Расчёт тепловой работыиндукционной нагревательной печи
Екатеринбург 2010
/>/>/>Реферат
В даннойработе описана индукционная нагревательная печь, служащая для нагрева заготовокиз алюминиевых сплавов перед прессованием на горизонтальном гидравлическомпрессе усилием 19,1 МН.
Произведен тепловой расчет индуктора сквозного нагрева металла.
Введение
Электропечиобладают существенными преимуществами по сравнению с топливными печами:обеспечивают большие скорости нагрева и высокую производительность, легкость иточность регулировки теплового режима, возможность нагрева отдельных участковизделия, легкость герметизации и возможность нагрева в вакууме, лучшиеусловия труда, более высокий КПД (отсутствуют потери с выходящими газами). Основнымнедостатком таких печей является большая стоимость электроэнергии посравнению со стоимостью топлива. Условия теплообмена в рабочем пространствеэлектропечей определяются способом преобразования электрической энергии втепловую.
Виндукционных печах нагрев происходит за счет выделения теплоты непосредственнов нагреваемом металле вихревыми токами, наводимыми в нем переменным магнитнымполем. Данные печи широко применяются в качестве нагревательных печей приобработке цветных металлов и сплавов, а так же для получения особо качественныхизделий, так как в такой печи отсутствует окислительная атмосфера продуктовсгорания топлива.
Применениеиндукционного нагрева взамен нагрева в печах сопротивления позволяет:
–быстро выводить печь на рабочую температуру;
–исключает простои, связанные с перегоранием нагревательного элемента;
–обеспечивает энергосбережение при одно- и двусменной работе;
–обеспечивает равномерную температуру заготовки.
Индукционныйнагрев позволяет эффективно и быстро нагревать проводящие материалы (металлы,графит др.), за счёт наведения в них вихревых токов. Устройство, с помощьюкоторого в нагреваемом теле наводятся вихревые токи, называется индуктором. Киндуктору может быть подведено напряжение промышленной или повышенной (средней,высокой) частоты. От частоты подведённого к индуктору напряжения зависиткоэффициент полезного действия и глубина одновременно нагреваемого слояметалла. Наиболее эффективен нагрев на повышенных частотах.
Постояннорасширяющееся многообразие технологий, в которых применяется индукционныйнагрев, определяет многообразие форм и видов индукторов, функциональный,мощностной и частотный диапазон индукционного оборудования.
Сегодняиндукционный нагрев занимает доминирующее положение в ряде технологий, вытеснивдругие виды нагрева. Например, литейные участки большинства машиностроительныхпредприятий оснащены именно индукционными установками, для пайки инструментаприменяется только ТВЧ-нагрев.
1. Конструкцияпечи
Индукционныенагревательные установки в настоящее время становятся неотъемлемой частьюмногих технологических процессов обработки черных и цветных металлов, чтоопределяет разнообразие их конструкций.
/>
Рис. 1. Схемы индукционных нагревательных установок с проходнымииндукторами разного поперечного сечения: а – круглого; б – квадратного; в — овального;г – щелевого
Длянагрева заготовок по всей длине применяют соленоидные многовитковые проходныеиндукторы круглого, квадратного или прямоугольного сечения (рис. 1, а иб), для местного нагрева концов длинных заготовок (прутки, трубы) – овальные ищелевые (рис. 1,в и а), для нагрева пластин и лент – овальные, для нагрева кольцевыхзаготовок (бандажи колес) – индукторы с замкнутым магнитопроводом аналогичнопринципу работы индукционных канальных печей, при нагреве листового материала –индукторы с поперечным магнитным полем.
В индукционных нагревательных установках заготовкиперемещают толкателем с кривошипным (в кузнечных нагревателях типа КИН-К),реечным, гидравлическим или пневматическим приводом (типа КИН-П), «шагающей»направляющей при возвратно-поступательном ее перемещении внутри индуктора откулачкового механизма (в кузнечных нагревателях типа КИН-Ш); длинные стальныезаготовки перемещают приводными «магнитными» роликами (с постояннымимагнитами), немагнитные – роликовыми протяжными механизмами, когда роликиустанавливают между секциями длинного индуктора. [2]
Нагрев алюминиевых слитков передпрессованием производят в индукционной печи методического действия.
Нагрев заготовок в установкеосуществляется методическим способом, который заключается в последовательномнагреве заготовок до заданной температуры, по мере прохождения их черезиндуктор, состоящий из трех однофазных индукторов, включенных на три фазыпитающей сети.
