Министерство образования и науки РФ Ростовский государственный строительный университет Утверждено На заседании кафедры “Теплогазоснабжения” << >> 2004 года Методические указания по курсовому и дипломному проектам по дисциплине «Печи и сушила» для студентов дневного и заочного обучения по специальности 2906 "Производство строительных материалов и конструкций" Ростов-на-Дону 2004 2 УДК 666.04.(075.8) Методические указания к курсовому и дипломному проектам по дисциплине « Печи и сушила » для студентов дневного и заочного обучения по специальности 2906 «Производство строительных материалов и конструкций" - Ростов-на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т, 2004. - 46 с. Дается обоснование выбора типа печной установки для термической обработки строительных материалов, приводятся конструктивные расчеты туннельной печи. Составитель к.т.н. Н.В. Кузнецов Редактор Н.Е. Гладких Темплан 2004 г., поз. 69 Подписано в печать 28.06.04 Бумага писчая. Тираж 100 экз. Формат 60х84/16. Ризограф . Уч.-изд. л. 2,9. Заказ Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета. 344022, Ростов н/Д, Социалистическая, 162. © Ростовский государственный строительный университет, 2004. 3 Введение В силикатной промышленности основным технологическим процессом является обжиг. Поэтому вопросы технологического процесса силикатного производства неразрывно связаны с совершенствованием конструкций печей. Расчет печей позволяет определить их тепловую мощность, количество топлива, подаваемого в печь, а также решить ряд вопросов, определяющих конструкцию печи, ее отдельных элементов и узлов и основные размеры. Методы расчетов базируются в основном на экспериментальном материале. Сложность расчетов печей состоит в трудности учета влияния различных факторов на тепловую работу печи, связанных с процессами сжигания топлива, движения газов, теплообмена и технологическими особенностями производства. Расчет печей представляет собой расчет отдельных процессов, происходящих в них при заданных условиях. При проектировании печей выполняются расчеты, связанные с процессом горения топлива по тепловому балансу, аэродинамические расчеты, расчеты габаритов печи и ее отдельных элементов, а также технологические расчеты, связанные с постройкой печи. 4 Содержание курсовой работы Курсовая работа по печам выполняется в следующем объеме: графическая часть - чертеж печи на одном листе А-1 (план, необходимые разрезы и узлы); расчетно-пояснительная записка состоит из пояснительной записки и теплотехнических расчетов. В задании на проектирование указываются тип печи, ее назначение, состав обжигаемых материалов или вид изделия, производительность печи, вид сжигаемого топлива и его состав, а также дополнительные данные. В ходе предварительной работы необходимо ознакомиться с технической литературой, чертежами типовых печей, уяснить конструкцию печи, требования к техническим условиям тепловой обработки, выбрать данные по режиму работы (график обжига), составить эскиз печи. Для того, чтобы приступить к графической части работы, необходимо выполнить: 1. Расчет горения топлива. Определяется подогрев воздуха для получения заданных технологических температур; 2. Расчет материального баланса по сырью, который необходим для расчета теплового баланса; 3. Теоретические расчеты удельных расходов тепла; 4. По данной производительности печи определяются основные размеры рабочего пространства (площадь пода, длина, ширина, высота). Для туннельных печей выбирают размер вагонеток, тип садки, рассчитывают емкость вагонетки, по которой определяют габариты печи. 5 1. Тепловые расчеты туннельной печи Общие требования к печам - достаточно высокая тепловая мощность, обеспечивающая данную производительность; - в рабочем пространстве печи должны быть достигнуты необходимые температуры, соответствующие технологическому режиму; - наиболее эффективное сжигание подаваемого в печь топлива, высокий коэффициент использования топлива, минимальный удельный расход тепла на обжиг; - высокая удельная производительность, высокое качество продукции при заданной производительности; - наибольшая экономичность, легкость и простота обслуживания; - наибольшая продолжительность работы без ремонтов, т. е. высокая стойкость огнеупорной кладки; - печь должна быть автоматизированным тепловым агрегатом. Для того, чтобы обеспечить высокую производительность печи, необходимо иметь: - достаточно интенсивный подвод тепла, который зависит от количества топлива, его качества и способа сжигания; - полное горение топлива с минимальным избытком воздуха; - подогрев воздуха, идущего на горение, а иногда и подогрев топлива; - минимальные потери тепла рабочим пространством печи в окружающую среду. Снижение температур газов в печи при высокой температуре горения достигается рециркуляцией печных газов и повышением коэффициента расхода воздуха при горении. Уменьшение