毕业论文-风热循环式恒温炉设计说明书.doc
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1、热风循环式恒温炉设计说明书 301.前言1.1热风循环式恒温炉的应用背景热风循环式恒温炉广泛适用于工农业,医疗卫生,塑料机械,各院校和科研部门的生产车间或实验室,其可创造并长时间保持高温、干燥的工作条件,以满足生产、实验等各种环境要求。在现阶段,各领域中与热风循环式恒温炉相类似的加热炉有两种,一是应用于工业上进行金属热处理的空气循环电炉,该炉按照工艺用途分为:加热炉、淬火、退火炉、时效炉等。二是热风烘箱,广泛用于医药、化工、食品、农副产品、水产品、轻工等行业物料的加热固化、干燥脱水。如原料、中药饮水、浸膏、粉剂、颗粒、脱水蔬菜等。本设计中的热风循环式恒温炉,主要应用于实验室中的金属高温蠕变实验
2、,通过创造长时间高温的炉内条件,来满足实验环境需求。市面上现有的恒温炉种类繁多,功能不一,但其现有的恒温炉不能完全满足高等院校或研发部门的实验要求,如上述所提及的材料高温蠕变试验,不仅要求温度高达近1000,还要求保证恒温状态长达1000h,一般市面上恒温炉难以达到高温,恒温时间的连续性不够,况且其尺寸与功率也难以达到最优化。本设计的目的也是在于基于实验需求,优化恒温炉的高温性能、恒温连续性、结构尺寸以及热量损耗。1.2热风循环式恒温炉的工作原理热风循环式恒温炉采用风机循环送风方式,风循环均匀高效。风源由耐热长轴电机带动多叶涡轮式风扇产生,通过加热元件升温,而将热风送出,再经由气流通道至炉膛内
3、部,均匀加热工件,再将使用后的空气通过炉膛内的出风口吸入风扇成为风源再度循环,加热使用。为确保炉膛内保持恒温,以热力学为基础,通过热平衡计算来校核各结构尺寸设计的合理性与确定加热元件。而当因开关门动作或其他干扰现象引起温度值发生摆动时,则通过温度控制系统来调整加热元件的功率,从而调整炉内温度,保证恒温。1.3设计流程介绍由于该次设计的恒温炉为非标准件,因此次设计主要基于市面上的类似产品与资料进行经验设计。该设计的基本流程如下:首先,根据设计要求中的炉膛尺寸与工作温度来确定恒温炉的炉型与设计温度,在由此确定恒温炉的加热方式及基本工作形式。其次,对整个热风循环系统与温度控制系统进行详细设计:选择适
4、当的加热元件,初步确定加热元件的数量;设计多叶涡轮式风扇,选择电机、散热风扇等;选择热电偶、温度控制仪表,设计热电偶安装方式。之后,根据已有数据和部件参数对恒温炉进行整体的结构设计,分别设计隔热层、气流通道、炉内壁、保温层、炉外壁、炉门、机电箱以及机电箱配件(电机座、引风道),确定其材料与尺寸。最后,进行热平衡校核计算,来证明结构尺寸设计和加热元件的数量的合理性。计算,恒温炉的功率与重量,再根据重量设计支座的尺寸并校核抗压强度。2.热风循环式恒温炉设计要求2.1结构说明2.1.1规格尺寸表2.1 加热炉参数表箱体尺寸型号内箱尺寸(WDH)mm温度范围()无300300400室温20至6002.
5、1.2结构说明内部材质:自定,厚2.0mm;外部材质:自定,厚1.5mm粉体烤漆处理2.1.3送风循环系统强制送风循环;马达为长轴心耐温专用型,功率为12HP;风扇为多叶涡轮型;风机两台,一台备用。能保证风机在长时间运行,设备中途工作不中断。2.1.4加热方式及发热材质为热风循环加热,发热材质自定,备用一组。 2.2控制说明2.2.1控制面板控制器位于机台后侧方,单门由右向左开启2.2.4控制器系统:1) 温控器(室温600度任意设定)2) 定时器:0.1S-999H任意设定。3) 交流接触器:韩国LG4) 固态继电器:欧姆龙5) 其它电控配件:国内优质2.2.5安全装置超温保护,时到保护2.
