Конструктивний розрахунок тунельної печі з випалу лицьової цегли

Вихідні дані для розрахунку

Маса однієї цегли, кг 2, 8

Продуктивність печі, шт./рік 15 млн.

Залишкова вологість сирцю, % 2, 5

Брак випалу, % 9

Втрати при прокалюванні, % 8

Максимальна температура випалу, ^оС 950

Початкова температура матеріалу, ^оС 40

Кінцева температура матеріалу, ^оС 70

Тривалість випалу, год. 34

Температура навколишнього повітря, ^оС 20

Температура газів, що відходять з печі, ^оС 150

Температура повітря, що подається на горіння, ^оС 20

Температура повітря, що відбирається на сушку, ^оС 250

Паливо - природний газ

Робоча вологість газу, % 1, 5

Розмір вагонетки (l× b), м 3× 3

Вагова ємкість вагонетки – по виробам, т 10, 8

Кількість годин роботи печі в рік 8280

Висота садки, м 1, 65

Склад маси, мас.%: глина: пісок 90: 10

Склад Al₂O₃, мас.% 28

Футерівка вагонетки(товщина):

1. Динасова глина (ρ = 1900 кг/м²) – 0, 120м

2. Шамотний легковаг (ρ = 1300 кг/м²) – 0, 490м

3.Керамічна цегла (ρ =1800кг/м²) – 0, 245м

2.1 конструктивний розрахунок печі

Розрахунок містить визначення внутрішніх розмірів тунелю, вибір матеріалів та розмір огородження печі.

2.1.1 Визначення внутрішніх розмірів тунелю

Згідно з кривою випалу (рис. 2.1) загальна тривалість теплової обробки становить 32 год. Приймаємо тривалість підігріву Z_під=14; випалу Z_вип=6; охолодження Z_охол=14год.

Рисунок 2.1-Режим випалу

Необхідна масова місткість печі за виробами, що завантажуються, т

, (2.1)

де G_P - продуктивність печі за рік, т;

Z - тривалість теплової обробки, год;

Z_P - кількість годин роботи печі за рік;

m - втрати залишкової вологості, втрати при прожарюванні, брак і втрати виробів, враховуючи від подачі в піч і до надходження споживачу, %:

т

Кількість вагонеток, що одночасно знаходяться в печі:

(2.2)

шт.

Приймаємо ціле число вагонеток N = 20, тоді довжина печі, м

(2.3)

м

Масова місткість печі, т

(2.4)

т

Внутрішні розміри тунелю визначаються з огляду на розміри вагонетки і висоту садки виробів:

- висота тунелю

Н_Т = h_C + 0, 1 (2.5)

Н_Т = 1, 3+0, 1=1, 4 м;

- ширина тунелю

В_т = b_В+2·0, 05 (2.6)

В_т =2, 9+2·0, 05=3, 0 м.

Внутрішній об'єм печі при цьому буде складати

(2.7)

м³

Щільність садки виробів

(2.8)

т/м³

Продуктивність печі по завантажених виробах

(2.9)

т/год = 1, 25 кг/с.

Рисунок 2.1 – Режим випалу виробів

Довжина різних зон печі:

I підзона підігріву м. Кількість позицій (вагонеток у зоні) розраховуємо як . Приймаємо 6 позицій, що буде складати 3·6 = 18м;

II підзона підігріву м. Приймаємо 4 позиції, тобто 12м;

Зона випалу м. Приймаємо 3 позиції, тобто 9м;

I підзона охолодження м. Приймаємо 3 позиції, тобто 9м;

II підзона охолодження м. Приймаємо 4 позиції, тобто 12м.

Перевірка: N = 6+4+3+3+4=20 вагонетки

або L_П = 18+12+9+9+12=60м.

Інтервал штовхання вагонеток год.

Число вагонеток, які виходять із печі за 1 годину

(2.11)

Таблиця 2.1 – Матеріал та товщина шару футерування стін і склепіння на різних дільницях печі

Таблиця 2.2 – Характеристика футеровки вагонетки

Вага шарів вагонетки:

G₁= V ∙ ρ =3∙ 3∙ 0, 120∙ 1900=2052 кг

G₂= V ∙ ρ =3∙ 3∙ 0, 490∙ 1300=5733 кг

G₂= V ∙ ρ =3∙ 3∙ 0, 245∙ 1800=3969 кг

Таблиця 2.3 – Коефіцієнти теплопровідності [1], Вт/(м·град)

2.2 Тепловий розрахунок

Містить розрахунок горіння палива, складання теплового балансу зон підігріву та випалу з метою визначення витрат палива, складання теплового балансу зони охолодження з метою визначення кількості повітря, що подається на охолодження виробів (відбирається на сушіння і горіння) та складання загального теплового балансу для перевірки правильності проведених розрахунків.

