Околович Г.А. Нагрев и нагревательные устройства

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки

Российской Федерации

ГОУ ВПО

Алтайский государственный технический

университет

им. И.И. Ползунова

Г.А. ОКОЛОВИЧ

НАГРЕВ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ

УСТРОЙСТВА

Учебное пособие

Издание второе, переработанное и дополненное.

Рекомендовано Сибирским

Региональным учебно-методическим

центром высших учебных заведений

(УМО) в качестве учебного пособия для

студентов технических вузов

специальности 12.04.00 от 21 июня 1999г.

Барнаул 2010

УДК 621.733.69.001.24(075.3)

Околович Г.А. Нагрев и нагревательные устройства: Учебное

пособие предназначено для студентов специальности 150201

"Машины и технология обработки металлов давлением"/ Алт. гос.

техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во Алт ГТУ, 2010.-172с.

В учебном пособии излагаются теоретические основы нагрева

металла в кузнечных цехах машиностроительных заводов.

Рассмотрены темы сжигания топлива, механики печных газов,

теплопередачи, режимов нагрева и термической обработки поковок:

типы нагревательных устройств, их проектирования и эксплуатации. В

отличии от подобных изданий подробно приведены режимы и способы

термической обработки поковок в кузнечных цехах, а так же

показатели индукционного и электрического нагрева.

Предназначено для студентов специальности «Машины и

технология обработки металлов давлением» и инженерно-технических

работников машиностроительных предприятий.

Рецензенты:

Зав.каф.,д.т.н.,проф.(ГКТУ) В.Г.Бабкин

Гл.металлург АО "Сибэнергомаш" Ф.Ф. Лапшаков,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………… 5

ГЛАВА 1 ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ……………………… 6

1.1 Виды топлива и его состав…………………………………..... 6

1.2 Горение топлива………………………………………………..

1.3 Расчет потребного количества воздуха (горения топлива)….

1.4 Температура горения……………………………………………

1.5 Сжигание жидкого топлива…………………………………....

1.6 Сжигание газообразного топлива ………………………..

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………

ГЛАВА 2 МЕХАНИКА ПЕЧНЫХ ГАЗОВ………………………..

2.1 Основные законы газового состояния…………………………

2.2 Уравнение Бернулли………………………………………….....

2.3 Движение газов в печах…………………………………………

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………

ГЛАВА 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ПЕЧАХ И ЗАГОТОВКАХ…….

3.1 Передача тепла теплопроводностью…………………………...

3.2 Передача тепла конвекцией………………………………….....

3.3 Передача тепла излучением…………………………………….

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………

ГЛАВА 4 НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛА………………

4.1 Явления, происходящие в металле при нагреве………….……

4.2 Режимы нагрева ……………………………………………

ГЛАВА 5 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОКОВОК…………...

5.1 Охлаждение стальных поковок…………………………….…...

5.2 Противофлокенная обработка…………………………….……

5.3 Окончательная термическая обработка………………………..

5.4 Термомеханическая обработка стали…………………………..

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………

ГЛАВА 6 НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА………………….

6.1 Подразделение пламенных печей………………………………

6.2 Проектирование и расчет пламенных печей…………………..

6.3 Тепловой баланс пламенной печи……………………………...

6.4 Теплообменные аппараты………………………………………

6.5 Электрические печи сопротивления…………………………...

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………

ГЛАВА 7 ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ…………………………..

100

7.1 Изменение физических свойств нагреваемого металла………

104

7.2 Устройство и виды индукционных установок…………….......

109

7.3 Расчет индуктора для нагрева крупных заготовок …………..

112

7.4 Преимущества и недостатки индукционного нагрева………..

115

7.5 Электроконтактный нагрев металлов………………………….

116

7.6 Электрические характеристики установок…………………….

120

7.7 Расчёт КПД установки ………………………………….

121

7.8 Технико-экономические показатели индукционного и

контактного электронагрева………………………………………..

122

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………

123

ГЛАВА 8 НАГРЕВ И ТЕРМООБРАБОТКА В КИПЯЩЕМ

СЛОЕ…………………………………………………………………

123

8.1 Расчёт установки с кипящим слоем………………………........

