3. Расчет теплового баланса печи старения.
1 - калорифер;
2 - теплоизоляция;
3 - кожух печи;
4 - каркас;
5 – лопатки поворота воздушного потока;
6 – под печи;
7-центробеный вентилятор;
8- входное устройство вентилятора.
Рис.5 Конструкция циркуляционной печи для гомогенизации и старения алюминиевых сплавов.
Баланс тепла есть по сути сумма затрат тепловой энергии для выполнения одного цикла. Затраты тепла следующие:
3.1.Полезное тепло - тепло пошедшее на нагрев металла:
Qполезное = Gсадки·С (Т'''-Т0 )=1240,05·0,93·103(170 - 20)= 172,9·103 кДж
Gсадки = 1240,05 кг - масса садки; кг.
С = 0,93 кДж/кг·К - средняя теплоемкость металла в интервале температур 170 - 20°С - определена по графику С =f(T);
9
3.2.
Вспомогательное тепло - тепло, затраченное на нагрев кассет и прокладок, одновременно загружаемых в печь с садкой Д-1.Примем, что кассеты и др. вспомогательные детали в сумме имеют массу порядка 100 кг.
Если предложить, что они будут изготовлены из стали 45, то
теплоемкость Сст45 = 0,48 кДж/(кг . К)
Q вспом =Gвспом·С вспом (Т'''-Т0)=100·0,48·103(170-20)= 7,2·103 кДж
3.3.
Для определения потерь тепла уточним ее конструкцию.
К габаритам рабочего пространства, определенным при эскизном проектировании ,необходимо добавить необходимые для циркуляции воздуха каналы, камеру вентилятора, устройства для подогрева воздуха (калориферы), и разместить слой теплоизоляции. Материал теплоизоляции и его теплофизические выбирается по приложению.
В итоге конструкция приобретает вид, показанный на рис.6
1 - калорифер;
2 - блок свода печи;
3 - крышка электрических выводов;
4- контактный стержень;
5- текстолитовый лист;
6- теплоизоляция
Рис.6 Схема монтажа калориферов в печи
Здесь показан поперечный разрез.По длине печи установим два центробежных вентилятора, каждый из которых обеспечивает обдув воздухом двух кассет с металлом. Для расчета потерь тепла через стены печи модель печи и конструкции стены показаны на рис.5 и рис.6 Потери тепла через стены вычисляются по формуле:
Qпотерь стен =К·(Т печи-Т окр.возд)·Гцикла ,(Дж)
К - коэффициент теплопередачи от рабочего пространства к окружающему воздуху, температуру которого можно принять равной 200С:
К = 1/ [1/ (αвозд·Fнар) + δстены /(λиз·Fиз)] , Вт/К
αвозд - коэффициент теплоотдачи от наружных поверхностей печи; можно для печи старения взять равным 10Вт/м2·0С;
FHap - наружная поверхность всей печи, м2;
Fиз- средняя расчетная поверхность изоляции (принимается равной полусумме наружной и внутренней поверхности печи), м2;
λиз - теплопроводность выбранной теплоизоляции, вычисленная для средней температуры изоляции. В данном случае минеральная вата.
10
Примем, что Т=(220+30)/2= 125°С
λиз=0,0582 + 0,186·10-3 Т (Вт/м °C);
Тогда λиз=0,0582 + 0,186·10 -3·125= 0,08 (Вт/м К);
К = 1/[1/(10·29,3) + 0,35/(0,08·16)]= 3.7 Вт/К;
Qcmeн = 3,7·200·57,1·103 =42,254·103 кДж;
При загрузке и выгрузке металла тепло теряется излучением через дверцу печи. Приняв размеры проема при выгрузке F=0,5м Х 1,4М определим лучистые потери по закону Стефана-Больцмана:
Q л = εпечи·C0[ (Т печи/100)4-(Твозд/100)4]·F·ψ·τзагр-выгр=
= 0,85·5,67 (4,934 - 2,934)·0,5·1,4·0,63·240= 0,26 МДж
Здесь принято, что время открытого состояния дверцы печи равно 240с (на один цикл работ печи). Коэффициент диафрагмирования отверстия найден по графику
1-круглое отверстие,
2-квадратное,
3-прямоугольное(соотношение сторон 2:1),
4-длинная щель высотой А
Рис.7 Коэффициент диафрагмирования отверстия
Конструкция печей старения металлоёмка, т.к. теплоизоляция размещается внутри металлических кожухов. Между внутренним и наружным металлическим кожухами имеется много металлических связей, элементов крепления, по которым идут значительные тепловые потоки. Это тоже потери тепла, называемые потерями через "короткие" замыкания. Эти потери учитывают, как 20-30% от потерь через теплоизоляцию стен.
Qт.к.з.= 0,3·Qcmeн = 0,3·42,3·10 3 = 12,7·103 кДж;
Составим баланс тепла - затраты на 1 цикл:
Q цикла = Q полезное +Q вспом +Q стен +Q л +Q т.к.з=172,9+7,2+42,3+0,26+12,7=235,4 МДж
Определим КПД печи:
η = Q полезн/Qцикла = 172,9/235,4=0, 73