У другій групі електричних печей прямого нагрівання шихта розташовується тільки в певній частині дзеркала скляної маси у варильній частині печі. Ці печі характеризуються горизонтальним напрямком виробничого потоку скляної маси. За довжиною ці печі переважно розділені на три зони, в яких підтримується різна температура: зони варіння, освітлення і охолодження (вироблення). В зоні варіння дзеркало басейну повністю покрито шихтою, в зоні освітлення дзеркало басейну вільне від шихти. У цій зоні підтримується максимальна температура. Зони варіння і освітлення в нижній частині з’єднані з зоною охолодження протоком. Електричні печі з горизонтальним напрямком потоку скляної маси переважно мають велику продуктивність (до 300 т/добу).
У печах першої групи гази, що утворилися в процесі варіння скла, леткі сполуки проходять через шар шихти і нагрівають її до 150 – 200 0С. Леткі сполуки конденсуються і осідають на частинах компонентів шихти, що значно зменшують їх звітрювання. Звітрювання оксидів бору зменшується з 15 – 20 % до 1 – 3 %. Майже повністю припиняється звітрювання лужних оксидів. Шихта, що знаходиться на поверхні розтопленої скляної маси, відіграє теплової ізоляції, що приводить до економії тепла [8].
В електричних ванних печах другої групи, де дзеркало тільки частково закрите шихтою, основна кількість тепла передається від розтопленої скляної маси до нижніх шарів шихти, і тільки невелика кількість тепла передається випромінюванням від склепіння підвісних стін печі до поверхні шихти. По довжині варильного басейну печі є можливість легко створювати заданий температурний режим.
Для виробництва медичного скла приймаємо електричну піч опору прямого нагрівання що належить до печей першої групи.
3.9 Фізико-хімічні процеси, які відбуваються при варінні скломаси
Процес варіння скла являє собою складний комплекс фізико-хімічних перетворень, явищ тепло- та масообміну, в результаті яких сировинні матеріали – шихта перетворюється у розплав-скломасу із визначеними фізико-хімічними властивостями. Шихта під дією високих температур розплавляється, гомогенізується, охолоджується та поступає на виробляння.
В печах з чисто електричним нагріванням всі стадії варіння скла здійснюються за рахунок тепла, що виділяється у скляній масі при проходженні в ній електричного струму. Між електродами розвивається температура 1550 – 1600 0С. Розподіл температур у скляній масі (в об’ємі ванни) і рух конвекційних потоків в цих печах залежить від розміщення, форми і навантаження електродів.
Температура скляної маси при проходженні струму між електродами – максимальна і знижується верх і вниз у басейні печі. Тепло, що передається від електродів до верху компенсує витрати тепла на нагрівання скляної маси, а також витрати, що пов’язані з виділенням тепла в навколишнє середовище. Тепло, що передається від електродів до низу компенсує витрати тепла в навколишнє середовище через будову печі (дно, стіни басейну). Температура скляної маси на дні басейну в електричних печах вища, а на поверхні скляної маси значно нижча порівняно з полум’яними печами.
Задана температура у виробній частині підтримується електричним нагріванням зверху електродами, що розміщені над скляною масою або нагріванням за рахунок згорання газоподібного палива.
Теплообмін в ванних печах з чисто електричним нагріванням суттєво відрізняється від теплообміну в полум’яних печах. В електричних печах відсутнє високотемпературне газове середовище і вогнетриви печі, що випромінюють тепло. Джерело тепла знаходиться всередині скляної маси. Шихта, що завантажується в піч, одержує потрібну кількість тепла через поверхню контакту з розтопленою скляною масою. Кількість тепла, що передається шихті від нижніх шарів розтопленої скляної маси, залежить від температури і складу скла.
3.10 Конструкційний розрахунок електричної печі
Площа дзеркала варочного басейна Fв визначається за формулою:
Fв = G / у,
де G – продуктивність печі, кг/доб.; у – питоме знімання скломаси з 1 м2 басейна. Залежить від температури варіння.
Fв = 712 / 80 = 8,9 м2
Ширина варильного басейнаN = 1,8 м, тоді довжина варильного басейна печі буде:
l = F / N = 8,9 / 1,8 = 4,94 м
Глибину басейна приймаємо рівною 1,5 м.
Висота від дзеркала скломаси до п’ят зводу 0,3 м. 30
Всі стадії скловаріння проходять в басейні у вертикальному напрямку. Скломаса з печі прямо поступає з протока в живильник. Для підтримки теплового режиму, під час розігріву печі у виробіточній частині, передбачена установка електродів.
Звід басейну повинен бути ретельно заізольованим.
Кількість печей при заданій річній продуктивності на заводі, що проектується:
N = Рг / (mP),
де Рг – річна продуктивність, т/рік; m – число робочих днів з урахуванням ремонту; P – продуктивність однієї печі, т/доб.
N = 250 / (351 · 1,0) = 0,71 ≈ 1
Для використання даної річної продуктивності знадобиться одна піч.
3.11 Теплотехнічний розрахунок
Тепловий баланс печі
Витрата тепла на дегазацію:
Vп.д. = Gп.д. / сп.д.,
де Gп.д. – кількість продуктів дегазації в кг/кг шихти (Gп.д = 0,25 кг/кг); сп.д. – густина продуктів дегазації (сп.д.= 2 кг/м3).
Vп.д. = 0,25 / 2 = 0,125 м3
qг = 0,125 · 0,95 · 0,25 · 1580 = 46,9 кДж/кг
Теплота плавлення скла,qпл:
qпл = 347 Gm(1 – Gп.д.) = 347 · 0,95 · (1 – 0,25) = 247,2 кДж/кг
Витрати тепла на випаровування,qвип.:
qвип. = 2510 · VН2О · Gm,
де VН2О – об’єм вологи, що знаходиться в шихті.
VН2О = GН2О / сН2О = (0,035 · 0,95) / 1 = 0,033 м3
qвип. = 2510 · 0,033 · 0,95 = 78,7 кДж/кг
Загальні витрати тепла:
qх = qс + qм + qг + qпл. + qвип. = 11084,6 + 1833,8 + 46,9 + 247,2 + 78,7 = 13291,2 кДж/кг
Q1 = 13291,2 кДж
Витрати тепла на склоутворення:
Q2 = Gсmqс = 0,16 · 11084,6 = 1773,5 кДж
Втрати тепла з випромінюванням крізь засипний отвір:
Q3 = 0,0057 [(Тг / 100)4 – (Тв / 100)4] ц F,
де Тг, Тв – температура пічного простору і навколишнього повітря, 0К; ц – коефіцієнт діафрагмування (ц = 0,59); F – площа перетину засипного отвору, м2.
Тг = tg + 273,
де tg – дійсна температура, 0С;
Тг = 1620 + 273 = 1893 0К;
Тв = 20 + 273 = 293 0К;
Висота засипного отвору 0,2 м, довжина – 3 м. F = 0,2 · 3 0,6 м2
Q3 = 0,0057 · [(1893 / 100)4 – (293 / 100)4] · 0,59 · 0,6 = 259 кДж
Витрати тепла з випромінюванням у влети:
Q4 = 0,0057 [(Тг / 100)4 – (Твл / 100)4] ц Fвл
Розміри влета – (2 х 0,45) м; кількість влетів – z = 5.
Отже, Fвл = (2 · 0,45) z =(2 · 0,45) · 5 = 4,5 м2
Твл = 1300 + 273 = 1573 0К
Q4 = 0,0057 · [(1893 / 100)4 – (1573 / 100)4] · 0,59 · 4,5 = 1017 кДж
Втрати тепла у навколишнє середовище в пічній зоні:
q = 0,001(tг – tв ) F / [(1 / л) + У (у / лі)]
qс = q1 G1Gm + q2 G2Gm + ... + qnGnGm,
де q1, q2 ...qn– теплові ефекти утворення оксидів, які переходять у скло, кДж/кг; G1, G2...Gn – вагові кількості оксидів, кг/кг (із розрахунків шихти).
Сухих матеріалів на 1 кг скла:
Gm = 100 / (100 + Gб – Gп.д.),
де Gб – кількість склобою, що вводиться в шихту (30 %); Gп.д. – кількість легких продуктів дегазації (25 %).
Gm = 100 / (100 + 30 – 25) = 0,95.
qс = 1537 · 1 · 0,95 + 952 · 7 · 0,95 + 3467 · 1 · 0,95 = 11084,6 кДж/кг
Витрати тепла на нагрів 1 кг скломаси до tс = 1580 0С при початковій температурі шихти tп = 20 0С:
qм = Ссtс – (GmСmtп + Gб Сбtк),
де Сс – середня теплоємкість скломаси, кДж/кг·град; Сm – середня теплоємкість шихти (0,963 кДж/кг·град); Сб – середня теплоємкість склобою (0,756 кДж/кг·град).
Сс = 0,672 · 0,00046 tс = 0,672 · 0,00046 · 1580 = 1,399 кДж/кг·град
qм = 1,399 · 1580 – (0,95 · 0,963 · 20 + 0,3 · 0,756 · 1580) = 1833,8 кДж/кг
Витрати тепла на нагрів продуктів дегазації до t= 1580 0С:
qг = Vп.д.GmGп.д.tп.д.,
де Vп.д. – об’єм продуктів дегазації, м3/кг. Vп.д. = Gп.д. / сп.д.
– дном – q1 = 822,5 кДж/кг;
– стінками басейну – q2 = 893,8 кДж/кг;
– стінками пічного простору – q3 = 40 кДж/кг;
– зводом – q4 = 1157,6 кДж/кг.
Q5 = 822,5 + 893,8 + 40 + 1157,6 = 2914 кДж
Витрати тепла на охолодження електродів:
Qе = ms,
де m– питомі тепловитрати з 1 см2 електродів (35 кДж/см2);s – площа поверхні електрода, см2.
s = 2 р r (r + h),
де r – діаметр електрода (5 см); h – довжина електрода (70 см).
s = 2 · 3,14 · 2,5 (2,5 + 70) = 1138,3 см2
Q6 = 35 · 1138,3 = 39840,5 кДж
Разом витрати:
Q = 13291,2 + 1773,5 + 259 + 1017 + 2914 + 39840,5 = 59095,2 кДж
Необхідна потужність:
Р = QК / 860,
де К – коефіцієнт запасу (приймаємо рівним 1,1).
Р = 59095,2 · 1,1 / 860 = 75,6 кВт
ККД печі:
N = (GcтQс / У Q) 100%,
де Gcт – продуктивність печі, т/доб.; Qс – витрати тепла на склоутворення; У Q – сума всіх витрат тепла.
N = (0,712 · 13291,2) / 59095,2 · 100% = 46,02%.
3.12 Автоматична виробка виробів