Министерство образования и науки

Российской Федерации

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г.Шухова

ТеПЛОТЕХНИКА И ТЕПЛОВЫЕ УСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие для студентов специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций

Белгород

2012

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г.Шухова

Кафедра технологии цемента и композиционных материалов

Утверждено научно-методическим советом университета

ТеПЛОТЕХНИКА И ТЕПЛОВЫЕ УСТАНОВКИ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие для студентов специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций

Белгород

2012

У ДК 621.036(07)+66.04(07)

ББК 31.3 я 7

Т 34

Составитель: А.В. Черкасов

Рецензент д-р техн. наук, проф. П.А.Трубаев

Т 34	Теплотехника и тепловые установки предприятий строительных материалов: учебное пособие / сост.: А.В. Черкасов. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 75 с.

Конспект лекций содержит необходимые теоретические сведения по основным разделам дисциплины «Теплотехника и тепловые установки предприятий строительных материалов».

Предназначен для студентов специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций.

Публикуется в авторской редакции. Электронный ресурс № 1419

У ДК 621.036(07)+66.04(07)

ББК 31.3 я 7

ã Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2012

Оглавление

Введение	5
Тема 1 1.1.Топливо и его горение 1.2.Характеристика топлива 1.3.Твердое топливо 1.4.Жидкое топливо 1.5.Газообразное топливо 1.6.Подготовка топлива 1.7.Рациональное факельное сжигание топлива во вращающейся печи 1.8. Горелочные устройства для вращающихся печей	9 10 11 11 12 13 18 23
Тема 2 2.1. Обжиг клинкера 2.2. Тепловые установки для обжига вяжущих материалов. 2.2.1. Устройство и принцип работы вращающейся печи 2.3. Теплообменные устройства вращающейся печи мокрого способа производства 2.4. Процессы, протекающие в печи мокрого способа. Физико-химические процессы в печи	26 28 28 30 34
Тема 3 3.1.Устройство и принцип работы клинкерного холодильника 3.2. Рекуператорный (планетарный) холодильник 3.3. Барабанный холодильник 3.4. Колосниковый холодильник 3.5. Холодильники с беспровальной решеткой	35 35 37 38 44
Тема 4 4.1. Печные системы сухого способа производства 4.2. Особенности работы печных систем с декарбонизаторами 4.3. Влияние подсосов холодного воздуха на расход тепла 4.4. Материальный и тепловой балансы печной системы сухого способа 4.5. Печная система комбинированного способа производства клинкер	52 54 58 58 60
Тема 5 5.1. Футеровка печных агрегатов для обжига клинкера 5.2. Кладка огнеупорной футеровки 5.3. Способы повышения стойкости футеровки	61 63 66
Тематика вопросов для самостоятельных работ	68
Библиографический список	70

Введение

Основными видами тепловых установок в производстве строительных материалов и изделий являются установки: сушильные, печные и для тепловлажностной обработки бетонных, железобетонных и других строительных изделий.

Кроме основных, имеются и вспомогательные теплоснабжающие установки, характерные для различных производств.

Сушильными называют установки, в которых происходит тепловой процесс удаления влаги, не связанной химически с материалом. Эта влага удаляется частично или полностью при сравнительно невысоких температурах материала, изменяя его технологические свойства. Новыми свойствами могут быть повышенная прочность (глиняный сырец, гипсовые и теплоизоляционные изделия), повышенная теплота сгорания, полнота процессов горения и пониженная коррозийность продуктов сгорания топлива и т.д. В некоторых производствах (в технологии теплоизоляционных материалов) сушка совмещается с полимеризацией органических вяжущих и очень часто предшествует обжигу строительных материалов и изделий.

Печными называют установки, в которых при сравнительно высокой температуре (120–2000°С) в обрабатываемом материале происходят физико-химические процессы, изменяющие его химический состав и свойства. Так, в известеобжигательной печи при температуре около 1000°С происходит разложение СаСО₃ на известь СаО, выдаваемую из печи как продукт (вяжущее для строительных целей), и на углекислоту СО₂, уходящую из печи в качестве отхода. Эта углекислота может быть использована в свою очередь как продукт для сатурации, для ускорения твердения изделий на основе извести и т.д. Обжиг в печной установке сырья – известкового камня – придает получаемому продукту (извести) совершенно новые качества – качества вяжущего материала.

В печах твердый сырьевой материал может быть доведен при высоких температурах (1300–2000°С) до полного расплавления и выдан из печи в жидком виде для отливки строительных изделий или раздува полученного расплава на вату, используемую в строительстве в качестве теплоизоляционного материала.

Тепловлажностными называют установки, в которых в горячей и влажной среде бетонные, железобетонные, силикатные и другие изделия твердеют (физико-химический процесс образования искусственного камня) до прочности, близкой к стандартной, в десятки раз скорее, чем при естественном вызревании. Тепловлажностная обработка производится в автоклавах, в камерах пропаривания, в специальных формах (кассетах) и в других установках при температурах порядка 60–200°С и относительной влажности среды около 100%.

К вспомогательным тепловым установкам относятся установки для пароувлажнения глин, для оттаивания и подогрева заполнителей бетона и др.

Кроме того, на многих заводах строительных материалов и изделий имеются собственные теплоснабжающие установки: парокотельные, газогенераторные станции и соответствующие трубопроводы, связывающие эти установки с теплопотребителями (паропроводы, газопроводы, трубопроводы горячей воды и конденсата).

Выбор типа тепловой установки зависит от принятой технологии и способа тепловой обработки. Применяют следующие способы тепловой обработки: сушку, дегидратацию, или удаление гидратной влаги, обжиг (в том числе декарбонизация) без спекания материала или с частичным его спеканием, плавку, варку, тепловлажностную обработку при атмосферном давлении, при вакууме, при давлении выше атмосферного (автоклавная обработка). Важнейшим условием экономичной, интенсивной и высококачественной тепловой обработки строительных материалов и изделий является точное соблюдение установленного теорией и практикой теплового режима.

Тепловым режимом называются основные параметры, при которых происходит по времени тепловая обработка материалов и изделий: температура, относительная влажность, давление, состав газов и скорость их движения. Нарушение оптимального режима при тепловой обработке материалов и изделий приводит к выпуску бракованной продукции, снижению производительности установки, к перерасходу топлива, электроэнергии и других материальных средств, т.е. к повышению себестоимости продукции, что недопустимо.

Процессы тепломассообмена могут протекать в однокомпонентной среде (например, испарение капель жидкости, транспортируемых потоком перегретого пара), а также в бинарных и многокомпонентных смесях (например, конденсация пара из парогазовой смеси).

Перенос вещества через граничную поверхность обычно обусловлен фазовыми переходами. Он может быть организован и специально, например, в форме вдува (отсоса) вещества через поверхность мелкопористой стенки.

Движение жидкой или газообразной фазы относительно граничной поверхности может происходить под действием внешних источников движения (вынужденная конвекция) или за счет различия плотности в разных областях среды, находящейся в поле гравитационных сил (свободная или естественная конвекция).

Тепло - и массообменные процессы могут протекать в условиях химической пассивности компонентов, а также при наличии химических реакций как в объеме смеси (гомогенные реакции), так и на межфазной границе (гетерогенные реакции).

Скоростной и качественный теплообмен в установках возможен при правильном использовании законов теплопередачи в различных технологических процессах. Общие законы теплообмена уже известны из курса теплотехники, здесь же рассматривается их применение для тепловой обработки строительных изделий. Свойства обрабатываемых материалов следует предварительно изучить: эндо - и экзотермические реакции при их нагреве, теплоемкость, теплопроводность в зависимости от температуры и влажности, изменение состава и структуры.

Теплообмен лучеиспусканием характерен для высокотемпературных процессов в печах: вращающихся для получения цементного клинкера, керамзита и т. д., ванных для расплава минерального сырья и для других печей с развитым пламенным пространством. Теплообмен лучеиспусканием при умеренных температурах (300–500°С) используется также для сушки инфракрасными лучами. При небольших температурах, маломерном объеме, где происходит теплообмен, и при воздействии па материал прозрачных газов (при малом содержании в газах водяных паров, углекислоты и твердых частиц) доля лучеиспускания в теплопередаче незначительна.

Теплообмен конвекцией более характерен для большинства процессов тепловой обработки при протекании газов через плотный, кипящий или взвешенный слой материала, через садку изделий, у поверхности рекуператоров, над поверхностью влажных материалов при их сушке и т. д.

Передача теплопроводностью имеет место всегда при нагреве или охлаждении обрабатываемого материала, стен и других ограждений тепловых установок, а также при передаче тепла через пограничные слои теплоносителей. Теплообмен может совершаться при установившемся состоянии, например передача тепла через ограждения непрерывно действующих установок и при неустановившемся состоянии, например, нагрев изделий внешними или внутренними источниками тепла, аккумуляция тепла в стенах периодически действующих установок или в подине вагонеток туннельных печей. В реальных производственных условиях обычно имеет место комбинированный теплообмен: от газов к материалу (внешняя задача) лучеиспуеканием, конвекцией и в самом материале (внутренняя задача) – теплопроводностью. Особенно сложным является процесс теплопередачи через муфель печи к изделию.

При тепловой обработке многих материалов в них, помимо нагрева, происходят сложные физико-химические процессы экзо - или эндотермического характера, фронт распространения которых имеет определенную скорость, зависящую от свойств материалов. Учет этих процессов в расчете теплообмена обязателен. В некоторых случаях для упрощения затрату тепла на реакции, происходящие в материале, условно относят к удельной теплоемкости материала при нагреве. Естественно, такая теплоемкость будет выше теплоемкости материала в тех же температурных пределах при охлаждении, когда никаких реакций уже совершаться не будет.

Подавляющая часть строительных материалов и изделий получается в результате того или иного вида тепловой обработки: известь и цемент при обжиге в печах, гипс – при его дегидратации в варочных котлах, кирпич из глиняных масс – после тепловой обработки в сушилках и печах, бетонные и железобетонные изделия – в результате тепловлажностной обработки в пропарочных камерах или автоклавах.

Строительство в России может быть осуществлено только при условии широкого развития производства строительных материалов, изделий и сборных элементов зданий на высокомеханизированных заводах строительной индустрии, на заводах-автоматах. Их тепловые установки характеризуются непрерывностью и автоматичностью процесса, интенсивным теплообменом и высокой экономичностью.

Тема 1