3. Теплообменные аппараты.
С дымовыми газами, уходящими из рабочего пространства печей, уносится большое количество теплоты (70%). Наиболее эффективным способом снижения потерь теплоты с уходящими газами, является использование теплоты дыма для подогрева воздуха и газа, расходуемых на отопление печей, для получения пара в котлах, нагрева технической воды. Воздух и газы, поступающие к нагревательным устройствам, согревают в рекуператорах и регенераторах.
Регенераторы дорогие и сложные в изготовлении, занимают большую площадь, поэтому регенеративный подогрев применяют только в крупных печах при нагреве массивных заготовок под штамповку, когда воздух и газ надо нагреть до высоких температур.
Рекуператоры - это теплообменники с непрерывным движением дымовых газов, воздуха или горючего газа, отделяемых друг от друга перегородкой, через которую передается теплота. Рекуператоры устанавливают над сводами печей, либо в боровах. Широкое распространение получили металлические рекуператоры трубчатой конструкции, с трубами диаметром 15-100 мм из окалиностойких материалов, двух или четырех оборотные с горизонтальным расположением труб (рисунок 15).
Рис 15. Трубчатый рекуператор с горизонтальным расположением труб.
Кроме гладких труб применяют игольчатые трубы двух типов:
- с иглами на воздушной и дымовой сторонах;
- с иглами на воздушной стороне и гладкие на дымовой.
Кроме игольчатых рекуператоров используются термоблоки, представляющие собой пучок труб из окалиностойкой стали, залитой хромистым чугуном (рисунок14).
Термоблоки работают при t =1200° - 1300°. В термоблоках нагревают не только воздух, но и газ. Однако большая масса термоблоков является существенным недостатком, поэтому чаще применяют комбинированные теплообменные аппараты, состоящие из элементов термоблоков и игольчатых труб.
Теплоотдающую поверхность нагрева рекуператора определяют расчетом. Последовательность расчета и проектирования рекуператора следующая:
1) По часовому расходу топлива вычисляют количество воздуха и продуктов горения, проходящих через рекуператор.
2) Рассчитывают сечение рекуператора по пути движения воздуха и дымовых газов.
3) Определяют коэффициент теплопередачи и поверхность
4) Составляют эскиз и чертеж рекуператора.
Рис 16. Четырехтрубчатый термоблок.
Приложение 1.
Справочные материалы
Таблица 1. Теплотворность горючих газов.
Газ |
Химическая формула |
А
кДж/ |
|
Высшая |
Низшая |
||
Окись углерода Водород Метан Этилен Октан Пропилен Пропан Бутилен Бутан Пентан Сероводород |
|
12 640 12 770 39 880 63 650 69 920 87 630 99 230 115 770 128 530 159 100 25 540 |
12 640 10 750 35 800 59 020 63 640 81 310 91 270 107 310 118 490 14 6540 2 346 |
Таблица 2. Физические свойства сухого воздуха.
Т, |
C,
кДж/ |
|
|
|
|
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 |
1.3009 1.3051 1.3097 1.3181 1.3302 1.3440 1.3583 1.3725 1.3821 1.3993 1.4118 |
1.293 0.946 0.746 0.615 0.524 0.456 0.404 0.362 0.329 0.301 0.277 |
3.44 3.22 3.93 4.61 5.22 5.75 6.23 6.10 7.18 7.64 8.06 |
0.188 0.337 0.514 0.715 0.930 1.115 1.384 1.635 1.885 2.613 2.461 |
13.28 23.13 34.85 48.33 63.09 79.38 96.89 115.4 134.8 155.1 177.1 |
Таблица
3.
Физические
свойства дымовых газов (
).
Т, |
C, кДж/ |
|
|
|
|
0 200 400 600 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 |
1.359 1.381 1.415 1.448 1.472 1.485 1.498 1.511 1.593 1.535 1.548 1.560 |
1.295 0.748 0.525 0.405 0.329 0.301 0.275 0.257 0.240 0.225 0.212 0.199 |
2.28 4.02 5.71 7.44 9.16 10.00 10.09 11.75 12.62 13.50 14.42 15.26 |
0.17 0.49 0.94 1.51 2.20 2.58 3.01 3.46 3.92 4.45 5.01 5.56 |
12.20 32.80 60.38 93.61 131.8 152.5 174.3 197.1 221.0 245.1 270.5 295.2 |
Таблица
4. Энтальпия (кДж/
)
отдельных газов и воздуха в зависимости
от температуры и при постоянном давлении
(101.3 кПа).
