风热循环式恒温炉设计说明书--毕业设计.doc

热风循环式恒温炉设计说明书 30
1.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，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
(W×D×H)mm
温度范围
（℃）
无
300×300×400
室温20℃至600℃
2.1.2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1／2HP；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LG
4) 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
2.2.6电源
AC 380V 5.5KW
2.3设计参数确定
已知上述恒温炉的要求温度为20~600℃，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（Ω）
每支元件在下列炉温/棒温时允许负荷量（W）

800-900℃
900-1000℃
1000-1100℃
8/180/60/14
300
2.6-5.2
126
166
208
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Φ170mm。
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品牌散热风扇，以下为风扇参数：
表3.3 散热风扇参数表
基本参数
型号
UCTB12P(LED)
风扇转速
1200 rpm
适用配件
机箱
风量
90.08 CFM
散热器种类
散热风扇
噪音
14 dB(A)
风扇尺寸
120×120×25mm
使用寿命
100,000 小时
风扇一共为两台，都放置于机电箱上平面。下为风扇图示：

图3-9 散热风扇实物图 图3-10 散热风扇三维图
3.4温度控制系统设计
3.4.1热电偶选择
根据热电偶测温情况为直接与金属试样工件接触，温度范围为0~800+摄氏度，故选择K型装配式热电偶丝[[] 热电偶型号
]，其热电偶参数与图示如下：
表3.4 热电偶参数表
热电偶类别
代号
分度号
测量范围
基本误差限
镍铬－镍硅
WRN
K
0－1300℃
±0.75%t

图3-11 热电偶实物图
3.4.2温度控制仪表
通过网上的资料查找[[] 宇电AI-808P温控仪
]选择市面上较为普遍的宇电AI-808P型温控器/调节器，适合温度、压力、流量、液位等参数的测量报警与变送，其具体参数如下：
表3.5 温控仪参数表
品牌
宇电（YUDIAN）
型号
AI-808P
类型
智能温度控制调节器
测量范围
-9999~ 9999（℃）（℃）
精度等级
0.2
安装型式
盘装
输出信号
0-20/4-20（mA）（mA）
工作电压
100-220（V）（V）
外形尺寸
96*96 160*80 96*48 72*72（mm）（mm）

选取96*96大小无光柱款。下为温度控制检仪表图示：

图3-12 温度控制仪表实物图
3.4.3温度控制系统安装方式
热电偶测温段由恒温炉的上方伸入，附着在炉膛内的工件表面，其末端连接着温控仪，温度控制系统全部部件基本安装于控制面板之上，控制面板安放于机电箱（见3.5.2）表面。
3.5恒温炉的初步尺寸设计
3.5.1初步设计
通过之前炉型设计的分析，已知恒温炉结构与部件如下：
1) 炉膛；
2) 隔热层；
3) 气流通道，包括了加热元件与风扇；
4) 炉内壁；
5) 保温层；
6) 炉外壁，
7) 炉门；
8) 机电箱，包括电机、电机轴、控制面板、配线箱、引风道、散热扇等元件；
9) 配件，如支座、门扣、门把手等
3.5.2各结构设计
1) 炉膛
已知炉膛尺寸为300×300×400mm（长×宽×高），以该尺寸为基础进行炉体设计。
2) 隔热层
结构说明：隔热层的作用是为了与炉内壁一起形成气流通道，并隔开电热元件对工件的辐射，保证工件的均匀受热；
材料选取：隔热层选取2Cr25N铁素体型耐热钢，该材料耐高温腐蚀性强，1082℃以下不会产生易剥落的氧化皮，普遍用于燃烧室[[] 朱张校，姚可夫. 工程材料[M]. 第四版. 北京：清华大学出版社，2009.
]；
尺寸设计：设计隔热层外部尺寸为302×301×400mm（长×宽×高）；厚度为1mm，三面包裹；炉门方向无隔热层，用于入风口；风扇方向开两个Φ50mm的出风口；上下方向无隔热层。下为隔热层图示：

图3-13 隔热层尺寸图
3) 气流通道
结构说明：气流通道由炉内壁与隔热层相隔形成，用于放置风扇与加热元件，并形成热风循环通道来对炉膛进行均匀加热；
材料选取：无；
尺寸设计：根据硅碳棒的尺寸设计两侧通道的宽度为24mm；炉门方向的宽度为19mm；根据风扇尺寸设计风扇方向的宽度为55mm。

