Системы обогрева. Тепловой расчет

Тепловой расчет форм для прессования производится с целью обеспечения равномерного температурного поля в оформляющих деталях. Для этого в специальные плиты обогревы вставляются нагреватели различной конструкции и принципа действия. тепловой расчет позволяет определить необходимое количество или конструктивные размеры нагревательных элементов, их мощность.

Электрический обогрев

Тепловой расчет пресс-формы разделяют на три этапа:

1) определение общей мощности всех нагревательных элементов для периода прессования;

2) определение мощности отдельных нагревательных элементов, обеспечивающих получение однородного температурного поля;

3) определение необходимой мощности нагревательных элементов для разогрева пресс формы.

Расход тепла, подведенный к пресс-форме в виде электроэнергии может быть записан в виде:

,

где - полезное тепло, расходуемое на нагрев массы;

- потери тепла в стол пресса;

- потери тепла в окружающую среду через боковые поверхности и места разъема пресс-формы;

- потери тепла через болтовое соединение;

- прочие потери (потери тепла при обдувке воздухом, продувке пресс-формы, вынужденных перерывах в работе и пр.).

Полезное тепло определяется по зависимости

,

- теплоемкость прессуемого материала, ккал/кг·град;

- вес одной детали, кг;

- изменение температуры материала в процессе нагревания в пресс-форме в ºС;

- число деталей, изготовляемых в час.

Потери тепла в окружающую среду определяются по уравнению

,

причем и ,

где - площадь боковой поверхности, м²;

- площадь поверхности разъема, м²;

- разность температур поверхности пресс-формы и окружающей среды, ºС;

- продолжительность раскрытия пресс-формы за 1 ч работы в ч.

- коэффициент теплоотдачи боковой поверхности;

- коэффициент теплоотдачи мест разъема для оформляющей части матрицы.

Потери тепла в стол пресса рассчитываются в зависимости от того проложена между пресс-формой и столом пресса однородная прокладка или теплоизолирующая плита.

Общие потери тепла можно выразить следующей формулой

,

где - общий коэффициент теплоотдачи, ккал/м²∙ч∙град;

- полная поверхность пресс-формы, м².

Потери тепла болтовым соединением определяются по формуле

,

где - коэффициент теплопроводности материала болта, ккал/м²∙ч∙град;

- расстояние от верха проушина пресс-формы до стола, м;

- сечение болта, м²;

- разность температур по длине болта, град;

- коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, ккал/м²∙ч∙град;

- площадь боковой поверхности болтового соединения, м²;

- разность между средней температурой болта и температурой окружающей среды.

Прочие потери тепла можно рассчитать по следующей формуле:

,

где - коэффициент использования тепла пресс-формой (оценивается экспериментально);

- коэффициент учитывающий потери через болтовые соединения при обдувке воздухом и пр.

Все упомянутые расчеты можно проводить упрощенно, пользуясь разработанной для этих целей номограммой (рис. 1).

Зная площадь поверхности пресс-формы, разность температур стенки и окружающей среды и условный коэффициент теплоотдачи, по номограмме можно определить расход энергии на нагрев пресс-формы в кал или квт. Для определения полезного расхода тепла необходимо установить часовую выработку продукции, увеличение температуры материала изделия в пресс-форме и теплоемкость изделия.

Рис. 1. Номограмма для проведения теплового расчета пресс-формы и определения мощности нагревательных элементов

Индукционный обогрев

Малые потери тепла за счет меньшего излучения и конвекции тепла, более равномерное температурное поле и большая возможность точного регулирования температуры.

Для начала проводят расчет глубины проникновения по формуле

,

где - собственное сопротивление материала пресс-формы, Ом∙мм²/м (для железа =0,12 Ом∙мм²/м);

- частота рабочего напряжения в Гц (обычно =50 Гц);

- относительная магнитная проницаемость материала (зависит от свойств материала, температуры и напряженности поля).

Площадь сечения пресс-формы, по которой протекает вторичный ток (мм²) равна

,

- длина паза в пресс-форме, мм.

Затем рассчитывается проводимость поверхностного слоя паза индуктора, являющегося вторичной целью (Ом^-1):

,

- средняя длина витка.

Число витков индуктора определяется по формуле

,

где - рабочее напряжение, В;

- требуемая мощность обогрева, Вт (определяется из расчета необходимого количества тепла для нагрева пресс-формы).

Время разогрева

Отношение тепла, необходимого для разогрева пресс-формы, к теплу, выделяемыми нагревательными приборами за час, дает время разогрева:

,

где - тепло, необходимое для разогрева пресс-формы

- теплоемкость материала пресс-формы, кДж\кг∙ºС;

- вес пресс-формы, кг;

- разность температур, на которую должна нагреться пресс-формы, ºС;

- увеличивающий поправочный коэффициент (1,8÷2,0).

Если время разогрева получается слишком большим, то в целях экономии электроэнергии его следует уменьшать за счет некоторого увеличения мощности нагревательных элементов.

Расчет системы охлаждения

Количество тепла , поступающего в единицу времени в форму от охлаждающихся в ней изделий в течение цикла равно:

,

где – масса отливки, кг;

– удельная теплоемкость, кДж\кг∙ ºС;

– температура расплава, ºС;

– температура формы, ºС.

Тепло , уходящее из формы в окружающую среду, складывается из потерь наружной и рабочей поверхностей формы за счет теплообмена и лучеиспускания. Приближенно можно считать, что потери тепла составляют 50% от количества тепла , подводимого к форме, т.е.

.

Разность между количеством подводимого и уходящего тепла определяет то количество тепла , которое необходимо отвести от формы с помощью охлаждающей системы:

_,

где - температура воды при выходе из формы, ºС;

- температура воды при входе в форму, ºС;

- объем воды необходимый для охлаждения формы за цикл, м³.

Для проверки возможности пропуска воды в течение минуты через один охлаждающий цикл приятого диаметра пользуются следующей формулой:

,

где - время цикла, мин;

- расход воды в минуту, м³/мин;

- количество каналов охлаждающей системы.