Xreferat.com » Рефераты по промышленности и производству » Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию


Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»


Институт КП МТО

Кафедра МТНМ


ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

1. Теплообмен в топливных и электрических печах


Топливные печи. Дымовые газы, заполняющие рабочее пространство топливной печи, передают тепло лучеиспусканием и конвекцией нагреваемым изделиям и стенкам печи. Последние излучают тепло на изделия. Все эти процессы учитываются при определении коэффициента теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием рассчитывается по формуле


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении,


где Методология выбора материалов и технологий в машиностроениистепень черноты поверхности изделия;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениикоэффициент, учитывающий взаимные процессы лучеиспускания дымовых газов, изделий и стенок печи. Коэффициент Методология выбора материалов и технологий в машиностроении выражается следующей формулой


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении,


где Методология выбора материалов и технологий в машиностроениистепень развития кладки, ее численное значение приблизительно равно отношению суммарной внутренней поверхности стенок и свода печи Методология выбора материалов и технологий в машиностроении к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении,

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениистепень черноты дымовых газов;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениитемпература дымовых газов в рабочем пространстве печи, К;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениисредняя температура нагреваемого металла, К, определяемая следующим образом


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


где Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииначальная температура металла, К;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииконечная температура металла, К.

Степень черноты дымовых газов зависит от их состава. В состав печных дымовых газов входят азот (N2), углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Одно- и двухатомные газы имеют ничтожно малую интенсивность теплового излучения. Поэтому степень черноты дымовых газов определяется из выражения


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении,


где Методология выбора материалов и технологий в машиностроениистепень черноты углекислого газа;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииусловная степень черноты водяного пара;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениипоправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара.

Степень черноты газа зависит от его температуры, парциального давления р и средней эффективной длины лучей в рассматриваемом газовом объеме Методология выбора материалов и технологий в машиностроении. Величина р (Н/см2) численно равна объемной доле газа в составе продуктов горения. Величину Методология выбора материалов и технологий в машиностроении приближенно можно определить так

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении,


где Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииобъем, заполненный излучающим газом, м3;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииплощадь всех стенок, ограничивающих этот объем, м2.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при турбулентном движении воздуха или продуктов сгорания в каналах можно определить с помощью следующей приближенной формулы


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении,


где Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииприведенная (0 ˚С; 1,013Методология выбора материалов и технологий в машиностроении Па) скорость движения газов;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииэквивалентный диаметр канала, м.

Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием Методология выбора материалов и технологий в машиностроении и конвекцией Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении.


Величина перепада температуры по толщине изделия зависит от отношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад температуры по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления изделия к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется критерием Био (Методология выбора материалов и технологий в машиностроении)

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении,


где Методология выбора материалов и технологий в машиностроениивнутреннее термическое сопротивление изделия;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениивнешнее термическое сопротивление;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениикоэффициент теплоотдачи;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениикоэффициент теплопроводности металла;

Методология выбора материалов и технологий в машиностроениихарактерный геометрический размер изделия: для пластины половина ее толщины при двустороннем нагреве и полная толщина в случае одностороннего нагрева.

За условную границу между тонкими и массивными изделиями можно принять такое значение критерия Методология выбора материалов и технологий в машиностроении, при котором погрешность определения времени нагрева изделия без учета перепада температуры в сечение изделия не будет превышать 5 % от действительной продолжительности нагрева.

В соответствии с этим условием изделия можно считать тонкими в тепловом отношении, если Методология выбора материалов и технологий в машиностроении.

Электрические печи. В электрических печах без искусственной циркуляции воздуха основным видом теплообмена, определяющим нагрев изделий, является теплообмен лучеиспусканием. Конвективный теплообмен в результате свободного движения воздуха около поверхности нагреваемого изделия имеет небольшую интенсивность. Поэтому коэффициент теплоотдачи определяется формулой теплообмена лучеиспусканием, в которой конвективный теплообмен учитывается поправочным коэффициентом:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(20)


где εп - приведенная степень черноты изделий и внутренней поверхности рабочей камеры печи;

Т1 - температура печи, °К;

T2ср - средняя температура изделий, °К; определяется по формуле (8);

εк - поправочный коэффициент, учитывающий конвективный теплообмен, (εк ≈ 1,05…1,1).