Т, |
|
|
|
|
Воздух |
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 |
361.67 777.44 1236.8 1718.9 2226.7 2746.4 3276.7 3815.9 4360.7 4910.5 5464.2 6023.2 |
260.6 526.89 805.6 1094.6 1393.9 1699.8 2012.4 2328.6 2046.7 2970.2 3295.8 3620.6 |
267.38 551.85 851.64 1162.3 1480.1 1802.8 2129.9 2464.0 2800.5 3142.8 3487.4 3837.6 |
303.47 623.69 964.68 1328.1 1713.3 2118.8 2540.2 2979.1 3429.9 3889.7 4358.8 4724.4 |
261.94 532.08 814.96 1109.0 1411.9 1721.4 2036.9 2356.7 2680.0 3006.3 3338.2 3665.5 |
Таблица 5. Коэффициенты для расчета охлаждения и (нагревания) пластины толщиной 2S.
Таблица 6. Коэффициенты для расчета охлаждения (нагревания) длинного цилиндра радиусом 2R.
Таблицы 7. Теплофизические характеристики основных огнеупорных и изоляционных материалов.
Материал |
|
С, Дж/кг |
|
Огнеупорные материалы |
|||
Динас обычный Динас плотный Шамот Шамот класса А Корунд (алунд) Магнезит Карборунд Графит Бетон огнеупорный Тальк |
0.815+0.00068t 1.58+0.00038t 0.7+0.00064t 0.88+0.00023t 2.1+0.00185t 6.28-0.0027t 21-0.0105t 1638-0.041t 0.44-0.47t
1.05-0.00031t |
870+0.193t 870+0.193t 865+0.21t 865+0.21t 795+0.21t 1050+0.15t 965+0.15t 837 850
677 |
1900 2100 1800-2000 1900 2600-2900 2600-2800 2100 1800-1900 1850
2000 |
Изоляционные материалы |
|||
Динас-легковес Шамот-легковес Шамот-легковес Диатомит Пекодиамит Пенодинас Пеношамот Ультралегковес Шлаковата Вата минеральная Асбест (картон) |
0.29+0.00037t 0.314+0.00035t 0.116+0.00016t 0.116+0.00015t 0.07-0.09 0.8 0.28+0.00023t 0.15-0.24 0.048+0.00014t 0.046-0.058 0.157+0.00014t |
1100 960 960 920 - 920 880 835 1050 - 835 |
1000 1000 400 500 230-240 680 950 280 200 180-250 1100 |
,
кг/
Таблицы 8. Теплофизические свойства сталей.
Таблица 9. Теплофизические свойства сталей.
Таблица 10. Теплофизические свойства цветных металлов и сплавов.
Таблица 11. Машинные преобразователи частоты тока, питающие индукционные нагреватели.
Таблица
12. Тиристорные преобразователи частоты
тока для индукционных нагревателей.
Таблица 13. Рекомендуемые значения 
для различных нагревателей, используемых
для нагрева различных материалов.
Таблица 14. Продолжительность нагрева стальных заготовок, с.
|
f, Гц |
f, Гц |
||||||
|
1000 |
2500 |
4000 |
8000 |
1000 |
2500 |
4000 |
8000 |
30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 |
Обычный нагрев |
Ускоренный нагрев |
||||||
- 30 42 96 - 202 - 350 538 767 1038 1349 1700 |
- 43 66 123 - 243 - 403 605 848 1131 1456 1822 |
- 50 - 134 - 259 - 245 632 880 1170 1500 1870 |
28 58 108 148 205 278 - - - - - - - |
- 12 - 39 - 82 - 141 217 310 419 545 686 |
- 18 - 50 - 98 - 163 244 342 457 588 735 |
- 20 - 56 - 105 - 172 255 355 472 606 755 |
12 24 40 60 83 112 - - - - - - - |
|
мм
Таблица 15. Физические параметры воды при различных температурах.
