Обоснование способа тепловой обработки

     Содержание

 

    Введение……………………………………………………………………

1. Обоснование технологии производства………………………………….

2. Обоснование способа  тепловой обработки………………………………

3. Выбор ограждающих  конструкций установок..…………………………

4. Расчёт количества  и габаритов камер………..…………………………..

5. Теплотехнический расчёт…………………………………………………

       5.1 Период  нагрева……………………………………………………….

      5.2 Период изотермической выдержки…………………………………

6. Гидравлический расчёт  трубопроводов………………………………….

7. Использование теплоты вторичных теплоносителей………..…………

8. Мероприятия по охране  труда, природы и техники безопасности….…

    Заключение………………………………………………………………..

    Список использованных  источников……………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

     Применение  бетона стройиндустрией, в настоящее время, в значительной мере определяется темпами производства железобетонных изделий. Наиболее распространёнными приемами ускорения технологических процессов и сокращения длительности изготовления материалов и изделий является тепловая обработка. Она занимает около 80% длительности технологического цикла и потребляет свыше 75% тепло- и энергоресурсов. Сокращение любого из этих выше представленных показателей позволит значительно повысить эффективность технологии.

     Изменения, происходящие в материале: тепло- и массоперенос, структурообразование и деструкция, вызваны тепловым воздействием. Все эти изменения оказывают влияние на формирование прочностных и эксплуатационных свойств материала или изделия.

Результат этого воздействия  зависит от конструкционных особенностей установок, вида теплоносителя, организации его движения и прочих факторов.

     На эффективность  установок, культуру производства  оказывает влияние уровень механизации  и автоматизации.

    Без глубокого  изучения этих вопросов, умения  практически использовать приближённые значения нельзя говорить о высоком качестве подготовки специалистов в области технологии строительных материалов и изделий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Обоснование технологии производства

 

      Бетонные  и железобетонные изделия и конструкции изготовляют на заводах или полигонах. В процесс производства их входят следующие операции: приготовление бетонной смеси, изготовление арматуры и арматурных каркасов, армирование железобетонных изделий, формование, температурно-влажностная обработка и декоративная отделка лицевых поверхностей изделий.

     Основные  операции в современной технологии  сборного железобетона выполняют  по трём принципиальным схемам, причём ведущим признаком служит  способ формования изделий. По  методу формования различают также и предприятия (например, завод с кассетной, конвейерной или поточно-агрегатной технологией).

     При выборе  технологии следует учитывать  возможность наилучшего управления  процессом образования структуры  бетонной смеси.

     По способу  и организации процесса формования можно выделить три схемы производства железобетонных изделий:

              - изготовление изделий в неперемещаемых формах. Все технологические операции – от подготовки форм до распалубки затвердевших изделий – выполняют на одном месте. К этому способу относят формование изделий на плоских стендах или в матрицах, формование изделий в кассета;

             - изготовление изделий в перемещаемых  формах. Некоторые технологические  операции формования или комплекс  их выполняют на специализированных постах. Форму, а затем изделие вместе с формой перемещают от поста к посту по мере выполнения отдельных операций;

             - непрерывное формование. Этот способ  создан сравнительно недавно.  Он отличается наиболее высокой  производительностью труда, минимальной металлоёмкостью и несравнимо высоким объёмом продукции на единицу производственной площади предприятия. Изделия формуют на вибропрокатном стане.

     Рассмотрим  процесс производства изделий  в кассетных установках.

     В вертикальном положении следует формовать изделия с замкнутым в поперечном сечении контуром (трубы, вентиляционные блоки, санитарные кабины для жилых домов, крупные объёмные элементы зданий и др.) или изделия со сложным профилем на противоположных или смежных сторонах (например, лестничные марши, карнизные блоки и пр.). В этих случаях формование в вертикальных формах имеет значительные преимущества перед обычным формованием изделий в открытых горизонтальных формах. Такое формование даёт хорошие результаты и при изготовлении плоских изделий, когда требуется получение одновременно двух лицевых поверхностей и соблюдение заданной толщины изделий. При формовании изделий в горизонтальном положении обеспечение проектной толщины и гладкой поверхности на большой, открытой сверху площади формируемого изделия весьма затруднительно.

    Однако вертикальные  формы имеют более сложную  конструкцию по сравнению с  обычными горизонтальными, так  как вместо одной основной  формующей горизонтальной плоскости  в них имеется по меньшей  мере две основные формующие плоскости. Эти плоскости образуются двумя вертикальными стенками (плоскими или профильными). Формы для изделий с замкнутым контуром сечения состоят из двух элементов – внешнего и внутреннего (обечайки и сердечника). Несмотря на увеличенную площадь формующих плоскостей, удельная металлоёмкость вертикальных форм не больше, чем горизонтальных, так как благодаря повышенной жёсткости стенок форм в вертикальной плоскости они могут быть более тонкими или с меньшим количеством рёбер жёсткости. Кроме того, в кассетных формах каждая промежуточная вертикальная стенка имеет две формующие плоскости.

     При вертикальном  формовании вибрационное уплотнение  бетонной смеси обычно осуществляется  навесными (наружными) вибраторами,  укрепляемыми в необходимых местах на стенках формы. Уплотнение смеси в изделиях с замкнутым контуром может осуществляться с помощью вибросердечников.

      В качестве  навесных вибраторов применяются  главным образом серийно выпускаемые  электромеханические вибраторы  маятникового типа, создающие благодаря шарнирному креплению к стенкам формы направленные колебания перпендикулярно стенке. При наличии на предприятии компрессорной станции можно применять пневматические навесные вибраторы.

     Вертикальные  формы должны иметь достаточно жёсткую конструкцию с тем, чтобы исключить возможность деформирования стенок формы и отклонения в размерах формуемых изделий под действием гидростатического давления разжиженной бетонной смеси. В то же время вертикальные формы в случае применения навесных наружных вибраторов должны обладать достаточно гибкими стенками, способными передавать вынужденные колебания бетонной смеси без значительных потерь. В связи с этими требованиями стенки форм выполняются из сравнительно тонких стальных листов обшивки, образующих формующие плоскости, на которых и крепятся к жёсткому каркасу через упругие виброизолирующие прокладки.

     Для производства полурам наилучшим способом изготовления является формование в кассетных установках.

 

 

 

 

             

 

 

 

 

2.Обоснование  способа тепловой обработки

 

     Тепловлажностная  обработка – наиболее эффективный  из существующих способ ускорения  твердения бетона. Она является  важнейшей технологической операцией  при производстве сборных железобетонных  изделий.

     Из различных  видов тепловлажностной обработки (пропаривание, автоклавное твердение, контактный обогрев, электропрогрев) основное место занимает пропаривание при атмосферном давлении. Пропаривание изделий обычно ведут до получения не менее 50…70% проектной марочной прочности бетона. На современных заводах сборных железобетонных конструкций длительность пропаривания в температурном диапазоне 80…100°С составляет в большинстве случаев 8…15 часов. Интенсивное твердение бетона при сокращённом режиме пропаривания может быть обеспечено за счёт применения быстротвердеющих высокопрочных портландцементов, жёстких смесей с малым водосодержанием и низким В/Ц, а также ускорителей твердения.

     Полный  цикл тепловлажностной обработки  складывается из четырёх периодов: предварительного выдерживания до пропаривания, подъёма температуры в камере, изотермического прогрева, охлаждения изделий. 

      Тепловая  обработка, позволяющая во много  раз ускорить процесс твердения  бетона, является, как правило, необходимым  условием заводского производства  бетонных и железобетонных изделий; включение тепловой обработки в технологический процесс изготовления изделий даёт возможность значительно увеличить оборачиваемость форм, повысить коэффициент использования производственных площадей цеха и сократить длительность общего цикла производства.

     Эффективность  тепловой обработки оценивается  по двум показателям: по прочности,  достигнутой к концу тепловой  обработки, выражаемой в процентах  от прочности такого же бетона  в 28-суточном возрасте нормального  твердения, - показатель ускорения твердения; по сравнительной прочности в 28-суточном возрасте бетона, прошедшего тепловую обработку и в последующем нормально твердевшего, и такого же бетона, не подвергавшегося тепловой обработке, - показатель относительной прочности бетона после тепловой обработки.

