Расчет автоклава

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Строительно-технологический факультет  

 

 

 

Кафедра Производства строительных материалов, изделий и конструкций  

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Теплотехника и  ТТО (2 часть)» 

На тему: «Расчет  автоклава» 

 

 

   

 

 

 

 

 

ВЫПОЛНИЛ: студент VI курса

индивидуальный график

Романова Г.Н.

ПРОВЕРИЛ: Коннов М.В. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

САМАРА 2011

 


СОДЕРЖАНИЕ

  1. Теоретическая часть……………………………………………………………..3
    1. Понятие теплового процесса и тепловая установка……………..3
    2. Способы тепловой обработки…………………………………………..3
    3. Тепловая обработка бетонов…………………………………………...4
      1. Теплоносители, используемые для ТВО…………………………..4
      2. Насыщенный и перегретый пар……………………………………4
      3. Параметры влажного воздуха………………………………………5
    4. Теоретические основы ТВО……………………………………………...5
      1. Фазовый состав свежеотформованного бетона……………….5
      2. Физико-химические процессы при ТВО…………………………….6
      3. Внутренний тепло- и массообмен при ТВО………………………7
      4. Частные потоки массы при внутреннем тепло- и массообмене………………………………………………………………………7
      5. Изменение влагосодержаний, температуры и давлений при ТВО………………………………………………………………………..8
  2. Технологическая часть………………………………………………………….11
    1. Предавтоклавная обработка…………………………………………..11
      1. Основные процессы…………………………………………………..11
      2. Прикатка или срезка горбушки…………………………………….12
      3. Разрезка массивов на изделия……………………………………..12
    2. Автоклавная обработка………………………………………………...13
      1. Физико-химические процессы при автоклавной обработке…………………………………………………………………………13
      2. Режимы автоклавной обработки………………………………….14
      3. Работа автоклавных изделий……………………………………..15
    3. Послеавтоклавная обработка…………………………………………16
  3. Расчетная часть…………………………………………………………………17
    1. Технологический расчет………………………………………………...17
    2. Теплотехнический расчет……………………………………………...18
      1. Определение тепловыделения цемента по периодам тепловой обработки…………………………………………………………19
      2. Расчет теплового баланса………………………………………...21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

    1. Понятие теплового процесса и тепловая установка

При производстве строительных материалов и изделий, почти во всех случаях для перевода сырья в готовую продукцию  применяют тепловую обработку для этого сырья или полуфабрикатов. Их помещают в тепловую установку, где создается необходимый тепловой режим.

Под тепловым режимом понимают взаимосвязь теплового  и массообменного воздействия на материал, а именно: изменение температуры среды, скорости течения жидкости или газов омывающих материал, изменение давления.

Тепловой режим – это взаимосвязь тепловых, массообменных гидродинамических процессов происходящих в тепловой установке.

Тепловой процесс  – соединение стадий теплового воздействия  на материал с целью придания ему заданных свойств.

Тепловая установка  – устройство, в котором протекает тепловой процесс. Она представляет собой теплообменный аппарат, работа, которой оценивается количеством тепловой энергии, передаваемой в единицу времени.

 

    1. Способы тепловой обработки материала


Прежде чем  приступить к классификации способов тепловой обработки, рассмотрим уравнение потока влаги с поверхности материала:

где qnm – удельный поток влаги;

αm – коэффициент влагоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений;

P’nь, P’oc – парциальное давление водяных паров на поверхности материала и в окружающей среде соответственно;

В, В’ – барометрическое  давление при нормальных условиях (н/у) в тепловой установке.

Из этого  уравнения следует, что при взаимодействии влажного материала с теплоносителем возможно 3 варианта:

  1. P’nь< P’oc – величина qnm – отрицательная, влага с поверхности материала не испаряется, а конденсируется на ней, при этом материал увлажняется;
  2. P’nь= P’oc – величина qnm=0, влажность материала находится в равновесном состоянии с влажностью теплоносителя;
  3. P’nь> P’oc – величина qnm>0, с поверхности материала удаляется влага и материал сушится.

Сушка материала  может осуществляться даже при отрицательных  температурах, если выполняется условие P’nь> P’oc

Исходя из этих положений, можно констатировать, что влажный материал может подвергаться тепловой обработки 2 способами:

 

 

 

 

 

 

  1. Когда из материала удаляется влага, т.е. qnm<0, это способ тепловлажностной обработки (ТВО) бетонов, При этом обязательном условием является сохранение влаги в нагревательном материале;
  2. Когда из материала удаляется влага, т.е. qnm>0, это способ сушки

Кроме этих способов в производстве строительных материалов и изделий применяют: обжиг, вспучивание, спекание, плавление.

