Цель занятия: освоить методику расчета тепловых режимов ЭНУ

Изучаемые вопросы:

- общие положения теплового расчета;

- определение полезной мощности;

- подготовка эскиза и определение площадей поверхности ЭНУ;

- определение количества теплоты и времени нагрева.

 

Рекомендуемая литература:

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992.

- Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. М.: Агропромиздат, 1989.

- Изаков Ф.Я. и др. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 1972.

- Бабко А.Н. Электромеханика и электротехническое оборудование: Уч. пособие. – Астана: Каз АТУ, 2009.

 

Краткое содержание

Выбор электронагревательных установок основывается на тепловом расчете, поэтому рассмотрим его основные положения.

Тепловой поток, который проходит через участок тепловой цепи в единицу времени, можно определить согласно закону Ома:

Р_т = , [Вт],

где - температурный перепад, °С;

R_T термическое сопротивление участка, °С/Вт

Термическое сопротивление изоляции, в зависимости от формы стенки и количества слоев определяется по разным формулам, например:

- для плоской стенки, R_T = , [°С/Вт],

где - толщина изоляции, м;

коэффициент теплопроводности, Вт/м∙°С;

S – площадь поверхности стенки, м²

Для многослойной стенки, термическое сопротивление складывается из суммы тепловых сопротивлений:

 

R_T = R₁ +R₂ + …+ R_n

 

Для цилиндрической стенки:

R_T = [°С/Вт],

где L – длина цилиндра, м;

d_н и d_вн – наружный и внутренний диаметр изоляции, м

Для определения потока излучения реальных тел используется мощность потока излучения абсолютно черного тела (закон Стефана-Больцмана), с учетом коэффициента излучения реальных тел:

Р_р = С_Р∙ ()⁴ ∙S, [Вт]

где С_р – коэффициент лучеиспускания реального тела.

Продолжительность нагрева для изделий различной толщины и формы можно найти по выражениям приведенным ниже:

- для тонких изделий с хорошей теплопроводностью

, [С]

- для массивных деталей с низкой теплопроводностью,

, [С];

- для деталей цилиндрической формы,

 

,

где с – удельная теплоемкость материала детали, кДж/(кг∙°С);

– масса детали, кг;

t_H и t_K – начальная и конечная температура детали, °С;

t – температура установки или печи, °С;

S – площадь поверхности деталей, м²

r – радиус цилиндра, м;

- толщина стенки, м

Мощность нагревателей установки:

 

Р_уст.= ,

- КПД нагревателей установки

Количество теплоты, требуемое для прогрева изоляции установки:

Q_из = [кДж].

Мощность нагревательной установки по энергоемкости:

 

Р_уст. = W_o∙ g [ кВт],

W_o – удельная энергоемкость процесса, ;

g – производительность нагревательной установки, кг/ч

Пример расчета мощности печи для закалки деталей.

Требуется производительность закалку стальных стержней длиной l и диаметром d (мм).

В печь закладывается 8 ¸ 10 деталей. Между деталями и тепловой изоляцией необходим зазор 120-130 мм. Время нагрева не более 2 часов, температура закалки t_з. Тепловая изоляция двухслойная (1 слой из шамотового кирпича толщиной 70 мм, 2 слой из вермикулитовой засыпки толщиной 300 мм). Остальные исходные данные принять согласно приложения, по своему варианту.

Решение задачи

1. Определяем массу стержней:

= n ∙ ,

где n - количество стержней, шт;

- плотность стали (можно принять – 7,8 гк/дм³);

d – диаметр стрежня, дм;

l - длина стержня, дм.

2. Найдем количество теплоты, требуемой для нагрева деталей:

 

Q = c [кДж],

где с – теплоемкость стали (с = 0,482 )

3. Определим полезную мощность:

 

Р_пол. = [кВт]

4. Подготовить эскиз согласно рисунка 4.1 (согласно своего варианта)

 

 

Рисунок 4.1 – Эскиз закалочной печи

 

1 – слой теплоизоляции; 2- огнеупорный слой теплоизоляции; 3- контейнер; 4 -детали.

После определения габаритов нагревательной установки (исходя из размеров и количества деталей). Необходимо найти площади: внутренней поверхности печи S₁; наружной поверхности шамотовой кладки S₂; наружной поверхности печи S₃.

Затем, определяется средняя поверхность шамотовой кладки и теплоизоляционной засыпки:

S_ш = [м²];

S_в = [м²]

 

Далее, находится масса шамотовой кладки:

m_ш = [кг],

 

где Y_ш – плотность шамотовой кладки (Y = 2,58 кг/дм³)

Масса теплоизоляционной засыпки:

 

m_e = Y_e [кг], Y_e = 0,25 кг/дм³

 

Массу жаропрочных изделий можно принять:

 

m_ж» 0,25∙ [кг].

 

Тогда, тепловые потери печи через стенки:

Р_пот. = [Вт],

где - теплопроводность вермикулита ();

- теплопроводность шамота ();

- для кирпичных и металлических окрашенных стен, при t = 40¸60 °С ( = 12 ).

Теплопередачей внутренней стенки можно пренебречь [ 1 /()= 0].

5. Определим требуемую мощность для нагрева деталей в стационарном режиме:

 

Р = Р_пол + Р_пот [кВт]

 

6. При необходимости можно определить температуру между слоями:

 

t_сл = t_вн - Р_{пот ,} (t_{вн =} t_з); (необходимо проверить по допустимой, для данного типа изоляции);

- температуру наружной стенки t_ст = t_нар+

- среднюю температуру теплоизоляционной кладки t_ш = ;

- среднюю температуру теплоизоляционной засыпки t_в=

7. Находится количество тепла необходимое для нагрева шамотовой кладки:

Q_ш = С_ш [кДж];

С_ш = 0,88 +0,23 (t_ш / 2) [кДж/кг∙°С].

 

8. Количество теплоты необходимое для нагрева вермикулитовой засыпки:

 

Q_в = С_в [кДж],

теплоемкость вермикулита С_в = 0,63 .

9. Количество теплоты необходимое для нагрева жаропрочных конструкций печи:

 

Q_ж.к. = С_ж.к. [кДж]

 

10. Общее количество теплоты необходимое для нагрева всей печи:

 

Q_к.п. – Q_ш +Q_в+Q_{ж.к .} [кДж]

 

11. Продолжительность нагрева печи, при рассчитанной мощности, в стационарном режиме:

 

[час]

12. Коэффициент полезного действия нагретой печи:

 

;

 

После проведенных расчетов необходимо провести анализ и произвести корректировку.