     Конечная  эффективность тепловой обработки,  суммирующая влияние положительных  и отрицательных факторов, зависит  от выбора исходных материалов  и состава бетона, подвергаемого  тепловой обработке, от принятого  режима этой обработки. Хотя достижение в наиболее короткие сроки возможно более высокой прочности бетона и является основной задачей всякой тепловой обработки, сроки и режимы её следует выбирать таким образом, чтобы снижение показателей физико-механических свойств бетона при его тепловой обработке было бы минимальным.

     В ряде случаев  применяются бескамерные способы  тепловой обработки, в частности,  обработка с контактной передачей  тепла бетону в изделии через  ограждающие поверхности закрытой  со всех сторон формы, в которой заключено изделие. Контактный обогрев изделий осуществляется при помощи примыкающих к закрытым формам тепловых отсеков (рубашек), в которых циркулирует тепловой агент. В тепловых отсеках обогреваемых форм и рубашках термоформ могут быть использованы различные виды теплоносителей, в первую очередь острый пар, реже нагретый воздух, и в отдельных случаях, при достаточной герметизации отсеков, циркулирующая горячая вода, а также разогретое до 130…150°С масло.

     В отличие от тепловой  обработки изделий в открытых формах в камерах, где происходит свободный тепло- и массообмен между бетоном изделия и окружающей средой и температурные деформации твердеющего бетона при его нагреве мало стеснены формой, при контактном способе тепловой обработки возможность свободного влагоомена из-за отсутствия открытых поверхностей изделия исключается. Жёсткие термоформы затрудняют в значительной степени температурные деформации бетона, что приводит даже к некоторому обжатию твердеющего бетона. Установлено, что благодаря таким условиям тепловой обработки прочность бетона при твердении в жёстких закрытых формах обычно на 10-15% выше прочности бетона, прошедшего тепловую обработку в открытых формах.

     Исходя из этих  особенностей в теплофизических  процессах, при передаче тепла контактным  способом режим такой тепловой обработки может быть более жёстким, нежели в пропарочных камерах с открытыми формами. Можно не только отказаться от предварительного выдерживания сформованных изделий перед началом их разогрева, но и вести тепловую обработку с самого начала форсированными темпами, с быстрым разогревом бетона до заданной максимальной температуры со скоростью не менее 60…70°С в 1 час. Изотермический прогрев рекомендуется вести при температурах, несколько более высоких, нежели при тепловой обработке в открытых формах, - в пределах от 85 до 100°С, с тем чтобы минимальная температура бетона в любой точке изделия была не менее 70°С. Продолжительность изотермического прогрева для достижения требуемой прочности бетона, как и весь цикл контактной тепловой обработки, должна быть более короткой, нежели в пропарочных камерах; это позволяет повысить оборачиваемость дорогих термоформ и формовочных установок с тепловыми отсеками.

     Учитывая большой  объём одновременно прогреваемого  бетона, а также дополнительный разогрев бетона от экзотермии цемента, рекомендуется изотермический прогрев бетона в кассетных формах осуществлять в два этапа: с подачей пара в паровые отсеки в течение примерно 3…4 часов и затем термосное выдерживание при отключении подачи пара (поскольку понижение температуры в бетоне в этот период обычно не более 3…5°С в час).

     Равномерность рапределения  температуры в паровом отсеке  и бетоне изделия в большой  степени зависит от способа  подачи пара, его распределения  и интенсивности циркуляции в паровом пространстве. Рекомендуется подавать пар в нижнюю зону паровых отсеков через перфорированную трубу с отверстиями 3-5 мм, направленными вверх. Для более равномерного распределения температур по площади и высоте обогреваемых панелей наиболее целесообразно применять эжекторную систему пароснабжения отсеков. Эжектор служит для отсоса из всех паровых отсеков кассетной установки паровоздушной смеси, смешивания её с острым паром, поступающим в кассетную установку, и подачи смеси, обогащённой острым паром, в паровые отсеки кассеты. При этом происходит принудительная циркуляция теплового агента и создаётся более равномерная концентрация пара в паровоздушной смеси по всем отсекам кассеты и по высоте в каждом отсеке. Паровые отсеки должны быть достаточно герметичны, а крайние паровые отсеки в кассете должны быть хорошо теплоизолированы. Для обеспечения постоянного заданного температурного режима тепловой обработки в кассетах необходимо подачу пара из магистрального трубопровода в каждую кассету осуществлять через регуляторы прямого действия. В нижней части паровых отсеков предусматриваются уклоны для стока конденсата и конденсатопроводы для его отвода в конденсационные горшки. Открытые сверху формовочные отсеки должны на время тепловой обработки закрываться теплоизолированными крышками.

       Дефицит тепловой  энергии заставляет экономно  и рационально использовать топливно-энергетические  ресурсы для достижения нормативного  теплопотребления, технические приёмы  которого: соблюдение общих технических  требований экономичной эксплуатации тепловых агрегатов; автоматизация режимов тепловой обработки изделий; систем контроля, учёта и регулирования расхода энергии на технологические и общезаводские цели.

     Наиболее благоприятные  условия для нарастания почности бетона – в кассетных формах, имеющих всего 2-5% открытой поверхности изделия. Во избежание больших температурных перепадов, распалубку изделий и остывание проводят в тёплом помещении.

     Для интенсификации  изготовления изделий с помощью  кассетных форм применяют двухстадийную тепловую обработку с получением в кассетной форме распалубочной прочности бетона (около 5…7,5 МПа) и последующим твердением до необходимой прочности в других тепловых агрегатах.

     Для проектного класса  бетона С¹²/₁₅ при толщине изделия 220 мм режим тепловой обработки составит 3,5+6,5+2. Режим тепловой обработки включает время подъёма температуры в тепловом отсеке + время изотермического выдерживания с подачей пара в отсеки + время выдерживания без подачи пара в отсеки.

 

 

 

 

                 3. Выбор ограждающих конструкций установок

 

   Важную роль при тепловой обработке выполняет выбор ограждающих конструкций установки. От правильно выбранной ограждающей конструкции зависит качество тепловой обработки.

   Для расчета  используем метод последовательных приближений.

    

             Исходные данные:

 

стенка камеры :

-металл 

δ1=0,002 м; λ1=50 Вт/м

-металл 

δ2 =0,002 м; λ2 =50 Вт/м

-минвата

δ3=0,1 м; λ3=0,091 Вт/м

- Температура в камере  Твн=85

- Температура в цехе  Тцех=16

 

 

                                   

1. Принимаем αнар=8

                                   

                                  

                                   

Для полученной температуры определяем αк и αл и сравниваем с принятым значением:

 

      

                           

 

λ=2,6 10-2 Вт/м

υ=15,06 10-6

Рr=0,703

                       

c=0,54

n=1/4

                                              

 
                                                     

                                  

2. Принимаем                  

                                      

                                        

                                        

 

Для полученной температуры определяем αк и αл и сравниваем с принятым значением:

 

       

                                 

λ=2,597 10-2 Вт/м

υ=15,03 10-6

Рr=0,703

                         

c=0,54

n=1/4

                                             

                                         

                                          

3. Принимаем                    

                                  

                                             

                                           

 

Для полученной температуры определяем αк и αл и сравниваем с принятым значением:

 

            

                                  

λ=2,595 10-2 Вт/м

υ=15 10-6

Рr=0,703

                              

c=0,54

n=1/4

                                            

                                          

                                         

 

Принимаем Т_нар=21,98 , К=0,831

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчёт количества и габаритов камер

       

                Расчет размеров установок периодического действия

     Размеры рабочего  пространства установок зависят от размеров форм и характера их установки.

                                      

где: -соответственно длина, ширина и высота, м.

