Контрольнаяработа на тему:
РАБОТАИ КОНСТРУКЦИЯ ПЕЧИ
1ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ
Нагрев алюминиевых слитков перед прессованием производят виндукционной печи методического действия типа 1ИНМ-40/100НБ.
Нагрев заготовок осуществляется методическим способом, которыйзаключается в последовательном нагреве заготовок до заданной температуры помере прохождения их через индуктор, состоящий из трех однофазных индукторов,включенных на три фазы питающей сети, и конструктивно представляющих собойтрубу, в которую с одного конца загружаются не нагретые заготовки, а с другоговыгружаются нагретые заготовки.
Индукционная печь представляет собой нагревательную установку,работающую по принципу трансформатора с разомкнутым сердечником, первичнойобмоткой которого является индуктор, а вторичной – поверхностные слоинагреваемой заготовки. При действии переменного электромагнитного поля,создаваемого индуктором, в поверхностных слоях слитков, находящихся в этомполе, индуцируются электрические токи, которые разогревают эти слои заготовки.Передача тепла от поверхностных слоев слитка и его глубинным объемомосуществляется теплопроводностью.
Для этого метода нагрева характерно наличие температурногоперепада по сечению слитка, пропорционально скорости нагрева, то есть мощности,приходящейся на единицу поверхности слитка.
Продвижение заготовок через индуктор производится с помощьютолкателя. За один ход толкателя одновременно проходит загрузка одной заготовкив индуктор, продвижение всех заготовок, находящихся в индукторе, на длину однойзаготовки и выгрузка из индуктора нагретой заготовки.
Нагрев слитков в индукторе до заданной температуры происходитпостепенно по мере прохождения их по индуктору. Чем дальше заготовка находитсяв индукторе, тем выше температура слитка. Максимальную температуру имеетзаготовка, находящаяся на выходном конце индуктора.
Для постоянного контроля температуры слитка, находящегося на выходеиз индуктора, печь снабжена торцевой термопарой, которая своими электродамипостоянно уперта в торец слитка и автоматически отводится в сторону специальныммеханизмом на период выгрузки слитка из индуктора. Кроме того, термопара играетроль датчика, по сигналу которого производится включение и отключение индуктораот сети. Таким образом, при совместной работе установки с прессом, установкаможет находиться в режиме ожидания.
В качестве исходных данных для расчета индукционной нагревательнойпечи имеем начальное и конечное температурные состояния металла, свойстваметалла и технологические ограничения. Исходные данные для расчета представленыв табл.1.
Таблица 1
Исходныеданные для расчета печи№ Наименование параметра Ед.изм. Величина 1 Мощность кВт 750 2 Частота питающего тока Гц 50 3 Число фаз силовой цепи шт 3 4 Напряжение в сети В 380 5 Материал нагреваемых заготовок Алюминий и его сплавы 6
Размеры нагреваемых заготовок:
-наружный диаметр
-длина
мм
мм
400;500
500-1000 7 Максимальная температура нагрева заготовок 0С 540 8
Температура охлаждающей воды:
– на входе
– на выходе
0С
0С
+10…+20
до +50
2 РАСЧЕТНАГРЕВА МЕТАЛЛА
Тепловой расчет нагрева металла в индукционной печи произведен пометодике, изложенной в работе [1].
Заданы: наружный диаметр заготовки D2=0,4м; длина заготовкиl=1,05м; масса заготовки m=260кг; сплав АД33; частота тока f=50Гц.
Время нагрева металла t найдем по формуле
/> ,
где Т0 – температура на поверхности слитка, 0С;
Tц – температура в центре слитка, 0С;
R2 – радиус слитка, м;
/>R2 2 – критерий Фурье;
/> – коэффициент температуропроводности,м2/с;
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К;
с – удельная теплоемкость, Дж/кг∙К;
γ – плотность металла, кг/м3.
/>R2 – относительная глубинаактивного слоя;
/> R2 – относительная координататочки, на наружной поверхности />, на оси (в центре) слитка />.
/> – глубина проникновения токанаходится по формуле
/>/> ,
где f – частота тока, Гц;
ρ – удельное электросопротивление, Ом∙м;
μ – магнитная проницаемость.
