Тепловые процессы в технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

   1. Расчет туннельной печи 

   Для отопления печи используется природный  газ Саратовского месторождения

   Химический  состав:

   CН₄ – 37,0 %;

   С₂Н₆ – 21,9 %;

   С₃Н₈ – 4,5 %;

   С₄Н₁₀ – 1,1 %;

   С₄Н₈ – 0,5 %;

   С0₂ – 0,2 %;

   N_т – 34,1 %;

   Плотность – 0,955 кг/м³;

    = 30145 кДж/м³.

   Производительность  годовая, млн. шт.                                     25

   Продолжительность цикла, проектная, ч                                   24

   Размеры   обжигательного   канала, м:

   длина                                                                                        104

   ширина                                                                                     1,74

   рабочая высота                                                                         1,74

   Объем обжигательного канала, м³                                             315

   Размеры печной вагонетки, м:

   длина                                                                                        2,25

   ширина                                                                                     1,83

   Вид топлива                                                                              Газ 
 
 
 
 

   1.1. Материальный баланс туннельной печи.

   Годовой фонд времени работы печи:

   

где К_исп - коэффициент использования оборудования. Для туннельных печей принимается равным 0,94 - 0,98.

   При садке автоматом-садчиком количество кирпича на вагонетке составляет 1352 шт, тогда масса изделий на вагонетке после обжига:

   

   Число вагонеток в печи:

     

   Количество  вагонеток, выходящих из печи за час:

   

где τ – продолжительность обжига кирпича, определяемая расчетным путем(табл.1),ч

   Производительность 

   часовая:

   

   суточная:

   

   годовая:

   

   При переходе на готовую продукцию это составит:

     

   Вместимость печи:

   

   Количество  вагонеток, выходящих из печи в сутки:

   

   Плотность садки кирпича на вагонетке 

   

где V_n - объем печного канала, м³.

   Полезная  длина печи при заданной производительности:

   

где l_ваг - длина вагонетки, м;

   Длина зон подогрева и обжига:

   

где τ_п - продолжительность нагрева и обжига изделий, ч. Принимаем из расчета продолжительности обжига (табл.1);

   L* - полезная длина печи, м.  Принимаем из технических характеристик назначенной к расчету печи.

   Количество  вагонеток в зонах подогрева  и обжига:

   

   Длина зоны охлаждения:

   

где τ_охл -  продолжительность охлаждения изделий, ч (табл.1). Количество вагонеток в зоне охлаждения:

     
 
 
 

   1.2. Тепловой баланс печи 

   Тепловой  баланс печи выражается уравнением, связывающим  количество тепла, выделенное во время работы печи, с количеством тепла, израсходованным на технологические процессы и потерянным в окружающую среду. Расход топлива на обжиг изделий определяют по совместному балансу зон подогрева и обжига.

   Приход  тепла

   1. Тепло, выделяющееся при горении топлива:

   

   2. Физическое тепло топлива

   

   где С_т - удельная теплоемкость топлива, кДж/м³ּ°С;

     t_т - температура топлива, поступающего на горение, °С.

   Удельную  теплоемкость топлива при заданной температуре определяют по формуле

   С_т = 4,2(0,323 + 0,000018ּt_т)= 4,2(0,323 + 0,000018ּ20) = 1,358 кДж/м³ּ°С

   3. Тепло, вносимое в зону обжига нагретым воздухом, поступающим из 
зоны охлаждения:

   

где - теоретическое количество воздуха, расходуемого на горение топлива. Принимаем из расчета горения топлива(табл. 3);

С_в - удельная теплоемкость воздуха, равная 1,344 кДж/м³ °С;

t _в - температура нагретого воздуха, вносимого в зону. Для расчетов можно принять в пределах от 350 до 600 °С;

α₁ - коэффициент избытка воздуха, равный 1,05 - 1,1.

   4. Тепло, вносимое составом вагонеток  и сырцом:

   

где G_ш , G_из - масса отдельных слоев футеровки, кг;

С_с ,  С_из ,  С_ш - удельные теплоемкости сырца, шамота и изоляции при заданной температуре, кДж/кгּ°С;

- температуры сырца и футеровки  вагонеток при входе в печь, °С. Для расчетов температуру сырца при входе в печь принимают равной 30...40 °С, футеровки вагонеток 40...50 °С;

- масса сырца на вагонетке,  поступающего в печь, кг:

   

   Удельная  теплоемкость сырца с учетом остаточной влажности:

   

где W_c - влажность сырца, поступающего в печь на обжиг, равная 5 - 8%.

   5. Тепло, вносимое избыточным воздухом, подсасываемым вне зоны горения  топлива:

   

где α₂- общий избыток воздуха перед дымососом, равный 3 - 5; t_в - температура подсасываемого воздуха, равная. 50…80 °С.

   6. Тепло, вносимое паром, необходимым  для создания восстановительной  среды:

   

   Общий приход тепла для зон подогрева  и обжига:

     

   Расход  тепла

   1. Расход тепла на химические  процессы, протекающие в глине  в период обжига:

   

   q_хим - теплота дегидратации глины, равная 2090 кДж/кг;

    -масса абсолютно сухого сырца  на вагонетке, кг,

   

   2. На испарение остаточной влаги  из сырца и перегрев водяных  паров до температуры отходящих  из печи газов:

    где W_c - содержание влаги в сырце, выраженное в долях;

2499 - скрытая теплота парообразования воды при 0 °С, кДж/кг;

t_ог - температура отходящих из печи газов. Для расчетов можно принимать в пределах от 300 до 500 °С.

   3. Расход тепла на нагрев сухой  массы изделий до максимальной  температуры обжига:

   

где С_изд - средняя удельная теплоемкость изделий в пределах температур от до t_обж .

   

   4.  Потери тепла с отходящими из печи газами:

   

где   V_г - объем  продуктов горения топлива.  Принимаем  из расчета горения топлива(табл. 3);

     С_г - удельная теплоемкость отходящих газов.

   С_г  =  4,2 ּ(0,323 + 0,000018ּt_ог) =  4,2(0,323 + 0,000018ּ350) = 1,383 кДж/м^3ּ°С.

   5. Расход тепла на аккумуляцию футеровкой вагонеток: 

   6. Потери тепла в окружающую  среду через ограждающие конструкции  зоны обжига

   6.1. Потери тепла через стены.

   Температура наружной поверхности стен в зоне обжига не должна быть более 70...80 °С.

   Боковая стена в зоне обжига выложена из слоя теплоизоляционных термостойких плит ШВП-350 по ВТУ 003-СТС-01 (S_ш = 100 мм), слоя керамовермикулитовых плит КВТ по ТУ 008-СТС-03 (S_к = 200 мм) и теплоизоляции из базальтового волокна (S_б = 100 мм). Температуру внутренней поверхности стены принимаем равной температуре газов, т.е. t_ст = 980 °C, а температуру окружающей среды t_в = 20 °C. В первом приближении принимаем средние температуры для каждого слоя следующими:

   t_ш = 0,8ּt_ст; t_к = 0,5ּt_ш; t_б = 0,5ּt_к.

   t_ш = 0,8ּ980 = 784 °C; t_к =  0,5ּ784  = 392 °С; t_к =  0,5ּ392  = 196 °С.

   Находим коэффициенты теплопроводности слоев:

   λ_ш = 0,09 + 0,00022ּt_m = 0,09 + 0,00022ּ784 = 0,262 Вт/мּ°С;

   λ_к = 0,02 + 0,00018ּt_к = 0,02 + 0,00018ּ392 = 0,091 Вт/мּ°С.

   λ_к = 0,04 + 0,0003ּt_к = 0,04 + 0,0003ּ196 = 0,099 Вт/мּ°С.

   Тепловые  сопротивления отдельных слоев:

   

   Суммарное тепловое сопротивление стены:

   R_а = R_ш + R_к + R_б = 0,382 + 2,198 + 1,010= 3,59.

   Ориентировочно  принимаем температуру наружной поверхности стены t'_ст = 70 °С и находим коэффициент теплопередачи:

   

где α₂ - коэффициент теплоотдачи от поверхности стены к воздуху.