图3-14 气流通道尺寸图
4) 炉内壁
结构说明：用于与炉外壁一起固定保温层形成炉壁；
材料选取：与隔热层相同，选取2Cr25N铁素体型耐热钢；
尺寸设计：设计炉内壁外部尺寸为354×379×404mm（长×宽×高）；厚度为2mm；炉门方向设计成梯形状用于导风（内部填充保温材料）；对应风扇方向开两个Φ15mm的小孔用于电机轴穿过。下为炉内壁图示：

图3-15 炉内壁尺寸图
5) 保温层
结构说明：保温层用于保持炉膛内的温度，应采取隔热材料来保证较小的炉体散热量；
材料选取：选取石棉板为隔热材料，石棉板是石棉纤维水泥平板的简称，是用石棉、玻璃纤维、陶土等材料，按照科学的配方生产出来的。有很强的抗张力，承受压力。能够承受1400℃左右。可用于绝热、保温隔音、锅炉、钢铁厂、化工厂、铸铝厂等以及一般电器绝缘；
尺寸设计：设计保温层外部尺寸为654×679×704mm（长×宽×高）；厚度为150mm，选取规格为8mm厚的石棉板填充保温层；对应风扇方向开两个Φ15mm的小孔用于电机轴穿过。下为保温层图示：

图3-16 保温层尺寸图
6) 炉外壁
结构说明：用于与炉内壁一起固定保温层形成炉壁，外表面粉体烤漆处理；
材料选取：炉外壁无特殊要求，选取碳素结构钢Q235即可；
尺寸设计：设计炉外壁外部尺寸为658×683×708mm（长×宽×高）；厚度为2mm，对应风扇方向开两个Φ15mm的小孔用于电机轴穿过。下为炉内壁图示：

图3-17 炉外壁尺寸图
7) 炉门
结构说明：由炉内壁、保温层与炉外壁一起构成，用于打开恒温炉；
材料选取：由炉内壁、保温层与炉外壁材料决定；
尺寸设计：由炉内壁、保温层与炉外壁尺寸决定，安装间隙为8mm。
8) 机电箱
结构说明：用于安放电机、智能温度控制仪表、配线箱等机电配件，作为恒温炉的机电控制箱，外表面粉体烤漆处理；
材料选取：与炉外壁相同，选取碳素结构钢Q235；
尺寸设计：设计炉外壁外部尺寸为658×500×708mm（长×宽×高）；厚度为2mm；上平面开两个方孔用于放置散热风扇；下平面对应电机方向开一槽口用于散热进气；侧平面开大小的口用于安放控制面板，正面制作一个的箱门；所有开口皆根据对应配件的大小设计。下为机电箱图示：

图3-18 机电箱尺寸图
9) 引风道
结构说明：与散热风扇合作，用于将流入风引至电动机轴端；
材料选取：选取碳素结构钢Q235即可；
尺寸设计：设计开口尺寸为250×100mm（长×高），引风高度为85mm，厚度为1mm即可，下为引风道图示：

图3-19 引风道尺寸图
10) 电机座
结构说明：用于安放电动机使其固定于机电箱内；
材料选取：选取碳素结构钢Q235；
尺寸设计：设计直径Φ170mm，宽度为46mm，下为电机座图示：

图3-20 电机座三维图

图3-21 电机座尺寸图
3.6密封材料
密封材料用于密封炉门间隙，防止热量从炉门间隙中溢出，选取石棉绳材料，制成两块密封圈，安装于炉门与炉箱口，根据炉门大小，设计尺寸为414×464mm（长×高），宽度30mm，厚度每圈6mm。下为密封圈图示：

图3-22 密封圈尺寸图
3.7热平衡（能量平衡）初步校核计算
3.7.1体系能量平衡综述
热风循环式恒温炉为连续性加热炉[[]刘佐仁. 工业电阻炉的热平衡[J]. 现代节能，1995，第3期，1~3.
~[]汤学忠，王昊，周善矩等. 热风循环电阻炉热平衡测算[J]. 工业加热，1994，第2期，18~21.
]，一般取炉体为能量平衡体系。可得通过体系边界输入的能量主要考虑电热耗能。能量输出项中应包括体系内能的增加（只考虑空气蓄热）和对外散热。因而列出了如下的能量平衡公式：
(3-1)
3.7.2热支出
1) 炉体表面散热量
(3-2)
其中，——炉内壁温度，；
——炉外界空气温度，；
——炉壁外表面积，；
——炉壁外表向周围介质的放热系数，通常67~71；
式中；
、——各层炉体厚度，；
、——各层炉体导热系数，；
现已知，=800，=20，取为71；
对于，各层炉体包括了，炉内壁、保温层与炉外壁，故，由于炉内壁的与炉外壁的很小，故只考虑保温层（石棉板层）的；
设=150，查参考资料得石棉板的导热系数为：
(3-3)
石棉板的平均温度为：
(3-4)

