Туннельная печь для обжига керамического кирпича полусухого прессования
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
Профессионального образования
«Магнитогорский государственный технический
Университет
им. Г.И. Носова»
Кафедра
строительных материалов и изделий
«Туннельная
печь для обжига керамического кирпича
полусухого прессования»
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине
«Тепловые
процессы в технологии тугоплавких
неметаллических и силикатных материалов»
Исполнитель
Руководитель
Магнитогорск
2010
Содержание
Введение…………………………………………………………
- Расчёт туннельной
печи…………………………………………………
- Материальный
баланс туннельной печи………………………………
- Тепловой баланс туннельной печи………………………………………
- Охрана труда и окружающей среды……………………………….......
- Список использованных источников…………………………………..
- Введение
Туннельные печи относятся к печам с подвижным составом. Они представляют собой прямой канал (туннель) различных размеров. Внутри туннеля проложен рельсовый путь, ширина которого зависит от ширины печи. Вагонетки по внутрицеховому рельсовому пути подаются к печи и одна за другой, через определенные промежутки времени, проталкиваются в печь толкателем. Каждая вагонетка, пройдя всю длину туннеля, выдается из печи с другого конца при каждом проталкивании. Таким образом, создается непрерывное перемещение вагонеток в печи, постепенный подогрев, обжиг и охлаждение изделий, находящихся на поду вагонетки.
Зоны туннельных печей.
Всю длину печи можно разделить на отдельные зоны, в которых протекают различные процессы. Печь имеет следующие три зоны (рис. 3.13): подогрева, обжига и охлаждения. Каждая зона печи имеет определенную длину, свои конструктивные особенности и свой режим.
Зона подогрева начинается от форкамеры и кончается на границе с зоной обжига. Длина этой зоны условно определяется графиком обжига и считается примерно до первых горелок по ходу движения вагонеток. Эта зона достаточно большой длины, необходимой для более полного использования тепла продуктов горения, поступающих из зоны обжига (от горелочных устройств). Основное назначение зоны подогрева - равномерный прогрев садки обжигаемых изделий до температур, соответствующих графику обжига.
Топливо сжигается в зоне обжига, расположенной в средней части печи, с помощью специальных горелочных устройств. В этой части печи поддерживаются максимальные температуры, необходимые для обжига. Продукты горения, проходя вдоль туннеля, попадают в зону подогрева, а затем выбрасываются в атмосферу через дымоходы. Таким образом, в туннеле происходит непрерывное движение воздуха (зона охлаждения) и дымовых газов (зоны обжига, подогрева) навстречу перемещающемуся составу вагонеток с изделиями (противоточное движение).
Зона охлаждения служит для охлаждения обожженных изделий до 60—80° перед выдачей вагонеток из печи и для утилизации тепла, отбираемого от разогретых изделий. В этой зоне охлаждается также и футеровка вагонеток, нагретая до высоких температур. Изделия и футеровка вагонеток охлаждаются холодным воздухом, подаваемым вентилятором в торцовую часть печи сверху и сбоку через несколько каналов, расположенных по длине зоны охлаждения ближе к выходному концу печи.
Воздуха для охлаждения изделий и пода вагонеток требуется в несколько раз больше, чем для горения топлива. Избыточный горячий воздух отбирается из зоны охлаждения печи и используется для сушки изделий в отдельно стоящих сушилах. Его также можно использовать для рециркуляции в зоне подогрева. Обычно эта часть воздуха считается отбираемой из печи на сторону.
Размеры отдельных зон по длине печи зависят от конструктивных особенностей печи, от вида обжигаемых изделий и устанавливаются в зависимости от заданного режима обжига и охлаждения изделий.
При расчетах и конструировании печей не всегда можно точно установить границы между зонами, поэтому в большинстве случаев допускается некоторое увеличение зоны обжига, занятой горелочными устройствами. При работе печи размеры отдельных зон устанавливаются в соответствии с графиком температур по длине печи. При этом часть горелок зоны обжига могут быть не использованы в работе.
Обычно относительно большая по длине печи зона обжига требуется при обжиге динасовых изделий и высокоогнеупорных изделий. Поэтому данные печи имеют большое количество горелок.
Размеры туннельных печей.
Длина печи определяется многими факторами, главные из которых — форма и размеры обжигаемых изделий, режим обжига и охлаждения и производительность печи.
Малые туннельные печи имеют длину 5—6 м и меньше, но поперечное сечение рабочего канала этих печей составляет 0,01—0,02 м2. Эти печи имеют небольшую производительность и используются для обжига специальных изделий небольших размеров, например автосвечей. В настоящее время в огнеупорной промышленности работают печи длиной до 180 м.
