Рефетека.ру / Физика

Контрольная работа: Работа и конструкция печи

Контрольная работа на тему:

РАБОТА И КОНСТРУКЦИЯ ПЕЧИ


1 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ


Нагрев алюминиевых слитков перед прессованием производят в индукционной печи методического действия типа 1ИНМ-40/100НБ.

Нагрев заготовок осуществляется методическим способом, который заключается в последовательном нагреве заготовок до заданной температуры по мере прохождения их через индуктор, состоящий из трех однофазных индукторов, включенных на три фазы питающей сети, и конструктивно представляющих собой трубу, в которую с одного конца загружаются не нагретые заготовки, а с другого выгружаются нагретые заготовки.

Индукционная печь представляет собой нагревательную установку, работающую по принципу трансформатора с разомкнутым сердечником, первичной обмоткой которого является индуктор, а вторичной – поверхностные слои нагреваемой заготовки. При действии переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором, в поверхностных слоях слитков, находящихся в этом поле, индуцируются электрические токи, которые разогревают эти слои заготовки. Передача тепла от поверхностных слоев слитка и его глубинным объемом осуществляется теплопроводностью.

Для этого метода нагрева характерно наличие температурного перепада по сечению слитка, пропорционально скорости нагрева, то есть мощности, приходящейся на единицу поверхности слитка.

Продвижение заготовок через индуктор производится с помощью толкателя. За один ход толкателя одновременно проходит загрузка одной заготовки в индуктор, продвижение всех заготовок, находящихся в индукторе, на длину одной заготовки и выгрузка из индуктора нагретой заготовки.

Нагрев слитков в индукторе до заданной температуры происходит постепенно по мере прохождения их по индуктору. Чем дальше заготовка находится в индукторе, тем выше температура слитка. Максимальную температуру имеет заготовка, находящаяся на выходном конце индуктора.

Для постоянного контроля температуры слитка, находящегося на выходе из индуктора, печь снабжена торцевой термопарой, которая своими электродами постоянно уперта в торец слитка и автоматически отводится в сторону специальным механизмом на период выгрузки слитка из индуктора. Кроме того, термопара играет роль датчика, по сигналу которого производится включение и отключение индуктора от сети. Таким образом, при совместной работе установки с прессом, установка может находиться в режиме ожидания.

В качестве исходных данных для расчета индукционной нагревательной печи имеем начальное и конечное температурные состояния металла, свойства металла и технологические ограничения. Исходные данные для расчета представлены в табл.1.


Таблица 1

Исходные данные для расчета печи

Наименование параметра Ед.изм. Величина
1 Мощность кВт 750
2 Частота питающего тока Гц 50
3 Число фаз силовой цепи шт 3
4 Напряжение в сети В 380
5 Материал нагреваемых заготовок Алюминий и его сплавы
6

Размеры нагреваемых заготовок:

-наружный диаметр

-длина


мм

мм


400;500

500-1000

7 Максимальная температура нагрева заготовок


540

8

Температура охлаждающей воды:

на входе

на выходе



+10…+20

до +50


РАСЧЕТ НАГРЕВА МЕТАЛЛА


Тепловой расчет нагрева металла в индукционной печи произведен по методике, изложенной в работе [1].

Заданы: наружный диаметр заготовки D2=0,4м; длина заготовки l=1,05м; масса заготовки m=260кг; сплав АД33; частота тока f=50Гц.

Время нагрева металла t найдем по формуле


Работа и конструкция печи ,


где Т0 – температура на поверхности слитка, 0С;

Tц – температура в центре слитка, 0С;

R2 – радиус слитка, м;

Работа и конструкция печиR2 2 – критерий Фурье;

Работа и конструкция печи - коэффициент температуропроводности, м2/с;

λ – коэффициент теплопроводности,Вт/м∙К;

с – удельная теплоемкость, Дж/кг∙К;

γ – плотность металла, кг/м3.

Работа и конструкция печиR2 – относительная глубина активного слоя;

Работа и конструкция печи R2 – относительная координата точки, на наружной поверхности Работа и конструкция печи, на оси (в центре) слитка Работа и конструкция печи.

Работа и конструкция печи - глубина проникновения тока находится по формуле


Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи ,


где f – частота тока, Гц;

ρ – удельное электросопротивление, Ом∙м;

μ – магнитная проницаемость.

Температура прессования алюминиевого сплава АД33 находится в интервале 440 – 490 0С. Температура поверхности слитка То= 4900С. Перепад температур между наружной и внутренней поверхностями заготовки в практике допускается Работа и конструкция печиТ=200С. Тогда Тц=4700С.

Отношение Т0/Тц=1,04.

Для алюминиевых сплавов ρ=0,03∙10-6 Ом∙м [2], μ=1, частота тока в индукторе f=50Гц. Тогда глубина проникновения тока

Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи 0,0123м.