Приведенная степень черноты εп определяется следующим образом:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


где ε1- степень черноты внутренней поверхности рабочей камеры печи;

ε2- степень черноты изделий;

F1 - величина внутренней поверхности рабочей камеры печи, излучающей тепло на изделия, м2;

F2 – площадь поверхности изделий, воспринимающая тепловое излучение, м2.

В частном случае, если поверхность изделий, воспринимающая тепловое излучение, много меньше внутренней поверхности рабочей камеры печи (F1 << F2), то на основании выражения (21)

εп = ε2

В электрических печах с искусственной циркуляцией воздуха (в конвекционных печах) при определении коэффициента теплоотдачи на поверхности изделия необходимо учитывать и теплообмен лучеиспусканием, и конвективный теплообмен, т. е.


α=αл +αк


Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формуле, аналогичной уравнению (20):

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(22)


Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией можно применять формулу (11) или (12).

В частном случае, при нагреве длинномерных изделий (профилей, труб, прутков, листов и т. д.) из алюминиевых сплавов в низкотемпературных конвекционных печах до температуры печи t2k ≈ t1 величина коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий (таб. 4).


2. Расчет нагрева «тонких» изделий в печах периодического действия


Переменная температура печи при постоянном расходе тепла

С целью максимального использования установленной мощности электрической печи ее величину уменьшают по сравнению с рассчитанной по формуле (25). Это обеспечивает работу печи во время нагрева изделий в основном без отключения. Уменьшение установленной мощности приводит к снижению температуры в рабочей камере печи после загрузки холодных изделий. По мере нагрева изделий температура печи повышается, при этом мощность печи остается постоянной. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура печи не достигнет заданной величины. После этого необходимо уменьшать мощность печи (или расход энергии), чтобы сохранить постоянной температуру в рабочей камере.

Таким образом, процесс нагрева изделий в электрической печи периодического действия можно разбить на два этапа: нагрев при постоянной мощности, но переменной температуре печи и нагрев при переменной мощности (при переменном расходе энергии), но постоянной температуре печи. Расчет продолжительности второго этапа выполняется по рассмотренным ранее формулам. Определим продолжительность первого этапа. Для первого этапа нагрева изделий справедливо равенство:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении (30)


где Nп - полезная мощность печи, расходуемая на нагрев изделий, кВт.

Связь между Nп и Ny следующая:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


Исходя из равенства (30), тепловой баланс изделия может быть выражен уравнением


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении (31)


где Gс - масса садки изделий в печи, кг.

В начальный момент времени температура изделий равна t2н конце первого этапа нагрева на основании выражения (30) она равна:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(32)


где t1y- установленная температура печи.


Интегрируя уравнение (31) в данных пределах, получим следующее выражение, определяющее продолжительность первого этапа нагрева изделий:

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(33)


На основании формул (27) и (32) можно определить продолжительность второго этапа нагрева τ2:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(34)


Следовательно, полное время нагрева изделий в печи с уменьшенной установленной мощностью определяется следующим образом:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(35)


Чтобы во время нагрева изделий печь работала в основном без отключения или переключения на меньшую мощность, необходимо в течение первого этапа обеспечить нагрев изделий до температуры, близкой к конечной температуре нагрева, т. е:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(36)


где k - коэффициент, учитывающий соотношение между температурой нагрева изделий в течение первого этапа и их конечной температурой (k = 0,85…0,95).

Из равенства (36) можно определить количество изделий n, которое необходимо загрузить в печь, чтобы максимально использовать ее установленную мощность:

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(37)


Рассчитав по формуле (37) количество изделий, необходимо сравнить получающуюся при этом продолжительность нагрева изделий [по формуле (35)] с допустимой по технологии.


