Касетная установка

ЗАДАНИЕ

     Выбрать рациональную схему теплоснабжения, рассчитать и спроектировать кассетную установку для тепловлажностной обработки строительных изделий. 

     Исходные  данные: 

     СОДЕРЖАНИЕ

      ВВЕДЕНИЕ 

     Ускорение твердения бетона позволяет быстрее  получить изделия с отпускной  прочностью, повысить оборачиваемость  форм и другого оборудования, а  так же эффективнее использовать производственные площадки.

     Основным  методом ускорения твердения бетона является тепловая обработка. Она позволяет получить в необходимые сроки прочность изделий, допускающая их транспортирование на строительство, монтаж в зданиях и сооружениях, а также восприятие действующих нагрузок.

     К тепловой обработке относятся пропаривание при атмосферном и повышенном давлении, электропрогрев и лучистый обогрев, выдерживание с помощью нагреваемой воздушной среды и т.д. Процесс тепловой обработки бетона обычно состоит из подъема температуры до максимально установленного уровня, выдерживания при нем и охлаждения изделия до температуры окружающей среды.

     Установки для тепловлажностной обработки  предназначены для ускоренного твердения изделий. Обычно тепловлажностную обработку ведут до достижения 70% полной проектной прочности бетона. Установки для тепловлажностной обработки разделяют по следующим признакам:

     По  режиму работы — на установки периодического и непрерывного действия. Установки периодического действия в свою очередь подразделяются на две группы: на работающие при атмосферном и избыточном давлении. Установки непрерывного действия могут работать только при атмосферном давлении. В качестве установок периодического   действия   применяют ямные камеры, кассеты, пакеты, термоформы и автоклавы. Установки непрерывного действия   изготовляют в виде горизонтальных и вертикальных   камер, в которых происходит непрерывное или импульсное передвижение подвергаемого обработке материала.

     По  виду используемого теплоносителя  различают установки, в которых используют водяной пар при атмосферном и избыточном   давлениях;    паровоздушную смесь, горячую воду, электроэнергию, продукты горения топлива и высокотемпературные органические теплоносители(горячие масла, даутерм, дитолилметан и др.).

     Кроме установок для тепловлажностной обработки в технологии сборного бетона и железобетона применяют установки для разогрева бетонной смеси и подогрева заполнителей.

        1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР [1,4,5] 

     1.1 Установки периодического действия 

     К таким установкам относятся камеры ямного типа, кассетные установки, автоклавные установки. 

1. Камеры  ямного типа

     Наибольшее  распространение в промышленности сборного железобетона получили пропарочные камеры ямного типа. Чаще всего они применяются в поточно-агрегатной технологии. Камеры имеют прямоугольную форму, иногда со скругленными краями для улучшения циркуляции теплоносителя. В зависимости от уровня грунтовых вод и условий эксплуатации ямные камеры бывают напольные (установленные на уровне пола) и заглубленные в землю так, чтобы они возвышались над уровнем пола не более 0,6...0,7 м. Рационально и удобно блокировать камеры по нескольку штук. На рис.1 представлена камера ямного типа.

     Высота  камеры достигает 2,5...3 м. Ширину и длину  обычно выбирают с учетом размещения в ней двух штабелей изделий в формах. Для лучшей циркуляции теплоносителя между стенами и штабелями оставляют зазоры 50...75 мм, между полом и днищем нижней формы -150 мм, между крышкой и верхним изделием - 50 мм.

Рис. 1. Пропарочная камера ямного типа: 1 - камера; 2 - подводящий паропровод; 3 - стена камеры; 4 - стойки с кронштейнами; 5,8 - гидравлические затворы; 6 - уголок; 7 - крышка; 9 - канал для отбора паровоздушной смеси; 10 - система отбора конденсата; 11 - трап для вывода конденсата 

     Стены 3 камеры изготавливаются из кирпича, бетона или железобетона с теплоизоляцией. Наружные кирпичные стены камер имеют толщину 380 мм (1,5 кирпича), железобетонные 300...400 мм; внутренние кирпичные - 250 мм (1 кирпич), железобетонные - 150...200 мм. По боковым стенам камеры устанавливаются стойки 4 с кронштейнами для изделий в формах.