t
|
λ, Вт/(м ) |
v,
|
а, |
Pr |
0 10 20 30 40 50 60 |
0.551 0.575 0.600 0.619 0.635 0.648 0.660 |
17.9 13.0 10.0 8.05 6.59 6.56 4.79 |
1.31 1.36 1.42 1.47 1.53 1.56 1.60 |
13.7 9.56 7.06 5.50 4.30 3.36 3.00 |
Таблица
16. Коэффициент местного сопротивления
при повороте струи на 
.
|
Re |
|||
3000 |
10 000 |
50 0000 |
100 000 |
|
8 10 15 20 |
0.400 0.391 0.294 0.254 |
0.270 0.264 0.198 0.172 |
0.184 0.180 0.135 0.117 |
0.161 0.157 0.118 0.102 |
Таблица 17. Параметры конденсаторов, выпускаемых промышленностью.
Тип конденсатора |
U, B |
кВАР |
С, мкФ |
КС-0.38-50 КС-0.5-19 КС-0.5-36 КС-0.66-50 КСЭ-1.05-75 КСЭК-1.2-150 ЭСВ-0.8-0.5 ЭСВ-1.0-0.5 ЭСВ-1.6-0.5 ЭСВ-2-0.5 ЭСВ-0.8-1 ЭСВ-1-1 ЭСВ-1.6-1 ЭСВ-2-1 ЭСВ-0.5-2.4 ЭСВП-0.8-2.4 ЭСВ-1.6-2.4 ЭСВ-1-2.4 ЭСВП-1-2.4 ЭСВ-2-2.4 ЭСВ-0.5-4 ЭСВ-0.8-4 ЭСВП-0.8-4 ЭСВ-1-4 ЭСВП-1-4 ЭСВ-1.6-4 ЭСВ-2-4 ЭСВ-0.5-10 ЭСВ-0.8-10 ЭСВП-0.8-10 |
380 500 500 660 1050 1200 800 1000 1600 2000 800 1000 1600 2000 500 800 1600 1000 1000 2000 500 800 800 1000 1000 1600 2000 500 800 800 |
50 19 36 50 75 150 200 200 200 200 250 250 250 250 300 300 300 300 300 350 350 350 350 350 350 350 350 400 400 400 |
- - - - - - 99.5 63.6 24.9 15.9 62.2 39.8 15.5 9.9 79.6 31.2 7.8 19.9 19.9 4.9 55.7 21.8 21.8 13.9 13.9 5.4 3.5 25.5 9.9 9.9 |
Таблица 18. Характеристики некоторых материалов, применяемых для изготовления нагревательных элементов.
Материал |
|
|
|
Сталь Х25Н20С2 Сталь Х23Н18 Нихром Х15Н60 Нихром Х20Н80 Фекроль Х13Ю4 Сплав ОХ23Ю5А Сплав ОХ27Ю5А Силит Дисцилицид молибдена |
800 800 950 1110 700 1150 1250 1400 1650 |
7840 7800 8300 8400 7400 7270 7190 2300 - |
0,92 10-6+3.8 10-10 t 0.9 10-6+4.0 10-10 t 1.1 10-6+1.4 10-10 t 1.1 10-6+0.85 10-10 t 1.26 10-6+0.6 10-10 t 1.4 10-6+0.5 10-10 t 1.4 10-6+0.5 10-10 t 8.0 10-4+19.0 10-4 3.2 10-6+4.0 10-6 |
Таблица 19. Максимальные
и оптимальные длины и поверхности
ленточного нагревателя, размещаемые
на 1 
футеровки.
Сечение,
|
l/b=2 |
l/b-0.9-1.1 |
||
|
|
|
|
|
2.0x10 1.5x15 2.0x15 2.2x20 2.5x20 3.0x20 2.2x25 2.5x25 3.0x25 2.2x30 2.5x30 3.0x30 2.2x36 2.5x36 3.0x36 2.2x40 2.5x40 3.0x40 |
38 25 25 19 19 19 15 15 15 12,5 12,5 12,5 10,5 10,5 10,5 9,5 9,5 9,5 |
0.915 0.825 0.860 0.845 0.855 0.875 0.815 0.825 0.840 0.805 0.813 0.825 0.802 0.808 0.820 0.802 0.807 0.818 |
84 55.5 55.5 42 42 42 33.5 33.5 33.5 25 25 25 19 19 19 21 21 21 |
2.02 1.83 1.89 1.87 1.89 1.93 1.82 1.85 1.88 1.61 1.62 1.68 1.45 1.46 1.48 1.77 1.78 1.80 |
Таблица
20. Максимальные и оптимальные длины и
поверхности проволочного нагревателя
на 1 
футеровки.
