Тепловой расчет печи для обработки методом газовой цементации шестерни. Выбор и расчет нагревательных элементов

Тепловой расчет печи для обработки методом газовой цементации шестерни. Выбор и расчет нагревательных элементов

Содержание

1.Техническое задание

. Тепловой расчет печи

.1 Тепло идущее на нагрев металла

.2 Тепло, теряемое в окружающее пространство через кладку печи

.3 Потери тепла на нагрев транспортирующих устройств

.4 Потери тепла на нагрев контролируемой атмосферы

.5 Различные неучтенные потери, коэффициент запаса

. Расчет электрических элементов

. Расчет нагревательных элементов

. Расчет конструкции металлических элементов сопротивления

. Определение коэффициента полезного действия печи

. Вывод

. Литература

1.Техническое задание

.1 Деталь

 = 36 мм, наружный диаметр детали;

 = 12 мм, внутренний диаметр детали;

 = 69 мм, длина детали;

 = 212 тыс. тонн в год, программа выпуска деталей;

 = 7000 час, действительный годовой фонд времени;

 = 7850 кг/, плотность материала детали;

Материал: сталь 12Х2НВФА - высококачественная легированная конструкционная цементуемая сталь. Применяется для деталей, работающих при повышенных температурах до 500 °С, эта сталь имеет высокие прочностные характеристики, невысокую стоимость.

Обрабатываемая деталь представлена на рисунке 1.

1.2 Печь

Шахтная печь сопротивления для газовой цементащии: СШЦМ 6.12 / 9,5;

Размеры рабочего пространства: 600 х 1200 мм;

Рабочая среда: метан (расход: 20 л/час)

2. Тепловой расчет печи

Тепловой расчет печи сводиться к определению расхода тепла, мощности печи и определению коэффициента полезного действия.

Расход тепла определяется по формуле:

, Вт (.ф.15.1)

- тепло идущее на нагрев металла, Вт;

 - тепло, теряемое в окружающее пространство через кладку печи, Вт;

 - потери на нагрев транспортирующих устройств (этажерка), Вт;

 - потери на нагрев контролируемой атмосферы, Вт;

 - различные неучтенные потери, коэффициент запаса, составляющий 10%(), Вт

.1 Тепло идущее на нагрев металла

= G (),Вт (.ф.15.8), где

 - масса садки печи, кг;

 - конечная и начальная среднемассовая температура металла, составляет 950 и 20 ;

 = 0,544 кДж/кг К, средняя теплоемкость металла в интервале температур от  (.с.463);.

G = 240 0,8 = 120 кг, где

- количество деталей в садке, g = 0,5 кг - вес одной детали;

= 120 (950 - 20) 0,544 = 60710 Вт.

.2 Тепло, теряемое в окружающее пространство через кладку печи

 =  , Вт (.ф.15.14), где

 - удельный тепловой поток через кладку, кВт/;

 - площадь теплоотдающей поверхности кладки, ;

 = , Вт/ (.ф.11.51)

Из справочника  выбираем материал для футеровки, основным критерием для выбора материалов является максимальная температура использования и используемая среда, предусмотренная технологическим процессом в данном случае среда углеродосодержащая, для проведения газовой цементации.

Для данного процесса футеровка состоит из трех слоев, каждый слой выбирается по ГОСТ 21736 - 76. (.табл.3 - 36,3 - 37).

Первый слой: керамо - перлитовое изделие КП - 350, второй слой: шамотный легковес ШЛ - 0,4, третий слой: корундовый легковес КЛ - 1,3. Кожух - углеродистая сталь. Размер и форма каждого слоя выбирается по ГОСТ 8691 - 58. (.с.51, рис.9). Эскиз футеровки можно увидеть на рисунке 2.

Рисунок 2. (.с.62)

= 1300;  = 0,087 + 0,186 Вт/м

= 1150;  = 0,100 + 0,296 Вт/м

= 800;  = 0,710 - 0,118 Вт/м

Назначаем температуру на внутренней и наружной поверхности стенки

 = 1000 и  = 100.

Определяем коэффициент теплопроводности  при температуре  = 100 по рисунку (.11.19).

 = 14,8 кВт/;

Рассчитываем тепловой поток через 1 стенки:

 = 14,8 (100 - 20) = 1184 Вт/.

В соответствии с максимальной температурой эксплуатации материалов футерованной стенки назначаем температуру границы между первым и вторым слоем  = 800, а между вторым и третьим  = 650.

Определяем термические сопротивления слоев по (.11.52):

  /Вт;

 /Вт;

 /Вт.

 ;

 ;

 ,

 Вт/м;

 Вт/м;

 Вт/м.

Определяем расчетные величины толщины слоев по формуле:

, (.11.53)

м;  м;

 м.

В соответствии с ГОТС назначаем толщины слоев:

 м,  м, м.

Рассчитываем площадь теплоотдающей поверхности кладки:

Площадь поверхности можно увидеть на рисунке 3.

Рисунок 3

 =

 = 2,2608 + 1,1304 = 3,3912 .

 = 11843,3912 = 4015,3 Вт.