Печи большой тепловой мощности для лучшего использования тепла и улучшения процесса обжига и охлаждения изделий, как правило, должны иметь большую длину. Печи шириной 3,0 м для обжига шамотных изделий можно строить длиной 80— 120 м. При очень большой длине печи увеличиваются тепловые потери в окружающую среду и подсосы воздуха через неплотности, ухудшающие теплообменные процессы.
Ширина туннельных печей выбирается в зависимости от производительности, равномерности обжига и конструкции вагонеток. Практикой установлено, что в печах шириной 3,0—3,2 м можно достичь вполне равномерного обжига изделий. Для более широких печей утяжеляется конструкция вагонеток и возможны их перекосы при проталкивании в длинных печах.
Высота печи выбирается в зависимости от вида обжигаемых изделий.
При малой высоте и большой ширине свод печи делают плоским (подвесным), позволяющим лучше использовать площадь пода вагонетки и иметь больший вес садки на вагонетку. При этом садка получается одинаковой высоты по всей вагонетке. Печи для обжига огнеупорных изделий, имеющие высокое рабочее пространство, строят с арочным сводом, более простым по конструкции.
Таким образом, по конструкции рабочего пространства (высоте печи и конструкции свода) туннельные печи разделяются на печи с арочным сводом и печи с подвесным сводом.
Футеровка печей.
Толщину стен и свода печей и виды огнеупорных и строительных материалов выбирают с учетом большого срока службы печи без ремонта (2,5-3 года) и небольших тепловых потерь в окружающую среду, которые будут в допустимых пределах, если температура наружной поверхности стен в зоне высоких температур не будет превышать 70—80°С.
Печи сооружают на фундаменте, который выполняют каменным (бутовым), бутобетонным, бетонным и железобетонным. Глубина залегания фундамента зависит от свойств грунта и веса печи. На грунт из слабой песчаной глины нагрузка допускается не более 1 кг/см2, из плотной глины - 4,5-5,5 кг/см2 и из сплошной горной породы - до 15 кг/см2. Для нормальной работы печи необходимо, чтобы наивысший уровень грунтовых вод проходил не ближе чем в 0,25 м от фундамента печи. При высоком уровне грунтовых вод устраивают дренажные каналы.
Для большей прочности снаружи стен и свода печи устанавливают металлический или железобетонный каркас, состоящий из вертикальных балок (стоек). Внизу стойки заделывают в бетонный фундамент, а сверху попарно стягивают связями. Конструкция крепления свода определяется конструкцией самого свода.
Наиболее распространен в промышленных печах арочный свод. Нормальный арочный свод выполняется с центральным углом α= 60°.
В стенах при постройке печи оставляют температурные швы, необходимые для расширения кирпича. Так как кладка ведется вперевязку, то каждый шов в вертикальной и горизонтальной проекции имеет форму ломаной зигзагообразной линии.
Температурные швы в своде оставляют по длине печи через 3-7,5 м и таким образом свод выкладывают отдельными секциями.
Садка изделий на вагонетки.
Состав
вагонеток с обжигаемыми
Каждая вагонетка при проталкивании перемещается в печи на расстояние, равное длине одной вагонетки.
Для уплотнения входной и выходной части туннеля, в которую при загрузке очередной вагонетки в печь может засасываться холодный воздух, строят форкамеры с плотно закрывающимися дверями. При этом толкатель подает в печь вагонетку из форкамеры. Форкамера отделена от печи подъемной металлической шторкой (шибером). Противоположный конец печи на выдаче вагонеток также оборудуется подъемной дверью. Подъемные механизмы дверей синхронно связаны с работой толкателя.
Обжигаемые изделия укладывают на под вагонетки таким образом, чтобы садка строго соответствовала по высоте и ширине установленным размерам. Габариты садки контролируют металлическим шаблоном, установленным перед форкамерой и соответствующим сечению туннеля, через который проходит вагонетка.
Высота садки изделий зависит от вида обжигаемого материала и обычно не превышает 2 м. Изделия, подвергаемые высокотемпературному обжигу, для предупреждения деформации укладывают на вагонетки высотой не более 1,0—1,1 м.
Количество изделий, вмещающихся на вагонетку, и тоннаж садки определяются размерами вагонеток и типом садки. Изделия для равномерной обтекаемости газами укладывают более плотно в верхней части садки и менее плотно (оставляют каналы) в нижней. Для улучшения горения топлива в садке делают разрывы до 0,3—0,9 м против горелочных устройств. Эти разрывы особенно необходимы в широких печах для прогрева средины садки. Для различных огнеупоров и разной формы изделий применяются в промышленности различные способы садки.