Таблица 21. Технические данные ТЭНов.
Таблица 22. Степень черноты некоторых металлов.
Таблица 23. Рекомендуемая удельная поверхностная мощность для ТЭНов.
Условия работы |
|
|
В воздухе В воде В канавках оснастки |
10 000 – 20 000 60 000 – 80 000 20 000 – 23 000 |
60 000 – 70 000 150 000 – 200 000 80 000 – 100 000 |
Таблица 24. Расстояние между осями кварцевых излучателей в зависимости от температуры нагрева заготовки.
Тип излучателя
|
Т, |
||||||
400 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
|
КИ220x1000 КИ220x1750 ОКИ220x1750 |
60 60 80 |
25 45 45 |
20 35 35 |
16 25 25 |
- 17 17 |
- 16 16 |
- - 15 |
Таблица 25. Степень черноты материалов при различных температурах.
Материал |
Температура, |
Степень
черноты, |
Алюминий: полированный окисленный Сталь окисленная Окалина Латунь: полосовая тусклая окисленная Медь окисленная Никель окисленный Окись никеля Кирпич: огнеупорный огнеупорный глазурованный красный Сажа, свечная копоть |
225 – 275 200 – 600 200 – 600 500 – 1200
50 – 350 200 – 600 200 – 600 200 – 600 650 – 1250
1000 1100 20 95 – 270 |
0,04 – 0,06 0,1 – 0,2 0,8 0,85 – 0,95
0,2 0,6 0,6 – 0,9 0,4 – 0,5 0,6 – 0,9
0,8 0,85 0,9 – 0,95 0,95 |
Таблица
26. Теплопроводность металлов и сплавов
(Вт/(м*
Металл или сплав |
Плотность, г/см3 |
Температура металла или сплава, |
||||||
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1200 |
||
Углеродистая сталь: низкоуглеродистая (0,08% С)………...
(0,23% С)………...
среднеуглеродистая (0,435% С)……….
высокоуглеродистая (0,8% С)………….
Легированная сталь: среднемарганцовистая (0,23% С, 1,55% Mn)…
никелевая (0,325% С, 3.47% Ni)…
хромникелевая (0,33% С, 0,8% Cr, 3.38%Ni)…….
хромистая (0,315% С, 1,08% Cr)………….
Высоколегированная сталь: Марганцовистая (1,22% С, 13% n)……..
Никелевая (0,28% С, 28,4% Ni)……………..
Хромоникелевая(0,08% С, 19% Cr, 8%Ni)……
Хромистая (0,13% С, 13%Cr)…
Чугун…………………
Алюминий……………
Латунь……………….
Медь………………….
|
7,86
7,86
7,84
7,85
7,85
7,85
7,85
7,84
7,87
8,16
7,92
7,74
7,2
2,56
8,5
8,8 |
59,4
51,9
48,2
49,8
46,1
36,4
34,3
48,6
13,2
12,6
15,9
27,9
48,5
202
102
392 |
53,2
49
46,5
45,2
44,8
39
36,9
44,4
16,5
16,3
17,2
27,7
44,1
229
134
381 |
45,7
42,7
41,4
38,2
39,8
36,9
36,4
38,5
19,3
19,7
19,7
27,7
41,9
319
166
367 |
36,9
35,6
35,1
32,7
34,3
32,7
31,9
31,9
21,8
23
23
26,4
-
429
196
357 |
28,5
25,9
25,9
24,3
26,4
25,1
25,9
25,9
23,5
25,1
25,1
25,1
-
-
-
- |
27,7
27,5
26,8
26,8
27,2
27,7
27,7
28
25,6
27,7
28
27,7
-
-
-
- |
29,8
29,8
29,8
30,1
29,8
30,1
29,8
30,1
28
29,8
29,8
30,6
-
-
-
- |
Таблица 27. Условные обозначения материалов.
