Теплотехника. 2

УДК 691(07)

 

Зинов И.А. Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных изделий: Учебное пособие  к курсовому проекту. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999 - 75с.

В учебном пособии  изложена методика выполнения курсового  проекта по дисциплине "Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных изделий". Содержатся сведения по назначению режимов тепловой обработки изделий из тяжелого и легкого бетонов в различных тепловых установках. Рассматриваются вопросы определения температурных полей в обрабатываемых изделиях. Приведена методика расчета расхода тепловой энергии.

Учебное пособие предназначено  для студентов, обучающихся по специальности 290600 - "Производство строительных материалов, изделий и конструкций".

 

Ил. 6, табл. 18, список лит. - 7 назв.

 

Рецензенты: Б.Я. Трофимов, М.И. Муштаков.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………….  3

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ  …………………………………….   3

3. СОСТАВ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ……………………………………….   4

4. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО  ПРОЕКТА ……………….   5

5. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ  ЗАПИСКИ 

    5.1. Вводная часть ……………………………………………………………  6

    5.2. Выбор конструкции  установки ………………………………………… 7

    5.3. Описание конструкции  и принципа работы установки   ……………    7

5.4. Физико-химические процессы, протекающие

в обрабатываемом материале при  тепловой обработке ………………7

    5.5. Выбор и обоснование  режима тепловой обработки 

(расчет скорости нагрева или  охлаждения изделия)…………………..8

    5.6. Технологический расчет  тепловой установки ………………………     9

    5.7. Теплотехнический расчет  установки. Определение количества 

 топлива или теплоносителя  на тепловую обработку ………………..10

    5.8. Аэродинамическая схема  работы установки …………………   ………12

    5.9. Контроль соблюдения  и регулирования 

 режима работы тепловой установки ……….………………………    13

5.10. Автоматизация установки …………………………………………  .  13

     5.11. Технико-экономические  показатели 

               работы тепловой установки ….............................................   …  ….  13

5.12. Производственная санитария    ......……………………………  ….. 14

5.13. Охрана труда и техника  безопасности

         при эксплуатации  установки  .………………………………  …….. 14

5.14. Аннотация ………………… ………  ………………………     ……  14

5.15. Список использованных источников  …………………… ………… 15

ПРИЛОЖЕНИЯ 

     Приложение 1 ………………………………………………………………  16

     Приложение 2 ………………………………………………………………  19

     Приложение 3 ………………………………………………………………  26

     Приложение 4 ………………………………………………………………  35

     Приложение 5 ………………………………………………………………  40

     Приложение 6 ………………………………………………………………..51

     Приложение 7 ………….…………………………………………………… 62

ЛИТЕРАТУРА     ………………………………………………………………. 75

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

 

Курсовой проект по проектированию установки для тепловой обработки  строительных материалов или изделий  является заключительным этапом в изучении студентами дисциплины «Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных изделий».

При выполнении курсового  проекта студент приобретает  практические навыки самостоятельного проектирования тепловой установки, расширяет и углубляет знания, полученные при изучении теоретической части курса.

В процессе проектирования студент должен дополнительно изучить  специальную литературу и ознакомиться с работой аналогичных установок  на действующих предприятиях строительной индустрии. Для полноценного выполнения курсового проекта студенты учатся работать с нормативной и технической документацией, периодической и справочной литературой, типовыми и индивидуальными проектами.

Принятые конструктивные решения и режимы тепловой обработки должны основываться на знании студентом основных технологических процессов и допустимых параметров тепловой обработки строительных материалов и изделий. Включение в проект фактических производственных данных позволяет критически отнестись к существующим на предприятиях тепловым установкам, режимам их работы и внести предложения по улучшению их конструкции или работы, что приближает проект к реальным условиям.

Целью проектирования является комплексное решение вопросов, связанных  с основными методами конструирования, технологическими, тепловыми и аэродинамическими расчетами, эксплуатацией установок, контролем их работы, определением технико-экономических показателей.

Выполнение курсового  проекта – самостоятельная работа студента. Студент является автором проекта и несет полную ответственность за все принятые технические решения, назначенные режимы тепловой обработки и выполненные технологические и теплотехнические расчеты.

 

 

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 

Задание на курсовой проект выдается руководителем курсового проектирования по данной дисциплине.

Тема курсового проекта, как правило, является продолжением и развитием курсового проекта (работы) по основной технологической  дисциплине, изучаемой на данном этапе  обучения. В качестве темы может  быть предложено проектирование различных установок для тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий, печей для производства цемента, гипса, обжига извести и магнезиальных вяжущих, обжига керамических изделий, сушки строительных материалов и изделий, а также других установок, применяемых в промышленности строительных материалов. Задание на курсовой проект может быть согласовано с будущим дипломным проектированием.

