Simulation of ceramic ware and kiln car temperature profiles for analysing the tunnel kiln process in the production of bricks and roof tiles

Abstract

A model is developed to simulate the tunnel kiln process. The model of the roof tile tunnel kiln includes the heat transfer between the kiln car and the ware and also between the kiln car and the gas. The model requires the temperatures and mass flow rates of all the inputs like the ware, furniture, kiln car, fuel, and cooling air. The model also requires the output mass flow rate of the LTR and HTR and not the temperatures. The model can calculate the temperature profiles of the ware, the gas, and the kiln car in the tunnel kiln by solving ordinary differential equations. The ordinary differential equations of the ware, gas, and kiln car are solved using the ode solver in MATLAB. The model simulated the firing curve of the brick and roof tile in two reference tunnel kilns. The simulations showed that the temperature profiles of the kiln car in the brick tunnel kiln and roof tile tunnel kiln are different. The residence time of the kin car in the tunnel kilns is the main reason for the different temperature profiles in the two tunnel kiln cars. The residence time in the roof tile kiln is 16.5 hours whereas in the brick kiln, it is 60 hours. In the brick kiln, the bottommost layer of the kiln car is heated to a temperature of 250°C at the exit of the tunnel kiln. The temperature of the bottommost layer of the kiln car throughout the tunnel kiln remains the same as its inlet temperature in a roof tile kiln. The radiative heat transfer coefficient between the kiln car and the roof tile is higher than between the kiln car and the brick. From the simulation of different arrangements of the bricks on the kiln car, a configuration of the bricks was simulated which had 48% less fuel consumption than another configuration for the same production rate in which the bricks are closely stacked. The kiln car was found to be a major reason for the energy loss in the tunnel kiln process. The energy savings achieved in a tunnel kiln process without the kiln car can be more than 30%. To reduce the impact of the heavy kiln car on the tunnel kiln process, the idea of using carrier plates as a transportation system is investigated. The carrier plates transport the ceramic ware along the tunnel kiln on fixed ceramic rollers. The two reference tunnel kilns are re-simulated with the transportation system as carrier plate which has the same physical characteristics as that which is used at the Brick and Tile Research Institute Essen (Institut für Ziegelforschung Essen e.V.). The firing curve of the brick and roof tile are recreated also for different thermal conductivity of the carrier plate. Removing the kiln cars entirely from the existing tunnel kilns is not cost-effective. Hence, another configuration was considered, where the ceramic rollers are fixed on the kiln car and the carrier plate will move on top of the ceramic rollers. This configuration enables the reduction of heat loss through the bottom of the tunnel kiln compared to the configuration without a kiln car.

Es wurde ein Modell entwickelt, um den Tunnelofenprozess zu simulieren. Das Modell des Tunnelofens für Dachziegel umfasst die Wärmeübertragung zwischen dem Ofenwagen und der Ware sowie zwischen dem Ofenwagen und dem Gas. Das Modell benötigt die Temperaturen und Massenströme aller Inputs wie Ware, Transporthilfsmittel, Ofenwagen, Brennstoff und Kühlluft. Das Modell benötigt auch den Ausgangsmassendurchsatz des LTR und HTR und nicht die Temperaturen. Das Modell kann die Temperaturprofile der Ware, des Gases und des Ofenwagens im Tunnelofen durch Lösen der Differentialgleichungen berechnen. Die Differentialgleichungen für die Ware, das Gas und den Ofenwagen werden mit dem Ode-Solver in MATLAB gelöst. Das Modell simulierte die Brennkurve des Ziegels und des Dachziegels in zwei Referenz-Tunnelöfen. Die Simulationen zeigten, dass die Temperaturprofile des Ofenwagens im Ziegeltunnelofen und im Dachziegeltunnelofen völlig unterschiedlich sind. Die Verweilzeit des Ofenwagens in den Tunnelöfen ist der Hauptgrund für die unterschiedlichen Temperaturprofile in den beiden Tunnelofenwagen. Die Verweilzeit im Dachziegelofen beträgt 16,5 Stunden, während sie im Ziegelofen 60 Stunden beträgt. Im Ziegelofen wird die unterste Schicht des Ofenwagens am Ausgang des Tunnelofens auf eine Temperatur von 250 °C aufgeheizt. Die Temperatur der untersten Schicht des Ofenwagens bleibt während des gesamten Dachziegel-tunnelofens die gleiche wie die Eingangstemperatur. Der Strahlungswärmeübergangskoeffizient zwischen dem Ofenwagen und dem Dachziegel ist höher als zwischen dem Ofenwagen und dem Ziegel. Aus der Simulation verschiedener Anordnungen der Ziegel auf dem Ofenwagen wurde eine Konfiguration der Ziegel simuliert, die bei gleicher Produktionsrate 48 % weniger Brennstoff verbraucht als eine andere Konfiguration, bei der die Ziegel dicht gestapelt sind. Es wurde festgestellt, dass der Ofenwagen ein Hauptgrund für den Energieverlust im Tunnelofenprozess ist. Die Energieeinsparungen, die in einem Tunnelofenprozess ohne Ofenwagen erzielt werden, können mehr als 30 % betragen. Um die Auswirkungen des schweren Ofenwagens auf den Tunnelofenprozess zu verringern, wird die Idee untersucht, Trägerplatten als Transportsystem zu verwenden. Die Trägerplatten transportieren die keramische Ware entlang des Tunnelofens auf feststehenden Keramikrollen. Die beiden Referenz-Tunnelöfen werden mit dem Transportsystem als Trägerplatte nachgebildet, das die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweist, wie sie im Institut für Ziegelforschung Essen e.V. verwendet werden. Die Brennkurve des Ziegels und des Dachziegels wird auch für unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten der Trägerplatte nachgebildet. Der komplette Ausbau des Ofenwagens aus den bestehenden Tunnelöfen ist nicht wirtschaftlich. Daher wurde eine andere Konfiguration in Betracht gezogen, bei der die Keramikrollen auf dem Ofenwagen befestigt sind und sich die Trägerplatte auf den Keramikrollen bewegt. Diese Konfiguration ermöglicht die Verringerung des Wärmeverlusts durch den Boden des Tunnelofens im Vergleich zur Konfiguration ohne Ofenwagen.