3. Особенности нагрева длинномерных изделий в электрических конвекционных печах периодического действия


Большое количество различных длинномерных полуфабрикатов (профили, трубы, листы и т. д.) изготавливается из алюминиевых сплавов. Для термической обработки этих изделий широкое применение находят электрические конвекционные печи.

В конвекционной печи (рис. 5) при помощи вентилятора 1 создается циркуляция воздуха. Нагретый до заданной температуры в камере с нагревательными элементами 2 воздух поступает в рабочую камеру 5 печи, где помещаются длинномерные изделия 4. Перемещаясь вдоль изделий, воздушный поток 3 нагревает их, а сам при этом охлаждается. Максимальное охлаждение воздуха происходит в начальный момент, после загрузки холодных изделий в печь.


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

Рисунок 5 – Схема электрической конвекционной печи

По мере нагрева изделий повышается и температура воздушного потока. Следовательно, температура воздуха меняется в процессе нагрева садки длинномерных изделий как по длине рабочей камеры, так и во времени. В результате этого процесс нагрева изделий по длине будет неравномерным. Скорость нагрева ближнего по направлению воздушного потока конца садки будет больше, чем дальнего.

При расчете времени нагрева длинномерных изделий в конвекционных печах необходимо определять время нагрева дальнего конца садки, так как лишь за это время садка полностью нагреется до заданной температуры.


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

Рисунок 6 – Номограмма для определения продолжительности нагрева длинномерных изделий в конвекционных печах


Продолжительность нагрева дальнего конца садки определяется с помощью номограммы (рис. 6), построенной на основании аналитического решения задачи о нагреве длинномерных изделий в конвекционных печах [5]. При выполнении расчетов с помощью этой номограммы необходимо, прежде всего, вычислить значения критериев Кх и Кt


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


где ср - теплоемкость воздуха при температуре печи, дж/(кг · ° С);

рв - плотность воздуха при температуре, печи, кг/м3;

V - объем воздуха, проходящего через сечение рабочей камеры печи в единицу времени, или производительность вентилятора, м3/с;

Рс - поверхность садки длинномерных изделий, м2;

t1вх- температура воздушного потока на входе в рабочую камеру печи, °С.

По номограмме необходимо найти соответствующее этим критериям значение критерия Kτ, с помощью которого определяется время нагрева дальнего конца садки:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении (38)


Продолжительность нагрева ближнего конца садки определяется по формуле (27), так как температура воздушного потока на входе в рабочую камеру печи tвх- постоянная, т. е:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(39)

где Тб.к - время нагрева ближнего конца садки, с.

Разница во времени нагрева дальнего и ближнего концов садки, т. е. неравномерность процесса нагрева садки, зависит в основном от величины критерия Кх. Если величина Кх ≤ 0,1, то время нагрева начального конца садки не превышает более чем на 10% время нагрева ближнего конца. При практических расчетах такой неравномерностью процесса нагрева садки, как правило, можно пренебречь. Следовательно если Кх ≤ 0,1, то с достаточной для практики степенью точности можно считать, что процесс нагрева садки происходит при постоянной температуре воздушного потока в рабочей камере печи. В этом случае время нагрева садки определяется формулой (27).

На равномерность нагрева садки длинномерных изделий в конвекционной печи большое влияние оказывает количество изделий в садке. С увеличением количества изделий растет неравномерность процесса их нагрева, так как увеличивается поверхность садки и величина критерия Кх .

Неравномерность процесса нагрева садки листов в конвекционной печи зависит от расстояния между листами в садке. Садка листов де лит рабочую камеру печи на ряд каналов с практически самостоятельными воздушными потоками (рис. 7,а). Вследствие этого при расчете времени нагрева садки листов целесообразно рассматривать нагрев одного листа, заменив соответственно часовой объем воздуха, проходящего через рабочую камеру печи, часовым объемом воздуха, проходящего между двумя соседними листами, т. е.


