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.
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.
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
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:
(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:
(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.
(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:
(41)
где L - длина листа в направлении воздушного потока, м. Так как с увеличением h величина Kx уменьшается, снижается также неравномерность процесса нагрева листов.
|
|
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
(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:
(43)
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
(44)
где величина Kτ определяется по номограмме рис. 6, ∆K - по номограмме рис. 8. Продолжительность нагрева ближнего конца садки определяется формулой, аналогичной формуле (35):
(45)