Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně na základě uvedené literatury, podkladů z fy LAC Hrušovany a připomínek zadavatele

Čestné prohlášení

strana 5

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně na základě uvedené literatury, podkladů z fy LAC Hrušovany a připomínek zadavatele.

V Brně dne...................

........................................ Petr Dvořáček

Poděkování

PODĚKOVÁNÍ

Děkuji především panu Ing. Prokešovi za konzultace, při kterých mi poskytl cenné rady, panu Biskupičovi z fy LAC Hrušovany za poskytnutí podkladů pro řešení diplomové práce. Dále děkuji svojí rodině a kamarádům za motivaci při studiu.

strana 7

Anotace

ANOTACE Petr Dvořáček Návrh řešení vakuové pece s plynotěsnou retortou s chlazenou přírubou DP, ÚK, str. 65, obr. 61, tab. 6, graf. 1

Tato diplomová práce je zaměřena na návrh vakuové pece s plynotěsnou retortou. První část práce se snaží vysvětlit pojmy související s ochrannými atmosférami používanými v moderních pecích. Vzhledem k složitosti zadání je vytvoření modelu s příslušnými výpočty provedeno pouze u plynotěsné retorty, která je umístěna do vhodné pece. Příslušné výpočty chlazení retorty a změn rozměrů při pracovní zátěži jsou provedeny, jak analyticky tak v MKP modulu Pro/Mechanica programu Pro/Engineer.

ANNOTATION

The graduation thesis is aimed at the design of a vacuum furnace with gas-proof retort. The first part of the thesis tries to explain terms connected with gas-proof atmospheres used in modern furnaces. Considering high complexity of the task, a model and related calculations are made only for the gas-proof retort, which is incorporated into an appropriate furnace. The calculations pertaining to the retort cooling and stress-based dimensional changes are made both analytically and via the Pro/Mechanica FEM mode within Pro/Engineer.

strana 9

DŮLEŽITÉ: Obsah 1 ÚVOD......................................................................................................................15 1.1 Specifikace problému .......................................................................................15 2 ROZBOR PROBLEMATIKY PLYNOTĚSNOSTI PECE.....................................16 2.1 Co je to chráněná atmosféra .............................................................................16 2.1.1 Ochranné atmosféry...................................................................................16 2.1.2 Vyvíječe řízených atmosfér .......................................................................20 2.1.3 Štěpiče čpavku...........................................................................................21 2.1.4 Regulace a chlazení ...................................................................................21 2.2 Rozlišení konstrukcí pecí .................................................................................22 2.2.1 Pece poloplynotěsné ..................................................................................22 2.2.2 Pece plynotěsné .........................................................................................24 2.2.3 Pece vakuové .............................................................................................25 2.2.4 Retorty .......................................................................................................27 2.3 Porovnání způsobů řešení plynotěsnosti podle max. teploty pece ...................27 2.3.1 Volba těsnění retorty .................................................................................28 2.3.2 Konstrukční návrh retorty a pece...............................................................30 3 NÁVRH CHLAZENÍ PŘÍRUBY A POUŽITÉHO TĚSNĚNÍ...............................31 3.1 Popis programu pro vytvoření modelů a MKP.................................................31 3.1.1 Pro/ENGINEER ........................................................................................31 3.1.2 Pro/MECHANICA ....................................................................................31 3.2 Navržení chlazené příruby a víka z těsněním...................................................32 3.2.1 Konstrukční řešení příruby ........................................................................32 3.2.2 Návrh uložení těsnění ................................................................................34 3.2.3 Konstrukční řešení víka .............................................................................36 3.2.4 Materiály příruby a víka ............................................................................39 3.3 Určení chlazení a potřebného chladicího výkonu.............................................40 3.3.1 Výpočet teploty působící na těsnění..........................................................40 3.3.2 Výpočet potřebného chladicího výkonu ....................................................43 4 NÁVRH ULOŽENÍ RETORTY V PECI................................................................48 4.1 Konstrukční řešení retorty a volba vhodné pece ..............................................48 4.1.1 Výpočet tepelná bilance – periodicky pracující pec..................................48 4.1.2 Volba odpovídající pece ............................................................................51 5 NÁVRH TVARU A MATERIÁLU RETORTY ....................................................52 5.1 Konstrukční řešení pláště..................................................................................52 5.1.1 Volba materiálu pláště ...............................................................................52 5.1.2 Model pláště v programu Pro/E.................................................................54 5.2 Výpočet deformace pláště ................................................................................55 6 VÝPOČET MKP V PRO/MECHANICE ...............................................................57 6.1 Příprava modelu pro výpočet v Pro/Mechanice ...............................................57 6.1.1 Zjednodušení modelu ................................................................................57 6.1.2 Nastavení Pro/Mechaniky..........................................................................57 6.1.3 Vytvoření sítě prvků (mesh) ......................................................................59 6.2 Teplotní a strukturální analýza v Pro/Mechanice .............................................59 6.2.1 Definice zátěžných prvků ..........................................................................59 6.2.2 Výsledky teplotních analýz .......................................................................60 6.2.3 Výsledky strukturální analýzy ...................................................................62 7 ZÁVĚR....................................................................................................................63 8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .....................................................................64 9 SEZNAM PŘÍLOH .................................................................................................65

strana 11

strana 12

Zkratky

Seznam použitých zkratek CAD

Computed Aided Design – počítačem podporovaná konstrukce

CAM

Computed Aided Manufacturing – počítačem řízená výroba

CNC

Computerized Numerical Control – číslicové řízení počítačem

FEM

Finite Element Analysis - viz. MKP

GUI

Graphical User Interface – grafické uživatelské rozhraní

HT

High Temperature – vysoká tepelná odolnost

MKP

Metoda konečných prvků

Pro/E

Označení systému ProEngineer

Pro/Mech

Označení podprogramu ProMechanica

PTC

Parametric Technology Corporation – vývoj sytému ProEngineer

PTFE

Poly Tetra Fluoro Ethylene – polytetrafluoretylen

SI Units

System International Units – základní řada jednotek

VDP

Vacuum Depositing Process – nanášení tenkých vrstev ve vakuu

DŮLEŽITÉ: Symboly a veličiny

strana 13

Seznam použitých symbolů Veličina

Jednotka

Název veličiny

ρ

[kg m-3]

Hustota materiálu

E

[MPa]

Modul pružnosti materiálu

Rm

[MPa]

Mez pevnosti materiálu

Re, Rp0,2

[MPa]

Mez kluzu materiálu

λ

[W m-1 K-1]

Tepelná vodivost materiálu

δ

[m]

Tloušťka teplo-směrné stěny

χ

[1]

Součinitel přídavného vlivu konvekce

Gr

[1]

Grashofovo číslo

Pr

[1]

Prandtlovo číslo

M,N,R

[1]

π

[kg m-3]

Konstanty zvolené podle geometrického tvaru a směru tepelného toku Pi konstanta (π≅3,14)

µ

[1]

Poissonovo číslo (ocel µ=0,3)

ν

[m2 s-1]

Kinematická viskozita

η

[N s m-2]

Dynamická viskozita

α

[W m-2 K-1]

Součinitel přestupu tepla

cp

[J kg-1 K-1]

Specifická tepelná kapacita (měrné teplo)

k

[W m-1 K-1]

Součinitel prostupu tepla

[ m s-1]

Střední rychlost proudění kapaliny

[J]

Teplo

[ J s-1 = W]

Tepelný tok

−

u

qz, Q •

Q

strana 14

Symboly a veličiny

P

[W]

Výkon

t

[°C]

Teplota

∆t

[°C]

Rozdíl teplot

D

[m]

Průměr těsnění

h

[m]

Výška těsnění

Nu

[1]

Nusseltovo číslo

Re

[1]

Reynoldsovo číslo

C,m,n

[1]

dekv

[m]

Konstanta a exponenty volené podle proudění kapaliny Ekvivalentní průměr

∆hy

[J kg-1]

Specifická entalpie varu

∆l

[m]

Maximální prodloužení pláště

l

[m]

Počáteční celková délka pláště

∆V

[m3]

Maximální objemové roztažení

V

[m3]

Počáteční celkový objem

DŮLEŽITÉ: 1 Úvod

strana 15

1 ÚVOD

1

Nutnost zavádět vakuovou techniku ve strojírenství vyvstala těsně po 2. světové válce, kdy docházelo na západě díky zavedení řídících systémů, automatizace a počítačů, souvisejícím z větší části s vesmírným programem k vzniku nových materiálů, zejména uhlíkových kompozitů a odkrytí nových způsobů použití starých materiálů a jejich chemicko-tepelného zpracování. S vakuovou (plynotěsnou) technikou souvisí pojmy jako radiační stínění, vývěvy (vyvíječe nízkých tlaků), vyvíječe řízených atmosfér, štěpiče čpavku, analyzátory plynů, regulace (PID apod.), rozvod a regulace chladícího média. U nás byla pozornost vakuové technice u větších podniků věnována až koncem 70tých let, částečně již v 50tých letech, kdy byly přebírány standardy výroby pecí z ciziny, a výzkumem těchto pecí se u nás začali odborníci zabývat až po roce 89‘, kdy v republice vzniká řada firem na výrobu vakuových a plynotěsných pecí. Mezi hlavní výrobce vakuových a plynotěsných pecí současnosti, ovšem bez retort, patří České firmy CLASIC (založena r. 1992), PZP KOMPLET a.s. (založena r. 1990), Miwy s.r.o. (založena r. 1990), Agronych (od r. 1958), Elektrické pece Svoboda (založena r. 1932), VÁCLAV ZIMA spol. s.r.o.(založena r. 1884), která jako jediná se již od 50tých let zabývá vakuovou technikou. Počet výrobců v cizině je značný, uvedu pouze ty nejblíže k nám a nejvýznamnější. V cizině patří k největším americké fy SECO WARWICK se zastoupením fy ELterma v Polsku a fy THERMAL TECHNOLOGY ze zastoupením v Německu a taktéž německé fy NABERTHERM, SCHMETZ a fy SOLO ve Švýcarsku.

1.1 Specifikace problému Hlavním problémem při volbě konstrukčního provedení vakuové (plynotěsné) pece je dosáhnout uspokojivých výsledků (tlaku, čistoty atmosféry) z co možná nejmenšími náklady na výrobu pece a dalších částí pece. Tato diplomová práce má za úkol nastínit problematiku pece z plynotěsnou retortou a její konstrukce s ohledem na tento způsob provedení pece. Na pomoc při konstrukčním provedení, analýze umístnění retorty v peci a následným výpočtem a výkresovou dokumentací retorty jsem využil moderních CAD systémů.

1.1

strana 16

2

2 Rozbor prpblematiky plynotěsnosti pece

2 ROZBOR PROBLEMATIKY PLYNOTĚSNOSTI PECE Tato kapitola je převážně věnována typům atmosfér používaných ve vakuových plynotěsných a poloplynotěsných pecích, příslušenství k výrobě atmosfér, obecné charakteristice typů vakuových, plynotěsných a poloplynotěsných pecí, jejich konstrukčním odlišnostem a vybavením.

2.1

2.1 Co je to chráněná atmosféra Mnoho výrobních procesů tepelného zpracování vyžaduje použití tzv. „ochranné atmosféry“. Nejvíce rozšířeným typem ochranné atmosféry, která se používá na trhu, je samozřejmě obyčejný vzduch (okolní atmosféra), jehož výhody jsou zřejmé, dostupnost, levná výroba - neplatíme nic navíc. Jelikož v mnoha případech není důležité, jaká chemická reakce probíhá uvnitř pece na částech povrchu součástky za největších teplot, a vzhledem k tomu, že v konečné fázi je stejně povrch součásti opracován nebo očištěn, může být tato metoda použita. Příkladem pece bez okolní atmosféry, tedy pece plynotěsné nebo vakuové, což je extrém výrobního procesu, je na dole zobrazeném (obr.2.1) pec pro povrchové úpravy na dílech pro letecký průmysl. Výhoda vakua spočívá v schopnosti udržení velice přesných podmínek (teploty, chemických reakcí, rovnoměrnosti) ohřevu, což má za následek velice čisté součástky bez nežádoucích příměsí. A hlavní nevýhodou ohřevu ve vakuu je samozřejmě, nutnost vysoce sofistikovaného vybavení, z čehož plyne vysoká cena součástek. Mezi těmito dvěma extrémy je použití řízené (inertní) atmosféry za sníženého nebo normálního tlaku. Dalšími možnými způsoby je např. obalování součástek folií z nerezové oceli či přímo zapalovaná plynová pec z obohaceným plynem.