Индукционная печь представляет собойнагревательную установку, работающую по принципу трансформатора с разомкнутымсердечником, первичной обмоткой которого является индуктор, а вторичной –поверхностные слои нагреваемой заготовки. При действии переменногоэлектромагнитного поля, создаваемого индуктором, в поверхностных слоях слитков,находящихся в этом поле, индуцируются электрические токи, которые разогреваютэти слои заготовки. Передача тепла от поверхностных слоев слитка и егоглубинным объемом осуществляется теплопроводностью.
Для этого метода нагрева характерноналичие температурного перепада по сечению слитка, пропорционально скоростинагрева, то есть мощности, приходящейся на единицу поверхности слитка.
Конструктивноиндуктор, состоящий из трех однофазных индукторов, представляет собой трубу, вкоторую с одного конца загружаются не нагретые слитки, а с другого концавыгружаются нагретые слитки. Продвижение слитков через индуктор производится спомощью толкателя. За один проход толкателя одновременно происходит загрузкаодного слитка в индуктор, продвижение всех слитков, находящихся в индукторе, надлину одного слитка и выгрузка из индуктора одного нагретого слитка. Нагревслитков в индукторе до заданной температуры происходит постепенно по мерепродвижения их по индуктору.
Для постоянного контроля температуры слитка, находящегосяна выходе из индуктора, печь снабжена торцевой термопарой, которая своимиэлектродами постоянно уперта в торец слитка и автоматически отводится в сторонуспециальным механизмом на период выгрузки слитка из индуктора. Кроме контролятемпературы термопара выполняет функцию датчика, по сигналу которогопроизводится включение и отключение индуктора от сети. При нагреве слитка,находящегося на выходе из индуктора, до заданной температуры термопара даетсигнал на отключение индуктора, то есть прекращение нагрева, при охлаждениислитка на 8–15оС ниже заданной – на включение индуктора, то есть навозобновление нагрева.
Для нагреваслитка каждого размера до заданной температуры необходимо определенное времянахождения его в индукторе. Поэтому в зависимости от темпа работы пресса ивозможности печи, возможны следующие варианты работы пресса и печи:
– прессзакончил предыдущий цикл прессования, готов принять новый слиток, печь готовавыдать очередной, нагретый до заданной температуры слиток. Пресс и печьработают синхронно;
– прессготов принять новый слиток, печь не готова выдать очередной слиток, то есть еготемпература не достигла заданной. Пресс и печь работают не синхронно, темпработы пресса превышает темп работы печи;
– прессне готов принять новый слиток, печь готова выдать очередной, нагретый дозаданной температуры слиток. Пресс и печь работают не синхронно, темп работыпресса отстает от темпа работы печи.
Печь можетработать в автоматическом режиме. В этом случае загрузка слитков в печь, ихнагрев и выгрузка нагретых слитков из печи осуществляется автоматически по командеаппаратчика с пульта управления прессом. При необходимости указанная командаможет быть подана с пульта управления печью.
Мощностьиндуктора отрегулирована таким образом, чтобы при нагреве слитков любогоразмера из любого высоколегированного сплава перепад температуры по поперечномусечению слитка не превышал 40оС.
Нагретый дозаданной температуры слиток следует выгружать из индукционной печи не раньше,чем за 2 минуты до задачи его в контейнер.
Исходные данные для расчета представлены втабл. 1.
Таблица1. Техническая характеристика индукционной печиНаименование параметра Величина
Габаритные размеры, мм:
длинна
ширина
высота
7945
1700
1902
Размеры нагреваемых слитков, мм:
диаметр
длина
270
500 Длина индуктора, мм 4200 Максимальная температура нагрева, ºС 550 Производительность печи, кг/ч 2500
Расход воды, охлаждающей индуктор, м3/ч 5 Материал нагреваемых заготовок Алюминий и его сплавы
Температура охлаждающей воды, °С:
– на входе
– на выходе
+20
+40
2. Расчётная часть
Тепловойрасчет индуктора сквозного нагрева металла сводится к определению тепловой, аследовательно и электрической мощности установки сквозного нагрева.
Суммарнаятепловая мощность индуктора складывается из полезной мощности, затрачиваемой нанагрев металла, и из тепловых потерь в окружающее пространство:
/>, (1)
где />– мощность затрачиваемая нанагрев металла, кВт;
/>– тепловые потери, кВт.
