Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ

СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПЕЧАХ

С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

Методические указания к выполнению лабораторной работы 2

по курсу «Электротермические установки и системы»

для студентов специальности 180500

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2006

Цель работы: экспериментально изучить технологию обработки сыпучих материалов в конвекционной сушильной установке, измерить потребляемую мощность установки.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Низкотемпературные печи отличаются от средне- и высокотемпературных как конструктивно, так и тем, что в них значительная часть тепла передается нагреваемым изделиям конвекцией, в то время как в среднетемпературных печах роль конвекции невелика, и при отсутствии принудительной циркуляции ею можно пренебречь, а в высокотемпературных печах ее во всех случаях не учитывают. В соответствии с выше изложенным, граница, отделяющая область низкотемпературных печей от среднетемпературных, лежит в пределах 600-700 ⁰С, следовательно, этой группой печей охватываются всякого рода процессы сушки, операции отпуска стальных изделий, а также нагрев под термическую и механическую обработку легких и многих цветных металлов. Конструктивно низкотемпературные печи можно подразделить на печи периодического и непрерывного действия, на печи с естественной и принудительной циркуляцией атмосферы.

Простейшими являются печи периодического действия с естественной циркуляцией. Они представляют собой шкаф или камеру той или иной формы с расположенными на полках изделиями и нагревателями, установленными в нижней части шкафа и на его стенках, как показано на рис. 1.

Рис.1. Сушильный шкаф с естественной циркуляцией: 1- нагревательные элементы; 2- наружный каркас; 3- внутренний каркас; 4- теплоизоляция;

5- этажерка для деталей; 6- заслонка для регулирования воздуха

Иногда нагреватели бывают экранированы, чтобы предохранить изделия от непосредственного нагрева лучеиспусканием, и теплопередача от нагревателей к изделиям осуществляется в основном естественной конвекцией. Если требуется не только нагревать изделия, но иссушить их, то в днище сушильного шкафа или камеры и ее верхней части устраиваются отверстия, благодаря которым в шкафу устанавливается сквозная тяга воздуха.

Печи описанного типа не могут быть высокопроизводительными, из-за невысокого коэффициента теплопередачи при естественной конвекции. Процесс интенсифицируется путем введения искусственной циркуляции, установив на своде печи или шкафа засасывающий вентилятор, а для того чтобы уменьшить расход тепла на нагрев воздуха, можно организовать его круговую циркуляцию. В этом случае вентилятор, засасывая воздух в верхней части печи, гонит его вниз по боковому каналу и нагнетает в нижнюю часть печи. Если же требуется производить сушку изделий и, следовательно, удалять испаряющуюся из нагреваемых изделий влагу, то устанавливается смешанная циркуляция, при которой часть воздуха засасывается вентилятором из шкафа, а часть - из помещения, как показано на рис.2.

Рис. 2. Конвекционная сушильная печь с регулируемой циркуляцией

и вынесенным калорифером:

1- вентилятор; 2- нагреваемое изделие;

3- электрокалорифер; 4- заслонки

Максимальная температура нагрева изделий в таких печах и сушилках обычно не превосходит 200-300⁰С, поэтому в них все внутренние металлические части могут быть сделаны из обычной стали; огнеупорная кладка часто отсутствует; печная камера оформляется двойным каркасом, внутренним и наружным, с заполнением пространства между ними легкой насыпной теплоизоляцией (например, шлаковой ватой).

Для более высоких температур нагрева изделий (400-700⁰С) кладка печи выполняется двухслойной: из огнеупорного и теплоизоляционного слоев и с одним наружным каркасом. Как правило, все такие печи выполняются с вентиляторами для принудительной циркуляции атмосферы. Если сечение камеры достаточно велико и требуется обеспечить равномерность нагрева деталей в печи, организовать потоки воздуха при размещении вентилятора и нагревателей в самой камере затруднительно. В таких случаях нагреватели и вентилятор выносят за пределы кладки печи; нагреватели помещаются в отдельной камере, носящей название «калорифер». Вентилятор прогоняет воздух через калорифер, а затем направляет его в печь по нескольким каналам, входные отверстия которых регулируются заслонками таким образом, чтобы обеспечить наибольшую равномерность распределения температур в камере печи. При таком устройстве можно применить мощный вентилятор и, следовательно, обеспечить большие скорости циркуляции воздуха и высокие значения коэффициентов теплопередачи, как в самой печи, так и в калорифере.

Как правило, печи такого типа делаются с замкнутым циклом циркуляции и выходящий из печи воздух вновь засасывается вентилятором и направляется в калорифер.

На рис. 3 показаны конструк­ции камерной печи с электрокало­рифером, у которых такое увеличе­ние потерь сведено к минимуму.

Рис. 3 Камерные печи с принудительной циркуляцией атмосферы

и электрокалорифером

Такие среднетемпературные печи часто применяются для старения деталей из алюминиевых сплавов, так как они обеспечивают высокую равномерность нагрева всей садки.

Конструкция печи с замкнутым циклом циркуляции для нагрева мелких металлических изделий в слое или длинномерных изделий показана на рис. 4.