Температура прессования алюминиевого сплава АД33 находится винтервале 440 – 490 0С. Температура поверхности слитка То= 4900С. Перепадтемператур между наружной и внутренней поверхностями заготовки в практикедопускается />Т=200С.Тогда Тц=4700С.
Отношение Т0/Тц=1,04.
Для алюминиевых сплавов ρ=0,03∙10-6 Ом∙м [2],μ=1, частота тока в индукторе f=50Гц. Тогда глубина проникновения тока
/>/> 0,0123м.
α= 1-0,0123/0,1375=0,9.
Задаемся τ=0,2.
Согласно [1, табл. П-3]определим значение функций
S(0,9;1;0,2)=0,1013; S(0,9;0;0,2)= — 0,1237.
Следовательно Т0/Тц=(0,2+0,1013)/(0,2-0,1250)=3,9.
Значит τ>0,2.
При τ>0,2 имеем
/> , с.
S(0,9;1)=0,04, S(0.9;0)= — 0,05 [1, стр.236].
Для алюминиевых сплавов при температуре 5000С λ=188,3Вт/м∙К,с=1047Дж/кг∙К, γ=2710кг/м3 [2]. Тогда />6,6∙10-5 м2/с. 0,22
Время нагрева металла составит
/>с.
Зная время нагрева, можно определить среднюю полезную мощностьчерез теплосодержание заготовки
/> , Вт ,
где m — масса слитка, m=260кг;
c – удельная теплоемкость, с=1047Дж/кг∙К;
Tср – средняя по сечению температура слитка, Tср=4600С (733К).
/>=91615 Вт = 91,6кВт.
Удельная полезная мощность
/>
/> ,
/> Вт/м2.
3 КОНСТРУКТИВНЫЙИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТЫ
Для расчета индуктора заданы: наружный диаметр заготовки D2=0,4м;длина заготовки l=1,05м; масса заготовки m=260кг; частота токаf=50Гц; напряжение, подводимое к индуктору Ри=750 кВт.
Расчет индуктора произведем по методике, изложенной в [1].
1. Внутренний диаметр индуктора Dи выбирается из соотношения Dи/Dн=1,2÷2,5; Dи =0,33÷0,69м.
Принимаем диаметр индуктора Dи=0,52м.
2.Внутренний диаметр тепловой изоляции Dиз выбираем из соотношенияDиз — Dн>0,01м.
Принимаем Dиз=0,4м.
3.Длина индуктора определяется по формуле
lи=nl+(1…1,5) Dи ,
где n – количество заготовок одновременно нагреваемых в индукторе, n=t/t0,
t0 – темп выдачи заготовок, примем 700с.
n=2178/700=3,1.
Число заготовок примем n=3, тогда
lи=3∙1,05+0,5=4м.
Изготовление индуктора такой длины нерационально, поэтому индукторвыполним состоящим из 3 секций, соединенных в один блок. Длина одной секциисоставит l1=1,33м.
При выбранном темпе выдачи заготовок производительность печи будетравна П=3600/700=5шт/ч (1300кг/ч).
4.Тепловые потери через стенку изолирующего слоя определяем поформуле
Δ/>,
где λ- коэффициент теплопроводности материала тепловойизоляции;
tвн – температура внутренней стороны изолирующего цилиндра;
tнар – температура наружной стороны изолирующего цилиндра.
В качестве теплоизолирующего материала выберем асбест. Коэффициенттеплопроводности асбеста λ=0,24Вт/м∙К [2].
Температура внутренней стороны изолирующего цилиндра равнаконечной температуре слитка tвн=4700С. А температура его наружной стороныприблизительно равна температуре индуктирующего провода, который прилегает кизолирующему цилиндру tнар=600С.
Δ/>кВт
5.Полная мощность, выделяемая в индукторе для нагрева 3 заготовок
P=Pт∙n+ΔPт
P=91,6∙3+8=282,8 кВт.
6.Термический к.п.д. определяется по формуле
ηt= />/>,
ηt = />.
Электрический к.п.д. определяется по формуле
ηэ= />/>,
где Ри – мощность подведенная к индуктору, она задана и равна Ри=750 кВт.
ηэ = />/>
Полный к.п.д. индуктора равен
η= ηt∙ ηэ ,
η = 0,97∙0,38=0,37
7, Индуктор нагревается током, проходящим по нему, и теплом,теряемым нагреваемыми заготовками через тепловую изоляцию. Полное количествотепла, нагревающего индуктор
/>,
ΔP=91,6∙3(1/0,37-1)=467,2 кВт.
