Роговой М.И., Кондакова М.Н., Сагановский М.Н. Расчеты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов
Подождите немного. Документ загружается.
а)
равномерное
повышение
температуры
до
t
2
=
=
172,1
о
С
и
давления
до
максимального
значения
-
р
=
=900
кПа,
'tI=I,5
ч;
б)
изотермическое
выдерживание
при
максимальном
даВJIении
в
заданном
и,перваJIе
времени
-
'Т2=6,5
ч;
в)
равномерное
снижение
давления
до
атмосферного
и
ОХJIаждение
до
t=70
...
50°
С
к
моменту
выгрузки
листов
из
автоклава
'tз=2
ч.
Режим
процесса
запаривания
длится
'т=
1,5+6,5+
+2=
10
ч
(не
считая
времени
впуска
и
выпуска
пара).
Заданный
тепловой
режим
в
современных
автоклавах
достигают
применением
контрольно-измерительных
при
боров
и
самопишущих
программных
регуляторов,
авто
матически
поддерживающих
заданный
режим
повыше
ния,
выдержки
и
понижения
температуры
и
давления.
При
отсутствии
автоматики
равномерное
повышение
температуры
в
автоклаве
можно
обеспечить
с
помощью
обводных
трубок
(диаметр
3/4-1")
и
дроссельных
ди
афрагм
(диаметр
11,5-20
мм).
Асбестоцементные
лис
ты
перед
загрузкой
в
автоклав
подвергают
кратковре
менному
пропариванию
(4-5
ч)
с
той
целью,
чтобы
они
приобрели
прочность,
достаточную
для
противодействия
давлению
расширяющегося
в
их
порах
воздуха.
3.
Материальный
баланс
процесса
автоклавной
обработки
асбестоцементных
изделий
По
закону
сохранения
массы,
количество
веществ,
по
ступающих
в
автоклав
(~Gнач),
равно
количеС1ВУ
ве
ществ,
выгружаемых
из
автоклава
(~OKOH)'
Это
можно
представить
в
виде
уравнения
материаJIЬНОГО
баланса
Для
периодически
действующего
автоклава
материаль
ный
баланс
составляют
на
1
цикл.
п
рuходная
часть
по
.массе
С
сухой
частью
асбестоцементных
изделий
ОС
=
7,65·2940
=
22
491
кг,
где
7,65 -
масса
сухого
листа,
кг;
2940 -
производительность
автоклава,
листов
за
1
цикл.
290
С
водой,
содержащейся
в
асбестоцементных
изделиях:
ОВ
= 1,55.2940 =
4557
кг,
где
1,55
-
масса
воды
в
одном
листе,
кг.
И
т
о
г
о:
27048
кг.
Расходная
часть
по
.массе
Учитываем
сухую
массу
изделий
(22491
кг).
При
по
нижении
давления
до
нуля
находящаяся
в
порах
асбесто
цементных
листов
вода
частично
улетучивается
в
виде
па
ра,
который
направляется
в
свежезагруженный
листами
автоклав;
в
результате
влажность
материала
уменьшает
ся,
а
его
физико-механические
свойства
улучшаются.
Массу
испаряющейся
влаги
в
долях
от
массы
изделия
обычно
принимают:
а
= 0,01
NО
изд
=
0,01.2940.9,2
= 270,5
кг,
т.
е.
она
составляет
1%
массы
изделия.
Масса
влаги
в
асбестоцементных
листах
в
конце
запа
ривания
составляет
W =
ОВ
-
а
=
4557
- 270,5 = 4286,5
кг
Итого
27048
кг
4.
Расчет
теплового
баланса
автоклавной
обработки
а)
К:оличество
(кдж
на
1
цикл)
теплоты
на нагрев
листов
(сухой
массы
и
влаги)
составит
Qл
=
[тл
Са.ц
+
тв
СВ]
N (t
2
- (
1
) ,
где
тл
-
масса
сухого
листа
после
пропаривания
(7,65
кг);
-
Са
Ц
-
удельная
теплоемкость
асбесJfоцемента
[0,838
кДжf(кгХ
ХОС)]
;
тв
-
масса
воды
в
одном
листе
после
пропаривания
(1,55
кг);
СВ
-
удельная
теплоемкость
воды
[4,19
кДж/
(кг.