удельного расхода тепла и повышение степени использования топлива может быть достигнуто за счет улучшения 6 теплообменных процессов в рабочем пространстве печи и уменьшения тепловых потерь в окружающую среду. Основными средствами уменьшения тепловых потерь является применение качественной тепловой изоляции кладки, легковесность огнеупорных материалов, а также уплотнение печи. 1.1. Расчет горения топлива Расчет производится с целью определения расхода воздуха, необходимого на горение, количества образующихся продуктов сгорания, их состава и температуры горения. По расчету горения выбирают тяго-дутьевые устройства печи, обеспечивающие нормальный процесс горения, движения дымовых газов и температурный режим в рабочем пространстве. Объем воздуха и газа приводится к нормальным условиям 0 °С и 101325 Н/м2. Температура горения топлива определяется на основе баланса тепла, вносимого топливом, воздухом, и тепла образующихся продуктов горения. 1.1.1. Выбор топлива Наиболее целесообразно использование природного газа и мазута. Современная печь должна быть автоматизированным непрерывно работающим агрегатом, поэтому процессы сжигания должны быть автоматизированы. Туннельные печи для обжига строительных материалов могут работать на мазуте или природном газе. 1.1.2. Пересчеты состава топлива Топливо конкретного месторождения представляется в таблицах в виде составляющих С1с, С2с и т.д. в объемных процентах. В топливе присутствует влага, содержание которой формуле: может быть определено по Н2О= 100*W , %, 804+W (1) где W- содержание сухого газа, определяемое по табл. 1 приложения при различных температурах. Зная процентное содержание влаги в газе, можно пересчитать все другие составляющие сухого газа на влажный рабочий газ, например: СО2= CO2вл 100 − Н 2О 100 1.1.3. ,%. (2) Теплота сгорания топлива Это количество тепла, выделяемое при полном сгорании всех горючих составляющих топлива, отнесенное к 1 м3 газообразного топлива. При сжигании топлива вода, содержащаяся в продуктах сгорания, находится в парообразном состоянии. Затрачиваемая при этом внутренняя теплота парообразования остается неиспользованной вследствие высокой температуры уходящих газов. Поэтому принято пользоваться низшим пределом теплоты сгорания. Учитывая, что на испарение 1 кг влаги уходит 2500 кДж, связь между высшей и низшей теплотой сгорания можно представить формулой: Q=Qв - 2500 W, кДж/м3 , (3) где W – содержание влаги в продуктах сгорания. Для газообразного топлива низшая теплота сгорания определяется как сумма произведений тепловых эффектов составляющих горючих газов на их количество: Qн= 385,2СН4+ 637,5С2Н6+ 912,5С3Н8 + + 1168,5С4Н10+ 1460,5С5Н12, кДж/м3. (4) Здесь составляющие выражены в объемных процентах. Для сравнения расчетов пользуются условным топливом с низшей теплотворной способностью Qн=29300, кДж/кг. 8 Перевод любого топлива в единицы условного топлива производится с помощью теплового эквивалента: Эт= Qн . 29300 (5) 1.1.4. Расход воздуха на горение Потребное количество воздуха для горения топлива определяется по теоретическому количеству кислорода по реакции окисления с учетом некоторого избытка. Воздух содержит 79 объемных процента азота и 21 объемный процент кислорода. Теоретически необходимый для горения расход сухого воздуха для газообразного топлива: L0=0.0476( 2СН4+ 3,5С2Н6+ 5С3Н8+ 6,5С4Н10+ 8С5Н12), м3/м3. (6) При влагосодержании d (г/кгсух .возд.) расход атмосферного воздуха: L0( =׀1+0.0016d) L0 , м3/м3. (7) С учетом коэффициента избытка воздуха α действительный расход сухого воздуха: La= αL0 , м3/м3 . (8) Действительный расход атмосферного воздуха при влагосодержании d: L׀α= (1+0.0016d) La , м3/м3. (9) Если задаться d=10 г/кгсух. возд. , то L׀α= 1,016 Lα. (10) Общий расход сухого воздуха при сжигании В м3/час топлива равен: 3 Vвозд = ВLα , м / ч . (11) Действительный расход атмосферного воздуха 3 вл Vвоз = ΒLα (1 + 0.0016d ) , м / ч или 3 вл . Vвоз . = Β Lα , м / ч . (12) (13) 9 1.1.5. Объем продуктов горения При полном сгорании газообразного топлива образуются пары воды, углекислый газ, присутствует азот. Общий теоретический объем продуктов горения при α=1 состоит из: V0= VCO + VΗ O + VΝ , м3/м3 . 2 2 (14) 2 Определяем отдельные составляющие продуктов горения: 3 3 VCO2 = 0.01(CO2 + CH 4 + 2C2 H 6 + 3C3 H 8 + 4C4 H10 + 5C5 H12 ) , м /м ; (15) 3 3 VH 2 O = 0.01(2CH 4 + 3C2 H 6 + 4C3 H 8 + 5C4 H10 + 6C5 H12 ) + H 2O + 0.16dLα , м /м ; (16) VN 2 = 0.79 Lα + 0.01N 2 , м3/м3 . (17) Объем продуктов горения при разных α: ∆V=V0-L0=Vα-Lα , м3/м3 . (18) ∆V зависит только от состава топлива, следовательно, V0=L0+ ∆V и Vα= Lα+ ∆V. (19) Для определения процентного состава продуктов горения необходимо знать объемы отдельных составляющих: СО2 = 100 VCO2 , % Vα и т.