 

    1. ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА

 

      1. Теплоносители, используемые для ТВО

В качестве теплоносителей при ТВО бетона применяют пар, электроэнергию, продукты сгорания природного газа, высоко вскипающие жидкости и другие. Наиболее распространенным является – пар.

Электроэнергия  применяется для предварительного электроразогрева бетонных смесей, электропрогрева изделий в формах, электрообогрева нагревательными элементами.

Тепловая обработка  бетона продуктами сгорания газа производится в камерах, куда подается газовоздушная  смесь с заданной температурой, полученная при сжигании газа в выносной топке.

 

      1. Насыщенный и перегретый пар и его параметры

Насыщенным  называют пар, находящийся в равновесном  состоянии с жидкостью. Температура  такого пара зависит от давления, т.е. определенному давлению насыщенного пара соответствует определенная температура.


Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой пар не содержит жидкости, влажный пар – смесь пара с жидкостью, равномерно распределенной по его массе.

Состояние сухого насыщенного пара определяется только одним 

параметром - давлением или температурой. Состояние  влажного насыщенного пара определяется 2 параметрами: давление и температура; степенью сухости. Степень сухости (Х) – массовая доля сухого пара в составе водяного пара.

Теплосодержание (энтальпия) насыщенного пара слагается  из тепла нагрева жидкости до температуры испарения

и скрытой  теплоты парообразования или  теплоты испарения (ч)

При температуре 374°С и давлении 2,25 МПа вся масса  воды мгновенно превращается  в пар без дополнительной затраты теплоты, т.е. образуется перегретый пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления. Этот пар не имеет определенной зависимости между температурой и давлением. Разность температуры перегретого и насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева.

Теплосодержание (энтальпия) нагретого пара – сумма теплосодержания насыщенного пара и теплоты перегрева.

,

где - теплоемкость перегрето пара;

tК-tН – степень нагрева;

tН – температура насыщенного пара.

Для тепловой обработки тяжелого бетона рекомендуется  применять влажный или сухой насыщенный пар. Такой пар создает в камере паровоздушную среду со 100% относительной влажностью α, в

которой практически  не происходить испарение влаги  из бетона т.к. пар легко конденсируется на поверхности изделия и нагревает его.

Конденсация перегретого пара наступает после того, когда он потеряет теплоту перегрева, т.е. когда его температура понизится до температуры насыщенного пара. В результате происходит удаление влаги из бетона, т.е. сушка, а это недопустимо.


При этом бетон теряет часть влаги, которая участвует в физико-химических процессах гидратации клинкерных минералов C3S (аллита), C2S (беллита), C2A (трехкальциевого алюмината) и C3AF (трехкальциевого алюмоферита), что существенно снижает прочность изделия.

 

      1. Параметры влажного воздуха

Тепловая обработка  бетона обычно проводится во влажном  воздухе, состоящем из смеси сухого воздуха и водяного пара, которые  образуют паровоздушную смесь подчиняющуюся закону Дальтона: если в одном и том же объеме заключены два разных газа, то каждый газ заполняет весь объем, как если бы другого газа не было.

Давление любого из этих газов называется парциальным  давлением, а общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений:

P=Р’П+Р’В

где Р’П ,Р’В – парциальное давление пара и воздуха в установке.

При тепловой обработке бетона важным является степень  насыщенного воздуха паром, которая определяется относительной влажностью α, т.к. от этого показателя зависит интенсивность испарения влаги из бетона.

Относительная влажность – отношение массы  водяного пара содержатся в 1 м3 воздуха pП к определенному его содержанию pН при том же объеме, температуре и давлении

Максимально возможное количество водяных паров  в воздухе называется состоянием насыщения pН, а температура, при которой происходит насыщение – точкой росы или температурой насыщения tН.

 

    1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТВО

 

      1. Фазовый состав свежеотформованного бетона

Свежеотформованный  бетон – это материал, состоящий  из жидкой, твердой и газообразной фаз. Пространство между твердыми компонентами бетона и газообразной фазой связано непрерывной системой оводненных капилляров, радиус которых зависит от расхода воды и удельной поверхности цемента.

Твердая фаза представлена крупным и мелким заполнителями  и формирующейся структурой цементного камня. Структура цементного камня формируется в виде пористого тела, имеющего капилляры от 2×10-7 до 2×10-2 см.

На стадии формирования, твердая фаза в цементе  камня нестабильна, т.к. в период твердения идет процесс гидратации зерен цемента.


Жидкая фаза представлена химической, физико-химической и физико-механической связанной влагой. Эта влага участвует в гидратации зерен цемента, поэтому в процессе формирования цементного камня происходит перераспределение влаги по формам связи, т.е. количество химически и физико-химически связанной влаги возрастает, а физико-механической уменьшается.

Газообразная  фаза состоит из: воздуха, вовлеченного при формировании; воздуха, выделившегося при дегидратации воды затворения за счет вибрации при формировании; газа, выделившегося из бетона в результате химических реакций.

 

      1. Физико-химические процессы, происходящие в бетоне при ТВО

Физические  свойства бетона определяются строением  капиллярно-пористой структуры цементного камня, образованной в процессе его  твердения.

Рассмотрим, какое  воздействие оказывает повышение  температуры, т.е. условия, создаваемые при ТВО, на формирование цементного камня и бетона в целом.

При твердении  вяжущего вещества значительную роль играют плотность и вязкость жидкой фазы. Изменение относительной плотности и вязкости влияет на скорость растворения и диссоциацию на ионы минералов цемента и дальнейшее образование кристаллогидратов.

С возрастанием температуры структура воды изменяется, т.к. происходит разрыв водородных связей. Плотность и вязкость воды уменьшается. В результате чего увеличивается ее растворяющая способность, приводящая к ускорению физико-химических процессов, превращающее цементное тесто в твердое тело.

При смачивании зерен цемента водой начинают развиваться следующие физико-химические процессы, которые можно разделить на этапы: 1. Адсорбация воды; 2. Поверхностная гидратация; 3. Растворение; 4. Гидратация в растворе; 5. Образование центров кристаллизации; 6. Кристаллизация.

Растворение минералов цемента идет с разрушением  структуры вещества и сопровождается поглощением тепла (эндотермические процессы), а гидратация - с выделением тепла (эндотермические процессы).

Рассмотрим  этапы взаимодействия зерен цемента  с водой:

Этап 1. Частицы  цемента находятся в воде, которая  начинает адсорбироваться на поверхности. Адсорбированная вода создает на частице поверхностное поле и становится структурированной, т.е. по своему составу приближается к твердому телу, в котором молекулы воды имеют определенную ориентацию, что изменяет ее плотность (1,3-1,9 гр/см3);

Этап 2 и 3 (протекают  параллельно в две стадии). 1) переход  вещества в раствор в виде ионов и даже молекул, которые затем диссоциируют  на ионы; 2) происходит гидратация ионов, и образуются основы гидратных фаз, т.е. тех фаз, которые в дальнейшем способствуют образованию субмикрокристаллов;

Этап 4. Жидкая фаза становится сильно перенасыщенной новообразованиями – субмикрокристаллами. Содержание ионов (концентрация) распределяется неравномерно. Максимальная концентрация находится у поверхности зерна цемента, в результате непосредственного присоединения водя к твердой фазе. При этом образуется «внутренний продукт гидратации», а именно, внутренний гидросиликат, имеющий тонкую и плотную структуру. Внешние продукты гидратации образуются через растворения вне зерен цемента, и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Ca(OH)2 и энтрингита;


Этап 5. На этом этапе при  повышении температуры, образования  центров кристаллизации происходит в более короткие сроки. Происходит насыщение субмикрокристаллов адсорбированной водой и плотность всей системы меняется;

Этап 6. Субмикрокристаллы  за счет гравитационных сил и увеличения размеров соединения образуют пространственную структуру. Цементное тесто в бетоне теряет пластичность и преобразует свойства твердого тела. Повышение температуры среды до 80-100°С ускоряет реакции гидратации и кристаллизации в 8-10 и более раз.

