Каталог :: Теплотехника

Курсовая: Стекловаренная печь

     1.Назначение печи.
     В данном курсовом проекте будет рассмотрена ванная печь непрерывного
действия. Тип печи-регенеративная ,проточная с подковообразным  направлением
пламени. Конструктивно печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные
между собой по стекломассе протоком. 
     Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя герметизированными
загрузочными карманами ,расположенными по ее боковым сторонам.
     Варочный бассейн печи отапливается природным газом. Для отопления варочного
бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены
ванной печи, противоположной ее выработочной части. 
     Удаление дымовых газов из варочного бассейна стекловаренной печи
осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными
клапанами, отсечным, поворотным шиберами и металлической дымовой трубой при
помощи основного и резервного дымососов ДН-9У.
     Для использования тепла отходящих дымовых газов, печь оборудована
регенераторами с насадкой типа «Лихте» с ячейками 170х170.
     Тепло отходящих газов используется также в котле-утилизаторе.
     Производительность печи-70 тонн в сутки.Вырабатываемый ассортимент-бутылка из
темнозеленого стекла.
     2.Обоснование производительности.
     Тип печи-регенеративная, проточная с подковообразным направлением пламени.
Производительность печи-70 тонн в сутки. Форма и размеры выработочного бассейна
приняты конструктивно из условия размещения одной машинолинии АЛ-118-2 (восьми
секционная, двух-капельная). Автомат обслуживается одной бригадой из трех
человек в смену(два машиниста и один наладчик стеклоформующей машины). Всего
смены три. Вырабатываемый ассортимент- бутылка из темнозеленого стекла. Масса
бутылки- 340 грамм. Количество резов составляет-80(в минуту). Коэффициент
использования стекломассы (КИС)-0,95.
     Данная стекловаренная печь предусматривает эффективную тепловую изоляцию стен
и дна бассейна, стен пламенного пространства, горелок, сводов варочного,
выработочного бассейнов, горелок и регенераторов, что заметно увеличит
производительность стеклотары на данном участке производства.
     3.Выбор удельного съема и расчет основных геометрических размеров печи.
     Химический состав стекла:
     SiO2-72 %
     Fe2O3+AL2O3-2,3 %
     Na2O+К2О-14%
     CaO+MgO-11,5%
     SO3-0,2%
     Максимальная температура варки-1500˚C
     В температурном интервале от 23 до 1500˚С вязкость стекол изменяется на
18 порядков. В твердом состоянии вязкость составляет примерно 1019 
Па с, в расплавленном состоянии-10 Па с. Температурный ход вязкости показан на
рисунке. При низких температурах вязкость меняется незначительно. Наиболее
резкое снижение вязкости происходит в интервале 1015-107 
Пас. 
     Кривая температурного хода вязкости.
     Определяем основные размеры рабочей камеры.
     Площадь варочной части печи, м2:
     F=G* 103/g;
     Где G-производительность печи, кг/сутки;
     g-удельный съем стекломассы с зеркала варочной                
     части, кг/(м2*сут).
     Принимаем g=1381 кг/(м2*сут.).
     Тогда F=70000/1381=50,68 м2.
     Длина варочной части для печи с подковообразным направлением пламени
рассчитывается из соотношения
     L:B=1,2:1
     L:B=1,2
     L*B=50,68
     1,2*х*х=50,68
     х2=50,68:1,2
     х=6,5м (ширина B)
     6,5*1,2=7,8 м (длинаL)
     Соотношение длины и ширины L/B=7,8/6,5=1,2
     Ширина пламенного пространства на 120 мм больше ширины бассейна, т.е.
6,5+0,12=6,62 м
     Высота подъема свода f=6,62/8=0,83 м.
     Длина пламенного пространства 7,8+0,2=8 м.
     Глубина бассейна: студочного    мм , варочного     мм.
