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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1.Техническое задание

2. Тепловой расчет печи

2.1 Тепло идущее на нагрев металла

2.2 Тепло, теряемое в окружающее пространство через кладку печи

2.3 Потери тепла на нагрев транспортирующих устройств

2.4 Потери тепла на нагрев контролируемой атмосферы

2.5 Различные неучтенные потери, коэффициент запаса

3. Расчет электрических элементов

4. Расчет нагревательных элементов

5. Расчет конструкции металлических элементов сопротивления

6. Определение коэффициента полезного действия печи

7. Вывод

8. Литература

1.Техническое задание

1.1 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

2.1 Тепло идущее на нагрев металла

= G (),Вт (.ф.15.8), где

G - 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

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

= 120 (950 - 20) 0,544 = 60710 Вт.

2.2 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.

Находим средние арифметические температуры слоев и рассчитываем по ним средние коэффициенты теплопроводности:

;

;

,

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.

2.3 Потери тепла на нагрев транспортирующих устройств

= G (), Вт (.с.159), где

G - 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:

G = ( + ), 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.

2.4 Потери тепла на нагрев контролируемой атмосферы

= V (), Вт (.с.161), где

V - 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

Для достижения в сети напряжения 220В, соединяем нагревательные элементы в звезду. Тогда фазовое напряжение будет равно:

= / = 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:

h = 2D, мм

h = 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:

S = 1,94а (1 + m) 10, (.стр.174), где

а - толщина ленты, мм;

в - ширина ленты, мм;

m = в / а;

0,97 - 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.

0,7 < 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.

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

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

4. 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.

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

7.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.

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

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

Размещено на Allbest.ru