ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ТЕПЛОВОЙ МАССИВНОСТИ САДКИ.

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Московский орденов Ленина, Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени государственный технический университет имени Н.Э.Баумана Ксенофонтов А.Г., Гришин В.И. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПЕЧЕЙ. Учебное пособие для студентов 4 курса специальности «Материаловедение в машиностроении» (150501) Москва 2011 Данная методика к курсовому проекту по дисциплине «Расчет и конструирование нагревательных устройств» издается в соответствии с учебным планом специальности 150501 «Материаловедение в машиностроении». ВВЕДЕНИЕ Данное учебное пособие имеет целью бувениесобие имеет целью помочьобучение студентов основам теплотехнических расчетов и конструирования термического оборудования, а также закрепление знаний при выполнении курсового проекта по дисциплине «Расчет и конструирование нагревательных устройств», являющейся первой из специальных конструкторских дисциплин, изучаемых студентами специальности «Материаловедение в машиностроении», и обеспечивающей профессиональную подготовку специалиста в области проектирования и эксплуатации нагревательного оборудования термических цехов и подразделений машиностроительных предприятий. Целью курсового проектирования по данной дисциплине является привитие студентам практических навыков расчета и конструирования нагревательного оборудования для термической обработки на базе полученных на лекциях теоретических знаний с использованием всего цикла ранее изученных конструкторских дисциплин. В рамках настоящего курсового проекта задача проектирования заключается в создании нагревательного устройства, обеспечивающего осуществление конкретной технологической операции термической обработки заданных изделий. В пособии подробно рассмотрен порядок расчета и проектирования термических печей, приведен некоторый наиболее часто требуемый справочный материал. В настоящее время на машиностроительных заводах для термической обработки примененяют в основном электрические печи как наиболее удобные в зксплуатации и экологически безопасные. Поэтому содержание выдаваемого студенту технического задания на курсовой проект и вся информация, включенная в настоящее учебное пособие, направлены на решение задачи проектирования только этого вида нагревательного термического оборудования.

ЗАДАНИЕ И ОБЪЕМ КУРСОВОГО ПРОЕКТА.

Курсовой проект включает расчётную и графическую части. Расчетная часть оформляется в виде расчётно-пояснительной записки (РПЗ) с необходимыми пояснениями ( объем 25-40 листов формата А4), а графическая часть в виде чертежей (4-5 листов формата А1).

Основой для проектирования служит так называемое техническое задание (приложение 1), содержащее следующие исходные данные:

1. Модель печи (нагревательного устройства) с заданными размерами рабочего пространства, рабочей температурой и с указанием применяемой атмосферы.

2. Технологический процесс термической или химико-термической обработки, для которого предназначена печь.

3. Марка обрабатываемого материала заготовок или деталей.

4. Коэффициент заполнения садки печи без конкретизации размеров изделий.

В качестве дополнительной информации в техническом задании могут быть указаны и другие требования к проектируемому оборудованию:

- необходимая температура выдержки, режимы нагрева и охлаждения, состав технологической среды печи, точность регулирования температуры и т.д.;

- производительность печи в единицу времени или за операцию и режим её работы (1, 2 или 3 смены), годовая программа выпуска деталей;

- характеристики изделия, подвергающегося нагреву (марка стали или сплава, размеры заготовки или детали (садки) или чертеж детали;

- способ загрузки и выгрузки нагреваемых изделий, а также транспортировки их внутри печи;

- местные условия (площадь, отводимая под печь, высота подкрановых путей и т.д.).

В конкретном случае в техническом задании может отсутствовать какая-то информация, но без сведений, хотя бы самого общего плана, о процессе термической обработки, для которого предназначается печь, трудно создать качественный проект.

Многие процессы термической обработки можно осуществлять в различных типах печей: в небольшом количестве крупных или большом количестве мелких печей, в печах периодического или непрерывного действия. Поэтому оптимальное решение необходимо искать путем технического и экономического сравнения нескольких вариантов.