Obr. 2.1 – Vakuová pec VDP fy SecoWarwic

2.1.1

2.1.1 Ochranné atmosféry Při tepelném zpracování kovů měníme některé jejich vlastnosti tak, aby to odpovídalo jejich dalšímu použití. Kromě těchto změn, které jsou žádoucí a které


uměle vyvoláváme, dochází i k změnám nežádoucím, jako je okysličování nebo oduhličování povrchu tepelně zpracovaného kovového předmětu. Okysličení povrchu, zejména ocelového předmětu, vyžaduje další práce, protože takový výrobek se musí čistit a leštit, při čemž se musí již předem počítat s úbytkem materiálu opálením a odpadem při následujícím broušení a leštění. Abychom se těchto nepříjemných jevů vyvarovali, můžeme provádět ohřev kovových výrobků v takovém prostředí, které tyto nežádoucí změny vyloučí. Proto vyplňujeme pracovní prostor pece uměle připraveným plynem, který zamezí vznik reakcím, k nimž dochází při styku kovů se vzduchem za vyšších teplot. Změnou prostředí, v němž je ohřev prováděn, můžeme však působit zejména na ocelové předměty tak, že jejich povrchu předáme z plynného prostředí některé zušlechťující prvky. Uměle vytvořené plynné prostředí v peci nazýváme ochrannou atmosférou. Můžeme ji rozdělit do dvou základních skupin: ochranné atmosféry, tj. takové, které chrání povrch kovu před okysličením nebo oduhličením, účinné a ochranné atmosféry, jež mají mimo předcházející účely ještě další účel, na příklad nauhličení, nitridací, chromování nebo i jinou úpravu povrchu kovu. K tepelnému zpracování zboží v přítomnosti ochranných atmosfér lze použít téměř všech druhů pecí. Spotřebu ochranné atmosféry nelze stanovit určitým pravidlem, protože její množství je dáno způsobem jejího použití a velikostí otvorů, kterými při plynulém zpracovávání zboží uniká. Spotřeba se pohybuje od 5 do 60 m3 za hodinu a podle toho se vyrábějí i zařízení, z nichž ochrannou atmosféru odebíráme. Ochranných atmosfér v elektrických pecích odporových používáme k lesklému a čistému žíhání ocelí s různým obsahem uhlíku, rychlořezné a nástrojové oceli, legovaných ocelí, barevných kovů a jejich slitin, k normalizaci oceli s různým obsahem uhlíku, ke kalení všech ocelí, k popouštění všech ocelí, dále k cementování, nitridování a podobnému ošetření povrchu ocelí, ke spékání kovů, k spájení ocelových částí mědí, k spájení ocelí nebo jiných kovů pájkami s nižším bodem tání v přítomnosti tavidel nebo bez jejich přítomnosti. Ochranných atmosfér se také používá při kování, svařování a tavení kovů. Ochranné atmosféry můžeme rozlišovat z několika hledisek, buď podle účinků, jaký mají na povrch kovového zboží, nebo podle surovin, z nichž se vyrábějí, nebo podle chemického složení výchozího plynu. K výrobě ochranných atmosfér používáme všech plynů, které lze spalovat a které jsou k dostání v dostatečném množství a pokud možno bez škodlivých příměsí. Převážně jsou to plyny obsahující nasycené uhlovodíky. Je to především nejjednodušší uhlovodík, methan CH4, který je hlavní součástí zemního plynu; je obsažen i ve svítiplynu. Dále je to propan C3H8 a butan C4H10, dodávané ve směsi v ocelových lahvích. Používáme i vodního plynu, který obsahuje kromě malých množství jiných plynů asi polovinu vodíku H2 a polovinu kysličníku uhelnatého CO. Jinou surovinou, vhodnou k přípravě velmi účinné ochranné atmosféry, je čpavek NH3, který můžeme štěpit nebo po štěpení ještě spalovat. Jako ochranné atmosféry lze použít i generátorového plynu, vyráběného například v automobilovém generátoru tím, že se vzduch v kontrolovaném množství prohání vrstvou rozžhaveného dřevěného uhlí, čímž vznikne plyn, jehož hlavní součástí je kysličník uhelnatý CO a dusík N2. Obdobně lze v žáru splynovat i uhlí, olej nebo hmotu lisovanou z uhelného prachu a vhodných olejů, dřevo aj.

strana 17

strana 18


Graf. 2.1 – Diagram složení ochranné atmosféry v závislosti na množství vzduchu přidávaného ke spalování topného plynu.

Diagram na (graf.2.1) ukazuje v křivkách množství plynů v procentech, které dostaneme dokonalým nebo více méně nedokonalým spalováním nejjednoduššího uhlovodíku methanu. Podobné křivky bychom dostali i pro jiné spalovací plyny, u kterých by se měnil hlavně poměr jejich mísení se vzduchem. Spálíme-li směs jednoho dílu methanu a dvou dílů kyslíku, shoří methan a za vývinu určitého množství tepla vznikne kysličník uhličitý a voda: CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O + 883 kJ (211 kcal) Mísíme-li methan se vzduchem, musíme vzít deset dílů vzduchu na jeden díl methanu a při shoření dostaneme ještě ve vzduchu obsažený dusík. V takovémto poměru jsme methan dokonale spálili, což odpovídá nejzazší levé straně diagramu. Budeme-li ubírat vzduch, budeme se postupně dostávat na pravou stranu diagramu při nedokonalém spalování, které přejde ke štěpení methanu při poměru asi 2,4 dílu vzduchu na jeden díl methanu. Hodnoty, které lze z diagramu přečíst, jsou hodnotami teoretickými a budou se poněkud lišit od skutečných hodnot. Tak např. poměr vodíku H2 k vodní páře H2O a poměr kysličníku uhličitého CO2 ke kysličníku uhelnatému CO bude záviset na velikosti spalovací komory, na katalyzátoru, jakého se při spalování používá, na době trvání reakce a pod., což vše závisí na konstrukci celého zařízení vyvíječe ochranné atmosféry. Vodní pára, která vzniká při spalování methanu, kondenzuje se průchodem různými částmi vyvíječe a zpravidla se i jejího zbytku zbavujeme tím, že výchozí plyn před vpuštěním do pece vysoušíme. Procento vodní páry uvedené v diagramu je vždy vyznačeno před jakoukoliv kondensací a vysoušením. Teď jen krátce k jednotlivým atmosférám.


2.1.1.1 Exotermické atmosféry Atmosféra vzniklá úplným spálením plynu: Topný plyn, smísený v dokonalém spalovacím poměru se vzduchem, spálíme za teploty okolo 1000° C na kysličník uhličitý CO2, vodní páru H2O a dusík N2. Protože bychom však hranici spalovacího poměru neuhlídali a poněvadž není zaručeno, že dodávka plynu bude stále stejného složení, mohl by se v ochranné atmosféře objevit kyslík ze vzduchu, kterého by do spalovací komory mohlo být dodáno více, než je k dokonalému spálení plynu třeba a který v pracovním prostoru pece nechceme mít, proto spalujeme topný plyn za malého nedostatku vzduchu. Tím zaručeně vyloučíme z ochranné atmosféry kyslík, avšak začne se v ní objevovat kysličník uhelnatý CO a vodík H2. Ochranná atmosféra vzniklá částečným spálením topného plynu: V druhé části diagramu na (graf.2.1) jsou vyznačeny složky, které obsahuje ochranná atmosféra vyrobená týmž způsobem jako předcházející, ale s tím rozdílem, že poměr vzduchu a plynu při spalování se ještě dále zmenšil, což má za následek, že atmosféra je bohatší na kysličník uhelnatý CO a vodík H2, kdežto množství vodní páry H2O a kysličníku uhličitého CO2 se zmenšuje. Mluvíme proto o ochranné atmosféře bohatší až bohaté. Chemická reakce probíhá opět při teplotě okolo 1000°C. 2.1.1.2 Endotermické ochranné atmosféry Při spalování topného plynu v přítomnosti méně než 55 % vzduchu potřebného k dokonalému spálení by se již nevyvinulo tolik tepla, aby udrželo spalovací komoru na žádoucí teplotě. Teplota spalování by klesla pod 900° C, k čemuž nesmí nikdy dojít, a proto nemůžeme bohatší ochrannou atmosféru exotermicky vyrobit. K výrobě bohatší ochranné atmosféry používáme endotermických vyvíječů, do nichž musíme teplo dodávat. V těchto vyvíječích dochází k štěpení topných plynů v přítomnosti malého množství vzduchu při teplotách 1000 až 1200° C. Ochranná atmosféra vyrobená štěpením a částečným spálením topného plynu: Do spalovací komory endotermického vyvíječe ochranné atmosféry vyplněné katalyzační hmotou a vyhřáté elektrickým teplem na 1200° C vháníme topný plyn smísený se vzduchem v množství 30 až 40 %, potřebném k jeho dokonalému spálení. V diagramu vidíme, že v této oblasti křivky CO2 a H2O klesají, kdežto křivky CO a H2 stoupají. Ochranná atmosféra získaná z generátorového plynu: Generátorový plyn vyrábíme v generátorech různých typů ze dřeva, dřevěného uhlí nebo i z černého uhlí. Nejvhodnější jsou špalíčky z březového dřeva, ze kterých dostáváme, jsou-li dobře vysušeny (na vzduchu), z l kg více než 3 m3 plynu. Takto vyrobený plyn používáme jako ochrannou atmosféru k redukčnímu ohřevu oceli do teploty 950° C. Jeho složení se mění podle toho, používáme-li umělý ohřev spalované hmoty, nebo spalujeme-li ji vlastním teplem. Palivo se spaluje v přítomnosti kontrolovaného množství vzduchu, jež musí být opět menší, než je množství potřebné k dokonalému spálení. Ochranná atmosféra vzniklá štěpením čpavku: Za teploty, 910° C se čpavek NH3 štěpí ve své základní prvky podle rovnice: 2 NH3 --> H2 + N2 Děje se tak ve štěpiči čpavku přítomnosti katalyzátoru. Plynný čpavek se odebírá z ocelové láhve a štěpením dostáváme z l m3 NH3 dvojnásobné množství, tj. 2 m3 vysoce hodnotné atmosféry ve složení: 75 % H2 + 25 % N2

strana 19

2.1.1.1

2.1.1.2

strana 20

2.1.2


2.1.2 Vyvíječe řízených atmosfér Řízené atmosféry se dnes používají ve stále větším měřítku. Dosahuje se s nimi nejen racionalizace výroby, ale často značného zvýšení kvality. V některých případech se při použití řízených atmosfér přešlo na zcela nové výrobní metody. Je důležité ujasnit si použití a výrobu různých řízených atmosfér. V současné době jsou na trhu nabízeny vyvíječe řízených atmosfér, jejichž použití je pro určitý proces tepelného zpracování zcela jednoznačné. V některých případech však použití vyvíječů není tak jednoznačné, takže se doporučuje konzultace s odborníky. Pro výrobce zařízení na řízenou atmosféru vyplývá z toho nutnost zajímat se intenzivně o všechny otázky techniky tepelného zpracování. K tomu patří nejen metalurgické znalosti a zkušenosti, ale i úzká spolupráce se stavbou pecí. Nejlepších výsledků se dosáhne tehdy, jsou-li jednotlivé části linky tepelného zpracování jako pec, vyvíječ, regulace, dopravní zařízení, pračka apod. společně projektovány a vzájemně technicky dokonale sladěny. Rozlišujeme 3 základní typy: EXO, EXO-MONO, ENDO Koncepční schéma vyvíječe EXO 1 - směšovač plyn - vzduch 2 - spalovací komora 3 - chladič 4 - adsorpční sušič

Obr. 2.2 – Vyvíječ EXO

Koncepční schéma vyvíječe EXO - MONO 1 - směšovač plyn - vzduch 2 - spalovací komora 3 - chladič 4 - propírací komora 5 - adsorpční sušič 6 - kompresorová jednotka

Obr. 2.3 – Vyvíječ EXO - MONO

Koncepční schéma vyvíječe ENDO 1 - lahve s kapalnými plyny 2 - odpařovač 3 - směšovač plyn - vzduch 4 - reakční retorta 5 - chladič

Obr. 2.4 – Vyvíječ ENDO


strana 21

Obr. 2.5 – Zleva do prava, vyvíječe ENDO, EXO-MONO, EXO.

2.1.3 Štěpiče čpavku Štěpení NH3 nebo CH3OH probíhá endotermickou reakcí a zařízení je konstrukčně obdobné s retortou vně vytápěnou elektrickou energií jako vyvíječe endotermické. Rozlišnost je dána tím, jakou atmosféru chceme získat. Tedy rozštěpením plynného čpavku získáme 75 obj. % H2 plus 25 obj. % N2 a rozštěpením plynného methanolu získáme 66,6, obj.% H2 plus 33,3 obj. % CO.

2.1.3

Koncepční schéma štěpiče čpavku 1 - lahve s kapalnými plyny 2 - odpařovač 3 - reakční retorta 4 - chladič

Obr. 2.6 – Štěpič čpavku

2.1.4 Regulace a chlazení Bez řízení technologického procesu se dnes neobejde žádná pec, která musí udržovat ochrannou atmosféru či vakuum, zajišťují ji ve většině případů PID regulátory u pecí poloplynotěsných a plynotěsných a řídicí průmyslový počítač u pecí vakuových. U PID regulátorů je teplotu možno řídit dvěma způsoby:

2.1.4

strana 22


regulace na konstantní teplotu, přičemž rychlost nárůstu teploty je dána maximálním příkonem pece a po dosažení nastavené teploty následuje výdrž na této teplotě, která je ukončena ručním vypnutím pece, regulace podle jednoduchého programu, nastavení požadované rychlosti ohřevu na stanovenou teplotu a nastavení požadované výdrže na této teplotě, poté následuje automatické vypnutí pece. V případě vakuových pecí řídicí program umožňuje plně automatický provoz, kdy je obsluze umožněna pouze výměna vsázky a spuštění procesu. V případě požadavku změny technologického procesu je možno přes heslo jednoduchým způsobem měnit parametry mezi pevně nastavenými mezemi. Z hlediska bezpečnosti provozu je vždy zajištěno blokování nedovolených stavů, aby nemohlo dojít k poruše zařízení či ke znehodnocení vsázky.

Obr. 2.7 – PID regulátor značky CERAMIC

Obr. 2.8 – Dotyková obrazovka komfortního průmyslového počítače, vakuová pec

K chlazení pecí se ve většině případů používá externí chladicí jednotka, která obsahuje výměník tepla s vodou chlazenou žebrovou trubkou ochlazovanou ventilátorem a uzavřenou v běžném plášti. Kapalina je pod tlakem dopravována pomocí trubek a chlazena před vstupem do výměníku pomocí přírub z žebrováním.

Obr. 2.9 – Schéma výměníku s vakuovou pecí fy SecoWarwic

2.2

Obr. 2.10 – Výměník a vakuová pec fy SecoWarwic

2.2 Rozlišení konstrukcí pecí Jak jsem se již zmínil, jedná se o tři hlavní typy pece poloplynotěsné, plynotěsné a vakuové, v dalším textu vysvětlím hlavní rozdíly těchto typů.

2.2.1

2.2.1 Pece poloplynotěsné Jedná se o konstrukce běžně používaných pecí ve výrobním procesu, u kterých jsou určitým způsobem utěsněna místa úniku technických plynů do okolí, a tím i


strana 23

zamezení vniku okolní atmosféry do vnitřku pece. Zejména se k tomu hodí pece průběžné, střásací, bubnové a ostatní pece zařízené pro plynulou dopravu zboží topným prostorem, a dále pece zvonové, komorové, šachtové a zejména hluboké pece šachtové, nazývané též pecemi hlubinnými, určené pro ohřev dlouhých předmětů jako trubek, tyčí, hřídelí, svazků řetězů, pásů a pod. Zde jsou některé příklady jak dosáhnout těsnosti, svorníky procházející stěnami pece jsou utěsněny šňůrkou z česaného skelného vlákna vtěsnanou do otvoru průchodky, průchodky jsou přišroubovány na stěnu pece s podložkou, průzory do pracovního prostoru pece jsou uzavřeny a těsněny bezazbestovou grafitovou vložkou vyztuženou např. niklem, apod.. Utěsnění dveří pece je obyčejně kombinace cihla na cihlu nebo ocel na ocel utěsněná protkaným těsněním z keramického nebo minerálního vlákna. Pyrometry a další měřidla musí být těsněny stlačenou silikonovou pryží (bezazbetovými vložkami). U elektrických pecí je nutné utěsnit přívody odporových drátů s tavnými pojistkami, které jsou připevněny na nátrubky vyčnívající z pece přírubovými matkami, pomocí stlačené silikonové pryže. V případě pecí z přívodem plynu se používají žáruvzdorné trubice, které oddělí zplodiny z hoření od ochranné atmosféry pece. Jiným způsobem je utěsnění zapuštěním víka do žlabu vyplněného pískem. Výhoda těchto metod je přijatelná cena, snadnost montáže, větrání do vnitřku pece, možnost více rovnoměrně rozložit díly uvnitř pece a žádné další náklady na údržbu spojené z provozem retorty.

Obr. 2.11 – Komorová pec fy Nabertherm

Obr. 2.12 – Komorová pec elevátorová fy Nabertherm

Obr. 2.13 – Komorová pec vertikální fy LAC

strana 24

2.2.2


2.2.2 Pece plynotěsné U těchto pecí je již požadováno dosáhnout částečného vakua v recipientu (pracovní prostor pece), proto se pec konstruuje již od začátku jako plynotěsná. Dosáhneme tím nejčastěji prostým zavařením švů na krytech pece, v případě hořlavé atmosféry se používá metoda oboustranných plynotěsných svarů pece. Ve vnitřním zařízení pece nesmějí být okysličená místa, což se týká hlavně přípravků, stojánků, krabic a misek na dopravu materiálu do pece, ale i muflí a ostatního jejího zařízení. Ochranná atmosféra musí být v peci stále s malým přetlakem asi 100 mm vodního sloupce proti tlaku vzduchu v místnosti, při čemž její přebytek buď uniká vstupním a výstupním otvorem pece, kde prohořívá a odsává se mimo pracoviště, nebo je vypouštěn zvláštní trubicí, na jejímž konci prohořívá, a aby plamen nezhasl, je v dosahu stále hořícího plynového kahanu. Ochranné atmosféry musí pecí procházet tak, aby proudily celým prostorem pece i její ochlazovací částí, a hlavně, aby stále proudily okolo povrchu ohřívaného zboží. V uzavřených pecích je pohyb atmosféry usměrňován vhodným ventilátorem.

Obr. 2.14 – Muflová pec bez nuceného oběhu fy Nabertherm

Obr. 2.15 – Šachtová pec z plynotěsnou retortou fy Nabertherm

Obr. 2.16 –Vertikální retortová pec z nucenou cirkulací fy Nabertherm


strana 25

2.2.3 Pece vakuové Vakuové pece se v podstatě skládají ze tří hlavních částí – recipientu, rozvaděče a manipulátoru. Recipient (pracovní prostor pece) je ukotvený na nízkém ocelovém rámu. Skládá se z klenutého dna, válcového pláště a klenutého víka. Všechny tři části jsou z nerezové oceli ve dvouplášťovém provedení, chlazeném kapalinou. Ve dně recipientu (může být i v celém vnitřku pece) je ukotveno odporové topení válcového tvaru s jednoduše demontovatelným stíněním. V místě, kde se nachází odnímatelná příruba, je připojen vakuový čerpací systém. Ve víku je zavěšen přípravek s výškově nastavitelnými policemi (rošty) pro vložení vsázky. K otvírání a zavírání pece slouží manipulátor nejčastěji ukotvený na ocelovém rámu vedle recipientu. K pohyblivé vidlici manipulátoru je uchyceno víko recipientu s přípravkem pro vsázku. Manipulátor umožňuje zvednout víko s přípravkem, v horní poloze otočit a sjet mimo plášť dolů tak, aby bylo možno vložit vsázku. Přímo k rámu pece bývá přistaven rozvaděč, který obsahuje veškerou elektrovýzbroj, rozvod chladicí kapaliny s hlídáním průtoku, rozvod tlakového vzduchu pro ovládání ventilů, rozvod dusíku pro napuštění pece a vakuový čerpací systém. Vakuový čerpací systém je tvořen např. dvoustupňovou rotační olejovou vývěvou s odlučovačem oleje na výstupu, vakuovými ventily a kryogenní vývěvou.

Obr. 2.17 – Pohled na řídící panel vakuové pece VP500 fy PZP KOMPLET, a.s.

2.2.3

Obr. 2.18 – Vakuová pec na sintraci kovů fy CLASIC

2.2.3.1 Hlavní důvody použití vakua 1. K udržování čistoty atmosféry (statické vakuum), v níž se kov zpracovává, tj. k udržování počtu chemicky aktivních molekul na určitém minimu, aby nemohlo dojít k žádným fyzikálním nebo chemickým reakcím se zpracovávaným kovem (např. k jeho oxidaci, k difúzi dusíku nebo vodíku do kovu apod.). Kromě tavení a slinování při tváření a tepelném zpracování kovů, při tvrdém pájení, při sublimování a nanášení tenkých kovových povlaků apod. 2. K dodatečnému čištění zcela nebo částečně zpracovaných výrobků a polotovarů. Při těchto procesech se vakua (dynamického vakua) používá v pracovním prostoru proto, aby se jím pokud možno rychle odstranily z blízkosti povrchu škodlivé složky,

2.2.3.1

strana 26


které se fyzikálně nebo chemicky uvolnily ohřevem kovu, anebo opačně, aby se pomocí vakua mohl bez překážek odpařovat kov z výchozí látky, v níž je obsažen (rafinace kovů destilací ve vakuu, destilace kovu z jeho v tuhém stavu apod.). Pokud neuvažujeme tlaky řádu 10-3 torrů (1,3-3 kPa) a nižší, které vyžadují speciální řešení, hodí se pro aplikaci vakua především pece šachtové, komorové a zvonové. Maximální vakuum 10-3 torrů (1,3-3 kPa) je pro námi uvažovaný obor v řadě případů dostačující: například při lesklém žíhání mědi i ocelí vystačíme už s vakuem přibližně 10 torrů (1,3 kPa). Protože je u vakuových pecí nutno používat vnitřních kovových stěn, uplatní se u nich často izolace radiačními štíty, které jsou světle modře vyznačeny na (obr.2.19).

Obr. 2.19 – Model vnitřku komorové vakuové pece fy SecoWarwick 2.2.3.2

Obr. 2.20 – pohled do vnitřku komorové pece fy SecoWarwick

2.2.3.2 Vývěvy Volba vývěv je dána buď podle požadovaného vakua nebo sacího výkonu. Jednotlivé typy vývěv mají charakteristický pracovní rozsah, v němž mají zvlášť vysokou účinnost. Hrubé vakuum (760-100 torrů): Nejhospodárnější jsou vodokružní vývěvy a ejektory. Mezivakuum (100 - 1 torrů): v celém rozsahu se hodí rotační olejové vývěvy; odpadají-li při tlacích ≤ 10 torrů větší množství plynu, doporučuje se předřadit Rootsovu vývěvu. Jemné vakuum (1-10-3 torrů): pro evakuaci na 10-1 torrů se hodí jednostupňové rotační vývěvy s připouštěním vzduchu (Gasballast), při evakuaci na 10-2 torrů vývěvy dvoustupňové. V rozsahu 10-2-10-4 torrů jsou nejhospodárnější difúzní vývěvy s předřazenými dvoustupňovými rotačními vývěvami s připouštěním vzduchu, nebo s předřazenou kombinací Rootsovy vývěvy s vývěvou rotační. Mají-li být udržována vakua řádu 10-4 torrů po dlouhou dobu, předřazujeme dvoustupňové Rootsovy vývěvy ve spojení s dvoustupňovými vývěvami rotačními.

Obr. 2.21 – Suchá (bezolejová) průmyslová vývěva

Obr. 2.22 – Vzduchová bezolejová rotační vývěva


2.2.4 Retorty Další metodou ochranné atmosféry je vložení celého pracovního procesu do slitinové retorty. Retorta (nebo muflová pec) je zahřívána externě buď plynem nebo elektřinou. Nejpoužívanějším utěsněním retorty je vodou chlazená příruba ze silikonovým O-kroužkem uzavírající se nejčastěji přítlakovými svorkami. Je tedy zapotřebí uzavřít retortu mimo oblast pecního prostoru, to umožňuje dosáhnout téměř absolutní čistoty ochranné atmosféry. Hlavní výhoda spočívá v snadné manipulaci s retortou, která je po celou dobu plynotěsně uzavřena, a spolu s neustále dodávanou ochrannou atmosférou může být přenesena např. do chladicí lázně, další výhody jsou použití i v méně kvalitních pecích, jelikož retorta funguje jako samostatný celek a reguluje celý proces uvnitř, retorta s litým dnem zaručuje rozměrovou stabilitu. V případě, že použijeme předehřívacího kanálu, zabraňujeme tepelným šokům a umožníme vyhoření zbytků oleje apod.. Samozřejmě je možné použít retortu i jako fixní (obr.2.23) a vznikne nám vakuová pec, ale ztrácíme tím výhodu manipulace se vsázkou. Důvody koncepce retorty jsou teda zjevné, v mém případě vyvstala hlavní otázka, jak si poradit z chlazením styku víka a příruby retorty, které je nezbytné pro udržení ochranné atmosféry. Tímto problémem se budu zabývat v (kap.2.3 a celé 3. kapitole).

strana 27

2.2.4

Obr. 2.23 – Vakuová pec na temperování s fixní retortou fy SecoWarwic

2.3 Porovnání způsobů řešení plynotěsnosti podle max. teploty pece Je mnoho způsobů, jak dosáhnout plynotěsnosti pece, retort a dalších zařízení pracujících při vysokých teplotách, některé z nich jsem již uvedl v předcházející kapitole věnovaných pecím. Důležitý faktor při volbě těsnění a jeho chlazení je max. pracovní teplota pece, požadovaný stupeň plynotěsnosti, složení ochranné atmosféry a s ní související operace prováděné v peci (retortě). Dalším faktorem ovlivňujícím plynotěsnost pece je její velikost, ve velkých šachtových pecích se mnohem hůře dosáhne těsnosti jako např. u malých laboratorních pecí. Pokud uvažujeme válcové pece do 500° C lze dosáhnout pomocí vodního chlazení pláště a silikonového těsnění i vakua 10-4 torrů (1,3-4 kPa) pomocí jedné rotační vývěvy v případě pecí laboratorních při stejném vakuu i teplot 1550° C. V dalším textu se zaměřím již výhradně na řešení problému utěsnění pece s plynotěsnou retortou, resp. řešení těsnění retorty.

2.3

strana 28

2.3.1

2.3.1.1

2.3.1.2


2.3.1 Volba těsnění retorty Hlavním problémem při návrhu správného těsnění je max. pracovní teplota pece. V tomto případě se jedná o teplotu max. 1100° C v pracovní oblasti retorty, z toho vyplývá, že i při účinném chlazení je třeba uvažovat o materiálech od silikonových pryží (jednosložkové), Vitonu (fluoroelastomery), až po dvousložkové a více složkové silikonové kaučuky (např. Lukopren, Kalrez odolává až 330° C, apod.), ale i dalších polymerů jako např. PTFE „Teflon“, „Starflon“ (fluorové polymery odolávající v rozmezí teplot -250° C až +280° C) apod.. 2.3.1.1 Jednosložkové silikony Jednosložkové silikony jsou zaměřeny vždy na jednu oblast, buď jsou pro všeobecné použití (všude, kde nejsou na materiál kladeny zvýšené nároky na: odolnost teplotě, chemickou odolnost, stárnutí a bobtnavost, tato pryž má dobré fyzikálně mechanické vlastnosti), olejivzdorné pryže (je dobře odolná tukům, minerálním a živočišným olejům při teplotě prostředí, primárně určená pro výrobu těsnění a běžné použití v průmyslu), nebo pryž odolná chemikáliím, stárnutím a mnoho dalších, vyznačují se nižší tepelnou odolností do 120° C, a proto nejsou vhodné pro mé řešení. 2.3.1.2 Dvou a vícesložkové silikony Dvou a vícesložkové silikony mají již větší škálu vlastností a dají se různě upravovat, aby vyhověly požadavku pro daný případ. Mezi hlavní výhody patří dobrá tepelná a chemická (i vysoce agresivním chemikáliím) odolnost zároveň, dobrá tažnost (velice snadno vytvoříme profilové pryže, vhodné i na složité formy), výborná odolnost vlivům venkovního prostředí, ozónovému stárnutí a UV záření, výborné dielektrické vlastnosti, apod.. Jelikož pracovní část retorty bude pracovat do max. teploty 1 100° C a bude napouštěna atmosférou z čpavku a podobných agresivních chemikálií, zvolil jsem nakonec jednu ze dvou složkových pryží.

Obr. 2.24 – Profily z Teflonu

Obr. 2.25 – Profil trubky z materiálu Kalrez


strana 29

2.3.1.3 Specifikace zvoleného těsnicího materiálu VITON 80 AG 37 od fy SITTECH ( www.sittech.cz ) pryž pro speciální použití: • barva: černá, červená • specifická hmotnost: 2,2 g/cm3 • tvrdost: 80 ShA • tažnost: 190 % • pevnost: 50 kg/cm2 • teplotní odolnost: -30° C až +250°C (u profilové pryže +220° C)

2.3.1.3

odolnost vůči: • mnoha vysoce agresivním chemikáliím • aromatickým a alifatickým uhlovodíkům • lubrifikantům a olejům • vysokým teplotám a otevřenému ohni • slunečním paprskům a ozonu Standardně se jedná se o plnou profilovou pryž vyráběnou ve čtvercových, obdélníkových a kruhových profilech, po délce 25 m obvykle stáčené, na zakázku je možné vyrobit s dutým profilem a opatřit samolepicí páskou.

Obr. 2.26 – Příklad vyráběných profilů ze silikonových pryží Obr. 2.27 – Viton

2.3.1.4 Specifikace zvolených izolačních materiálů. Sibral Izolační materiály Sibral STANDARD/SUPER se používají všude tam, kde je zájem šetřit energií za vysokých teplot. Sibral se používá k izolacím částí energeticky náročných technologií ve sklářství, v hutním a slévárenském odvětví, v energetice, chemickém průmyslu apod. Instaluje se při stavbách celovláknitých nebo převážně vláknitých či tradičních pecích. Nejširší použití má Sibral v metalurgii při stavbě pecí žíhacích, poklopových, narážecích, kalicích, u pecí na výrobu stavebních hmot a jiných. Teplotní mez použití výrobků Sibral je dána klasifikační teplotou, tj. teplotou, při níž se vlastnosti materiálu začínají významně měnit. Klasifikační teplota se obvykle zjišťuje z průběhu smrštění (dodatečná lineární změna) při zahřívání. Tato teplota je u vlákna Sibral STANDARD 1 260° C, Sibral SUPER 1 430° C. Žárovzdorné vlastnosti vláken určuje zejména jejich chemické složení. Při dlouhodobém použití vláken v jednotlivých aplikacích je nutné uvažovat s teplotou použití o několik desítek stupňů nižší (zpravidla o 70° C). Naopak krátkodobě lze materiál Sibral vystavit i mnohem vyšším teplotám (řádově o stovky stupňů).

2.3.1.4

strana 30


Teplota použití závisí nejen na vlastnostech vlákna a objemové hmotnosti výrobku, ale převážně na charakteru umístění a namáhání, tj. zda se jedná o cpanou izolaci či o vláknitou vyzdívku, zda je izolace vystavena teplotě trvale či přerušovaně, po jakou dobu má vyzdívka sloužit, zda je vystavena otřesům a v jaké pracuje atmosféře. Použitím vláken Sibral lze dosáhnout výrazných úspor energie. Největších úspor lze docílit u periodicky pracujících pecí, kde se využívá velmi nízké akumulace tepla. Vlákna Sibral mají vynikající odolnost vůči chemickým látkám. Sibral však nelze vystavovat působení kyseliny fluorovodíkové a fosforečné a koncentrovaných louhů. Lepší tepelně izolační vlastnosti vlákna prokazují v neutrálním a oxidačním prostředí. Při používání vlákna Sibral a výrobky z něho nevystavovat působení kyseliny fluorovodíkové a fosforečné a koncentrovaných louhů. Obr. 2.28 –Rohož Hranaté šňůry POWER®therm Jedná se o hranatou šňůru z česaného HT skelného vlákna zesílenou inconelem (kvalitní ocel). Šňůra má nízkou hustotou (0,6 g/cm3) a je pletená ve čtyřech směrech. Je používána místo standardní pletené šňůry o hustotě 0,8 - 0,9 g/cm3 pro následující vlastnosti: dobrá elasticita, vysoká odolnost proti lomivosti a snadná adaptabilita, jak při montáži na sedlo díky své jemnosti, tak při řezání. Díky čtyřstrannému pletení se netřepí při řezání a udržuje si svou elasticitu i při silném mechanickém namáhání. Je vhodná jako výborné tepelné utěsnění, zabraňují úniku tekutin a plynů, lehká a rychlá montáž. Obr. 2.29 – Izolační šňůra

2.3.2

2.3.2 Konstrukční návrh retorty a pece Retorta je koncipována jako válcová nádoba, na kterou je přivařená příruba, kde se nachází závěsná oka úchyty pro víko středicí tyče apod., víko je pak přišroubováno k tomuto celku pomocí svěráků, celá retorta je utěsněna. Rozměry pece se volí z ohledem na velikost průměru pláště, příruby a délky pláště, jelikož uvažuji středně velké pece, hodnoty se pohybují do průměru 3,5 m a výšky cca 4 m.

Obr. 2.30 – Schéma uložení v peci

3 Návrh chlazení příruby, víka a použitého těsnění

strana 31

3 NÁVRH CHLAZENÍ PŘÍRUBY A POUŽITÉHO TĚSNĚNÍ

3

3.1 Popis programu pro vytvoření modelů a MKP

3.1

Každým rokem se díky zvyšování výkonů pracovních stanic, průmyslových a osobních počítačů snaží výrobci softwaru poskytnout co nejefektivnější řešení pro dnešní konstruktéry, tak aby se mohli zabývat danými problémy v kratším čase, řešením více možností a produkcí kvalitnějších výrobků. S tím souvisí hlavně zvyšování kvality CAD/CAM technologií, zlepšování GUI programů, zvýšení výpočetních možností, zavádění specifických modulárních systémů, které jsou navzájem propojeny a zasahují dnes i do odvětví, kde bychom je před pár lety nehledali (např. návrhy šperků), apod. 3.1.1 Pro/ENGINEER Pro/ENGINEER je hlavním produktem firmy PTC. Momentálně je na verzi nesoucí označení Wildfire 2.0. Tento program patří do rodiny produktů Parametric Technology Corporation (PTC), které obsahují plně asociativní soubor integrovaných navrhovacích, strojírenských a obráběcích aplikací. Pro/ENGINEER, je zcela parametrický objemový modelovací systém pro návrh součástí, sestav a tvorbu dokumentace. Jádrem je modul Pro/ENGINEER, který je možno osadit přídavnými moduly podle potřeb zákazníka. Jako jeden z mála programů obsahuje kompletní spektrum činností v procesu návrh – výroba. Počet modulů ve verzi Wildfire 2.0 je v současné době na 30, zahrnují řešení návrhu, strojírenství, obrábění CNC, správu dat apod. Popisem postupu v příslušných modulech, které jsem využil, se budu zabývat pouze okrajově při návrhu jednotlivých konstrukčních celků sestavy. Zde uvádím moduly použité při návrhu mého zadání: 3.1.1.1 Použité moduly Pro/ENGINEER Design Pro/ENGINEER Advanced assembly Pro/ENGINEER Advanced rendering 3.1.2 Pro/MECHANICA Pro/Mechanika je samostatný program vyvíjený též firmou PTC, jedná se o kompletní tzv. „FEM“ systém využívající metodu konečných prvků, který dosahuje kvality i mnohem větších programů. Tento program v sobě integruje 3 hlavní části, výpočet statiky a dynamiky (lineární i nelineární), tepla a kinematiky. Jednou z hlavních výhod toho programu, je možnost spuštění přímo v Pro/ENGINEERu, jako u přídavných modulů, ztrácíme sice některé zvláštní vlastnosti Pro/Mechaniky, ale na běžné výpočty je to plně postačující. Jeho nevýhodou je, že zatím nedokáže řešit některé klíčové oblasti jako např. akustiku, elektrostatiku, výpočty elektromagnetického pole apod..

3.1.1

3.1.1.1

3.1.2

strana 32

3.2


3.2 Navržení chlazené příruby a víka z těsněním Před podrobným rozborem konstrukce jednotlivých částí retorty bych rád uvedl, že některé konstrukční řešení a doporučené materiály byly převzaty z firmy LAC Hrušovany a provedeny na nich příslušné změny, tak aby vyhovovali požadavku na snížení vlivu ochlazení pláště retorty. Popis materiálů a důvody které mě vedly k jejich zvolení budu uvádět vždy na konci příslušné kapitoly.

3.2.1

3.2.1 Konstrukční řešení příruby Příruba je řešena jako svarek z výpalků a zatočených plechů. V původní zadání firmy sloužila jako nádrž na chladicí médium, z důvodu snadného přechodu na upravenou variantu jsem ponechal použitý materiál a provedl příslušné konstrukční změny a výpočty. Hlavním dílem je výpalek dolního límce z nerezové oceli 17 240, který je rozdělen v postupovém listu 1 na (obr.3.1) na dvě části, které jsou po opracování svařeny přímými svary. Na tento celek jsou přivařeny po obvodu žebra, která jsou umístněna též na postupovém listě 1, na ně je navařen výpalek horního límce z konstrukční oceli 11 373, který je na postupovém listě 3 (obr. 3.8), k límcům je pak přivařen plech z oceli 17 255, který bude přivařen na plášť retorty a je vidět na postupovém listě 2 (obr.3.2), k výpalku límce na postupovém listě 1 je pak po vnějším obvodu přivařen plech z oceli 17 240 z postupového listu 2. Na hlavní díl jsou pak přivařeny úchyty příruby a na konec na horní výpalek středicí tyče víka.

Obr. 3.1 – Postupový list 1



3.2.1.1 Vytvoření modelu příruby v programu Pro/E Postup vytvoření modelů v Pro/E se bude až na výjimky opakovat, proto uvedu stručný popis vytvoření modelu u příruby a u dalších sestav retorty budu uvádět jen odlišnosti. Program umožňuje vytváření dílu (partů) a sestav (assembly), které se pak dají použít jako tzv. „drawing“, což je výkresová dokumentace. Po zvolení new > part si nejprve musíme nastavit jednotky a tolerance, jelikož program Pro/E běží standardně v metrických mírách, nastavíme v setup > „units, tol setup“. Začátek každého dílu se provádí ve skicáři, který ve zvolené rovině vytvoří profil součástky, se kterou pak můžeme provádět tři základní příkazy, vytažení (extrude), otočení podle zvolené osy (revolve) a tažení po trajektorii (sweep). Do hotových profilů potom můžeme provádět zásahy (odebírání a přidávání materiálu), které součástku utváří až do její finální podoby, k hlavním příkazům patří opět vytažení, otočení, a děle díra (hole), žebro (rib), dotažení (draft), sražení (chamfer), zaoblení (round). V sestavě pak jednotlivé součástky poskládáme pomocí úplných nebo částečných vazeb, aby splňovaly příslušnou funkčnost. Části jako horní a dolní límec, oba pláště a úchyty jsem vytvořil pomocí příkazu vytažení (extrude) a dodělal příslušné estetické detaily jako sražení a zaoblení hran. Pak jsem jednotlivé součástky v sestavě poskládal pomocí pevných vazeb a vymodeloval svary, které jsou také součástí Pro/E a je možné je potom zobrazit na výkresové dokumentaci. Hotový model příruby je možno vidět na (obr 3.3) a na obrázcích v příloze.

strana 33

3.2.1.1

Obr. 3.3 – Příruba retorty

3.2.1.2 Odůvodnění volby materiálů příruby U dolního límce jsem ponechal nerezavějící ocel 17 240, ale ve změněné variantě je možné použít materiál 17 020, nebo jinou méně kvalitní ocel a úplně vynechat plech přivařený po obvodu dolního límce. V příslušných výpočtech jsem jej pak vynechal. Plech přivařený po vnitřním obvodu límců je z žáruvzdorného materiálu 17 255 z důvodu vyšší teploty přenášené z pláště retorty a je takovým tepelným mostem mezi přírubou a pláštěm. Úchyty, žebra a další díly jsou ve změněné variantě také z oceli 11 373, místo kvalitní nerezavějící oceli 17 240. Specifikace jednotlivých materiálů je v (tab.3.1) v (kap.3.2.4).

3.2.1.2

strana 34

3.2.2

3.2.2.1


3.2.2 Návrh uložení těsnění Dalo by se říci, že se jedná spíše o změnu těsnění, jelikož v mém případě jsem měl předem definován způsob, jak dochází k utěsnění retorty a já pouze provedl náhradu těsnicího článku a překonstruoval uložení a způsob chlazení těsnicího celku. 3.2.2.1 Varianta s plochým těsněním V původní konstrukci retorty docházelo k těsnění klasickým kruhovým pásem obdélníkového profilu (obr.3.4), který byl přitažen víkem na přírubu, ve které byla napuštěna chladicí kapalina a docházelo k ochlazení, jak v místě styku těsnění a dosedací plochy příruby, tak i v místě kde je příruba navařena na plášť retorty, a to samozřejmě nepříjemně ovlivňovalo tepelnou bilanci v peci. Na (obr.2.15) v kapitole 2 je dobře vidět, kam až ovlivňuje ochlazená příruba plášť retorty. Další nevýhodou bylo, že těsnění nebylo odizolováno od vnitřku retorty, a proto mohli na stěnu těsnění působit ohřáté plyny z ochranné atmosféry, docházelo tak k častějšímu poškozování těsnění.

Obr. 3.4 – Náčrt utěsnění retorty pomocí klasického těsnění

Samozřejmě, že je více způsobů, jak dosáhnout uspokojivých výsledků, je možné předělat konstrukci víka, aby bylo možné dodávat chladicí kapalinu přímo do něj (obr 3.5), nebo lépe na jeho horní část navařit kanál, a přírubu chladit pouze vzduchem, ovlivněná část by pak mohla být značně menší, bylo by však třeba zvolit kvalitnější těsnění (např. Kalrez odolává 330° C), kvůli zvýšené teplotě na přírubě a izolovat pomocí izolačních šňůr či aktivního chlazení.

Obr. 3.5 – Schéma a obrázek retorty v peci od fy Miwy,


3.2.2.2 Varianta z profilovým těsněním Použití nového těsnění bude sice o něco dražší, ale jeho životnost by se měla výrazně zvýšit použitím vhodnější dopravy chladicího média, resp. použitím profilového silikonu a chlazením z vnitřku těsnění, nebude také třeba taková spotřeba chladicí kapaliny a co je nejdůležitější, nebude ochlazována tak velká část příruby retorty a pláště. Samozřejmě vyvstává otázka, zda bude tento způsob chlazení opravdu tak účinný, jelikož zatím nevím, kolik bude výsledná teplota působící na vnitřní stěnu těsnění, které bude nejvíce tepelně namáháno a nevím ani, jak bude docházet k odvodu chladicího média, jestli bude nastávat v profilu turbulentní nebo laminární proudění apod.. To vše zjistím příslušným výpočtem jak analytickým, tak v programu Pro/Mechanica, ale pokud uvažuji ideální podmínky měl by tento způsob být účinnější.

strana 35

3.2.2.2

Obr. 3.6 – Náčrt utěsnění retorty pomocí profilového těsnění s izolačními šňůrami

3.2.2.3 Výběr varianty Zvolil jsem variantu s profilovým těsněním, která má řadu zjevných výhod oproti původnímu řešení. Na (obr.3.7) je vidět směr tepelného toku, je důležité vědět, jak dochází k působení na izolace a těsnění, v tomto případě je teplo částečně odstíněno blokem těsnicího materiálu vpravo a pecí vlevo, budu tedy ve výpočtech uvažovat redukovanou hodnotu teploty (cca o 10% nižší, tj. 1000° C) působící na první těsnicí šňůru. (v kap.3.3 provedu podrobný výpočet).

Obr. 3.7 – Schéma působení Q

3.2.2.3

strana 36

3.2.3


3.2.3 Konstrukční řešení víka Víko je řešeno jako snadno rozebíratelné od zbytku retorty, ale zároveň musí splňovat podmínku plynotěsnosti, proto je po jeho obvodu těsnění. Jeho materiál jsem zvolil v (kap.2.3.1.3) a podrobným návrhem jsem se zabýval v předchozí kapitole. Hlavní částí je výpalek z plechu z materiálu 11 373 na postupovém listu 3 (obr.3.8), na který jsou přivařeny, klenuté dno pro oddělení izolace od chlazení hřídele elektromotoru, kryt, který v sobě má izolaci z materiálu Sibral (zmíním se později), která stíní žár z retorty, dále upínky, které slouží jako podpěry při uzavírání víka k přírubě, různé trubky pro upevnění hrdel s přívodem atmosféry a chladicího média, podstavce na upevnění úchytů pro zavěšení a manipulaci s víkem pomocí jeřábu a návarky na utěsnění tyčí, na kterých je zavěšen kryt 1 pro cirkulaci vzduchu. K tomuto svařenému celku je přišroubována příruba z oceli obvyklé jakosti 11 373, na kterou jsou přivařeny úchyty pro manipulaci a přišroubován třífázový elektromotor s dlouhou hřídelí, dále je k přírubě elektromotoru přivařena objímka z materiálu 17 240, do které ústí trubky pro přívod chladicí kapaliny taktéž z materiálu 17 240, to celé je zakryto klenutým dnem elektromotoru. Chlazení hřídele elektromotoru je dále napojeno na chlazení těsnění pomocí armatur. Na konci hřídele elektromotoru je nasazena vrtule, která je též navařena na vlastní objímku a vyztužena plechy, její díly jsou vidět na postupovém listu 6 (obr.3.11), celá je pak stažena svorkou. Kryt, ve kterém je izolace, je z materiálu 17 255 a je svařen z nastřiženého plechu v postupovém listu 4 (obr.3.9), který tvoří dno a na kterém je po vnějším obvodu přivařen plech z postupového listu 4 (obr.3.9). Zavěšený kryt 1, je svařen taktéž z nastřiženého plechu na (obr.3.9) a na něj jsou po obou stranách navařeny plechy z (obr.3.10). Kryt 1, tyče které ho drží i všechny zbývající díly víka, které přichází do styku s vnitřní atmosférou retorty jsou rovněž z materiálu 17 255.






strana 37

strana 38

3.2.3.1


3.2.3.1 Model víka v programu Pro/E Při tvorbě sestavy víka jsem opět použil metod, které jsem již uvedl, jediný rozdíl, který byl při tvorbě výsledné sestavy, je použití volného uložení hřídele elektromotoru, tedy volné vazby. Na (obr.3.12) a (obr.3.13) je vidět kompletní víko i z izolacemi a těsněním, další obrázky jsou v příloze.

Obr. 3.12 – Víko shora

Obr. 3.13 – Víko zespodu

3.2.3.2

3.2.3.2 Odůvodnění volby materiálů víka Největší časti víka nepřichází do styku z pecí, proto jsou z oceli 11 373, kryty jsou z oceli 17 255, která sice nad 950° C křehne, ale pokud materiál není zatížen, vydrží i vyšší teploty, vrtule je ze speciální oceli 17 465 (volba dle doporučení) a dále součástky, které přichází do styku s chladicí kapalinou, jsou opět z materiálu 17 240 kvůli odolnosti a trvanlivosti. Výplň krytu je ze Sibralových rohoží, které se vyrábí ze žárovzdorných hlinitokřemičitých vláken, ze vzniklých vláken se vyrábí rohož vpichováním bez použití dalších pojiv, formátováním, skládáním a stlačováním se z rohože dále vyrábějí moduly. Specifikace jednotlivých materiálů je v (tab.3.1) v (kap.3.2.4).


strana 39

3.2.4 Materiály příruby a víka Oceli Materiál Třída Norma Barevné označení Hustota ρ [kg m-3] Modul pružnosti E Mez pevnosti Rm [MPa] Mez kluzu Re, Rp0,2 [MPa] Tepelná vodivost λ20 [W m-1 K-1] Měrné teplo cp20 [J kg-1 K-1] Stř. koeficient tep. roztažnosti α800 [10-6 K-1] Tepelná odolnost [°C]

11 373 konstrukční oceli ČSN 4111xx

3.2.4

17 240

17 251

17 255

17 465

korozi a teplu odolné oceli ČSN 4117xx

černá bílá

červená černá zelená

červená modrá hnědá

červená černá hnědá

červená bílá zlatá

7800

7900

7900

7900

7900

195

200

200

200

200

370

500-700

500-750

500-750

950-1200

235

195

230

210

580

-

15

15

14

14,5

-

500

500

500

500

17,3

19

18,5

18

18,8

500

800

950

950

1100

Tab. 3.1 – Vybrané hodnoty ocelí

Pozn.: hodnota λ, cp uvedena při 20°C a α při 800°C, mat. na šroubech, matkách apod. dle norem. Ostatní materiály Materiál (obchodní název)

Hustota ρ [kg m-3] Mez pevnosti Rm [MPa] Tepelná vodivost λ [W m-1 K-1] Měrné teplo cp [J kg-1 K-1] Tepelná odolnost [°C]

Izolační rohože, moduly (Sibral STANDARD)

Izolační šnůry (PowerTherm)

Profilové silikonové těsnění (Viton)

200

600

2200

0,4

4

4,9

0,263

0,35

0,2

969

900

1500

1260

1050

220

Tab. 3.2 – Vybrané hodnoty ostatních materiálů

strana 40

3.3


3.3 Určení chlazení a potřebného chladicího výkonu Před samotným výpočtem je nutné si provést nejprve rozbor. Těsnění je umístněno na konci víka a je chráněno třemi těsnicími šňůrami z materiálu PowerTherm, specifikace materiálů je uvedena v (tab.3.2) a (tab.3.3).

3.3.1

3.3.1 Výpočet teploty působící na těsnění Jelikož se jedná o stěny nekonečně zakřivené (průměr je mnohem větší než délka stěny), použiji postup výpočtu, jako by se jednalo o stěny rovné. Postup výpočtu 1 = 0 , čímž dostaneme tS1 = tp, a odhadneme tS10 ; 1. položíme α1= ∞ resp.

α1

2. z hodnoty tS10 pak určíme podle (tab.3.4) hodnotu α2, a pro zjednodušení vypočítáme ztráty do okolí na 1 m2 plochy q Z = α 2 (t S 8 − t O ) , a později podle vztahu v (tab.3.2) přepočítáme na Q na příslušné ploše; 3. položíme q Z =

λ1 (t S1 − t S 2 ) a z tabulek pro dané materiály vrstvy určíme δ1

hodnoty tS2 a λ1 splňující tuto rovnost, pozn.: hodnoty λ a δ uvedu v samostatné (tab.3.3) z důvodu přehlednosti; 4. získanou hodnotu tS2 dosadíme do vztahu a opět vyhledáme příslušné hodnoty tS3 a λ2 ; 5. takto postupujeme, až se dostaneme na hodnoty tS10 a λ9 ; 6. vypočtenou hodnotu tS10 porovnáme s hodnotou odhadnutou; není-li dostatečná shoda, odhadujeme tS10 znovu, tentokrát blíže vypočtené hodnotě a postup opakujeme; 7. opakujeme tak dlouho, až je shoda mezi vypočtenou a odhadnutou teplotou tS10 dostatečná: tj. q Z a α2 je určeno dostatečně přesně. Procházející množství tepla je u vzduchových mezer ve skutečnosti větší, což je vyvoláno přirozeným prouděním v mezeře, a tedy přídavným vlivem konvekce. Tento jev by se dal respektovat zavedením zdánlivé tepelné vodivosti λekv = χ ⋅ λ a

M ⋅ (Gr ⋅ Pr ) , kde Grashofovo Gr i Prandtlovo Pr, Gr ⋅ Pr + N t +t stanovujeme pro vzduch o teplotě Sn Sn−1 , hodnoty M, N, R se stanoví podle 2 γ 2 ⋅ β (t Sn − t Sn −1 )δ 3 geometrického tvaru a směru tepelného toku, Gr = hodnoty ve 9η 2 vzorci se musí získat z odborných tabulek, jelikož jsem neměl k dispozici potřebné hodnoty a tloušťky stěn jsou zanedbatelné, počítám s χ=1, což znamená čistou kondukci. Jednotlivé vzorce potřebné k výpočtu v této kapitole jsou pro přehlednost uvedeny kromě vlastního výpočtu i v (tab.3.4).

výpočtem součinitele χ = 1 +

R


F1

λ1 0,35 δ1 0,035 F2

λ2 0,065 δ2 0,005 F3

λ3 0,325 δ3 0,035 F4

λ4 0,054 δ4 0,005 F5

λ5 0,3 δ5 0,035 F6

λ6 0,043 δ6 0,01 F7

λ7 0,2 δ7 0,035 F8

0,1039

0,1116

0,1127

0,1204

0,1215

0,1292

0,1303

0,1379

Tepelná vodivost [W m-1 K-1] Tloušťka stěn [m] Plochy stěn [m2]

strana 41

Tab. 3.3 – Vybrané a vypočtené hodnoty

Hodinové množství procházejícího tepla Q [kJ h-1] Součinitel prostupu tepla k [W m-1 K-1] Součinitel přestupu tepla α [W m-2 K-1]

3,6 ⋅ k ⋅ F ⋅ ∆t m 3,6 ⋅ q Z ⋅ F k=

1 1

α1

+

1 δ + λ α2

α 2 = 7 + 0,05 ⋅ t Sn pro t Sn < 300 °C α 2 = 0,08 ⋅ t Sn pro t Sn > 300 °C i

Střední plocha Fm [m2] Střední rozdíl teploty stěny ∆tm [°C] Teplota v i-tém rozhraní ti [°C] Tab. 3.4 – Vybrané vzorce

Obr. 3.14 – Schéma jednotlivých stěn

∑ (π ⋅ D ⋅ h )

i

i t Sn − t Sn −1 t S1 −

Q i ⎛δ ⎞ ∑⎜ ⎟ F ⎝ λ ⎠i

strana 42


Výpočet ztrát do okolí a součinitel přestupu tepla q Z = α 2 (t S 8 − t O )

α 2 = 7 + 0,05 ⋅ t S 8 kde: α2 [W m-2 K-1]...součinitel přestupu tepla tS10 [°C]..............odhadnutá teplota poslední stěny tO [°C]................teplota okolí, volím 20° C

α 2 = 7 + 0,05 ⋅ t S 8 = 7 + 0,05 ⋅ 102,2 = 12,11 Wm −2 K −1 q Z = α 2 (t S 8 − t O ) = 12,11(102,2 − 20) = 995,442 J Výpočet teplot ve vrstvách Nyní postupně vypočítáme jednotlivé teploty a porovnáme ze zvolenou hodnotou. t Sn = t Sn −1 −

δ n −1 qZ λn −1

kde: tSn [°C].............teplota v dané vrstvě λn [W m-1 K-1]...tepelná vodivost dané stěny, beru z (tab.3.1) δn [m]................tloušťka dané stěny, beru z (tab.3.1) δ 0,035 995,442 = 900,46° C t S 2 = t S 1 − 1 q Z = 1000 − 0,35 λ1 tS3 = tS2 −

δ2 0,005 995,442 = 823,88° C q Z = 900,46 − 0,065 λ2

t S4 = t S3 −

δ3 0,035 995,442 = 716,68° C q Z = 823,88 − 0,325 λ3

tS5 = tS4 −

δ4 0,005 q Z = 716,68 − 995,442 = 624,5° C λ4 0,054

tS6 = tS5 −

δ5 0,035 q Z = 624,5 − 995,442 = 508,38° C λ5 0,3

tS7 = tS6 −

δ6 0,005 q Z = 508,38 − 995,442 = 276,89° C λ6 0,043

t S8 = t S7 −

δ7 0,005 q Z = 276,89 − 995,442 = 102,68° C λ7 0,2


strana 43

Zvolené t S 8 = 102,2 ° C je dostatečně blízké vypočtené hodnotě t S 8 = 102,68 ° C , a tím pádem jsou ostatní vypočtené hodnoty správné. Výpočet hodinového množství unikajícího tepla (informativní) •

Mohu vybrat buď výpočet podle vzorce Q = 3,6 ⋅ k ⋅ Fm ⋅ ∆t m nebo podle •

Q = 3,6 ⋅ q Z ⋅ Fm vybereme ten druhý, jelikož v tomto případě je to rychlejší. •

Q = 3,6 ⋅ q Z ⋅ Fm i

Fm =

∑ (F )

i

1

i

kde: qz [J]......tepelná ztráta na 1 m2 F [m2]....teplo-směrná plocha Fm [m2]...střední plocha

Fm =

F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + F6 + F7 + F8 = 0,1212 m 2 8

•

Q = 3,6 ⋅ q Z ⋅ Fm = 3,6 ⋅ 995,442 ⋅ 0,1212 = 434,2 kJ h −1 3.3.2 Výpočet potřebného chladicího výkonu Všechny důležité hodnoty, které se vyskytují při výpočtu je možné vidět na schématickém (obr.3.15). Postup výpočtu 1. K dalšímu výpočtu je nezbytná již vypočtená teplota stěny, což je t S 7 , také hodnoty pro stěnu těsnění λStěny a δStěny, dále zvolíme tepotu vody na vstupu tVodaVstup ; 2. Výpočtem pro střední log spád odhadneme výstupní hodnotu kapaliny tVodaVýtup ; 3. Spočteme tepelný tok v místě styku těsnění a kapaliny, pak pomocí •

Q = k ⋅ Fm ⋅ ∆t Stř spočteme součinitel prostupu tepla a ze vzorce pro

k z (tab.3.4) spočteme součinitel α ; 4. Nyní si musíme zvolit rychlost proudění kapaliny u , vyhledat příslušné hodnoty pro chladicí kapalinu a spočítat z rovnice podle Nusseltova kritéria součinitel α ; 5. pokud se součinitele α v 3 a 4 bodě dostatečně shodují, máme hodnoty určeny správně. 6. Spočteme z výsledných teplot potřebný chladicí výkon.

3.3.2

strana 44


Obr. 3.15 – Schéma proudění kapaliny v těsnění a příslušný teplotní spád

Výpočet Q v místě styku kapaliny a těsnění Hodnotu qz bereme z předcházejícího výpočtu •

Q = q Z ⋅ FSteny FSteny = π ⋅ D ⋅ h kde: D [m]...průměr po vnitřním obvodu těsnění D=1,19 m h [m]....výška těsnění h=0,035 m

FSteny = π ⋅ D ⋅ h = 3,14 ⋅ 1,19 ⋅ 0,035 = 0,1308 m 2 •

Q = q Z ⋅ FSteny = 995,442 ⋅ 0,1308 = 130,2 J s −1 Výpočet součinitel přestupu tepla z odhadnuté ∆tStř Volíme tVodaVstup = 20° C , tVodaVýstup = 50° C , pak z předchozího výpočtu položíme t S 7 = t Steny = 276,89° C , opět platí α1= ∞, resp. 1/α1= 0. •

•

Q = k ⋅ FSteny ⋅ ∆t Stř

k=

Q ⇒k= FSteny ⋅ ∆t Stř

1

δ Steny 1 + + α 1 λ Steny α 2' 1

⇒ α2


∆t Stř =

∆t 1 − ∆t 2 ∆t ln 1 ∆t 2

kde: ∆t1 = (t Steny − tVoda Vstup ) = 256,89 [°C]...rozdíl teplot na vstupu

∆t 2 = (t Steny − tVoda Výstup ) = 226,89 [°C]...rozdíl teplot na výstupu

λSteny [W m-1 K-1].........................tepelná vodivost dané stěny, λ=0,2 W m-1 K-1 δSteny [m]......................................tloušťka dané stěny, δ=0,005 m

∆t =

256,89 − 226,89 = 241,58° C 256,89 ln 226,89 •

Q 130,2 k= = = 4,12 W m −1 K −1 Fm ⋅ ∆t Stř 0,1308 ⋅ 241,58

α 2' =

k 4,12 = = 4,494 W m − 2 K −1 0,89685 0,91685

Výpočet součinitel přestupu tepla z kriteriální rovnice Výpočet vychází z obecného vzorce, který se pozmění podle níže spočtených parametrů a volených hodnot z tabulek. Všechny vzorce pak složíme a vyjádříme α2. Nu = C ⋅ Re m ⋅ Pr n Nu =

Re =

α 2 ⋅ d ekv λVody u ⋅ d ekv

ν Vody

kde: C, m, n [-]..............konstanta a exponenty se volí dle způsobu proudění kapaliny Nu [-].....................Nusseltovo kritérium Re [-]......................Reynoldsovo kritérium Pr [-].......................Prandtlovo kritérium, v tabulkách pro stř. tep. vody, Pr35=4,81 α2 [W m-2 K-1]........součinitel přestupu tepla u [m s-1].................střední rychlost kapaliny v těsnění, u=0,0005 m s-1 dekv [m]..................ekvivalentní průměr z obdélníkového průřezu 4⋅S 4(a ⋅ b ) 4(0,035 ⋅ 0,045) d ekv = = = = 0,0394 m o 2(a + b ) 2(0,035 + 0,045) λVody [W m-1 K-1]...tepelná vodivost vody pro střední teplotu v těsnění, λ35=0,624 ν Vody [10-8 m2 s-1]...kinematická viskozita vody při střední teplotě v těsnění ν 35=72,4

strana 45

strana 46


Reynoldsovo kritérium a volba vhodné kriteriální rovnice

Re =

Protože, Re =

u ⋅ d ekv

ν Vody

=

0,0005⋅ 0,0394 = 27,21 72,4 ⋅ 10−8

u ⋅ d ekv

= 27 ,21 ≤ 2300 nejedná se o turbulentní proudění ν Vody a zvolíme vzorec pro laminární proudění v trubce. Volíme tedy C=1,81, m=n=1/3 pro ohřev vody. Pro vzorec pro laminární proudění pak platí následující omezení:

⎛d ⎞ Re⋅ Pr⋅ ⎜ ekv ⎟ > 10 ⎝ o ⎠ kde: o [m]...obvod na středním průměru těsnění o=3,833 m ⎛ 0,0394 ⎞ 27 ,21 ⋅ 4,81 ⋅ ⎜ ⎟ = 1,345 > 10 ⇒ že podmínka je splněna. ⎝ 3,833 ⎠

Nyní složíme vzorec pro Nusseltovo kritérium z kriteriální rovnice pro laminární proudění a vyjádříme α2 m

α 2 ⋅ d ekv ⎞ m ⎛d = C ⋅ (Re⋅ Pr ) ⋅ ⎜ ekv ⎟ ⇒ α 2 λVody ⎝ o ⎠ m

⎛d ⎞ C ⋅ (Re⋅ Pr ) ⋅ ⎜ ekv ⎟ ⋅ λVody ⎝ o ⎠ α2 = d ekv m

⎛ 0,0394 ⎞ 1,81 ⋅ (27,21 ⋅ 4,81) ⋅ ⎜ ⎟ 3,833 ⎠ ⎝ α2 = 0,0394 1/ 3

1/ 3

⋅ 0,624 = 4,4 W m − 2 K −1

Vyhodnocení správnosti odhadnuté teploty ∆tStř Hodnoty α2 z odhadnutého výpočtu a z kriteriální rovnice porovnáme

α 2' = 4,494 ≅ α 2 = 4,4 W m −2 K −1


Výpočet potřebného chladicího výkonu pro dané ∆tStř Teď dosadíme do rovnice pro tepelný tok ověřené ∆tStř=35° C a spočteme množství, které se musí odvést a uchladit při volené průtokové rychlosti u=5 mm/s. •

Q=

t Steny − t Stř 1

α2

+

δ Steny λ Steny

kde: tSteny [°C]............vypočtená teplota stěny těsnění tStř [°C]...............odhadnutá a ověřená střední teplota vody pro daný průtok α2 [W m-2 K-1]...spočtený součinitel přestupu tepla tekutiny λSteny [W m-1 K-1]....tepelná vodivost dané stěny, λ=0,2 W m-1 K-1 δSteny [m]......................................tloušťka dané stěny, δ=0,005 m •

Q=

t Steny − t Stř 1

α 2' •

+

δ Steny λ Steny

=

276,89 − 35 = 958,84 J s −1 1 0,005 + 0,2 4,4

•

Q hod = 3,6 ⋅ Q = 3,6 ⋅ 958,84 = 3451,8 kJ h −1 ≅ 3,5 kW h Závěr Chladicí výkon potřebný k uchlazení těsnění je přibližně 3,5 kW/h.

strana 47

strana 48

4 Návrh uložení retorty v peci

4

4 NÁVRH ULOŽENÍ RETORTY V PECI

4.1

4.1 Konstrukční řešení retorty a volba vhodné pece Retorta je řešena jako válcová nádoba, na kterou je přivařena koutovými svary příruba, na ní se pokládá víko z pohonem ventilátoru a přívodem plynů, chladicího média, nástavců pro měřidla apod., celá složená retorta je pak umístněna do vhodné pece, v tomto případě je umístněna do šachtové (hlubinné) pece vhodného průměru, pece jsou vyráběny na zakázku proto na (obr.4.1) uvádím pouze předběžné rozměry.

Obr. 4.1 – Schéma retorty umístněné v peci 4.1.1

4.1.1 Výpočet tepelná bilance – periodicky pracující pec Tepelná bilance je obecné označení pro rozbor a výpočty všech jevů, které jsou provázeny se vznikem nebo přestupem tepla. Výpočet tepelné bilance se provádí vždy pro vymezený prostor, ať už je tak označen vnitřní prostor pece, nebo celý technologický uzel výroby (soubor strojů a zařízení sloužící k provedení technologické operace nebo sledu operací). Nejčastější vymezení pro naši praxi je výpočet tepelné bilance pro jednotlivou pec. V tomto případě se bude jednat o pec vakuovou, a protože tento výpočet je zobecněn pro všechny pece, je relativně nepřesný a budu ho brát jako čistě orientační. Ve většině případů se ve výrobní praxi používají specializované programy (např. HEAT25) a empirické hodnoty, které nemám k dispozici, proto provedu alespoň tento předběžný výpočet. U periodicky pracujících pecí počítáme zpravidla bilanci pro studenou pec, vsázku a sázecí pomůcky.

DŮLEŽITÉ: 4 Návrh uložení retorty v peci

strana 49

Stanovení potřebného topného výkonu Tento vzorec předpokládá lineární nárůst teploty a zanedbává proměnlivé podmínky přestupu tepla do vsázky s teplotou. Náběh na teplotu je zpravidla členěn do několika lineárních úseků s různou strmostí. Pro výpočet výkonu topení bereme nejstrmější úsek náběhu při nejvyšší cílové teplotě. Vzhledem k tomu, že výpočty všech dílčích „tepel“ zanedbávají řadu fyzikálních závislostí, je třeba počítat s nepřesností výsledku ± 10 - 15 %. Topný výkon pece Pskut je z těchto důvodů rozumné volit minimálně o 20 % vyšší, než dává výpočet. Pskut = P + 0,2 ⋅ P ⇒ P =

P=

Pskut 1,2

Qcelk Qcelk ⇒ tn = tn P ⋅ 3600

kde: P [W]….topný výkon Qcelk [J]…teplo celkem tn [hod]….čas náběhu pece se vsázkou na max. teplotu Celková spotřeba tepla na pracovní cyklus periodicky pracující pece Qcelk = Qvs + Qs + Qvvp + Qv + (Qt + Qo ) + (Qvz ) + Q z

kde: Qvs [J]…...akumulace vsázkou Qs [J]…….akumulace sázecími pomůckami Qvvp [J]….akumulace vnitřku vybavení pece, počítám dohromady spolu s Qs Qv [J]……akumulace vyzdívky Qt [J]……teplo pro roztavení (pouze pro tavné pece - neuvažuji) Qo [J]……teplo pro odpaření (asi 1 % celkového objemu vsázky) Qvz [J]…..teplo vynesené vzduchem (plynotěsná - neuvažuji) Qz [J]……ztráta stěnou pece do okolí (dokonalé stínění, malé ztráty – zanedbávám) Akumulace tepla do vsázky Qvs = m ⋅ c P ⋅ ∆t ∆t = t C − t PO kde: m [kg]…….........hmotnost vsázky (u retorty uvažuji poloviční než pojme pec) cP [kJ kg-1 K-1]…specifická tepelná kapacita vsázky tC [°C]…….........cílová teplota tPO [°C]…...........počáteční teplota (předehřívání neuvažuji)

strana 50

4 Návrh uložení retorty v peci

∆t = t C − t PO = 1100 − 20 = 1080° C Qvs = m ⋅ c P ⋅ ∆t = 500 ⋅ 460,5 ⋅ 1080 = 247,5 ⋅ 10 6 J

Akumulace tepla do sázecích pomůcek a vnitřního vybavení pece V mém případě se jedná o tu část retorty, která je přímo v peci, především plášť a věnce se zavěšenými rošty v retortě. Hmotnosti jednotlivých za tímto účelem vymodelovaných součástí byly určeny v programu Pro/E. Qs ,vvp = m ⋅ c ps ⋅ t m = m pláště + mvěěnc + mkrytu + mkrytu1 + m sibral + mvrtule + m hřřídel c ps = c oceli ⋅ 0,77 + clitiny ⋅ 0,23

kde: m [kg]…….........hmotnost sázecích pomůcek cps [kJ kg-1 K-1]…specifická tepelná kapacita sázecích pomůcek t [K]…….............teplota v peci c ps = 0,77 ⋅ coceli + 0,23 ⋅ clitiny = 0,77 ⋅ 502 + 0,23 ⋅ 460,5 = 470 kJ kg K −1 m = 450 + 176 + 56 + 17,7 + 25 + 16 + 9,7 = 768 kg Qs ,vvp = m ⋅ c ps ⋅ t = 768 ⋅ 470 ⋅ 1373,15 = 397 ⋅ 10 6 J

Entalpie vsázky: teplo pro odpaření QO = m ⋅ ∆hV kde: m [kg]…….....hmotnost složky ve vsázce, beru 1 % ze vsázky tj. 5 kg ∆hV [kJ kg-1]…specifická entalpie varu QO = m ⋅ ∆hV = 5 ⋅ 2256,7 = 11,28 ⋅ 10 6 J Akumulace tepla do stěn pece a vnitřního vybavení pece Pro zjednodušení počítám jako jednu stěnu, do které se zcela akumuluje teplo z pece.

Qv = m ⋅ c P ⋅ (t stř − t O ) t stř =

t P − tO 2

DŮLEŽITÉ: 4 Návrh uložení retorty v peci

strana 51

kde: m [kg]……........hmotnost vyzdívky, beru Sibral o hmotnosti 1000 kg cP [kJ kg-1 K-1]…specifická tepelná kapacita mat. vyzdívky tstř [°C]…............střední teplota vyzdívky tP [°C]…….........teplota pece tO [°C]……........teplota okolí

t stř =

t P − t O 1100 − 20 = = 540° C 2 2

Qv = m ⋅ c P ⋅ (t stř − t O ) = 1000 ⋅ 969(540 − 20) = 496,6 ⋅ 10 6 J Po spočítání všech tepel spočtu výsledné teplo a potřebný výkon, který určí jak výkonná pec je třeba pro rozumný čas ohřevu. Qcelk = 247,5 ⋅ 10 6 + 397 ⋅ 10 6 + 496,6 ⋅ 10 6 + 11,28 ⋅ 10 6 = 1,152 ⋅ 10 9 J

Pskut = P + 0,2 ⋅ P ⇒ P =

P=

Pskut 145 = = 120,83 kW 1,2 1,2

Qcelk Qcelk 1,152 ⋅ 10 9 ⇒ tn = = = 2,65 hod = 2h 39 min tn P ⋅ 3600 120,83 ⋅ 10 3 ⋅ 3600

Závěr

K ohřátí pece z retortou dojde při maximálním výkonu zvolené pece za 2 hodiny a 39 minut. 4.1.2 Volba odpovídající pece Zde přikládám jako příklad rozměry šachtové pece fy ZEZ Praha, a.s., která se vyrábí sériově a podle požadavků zákazníka může být buď bez oběhu vzduchu, s nuceným oběhem, s muflí a nuceným oběhem nebo bez oběhu. V mém případě mufli zcela nahradí plynotěsná retorta s vlastním nuceným oběhem.

Typ

OMEGA PM 8002000/1/1451050

Pracovní Pracovní Topný Hmotnost Spotřeba Hmotnost Teplota Hmotnost průměr hloubka příkon vsázky ŘA muflí mm

mm

kW

°C

kg

m3 / hod

kg

kg

800

2.000

145

1.050

1.000

7,5

2.600

13.800

Tab. 4.1 – Specifikace šachtové pece fy ZEZ Praha, a.s.

4.1.2

strana 52

5 Návrh tvaru a materiálu retorty

5

5 NÁVRH TVARU A MATERIÁLU RETORTY

5.1

5.1 Konstrukční řešení pláště Plášť je koncipován jako plynotěsná nádoba složená ze zatočených plechů, na kterých jsou potom upraveny hrany tak, aby bylo možné provést oboustranné koutové svary. Plášť se skládá ze třech hlavních částí: horního pláště, spojovacího pláště a klenutého dna, které je jako jediné odlitek. Po svaření horního pláště jsou uvnitř po obvodu asi ve 2/3 výšky pláště navařeny věnce (postupový list 6 – obr.3.11) z výztuhami, které budou sloužit jako základna pro zakládací věnec z rošty a na které se umístí příslušné součástky. Potom jsou na jednotlivých částech opět upraveny hrany a horní, spojovací plášť a klenuté dno jsou k sobě přivařeny oboustrannými svary.

Obr. 5.1 – Postupový list 7 5.1.1

5.1.1.1

5.1.1 Volba materiálu pláště Volbu vhodného materiálu pro hlavní část retorty, tedy jejího pláště se volí na základě doporučení od výrobce retorty. Zde jsou operace prováděné v retortě, na základě kterých jsem zvolil dva vyhovující materiály, které jsou níže uvedeny.

5.1.1.1 Složení atmosféry při jednotlivých procesech 1. Složení pecní atmosféry při procesu cementace Do retorty pece se při teplotách 900°C až max.1100°C přivádí kapalný methanol (CH3OH), ten se štěpí na : - 33% oxid uhelnatý (CO) - 67% vodík (H2) Spotřeba methanolu je pro náš rozměr (∅800x1500) retorty cca 1 l/

4:565 odp.DŮLEŽITÉ: Návrh tvaru a materiálu retorty

strana 53

2. Složení pecní atmosféry při procesu nitrocementace Do retorty pece se při teplotách 780° C až max.860° C přivádí kapalný methanol (CH3OH) a plynný čpavek (NH3), ty se štěpí na : - 28% oxid uhelnatý (CO) - 69,5% vodík (H2) - 2,5% dusík (N2) Spotřeba je pro náš rozměr retorty (∅800x1500) cca 1 l/h methanolu + 300 l/h čpavku. Po celou dobu chemicko-tepelného zpracování kontroluje stav atmosféry kyslíková sonda, na základě údajů z této sondy je při zjištění nízké koncentrace oxidu uhelnatého připouštěn do retorty plynný propan (C3H8). Při zjištění vysoké koncentrace, je do retorty připouštěn vzduch. V případě jakékoli havárie zařízení, je retorta “vypláchnuta” plynným dusíkem (N2) 3. Složení pecní atmosféry při procesu kalení v ochranné atmosféře Do retorty pece se při teplotách max. 1100° C přivádí plynný dusík (N2), ten vytváří ochrannou atmosféru při ohřevu materiálu (zabraňuje přístupu kyslíku (O2)). 5.1.1.2 Výběr materiálů pro plášť Nakonec jsem vybral podle doporučení firmy a uvážení dle předchozí kapitoly dva vyhovující materiály od fy Krupp z Německa. Jejich srovnání uvedu v (tab.5.1). Nicrofer 6025 HT – Nicrofer 7216 H – Materiál alloy 602 CA alloy 600 H Norma

[DIN] 17742

[DIN] 17742

Chemické složení [%]

Ni=60 Cr=24-26 Fe=8-11 Al=1,8-2,4 Si=0,5 C<=0,25 Ti=0,1-0,2 Mn=0,1

Ni=72 Cr=14-17 Fe=6-10 Mn=1 Co<=1 Si=0,5 Cu<=0,5 Al<=0,3 C<=0,1

Hustota ρ [kg m-3]

7900

8400

Modul pružnosti E

215

214

675

500

270

180

11,3

14,8

450

460

17,6

17,2

1200

max. 1100

Mez pevnosti Rm [MPa] Mez kluzu Re, Rp0,2 [MPa] Tepelná vodivost λ20 [W m-1 K-1] Měrné teplo cp20 [J kg-1 K-1] Stř. koeficient tep. roztažnosti α1100 [10-6 K-1] Tepelná odolnost [°C] Tab. 5.1 – Vybrané hodnoty ocelí

5.1.1.2

strana 54


Je důležité uvést, že oba materiály jsou vhodné pro pracovní rozmezí teplot 7001 100° C u “Nicroferu 6025 HT” až 1200° C, kvůli lepším vlastnostem při mezi tečení způsobeným kontrolovaným obsahem uhlíku. Oba materiály jsou kaleny, zchlazeny, a pak popouštěny, v tomto případě je to nezbytné, jelikož jenom žíhané by nesnesly tak vysoké teploty. Po zvážení všech aspektů jsem zvolil materiál s nižším obsahem Cr, hlavním důvodem byl rozdíl cen materiálů a také tepelná odolnost materiálů, která je u materiálu “Nicrofer 7216 H” 1100° C, což v tomto případě plně postačuje. 5.1.2

5.1.2 Model pláště v programu Pro/E Model je vytvořen opět podobným způsobem jako svařovaná příruba, s výjimkou klenutého dna, které je vytvořeno pomocí předefinované křivky, která je orotována. Výsledek můžeme vidět na (obr.5.2). Sestava příruby a pláště je pak spojena a vznikne kompletní plášť retorty (obr.5.3.).

Obr. 5.2 – Plášť retorty

Obr. 5.3 – Plášť retorty s přivařenou přírubou

4:565 odp.DŮLEŽITÉ: Návrh tvaru a materiálu retorty

strana 55

5.2 Výpočet deformace pláště

5.2

Analyticky provedu pouze výpočet max. prodloužení pláště, jelikož jsem neměl k dispozici hodnoty pro objemovou roztažnost prvků, která je nezbytná pro výpočet objemové roztažnosti. Změny rozměrů příruby a její deformace jsou vzhledem ke kvalitě materiálu 17 240 a nízké teplotě v místě, kde příruba dosedá na pec, zanedbatelné. Nebudu proto tuto část analyticky ověřovat. Zaměřím se pouze na prodloužení pláště vlivem gravitačního působení. Výpočet maximálního prodloužení pláště Výpočet provádím pro zvolený materiál „Nicrofer 7216 H“. Výpočet rozdělím na dva výpočty, jeden bude pro plášť přímo vystavený žáru a druhý pro část pláště, který není vystaven přímému žáru a pouze teplo odvádí. Hodnoty budou voleny odhadem a později ověřeny přesně v MKP.

α=

∆l l 0 ⋅ ∆t

kde: α [10-6 K-1]...teplotní součinitel délkové roztažnosti ∆l [m]....maximální prodloužení l0 [m].....počáteční délka pláště, l0max=1,9 m, později rozdělím na dva úseky ∆t [°C]...rozdíl teplot okolí pece, ∆t=1100-20=1080 °C Výpočet maximálního prodloužení pláště vystaveného přímému žáru Beru hodnotu z α1100=17,2 (tab.5.1), hodnota l1=1,5 m je délka pláště přímo vystavenému žáru pece a spočtu ∆l1.

α=

∆l1 ⇒ ∆l l1 ⋅ ∆t

∆l1 = α ⋅ ∆t ⋅ l1 = 17,2 ⋅ 10 −6 ⋅ 1080 ⋅ 1,5 = 0,0279 m = 27,9 mm

Výpočet maximálního prodloužení pláště nepřímo vystaveného žáru t + t x 1100 + 600 Volím podle ∆t Stř = P = = 850° C hodnotu α850=16,2, kde tx je 2 2 odhadnutá teplota na kraji pláště a vypočtu ∆l2 pro l2=1,9-1,5=0,4 m.

α=

∆l 2 ⇒ ∆l l 2 ⋅ ∆t Stř

∆l 2 = α ⋅ ∆t Stř ⋅ l 2 = 16,2 ⋅ 10 −6 ⋅ 850 ⋅ 0,4 = 0,00551 m = 5,51 mm

∆l = ∆l1 + ∆l 2 = 27,9 + 5,51 = 33,41 mm

Závěr Hodnota ∆l je pouze odhadem a beru jí jako informativní.

strana 56


Výpočet objemové roztažnosti Zde uvádím jen pro zajímavost vzorec pro výpočet objemové roztažnosti, ze které by se získaly hodnoty pro dilataci průměru pláště.

β=

∆V V 0 ⋅ ∆t

kde: β [10-6 K-1]...teplotní součinitel objemové roztažnosti ∆V [m]....maximální objemová dilatace V0 [m].....počáteční objem pláště ∆t [°C]...rozdíl teplot okolí pece, ∆t=1100-20=1080° C Výpočet součinitele délkové roztažnosti Jako příklad také uvádím výpočet α v případě, že ho neznáme, ale máme chemické složení daného materiálu.