д. (20) По составу продуктов горения можно определить их влагосодержание: d= 804VH 2 O 1.977VCO2 + 1.251VN 2 + 1.429VO2 , г/ м3 сух. газ. (21) Общее количество продуктов горения при сжигании В, м3/ч топлива: Vдым=ВVα, м3/ч. (22) При определении объема продуктов горения необходимо учитывать количество газов, образующихся от испарения влаги и разложения карбонатов. При испарении W(кг/ч) влаги образуется: H 2O = W , м3/ч. 0.804 (23) При разложении 1 кг СаСО3 получается 0,224 м3 СО2. В пересчете на СаО 1 кг этого вещества образует 0,4 м3 СО2 При разложении 1 кг МgСО3 получаем 0,264 м3 СО2 10 1.2. При расчетах Температура горения определяется теоретическая температура горения, соответствующая процессу тепловыделения без потерь, и действительная температура газов, усредненная по массе и приближенная к практическим условиям. Теоретическая температура рассчитывается для продуктов полного горения с учетом диссоциации СО2 и Н2О, значительно влияющей на температуру горения выше 1600 ºC. При условии, когда все тепло от горения топлива, а также физическое тепло подогрева топлива и воздуха будет передано только продуктам горения, баланс тепла может быть выражен: Qн+Cтtт+СвозtвозLα-qдис=V'αiобщ , (24) где Qн – низшая теплотворная способность топлива, кДж/м3; Cтtт= i'т – физическое тепло топлива, кДж/м3; Свозtвоз= i'в – физическое тепло воздуха, кДж/м3; qдис – теплота диссоциации, кДж/м3; V'a – объем продуктов горения с учетом диссоциации, м3/м3; iобщ - общее теплосодержание (энтальпия) продуктов горения, кДж/м3. Отсюда iобщ= ' Qн iт' iвозд Lα qдис + + − ' , ' ' Vα Vα Vα' Vα (25) iобщ= ix+ iт+ iвозд- iдис (26) Без учета диссоциации по таблицам теплоемкостей может быть найдена калориметрическая температура горения. Также можно использовать (i – t) – диаграмму продуктов сгорания (рис. 1 ) для температур до 1300ºC и (рис. 2 ) в диапазоне температур до 2500ºC. Кривая теплосодержаний без учета диссоциации соответствует пунктирной калориметрическая температура линии, т.е. определяется горения. Сплошные линии графиков соответствуют теоретической температуре горения. Графики построены для 11 сгорания природного газа в диапазоне коэффициентов избытка воздуха α от 1,0 до 3,0. Кроме того, приближенно может быть определена действительная температура горения. Для этого определяется i'общ= ηп iобщ, , (27) где ηп – пирометрический коэффициент для конкретных типов печей (табл. 2, приложения). Зная i'общ , по (і – t) – диаграмме ( рис.3) находим по сплошным линиям действительную температуру горения с учетом диссоциации. 2. Тепловые режимы печи В обжиговых печах непрерывного действия происходит постепенный нагрев материалов. В каждом сечении печи устанавливается определенная температура. Поэтому печь условно можно разделить на зоны сушки, дегидратации, декарбонизации, спекания, охлаждения. Основным требованием обжига материалов является подогрев материалов до конечной температуры обжига с максимальной скоростью подъема температур. При обжиге керамических огнеупорных изделий требуется не только нагрев до определенной температуры, но и получение изделия высокого качества без изменения формы и отсутствии трещин. Здесь режим устанавливается в зависимости от допустимых скоростей нагрева. Тепловой режим печи характеризуется следующими показателями: - тепловой нагрузкой печи, т.е. количеством подводимого тепла в единицу времени; - температурами в рабочем пространстве или отдельных зонах печи, обеспечивающими необходимую скорость нагрева материала или изделия по заданному графику; 12 - газовой атмосферой в зависимости от требований окислительной или восстановительной среды на различных стадиях процесса нагрева и обжига. 2.1. Температура обжига Температурный график, характеризующий скорость подъема температур и продолжительность обработки, определяется технологическими условиями обжига и особенностями процессов теплообмена, движения газов и сжигания топлива, свойственным данной конструкции печи (табл. 3). 2.2. Продолжительность обжига Она зависит от: - вида обжигаемого материала (теплопроводности, и его физических температуропроводности, свойств механической прочности, плотности и т.п.); - температуры обжига, до которой нагревают материал. Более высокие температуры обжига требуют большей продолжительности нагрева; - скорости изменения температур в отдельные периоды нагрева и охлаждения изделий; - плотности садки изделий в рабочем пространстве печи и типа садки, влияющей на скорость нагрева и охлаждения изделий внутри садки; - условий теплоотдачи от газов и стенок рабочего пространства печи на поверхность изделий и движения газов в рабочем пространстве. При высоких температурах обжига большое значение в процессах теплообмена имеет способ сжигания топлива. Равномерное его сжигание непосредственно в рабочем пространстве печи, а также равномерное перемешивание топлива с воздухом, обеспечивающее полноту горения, является важными факторами в повышении скорости нагрева и равномерности подогрева всей садки. Для этой цели предусматривают подачу 13 инжекторного или вентиляторного воздуха непосредственно в горелки и эжекцию газов в зоне подогрева туннельных печей. Продолжительность обжига в большей степени зависит от конструкции и размеров печи, ее состояния, герметичности, подсосов окружающего воздуха и распределения температур по сечению рабочего пространства. Данные по продолжительности обжига изделий в туннельных печах, полученные в ходе эксплуатации печей, представлены в табл. 4. 