XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Однокамерная печь нагрева

Однокамерная печь нагрева относится к промышленности строительных материалов, в частности к устройствам для получения методом обжига до вспучивания керамических легковесных изделий, например кирпича, стеновых блоков и т.п.

Рабочее пространство однокамерной печи, оборудованное топками или горелками, имеет высоту 0,25-1,5 м, а рабочий объем 0,3-9 м3. Печь оборудована пригрузочным устройством, пригруз которого имеет возможность совершать возвратно-поступательные перемещения по вертикали и оказывать формующее воздействие на обжигаемые изделия. Технический результат: обеспечение равномерной плотности изделий по высоте садки, получение изделий с ровной поверхностью.

В печах с выдвижным подом загрузка и выгрузка производится вне печи, что ускоряет оборот печи и облегчает условия ее обслуживания. Вытесняемые туннельными печами они еще используются для обжига архитектурных и огнеупорных изделий сложных форм, а также на заводах с переменной и разнообразной продукцией при относительно небольшой их производительности. Однокамерные печи для строительной керамики имеют объем от 10 до 200 м³.

Для того, чтобы вкатить внутрь камеры или выкатить из камеры, служат гидравлические, механические или цепные толкатели. По бокам печи, преимущественно вдоль длинных сторон, располагают топки, из которых продукты горения выходят по вертикальным каналам под свод печи, откуда их оттягивают через садку, уложенную на поду печи к вытяжным отверстиям, и удаляют из печи. Отношение длины прямоугольного пода к его ширине обычно 1,5 - 2,5. Для равномерности прохождения газов из топок последние располагают вдоль длинных сторон пода. Ширина больших печей при двустороннем расположении топок доходит до 8 - 10 м. Высота печи 2,5 - 4 м.

Для подачи газа из топки под свод против топок устанавливают ширмы или экраны из огнеупорного кирпича. Для частичного подсасывания газов, прошедших садку, ширмы у пода имеют отверстия. Чтобы затруднить прямой проход газов через рабочее пространство в случайных направлениях, величину подовых отверстий печи выбирают из расчета повышенных скоростей газов, а распределение их по поду определяют моделированием.

Для отбора горячего воздуха при охлаждении изделий в задней стенке вверху делают отверстия, а внизу - окно для охлаждения ходовой части пода.

Рис. 1 Схематичное изображение однокамерной печи в поперечном разрезе

Печь представляет собой рабочую камеру, образованную стенами 1, перекрытием 2, днищем 3, где на катящихся шаровых опорах 4 уложен откатной под 5, на котором выкладывают садку 6 из сырцовых заготовок со сквозными отверстиями 7. На стенах 1 камеры размещены топки или горелки, которые на схеме условно не показаны. Для вкатывания в камеру и извлечения из нее откатного пода 5 в одной из стенок камеры устроен проем, который закрывают утепленными воротами 8. Сквозь перекрытие 2 внутрь камеры пропущены связанные с подъемником тяжи 9, на которых подвешен пригруз 10, имеющий возможность совершать возвратно-поступательные перемещения по вертикали, который в верхнем положении удерживается подъемником, а в нижнем - фиксаторами 11, закрепленными на тяжах 9. Работу предлагаемой однокамерной печи осуществляют следующим образом. На под 5, установленный за пределами печи выкладывают садку 6 из сырцовых заготовок со сквозными отверстиями 7.

Рис. 2Схематичное изображение однокамерной печи в продольном разрезе

Затем, загруженный под специальным механизмом закатывают внутрь печи и закрывают ворота 8. При этом пригруз 10 находится в верхнем положении. С помощью топок или горелок по заданному режиму садку сырцовых заготовок нагревают до температуры перехода глины в пиропластическое состояние и вспучивают. На размягченные сырцовые глиняные заготовки, деформированные при вспучивании, опускают пригруз 10, который опускают на уровень высоты изделия. Это происходит после того, как фиксаторы 11, закрепленные на тяжах 9, лягут на перекрытие 2. После этого нагрев прекращают и изделие охлаждают по заданному режиму. Подъемным механизмом с помощью тяжей 9 пригруз отрывают с поверхности изделия и возвращают в верхнее положение. Под 5 выдвигают из печи, снимают с него изделие, которое направляют на склад, а взамен их на поду 5 выкладывают новую садку 6 и процесс повторяют в описанной последовательности.

Составление математического описания изменения температуры по толщине изделия при симметричном нагреве

Рис. 3 Распределение температуры по толщине изделия

Описать изменение температуры по толщине изделия можно уравнением нестационарной теплопроводности:

= a· [1]

где а – температуропроводность материала;

h – толщина изделия.

Для решения дифференциального уравнения в частных производных используем метод конечных разностей, в соответствии с которым уравнение [1] аппроксимируется системой обыкновенных дифференциальных уравнений вида:

= а· j=2, N=6 [2]

где N – число элементарных слоев, на которое делится изделие по толщине;

Δh = – элементарная толщина слоя изделия;

Н – полная толщина изделия;

j – грань сечения.

Для расчета температуры первого слоя уравнение будет иметь вид:

= ·(Т_пов – 2Т₁ + Т₂)

На рисунке 3 показан лист из данного материала толщиной Н, разбитый на шесть элементарных слоев, толщиной . Вводим следующее допущение: температура поверхности (Т_пов) изделия равна температуре печи = 500⁰С, следовательно, получаем семь граней: Т_пов, Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅, Т_пов. Число уравнений составит: 7-2=5.

Составляем систему дифференциальных уравнений:

= ·(Т_пов – 2Т₁ + Т₂)

= ·(Т₁ – 2Т₂ + Т₃)

= ·(Т₂ – 2Т₃ + Т₄)

= ·(Т₃ – 2Т₄ + Т₅)

= ·(Т₄ – 2Т₅ + Т_пов)

Полученная система дифференциальных уравнений называется математическим описанием изменения температуры по толщине изделия.

Составление имитационной модели для расчета процесса нагрева изделия в однокамерной печи нагрева

Имитационную модель составляем с помощью приложения Simulink системы Matlab.

Рис. 4 S-диаграмма для расчета процесса нагрева изделия в однокамерной печи нагрева

Построение графиков изменения температуры в центре и на поверхности изделия от времени

Для построения графиков изменения температуры в центре и на поверхности изделия от времени используем S-диаграмму (Рис. 4) и подставляем в неё следующие данные:

Температуру в печи (Constant) t=500⁰С

Температуру воздуха в помещении (Integrator) s=20⁰С

Коэффициент b:

b=a/(Δh^2),

где а=λ/(с·q), λ=0,8 Вт/(м·град) – теплопроводность, с=750 Дж/(кг·град) – теплоемкость, q=2500 кг/м³ – плотность материала;

Δh=h/6, при толщине изделия h=0,005 м.

Для расчета коэффициента b используем программу в Matlab:

>> l=0.8;

>>p=2500;

>>c=750;

>>a=l/(c*p)

a = 4.2667e-007

>> h=0.005;

>>dh=h/6

dh = 8.3333e-004

>> b=a/dh^2

b = 0.6144

Подставляем полученные данные в S-диаграмму и с помощью команды Scope получаем график:

Рис. 5 Графики изменения температуры в центре и на поверхности изделия от времени

Построение графика распределения температуры по толщине изделия при трех временах

Для построения графика распределения температуры по толщине изделия при трех временах (начало, середина и конец процесса) создаем программу в Matlab, используя графики изменения температуры в центре и на поверхности изделия от времени:

>> x=[1 2 3 4 5 6 7];

>> y1=[500 200 70 40 70 200 500];

>> y2=[500 370 275 240 275 370 500];

>> y3=[500 440 400 380 400 440 500];

>> plot(x,y1,x,y2,x,y3);grid on;

Рис. 6 График распределения температуры по толщине изделия при трех временах

6. Выводы

1. Составлено математическое описание изменения температуры по толщине изделия при симметричном нагреве. Получена система из 5 дифференциальных уравнений, отражающая процесс изменения температуры в изделии.

2. Составлена S-диаграмма для расчета процесса нагрева изделия в однокамерной печи нагрева, которая описывает изменение температуры по толщине изделия при симметричном нагреве.

3. Построены графики изменения температуры в центре и на поверхности изделия от времени. На них видно, что в центре изделие прогревается медленнее, чем на поверхности.

4. Построен график распределения температуры по толщине изделия при трех временах. По графику видно, что температура на поверхности изделия растет быстрее, чем в центре.

Список используемой литературы

1.Барабанов Н.Н., Земскова В.Т., Расчеты химико-технологических процессов в системе MATLAB: учеб. Пособие. - Владимир: Изд-во Влади. гос. ун-та, 2011,102 с.

2.Половко, А.М. MATLAB для студента/А.М. Половко, П.Н. Бутусов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-320 с.

3.Еворенко Г.И., Тамов М.Ч., патент «Однокамерная печь».

4.Дьяконов В. MATLAB 6: Учебный курс – СПб.: Питер, 2001. – 592 с.: ил. ISBN 5-318-00363-Х.

Код для цитирования: Скопировать