Теплотехнический расчёт и тепловой баланс автоклава

1) Количество (кДт на 1 цикл) теплоты на нагрев кирпича составляет:

Q_к = [ m_к ∙ с_с.к. + m_в ∙ c_в] ∙ N ∙ (t₂ – t₁), где

m_к – масса кирпича после автоклавной обработки (m_к = 4,9 кг)

с_с.к – удельная теплоёмкость силикатного кирпича [0,88 кДж/кг∙°С]

m_в – масса испаряющейся влаги (m = 0,3 кг)

c_{в –} удельная теплоёмкость воды [4,19 кДж/кг∙°С]

t₂ – температура пара в автоклаве при давлении p = 1200 кПа (t₂ = 186°С)

t₁ – начальная температура кирпича (t₁ = 25°С)

Q_к = [4,9 ∙ 0,88 + 0,3 ∙ 4,19 ] ∙ 20400 ∙ (186-25) = 18290823,6 кДж

Количество теплоты на нагрев вагонеток:

Q_в.г. = m_в.г ∙ с_ст ∙ n (t₂ – t_в.г), где

m_в.г – масса одной вагонетки (390 кг)

с_ст – удельная теплоёмкость стали [0,48 кДж/кг∙°С]

n – число вагонеток, загружаемых в автоклав за один цикл (n = 17)

t_в.г – начальная температура вагонеток (t_в.г = 20°С)

Q_в.г. = 390 ∙ 0,48 ∙ 17 ∙ (186-20) = 528278,4 кДж

Количество теплоты на нагрев автоклава:

Q_ав = m_ав ∙ с_сr ∙ (t₂ – t_ав), где

m_ав = масса автоклава (42260 кг)

t_ав = температура стенок автоклава (при быстрой выгрузки и загрузке кирпича t_ав ~ 100°С)

Q_ав = 42260 ∙ 0,48 ∙ (186 – 100) = 1744492,8 кДж

Общий расход теплоты на нагрев составит:

Q₁ = Q_к + Q_в.г. + Q_ав = 18290823,6 + 528278,4 + 1744492,8 = 20563594,8 кДж

1) Количество теплоты на возмещение теряемой теплоты автоклавом в период повышения температуры от 100°С до 186°С в окружающую среду во время запаривания при 186°С. Количество потерянной теплоты при этом определяем следующим образом:

Определяем среднюю температуру котла запаривания в период повышения давления пара:

 

T_ср = 100 + 186 = 143°С

Так как термические сопротивления стальных стенок автоклава и термосопротивления теплообмену между стенками и насыщенным паром незначительны по сравнению термическим сопротивлением тепловой изоляции, то мы их в расчёте не учитываем. Определяем коэффициент теплопередачи тепловой изоляции:

К₁ = 1, где

S_из + 1

Л_из + L₂

Л_из - теплопроводность асбеста, которую определяем при средней температуре:

t′_ср = t_ср - t_{из ­}= 143 – 40 = 51,5°С

2 2

Л_из = 0,163 + 0,000185 ∙ t′_ср = 0,163 + 0,000185 ∙ 51,5 = 0,173 Вт/м∙°С

S_из - толщина теплоизоляции (S_из = 0,1 м)

L₂ – коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий воздух.

L₂ = 0,74 + 0,07 (t_из – t_в) = 0,74 + 0,07 ∙ (40 – 20) = 11,14 Вт/м²∙°С

К₁ = 1 = 1,5 Вт/м²∙°С

0,1 + 1

0,173 11,14

Определяем боковую площадь поверхности автоклава:

S_бок = ПДL_к = 3,14 ∙ 2,6 ∙ 19 = 167,96 м²

Тепловой поток через боковую поверхность в период повышения температуры от 100°С до 186°С составляет:

Ф_бок = К₁ ((t₂ + 100) / 2 – t_в) ∙ S_бок = 1,5 ((186 + 100)/2 – 20) ∙167,96 = 30988,62 Вт

Рассчитываем тепловой поток через крышки автоклава. Коэффициент теплопередачи составит (крышки не изолированы):

К = 1, где

S_к + 1

Л_ст L₂

S_к – толщина стенки крышек (S_к = 0,016 м)

Л_ст - теплопроводность стали (Л_ст = 58 Вт/м∙°С)

L₂ – коэффициент теплоотдачи от стенок крышек в окружающую среду, Вт/м²∙°С

Средняя температура крышек равна средней температуре среды в автоклаве t_ср = 143°С

Тогда L₂ = 9,74 + 0,07 ∙ (t_ср – t_в) = 9,74 + 0,07 ∙(143 – 20) = 18,35 Вт/м²∙°С

К₂ = 1 = 18,26 Вт/м²∙°С

0,016 + 1

58 18,35

Площадь поверхности крышек автоклава равна:

S_кр = 2 ∙ПД²_к = 3,14 ∙ 2,6² = 10, 61 м²

4 2

Тепловой поток через крышки составляет:

Ф_кр = К₂ ∙ (t_ср – t_в) ∙ S_кр = 18,26 ∙ (143 – 20) ∙ 10,61 = 23837,03 Вт

Количество теплоты в окружающую среду в период повышения температуры в течении Т₁ = 1,5 ч составит:

Q′₁ = (Ф_бок + Ф_кр) ∙ Т₁ = (30988,62 + 23837,03) ∙ 1,5 = 296058,5 кДж

Количество теплоты в окружающую среду в период изотермической выдержки изделий при t₂ = 186°С в течении Т₂ = 6 ч.

Теплопроводность тепловой изоляции (асбеста) при средней её температуре равна:

t′′_ср = t₂ + t_из = 186 + 40 = 113°С

2 2

Л′_из = 0,163 + 0,000185 ∙ t′′_ср = 0,163 + 0,000185 ∙ 113°С = 0,184 Вт/м∙°С

Коэффициент теплопередачи равен:

 

К₃ = 1 = 1 = 1,58 Вт/м²∙°С

S_из + 1 0,1 + 1

Л_из Л₂ 0,184 11,14

Количество теплоты через площадь боковой поверхности автоклава:

Q′_бок = К₃ ∙ (t₂ – t_в) ∙ S_бок ∙ T₂ = 1,58 ∙ (186 – 20) ∙ 167,96 ∙ 6 = 264315,28 Вт ∙ ч = 951535 кДж [1Вт ∙ч = 3,6 кДж ]

Коэффициент теплоотдачи от стенок крышек в окружающий воздух при t_ср = t₂ – t_в = 186 – 20 = 166°С равен:

L₂ = 9,74 + 0,07 ∙ t_ср = 9,74 + 0,07 ∙ 166 = 21,36 Вт/м²∙°С

Коэффициент теплопередачи:

К₄ = 1 = 1 = 21,28 Вт/м²∙°С

S_к + 1 0,016 + 1

Л_ст Л₂ 58 21,36

Тогда количество теплоты через крышки составит:

Q′_кр = К₄ ∙ (t₂ – t_в) ∙ S_кр ∙ Т₂ = 21,28 ∙ (186 – 20) ∙ 10,61 ∙ 6 = 224877,67 Вт ∙ ч = 809559,61 кДж

Количество теплоты (в период запаривания кирпича под давлением 1,2 МПа) в окружающую среду составит:

Q′₂ = Q′_бок + Q′_кр = 951535 + 809559,61 = 1761094,6 кДж

За 1 цикл работы автоклава общее количество потерянной теплоты составит:

Q₂ = Q′₁ + Q′₂ = 296058, 5 + 1761094,6 = 2057153,1 кДж

2) Количество теплоты на заполнение свободного пространства котла. Расход пара на заполнение свободного пространства автоклава равен объёму автоклава V_ав без объёма занимаемого кирпичом V_к и вагонетками V_в

Общий объём автоклава составит:

V_ав = ПД²_ав ∙ L_ав = 3,14 ∙ 2,6² ∙ 19 = 100,83 м³

4 4

Объём, занимаемый кирпичом:

V_к = 0,12 ∙ 0,088 ∙ 0,25 ∙ 20400 = 53,86 м³

Объём, занимаемый вагонетками:

V_в = 2,04 м³

Объём пара равен:

V_n = V_ав - V_к - V_в = 100,83 – 53,86 – 2,04 = 44,93 м³

При температуре 186°С и давлении 1,2 МПа плотность 1м³ насыщенного водяного пара ρ′′ = 5,8685 кг/м³

Энтальпия насыщенного пара при t₂ = 186°С, i′′ = 2783,1 кДж/кг

Количество теплоты составит:

Q₃ = v′′ ∙ V_n ∙ ρ′′ = 2783,1 ∙ 44,93 ∙ 5,8685 = 733824,7 кДж

3) Количество теплоты, уносимое конденсатом:

Q_к = 602,04 ∙ x, где x – расход конденсата

Определяем общее теоретическое количество теплоты на процесс запаривания:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ = 20563594,8 + 2057153,1 + 733824,7 = 23354572,6 + 602,04 ∙ x (кДж)

Теоретическое количество теплоты, которое необходимо подать в автоклав за 1 цикл составляет 2783,1 ∙ x (кДж)

Энтальпия образующегося конденсата при t₂ = 143°С равна i_к = 602,04 кДж/кг. Следовательно, 1 кг пара выделяет теплоты в автоклаве:

Q_n = i′′ - i_к = x ∙ 2783,1 – 602,04 ∙ x = 2181,06x кДж

Теоретический расход пара на 1 цикл работы автоклава составит:

X = Д_т = Q = 23354572,6 = 10707,9 кг/цикл

Q_n 2181,06

Или Д_т = 524,9 кг/1000шт. усл. кирпича

Фактический расход пара в производстве превышает теоретический в среднем на 35%. При принятых условиях работы фактический расход пара на 1 цикл работы автоклава составит:

Д_ф = 1,35 Д_т = 10707,9 ∙ 1,35 = 14455,67 кг/цикл или Д_ф = 708,6 кг/1000 шт усл. кирпича

Общая энтальпия фактического расхода пара равна:

i_n = Д_ф ∙ i′′ = 14455,67 ∙ 2783,1 = 40231561,26 кДж

 

Тепловой баланс автоклава (кДж на 1 цикл)

 

Приходные статьи	Количество теплоты	Расходные статьи	Количество теплоты
кДж	%	кДж	%
1.Поступило теплоты с паром	29801156,5		1. Количество теплоты на нагрев: Кирпича Вагонеток Автоклава	18290823,6 528278,4 1744492,8	61,4 1,8 5,9
2.Потеря теплоты в окружающую среду	2057153,1	6,9
3.Теплота уносимая конденсатом	6446582,9	21,5
4.Теплота на заполнение свободного пространства автоклава	733824,7	2,5
ИТОГО:	29801156,5		ИТОГО:	29801156,5

 

Из этого количества теплоты (40231561,26 кДж) на гидротермальную обработку силикатного кирпича полезно израсходовано 18290823,6 кДж, что составляет 45,5 %