2. Технологические режимы.

Для просушиваемых материалов в зависимости от их состава, приданных им форм и размеров существуют оптимальные температурные режимы, предусматривающие изменение во времени технологически важных температур газов.

Если фактическая температура сушки превысит оптимальную, материал форм и стержней может потерять требуемые от него свойства вследствие разложения или улетучивания связующих веществ. В результате потери прочности формы и стержни легко разрушаются жидким металлом, что приводит к браку отливок по размерам или по загрязнению формовочной смесью.

Если температура сушки окажется ниже оптимальной, это вызовет понижение газопроницаемости форм и стержней, что затруднит удаление выделяющихся при литье газов и пара наружу и может послужить причиной образования газовых раковин в отливке и закаливания её поверхности. Возможно также засорение поверхности отливки формовочным материалом вследствие прочности формы или стержня, так как связующие вещества обеспечивают наибольшую прочность этих изделий в результате превращений, которые происходят только при оптимальной температуре сушки.

Таблица 1. Температурные режимы сушки материалов.

§2. Расчёт печи.

1. Задание.

Рассчитать камерную сушильную печь, имеющую выносные топки и тележку из стали 20 массой 500 кг. Печь предназначена для сушки литейных форм из смеси ФСЛ размерами 2,0*0,8*0,3 мм каждая в количестве 20 шт. Масса сухого материала всех форм G=8300 кг, масса опок из стали 20 составляет 1500 кг. Начальная влажность форм W ^в.м._нач. = 8%, конечная W^в.м._кон =2%. Начальная температура материала t_м.нач.=20 ⁰С. Время сушки 8ч, максимальная температура газов t_г1.=400⁰С, минимальная - t_г2=350⁰С в конце сушки. Топливо - природный газ с теплотой сгорания Q_н^р=33500кДж/м³.

2. Расчёты.

1. Расчёт горения топлива.

Для расчёта горения топлива примем коэффициент расхода воздуха α=1,15 [1]. Тогда получим: L_о=8,79м³/м³; L_α= 10,11 м³/м³; ΔV=1,0 м³/м³; V_α=11,11 м³/м³; i^б_об=3015 кДж/м³; v_L=11,8%; t^Б_α= 1820⁰ С.

2. Конструкция сушильной камеры.

В соответствии с рисунком 1 разместим формы в рабочем пространстве по ширине камеры в два ряда с промежутками между рядами и между садкой и боковыми стенками с=0,375 м; по высоте - три ряда, и четвёртый ряд состоит из одной формы, с прокладками между формами 0,1 м и по длине – в три ряда с промежутками между формами , а также между последними формами и торцовыми стенками – 0,25м. С учётом высоты платформы (0,5 м), на которой размещены формы, высота верхней садки над уровнем пола камеры 2 м. Примем расстояние от верха края садки до свода камеры 0,35 м.

При указанных размерах форм, их количестве и габаритных размерах камеры D=2,8 м, H_Е=2,35 м, L=7 м, коэффициент заполнения k=0,2 .

В качестве материала стен и свода принимаем строительный кирпич. Двери с двойными стенками изготавливаем из стального листа, заполняя промежуток между стенками шлаковатой.

3. Газодинамический и температурный режимы.

Продукты сгорания топлива входят в рабочее пространство из топок через отверстия, диаметр которых определим по формуле:

d ₀=c – tgβl.

А их количество по длине рабочего пространства:

n=L/(d₀+2tgβl)=10,7

Найдём площадь поперечного сечения топки (её длина равна длине рабочего пространства печи) согласно уравнению:

Ω≥3Σω=0,432

Примем следующие размеры поперечного сечения топки: высота – 0,75 м, ширина – 0,6м. Определим величину относительного расхода по формуле:

z = 1 + 0,5(0,155l/r₀ – 1)=3,76

Далее в соответствии с формулой находим энтальпию газов, выходящих из топки в рабочее пространство сушильной печи.

i₀=1195 кДж/м³

Найденному значению энтальпии соответствует температура t_г0= 800⁰С. Чтобы продукты сгорания выходили из топочной камеры с температурой 800⁰С, необходимо разбавить топочные газы воздухом или холодными продуктами сгорания.

Т.к. рассматривается сушильная печь с разбавлением топочных газов воздухом, то принимаем η_пир=0,9 и определив для конца сушки i_ф=0,9*3015 = 2713 кДж/м³, найдём по формуле количество воздуха, необходимое для снижения энтальпии продуктов сгорания от i_ф до i₀:

x_B=(i_ф – i₀)/(i₀ – i_B)=1,3м³/м³

4. Тепловой баланс.

