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9.2.4热支出项目……………………………………………………………………
9.2.5列出热平衡方程式……………………………………………………………
9.2.6列出冷却带热平衡表…………………………………………………………
10烧嘴的选用…………………………………………………………………………………
11总结…………………………………………………………………………………………
12参考文献……………………………………………………………………………………
二设计任务与原始资料
2.1课程设计的目的与任务
本课程的目的是对学生学习《陶瓷工业热工设备》课程的最后总结,学生通过课程设计将能综合运用和巩固所学知识,并学会如何将理论知识和生产实践相结合,去研究解决实际中的工程技术问题,本设计的任务主要是培养学生设计与绘图的基本技能,初步掌握窑炉设计的程序、过程与内容。
2.2设计基本要求
2.2.1课程设计应当成为创造性劳动,应表达出自己的设计思想,而不是简单地照搬现成的资料,独立思考完成,杜绝抄袭往届的课程设计。
2.2.2窑炉结构和工作系统合理,设计计算正确,独立完成,大胆创新
2.2.3图纸:
清晰干净,制图规范,尺寸齐全;
图纸文字一律仿宋字体,各字体大小参考机械制图书;
图纸上墨。
2.2.4设计图纸范围:
窑体结构图,窑体主要断面图。
2.3设计任务
年产300000件蹲便器天燃气隧道窑设计
2.4原始数据
产品尺寸:
600*400*300产品质量4公斤/件;
入窑水分:
2%
产品合格率:
90%
烧成制度:
烧成周期:
18小时,最高烧成温度:
1250℃
窑具:
窑车
三窑体主要尺寸的确定
3.1装车方法
由于产品不能承受较大压力,为了便于装车和便于控制和测量温度及气氛,采用顺序单层次装车方案:
沿长度方向上装6列棚板,沿宽度方向上装3排棚板,高度方向上装4层。
3.2窑车尺寸的确定
取制品与制品间间距为50mm
窑车车面尺寸为:
长Lc=300*5+4*50=1700mm,
宽Lb=600*3+50*2=1900mm。
3.3窑主要尺寸的确定
取制品与窑顶间间距为100m。
窑内高:
H=4*(175+25)+100=900mm。
取车台面高为400mm。
窑高:
400+H=1300mm。
取窑车也窑墙间距为75mm。
窑内宽:
B=600*3+50*2+75*2=2050mm。
为改善窑内传热,使制品在烧成带受热均匀。
烧成带窑内宽加宽300mm,取2800mm。
全窑制品数:
G=300000/24/330=37.9件。
每车制品数:
Gc=3*5=15件。
装窑密度:
ρ=15/2.02=7.43件/米。
窑内存车数:
Nc=101/2.02=50辆,取50辆。
窑的有效长度:
L=50*2.02=101m,实际长度取101m。
预热带:
Ly=101*10/18=56.1米,实际取57米。
烧成带:
LS=101*4/18=22.4米,实际取23米。
冷却带:
LL=101-57-23=21米。
每车用时:
18*60/50=22min。
设室内1/3的窑车数为备用车,则共需窑车数为50+16=66辆。
四工作系统的初步确定
5.1燃烧系统
在烧成带20-35号车位设10对烧嘴,均匀分布且呈交叉设置。
助燃空气不事先预热,由助燃风机直接抽取车间的室内空气。
5.2排烟系统
在预热带2-18号车位设17对排烟口,每车位一对交叉排列,烟气通过排烟孔到窑墙内的水平烟道,由3、6、9号车位的垂直烟道经窑顶的金属管道至排烟机,然后由铁皮烟囱排出至大气。
排烟机与铁皮烟囱皆设于预热带窑顶的平台上。
在冷却带的第35-43车位处设有21米长的间壁急冷段,由间壁上的7对小孔直接吸取车间冷空气。