2.2.1Розрахунок горіння палива

Розрахунок горіння палива може виконуватися на ЕОМ за програмою “GGT”.

Склад природного газу наведений у табл. 2.4

Таблиця 2.4 – Склад природного газу, об %

Проводимо перерахунок складу газу на робочий:

і т.д. кожний компонент.

Дані розрахунку наводимо в табл. 3.5.

Таблиця 2.5 – Робочий склад, об %

Теплотворна здатність палива:

кДж/м³.

Теоретичні витрати сухого повітря:

м³/м³

Теоретичні витрати атмосферного повітря при вологовмісті d=10 г/кг сухого повітря:

м³/м³.

Теоретичний вихід димових газів (продуктів горіння):

Усього продуктів горіння: Відсотковий теоретичний склад продуктів горіння:

Усього 100%.

Розраховуємо коефіцієнт надлишку повітря, при якому забезпечується робоча температура в печі:

(2.12)

де і_заг. = с_д·t_к - тепломісткість димових газів при калориметричній температурі горіння палива, кДж/м³.

Тепломісткість визначаємо за складом димової суміші та ентальпії її компонентів при дійсній температурі горіння t_д:

(2, 13)

де і_д (і_заг) - тепломісткість димових газів при дійсній температурі, яка зазвичай на 5-100°С вища, ніж температура випалу матеріалу.

t_д = 950 +50 = 1000°С

η - пірометричний коефіцієнт горіння палива (для тунельних печей прийнято η = 0, 80 [1]).

(2, 14)

кДж/м³

Дійсні витрати сухого повітря, м³/м³

Дійсні витрати атмосферного повітря, м³/м³

Кількість та склад продуктів горіння:

Усього продуктів горіння .

Відсотковий склад продуктів горіння:

Складаємо матеріальний баланс процесу горіння на 100м³ газу при α = 2, 12 (табл. 2.6).

Таблиця 2.6 - Матеріальний баланс процесу горіння на 100м³ газу при α =1, 89

Відсоток непогодженості:

Для перевірки дійсної температури горіння палива знаходимо - тепломісткість димових газів при дійсній температурі за формулою

(2.15)

кДж/м³

Тому що знайдене майже дорівнює раніш розрахованому, вважаємо, що дійсна температура відповідає заданій.

Таблиця 2.7 – Склад димових газів при α = 2, 12

2.2.2 Розрахунок втрат тепла крізь футерівку

Визначення втрат теплоти крізь огородження дозволяє оцінити правильність підбору матеріалів та їх товщини. Як правило, температура зовнішньої поверхні огородження в зоні випалу не повинна бути вище 100°С. Коли за розрахунком температура є вищою, то необхідно або збільшити товщину футеровочних матеріалів, або підібрати такі, які мають більші значення теплових опорів.

Втрати теплоти крізь огородження розраховуємо окремо для склепіння, стін і поду за відомими середніми температурами внутрішньої поверхні на дільницях з однаковою футерівкою. Розрахунок втрат теплоти виконуємо на ЕОМ за програмою " МОNО" (дані розрахунки заносимо до табл.2.8).

Шукаємо середні температури шарів і значення λ _сер, які відповідають цим температурам:

Шамотна засипка

λ ₁=

Напівкисла цегла

λ ₂=

Уточнюємо питомий тепловий потік крізь систему:

Уточнюємо температури проміжних точок:

Уточнюємо середні температури шарів і значення λ _сер, які відповідають цим температурам:

Шамотна цегла

Шамотна засипка

Напівкисла цегла

Визначаємо коефіцієнт віддачі теплоти від зовнішньої поверхні стінки до навколишнього середовища, Вт/м²∙ град

Знаходимо коефіцієнт теплопередачі і розраховуємо температуру зовнішньої поверхні стіни печі:

Так як різниця зовнішньої розрахункової температури і прийнятої не перевищує припустимої ±5º С, то розрахунок є вірним і повторювати його

немає потреби.

Розраховуємо питомий тепловий потік крізь стінку:

Площа поверхні стіни на дільницях печі:

(2.16)

Площа поверхні склепіння та поду на дільницях печі розраховують за формулою:

(2.17)

Втрати теплоти крізь стіни на дільницях печі:

(2.18)

2.2.3 Розрахунок теплоти, що витрачається на нагрівання матеріалу та віддається ним при охолоджені

Кількість теплоти, витраченої на нагрівання виробів, коли міняється їхня вага, визначаємо за формулою, кВт

(2.19)

де Р_В, Р₃ - секундна вага виробів, що виходять та завантажуються в піч, кг/с;

с_к, с_п - теплоємкість матеріалу виробів при кінцевій t_к і початковій t_п температурах, кДж/(кг·град).