ОС)];
t, -
температура
пара
в
автоклаве
при
давлении
р=900
кПа
(172,1
ОС).
TaKYI9
же
температуру
приобретают
листы,
вагонетки
и
стенки
котла
для
запаривания.
Эта
температура
зави
сит
не
от
избыточного
давления
в
автоклаве
(при
этом
температура
насыщенного
пара,
находящегося
под
дав
лением
900
кПа,
равна
175,35°
С),
а
от
парциального
дав-
19*
291
ления
пара,
поэтому
присутствие
воздуха
в
автоклаве
является
вредным.
Подставляя
числовые
значения,
получаем:
QJI
=
[7,65.0,838+1,55.4,19]
2940 (172,1 - 25)=5581
163
кДж.
Количество
теплоты
на нагрев
вагонеток
QBr,
кДж:
QB
r =
т
ВР
С
с
..
n
и,
-
(
вг
).
где
твг
-
масса
одной
вагонетки
(300
кг);
Се
.. -
удельная
теплоемкость
стали
[0,48
кджf(кг,ОС)];
n -
число
вагонеток,
загружаемых
в
автоклав
за
один
цикл
(n=14);
'
вг
-
начальная
температура
вагонеток
(примем
20
ОС).
ТОГ.1l.а
QB.r
= 300.0,48.14 (172, 1 -
20)
= 306634
кДж,
Количество
теплоты
на
нагрев
автоклава,
кДж:
QaB
=
тав
CC~
(t
s
-
(ав),
где
тав
-
масса
автоклава
(20570
кг);
t
aB
-
температура
стенок
аВТОКдава
(при
быстрой
выгрузке
и
загрузке
изделий
t
aB
~
1000
С);
Qas = 20570·0,48
(172,1-
100) = 711887
кДж.
Общий
расход
теплоты
на
нагрев
составит
Qf
=
QJI
+
Qar
+
QaB
= 5
581
163+306634
+711887
= 6599684
кДж,
б)
Количество
теплоты
на
возмещение
теряемой
тепло
ты
автоклавом
в
период
повышения
температуры
от
100
до
172, 1
о
С
и
в
окружающую
среду
во
время
запарива
ния
при
172,10
С.
Количество
потерянной
теплоты
при
этом
определяют
следующим
расчетом.
Определяем
среднюю
температуру
котла
запаривания
в
период
повышения
давления
пара:
_100
+ 172,1
1368
С
t
cp
-
=.
2
Так
как
термические
сопротивления
стальных
стенок
автоклава
и
термосопротивления
теплообмену
между
стенками
и
насыщенным
паром
незначительны
по
срав
нению
с
l'ермическим
сопротивлением
тепловой
изоля-
2112
ции,
ТО
мы
их
в
расчете
не
учитываем.
Определяем
ко
эффициент
теплопередачи
тепловой
изоляции:
1
К
1
=
б
l'
~+
"'113
cxt
где
"'113 -
теплопроводность
асбестотрепельной
массы,
Вт!
(м·
ОС),
которую
определяем
при
средней
температуре
•
tср-t
из
136-40
ос
t
cp
= 2 2 =
48
;
"'из
= 0,163 +
0,000185t~p
[24];
"'IIЗ
= 0,163 + 0,000185.48 = 0,172
Вт!(м.·С);
CXj-
кОЭффициент
теплоотдачи
от
поверхности
изоляции
в
окру
жающий
воздух.
Для
расчета
теплового
потока,
теряемого
аппаратом,
находящимся
в
закрытом
помеЩеНии,
при
температуре
поверхностей
стенки
его
до
150°
С
можно
пользоваться
приближенной
формулой
[2}:
(%2 = 9,74 + 0,07
(t
из
-
'
в
)
= 9,74 + 0,07
(40-20)=
11,14
Вт{(м2."С).
Подставляя
числовые
значения,
получаем:
Кж=
=1,16Вт!(м2.ОС).
0,15 1
0,172 + 11,14
Определяем
боковую
площадь
поверхности
авто
клава:
Sбои
=
1tDL
K
=
3,14·2.19,245
=
121
м
2
•
Тепловой
поток
через
боковую
поверхность
в
период
повышения
температуры
от
100
дО
172,I°С
составит
Фбок=Кf
( t
2
+2100 - t
B
)
Sбок
=
(
172,1+100
)
= 1,16 2
20
121
= 16214
Вт.
Рассчитываем
тепловой
поток
через
крышки
автокла
ва,
при
этом
крышки
автоклава
не
изолированы.
Коэф
фициент
теплопередачи
составит
1
211З
где б
к
-
толщина
стенки
крышек
(0,014
М);
дет
-
теплопроводность
стали,
равная
58
ВТ/
(М
.ОС);
а2
-
коэффициент
теплоотдачи
ОТ
стенок
крышек
в
окружаю
щую
среду,
Вт/(м
2
•
О
С).
Средняя
температура
крышек
равна
средней
темпера
туре
среды
в
автоклаве
t
cp
=
1360
С.
Тогда
а
2
= 9,74 + 0,07
(tcp
-
(
в
)
= 9,74 + 0,07
(136
-
20)
=
= 17,86
Вт/(м2,ос).
Отсюда
К
2
= 0,014 1 =
18
Вт!(м2,ос).
58+
17,86
Площадь
поверхности
крышек
автоклава
равна:
лD~
л.22
SKP=24""
=
-2-
= 6,28
м2.
Тепловой
поток
через
крышки
составит
Фкр
= К
2
иср
-
(
в
)
SKP
=
18
(136
-
20)
6,28 =
13
104_Вт.
Количество
теплоты
в
окружающую
среду
в
период
повышения
температуры
в
течение
т!
= 1,5
ч
составит
Ql
=
(Фбок
+
Ф
кр
)
'(1
= (16214 +
13
104)
1,5 =
= 43977.3,6 = 158317
кДж".
Количество
теплоты
в
окружающую
среду
в
период
изотермической
выдержки
изделий
при
t
2
=
172,1
о
С
в
те
чение
Т2=6,5
ч.
Теплопроводность
тепловой
изоляции
(асбозурита)
при
средней
ее
температуре
равна:
(
=t
2
+f
иэ
=
172,1+40=
1060
С
ер
2 2 .
Определяем
по
формуле
теплопроводность
теплоизо
ляции:
д~э
= 0,163 + 0,000185
(~p;
д~з
= 0,163 + 0,000185.106 = 0,183
Втl(м.
О
С).
* 1
ВТ'ч
=3,6
кДж.
294
Коэффициент
теплопередачи
будет
равен:
1 1
К
з
=
б
1 = 1,12
Вт/(м
2
•
О
С),
~+_
~+_1_
"'из
(Х2
0,183 11,14
Определяют
количество
теплоты:
через
площадь
боковой
поверхности
aBTOKJIaBa
Q~OK
=
К
з
и2
- t
B
)
SБОК
"&'2
= 1,12 (172,1 -
20)
121·6,5=
= 133980
Вт·ч·3,6
= 482328
кДж;
через
крышки
котла
подсчитывают
как
указано
в
работе
[59]:
коэффициент
теплоотдачи
от
стенок
крышек
в
окру
жающий
воздух
при
t
cp
=t
2
-.t
в
=
172,1-20=
152,10
С,
оп
ределяют
по
формуле
0:2 = 9,
74+
0,07 t
cp
= 9,74 + 0,07·152,1 = 20,38
BTj(M2.
0
C).
Рассчитываем
коэффициент
теплопередачи:
Тогда
1 1
К
4
=
б
к
1 =
20
Вт/(м
2
•
О
С).
_+_
0,014
+_1_
"'СТ
(Х
2
58
20,38
Q~p
=
К
4
(t
2
-
t
B
)
SKP
"&'2
=
20
(172,1 -
20)
6,28·
6,5 =
= 124150
Вт·ч·3,6
= 446940
кДж.
Количество
теплоты
в
окружающую
среду
в
период
запаривания
листов
под
давлением
900
кПа
составит
Q2
=
Q~K
+
Q~p
=
482
328
+
446
940
= 929
268
кДж.
За
один
цикл
работы
автоклава
общее
количество
по
терянной
теплоты
составит
Q2
= Ql +
Q2
= 158317 + 929 268
=-1087
585
кДж.
в)
Количество
теплоты
Qз
на
заполнение
свободного
пространства
котла.
Расход
пара
на
заполнение
свобод
ного
пространства котла
равен
объему
котла
V
и
без
объема,
занимаемого
изделиями
V
и
и
вагонетками
V
B
•
Общий
объем
автоклава
(котла)
составит
11,D
2
11,.22
V
K
=
_к
L
K
= - 19,245 =
60,4
м3.
4 4
295
Объем,
заполняемый
листами
и
вагонетками,
равен
15,4
м
3
•
Объем
пара
равен:
V
n
= V
K
- V
H
- V
B
= 60,4 - 15,4 =
45
м
3
•
При
температуре
172,1°
С
и
давлении
900
кПа
плотность
1
м
3
насыщенного
водяного
пара
р"
=4,316
кг/м
3
•
Энталь
пия
насыщенного
пара
при
t
2
=
172°,1
С
/"=
=2789,6
кДж/кг.
Количество
теплоты
составит
Qз
= J"
VnP"
= 2789,6.45·4,316 =
541
796
кДж.
Определяем общее
теоретическое
количество
теплоты
на
процесс
запаривания:
Q'
= Ql +
Q2
+
Qз
= 6599684 + 1 087585 +
541
796
= 8 229065
кДж
Значения
р"
и
/"
берут
из
таблиц
при
температуре
пара
к
концу
первого
периода.
Вследствие
гидратации
портландцемент
выделяет
теплоту,
что
частично
снижает
ее
расход.
В
процессе
запаривания
1
кг
портландцемента
выделяется
(экзотер
мия
цемента)
теплоты
около
Qц=250
кДж.
Принимаем
содержание
песка
в
песчанистом
цементе
40%.
В
массу
асбестоцементного
листа
входят
асбеста
около
а'
=
14%
и
песчанистого
цемента
В=
860/0.
Последний
содержит
60%
портландцемента.
Определяем
количество
теплоты
от
экзотермии
це
мента:
Q~
=
qц
m
л
NBb
=
250·7,65·2940·0,86·0,6
=
2901
ЗЗ9
кДж.
Теоретическое
количество
теплоты,
которое
необходимо
подать
в
автоклав
за
один
цикл,
составит
Q =
Q'
-
Q~
=
8229065
- 2901
339
=
5327726
кДж.
Энтальпия
образующегося
конденсата
при
t
2
=
172,1
о
С
равна:
l
и
=730,3
кДж/кг.
Следовательно,
1
кг
пара
вы
деляет
теплоты
в
автоклаве
Qn
=
J"
- J
K
=
2789,6-730,3
= 2059,3
кДж.
Теоретический
расход
пара
на
1
цикл
работы
котла
сос
тавит
Q
5327726
D-r
= - = =
2587
КГ.
Qn
2059,3
;296
5.
Расчет
фактического
расхода
пара
в
производстве
Практикой
установлено,
что
фактический
расход
пара
в
производстве
обычно
превышает
теоретический
на
30-
40%,
т.
е.
в
среднем
на
35%.
При
принятых
УСЛОВИЯХ
ра
боты
фактический
расход
пара
на
1
цикл
работы
авто
клава
составит
Dф
= 1,35 D., = 1,35.2587 = 3492,4
кг.
Общая
энтальпия
фактического
расхода
пара
равна:
i
n
=
Dф
J"
= 3492,4.2789,6 = 9 722400
кДж.
На
основании
вышеприведенного
расчета
составляем
тепловой
баланс
автоклава
(см.
таблицу).
Тепловой
баланс
автоклава
(кдж
на
1
цикл)
Количество
Количество
теплоты
теплоты
Приходные
статьн
I
Расходные
статьи
I
кДж
на
%
...
дж
на
%
1
цикл
1
цикл
ПОСТУПИЛО
ко-
Количество
личество
теп-
теплоты
на
лоты
с
паром
5327726
64,7
нагрев:
Вследствие
ЭК-
листов
ВО
5581
163
67,8
З0термии
це-
вагонеток
.
306634
3,7
мента
.
2901
339
35,3
автоклава
.
711
887
8,7
В
окружающую
среду
.
1 087585 13,2
Пар.
. .
541
796
6,6
---
Итого.
82290651
100
Итого.
82290651
100
Из
этого
количества
теплоты
(9722400
кДж)
на
гидро
термальную
обработку
асбестоцементных
листов
полезно
израсходовано
5581163
кДж,
что
составляет
57,4%.
Значительная
экономия
пара
(20%
и
более)
может
быть
достигнута
при
работе
автоклавов,
если
по
оконча
нии
процесса
запаривания
пар
выпускать
не
в
атмосфе
ру,
а
перепускать
в
другой
автоклав
для
подогрева
в
нем
вновь
загруженных
изделий,
так
как
первоначальное
по
вышение
температуры
и
давления
идет
за
счет
тепла
отработанного
пара.
297
Во
избежание
больших
тепловых
потерь
в
окружаю
щую
среду
все
внешние
горячие
поверхности
(с
t~50°
С)
автоклава
покрывают
тепловой
изоляцией,
которая
спо
собствует
также
интенсификации
гидротермальной
об
работки
и
является
одним
из
важнейших
мероприятий
по
технике
безопасности
и
охране
труда.
6.
Циклограмма
работы
автоклавов
Работу
отдельных
автоклавов
необходимо
организо
вать
так,
чтобы
по
окончании
процесса
пар
выпускать
не
в
атмосферу,
а
перепускать
в
Д~угой
автоклав
для
подо-
Циклограмма
работы
автоклавов
а
-
загрузка
автоклавов
I
ч;
б
-
изотермическая
выдержка
б,5
ч,
в
-
сниже
ние
давления
и
выпуск
пара
2
ч;
г
-
выгрузка
автоклавов
0,5
ч,
д
-
подъем
давления;
е
-
перепуск,
ж
-
простой,
3-
перерыв
на
обед
грева
в
нем
вновь
загруженных
изделий.
Для
этого
сос
тавляют
циклограмму
работы
автоклавов
(см.
рисунок),
которая
показывает
согласованность
продолжительности
и
порядка
операций,
а
также
последовательность
вклю
чения
автоклавов
для
наиболее
полного
их
использова
ния.
Если
несколько
периодически
действующих
автокла
вов
пускать
одновременно,
то
затраты
пара
в
котельной
максимально
увеличиваются,
и
она
не
сможет
обеспечить
298
нормальную
работу
автоклавного
цеха.
В
результате
дав
ление
пара
будет
понижаться
и
технологический
процесс
нарушится.
График
включения
атоклавов
в
работу
должен
спо
собствовать
четкой
организации
теплотехнического
про
цесса.
Производительность
автоклава
зависит
от
длитель
ности
отдельных
операций,
составляющих
цикл
его
рабо
ты
(оборот
автоклава).
Сюда
входит:
1)
подготовка
автоклава
к
работе,
его
загрузка
и
за
крывание
крышек;
2)
подъем
давления
пара
до
900
кПа;
3)
изотермическое
выдерживание
полуфабриката
в
автоклаве
под
давлением;
4)
снижение
давления
пара
в
автоклаве;
5)
спуск
конденсата;
6)
открывание
крышек
и
выгрузка
автоклава.
В
автоклаве
полуфабрикат
выдерживают
при
задан
ном
давлении
(900
кПа),
добавляя
пар
из
магистрали
в
таком
количестве,
чтобы
возместить
потери
теШlа
через
стенки
автоклава
и
поддерживать
постоянную
темпера
туру
в
автоклаве.
Повышать
температуру
в
автоклаве
с
использованием
перепуска
нужно
так
же
равномерно
и
с
той
же
ско
ростью,
что
и
при
пуске
свежего
пара.
Это
возможно
при
полной
автоматизации
процесса
запаривания.
При
резком
изменении
температуры
в
автоклаве
из
делия
выходят
с
браком.
Чтобы
установить
полноту
выхода
пара
из
автоклава,
необходимо
открывать
контрольный
кран.
7.
Вспомогательные
устройства
и
приборы
автоклава
в
комплект
входят
следующие
вспомогательные
обо
рудования
и
приборы:
1)
передаточная
тележка
с
электроприводом
для
пе
ремещения
вагонетки
с
материалом
с
одного
пути
на
другой;
2)
электролебедка
для
втаскивания
на
передаточную
тележку
вагонетки
с
материалом;
3)
автоклавные
вагонетки
(ширина
колеи
750
мм);
4)
сеть
трубопроводов:
для
впуска
свежего
пара,
пе
репуска
отработанного
пара
из
одного
автоклава
в
дру
гой,
выпуска
отработанного
пара,
отвода
конденсацион
ной
воды;
299