     Пол камеры из монолитного бетона или  железобетонных плит с гидроизоляцией (12...20 см) имеет уклон для стока конденсата. В полу есть трап 11 для вывода конденсата. В приемнике трапа, куда стекает конденсат, делают конденсатовыводящее устройство 10, назначение которого - выпускать конденсат в систему конденсатоотвода и не пропускать пар.

     Камера  закрывается съемной крышкой 7, представляющей собой жесткую конструкцию, заполненную изоляцией. По периметру крышки устанавливается уголок 6. Внутренняя стенка крышки выполнена с уклоном к краям, чтобы конденсат не попадал на поверхность изделия. Уплотнение между крышкой и камерой выполнено в виде гидравлического затвора, представляющего собой желоб, образованный швеллером, уложенным по периметру стены. Этот желоб заполняется водой или песком.

     Эксплуатация  камеры.

     В камеру 1 (см. рис. 1) с помощью крана  загружают изделия в формах и устанавливают на нижние кронштейны. Нагруженные кронштейны заставляют раскрыться следующий ряд. После загрузки камеру закрывают крышкой, заполняют водяные затворы 5 и 8 и включают подачу пара. Пар, поступая в камеру, поднимается вверх, смешиваясь с воздухом и нагревая его. Образуется паровоздушная смесь, одновременно пар нагревает изделия, стены, крышку, конденсируется и в виде конденсата стекает в конденсатоотводящее устройство. При изотермической выдержке количество подаваемого пара уменьшают, а в период охлаждения подачу пара отключают и открывают вентиляционный канал 9, через который удаляется паровоздушная смесь. При этом вода в гидравлических затворах вскипает и удаляется в виде паровоздушной смеси и через них в камеру начинает поступать холодный воздух. После охлаждения изделий камера открывается, а изделия, набравшие 70...80 % марочной прочности, выгружаются из камеры краном.

     Цикл  работы ямной камеры составляет 12... 15 ч. Он включает время на загрузку, на разогрев изделий, на изотермическую выдержку, охлаждение и выгрузку изделий.

     Удельный  расход пара в таких камерах - 200...300 кг/м³ бетона (это показатель тепловой экономичности), но при правильной эксплуатации может быть снижен до 120... 150 кг/м³ бетона. 

2. Автоклавные установки

     Автоклавы представляют собой герметически закрывающиеся  сосуды, предназначенные для ТВО изделий из теплоизоляционных и силикатных бетонов паром под давлением выше атмосферного (рис. 2). Автоклавы могут быть прямоугольные или цилиндрические, тупиковые (с одной крышкой) или проходные (с двумя крышками). Рабочее избыточное давление составляет от 0,8 до 2,5 М Па.

     Наружная  поверхность корпуса 1 и паропроводов покрыта слоем теплоизоляционного материала толщиной 100...120 мм. Крышки 2 крепятся болтами или быстродействующими байонетными затворами 3. Герметизация обеспечивается уплотняющими прокладками. По дну автоклава уложены рельсовые пути 9 для перемещения состава вагонеток с изделиями.

     Около рельса по всей его длине расположена  паровпускная труба 6 с отверстиями, направленными вверх. Для улучшения циркуляции среды на паропровод ставят расширяющиеся сопла Лаваля. Чистоту пара (отсутствие воздуха) контролируют по манометру и термометру. Предохранительный клапан 5 предотвращает превышение давления сверх допустимого.

     При пуске или перепуске пара из одного автоклава в другой должны быть открыты  вентили для спуска конденсата 10 и выпуска воздуха 12.

     Устанавливают автоклав на 5 - 8 опорах. Опора 11 неподвижна, остальные подвижны, благодаря чему устраняются термические напряжения корпуса автоклава.

