Расчет.

Определение габаритов печи.

Длина камеры:

l_к = 2l₄ + l₁ + l₂ + l₃ = 0.4l₁ + l₁ + 1.3l_загр +0.5l₂ = 1.4l₁ + 1.3l_загр + 0.65l_загр = 0.91l_загр + 1.3l_загр + 0.65l_загр = 2.86l_загр.

_.

Диаметр камеры:

d_к=D_пл+D_пд,

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 t_опт=1200С, t_max=1250С.

Для эффективности использования установленной мощности печи при применяемой скорости нагрева рекомендуется принимать:

t_изд=(0,80,9)t_из.к..

- конечная температура нагрева изделий.

.

Так как выдержка изделий происходит при постоянной температуре, то температура печи может превышать температуру изделий на 1020 градусов, то есть

t_п=t_изд+(1020)=1100+20=1120С.

Температура печи должна быть по крайней мере на 50 градусов меньше температуры нагревателя:

t_н=t_п+50=1120+50=1170С.

В высокотемпературных печах с преобладающим влиянием излучения величина полезного теплового потока определяется по формуле:

,

где Т_п, Т_из – текущие температуры печи и изделия, [К]; _пр – приведенный коэффициент излучения системы стенка камеры - изделие; С_о=5.67 - излучательная способность абсолютно черного тела.

,

где _из, _ст – интегральные коэффициенты излучения материала загрузки (изделий) и стен камеры соответственно; F_ст – внутренняя поверхность стен реакционной камеры, [м²]; F_из – тепловоспринимающая поверхность изделий, [м²].

.

.

.

.

Количество тепла, воспринятое изделием за период первого этапа нагрева ₁, будет равно

Q₁=q_п₁F_из.

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.

Р_потр=Р_пол+Р_пот,

где Р_потр – потребляемая мощность печи.

.

Мощность тепловых потерь может быть определена из следующего выражения:

,

где k_нп=1,2 – коэффициент неучтенных потерь; - расчетное значение тепловых потерь печи, [Вт]; Р_фут – тепло, аккумулированное футеровкой и компенсирующее теплоотдачу с наружней поверхности стен электропечи, [Вт]; Р_отв – среднее за первый период нагрева тепловые потери электропечи излучением через открытое или закрытые (заслонкой) отверстия, [Вт]; Р_ткз – среднее за первый период нагрева тепловые потери электропечи через места тепловых, коротких замыканий, [Вт]; Р_нд – средний за первый период нагрева тепловой поток, идущий на нагрев деталей конструкции печи, [Вт]; Р_г – 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 G_г, С_р – масса и средняя удельная теплоемкость газа; - начальная температура газа.

;

.

.

Тепловой баланс:

_в=65 мин – время выдержки подложек.

- расход газа.

.

- скорость газа.

.

d_э=d₂-d₁=d_к-d_п=0.3375-0.3=0.0375 м.

.

.

Re=98 < Re_кр = 2000  ламинарный режим.

.

.

.

.

.

.

Q₁=Q₂

.

.

Затраты тепла на нагрев деталей конструкции внутри печи.

М_пд, С_пд – масса и средняя удельная

теплоемкость деталей конструкции печи.

l_загр = 0.645 м, D_пд = 0.0375 м,  = 0.0015м, n = 40 штук.

.

.

.

Потери тепла футеровкой.

Расчет футеровки.

t_н=1170C; t_к=60С; t_o=35C;

D_к=d₁=0.3375 м; l_к=1.8447 м.

Тепловой баланс:

.

.

.

.

.

.

.

турбулентный режим.

.

.

.

.

Q₁=Q₂.

 d₂=0.792 м.

_фут= - толщина футеровки.

,

где

q_б, q_т – удельный тепловой поток, проходящий через боковые и торцевые стенки, ;

F_б, F_т – площадь поверхностей боковых и торцевых стен, [м²].

Для цилиндрических поверхностей печи величина удельного теплового потока равна:

.

- коэффициент теплопередачи через цилиндрическую футеровку, ,

где

d_вн, d_н – диаметры внутренней и наружной поверхностей футеровки;

d_i, _i – диаметр и коэффициент теплопроводности i-го слоя футеровки.

Для боковой поверхности:

.

.

.

.

Для торцевой поверхности:

-характерный размер

.

Ra=0.8910⁹ <Ra_кр =10⁹ ламинарный режим.

.

.

.

.

.

Р_фут=1927+62.1=1990Вт.