В общем случае при выполнении проекта печи рекомендуется следующая последовательность работы:

1. выбор типа печи с учётом требований, предъявляемых технологическим процессом и изделием;

2. определение теплотехнических характеристик садки;

3. расчёт времени нагрева cадки, времени цикла работы печи и ее производительности;

4. определение основных размеров печи с учётом требуемой производительности, времени нагрева и других исходных данных;

5. составление эскиза печи с размещением рабочих окон загрузки/выгрузки деталей; на эскизе указывается толщина кладки и выбранные огнеупорные и теплоизоляционные материалы, а также наносятся элементы конструкции каркаса печи;

6. расчёт теплового баланса, на основе которого определяются расход электроэнергии, КПД печи, время ее разогрева.

7. подбор по справочникам и расчёт нагревателей для электрических печей;

8. выбор вентиляторов;

9. выбор и расчёт каркаса, механизмов печи (толкателей, конвейеров, приводов и т.д.);

10. изготовление чертежей печи;

11. выбор типа контрольно-измерительных и регулирующих приборов и схем автоматики;

12. определение стоимости печи и стоимости нагрева;

13. окончательное оформление графической части проекта с компоновкой отдельных узлов и деталей и составление расчётно-пояснительной записки.

При выполнении проекта следует предусмотреть удобства обслуживания, ремонта и управления печью, а также необходимые меры по технике безопасности.

Как видно, проектирование печи является сложным и трудоемким процессом, который невозможно осуществить за время, выделенное учебным планом для курсового проектирования. Поэтому студент выполняет только часть указанных выше этапов, включая наиболее характерные и наиболее важные, позволяющие получить представление о проектировании реальной печи, и создает, конечно, не рабочий, а технический проект.

Задание на курсовой проект (в котором указывается и объем проекта) выдается студенту на первой неделе восьмого семестра (образец задания приведен в приложении 1). Одновременно студенту в помощь предоставляются чертежи или схемы прототипа проектируемого нагревательного устройства.

Техническое задание на курсовой проект включается в расчетно-пояснительную записку в качестве первой страницы, на второй странице приводится оглавление, на третьей – краткая аннотация с описанием характеристик спроектированного оборудования. Заканчивается РПЗ списком использованных литературных источников и приложениями, где приводятся спецификации к чертежам и другие поясняющие проект материалы.

Далее рассмотрим по порядку этапы проектирования

ВЫБОР ТИПА ПЕЧИ

Тип печи обуславливается видом энергоносителя, технологическим процессом, режимами нагрева и охлаждения, формой и габаритными размерами заготовки и требуемой производительностью. Технологический режим нагрева определяет температуру печи, её атмосферу, степень равномерности температуры в рабочем пространстве и точность её регулирования.

При курсовом проектировании вид энергоносителя, технологический режим термической обработки, и размер обрабатываемой садки (габариты рабочего пространства проектируемой печи) чаще всего известны из технического задания.

Поскольку в задании указана электрическая печь, то можно перейти к этапу «Расчет нагрева садки». Однако до этого необходимо определить какую садку в данном случае необходимо нагревать – теплотехнически тонкую или теплотехнически массивную.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ТЕПЛОВОЙ МАССИВНОСТИ САДКИ.

Скорость, а следовательно, и продолжительность нагрева зависят от большого числа факторов. Наиболее важными из них являются:

1. Теплопроводность, которая различна для сплавов разного состава (например, чем больше углерода и легирующих элементов в стали, тем ниже ее теплопроводность, нагревать такую сталь нужно с меньшей скоростью);

2. Сечение изделия - чем оно больше, тем медленнее должен быть нагрев, так как вследствие разности температур между наружной и внутренней частями изделия возникают внутренние напряжения, которые при быстром нагреве могут привести к появлению трещин;

3. Форма изделия (садки) - чем она сложнее и чем больше в детали резких переходов от толстых к тонким сечениям, тем выше вероятность коробления изделия и возможность образования трещин и, следовательно, тем меньше должна быть скорость нагрева.