126

8.2 Характеристики наполнителя кипящего слоя……………........

128

8.3 Методика расчёта………………………………………………..

139

ГЛАВА 9 ВАКУУМНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ……..

152

9.1 Оборудование для вакуумной термической обработки………

154

9.1.1 Универсальные вакуумные печи……………………………..

156

9.1.2 Горизонтальные вакуумные печи…………………………….

160

9.1.3 Технология вакуумной технической обработки

167

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………..

169

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ………………………………….

171

ВВЕДЕНИЕ

Пластическая деформация металла и его термическая обработка

выполняются при высоких температурах в нагревательных устройст-

вах. Основными агрегатами, в которых выделяемая теплота расходует-

ся для нагрева металла, являются печи.

Печи находят широкое применение в горячих цехах машино-

строительных заводов: кузнечно-штамповых, термических, литейных

и других отраслей промышленности.

Печная теплотехника

прошла сложный путь развития. В конце

XVIII в. И.И Ползунова изобрёл паровую машину. Использование её

взамен водяных колёс в качестве привода для воздуходувок резко уве-

личило производство чугуна.

Увеличивающаяся потребность в стали обусловила поиски новых

способов производства, которые привели к открытию бессемеровского

и томасовского процессов, осуществлённых в принципиально новых

конструкциях

печей.

Возрастающие требования к качеству металла потребовало соз-

дание мартеновских печей для переплава скрапа. Широкое распро-

странение этих печей было обусловлено удачным использованием ре-

генераторов, позволивших получить высокие температуры, необходи-

мые для выплавки стали.

Обобщая результаты опытов по улучшению производства пу-

шечных сталей пушечных стволов Д.К. Чернов создал основы

новой

науки - термообработка стали. В 1868 г. в Париже он доложил о своём

открытии диаграммы железо-углерод.

Печная теплотехника развивается на основе достижений химии,

физики, математики, механики, электротехники и др. наук.

Основоположниками науки печной теплотехники считают М.В.

Ломоносова, сформулировавшего закон сохранения энергии. Частным

случаем этого закона является уравнение Бернулли и Фурье

, Первое -

одно из основных уравнений газодинамики, второе используют при

описании процессов передачи теплоты теплопроводностью.

ГЛАВА 1 ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ

1.1 Виды топлива и его сжигание

Топливо - вид горючего, которое используется для получения

тепловой энергии. Для того, чтобы отнести горючее к топливу оно

должно обладать следующими признаками:

1 Высокая теплотворная способность.

2 Продукты горения должны быть газообразными и безвредными.

3 Процесс сжигания управляемым.

По техническому составу топливо подразделяется на твердое,

жидкое и газообразное

. Каждое из них может быть естественным и

искусственным. Основными составляющими топлива, находящимися в

химическом соединении являются углерод, водород, кислород, азот,

сера, зола

(А), влага (W). Углерод, водород, S -горючая часть топлива.

Все остальное - негорючее- балласт. Совокупность всех компонентов,

входящих в состав топлива, включая влагу, составляет рабочее

топливо,

%100=+++++=

ppppppр

WASNOHС

. (1.1)

В процессе подогрева из топлива сначала выделяется влага, а

затем горючие, летучие вещества в виде углеводородов и других газов.

Теплота сгорания - это количество тепла, которое выделяется

при сгорании 1 т или 1 м

топлива.

УГЛЕРОД - твердое вещество, воспламеняющееся при

t=600

С.

При сгорании выделяет значительное количество тепла

./128005.0

;/105005.0

;/34000

кгкДжСООCO

кгкДжCOОС

иликгкДжCOOС

±=+

ВОДОРОД - это газ, воспламеняющийся при

t = 600

С.

./143000)(5.0

;/121000)(5.0

222

кгДжкOHОH

кгкДжOHОH

вода

пар

±=+

СЕРА. При горении серы выделяется тепло. Однако сера в

топливе нежелательна, так как сернистый газ взаимодействует с

металлом, придавая ему красноломкость, а уходя вместе с продуктами

горения, разъедает металлическую арматуру и отравляет окружающую

среду. Влага, зола, азот, кислород - балласт топлива, однако для

процесса горения кислород необходим.

В соответствии с элементарным анализом твердое и жидкое топ-

ливо условно подразделяется на следующие составные (таблица 1)

Таблица 1

Обозначения С H

О ОРГАНИЧЕСКАЯ

МАССА

Г ГОРЮЧАЯ МАССА

С СУХАЯ МАССА

Р РАБОЧЕЕ ТОПЛИВО

Все расчеты топлива ведутся по составу рабочего, однако для

расчета задается топливо по его элементарному анализу, то есть

; Н

; О

; N

; S

; A

; W

Для пересчета заданного состава на рабочее топливо пользуются

следующей формулой:

ХКК

заданноетребуемое

⋅

, (1.2)

где

требуемое

- процентное содержание компонента, состав

которого требуется определить.

заданное

- процентное содержание заданного компонента,

Х - коэффициент пересчета.

Пример. Пересчитать на рабочую массу заданный состав мазута:

85 % C

; 11,8 % Н

; 0,2 % О

; 0,6 % N

; 2,3 % S

; 0,3 % A

; 10 % W

Содержание золы в рабочей массе:

%.1.2897.03.2S%;6.0897.06.0N

%;2.0897.03.0О%;6.10897.08.11H

%;2.76897.085100/)WА100(CC

тогда%;27.09.03.0100/)W100(АА

pрГp

pср

=⋅==⋅=

=⋅=−−=

=⋅=−=

897.0=−=

рр

ЦАХ

- коэффициент пересчета.

Различают два вида теплоты сгорания: низшую

и высшую Q

При определении

учитывается тепло, затраченное на испарение

влаги топлива, а также влаги, образованной при сгорании водорода.

Для определения

тепло, затраченное на испарение влаги не

учитывается. При расчете нагревательных устройств принимаем

низшую теплоту сгорания, т.к. испарившаяся влага не отдает свое

тепло в рабочем пространстве, а удаляется с продуктами горения.

WqQQ

ВЛВH

⋅

(1.3)

где

вл

- удельная теплота, затраченная на испарение 1кг влаги,

кДж/кг.

W - количество влаги в топливе (кг).

Различное топливо имеет разную теплоту сгорания. Для

сравнительной оценки различных видов топлива при нормировании

его расхода используют понятие условного топлива.

Условным топливом принято называть топливо с низшей

теплотой сгорания (29310 кДж/кг). Для перевода любого топлива в

условное следует разделить величину его теплоты сгорания на

29310кДж

, т.е. найти эквивалент данного топлива: для мазута 1,37-

1,43; для природных газов: от 1,2 до 1,4.

усл

HЭ

QQК /≈

- калорийный эквивалент (1.4)

Пример. Вычислить теплоту сгорания мазута, имеющий

следующий состав:

76,2 % - C

; 10,6 % - Н

; 0,2 % - O

; 0,6 % - N

;

2,1 %

и 10% - W

./367072502071092025830

1025)1.22.0(1096.1010302.76339

25)(1091030339

кгкДж

WSOHCQ

pppppp

=−++=

=⋅−−−⋅+⋅=

=−−−+=

К основным сортам топлива относятся.

1 Твердое -

каменный уголь с

теплотой

сгорания

= =27400 кДж/кг;

2 Жидкое - мазут, который представляет остатки, образующиеся

после перегонки из нефти бензина, керосина и легроина.

./42000%,21%,5.01.0

%,05.0%,2.1%,12%,86

0000

кгкДжQWS

AWOHС

PГ

=−=−=

==+==

В зависимости от содержания парафиновых соединений, которые

составляют от 1,5 до 15%, мазут подразделяется на марки: 20, 40,..,

100,200. Номер показывает условную вязкость при температуре 50

С.

В зависимости от содержания серы мазут подразделяется на мало-

зернистый (<0,5%), сернистый (0,5-1,0%) и высокосернистый (>1,0%).

Мазут характеризуется теплотой застывания от плюс

С до минус

C и температурой вспышки от плюс 80°С до плюс 125

3 Газообразное топливо представляет собой смесь различных

горючих и негорючих газообразных химических соединений.