同时,在同一段的窑顶有一段15米长的急冷风口,将排出去的热空气经窑顶上的金属管道送往预热带蹲气幕。
自40-49号车位设有4对热风抽出口,每车位对应一对。
5.3其他附属系统结构
5.3.1事故处理孔
事故处理孔尺寸为:
宽500毫米,高1250毫米,分别设在18号车位和34车位。
5.3.2
测温孔及观察孔
测温孔及观察孔在烧成曲线的关键处设置测温孔,低温段稀疏,高温处密集,以便于更好地了解窑内各段的温度情况。
观察孔是为了观察烧嘴的情况。
5.3.3测压孔
压力制度中零压面的位置控制特别重要,一般控制在预热带和烧成带交接面附近。
若零压过多移向预热带,则烧成带正压过大,有大量热气体逸出窑外,不但损失热量,而且恶化操作条件;
若零压过多移向烧成带,则预热带负压大,易漏入大量冷风,造成气体分层,上下温差过大,延长了烧成周期,消耗了燃料。
本设计以观察孔代替测压孔。
5.3.4膨胀缝
窑体受热会膨胀,产生很大的热应力,为避免窑体开裂,挤坏,必须留设膨胀缝。
分别在4、8、11、14、16、18、21、24、29号车位设置20mm的膨胀缝。
5.3.5窑道档板和挡火墙
窑道上的档板和挡火墙可以起到窑内气体的上下和水平导流、调整升温曲线、蓄热辐射及截流作用。
档板负责对窑内上半窑道的控制,采用耐高温硬质陶瓷纤维板制成,可以通过在窑顶外部调整位置的高低。
挡火墙负责对窑内下半窑道的控制,采用耐火砖砌筑,高低位置相对固定。
窑道档板和挡火墙设置在同一横截面上。
全窑共设置5对闸板和挡火墙结构,分别设置在9-10节、13-14节、23-24节、28-29节。
5.3.6钢架结构
遂道窑钢架结构起着加固窑体作用,而钢架本身又是传动系统的机身。
本设计采用金属框架装配式钢架结构,立柱用2.5t×
75×
50mm方钢、上横梁用2.3t×
50×
50mm方钢、下梁用2.5t×
100×
50mm方钢。
在一节窑体钢架中,每侧共有立柱3根,两头每个立柱上开有攻M12螺栓节间联接的6个孔。
下横梁每节共3根,焊在底侧梁上,下横梁上焊有50×
50mm的等边角钢作底架,以便在其上搁置底板。
上下侧板可用2~3mm钢板冲压制成,吊顶梁采用50×
5mm的等边角钢。
五燃料燃烧的计算
6.1空气量的计算
6.1.1理论空气量:
V
=[0.5CO+0.5H2+2CH4+(m+
)CmHn+1.5H2S-O2]*
=[0.5*6.8+0.5*57+2*22.3+(m+
)*2.9+1.50.2-0.8]*
因为组分CmHn的化学式不明确,所以采用经验数据进行计算。
据Qnet=17.52MJ/Nm3>
12.56MJ/Nm3,
所以:
=0.26*
-0.25=4.3Nm3
6.1.2实际空气量Va
设空气过剩量系数为r=1.25
Va=r*V
=5.38(Nm3/Nm3)
6.2烟气生成量的计算
6.2.1理论烟气量Vo
Vo=0.272*
+0.25=5.0Nm3
6.2.2实际烟气量V
又α=
=
=1.25
V=Vo+(1.25-1)V
=6.075MJ/Nm3
6.3燃烧温度的计算
6.3.1燃料的成分及热值
6.3.2理论燃烧温度Tth
假定空气不预热ta=20℃此时Ca=1.30KJ/Nm3.℃
天燃气tf=20KJ/Nm3Cf=1.41KJ/Nm3
烟气tc=1210℃Cc=1.58KJ/Nm3
则Tth=
=
=1830.9℃
相对误差ε=
=33.9%》5%
应当再进行计算:
取烟气tc=1700℃Cc=1.65KJ/Nm3.KJ/Nm3.℃
=1753.26℃
=2%<
5%
符合计算要求,即Tth=1753.26℃.
6.3.3实际燃烧温度Tp
隧道窑的高温系数取:
η=0.8
则Tp=Tth*0.8=1402.6℃
比制品烧成温度高了152.5℃.