2.3. Расчет продолжительности обжига изделий Основным параметром при выборе рационального режима обжига являются максимальная допустимая скорость нагрева и охлаждения изделий и время выдержки при максимальной температуре. Допустимая скорость нагрева и охлаждения определяется по формуле: υ доп = ∆tдоп а , °С/ч , kS 2 (28) где ∆tдоп- максимальная допустимая разность температур в теле изделия при его нагреве или охлаждении; а- коэффициент температуропроводности, а= 3 .6 λ , м2/ч ; cρ (29) к- коэффициент, зависящий от формы тела, а также от типа и плотности садки: для пластины к=0,5, для куба к=0,2, для шара к=0,167, для цилиндра к=0,2-0,25. Максимальное значение к=0,5; S- толщина прогрева изделий, м. При двустороннем симметричном нагреве S равно половине толщины пластины или радиусу цилиндра или шара. При двустороннем несимметричном нагреве S= 0,75 толщины пластины и при одностороннем нагреве - толщине пластины. Величина ∆tдоп зависит от физических свойств материала (прочности, коэффициента расширения, модуля упругости, коэффициента Пуассона) и не 14 зависит от размеров тела. Эта величина (табл. характеризует 5) чувствительность материала к нагреву и определяется экспериментальным путем. Допустимую скорость нагрева υдоп можно также приблизительно рассчитать: υдоп= Время 40∆tдоп , град/ч. (100 S ) 2 выдержки (30) при конечной температуре для выравнивания температурного поля: τвыд=700S2, ч, (31) где S- определяющий размер изделия, м. Время нагрева или охлаждения в известном интервале температур от t1 до t2 : τ1= t 2 − t1 υ доп , ч. (32) 2.4. Производительность и размеры печи Часовая производительность печей зависит от типа, конструктивных особенностей и размеров рабочего пространства, а также от продолжительности тепловой обработки, и вида материалов, подвергаемых тепловой обработке, и конечных температур нагрева материалов или изделий. Если известны продолжительность тепловой обработки и емкость (вместимость) печи, то ее производительность: P=G/τ , т/ч, (33) где G- емкость печи или количество одновременно загруженных изделий, т; τ- продолжительность тепловой обработки, ч. Емкость печи G связана с геометрическими размерами рабочего пространства, из которых определяющими служат объем и площадь. Эффективность использования этих размеров выражается удельной производительностью, которая представляет собой относительную величину 15 производительности по отношению к 1 м3 рабочего пространства печи или к 1 м2 площади пода. Удельная производительность, характеризующая использование объема печи или съем продукции с 1 м3 объема печи: PV = G , т/м3ч; τV PV = 24 (34) G , т/м3сутки , τV (35) где V- внутренний объем рабочего пространства, м3 Удельная производительность, характеризующая использование пода или съем продукции с 1 м2 пода печи равна: PF = G , т/м2ч τV или PF = 24 (36) G , т/м2сутки, τV (37) где F- площадь пода печи, F=V/H, м2; H- высота рабочего пространства печи, м. Отношение G/V можно рассматривать как плотность садки или G/F=Hq как плотность укладки материала на поду печи, где q- плотность садки, т/м3. Плотность садки является относительной величиной, представляющей собой степень заполнения рабочего пространства печи материалом: q ρ = G V м Vv = , V G V (38) где ρ- плотность материала, т/м3; Vм – объем, занимаемый материалом, м3; V- внутренний объем рабочего пространства, м3. Производственные показатели промышленных печей силикатного производства представлены в табл. 6. Высота рабочего канала печи считается от пода вагонетки до замка свода, если изделия садятся на подставки. Полная высота туннеля считается от головки рельсового пути до замка свода и определяется размерами вагонетки и высотой садки изделий на вагонетку. 16 Высота садки изделий на вагонетку зависит от формы и вида обжигаемых изделий. Высота рабочего канала печи принимается на 100 мм выше высоты садки. Ширина туннеля ограничивается условиями равномерности обжига изделий по всему сечению садки и конструктивными размерами вагонетки. Обычно вагонетки имеют ширину не более 3.1 м. Длина вагонетки выбирается соответственно ширине квадратной или прямоугольной формы с размерами до 3 м. В табл. 7 представлены размеры некоторых эксплуатируемых туннельных печей. Емкость вагонетки зависит от способа садки изделий и определяется количеством изделий, размещенных на вагонетке (рис. 3). К садке предъявляются высокие требования по прочности, устойчивости и проницаемости для движущихся газов. Габариты садки определяются размерами по ширине печи с учетом того, что между садкой и стенами туннеля оставляют щель 50-100 мм. Разрывы между садками отдельных вагонеток предусматриваются в пределах 300-900 мм. Емкость печи определяется по формуле или G= nG1 = G1 , т L l1 (39) G = Pτ , т; (40) Pτ ,м, G1 (41) L= где L- длина печи, м; n-количество вагонеток в печи, штук; l1-длина вагонетки, м; G1- емкость одной вагонетки, т; Р- производительность печи, т/ч; τ- продолжительность обжига, ч. 17 Годовая производительность печи может быть определена из ее часовой производительности: Рг= PZгг 100 − m , т/год, 100 (42) где Zг = (345-360)24= 8280-8640- число часов работы печи в год; m- процент брака и потерь материала от входа в печь до поступления на склад, %. Для обжига керамических изделий принято считать длину малых печей60-64 м, средних- 82-88 м и больших- 110-117 м. При обжиге динасовых и высокоогнеупорных изделий печи могут достигать 140-160 м. Если известна длина печи, то количество вагонеток, находящихся в печи, n= L G = . l G1 (43) Скорость движения вагонеток или часовое количество выходящих из печи вагонеток: ϑ= P n = , ваг/ч. G τ (44) Величина, обратная скорости, показывает, через какое время подается вагонетка в печь или выталкивается из печи. Средняя скорость движения вагонеток в печи: ϑср = P nl L l1 = 1 = , м/ч. G τ τ (45) Эта величина обычно составляет 0,5-3 м/ч. Длина зон нагрева и обжига, а также длина зоны охлаждения, определяются в соответствии с графиком нагрева и охлаждения. Длина зоны охлаждения: Lохл= τ охл L , м. τ (46) Длина зон подъема температур и обжига: Lн= τ наг L , м. τ (47) 18 Длина зоны обжига обычно определяется длиной, занимаемой топочными и горелочными устройствами, которые устанавливаются по границам топливосжигающих устройств. 2. Тепловые балансы туннельных печей Тепловой баланс выражается уравнением, связывающим количество тепла, выделенного во время работы печи, с количеством тепла, израсходованного на технологические процессы (полезно использованное) и потерянного в окружающем пространстве. Тепло, выделяемое при работе пламенной печи, слагается из следующих статей баланса: - тепла, выделенного при горении топлива Qгор; - тепла, вносимого подогретым воздухом Qвоз; - тепла, вносимого подогретым топливом Qтоп; Тепло, затраченное на технологические процессы и потери в окружающую среду, слагается из: - тепла, пошедшего на нагрев материала Qм; - тепла, затраченного на испарение влаги и нагрев водяных паров Qисп; - тепла, затраченного на химические процессы в материале Qхим; - тепла потерь с уходящими дымовыми газами Qдым; - тепла потерь вследствие неполноты горения топлива (химической и механической) Qнеп; - тепла потерь через кладку в окружающее пространство Qкл; - потерь излучением через открытые окна и щели Qлуч; - потерь с газами, проходящими через неплотности рабочего пространства печи (окна, щели) Qвыб; - расхода тепла на нагрев транспортных устройств (вагонеток) Qтр; - тепла, отводимого из рабочего пространства печи на сторону (для сушил) Qсуш. 19 Уравнение теплового баланса имеет вид: Qгор+Qвоз+Qтоп= Qм+Qисп+ Qхим+ Qдым+ Qнеп+ Qкл+ Qлуч+ Qвыб+ Qтр+ Qсуш (48) Расчет теплового баланса позволяет выявить эффективность работы печи, определить общий расход тепла в единицу времени, удельный расход топлива на единицу массы материала, тепловую мощность печи. В большинстве случаев тепловой баланс составляется для определения расхода топлива В, кг или м3 в секунду или час. Удельный расход тепла: q= BQ P , кДж/кг изделия, (49) где В – расход топлива, кг/ч, м3/ч; Qн – теплотворная способность топлива, кДж/кг или кДж/м3 Р- производительность печи, кг/ч. Удельный расход условного топлива в= ВQн или в=q/29300 , кгусл. топ./кгиздел . 29300 p (50) Эта величина может быть определена в % : в%= в100 . (51) 3.1. Приход тепла 1. Тепло, выделяемое горящим топливом: Qгор= QнB, кВт, (52) где Qн- теплота сгорания топлива, кДж/кг или кДж/м3; В - расход топлива, кг или м3 в секунду. 2. Тепло вносимое подогретым топливом Qтоп=Ст tт В, кВт, (53) где Ст- средняя теплоемкость топлива, равная для сухого твердого топлива примерно 1,05 кДж/кг˚С; Для влажного топлива при влажности Wp, % Cтвл = 1,05 100 − W р W p + , кДж/кг°С. 100 100 (54) 20 Для мазута Ст=2,05 кДж/кг˚С. Для газообразного топлива энтальпия ( С0t t ) определяется в зависимости от температуры и состава газа (табл. 8,9); Tт- температура подогрева топлива, ˚С. Она принимается в следующих пределах : - мазут 55-90 ˚С; - неподогретый природный газ 0-30 ˚С. 3. Тепло вносимое подогретым воздухом Qвоз= LαiвозВ, кВт, (55) где Lα- действительное количество воздуха, подаваемого для горения топлива, м3 воздуха/м3 топлива; iвоз- теплосодержание (энтальпия) воздуха находится в зависимости от температуры по табл. 8 или по рис. 1. 3.2. Расход тепла 1. Тепло, затраченное на нагрев обрабатываемых материалов и изделий: Qм= Р(Скtк- Снtн), кВт, (56) где Р - производительность печи по сухому (обожженному) материалу, кг/с; Скtк- энтальпия (теплосодержание) материала в конце нагрева до конечной температуры обжига, кДж/кг; Ск - средняя массовая теплоемкость материала в интервале температур от 0 до tк, кДж/ кг˚С, определяется по табл. 10 и 11; Снtн- энтальпия (теплосодержание) материала в начале нагрева при начальной температуре tн. 2. Расход тепла на испарение физической влаги материала: Qисп= (2500- 4,2tн) Wвл, кВт, где 2500- внутренняя теплота парообразования, кДж/кг влаги ; 4,2- теплоемкость воды, кДж/кг; tн- температура влажных материалов, поступающих в печь. (57) 21 Количество влаги, испаряемой из материала, определяется по абсолютной или относительной ее влажности: W= Ρ Wa W = Ρc , кг/с, 100 100 − W (58) где Рс- количество сухого материала , поступающего в печь, кг/с; Wа и W – абсолютная и относительная влажность материала, % . 3. Тепло, затраченное на химические реакции при нагреве материала Qх=qхGx, кВт, где qx- теплота, расходуемая на (59) физико-химические процессы 1 кг исходного химического вещества в необожженном продукте, кДж,кг; Gx- количество исходного химического вещества в материале, загружаемом в печь, кг/с; Gx= 0,01nPc, кг/с, (60) где n- процентное содержание исходного химического вещества в сухой массе материала, %; Рс- количество сухого материала, поступающего в печь, кг/с. Ниже приводятся некоторые величины qx для различных материалов: - теплота дегидратации глин, рассчитанная на 1 кг глины; qx= 290- 557 кДж/кг; на 1 кг Al2O3 qx= 2090 кДж/кг; на 1 кг санфаянсовых изделий qx=314-377 кДж/кг. Теплота дегидратации гипсового камня при 60-150ºС, рассчитанная на 1 кг шихты, равна 578 кДж/кг. Теплота дегидратации карбонатов: для MgCO3 qx=1310 кДж/кг, для CaCO3 qx=1780 кДж/кг, а при расчете на MgO- qx=2750 кДж/кг, на CaO- qx=3177 кДж/кг. Теплота реакции при вспучивании глин в производстве керамзита qx=400-600 кДж/кг. 22 4. Потери тепла с уходящими продуктами горения Qдым=Vдымiдым, (61) где Vдым- объем продуктов горения топлива, уходящих из рабочего пространства печи, с учетом подсосов окружающего воздуха, м3/с; iдым= Сдымtдым – энтальпия продуктов горения при температуре tдым уходящих газов. Приблизительно iдым находится по i-t- диаграмме (рис. 1 и 2) в зависимости от температуры газов и коэффициента избытка воздуха α. Более точно энтальпия определяется по табл. 8. Температура уходящих газов зависит от конструкции печи и ее температурного режима. Обычно этой величиной задаются исходя из практики. Объем продуктов горения; Vдым= B{ V0+(αобщ-1)L0} м3сух газ/с, (62) где αобщ – общий коэффициент избытка воздуха на рассматриваемом участке печи. Для длинных туннельных печей принимается αобщ=2,5-3,0. Этот вид потерь составляет значительную долю в тепловом балансе печи и зависит от коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих газов и вида сжигаемого топлива (рис. 4.) 5. Потери тепла вследствие неполноты горения Qнеп=Qхим+Qмех, кВт (63) где Qхим - потери от химической неполноты сгорания, кВт; при нормальной работе горелок и форсунок Qхим ~ 0; Qмех- механические потери топлива (унос,провал). 6. Потери тепла через кладку в окружающую среду Эти потери рассчитываются по температурным зонам, на которые разделено рабочее пространство печи. 23 Для стен и свода печей непрерывного действия, работающих с постоянными температурами в отдельно взятой зоне, тепловой поток через поверхность F(м2) в окружающую среду: Qкл= 3,6 F (t газ − tвоз , кДж/ч 1 S 1 +∑ + (64) 0,001(t газ − t воз ) , кВт, 1 S 1 +∑ + (65) α1 или Qкл= α1 λ λ α2 α2 где (tгаз-tвоз) - разность температур газов рабочего пространства и окружающего воздуха, ºС; α1- коэффициент теплоотдачи от печных газов к стенам внутри рабочего пространства, Вт/ м2ºС; При невысокой температуре газов α1=7-14, для печных газов α1= 100-450 Вт/ м2ºС; S-толщина слоя кладки печи, м, материал которой имеет коэффициент теплопроводности λ (табл. 12 и рис. 5); α2- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенок печи в окружающую среду (рис. 6). Коэффициент α2 можно определить упрощенно при температурах стенки tн=100-400 ºС: α2=( 9,5+0,07tн)(1+1,2ν), Вт/ м2ºС, (66) где ν- скорость ветра на поверхности при открытом воздухе, м/с. Для средних температур t=1000-1500 ºС, внутри туннельных печей наружные поверхности имеют температуру 60-100 ºС и α2= 12-15 Вт/ м2ºС, 1/ α2=0,07. Температура внутренней поверхности стен печей t1 может быть приближенно определена по температурному графику обжига для различных зон. При известной t1 потери тепла через кладку: Qкл= 0,001(t1 − tвоз ) F , кВт. S1 S 2 + + ... + 0.07 λ1 λ2 ( 67 ) 24 Поверхность кладки F находится как среднегеометрическая от внутренней Fвн и наружной Fн поверхностей: F = 2 Fвн Fн , м . (68) Для печей больших размеров F определяется по наружным