Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана
кафедра Материаловедение
Факультет МТ
Кафедра МТ 8
Расчетно-пояснительная записка
К курсовому проекту на тему:
Спроектировать электрическую печь сопротивления
СНЗ – 7.12.4/9
Студент (Райкина С.Н.) Группа 8-82
Руководитель проекта _________(Ксенофонтов А.Г.)
Москва
2005 г.
Содержание
Техническое задание.......................................................................................................................3
Краткое описание печи...................................................................................................................4
Характеристика материала ст 40....................................................................................................5
1. Теплотехнические характеристики садки и тепловой массивности садки............................5
2. Расчет времени нагрева садки....................................................................................................6
3. Определение продолжительности цикла работы печи............................................................7
4. Определение основных размеров печи.....................................................................................7
5. Расчет футеровки печи…...........................................................................................................7
6. Расчет теплового баланса и определение мощности печи…..............................................…9
7. Расчет и размещение нагревателей..........................................................................................12
8. Расчет механизма подъема дверцы..........................................................................................16
9. Определение ориентировочной себестоимости печи (в ценах 1973 г.) ...............................17
10. Составление таблицы ТЭП печи............................................................................................19
Список литературы........................................................................................................................20
Приложение……………………………………………………………………………………….21
Спецификации................................................................................................................................
Краткое описание печи.
В данном курсовом проекте разработана камерная печь сопротивления с защитной атмосферой – СНЗ - 7.12.4/9. Печь служит для закалки деталей из стали 40.
Габаритные размеры 1665х2400х2100мм.
Максимальная температура нагрева печи t = 900ºС.
В качестве огнеупорного материала для этой печи применён шамот - легковес.
В качестве теплоизолирующего материала для этой печи применена шлаковая вата.
Кожух печи выполнен из стали 10 (лист) толщиной 5мм.
Для загрузки и выгрузки садки в печи предусмотрено отверстие с размерами 450х800мм, закрытое дверцей.
Так как печь расчитана на работу с защитной атмосферой, то она герметизирована и снабжена пламенной завесой, срабатывающей при открывании дверцы.
Для печи выбраны проволочные нагреватели из Х20Н80, имеющие конструкцию «проволочный зигзаг». Питание нагревателей от источника трехфазного тока через трансформатор. Напряжение 220В. Нагреватели располагаются на боковых стенках и в поду печи. Форма зигзага обеспечивает надежность в применении и простоту при монтаже.
Печь оборудована механизмом подъема с ручным приводом.
Для контроля рабочей температуры используются термопары.
Характеристика материала ст 40.
Физические свойства.
|
Т |
λ |
ρ |
с |
|
Град |
Вт/м·град |
кг/м3 |
Дж/кг·град |
|
20 |
7850 |
486 |
|
|
100 |
51 |
497 |
|
|
300 |
46 |
529 |
|
|
500 |
38 |
574 |
|
|
700 |
30 |
674 |
|
|
900 |
56 |
653 |
Т – температура, при которой были получены данные свойства.
λ – коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала)
ρ – плотность материала.
с – удельная теплоемкость материала.
1. Теплотехнические характеристики садки и тепловой массивности садки.
Расчет будем вести по средней температуре процесса.
Тогда характеристики материала берем
Вт/м*град
Дж/кг*град
λМе = 0,65*54=35,1 Вт/м·град
сМе =569,5 Дж/кг·град
ρМе =0,65* 7850 =5102,5кг/м3
ас=аме=
а – коэффициент температуропроводности.
k – коэффициент заполнения садки.
Тепловая массивность садки определяется по критерию Био.
, где
α – суммарный коэффициент теплоотдачи.
S – характеристический размер, расстояние между самой горячей и самой холодной точкой в процессе нагрева.
Оценивая габариты садки (0,7м × 1,2м × 0,4м) приходим к выводу, что м
α = αизл + αк , где
αизл – коэффициент теплоотдачи излучением,
αк - коэффициент теплоотдачи конвекцией.
, где
ε – степень черноты, для сталей ε = 0,8,
с0 = 5,67 Вт/м2·К4 – излучательная способность АЧТ,
Тп – температура печи,
Тс – температура садки.
Берем из лабораторных работ:
α = 42 Вт/м2*К
=
Так как Bi = 0,24 0,5, следовательно, садка является теплотехнически тонким телом.
2. Расчет времени нагрева садки.
Тепловой поток: , где Тп- температура печи, Тс- температура садки.
На данном этапе нагрева ,
, тогда:
-температура, до которой нагревается садка за период (период нагрева при постоянной мощности).
, где- тепловоспринимающая поверхность садки, - температура садки при загрузке, G-масса изделия.
,
тогда: =.
Находим - период нагрева при постоянной температуре печи:
Время нагрева садки:
3.Определение продолжительности цикла работы печи
Производительность:
4. Определение основных размеров печи.
Глубина печи: L = 1,2 + 0,3 = 1,5 м
Ширина печи: В = 0,7 + 2 · 0,15 = 1,0 м
Площадь печи: S = 1 · 1,5 = 1,5 м2
Высота печи: Н = 0,4 + 0,1 + 0,15 = 0,65 м
Разгрузочно-загрузочное отверстие:
Высота: Hотв. = 0,4 + 0,05 = 0,45 м
Ширина: Sотв. = 0,7 + 2 · 0,05 = 0,8 м
5. Расчет футеровки печи
Так как наша печь рассчитана на 1100°С, то назначим материалы слоев трехслойной футеровки:
1-шамотный кирпич
2-шамот - легковес
3-минеральная вата
Толщина слоя футеровки зависит от множества факторов. Окончательно ее определяют расчетом, однако до расчета ее необходимо назначить. На данном этапе рекомендуется принять ее такой, чтобы температура на наружной поверхности tн не превышала 60°С из соображений техники безопасности. В то же время, если tн <40°C, то считается, что футеровка получается слишком громоздкой и экономически невыгодной .
Для первого варианта.
Назначаем толщину слоёв: 1=0,065м,2=0,115м, ,3=0,13м
Определяем площади: ;
где Fвн – площадь внутренней поверхности футеровки,
Fн – площадь наружной поверхности футеровки,
F1-площадь на границе раздела футеровки.
Средняя площадь футеровки:
Назначаем температуры
Определяем
Определяем потери теплоты через футеровку:
где tвн- температура внутреннего пространства печи; tокр- температура окружающего пространства; коэффициенты теплоотдачи от внутренней среды печи к стенке и от стенки к окружающему воздуху соответственно; коэффициент теплопроводности футеровки.
Поскольку при выборе граничных температур очень велика вероятность ошибки, необходима проверка правильности назначенных температур.
-проверка слева:
-проверка справа:
Результаты расчета показывают, является ли заданная толщина футеровки оптимальной.
Разброс температур (, и не превышает 5°С.
Расчеты футеровки для передней и задней стенок, а также для пода и свода печи представлены в приложении.
Сравним два варианта футеровки
|
Материал |
Q, Вт |
δ, м |
t2,°С |
|
Ш/л + м/в |
4878,65 |
0,215 |
50 |
|
Ш + ш/л + м/в |
5335,78 |
0,31 |
50 |
Сравнивая два варианта, выбираем первый вариант футеровки, т.к. общая цена и суммарные энергозатраты меньше.
6.Расчет теплового баланса и определение мощности печи
Уравнение теплового баланса для электрических печей имеет следующий вид:
(дополнительно учитываются потери в электрических кабелях, которые можно принять в 1,6% от общего расходуемого тепла).
Общий расход тепла определяется следующими статьями:
1)Расход тепла на нагрев металла (садки):
, где- разница между температурой металла при его загрузке и температурой, до которой металл нагревается в печи.
2)Расход тепла на нагрев приспособлений (приспособления изготовлены из ст.3):
3)Потери тепла через кладку печи :
4)Потери тепла на аккумуляцию кладки. Эта статья имеет большое значение для периодически действующих печей. Период работы нашей печи .
где
- коэффициенты теплоемкости шамота-легковеса и шлаковаты соответственно, 1,2-плотность шамота-легковеса и шлаковаты, m1,m2-масса шамота-легковеса и шлаковаты, 1,2-разница между средней температурой соответствующей части футеровки и температурой окружающей среды, ,- средняя площадь соответствующей части футеровки.
5)Потери тепла сквозь периодически открывающиеся двери.
;
где ;
где-степень черноты излучающего тела, F-площадь отверстия (двери), - коэффициент диафрагмирования , - абсолютная температура излучающего тела, - абсолютная температура воздуха вокруг печи.
, где
H – высота отверстия,
S – ширина отверстия,
Q
тогда:
6) Неучтенные потери:
Общий расход тепла:
Коэффициент полезного действия печи:
Установленная мощность печи:
Время разогрева печи:
Удельный расход энергии:
Уравнение теплового баланса для печи имеет следующий вид:
.
7. Расчет и размещение нагревателей.
Материал нагревателя: Х20Н80 (удельное электрическое сопротивление ; плотность ); проволочный зигзаг.
Установленная мощность печи:
Рис1. Схема включения трёхфазного нагревательного элемента звездой.
Установленная мощность зоны:
кВт.
Температура нагрева изделия:
tт.п. = 490°С.
Площадь поверхности садки в этой зоне, воспринимающей излучение:
Fизд = 0,32 м2.
Срок службы нагревателей не менее 10000 ч.
Поверхность пода, занятая нагревателями Fп = 2(1,5*1)+2(0,65*1,5) = 4,95 м2.
1) Удельная мощность, которую необходимо разместить на 1м2:
кВт/м2.
По рисунку 2 определяем:
Wид.изл.. = 7 Вт/см2,
tн = 950°С.
Рис.2. Значения Wид и удельных мощностей p, размещаемых на 1м2 футеровки, в зависимости от температур тепловоспринимающей поверхности tт.п.. и нагревателя tн.
Для проволочного зигзагообразного нагревателя и заданных условий его работы рассчитывается допустимая удельная поверхностная мощность:
- коэффициент эффективности излучения нагревателя;
г=1 ( l/d=2.75) (рис.3);
αp=0.8, т.к. (рис.4)
άс =1,05 , т.к ккал/м2·ч·К4,(рис.5)
.
Рис.3. Значения коэффициента . Рис.4. Значения коэффициента размера .
Рис.5. Значения коэффициента в зависимости от величины приведенного коэффициента излучения.
4) Определение реальных размеров нагревателей
Мощность одного нагревателя: кВт, где
n = 2 – число параллельных нагревателей.
5) Диаметр нагревателя:
d= мм.
6) Сопротивление нагревателя:
7) Длина одного нагревателя:
Проверка 1.
<W
условие выполняется, т.е. оставляем d=3,2мм.
Проверка 2 по температуре.
Площадь поверхности нагревателей:
м2
tн = 900°С < tн = 950°С условие выполняется.
Так как температура нагревателя получилась меньше максимально допустимой, и условия всех проверок выполняются, следовательно, нагреватель пригоден к эксплуатации в данных условиях.
8) Назначаем шаг зигзага:
t ≥ 5.5 · d = 5.5 · 3,2 = 17,6 мм принимаем t = 34,4 мм.
9) Назначаем высоту зигзага из анализа свободного пространства пода :
Н = 180 мм.
10) Длина нагревателя в свернутом виде.
мм
мм
Длина одного шагового витка:
мм
Количество зигзагов:
Длина нагревателя в свернутом виде:
мм
11) Расчет выводов нагревателя.
мм.
Диаметр вывода нагревателя выбираем из соотношения площадей поперечных сечений проволоки и нагревателя:
мм
мм принимаем 5,6 мм.
11) Расчёт массы одного нагревателя.
Плотность Х20Н80: ρ = 8,4 г/см3.
кг.
8. Расчет механизма подъема дверцы.
Механизм подъема представляет собой ручной привод.
Определение массы дверцы.
Кожух толщиной 5мм из стали с плотностью 7800 кг/м3:
Масса дверцы:
Вес дверцы:
H
Определение усилия подъема.
Усилие сползания:
, где
f = 0,5 – коэффициент трения,
α = 5°.
Усилие подъема:
, где
β = 2,5 – коэффициент запаса.