В задании на курсовой проект указывается тип установки, годовая производительность и место расположения предприятия, вид материала или изделия, подвергаемого тепловой обработке, вид применяемого топлива или теплоносителя.

Задание содержит график выполнения курсового проекта, в  котором указываются даты  и  объемы поэтапного выполнения работы, отметки руководителя о фактическом ходе курсового проектирования. Соблюдение графика выполнения курсового проекта является обязательным и обеспечивает ритмичность работы. В задании приводится дата сдачи курсового проекта на проверку, после которой консультации руководителя проекта прекращаются.

 

 

3. СОСТАВ КУРСОВОГО  ПРОЕКТА

 

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной  записки объемом 40…80 листов формата  А-4 и графической части на 1…2 листах формата А-1.

Расчетно-пояснительная записка  содержит следующие обязательные разделы с примерным распределением объема:

1. Вводная часть    ……………………………………………    1…2 с

2. Выбор конструкции установки    …………………………    3…5 с

3. Описание конструкции и принципа  работы установки       5…10 с

4. Физико-химические процессы, протекающие

     в обрабатываемом  материале при тепловой обработке  …  5…10 с

5. Выбор и обоснование режима  тепловой обработки 

     (расчет скорости  нагрева или охлаждения изделия)……   5…10 с

6. Технологический расчет тепловой  установки ……………    3…5  с

7. Теплотехнический расчет установки. Определение количества

     топлива или теплоносителя  на тепловую обработку …... 10…20 с

8. Аэродинамическая схема работы  установки ………… …..   1…2  с

9. Контроль соблюдения и регулирования 

     режима работы тепловой  установки ………………………   2…4 с

     10. Автоматизация установки  ………………….……………….   2…3 с

          11. Технико-экономические  показатели 

                работы тепловой установки …................................................  1…2 с

   12. Производственная санитария    ......………………………     1…2 с

   13. Охрана труда и техника  безопасности

         при эксплуатации  установки  .……………………………     2…3 с

   14. Аннотация …………………  ……… ……………………….. 1…2 с

   15. Список использованных  источников ………………………. 1…2 с

 

Наиболее важными разделами проекта являются технологический и теплотехнический расчеты, на основании которых производится проектирование тепловой установки. Особое внимание уделяется расчету скорости нагрева или охлаждения изделия при назначении режимов тепловой обработки.

Графическая часть проекта должна содержать планы и разрезы  установки, отдельные детали и узлы, поясняющие принцип работы установки, схемы подвода теплоносителя  к агрегату.

 

 

4. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО  ПРОЕКТА

 

С целью наиболее рационального  использования времени, необходимого для выполнения курсового проекта, необходимо сначала представить объем проекта, уяснить требования, предъявляемые к выполнению расчетно-пояснительной записки и графической части, установить порядок работы в соответствии с графиком выполнения задания.

Начальным этапом работы является тщательная подготовка к проектированию, которая  заключается в следующем:

• ознакомление по литературным источникам со всеми видами тепловых установок, применяемых для тепловой обработки заданных материалов или изделий;
• выявление требований к тепловой установке, определяемых технологическим процессом;
• ознакомление с работой аналогичной установки, действующей на предприятии;
• изучение конструкции установки по альбомам, атласам, заводским чертежам, рабочим чертежам проектных организаций;
• составление эскиза установки, отдельных узлов и деталей.

При проектировании необходимо учесть, что расчетная часть и чертежи  выполняются параллельно в ходе всего проектирования. Сделать полный расчет установки невозможно без чертежа, также нельзя сделать чертеж не имея основных технологических и теплотехнических расчетов. Зависимость одного от другого определяет порядок и последовательность расчета и оформления графической части.

Поскольку основные размеры и выбранный  тип конструкции тепловой установки определяют дальнейший ход курсового проектирования, студент обязан показать руководителю на первой консультации выбранный тип установки и рассчитанные ее геометрические размеры.

Вначале проектирования не следует  долго задерживаться с расчетами, а нужно стремиться к тому, чтобы скорее начать выполнение чертежа, чтобы большую часть времени уделить разработке конструкции установки – как наиболее трудоемкому этапу работы над проектом.

Теплотехнический расчет установки  можно выполнять только при наличии чертежа или эскиза установки, следовательно, в первую очередь необходимо сделать компоновочную и аэродинамическую схему и согласовать ее с руководителем проектирования. После этого студент приступает к выполнению теплового расчета, являющегося основой для выполнения графической части проекта.