С
боковых сторон вагонетки имеются
металлические листы - ножи, теплоизолированные
огнеупорным бетоном, которые входят
в желоба, наполненные песком или молотым
шамотом. Это устройство, идущее по всей
длине туннеля, называется песочным затвором,
которое служит для герметизации рабочего
пространства печи от контрольного коридора.
Для пополнения песка в желоб песочного
затвора во время работы в стенах устраивают
специальные наклонные каналы-песочницы
с воронкой, закрываемые крышкой. Для того,
чтобы песок, выгребаемый ножом вагонетки
из желоба песочного затвора, не попадал
на рельсовый путь, внизу между стенкой
печи и рельсами через каждые 1,5—2,0 м устраивают
наклонные отверстия, проходящие ниже
рельсового пути. По этим скосам песок
просыпается вниз в контрольный коридор
печи.
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 %;
Nт – 34,1 %;
Плотность – 0,955 кг/м3;
= 30145 кДж/м3.
Производительность
годовая, млн. шт.
Продолжительность
цикла, проектная, ч
Размеры обжигательного канала, м:
длина
ширина
рабочая
высота
Объем
обжигательного канала, м3
Размеры печной вагонетки, м:
длина
ширина
Вид
топлива
1.1. Материальный баланс туннельной печи.
Годовой фонд времени работы печи:
где Кисп - 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
Вместимость печи:
Количество вагонеток, выходящих из печи в сутки:
Плотность садки кирпича на вагонетке
где Vn - объем печного канала, м3.
Полезная длина печи при заданной производительности:
где lваг - длина вагонетки, м;
Длина зон подогрева и обжига:
где τп - 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 τохл - 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 Ст - удельная теплоемкость топлива, кДж/м3ּ°С;
tт - температура топлива, поступающего на горение, °С.
Удельную теплоемкость топлива при заданной температуре определяют по формуле
Ст = 4,2(0,323 + 0,000018ּtт)= 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);
Св - 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
где Gш , Gиз - масса отдельных слоев футеровки, кг;
Сс , Сиз , Сш - 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 Wc - влажность сырца, поступающего в печь на обжиг, равная 5 - 8%.
5.
Тепло, вносимое избыточным
где α2- общий избыток воздуха перед дымососом, равный 3 - 5; tв - температура подсасываемого воздуха, равная. 50…80 °С.
6.
Тепло, вносимое паром,
Общий приход тепла для зон подогрева и обжига:
Расход тепла
1. Расход тепла на химические процессы, протекающие в глине в период обжига:
qхим - 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
где Wc - содержание влаги в сырце, выраженное в долях;
2499 - скрытая теплота парообразования воды при 0 °С, кДж/кг;
tог - 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 Сизд - средняя удельная теплоемкость изделий в пределах температур от до tобж .
4. Потери тепла с отходящими из печи газами:
где Vг - объем продуктов горения топлива. Принимаем из расчета горения топлива(табл. 3);
Сг - удельная теплоемкость отходящих газов.
Сг = 4,2 ּ(0,323 + 0,000018ּtог) = 4,2(0,323 + 0,000018ּ350) = 1,383 кДж/м3ּ°С.
5.
Расход тепла на аккумуляцию футеровкой
вагонеток:
6.
Потери тепла в окружающую
среду через ограждающие
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 (Sш = 100 мм), слоя керамовермикулитовых плит КВТ по ТУ 008-СТС-03 (Sк = 200 мм) и теплоизоляции из базальтового волокна (Sб = 100 мм). Температуру внутренней поверхности стены принимаем равной температуре газов, т.е. tст = 980 °C, а температуру окружающей среды tв = 20 °C. В первом приближении принимаем средние температуры для каждого слоя следующими:
tш = 0,8ּtст; tк = 0,5ּtш; tб = 0,5ּtк.
tш = 0,8ּ980 = 784 °C; tк = 0,5ּ784 = 392 °С; tк = 0,5ּ392 = 196 °С.
Находим коэффициенты теплопроводности слоев:
λш = 0,09 + 0,00022ּtm = 0,09 + 0,00022ּ784 = 0,262 Вт/мּ°С;
λк = 0,02 + 0,00018ּtк = 0,02 + 0,00018ּ392 = 0,091 Вт/мּ°С.
λк = 0,04 + 0,0003ּtк = 0,04 + 0,0003ּ196 = 0,099 Вт/мּ°С.
Тепловые сопротивления отдельных слоев:
Суммарное тепловое сопротивление стены:
Rа = Rш + Rк + Rб = 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.