Материал |
Обозначение |
Материал |
Обозначение |
Кирпич:
шамотный
динасовый
магнезитовый
хромомагнезитовый
специальный огнеупорный
красный
теплоизоляционный
половняк
|
|
Теплоизоляционная засыпка
Асбест (листовой)
Бутовая кладка
Бетон
Железобетон
Грунт
Жидкость |
|
Таблица 28. Температуры нагрева, пережога и окончания ковки.
Таблица 29. Продолжительность нагрева в мин заготовок из углеродистых, конструкционных и низколегированных сталей в кузнечных камерных печах.
Таблица
30. Поправочный коэффициент 
,
учитывающий размещение заготовок на
поду печи.
Расположение заготовок |
Коэффициент |
Расположение заготовок |
Коэффициент |
||
Круглые заготовки |
Квадратные заготовки |
Круглые заготовки |
Квадратные заготовки |
||
Вплотную На расстоянии: 0,12 b 0,25 b 0,5 b
|
2,0
1,65 1,47 1,32 |
4,0
3,35 2,8 2,34 |
На расстоянии: 1,0 b 2,0 b Одиночные На подставках |
1,2 1,1 1,0 1,0 |
1,95 1,62 1,3 1,0 |
Таблица
31. Коэффициент формы 
для различных тел.
Форма тела |
Коэффициент |
Форма тела |
Коэффициент |
Длинная прямоугольная призма с отношением сторон: 1,0 1,25 1,50 1,75 2,0 5,0 и более
|
1,70 1,41 1,22 1,14 1,1 1,0 |
Цилиндр с отношением высоты к диаметру: 1 1,25 1,5 5,0 и более Куб Шар |
2,49 2,14 2,04 2,0 2,26 3,0 |
Таблица 32. Окалиностойкие и жаропрочные стали.
Таблица 33.
Таблица 34.
Рис.1. Печи с выдвижным подом:
а – рециркуляционная с выдвижным подом для нагрева под ковку стальных слитков, оборудованная рекуператором; б – регенеративная:
1 – труба для подачи газа; 2 – выдвижной под; 3 – каналы для отвода газов и подачи воздуха; 4 – регенератор; 5 – перекидной клапан
Рис.2. Конструкция камерной электрической печи:
а – среднего размера; б – крупного размера; в – модернизированная среднего размера; 1 – газопровод; 2 – механизм подъема дверцы; 3 – дверца; 4 – футеровка; 5 – нагревательные элементы; 6 – кожух термопары; 7 – арматура; 8 – арматура вывода нагревателя; 9 – газовые трубы
Рис.2 Продолжение.
Рис.2. Окончание.
Литература
1. Ульянов В.А., Гущин В.Н., Чернышов Е.А. Нагрев и нагревательные устройства: учебное пособин для студентов вузов. Изд-во АКАДЕМИЯ ИЦ, 2010 г.
2. Живов Л.И., Овчинников А.Г., Складчиков Е.Н. Кузнчео-штамповочное оборудование: Учебник для вузов / Под ред. Л.И. Живова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 560 с.
3. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. - М.: Металлургия, 2006 - 688с.
4. Колбасников Н.Г. Физические основы пластической деформации, М.: Высшая школа, 2003 г
5. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т/Ред. совет: Е.И. Семенов (пред) и др.- М.: Машиностроение, 1987 – т.1. Нагрев и металлы / Под ред. Е.И. Семёнова.
6. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т/Ред. совет: Е.И. Семенов (пред) и др.- М.: Машиностроение, 1987 – т.2. Ковка и штамповка / Под ред. Е.И. Семёнова.
7. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей: Учебник для техникумов. В 2-х томах. 2-е изд., перераб. и доп. Т2. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986. 376 с.
8. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей: Учебник для техникумов. В 2-х томах. 2-е изд., перераб. и доп. Т1. Кривандин В.А., Филимонов Ю.П. Теории и конструкции металлургических печей. М.: Металлургия, 1986. 376 с.