Тунельна піч з арочним склепінням продуктивністю 19 млн. шт. будівельної цегли в рік, ширина каналу 3 м

Тунельна піч з арочним склепінням продуктивністю 19 млн. шт. будівельної цегли в рік, ширина каналу 3 м

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

"Київський Політехнічний Інститут"

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

Курсовий проект на тему:

«Тунельна піч з арочним склепінням продуктивністю 19 млн. шт. будівельної цегли в рік, ширина каналу 3 м»

Виконав:

Величко Ю.М.

КИЇВ 2015

Зміст

Вступ

. Печі для випалення кераміки

.1 Обґрунтування вибору печі

.2 Принципова схема тунельної печі

.3 Конструкції пічних вагонеток

.4 Садка і розвантаження виробів

.5 Оптимізація умов роботи печі

. Відомості про процеси, що протікають при випалі

. Розрахунок технологічних і конструктивних параметрів печі

. Тепловий баланс зони охолодження

. Розрахунок аеродинамічних параметрів

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Всі найважливіші процеси технології виробництва (випалення, сушка) керамічних виробів протікають в теплових апаратах різних конструкцій (печах, сушилах).

Печами - називають теплові прилади, установки і споруди, в яких за рахунок організованій тепловій енергії, що виділяється, відбувається теплова обробка вихідних матеріалів, і виходять продукти з певними властивостями.

Найважливіші физико-хімічні властивості виробів (міцність, щільність, морозостійкість) отримуються в результаті випалення. Під випаленням зазвичай розуміють процеси, пов'язані з розкладанням матеріалів під дією високих температур, але нижче за точку плавлення основної отримуваної твердої речовини.

Історія розвитку пічної техніки нерозривно пов'язана з історією розвитку теорії конструювання печей. З технічним прогресом виробництва безперервно удосконалюються ті, що існують і створюються нові конструкції печей і сушарок з інтенсивнішими процесами теплової обробки матеріалів, економічніші в експлуатації і такі, що дають вищу продуктивність.

На сьогоднішній день найбільш досконалими типами печей будівельної силікатної промисловості вважаються тунельні печі для випалення сформованних виробів.

У зв'язку із загальним технічним прогресом і розвитком науки в цілому, відбувається безперервне вдосконалення конструкцій печей. При цьому велику роль зіграла створена на початку поточного століття нова галузь технічної науки - теорія печей, розробляюча теоретичні основи теплових процесів, що відбуваються в печах, і узагальнююча виробничий досвід роботи печей, залежно від їх призначення.

До сучасних проектованих печей, висувається ряд вимог, виконання яких зумовлює актуальність даного проекту порівняно з провідними виробниками теплотехнічного устаткування.

Серед них можна виділити:

високу теплову потужність, що забезпечує задану продуктивність;

утримання температур, відповідних технологічному режиму і що забезпечують найбільш високу якість продукції, що випускається;

створення найбільш ефективних умов спалювання палива, з метою мінімізації питомої витрати тепла на процес випалення;

простоту в обслуговуванні, шляхом використання систем автоматизації і контролю за технологічним процесом за допомогою ЕОМ;

використання вогнетривких матеріалів що забезпечують найбільш тривалі терміни експлуатації печі без ремонтів і найменші втрати в довкілля, з врахуванням заданого температурного рівня процесу.

Проектована піч відноситься до нових тунельних печей з полегшеним футеруванням, яке здатне забезпечити досить високу продуктивність при мінімальних питомих енерговитратах, завдяки відповідності висунутим вище вимогам.

Завданням на курсовий проект передбачена розробка тунельної печі з арочним склепінням для випалення цеглини. З шириною робочого каналу 3 м, 42 годинною тривалістю випалення і продуктивністю 19 млн. шт. будівельної цегли.

1. Печі для випалення кераміки

.1 Обґрунтування вибору печі

Процес випалення керамічних виробів полягає в зміні теплового стану маси виробу по визначеному температурному і газовому режимам, що забезпечують отримання кінцевого продукту із заздалегідь заданими физико-хімічними властивостями. Неправильне ведення режиму випалення може привести до зміни необхідних властивостей готового виробу або викликати брак у вигляді тріщин, деформацій, пузирів і т.п.

До останнього часу режим випалення встановлювали дослідним методом без достатнього обгрунтування. Знаходження відповідних закономірностей хоч би для окремих стадій випалення повинне дозволити набагато підвищити продуктивність печей і якість випалення і теоретично обгрунтувати оптимальну криву випалення і охолоджування виробів. Тривалість випалення залежить і від конструкції печі. У печах з великим перетином робочого каналу, нерівномірним розподілом тепла, що поступає, за наявності підсосів холодного повітря і інших причин, що збільшують температурні перепади по перетину печі, випалення триваліше, ніж в печах малого перетину і вільних від вказаних недоліків.

Сучасні тунельні печі є найбільш ефективними обпалювальними агрегатами. Переваги тунельних печей перед печами періодичної дії наступні:

безперервність процесів випалення;

безперервність (через певні інтервали) завантаження і вивантаження печі;

постійність температурної кривої випалення;

можливість автоматичного регулювання режиму випалення і охолоджування;

скорочення витрати палива на одиницю продукції;

економія вогнетривких матеріалів;

зменшення витрат на поточний ремонт.

Стискування, що чергується, із розширенням стін печі при випаленні і охолоджуванні в періодичних печах викликають швидке руйнування зв'язків окремих частин печі, особливо стін і склепіння. Періодичні печі вимагають частого поточного ремонту протягом всього року і не менше разу в два роки капітального ремонту, тоді як в тунельній печі розширення стін є лише при її пуску.

При нормальній роботі печі ремонт може бути проведений раз в 5-6 років і лише в окремих випадках через 3-4 роки. У тунельних печах температура стін в кожній зоні майже завжди однакова;

значне скорочення (приблизно у п'ять разів) обслуговуючого персоналу як безпосередньо при випаленні, так і особливо при завантаженні і вивантаженні печей;

поліпшення і полегшення умов праці. У печах періодичної дії доводиться працювати при підвищеній температурі, а також піднімати і подавати важкі вироби на значну висоту. Всі ці несприятливі умови праці повністю виключаються в тунельних печах;

можливість використання тепла, що відходить, із зони охолоджування для сушки напівфабрикату і інших цілей.