Рис.5. Шахтная электропечь с рабочей температурой 700 °С

/ — механизм подъема и поворота крышки 2;

3, 4, 5 — верхняя, средняя и нижняя зоны печи;

6 —термопара; 7 — вентилятор; 8 — футеровка; 9 — направляющие;

10 — экран; // — нагреватели.

Это – шахт­ная печь, предназначенная для от­пуска стальных изделий, в которую вставляются выполненные из жаро­упорного материала корзины с ре­шетчатым или перфорированным дном, заполняемые изделиями, под­лежащими нагреву. Нагреватели расположены по бокам печи, вокруг корзины, но они отделены от нее жароупорным экраном с тем, чтобы предупредить прямое излучение и связанный с ним перегрев прилегаю­щих к стенкам корзины изделий. Внизу печи расположен вентилятор, прогоняющий нагретый воздух че­рез корзины. Затем этот воздух рас­ходится по радиусам в кольцевое пространство между корзиной и стенками печи и подогревается, омывая нагреватели.

Печи этого типа изготавливают­ся в настоящее время различных размеров. Наши заводы изготовля­ют серию таких шахтных печей ти­па СШО мощностью от 25 до 160 кВт. Они позволяют проводить нагрев изделий до температуры 760°С и обеспечивают равномер­ность нагрева загрузки до ±5°С. Кроме того, для целей азотирования изготавливаются герметизирован­ные шахтные печи серии США мощ­ностью от 12 до 300 кВт на рабо­чую температуру 650 °С.

Иногда шахтные печи такого ти­па выполняются высотой до 10 — 15м, например, для отжига в вер­тикальном положении труб или про­филей из алюминиевых сплавов. В этом случае расположение нагре­вателей снаружи шахты с изделия­ми обусловливает покрытие тепло­вых потерь непосредственно за счет выделяющегося в нагревателях теп­ла. Благодаря этому циркулирую­щий во внутренней шахте поток воз­духа по достижении заданной тем­пературы почти не остывает, обеспе­чивая равномерную конечную тем­пературу нагрева изделий по высоте канала. При конструировании печей с выносными электрокалориферами необходимо иметь в виду, что увеличение теплоотдающих поверхностей (воздуховоды, калорифер) приводит к увеличенным тепловым потерям.

Задачами в данной лабораторной работе являются: экспериментально исследовать и изучить технологию обработки сыпучих материалов в лабораторной конвекционной сушильной установке, измерить потребляемую мощность установки при сушке материалов.

Методика эксперимента

Для экспериментального изучения технологии обработки сыпучих материалов в конвекционной сушильной установке, измерения потребляемой мощности установки используется следующее оборудование:

-лабораторная конвекционная печь, питающаяся от промышленной сети 220В и частотой 50 Гц;

-устройство для измерения потребляемой мощности лабораторной печи;

-весы для взвешивания сыпучего материала;

-ртутный термометр;

-часы.

Для измерения потребляемой мощности необходимо осуществить подключение лабораторной конвекционной печи и устройства измерения потребляемой мощности так, как показано на рис. 3, в следующей последовательности:

- подключить конвекционную печь к устройству измерения потребляемой мощности, для чего вилку шнура питания печи вставить в розетку на корпусе устройства;

- подключить вилку шнура питания устройства измеряющего потребляемую мощность в сеть питания (220В 550 Гц);

- с помощью двух тумблеров, расположенных в нижней части конвекционной печи, осуществляется дискретное варьирование мощности печи, что и отображается на приборах измерителя потребляемой мощности.

Рис. 5 Измерение мощности конвекционной печи:

а- структурная схема, б- общий вид

Рассмотрим принцип работы конвекционной лабораторной печи по обработке сыпучего материала. Для начала выбирается материал обработки (древесные опилки, нашинкованные фрукты, пшено, рис, горох, силикагель и т.п.).

Выбранный сыпучий материал предварительно увлажняется, после чего производится его взвешивание на весах и замер его начальной температуры. Далее выбранный материал помещается в специальную кювету и помещается в конвекционную печь для сушки при выбранной мощности.

Конструкция конвекционной печи и ее кювет с металлическим сетчатым дном предусматривает хорошее прохождение теплого воздуха от нагревателей, расположенных в нижней части печи, к материалу и обеспечивают тем самым более равномерную обработку. Все пять кювет в конвекционной печи располагаются горизонтально по высоте рабочего печного пространства (этажеркой).

В процессе обработки материала, через равные интервалы времени регистрируется масса материала и его температура.

Техника безопасности

Для того чтобы приступать к выполнению любой лабораторной работы, необходимо пройти инструктаж по технике безопасности в той аудитории, где должны проводиться лабораторные работы и расписаться в журнале по технике безопасности, прикрепленному к данной аудитории.

Следует убедиться в полной исправности печи и комплектующего оборудования. Соединительные провода, шнуры питания не должны иметь повреждений и оголенных участков.

При нарушении нормальной работы лабораторной печи и комплектующего оборудования необходимо сразу отключить печь и комплектующее оборудование от сети питания и сообщить преподавателю.

Все работы должны проводиться в специальных варежках, для исключения возможности получить ожог.

Поскольку в данной лабораторной работе используется ртутный термометр, следует соблюдать осторожность при работе с ним, не бросать и не ударять термометр при измерениях.