§ 5.4 Движущая сила тепловых процессов

Движущей силой тепловых процессов является разность темпе­ратур сред, при наличии которой теплота распространяется от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой. Эта разность температур носит название температурного напора. При теплопередаче от теплоносителя к нагреваемому материалу раз­ность между температурой теплоносителя и материала не сохра­няет постоянного значения вдоль поверхности теплообмена и поэто­му в тепловых расчетах, где применяется основное уравнение теп­лопередачи к конечной .поверхности, теплообмена, необходимо пользоваться средней разностью температур.

На рис. 5.7 показан характер изменения температур теплоноси­теля при различной организации движения его вдоль поверхности теплообмена. Теплоноситель охлаждается от t₁´ до t₁´´, а материал

Рис. 5.7. Характер изменения температур теплоносителя и материала в зависимости от организации их взаимного перемещения:

а — прямоток; б — противоток; в — перекрестный ток

нагревается от t₂´ до t₂´´. Количество теплоты, переданное от теп­лоносителя к материалу на произвольно выделенном элементе теплообменной поверхности (рис. 5.7, а), можно определить по ос­новному уравнению теплопередачи

dQ = K(t₁° - t₂°) dA dt, (5.51)

где К —коэффициент теплопередачи; t₁° и t₂°— соответственно температуры теплоносителя и материала на элементе dА.

При прямотоке материал с той же начальной температурой, что и при противотоке, в конце процесса может нагреться до более высокой температуры t₂° (см. рис. 5.7). Из уравнения материального баланса (см. гл. 1) при данных условиях следует, что разница в расходах теплоты на процесс будет определяться только потеря­ми теплоты с отходящим материалом. Так как при противотоке эти потери выше и больше температура отходящего материала, то и расход теплоты на обработку материала при противотоке выше, чем при прямотоке. Отсюда следует, что с точки зрения расходов теплоты прямоток выгоднее, чем противоток.

Однако в промышленности строительных материалов противо­ток применяют значительно чаще, чем прямоток. Происходит это по следующим соображениям: во-первых, большинство материалов, подвергаемых тепловой обработке, имеют малую прочность и не допускают больших перепадов температур между теплоносителем и материалом; во-вторых, при противотоке средняя разность тем­ператур, подсчитанная по формуле (5.55), больше, чем при прямо­токе, и, следовательно, больше скорость теплообмена. Отсюда сле­дует, что время на обработку материала при прочих равных усло­виях при противотоке может быть меньше, чем при прямотоке. Поэтому при выборе схемы подачи теплоносителя следует исходить не только из экономичности теплового процесса как такового, но и учитывать потери, от брака продукции и возможный выигрыш в производительности установки.

§ 5.5. Классификация установок для тепловой обработки строительных материалов

Большинство строительных материалов и изделий нельзя по­лучить без их предварительной тепловой обработки. Воздействию теплоты подвергаются как сами материалы, представляющие смесь различных компонентов, так и сырьевые материалы, предназначен­ные для получения определенных композиций. Температурная об­работка производится в специальных аппаратах или установках, называемых тепловыми.

Единой классификации тепловых установок нет. Наиболее ши­рокое распространение получила классификация таких установок, основанная на назначении определенного технологического пере­дела. По этому принципу тепловые установки классифицируют на сушильные, печные, тепловлажностные, плавильные.

Сушильными называют установки, в которых тепловые процес­сы связаны с удалением влаги, химически не связанной с материа­лом. Такая влага обычно удаляется при сравнительно невысоких температурах, изменяя как технологические свойства материала, так и теплофизические свойства его. Как правило, в результате сушки повышается прочность материала, изменяется его коэффи­циент тепло- и температуропроводности. В некоторых производ­ствах сушка совмещается с полимеризацией органических вяжу­щих. Сушильные установки по виду обрабатываемого материала подразделяются на установки для сушки сыпучих и кусковых ма­териалов и на сушилки для штучных изделий. Для первого типа сушилок наибольшее распространение в промышленности строи­тельных материалов получили барабанные и распылительные су­шилки, сушилки с кипящим слоем и для сушки материала во взвешенном состоянии (рис. 5.8). Из распылительных наиболее распространены конвейерные, туннельные и камерные сушилки.

Печными называют установки, в которых при относительно вы­сокой температуре в обжигаемом материале протекают физико-химические процессы, изменяющие химический состав и свойства исходного материала. Печные установки по виду обжигаемого продукта подразделяются на печи для сыпучих и кусковых материалов (шахтные и вращающиеся печи, агломерационные решетки, печи для обжига в кипящем слое и во взвешенном состоянии) и печи для формованных изделий (камерные, кольцевые, туннельные и конвейерные).

Плавильными называют установки, в которых исходное сырье доводится до плавления и выдается из установки в жидком виде для последующей отливки строительных изделий или для распыла расплава в вату. По существу, плавильные установки являются разновидностью печных. Плавильные установки используют для получения различного рода расплавов. Как правило, эти установки классифицируют по их конструктивным признакам. Чаще всего в промышленности строительных материалов используют вагранки, ванные и горшковые печи.

Тепловлажностными называют установки, в которых исходный материал или изделия проходят обработку при одновременном воз­действии повышенных температур и влаги.

Установки для тепловлажностной обработки нашли широкое применение в промышленности сборного железобетона. Для про­парки и запарки железобетонных изделий используют ямные, тун­нельные, щелевые и вертикальные камеры пропаривания, кассет­ные установки и автоклавы. В последнее время для этих же целей применяют термоформы и пакеты (рис. 5.8, а). По режиму работы установки подразделяют на непрерывные и периодические. Важ­нейшим условием получения продукта с заданными технологиче­скими свойствами является поддержание в установке требуемого теплового режима.

Тепловым режимом называют основные параметры, при которых происходит тепловая обработка материалов и изделий: темпера­тура, время ее воздействия на материал, относительная влажность среды установки, давление, состав газов и скорость их перемеще­ния.

Основными показателями работы тепловых установок являются: удельный расход теплоты и удельный расход условного топлива, коэффициент полезного действия установки, удельный съем про­дукции с единицы рабочей площади или единицы объема аппарата.

Удельный расход теплоты на единицу готовой продукции

q = Q/G , (5.58)

где Q — часовой расход теплоты; G — часовая производительность установки в единицах продукции.

Удельный расход условного топлива (by)

By = By/G , (5.59)

где Ву — часовой расход условного топлива.

КПД установки

η = Qполез / Qзатрач , (5.60)

где Qполез — полезно затраченная теплота; Qзатрач— вся теплота, затраченная в тепловой установке.

Удельный съем с 1 м² теплового агрегата

gf=G/A, (5.61)

где А — площадь рабочего сечения установки.

Удельный съем (gv) с 1 м³ рабочего объема

gv=G/V, (5.62)

где V—рабочий объем установки.

Учитывая перечисленные показатели работы установок, можно сформулировать основные требования, предъявляемые к конструкции установки: 1. Обеспечение требуемого качества получаемой продукции при заданной производительности установки. 2. Возможность осуществления надежного и быстрого контроля теплового режима и обеспечение возможности эффективного регулирования теплового режима в заданных технологией пределах. 3. Малые удельные расходы теплоты и условного топлива на единицу про­дукции при высоком КПД установки. 4. Высокие удельные съемы продукции при обеспечении максимальной компактности установ­ки. 5. Возможность быстрого ремонта, сборность конструкции. 6. Невысокая стоимость установки, ее долговечность, невысокая себестоимость тепловой обработки. 7. Безопасность работы обслу­живающего персонала.

Ī

ĪĪ

ĪĪĪ

Рис. 5.8. Принципиальные схемы установок для тепловой обработки:

Ī — установки для тепловлажностной обработки: а — ямная камера; б—кассета; в — автоклав; г — верти­кальная камера Семенова; д — щелевая камера двухъ­ярусного конвейера; е — многоярусная туннельная каме­ра; ж — термопакеты; ĪĪ — сушилки; а — противоточная туннельная сушилка; б — прямоточная барабанная; в — противоточная распылительная; г — сушилка с «кипя­щим слоем»; д — аэробильная мельница с сушкой во взвешенном состоянии; ĪĪĪ — печи; а — туннельная; б— шахтная; в — вращающаяся; г — спекательная решетка; д — вагранка.