Полезнуюмощность индуктора (нагрев заготовок) можно определить по формуле
/>, (2)
где /> – производительность печи,кг/с;
/> – удельная теплоемкостьметалла, />;
/> – разность температурзаготовки после и до нагрева в печи, оС;
/>, (3)
/> – температура заготовкипосле нагрева в печи (температура прессования), оС; /> – температура заготовки донагрева, оС.
При заданныхпроизводительность печи />кг/ч или/>кг/с, удельной теплоемкостьсплава из алюминия />/> [1] и разность температурзаготовки после и до нагрева
/>,
по формуле(2) найдем полезную мощность индуктора (нагрев заготовок) />кВт.
Тепловыепотери складываются из потерь тепла с охлаждающей водой индуктора и потерьизлучением, через выходное отверстие печи:
/>, (4)
где />– потери тепла сохлаждающей водой, кВт;
/> – потери излучением,кВт.
Потери сохлаждающей водой можно определить по формуле.
/>, (5)
где /> – расход охлаждающей воды,кг/с;
/> – теплоемкость воды, />;
/> – разность температурыводы на выходе и входе индуктора, оС.
/>, (6)
где /> – температура воды навыходе из индуктора, оС;
/> – температура воды навходе в индуктор, оС.
При заданных расходеохлаждающей воды />/>, или /> кг/с, теплоемкости воды />/>[2]и разности температуры воды на выходе и входе индуктора
/>,
По формуле(5), найдём тепловые потери с охлаждающей водой
/>кВт.
Потериизлучением можно определить по формуле:
/>, (7)
где /> – температура излучаемойповерхности, К;
/> – температура окружающейсреды, К;
/> – площадь излучаемойповерхности, />;
/>– коэффициент излученияабсолютно черного тела, />.
/>/>, температура излучаемойповерхности />К и /> К.
Площадьизлучаемой поверхности определим по формуле:
/>, (8)
где />– диаметр выходногоотверстия печи, м.
Диаметрвыходного отверстия печи />м, тогдаплощадь излучаемой поверхности />/>.
Потери теплаизлучением по формуле (7):
/> кВт.
Тепловыепотери
/> кВт.
Суммарнаятепловая мощность индуктора
/> кВт.
КПД индуктораможно рассчитать по формуле
/>/>, (9)
тогда
/>
Таблица 2. Тепловой баланс индуктораПриход теплоты Расход теплоты № Наименование статьи Количество № Наименование статьи Количество кВт % кВт % 1 Подводимая мощность к индуктору 506,49 100 1 Нагрев заготовок 388,4 76,7 2 Тепловые потери с охлаждающей водой 116,4 22,7 3 Тепловые потери излучением 1,689 0,33 Итого 506,49 100 Итого 506,49 100
Заключение
После проведенных расчетов получилииндукционную печь с технической характеристикой, указанной в табл. 3.
Таблица 3. Техническая характеристика печи с учетом рассчитанных показателей№ Наименование параметра Ед. изм. Величина 1 Материал нагреваемых заготовок Алюминий и его сплавы 2 Температура нагрева слитков
oС 550 8 Производительность кг/с 0,7 9 Длина индуктора м 4,2 10 Диаметр индуктора м 0,29 11 Расход охлаждающей воды кг/с 1,39 12
Температура охлаждающей воды:
– на входе
– на выходе
°С
°С
+20
+40
Развитиеиндукционного нагрева идет по пути совершенствования его технологии иавтоматизации, в том числе и на основе достижений современной вычислительнойтехники. Расширяется применение высоких температур как при традиционныхспособах нагрева, так и при индукционном плазменном нагреве. В связи с ростоммощности установок и расширением их использования в промышленности особоезначение приобрело совершенствование основной аппаратуры и источников питания,направленное на улучшение энергетических показателей и надежности установок длянагрева проводящих материалов и диэлектриков.
Библиографическийсписок
1. Расчет нагревательных итермических печей: справочник. Василькова С.Б. [и др.] – М.: Металлургия,1983. – 480 с.
2. Тымчак В.М. Конструированиеи расчет нагревательных и термических печей. М.: Металлургия, 1984. – 442 с.
3. СТП УГТУ-УПИ 1–96. Общиетребования и правила оформления дипломных и курсовых проектов (работ).Свердловск: Изд-во УПИ, 1996.