 

      1. Внутреннее тепло и массообмен при ТВО

При внешнем  тепле и массообмене в результате конденсации пара поверхность получает тепло и влагу. Это приводит к увеличению влагосодержания и температуры его поверхности. По сечению изделия создается перепад температур и влагосодержаний.

tПМ>tЦМ

UПМ>UЦМ

Δt=tПМ-tЦМ

ΔU=UПМ-UЦМ

Этот перепад  температур и влагосодержания по сечению изделия может быть представлен в виде изопотенциальных линий – изовлаг и изотерм. Наибольшее изменение потенциала происходит в направлении, пересекающем изопотенциальную поверхность, т.е. возникает разность потенциалов на поверхности и в центре прогреваемого изделия, которые будут являться grad t и grad U. Следовательно, предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормам называется температурным градиентом ( Т):

А предел отношения  изменения влагосодержания и  расстояния между изовлагами по нормам называется градиентом влагосодержания ( U):

Значение потенциала температуры ( Т) и потенциала влагосодержания ( U), являются градиентами потенциала переноса теплоты и влаги, которые направлены в стороны наибольшего потенциала.

 

      1. Частные потоки массы при внутреннем тепле и массообмене

Grad переноса теплоты и влаги - называют потоки теплоты и влаги, направленные в противоположную сторону от grad. За счет grad переноса теплоты вместе с передачей теплоты (удельный поток теплоты) qBt, возникает еще и поток влаги qBMU , называют термовлагостойкостью. Этот поток влаги qBmt как и qBMU входит как одна из частных составляющих в общий удельный поток массы и является величиной векторной, направленной в противоположную сторону вектору Т. Следовательно, при нагреве и увлажнении материала теплота и влага с поверхности изделия будет распространяться внутрь к центру. Влага, двигаясь внутрь изделия, частично сожмет воздух, находящийся в капиллярах, а частично выдавит его из бетона, занимая  освободившийся объем пор. Внутри бетона появится избыточное давление, которое будет увеличиваться за счет испарения влаги в пузырьки воздуха. Пузырьки воздуха, оставшиеся в бетоне по мере нагрева материала, кроме испарения влаги в пузырьки воздуха, расширяют и сам воздух, что так же увеличивает давление. Возникающее избыточное давление передается на бетон, а сам процесс возникновения избыточного давления связан с температурой, т.о. внутри бетона при ТВО в процессе нагрева возникает избыточное давление, поскольку в установке и на поверхности изделия давление равно атмосферному. Между центральными слоями бетона и поверхностью

изделия создается  перепад давления ΔР, что приводит к появлению частного потока qBmр . Следовательно, в период нагрева изделия, открытого со всех сторон, возникают три частных потока влаги: qBmu ; qBmt ; qBmр , которые составляют общий поток влаги в бетоне.

qBm = qBmu + qBmt + qBmр

а) уравнение  распространения теплоты при  массообмене:

в бетоне при  ТВО все время движутся потоки влаги и воздуха, т.е. происходит процесс массопереноса, сопровождающийся теплом массообменном, поэтому в период подъема температуры при ТВО, основной задачей является определение удельных потоков теплоты и массы.

Удельный поток  теплоты внутри материала от внутренней и дополнительно увлажненной поверхности имеет вид:

qBt = -λ

Т + iqBm

где λ – теплопроводность влажного материала;


i – теплота, перемещающаяся в материале с удельными потоками массы;

qBm – плотность удельного потока массы, перемещаемого в материале.

Перенос массы  внутри влажного материала происходит в направлении от высшего потенциала к низшему, а плотность потока массы прямо пропорциональна grad U имеет вид:

qBmu = -αmp0

U

αm – коэффициент температуропроводности;

p0 – масса абсолютно сухого материала.

По физическому  смыслу αm характеризует скорость выравнивания влагосодержания внутри материала.

б) плотность частного потока массы за счет термовлагопроводности:

qBmt = -αmp0б

T

б – термоградиентный коэффициент, учитывающий влияние αm на коэффициент температуропроводности.

в) плотность частного потока массы за счет изменения внутреннего давления в бетоне:

qBmр = -αmp0бp

P

бp – коэффициент, учитывающий влияние αm .

г) общее уравнение  плотности суммарного потока массы  в материале:

qBm = -αmp0

U - αmp0б
U - αmp0бp
U


 

 

Подставив полученное уравнение qBm в уравнение qBt , получим уравнение распространения теплоты в материале при массообмене, которое будет иметь вид:

qBt = -λ

Т + iqBm = -λ
Т + (-iUαmp0
U – iTαmp0б
T – iPαmp0бp
P)

iU , iT , iP – теплота, перемещающаяся с потоками массы за счет grad U, grad T, grad P.

 

      1. Изменение влагосодержания, температуры и давления при ТВО
  1. Изменение влагосодержания при ТВО:

В первый период подъема температура влагосодержащей  поверхности изделия быстро увеличивается  вследствие пара и образования пленки конденсата на поверхности изделия; одновременно увеличивается и влагосодержание в центре изделия, но значительно медленнее.

Вначале второго  периода изотермической выдержки интенсивность  перемещения потоков влаги уменьшится, хотя они еще направлены к центру изделия. С поверхности начинает постепенно испаряться влага.

В период охлаждения, третий период, в установку подают холодный воздух, который ассимилирует влагу, насыщаясь до 100%, и удаляется  из установки. В этот период с поверхности  изделия более интенсивно испаряется влага и снижается влагосодержание;

 

  1. Изменение температуры при ТВО:

Все потоки направлены к поверхности изделия из центра, и влага испаряется более интенсивно за счет конденсации пара, поверхность изделия нагревается, и к концу первого периода приобретает температуру равную температуре паровоздушной смеси в камере, т.е. с этого момента начинается период изотермической выдержки.

За счет внутреннего  тепло- и массообмена, внутренние слои бетона прогреваются медленнее и достигнув температуры паровоздушной смеси в установке во втором периоде будет нестационарным. Т.к. выравнивание температуры центра изделия и паровоздушной смеси в установке будет зависеть от тепло- и массопроводности бетона, перепад температуры между поверхностью и центром изделия будет возрастать до конца первого периода, а частные потоки влаги будут направлены к центру изделия.

В период изотермической выдержки второго периода меняется направление, а следовательно и  частных потоков, т.к. температура  в центре изделия будет больше на 5-10°С, чем на поверхности в результате экзотерической  реакции цемента.

В период охлаждения за счет испарения влаги и контактирования  с холодным воздухом, поверхность изделия начнет охлаждаться. Однако в центре изделия бетон будет остывать медленнее, т.к. продолжаются экзотермические реакции, которые увеличивают перепад температур. Направление градиентов и потоков остается прежним;

 

  1. Изменение давления при ТВО:

Давление на поверхности и в центре изделия, а также в установке до начала ТВО равно 0,1 МПа.

При ТВО давление в установке и на поверхности изделия во все периоды остается без изменения, а давление в центре меняется по периодам.


В первом периоде  подъема температуры, приблизительно до его середины, давление в центре изделия растет и достигает максимального значения, возникает перепад давлений. Механизм появления избыточного давления в центре изделия можно объяснить следующим образом: в первый период за счет перепада влагосодержания возникает частный поток, направленный к центру изделия, движущаяся с этим потоком влага частично выдавит воздух из бетона, а частично его закроет в гелевых капиллярах, т.к. сама в них проникнуть не может. При продолжающемся нагреве влага начинает испаряться в пузырьки воздуха, что увеличивает давление в бетоне. Кроме того, находящейся в бетоне воздух, тоже нагревается и это повышает давление.

В период изотермической выдержки (второй период) и частично в первый период происходит снижение избыточного давления в бетоне за счет потери воздуха, т.е. его вытеснение влагой, т.к. частный поток массы будет направлен в сторону поверхности изделия.

В период охлаждения, давление вновь возрастает, но незначительно, т.к. из бетона начинает испаряться влага, а ее место занимает паровоздушная смесь, которая проникает в более нагретые слои воздуха, находящийся в паровоздушной смеси нагревается. Пузырьки воздуха, проникающие в бетон из пограничного слоя, начинают испаряться, что приводит к незначительному росту давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


  1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

    1. Предавтокавная обработка

 

      1. Основные процессы

К предавтоклавной  обработке относятся операции выдержки изделий, предавтоклавная тепловая обработка, удаление или прикатка горбушки, разрезки массивов на изделия, образование рельефной поверхности изделий механической обработкой. Указанные операции не обязательны дл всех технологических схем. Например, резка массивов на изделия характерна только для резательной технологии.

Выдержка перед  автоклавной обработкой необходима для приобретения бетоном пластической прочности, обеспечивающей транспортирование, резку, уплотнение горбушки отформованных изделий или массивов. Тепловая обработка изделий не может начаться, прежде чем мешюровые перегородки не приобретут прочности, способной выдержать давление расширяющегося при нагревании воздуха в порах.

Расчет автоклава