α= 1-0,0123/0,1375=0,9.

Задаемся τ=0,2.

Согласно [1, табл. П-3]определим значение функций

S(0,9;1;0,2)=0,1013; S(0,9;0;0,2)= - 0,1237.

Следовательно Т0/Тц=(0,2+0,1013)/(0,2-0,1250)=3,9.

Значит τ>0,2.

При τ>0,2 имеем


Работа и конструкция печи ,с.


S(0,9;1)=0,04, S(0.9;0)= - 0,05 [1, стр.236].

Для алюминиевых сплавов при температуре 5000С λ=188,3Вт/м∙К, с=1047Дж/кг∙К, γ=2710кг/м3 [2]. Тогда Работа и конструкция печи6,6∙10-5 м2/с. 0,22

Время нагрева металла составит

Работа и конструкция печис.

Зная время нагрева, можно определить среднюю полезную мощность через теплосодержание заготовки


Работа и конструкция печи , Вт ,


где m - масса слитка, m=260кг;

c – удельная теплоемкость, с=1047Дж/кг∙К;

Tср – средняя по сечению температура слитка, Tср=4600С (733К).

Работа и конструкция печи=91615 Вт = 91,6кВт.

Удельная полезная мощность

Работа и конструкция печи

Работа и конструкция печи ,


Работа и конструкция печи Вт/м2.


КОНСТРУКТИВНЫЙ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТЫ


Для расчета индуктора заданы: наружный диаметр заготовки D2=0,4м; длина заготовки l=1,05м; масса заготовки m=260кг; частота тока f=50Гц; напряжение, подводимое к индуктору Ри=750 кВт.

Расчет индуктора произведем по методике, изложенной в [1].

1. Внутренний диаметр индуктора Dи выбирается из соотношения Dи/ Dн=1,2ч2,5; Dи =0,33ч0,69м.

Принимаем диаметр индуктора Dи=0,52м.

Внутренний диаметр тепловой изоляции Dиз выбираем из соотношения Dиз - Dн>0,01м.

Принимаем Dиз=0,4м.

Длина индуктора определяется по формуле


lи=nl+(1…1,5) Dи ,


где n – количество заготовок одновременно нагреваемых в индукторе , n=t/t0,

t0 – темп выдачи заготовок, примем 700с.

n=2178/700=3,1.

Число заготовок примем n=3, тогда

lи=3∙1,05+0,5=4м.

Изготовление индуктора такой длины нерационально, поэтому индуктор выполним состоящим из 3 секций, соединенных в один блок. Длина одной секции составит l1=1,33м.

При выбранном темпе выдачи заготовок производительность печи будет равна П=3600/700=5шт/ч (1300кг/ч).

Тепловые потери через стенку изолирующего слоя определяем по формуле


ΔРабота и конструкция печи ,


где λ- коэффициент теплопроводности материала тепловой изоляции;

tвн – температура внутренней стороны изолирующего цилиндра;

tнар – температура наружной стороны изолирующего цилиндра.

В качестве теплоизолирующего материала выберем асбест. Коэффициент теплопроводности асбеста λ=0,24Вт/м∙К [2].

Температура внутренней стороны изолирующего цилиндра равна конечной температуре слитка tвн=4700С. А температура его наружной стороны приблизительно равна температуре индуктирующего провода, который прилегает к изолирующему цилиндру tнар=600С.


ΔРабота и конструкция печикВт


Полная мощность, выделяемая в индукторе для нагрева 3 заготовок


P=Pт∙n+ΔPт


P=91,6∙3+8=282,8 кВт.

Термический к.п.д. определяется по формуле


ηt = Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи,


ηt = Работа и конструкция печи.

Электрический к.п.д. определяется по формуле


ηэ = Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи,


где Ри – мощность подведенная к индуктору, она задана и равна Ри =750 кВт.

ηэ = Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи

Полный к.п.д. индуктора равен

η= ηt∙ ηэ ,

η = 0,97∙0,38=0,37

7, Индуктор нагревается током, проходящим по нему, и теплом, теряемым нагреваемыми заготовками через тепловую изоляцию. Полное количество тепла, нагревающего индуктор


Работа и конструкция печи,


ΔP=91,6∙3(1/0,37-1)=467,2 кВт.

Тепловой баланс индуктора представлен в табл.2.

Таблица 2

Тепловой баланс индуктора

Статьи Приход Статьи Расход

кВт %
кВт %
Мощность, подводимая к индуктору 750 100 Нагрев слитков 282,8 37,7



Нагрев индуктора током 459,2 61,2



Потери тепла через стенку изолирующего цилиндра 8 1,1
Итого 750 100 Итого 750 100

4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ


Расчет произведен по методике изложенной в работе [1].

1.Активное r2 и внутреннее х2м реактивное сопротивление заготовки


Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи, Ом;


Работа и конструкция печи , Ом.