Конкретные рекомендации по ходу проектирования следует получать у руководителя, аккуратно являясь на консультации как для проверки выполненной  части работы, так и для систематической  отметки объема выполненных работы в соответствии с графиком курсового проектирования.

При выполнении вычислений сначала  следует писать формулу с расшифровкой входящих в ее состав величин, затем  подставляются значения с обязательной ссылкой на источник.

Проект, принесенный студентом в готовом виде без систематического посещения консультаций руководителя проектирования, к защите не принимается.

 

 

5. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ  ЗАПИСКИ

 

 

1. Вводная часть

 

Вводная часть расчетно-пояснительной  записки должна содержать задание на проектирование, перечень основных проектных данных и норм, заложенных в основу разработки курсового проекта. Приводятся основные требования к материалу или изделию. Перечисляются возможные способы тепловой обработки, методы их реализации, после этого указываются преимущества и недостатки тепловой обработки, влияние последней на свойства и качество готового продукта. Желательно привести данные, показывающие экономическую эффективность тепловой обработки.

Отражаются требования, предъявляемые  технологией к тепловой обработке материала или изделия.

 

 

5.2. Выбор конструкции установки 

 

Данная  часть проекта должна содержать  обзор применяемых типов тепловых установок для обработки данного  материала или изделия. На основе критического анализа выбирается эффективный тип установки с учетом норм использования топлива  (теплоносителя), степени механизации и автоматизации, возможности регулирования и контроля режима тепловой обработки, технико-экономических показателей и санитарно-гигиенических условий работы.

 

 

5.3. Описание конструкции и принципа  работы установки

 

В этом разделе приводится описание проектируемой установки с конкретным указанием технических параметров и ее геометрических размеров. Отражаются принятые конструктивные решения, приводится их обоснованность. Даются сведения о способах загрузки и выгрузки установки. Подробно рассматриваются вопросы запуска установки в работу и поддержания заданного теплового режима с указанием рабочих мест для обслуживания установки.  Указываются принятые способы подачи и отбора теплоносителя (топлива).

Описание  установки лучше производить  после выполнения графической части  с указанием ссылок на чертежи, на которых все основные узлы должны быть достаточно полно представлены путем выполнения соответствующих  сечений, разрезов, деталировки.

Особое  внимание при описании следует обратить на степень комплексной механизации  и автоматизации наиболее трудоемких процессов загрузки, при необходимости  – передвижения и выгрузки материала  или изделий.

Подробно  рассматриваются новые конструктивные решения, принятые в проекте.

Дается  подробная характеристика конструкционных  и теплоизоляционных материалов.

 

 

5.4. Физико-химические процессы, протекающие  в обрабатываемом материале при  тепловой обработке

 

Содержание  данного раздела должно характеризовать физико-химические процессы, происходящие в материале при тепловом воздействии по заданному режиму. Необходимо показать влияние температурных и временных факторов на кинетику процессов, происходящих в материале. Показывается, за счет чего достигается ускорение физико-химических реакций, приводящих к изменению структурных характеристик материала, и как следствие, к изменению физических, химических и механических показателей качества изделий. Устанавливаются возможные пути интенсификации протекающих процессов.  Описание данной составляющей курсового проекта должно базироваться на изучении и познании научных работ и производственного опыта, приведенного в печати. На основании проделанного анализа определяются основные требования, предъявляемые к режиму тепловой обработки.

 

 

5.5. Выбор и обоснование режима  тепловой обработки 

      (расчет скорости нагрева или  охлаждения изделия)

 

Выбор режима тепловой обработки производится на основании нормативных документов с учетом лабораторных данных ведущих научно-исследовательских институтов и опыта предприятий строительной индустрии. При разработке данного раздела курсового проекта следует стремиться к сокращению продолжительности тепловой обработки при обеспечении требуемой производительности теплового агрегата и стабильности показателей качества готового продукта.

Проектант обязан обосновать выбранный  режим теплового процесса. Для  этого необходимо выполнить теплотехнические расчеты скорости нагрева и охлаждения изделий, времени, которое потребуется для нагрева изделий до заданной температуры по всему объему, времени изотермической выдержки для полного протекания физико-химических процессов в обрабатываемом материале и обеспечения заданных эксплуатационных свойств.

Режим тепловой обработки приводится в виде таблицы основных параметров процесса (температура, влажность, давление, скорость движения теплоносителя, состав теплоносителя) по времени, длине установки, позициям для установок непрерывного действия с определенным циклом загрузки. Помимо этого, режим тепловой обработки приводится в виде графика изменения температуры в самой установке, на поверхности и в центре обрабатываемого изделия.