.3 Потери тепла на нагрев транспортирующих устройств

 = G (), Вт (.с.159), где

 - масса транспортирующего устройства, кг;

 - конечная и начальная среднемассовая температура металла транспортирующего устройства, составляет 950 и 20 ;

 = 0,544 кДж/кгК, средняя теплоемкость металла транспортирующего устройства в интервале температур от . (.с.463)

В данном случае транспортирующим устройством является приспособление, типа этажерка из стали 36Х18Н25С2, на которое выкладываются детали и загружаются в печь. Диаметр этажерки D1 = 600 мм, высота диска h = 10 мм, количество этажерок одновременно загружаемых в печь р = 10 шт. На этажерке имеются отверстия для циркуляции науглероживающей атмосферы, количество отверстий составляет n = 44 шт, диаметр отверстия d1 = 20 мм. Этажерки крепятся на штырь из стали 36Х18Н25С2, диаметр которого d2 = 40 мм и длинной l = 1200 мм.

Определим массу транспортирующего устройства:

 = ( + ), кг

 = 7850 кг/ - плотность металла;

- объем этажерки, ;

 - объем штыря, .

Определим объем этажерки:

 = 10,

 =  - ,

= ,  =  = 0,00028 ,

 = ,  =  = 0,00000031 .

Определим объем 44 отверстий в этажерке:

 = 440,00000031 = 0,000014 ,

Теперь находим полный объем этажерки:

 = 0,00028 - 0,000014 = 0,000266 ,

 = 100,000266 = 0,0027 .

Определим объем штыря:

 = ,  =  = 0,0015 .

G = 7850 (0,0027 + 0,0015) = 33 кг.

 = 33 (950 - 20) 0,544 = 16971,5 Вт.

.4 Потери тепла на нагрев контролируемой атмосферы

 = V (), Вт (.с.161), где

 - объем газа в котором обрабатываются детали, /час;

 - конечная и начальная температура газа, составляет 950 и 20 ;

= 3 кДж/К, теплоемкость газа в печи. (.с.563)

Объем газа определяется из справочных данных ( . разд.5) в зависимости от типа печи и того какой размер слоя предусмотрен технологическим процессом для данного типа детали. Для осуществления процесса потребуется 20 литров в час газа (0,02 /час ). Науглероживающей средой в данном случае является природный газ на 97% состоящий из метана, теплоемкость, которого составляет 3 кДж/К.

 = 0,02 (950 - 20) 3 = 56 Вт.

2.5 Различные неучтенные потери, коэффициент запаса

 = 10% (),кВт (.с.161

 = 0,01 (60710,4 + 4015,2 + 16594,176 + 56) = 8137,6 Вт.

 = 60710,4 + 4015,2 + 16594,176 + 56 + 8137,6 =89513,3 Вт.

Рассчитываем количество приходящего тепла:

1,2 , кВт (.с.170.п.2)

1,2 89513,3 = 107416 = 107,4 кВт

3. Расчет электрических элементов

Определим номинальную (установленную) мощность печи:

 , кВт (.с.170)

 = 1,2 - 1,3 - коэффициент запаса для непрерывно действующих печей;

 = 1,2107,4 = 128,9 кВт

Так как мощность печи выше 15 кВт, то печь конструируется - трехфазной.

Определяем мощность фазы:

 = /3, кВт (.с.171)

= 128,9/3 = 42,9 кВт

Так как для печи мощность фазы получилась большой, тогда в каждой фазе берем по две параллельные ветви.

Определяем мощность одной параллельной ветви:

, кВт (.с.171)

 = 42,9 / 2 = 21,45 кВт

 =  /  = 220В (.с.171), где

 - линейное напряжение сети, 380В

Определим сопротивление фазы:

, Ом (.с.171)

 = 1,1 Ом

 - фазовое напряжение, В;

 - мощность фазы, кВт;

 - множитель для перевода киловатт в ватты.

Соответственно сопротивление параллельной ветви будет:

, Ом (.с.171)

 = 2,26 Ом.

4. Расчет нагревательных элементов

Для шахтной печи в качестве нагревательного элемента в соответствие с ГОСТ 2615 - 54, выбираем ленту из стали Х15Н60, ширина (в) х толщина (а): 20 х 2 мм (ориентировочные показатели), температура применения 800 - 1000. (.таб.55)

Рассчитаем толщину ленты:

При использовании ленты толщиной а мм и шириной в мм обычно принимается следующее отношение ширины к толщине m = в / а = 8…12, принимаем значение m = 10, тогда в = mа.

,мм (.стр.172), где

 = 1,1 Ом /м - удельное сопротивление материала нагревателя, (.табл.56);

 - мощность печи, кВт;

 - напряжение питающей сети, В;

 - удельная поверхностная мощность нагревателя В/.

 = 2 мм,

ширина ленты будет равна: в = 102 = 20 мм.

Для нагревателей используется лента с закругленными краями, поэтому в формулу сечения вводится коэффициент 0,97, учитывающий уменьшение площади.

