Курсовая работа: Печь тоннельная
|
МАЭ РФ Государственный технологический институт Кафедра МАХП ПЕЧЬ ТУННЕЛЬНАЯ Курсовой проект МАХП 800.11.00 КР Профессор ________________ «______»_____________. Студент группы _________________. «______»______________. |
Содержание
5 Расчет конструктивных элементов печи на прочность
5.1 Расчет фланцевого соединения кожуха
Введение
Спекание таблеток из UO2 является основной стадией технологического процесса получения таблеток. В этом процессе проявляются как все физико-химические свойства исходного порошка, так и все предыдущие технологические операции. Кроме того, на качество таблеток оказывают существенное влияние параметры самого процесса спекания, в первую очередь газовая среда, температура и время спекания.
Для регулируемого удаления летучих соединений с целью предупреждения растрескивания таблетки перед спеканием медленно нагревают до 600 — 800 °С в течение 10 часов, после чего температуру повышают до заданной температуры спекания. Заданный режим обеспечивается продвижением лодочек с таблетками в печах тоннельного типа, работающих в непрерывном режиме и имеющих три температурные зоны: нагревание таблеток, спекание и охлаждение.
1 Данные для расчета
Исходные данные приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Исходные данные
| 1 Производительность, кг/сут | 700 |
| 2 Начальное влагосодержание материала, % | 1 |
| 3 Конечное влагосодержание материала, % | 0 |
| 4 Начальная температура материала, 0C | 20 |
| 5 Температура спекания, 0С | 1750 |
| 6 Температура сушки, 0С | 800 |
| 7 Давление газа в печи (H2), МПа | 0,12 |
| 8 Плотность материала, г/см3 | 10,5 |
| 9 Рабочая длина печи, м | 10 |
Примечание:
1) материал находится в печи 24 часа ;
2) молибденовые обогреватели содержатся в вакууме ;
3) охлаждение проводится продувкой инертным газом .
2 Материальный расчет
Материальный расчет процесса сушки будет сводиться к составлению материального баланса и определению массовых расходов всех потоков. Уравнения материального баланса по влаге имеет вид:
,
,
где GH — массовый расход высушиваемого материала, кг/с;
GK — массовый расход высушенного материала, кг/с;
W — количество отводимой влаги, кг/с;
WH — количество влаги, содержащейся в высушиваемом материале, кг/с;
WK — количество влаги, содержащейся в высушенном материале кг/с;
Gc — массовый расход сухого материала, кг/с;
wCH — начальное влагосодержание материала, %;
wCK — конечное влагосодержание материала, %.
Из уравнения материального баланса (1) определим массовые расходы:
,
,
,
,
.
По результатам расчета составляем таблицу материального баланса.
Таблица 2 — Материальный баланс
| Приход | Расход | ||||
| Статьи прихода | кг/сут | % | Статьи расхода | кг/сут | % |
|
1 Высушиваемый материал GH Сухой материал GC Влага WH |
707 700 7 |
99 1 |
1 Высушенный материал GK Сухой материал GC Влага WK 2 Влага W |
700 700 0 7 |
99 0 1 |
| Итого | 707 | 100 | Итого | 707 | 100 |
3 Тепловой расчет
Тепловой расчет сводится к составлению теплового баланса процесса сушки и процесса прокалки и определению количества подводимого тепла.
Уравнение теплового баланса процесса сушки имеет вид:
,
где 
— количество тепла, поступающего в печь с сухим материалом, Вт;
— теплоемкость материала, Дж/(кг К);
— начальная температура при входе в печь, 0С;
— количество тепла, поступающего в печь с влагой, Вт;
— теплоемкость влаги, Дж/(кгК);
Qнагр -тепло от нагревателей, Вт;
— количество тепла, отводимое из печи с сухим материалом, Вт;
— конечная температура материала при выходе из зоны сушки, 0С;
— количество тепла, отводимое из сушилки с влагой, Вт;
10% — потери тепла в окружающую среду, при открывании дверей и через футеровку и кирпичную кладку, Вт;
— количество тепла, поступающее с тележками, Вт;
255 Дж/(кг К);
— количество тепла, отводимое с тележками, Вт.
Определим составляющие уравнения теплового баланса:
;
;
;
;
;
;
;
Определим количество дополнительного тепла, подводимого к сушилке:
;
;
Результаты расчета теплового баланса процесса сушки приведены в таблице
Таблица 3 — Тепловой баланс
| Приход | Расход | ||
| Статьи прихода | кг/сут | Статьи расхода | кг/сут |
|
1 Высушиваемый материал с сухим материалом QCH с влагой QWH 2 C тележкой 3 Тепло нагревателя Qнагр |
1,041 0,194 0,035 55,04 |
1 С высушенным материалом QCK 2 С влагой WK 3 С тележкой 4 Потери |
41,652 7,74 1,416 5,504 |
| Итого | 56,314 | Итого | 56,314 |
Уравнение теплового баланса процесса прокалки имеет вид:
,
где — количество тепла, поступающего в печь с сухим
материалом, Вт;
— теплоемкость материала, Дж/(кгК);
— начальная температура при входе в зону спекания, 0C ;
Qнагр -тепло от нагревателей, Вт;
— количество тепла, отводимое из печи с прокаленным
материалом, Вт ;
— конечная температура материала при выходе из печи, 0С;
10% — потери тепла в окружающую среду, при открывании дверей и через футеровку и кирпичную кладку, Вт;
— количество тепла, поступающее с тележками, Вт;
255 Дж/кг К;
— количество тепла, отводимое с тележками, Вт;
Определим составляющие уравнения теплового баланса:
;
;
;
;
Определим количество дополнительного тепла, подводимого к сушилке:
;
;
Результаты расчета теплового баланса процесса сушки приведены в таблице
Таблица 4 — Тепловой баланс
| Приход | Расход | ||||
| Статьи прихода | кВт | % | Статьи расхода | кВт | % |
|
1 С высушенным материалом QCH 2 C тележкой 3 Тепло нагревателя Qнагр |
41,652 1,416 56,86 |
41,8 1,4 56,8 |
1 С прокаленным материалом QCK 2 С тележкой 3 Потери |
91,12 3,12 5,686 |
91,3 3 5,7 |
| Итого | 99,928 | 100 | Итого | 99,926 | 100 |
4 Конструктивный расчет
В конструктивном расчете необходимо определить рабочий объем печи.
Продукция в печи располагается на тележках. Вместимость каждой тележки составляет 70 кг UO2. Период нахождения продукта в печи 1 сутки. Принимаем, что в печи может находиться 10 тележек. Длина каждой тележки l =300 мм, ширина 200 мм, грузоподъемность 70 кг. Расстояние между тележками принимаем 700 мм.
Размеры таблеток:
d=7,6 мм (готовые);
h=10 мм (готовые);
с учетом припуска на шлифование:
d=7,75 мм;
h=10,15 мм.
Плотность готовой таблетки 10,5 г/см3. Следовательно, масса таблетки
.
Длину рабочей зоны принимаем L=10 м, ширину Ь=0,7 м, высоту h=1 м.
Объем рабочей зоны равен:
Общая длина печи:
,
где l1 ,l2 — длины боксов загрузки и выгрузки соответственно.
5 Расчет конструктивных элементов печи на прочность
5.1 Расчет фланцевого соединения кожуха
Кожух изготовлен из стали толщиной 6,35 мм. Кожух испытывается на герметичность до кирпичной кладки, в процессе окончательной сборки и перед нагревом. К фланцевым соединениям прикреплены змеевики водяного охлаждения, предназначенные для защиты прокладок. Конструкция прокладки обеспечивает герметичность на всем диапазоне рабочих температур.
1 Принимаем расчетную температуру 20°С.
Температура болта 
2 Допускаемое напряжение для материала болтов 
.
3 Толщина втулки фланца
для приварного встык 
4 Диаметр болтовой окружности
принимаем 
где и — нормативный зазор между гайкой и втулкой (u =4 — 6).
5 Наружный диаметр фланца
где а — конструктивная добавка для размещения гаек по диаметру фланца
а = 52мм .
6 Наружный диаметр прокладки
где е — нормативный параметр, зависящий от типа прокладки.
е = 37 – для плоских прокладок и диаметра болта dб = 27мм .
7 Средний диаметр прокладки
где b — ширина прокладки.
Выбираем плоскую неметаллическую прокладку для нее b = 25мм .
8 Количество болтов
tш – рекомендуемый шаг расположения болтов, выбирается в зависимости от давления по таблице 1.43 [5,c97] .
tш = (4,2 – 5)*dб = (4,2 – 5)*27 = 113,4 – 135 .
Принимаем tш = 125мм .
Принимаем nб = 70шт .
9 Высота фланца
,
— принимается по рисунку 1.39 [5,c95] , =2,5 ;
— высота втулки фланца приварного встык
i – уклон втулки I = 1/3;
-толщина у основания втулки приварного встык фланца .
;
;
Принимаем hф = 60мм .
10 Болтовая нагрузка, необходимая для обеспечения герметичности
где
— площадь поперечного сечения болта.
11 Условие прочности болтов
12 Условие прочности прокладки
13 Условие герметичности фланцевого соединения, определяемое углом поворота фланца
;
;
;
;
;
;
;
;
0,0052 < 0.013.
5.2 Расчет пластин кожуха
Расчет проводим для случая прямоугольной пластины, нагруженной по всей поверхности давлением р=0,12 МПа, заделанной по контуру. Напряжения и прогибы находим по формулам:
; 
; 
.
где 
— коэффициенты зависящие от отношения b/a;
a, b – длины сторон пластины, м. a = b = 2м.
;
;
.
Приближенно максимальные значения прогибов (в центре) и напряжения (в середине более длинной стороны) могут быть определены по следующим формулам:
;
.
к — коэффициент зависящий от отношения а/b
5.3 Расчет футеровки
Расчет прочности футеровки при продольном растяжении по несущей способности при температуре до 50 С° производится исходя из следующего неравенства
Здесь R — расчетное сопротивление футеровки сжатию, R = 3,9 по табл.3.7 [3,с100];
F -площадь сечения элемента футеровки;
— коэффициент продольного изгиба, учитывающий снижение несущей способности.
.
Расчет элементов футеровки на прочность при осевом растяжении производят на основе неравенства
где N — растягивающая сила;
Rp — расчетное сопротивление футеровки, при растворе марки 5-100 следует принимать 0,16 МПа .
Расчет элементов футеровки на срез производят исходя из неравенства
где Q — расчетная поперечная сила;
Rcp – расчетное сопротивление футеровки срезу 0,16 МПа;
f — коэффициент трения по шву футеровки 0,7 ;
— среднее напряжение сжатия, 
;
Расчет элементов футеровки на поперечный изгиб следует производить исходя из неравенства
где Q — расчетная поперечная сила;
Rra — расчетное сопротивление кладки главным растягивающим напряжениям при изгибе [3,табл.3.10];
b — ширина сечения;
z — плечо внутренней пары сил, z=(2/3)h.
Расчет устойчивости футеровки. Футеровку топок, выполненную из кирпичей, и свободно стоящие стены и столбы, имеющие сечение прямоугольной формы и значительную высоту, проверяют на допустимые отношения высоты стен к их толщинам:
где Н — высота футеровки,
h — толщина стены.
Это отношение не должно превышать 25.
Из [6,c.113] принимаем для стены высотой более 1000 мм и температуре печи более 1200 С, внутренний слой кладки выполняется из шамотного кирпича класса А, толщиной 300 мм; свод с пролетом — из того же материала толщиной 200 мм.
5.4 Расчет каркаса
Распорное усилие свода должно быть воспринято каркасом. Приближенная сила горизонтального распора свода может быть определена по формуле
где К — коэффициент зависимости силы R от температуры, равен 3,5 при температуре более 1200°С,
Р — сила тяжести свода,
— центральный угол свода, град.
Выбор профиля пятовых балок. Момент сопротивления пятовой балки рассчитывают по формуле
где 
— допустимое напряжение на разрыв,
l — расстояние между балками каркаса.
Принимаем профиль пятовых балок в виде равнополочного угольника с размерами 90x90x8 мм.
Определение сечения верхней поперечной связи. Сечение верхней и нижней связей рассчитывают по формулам:
; 
; 
Выбор профиля боковой стойки. Момент сопротивления боковой стойки рассчитывают по формуле:
По найденному моменту сопротивления выбирают профиль боковой стойки:
Профиль боковой стойки — угольник равнополочный, с размерами 125x125x10 мм.
5.5 Фундамент печи
Статическую нагрузку, слагающуюся из массы металлических деталей и футеровки, воспринимает фундамент печи. Фундамент выполняют из бутового камня, бетона или железобетона. Основное преимущество железобетона в сравнении с другими материалами (кроме прочности): возможность придания фундаменту любой сложной формы, что позволяет при малой строительной высоте (без значительного углубления в грунт) получить большую площадь давления фундамента на основание. Толщина фундамента должна быть такова, чтобы давление от печи передавалось на все основание и в фундаменте не возникло слишком больших изгибающих и скалывающих усилий.
Особенности сооружения фундаментов топок:
1) на один и тот же фундаментный массив нельзя опирать части печи и других сооружений, так как может произойти различная осадка фундамента и появятся трещины и перекосы в сооружении;
2) если конструкция топки располагается ниже уровня грунтовых вод, то фундамент строят так, чтобы исключался доступ воды к футеровке. Это достигается путем устройства вокруг фундамента глиняных стенок до 300 мм толщиной; гидроизоляции фундамента; искусственного снижения уровня грунтовых вод устройством дренажа; сооружения сварного кессона из мягкой стали;
3) основание фундамента должно быть расположено ниже глубины промерзания грунта ( обычно 1,8 м от уровня земли) ; в отапливаемых или горячих цехах углубление фундамента незначительно;
4) для предотвращения сильного нагревания фундамента от футеровки устраиваются воздушные каналы между ними .
Обыкновенно давление топки на грунт не превышает 100 кПа, поэтому сооружение фундаментов не представляет больших трудностей. Размеры основания фундамента определяются нагрузкой и допустимым давлением на грунт. Допустимую нагрузку на фундамент рассчитывают по формуле:
где R — предел прочности кирпичной футеровки при сжатии, Па;
F — полная площадь фундамента, м2;
F1 — нагруженная площадь фундамента .
— для бетона
Литература
1 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1976. — 552с.
2 Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. — Л.: Химия, 1968. — 848 с.
3 Исламов М.Ш. Проектирование топок специального назначения. — Л.: Энергоиздат.1982. -168 с.,ил.
4 Исламов М.Ш. Печи химической промышленности — М.: Химия, 1969. -176с.,ил.
5 Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств./ Под ред. М.Ф. Михалева. Л.: Машиностроение, 1984. — 301 с.,ил.
6 Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Конструкция и расчет заводских печей и сушил. М., Машиностроение, 1973, 272 с.