- •«Материаловедение в машиностроении» (150501)
- •Введение
- •1. Задание и объем курсового проекта.
- •2. Выбор типа печи
- •3. Определение теплотехнических характеристик и тепловой массивности садки.
- •3.1. Определение коэффициента теплоотдачи.
- •4. Расчет времени нагрева садки.
- •.Определение продолжительности нагрева теплотехнически тонкой загрузки в печи периодического действия.
- •4,2. Определение продолжительности нагрева теплотехнически массивной загрузки в печи периодического действия.
- •5 . Определение продолжительности цикла работы печи.
- •6. Определение основных размеров печи.
- •6.1. Составление эскиза печи.
- •7. Расчет теплового баланса.
- •7.1. Полезное тепло, затраченное на нагрев металла.
- •7.2. Расход тепла на нагрев тары.
- •7.3. Расход тепла на нагрев атмосферы.
- •7.4. Потери тепла теплопроводностью через кладку.
- •7.4.1. Потери тепла через экранную изоляцию.
- •7.5. Потери тепла через отверстия в футеровке.
- •7.6. Потери тепла через тепловые короткие замыкания.
- •7.7. Потери тепла с охлаждающей водой.
- •7.8. Потери тепла на аккумуляцию кладкой.
- •9.1. Особенности расчета теплового баланса печей-ванн.
4,2. Определение продолжительности нагрева теплотехнически массивной загрузки в печи периодического действия.
При нагреве теплотехнически массивных изделий в печах периодического действия время нагрева также можно разбить на два этапа (рис. 6): первый - при постоянном тепловом потоке; второй - при постоянной температуре печи.
Н
а
первом этапе изделия нагревают тепловым
потоком qп,
который определяется также, как и для
теплотехнически тонкого тела.
Продолжительность начального
периода нагрева
(неустановившегося нагрева или
прогрева), к концу которого в изделии
устанавливается регулярный режим,
характеризующийся постоянным температурным
перепадом по сечению изделия, равна
- для бесконечной пластины с прогреваемой
толщиной S;
(4.18)
- для бесконечного цилиндра радиусом
R. (4.19)
По окончании прогрева (начального периода) температурный перепад внутри изделия (садки) равен
- для пластины;
(4.20)
- для цилиндра.
(4.21)
К концу начального
периода и к началу регулярного периода
нагрева
т
,
(4.22)
а температура центра
.
(4.23)
Для цилиндра эти величины соответственно равны
и
.
(4.24)
В дальнейшем во время
нагрева в регулярном режиме
температуры поверхности и центра изделия
будут увеличиваться (если удельную
теплоемкость материала считать
постоянной) пропорционально времени с
постоянной скоростью
K/c.
Следовательно, длительность регулярного
режима определится как
.
(4.25)
Скорость нагрева
бесконечной пластины
,
(4.26)
а бесконечного цилиндра
(при всестороннем нагреве), (4.27)
где c
- удельная массовая теплоемкость
загрузки.
Р
Т
Р
Т
Рис. 6. График
нагрева теплотехнически массивной
загрузки
и изменения мощности в печи
периодического действия
Рис. 6. График
нагрева теплотехнически массивной
загрузки
и изменения мощности в печи
периодического действия
Таким образом, длительность регулярного нагрева пластины составляет
,
(4.28)
а цилиндра
.
(4.29)
Здесь
может быть определена, как и для случая
тонкой загрузки:
,
(4.30)
где
Нужно помнить, что при
температуре
750
0С теплопередачей свободной
конвекцией обычно пренебрегают. Таким
образом, время нагрева при постоянном
тепловом потоке
.
(4.31)
По достижении
температурой поверхности изделия
значения
закончится первый этап нагрева, так как
при этом температура печи достигнет
значения
и в дальнейшем, благодаря работе
терморегулятора, останется неизменной,
начнется второй этап нагрева - при
постоянной температуре печи. Определение
длительности нагрева при постоянной
температуре печи
расчетным путем очень сложно. Для этой
цели применяют графики Будрина (приложение
4).
Рассмотрим, как работать
с этими графиками (рис. 7). Графики
представляют собой семейства прямых,
построенных в координатах
.
Каждая прямая соответствует определенному
значению критерия Био (Bi).
Что такое
и Fo?
- критерий Фурье,
(4.32)
где: - время нагрева;
- определяющий размер.
Е
сли
критерий Био можно рассматривать как
безразмерную (относительную) толщину
изделия, то критерий Фурье - как
безразмерное (относительное) время
нагрева этого изделия. В свою очередь,
- это безразмерная (относительная)
температура нагрева поверхности изделия:
(4.33)
или его центра
(4.34)
С графиками Будрина работают в следующем порядке:
1. выбирают соответствующий график из четырех основных: для поверхности и центра пластины и для поверхности и центра цилиндра.
2. определяют безразмерную температуру нагрева (или охлаждения, так как эти графики можно использовать и для расчета времени охлаждения).
К началу второго этапа
нагрева температура центра изделия
,
а по сечению изделия установится
параболическое (для пластины) распределение
температуры. Расчет нагрева на втором
этапе нужно осуществлять с учетом этого
распределения температуры в начальный
период этапа. Это легко выполнить, если
принять для этого момента в сечении
изделия наличие некоторой средней
температуры
.
По расчетам Н.Ю.Тайца она может быть
принята равной
для бесконечной пластины или
для бесконечного цилиндра. (Некоторые
авторы приводят графики Будрина, в
которых в знаменателе вместо
применяется
или
.)
3. вычисляют критерий Био (
нужно выбрать средним в интервале
температур
и
).
4. на графике Будрина откладывают и по линии, соответствующей вычисленному критерию Био, находят критерий Фурье.
5. из критерия Фурье определяют время нагрева при постоянной температуре печи:
- для пластины; (4.35)
- для цилиндра. (4.36)
Таким образом, время нагрева массивных загрузок
.
(4.37)
* * *
Расчет времени нагрева тел иной формы сложен, поэтому реальные изделия следует приводить по форме либо к бесконечной пластине, либо к бесконечному цилиндру.
При расчетах времени
нагрева как тонких, так и массивных тел
нужно принимать во внимание способ их
укладки в печи и расстояние между ними.
В приложении 5 (табл.1) приведены
коэффициенты увеличения времени
нагрева изделий круглого и квадратного
сечений в зависимости от расположения
в печи.