Методика назначения режима тепловой обработки изделий из ячеистого и плотного бетонов при автоклавировании приведена в приложении 1.

Методика назначения режимов тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий приведена в приложении 2.

Для правильного назначения режимов  тепловой обработки изделий необходимо заранее примерное распределение температуры в объеме изделия в различные моменты времени. Кроме того, знание кинетики изменения температуры потребуется при выполнении теплотехнического расчета установки. Для определения температурных полей в условиях нестационарного теплообмена существует несколько методов. Наиболее распространены:

1) метод критериальных уравнений  (приложение 3);

2) метод конечных разностей (приложение 4).

 

 

 

 

5.6. Технологический расчет тепловой  установки 

 

Целью технологического расчета является определение требуемого количества тепловых установок для обеспечения требуемой производительности.

Количество тепловых агрегатов  определяется на основании знания основных размеров. Определение основных размеров установки производится на основе нормативных данных или известных по литературным источникам удельных съемов продукции с 1 м² рабочей площади или 1 м³ рабочего объема установки. Для установок, имеющих стандартные размеры или выпускаемых промышленностью в готовом виде, расчет объема рабочего пространства делается на основе показателей степени заполнения установки продукцией. Последние определяются на основании эскиза заполнения рабочего пространства установки изделиями с учетом форм, при их наличии.

Заполнение рабочего пространства установки изделиями производится с учетом специфических требований, предъявляемых тепловым и аэродинамическим режимами (устойчивость, плотность, равномерная газопроницаемость, условия интенсификации движения теплоносителя и т.д.). Определив количество материала или изделий, одновременно загружаемых в установку, и продолжительность тепловой обработки подсчитывается требуемый объем рабочего пространства установки для обеспечения заданной производительности. Зная объем рабочего пространства установки, известные соотношения геометрических параметров (высота-диаметр для шахтных печей, диаметр-длина для вращающихся печей и сушильных барабанов, длина-ширина-высота для туннелей и т.д.), стандартизированные размеры некоторых тепловых установок (автоклав, вращающаяся печь, сушильный барабан), требуемые технологические зазоры, определяют размеры тепловой установки.

Для установок по обжигу вяжущих  веществ составляется материальный баланс и рассчитывается количество обжигаемого материала по зонам  с учетом закона действующих масс.

Полученные размеры установки  сравнивают с размерами существующих тепловых агрегатов по удельной производительности.

Выбранный тип тепловой установки  и ее геометрические размеры определяют ход дальнейшего проектирования, поэтому студент обязан согласовать их с руководителем курсового проектирования и только после утверждения данных продолжать дальнейшую работу.

 

 

5.7. Теплотехнический расчет установки.  Определение количества 

       топлива или  теплоносителя на тепловую обработку 

 

Теплотехнический расчет является основным и одним из наиболее трудоемких разделов проекта. Основой для составления теплотехнического расчета является компоновочная схема и технологический расчет. Итогом расчета служат окончательная конструктивная схема с четким определением размера толщины стен, геометрических размеров установки, оптимальных условий теплообмена, задачей типа и размеров теплоснабжающего устройства, энергетических затрат.

Основной задачей теплотехнического  расчета является определение расхода  теплоносителя в установке для тепловой обработки материала или изделия. Определение расхода теплоносителя производится при составлении теплового баланса установки. Прежде чем приступить к составлению теплового баланса, необходимо выбрать контур составления теплового баланса, оговорить базу теплового баланса и начальные условия составления теплового баланса. Все принятые решения согласовываются с руководителем курсового проектирования.

Общепринятая методика составления  теплового баланса для различных  видов и типов установок приводится в соответствующей литературе, дающей сведения об основах, анализе схем производства, конструкции и методы расчета тепловых установок в промышленности строительных материалов и изделий. При этом следует учитывать специфические особенности, характерные для конкретной установки.

С целью облегчения теплотехнического  расчета и производства сравнительной  оценки работы запроектированной установки  с существующими рекомендуется  тепловой баланс установок непрерывного действия составлять на единицу времени работы установки или на единицу массы перерабатываемого материала, для установок периодического действия – по периодам работы и на весь цикл работы.

Уравнение теплового баланса установки  является частным случаем  энергетического  баланса и записывается в виде

 

åQ=0.

