Расчет и схемы туннельных и щелевых печей различных конструкций.

МДК0201 Теплотехническое оборудование. Занятие №26.

Расчет продолжительности обжига кирпича и

производительности печи

Абсолютная влажность загружаемого в печь кирпича ω = 7,5%.

Вес сухого кирпича G₁ = 3,3 кг.

Размеры кирпича: длина l = 250 мм; ширина b = 120 мм;

толщина s = 65 мм.

1). Нагрев до 100⁰ С.

Количество испаряемой влаги

кг, (1)

Активная поверхность теплообмена и испарения одиночного кирпича

м², (2)

м².

Количество влаги, приходящейся на 1 м² активной поверхности,

кг/м², (3)

кг/м².

При съеме влаги примерно 0,4 кг/м² ·ч с активной поверхности время, необходимое для нагрева до 100⁰ С, составляет:

ч, (4)

ч.

2). Период нагрева от 100 до 800⁰ С.

Определяем допустимую скорость подъема температуры по формуле

град/ч, (5)

где Δt_доп – максимально допустимая разность температур в теле изделия при его нагреве или охлаждении;

а – коэффициент температуропроводности материала, а = 40 м²/ч;

S – толщина прогрева изделий, S = 0,06 м.

Принимая для этого периода Δt_доп = 85⁰ С, получим

град/ч.

Время нагрева или охлаждения в известном интервале температур равно:

ч, (6)

где t₁ и t₂ – температура в начале и конце интервала, ⁰ С;

ч.

3). Период нагрева от 800 до 980⁰ С.

Принимая для этого периода Δt_доп = 85⁰ С, получим

град/ч.

Время нагрева

ч.

4). Время выдержки при конечной температуре

ч, (7)

ч.

5). Охлаждение в интервале температур от 980 до 500⁰ С при значении Δt_доп = 55⁰ С

град/ч.

Время охлаждения

ч.

6). Охлаждение в интервале температур от 500 до 300⁰ С при Δt_доп = 125⁰ С

град/ч.

Время охлаждения

ч.

7). Общая продолжительность обжига равна суммарному времени нагрева, выдержки и охлаждения

, (8)

ч.

Таким образом, по оптимальному режиму обжига, рассчитанному на основе допустимой разницы температур в теле изделия при его нагреве и охлаждении, получили, что общая продолжительность обжига составляет не более 29 ч.

Годовая производительность печи

Р_г = 9 млн.шт/год.

Единовременная емкость туннельной печи G = 31000 шт.

Количество оборотов печи в год

, (9)

об.

Число рабочих дней в год

, (10)

день.

Принимаем z_г = 350 дней.

Число часов работы печи в год

ч.

Часовая производительность печи может быть определена из годовой производительности по формуле

, (11)

откуда

, (12)

где Р_час – часовая производительность, шт/ч;

m₁ – процент брака, m₁ = 2%;

m₂ – процент потерь материала во время транспортировки, m₂ = 5%.

В переводе на массу

Горение топлива

Целью расчета горения топлива является определение необходимого для горения топлива расхода воздуха, выхода продуктов горения и их процентного содержания.

Топливо – природный газ следующего состава:

СН₄ = 98,49%

С₂ Н₆ = 0,51%

С₃ Н₈ = 0,17%

С₄ Н₁₀ = 0,05%

N₂ = 0,75%

CO₂ = 0,03%

Всего: 100%

Расход окислителя на горение топлива

, (13)

где m, n – индексы при элементах С и Н;

C_m H_n – углеводороды;

Теоретически максимально необходимый для полного горения единицы топлива расход воздуха

, (14)

Действительный расход воздуха:

, (15)

где n – коэффициент расхода воздуха, n = 1,2;

Продукты горения

, (16)

где СО₂ – процентное содержание СО₂ в топливе, %;

, (17)

, (18)

где N₂ – процентное содержание N₂ в топливе, %;

;

Избыточное количество кислорода

, (19)

Теплота сгорания топлива

кДж/м³ (н), (20)

где - теплота сгорания углеводородов, кДж/м³ (н);

- процентное содержание в топливе, %;

кДж/м³ (н).

Выход продуктов горения

, (21)

Процентный состав продуктов горения

, (22)

, (23)

, (24)

, (25)

Тепловой баланс рабочего пространства печи

Целью расчета теплового баланса является определение расхода топлива.

Расчет проводим для зон подогрева и обжига, а так же для зоны охлаждения.

1. Тепловой баланс зоны охлаждения

Приходные статьи баланса.

Тепло обожженных изделий

кВт, (26)

где Р_час – производительность по обжигу, шт/час; Р_час = 1150 шт/час;

m_к – вес обожженного кирпича, m_к = 3,3 кг;

t_обж – температура обжига кирпича, t_обж = 980⁰ С;

с_к – удельная теплоемкость кирпича при t_обж,

с_к = 0,837+0,000264·t_обж;

с_к = 0,837+0,000264·980 = 1,1 кДж/кг·⁰ С;

кВт.

Тепло вносимое из зоны обжига вагонетками

кВт, (27)

где G_в – емкость вагонетки, G_в = 1000 шт;

m_ш и m_м – масса шамотной и металлической частей вагонетки, m_ш = 1152 кг, m_м = 348 кг;

с_ш и с_м – удельная теплоемкость шамотной и металлической частей вагонетки,

с_ш = 0,837+0,000264·t_ш; с_м = 0,48 кДж/кг·⁰ С;

t_ш и t_м – соответственно средние температуры шамотной и металлической частей вагонетки; t_ш = 723⁰ С, t_м = 60⁰ С;

t_0ш и t_0м – соответственно начальные температуры частей вагонетки, t_0ш = 40⁰ С, t_0м = 30⁰ С;

с_ш = 0,837+0,000264·723 = 1,03 кДж/кг·⁰ С;

кВт.

Расходные статьи теплового баланса.

Вынос тепла выходящими изделиями

кВт, (28)

где t_к – конечная температура кирпича, t_к = 300⁰ С;

с_к – теплоемкость кирпича при t_к;

с_к = 0,837 + 0,000264·300 = 0,9162 кДж/кг·⁰ С;

кВт.

Вынос тепла вагонетками

кВт, (29)

где t_шк и t_мк – температуры на выходе из печи; t_шк = 270⁰ С, t_мк = 40⁰ С;

с_шк и с_мк – удельные теплоемкости шамотной и металлической частей вагонетки при t_шк и t_мк, с_мк = 0,48 кДж/кг·⁰ С;

с_шк = 0,837 + 0,000264·270 = 0,908 кДж/кг·⁰ С;

кВт.

Потери тепла теплопроводностью через стены и свод.

Длина зоны охлаждения 26 м.

В соответствии с температурной кривой (см. рис. 1.6) разбиваем зону охлаждения на 2 участка:

1 участок 980⁰ С – 600⁰ С Т_ср = 790⁰ С длина – 14 м

2 участок 600⁰ С – 160⁰ С Т_ср = 380⁰ С длина – 12 м

кВт, (30)

где Q_ст – потери через стены;

Q_св – потери через свод.

Потери через стены

кВт, (31)

где Т_ср – средняя температура на участке, ⁰ С;

Т_н – температура наружного воздуха, Т_н = 20⁰ С;

R_i – толщина i-го слоя кладки, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности i-го слоя кладки, Вт/м·⁰ С;

α_н – коэффициент теплоотдачи, α_н = 15 Вт/м²· ⁰ С;

F_вн.ст – внутренняя площадь стен, м²;

F_нар.ст – наружная площадь поверхности стен, м².

1-ый участок.

Стены печи – двухслойные:

1 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₁ = 0,25 м;

2 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₂ = 0,89 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С.

Наружная площадь стен

м², (32)

где h_нар.ст – высота наружной стены, h_нар.ст = 3 м;

l_ст – длина стен, l_ст = 14 м;

м².

Внутренняя площадь стен

м², (33)

где h_вн.ст – высота внутренней стены, h_вн.ст = 1,8 м;

м².

кВт.

2-ой участок.

Стены печи – двухслойные:

1 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₁ = 0,25 м;

2 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₂ = 0,89 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

м²,

кВт.

Потери через свод

кВт, (34)

где F_вн.св и F_нар.св – соответственно внутренняя и наружная площадь свода.

1-ый участок.

Свод печи – трехслойный:

1 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₁ = 0,25 м;

2 слой – засыпка шлаком, R₂ = 0,24 м;

3 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₃ = 0,065 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С.

Внутренняя площадь свода

м², (35)

где В_вн и L_вн – соответственно ширина и длина рабочего канала, В_вн = 2 м, L_вн = 12 м;

м².

Наружная площадь свода

м², (36)

где В_нар и L_нар – соответственно ширина и длина наружного свода, В_нар = 3,27 м, L_нар = 12 м;

м².

кВт.

2-ой участок.

Свод печи – трехслойный:

1 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₁ = 0,25 м;

2 слой – засыпка шлаком, R₂ = 0,24 м;

3 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₃ = 0,065 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С.

м²,

м².

кВт.

Суммарные потери через кладку

кВт.

Потери с охлаждающим воздухом.

Охлаждающий воздух, омывая кирпич, аккумулирует его тепло.

кВт, (37)

где Q_1(изд) – тепло обожженных изделий (1-ая статья приходной части);

Q_1(изд) = 1136,39 кВт;

Q_1(тр) – тепло вносимое вагонетками из зоны обжига (2-ая статья приходной части);

Q_1(тр) = 260,49 кВт;

Q_2(изд) – тепло выносимое изделиями (1-ая статья расходной части); Q_2(изд) = 289,75 кВт;

Q_2(тр) – тепло выносимое вагонетками (2-ая статья расходной части); Q_2(тр) = 92,35 кВт;

Q_кл – потери через кладку (3-я статья расходной части); Q_кл = 49,52 кВт;

кВт.

Найдем расход воздуха на охлаждение по формуле

м³ /с,

где с_вк и с_вн – теплоемкости воздуха при конечной Т_к и начальной Т_н температуре; Т_к = 420⁰ С, Т_н = 20⁰ С; с_вк = 1,33 кДж/кг·⁰ С, с_вн = 1,29 кДж/кг·⁰ С [2];

м³ /с.

Тепловой баланс сведем в таблицу 1

Таблица 1 Тепловой баланс зоны охлаждения (2 % брака)

№ п/п	Статьи теплового баланса	Количество тепла
кВт	%
Приход тепла
	Тепло обожженных изделий	1136,39	81,35
	Тепло вносимое вагонетками	260,49	18,65
Итого	1396,88	100,00
Расход тепла
	Потери с выходящими изделиями	289,75	20,74
	Потери с выходящими вагонетками	92,35	6,61
	Потери через кладку	49,52	3,55
	Потери с охлаждающим воздухом	965,26	69,1
Итого	1396,88	100,00

2. Тепловой баланс зоны подогрева и обжига

Приходные статьи баланса

Тепло горения топлива

кВт, (38)

где - теплотворная способность топлива, = 35471,6 кДж/м³;

В – расход топлива – газа, м³ /с;

кВт.

Тепло топлива физическое

кВт, (39)

где t_т – температура топлива, t_т = 20⁰ С;

с_т – теплоемкость топлива при t_т, кДж/м³ ·⁰ С;

кДж/м³ ·⁰ С;

кВт.

Тепло загружаемого сырца

кВт, (40)

где m_c – вес абсолютно сухого сырца, m_c = 3,6 кг;

с_с – удельная теплоемкость сырца, с_с = 0,83 кДж/м³ ·⁰ С;

m_в – вес влаги высушенного сырца, m_в = 0,300 кг;

с_в – удельная теплоемкость влаги, с_в = 4,187 кДж/м³ ·⁰ С;

t_м – температура загружаемого материала, t_м = 30⁰ С;

кВт.

Тепло вносимое вагонетками

кВт, (41)

где t_ш, t_м – температура шамотной и металлической частей вагонетки; t_ш = 40⁰ С, t_м = 30⁰ С;

кДж/м³ ·⁰ С;

кВт.

Тепло наружного воздуха, поступающего на горение

кВт, (42)

где L_д – действительный расход воздуха; L_д = 11,4252 ;

t_в – температура воздуха идущего на горение, t_в = 20⁰ С;

с_в – теплоемкость воздуха, с_в = 1,29 кДж/м³ ·⁰ С;

кВт.

Тепло воздуха, поступающего из зоны охлаждения.

Из зоны охлаждения часть воздуха идет на сушило, а часть поступает на горение в зону обжига. Для поддержания температуры в конце зоны обжига равной 980⁰ С (процесс выдержки) продукты сгорания необходимо разбавлять. Для этой цели используется горячий воздух из зоны охлаждения. Температура воздуха 420⁰ С.

Определим, какую долю горячего воздуха необходимо подать на разбавление от общего расхода в зоне охлаждения. Принимаем смесь: 70% - продукты сгорания, 30% - воздух. Этому соответствует величина q_в = 750 кДж/м³.

где х – доля тепла воздуха, необходимая для разбавления в зоне обжига;

- расход воздуха (из зоны охлаждения), = 1,65 м³ /с;

Расход воздуха, идущий из зоны охлаждения в зону обжига составляет 14% от всего воздуха, проходящего через зону охлаждения .

Расход воздуха на зону обжига

м³ /с,

м³ /с.

Приведем к 420⁰ С:

м³ /с.

Определим расход воздуха на сушило:

м³ /с.

На сушило воздух идет с температурой 250⁰ С. Приведем к 250⁰ С:

м³ /с.

Находим тепло воздуха вносимого в зону обжига из зоны охлаждения:

кВт, (43)

кВт

Итого приходные статьи:

Расходные статьи баланса.

Расход тепла на испарение влаги в сырце и нагрев водяных паров

кВт, (44)

где m_в – вес влаги высушенного сырца, m_в = 0,3 кг;

r – скрытая теплота парообразования, r = 2500 кДж/кг·⁰ С;

с_вп – теплоемкость водяных паров, с_вп = 1,97 кДж/кг·⁰ С;

t_пг – температура продуктов горения на выходе, t_пг = 150⁰ С;

кВт.

Расход тепла на химические реакции

кВт, (45)

где n – процентное содержание Al₂ O₃ в глине, n = 15%;

q_х – теплота, затраченная на химические реакции при обжиге 1 кг глины на каждый процент Al₂ O₃, q_х = 20,93 кДж;

кВт.

Расход тепла на нагрев изделий до температуры обжига (из приходной части баланса зоны охлаждения):

кВт.

Расход тепла на нагрев вагонеток (приходная часть баланса зоны охлаждения):

кВт.

Потери тепла теплопроводностью через кладку.

По длине зону разбиваем на 2 участка в соответствии с температурной кривой (см. рис. 1):

1 участок 20⁰ С – 600⁰ С Т_ср = 310⁰ С длина – 22 м

2 участок 600⁰ С – 980⁰ С Т_ср = 790⁰ С длина – 14 м

Потери тепла через стены определяем по формуле (31).

1-ый участок.

Кладка двухслойная:

1 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₁ = 0,25 м;

2 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₂ = 0,89 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С.

м²,

м².

кВт.

2-ой участок

Кладка трехслойная:

1 слой – шамотный кирпич, R₁ = 0,25 м;

2 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₂ = 0,25 м;

3 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₃ = 0,89 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С.

м²,

м².

кВт.

Потери через свод определяем по формуле (34).

1-ый участок.

Кладка трехслойная:

1 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₁ = 0,25 м;

2 слой – засыпка шлаком, R₂ = 0,24 м;

3 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₃ = 0,065 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

Площади свода

м²,

м².

кВт.

2-ой участок.

Кладка четырехслойная:

1 слой – шамотный кирпич, R₁ = 0,25 м;

2 слой – красный кирпич на глиняном растворе, R₂ = 0,065 м;

3 слой – засыпка шлаком, R₃ = 0,575 м;

4 слой – красный кирпич на сложном растворе, R₄ = 0,065 м.

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ С,

Вт/м·⁰ С,

⁰ C,

Вт/м·⁰ С.

Площади свода

м²,

м².

кВт.

Суммарные потери через кладку

кВт.

Потери тепла с уходящими газами

кВт, (46)

где V₀ – выход продуктов горения, V_пг = 12,4298 ;

- общий коэффициент расхода воздуха, для коротких туннельных печей = 3;

L₀ – теоретический расход воздуха, L = 9,52 ;

с_дым – теплоемкость дымовых газов при t_дг;

t_дг – температура дымовых газов, t_дг = 150⁰ С;

кДж/м³ ·⁰ С;

кВт.

Итого расходные статьи:

Определим расход газа на туннельную печь. Для этого приравняем приходные и расходные статьи теплового баланса:

Расход газа на туннельную печь после реконструкции:

Расход газа на туннельную печь до реконструкции:

Находим удельный расход газа:

, (47)

м³ /1000шт.

Расход условного топлива определяем исходя из калорийности природного газа

, (48)

где - теплота сгорания условного топлива;

кг/ч.

Удельный расход условного топлива

, (49)

кг/1000шт.

Выбор газогорелочных устройств.

Для установки на печи газогорелочных устройств для сжигания природного газа принимаем горелки специальные. Номинальный расход газа на одну горелку В₁ = 16 м³ /ч. Определяем число горелок:

, (50)

где n_гу – число горелочных устройств, шт;

В – расход газа на печь, В = 189 м³ /ч;

шт.

Для обеспечения необходимого тепло-технологического процесса принимаем количество горелок равное 14 шт.

Таблица 2.Тепловой баланс зоны подогрева и обжига (2 % брака)

№ п/п	Статьи теплового баланса	Количество тепла
кВт	%
Приход тепла
	Тепло горения топлива	1862,24	78,36
	Тепло топлива физическое	1,68	0,07
	Тепло загружаемого кирпича	40,67	1,71
	Тепло вносимое вагонетками	14,08	0,59
	Тепло воздуха, идущего на горение	15,47	0,65
	Тепло воздуха из зоны охлаждения	442,5	18,62
Итого	2376,64	100,00
Расход тепла
	Расход на испарение и нагрев влаги	264,13	11,11
	Расход на химические реакции	330,96	13,93
	Расход на нагрев изделий	1136,39	47,81
	Расход на нагрев вагонеток	260,49	10,96
	Потери через кладку	44,79	1,89
	Потери с уходящими газами	339,90	14,3
Итого	2376,64	100,00

Таблица 3. Сводный тепловой баланс туннельной печи (2 % брака)

№ п/п	Статьи теплового баланса	Количество тепла
кВт	%
Приход тепла
	Тепло горения топлива	1862,24	96,28
	Тепло топлива физическое	1,68	0,09
	Тепло загружаемого кирпича	40,67	2,10
	Тепло вносимое вагонетками	14,08	0,73
	Тепло воздуха, идущего на горение	15,47	0,80
Итого	1934,16	100,00
Расход тепла
	Расход на испарение и нагрев влаги	264,13	13,66
	Расход на химические реакции	330,96	17,11
	Потери с выходящими изделиями	289,75	14,98
	Потери с выходящими вагонетками	92,35	4,77
	Потери через кладку	94,31	4,88
	Потери с уходящими газами	339,90	17,57
	Потери тепла с охлаждающим воздухом (на сушило)	522,76	27,03
Итого	1934,16	100,00