6、2.6电源AC 380V 5.5KW2.3设计参数确定已知上述恒温炉的要求温度为20600,确定最高设计温度为800;采取热风循环系统进行对炉膛加热,需要足够的加热元件与两台风机,设计合理的气流通道用于安置热风循环系统;温度控制系统方面要求选择关键的温控仪与热电偶即可,放置于机电箱内;结构方面初步设计恒温炉由炉膛、隔热层、气流通道、炉内壁、保温层、炉外壁、炉门、机电箱以及其他零部件组成。3.热风循环式恒温炉整体设计3.1炉型选择热风循环式恒温炉主要用于对炉内工件进行长时间加热并保持恒定温度。采用风机循环送风方式,通过气流将加热元件的热量带入炉膛内部,均匀加热工件,再将使用后的空气通过炉膛内的出
7、风口吸入风道成为风源再度循环,持续加热使用。一般的恒温炉根据结构形式可分为:立式炉、卧室炉、室式炉、井式炉等;根据空气加热方式可分为炉内循环加热和炉外加热。考虑到本次设计的恒温炉的炉膛尺寸与恒温要求,因此选择室式结构加热炉,通过炉门来放入加热件。另外,对于热风循环系统的设计,如下图所示 王秉铨. 工业炉设计手册M. 第二版. 北京:机械工业出版社,1996.:图3-1 炉型示意图选择上图中(a)类炉型,由于风机的单侧布置,首先可保证整炉的尺寸不会过大。其次,由于形成了较好的气流循环通道,可保证炉内温度均匀,工件均匀受热。3.2加热方式与加热元件设计3.2.1加热方式选择一般工业用炉的加热普遍有
8、四种加热方式,分别为:1) 电 加 热;2) 燃料加热;3) 微波加热;4) 感应加热;在的此次设计要求中,由于设计的是热风循环式恒温炉,燃料加热会产生废气,并存在污染,不适合用于实验室;微波加热又只针对与非金属,与我们实验所测试的金属试样不符;而感应加热其心部加热效果不理想,不能保证工件均匀受热,且其电磁场会影响测量元件。相比之下,电加热方式是将电能转变成热能以加热物体,普通、方便;是电能利用的一种形式;与一般燃料加热相比,电加热可获得较高温度,易于实现温度的自动控制和远距离控制,热效率高,升温速度快,并可根据加热的工艺要求,实现整体均匀加热或局部加热;加热过程产生的废气、残余物和烟尘少,可
9、保持被加热物体的洁净,不污染环境。故选定加热方式为电加热。3.2.2加热元件选择加热方式选取了电加热方式,其电加热元件分为非金属与金属两种:1) 非金属硅碳棒:具有使用温度高、抗氧化、耐腐蚀、寿命长、变形微、安装维修方便等特点且有良好的化学稳定性;氧化性气氛中正常使用温度可达1450,连续使用可达2000小时,价格约100元/支;硅钼棒:耐高温、抗氧化、低老化的电阻发热元件;在氧化气氛下、最高使用温度为1800,价格约180+元/支;PTC元件:PTC加热元件具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等,但只适用于家用电器;2) 金属电阻丝:有镍铬丝(Ni-Cr)、铁铬铝
10、丝(Fe-Cr-Al)、镍铁丝(Ni-Fe)、镍铜丝(Ni-Cu))等,高温强度高,可塑性强,性能普通,价钱便宜,加热温度约800-1000摄氏度,高温抗氧化性不强;150+元/公斤根据资料,可知金属电热元件其高温抗氧化性不强,不适合恒温炉对于连续高温工作的要求,故选取选定非金属加热元件中符合要求且价格适宜的硅碳棒。3.2.3硅碳棒初步选择通过参考资料 硅碳棒规格表选取粗端型硅碳棒,其规格为:表3.1 硅碳棒参数表规格d/I/I1/D(mm)总长L(mm)电阻范围()每支元件在下列炉温/棒温时允许负荷量(W)800-900900-10001000-11008/180/60/143002.6-5
11、.2126166208其中,d硅碳棒小径,mm; D硅碳棒大径,mm; I硅碳棒发热部长,mm; 硅碳棒冷端部长,mm;根数初步确定为8根,由之后的热平衡计算进行校核。下为硅碳棒图示 于萍. AutoCAD2008使用教程M. 上海:上海科学普及出版社,2009.: 图3-2 硅碳棒实物图 图3-3 硅碳棒尺寸图3.3热风循环系统设计3.3.1系统说明热风循环系统由电机、风扇、气流通道、电机散热风扇组成,用于产生气流,吸收硅碳棒产生的热量,经由气流通道(见3.5.2)带进炉膛内,加热膛内空气与工件;散热风扇用于对电机进行风冷散热,风由机电箱内的引风道(见3.5.2)进入。风机两台,风扇为多叶式
12、涡轮型,设计其为竖直放置,两台可同时工作,也可一台工作一台备用。3.3.2风扇设计根据炉膛高为400mm,设计气流通道内的叶片直径为150mm,宽度为40mm,两风扇轴间距200mm。选取市面上符合该尺寸的风扇即可,下为风扇图示 赵罘,龚堰珏,张云杰等. SolidWorks2010从入门到精通M. 北京:科学出版社,2010.: 图3-4 风扇模拟三维图图3-5 风扇尺寸图3.3.3电机选择考虑到电源电压380V,故选取尺寸不超过300*200*200(mm),重量不超过10kg的长轴心耐温专用型三相异步交流电动机即可。通过市面了解 与鑫热风长轴耐温电机,选择YS71型号长轴电机,下为电动机
13、参数:表3.2 电机参数表型号品牌转速功率效率重量YS71与鑫2800r/min(2级)1/2HP(367.5W)70%6kg下为电机尺寸、实物与模拟图示: 图3-6 电机尺寸参数图图3-7 电机实物、三维模拟图3.3.4传热校核由于电机轴伸入炉内,因而热量会通过电机轴传导,为保证电机不受高温影响而损坏,通过ABAQUS进行传热模拟计算,设计电机轴末端最高温度为60图3-8 ABAQUS传热模拟图通过计算可得电机轴长度200mm即可,设计轴长按要求增长至230mm。电机安装盘根据原电机尺寸,设计直径为170mm。3.3.5散热风扇选择主要选取市面上 ENERMAX风扇较为普遍的ENERMAX品
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