 

Чаще уравнение теплового баланса  принято записывать в форме

 

åQ_п= åQ_р,

 

где  åQ_п=åQ_iпр – сумма теплоты, введенной в установку. Она включает: теплоту загружаемого материала, в том числе теплоту сухой части материала и теплоту влаги, теплоту металлических закладных деталей и арматуры, при их наличии, теплоту транспортных устройств и приспособлений, теплоту форм, теплоту воздуха, поступающего в установку на горение топлива, теплоту воздуха в виде подсосов через неплотности, теплоту вносимую теплоносителем, теплоту, выделяющееся при экзотермических реакциях в обрабатываемом материале, теплоту аккумуляции установки и т.п..

åQ_р=åQ_iр – сумма расходных статей теплоты, включающая теплоту уносимую готовым изделием или материалом, теплоту, удаляемую из установки формами и транспортными устройствами, теплоту, расходуемую на протекание эндотермических реакций, теплоту на испарение части воды и нагрев водяных паров, теплоту отходящего воздуха и дымовых газов, потери тепла с химическим и механическим недожёгом топлива, теплоту, отводимую с отработанным теплоносителем, теплоту, аккумулированную ограждающими конструкциями, теплоту, теряющуюся через ограждающие конструкции в окружающуюся среду.

На основании решения уравнения  теплового баланса находят  необходимый расход теплоты

 

Q= åQ_р - åQ_п

 

и далее теплоносителя (G) или топлива (B).

Затем определяют удельные расходы  теплоты, теплоносителя или топлива  на единицу продукции или в  единицу времени.

Приведенная методика является общей  для всех тепловых установок и ею следует руководствоваться при составлении теплового баланса, учитывая в каждом конкретном случае определенные изменения и дополнения.

Тепловой баланс составляют как  на определенные участки установки  непрерывного действия или определенные периоды установки периодического действия, так и на всю установку в целом, и сводят в таблицу по форме 1.

Примеры расчетов автоклава, ямной  и туннельной пропарочных камер  приведены в приложениях 5, 6 и 7  соответственно.

 

 

 

Таблица 1

№ статьи	Обозначение статьи	Наименование статьи и расчетная  формула	Количество тепла по статье
			еди-ница тепла	ед. тепла на единицу продукции	%	для существую-щих установок, %
1-1     И т.д.	Q1-1	Приход тепла Тепло сухой части  изделий Q1-1=Cс cс t1
И т о г о     в приходе					100	100
2-1     И т.д.	Q2-1	Расход тепла Тепло сухой части  изделий Q2-1=Cс cс t2
И т о г о   в расходе					100	100

 

 

 

5.8. Аэродинамическая схема работы  установки 

 

Работа тепловых установок неразрывно связана с подачей и отводом  теплоносителя, движением его через установку. При движении поток теплоносителя встречает аэродинамические сопротивления, затрудняющие его движение и ограничивающие тепло-  и массообмен. Все аэродинамические сопротивления могут быть объединены в три группы: 1) сопротивления о стенки каналов по которым движется теплоноситель; 2) местные сопротивления, вызванные наличием поворотов, сужений, диафрагм и других мест изменения конфигурации или изменения направления потока; 3) сопротивление садки изделий или материала. На основе критического анализа конструкции самой установки, расположения материала или изделий в установке, наличия и вида аэродинамических сопротивлений строится аэродинамическая схема тепловой установки, на которой показывается путь движения теплоносителя. Устанавливаются устройства, создающие необходимый перепад давлений для преодоления сопротивлений на пути движения теплоносителя.

 

 

5.9. Контроль соблюдения и регулирования  режима работы тепловой установки 

 

Данный раздел должен освящать вопросы  поддержания заданного режима тепловой обработки.

Указываются:

- место контроля;

            - контролируемые параметры;

- периодичность контроля  и объем  контроля;

- лицо, контролирующее операцию;

- документ в котором регистрируются  результаты контроля;

- лицо, ответственное за обеспечение технологии.

 

 

5.10. Автоматизация установки 

 

При разработке данной части курсового  проекта студент обязан составить  схему расстановки контрольно-измерительных  приборов (КИП), с указанием параметров, которые контролируются ими. При расстановке КИП особое внимание следует обратить на места установки датчиков. Схема расстановки КИП выполняется на миллиметровой бумаге и помещается в записку. Обязательно приводятся данные о приборах, сигнализирующих о выходе тепловой установки в аварийный режим.

Предпочтение следует отдавать системам автоматического управления процессами тепловой обработки, ограничивающими  или полностью исключающими труд человека.

 

 

5.11. Технико-экономические показатели  работы тепловой установки 

 

Данный раздел должен содержать сравнительный анализ эффективности и целесообразность принятых решений с нормативными показателями и показателями, достигнутыми на передовых предприятиях.

Технико-экономические показатели приводятся на единицу готовой продукции  и включают в себя следующие статьи:

- расход тепла;