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(40)


где ωt- скорость воздушного потока, м/с;

b - ширина листа, м;

h - расстояние между листами в садке, м.

В этом случае критерий Kx определяется так:

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(41)


где L - длина листа в направлении воздушного потока, м. Так как с увеличением h величина Kx уменьшается, снижается также неравномерность процесса нагрева листов.


Методология выбора материалов и технологий в машиностроенииМетодология выбора материалов и технологий в машиностроенииМетодология выбора материалов и технологий в машиностроении

Рисунок 7 – Расположение садки листов в рабочей камере конвекционной печи (а) и влияние расстояния между листами на продолжительность их нагрева (б)


На рис. 7, б даны результаты расчета с помощью номограммы рис. 6 зависимости между временем нагрева и расстоянием между листами из дюралюминия: размер листа 4 х 1 м, толщина 2 мм, температура нагрева листов 495° С, температура воздушного потока 500° С, его скорость 10 м/с.

Расстояние между листами в садке при заданной неравномерности процесса нагрева можно определить следующим образом. По формуле (27) определяется время нагрева ближнего конца садки. К его величине добавляется допустимая разница во времени нагрева дальнего и ближнего концов садки и определяется время нагрева дальнего конца. Это позволяет рассчитать величину критерия Kτ , рассчитывается также критерий Kt. По критериям Kτ и Kt и номограмме рис. 6 определяют значение критерия Кх , на основании которого вычисляют расстояние между листами


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении (42)

Приведенная методика расчета продолжительности нагрева длинномерных изделий справедлива лишь при условии, если температура воздушного потока на входе в рабочую камеру печи в процессе нагрева

изделий остается постоянной. Однако при недостаточной величине установленной мощности печи, а именно:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении (43)

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении


Если температура воздушного потока на входе в рабочую камеру печи в первый период нагрева изделий уменьшается по сравнению с заданной (t1вх). Это приводит к увеличению продолжительности нагрева длинномерных изделий. В данном случае время нагрева дальнего конца садки равно


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(44)


где величина Kτ определяется по номограмме рис. 6, ∆K - по номограмме рис. 8. Продолжительность нагрева ближнего конца садки определяется формулой, аналогичной формуле (35):

Методология выбора материалов и технологий в машиностроении (45)


4. Расчет нагрева «тонких» изделий в методических печах


Электрические печи с преобладанием излучения.

Методические печи в большинстве случаев по длине делятся на несколько отдельно регулируемых тепловых зон. Нагревательные элементы в пределах одной зоны обычно размещаются равномерно. Поэтому каждая зона характеризуется постоянным тепловым потоком, передаваемым лучеиспусканием на тепловоспринимающую поверхность изделий. Температура зоны печи по мере нагрева изделий повышается в соответствии с основным уравнением теплообмена излучением:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(46)


где qл - интенсивность теплового потока (излучением),

Т1 - температура в данной зоне печи, К;

Т2 - температура изделий, °К;

εп - приведенная степень черноты изделий и внутренней поверхности печи.

Интенсивность теплового потока qл связана с полезной мощностью зоны:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(47)


где N'п - полезная мощность зоны печи, кВт;

F' - тепловоспринимающая поверхность изделий в зоне, м2.

Итак, температура зоны определяется следующим выражением:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(48)


При этих условиях уравнение теплового баланса аналогично уравнению (31)


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(49)


где G’ - масса загрузки изделий в одной зоне, кг.

Интегрируя уравнение (49) в пределах от начальной температуры изделий Методология выбора материалов и технологий в машиностроении до конечной Методология выбора материалов и технологий в машиностроении в данной зоне, получим следующую формулу, определяющую продолжительность нагрева изделий в зоне:


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(50)


Масса загрузки изделий в зоне равна


Методология выбора материалов и технологий в машиностроении(51)


где g’ - нагрузка на метр пода печи, кг/м;

V - длина зоны, м.

Для первой зоны печи Методология выбора материалов и технологий в машиностроении= Методология выбора материалов и технологий в машиностроении , для последней зоны

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: