Периодического действия

Количество энергии, потребляемой из сети, и установленная мощность печи зависят прежде всего от температурного режима обработки, заданного технологическим процессом, т. е. цикла работы печи.

Наиболее широко применяемые в практике циклы термической обработки металлов и неметаллических материалов показаны на рис. 2.40. Простейший цикл, предусматривающий только достижение нагреваемым телом заданной конечной температуры при стационарном режиме кладки печи (Р_пот = const), показан на рис. 2.40, а. Такой режим характерен для нагрева без выдержки времени для выравнивания температуры тонкостенных изделий из черных металлов или материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (алюминия и его сплавов, меди и сплавов на медной основе).

Наиболее часто этот цикл встречается в печах для нагрева заготовок под горячую деформацию цветных металлов или для закалки тонкостенных изделий.

Наиболее распространенный цикл работы печи, включающий выдержку изделий при определенной температуре, представлен на рис. 2.40, б. Назначение этой выдержки – выравнивание температуры по сечению изделия и обеспечение необходимых превращений в его материале. Этот цикл характерен для процессов закалки, отпуска, нормализации и термохимической обработки металлов.

Рис. 2.40. Циклы работы печей:
а – нагрев без выдержки; б – нагрев с выдержкой;
в – нагрев с выдержкой и последующим охлаждением

Третий вид цикла работы печи (рис. 2.40, в) имеет место в печах

для отжига металлов, керамики, спекания металлокерамических изделий, получения монокристаллов и в других случаях, когда по технологическому процессу требуется медленное охлаждение и выдача изделий из печи после охлаждения при определенной температуре. Печи периодического действия при таком цикле работы имеют очень низкие экономические показатели. В каждом цикле за период охлаждения печь теряет большое количество теплоты, аккумулированной кладкой в периоды нагрева и выдержки. Вследствие этого КПД печи низок, а удельный расход электроэнергии велик. Такой цикл может быть оправдан только для термообработки дорогих материалов, для которых стоимость расходуемой электроэнергии несущественна (монокристаллов, металлокерамики, тугоплавких металлов и т. п.).

В печах непрерывного действия охлаждение изделий осуществляется вне печи в специальной камере охлаждения, при этом КПД печи и расход электроэнергии не зависят от времени охлаждения.

В общем случае для цикла работы садочной печи с охлаждением

(рис. 2.40, в) расход теплоты за цикл составит:

Q_ц = Q_пол + Q_всп + ∑Q_пот , (12)

где Q_пол – количество теплоты, потребное для нагрева загрузки до заданной конечной температуры, Дж; Q_всп – количество теплоты, потребное для нагрева вспомогательных жароупорных устройств, входящих вместе с загрузкой в печь (корзин, поддонов, муфелей, подвесок), и газа, Дж; ∑Q_пот – суммарные тепловые потери печи за цикл, Дж.

Полезная теплота Q_пол, Дж, на нагрев изделий определяется по

формуле

Q_пол=с_издG_изд(t²_изд−t¢_изд), (13)

где с_изд – средняя удельная теплоемкость материала загрузки, Дж/(кг ⋅°С);

G_изд – масса загрузки, кг; t²_изд и t¢_изд – конечная и начальная температуры изделий, °С.

Аналогично определяется количество теплоты Q_всп, потребное для нагрева вспомогательных загрузочных приспособлений и газа (защитного или специального), подаваемого в печь от газогенераторных установок или от газовой сети:

Q_всп = Q_ж + Q_г = с_жG_ж (t²_ж − t¢_ж ) + с_гG_г (t²_г − t¢_г ), (14)

где с_ж, с_г – удельные теплоемкости жароупорного материала и газа, Дж/(кг ⋅°С); G_ж, G_г – массы вспомогательных жароупорных устройств и газа, расходуемого за цикл работы печи, кг; t²_ж , t¢_ж , t²_г, t¢_г – конечная и начальная температуры жароупорных изделий и газа, °С.

Суммарные тепловые потери печи ∑Q_пот , Дж, применительно к циклу на рис. 2.40, в (с охлаждением загрузил в печи) равны:

∑Q_пот = k_п(q_пот.нτ_н + q_{пот.выд}τ_выд + q_{пот.охл}τ_охл + q_пот.з.вτ_з.в), (15)

где k_п =1,15−1,3 – коэффициент неучтенных тепловых потерь, который вводится для учета трудноопределяемых тепловых потерь (через неплотности и щели конвекций, через выводы нагревателей, термопары и другие элементы конструкции печи, представляющие собой тепловые короткие замыкания); q_пот.н – мощность тепловых потерь через стенки печи в период нагрева, Вт; q_{пот.выд} – мощность тепловых потерь через стенки печи в период выдержки, Вт; q_{пот.охл} – мощность тепловых потерь через стенки печи в период охлаждения, Вт; q_пот.з.в – мощность тепловых потерь через загрузочные проемы и щели при загрузке и выгрузке, Вт.

Потребная мощность печи периодического действия Р_потр, Вт, определяется по расходу теплоты в период нагрева, так как именно

в этот период требуется максимальное количество энергии:

, (16)

Полученное значение потребной мощности следует увеличить на 10–50 %; установленная мощность печи Р, Вт, равна

Р=k_мР_потр=(1,1−1,5)Р_потр. (17)

Коэффициент запаса мощности k_м учитывает:

1) возможность понижения напряжения сети против номинального значения;

2) увеличение сопротивления нагревательных элементов с течением времени («старение» материала нагревателей);

3) форсирование режима разогрева печи с холодного состояния.

Тепловой КПД печи периодического действия равен отношению полезной теплоты, расходуемой на нагрев садки, ко всей теплоте, затрачиваемой за время цикла:

η_т=(Q_пол/Q_ц)100%. (18)

Удельный расход электроэнергии w, кВт⋅ч/кг, т. е. расход ее на единицу массы материала, обрабатываемого в печи, равен

(19)

где G_изд – масса загрузки, обрабатываемой в печи, кг.