Усилие подъема с противовесом:
Н
Масса противовеса:
кг.
Определение длины рукоятки.
Н = 480 мм – ход дверцы.
Принимаем диаметр ведомой звездочки D = 70 мм.
Момент на звездочке:
Н·м
Усилие рабочего:
Рраб. = 16 кг .
Момент рабочего должен быть больше момента на звездочке:
, отсюда длина рычага
м, принимаем L = 0,3 м.
Момент рабочего:
Н
9. Определение ориентировочной себестоимости печи (в ценах 1973 г.).
Для определения ориентировочной себестоимости печи будет достаточно найти стоимость материалов для изготовления печи, стоимость работ основных рабочих, а также определить размер цеховых и заводских расходов
|
№ |
Наименование |
Количество |
Оптовая цена |
Стоимость, руб. |
|
1 |
Шлаковая вата |
1,48м3 |
6,3руб/м3 |
9,32 |
|
2 |
Шамот-легковес |
0,54т |
942 руб/т |
508,68 |
|
3 |
Чугунная подина |
140кг |
60 коп/кг |
84 |
|
4 |
Керамические втулки |
9шт |
1 руб/шт |
9 |
|
5 |
Нихром Х20Н80 |
6,18 кг |
2,80 руб/кг |
17,3 |
|
6 |
Металлоконструкция |
530 кг |
1,20 руб/кг |
636 |
|
7 |
Термопара |
2 шт |
9 руб/шт |
18 |
|
Суммарная стоимость материалов печи |
1282,3 руб |
Таблица 2. Зарплата основных рабочих
|
№ |
Профессия |
Объем работы |
Разряд |
Ставка коп/ч |
Зарплата, руб |
|
1 |
Слесарь |
100 часов |
3 |
42 |
42 |
|
2 |
Сварщик |
30 часов |
4 |
47 |
14,1 |
|
3 |
Электрик |
2 часа |
3 |
42 |
0,84 |
|
4 |
Огнеупорщик |
10часов |
3 |
42 |
4,2 |
Суммарная зарплата рабочих |
61,14 руб. |
Таблица 3. Заводская себестоимость
|
№ |
Статьи расхода |
Сумма, руб |
Примечания |
|
1 |
Материалы и узлы |
1282,3 |
|
|
2 |
Зарплата основных рабочих |
61,14 |
|
|
3 |
Цеховые расходы |
195,65 |
320% от таблицы 2 |
|
4 |
Заводские расходы |
48,91 |
80% от таблицы 2 |
|
Заводская себестоимость печи |
1588 руб. |
Заводская себестоимость печи З.с. = 1588 руб.
Плановая себестоимость печи П.с. = З.с. + 0,03 · З.с. = 1,03 · 1588 = 1635,64 руб.
Плановая цена П.ц. = 1,03 · П.с. = 1,03 · 497,1 = 1684,71 руб.
10. Составление таблицы ТЭП печи.
|
№ |
Название параметра |
Единица измерения |
Значение |
|
1 |
Назначение печи |
Печь для закалки |
|
|
2 |
Размеры рабочего пространства:
|
мм |
700 1200 400 |
|
3 |
Габаритные размеры:
|
мм |
2100 2400 1665 |
|
4 |
Стоимость печи |
руб. |
1684,71 руб. |
|
5 |
Масса печи |
т |
1,5 |
|
6 |
Максимальная температура |
0С |
900 |
|
7 |
Температура выдачи металла |
0С |
890 |
|
8 |
Время нагрева печи до заданной температуры |
час |
2,2 |
|
9 |
Время нагрева и выдержки деталей |
час |
6,3 |
|
10 |
Производительность печи |
кг/час |
263,76 |
|
11 |
Установленная мощность |
кВт |
67 |
|
12 |
Число регулируемых зон |
1 |
|
|
13 |
Напряжение на клеммах |
В |
220 |
|
14 |
Число фаз |
3 |
|
|
15 |
Трансформатор |
нет |
|
|
16 |
КПД |
% |
65,6 |
|
17 |
Удельный расход энергии |
кВт · час/кг |
0,253 |
|
18 |
Мощность холостого хода |
кВт |
21,2 |
Список литературы