              11     12

     Рис. 2. Схема автоклавной установки: 1 - наружная поверхность корпуса; 2- крышки; 3 - затворы; 4 - перепускной клапан; 5 - предохранительный клапан; 6—паровпускная труба; 9 - рельсовые пути; 10 - вентиль для спуска конденсата; 11 - неподвижная опора; 12 - вентиль для выпуска, воздуха 

     Загруженные изделиями вагонетки с помощью  передаточной тележки и толкателя заталкивают в подготовленный автоклав с отрытыми крышками. После загрузки и герметизации крышек можно либо включить подачу пара и начать ТВО, либо включить вакуумирование и потом начать обработку, либо, не закрывая крышек, включить подачу пара и начать продувку.

     Далее автоклав работает следующим образом: сначала путем подачи пара при  атмосферном давлении поднимают  температуру до 100 °С, потом до максимальной температуры, при которой проводится изотермическая выдержка. При изотермической выдержке пар подается только на компенсацию потерь теплоты. По окончании выдержки начинается двухступенчатое охлаждение. Подача пара при этом прекращается.

     В целях экономии пара на заводах осуществляют перепуск пара из одного автоклава в другой, что дает возможность экономить до 10... 15 % свежего пара.

     Выбор типа и размера автоклава зависит  от габаритов изделий, технологии их изготовления и производительности предприятий. Чаще всего применяют автоклавы диаметром от 2 до 3,6 м. При большой мощности предприятий наиболее эффективны проходные автоклавы длиной до 40 м, обеспечивающие поточность производства. Длина автоклава должна быть кратна размерам изделий, потому что неиспользуемая длина снижает коэффициент заполнения объема и увеличивает удельный расход пара, который обычно составляет 300...400 кг/м³.

     Тип автоклава выбирают, исходя из соображений  технологии и по наибольшему коэффициенту заполнения, который должен составлять 0,1...0,35.

     Максимальное заполнение объема достигается в прямоугольных автоклавах, хотя наиболее распространены цилиндрические. Прямоугольные изготовляют из преднапряженного железобетона, обшитого внутри стальной рубашкой из листовой стали толщиной 5... 10 мм. Корпус монтируется по фундаментной плите. Торцы закрываются крышками, которые перемещаются по направляющим, расположенным в приямках. Рабочее давление до 0,8 М Па.

     Автоклавная обработка изделий из изоляционных и силикатных бетонов в автоклаве дает возможность получать высококачественные изделия при применении даже низкомарочных цементов или местных вяжущих. Этому способствует повышенное давление в сочетании с высокой температурой. 

     1.2 Установки непрерывного  действия 

     К таким установкам относятся наиболее часто встречающиеся щелевые горизонтальные, щелевые полигональные и вертикальные пропарочные камеры. 

     1.2.1 Горизонтальные щелевые камеры 

     Горизонтальные  щелевые камеры (рис. 3) бывают одноярусные и многоярусные (чаще – трехъярусные). Одноярусная щелевая камера располагается ниже уровня пола и представляет собой туннель. Длина составляет 60... 127 м. Ширина туннеля проектируется в расчете на движение одного-двух изделий на каждой форме-вагонетке и находится в пределах 5...7 м. Высота равна 0,7...1,2 м. В камере помещается 17-27 вагонеток с изделиями. Щелевые пропарочные камеры по длине разделяются на зоны (при длине 127 м): 1) подъема температуры (24 м); 2) изотермической выдержки (68 м); 3)охлаждения (35 м). В первую и вторую зоны подводится тепловая энергия, третья, наоборот, вентилируется холодным воздухом. Разделение камеры на функциональные зоны позволяет экономить тепловую энергию за счет экономии затрат теплоты на нагрев конструкций после каждого цикла.

     Вагонетка с изделием в форме 1 поступает на снижатель 2, оборудованный толкателем. Снижатель опускает вагонетку на уровень рельсов 4 камеры, и толкатель выталкивает вагонетку со снижателя в камеру, при этом вагонетка с изделием проходит под механической шторой 3, которая предохраняет торец камеры от выбивания паровоздушной смеси и подсосов. Одновременно вагонетка с изделием усилием толкателя продвигает весь поезд, и последняя вагонетка через герметизирующую штору 5 выдвигается на подъемник 6, который поднимает вагонетку на уровень пола, после чего она идет на пост распалубки. Производительность камеры можно регулировать ритмом загрузки.

     Рис. 3. Схема горизонтальной пропарочной камеры щелевого типа:

     1 - вагонетка с изделием; 2 - снижатель; 3 - механическая штора; 4 - уровень рельсов; 5 - герметизирующая штора; 6 - подъемник 
 

     Материал, поступивший в камеру, может нагреваться  либо острым паром, либо трубчатым и  электронагревателями (ТЭНами), либо глухим паром.

     При нагреве острым паром для его  подачи используют двухсторонние стояки, причем первая пара стояков располагается на расстоянии 20...25 мм от входа с шагом 2...6 м, а последняя - на расстоянии 35...40 м от разгрузочного конца камеры. На каждый стояк установлена перфорированная трехдюймовая труба длиной 1150 мм с соплами, через которые пар поступает в камеру. При этом образуется паровоздушная смесь, которая конденсируется на холодных изделиях. В таких камерах предусмотрены уклоны для стока конденсата и устройства для его отбора.

     Для более полного использования  теплоты пара применяют рециркуляцию: отбирают паровоздушную смесь у разгрузочного конца и возвращают в конец зоны подогрева. Максимальная температура нагрева изделий составляет 80...85 °С, так как в камере присутствует воздух. Удельный расход пара составляет 300...400 кг/м³.

     При тепловой обработке изделий из легких бетонов (керамзитобетон и др.) применяют «глухой» пар, так как осаждающийся конденсат повышает влажность изделий. Теплоснабжение камеры осуществляется с помощью регистров, расположенных на полу камеры. Их количество, необходимое для каждой зоны нагрева, определяют из расчета теплового баланса и теплоотдачи одного регистра. Регистры изготовляют из гладких труб диаметром 76 мм и длиной 5 м; число труб в регистре – от 5 до 15 и зависит от размеров камеры и места установки. Расход пара при такой обработке - 200...250 кг/м³. Температура среды может достигать 120... 130°С (если использовать перегретый пар).

     После тепловой обработки в зонах подогрева  и изотермической выдержки изделия  охлаждают. 

     1.2.2 Полигональные пропарочные камеры щелевого типа 

     Эти камеры представляют собой такой  же туннель, как и горизонтальные, с подобным соотношением размеров и принципом действия (рис. 4).

     Полигональный тип камер особенно выгоден при  использовании в качестве теплоносителя  пара, так как в этом случае наиболее эффективно используется естественное расслоение паровоздушной смеси по высоте. 

     Рис. 4. Схема полигональной пропарочной камеры щелевого типа:

     I, II, III-зоны нагрева, изотермической выдержки, охлаждения; 1-снижатель; 2-вагонетка с изделием; 3-камера; 4- воздушная завеса; 5- подъемник 

     Вначале в камере образуется паровоздушная  смесь. Далее поступающий в камеру пар занимает верхнюю часть зоны изотермической выдержки II, выдавливая паровоздушную смесь в расположенную ниже зону прогрева I. Зона охлаждения III отделяется от зоны изотермической выдержки воздушной завесой 4, поэтому в нее паровоздушная смесь почти не перетекает. Таким образом, в зоне изотермической выдержки воздуха практически не остается, относительная влажность достигает 95...97 % и температура в зоне повышается почти до 100 °С. Создаваемые условия позволяют несколько уменьшить длину камеры, ибо доля воздуха в паровоздушной смеси камеры снижается, а коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси к материалу возрастает. Полигональная камера благодаря улучшению условий теплообмена дает возможность снизить и расход пара на 10... 15 % по сравнению с горизонтальной камерой. 

     1.2.3 Вертикальные пропарочные  камеры 

     Вертикальные  пропарочные камеры проф. ЛА. Семенова (рис. 5) позволяют рационально расходовать теплоту и производственные площади. Эти камеры внизу у двух противоположных стен имеют проемы для загрузки и выгрузки форм-вагонеток. Размеры загрузочного проема на 5... 10 см превышают габариты форм-вагонеток, высота проема обычно не превышает 1 м.

     Приямок оборудован механизмами для подъема  форм по вертикали, перемещения по горизонтали и опускания. Механизмы транспортирования состоят из гидроподъемника, гидроснижателя и передаточной тележки. Конструкция гидроподъемника и гидроснижателя одинакова и состоит из стола, двух направляющих колонн, гидропривода, плунжерного гидроцилиндра и отсекателя. Передаточная тележка 3 перемещает формы из подъемной части в опускную. Она представляет собой раму в виде портала с четырьмя жесткими консолями для опускания форм. Тележка перемещается канатом лебедки, установленной вне камеры.

     Стены камеры из сборного или монолитного  железобетона снаружи покрыты теплоизоляционным  слоем из минеральной ваты и оштукатурены асбозуритом. Общая толщина стен приблизительно равна 220 мм. Перекрытие изготовлено из разъемных металлических щитов, заполненных теплоизоляционным материалом. Камеры располагают под мостовыми кранами цеха.

     В камерах вертикального типа используется естественное расслоение пара и воздуха по высоте. В верхней зоне камеры создается среда чистого насыщенного пара с температурой 100 °С. Ниже камера заполнена паровоздушной смесью, температура которой у пола 20...30 °С и по мере подъема изделий повышается до 100 °С.

     Подогреваются и охлаждаются изделия по принципу противотока: нагретые до 100 °С, опускаясь, охлаждаются, встречая холодную среду, а свежеотформованные при подъеме встречают все более горячую и влажную среду. Таким образом, нижняя часть камер для движущихся вверх свежеотформованных изделий служит зоной подогрева, а для изделий опускающихся - зоной охлаждения.

     Пар под давлением 0,18...0,2 МПа подается в камеру через перфорированное кольцо 8, расположенное под потолком. Для резкого отделения зон изотермической выдержки и подогрева - охлаждения на их границе установлено трубчатое кольцо 7 с холодной проточной водой, на которой конденсируется избыточный пар.

     Основное  достоинство вертикальных камер - их устойчивый тепловой режим, что упрощает эксплуатацию, позволяет точно планировать сроки тепловой обработки и обеспечивает возможность поточности технологической линии. Эти камеры особенно экономичны при расширении мощности существующих заводов, так как они занимают площадь в 2-3 раза меньшую, чем ямные ив 10-12 раз меньшую, чем туннельные такой же пропускной способности.

     Недостатки  вертикальных камер - возможность выхода из строя механизмов в среде насыщенного пара и низкий коэффициент использования объема.

     Удельный  расход пара 100... 150 кг/м³бетона.

     Рис. 5. Вертикальная пропарочная камера проф. ЛА. Семенова: 1 -

ограждение  камеры; 2 - формы с изделиями; 3 - передаточная тележка; 4 – стол- снижатель; 5 - стол-подъемник; 6 - вход в камеру; 7 - трубчатое кольцо; 8 - кольцевой паропрогрев 

     1.3 Сравнительная характеристика кассетной установки 

     В кассетных установках изготовляются  изделия для жилищного строительства. В таких установках формование и тепловая обработка производятся в вертикальных сборно-разборных формах. Кассетные установки применяются для изготовления как плоских (панели), так и сложных по форме изделий (лестничные марши, ребристые плиты и т.д.).

     Изготовление  изделий в кассетных формах обеспечивает высокую точность сборных деталей и хорошее качество поверхности. Отпадает необходимость в виброплощадках, бетоноукладчиках, сложных быстроизнашивающихся формах и пропарочных камерах.

     Масса бетона в кассетах находится в  замкнутом пространстве; открыто всего 1,5...6% поверхности. Это дает возможность применять интенсивную тепловую обработку бетона, не опасаясь быстрого испарения из него влаги и образования трещин. Температура бетона в кассетных установках достигает 100 °С.