     Площадь студочной части при температуре варки 1500С принята равной площади
варочной части:Fст= 50,68м2.
     Ширина студочной части составляет 80% ширины варочной части: 6,5*0,8=5,2 м.
Принимаем ширину загрузочных карманов (6,5-0,9)/2=2,8 м, где 0,9 м – ширина
разделительной стенки. Длина загрузочного кармана 1 м.
     4.Обоснование распределения температур в печи.
     Термический процесс, в результате которого смесь разнородных компонентов
образует однородный расплав, называется стекловарением. 
     Сыпучую или гранулированную шихту нагревают в ванной печи, в результате чего
она превращается в жидкую стекломассу, претерпевая сложные физико-химические
взаимодействия компонентов, происходящие на протяжении значительного
температурного интервала. 
     Различают пять этапов стекловарения: силикатообразование, стеклообразование,
осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение), студка (охлаждение).
     Отдельные стадии процесса стекловарения следуют в определенной
последовательности по длине печи и требуют создания необходимого температурного
режима газовой среды, который должен быть строго неизменным во времени.
Распределение температур по длине и ширине ванной печи зависит от свойств
стекла и условий варки. При варке темнозеленого стекла  температура в начале
зоны варки (у загрузочного кармана) 1400-1420˚С, так как в этой части
бассейна печи происходят нагрев, расплавление и провар шихты, т. е. завершение
стадий силикатообразования, стеклообразования и частичное осветление
стекломассы. Температура стекломассы у загрузочного кармана 1200-1250˚С. В
зоне осветления температура газовой среды поддерживается
максимальной-1500˚С, так как при такой температуре вязкость стекломассы
снижается, происходит интенсивное осветление и завершается гомогенизация. В
зоне студки температура газовой среды плавно понижается до 1240˚С, что
приводит к увеличению вязкости стекломассы. В зоне выработки температурный
режим устанавливается в зависимости от требований, необходимых для нормальной
выработки стекломассы и формования из нее стеклоизделий.
     Для установления стационарного температурного режима газовой среды в печи
необходимо регулировать количество и соотношение топлива и воздуха, подаваемого
в печь, тщательно их смешивать и своевременно отводить отходящие дымовые газы.
     Возможность установления определенного температурного режима
предусматривается конструкцией ванной печи. 
     На изменение температурного режима оказывает влияние давление газов в рабочей
камере печи. Повышение давления до определенных пределов способствует более
равномерному прогреву отдельных частей печи, так как объем рабочей камеры
максимально заполняется пламенем. Создание разряжения в печи приводит к
уменьшению распространения пламени и присосу холодного воздуха через отверстия.
Это ухудшает равномерность распределения температур и вызывает понижение
температур в тех участках печи, куда проникает холодный воздух. 
     Температурный режим печи зависит также и от температуры факела пламени и ее
распределения по длине факела. Температура факела регулируется подачей воздуха.    
     5.Расчет горения топлива, действительной температуры факела и минимальной
температуры подогрева воздуха.
     Теплоту сгорания топлива определяют по его составу:
     Qн=358CH4+637C2H6+912C3H8+1186C4H10;
     Qн=358*93,2+637*0,7+912*0,6+1186*0,6=35200 кДж/м3
     Уравнения реакций горения составных частей топлива:
     CH4+2O2=CO2+2H2O+Q;
     C2H6+3,5О2=2СО2+3Н2О+Q;
     C3H8+5O2=3CO2+4H2O+Q;
     C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O+Q.
     Коэффициент избытка воздуха L=1,1.
     Расчет горения сводим в таблицу:
     
     

Состав топлива, %

Содержание газа, м33

Расход воздуха на 1м3 топлива, м3

Выход продуктов горения на 1 м3 топлива,м3

О2Т

О2Д

N2Д

VL

CO2

H2O

N2

O2

CH4-93,2

0,932

1,864

1,96х1,1

2,16х

х3,76

2,16+

+8,10

0,932

1,864

-

-

2,796

С2Р6-0,7

0,007

0,025

0,014

0,021

Из воздуха

Из воздуха

0,035

С3H8-0,6

0,006

0,030

0,018

0,024

8,1

0,2

8,142

C4H10-0,6

0,006

0,039

0,024

0,030

-

-

0,054

N2-4,4

0,044

-

-

-

-

-

-

0,044

-

0,044

СО2-0,5

0,005

-

-

-

-

0,005

-

-

-

0,205

Сумма-100

1

1,96

2,16

8,1

10,26

0,993

1,939

8,144

0,2

11,276

ОиО-расход кислорода соответственно теоретический и действительный, при L=1,1; N- действительный объем азота из воздуха; VL-действительный расход воздуха для горения 1 м3 газа; VД-объем продуктов горения на 1 м3 газа. Объемный состав продуктов горения, %: CO2=0,993*100/11,28=8,80 H2O=1,939*100/11,28=17,20 N2=8,144*100/11,28=72,23 O2=0,2*100/11,28=1,77 _________________________ Сумма-100 Определим расход топлива: Составим тепловой баланс варочной части печи. Приходная часть 1.Тепловой поток ,поступающий при сгорании топлива, кВт: Ф1=QнХ, где Qн-теплота сгорания топлива,кДж/м3; Х- секундный расход топлива, м3/с. Ф1=35200Х кВт. 2. Поток физической теплоты, поступающий с воздухом, кВт: Ф2=VLcвtвХ, где VL-расход воздуха для горения 1 м2 топлива,м3; tв- температура нагрева воздуха в регенераторе-горелке˚,С; св-удельная теплоемкость воздуха при температуре нагрева(данные взяты из приложения), кДж/(м3˚С). Принимаем температуру подогрева воздуха в регенераторе1100˚С и повышение температуры в горелкена 50˚С. Тогда Ф2=10,26*1150*1,455=17150Х кВт. Потоками физической теплоты топлива, шихты и боя пренебрегаем ввиду их незначительности. Общий тепловой поток будет равен: Фприх.=35200Х+17150Х=52350Х кВт. Расходная часть 1.На процессы стеклообразования, кВт: Ф1=ng, где п- теоретический расход теплоты на варку 1 кг стекломассы, кДж/кг; g- съем стекломассы, кг/с. Так как состав стекла и шихты в расчете не учитываются, то по данным Крегера, можно принять расход теплоты на получение 1 кг стекломассы и продуктов дегазации равным 2930 кДж/кг: g=70*1000/24*3600=0,81 кг/с; Ф1=2930*0,81=2373 кВт , 2.Тепловой поток, теряемый с отходящими из печи дымовыми газами, кВт: Ф2=VДtДCДX, Где VД -объем дымовых газов на 1м3 топлива, м3; TД-температура уходящих из рабочей камеры дымовых газов, ˚С; принимается равной температуре варки 1500˚ С; CД –удельная теплоемкость дымовых газов при их температуре, кДж/(м3*˚С). Удельную теплоемкость продуктов горения подсчитывают как теплоемкость смеси газов: сД=cСО2 rCO2+cH2O rH2O+cN2 rN2+cO2rO2, где r-объемная доля компонентов газовой смеси; с-теплоемкость газов, кДж/(м3*˚С); СД1500=2,335*0,0880+1,853*0,172+1,444*0,722+ +1,529*0,0177=1,6 кДж/(м3*˚С). Определяем тепловой поток: Ф2=11,28*1500*1,6Х=27072Х кВт. 3. Тепловой поток, теряемый излучением, кВт: Ф3= ( СоφF(Т1/100)4-(Т2/100)4)/1000. Где Со- коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(м24); φ- коэффициент диафрагмирования; F- площадь поверхности излучения, м2; Т1иТ2- абсолютная температура соответственно излучающей среды и среды, воспринимающей излучение, К а ) Излучение через загрузочный карман. Для расчета коэффициента диафрагмирования φ принимаем отверстие за прямоугольную щель высотой Н=0,2м, шириной равной ширине загрузочного кармана –1,7 м, толщиной арки δ=0,5 м. Тогда Н/δ=0,2/0,5; φ=0,4. Рассчитаем площадь излучения: F=1,7*0,2*2=0,68 м2 (так как загрузочных карманов два). Принимаем