Основные понятия. Саратовский государственный технический университет

Саратовский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ

В МУФЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы 3

по курсу «Электротермические установки и системы»

для студентов специальности 180500

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2006

Цель работы: экспериментально изучить технологию обработки материалов в муфельной электропечи сопротивления; произвести тестирование муфельной электропечи сопротивления на прогар футеровки.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В различных технологических процессах используются нагрев изделий и выдержка при заданной температуре в течение определенного времени. При небольшом количестве нагреваемых материалов и изделий применяются лабораторные электрические печи сопротивления. Чаще всего в лабораториях применяют трубчатые, шахтные (тигельные) и муфельные печи. В таких печах на керамическую трубку или муфель (шамотные, а для более высоких температур– корундовые) наматывается проволока или лента нагревателя, и все помещается в кожух с насыпной изоляцией [1].

Для того чтобы нагреватель не сдвигался при расширении от нагрева и не происходило витковых замыканий, муфель делают с винтовыми канавками, в которые и закладывается проволока. Другой способ закрепления проволоки заключается в обмазке муфеля поверх нагревателя слоем шамотного раствора.

В печах такого типа нагреватель отделен от рабочего пространства стенкой муфеля. Это имеет свои преимущества, т.к. нагреватель получается защищенным как от механических, так и от химических воздействий, при этом обеспечивается защита от замыкания витков нагреваемыми деталями.

Вместе с тем, между нагревателем и рабочей камерой образуется температурный перепад в 150-200 ⁰С, обусловленный тепловым сопротивлением стенки муфеля. Т.к. мощность лабораторных печей невелика и нагреватели в них выполняются из проволоки и ленты небольших сечений, нормально такие печи могут работать на нихроме до температур 800-900⁰С.

В печах сопротивления могут нагреваться как тонкие, так и массивные изделия. Время нагрева для тонких и массивных изделий определяется по-разному. Теплотехническим будем называть изделие, скорость нагрева которого практически не отличается от скорости нагрева изделия из материала с бесконечно большой теплопроводностью, у которого внутренний перепад температур всегда близок к нулю. Изделия, при расчете которых нельзя пренебречь внутренним перепадом температур, будем называть массивными.

Степень массивности тела зависит не только от его толщины, но и от его теплопроводности (чем больше коэффициент теплопроводности, тем меньше внутренние перепады температур), коэффициента теплоотдачи на его поверхности (от значения последнего зависит наружный перепад температур), а следовательно, и от температуры печи, определяющей собой коэффициент теплоотдачи. С учетом этого степень массивности тела может быть характеризована числом Bi, выражающим собой отношение внутреннего термического сопротивления к внешнему [1].

. (1)

На рис. 1 показаны графики нагрева изделий в печи периодического действия при постоянной температуре печи.

Рис. 1. График нагрева изделий в печи периодического действия

при постоянной температуре печи: а) тонкие изделия; б) массивные изделия

Рассмотрим нагрев изделия, имеющего форму параллелепипеда, в муфельной печи при постоянной температуре печного пространства Т_Ж (рис. 2)

Рис. 2. Нагреваемое тело в форме параллелепипеда

Предположим, что в начальный момент времени (τ = 0) все точки параллелепипеда имеют одинаковую температуру Т₀. Материал параллелепипеда однородный и изотропный.

Дифференциальное уравнение теплопроводности для параллелепипеда имеет вид [2]:

, (2)

где Т(x, y, z, τ) – функция температур;

x, y, z – декартовы координаты;

τ – время;

а – коэффициент температуропроводности.

При заданных условиях задача симметрична относительно центра параллелепипеда. Введя обозначение υ =Т-Т_ж, запишем граничные условия при τ > 0:

а) для наружной поверхности

(3)

б) в центре параллелепипеда

(4)

где α – коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности.

Как известно, искомую функцию можно представить как произведение безразмерных функций температур:

(5)

где

– функции температур, каждую из которых можно написать на основании решения для неограниченной пластины толщиной δ x, δ y, δ z соответственно [2].

Решение задачи для рассматриваемого тела конечных размеров сводится к определению поля температур для безграничной пластины конечной толщины. Уравнение (5) можно представить в виде:

(6)

где – безразмерные координаты;

– число Био;

– число Фурье.

В случае нагрева тел сложной формы расчет полей температур проводится с помощью численных методов [3].

В данной работе предполагается экспериментальное исследование нагрева и остывания заготовки в муфельной печи при помощи термоэлектрических датчиков (термопар), расположенных в различных точках изделия, а также в разных точках на кожухе печи. Задачей проводимых исследований является сопоставление распределений температур в изделии полученных теоретически, с помощью аналитических формул или численных методов, с экспериментальными данными.