     При изготовлении изделий в вертикальном положении требуется меньше монтажной арматуры и панели можно перевозить при распалубочной прочности бетона. В этом случае твердение бетона до отпускной прочности может протекать в камерах дозревания или на теплых промежуточных складах, где комплектуются изделия.

     Недостаткам являются периодичность работы, необходимость применять пластичные бетонные смеси, требующие значительно большего расхода цемента по сравнению с жесткими смесями; неудобство чистки и смазки кассет; неравномерность прочности и структуры бетона по высоте изделия и значительная металлоемкость кассет (вес до 60 т).

     Форма-кассета (рис. 6) состоит из вертикальных коробчатых форм 4, образующих рабочие отсеки.

     Формы с обеих сторон имеют паровые  рубашки 2. Во время работы установки  формы сверху закрываются крышками с теплоизоляцией. Стенки форм рабочих отсеков изготовляются из металлических листов 3 толщиной 10 мм. Формы оснащены подвижной боковой бортоснасткой, перемещаемой в зависимости от высоты изделиями нижней сменной бортоснасткой для изделий разной толщины. Крайние отсеки 5 представляют собой теплоизолированные подвижную и неподвижную стенки. Во время сборки и разборки кассетной установки подвижную стенку кассеты, а также рабочие и паровые отсеки перемещают по рельсовому пути на роликах с помощью рычажно-гидравлического устройства 6-8. Неподвижная стенка в торце крепится к жесткой раме станины 1. Готовые изделия извлекаются из рабочих отсеков мостовым краном.

Рис. 6. Схема кассетной установки: 1 - станина; 2 - отсеки пара; 3 - разделительная стенка, металлическая гибкая или жесткая в виде короба; 4 - отсеки для изделий; 5 - теплоизолированные подвижная и неподвижная стенки; 6 - фиксирующие упоры; 7 - механизм сжатия; 8 - привод; 9 - упорный дожимной винт 

     Пар подают в отсеки 2 с зигзагообразными перегородками и прогревают с двух сторон сразу два изделия. К паровым отсекам пар подводится с помощью перфорированной трубы, имеющей отверстия диаметром 3...5 мм. На отверстия наварены, как правило, сопла, направленные в нижнюю зону парового отсека (для улучшения циркуляции теплоносителя и, следовательно, теплообмена). Паропровод лучше располагать на уровне 1/2... 1/3 высоты теплового отсека (чтобы полнее вытеснить воздух, замедляющий разогрев). При обогреве кассет паром избыточное давление пара достигает до 0,170 МПа. При начальном прогреве кассеты необходимо продуть весь воздух, иначе температура в полости будет отставать от расчетной. Во избежание замедления теплообмена в нижней части полости надо постоянно выпускать весь конденсат и очищать от загрязнений греющие поверхности кассет.

     В кассетах ТВО складывается из двух стадий: I - прогрев; II - изотермическая выдержка, после чего кассету разбирают, а изделие распалубливают и помещают на 15... 18 ч в специальную яму-камеру для набора необходимой прочности (70...75%). Время тепловой обработки в кассетах 6...8 ч, поэтому изделия выгружаются с прочностью 50...60 % от проектной.

     В кассетных установках массообмен между  изделием и теплоносителем и между изделием и окружающей средой не происходит, что позволяет нагревать отсеки кассет любым источником тепла (воздух, пар, дымовые газы, электрический нагрев).

     При любом обогреве изделия из бетона нагревают до 80...90 °С в течение 1,0... 1,5 ч и далее выдерживают при этой температуре 4...6 ч. Расход пара в кассетах (или в пересчете на пар при других видах теплоносителей) составляет 150...250 кг на 1 м³ бетона.

      2 ПОДБОР СОСТАВА  БЕТОННОЙ СМЕСИ [7] 

     Тяжелый бетон.

     Класс бетона 15.

     Марка (активность) цемента 400.

     К_МП =1,12  - коэффициент межпартионной вариации.

       υ= 0,135 - вариация прочности бетона.

     Подвижность – ОК 10…14 см.