其中=60℃为最高炉外壁温度，故保温层（石棉板）的导热系数为：

炉壁外表面积为：
(3-5)

故炉体表面散热量为：

2) 炉体蓄热量
(3-6)
其中，——体积，；
——密度，；
——比热，；
——温差，
由于该炉为长时间连续工作的恒温炉，有参考资料得可不考虑炉体蓄热损失，仅考虑炉内流动空气的蓄热；
空气的体积为：

查参考资料，空气的密度为：
(3-7)
考虑炉内气压不变，与大气压相同，；
根据式3.7，空气的密度为：

由于处于升温过程，因而空气的平均比热，查参考资料得，通过比例推导得；
故空气的平均比热为：
(3-8)

根据式3.6，故炉体蓄热量为：

3.7.3热输入
加热元件电消耗量应该保证能量平衡，根据式3.1：

故加热元件电消耗计算量为：
(3-9)

考虑到已选定的硅碳棒在800℃时其额定功率为每根0.126kW/h，通过计算：
(3-10)

（根）
故硅碳棒根数8根合理，一边四根，因此加热元件实际电消耗量为：
(3-11)

3.7.4初步热平衡表
表3.6 热平衡表
消耗电能
热支出
序号
项目
电能
序号
项目
热能
kJ/h
%
kJ/h
%
1
加热元件消耗量
3628.8
100.00
1
炉体表面散热量
3405.68
93.75

2
差值
223.12
6.15

合计
3628.8
100.00

合计
3628.8
100.00
差值分析：由于计算时需考虑硅碳棒根数为整，并忽略了炉内外壁的散热与功率损耗量等诸多因素，因为产生差值。因此该热平衡表较为合理，故上述尺寸设计合理。
3.8支座设计
3.8.1设计
结构说明：用于支撑整台恒温炉，一共需要四个，上部分为螺纹用于与恒温炉连接，下部分为万向球型连接铰链；
材料选取：选取承压能力较强的灰铸铁HT100即可；
尺寸假设：设计螺纹处直径为14mm[[]朱辉，曹恍，唐保宁等. 画法几何及工程制图[M]. 第六版. 上海：上海科学技术出版社，2007.
]，底座处直径为50mm，支座整长为80mm，下为支座图示

图3-21 支座三维图 图3-22 支座尺寸图
3.8.2支座强度校核计算
已知支座最小直径为，HT100材料的抗压强度，故四个支座可承受的最大压力为：

通过计算知恒温炉重量约为360kg即3600N，远远小于，因此强度足够，支座设计合理。

4.设计总结
4.1热风循环式恒温炉最终参数总结
热风循环式恒温炉的最终各项数据如图下表
表4.1 热风循环式恒温炉各项参数
名称
热风循环式恒温炉
温度范围
室温20℃至600℃（设计温度800℃）
炉膛尺寸

恒温额定功率（800℃）
736W
最大额定功率
(快速升热)
4735W
整炉尺寸

整炉重量
约360kg
保温材料
石棉板，规格8~10mm厚
密封材料
石棉绳
耐热结构材料
2Cr25N
外壳材料
Q235
支座材料
HT100
炉体外观
粉体烤漆
电源
AC 380V，5.5KW
加热方式
电加热
加热元件
粗端式硅碳棒（8根），尺寸300mm（长）
电机参数
“与鑫”牌，YS71长轴心耐温电机，功率1/2HP
散热风扇
“ENERMAX”牌，UCTB12P型风扇
热电偶
K型装配式热电偶
温度控制仪表
“宇电”牌，AI-808P型温控器，尺寸96*96
定时器
国内优质
交流接触器
韩国LG
固态继电器
欧姆龙
其它电控配件
国内优质
安全设置
超温保护，时到保护
4.2个人设计总结

下附上小设计成果，AutoCAD图纸与solidworks三维建模截图

图4-1 热风循环式恒温炉装配图

图4-2 引风道零件图

图4-3 支座（支撑住）零件图

图4-4 多叶涡轮型风扇零件图

图4-5 电机座零件图

图4-6 恒温炉三维图（尾部）

图4-7 恒温炉三维图（头部）

图4-8 恒温炉三维图（剖视图）

图4-9 恒温炉三维图（透视图）

参考文献