температуру в зоне засыпки шихты t1=1400˚C,а температуру окружающего воздуха t2=20˚С. Тогда (Т1/100)4=78340 (Т2/100)4=73,7 Находим тепловой поток Фа=(5,7*0,4*0,68(78340-73,7))/1000=121кВт. б) Излучение во влеты горелок. Принимаем суммарную площадь влетов равной 3% площади варочной части: F=50,68*0,03=1,5 м2. Высоту влетов предварительно принимаем равной 0,4м; форма отверстия – вытянутый прямоугольник, размеры которого Н=0,4; δ=0,5: Н/δ=0,8(φ). Принимаем среднюю температуру в пламенном пространстве варочной части t1 =1450˚С, а температуру внутренних стенок горелок t2=1350˚С. Тогда(Т1/100)4=44205 и (Т2/100)4 =33215. Определяем тепловой поток: Фб=5,7*0,8*1,5(44205-33215)/1000=75,2кВт. Общий тепловой поток излучением Ф3аб=121+75,2=196,2кВт. 4. Тепловой поток, теряемый на нагрев обратных потоков стекломассы, кВт: Ф4=(п-1)gcст(t1-t2), где п- коэффициент потока, представляющий собой отношение количества стекломассы, поступающей в выработочную часть, к вырабатываемой; п= 3,5; сст-удельная теплоемкость стекломассы, кДж/(кг*˚С); t1 и t2 –температура соответственно прямого и обратного потоков стекломассы 1350 и 1250˚ С; сст=0,1605+0,00011tст=0,3ккал/(кг*град)*4,19=1,26кДж/ /(кг*˚С); Ф4=(3,5-1)0,81*1,26*100=255,15 кВт. 5.Тепловой поток, теряемый в окружающую среду через огнеупорную кладку, кВт: Ф5=(tвн - tв/∑ δ/λ+1/α2)*F, где tвн- температура внутренней поверхности кладки, ˚С tв- температура окружающего воздуха,˚ С; δ-толщина кладки, м; λ-теплопроводность огнеупора данного участка, Вт/(м*˚С); α2-коэффициент теплоотдачи от наружной стенки окружающему воздуху, Вт/(м2*˚С). Если принять (tвн - tв/∑ δ/λ+1/α2=q, то формула теплопередачи примет вид, кВт: Ф5=qF. Плотность теплового потока выбираем по таблице, в зависимости от температуры внутренней поверхности кладки и термического сопротивления ее r=Σδ/λ; при двуххслойной стенке r=δ1122 , Рассчитываем площади поверхностей, ограждающих печь. Принимаем средние размеры варочной части: по длине бассейна 7,8+0,12=7,92м; по ширине бассейна 6,5+0,4=6,9м, по длине пламенного пространства 8+0,4/2=8,2м; по ширине пламенного пространства 6,62+0,4=7,02м, где 0,4м – торцовой и боковых стен пламенного пространства. 1) Площадь дна Fдна=Fв.ч.+ Fз.к. , К площади варочной части добавляют площадь дна загрузочного кармана, т.е. Fв.ч.=7,92*6,9=54,6м2 ; Fз.к.=6,9*1,6=11,04м2; Fдна=54,6+11,04=65,64м2. 2) Площадь стен бассейна. Верхний F1 и средний F2 ряды имеют одну и ту же площадь: F1, F2 =(7,92+1,6)*0,6*2+6,9*0,6=11,42+4,14=15,56 м2. Складываем площади двух продольных и поперечной стены с учетом площади продольных стен загрузочного кармана. Нижний ряд F3 F3=(7,92+1)*0,4*2+6,9*0,4=9,89 м2. 3) Площадь стен пламенного пространства Fп.п.=2Fпрод.+Fторц.-Fвл. Принимаем предварительно высоту стены пламенного пространства равной 1 м. Fпрод.=8,2*1=8,2 м2. Площадь Fторц. Определяют по эскизу. Определяем площади F1,F2,Fк: при этом Fторц.=F1+F2-2Fк. Где F1,F2 и Fк – площадь сегмента, прямоугольника и под арками загрузочных карманов. Для определения площади сегмента применяем упрощенную формулу: Fсегм. =2/3bf, где b-длина хорды; f-стрела подъема свода, равная 1,02м. Тогда Fсегм.= F1=2/3*7,02*1,2 =5,76м2; 6.Обоснование выбора печестроительных материалов. Выбор огнеупоров для кладки стекловаренных печей определяется их химическим составом и свойствами, а также химическим составом стекломассы и зависит от конструкции и режима эксплуатации печей. Для кладки основных элементов стекловаренной печи использованы следующие огнеупорные материалы: