Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Уральский государственный технический университет ~ УПИ расчет закрытых нагревате

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-10

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 20.5.2024

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

 

расчет  закрытых нагревателей

Методические указания   к  практическим   занятиям по дисциплинам: “Оборудование термических цехов”, “Технологическое       оборудование,      механизация    и автоматизация в производстве, обработке и переработке новых материалов”, "Проектирование предприятий, цехов и участков по производству обработке и переработке новых материалов" и “Конструирование механизмов и приборов”, к курсовому и дипломному  проектированию   для   студентов всех    форм   обучения  специальностей 150105, 150601, 150702, магистров и бакалавров по направлению 150600

Екатеринбург  2006


УДК  621.78(07)

Составитель Ю.Г.Эйсмондт

Научный редактор проф., доктор. техн. наук  Ю.В. Юдин

расчет закрытых нагревателей: Методические   указания  к   практическим   занятиям по дисциплинам: “Оборудование термических цехов”, “Технологическое оборудование, механизация и автоматизация в производстве, обработке и переработке новых материалов”, "Проектирование предприятий, цехов и участков по производству обработке и переработке новых материалов"  и “Конструирование механизмов и приборов”,  к   курсовому   и   дипломному  проектированию/ Ю.Г.Эйсмондт. Екатеринбург: УГТУУПИ, 2006, 12 с.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения металлургических специальностей и рекомендуются для использования на практических занятиях, при курсовом и дипломном проектировании. Изложены принципы конструирования  закрытых нагревателей с теплоотдачей теплопроводностью электрических печей сопротивления. В теоретической части приведена методика расчета закрытых  нагревателей с теплоотдачей теплопроводностью, включая трубчатые электронагреватели (ТЭН), широко применяемые в низкотемпературных печахваннах.

Библиогр. : 4 назв. Рис. 2. Табл. 1, Прил. 1.

Подготовлено кафедрой “Термообработка и физика металлов”.

        Уральский государственный

           технический университет УПИ, 2006


1. Особенности расчета закрытых нагревателей

К нагревательным  элементам с  теплоотдачей  теплопроводностью (закрытым) относятся многочисленные типы конструкций нагревателей лабораторных и некоторых промышленных печей, а также бытовых приборов.

Наибольшее распространение получили  закрытые  нагреватели  в лабораторных электрических печах типа СНОЛ, СУОЛ, СШОЛ, а также в виде трубчатых электрических нагревателей (ТЭН) в печах—ваннах при температуре не выше 600 0С. Рабочее пространство трубчатых (СУОЛ) и шахтных (СШОЛ)  печей  имеет цилиндрическую форму и образовано обычно керамической,  шамотной или кварцевой трубкой с внутренним диаметром от 20 до 200 мм и длиной от 200 до 600 мм. В муфельных печах (СНОЛ) рабочее пространство образовано шамотным или керамическим муфелем, имеющим форму параллелепипеда со скругленными ребрами. Толщина трубок и муфелей принимается от 3 до 20 мм и определяется соображениями конструктивной прочности трубки и муфеля при рабочих температурах печей от 700 до 1200 0С.

Во всех случаях нагреватель из проволоки, ленты или проволочной спирали наматывается на наружную поверхность муфеля или трубки, затем фиксируется шамотным раствором и подвергается сушке и обжигу при температуре 12001300 0С. Наносимый на нагреватель слой шамота (или пеношамота) играет также роль огнеупорного слоя футеровки печи. Толщина этого слоя определяется в расчете теплового баланса печи и должна обеспечить на границе с теплоизоляцией температуру, не превышающую максимального допустимого значения для выбранного материала теплоизоляции.

Лабораторные печи имеют следующие особенности:

1) они работают обычно 810 ч в сутки, поэтому пустую печь сначала разогревают до заданной температуры, при этом выделяемое нагревателями тепло расходуется на разогрев футеровки (на аккумуляцию),  а в печах-ваннах — еще и тигля с расплавом, и  уходит через стенки наружу (потери теплопроводностью через футеровку и на тепловые короткие замыкания);

2) масса нагреваемых образцов обычно настолько мала, что КПД печи составляет 15%, а это позволяет считать, что тепло от нагревателей идет только в одну сторону — наружу, то-есть через второй слой огнеупора (обмазку) и теплоизоляцию;

3) в лабораторных печах обычно используются два типа нагревателей: проволочный нагреватель, намотанный на прямоугольный или цилиндрический муфель,  или проволочная спираль, намотанная на такой же муфель, но иногда применяют и ленточный спиральный нагреватель (см. рис. 1);

4) лабораторные печи обычно включаются в сеть через понижающий автотрансформатор (ЛАТр) с диапазоном регулирования U=50250 В при входном напряжении сети 220 В.

Расчет теплового  баланса этих печей обычно проводят как для стадии разогрева печи до требуемой рабочей температуры при заданном времени разогрева самой печи, так  и для стадии работы в стационарном режиме при постоянной температуре печи. Поэтому основной тепловой поток (80100%) обычно направлен от нагревателя через футеровку печи в окружающее пространство. Если на стадии разогрева потребляется мощность, близкая к установленной, то на стадии стационарного режима чаще всего Nстац=(0,51,0)·Nуст, что достигается путем снижения U, подаваемого на нагреватель печи.

Приведенная ниже методика расчета закрытых нагревателей с  теплоотдачей  теплопроводностью предназначена прежде всего для лабораторных печей и  ТЭНов, но с некоторыми поправками может быть использована и для расчета закрытых нагревателей промышленный печей и прочих нагревательных устройств.

    2. Порядок расчета закрытых нагревателей

Исходные данные для расчета закрытого нагревателя.

При расчете теплового баланса печи получено:

N — установленная мощность печи, кВт;

n — число нагревателей в печи, тогда N1 = N/n, кВт мощность одного нагревателя;

 tм  и tн  —  соответственно заданная температура нагрева металла и максимальная температура нагревателя, оС, последняя определяет (по табл. П.3) выбор материала нагревателя и его удельное электросопротивление — t , мкОм·м;

t2 — температура внешней теплоотдающей поверхности закрытого нагревателя, оС, чаще всего это температура на границе внешнего (наружного) огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки лабораторных печей или наружной поверхности  ТЭНа;

Lм — активная длина муфеля (трубки), т.е. длина его части, на которой намотан нагреватель, м;

S — для печей типа СНОЛ (с прямоугольной формой сечения муфеля) — толщина наружного огнеупорного слоя, мм;

Bм и Hм —  внешняя ширина и высота прямоугольного муфеля печей СНОЛ, мм;

D1 и D2 — соответственно внутренний и наружный  диаметры внешнего (наружного) огнеупорного слоя трубчатых и шахтных печей, мм;

 — теплопроводность материала внешнего огнеупорного слоя (обмазки) при t=0,5·(tн +t2), Вт/(м·К).

Рис. 1. Расчетные схемы закрытых нагревателей с теплоотдачей теплопроводностью: ав — для плоских стенок муфельных печей СНОЛ; ге — для печей шахтных СШОЛ и трубчатых СУОЛ; ж — трубчатый электронагреватель ТЭН;    з — дополнительная   схема   к   расчету вариантов ге;    к — закрытый  нагреватель  металлических  плит. Типы      конструкций     нагревателей:    а, г — проволочный;   б, д, ж, к — спиральный;  в, е — ленточный.

1 — трубчатый  или   прямоугольный   муфель; 2 — внешний огнеупорный    слой   (обмазка);     3 — теплоизоляционный      слой;   4 —нагреватель 

Выбираются: конструкция и форма сечения нагревателя — проволока (d), проволочная спираль (Dс=(36)·d) или лента (ab), все размеры — мм; U — напряжение, В.

Расчет проводится методом подбора сечения и конструктивных размеров нагревателя, для чего задается 46 значений d или ab.

Требуется определить: удельную поверхностную нагрузку нагревателя — w, Вт/см2;  оптимальное сечение нагревателя (d, мм или a × b, мм2 , для ленты обычно принимают m= b/a10); длину материала нагревателя l, м,  при необходимости можно уточнить U.

На рис. 1 приведены расчетные схемы наиболее распространенных нагревателей закрытого типа, где, кроме упомянутых выше, приведены их конструктивные расчетные параметры:

h — шаг  между витками проволочного или ленточного нагревателя, или между витками спирального нагревателя, мм;

H — шаг между спиралями, мм.

В приведенных ниже расчетных формулах (см. табл. 1) используются еще 2 поправочных коэффициента:

k — коэффициент конфигурации, учитывающий отличие теплоотдающей поверхности реального нагревателя от сплошного (листового) идеального нагревателя;

— коэффициент, учитывающий долю тепла, идущего от нагревателя внутрь печи, если она превышает 10% от N, что определяется расчетом теплового баланса печи.

Удельная поверхностная нагрузка нагревателя w рассчитывается для принятых 46 значений d или ab и выбранной расчетной схемы (рис. 1) по двум группам формул:  по электрическим параметрам (N1 и U) — wu; по конструктивным (h, H) и теплотехническим параметрам (, t=tн  t2) — wt.

По мощности одного нагревателя N1 = N/n (чаще всего n=1, тогда N1=N)  и принятому напряжению U находим  величину wu для принятых значений d или a по формулам:

, Вт/см2,   для проволоки     или                         (1)

, Вт/см2,                для ленты.                                            (2)

По найденным значениям строится (рис. 2) зависимость wu=f(d или a).


Таблица 1

Расчетные формулы для определения удельной поверхностной нагрузки wt и развернутой длины

проволоки lпр и ленты lл закрытых нагревателей по схемам рис.  1

схема

wt, Вт/см2

lпр  и lл, м

а

(3)

(10)

б

(4)

(11)

в

(5)

(12)

г

(6)

(13)

д

(7)

(14)

е

(8)

(15)

ж

(9)

(16)

Примечание: 1) размерность LМ и LТЭН — м, всех остальных линейных единиц — мм;

                        2) Bм и Hм — высота и ширина наружной поверхности муфеля печи типа СНОЛ, мм.


Для тех же значений d или a  и принятой  согласно  рис. 1 расчетной схеме по табл. П.1 находится значение коэффициента конфигурации k и по формулам (3)—(9), приведенным в табл. 1,  рассчитывается удельная  поверхностная  нагрузка wt.

Рис. 2. Расчетные зависимости wu и wt для определения диаметра проволоки d или толщины ленты a

На ранее построенный график (рис. 2) wu=f(d или a) наносим вторую кривую wt=f(d или a). Точка их пересечения дает искомый размер d или а, который  необходимо округлить до ближайшего по ГОСТу значения (табл. П.2). Значит, определены   значения Dс и H — для спирали (или b и m — для ленты) и h — для всех видов нагревателей.

Размеры нагревателя в свернутом виде определены активной длиной муфеля или трубки Lм, что позволяет, пользуясь формулами (10)—(16)  в табл. 1,  найти для оптимального сечения нагревателя развернутую длину проволоки или ленты l, м.

В заключение проводится проверка выполненного расчета, для чего по принятым окончательным значениям d или a×b, l и t определяется напряжение U

, В,                                                                (17)

где     Fс — площадь поперечного сечения проволоки ·d2/4 или  ленты 2·(a+b),  мм2.

При совпадении принятого в исходных данных и полученного по формуле (17) значений U с погрешностью   10%  расчет завершается. Если расхождение   10% , расчет необходимо повторить, приняв новое значение напряжения U, или шага h, или конструкцию нагревателя, т.е.  перейти, например, от проволочного нагревателя к спиральному или ленточному.

При изменении U достаточно по (1) или (2) пересчитать wu для всех принятых значений d или ab, нанести на график рис. 2 новую кривую wu, найти  по точке ее пересечения с кривой wt  новое оптимальное значение d или ab, рассчитать l по формулам (10)—(16) и снова проверить U по формуле (17).

При изменении шага h по формулам (3)—(9) производится перерасчет wt , а далее — как при замене U. Если же принимается новая конструкция нагревателя, то повторяется полностью весь расчет с новыми исходными данными.

Есть второй вариант расчета закрытых нагревателей, который применяется в том случае, когда необходимо произвести расчет для определенного, имеющегося в наличии материала — проволоки или ленты. Тогда для конкретного  заданного диаметра проволоки d  или сечения ленты ab выбирается конструкция нагревателя, задается значение шага h, а для спирали — DС  и Н, и рассчитывается по формулам (3)…(9) удельная нагрузка  wt и длина проволоки или ленты l по формулам (10)…(16). Затем принимается wU = wt и по формулам (1) или (2) рассчитывается U  и проверяется его значение по формуле (17). При расхождении 10% подгонка производится путем изменения шага h и напряжения U.