Ширина установки:

                             

где: – число форм по ширине

– ширина паровых   (0,15м)

- толщина стенки парового отсека к ограждающей конструкции 0,01

-ширина формы,

 Длина установки:

                                                              

где: - длина формы,

 

Высота установки :

                                                   

- высота формы с изделием,м

 

Количество изделий  в установке :

                                            шт      

Объем материала в установке :

                                  ,где                                    

- объем изделия, 

  

Годовая производительность цеха:

                       =             

где: - ритм производства

       - объем изделия

       - количество технологических линий

       - количество изделий

        - фонд рабочего времени

Годовой выпуск продукции одной установкой , м³/год

 

                                                                                                             

                                                

 

                                                                                            

где: - годовой фонд времени,  ч

- общее время для совершения одного цикла тепловой обработки, ч

                                                                                 

                                                                                    

                                                            

                                      

Количество установок  для обеспечения годовой производительности цеха

 

                                                                  

 

  Принимаем  11

                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Теплотехнический расчёт

                                          5.1 Период нагрева

Расходные статьи.

1.Теплота на нагрев бетона.

Определим теплоёмкость бетона , принимая во внимание, что вес сухих составляющих:

     , тогда имеем:

 

Вычисляем коэффициент  температуропроводности бетона:

                               ,

тогда величина будет равна:

                                              .

Вычисляем величину А, принимая во внимание, что для марки цемента  М-400 :

           .

Вычисляем критерии и :

                                  

                                       

Для найденных значений и по приложению 3 находим .

Находим величину , характеризующую тепловыделение бетона за счёт экзотермии вяжущего:

       .

По приложению 1 находим, что для неограниченной пластины при .Тогда находим удельный расход тепла на нагрев бетона:

Т.к. в установке находится 8 изделий  с объёмом бетона на одно изделие  , то на нагрев всех изделий в установке расходуется тепла:

                           

 

 

 

2. Теплота,  расходуемая на нагрев формы.

Найдём температуру  поверхности бетона для пластины по номограмме в приложении 4 и температуру центра

                                      ,

             ,

                                          ,

                                       Q_формы=

3.Теплота на  нагрев ограждающей конструкции  .

                                      

                           

                        

                                

                              

                  

         

4. Теплопотери  через ограждающую конструкцию.

Найдём площадь поверхностного слоя в ограждении:

                                       ,

где площадь наружной поверхности ограждения:

                  ,

площадь внутренней поверхности:

                    ,

                    .

Т. о. теплопотери через  ограждающую конструкцию составят:

                 

5.Теплота, отводимая конденсатом.

             

6.Неучтённые потери.

 

                           

 

 

 

 

Приходные статьи.

1.Теплота, вносимая  теплоносителем – влажным насыщенным  паром.

                       ,

где энтальпия сухого насыщенного пара при принятом давлении, при температуре 85 .

степень сухости пара.

Для периода нагрева  составим уравнение теплового баланса  и найдём массу пара, затрачиваемую  на нагрев всей установки:

                                                ,

                       ,

                                        

                                                .

Получаем расход пара на бетона:

                                             .

Удельный расход массы  пара за один час на всю установку  в период нагрева составит:

                                           .

Таблица 5.1 –  Тепловой баланс в период нагрева

Расходные статьи	кДж	%	Приходные статьи	кДж	%
1.Теплота, расходуемая на нагрев бетона	1199673,9	51,2	1. Теплота, вносимая теплоносителем	2343401,6	100
2. Теплота, расходуемая на нагрев формы	607223,6	25,92
3. Теплота, расходуемая  на нагрев ограждающих  конструкций	159711,43	6,82
4. Теплота, через ограждающую конструкцию	54213,45	2,3
5. Теплота , отводимая  конденсатом	16659,22	0,71
6. Неучтенные потери	305618,4	13,05
Сумма	2343100	100		2343401,66	100

 

                       5.2 Период изотермической выдержки

 

                                               Расходные статьи

1.Теплота, затрачиваемая на изотермическую выдержку бетона. Определим среднюю температуру в конце периода подъема температуры:

 

                            

Средняя температура  бетона:

                                  

За весь период подъема  температуры:

                        

 При 138,25 ; В/Ц=0,55 и марке цемента М400 тепловыделение 1кг цемента составит: