熱風循環(huán)式恒溫爐設計說明書1

1、熱風循環(huán)式恒溫爐設計說明書1.前言1.1熱風循環(huán)式恒溫爐的應用背景熱風循環(huán)式恒溫爐廣泛適用于工農(nóng)業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生，塑料機械，各院校和科研部門的生產(chǎn)車間或?qū)嶒炇?，其可?chuàng)造并長時間保持高溫、干燥的工作條件，以滿足生產(chǎn)、實驗等各種環(huán)境要求。在現(xiàn)階段，各領域中與熱風循環(huán)式恒溫爐相類似的加熱爐有兩種，一是應用于工業(yè)上進行金屬熱處理的空氣循環(huán)電爐，該爐按照工藝用途分為：加熱爐、淬火、退火爐、時效爐等。二是熱風烘箱，廣泛用于醫(yī)藥、化工、食品、農(nóng)副產(chǎn)品、水產(chǎn)品、輕工等行業(yè)物料的加熱固化、干燥脫水。如原料、中藥飲水、浸膏、粉劑、顆粒、脫水蔬菜等。本設計中的熱風循環(huán)式恒溫爐，主要應用于實驗室中的金屬高溫蠕變實驗，通過

2、創(chuàng)造長時間高溫的爐內(nèi)條件，來滿足實驗環(huán)境需求。市面上現(xiàn)有的恒溫爐種類繁多，功能不一，但其現(xiàn)有的恒溫爐不能完全滿足高等院?；蜓邪l(fā)部門的實驗要求，如上述所提及的材料高溫蠕變試驗，不僅要求溫度高達近1000，還要求保證恒溫狀態(tài)長達1000h，一般市面上恒溫爐難以達到高溫，恒溫時間的連續(xù)性不夠，況且其尺寸與功率也難以達到最優(yōu)化。本設計的目的也是在于基于實驗需求，優(yōu)化恒溫爐的高溫性能、恒溫連續(xù)性、結(jié)構(gòu)尺寸以及熱量損耗。1.2熱風循環(huán)式恒溫爐的工作原理熱風循環(huán)式恒溫爐采用風機循環(huán)送風方式，風循環(huán)均勻高效。風源由耐熱長軸電機帶動多葉渦輪式風扇產(chǎn)生，通過加熱元件升溫，而將熱風送出，再經(jīng)由氣流通道至爐膛內(nèi)部，均

3、勻加熱工件，再將使用后的空氣通過爐膛內(nèi)的出風口吸入風扇成為風源再度循環(huán)，加熱使用。為確保爐膛內(nèi)保持恒溫，以熱力學為基礎，通過熱平衡計算來校核各結(jié)構(gòu)尺寸設計的合理性與確定加熱元件。而當因開關門動作或其他干擾現(xiàn)象引起溫度值發(fā)生擺動時，則通過溫度控制系統(tǒng)來調(diào)整加熱元件的功率，從而調(diào)整爐內(nèi)溫度，保證恒溫。1.3設計流程介紹由于該次設計的恒溫爐為非標準件，因此次設計主要基于市面上的類似產(chǎn)品與資料進行經(jīng)驗設計。該設計的基本流程如下：首先，根據(jù)設計要求中的爐膛尺寸與工作溫度來確定恒溫爐的爐型與設計溫度，在由此確定恒溫爐的加熱方式及基本工作形式。其次，對整個熱風循環(huán)系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng)進行詳細設計：選擇適當?shù)募?/p>

4、熱元件，初步確定加熱元件的數(shù)量；設計多葉渦輪式風扇，選擇電機、散熱風扇等；選擇熱電偶、溫度控制儀表，設計熱電偶安裝方式。之后，根據(jù)已有數(shù)據(jù)和部件參數(shù)對恒溫爐進行整體的結(jié)構(gòu)設計，分別設計隔熱層、氣流通道、爐內(nèi)壁、保溫層、爐外壁、爐門、機電箱以及機電箱配件（電機座、引風道），確定其材料與尺寸。最后，進行熱平衡校核計算，來證明結(jié)構(gòu)尺寸設計和加熱元件的數(shù)量的合理性。計算，恒溫爐的功率與重量，再根據(jù)重量設計支座的尺寸并校核抗壓強度。2.熱風循環(huán)式恒溫爐設計要求2.1結(jié)構(gòu)說明2.1.1規(guī)格尺寸表2.1 加熱爐參數(shù)表箱體尺寸型號內(nèi)箱尺寸(wdh)mm溫度范圍（）無300300400室溫20至6002.1.2

5、結(jié)構(gòu)說明內(nèi)部材質(zhì)：自定，厚2.0mm；外部材質(zhì)：自定，厚1.5mm粉體烤漆處理2.1.3送風循環(huán)系統(tǒng)強制送風循環(huán)；馬達為長軸心耐溫專用型，功率為12hp；風扇為多葉渦輪型；風機兩臺，一臺備用。能保證風機在長時間運行，設備中途工作不中斷。2.1.4加熱方式及發(fā)熱材質(zhì)為熱風循環(huán)加熱，發(fā)熱材質(zhì)自定，備用一組。 2.2控制說明2.2.1控制面板控制器位于機臺后側(cè)方，單門由右向左開啟2.2.4控制器系統(tǒng)：1) 溫控器（室溫600度任意設定）2) 定時器：0.1s-999h任意設定。3) 交流接觸器:韓國lg4) 固態(tài)繼電器:歐姆龍5) 其它電控配件:國內(nèi)優(yōu)質(zhì)2.2.5安全裝置超溫保護，時到保護2.2.6

6、電源ac 380v 5.5kw2.3設計參數(shù)確定已知上述恒溫爐的要求溫度為20600，確定最高設計溫度為800；采取熱風循環(huán)系統(tǒng)進行對爐膛加熱，需要足夠的加熱元件與兩臺風機，設計合理的氣流通道用于安置熱風循環(huán)系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)方面要求選擇關鍵的溫控儀與熱電偶即可，放置于機電箱內(nèi)；結(jié)構(gòu)方面初步設計恒溫爐由爐膛、隔熱層、氣流通道、爐內(nèi)壁、保溫層、爐外壁、爐門、機電箱以及其他零部件組成。3.熱風循環(huán)式恒溫爐整體設計3.1爐型選擇熱風循環(huán)式恒溫爐主要用于對爐內(nèi)工件進行長時間加熱并保持恒定溫度。采用風機循環(huán)送風方式，通過氣流將加熱元件的熱量帶入爐膛內(nèi)部，均勻加熱工件，再將使用后的空氣通過爐膛內(nèi)的出風口吸

7、入風道成為風源再度循環(huán)，持續(xù)加熱使用。一般的恒溫爐根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為：立式爐、臥室爐、室式爐、井式爐等；根據(jù)空氣加熱方式可分為爐內(nèi)循環(huán)加熱和爐外加熱?？紤]到本次設計的恒溫爐的爐膛尺寸與恒溫要求，因此選擇室式結(jié)構(gòu)加熱爐，通過爐門來放入加熱件。另外，對于熱風循環(huán)系統(tǒng)的設計，如下圖所示 王秉銓. 工業(yè)爐設計手冊m. 第二版. 北京：機械工業(yè)出版社，1996.：圖3-1 爐型示意圖選擇上圖中(a)類爐型，由于風機的單側(cè)布置，首先可保證整爐的尺寸不會過大。其次，由于形成了較好的氣流循環(huán)通道，可保證爐內(nèi)溫度均勻，工件均勻受熱。3.2加熱方式與加熱元件設計3.2.1加熱方式選擇一般工業(yè)用爐的加熱普遍有四種加

8、熱方式，分別為：1) 電 加 熱；2) 燃料加熱；3) 微波加熱；4) 感應加熱；在的此次設計要求中，由于設計的是熱風循環(huán)式恒溫爐，燃料加熱會產(chǎn)生廢氣，并存在污染，不適合用于實驗室；微波加熱又只針對與非金屬，與我們實驗所測試的金屬試樣不符；而感應加熱其心部加熱效果不理想，不能保證工件均勻受熱，且其電磁場會影響測量元件。相比之下，電加熱方式是將電能轉(zhuǎn)變成熱能以加熱物體，普通、方便；是電能利用的一種形式；與一般燃料加熱相比,電加熱可獲得較高溫度，易于實現(xiàn)溫度的自動控制和遠距離控制，熱效率高，升溫速度快，并可根據(jù)加熱的工藝要求，實現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱；加熱過程產(chǎn)生的廢氣、殘余物和煙塵少，可保持被

9、加熱物體的潔凈，不污染環(huán)境。故選定加熱方式為電加熱。3.2.2加熱元件選擇加熱方式選取了電加熱方式，其電加熱元件分為非金屬與金屬兩種：1) 非金屬硅碳棒：具有使用溫度高、抗氧化、耐腐蝕、壽命長、變形微、安裝維修方便等特點且有良好的化學穩(wěn)定性；氧化性氣氛中正常使用溫度可達1450，連續(xù)使用可達2000小時，價格約100元/支；硅鉬棒：耐高溫、抗氧化、低老化的電阻發(fā)熱元件；在氧化氣氛下、最高使用溫度為1800，價格約180+元/支；ptc元件：ptc加熱元件具有恒溫發(fā)熱、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等，但只適用于家用電器；2) 金屬電阻絲：有鎳鉻絲（ni-cr）、鐵鉻鋁絲（f

10、e-cr-al）、鎳鐵絲（ni-fe）、鎳銅絲（ni-cu)）等，高溫強度高，可塑性強，性能普通，價錢便宜，加熱溫度約800-1000攝氏度，高溫抗氧化性不強；150+元/公斤根據(jù)資料，可知金屬電熱元件其高溫抗氧化性不強，不適合恒溫爐對于連續(xù)高溫工作的要求，故選取選定非金屬加熱元件中符合要求且價格適宜的硅碳棒。3.2.3硅碳棒初步選擇通過參考資料 硅碳棒規(guī)格表選取粗端型硅碳棒，其規(guī)格為：表3.1 硅碳棒參數(shù)表規(guī)格d/i/i1/d(mm)總長l(mm)電阻范圍（）每支元件在下列爐溫/棒溫時允許負荷量（w）800-900900-10001000-11008/180/60/143002.6-5.21

11、26166208其中，d硅碳棒小徑，mm； d硅碳棒大徑，mm； i硅碳棒發(fā)熱部長，mm； 硅碳棒冷端部長，mm；根數(shù)初步確定為8根，由之后的熱平衡計算進行校核。下為硅碳棒圖示 于萍. autocad2008使用教程m. 上海：上?？茖W普及出版社，2009.： 圖3-2 硅碳棒實物圖 圖3-3 硅碳棒尺寸圖3.3熱風循環(huán)系統(tǒng)設計3.3.1系統(tǒng)說明熱風循環(huán)系統(tǒng)由電機、風扇、氣流通道、電機散熱風扇組成，用于產(chǎn)生氣流，吸收硅碳棒產(chǎn)生的熱量，經(jīng)由氣流通道（見3.5.2）帶進爐膛內(nèi)，加熱膛內(nèi)空氣與工件；散熱風扇用于對電機進行風冷散熱，風由機電箱內(nèi)的引風道（見3.5.2）進入。風機兩臺，風扇為多葉式渦輪型

12、，設計其為豎直放置，兩臺可同時工作，也可一臺工作一臺備用。3.3.2風扇設計根據(jù)爐膛高為400mm，設計氣流通道內(nèi)的葉片直徑為150mm，寬度為40mm，兩風扇軸間距200mm。選取市面上符合該尺寸的風扇即可，下為風扇圖示 趙罘，龔堰玨，張云杰等. solidworks2010從入門到精通m. 北京：科學出版社，2010.： 圖3-4 風扇模擬三維圖圖3-5 風扇尺寸圖3.3.3電機選擇考慮到電源電壓380v，故選取尺寸不超過300*200*200(mm)，重量不超過10kg的長軸心耐溫專用型三相異步交流電動機即可。通過市面了解 與鑫熱風長軸耐溫電機，選擇ys71型號長軸電機，下為電動機參數(shù)：

13、表3.2 電機參數(shù)表型號品牌轉(zhuǎn)速功率效率重量ys71與鑫2800r/min（2級）1/2hp（367.5w）70%6kg下為電機尺寸、實物與模擬圖示： 圖3-6 電機尺寸參數(shù)圖圖3-7 電機實物、三維模擬圖3.3.4傳熱校核由于電機軸伸入爐內(nèi)，因而熱量會通過電機軸傳導，為保證電機不受高溫影響而損壞，通過abaqus進行傳熱模擬計算，設計電機軸末端最高溫度為60圖3-8 abaqus傳熱模擬圖通過計算可得電機軸長度200mm即可，設計軸長按要求增長至230mm。電機安裝盤根據(jù)原電機尺寸，設計直徑為170mm。3.3.5散熱風扇選擇主要選取市面上 enermax風扇較為普遍的enermax品牌散熱

14、風扇，以下為風扇參數(shù)：表3.3 散熱風扇參數(shù)表基本參數(shù)型號uctb12p(led)風扇轉(zhuǎn)速1200 rpm適用配件機箱風量90.08 cfm散熱器種類散熱風扇噪音14 db(a)風扇尺寸12012025mm使用壽命100,000 小時 風扇一共為兩臺，都放置于機電箱上平面。下為風扇圖示： 圖3-9 散熱風扇實物圖 圖3-10 散熱風扇三維圖3.4溫度控制系統(tǒng)設計3.4.1熱電偶選擇根據(jù)熱電偶測溫情況為直接與金屬試樣工件接觸，溫度范圍為0800+攝氏度，故選擇k型裝配式熱電偶絲 熱電偶型號，其熱電偶參數(shù)與圖示如下：表3.4 熱電偶參數(shù)表熱電偶類別代號分度號測量范圍基本誤差限鎳鉻鎳硅wrnk013

15、000.75%t圖3-11 熱電偶實物圖3.4.2溫度控制儀表通過網(wǎng)上的資料查找 宇電ai-808p溫控儀選擇市面上較為普遍的宇電ai-808p型溫控器/調(diào)節(jié)器，適合溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的測量報警與變送，其具體參數(shù)如下：表3.5 溫控儀參數(shù)表品牌宇電（yudian）型號ai-808p類型智能溫度控制調(diào)節(jié)器測量范圍-9999 9999（）（）精度等級0.2安裝型式盤裝輸出信號0-20/4-20（ma）（ma）工作電壓100-220（v）（v）外形尺寸96*96 160*80 96*48 72*72（mm）（mm）選取96*96大小無光柱款。下為溫度控制檢儀表圖示：圖3-12 溫度控制儀表

16、實物圖3.4.3溫度控制系統(tǒng)安裝方式熱電偶測溫段由恒溫爐的上方伸入，附著在爐膛內(nèi)的工件表面，其末端連接著溫控儀，溫度控制系統(tǒng)全部部件基本安裝于控制面板之上，控制面板安放于機電箱（見3.5.2）表面。3.5恒溫爐的初步尺寸設計3.5.1初步設計通過之前爐型設計的分析，已知恒溫爐結(jié)構(gòu)與部件如下：1) 爐膛；2) 隔熱層；3) 氣流通道，包括了加熱元件與風扇；4) 爐內(nèi)壁；5) 保溫層；6) 爐外壁，7) 爐門；8) 機電箱，包括電機、電機軸、控制面板、配線箱、引風道、散熱扇等元件；9) 配件，如支座、門扣、門把手等3.5.2各結(jié)構(gòu)設計1) 爐膛已知爐膛尺寸為300300400mm（長寬高），以該尺

17、寸為基礎進行爐體設計。2) 隔熱層結(jié)構(gòu)說明：隔熱層的作用是為了與爐內(nèi)壁一起形成氣流通道，并隔開電熱元件對工件的輻射，保證工件的均勻受熱；材料選?。焊魺釋舆x取2cr25n鐵素體型耐熱鋼，該材料耐高溫腐蝕性強，1082以下不會產(chǎn)生易剝落的氧化皮，普遍用于燃燒室 朱張校，姚可夫. 工程材料m. 第四版. 北京：清華大學出版社，2009.；尺寸設計：設計隔熱層外部尺寸為302301400mm（長寬高）；厚度為1mm，三面包裹；爐門方向無隔熱層，用于入風口；風扇方向開兩個50mm的出風口；上下方向無隔熱層。下為隔熱層圖示：圖3-13 隔熱層尺寸圖3) 氣流通道結(jié)構(gòu)說明：氣流通道由爐內(nèi)壁與隔熱層相隔形成，

