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

,

где степень черноты поверхности изделия;

коэффициент, учитывающий взаимные процессы лучеиспускания дымовых газов, изделий и стенок печи. Коэффициент выражается следующей формулой

,

где степень развития кладки, ее численное значение приблизительно равно отношению суммарной внутренней поверхности стенок и свода печи к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла

,

степень черноты дымовых газов;

температура дымовых газов в рабочем пространстве печи, К;

средняя температура нагреваемого металла, К, определяемая следующим образом

где начальная температура металла, К;

конечная 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 (Н₂ О). Одно- и двухатомные газы имеют ничтожно малую интенсивность теплового излучения. Поэтому степень черноты дымовых газов определяется из выражения

,

где степень черноты углекислого газа;

условная степень черноты водяного пара;

поправочный 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 . Величина р (Н/см² ) численно равна объемной доле газа в составе продуктов горения. Величину приближенно можно определить так

,

где объем, заполненный излучающим газом, м³ ;

площадь 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

,

где приведенная (0 ˚С; 1,013 Па) скорость движения газов;

эквивалентный диаметр канала, м.

Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией

.

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 ()

,

где внутреннее термическое сопротивление изделия;

внешнее термическое сопротивление;

коэффициент теплоотдачи;

коэффициент теплопроводности металла;

характерный 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 , 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 .

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:

(20)

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

Т₁ - температура печи, °К;

T_2ср - средняя температура изделий, °К; определяется по формуле (8);

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

Приведенная степень черноты ε_п определяется следующим образом:

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