Расчет.
Определение габаритов печи.
Длина камеры:
lк = 2l4 + l1 + l2 + l3 = 0.4l1 + l1 + 1.3lзагр +0.5l2 = 1.4l1 + 1.3lзагр + 0.65lзагр = 0.91lзагр + 1.3lзагр + 0.65lзагр = 2.86lзагр.
.
Диаметр камеры:
dк=Dпл+Dпд,
где - диаметр подложкодержателя.
.
Расчет времени цикла термической обработки.
В общем случае время цикла включает время нагрева изделий до заданной температуры н, время выдержки при этой температуре в, время охлаждения до температуры выгрузки о и время простоя печи между периодами выгрузки-загрузки пр.
ц=н+в+о+пр.
Расчет времени нагрева изделий.
Выбираем материал для камеры ХH7OЮ, у которого tопт=1200С, tmax=1250С.
Для эффективности использования установленной мощности печи при применяемой скорости нагрева рекомендуется принимать:
tизд=(0,80,9)tиз.к..
- конечная температура нагрева изделий.
.
Так как выдержка изделий происходит при постоянной температуре, то температура печи может превышать температуру изделий на 1020 градусов, то есть
tп=tизд+(1020)=1100+20=1120С.
Температура печи должна быть по крайней мере на 50 градусов меньше температуры нагревателя:
tн=tп+50=1120+50=1170С.
В высокотемпературных печах с преобладающим влиянием излучения величина полезного теплового потока определяется по формуле:
,
где Тп, Тиз – текущие температуры печи и изделия, [К]; пр – приведенный коэффициент излучения системы стенка камеры - изделие; Со=5.67 - излучательная способность абсолютно черного тела.
,
где из, ст – интегральные коэффициенты излучения материала загрузки (изделий) и стен камеры соответственно; Fст – внутренняя поверхность стен реакционной камеры, [м2]; Fиз – тепловоспринимающая поверхность изделий, [м2].
.
.
.
.
Количество тепла, воспринятое изделием за период первого этапа нагрева 1, будет равно
Q1=qп1Fиз.
Это тепло идет на нагрев, изделий от их начальной температуры до конечной. На основании уравнения теплового баланса можно записать:
,
где С – средняя удельная теплоемкость (материала) изделий, ; G – масса нагреваемых изделий, [кг].
.
.
.
Продолжительность второго этапа нагрева, протекающего при постоянной температуре печи и преобладании теплообмена излучением, может быть вычислена из следующего уравнения теплового баланса:
.
Откуда
,
где
,
,
.
Значения (’) и (”) корректируем по таблице
(’)=0,3005; (”)=0,9044.
.
н=1+2=12.6+3.3=15.9мин.
Расчет тепловых потерь.
Выделяющееся в нагревателе тепло затрачивается на нагрев изделий (полезное тепло) и покрытие тепловых потерь.
Рпотр=Рпол+Рпот,
где Рпотр – потребляемая мощность печи.
.
Мощность тепловых потерь может быть определена из следующего выражения:
,
где kнп=1,2 – коэффициент неучтенных потерь; - расчетное значение тепловых потерь печи, [Вт]; Рфут – тепло, аккумулированное футеровкой и компенсирующее теплоотдачу с наружней поверхности стен электропечи, [Вт]; Ротв – среднее за первый период нагрева тепловые потери электропечи излучением через открытое или закрытые (заслонкой) отверстия, [Вт]; Рткз – среднее за первый период нагрева тепловые потери электропечи через места тепловых, коротких замыканий, [Вт]; Рнд – средний за первый период нагрева тепловой поток, идущий на нагрев деталей конструкции печи, [Вт]; Рг – средний за первый период нагрева тепловой поток, идущий на нагрев газа, [Вт].
Так как температура печи во время первого периода нагрева меняется, то и тепловые потери печи в течение этого времени переменны. Для расчета тепловых потерь строят кривую изменения температуры печи.
;
;
;
.
РИС.1 График зависимости температуры печи и изделия в первый период нагрева.
Тепловые потери через отверстие излучением.
.
,
где - коэффициент диафрагмирования, учитывающий глубину отверстия и его экранирующее действие.
.
.
Потери тепла, затрачиваемые на нагрев газов.
,
где Gг, Ср – масса и средняя удельная теплоемкость газа; - начальная температура газа.
;
.
.
Тепловой баланс:
в=65 мин – время выдержки подложек.
- расход газа.
.
- скорость газа.
.
dэ=d2-d1=dк-dп=0.3375-0.3=0.0375 м.
.
.
Re=98 < Reкр = 2000 ламинарный режим.
.
.
.
.
.
.
Q1=Q2
.
.
Затраты тепла на нагрев деталей конструкции внутри печи.
Мпд, Спд – масса и средняя удельная
теплоемкость деталей конструкции печи.
lзагр = 0.645 м, Dпд = 0.0375 м, = 0.0015м, n = 40 штук.
.
.
.
Потери тепла футеровкой.
Расчет футеровки.
tн=1170C; tк=60С; to=35C;
Dк=d1=0.3375 м; lк=1.8447 м.
Тепловой баланс:
.
.
.
.
.
.
.
турбулентный режим.
.
.
.
.
Q1=Q2.
d2=0.792 м.
фут= - толщина футеровки.
,
где
qб, qт – удельный тепловой поток, проходящий через боковые и торцевые стенки, ;
Fб, Fт – площадь поверхностей боковых и торцевых стен, [м2].
Для цилиндрических поверхностей печи величина удельного теплового потока равна:
.
- коэффициент теплопередачи через цилиндрическую футеровку, ,
где
dвн, dн – диаметры внутренней и наружной поверхностей футеровки;
di, i – диаметр и коэффициент теплопроводности i-го слоя футеровки.
Для боковой поверхности:
.
.
.
.
Для торцевой поверхности:
-характерный размер
.
Ra=0.89109 <Raкр =109 ламинарный режим.
.
.
.
.
.
Рфут=1927+62.1=1990Вт.