ρ2 - удельное электросопротивление материала заготовки, ρ2=0,03∙10-6Ом∙м.


m2=Работа и конструкция печи,


m2=0,4/1,4∙0,123=23,2

При m2=23,2 согласно [1, табл.11-1] А=0,09; B=0,09.

r2=3,14∙0,03∙10-6∙23,2∙0,09/1,05=1,87∙10-7 Ом,

x2м=1,87∙10-7 Ом.

2. Реактивное сопротивление


Работа и конструкция печи ,


где k1=f(Du/l), находится по графику [1, рис.5-6]. k1=f(0.125)=0,96.


Работа и конструкция печи ,


где μ0 - магнитная проницаемость вакуума, μ0 =4π-7∙10-7 [1];

Su – площадь окна индуктора, м2,


Su= πDu2/4 =3,14∙0,52/4=0,196 м2.


Работа и конструкция печи Ом;

Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи Ом.

3, Реактивное рассеяние индуктора находится по формуле


Работа и конструкция печи ,


Работа и конструкция печи Ом.

4, Коэффициент приведения активного сопротивления заготовки

c =Работа и конструкция печи ,


с =Работа и конструкция печи.


5. Приведенное сопротивление заготовки

r2’=r2c,

r2’=1,87∙10-7∙0,019=3∙10-9 Ом.

6, Приведенное реактивное сопротивление заготовки


х2’=Работа и конструкция печи ,


х2’=0,019Работа и конструкция печи=3,4∙10-5 Ом.


7.Толщину индуцирующего провода выбираем по возможности оптимальной, d1≈1,6Δ1.

Материал для индуцирующего провода – медь. Δ1 – глубина проникновения тока в медь, Δ1=0,07/Работа и конструкция печи=0,07/Работа и конструкция печи=9,8∙10-5 м.

Толщину выбираем равной d1=15мм.

8, Активное r1 сопротивление индуктирующего провода

r1=r1n∙kr , Ом,


r1n =Работа и конструкция печи, Ом,


где ρ1 – удельное электросопротивление материала провода, для меди ρ1=2∙10-8 Ом∙м [1];

D’u=Du+Δ1,

D’u=0,5+0,0098=0,51

g – коэффициент заполнения, g=0,85…0,9 [1].

d1/Δ1=0,015/0,0098=1,5.

При d1/Δ1=1,5 kr=f(d1/Δ1)=1,4. [1,рис.5-9].

Работа и конструкция печи Ом.

9, Реактивное х1 сопротивление индуктирующего провода


Работа и конструкция печи , Ом,


При d1/Δ1=1,5 kх=f(d1/Δ1)=1,2. [1,рис.5-9]; k1=0,96.

Работа и конструкция печиОм.

10. Эквивалентные активное, реактивное и полное сопротивления индуктора

rэ= r1+ r2'=0,88∙10-6+3∙10-9=8,83∙10-7 Ом;

xэ= x1+ x2'=0,75∙10-6+3,4∙10-9=4,2∙10-7 Ом;


zэ=Работа и конструкция печи Ом.


11. Коэффициент мощности индуктора

cosφu=rэ/ zэ=0,05

12. Ток в одном витке индуктора определяется по формуле

I'u=Работа и конструкция печи ,


I'u=Работа и конструкция печиА.


13. Плотность тока в индукторе


Работа и конструкция печи ,


Работа и конструкция печи А/мм2 , что допустимо (Работа и конструкция печи< 150 А/мм2[1]).

14. Напряжение на одном витке индуктора


U'u= I'u∙zэ ,


U'u=9,7∙106∙4,2∙10-5=40,7 В.

15. Число витков индуктора


ω = Uu/ Uu' ,


ω =380/40,7=9,3. Принимаем ω =9 витков.

Высота витка


b=lug/(ω +1), b=0,023м.


16. Ток в индукторе

Iu= I'u∙ω ,

Iu=873А.

17. Активное, реактивное и полное сопротивление индуктора


ru= ω2∙ rэ, ru=0,7∙10-4 Ом;


xu= ω2∙ xэ, xu=3,4∙10-2 Ом;


zu= ω2∙ zэ, zu=3,4∙10-2 Ом.


5 РАСЧЕТ ОХЛАЖДЕНИЯ ИНДУКТОРА


Индуктор для сквозного нагрева изготавливается многовитковым и представляет для воды, протекающей через него, большое гидравлическое сопротивление. Для того чтобы обеспечить необходимое для охлаждения индуктора количество воды при заданном давлении на входе, требуется выбрать соответствующее внутреннее сечение трубки. Его можно определить расчетным путем по известному количеству тепла, которое должно быть отведено водой.

Расчет произведен по методике изложенной в работе [1].