В некоторых небольших по объему рабочей камеры промышленных печах типа СНО, СНЗ, СДО и др. доля тепла, идущего внутрь печи, может превышать 50% и более от N . В таких случаях при расчете закрытого нагревателя рассматривается в качестве теплопроводящего слоя стенка муфеля S (см. рис. 1, б и в), и для материала муфеля находится . За температуру t2 принимается температура внутренней поверхности муфеля, а долю тепла, идущего наружу =(Nкл+Nткз)/N. В остальном схема расчета остается прежней.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК  

1. Эйсмондт Ю.Г., Корягин Ю.Д.  Термическое оборудование и его расчет. в 4 кн. Кн. 1. Оборудование для нагрева: Учебное пособие. Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1996. 141 с.

2. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. Ч.1. Печи сопротивления: Учебник. М.: Энергия, 1975. 384 с.

3. Материалы для  электротермических установок: Справочное пособие / Большакова Н.В., Борисанова К.С., Бурцев В.И. и др.;  Под. ред. М.Б.Гутмана. М.: Энергоатомиздат, 1987. 296 с.

4. Сплавы для нагревателей/ Жуков Л.Л., Племянникова И.М., Миронова М.Н. и др. М.: Металлургия, 1985. 144 с.


Приложение

Таблица П.1

Значения коэффициента конфигурации  k  закрытых

нагревателей с теплоотдачей теплопроводностью  

S/d

или

Проволочный

при h/d

Ленточный

при h/b

Спиральный

при h/d

S/a

1

2

3

5

0,5

1

2

4

2

3

5

2,5

0,75

0,59

0,42

0,19

5,0

1,45

1,10

0,75

0,10

0,85

0,71

0,53

0,28

0,69

0,58

0,40

7,5

1,50

1,20

0,90

0,26

0,89

0,76

0,60

0,35

0,74

0,65

0,48

10,0

1,55

1,28

1,00

0,40

0,92

0,80

0,65

0,40

0,78

0,70

0,54

12,5

1,60

1,35

1,08

0,52

0,93

0,83

0,69

0,44

0,81

0,73

0,58

15,0

1,65

1,41

1,15

0,62

0,93

0,85

0,72

0,48

0,84

0,76

0,62

17,5

1,68

1,46

1,22

0,71

0,93

0,86

0,74

0,52

0,86

0,78

0,65

20,0

1,70

1,50

1,28

0,80

0,93

0,87

0,76

0,55

0,88

0,80

0,68

25,0

1,70

1,53

1,33

0,93

0,93

0,87

0,77

0,57

0,89

0,82

0,72

30,0

1,70

1,56

1,38

1,00

0,93

0,87

0,77

0,58

0,90

0,84

0,75

35,0

1,70

1,58

1,42

1,06

0,93

0,87

0,77

0,59

0,90

0,85

0,78

40,0

1,70

1,60

1,45

1,12

0,93

0,87

0,77

0.60

0,90

0,86

0,80

50,0

1,70

1,60

1,46

1,15

0,93

0,87

0,77

0.60

0,90

0,86

0,80

Примечание: величины S. d, h, a, b брать в одинаковой размерности —мм.

Таблица П.2

Сортамент проволоки и ленты по ГОСТ 12766.17712766.577

ГОСТ

Вид проката

Сортамент, мм

12766.177

Проволока холоднотянутая

d =

0,10; 0,11; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18; 0,20; 0,22; 0,25; 0,28;  0,30;  0,32;  0,36;  0,40; 0,45;  0,50; 0,56; 0,63; 0,70; 0,80; 0,90; 1,00; 1,10; 1,20; 1,40;  1,60;  1,80; 2,00; 2,20; 2,50; 2,80; 3,00; 3,20;   3,60;   4,00;  4,50;  5,00;  5,60;

12766.277

Лента  холоднокатаная

a =

b =

1,0; 1,1; 1,2; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0;