Тепловой баланс индуктора представлен в табл.2.
Таблица 2
Тепловойбаланс индуктораСтатьи Приход Статьи Расход кВт % кВт % Мощность, подводимая к индуктору 750 100 Нагрев слитков 282,8 37,7 Нагрев индуктора током 459,2 61,2 Потери тепла через стенку изолирующего цилиндра 8 1,1 Итого 750 100 Итого 750 100
4ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Расчет произведен по методике изложенной в работе [1].
1.Активное r2 и внутреннее х2м реактивное сопротивление заготовки
/>/>, Ом;
/> , Ом.
ρ2 — удельное электросопротивление материала заготовки,ρ2=0,03∙10-6Ом∙м.
m2=/>,
m2=0,4/1,4∙0,123=23,2
При m2=23,2 согласно [1, табл.11-1] А=0,09; B=0,09.
r2=3,14∙0,03∙10-6∙23,2∙0,09/1,05=1,87∙10-7Ом,
x2м=1,87∙10-7 Ом.
2. Реактивное сопротивление
/> ,
где k1=f(Du/l),находится по графику [1, рис.5-6]. k1=f(0.125)=0,96.
/> ,
где μ0 — магнитная проницаемость вакуума, μ0 =4π-7∙10-7[1];
Su – площадь окна индуктора, м2,
Su= πDu2/4 =3,14∙0,52/4=0,196 м2.
/> Ом;
/>/> Ом.
3, Реактивное рассеяние индуктора находится по формуле
/> ,
/> Ом.
4, Коэффициент приведения активного сопротивления заготовки
c =/> ,
с=/>.
5. Приведенное сопротивление заготовки
r2’=r2c,
r2’=1,87∙10-7∙0,019=3∙10-9 Ом.
6, Приведенное реактивное сопротивление заготовки
х2’=/>,
х2’=0,019/>=3,4∙10-5Ом.
7.Толщину индуцирующего провода выбираем по возможностиоптимальной, d1≈1,6Δ1.
Материал для индуцирующего провода – медь. Δ1 – глубинапроникновения тока в медь, Δ1=0,07//>=0,07//>=9,8∙10-5 м.
Толщину выбираем равной d1=15мм.
8, Активное r1 сопротивление индуктирующего провода
r1=r1n∙kr, Ом,
r1n =/>, Ом,
где ρ1 – удельное электросопротивление материала провода, длямеди ρ1=2∙10-8 Ом∙м [1];
D’u=Du+Δ1,
D’u=0,5+0,0098=0,51
g – коэффициент заполнения, g=0,85…0,9 [1].
d1/Δ1=0,015/0,0098=1,5.
При d1/Δ1=1,5 kr=f(d1/Δ1)=1,4. [1, рис.5-9].
/> Ом.
9, Реактивное х1 сопротивление индуктирующего провода
/> , Ом,
При d1/Δ1=1,5 kх=f(d1/Δ1)=1,2. [1, рис.5-9]; k1=0,96.
/>Ом.
10. Эквивалентные активное, реактивное и полное сопротивленияиндуктора
rэ= r1+ r2’=0,88∙10-6+3∙10-9=8,83∙10-7 Ом;
xэ= x1+ x2’=0,75∙10-6+3,4∙10-9=4,2∙10-7 Ом;
zэ=/>Ом.
11. Коэффициент мощности индуктора
cosφu=rэ/zэ=0,05
12. Ток в одном витке индуктора определяется по формуле
I’u=/>,
I’u=/>А.
13. Плотность тока в индукторе
/> ,
/> А/мм2, что допустимо (/>
14. Напряжение на одном витке индуктора
U’u=I’u∙zэ,
U’u=9,7∙106∙4,2∙10-5=40,7 В.
15. Число витков индуктора
ω= Uu/ Uu’ ,
ω =380/40,7=9,3. Принимаем ω =9 витков.
Высота витка
b=lug/(ω +1), b=0,023м.
16. Ток в индукторе
Iu= I’u∙ω ,
Iu=873А.