所以,空气和燃料可不用事先预热亦可达到烧成温度的要求,即先前的假设是正确可取的。
六窑体材料的确定
根据各带的温度对窑墙、窑顶的要求,考虑砖型及外观,以及经济等因素,窑体材料的选择和参数列于下表:
温度范围
长度范围
窑壁材料厚度
窑顶材料厚度
钢板
粘土砖
轻质粘土砖
高铝砖
红砖
硅藻土转
钢架
石棉
20-900
0-35
30
320
450
100*100
150
350
900-1210
35-55
500
220
400
200
1210-80
55-96
250
图表4窑体材料材质及厚度
七热平衡的计算
8.1计算基准
8.1.1热平衡的计算标准:
计算时间基准:
1h
计算温度基准:
0℃
8.1.2热平衡计算范围:
Q
预热带和烧成带,不包括冷却带,冷却带另外单独计算。
Qa
Qf
8.1.3热平衡收支图
Q1
Qg
热收支平衡图
Q8
Q2
Q3
Q4
Q5
Q7
Q6
Q1=坯体带入的显热
Q2=棚板带入的显热
Q3=产品带出的显热
Q4=棚板带出的显热
Q5=窑墙窑顶散热
Q6=窑车积散热
Q7=物化反应耗热
Q8=其他热损失
Qg=废气带走显热
=漏入空气显热
Qa=助燃空气带入显热
Qf=燃料带入化学热及显热
图表5热平衡收支示意图1
8.2热收入
8.2.1坯体体带入的显热
坯体入窑时的热数据:
温度t120℃
比热c10.9kJ/kg.℃
每小时入窑干制品的质量G12400kg/h
则Q1=G1*c1*t1=43197kJ/h。
8.2.2棚板带入的显热
棚板入窑时的热数据:
温度t2=20℃
比热c2=0.75kJ/kg.℃
每小时入窑棚板的总质量G2=1147.5kg/h
则Q2=G2*c2*t2=17212.5kJ/h。
8.2.3燃料带入的化学热及显热Qf
设每小时需天燃气XNm3/h:
燃料的化学热数据:
Qnet=17520kJ/Nm3;
温度tf=20℃;
比热cf=1.41kJ/Nm3.℃;
则Qf=X*(Qnet+tf*cf)=X*17548.2kJ/h。
8.2.4助燃空气带入的显热Qa
助燃空气热数据:
温度ta=20℃;
比热ca=1.29kJ/Nm3.℃;
每小时需助燃空气量Va=5.38X;
则Qa=Va*ca*ta=X*138.8kJ/h。
8.2.5漏入空气带入显热Q
取预热带烟气中空气过剩系数αg=2.5,;
取烧成带燃料燃烧时空气过剩系数αf=1.29;
漏入空气的热数据:
温度t
=20℃;
比热c
=1.29kJ/Nm3.℃
每小时漏入空气量V
=X*(αg-αf)*V
=X*6.9Nm3/h;
Q
=V
*c
*t
=X*178kJ/h。
8.2.6气幕空气带入显热Qm
用作气幕的气体为冷却段急冷段处抽出来的热空气,其带入的显热由冷却带热平衡计算。
Qm=7200*cm*tm=2358000kJ/h.
8.3热支出
8.3.1制品带出显热Q3
离开烧成带制品的热数据:
温度t3=1210℃;
比热c3=0.92kJ/kg.℃;
烧成制品质量G3=2282.4kg/h;
则Q3=G3*c3*t3=2540767.7kJ/h.
8.3.2棚板带走显热Q4
离开烧成带棚板的热数据:
温度t4=1210℃;
比热c4=0.80kJ/kg.℃;
棚板质量G4=1147.5kg/h;
则Q4=G4*c4*t4=1110780kJ/h.
8.3.3烟气带走显热Qg
烟气包括燃料燃烧产生的烟气、预热带从不严密处漏出烟气,还有用于气幕的空气,其中气幕空气体积有冷却带热平衡计算:
Vm=72000Nm3/h.
离窑烟气热数据:
温度tg=250℃;
比热cg=1.32kJ/Nm3.℃;
体积Vg=[V
+(αg-1)*V
]*X+VmNm3/h;
则Qg=Vg*cg*tg=2004.75*X+330*Vm。
8.3.4窑车积散热Q6
采用经验计算方法:
窑车积散热占总热收入的25%。
8.3.5通过窑墙窑顶散失的热Q5
因各段窑墙窑顶的筑炉材料不尽相同,因此各段散热应加以分别计算。
8.3.5.1预热段
窑墙材料热数据:
窑墙厚S1=δ1+δ2+δ3=30+320+450=800mm
温差t2-t1=900-20=880℃
导热系数λ1=43.2,λ2=0.33,λ3=0.7
窑墙面积S1=108.5m2
则热流量q1=
=545.5W/m2窑墙散热Q1=q1*S1=59186.75kJ/h.
窑顶材料热数据:
窑顶厚S2=δ1+δ2=150+350=500mm
温差t2-t1=880℃
导热系数λ1=0.073,λ2=0.7
窑顶面积S2=115.5m2
则热流量q2=
=344.45W/m2
窑顶散热Q1=q2*S2=39784kJ/h.
8.3.5.2烧成段
窑墙厚S1=δ1+δ2+δ3=30+220+500=750mm
温差t2-t1=1210-20=1190℃
导热系数λ1=43.2,λ2=0.105,λ3=0.092
窑墙面积S1=76m2
=158W/m2
窑墙散热Q1=q1*S1=12009.5kJ/h.
窑顶厚S2=δ1+δ2=200+400=800mm
温差t2-t1=1190℃
导热系数λ1=0.073,λ2=0.092
窑顶面积S2=72m2
=168W/m2窑顶散热Q1=q2*S2=12088.8kJ/h.