6; 8; 10; 12; 14; 15; 16; 18; 20; 25; 30; 32; 36; 40; 45; 60;

a =

b =

2,2; 2,5; 2,8; 3;0; 3,2;

20; 25; 30; 32; 36; 40; 45; 60; 80; 100;

12766.577

Лента плющенная

a =

0,10; 0,15; 0,20; 0,22; 0,25; 0,28; 0,30; 0,32; 0,35; 0,36; 0,40; 0,45; 0,50; 0,55; 0,60; 0,70; 0,80; 0,90;

b =

4; 6; 8 и далее до 60 мм по гост 12766.2 77

Таблица  П.3

Удельное электросопротивление t и предельная температура

применения tмакс  сплавов и металлов для нагревательных элементов [3,4]

Сплав

20,

tпл,

tмакс, 0С  для сечения, мм

Удельное   электро-

кг/м3

0С

0,2

0,4

1,0

3,0

6,0

20

100

200

300

400

Х15Ю5

7280

1500

750

850

900

950

1000

1,29

1,30

1,31

1,32

1,34

Х23Ю5Т

7210

1500

950

1075

1225

1350

1400

1,40

1,40

1,41

1,42

1,43

Х27Ю5Т

7190

1510

950

1075

1200

1300

1350

1,42

1,42

1,43

1,43

1,44

Х15Н60

8200

1390

750

850

900

950

1000

1,11

1,12

1,14

1,16

1,18

Х15Н60-Н

8200

1390

900

950

1000

1075

1125

1,12

1,13

1,15

1,17

1,19

Х20Н80-Н

8400

1400

950

1000

1100

1150

1200

1,11

1,12

1,13

1,13

1,14

         Продолжение табл. П.2

Сплав

сопротивление  t ,  мкОм·м   при температурах, 0С

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

Х15Ю5

1,37

1,41

1,44

1,45

1,46

1,47

Х23Ю5Т

1,45

1,48

1,49

1,49

1,50

1,50

1,51

1,51

1,52

1,52

Х27Ю5Т

1,46

1,46

1,47

1,47

1,48

1,48

1,48

1,48

1,48

Х15Н60

1,19

1,20

1,20

1,21

1,22

1,23

1,24

Х15Н60-Н

1,20

1,21

1,21

1,22

1,23

1,24

1,25

X20H80-H

1,15

1,14

1,13

1,13

1,13

1,14

1,15

1,16

расчет  закрытых нагревателей

 

Составитель Эйсмондт Юрий Георгиевич

Редактор  

Компьютерный набор Эйсмондт Ю.Г.

 

Издательство УГТУ-УПИ

620002, Екатеринбург, ул. Мира 19




1. . Замкнутый сердечник магнитопровод- набор пластин из трансформаторной стали
2. Введение Потребности торговли обусловленные необходимостью обработки и хранения прежде всего прод
3. Реферат- История уссурийского казачьего войска до 1917 года
4. Тема текстової роботи має точно відповідати тематичному плану та змісту курсу дисципліни Історія українськ
5. 978 РОЗВИТОК І РОЗМІЩЕННЯ ПОТЕНЦІЙНО НЕБЕЗПЕЧНИХ ВИРОБНИЦТВ У МІСТАХ УКРАЇНИ ТА ЇХ ВПЛИВ НА ЕКО
6. Состояние здоровья населения России
7. о завкафедры управления и предприним
8. инфекция от лат
9. Принципы и методы историографического исследования
10. Noted by the predicte s n ctul fct nd ffirms or negtes its existence in the present pst or future
11. Не с деепричастиями
12. Тема 2 Предприятие фирма как субъект хозяйствовенной деятельности 1 вопрос
13. владение представляет собой и довольно простой и весьма сложный вопрос
14. Кобзон Иосиф Давыдович
15. тематизации кодификации обычаев
16. Типовая программа коррекционного обучениядетей с задержкой психического развития
17. Тема- Основные понятия баз данных Дисциплина- Информационное обеспечение профессиональной деятельнос
18.  Абрамкин Александр 4 этаж холл 4 этаж холл 4 этаж холл 4 этаж
19. Получение водорода
20. тема ~ это исторически сложившаяся и закрепленная законом форма организации денежного обращения в государст