Особенности расчета методических печей.

В отличие от ЭПС периодического действия, в методических печах температура каждой точки остаётся неизменной во времени, но зато меняется температура изделий по длине печи. Теоретически нагрев изделий в этих печах можно проводить как при постоянной температуре печи (рис 3.8), так и при неизменном тепловом потоке (рис. 3.9).

 

Рис.3-8.График нагрева изделий в методической однозонной печи с t _печи = const

Рис.3-9.График нагрева изделий в методической однозонной печи с постоянной мощностью по длине

Однако практически выполнить методическую печь, работающую по принципу в чистом виде, обычно не удаётся.

В однозонной печи, работающей с по её длине (постоянная погонная мощность нагревателей), можно производить нагрев лишь тонких изделий, так как либо их скорость нагрева будет мала(при малых значениях ), либо при выдачи их из печи будет велик внутренний температурный перепад . Поэтому при нагреве массивных изделий необходима установка второй зоны – зоны выдержки, в которых осуществляется выравнивание температур в изделиях.

Рис.3-10.График нагрева изделий в методических многозонных печах:

I, II,III – тепловые зоны печи

Многозонная печь обладает преимуществами обоих рассмотренных вариантов. Рассмотрим график (рис. 3.10) нагрева изделий в многозонной методической печи. В каждой зоне имеется свой , своя скорость нагрева изделия , свой температурный перепад после установления регулярного режима. Таким образом, мощность нагревателей на единицу длины печи будет постоянной в пределах каждой зоны, но будет меняться при переходе от зоны к зоне. В свою очередь будет переменной в пределах каждой зоны, увеличиваясь по мере нагрева изделий, и будет уменьшаться скачком при переходе от одной зоны к другой. Наибольшая погонная мощность нагревателей даётся в первой зоне: здесь устанавливается максимальный удельный тепловой поток, максимальная скорость нагрева и максимальный внутренний перепад изделий. Во второй зоне даются меньшая погонная мощность, меньшая скорость нагрева, меньший внутренний температурный перепад. Аналогичное происходит и в других последующих зонах.

Следовательно, при наличии нескольких зон в методической ЭПС можно, применяя в пределах каждой зоны:

1) выдержать желательную скорость нагрева;

2) установить в первых зонах максимальную погонную мощность нагревателей;

3) обеспечить небольшие колебания температуры нагревателей по длине печи.

Длины отдельных зон могут быть и одинаковыми и различными по конструктивным соображениям (не превышали 1.25 – 2.5 м – для горизонтальной печи и 1 – 1.5 м – для вертикальной) и и не слишком различались.

А. Кривая нагрева изделий во времени задана.

Следовательно, суммарное время пребывания изделий в печи, определение длины печи 𝐿 не составляет затруднений:

, (3-29)

Здесь 𝘌 – заданная производительность печи; - погонная загрузка, где Н – ширина ленты, - высота слоя загрузки, - насыпная плотность изделия.

Если длина печи определена, то её можно разбить на зоны, желательно одинаковой длины, исходя из рекомендованных выше длин. Далее по кривой нагрева определяют температуры изделий для начала и конца каждой зоны, а по ним удельные тепловые потоки зон , по уравнению:

, (3-30)

Где - принимаемый КТО конвекции.

Для загрузки в форме плиты

, (3.32) здесь - время нагрева изделия в зоне; и - температуры изделий в конце и начале зоны; - постоянный тепловой поток рассматриваемой зоны.

Выражения (3-31) и (3-32) справедливы для всех зон печи, кроме первой, для которой должно быть учтено время начального периода нагрева.

- для пластины, (3-33)

, (3-34)

Полученные по (3-33) и (3-34) значения должны быть проверены по формуле:

, (3-35) здесь - температура нагрева поверхности изделий в конце данной зоны.

Б. Кривая нагрева не задана.

Строим её, исходя из возможного приближения к оптимальной кривой, соответствующей нагреву при . Для этой цели:

1) задаёмся длиной зоны;

2) определяя по (3-29) время пребывания изделий в каждой зоне, находим по (3-35) удельный тепловой поток последней зоны, для которой известна конечная температура изделий;

3) из выражений (3-31) и (3-32) определяем температуру поверхности изделий в начале последней зоны, т.е. и температуру поверхности изделий в конце предыдущей зоны, что позволит найти предыдущей зоны.

4) действуя таким образом, получаем температуры изделий в каждой зоне и, дойдя до начальной температуры их нагрева, а также определяем длину печи и строим кривую нагрева изделий.

5) при получении дробного числа зон, то необходимо скорректировать их длину в ту или иную сторону, а затем повторить расчёт.

В. Задана максимально допустимая скорость нагрева изделий ,

Значение максимального удельного теплового потока не должно превосходить значений

Для пластины - (3-36)

Для цилиндра - (3-37)

Обычно задаётся для -й зоны, в ней она имеет наибольшее значение.

Г. Задан максимальный допустимый период температур в изделии

Максимальный удельный тепловой поток не должен быть выше чем

Для пластины - , (3-38)

Для цилиндра - , (3-39)

Обычно задаётся для последней зоны

Выравнивание температур может может происходить двояким способом:

1. С выделением в изделие дополнительного тепла;

2. За счёт накопленного тепла в нём самом.

В первом случае доводится к началу зоны выдержки до заданного значения , а температура его центра оказывается ниже заданной ; в зоне выдержки к нему подводится некоторое количество тепла, необходимое для доведения до в то время остаётся неизменной (это обеспечивается заданием терморегулятора).

Во втором случае поверхность изделия к началу зоны выдержки перегревается на (для пластины) или 0.5 (для цилиндра), подвод тепла в зоне выдержки к изделию прекращается (соответствующим подбором мощности зоны, выбираемой равной тепловым потерям зоны) и выравнивание температур осуществляется путём снижения температуры поверхности изделия при одновременном повышении температуры его центра.

В обоих случаях протекание процесса практически обуславливается критерием Фурье, благодаря чему расчёт времени выравнивания упрощается (рис. 3.11 и 3.12). Расчёт показывает, что при использовании второго способа выравнивания температур () время выравнивания и длина зоны выдержки оказываются в 4 раза меньше.

 

Рис.3-11.График выравнивания температур при t_пов=const:

а– в средней плоскости пластины толщиной 2S; б – на оси цилиндра радиуса R

 

 

Рис.3-12.График выравнивания температур при нулевом тепловом потоке через поверхность:

а – в пластине: 1 – температура наружной поверхности; 2 – температура средней плоскости; б – в цилиндре: 1 – температура поверхности (r=R); 2 – температура цилиндра при r=0,5R;

3 – температура оси (r=0)

 

В методических печах температуры нагревателей в разных зонах неодинаковы, тогда и тепловые потери печи следует рассчитывать по средним температурам зон. Определяют их так же, как и для садочных ЭПС.

Энергетический баланс методической печи следует составлять для периода времени, равного 1ч. Так как температуры отдельных точек печи во времени не меняются, то никакого накопления или потерь тепла в самой печи не может быть.

Полный расход тепла за 1ч работы печи

, (3-40) где с′ - удельная теплоёмкость тары; В – масса тары; и – температуры тары в конце и начале нагрева.

Удельный расход энергии

, (3-41)

Тепловой КПД печи

, (3-42)

Мощность печи, определяемая по зонам

, (3-43) где 𝘬=1.1-1.2 – коэффициент запаса.