Проте можна виділити і такі недоліки в роботі тунельної печі:

недопалювання нижньої частини садки, що може бути викликане великими температурними перепадами. Це можна усунути, розрідивши садку, збільшивши щільність верхньої частини садки;

перепал верхньої частини садки, як результат недостатньої щільності верхньої частини садки. Заходи по усуненню неполадки ті ж;

перепал зовнішніх бічних рядів садки. Причина - гостре полум'я і мала газопроникність садки в поперечному напрямі. Поліпшити змішування повітря і газу, подовжити зону випалення і зменшити продуктивність пальників, змінити систему садки;

запарка виробів із - за низької температури газів, що відходять. Для усунення необхідно запалити пальники, розташовані поряд із зоною підігріву.

Випалення виробів в тунельних печах відбувається генераторним газом, рідким паливом або природним газом. По характеру дії вогню їх розділяють на печі прямої дії і муфельні. У тунельних печах прямої дії топкові гази безпосередньо омивають обпалювані вироби.

Для зменшення удару полум'я на вироби топкові гази подають в каналізований під вагонеток. Нагрів виробів в муфельних печах відбувається за рахунок випромінювання стінок муфеля, а також за рахунок циркулюючого в пічному каналі нагрітого повітря.

По характеру каналу тунельні печі підрозділяються на печі з прямим і кільцевим каналом. У печі з прямим каналом вироби розташовуються на вагонетках, в печі з кільцевим каналом - на суцільному обертовому поду. Найбільш поширені тунельні печі з прямим каналом. До переваг тунельних печей з кільцевим каналом відносяться: велика щільність поду печі, який робиться суцільним; відсутність парку вагонеток, а також об'їзних і передавальних доріг для них; можливість зосередити завантаження і вивантаження в одному або суміжних ділянках. Недоліками таких печей є: малий фронт роботи по завантаженню, вивантаженню і ремонту поду, що обертається; складніша схема вантажних потоків і в деяких випадках незручність розміщення круглої печі в порівнянні з прямими печами; відсутність місця для охолоджування виробів поза тунелем і, отже, необхідність кращого їх охолоджування в печі.

.2 Принципова схема тунельної печі

Розглянемо принципові схеми тунельних печей. Тунельна піч є довгим каналом, в центрі якого встановлені рейкові дороги для вагонеток. У каналі обпалювана продукція пересувається на вагонетках через постійні теплові зони: підігрівання, випалення і охолоджування. Печі працюють за принципом протитечії, тобто теплоносій рухається назустріч обпалюваним виробам. По всій довжині печі на внутрішніх сторонах стін є жолоб, утворений кутковим залізом і поверхнею стін. Жолоб засипають піском, в який занурюють фартухи вагонеток (подовжні металеві листи, прикріплені до вагонеток). Так створюють пісочний затвор, що відокремлює випалювальний канал від простору під вагонеткою. Пісок в пісочні затвори подають через бункери, встановлені в стінах печі в її вхідного кінця, і через зроблені в стінах печі похилі отвори.

Стики між вагонетками ущільнюють азбестовим шнуром і промазують глиняною масою.

Система садіння сирцю на вагонетки тунельної печі повинна забезпечувати рівномірний розподіл газових потоків по всьому перетині печі. Найкращі результати досягаються при щільності садіння в межах 40-45% від всього перетину печі. Під щільністю садіння мають на увазі кількість сирцю, що укладається в 1 м³ випалювального каналу печі.

Садіння має бути стійким і досить розрідженим для проходження газів. Вона повинна забезпечувати рівномірний розподіл палива по перетину печі.

Для прикладу, розглянемо пристрій найпростішої тунельної печі (Рис. 1) випалювальний канал тунельної печі умовно розділений по довжині на три основні технологічні зони: підігріву А, випалу Б і охолодження В. В зоні підігріву відбуваються досушка і підігрів виробів продуктами горіння, які відходять із зони випалу, потім вагонетки з виробами проходять через зону випалу, піддаючись впливу високих температур, після чого надходять в зону охолодження. Повітря для охолодження виробів і вагонеток надходить в піч

Рис.1. Схема найпростішої тунельної печі: 1-димосос; 2-вентилятор; 3,4 - двері печі.

Продукти горіння палива із зони випалу надходять в зону підігріву, де віддають свою теплоту на випаровування залишкової вологи в цеглі-сирці і нагрівання його до температури випалу. Із зони підігріву, відпрацьовані димові гази відбираються димососом 1 і викидаються в атмосферу або надсилаються в сушарку. Для відключення каналу печі від навколишньої атмосфери піч забезпечена металевими дверима 3 і 4.

Слід так само відзначити що досить важливим критерієм ефективності роботи печі, є правильно організоване спалювання використовуваного палива. Це особливо актуально в умовах сформованої в країні газової кризи.

Процес горіння являє собою ніщо інше, як взаємодія палива з окислювачем, що супроводжується інтенсивним виділенням теплоти швидким підйомом температури. Найважливішою умовою інтенсивного і повного згоряння палива, є хороший контакт окислювача з пальним і доброго сумішоутворення газу з повітрям. В промислових масштабах це питання зводиться до розробок найбільш ефективних пальникових пристроїв, що вимагають мінімального надлишку повітря і забезпечують найбільш повне згорання технологічного палива.

У проектованої печі використовуються газові пальники типу ГС - 80 (рис. 2), розроблені в 1993 році. Це короткофакельний пальник, що забезпечує повне згоряння палива за рахунок розсіювання окремих струменів газу в потоці повітря, що нагнітається.