Основными компонентами природного газа является метан

СН

теплотой сгорания

: Q

= 31600 кДж/кг.

К искусственному газообразному топливу относятся

генераторные газы, полученные при неполной перегонке топлива в

специальных установках - газогенераторах. Доменный газ,

полученный при выплавке чугуна, обладает низкой теплотой сгорания

3000-4000кДж/м. Коксованный газ, полученный при производстве

кокса, имеет высокую теплоту сгорания ≈10000 кДж/м.

1.2 Горение топлива

Горением называется процесс окисления горючих составляющих

топлива кислородом. При этом химическая энергия превращается в

тепловую.

Горение протекает нормально только при определенных

условиях: достаточное количество воздуха и соответствующая

температура в очаге горения. Процесс состоит из смешения топлива и

кислорода, подогрева смеси до температуры воспламенения, реакции

окисления и горения топлива. Механизм горения по теории академика

Семенова заключается в

регенеризации активных центров, а реакция

горения носит цепной характер. При горении водорода активными

центрами являются атомарный водород и радикал ОН.

.233

222

OHHOHH

Горение протекает только при достаточном подводе воздуха.

Когда в очаг горения поступает необходимое количество кислорода, то

34000СОО5.0С

кДж/кг углерод сгорает полностью выделяя

значительное количество тепла. Такое горение называется полным.

Если в очаг горения поступает недостаточное количество

кислорода, то углерод сгорает не полностью, образуя новое горючее

вещество - СО и выделяется значительно меньшее количество тепла:

10500СОО5.0С

кДж/кг.

Такое горение называется неполным. При дополнительном

подводе кислорода углерод сгорает полностью, выделяя значительное

количество тепла: С+О. Такое горение называется полным.

Выделяемая при горении теплота расходуется на нагрев новых

порций топлива и воздуха, нагрев образующихся продуктов горения и

на компенсацию потерь теплоты в окружающую среду.

Температуру воспламенения следует учитывать при выборе

горелок и форсунок. Если образование смеси топлива и воздуха

происходит внутри топливо - сжигающего устройства, а не в рабочем

пространстве печи, то температура смеси должна быть ниже

температуры воспламенения. В противном случае горение начинается

внутри горелок или форсунок, что приведет к их быстрому выходу

из

строя.

Различают три режима горения воспламенения. В противном

случае горение (распространения пламени): нормальное,

неустановившееся или вибрационное, детонационное.

Нормальная скорость горения составляет от 10 и до 15 м/сек.

Предварительный подогрев газо-воздушной смеси до 500

C приводит

к увеличению скорости горения почти в 10 раз, а сами смеси горят

практически мгновенно. В этом случае нормальный режим горения

сменяется неустановившимся или вибрационным, характеризующимся

колебанием и вибрацией фронта пламени.

Вибрационный режим горения неустойчив и может сменяться де-

тонационным со скоростью перемещения зоны горения от2 до 3км/сек.

При этом

в зоне резко возрастает температура, плотность и давление

газа (до нескольких десятков атмосфер). Процесс горения становится

неуправляемым и заканчивается обычно взрывом газо-воздушной

смеси.

Горение смеси горючего газа и воздуха возможно только при

определенном их соотношении. Предельные соотношения газа с

воздухом, при котором газо-воздушные смеси могут гореть, называют

концентрационными пределами

. Различают нижний и верхний

пределы (таблица 2).

Повышение температуры газовой смеси расширяет пределы

воспламенения, а увеличение давления и наличие в смеси негорючих

газов

(СО

, N

), наоборот, сужает эти пределы.

ПРИ ПОДОГРЕВЕ ДО ТЕМПЕРАТУРЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

ГОРЮЧАЯ СМЕСЬ ВОСПЛАМЕНЯЕТСЯ ПРИ ЛЮБЫХ

СООТНОШЕНИЯХ ГАЗА И ВОЗДУХА.

Концентрационные пределы имеют большое практическое

значение для безопасного разжигания печей, ремонтных работ на

газопроводах и т.д. Если, например, в рабочем пространстве и

дымоходах слабо разогретой печи образуются газовые смеси,

способные

гореть, то они могут воспламеняться от случайных

различных источников.