3. Задания и методические указания к теоретическим вопросам

1. Классификация электротермических установок.

2. Теплопередача в электротермических установках.

3. Материалы, применяемые в электропечестроении.

4. Влияние изменения температуры на электро- и теплофизические свойства материала.

5. Применение электрических печей сопротивления.

6. Конструкции электрических печей сопротивления.

7. Регулирование параметров электротермических установок.

8. Области применения и классификация индукционных электрических печей.

9. Основные физические закономерности индукционного нагрева.

10. Конструкции индукционных канальных печей.

11. Индукционные тигельные печи. Конструкции и назначение.

12. Конструкции индукционных вакуумных плавильных электропечей.

13. Индукционные нагревательные установки.

14. Теплогенерация в твёрдом теле при приложении к нему разности потенциалов

15. Области применения и классификация дуговых печей.

16. Основные физические законы горения дуги.

17. Конструкции дуговых печей.

18. Плазменные нагревательные устройства.

19. Печи электрошлакового переплава.

20. Электронно–лучевые печи. Общая характеристика и классификация.

Одной из наиболее распространенных групп электротехнологических установок общепромышленного назначения является группа электротермических установок. Электронагрев (электротермия) объединяет разнообразные технологические процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя.

Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств

- существенное снижение загрязнения окружающей среды;

- получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива;

- создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков;

- достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве;

- строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии;

- гибкость в управлении потоками энергии;

- возможность нагрева материалов изделий в газовых средах любого химического состава и вакууме;

- выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе.

Использование электронагрева вместо пламенного в некоторых технологических процессах позволяет получить большую экономию топлива и сократить количество обслуживающего персонала. Внедрение электротермии также обеспечивает экономию материальных и трудовых ресурсов, что в конечном результате приводит к повышению экономической эффективности.

4. Задания к выполнению практических заданий

Вариант практического задания контрольной работы выбирается по последней цифре зачетной книжки (таблица 2, 3). В том случае, если вариант не соответствует заданию, контрольная работа возвращается студенту и переделывается им.

Пример 1

Определить установленную мощность методической печи, предназначенной для нагрева стальных изделий под отпуск до температуры t₂, ^oС. Начальная температура стальных изделий t₁, ^oС. Производительность печи M, кг/с. Тепловой КПД печи η_т; электрический КПД печи η_эл = 0,95.

Исходные данные:

Таблица 2 - Задания для практических расчётов

Задание по вариантам	Исходные данные
	удельная теплоёмкость стали С, Дж/(кг ·°С)	производительность печи M, кг/с	тепловой КПД печи ηт	начальная температура изделий t1, °С;	конечная температура изделий t2, °С
0	0,469	0,14	0,70	21	225
1	0,481	0,15	0,71	22	226
2	0,486	0,16	0,72	23	227
3	0,511	0,17	0,73	24	228
4	0,489	0,18	0,74	25	229
5	0,536	0,19	0,75	26	230
6	0,544	0,20	0,76	27	231
7	0,548	0,21	0,77	28	232
8	0,515	0,22	0,78	29	233
9	0,492	0,23	0,79	30	234

Решение:

1. Определение полезной мощности печи P_пол, Вт:

P_пол= M · C · (t₂ - t₁),

где M – производительность печи, кг/с;

C - удельная теплоемкость стали, Дж/(кг·°С);

t₁ - начальная температура изделий, °С;

t₂ - конечная температура изделий, °С.

2. Определение потребляемой мощности, Вт:

где η_эл - электрический КПД печи;

η_т - тепловой КПД печи.

3. Определение установленной мощности, Вт:

Р_уст=Р_потр· k_з,

где k_з - коэффициент запаса (принимаем k_з = 1,2).

Пример выполнения практического задания

Задача: Определить установленную мощность методической печи, предназначенной для нагрева стальных изделий под отпуск до температуры 230 ^oС. Начальная температура стальных изделий 20 ^oС. Производительность печи 0,139 кг/с. Тепловой КПД печи η_т = 0,72; электрический КПД печи η_эл = 0,95. Удельная теплоёмкость стали С = 490 Дж/(кг·°С).

Решение:

1. Определяем полезную мощности печи, P_пол:

P _пол = 0,139 · 490 · (230 – 20) = 14303,1 (Вт).

2. Определяем потребляемую мощность, P_потр:

3. Находим установленную мощность, P_уст:

P_уст = 20910,96 · 1,2 = 25093,16 (Вт).

Пример 2

Определить установленную мощность печи непрерывного действия (конвейерной), предназначенной для сушки влажных металлических изделий. Начальная температура изделий - t₁, конечная температура - t₂. Теплоемкость материала конвейера С_к = 477 Дж/(кг·°С). В течение одного часа прогревается G кг изделий со средней теплоемкостью материала изделий (загрузки) C_заг. В печи, объёмом V_n в течение часа осуществляется четырехкратный воздухообмен. Мощность тепловых потерь с наружных поверхностей стенок печи составляет b % полезной мощности.

Исходные данные:

Таблица 2 - Задания для практических расчётов

Задание по вариантам	Исходные данные
	начальная температура изделий t1, °С;	конечная температура изделий t2, °С	загрузка печи G, кг	средняя теплоемкость материала (загрузки) Cзаг, Дж/(кг ·°С)	объём печи Vn, м3	тепловые потери с наружных поверхностей стенок печи b, %
0	21	205	250	950	75	16
1	22	206	260	960	80	17
2	23	207	270	970	85	18
3	24	208	280	980	90	19
4	25	209	290	990	95	20
5	26	210	300	1000	100	21
6	27	211	310	1010	105	22
7	28	212	320	1020	110	23
8	29	213	330	1030	115	24
9	30	214	340	1040	120	25

Решение:

1. Производительность печи М, кг/с:

M = G / τ,

где τ – время прогрева изделий в печи, τ = 3600 с.

2. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев сухих изделий P_пол1, Вт:

P_пол1 = M · C_заг · (t₂ - t₁),

где C_заг - удельная теплоемкость загрузки, Дж/(кг·°С);

t₁ - начальная температура изделий, °С;

t₂ - конечная температура изделий, °С.

3. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев воды до температуры 100 °С и ее испарение P_пол2, Вт:

P_пол2 = υ_в · C_в · (t₂^/ - t₁) + λ · υ_в,

где υ_в – скорость испарения влаги (υ_в = 4,16⋅10^-3 кг/с);

C_в - удельная теплоемкость воды (C_в = 4,187·10³ Дж/(кг ·°С));

t₂^/ - конечная температура для нагрева воды, находящейся в изделиях (t₂^/=100°С);

λ - скрытая теплота парообразования (λ = 2,26 ·10⁶ Дж/кг).

3. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев водяного пара P_пол3, Вт:

P_пол3 = υ_в · C_п ·(t₂ - t₂^/),

где C_п - удельная теплоемкость водяного пара (C_п = 2012 Дж/(кг ·°С)).

3. Суммарная полезная мощность Р_пол, Вт:

Р_пол =Р_{пол 1} +Р_пол2 +Р_пол3.

3. Потери мощности, затрачиваемой на нагрев конвейера (нагрев вспомо­гательного оборудования) Р_вспом, Вт:

Р_вспом = P_пот1 = M ·C_к ·(t₂ – t₁).

7. Производительность печи по сушильному агенту М_в, кг/с:

где γ_в - плотность су­хого воздуха (γ_в = 0,916 кг/м³);

V_n- объем печи, м³;

4 - четырехкратный воздухообмен в течение одного часа (3600 с).

8. Мощность, затрачиваемая на нагрев сухого воздуха при осуществлении заданного воздухообмена P_пот2, Вт:

P_пот2 = M_в · C_с.в. · (t₂ - t₁),

где C_с.в. - удельная теплоемкость сухого воздуха (C_с.в. = 1021 Дж/(кг ·°С)).

9. Мощность тепловых потерь через стенки печи P_пот3, Вт:

P_пот3 = b · Р_пол.

10. Суммарная мощность тепловых потерь Р_пот, Вт:

Р_пот = Р_пот2 + Р_пот3.

11. Потребляемая мощность Р_потр, Вт:

Р_потр = Р_пол + Р_вспом + Р_пот.

12. Установленная мощность Р_уст, Вт:

Р_уст = Р_потр ⋅ k ₃

где k_з – коэффициент запаса (принимаем k_з = 1,3).

Пример выполнения практического задания

Задача: Определить установленную мощность печи непрерывного действия (конвейерной), предназначенной для сушки влажных металлических изделий. Начальная температура изделий 20 °С, конечная температура 200 °С. Теплоемкость материала конвейера С_к = 477 Дж/(кг·°С). В течение одного часа прогревается 300 кг изделий со средней теплоемкостью материала изделий (загрузки) 963 Дж/(кг·°С). В печи, объёмом 100 м³ в течение часа осуществляется четырехкратный воздухообмен. Мощность тепловых потерь с наружных поверхностей стенок печи составляет 20 % полезной мощности.

Решение:

1. Производительность печи М, кг/с:

M = 300 / 3600 = 0,083 (кг/с).

2. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев сухих изделий P_пол1, Вт:

P_пол1 =0,083·963· (200-20) = 14387,22 (Вт).

3. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев воды до температуры 100 °С и ее испарение P_пол2, Вт:

P_пол2 =4,16⋅10^-3⋅4187⋅(100 – 20) + 2,26⋅10⁶⋅4,16 ⋅10^-3 = 10795,03 (Вт).

3. Полезная мощность, затрачиваемая на нагрев водяного пара P_пол3, Вт:

P_пол3 = 4,16⋅10^-3⋅2012⋅(200 – 100) = 836,99 (Вт).

3. Суммарная полезная мощность Р_пол, Вт:

Р_пол = 14387,22 + 10795,03 + 836,99 = 26019,24 (Вт).

3. Потери мощности, затрачиваемой на нагрев конвейера (нагрев вспомо­гательного оборудования) Р_вспом, Вт:

Р_вспом = P _пот1 = 0,083⋅477· (200 – 20) = 7126,38 (Вт).

7. Производительность печи по сушильному агенту, М_в, кг/с:

8. Мощность, затрачиваемая на нагрев сухого воздуха при осуществлении заданного воздухообмена P_пот2, Вт:

P _пот2 = 0,1018⋅1021⋅(200 – 20) = 18704,72 (Вт).

9. Мощность тепловых потерь через стенки печи P_пот3, Вт:

P_пот3 = 0,2⋅26019,24 = 5203,85 (Вт).

10. Суммарная мощность тепловых потерь Р_пот, Вт:

Р_пот = 18704,72 + 5203,85 = 23908,57 (Вт).

11. Потребляемая мощность Р_потр, Вт:

Р_потр = 26019,24 + 7126,38 + 23908,57 = 57054,19 (Вт).

12. Установленная мощность Р_уст, Вт:

Р_уст = 57054,19 ⋅ 1,3 = 74170,45 (Вт).