = с_жG_ж (t²_ж − t¢_ж ) + с_гG_г (t²_г − t¢_г),           (2.16)

 

где с_ж, с_г – удельные теплоемкости жароупорного материала и газа, Дж/(кг ⋅°С); G_ж, G_г – массы вспомогательных жароупорных устройств и газа, расходуемого за цикл работы печи, кг; t²_ж, t¢_ж, t²_г, t¢_г – конечная и начальная температуры жароупорных изделий и газа, °С.

Суммарные тепловые потери печи ∑Q_пот, Дж, применительно к циклу на рис. 2.24, в (с охлаждением загрузил в печи) равны:

 

 ∑Q_пот = k_п(q_пот.нτ_н + q_{пот.выд}τ_выд + q_{пот.охл}τ_охл + q_пот.з.вτ_з.в),       (2.17)  

 

где k_п =1,15−1,3 – коэффициент неучтенных тепловых потерь, который вводится для учета трудноопределяемых тепловых потерь (через неплотности и щели конвекций, через выводы нагревателей, термопары и другие элементы конструкции печи, представляющие собой тепловые короткие замыкания); q_пот.н – мощность тепловых потерь через стенки печи в период нагрева, Вт; q_{пот.выд} – мощность тепловых потерь через стенки печи в период выдержки, Вт; q_{пот.охл} – мощность тепловых потерь через стенки печи в период охлаждения, Вт; q_пот.з.в – мощность тепловых потерь через загрузочные проемы и щели при загрузке и выгрузке, Вт.

Потребная мощность печи периодического действия Р_потр, Вт, определяется по расходу теплоты в период нагрева, так как именно в этот период требуется максимальное количество энергии:

 ,                                                                            (2.18)

 

Полученное значение потребной мощности следует увеличить на 10–50%; установленная мощность печи Р, Вт, равна

 

 Р=k_мР_потр=(1,1−1,5)Р_потр.                                                        (2.19)          

 

Коэффициент запаса мощности k_м учитывает:

1) возможность понижения напряжения сети против номинального значения;

2) увеличение сопротивления нагревательных элементов с течением времени («старение» материала нагревателей);

3) форсирование режима разогрева печи с холодного состояния.

Тепловой КПД печи периодического действия равен отношению полезной теплоты, расходуемой на нагрев садки, ко всей теплоте, затрачиваемой за время цикла:

 

 η_т=(Q_пол/Q_ц)100%.                                                                 (2.20)

 

Удельный расход электроэнергии w, кВт⋅ч/кг, т. е. расход ее на единицу массы материала, обрабатываемого в печи, равен  

                                                                               (2.21)

 

где G_изд – масса загрузки, обрабатываемой в печи, кг.