Кількість теплоти виробів, коли їхня вага не міняється, визначаємо за формулою, кВт

(2.20)

де Р - секундна вага виробів на дільниці, що розглядається, кг/с;

с_к, с_п - теплоємкість матеріалу виробів при кінцевій t_к і початковій t_п температурах, кДж/(кг·град).

Розрахунок витрат теплоти проводимо по зонах печі.

На вході в піч:

Зона підігріву:

Зона випалу:

Зона охолодження:

На виході з печі:

Зведемо розрахунки у таблицю 2.8.

Таблиця 2.8 - Кількість теплоти, яка витрачається при нагріві та охолодженні виробів

Таблиця 2.9 – Втрати тепла крізь стіни, склепіння та футерівку

2.2.4 Розрахунок теплоти, що акумулюється футеровкою вагонетки при нагріванні або віддається при її охолодженні

Розрахунок кількості теплоти, яка акумулюється або віддається футерівкою вагонетки при проходженні через тунельну піч, проводимо за формулою, кВт

(2.21)

де n_в – кількість вагонеток, що виходять із печі, ваг/год;

G_фі - маса і-го шару футерівки і металу вагонетки, кг;

c_фі - теплоємкість і-го шару футерівки і металу вагонетки при його середній температурі, кДж/(кг·град);

t_фі - середня температура і-го шару футерівки і металу вагонетки, °С.

Для визначення середньої температури шарів знаходимо температури на межах шарів за допомогою ЕОМ.

Теплоту футерівки розраховуємо на початку і в кінці дільниці, після чого знаходимо кількість теплоти, акумульованої (відданої) на дільниці.

знаходимо маси шарів:

Вага шарів вагонетки:

G₁= V ∙ ρ =3∙ 3∙ 0, 120∙ 1900=2052 кг

G₂= V ∙ ρ =3∙ 3∙ 0, 490∙ 1300=5733 кг

G₂= V ∙ ρ =3∙ 3∙ 0, 245∙ 1800=3969 кг

Результати розрахунків наведені в табл. 2.10.

Таблиця 2.10 – Кількість теплоти, що акумулюється або віддається футерівкою вагонетки

2.2.5 Тепловий баланс зон підігріву та випалу

Прибуток теплоти:

Хімічна теплота горіння палива, кВт:

(2.22)

де В - витрати палива, м³/с.

Теплоту, що вноситься паливом, не враховуємо, тому що газ надходить не підігрітим.

Теплоту, що вноситься повітрям, яке йде на горіння палива, розраховуємо за формулою, кВт

(2.23)

де - дійсна кількість атмосферного повітря, що витрачається на

горіння палива, м³/м³;

і_пов. - тепломісткість (ентальпія) повітря, що подається на горіння, кДж/м³.

Теплота нагріву повітря, яке підсмоктується із контрольного коридору в зону підігріву, кВт:

(2.24)

де α ₁ - коефіцієнт витрати повітря в димових газах, що відходять із зони підігріву, α ₁ = 3;

і_пов. – ентальпія повітря, що підсмоктується з контрольного коридору, при температурі рівній середній температурі зовнішньої поверхні вагонетки в зоні нагріву, кДж/(м³·град).

Фізична теплота виробів, яка надходить у піч:

Q_вир = 30, 70кВт.

Фізична теплота, яка надходить з футерівкою вагонетки:

Q_ф = 10, 68 кВт.

Загальний прибуток теплоти в зонах підігріву і випалу:

Q_заг. = Q_хтп + Q_пов + Q_підс. + Q_вир. + Q_ф. = 44035, 20·В + 580, 69·В + 770, 16·В + 30, 70+ 10, 68 = 45386, 05·В + 41, 38кВт

Витрати теплоти:

Фізична теплота, яка виноситься виробами в зону охолодження:

Q_вир = 30, 70+1592, 44=1623, 14 кВт.

Фізична теплота, яка виноситься футерівкою вагонетки в зону охолодження:

Q_ф = 10, 38+482, 18=450, 29 кВт.

Втрати теплоти з продуктами горіння

(2.25)

Тут ентальпія продуктів горіння, що відходять із печі, розрахована за відсотковим вмістом компонентів димової суміші при α ₁ = 3, та по їх ентальпії при температурі 250°С. (Склад димових газів табл. 3.7).