Для расчетов времени нагрева и охлаждения при термообработке необходимо знать следующие теплотехнические свойства нагреваемого металла:

1. теплопроводность (_, ) - характеризует способность металла проводить теплоту, зависит от состава сплава и температуры (например, с увеличением содержания углерода в стали или с ростом температуры теплопроводность уменьшается);

2. теплоемкость (c, ) - характеризует количество теплоты, аккумулируемое единицей массы металла при нагреве на один градус; зависит от состава сплава и температуры (с увеличением температуры теплоемкость возрастает);

3. температуропроводность (, ) - скорость изменения температуры изделия;

4. плотность (_,) - масса 1 м³ металла.

Эти характеристики можно использовать только в том случае, когда нагревается единичное изделие или изделия, уложенные плотно без зазоров и пустот. Однако чаще всего загрузка (садка) представляет собой скопление изделий сложной формы, поэтому в ней содержится большое число пустот и зазоров, которые, конечно, оказывают влияние на теплотехнические характеристики загрузки в целом, так как среда, заполняющая эти пустоты, резко отличается по свойствам от металла. Существует целый ряд способов определения теплотехнических характеристик загрузки. Простейший из них - с использованием так называемого коэффициента заполнения садки

, (3.1)

где - масса реальной садки;

- масса идеальной садки;

- число деталей в загрузке;

- масса одной детали;

- максимальный объем, занимаемый загрузкой;

- плотность металла.

Понятно, что всегда .

Зная коэффициент заполнения садки (загрузки), можно определить ее теплотехнические характеристики:

; ;

; .

(Далее во всех случаях необходимо оперировать только теплотехническими характеристиками садки, поэтому индексы у обозначений будем опускать.)

При расчете времени нагрева различных тел их разделяют на теплотехнически тонкие и теплотехнически массивные.

«Тонким» изделием считается такое, температуры поверхности и сердцевины которого в любой момент времени нагрева или охлаждения практически совпадают, т.е. (рис. 1).

«Массивным» изделием считается такое, в процессе нагрева/охлаждения которого (рис. 2).

При такой классификации имеют значение размеры изделий, их теплопроводность и интенсивность подвода или отвода теплоты к/от поверхности тела. Изделие относительно больших размеров, нагреваемое очень медленно, при нагреве может считаться «тонким», так как перепад температур по сечению будет незначительным. И наоборот, чем интенсивнее будет нагрев или охлаждение, тем меньшие по толщине изделия должны быть отнесены к «массивным» телам.

При передаче теплоты от внешней среды на границе металл–среда этот процесс испытывает внешнее тепловое сопротивление, которое обратно пропорционально коэффициенту теплоотдачи от окружающей среды к поверхности металла и равно .

В процессе теплоотдачи внутри изделия преодолевается внутреннее тепловое сопротивление, прямо пропорциональное расстоянию, на которое должна быть передана теплота, и обратно пропорциональное скорости пропускания теплоты через материал изделия, т.е. коэффициенту теплопроводности, и равно .

Отношение внутреннего теплового сопротивления к внешнему представляет собой безразмерную величину и носит название критерия Био:

, (3.2)

где - коэффициент теплоотдачи [ ];

- коэффициент теплопроводности загрузки [ ];

- определяющий размер (расстояние от самой холодной до самой горячей точки загрузки, рис. 3) [м].

Критерий Био является мерой теплотехнической массивности. Используя его, можно установить границу между теплотехнически тонкими и теплотехнически массивными телами:

Bi £ 0,25 — теплотехнически тонкое тело;

Bi ³ 0,5 — теплотехнически массивное тело.

Если 0,25 Bi 0,5, то необходимо решить, какая разность температур внутри садки допустима при нагреве или охлаждении (при большой допустимой при данном технологическом процессе величине DТ изделие может рассматриваться как «тонкое»).

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 652; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!