Г.А. Околович - Учебное пособие - Нагрев и нагревательные устройства (Г.А. Околович - Нагрев и нагревательные устройства)

Министерство образования и наукиРоссийской ФедерацииГОУ ВПОАлтайский государственный техническийуниверситетим. И.И. ПолзуноваГ.А. ОКОЛОВИЧНАГРЕВ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕУСТРОЙСТВАУчебное пособиеИздание второе, переработанное и дополненное.Рекомендовано СибирскимРегиональным учебно-методическимцентром высших учебных заведений(УМО) в качестве учебного пособия длястудентов технических вузовспециальности 12.04.00 от 21 июня 1999г.Барнаул 20101УДК 621.733.69.001.24(075.3)Околович Г.А.

Нагрев и нагревательные устройства: Учебноепособие 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 нагреваметалла 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. Вотличии от подобных изданий подробно приведены режимы и способытермической обработки поковок в кузнечных цехах, а так жепоказатели индукционного и электрического нагрева.Предназначено для студентов специальности «Машины итехнология обработки металлов давлением» и инженерно-техническихработников машиностроительных предприятий.Рецензенты:Зав.каф.,д.т.н.,проф.(ГКТУ)В.Г.БабкинГл.металлург АО "Сибэнергомаш"Ф.Ф.

Лапшаков,2СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………ГЛАВА 1 ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ………………………1.1 Виды топлива и его состав………………………………….....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………………………………………3566911131518212121242732323438394748485367687175788181828691939597ГЛАВА 7 ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ…………………………..7.1 Изменение физических свойств нагреваемого металла………7.2 Устройство и виды индукционных установок…………….......7.3 Расчет индуктора для нагрева крупных заготовок …………..7.4 Преимущества и недостатки индукционного нагрева………..7.5 Электроконтактный нагрев металлов………………………….7.6 Электрические характеристики установок…………………….7.7 Расчёт КПД установки………………………………….7.8 Технико-экономические показатели индукционного иконтактного электронагрева………………………………………..КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ………………………………………ГЛАВА 8 НАГРЕВ И ТЕРМООБРАБОТКА В КИПЯЩЕМСЛОЕ…………………………………………………………………8.1 Расчёт установки с кипящим слоем………………………........8.2 Характеристики наполнителя кипящего слоя……………........8.3 Методика расчёта………………………………………………..ГЛАВА 9 ВАКУУМНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ……..9.1 Оборудование для вакуумной термической обработки………9.1.1 Универсальные вакуумные печи……………………………..9.1.2 Горизонтальные вакуумные печи…………………………….9.1.3 Технология вакуумной технической обработкиЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………..УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ………………………………….4100104109112115116120121122123123126128139152154156160167169171ВВЕДЕНИЕПластическая деформация металла и его термическая обработкавыполняются при высоких температурах в нагревательных устройствах.

Основными агрегатами, в которых выделяемая теплота расходуется для нагрева металла, являются печи.Печи находят широкое применение в горячих цехах машиностроительных заводов: кузнечно-штамповых, термических, литейныхи других отраслей промышленности.Печная теплотехника прошла сложный путь развития. В концеXVIII в. И.И Ползунова изобрёл паровую машину. Использование еёвзамен водяных колёс в качестве привода для воздуходувок резко увеличило производство чугуна.Увеличивающаяся потребность в стали обусловила поиски новыхспособов производства, которые привели к открытию бессемеровскогои томасовского процессов, осуществлённых в принципиально новыхконструкциях печей.Возрастающие требования к качеству металла потребовало создание мартеновских печей для переплава скрапа.

Широкое распространение этих печей было обусловлено удачным использованием регенераторов, позволивших получить высокие температуры, необходимые для выплавки стали.Обобщая результаты опытов по улучшению производства пушечных сталей пушечных стволов Д.К. Чернов создал основы новойнауки - термообработка стали. В 1868 г. в Париже он доложил о своёмоткрытии 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. Частнымслучаем этого закона является уравнение Бернулли и Фурье, Первое одно из основных уравнений газодинамики, второе используют приописании процессов передачи теплоты теплопроводностью.5ГЛАВА 1 ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ1.1 Виды топлива и его сжиганиеТопливо - вид горючего, которое используется для получениятепловой энергии.

Для того, чтобы отнести горючее к топливу онодолжно 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 иискусственным.

Основными составляющими топлива, находящимися вхимическом 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 рабочеетопливо,С р = H p + O p + N p + S p + A p + W p = 100% .(1.1)В процессе подогрева из топлива сначала выделяется влага, азатем горючие, летучие вещества в виде углеводородов и других газов.Теплота сгорания - это количество тепла, которое выделяетсяпри сгорании 1 т или 1 м3 топлива.УГЛЕРОД - твердое вещество, воспламеняющееся при t=6000С.При сгорании выделяет значительное количество теплаС + O 2 = CO 2 ± 34000 кДж / кг ;илиС + 0 . 5 О 2 = CO ± 10500 кДж / кг ;CO + 0 .

5 О 2 = СО 2 ± 12800 кДж / кг .ВОДОРОД - это газ, воспламеняющийся при t = 6000 С.H 2 + 0.5О2 = ( H 2O) пар ± 121000 кДж / кг;H 2 + 0.5О2 = ( H 2O)вода ± 143000к Дж / кг.СЕРА. При горении серы выделяется тепло. Однако сера втопливе нежелательна, так как сернистый газ взаимодействует сметаллом, придавая ему красноломкость, а уходя вместе с продуктамигорения, разъедает металлическую арматуру и отравляет окружающуюсреду. Влага, зола, азот, кислород - балласт топлива, однако дляпроцесса горения кислород необходим.6В соответствии с элементарным анализом твердое и жидкое топливо условно подразделяется на следующие составные (таблица 1)Таблица 1ОбозначенияОГСРСNHОРГАНИЧЕСКАЯМАССАГОРЮЧАЯ МАССАСУХАЯ МАССАРАБОЧЕЕ ТОПЛИВОВсе расчеты топлива ведутся по составу рабочего, однако длярасчета задается топливо по его элементарному анализу, то естьС0 ; Н0 ; О0 ; N0 ; S2 ; Aс ; Wр.Для пересчета заданного состава на рабочее топливо пользуютсяследующей формулой:К требуемое = К заданное ⋅ Х ,(1.2)где Ктребуемое - процентное содержание компонента, составкоторого требуется определить.Кзаданное - процентное содержание заданного компонента,Х - коэффициент пересчета.Пример.

Пересчитать на рабочую массу заданный состав мазута:85 % Cг; 11,8 % Нг; 0,2 % Ог; 0,6 % Nг; 2,3 % Sг; 0,3 % Aс; 10 % Wр.Содержание золы в рабочей массе:А р = Ас ( 100 − W p ) / 100 = 0.3 ⋅ 0.9 = 0.27%; тогдаC p = C Г ( 100 − А р − W p ) / 100 = 85 ⋅ 0.897 = 76.2%;H p = 11.8 ⋅ 0.897 = 10.6%; О p = 0.3 ⋅ 0.897 = 0.2%;N p = 0.6 ⋅ 0.897 = 0.6%; S p = 2.3 ⋅ 0.897 = 2.1%.Х = А р − Ц р = 0.897 - коэффициент пересчета.Различают два вида теплоты сгорания: низшую Qн и высшую Qв.При определении Qв учитывается тепло, затраченное на испарениевлаги топлива, а также влаги, образованной при сгорании водорода.Для определения Qн тепло, затраченное на испарение влаги не7учитывается.

При расчете нагревательных устройств принимаемнизшую теплоту сгорания, т.к. испарившаяся влага не отдает своетепло в рабочем пространстве, а удаляется с продуктами горения.QH = QВ ⋅ qВЛ ⋅ W(1.3)где qвл - удельная теплота, затраченная на испарение 1кг влаги,кДж/кг.W - количество влаги в топливе (кг).Различное топливо имеет разную теплоту сгорания. Длясравнительной оценки различных видов топлива при нормированииего расхода используют понятие условного топлива.Условным топливом принято называть топливо с низшейтеплотой сгорания (29310 кДж/кг).

Для перевода любого топлива вусловное следует разделить величину его теплоты сгорания на29310кДж, т.е. найти эквивалент данного топлива: для мазута 1,371,43; для природных газов: от 1,2 до 1,4.К Э ≈ QHP / QHусл - калорийный эквивалент(1.4)Пример. Вычислить теплоту сгорания мазута, имеющийследующий состав: 76,2 % - Cр; 10,6 % - Нр; 0,2 % - Oр; 0,6 % - Nр;2,1 % - Sр и 10% - Wр.QHp = 339C p + 1030 H p − 109(O p − S p ) − 25W p == 339 ⋅ 76.2 + 1030 ⋅ 10.6 − 109(0.2 − 2.1) − 25 ⋅ 10 == 25830 + 10920 + 207 − 250 = 36707кДж / кг.К основным сортам топлива относятся.1 Твердое - каменный уголь с теплотой сгоранияQнр = =27400 кДж/кг;2 Жидкое - мазут, который представляет остатки, образующиесяпосле перегонки из нефти бензина, керосина и легроина.С 0 = 86%, H 0 = 12%, O 0 + W 0 = 1.2%, AC = 0.05%,S Г = 0.1 − 0.5%, W P = 1 − 2%, QHP = 42000 кДж / кг.В зависимости от содержания парафиновых соединений, которыесоставляют от 1,5 до 15%, мазут подразделяется на марки: 20, 40,..,100,200.