книги из ГПНТБ / Никифорова, Н. М. Основы проектирования тепловых установок при производстве строительных материалов учеб. пособие для техникумов

Первые цифры относятся к обжигу в капселях, вторые - на этажерках.

§ 3 . П р о е кт и р о в а н и е п е ч е й д л я о б ж и га к у с к о в ы х и п о р о ш ко ­ о б р а з н ы х м а т е р и а л о в

Весь объем работ по проектированию печных установок можно разбить на следующие части: сбор необходимых дополнительных данных, технологический расчет, теплотехнический расчет, состав­ ление чертежей.

Методики проектирования шахтных и вращающихся печен не имеют существенного различия и могут быть использованы для проектирования при обжиге в них любых материалов.

Данные для проектирования. В задании на курсовое проектиро­ вание указывается только годовая производительность предприя­ тия, для которого проектируется печь (Gr) по готовому продукту, и род продукции. Проектант по справочным материалам и эксплуа­ тационным данным заводов подбирает следующие дополнительные данные:

а) по материалу: влажность при входе в печь, содержание (в %) в сырье AI2 O3 в случае обжига керамики, химический состав сырья н готового продукта (в случае обжига вяжущих материалов), рас­ ход тепла на обжиг единицы обожженного пли сырого продукта с учетом экзотермических процессов, температура материала при входе в печь и конечная при обжиге, теплоемкость материала;

б) по режиму обжига: максимальная температура обжига, ко­ эффициент избытка воздуха в зоне горения топлива п в отходящих газах, температура воздуха, поступающего на горение, и отходя­ щих газов, разрежение перед дымососом и давление дутья;

в) по топливу: тип топлива, элементарный состав и теплота сго­ рания;

г) прочие данные: съем готовой продукции с 1 л/ 3 рабочего про­ странства печи, температура воздуха, окружающего печь, средняя температура наружной поверхности печи.

Технологический расчет. В соответствии с нормами технологиче­ ского проектирования устанавливают режим рабочего времени за­ вода, для которого проектируют печь, т. е. определяют количество рабочих часов в году.

Далее определяют часовую производительность завода как по готовому продукту, так и по абсолютно сухому и поступающему на обжиг сырью. Формулы пересчета производительности с обожжен­ ного продукта на сырье и абсолютно сухой даны в гл. V.

Затем выбирают типовую конструкцию так, чтобы расчетное количество печей для данного завода приближалось к целому чис­ лу. Предварительно рассчитывают общий полезный объем всех пе­ чей, необходимый для получения заданной производительности при осуществлении прогрессивных съемов, принятых из табл. 34 и 35,

K = Glg,

где Ѵп — потребный печной объем, иі3; G — производительность за­ вода в готовом продукте за ч или cyr.; g — съем готового продукта с 1 мг рабочего пространства печи, кг или тза ч или сут.

101

Определяют потребное число печей

п = V JV ,

где V — полезный объем принятой к установке печи, м3. Теплотехнический и гидравлический расчеты печи. Конечной

целью теплотехнического расчета печи является определение рас­ хода топлива, проектирование топок (если сжигание топлива не производится непосредственно в рабочей полости печи) и подбор горелок в случае сжигания топлива факельным способом. Гидрав­ лический расчет печи состоит в расчете сопротивлений и подборе тяговых п дутьевых устройств — вентиляторов, дымососов или ды­ мовых труб.

Большую часть теплового расчета печи занимает составление баланса тепла, из которого находится расход топлива и определяет­ ся термический к. п. д. печи.

Теплотехнический расчет печи рекомендуется производить в следующей последовательности: сначала ведут расчет горения ра­ бочей массы топлива при нескольких значениях коэффициента избытка воздуха, соответствующих теоретическому значению а = І, в зонах горения топлива и отходящих газов. Величины коэффи­ циента избытка воздуха могут быть приняты по результатам теп­ лотехнических испытаний печей, опубликованных в специальной и периодической литературе, а для топок — в соответствии с нормаль­ ными показателями их работы.

Для проверки возможности качественного обжига того или ино­ го материала на данном топливе определяют теоретическую и прак­ тическую температуру горения топлива Для проектируемой печи. Такие результаты расчета горения топлива, как расход воздуха на горение, количество образовавшихся при горении газов, исполь­ зуют в дальнейших расчетах при составлении баланса тепла и под­ боре тягодутьевых устройств.

Далее составляют баланс тепла, состоящий из отдельных ста­ тей прихода и расхода тепла на заранее установленную единицу, которой может быть 1 кг топлива, 1 кг обожженного материала или 1 ч работы печи. Отдельные статьи баланса при этом должны быть строго отнесены к какой-либо из этих условных единиц, так же как и полученная цифра расхода топлива. При составлении баланса тепла проектируемой печи величину расхода топлива рекомендуют принимать за неизвестную величину и определять ее, решая урав­ нение баланса: сумма всех статей прихода тепла равна сумме всех статей его расхода, как уравнение с одним неизвестным.

Для печей непрерывного действия — шахтных, вращающихся, туннельных и кольцевых — баланс тепла принято составлять по от­ дельным зонам. Например, один баланс для зоны подогрева и об­ жига при определении расхода топлива, второй для зоны охлажде­ ния при определении расхода воздуха на охлаждение, принятого в этом балансе также за неизвестную величину. Для печей периоди­

102

ческого действия однокамерных баланс тепла составляют по от­ дельным периодам обжига ввиду переменного расхода топлива в них.

При проектировании тепловых установок рекомендуется также составлять материальный баланс, основанный на законе сохране­ ния массы вещества: сумма массы веществ, вступающих во взаимо­ действие, равна сумме массы веществ, образующихся в результате тепловой обработки. Материальный баланс составляют по резуль­ татам технологического и теплового расчетов, он служит подтверж­ дением правильности полученных в них величин, в частности, рас­ хода топлива, количества образовавшихся продуктов. При тепло­ технических испытаниях действующих тепловых установок произ­ водятся замеры массы (веса) взаимодействующих и получаемых в результате теплообработки материалов. В этом случае данные ма­ териального баланса служат основой для всех теплотехнических расчетов, связанных с установлением технико-экономических пока­ зателей работы испытываемых установок. Пример составления ма­ териального баланса приведен в расчете вращающейся печн для обжига цемента.

Общая форма баланса тепла для зоны обжига и подогрева шахтных и вращающихся печей на 1 ч работы печи.

Часовой приход тепла (кдж)ч). 1 . От сгорания топлива

Я і — Q HB 4,

где Qup— теплота сгорания топлива, кдж!кг\ Вч— часовой расход топлива, принятый за неизвестную величину, кг/ч.

2. С воздухом, поступающим на горение,

Я і = В ч Ѵ Bc J B,

где Ѵв — объем воздуха, необходимый для горения 1 кг топлива при значении коэффициента избытка воздуха в зоне горения; при­ нимают из расчета горения топлива; если в расчете горения расход воздуха получен в массовых единицах, то в формуле при подста­ новке массы воздуха теплоемкость его также принимается мас­ совой; св — объемная теплоемкость воздуха, кдж/м3-°С; ta — темпе­ ратура воздуха при входе в зону горения, °С.

3.С топливом, поступающим на горение,

Яз — В 4cTtT,

где ст— теплоемкость топлива, для высоковязких мазутов может быть принята ст=2,05 кдж/кг-°С, для газообразного топлива — в зависимости от его температуры и состава; tT— температура топ­ лива, поступающего на горение, °С.

Твердое топливо обычно не подогревают, и эта статья баланса при его сжигании мо'жет не учитываться.

103

Часовой расход тепла (кдою/ч). А. Полезный.

1. На химические реакции в материале при его обжиге

Чі==?ХІІМ^Ч>

где <7 хнм — расход тепла на химические реакции с учетом экзотер­ мических процессов на 1 кг обожженного материала, кдж\ G4— ча­ совая производительность печи по массе обожженного материала, кг/ч.

Тепло, затраченное на химические реакции при обжиге, может быть принято по данным табл. 39.

2 . На нагрев материала до конечной температуры обжига. статью баланса принимают в расчет в том случае, если расход теп­ ла на нагрев материала не учтен в расходе тепла на химические реакции:

Чг= G 4cM{tK- Q .

где G4 —часовая производительность печи по обожженному мате­ риалу, кг/ч; см — теплоемкость обожженного материала, кдж/кгХ Х°С; начальная и конечная температуры материала при обжиге, °С.

3. На испарение влаги из необожженного материала и перег паров до температуры отходящих газов

^ 3 = 0 ^ ( 2 4 8 7 + 1,96^.г),

104

4. Потери тепла с уходящими газами и с присосом воздуха че­ рез неплотности печи. Эти потери складываются из теплосодержа­ ния газов, образовавшихся в результате сгорания топлива и выде­ лившихся при разложении сырьевых материалов.

*74 ■( ^ ч ^ г а з П а з 0 ,,П г а з С г а з ) ,г>

где Ѵгаз— объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг

Если из материала происходит выделение разнородных газов, отличных по своей теплоемкости, то в скобках будет соответственно большее число слагаемых.

5. Потери тепла поверхностью печи путем излучения и конвек­ ции могут быть рассчитаны с помощью суммарного коэффициента теплоотдачи

Q5 ctcyM(^.p.CT tB) Е-3,6,

где аСум — суммарный коэффициент теплоотдачи, вт/м2-°С; прини­ мают'по табл. 32 в зависимости от температуры наружной поверх­ ности печи или по графику рис. 4; 7ср.ст— средняя температура на­ ружной стенки печи, °С; 7В— температура окружающего возду­ ха, °С.

6 . Потери тепла с химическим недожогом топлива принимают по практическим данным в зависимости от рода топлива в % от первой приходной статьи баланса

?б=СЙЯч<7з-0,01,

где <7 зи — химический недожог, % от прихода тепла при сгорании топлива.

7. Потери тепла с механическим недожогом топлива принимают по практическим данным в зависимости от рода твердого топлива и условий его сжигания:

?7=<?£я ч?4'0,о і,

где <7 4 и— потери тепла с механическим недожогом, % от прихода тепла при сгорании топлива.

105

Уравнение баланса тепла

?1 + ?2 + 9 з = <7 і + ^2 + . ^ 3 + <?4 + < 7 5 + Чъ~\- Чт-

При решении уравнения баланса тепла определяют часовой рас­ ход топлива Вч.

Для сравнения полученной цифры расхода топлива с нормами производят пересчет ее на расход условного топлива на единицу обожженного материала (кг условного топлива//« материала):

где QHP — теплота сгорания топлива, кдж/кг\ 29300 — теплота сго­ рания условного топлива кдж/кг.

Общая форма баланса тепла зоны охлаждения.

Часовой приход тепла (кдж/ч).

1. С воздухом, поступающим на охлаждение,

где Ѵх — объем воздуха, необходимый для охлаждения; принимают

2. С материалом, выходящим из зоны обжига печи,

где G4— часовая производительность печи по обожженному мате­ риалу, кдж/кг-, си — теплоемкость обожженного материала, кдж/кг-°С\ tK— конечная температура обжига материала, °С.

Часовой расход тепла (кдж/ч). А. Полезный.

1. На нагрев охлаждаемого воздуха

?і=ѵ Ѵ А .в.

где /к.в — конечная температура воздуха при выходе из зоны, °С.

Б.Потери тепла.

2.С выгружаемым из печи материалом

4z==G4ctitu,

где tM— температура материала, покидающего печь, °С.

3. Потери тепла зоной охлаждения печи во внешнюю среду

где сссум — суммарный коэффициент теплоотдачи зоны охлаждения,

106

б т / м 2 - °С; іср.охл — средняя температура поверхности зоны охлаж­ дения, °С; U — температура окружающего воздуха, °С; F — наруж­ ная поверхность зоны охлаждения печи, м 2.

Уравнение баланса тепла зоны охлаждения, из которого опре­ деляют неизвестную величину Ух,

Я \ ~Ь Чі — Qi "Ь <72 + 93-

Основы аэродинамического расчета тепловых установок. Аэро­ динамический расчет тепловых установок сводится в основном к определению сопротивлений на пути движения газовых потоков, подбору и расчету тягодутьевых устройств — вентиляторов, дымо­ вых труб.

Исходными данными для их выбора являются производитель­ ность и величина создаваемого ими полного напора Рп, необходи­ мого для преодоления сопротивлений трению Ртр о стенки каналов, различного рода встречающихся местных сопротивлений Рм, гео­ метрических Рг, связанных с изменением уровня канала, а также для создания определенной скорости движения газов, обусловли­ вающей величину динамического напора РДІШ. Понятие о сущности отдельных видов напоров, а также методика их расчета приводятся

вучебниках по теплотехнике.

Вданном руководстве уделяется внимание расчету напора, рас­ ходуемого на сопротивления,

м/сек.-, рt — плотность газа при заданной температуре, кг/м2. Напор (н/м2), потерянный на преодоление местных сопротив­

лений,

где £— коэффициент местного сопротивления, принимают в зависи­ мости от вида сопротивлений по табл. 40.

Величину скорости движения газов в каналах без теплообмена рекомендуется брать в следующих пределах: для наземных метал­ лических воздухопроводов — 8 —1 2 , для газопроводов холодного га­ за-— 1 0 —1 2 , горячего газа — 2 —3, для подземных дымовых боро­ вов — 1 —2,5 м/сек.

107

Исходя из принятой скорости движения и расчетного часового расхода газа Ѵч, рассчитывают поперечное сечение газопровода f (л/2), устанавливают его линейные размеры и величину РДІІІІ:

Геометрический напор (н/м2) учитывают в случае изменения уровня канала на высоту Н. При повышении уровня канала его вычитают из суммы всех напоров, при понижении уровня — прибав­ ляют:

P T = H g { ? , * — ?t газ).

где g — ускорение силы тяжести, g —9,8 м/сек2-, р/в, р<газ— плотно­ сти окружающего воздуха и газов при их температурах, кг/м3.

Динамический напор (н/м2), обеспечивающий постоянную опти­ мальную скорость движения газа в нагревательной установке,

^д ин =®2-Р//2-

Сопротивление плотного слоя сыпучего материала.

В шахтных печах газы, двигаясь по шахте, преодолевают сопро­ тивление слоя сыпучего материала, фильтруясь через него.

Сопротивление слоя (н/м2) может быть определено по формуле ВТИ [3]

где I — коэффициент сопротивления газа, зависящий от числа Рей­ нольдса (Re) и вида материала с определенным коэффициентом пустотности /гп = 0,4—0,6; при Re>7 и Ап=0,4

Н — высота слоя, м\ сІж— средневзвешенный размер куска, лг, и0 — скорость газов при 0 °С в полном сечении шахты, м/сек-, р,С— плот­ ность газов, проходящих через слой при их средней температуре,

кг/м3.

Сопротивление «кипящего слоя» (н/м2) сыпучего материала

Я к.сл= £ (Рм — Ргаз)ЛІ-“*п> ,

где g — ускорение силы тяжести, кГ/сек2; рм, ргаз—-плотности ма­ териала в кусках и газа; h — высота слоя материала, м; /еп — коэф­ фициент пустотности.

108

Т а б л и ц а 4С

Коэффициенты местных сопротивлений