8.3.6物化反应耗热Q7
<
1%取0.8%
自由水质量Gw=0.008*G1=19kg/h。
制品中含Al2O3,r=17.5%
根据经验公式:
Q7=Qw+Qr
=Gw(2490+1.93tg)+Gr*1200*r=212062kJ/h.
8.3.7其他热损失Q8
采用经验计算方法,其他热损失占总热收入的5%。
8.4热平衡方程
Q收=Q支
Q收=Q1+Q2+Qf+Qa+Q
=Qg+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8=Q支
解得X=179.3m3
8.5热值收支表
图表6热值收支表1
八冷却带热平衡的计算
9.1计算基准
9.1.1热平衡的计算标准:
9.1.2热平衡计算范围:
Q10
Q9
9.1.3热平衡收支图
Q16
Q17
Q11
Q12
Q13
Q15
Q14
Q3=坯体带入的显热
Q4=棚板带入的显热
Q9=窑车带入的显热
Q10=冷却带末端送入空气带入的显热
Q11=坯体带出的显热
Q12=棚板等带出显热
Q13=窑车积散热
Q14=抽送干燥用的空气带走的显热
Q15=窑墙窑顶散热
Q16=抽送气幕热空气带走的显热
Q17=其他热损失
图表7热平衡收支示意图2
9.2热收入项目
9.2.1坯体带入显热Q3
Q3即为烧成带坯体带出的显热,即:
Q3=2540767.7kJ/h。
9.2.2棚板等带入显热Q4
Q4即为烧成带棚板带出的显热,即:
Q4=1110780kJ/h。
9.2.3窑车带入显热Q9
Q9即为烧成带窑车带出显热,即:
Q9=Qsum*0.25*0.95
9.2.4冷却带末端送入空气带入显热Q10
送入空气热数据:
比热ca=1.29kJ/Nm3.℃。
送入空气量Vm=7200Nm3/h.
则Q10=Vm*ta*ca=26*Vm=187200kJ/h.
9.3热支出项目
9.3.1坯体带出显热Q11
出窑制品热数据:
温度t11=80℃;
比热c11=0.905kJ/kg.℃
出窑制品的质量G11=2281kg/h
则Q11=G11*c11*t11=165166.5kJ/h.
9.3.2棚板等带出显热Q12
棚板的热数据:
温度t12=80℃;
比热c12=0.75kJ/kg.℃;
棚板的质量G12=1147.5kg/h。
则Q12=G12*c12*t12=68850kJ/h。
9.3.3窑车带走和散失的热Q13
采用经验算法,占窑车带入热量的55%
Q13=0.55*Q9=0.55*Qsum*0.25*0.95。
9.3.4抽送干燥用的空气带走的显热Q14
抽送干燥用的空气为冷空气鼓入量Vx,并设此时空气温度为t14=250℃,c14=1.31kJ/Nm3.℃.
则Q14=Vx*c14*t14=327Vx。
9.3.5窑墙窑顶散失热Q15
窑墙厚S1=δ1+δ2+δ3=30+220+200=450mm
温差t2-t1=1210-80=1130℃
导热系数λ1=43.2,λ2=0.7,λ3=1.5
窑墙面积S1=116.85m2
=2520.5W/m2
窑墙散热Q1=q1*S1=294527kJ/h.
窑顶厚S2=δ=250mm
温差t2-t1=1130℃
导热系数λ=0.7kJ/kg.℃
窑顶面积S2=120.95m2
=3955W/m2
窑顶散热Q1=q2*S2=478357kJ/h.
9.3.6抽送气幕热空气带走的显热Q16
设每个小孔的气流量为Vo=800Nm3/h
气幕空气的热数据:
温度t16=250℃;
比热c16=1.31kJ/Nm3.℃;
气幕空气量Vm=9*Vo=7200Nm3/h.
则Q16=Vm*c16*t16=2358000kJ/h。
9.3.7其他热损失Q17
采用经验计算方法,为收入量的5%。
9.4热平衡方程
热收入=热支出
Q3+Q4+Q9+Q10=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15+Q16+Q17
解得Vx=3245m3
9.5热值收支表
图表8热值收支表2
热收入
热支出
项目
热值KJ/h
占收入百分比%
占支出百分比%
Qsum
九烧嘴的选择
每小时燃料消耗求出为X=173.9Nm3/h,该窑共设10对烧嘴。
每个烧嘴的燃料消耗量为:
173.9/20=10.87Nm3/h,查《现代建筑陶瓷工程师手册》选烧嘴号:
DW-I-3型涡流式短焰烧嘴,其生产能力为18Nm3/h,烧嘴前液化气压力为800Pa,空气压力为2000Pa,与其配合的烧嘴砖厚为230mm。
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