17. Активное, реактивное и полное сопротивление индуктора
ru= ω2∙ rэ, ru=0,7∙10-4 Ом;
xu= ω2∙ xэ, xu=3,4∙10-2 Ом;
zu= ω2∙ zэ, zu=3,4∙10-2 Ом.
5РАСЧЕТ ОХЛАЖДЕНИЯ ИНДУКТОРА
Индуктор для сквозного нагрева изготавливается многовитковым ипредставляет для воды, протекающей через него, большое гидравлическоесопротивление. Для того чтобы обеспечить необходимое для охлаждения индуктораколичество воды при заданном давлении на входе, требуется выбратьсоответствующее внутреннее сечение трубки. Его можно определить расчетным путемпо известному количеству тепла, которое должно быть отведено водой.
Расчет произведен по методике изложенной в работе [1].
Для расчета заданы температура охлаждающей воды на входе Tвх=+100С, на выходе Tвых=+50 0С.
1. Из теплотехнического расчета известно полное количество тепла,нагревающего индуктор
ΔP=467,2 кВт.
2. Количество охлаждающей воды
W=/>/>,
W=(0,24∙467,2/40)∙10-3=28∙10-4 м3/с
3. Площадь отверстия трубки
S=W/ν ,
где ν – скорость воды примем ν=2м/с.
S=28∙10-4/2=14 см2.
Выберем трубку с внутренним диаметром d=1,9 см или прямоугольнуютрубку с внутренним отверстием 2,0×1,45см.
4 Проверкана турбулентность. Наилучшее охлаждение имеет место в том случае, если движениеводы является турбулентным (вихревым), что получается при достаточной скоростиее течения. При этом происходит интенсивное перемешивание воды в трубке.
При турбулентном движении воды должно удовлетворяться неравенство
Re=/>>2300,
где Re – критерий Рейнольдса; ν- скорость воды, м/с; μ’ –кинематическая вязкость воды, м2/с; D0 – гидравлический эквивалент диаметра, м.
Гидравлический эквивалент диаметра находится по формуле
/> ,
где F- внутренний периметр трубки, участвующий в теплообмене, F=6,9 см.
/> м.
Значение кинематической вязкости принимаем в зависимости отсредней температуры Tср=(10+50)/2=30 0С μ’=0,84∙10-6м2/с [1,стр.182].
Re=193236>2300, движение воды турбулентное.
5 Перепаддавления по длине трубки
/> ,
где λ1 – коэффициент сопротивления при шероховатости первогорода, λ1= 10-2(k/D0)0,314 ;
k – коэффициент шероховатости первого рода, k=1,5÷5м (всреднем можно считать, что k=3м);
l –длина трубки индуктора, l=πD1срω;
D1ср – средний диаметр витка;
ω – количество витков, ω=9.
λ1= 0,058; l=31,4м.
/> Па.
Чтобы учесть возможные местные уменьшения сечения трубки припайке, а также повороты у выводов, следует полученный результат увеличить в 1,5раза
/> Па.
При питании индуктора водой от городского водопровода перепаддавления не должен превышать 2∙105 Па. Так как полученное значение выше 2∙105Па, необходимо поделить индуктор по охлаждению на несколько секций.
6 Числоветвей (секций) найдем по формуле
/>,
где Δpn – допустимый перепад давления.
/>.
Число ветвей примем n=2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
После проведенных расчетов получили индукционную печь стехнической характеристикой, указанной в табл.3.
Таблица 3
Техническаяхарактеристика печи с учетом рассчитанных показателей№ Наименование параметра Ед.изм. Величина 1 Мощность кВт 750 2 Частота питающего тока Гц 50 3 Число фаз силовой цепи шт 3 4 Напряжение в сети В 380 5 Материал нагреваемых заготовок Алюминий и его сплавы 6
Размеры нагреваемых заготовок:
-наружный диаметр
-длина
мм
мм
400;500
500-1000 7 Tемпература нагрева слитков 0С 470 8 Темп выдачи нагретых слитков с 700 9 Производительность при нагреве до 470 0С
шт/ч
кг/ч
5
1300 10 Длина индуктора м 4 11 Диаметр индуктора м 0,52 12 Ток в индукторе А 837 13 Расход охлаждающей воды м3/с 28∙10-4 14 Давление воды в системе охлаждения МПа 0,6 15
Температура охлаждающей воды:
– на входе
– на выходе
0С
0С
+10…+20
до +50