Определяем сечение ленты:

, (.стр.172)

 = 0,97104 = 38,8

Определим длину элемента сопротивления в одной параллельной ветви:

, м (.стр.172), где

 - сопротивление параллельной ветви, Ом;

 - площадь сечения в, ;

 - 1,1 Ом /м - удельное сопротивление материала нагревателя, (.табл.56).

 = 2,26  38,8 / 1,1 = 79,7 м

Определим длину сопротивления в фазе:

, м (.стр.172), где

 - число параллельных ветвей.

 = 2 79,7 = 159,4 м

Общая длина элементов сопротивления в печи будет:

  3, м (.стр.173)

 = 3  159,4 = 478,2 м

Рассчитаем вес ленточного нагревателя:

, кг (.стр.173), где

 - удельный вес, г /  (.табл.56);

 - сечение ленты, .

 =  = 155 кг.

5. Рассчитаем конструкции металлических элементов сопротивления

Ленточные элементы сопротивления располагают обычно зигзагом на стенках печи. В нашем случае нагревательные элемента будут располагаться в три ряда, так как вертикальная шахтная печь размерами рабочего пространства 600 х 1200 мм, что показано на рисунке (приложение).

Расстояние внутри зигзагов принимаем D = 17 мм, высоту зигзагов В = 200 мм. Из принятых характеристик нагревателя следует, что высота зигзага между центрами закрепления ленты будет равна А = 180 мм и радиус закругления ленты r = 10 мм. Основные характеристики нагревательного элемента можно увидеть на рисунке (*).

Рисунок 4

Определим длину одного зигзага:

, мм (.стр.174)

 = 2 (3,1410 + 180) = 392 мм.

Число зигзагов будет равно:

, (.стр.174)

 - длина выводов нагревателя, мм;

 = в + 100, мм (.стр.173), где

в = 340 мм, толщина стенки печи,

 = 340 + 100 = 440 мм,

 = 201.

Шаг зигзага будет равен:

 = 2D, мм

 = 217 = 34 мм.

Рассчитаем поверхность излучения нагревательных элементов:

Для ленточных нагревательных элементов расчет будет иметь вид

Определим периметр ленты:

, (.стр.174)

 = 4 (1 + 10) = 44 мм.

Поверхность излучения:

 = 1,94а (1 + m) 10, (.стр.174), где

а - толщина ленты, мм;

m = в / а;

,97 - коэффициент, учитывающий уменьшение величины периметра прокатанной ленты с закругленными краями.

S = 1,942 (1 + 10) 478,210 = 204095,76 .

Определим удельную поверхностную нагрузку на нагревательные элементы:

, (.стр.174)

 - номинальная мощность печи, кВт;

 - поверхность излучения нагревательных элементов, ;

 = 0,7

Удельная поверхностная нагрузка должна быть не более допустимой.

Допустимая удельная поверхностная нагрузка для металлических нагревательных элементов приведена в таблице 58 .

Сравниваем:

Так как температура в печи до 1000, то удельная поверхностная нагрузка не должна превышать 1 Вт/ .

Выбранный нагревательный элемент подходит для данного технологического процесса и диапазона температур применения, не превышая предельно допустимую нагрузку.

,7 < 1,0 Вт/ .

6. Определение коэффициента полезного действия печи

100%, (.стр.164), где

 - тепло идущее на нагрев металла, Вт;

 - общий расход тепла, Вт, определены ранее.

.

7. Вывод

тепло потеря нагрев печь

В процессе выполнения курсовой работы, я рассчитала тепло печи, затраченное на нагрев: садки, кладки, транспортирующего устройства, рабочей среды и прочие неучтенные потери. На основании этого была рассчитана мощность печи, подобраны нагревательные элементы, удовлетворяющие условиям работы. Так же рассчитала толщину стенки печи и подобрала размеры в соответствие с ГОСТ 8691 - 58. Определила характеристики нагревательных элементов сопротивления представленные на рисунке (*). На рисунке (*) представлена печь с располагающимися в ней нагревательными элементами.

8. Литература

1. Тымчак В.М., Гусовский В.Л. Расчет нагревательных и термических печей. М. Металлургия, 1983 - 480 с.

. Альтгаузена А.П. Электротермическое оборудование: Справочник под редакцией.

3. Погодин - Алексеев Г.И., Земсков Г.В. Газовая цементация стали. Киев. Машгиз, 1987. - 113 с.

. Лахтин Ю.М., Дубинина Г.Н. Химико-термическая обработка стали и сплавов. М. Машиностроение, 1969 - 151 с.

5. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки стали. М.: Металлургия, 1986. 424с.

. Гуляев А.П., Металловедение. М.: Машиностроение, 1988г.

.Парфеновская Н.Г., Самоходский А.И. «Технология термической обработки металлов».

8. Солнцев Ю.П., Веселов В.А. Металловедение и технология металлов. М. Металлургия, 1988 - 512 с.

. Рустем С. Л. Оборудование и проектирование термических цехов. М. Машгиз, 1962 - 580 с.

. Арендарчук А. В., Катель Н. М. Общепромышленные электропечи непрерывного действия. М. Энергия, 1977 - 248 с.