Для расчета заданы температура охлаждающей воды на входе Tвх=+10 0С, на выходе Tвых=+50 0С.

1. Из теплотехнического расчета известно полное количество тепла, нагревающего индуктор

ΔP=467,2 кВт.

2. Количество охлаждающей воды


W=Работа и конструкция печиРабота и конструкция печи,


W=(0,24∙467,2/40)∙10-3=28∙10-4 м3/с

3. Площадь отверстия трубки

S= W/ν ,


где ν – скорость воды примем ν=2м/с.

S=28∙10-4/2=14 см2.

Выберем трубку с внутренним диаметром d=1,9 см или прямоугольную трубку с внутренним отверстием 2,0x1,45см.

Проверка на турбулентность. Наилучшее охлаждение имеет место в том случае, если движение воды является турбулентным (вихревым), что получается при достаточной скорости ее течения. При этом происходит интенсивное перемешивание воды в трубке.

При турбулентном движении воды должно удовлетворяться неравенство


Re =Работа и конструкция печи>2300 ,


где Re – критерий Рейнольдса; ν- скорость воды, м/с; μ’ – кинематическая вязкость воды, м2/с; D0 – гидравлический эквивалент диаметра, м.

Гидравлический эквивалент диаметра находится по формуле


Работа и конструкция печи ,


где F- внутренний периметр трубки, участвующий в теплообмене, F=6,9 см.

Работа и конструкция печи м.

Значение кинематической вязкости принимаем в зависимости от средней температуры Tср=(10+50)/2=30 0С μ’=0,84∙10-6м2/с [1, стр.182].

Re=193236>2300, движение воды турбулентное.

Перепад давления по длине трубки


Работа и конструкция печи ,


где λ1 – коэффициент сопротивления при шероховатости первого рода, λ1= 10-2(k/D0)0,314 ;

k – коэффициент шероховатости первого рода, k=1,5ч5м (в среднем можно считать, что k=3м);

l –длина трубки индуктора, l=πD1срω;

D1ср – средний диаметр витка;

ω – количество витков, ω=9.

λ1= 0,058; l=31,4м.

Работа и конструкция печи Па.

Чтобы учесть возможные местные уменьшения сечения трубки при пайке, а также повороты у выводов, следует полученный результат увеличить в 1,5 раза

Работа и конструкция печи Па.

При питании индуктора водой от городского водопровода перепад давления не должен превышать 2∙105 Па. Так как полученное значение выше 2∙105 Па, необходимо поделить индуктор по охлаждению на несколько секций.

Число ветвей (секций) найдем по формуле


Работа и конструкция печи,


где Δpn – допустимый перепад давления.

Работа и конструкция печи.

Число ветвей примем n=2.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


После проведенных расчетов получили индукционную печь с технической характеристикой, указанной в табл.3.


Таблица 3

Техническая характеристика печи с учетом рассчитанных показателей

Наименование параметра Ед.изм. Величина
1 Мощность кВт 750
2 Частота питающего тока Гц 50
3 Число фаз силовой цепи шт 3
4 Напряжение в сети В 380
5 Материал нагреваемых заготовок Алюминий и его сплавы
6

Размеры нагреваемых заготовок:

-наружный диаметр

-длина


мм

мм


400;500

500-1000

7 Tемпература нагрева слитков


470

8 Темп выдачи нагретых слитков с 700
9 Производительность при нагреве до 470 0С

шт/ч

кг/ч

5

1300

10 Длина индуктора м 4
11 Диаметр индуктора м 0,52
12 Ток в индукторе А 837
13 Расход охлаждающей воды м3/с 28∙10-4
14 Давление воды в системе охлаждения МПа 0,6
15

Температура охлаждающей воды:

на входе

на выходе



+10…+20

до +50

Похожие работы:

  1. • Конструкция, методика расчёта нагревательных и ...
  2. • Конструкция, методика расчёта ...
  3. • Автоматизация методической печи
  4. • Проект толкательной печи для нагрева заготовок под ...
  5. • Конструкция, методика расчёта обжиговых печей ...
  6. • Туннельная печь обжига кирпича ОАО "Ивановский завод ...
  7. • Двухванные печи
  8. • Разработка АСР температуры обжига цементного клинкера ...
  9. • Реконструкция предприятия по производству глиняного ...
  10. • Производство керамического кирпича
  11. •  ... пиролиза углеводородного сырья в трубчатых печах
  12. • Система охлаждения кессонов плавки
  13. • Производство отливок из сплавов цветных металлов
  14. • Послевоенное восстановительное строительство
  15. • Освоение и осмысление профессионально ...
  16. • Проектирование 2-х этажного спортивно ...
  17. • Разработка технологии изготовления заготовки кованого ...
  18. • Организация ремонтного хозяйства металлургического ...
  19. • Технология производства керамического кирпича
Рефетека ру refoteka@gmail.com