Рис.2. Короткофакельний пальник типу ГС - 80

З усіх наведених вище вимог, для виробництва 25 млн. шт. умовної цегли на рік вибираємо ширококанальную тунельну піч з арчним склепінням. Розмір робочого каналу 3 х 1,73 метра.

.3 Конструкції пічних вагонеток

Пічні вагонетки працюють в дуже важких умовах: при дії високих температур і значних механічних напруженнях. Вагонетка повинна являти собою жорстку металеву систему, без деформацій сприймаючу зусилля пересування поїзда. Абсолютно неприпустимо, щоб зазначені зусилля хоча б частково сприймалися не металевим каркасом вагонетки, а футеровкою. Рами пічних вагонеток виготовляють зі сталевлі, зварними або литими.

Рис. 3. Конструкція стикових вагонеток: 1-швелер; 2- азбест; 3- стальний дріт

Раціональна конструкція стиків вагонеток показана на рис. 3. В цьому випадку швелер 1 набивають азбестом 2 і притискають сталевим прутком 3 або металевою трубкою.

Велике значення для нормальної експлуатації печі має конструкція футеровки вагонеток. Від стану пода вагонеток у великій мірі залежать режим роботи печі і механізація трудомістких процесів.

Поганий стан поду вагонеток виключає можливість застосування автоматичної укладки,що призводить до підвищення продуктивність праці та ліквідує одну з найбільш важких операцій - ручну садку виробів на вагонетки. Застосовують футеровку вагонеток трьох видів: керамічну, з жаростійкого бетону і комбіновану (бетон в поєднанні з керамікою). Матеріал для футеровки вагонеток повинен володіти достатньою вогнетривкістю і малим коефіцієнтом термічного розширення, високими опорами термічним ударам, механічною міцністю при стисканні і стиранні.

Керамічну футеровку виконують з вогнетривкої цегли (рис. 4). Для футеровки використовують великі і складні по конфігурації фасонні шамотні або високоглиноземисті камені, з яких викладають торцеві і бічні частини вагонеток. Іншу частину вагонетки заповнюють шамотною цеглою. Недоліки такої футеровки полягають в тому, що вартість великих блоків порівняно висока і їх міняють після значного руйнування. Тому вагонетки тривалий час експлуатують з великими дефектами футеровки.

Рис. 4. Футеровка пічної вагонеткі з цегли: 1 - вогнетривка цегла, 2 - теплоізоляційний цегла

Вагонетки футерують або повністю стандартним вогнетривкою цеглою, або зберігають лише кутові фасонні камені. На деяких заводах футерують вогнетривкою цеглою тільки краї вагонеток, а внутрішню частину викладають будівельною цеглою свого виробництва. Однак такі вагонетки після кожного обороту ретельно оглядають, і кожна цеглина з ушкодженнями обов'язково замінюють новим.

.4 Садка і розвантаження виробів

Інтенсивність і якість випалу виробів в тунельних печах в значній мірі залежать від прийнятої системи садки цегли-сирцю на пічні вагонетки. Садка повинна бути міцною і стійкою, що виключає можливість завалів в печі; досить щільною і в той же час дозволяти газам рівномірно поширюватися по довжині та ширині печі. Міцність і стійкість садки забезпечується правильною перев'язкою рядів, хорошим станом пода вагонеток, невеликим звуженням садки догори.

Щільність садки коливається в межах 200... 280 шт. на 1 м обпалювальної каналу печі. Для зменшення температурного перепаду між центром садки і її периферією, а також підведення достатньої кількості повітря, необхідного для повного згорання палива, запресованого в цеглу-сирець, в садку залишають поперечні і поздовжні канали, а верх її ущільнюють.

Рисунок 5

Конструкція садки на пічні вагонетки, виконана автоматами-укладальниками для цегли, наведена на рис. 5 (а), а для каменів - на рис. 7 (б).

На деяких заводах застосовують механізовані розвантаження пічних вагонеток з допомогою захоплення з колінно-важільним затиском.

Цеглу перевозять в основному щільними пакетами, укладеними на піддонах, що значно полегшує вантаження цегли на автомашини, розвантаження автомашин і подачу цегли до робочих місць каменярів.

Однак пакетне перевезення на піддонах вимагає ручного перевантаження цегли з пічних вагонеток на піддони. Для усунення цього недоліку доцільно використовувати спосіб випалу і перевезення виробів розрідженими пакета.

.5 Оптимізація умов роботи печі

Основними умовами нормальної роботи тунельної печі є регулярне проштовхування вагонеток і постійність температурного і гідравлічного режимів. Необхідний розподіл температур по довжині печі і особливо

рівномірність випалення по перетину випалювального каналу можливо лише при певних величинах тиску і розріджень на всіх ділянках печі. Особливо важливо звести до мінімуму вибивання пічних газів і підсоси зовнішнього повітря у випалювальний канал. Для цього слід забезпечити надійне ущільнення стиків вагонеток, шиберів на вході вагонеток і своєчасний підсип піску в затвори. Поліпшення конструкції стиків пічних вагонеток і створення відповідного аеродинамічного режиму в каналі печі і в просторі підвагонетки забезпечить зменшення газообміну між каналом печі і простором підвагонетки, а отже, зменшить температурний перепад по висоті каналу печі. Торцеве ущільнення вагонеток можна забезпечити притисненням прута однієї вагонетки до швелера з азбестовим набиванням іншої вагонетки. Вживання ефективних теплоізоляційних матеріалів забезпечує зниження теплових втрат в піч.

Садка виробів має бути міцною і проникною для газів. Міцність і стійкість садки набувають особливого значення, тому що при завалі виробів не лише порушується режим випалення, але і фактично розстроюється вся робота печі. Лише при рівномірному садінні, проникному для газів як по довжині, так і по ширині, швидкості газового потоку по перетину робочої камери будуть приблизно однакові. Оскільки основна маса гарячих газів завжди прагне заповнити верхню частину каналу, садка в цій частині робиться щільнішою, ніж в нижній. Перед вступом в піч, вагонетки з сирцем проходять через шаблон, точно відтворюючий поперечний перетин печі. Це дозволяє вчасно виявити вагонетки з садінням, що перевищує по габаритах розміри випалювального каналу печі, і запобігти завалу.

Розподіл температур по довжині печі регулюється подачею в кожен пальник необхідної кількості газу, співвідношенням газу і повітря, а також положенням шиберів. Для зниження питомої витрати палива (20- 25%), збільшення продуктивності печі (9-12%) і поліпшення якості продукції (підвищення марочності і зниження браку), що випускається, пропонується використання газових швидкісних пальників серії ГС, які призначені для спалювання природного газу низького і середнього тиску.

Співвідношення газу і повітря підбирають так, щоб забезпечити повне згорання газу при невеликому коефіцієнті надлишку повітря. При надлишку газу полум'я набуває темного забарвлення, а факел стає довгим; при надлишку повітря факел коротшає, а димові гази яснішають.

Положення шиберів в зонах охолоджування і підігрівання і на рециркуляційних трубопроводах повинно забезпечувати при спалюванні встановленої кількості газів задану температурну криву випалення. При високій температурі обпалених виробів, що виходять з печі, необхідно відкрити шибери і цим підвищити кількість холодного повітря, що подається вентилятором в піч. Одночасно слід збільшити кількість відбираного на сушку нагрітого повітря. Якщо необхідно підвищити температуру на початку зони підігрівання, збільшують кількість відбираних через цю ділянку димових газів. Для цього відкривають шибери, розташовані ближче до вогню і на початку зони підігрівання.

Подача холодного повітря в зону охолоджування і простір підвагонетки, так само як і відбір повітря з простору підвагонетки і димових газів із зони підігрівання мають бути врегулюваними. Регулювання температурної кривої в зоні підігрівання забезпечується рециркуляцією

димових газів, розбавлених зовнішнім повітрям, а кривою охолоджування - режимом роботи міжсклепінної і міжстінної рекуперації, а також частковим відбором деякої кількості повітря для горіння безпосередньо з пічного каналу.

Щоб своєчасно виявити завали садки в печі, необхідно стежити за показами манометра гідравлічного штовхальника або амперметра на моторі механічного штовхальника (збільшення зусиль вище за норму вказує на завал).

Якщо виявлений завал садки, необхідно штовхальником підвести вагонетку з розваленою садкою до найближчого аварійного лазу по ходу руху. Через цей лаз всі вироби, що випали з садки, витягують з печі і закладають лаз, продовжуючи роботу.

Негативним явищем при роботі тунельних печей є «розшарування» потоку продуктів горіння, що рухаються по зоні підігрівання, і повітря, проходящего по зоні охолодження. Виявляється це в тому, що у верхніх горизонтах печі газовий і повітряний потоки мають вищу температуру, ніж в нижніх. Цьому сприяють підсоси холодного повітря в зоні підігрівання і в зоні охолодження і втрати через нещільність рухливого складу, підсоси повітря у зоні підігрівання і в зоні охолодження і втрати через нещільність рухливого складу, підсоси повітря із-за недостатньої герметизації входу в піч і виходу з печі. Розшарування потоку приводить до збільшення браку при нагріві і охолоджуванні, зниженню продуктивності печі, виходу недостатньо захололого продукту.

Зменшенню розшарування продуктів горіння і повітря сприяють наступні заходи: повернення частини газів, що відходять; пристрій однієї-двох повітряних завіс на стику зон випалення і охолодження з подачею в щілині зведення вентилятором частини відбираного із зони охолодження повітря; пристрій у вхідній частині печі шлюзового затвора з двох підіймальних дверей; пристрій двостулкових або підіймальних дверей, що самозакриваються, на виході вагонеток з печі.

Для підтримки в печі заданої температури піч забезпечується системою автоматичного регулювання. Передбачена автоматична підтримка постійності максимальної температури випалення шляхом відповідної зміни подачі газу, а також автоматичне регулювання постійності тиску в загальному газопроводі і розрядки перед димососом. Для максимального вирівнювання температурних перепадів по висоті садіння на перших позиціях печі встановлені рециркуляционниє пічні вентилятори. Крім того, передбачена автоматична підтримка заданого режиму випалення, блокування механізмів сигналізації вентиляційних пристроїв.

У проектованих і діючих печах передбачена установка контрольно-вимірювальних приладів і регулювальників для ведення теплотехнічного режиму випалення і регулювання найбільш важливих параметрів роботи печі: регулювання кількості відбираного з печі повітря, що нагнітається в піч холодного повітря, повітря, що подається до форсунок або пальників, і продуктів горіння, що відбираються з печі.

Контрольно-вимірювальні прилади і регулювальники встановлюють на щитах, а диспетчерські щити - в спеціальному приміщенні. Безпосередньо в печі встановлюється місцевий щит, де вмонтовуються прилади для виміру температури на різних позиціях печі. На диспетчерському щиті, на відміну від щита місцевих вимірів, параметри режиму в окремих точках фіксуються самописними приладами.

У зв'язку з великою довжиною трас для виміру тиску, розрядки і витрати горючого газу прийняті прилади з електричною дистанційною передачею показів на вторинні прилади. При такій схемі вимірів в приміщення диспетчера вводяться лише електричні лінії, імпульсні лінії при такій схемі вимірів виходять короткими, що збільшує точність виміру.

Автоматичному регулюванню підлягають:

- постійність тиску газу в цеховому колекторі;

постійність максимальної температури в зоні випалення за рахунок зміни кількості газу, що подається на горіння;

регулювання тяги димососа залежно від витрати газу;

регулювання рівновеликого режиму тиску в робочому і оглядовому каналах.

2. Відомості про процеси, що протікають при випаленні

Випалом називається процес високотемпературної обробки матеріалів, в результаті якої цегла-сирець перетворюється на каменеподібне тіло, стійке відносно механічних, фізичних і хімічних дій.

Режимом випалення є комплекс взаємозв'язаних чинників: швидкості підйому температури, кінцевої температури випалення, тривалості витримки при кінцевій температурі, характеру газового середовища і швидкості охолоджування. Таким чином, для того, щоб встановити вплив режиму випалення на властивості готової продукції, необхідно, перш за все, виявити вплив на ці властивості кожного з вищеперелічених чинників.

В процесі нагріву при різних температурах в матеріалі керамічних виробів відбувається ряд складних физико-хімічних явищ, що викликають зміну його властивостей.

У інтервалі температур 0 - 150 °С відбувається досушка цеглини-сирцю. При цьому утворюється значна кількість водяної пари, яка при швидкому підйомі температури виділяється настільки бурхливо, що може зруйнувати виріб. При швидкісному випаленні це найбільш небезпечний для виробу етап. Він може бути виключений з режиму випалення, якщо в піч поступає абсолютно сухий цегла-сирець. Проте його здобуття у виробничих умовах пов'язане з великими труднощами. Крім того, така цегла-сирець крихка і можливі її механічні пошкодження при транспортуванні і садінні. Висушені до низької залишкової вологості керамічні вироби під час вивантаження їх з сушарки, транспортування і садіння в піч можуть насичуватися вологою із зовнішнього середовища, внаслідок чого утворюються мікротріщини, які при подальшій термічній обробці збільшуються і різко знижують якість виробів.

Оптимальна вологість завантажуваної в піч цеглини-сирцю повинна складати 2...6%. Прискорене випалення цеглини-сирцю такої вологості неможливе, якщо досушку в печі робити в основному за рахунок інтенсивного підйому температури. У цих умовах поверхня матеріалу, швидко висохши, продовжує сильно нагріватися. Усередині ж матеріалу температура поступово підвищується до 100 °С, стримуючись на цьому рівні до повного видалення вологи, що приводить до значних температурних перепадів між поверхнею і внутрішньою частиною виробу і, як наслідок, до надмірної напруги і появи тріщин. Проте якщо досушку робити за рахунок збільшення швидкості газового потоку при помірному підвищенні його температури (порядка 50-80 град/год), то процес відбувається дуже інтенсивно (приблизно 200 г / год вологи з одної цеглини-сирцю) при незначних температурних перепадах по товщині цеглини-сирцю (20-30 °С) і без впливу на якість продукції.

У інтервалі температур 150-800°С відбувається дегідратація - видалення хімічно зв'язаної води, що входить до складу глинистої речовини і інших мінералів. Кристалічна решітка матеріалу руйнується, і глина втрачає пластичні властивості. Видалення хімічно зв'язаної води починається приблизно з 350 °С, а віддача головної маси цієї води йде при температурах 450-500 °С і може продовжуватися до 900 °С. Відбувається усадка виробів і зниження їх механічної міцності. При температурі 200-800 °С виділяється летка частина органічних домішок що входять до складу даної глини.

У цей період матеріал володіє найбільшою пористістю, сприяючою безперешкодному видаленню води і леткої частини органічних речовин. Одночасно з віддачею хімічно зв'язаної вологи оксид заліза FеO в результаті окислення переходить в оксид заліза Fe₂О₃. Глина міняє забарвлення, і цегла набуває червоний колір.

У інтервалі температур 300 - 1000°С відбувається розкладання карбонатів (при 300 - 400°С - карбонатів заліза FеСО₃; 600 - 700 °С - карбонатів магнію MgСО₃; 800 - 900°С - карбонатів кальцію СаСО_з). Цей період нагріву, включаючи період дегідратації і модифікаційних змін кварцу, є практично безпечним навіть при випаленні глин, чутливих до даного процесу, і його можна виробляти з високою швидкістю (100-200 град/год).

У інтервалі температур від 800 °С до максимальної глинозем А1₂О₃ і кремнезем SiО₂ з'єднуються в безводний алюмосилікат - мулліт, значно поліпшуючий фізіко-механічні властивості виробів.

Цей період нагріву, пов'язаний з руйнуванням кристалічної решітки глинистих мінералів і значними структурними змінами в матеріалі виробів, небезпечний відносно формування тріщин.

Швидкість підйому температури, що допускається, в період структурних змін від 800 °С до максимальної для повнотілої цеглини-сирцю складає 100-150 град/ч, а для ефективних виробів - 200-220 град/ч. Для нормального протікання швидкісних процесів нагріву на всьому протязі випалення і зниження формування тріщин передбачено введення добавок в глину, чутливу до випалення.

При високій температурі залежно від вигляду легкоплавких домішок, що знаходяться в глині, і складу газового середовища починає утворюватися рідка фаза. З підвищенням температури збільшується об'єм рідкої фази, відповідно зменшується пружність маси, внаслідок чого виникає залишкова деформація під навантаженням і, нарешті, деформація виробів. Щоб уникнути цього, підйом температури при випаленні цеглини припиняють на етапі, що забезпечує появу мінімально

необхідної кількості рідкої фази для утворення спайок (зв'язок) між дегідратованими частками глиноутворюючих мінералів, декарбонізованими частками вапняку і зернами кварцу. Це створює умови для достатньої механічної і атмосферної стійкості виробу.

При певному мінералогічному складі сировини і температурі випалення, що максимально допускається, існує межа спікливості маси, що характеризує його технічні якості. Завдання раціонального випалення полягає в тому, щоб як можна ближче підійти до цієї межі без пошкоджень виробів.

Одна і та ж міра дозрівання виробу може бути досягнута в процесі короткочасного випалення при високій кінцевій температурі або, навпаки, тривалого випалення, що закінчується при нижчій температурі. Чим вище температура випалення, тим інтенсивніше виявляється спікання маси в результаті дифузії часток. Практично максимальна температура обмежується нерівномірністю температурного поля, як по перетину печі, так і за об'ємом виробу.

Витримку виробів при максимальній температурі випалення застосовують для вирівнювання температури по всій товщині виробу, що забезпечує рівномірний розподіл рідкої фази. Ця витримка необхідна також і для вирівнювання температури по перетину випалювального капала печі і залежить як від конструкції печі, так і від садіння і методу спалювання палива.

Охолоджування виробів після витримки при максимальній температурі випалення є не менш відповідальним періодом випалення, чим нагрівання.

У початковий період охолоджуванні при падінні температури на 100 - 200 °С керамічні матеріали зазнають термічне стискування і деформуються пластично, піддававшись незначним навантаженням. У цьому періоді при швидкому охолоджуванні у виробі можуть з'явитися тріщини. Тому величина температурного перепаду по товщині виробів не повинна

Охолоджування від 800 °С до 650 °С можна значно прискорити. Інтенсивність охолоджування, що допускається, на цій ділянці складає для повнотілої цеглини 250-300 °С, а для ефективних виробів 350-400°С в год.

Охолоджування виробів в інтервалі температур 650-500 °С характеризується модифікаційною зміною кварцу (573 °С) із зменшенням об'єму на 0,82%. Швидкість охолоджування на цій ділянці не повинна перевищувати 150 °С в годину.

Швидкість охолоджування, що допускається, після досягнення виробом температури 500 °С складає 500-600 °С в годину і обмежується лише умовами зовнішнього теплообміну.

Таким чином, цеглина високої якості може бути отриманий при вельми коротких термінах випалення (для повнотілої цеглини 9-11 ч, для ефективних виробів - 7-8 ч). Проте оптимальні режими випалення не можуть бути повністю реалізовані в промислових печах.

У проектуючої печі сировиною служить глина Музичанского родовища, мінералогічна характеристика.

3. Розрахунок технологічний та конструктивних параметрів тунельної печі

Вихідні дані:

Річна продуктивність P = 19 млн. шт../рік

Вид виробу - пустотілий керамічний камень

Маса одиниці готового виробу g = 3 кг

Час випалу τ = 42 год

Ширина пічного каналу В = 3 м

Довжина вагонетки l = 3,0 м

Висота пічного каналу H = 1,7 м

Початкова вологість W = 3,0 %

Відсоток браку m = 3,0%

Втрати при прожарюванні = 4,7%

Таблиця 1

. Годинна продуктивність печі з врахуванням браку 3,0% від теоретичної:

Р_год = Р/z= 19000000 /8500= 2236 шт/год

- кількість годин роботи печі в рік, z = 8500, год

. Маса випалених виробів:

2236∙3 = 6708 кг/год

. Маса сухих виробів:

7496,7 кг/год

. Корисний об'єм над однією вагонеткою:

_ваг = В∙l∙h_k = 3∙3∙1,8 = 16,2м³

5. Коефіцієнт щільності садки печі: g = 0,7 кг/м³

6. Об'єм вагонетки:= 1,7*9=15,3- площа вагонетки; - висота садки.

G = = 3570 шт. на ваг.

. Знаходимо довжину робочого каналу:

= 78м

 - ширина робочого каналу.

. Кількість вагонеток, що знаходяться в печі:

26 ваг

Приймаємо кількість вагонеток N = 26 вагонеток, тоді довжина печі становить:

 = N∙L_в = 26∙3 = 78 м.

З урахування форкамери L = 78 + 2∙3 = 84 м.

Форкамери зменшують вплив навколишнього середовища на аеродинамічний режим печі і не враховуються в технологічні зони печі.

. Кількість вагонеток, що виходять із печі за годину:

n = N/τ = 26/42 = 0,62 ваг/год

Отже, вагонетка повинна виштовхуватися із печі кожні 1/0,62 = 1,62 години або через кожні 2 год.

Тепловий баланс зон підігріву та випалу

Метою теплового балансу зон нагріву і випалу є визначення кількості палива, необхідного для здійснення технологічного процесу із заданою продуктивністю з урахуванням 3 % браку.

Q_прих=Q_витр

Q_гор=35485×В (кВт)

. Витрати тепла

_витр= Q_м+ Q_вол+ Q_хр+ Q_тр+ Q_кл+ Q_дим+ Q_дис+ Q_невр

.        Тепло, що витрачається на нагрів виробів:

_м = Р×с_к×t_к - Р_с× с_п×t_п

Р - продуктивність по сухому (обпаленному) матеріалу, кг/с

Р_с - витрати сухої сировини з п.п.п.=10.52%

с_к×t_к - ентальпія матеріалу за кінцевої температури, кДж/кг

с_п×t_п - ентальпія матеріалу при початковій температурі нагріву, кДж/кг

кг/с

(кг/с)

_к=980⁰С, t_п=20⁰С

с_к=1.007 кДж/(кг град), с_п=0.78 кДж/(кг град)_м = 1,86×1,007×980-2,07×0.78×20=1803,3 (кВт)

.        Теплота, що використовується на випаровування вологи із матеріалу:

Нехай =5%

_вол=(2500-4.2× t_п)×W_вол

- питома теплота випаровування вологи, кДж/кг.

 кг/с

_вол=(2500-4.2× 20)×0.11=256,76 (кВт)

3.      Теплота, що витрачається на хімічні реакції:

_хр = ∑q_i∙G_i

В процесі випалу відбуваються реакції утворення оксидів Al, Mg, Ca, які супроводжуються поглинанням теплоти: _Al2O3=1767 (кДж/кг)_MgO=2750 (кДж/кг)_CaO=2826 (кДж/кг)

G_i=0.01×n×P_c

- кількість вихідної речовини у %_CaO=0.01×10,97×2,07=0.23 (кг/с)

G _Al2O3=0.22 (кг/с)

G_MgO=0.03 (кг/с)

_хр= Q_CaO× G_CaO+ Q _Al2O3× G _Al2O3+ Q_MgO× G_MgO=1121,22 (кВт)

.        Теплота, що виноситься газами з печі (теплота, що виноситься продуктами горіння палива),при t_в=200⁰С:

_дис= V_CO2×i _CO2+ V_Н2О×i _Н2ОCO2=0.01×P_c×(0.4×CaO%+0.533×MgO%)

V_Н2О=0.0124×P_c×(п.п.п.- СО₂)

_CO2=0.01×2,07×(0.4×10,97+0.533×1,45)=0,07 нм³/ с

СО₂- що, виділилось при декарбонізації

СО₂=0.786×CaO%+1.09×MgO%=11,4%

_Н2О=0.023 нм³/с _CO2=350,5 кДж/ нм³,i _Н2О=298,3 кДж/ нм³_дис=0.095×350,5+0.054×298,3=35.56 (кВт)

.        Теплота, що втрачається через огорожу конструкції:

Для середніх температур 980-1500⁰С тунельної печі коефіцієнт =12-15 Вт/(м² град), а =0.07.

Беремо =13 Вт/(м² град), =0.077 (м² град)/ Вт.

В зоні нагріву і випалу тришарова футерівка:

. шамот, густиною ρ=1300кг/м³, з коефіцієнтом теплопровідності λ₁=0.61+0.00018t, товщиною δ₁=0,23м

. шамот легковіс, густиною ρ=800кг/м³, з коефіцієнтом теплопровідності λ₂=0.21+0.00043t, товщиною δ₂=0,23 м

Λ₃=0.23+0.00049t, товщиною δ₂=0,35 м

При t=980^оС:

λ₁=0.61+0.00018∙980=0.786 Вт/м^оС

λ₂=0.21+0.00043∙980=0.63 Вт/м^оС

λ₃=0.23+0.00049∙980=0.71 Вт/м^оС - площа поверхні теплообміну

_вн=l_з.об.  P_п= l_з.об (2Н+В)

_з.об. - довжина зони обпалу печі, м (l_з.об. =14 м )

P_п- периметр печі,м

_зовн= l_з.об  P_п.зовн= l_з.об (2Н_зовн+В_зовн)

_п.зовн- зовнішній периметр печі,м_вн=23.4(21.7+0,81)=149,76 (м²)_зовн=23.4(2(1.7+0.8)+(3+1))=210,6 (м²)

(м²)

Для пічних газів коефіцієнт =100-450 Вт/(м² град), а =0.0033.

t_газ=980⁰С (температура газів в печі), t_пов=20⁰С

. Теплота, що витрачається на нагрівання транспорту

- середня температура шару футеровки

Для вагонеток 3×3: =2 т,  =1.8 т.

При  

с_ф=0.945 кДж/(кг град), с_ме=0.53 кДж/(кг град)

 - швидкість вагонеток в печі за годину

. Теплота,що витрачається на відпрацьовані гази

Об’єм продуктів горіння: =

=12.5 нм³/ нм³ (з розрахунку горіння природнього газу)

При  =275.5 кДж/ нм³

. Невраховані втрати теплоти:_невр. = (0,03 ~ 0,05)∙Q_н∙В _невр. = 0,03∙Q_н∙ В = 0,03∙35485∙ В = 1064.6 ∙ В кВт

Рівняння теплового балансу має вигляд: Q_пр = Q_р

_гор + Q_пов= Q_м+ Q_вол+ Q_хр+ Q_тр+ Q_кл+ Q_дим+ Q_дис+ Q_невр

∙В = 1803.3+256.76+1121+244.9+498,6++35.56+ +1064.6 ∙ В

∙В=3960,12∙В+4732.62

В = 0.12 нм³/с =432 нм³/год

Тоді:

_гор=35485×В =35485×0.12=4258,2 (кВт)

 кВт_невр. = 1064.6 ∙ В =1064.6×0.12=127,8 кВт

Таблиця 2

4. Тепловий баланс зони охолодження

Метою теплового балансу зони охолодження є встановлення об’єму повітря для охолодження випалених виробів (V_п^охл. ).

Стаття приходу теплоти

. Теплота, що вноситься випаленими виробами.

Ця стаття приходу чисельно дорівнює теплоті, що виноситься випаленими виробами із зони випалу:

₁пр = Q_1вип.^р = 3833486 кДж/год

. Теплота, яка вноситься транспортом.

Теплота, яка вноситься транспортом, чисельно дорівнює, теплоті, що виноситься із зони випалу:

₂пр = Q_2вип.^р = 1794960 кВт

Стаття витрати тепла

. Тепло, що виноситься виробми з печі:

₁^р = G∙С_вир∙t_вир,

де С_вир = 0,837 + 0,000264∙t = 0,837 + 0,000264∙515 = 0,973, кДж/кг∙⁰С, t_вир = 515 ⁰С;₁^р = 3570∙0,973∙50 =173680,5 кДж/год

. Втрати теплоти через огороджувальні конструкції:

₂^р = Q_і^СТ + Q_і^скл

При t=50^оС:

λ₁=0,61+0,00018∙50=0,619 Вт/м^оС

λ₂=0,21+0,00043∙50=0,232 Вт/м^оС

λ₃=0,23+0,00049∙50=0,255 Вт/м^оС

Тоді втрати тепла в зоні охолодження через стінки будуть рівні

Где F_СТ - площа поверхні теплообміну

_СВ = 3*L*H = 3*25,7*1,7= 131,1м²

Втрати тепла в зоні охолодження через склепіння будуть рівні

Где F_СТ - площа поверхні теплообміну_СВ = 25,7*3=77,1м²

Q₂^р = 77479,9+45565,9=123045,9 кДж/год

3. Теплота, що виноситься транспортними пристроями:

де G_i - маса i- того шару футеровки вагонки,

Будемо вважати, що вся футеровка нагріта однаково рівномірно і має температуру 515^оС, теплоємкість шамоту при 515^оС

Так як період проштовхування однієї вагонетки становить 0,62 години, тоді годинні втрати однієї вагонетки становлять:

₃^р = Q_в/0,62 = 1341681,9 /0,62 = 2164003 кДж/год

. Теплота, що відводиться на сушку:

₄^р = V_пов.∙C_пов.∙t_пов., де t_пов = 350⁰С, C_пов = 1,3361, кДж/м³С₄^р = V_пов.∙1,3361∙350 = V_пов.∙467,35

Невраховані втрати:

₅^р = 0,04∙∑Qпр = 0,04∙(3833486+1794960) = 225137,8 кДж/год

Рівняння теплового балансу зони охолодження:

Q_пр = Q_р

3833486+1794960=173680,5 +123045,9+2164003+V_пов.∙467,35+225137,8_пов.∙467,35 = 2942578,8

Розрахунок коєфіциенту корисної дії:

Ƞ_п= Q_пол/Q_затр * 100% = (924336/4035600)*100%=22,9%

Ефективність роботи установки визначаємо через питому витрату палива на тонну продукції:

В=х/G_вир^вип*1000=432/6708*1000= 64,4м³/1000 кг

5. Аеродинамічний розрахунок печі

Аеродинамічний розрахунок здійснюється з метою визначення потужності димососа для видалення димових газів з зони підігріву, а також діаметрів газоходів.

Об’єм димових газів

Враховуючи підсос повітря з навколишнього середовища, кількість газів, які необхідно буде відібрати, збільшиться в 3 разів:

Задаємося швидкістю руху димових газів v_о=1,5 м/с та розрідженням h¹_пот=200 Па на виході з зони нагрівання в боров.

Димові гази відбираються через 6 труб, розрахуємо кількість газів, які проходять через одну трубу:

Швидкість руху газового потоку може досягати 3 м/с. Задаємося початковою швидкістю руху газу в трубі v₁=3 м/с.

Тоді площа поперечного перерізу труби дорівнює:

, = = 0,576 м

При вході газу в трубу напір газів зазнає втрат за рахунок швидкого звуження, які рівні:

32

де h_ск - швидкісний (динамічний) напір,

ζ - коефіцієнт місцевих опорів. Звичайно при зміні перерізу каналу коефіцієнт місцевих опорів ζ відносять до швидкісного напору, розрахованому по швидкості потоку в вузькому місці, тобто в борові:

 - густина повітря при t=0^оС

, тоді

Для спрощення задачі будемо вважати, що швидкість в борові не змінюється і швидкісний напір також.

Втрати напору на першій прямолінійній ділянці труби довжиною 2м рівні:

Де λ - коефіцієнт тертя газів об стінки, що залежить від критерію Рейнольдса та шероховатості стінок;

 - відносна довжина каналу; - приведений діаметр каналу.

враховуючи шероховатість цегляних каналів

На другій прямолінійній дільниці довжиною 5 м втрати будуть рівні:

На третій прямолінійній дільниці довжиною 6 м втрати будуть рівні:

На четвертій прямолінійній ділянці довжиною 7 м втрати будуть рівні:

На п’ятій прямолінійній ділянці довжиною 2,5 м втрати складуть:

втрати напору при повороті на 90^о складуть:

Так як маємо 5 поворотів, сумарні втрати на поворотах в 5 разів більше.

Втрати напору на дросельній заслонці:

Опір садки:

- коефіцієнт опору садки.  = 0.4 · L,

де L - загальна довжина зони підігріву і половини зони випалу.

Вихід газів в атмосферу:

Сумарні втрати напору:

Для підбору димососа враховуємо втрати з урахуванням 30% запасу

_t = V_0*(1+βt) = 16850*4.57 = 77005 м³/год

За допомогою номограми вибираємо відцентровий димосос середнього тиску ВРС №10, умовне число А = 7000, η_в(ККД) = 0,58 [13].

Число обертів вентилятора= A/N = 7000/10 = 700 об/хв.

Потужність на валу електродвигуна

N_дв = ,

де η_в - ККД димососа, η_в = 0,58;

η_n - ККД передачі,

η_n = 0,95, двигун з'єднаний з димососом за допомогою клинопасової передачі;_дв =  = 62,4 кВт.

Установа потужність електродвигуна

_ус. = k∙N_дв,

піч цеглина аеродинамічний кераміка

де k - коефіцієнт запасу потужності двигуна на пусковий момент, k = 1,1; N_уст = 1,1∙62,4 = 68,6 кВт.

Висновок

У даному курсовому проекті розроблена схема печі для виробництва керамічної цегли продуктивністю 19 млн. шт. у рік.

У роботі було зроблено розрахунок технологічних і конструктивних параметрів печі. Складено тепловий баланс зон підігріву, випалу та зони охолодження. Визначено обсяг повітря необхідного для горіння палива. Розраховано витрату продуктів горіння при спалюванні 1 м³ газу. Визначено щільність димових газів, теплотвірна здатність газу. Розраховані аеродинамічні параметри печі.

У процесі розрахунку теплотехнічних параметрів був складений тепловий баланс печі,у якому враховувалися всі статті приходу й витрат тепла.

Для зменшення відсотка браку можна пом'якшити температурний режим у печі. Вирівнювання температури по перетину каналу і зміна її по довжині каналу забезпечуються при використанні системи циркуляції гарячих газів, вдуванні холодного або підігрітого повітря через зазор в зводі, а також при певному розташуванні отворів для відводу газів, що відходять в обпалювальної тунелі.

Також можна зменшити втрати тепла, через футеровку використовуючи для менших температур більш щільну футеровку і меншої вартості.

Список використаної літератури

1.       Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. М. «ВЫСШАЯ ШКОЛА», 1968. - 367ст.

2.      Балкевич В.А. Техническая керамика: Учеб. пособие для студентов хим.-технол. спец. втузов. - М.: Стройиздат, 1984. - 256 с.

3.       Крупа А.А., Городов B.C. Химическая технология керамических материалов: Учеб. пособие для студентов вузов, обуч. по спец. «Хим. технол. тугоплавких неметал. и силикат. материал.». - К.: «Вища школа», 1990. - 399 с.

4.       Кашкаев И.С., Шейнман Е.Ш. Производство керамического кирпича. Учебник. М. Высшая школа, 1983 - 223ст.

5.      Дегтярева Л.Т., Сергейкина Е.М., Яскевич Т.Г. Экспресс информация: промышленность сборного железобетона и стеновой керамики, серия 19 (Выпуск 2). М. МПСМ СССР, 1986, - 20ст.