Расход тепла, затраченного на испарение 1 кг влаги, характеризующий экономичность сушильной печи, можно рассчитать, зная количество топлива, израсходованного на операцию сушки, которое определим из теплового баланса печи.

Приход тепла. Химическое тепло топлива, согласно уравнению:

BQ_H^Pτ = ΔQ₁ + B(q₂ + q₃ + q₄)τ + Q_5топ+Q_5р.п. + Q6= B968,8*10⁶ кДж

Расход тепла. Для расчёта баланса периодически работающей печи необходимо знать изменения температуры газовой среды в процессе сушки. С этой целью приведём график изменения температур t_г1, t_г2, t_г0 .

Найдём среднее значение температуры t_г2 за период сушки по формуле:

а. Вычислим расход тепла на нагревание просушиваемых материалов и испарения начальной влажности W ^в.м._нач. = 8% и конечной W^в.м._кон =2% от постоянно уменьшающейся массы влажного материала. Пересчитаем влажность материала на неизменяющуюся сухую массу по формуле:

W^c.м. = W^п.м./(1 – 0,01 W^в.м.)=10,3%

Используя рекомендации для определения отдельных величин, найдём температуру массы сушимого материала в конце сушки:

Теперь можно определить статью баланса ΔQ₁ по уравнению:

ΔQ₁=4,34 кДж

б. Определим потери тепла с отходящими газами. Найдём по таблице величину i₂ при t_г2 и v_L=11,8 %, а также величину i_2в при v_L = 100%: i₂=398 кДж/м³ , i_2в=377 кДж/м³.

Тогда согласно формуле находим:

q₂=0,958*10⁴

Q₂= q₂Br=B273,9*10⁶ кДж

в.Найдём потери тепла вследствие химического недожога. Согласно рекомендации принимаем q₃*10²/Q^р_н=2% или

Q₃=0,02Q^р_н B r=B19,3*10⁶ кДж

г. Рассчитаем потери тепла топкой. По формуле получим

Q_5топ = (1 – η_пир) В Q_н^рτ=B193*10⁶

д. Вычислим затраты тепла на нагрев приспособлений и на покрытие потерь через стенки. Согласно заданию масса тележки и опок составляет 1750 кг.

Тогда согласно формуле:

Q_5пр=c_пр(t_м.кон. – t_м.нач)G_пр=0,263*10⁶ кДж

где теплоёмкость с=0,515 кДж/(кг*⁰С).

Для нахождения потерь тепла теплопроводностью через стенки камеры найдём среднюю за операцию температуру внутренней поверхности стенок, рассчитав аналогично t_г2 значения t_г0=710⁰С и t_г1=380⁰С и взяв среднее значение из них t_г1=0,5(710+380)=545⁰С.

Рассчитав температуру наружной поверхности стенок, приняв q_5т=700 Вт/м²:

t₂=76⁰С.

Найдём толщину стенок камеры:

S=λ(t₁-t₂)/ K_зап q_5т=0,431 м

При этом коэффициент теплопроводности для легковесного кирпича равен:

λ=0,519 Вт/м*с

Примем окончательную толщину стенки в два кирпича, что с учётом швов при прокладке составит S=0,470 м. При внутренней поверхности стен сушильной камеры F₁=39,5 м² и наружной поверхности F₂=46 м² средняя поверхность составит

F= 42.75 м²

Тогда потери тепла теплопроводностью через стенки сушильной печи

Q_5т.ст=0,638*10⁶ кДж

Потери тепла через свод рассчитываем аналогично, приняв q_5т=700 Вт/м², t_св1=t_г1=380⁰С, t_св2=76⁰С.

Для кирпича λ₁= 0,528 Вт/м*⁰С.

Примем S₁=0,115м, S₂=0,075м, λ/S=1/(0,115/0,528+0,075/0,129)= 1,251 Вт/(м²*⁰С). При F_св=28,9 м² потери тепла через свод составят:

Q_5т.св=0,317*10⁶ Дж

Рассчитав при λ=0,084 Вт/(м²*⁰С), S=0,035м, F=9,25 м² потери тепла через двери сушильной камеры Q_5т.дв=0,196*10⁶ кДж, найдём общие потери тепла теплопроводностью:

Q_5т.р.п= Q_5т.ст+Q_5т.св+ Q_5т.дв= 1,151*10⁶ Дж

Тогда затраты тепла на нагрев приспособлений и на покрытие потерь тепла теплопроводностью составят:

Q_5р.п=1,414 кДж

е. Определим количество тепла, аккумулированного стенками рабочего пространства. Найдём сначала температуры внутренних поверхностей стенок. Эти температуры примем равными средним температурам газов, омывающих стенки изнутри, значение которых изменяются от t_г0 до t_г1. Следовательно, температура внутренней поверхности стенок будет в начале операции t_1нач, когда перед этим камера охлаждалась воздухом с температурой t_в=20⁰С, а затем в неё стали поступать газы с температурой t_г0нач=550⁰С при температуре газов под сводом камеры t_г1нач=200⁰С.

t_г1нач=242 ⁰С.

в конце периода I t_1I= 600 ⁰С.

в конце периода II t_1II=525 ⁰С.

Средние величины отклонения этих температур от t_1нач будут следующими: за время τ_I Δ t_1I=251 ⁰С.

За время τ_II Δ t_1II= 320 ⁰С.

За время τ_I+ τ_II Δ t_1нагр= 285 ⁰С.

В течение периода охлаждения τ_III=25200 с внутренняя поверхность стенок остывает от t_1II= 525 ⁰С до t_1нач= 242 ⁰С, причем среднее значение изменение температуры составляет Δ t_1охл= 226 ⁰С.

Определим приведённое время нагрева и охлаждения, по формулам:

Учитывая, что τ_нагр=288000с, τ_охл= τ_III=25200с:

τ’=22845 с

τ’’=12570 с

При средней за время нагрева температуре внутренней поверхности кирпичных стенок t_1нагр=Δ t_1нагр+ t_1нач=527 ⁰С.

Имеем λ= 0549 Вт/м* ⁰С.

с=920Дж/(кг*С), ρ=1300 кг/м³.

Материал изоляции двери имеет меньшие λ и ρ, но зато охлаждается сильнее. Поэтому при расчете Q₆ принимаем теплофизические свойства одинаковыми для всех ограждений печи.

Суммируя внутренние поверхности стен, свода и двери, получим всего 72,5 м². Тогда по формуле

Q₆=1,99*10⁶ кДж

Составим уравнение теплового баланса:

Q_x=ΔQ+Q₂+Q₃+Q_5топ+Q_5ргт+Q₆=14,1 кДж

В котором определим расход топлива:

B=0,0145 м³/с или = 54 м³/ч²

Запишем статьи теплового баланса (10⁶ кДж): здесь и далее представлены только расходные части балансов (в скобках – доля статей, %):

ΔQ₁………………………………4,34(27,8)

Q₂………………………………. .4,44(28,4)

Q₃……………………………….. 0,32(2)

Q_5топ………………………………13,12(20)

Q_5р.п……………………………….1,42(9,12)

Q₆…………………………………1,99(12,7)

Итого……………………………..15,63(100)

Основные теплотехнические показатели сушильной печи следующие:

Коэффициент полезного действия

η=ΔQ₁/(Q₂+Q₃+Q_5топ+Q_5т.п+Q₆)=0,25125%

расход тепла на 1 кг испаренной влаги по формуле

q _исп = 14 кДж

При этом удаляется вода в количестве G_вод=666 кг.

Анализ теплового баланса показывает, что в сушильной печи данной конструкции основными являются потери тепла с отходящими газами вследствие балластирования продуктов сгорания воздухом, подаваемым для разбавления газов с целью снижения их температуры.

Показатели работы печи можно улучшить, если вместо воздуха использовать продукты сгорания, покинувшие рабочее пространство, т.е. применить рециркуляцию.

Вывод:

В ходе работы были рассчитаны:

1. размеры камеры печи: D=2,8 м, H_Е=2,35 м, L=7 м;

2. расстояние между садкой и боковыми стенками с=0,375 м, расстояние между последними формами и торцовыми стенками – 0,25м, высота верхней садки над уровнем пола камеры 2 м, расстояние от верха края садки до свода камеры 0,35 м;

3. толщина стенки S=0,470 м, толщина свода камеры S=0,115м, толщина двери камеры S=0,35м;

4. тепловой баланс: приход тепла Q_х= 14,1 кДж; расход тепла Q =14 кДж;

5. расход топлива В = 0,0145 м³/с;

6. коэффициент полезного действия η=0,25.

Список литературы:

1. «Теплотехнические расчёты металлургических печей». Под ред. Телегина А.С. Москва. «Металлургия».1982г.

2. «Промышленные печи». Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975г.

15