Определение термического кпд электрической

ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

 

Цель работы

Экспериментально определить теплосодержание металла после его нагрева, изменение температуры и плотности теплового потока и рассчитать КПД печи.

Общие сведения

 

Электронагрев достаточно широко используется в промышленности, сельском хозяйстве и быту, что обусловлено энергетическими, технологическими, социальными и экологическими преимуществами, присущими этому виду теплогенерации. Электрические печи, установки и агрегаты разнообразны по назначению, конструктивному исполнению, размерам и характерным признакам. Электрические печи классифицируются по способу преобразования электрической энергии в тепловую, по схеме подвода тепла и режиму тепловой обработки, следующим образом:

4. печи сопротивления;

5. индукционные печи;

6. установки диэлектрического нагрева;

7. дуговые печи;

8. электронно-лучевые установки;

9. лазерные установки.

Нормальная работа электрической печи возможна только в комплексе с силовым и вспомогательным электрооборудованием и соответствующей аппаратурой. Все это входит в понятие "электропечная установка" как комплекса теплотехнического оборудования, состоящего из трех частей:

собственно печи, в которой происходит преобразование электрической энергии в тепловую и нагрев металла;

печной электрической подстанции, где размещают необходимое электрооборудование и аппаратуру;

пульта управления, на который выводят кнопки и ручки управления электропечной установкой и вспомогательными механизмами печи, а также приборы контрольно-измерительной аппаратуры.

Основными параметрами электропечной установки являются:

мощность преобразователя электрической энергии или пропорциональная ей тепловая мощность, вводимая в печь;

размеры печи (например, объем или определяющий линейный размер);

вместимость (садка) печи, т.е. количество металла, выдаваемого печью периодического действия за один цикл или за одну плавку. Для печей непрерывного действия в качестве параметра принимают часовую производительность, характеризующую массовую скорость нагрева.

На машиностроительных заводах электрические печи используют для плавления, выдержки и дозированной разливки чугуна, стали, вторичных цветных металлов и сплавов при получении из них фасонного литья (в литейных цехах), для нагрева заготовок перед пластической деформацией (в кузнечных цехах), для термохимической обработки деталей и изделий (в термических цехах) и др. Наиболее широкое применение нашли печи сопротивления, например для сушки стержней и форм в литейных цехах.

Печи сопротивления делятся на несколько групп:

10. печи прямого действия (подвод энергии осуществляется прямо в зону технологического процесса);

11. печи косвенного действия (теплогенерация происходит в нагревательных элементах, обладающих необходимыми электрофизическими свойствами);

12. вакуумные печи сопротивления (нагрев в вакууме или атмосфере инертных газов);

13. плавильные печи сопротивления (печи для плавки – тигельные, камерные, барабанные).

При работе электропечной установки имеют место два вида потерь энергии – тепловые потери (в рабочем пространстве печи) и электрические потери (в составных частях электропечной установки). Это приводит к необходимости составлять дополнительно к тепловому балансу энергетические балансы. То есть энергия расходуется:

14. на проведение технологического процесса;

15. нагрев футеровки и конструкции в рабочем пространстве печи;

16. компенсацию тепловых потерь из рабочего пространства печи;

17. компенсацию электрических потерь в составных частях электропечной установки и токовода.

Важным критерием оценки эффективности работы печи является коэффициент полезного действия печи (КПД). Различают электрический, термический и общий КПД.

Термический КПД представляет собой отношение теплоты, затраченнойна полезную работу, ко всей теплоте, полученной печью:

 

,

 

где Q _пол - полезное тепло, Дж. Это тепло, которое расходовалось на нагрев металла (образца):

 

где m - масса металла (образца), кг;

            t _к, t _н - соответственно,конечная и начальная температура металла, ⁰С;

            C _{t к}, С _{t н} - массовая теплоемкость металла, соответственно, при конечной и начальной температурах, Дж/(кг·°С);

            h _к, h _н - соответственно, конечное и начальное теплосодержание (энтальпия) металла, Дж/кг;

            Q _прих - теплота, полученная печью за время ее работы, Дж.

Для электрических печей, в которых электрическая энергия превращается в тепловую, приход тепла определяется по формуле

 

Q _прих = IU τ,

где I - сила тока, А;

            U - напряжение, В;

            τ - время прохождения тока, с.

Для топливных печей, в которых сжигается топливо,   Q _прих определяют по формуле

Q _прих = В Q _н ^р τ,

 

где В - расход топлива, м³ / с;

            Q _н ^р - низшая рабочая теплота сгорания топлива, Дж /м³;

            τ - время работы устройства для сжигания топлива, с.

Тепло, затраченное на нагрев металла, можно не только рассчитывать по формулам, но и определить опытным путем. Для этого используют специальные устройства – калориметры. Они представляют собой сосуды с водой, имеющие хорошую теплоизоляцию, устройство для перемешивания воды и термометр для измерения температуры воды. Тепло, полученное металлом в печи, передается им в калориметре воде, температура которой повышается. Это количество теплоты можно определить по формуле с учетом теплоты, затраченной на нагрев сосуда калориметра:

 

,

 

где m _в - масса воды в калориметре, кг;

            С_в -теплоемкость воды, Дж/(кг·⁰С);

            t _к, t _н – соответственно, конечная и начальная температура воды и сосуда калориметра, °С;

            m_c - масса сосуда калориметра, кг;

            С_с - теплоемкость материала сосуда, Дж/(кг·⁰С).

Согласно закону сохранения энергии Q _пол должно быть равным Q _к. Однако на практике из-за погрешностей при измерениях и использования средних величин Q _пол может быть отличным от Q _к.

При нагреве металла отмечается неравномерность нагрева его как по сечению, так и с течением времени. Это объясняется изменением теплофизических свойств металла с ростом температуры. Поэтому представляет практический интерес определение зависимости скорости повышения температуры металла и плотности теплового потока от времени. Важно также определить, как меняется КПД печи в процессе нагрева.

Как уже отмечалось выше, большую часть потерь тепла в электрических печах сопротивления составляют потери тепла теплопроводностью через кладку печи, потери тепла на нагрев кладки печи, потери тепла излучением через открытые окна и щели в кладке печи, потери с горячим воздухом или защитным газом, выходящим через неплотности впечи. В связи с этим термический КПД электрических печей сопротивления в зависимости от вида печи колеблется в широких пределах:

18. печи прямого действия - h _т » 0,85…0,95;

19. печи косвенного действия - h _т » 0,15…0,7;

20. вакуумные печи - h _т » 0,25…0,4;

21. плавильные печи - h _т » 0,15…0,4