Втрати теплоти на хімічні реакції при випалі виробів розраховуємо за формулою, кВт

Q_хім.=q_x·G_x (2.26)

де q_x - теплота, що витрачається на фізико-хімічні процеси 1 кг вихідної хімічної речовини в невипаленому продукті, кДж/кг (для А1₂0з q_x=2090);

G_x - вміст вихідної хімічної речовини в матеріалі, що завантажується у піч, кг/с.

G_x = (0, 9 +0, 1+0, 28) · 1, 8= 0, 05 кг/с

Q_хім=2090 · 0, 05 = 104, 5 кВт.

Витрати теплоти на випаровування вологи із виробів і нагрів водяних парів розраховуємо за формулою, кВт

(2.27)

де с_в - теплоємкість води, кДж/(кг·град);

с_к, с_п - теплоємкість водяної пари при температурі димових газів, що відходять із печі та при 100 °С;

2500 - теплота, що витрачається на нагрів та випаровування 1кг вологи; t_в - температура вологих матеріалів на вході в піч, град;

W_вол. - секундний вихід вологи, розрахунок якого ведемо за формулою

(2.28)

де w - відносна вологість виробів, %;

Р_з - вага матеріалу виробів, які завантажуються в піч, кг/с;

V_в.п. - об'ємний вихід водяної пари, м³/с;

м³/с,

кВт

Втрати теплоти від неповного згоряння палива не враховуємо, тому що газоподібне паливо згоряє практично повністю.

Втрати теплоти в навколишнє середовище (крізь огородження печі) находимо підсумовуючи втрати теплоти крізь стіни, склепіння і під печі за даними табл. 3.5:

Q_огор.=66, 97+176, 43+30, 04+52, 99+38, 37+16, 96=351, 72кВт.

Загальні витрати теплоти в зонах підігріву і випалу:

Q_заг. = Q_вир. + Q_ф. + Q_дим. + Q_хім. + Q_вип. + Q_огор. =

=1623, 14+492, 561+9803, 19В+104, 5+111, 79+351, 72=

=9803, 19В+2683, 71

Прирівнюємо прибуток теплоти до витрат і визначаємо витрати палива В:

45386, 05·В + 41, 38=9803, 19В+2683, 71

35582, 86В=2642, 33

В = 0, 074м³/с

Витрати умовного палива на одиницю продукції:

кг/кг або 7%

За отриманими результатами складаємо таблицю теплового балансу зон підігріву і випалу (табл. 2.11).

Таблиця 2.11 – Тепловий баланс зон підігріву і випалу

2.2.6 Тепловий баланс зони охолодження

Прибуток теплоти:

Фізична теплота, яка вноситься виробами із зони випалу:

Q_вир. = 30, 70+1592, 44=1623, 14 кВт

Фізична теплота, яка вноситься вагонетками із зони випалу:

Q_ф = 10, 38+482, 18=492, 56 кВт

Теплота повітря, яке подається на охолодження виробів, кВт:

(2.29)

де Q_г і Q_с – теплота, що вноситься повітрям, яке відбирається на горіння і сушку, кВт;

у – об'єм повітря, яке відбирається на сушку, м³/с

Q_пов. = 0, 074·22, 3·1, 298·20 + 1, 298·20у = 42, 84 + 25, 96·у кВт

Загальний прихід теплоти:

Q_заг. = Q_вир. + Q_ф. + Q_пов. = 1623, 14 + 492, 56 + 42, 84 + 25, 96·у =

= 25, 96·у + 2158, 54 кВт

Витрати теплоти:

Втрати теплоти з матеріалом, який виходить із печі:

Q_вир = 68, 85кВт

Втрати теплоти з вагонетками, які виходять з печі:

Q_Ф = 47, 66 кВт

Теплота повітря, яке відводиться на сушіння ( = 200°С)

кВт

Теплота повітря, що подається на горіння із зони охолодження ( =20°С),

кВт

Втрати теплоти через огородження печі:

Q_огор = 101, 53+29, 73+23, 07=154, 33 кВт

Загальні витрати теплоти, кВт:

Q_заг. = Q_вир. + Q_ф + + + Q_огор. = 68, 85+47, 66+ 333, 75·у +

+ 42, 84+154, 33= 333, 75·у + 313, 68 кВт

Прирівнюємо прибуток до витрат і знаходимо кількість повітря, що подається на сушіння:

2158, 54+ 25, 96·у = 333, 75·у + 313, 68;

у =5, 99 м³/с

Загальні витрати повітря, яке подається в піч на охолодження виробів:

м³/с

За отриманими результатами складаємо таблицю теплового балансу зони охолодження.

Таблиця 2.12 – Тепловий баланс зони охолодження

Зведений тепловий баланс

Таблиця 2.13 – Зведений тепловий баланс печі