α 20 = 0,72 ⋅ α Ni + 0,17 ⋅ α Cr + 0,1 ⋅ α Fe kde: 0,72 αNi [K-1]...znamená součinitel délkové roztažnosti pro Ni o 72% celk. množství 0,17 αCr [K-1]...znamená součinitel délkové roztažnosti pro Cr o 17% celk. množství 0,1 αFe [K-1].....znamená součinitel délkové roztažnosti pro Fe o 10% celk. množství

α 20 = 0,72 ⋅ 0,013 + 0,17 ⋅ 0,008 + 0,1 ⋅ 0,012 = 11,92 ⋅ 10 −6 K −1

4:566 odp.DŮLEŽITÉ: Výpočet MKP v Pro/Mechanice

strana 57

6 VÝPOČET MKP V PRO/MECHANICE

6

6.1 Příprava modelu pro výpočet v Pro/Mechanice

6.1

6.1.1 Zjednodušení modelu Jelikož výsledný model, který mám vymodelovaný v Pro/E, je moc složitý, má velké množství ploch, nepotřebné části, které nemají na parametry výpočtu žádný vliv, dají se jednotlivé části v programu potlačit a není nutné je smazat. Zvolil jsem trochu odlišný způsob, takže jsem modely součástí potřebných k výpočtům duplikoval a výslednou sestavu vytvořil jako samostatnou, vhodnou pro vytvoření výpočtové sítě (mesh). Pokud se jednalo o jednodušší součástky, provedl jsem u nich pouze potlačení nepotřebných částí a ponechal v sestavě. Původní model je možno vidět na (obr.6.1) a vedle pak na (obr.6.2) upravený model vhodný pro výpočet, jak je vidět mezi modely je značný rozdíl, umožní to ale výrazné časové úspory při výpočtech.

Obr. 6.1 – Kompletní model

6.1.1

Obr. 6.2 – Zjednodušený model

6.1.2 Nastavení Pro/Mechaniky Nyní, když máme hotovou zjednodušenou variantu celé sestavy, je nutné provést před kýženými výpočty přechod do Pro/Mech. Ta se skládá z definování jednotek, které budeme používat při výpočtech a zadání podrobných informací pro jednotlivé

6.1.2

strana 58

6 Výpočet MKP v Pro/Mechanice

materiály, které jsou použity v zjednodušeném modelu. Jednotky pro výpočet bylo vhodné volit podle základní řady SI (obr.6.3), což umožnilo snadné zadávání jednotlivých hodnot pro materiály.

Obr. 6.3 – Jednotky

Pokud chceme provádět teplotní a strukturální analýzu, musíme zadat všechny podstatné veličiny, nejdůležitější je hustota materiálu „Density“, pro tepelnou zátěž jsou to pak, specifické měrné teplo „Specific Heat Capacity“ a tepelná vodivost „Thermal Conductivity“, u strukturální analýzy je nezbytný modul pružnosti „Young’s Modulus“ a střední koeficient tepelné roztažnosti „Coefficinet of Thermal Expansion“, jako informativní mohou být doplněny nestandardní hodnoty Poissonova čísla „Poisson’s Ration“, meze pevnosti „Ultimate Tensile Strenght“ a typu materiálu jeho tepelného zpracování, údaje z různých druhů zkoušek, apod.. Velkou výhodou je použití již předefinovaných hodnot např. z programu Excel či jiných, nebo zadání tabulkových funkcí přímo v programu, což byl můj případ. Jednalo se hlavně o ty hodnoty, které byly závislé na změnu teploty. Jako příklad jsem uvedl celý postup zadání materiálu „Nicrofer 7216 H“, jak ilustruje (obr.6.4).

Obr. 6.4 – Definice materiálu

4:566 odp.DŮLEŽITÉ: Výpočet MKP v Pro/Mechanice

strana 59

6.1.3 Vytvoření sítě prvků (mesh) Nyní, když máme hotovou zjednodušenou variantu celé sestavy a nadefinovány materiály, je nutné provést vytvoření sítě prvků, v tomto případě jsem použil pouze předdefinované hodnoty nastavení a to pouze na ¼ modelu, protože se jedná o rotačně symetrickou součástku, není tedy třeba provádět výpočet na celém modelu. Výsledek je zobrazen na (obr.6.5).

6.1.3

Obr. 6.5 – Síť prvků

6.2 Teplotní a strukturální analýza v Pro/Mechanice 6.2.1 Definice zátěžných prvků Na úplném začátku je nutné definovat součástku jako rotačně symetrickou, to se provede pomocí vazeb, potom můžeme zadávat jednotlivé zátěžné parametry. Uvedu pouze stručný popis těch nejdůležitějších. Jedná se o předefinované teploty na plášti peci, poté jsem zadal celkový tepelný tok uvnitř pece a nadefinoval konvekci pro hlavní místa jako je plášť retorty, izolace a na za poslední ochlazení od okolí pece. S plně předdefinovaným modelem jsem spustil příslušný typ analýzy, v tomto případě vícefázovou teplotní analýzu. Pro výpočet chladicího účinku na těsnění jsem použil hodnot z analytického výpočtu pro vstupní a výstupní teploty chladicí kapaliny t Vstup = 20° C , t Výstup = 50° C a nechal opět provést test.

Podobným způsobem jsem provedl definici i u strukturální analýzy s tím rozdílem, že hodnoty teplotní zátěže jsem převzal z již spočítaných teplotních analýz, které se dají vložit jako zátěž z externího zdroje (např. i z jiného programu, třeba Ansys), a provedl statickou analýzu, tj. zatížení pouze ohřevem a gravitačním působením na retortu.

6.2

6.2.1

strana 60

6.2.2

6.2.2.1


6.2.2 Výsledky teplotních analýz

6.2.2.1 Výpočet teploty v místě těsnění (bez chlazení) Jako první jsem provedl analýzy teploty působící na těsnění bez jeho chlazení při různých tloušťkách stěny pece, poslední z nich je varianta 3 (obr.6.8), kterou jsem shledal ještě dostatečně způsobilou k výpočtu s chladicím médiem, varianty z tenčí stěnou již měli vysoké hodnoty teplot v místě těsnění. Varianta 3 má teplotu uprostřed těsnění 250° C a nejvyšší teplota na vnitřním obvodu je přibližně 270° C, což odpovídá výpočtu v kapitole 3. Obr.6.6 – Analýza těsnění - varianta 1

Obr.6.7 – Analýza těsnění - varianta 2

Obr.6.8 – Analýza těsnění - varianta 3

DŮLEŽITÉ: 6 Výpočet MKP v Pro/Mechanice 6.2.2.2 Výpočet na vybrané variantě (s chlazením) Na vybrané variantě 3 (obr.6.8), jsem provedl analýzu v místě vstupu a výstupu chladicí kapaliny, výsledky jsou vidět na (obr.6.9 a 6.10), na vstupu došlo k ochlazení na teplotu přibližně 173° C pod těsněním a na výstupu na 195° C, což je plně postačující, jelikož pec nebude zatížena na max. teplotu 1100° C neustále.

Obr.6.9 – Teplota těsnění na vstupu chlazení

Obr.6.10 – Teplota těsnění na výstupu chlazení

strana 61

6.2.2.2

strana 62

6.2.3

6.2.3.1


6.2.3 Výsledky strukturální analýzy

6.2.3.1 Výpočet maximálního délkového prodloužení pláště Maximální prodloužení při max. teplotě pece 1 100° C je cca 35 mm.

6.2.3.2

Obr.6.11 – Maximální prodloužení

Maximální prodloužení v rovině XY se pohybuje od +7 mm do -0,9 mm.

Obr.6.12 – Maximální roztažnost

6.2. 3.2 Vý poč et ma xi mál níh o obj em ové ho roz taž ení

DŮLEŽITÉ: 7 Závěr

strana 63

7 ZÁVĚR

7

V této diplomové práci jsem se zabýval podrobným řešením plynotěsné retorty, provedl volbu vhodné konstrukce jednotlivých součástí s ohledem na jejich správnou funkci, zvolil vhodné materiály pro všechny části pece a provedl výpočty analytické i metodou konečných prvků v programu ProMechanica. V diplomové práci není obsažena cenová analýza a s ní související ekonomické výpočty. Volba materiálů byla dle doporučení z firmy LAC Hrušovany provedena za pomoci databáze ocelí „STEEL“, kde jsem vyhledal i příslušné hodnoty nezbytné pro výpočty. Byl jsem požádán od pana Biskupiče, uvést i zmínku o fy Haynes, kterou zastupuje v ĆR fy Inkosas (www.Inkosas.cz), jedná se o firmu vyrábějící širokou nabídku vysoce kvalitních materiálů používaných např. v raketovém průmyslu, do příloh jsem proto připojil jako zajímavost katalog materiálů fy Haynes. Pro volbu materiálů, hlavně materiálu pláště, v tomto zadání však plně postačovaly výrobky od německé fy Krupp a české Poldi. Výpočty prováděné analyticky a pomocí MKP byly zaměřeny především na výpočet a optimalizaci zvolené varianty těsnění a výpočet jejího chlazení. Jako druhý byl proveden přibližný výpočet pro vhodnou volbu pece a výpočet deformace pláště. Ve výkresové dokumentaci jsou obsažena všechna sestavení hlavních částí pece a výrobní výkresy většiny nenormalizovaných součástek, tedy kromě těch, jejichž funkce je zjevná. Jednotlivé výkresy byly převedeny na plošné zobrazení v programu ProE a použity pro editaci v programu AutoCad 2002, kde byly provedeny příslušné detaily výkresu (řezy, kótování, pozice, apod.). V této diplomové práci byly tedy splněny všechny 3 hlavní body diplomové práce, tj. návrh konstrukce retorty a jejího těsnění, výpočty a MKP analýzy na těsnění, umístění do vhodné pece. V navazující práci na tuto by bylo vhodné provést dodatečné výpočty chlazení hřídele elektromotoru, dodatečný kontrolní výpočet příruby pláště a např. výpočet účinnosti oběhového systému vrtule uvnitř pece a cenové zhodnocení volených částí retorty.

strana 64

8

8 Seznam použité literatury

8 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

Knihy [1] DOLEJŠÍ, M. – Dr. TOMEK, V.: Elektrické odporové pece a sušárny. Praha, Státní nakladatelství technické literatury SNTL, n.p.,1967. 352 s. DT 621.365.3/.4 [2] KVAPIL, L. – SOLNÝ, B. – KALÁŠEK, V.: Elektrické odporové pece. Praha, Státní nakladatelství technické literatury SNTL, n.p.,1958. 236 s. DT 621.365.3.4

Zdroje z Internetu Pece

[1] LAC Hrušovany – Odporové pece a sušárny http://www.kilns.cz/ [2] CLASIC – Elektrické odporové vakuové pece http://www.clasic.cz/ [3] Miwy, s.r.o. – Vývoj a výroba elektrotepelných zařízení http://www.miwy.cz/ [4] ZEZ, a.s. Praha – Závody elektrotepelných zařízení http://www.zez.cz/ [5] PZP KKOMPLET, a.s. – Vývoj a výroba tepelných zařízení http://www.pzp.cz/ [6] Nabertherm, Německo – Odporové pece a sušárny http://www.nabertherm.de/ [7] SecoWarwick – Kompletní výroba tep. zařízení http://www.secowarwick.com/ [8] ELterma, s.a. Polsko – Součást fy SecoWarwick http://www.elterma.com.pl/ [9] SOLO Industrial Furnaces, Ltd – Průmyslové pece http://www.solofours.com/ [10] L&L Special Furnace Co, Inc. – Speciální pece http://www.hotfurnace.com/ Ostatní

[1] Lučební závody, a.s. Kolín – Průmyslová chemie http://www.lucebni.cz/ [2] Pokorný, s.r.o. – Výroba průmyslových těsnění http://www.tesneni.cz/ [3] KERAUNION, a.s. – Výroba izolačních materiálů http://www.sibral.cz/ [4] SITTECH, s.r.o. – Specialisté na těsnění http://www.sittech.cz/ [5] Bodycote HT, s.r.o. - Zakázkové tepelné zpracování http://www.bodycote.cz/ [6] THYSSENKRUPP VDM, Německo – Oceli http://www.thyssenkruppvdm.com/ [7] HAYNES International, kontakt Inkosas, a.s. – Oceli http://www.inkosas.cz [8] DuPont Dow Elastomers, L.L.C. – Viton, Kalrez http://www.dupont-dow.com

DŮLEŽITÉ: 9 Seznam příloh

strana 65

9 SEZNAM PŘÍLOH

9

Model v Pro/E

Obr.1 – plášť retorty Obr.2 – příruba retorty s pláštěm shora Obr.3 – příruba retorty s pláštěm zespod Obr.4 – víko retorty – řez Obr.5 – retorta kompletní – detail Obr.6 – rotorta kompletní – bez pláště Obr.7 – retorta kompletní – rozložená Obr.8 – retorta kompletní – v peci

MKP

Obr.9 – celková deformace pláště – měřítko 10:1 Obr.10 – celková deformace pláště – měřítko 1:1

Elektronická podoba na CD

CD1 obsahuje: - všechny modely v ProE - obrázky modelů a analýz - animace modelů a analýz - kompletní výkresovou dokumentaci CD2 obsahuje: - katalogy fy Haynes

DŮLEŽITÉ: Přílohy

1

Obr.1 – Plášť retorty

Obr.3 – Příruba retorty s pláštěm zespod Obr.2 – Příruba retorty s pláštěm shora


Obr.4 – Víko retorty - řez

Obr.5 – Retorta kompletní - detail

2


3

Obr.6 – Retota komplení – bez pláště

Obr.7 – Retorta kompletní - rozložená Obr.8 – Retorta kompletní – v peci


Obr.9 – celková deformace pláště – měřítko 10:1

Obr.10 – celková deformace pláště – měřítko 1:1

4

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně na základě uvedené literatury, podkladů z fy LAC Hrušovany a připomínek zadavatele

Recommend Documents