Міністерство  освіти України 

  Київський Національний

  університет будівництва і архітектури 
 

  Кафедра технології виготовлення

  бетонних  та залізобетонних конструкцій 
 
 
 
 
 
 
 

  Розрахунково - пояснювальна

  записка до курсового проекту

з дисципліни “теплотехніка і теплотехнісне  обладнання” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Виконала: студент групи ТБКВМ – 41

                                                 Дерепа К.В.

     Керівник: доц. Кокшарьов В.М.  
 

  Київ  – 2010

 

   Вступ 
 
 

  Автоклавні  установки призначені для тепло-вологістної обробки бетонних, залізобетонних і силікатних виробів у середовищі з надлишковим тиском.

  Наявність надлишкового тиску середовища на початку теплової обробки й зростаюча відносна вологість пароповітряного середовища в процесі її сприяють підвищенню фізико-механічних властивостей бетону, що твердіє, скороченню тривалості обробки й зменшенню витрати цементу. 

  Підвищений  тиск у сполученні з високою температурою активізують реакції гідратації в'яжучих ; формування структури свіжоукладеного бетону проходить у сприятливих умовах при постійно діючому тиску. Під впливом тиску у виробі відбувається обтиснення поверхневих шарів матеріалу, що підвищує міцністні властивості бетону, що поліпшує морозостійкість і зменшує водопоглинення. Автоклавний спосіб обробки дозволяє одержувати високоякісні вироби навіть при застосуванні низкомарочних цементів або місцевих в'яжучих, а також теплоізоляційні матеріали (пінобетони, ячеїсті бетони).

  Робочий надлишковий тиск в автоклавах 0,8; 1,2; 1,6; 2,5 МПа. Оптимальне значення температури середовища і тиску при ізотермічному витримуванні і його тривалість залежать від типу в’яжучого: при використанні в’яжучих на основі вапна і ПЦ вони знаходяться в межах 1,2…1,6 МПа, а деяких побічних продуктів промисловості (наприклад ніфелінового цементу) 1,6…2,5 МПа.

  Автоклав  являє собою сталевий циліндричну  судину діаметром 2,6 та 3,6 м завдовжки 17…21 м с одної (тупиковий) чи двома  кришками (прохідний). Масивний сталевий корпус з товщиною стінок 20…30 мм витримує високий тиск. Він встановлений на одній нерухомій опорі і декількох  рухомих опорах, що дозволяє йому рухатись при нагріванні і охолодженні. Автоклав механізми підйому кришок і байонетні затвори, які забезпечують його герметичність. Притиск байонетних кілець і підйом кришок здійснює гідравлічна система, яка складається з електроприводу , насосної станції, маслопроводу і гідроциліндрів. Завантаження виробів в автоклав здійснюють вагонетками за допомогою перехідного містка, який з’єднує рельсовий шлях в цеху з рельсами автоклаву.

  Система паропостачання складається з наступних  елементів: продувочний, впускний, перепускний, випускний штуцера з регулюванням і запірною арматурою; система видалення конденсату, яка приєднується до штуцера; запобіжний клапан. Пара в автоклаві розподіляється сопловою подачею чи через перфорований паропровід; режим подачі пари регулюється програмним регулятором температур ПР3 чи РПТА-2.

  Перед початком запарювання автоклав продувають пором для видалення повітря, що знижує інтенсивність теплообміну. У перший період обробки відбувається прогрів виробів до температури 100 °С при рясної конденсацій пари на виробах і стінках автоклава; у другий період температура й  тиск підвищуються до прийнятого максимального  значення, що супроводжується прогрівом  і обтисненням бетону. Після періоду  ізотермічного витримування, тривалість якого пов'язана з товщиною виробу, видом матеріалу й величиною  тиску, наступає період охолодження. Він  найнебезпечніший через можливе  порушення структури матеріалу. Так, при зниженні тиску в автоклаві  в матеріалі якийсь час зберігається максимальний тиск і виникаючий градієнт тиску може перевищити припустимі значення. При цьому різке зниження тиску  в середовищі може привести до того, що волога, що перебуває у виробі, виявиться перегрітої й відбудеться  бурхливе скипання по всьому обсязі виробу. Тому зниження тиску й температури  виробляється за графіком із проміжними витримуваннями для вирівнювання тисків і температур по обсязі виробу. Для  економії пари графік режиму обробки  виробів становлять для декількох  автоклавів так, щоб підйом тиску  в одному збігався зі зниженням в  іншому; у цьому випадку пар  перепускають в інший автоклав до вирівнювання тиску в них.

  У деяких випадках після зниження тиску  до атмосферного роблять вакуумування. Вакуумування крупнорозмірних виробів  з  ячеїстого бетону в період охолодження  після досягнення атмосферного тиску  дає можливість знизити вологість  виробів і прискорити їхнє охолодження  без втрати міцності. Вакуумування також створює додатковий градієнт тиску в тілі виробу, що обумовлює  рух вологи від центра до периферії  й необхідне зневоднювання ячеїстого  бетону.

  Після відкриття кришки або вивантаження виробів з автоклава виробу необхідно  витримувати в умовах цеху, тому що усередині них ще досить висока температура й процес охолодження  бетону триває.

  Ефективність  автоклавного способу обробки в  значній мірі залежить від ступеня  заповнення автоклавів виробами, тобто  укладання виробів повинна бути максимальної по всьому обсязі. Довжину  автоклава вибирають у відповідності  кратності його розмірів розмірам типових   оброблюваних   виробів.

Конструктивний  розрахунок установки

1. Річна розрахункова продуктивність 140000 м³/рік
2. Продукція, що випускається :

              а) розміри виробу в мм:

                   довжина – 580

                   діаметр -300

                   товщина – 150

               б) об'єм бетону у виробі 0,028224 м³

                в) щільність бетону p= 400 кг/м³

                    коефіцієнт теплопровідності λ  =0,175 Вт/(м·ºС)

                    коефіцієнт теплоємності с= 0,795 кДж/(кг·ºС)

              г) маса виробу 19,7568 кг.

3. Внутрішні габаритні розміри автоклава:

• внутрішній діаметр 2600мм

• довжина 19100мм

4. Приймаємо вагонетку розміром:

В автоклав вироби поставляються на вагонетках. Блоки лежать на вагонетках ярусами, описуючи своїми контурами колоподібну форму автоклава. Ніжній ярус розміщується на висоті 0,59м (0,25+0,2+0,14=0,59 м 0,25- висота колії від дна автоклава). Ширина вагонетки 1,9 м, при цьому по ширині на форму з проміжком для конвекції 2см розміщується 6 виробів (6*0,3+0,02*5=1,9м), довжина вагонетки 9м. По довжині на вагонетці розміщується 5 виробів (5*0,588=2,94м). В автоклав вміщується 6 вагонеток (3*6=18м<19,1м).

      2 ярус 5х6 – 30 виробів

      3 ярус 5х7 – 35 виробів

      4 ярус 5х7 – 35 виробів

      5 ярус 5х7 – 35 виробів

      6 ярус 5х7 – 35 виробів

      7 ярус 5х7 – 35 виробів

      8 ярус 5х6 – 30 виробів

      9 ярус 5х6 – 30 виробів

      10 ярус 5х4 – 25 виробів

      11 ярус 5х4 – 20 виробів

Всього на вагонетці 335 виробів. За один заїзд  в автоклав заїзджає 335*6=2010 стіговіх блоків.

2.1 Робочій об’єм автоклава: V_к=101,36м³

2.2 Сумарний об’єм бетону: V_б=V_б1n=0,028224*2010 = 56,73м³

2.3 Ступінь заповнення  установки бетоном:

3.1 За нормативним и документами вибираємо режим теплової обробки:

      τ_зав = 0,5 год.

      τ_розв = 0,5 год.

      τ_прогр = 1,5 год

      τ_{ізот. витр.} =6 год

      τ_охол. = 3 год

3.2 Загальна тривалість  циклу теплової обробки:

τ_µ=τ_зав+τ_прогр+τ_ізот.в+τ_охол+τ_розв=0,5+1,5+6+3+0,5=11,5 год

3.3 Кількість  добових обертів установки : 

3.4 Кількість  обертів установки на рік: 

3.5 Річна продуктивність  одного автоклава за об’ємом бетону у виробах:

G_рік=V_б1*m_рік=56,73*313,7=17796,2 м³/рік

3.6 Річна продуктивність  цеху:

G_цех=17796,2*2=35592,4 м³/рік

3.7 Кількість  пар автоклавів у цесі, необхідних  для виконання річної програми: 
 
 

   

      Розрахунок прогріву виробів. 
 

1. Розрахункова товщина виробу R=0,15 м;
2. Швидкість підйому температури середовища в автоклаві:

 

3. Час обробки  виробів по стадіям, год:

τ_I-1=τ₁/3=2/3=0,6

4. Температура середовища в кінці кожної стадії:

Де  t^'_1-i – температура середовища на початку стадії.

    t^"_1-1= t_I-1+=15+86*0,6=66,6^oC

  t^"_1-2= t_I-2+=66,6+86*0,6=118,2^oC

  t^"_1-3= t_I-3+=118,2+86*0,6=169,8^oC

5. Середня температура середовища в стадії:

t_1-1=0,5(t'_I-1+t''_I-1)=0,5(15+66,6)=40,8^oC

t_1-1=0,5(t'_I-2+t''_I-2)=0,5(66,6+118,2)=92,4^oC

t_1-1=0,5(t'_I-3+t''_I-3)=0,5(118,2+169,8)=144^oC 
 
 
 

Період  нагріву

    Перша стадія

1. Критерій Віо:

Ві_1-1=

=20*0,15/0,175=17,14

2. Критерій Фур'є:

F₀=α·τ/R²=0,00113*0,6/0,15²=0,03

α=3,6·λ_м/(с·ρ)=3,6*0,175/(0,795*700)=0,00113

3. Безрозмірна температура, визначена за номограмами

^ц=0,99; ^п=0,25

4. Температура центра виробу в кінці стадії:

t^ц_1-1= ŧ_1-1- ^ц(ŧ_1-1-t₁)=40,8-0,99(40,8-15)=15,26^oC

5. Температура поверхні виробу:

t^п_1-1= ŧ_1-1- ^п(ŧ_1-1-t₁)=40,8-0,25(40,8-15)=34,35^oC

6. Середня температура виробу  в кінці стадії:

ŧ_б1-1=0,67· t^ц+0,33· t^п=0,67*15,26+0,33*34,35=21,5^oC

 Друга стадія

1. Критерій  Віо:

Ві_1-1=

=30*0,15/0,175=25,7

2. Критерій Фур'є:

F₀=α·τ/R²=0,00113*0,6/0,15²=0,03

               α=3,6·λ_м/(с·ρ)= 3,6*0,175/(0,795*700)=0,00113

3. Безрозмірна температура

^п =0,99; ^п=0,25

               4.     Температура  центра виробу в кінці стадії:

               t^ц_1-2= ŧ_1-2- ^п (ŧ_1-2-t_1-1)=92,4-0,99*(92,4-40,8)=41,3^oC

               5.     Температура  поверхні виробу в кінці стадії:

               t^п_1-2= ŧ_1-2- ^п (ŧ_1-2-t_1-1)= 92,4-0,25*(92,4-40,8)=79,5^oC

               6.      Середня  температура виробу  в кінці  стадії:

               ŧ_б1-2=0,67· t^ц+0,33· t^п=0,67*41,3+0,33*79,5=53,9^oC 
 
 
 
 
 
 

Третя стадія

1. Критерій Віо:

Ві_1-1=

=30*0,15/0,175=25,7 
 

2. Критерій  Фур'є:

F₀=α·τ/R²=0,00113*0,6/0,15²=0,03

               α=3,6·λ_м/(с·ρ)= 3,6*0,175/(0,795*700)=0,00113

3. Безрозмірна температура

^п =0,99; ^п =0,25

               4.     Температура  центра виробу в кінці стадії:

               t^ц_1-3= ŧ_1-3- ^п (ŧ_1-3-t_1-2)=144-0,99*(144-118,2)=118,4^oC

               5.     Температура  поверхні виробу в кінці стадії:

               t^п_1-3= ŧ_1-3- ^п (ŧ_1-3-t_1-2)=144-0,25*(144-118,2)=137,55^oC

               6.      Середня  температура виробу  в кінці  стадії:

               ŧ_б1-3=0,67· t^ц+0,33· t^п=0,67*118,4+0,33*137,55=124,85^oC 
 

               2. Період ізотермічного  витримування

Температура ізотермічного  витримування: t_II=187^oС

Температура центру виробу на початку витримування t^ц_1-3=17,3^oC

Температура повехні  виробу на початку ізотермічного  витримування  t^ц_1-3=127,97^oC

Середня температура  процесу ізотермічного витримування t_II=156,5^oC

1. Критерій Віо:

Ві_1-1=

=30*0,15/0,175=25,7

2. Критерій Фур'є:

F₀=α·τ/R²=0,00113*5,5/0,15²=0,27

               α=3,6·λ_м/(с·ρ)= 3,6*0,175/(0,795*700)=0,00113

3. Безрозмірна температура

^ц =0,66; ^п =0,09

               4.     Температура  центра виробу в кінці стадії:

               t^ц₂= ŧ₂- ^п (ŧ₂-t^ц_1-3)=187-0,66*(187-118,4)=141,7^oC

               5.     Температура  поверхні виробу в кінці стадії:

               t^п₂= ŧ₂- ^п (ŧ₂-t^п_1-3)=187-0,09*(187-137,55)=182,54^oC

               6.      Середня  температура виробу  в кінці  стадії:

               ŧ_б2=0,67· t^ц+0,33· t^п=0,67*141,7+0,33*182,5=155,16^oC 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Розрахунок прогріву  виробів з врахуванням

теплоти екзотермічних реакцій.

Період  нагрівання: 

1. Питома  теплота екзотермії в період нагріву:

 

q_екз=400*202*0,724/(162+0,96*202)=101,3 кДж/кг 

М – марка  цементу

            a= 0,32+0,002·=0,32+0,002*202=0,724

2. Кількість температуро-годин:

0,5*(187+15)*2=202^oC*год

3. Загальна теплота екзотермії, яка виділяється в'яжучим, що знаходиться в установці:

Q_екз=q_екз·Ц·V_б=101,3*56,73*220=1043414,8 кДж 

4. Підвищення середньої температури виробів за рахунок теплоти екзотермії:

Δt_бі=

_{tбi=1043414,8/(56,73*700*0,795)=33,05^oC}

5. Фактичне значення температури вироба:  

      t_Бі=t_Бі+t_Бі=124,95+33,05=158^oC 
 
 
 
 
 
 

Період  ізотермічного витримування: 
 

1. Питома  теплота екзотермії в період нагрівання:

q_екз =400*555,5*1,43*/(162+0,96*555,5)=281,7 кДж/кг

a=0,32+0,002=0,32+0,002*555,5=1,43

2. Кількість температуро-годин:

^oC

3. Загальна теплота екзотермії, яка виділяється в'яжучим, що знаходиться в установці:

Q_екз=q_екз·Ц·V_б=281,7*56,73*220=2875030,2 кДж 

4. Підвищення середньої температури виробів за рахунок теплоти екзотермії:

Δt_бі=

_{tбi=2875030,2/(56,73*700*0,795)=91,06^oC}

       5. Фактичне значення температури вироба:  

          t_Бі=t_Бі+t_Бі=155,16+91,06=246,22^oC 
 

Теплотехнічний  розрахунок 

А. Період нагріву

Прихід  теплоти, кДж 

1. Теплота, принесена сухою частиною бетонної маси:

Q_c1=Gc·Cc·t_c1=24961,2·0.795·15=297662,31 кДж

2. Теплота, пренесена водою затворення:

Q_в=G_в1·C_в·t_в=83,6·4,19·15=5254,26 кДж

3. Теплота матеріалів огороджень:

Q_огр=G_огр·C_огр·ŧ_δ2=13780*0.67*158= 1431053 кДж;  

4. Теплота принесена  вагонеткою:

Q_ф3=G_ф·C_ф·t_ф3=46940,4*0,48*15=330770,8 кДж;

5. Теплота ізотермії цементу:

Q_ц=G_ц· q_екз=12480,6*101,3=1264284,78 кДж; 

Витрати теплоти за період нагріву:

1. Теплота сухої частини виробів, нагрітої до середньої температури до кінця періоду нагріву:

      Q_c2=G_c·C_c·ŧ_δ3=24961,2*0,755*158= 2977621,55 кДж;

2.     Теплота, необхідна для нагріву води затворення  до кінця періоду нагріву:

Q_в2=G_в·C_в·ŧ_δ3=83,6*4.19*158= 55344,9 кДж;

3. Теплота матеріалів огороджень:

Q_огр=G_огр·C_огр·ŧ_δ3=13780*0.67*158= 1578774,6 кДж;

4.      Теплота на випаровування і перегрів вологи до температури відходячих газів:

Q_п=W(2500+1,97·ŧ₂)=59(2500+1,97·187)= 169235,01кДж;

5. Теплота акумульована в матеріалах огородження на 1 м³поверхні:

Q_п=7,2λf(t_п-t_н) =7,2·0.1815·166.5·(158-15) =6568.1 кДж;

6. Затрати теплотик різьогородження в навколишнє середовища:

К= = 1,01

Q_т=3,6·К·F·(t_в-t_а.с.)=3,6·1,01·166.5(158-15)=12819,35 кДж;

7. Теплота, принесена вагонетками

Q_ваг=G_ваг·C_ваг· ŧ_δ2=46490,4*0,48*158= 3592778,11 кДж;

8. Кількість теплоти, яка повинна надійти в камеру за цей період:

Q_под1= _рас- _пр= 8393140- 3329029=5064111,8  кДж;

9. Витрати теплоносія:

2411,5кг;

10. Погодинна витрата теплоносія:

q_n1=G_n/τ₁=2411,5/2=1205,74кг

11. Питомі витрати пари:

Q_v1=G_n/v_б=2411,5/56,73=42,5кг/м³. 
 

Б. Період ізотермічного витримування

Прихід  теплоти, кДж 

1. Теплота, принесена сухою частиною бетонної маси:

Q_c1=Gc·Cc·t_c1=24961,2·0.795·158=3135376,31 кДж

2. Теплота, пренесена водою затворення:

Q_в=G_в1·C_в·t_в=83,6·4,19·158=55344,87 кДж

3. Теплота матеріалів огороджень:

Q_огр=G_огр·C_огр·ŧ_δ2=13780*0.67*158= 1431053 кДж;  

4. Теплота принесена  вагонеткою:

Q_ф3=G_ф·C_ф·t_ф3=46940,4*0,48*158=3559959,8 кДж;

5. Теплота ізотермії цементу:

Q_ц=G_ц· q_екз=12480,6*281,7=3515785,02 кДж; 

Витрати теплоти за період нагріву:

1. Теплота сухої частини виробів, нагрітої до середньої температури до кінця періоду нагріву:

      Q_c2=G_c·C_c·ŧ_δ3=24961,2*0,755*246,22= 4640189,6 кДж;

2.     Теплота, необхідна для нагріву води затворення  до кінця періоду нагріву:

Q_в2=G_в·C_в·ŧ_δ3=83,6*4.19*246,22= 86245,56 кДж;

4. Теплота матеріалів огороджень:

Q_огр=G_огр·C_огр·ŧ_δ3=13780*0.67*246,22= 2460289,46 кДж;

4.      Теплота на випаровування і перегрів вологи до температури відходячих газів:

Q_п=W(2500+1,97·ŧ₂)=59(2500+1,97·187)= 169235,01кДж; 
 

12. Теплота акумульована в матеріалах огородження на 1 м³поверхні:

Q_п=7,2λf(t_п-t_н) =7,2·0.1815·166.5·(246,22-15) =10235.1 кДж;

13. Затрати теплотик різьогородження в навколишнє середовища:

К= = 1,01

Q_т=3,6·К·F·(t_в-t_а.с.)=3,6·1,01·166.5(246,22-15)=19977,02 кДж;

14. Теплота, принесена вагонетками

Q_ваг=G_ваг·C_ваг· ŧ_δ2=46490,4*0,48*246,22= 5598821,67 кДж;