18、用于放置風扇與加熱元件，并形成熱風循環(huán)通道來對爐膛進行均勻加熱；材料選?。簾o；尺寸設計：根據(jù)硅碳棒的尺寸設計兩側(cè)通道的寬度為24mm；爐門方向的寬度為19mm；根據(jù)風扇尺寸設計風扇方向的寬度為55mm。圖3-14 氣流通道尺寸圖4) 爐內(nèi)壁結(jié)構(gòu)說明：用于與爐外壁一起固定保溫層形成爐壁；材料選?。号c隔熱層相同，選取2cr25n鐵素體型耐熱鋼；尺寸設計：設計爐內(nèi)壁外部尺寸為354379404mm（長寬高）；厚度為2mm；爐門方向設計成梯形狀用于導風（內(nèi)部填充保溫材料）；對應風扇方向開兩個15mm的小孔用于電機軸穿過。下為爐內(nèi)壁圖示：圖3-15 爐內(nèi)壁尺寸圖5) 保溫層結(jié)構(gòu)說明：保溫層用于保持爐膛內(nèi)

19、的溫度，應采取隔熱材料來保證較小的爐體散熱量；材料選?。哼x取石棉板為隔熱材料，石棉板是石棉纖維水泥平板的簡稱，是用石棉、玻璃纖維、陶土等材料，按照科學的配方生產(chǎn)出來的。有很強的抗張力，承受壓力。能夠承受1400左右?？捎糜诮^熱、保溫隔音、鍋爐、鋼鐵廠、化工廠、鑄鋁廠等以及一般電器絕緣；尺寸設計：設計保溫層外部尺寸為654679704mm（長寬高）；厚度為150mm，選取規(guī)格為8mm厚的石棉板填充保溫層；對應風扇方向開兩個15mm的小孔用于電機軸穿過。下為保溫層圖示：圖3-16 保溫層尺寸圖6) 爐外壁結(jié)構(gòu)說明：用于與爐內(nèi)壁一起固定保溫層形成爐壁，外表面粉體烤漆處理；材料選?。籂t外壁無特殊要求，

20、選取碳素結(jié)構(gòu)鋼q235即可；尺寸設計：設計爐外壁外部尺寸為658683708mm（長寬高）；厚度為2mm，對應風扇方向開兩個15mm的小孔用于電機軸穿過。下為爐內(nèi)壁圖示：圖3-17 爐外壁尺寸圖7) 爐門結(jié)構(gòu)說明：由爐內(nèi)壁、保溫層與爐外壁一起構(gòu)成，用于打開恒溫爐；材料選?。河蔂t內(nèi)壁、保溫層與爐外壁材料決定；尺寸設計：由爐內(nèi)壁、保溫層與爐外壁尺寸決定，安裝間隙為8mm。8) 機電箱結(jié)構(gòu)說明：用于安放電機、智能溫度控制儀表、配線箱等機電配件，作為恒溫爐的機電控制箱，外表面粉體烤漆處理；材料選?。号c爐外壁相同，選取碳素結(jié)構(gòu)鋼q235；尺寸設計：設計爐外壁外部尺寸為658500708mm（長寬高）；厚

21、度為2mm；上平面開兩個方孔用于放置散熱風扇；下平面對應電機方向開一槽口用于散熱進氣；側(cè)平面開大小的口用于安放控制面板，正面制作一個的箱門；所有開口皆根據(jù)對應配件的大小設計。下為機電箱圖示：圖3-18 機電箱尺寸圖9) 引風道結(jié)構(gòu)說明：與散熱風扇合作，用于將流入風引至電動機軸端；材料選取：選取碳素結(jié)構(gòu)鋼q235即可；尺寸設計：設計開口尺寸為250100mm（長高），引風高度為85mm，厚度為1mm即可，下為引風道圖示：圖3-19 引風道尺寸圖10) 電機座結(jié)構(gòu)說明：用于安放電動機使其固定于機電箱內(nèi)；材料選?。哼x取碳素結(jié)構(gòu)鋼q235；尺寸設計：設計直徑170mm，寬度為46mm，下為電機座圖示：

22、圖3-20 電機座三維圖圖3-21 電機座尺寸圖3.6密封材料密封材料用于密封爐門間隙，防止熱量從爐門間隙中溢出，選取石棉繩材料，制成兩塊密封圈，安裝于爐門與爐箱口，根據(jù)爐門大小，設計尺寸為414464mm（長高），寬度30mm，厚度每圈6mm。下為密封圈圖示：圖3-22 密封圈尺寸圖3.7熱平衡（能量平衡）初步校核計算3.7.1體系能量平衡綜述熱風循環(huán)式恒溫爐為連續(xù)性加熱爐劉佐仁. 工業(yè)電阻爐的熱平衡j. 現(xiàn)代節(jié)能，1995，第3期，13.湯學忠，王昊，周善矩等. 熱風循環(huán)電阻爐熱平衡測算j. 工業(yè)加熱，1994，第2期，1821.，一般取爐體為能量平衡體系?？傻猛ㄟ^體系邊界輸入的能量主要考

23、慮電熱耗能。能量輸出項中應包括體系內(nèi)能的增加（只考慮空氣蓄熱）和對外散熱。因而列出了如下的能量平衡公式： (3-1)3.7.2熱支出1) 爐體表面散熱量 (3-2)其中，爐內(nèi)壁溫度，；爐外界空氣溫度，；爐壁外表面積，；爐壁外表向周圍介質(zhì)的放熱系數(shù)，通常6771；式中；、各層爐體厚度，；、各層爐體導熱系數(shù)，；現(xiàn)已知，=800，=20，取為71；對于，各層爐體包括了，爐內(nèi)壁、保溫層與爐外壁，故，由于爐內(nèi)壁的與爐外壁的很小，故只考慮保溫層（石棉板層）的；設=150，查參考資料得石棉板的導熱系數(shù)為： (3-3)石棉板的平均溫度為： (3-4)其中=60為最高爐外壁溫度，故保溫層（石棉板）的導熱系數(shù)為：

24、爐壁外表面積為： (3-5)故爐體表面散熱量為：2) 爐體蓄熱量 (3-6)其中，體積，； 密度，； 比熱，； 溫差，由于該爐為長時間連續(xù)工作的恒溫爐，有參考資料得可不考慮爐體蓄熱損失，僅考慮爐內(nèi)流動空氣的蓄熱；空氣的體積為：查參考資料，空氣的密度為： (3-7)考慮爐內(nèi)氣壓不變，與大氣壓相同，；根據(jù)式3.7，空氣的密度為：由于處于升溫過程，因而空氣的平均比熱，查參考資料得，通過比例推導得；故空氣的平均比熱為： (3-8)根據(jù)式3.6，故爐體蓄熱量為：3.7.3熱輸入加熱元件電消耗量應該保證能量平衡，根據(jù)式3.1：故加熱元件電消耗計算量為： (3-9) 考慮到已選定的硅碳棒在800時其額定功率

25、為每根0.126kw/h，通過計算： (3-10)（根）故硅碳棒根數(shù)8根合理，一邊四根，因此加熱元件實際電消耗量為： (3-11)3.7.4初步熱平衡表表3.6 熱平衡表消耗電能熱支出序號項目電能序號項目熱能kj/h%kj/h%1加熱元件消耗量3628.8100.001爐體表面散熱量3405.6893.752差值223.126.15合計3628.8100.00合計3628.8100.00差值分析：由于計算時需考慮硅碳棒根數(shù)為整，并忽略了爐內(nèi)外壁的散熱與功率損耗量等諸多因素，因為產(chǎn)生差值。因此該熱平衡表較為合理，故上述尺寸設計合理。 3.8支座設計3.8.1設計結(jié)構(gòu)說明：用于支撐整臺恒溫爐，一共需要四個，