размерам. Потери тепла в окружающую среду не должны превышать q ≤ 0,59(tпр+100), Вт/м2, где tпр- средняя температура рабочего пространства печи, ºС. Максимально допустимый коэффициент теплопередачи через стенку К ≤ 59/tпр +0,59, Вт/м2 ºС. (69 ) 7. Потери тепла излучением через открытые отверстия или рабочие окна Этот вид потерь связан с теплоотдачей излучением и рассчитывается по формуле: Т пр 4 Т окр 4 − FϕZ , кВт, Qлуч= 0,0057 100 100 ( 70 ) где Тпр, Токр- абсолютные (в 0К) температуры печного пространства, откуда происходит излучение, и окружающей среды; F- площадь сечения отверстия, м2; φ- коэффициент диафрагмирования определяется по рис. 7; Z- продолжительность открытия окна, ч. 8. Потери тепла от утечки газов через открытые отверстия Такие потери связаны с постоянно открытыми технологическими отверстиями печи: Qвыб.= Vвыб iгаз, кВт, (71) где iгаз- энтальпия выбивающихся газов при данной температуре, кДж/м3; Vвыб- количество газов, выходящих из отверстия, м3/с, может быть определено для отверстий, вытянутых в длину: 25 H ( ρ воз ρ газ ) Vвыб= 2,74 F ρ газ , м3/с ; (72) где F- площадь сечения отверстия, м2; H- высота уровня нулевого давления в печи до середины отверстия, м; ρвоз., ρгаз- плотности воздуха и выбивающихся газов, кг/м3; 2,74=0,62 2 g ; 0,62- коэффициент расхода струи. Количество выбивающихся газов зависит от скорости истечения из отверстия: V = 0,62 2ρ ρ газ , м/с, (73 ) где p=qH(ρвоз.- ρгаз). Поэтому V= 0,62 2 g H ( ρ воз ρ газ ) ρ газ , м/с. (74) Для отверстий, вытянутых в высоту (вертикальные щели), количество выбивающихся газов при той же средней высоте Н в 1,5 раза меньше. Следовательно, V=1,83F H ( ρ воз ρ газ ) ρ газ , м/с. (75) 9. Расход тепла на нагрев транспортирующих устройств При продвижении вагонетки вдоль печи её футеровка постепенно нагревается сверху. Однако полного нагрева футеровки до стационарного состояния в большинстве случаев не наблюдается. Средние температуры по массе футеровки составляют 0,6-0,85 от средней температуры по массе футеровки при ее прогреве до стационарного состояния. Приближенно определить так: аккумуляцию тепла футеровкой вагонетки можно 26 Qтр=(0.65-0.85) ∑ Gф Cк tк с., кВт, (76) где tк с. – средняя температура слоя футеровки, рассчитанная для прогрева до стационарного состояния, ˚С; Cк- удельная теплоемкость материала футеровки при температуре tк с., кДж/кг˚С. При расчете Gф первоначально определяется масса футеровки одной вагонетки М, кг/ваг. Затем ее необходимо умножить на скорость движения вагонетки (рассчитана ранее) υ=P/G1=n/τ, ваг/ч, разделить ее на 3600: υ/3600, ваг/с; Gф=М υ/3600, кг/с. (77) 10. Тепло, отводимое на сторону (для сушил) Это количество тепла, отводимое с горячим воздухом, определяют из теплового баланса зоны охлаждения. Qсуш =Qприх. –Qрасход =Vвоз. iвоз., (78) где iвоз.- энтальпия при температуре отводимого из печи горячего воздуха, кДж/м3, (рис.1 или табл. 9). 11. Неучтенные потери Эти потери принимаются равными 3-5% от теплоты сгорания топлива: Qнеучт. =(0.03-0.05)Qн B, кВт. (79) Все указанные выше статьи прихода и расхода тепла сводятся в таблицу. Суммируя величины расхода тепла и приравнивая их к суммарной величине прихода, находят расход топлива В, кг или м3/с. Далее определяют удельный расход тепла и удельный расход условного топлива. Рассчитывается коэффициент полезного действия печи как отношение полезно затраченного тепла на технологический процесс к вводимому теплу от горения топлива 27 ηп= Qполез Qм + Qисп. + Qх + Qдис + Qгидр = . Qгор Qгорения (80) Для оценки тепловой работы печи применяют также коэффициент использования топлива ηи.т. как отношение количества тепла, переданного рабочему пространству печи и материалу, к введенному теплу от горения. Коэффициент использования топлива показывает, какая доля тепла, подведенного с топливом, передается печи и характеризует эффективность работы топливосжигающих устройств, эффективность использования тепла уходящих газов : η и.т.=Qприх. –Qух. /Qгор = Qпол. –Qпотерь. /Qгор, ( 81) где Qпотерь- потери тепла рабочим пространством печи, которые переданы рабочему пространству, но не используются в нем на тепловую обработку материала: η и.т= (Qгор.+ Qтоп.+ Qвоз. )-(Qдым+ Qнеп+ Qсуш )/Qгор. ( 82) Коэффициент использования топлива больше, чем коэффициент полезного действия печи, на величину относительных потерь тепла рабочим пространством: η и.т= η п.+ Qпот. /Qгор,. (83) Чем меньше разность ηи.т - ηп=Qпот./Qгор, тем экономичнее по расходу топлива работает печь. Коэффициент использования топлива зависит от теплотворной способности топлива, степени подогрева газа и воздуха за счет тепла уходящих газов, от коэффициента избытка воздуха, от качества сжигания топлива. Коэффициент использования топлива тем выше, чем выше температура подогретого воздуха, ниже температура уходящих газов и меньше коэффициент избытка воздуха. После проведения расчета туннельной печи целесообразно сравнивать полученные значения удельного расхода эксплуатационными значениями (табл. 13): тепла “q”, кДж/кг с 28 Литература 1. Баренбойм А.М. и др. Тепловые расчеты печей и сушилок силикатной промышленности. – М.: СИ, 1964. 2. Вознесенский А.А. Тепловые установки в производстве строительных материалов и изделий. – М.: Гостройиздат, 1964. 3. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. – М.: Высшая школа, 1968. 4. Почапский Н.Ф., Пономаренко Б.Т., Левченко В.Н. и др. Расчет и конструирование тепловых установок. – Киев: УМИВО, 1989. 5. Перегудов В.В. Теплотехника и теплотехническое оборудование. – М.: Стройиздат, 1990. 6. Роговой М.И. Кондакова М.Н., Сагановский М.К. Расчеты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1975. промышленности 29 ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица 1 3 T 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Влагосодержание (г/м сух. газ.) при различных температурах W T W T W T W 4.9 26 27.6 51 118 76 528 5.2 27 29.3 52 125 77 566 5.6 28 31.1 53 132 78 608 6.1 29 33.1 54 140 79 654 6.5 30 35.1 55 148 80 705 7.0 31 37.3 56 156 81 761 7.5 32 39.6 57 166 82 825 8.0 33 42.0 58 175 83 896 8.6 34 44.5 59 186 84 976 9.2 35 47.3 60 197 85 1070 9.9 36 50.1 61 208 86 1170 10.5 37 53.1 62 221 87 1290 11.3 38 53.2 63 234 88 1440 12.1 39 59.6 64 248 89 1600 12.9 40 63.1 65 263 90 1800 13.8 41 66.8 66 280 91 2050 14.7 42 70.8 67 297 92 2360 15.7 43 74.9 68 315 93 2760 16.7 44 79.3 69 335 94 3290 17.8 45 84.0 70 357 95 4040 190 46 88.8 71 380 96 5160 20.2 47 93.0 72 405 97 7040 21.5 48 99.5 73 432 98 10800 22.9 49 105.0 74 461 99 22000 24.4 50 111 75 493 100 26.0 30 Таблица 2 Приближенные значения пирометрического коэффициента процесса горения Тип печи Камерные периодические Туннельные Шахтные Вращающиеся Вид топлива Газообразное Твердое Газ, мазут Газообразное Твердое Газообразное Пылевидные Мазут ηп 0,73-0,78 0,66-0,70 0,78-0,83 0,67-0,73 0,52-0,62 0,70-0,75 Таблица 3 Температура обжига изделий Виды изделий и материалов Кирпич строительный: пластический полусухой Черепица Фаянсовые облицовочные плитки: утельные политые Плитки для полов Твердый фарфор Мягкий фарфор Шамотные изделия Высокоглиноземные изделия Шамотные изделия полусухого прессования Корундовые изделия Магнезитовые изделия Хромомагнезитовые изделия Динасовые изделия Известь Температура обжига 900-1050 950-1100 950-1050 1250-1320 1100-1260 1160-1300 1320-1450 1250-1300 1250-1380 1550-1650 1300-1400 1700-1780 1560-1600 1600-1720 1420-1480 1200-1300 31 Таблица 4 Продолжительность обжига изделий Тип изделий Плитки для полов при обжиге на этажерках Санитарно-техническая керамика: В малых печах В средних печах Строительная керамика Шамотные изделия Динасовые изделия Высокоглиноземистые изделия Магнезитохромовые Продолжительность обжига, ч 48 24 28 19-48 30-58 120-140 50-80 78-85 Таблица 5 Допустимые перепады температур в массе при обжиге Наименование Киевская сподиловая глина Часовьярская глина Часовьярская глина 60%и часовьярский шамот 40% Нагрев, ˚С 100- 700- 1000700 100 1200 100 85 135 75 70 120 85 80 Охлаждение 1200- 1000- 8501000 850 100 30 125 25 100 130 30 125 140 Таблица 6 Удельная производительность печей силикатного производства Печь и ее назначение Полые печи для обжига глины доломиты магнезиты Туннельные печи для обжига шамотных изделий с размерами печи (ширина,длина): 2,1 х 148,5 3,04 х 130 3,0 х 60 PF, кг/м2*ч PV,кг/м3*ч 22-25 12-15 13-15 27,0 23,7 41,3 14,7 12,8 22,7 32 Таблица 7 Размеры туннельных печей Обжигаемые изделия Высота до замка свода, м Ширина, м Длина, м Керамические блоки 1,6-1,8 1,7-2,0 60-100 Облицовочные блоки 1,3-1,5 1,1-1,8 60-100 Плитки для полов 1,3-1,5 1,1-1,8 60-100 Санитарно-технические 0,7-1,3 1,1-1,8 60-100 Строительный кирпич 1,8-2,0 1,7-3,0 45-105 Хромомагнезитовые 0,8-1,1 3,2 150-160 Канализационные трубы 1,4-1,6 1,8-2,4 100-120 Динасовые 1,9-2,1 2,2-3,1 100-160 Спецкерамика 0,1-0,7 0,3-0,8 10-30 Хозфаянс 1,1-1,9 1,1-1,7 50-100 Шамотные 1,8-2,1 2,2-3,1 60-150 Шамотный легковес 1,15 2,2-3,1 60-150 К рис. 3 Типы садок изделий на вагонетках туннельных печей: а- схема садки нормального шамотного кирпича садочным автоматом конструкции Семилукского завода; б- схема садки шамотного нормального кирпича, вес садки 12,4 т; в- схема садки хромомагнезитовых изделий с общим весом 8,4 т; г- схема садки нормального хромомагнезитового кирпича с общим весом 8,58 т, (1788 шт.) Таблица 13 33 Удельный расход топлива и тепла при обжиге в туннельной печи Обжигаемые изделие Удельный расход Удельный расход тепла условного q, кДж/кг топлива “в ”, % Шамотные изделия 8-14 2340-4100 Красный кирпич 4-6 1170-1760 Фарфор. Посуда 16-60 4680-17600 Фаянс 20-37 5860-10800 5-7 1420-2050 Динас 18-20 5270-5860 Магнезитовые изделия 20-22 5860-6450 Абразивы 16-22 4680-6450 Метлахская плитка 18-25 5270-7300 Черепица