Расчет, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий. 6

Министерство образования Республики Беларусь

 

Белорусский национальный технический университет

 

 

кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине: «Теплотехника и теплотехническое оборудование».

 

Тема проекта: «Расчет, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий».

 

 

 

 

 

 

                                     Исполнитель:     студент гр. 112224

Ефимович  К..А.

 

 

 

                               Руководитель:             к.т.н., доцент

Орлович А.И.

 

 

Минск-2007

 

Содержание:

Введение……………………………………………………………………..3

1.Краткое описание технологического процесса……………………….4-7

2.Характеристика изделия и формы…………………………………….8-10

3.Состав бетонной смеси…………………………………………………11

4. Выбор и обоснование режима тепловой обработки……………….12-17

5.Определение требуемого количества тепловых агрегатов их размеров и схемы размещения………………………………………………………18

6.Составление и расчет уравнения теплового баланса установки…..19-25

7.Определение часовых и удельных расходов теплоты и теплоносителя              по периодам (зонам) тепловой обработки…………………………….26

8.Составление схемы подачи теплоносителя, построение циклограммы работы ТУ и расчет тепловых нагрузок и параметров сети……………………………………………………………………27-28

9.Предложения по экономии энергоресурсов  и повышения качества изделий………………………………………………………………….29

10.Мероприятия по технике безопасности, охране труда и противопожарной технике……………………………………..........30-31

Перечень использованной литературы………………………………......32.

 

Введение

 

 

В курсовом проекте рассмотрен процесс производства внутренних стеновых панелей, тепловая обработка которых производится в кассетной установке.

Назначение режимов тепловой обработки произведено на основании нормативной литературы с учетом вида и класса бетона, активности цемента, толщины изделия, способа подъема теплоты и других факторов. Для проверки режима произведен расчет температур изделия на протяжении всего процесса тепловой обработки.

Теплотехнический расчет установки основан на физических процессах и представляет собой расчет теплового баланса. Баланс состоит из расходной и приходной частей и наиболее полно отражает происходящие в установке явления теплообмена.

На основании всех расчетов спроектированы тепловые сети и технологические линии по производству изделий с учетом заданных условий производства и проектной мощности, описаны мероприятия по технике безопасности, охране труда, противопожарной технике.

В настоящее время в кассетных установках изготавливается большая часть объема изделий для жилищного строительства. В таких установках формование и тепловая обработка изделий производится в сборно-разборных формах.

   В кассетных установках железобетонные изделия подвергаются контактному нагреву, т.е. тепло от паровоздушной  среды через металлические  стенки рубашек передается изделиям.

Изготовление панелей в кассетных формах обеспечивает высокую точность сборных деталей и хорошее качество поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Краткое описание технологического процесса:

 

Процесс изготовления железобетонных внутренних стеновых панелей в кассетных установках включают следующие основные операции:

Очистка и смазка формы:

Изготовление внутренних стеновых панелей начинают с подготовки форм к бетонированию, которая включает очистку от наплывов бетона (рабочую и наружную поверхности, стыки), смазку и сборку кассеты.

Проверяют исправность соединений, при необходимости очищают от грязи.

Наносят на очищенную поверхность тонкий (0.15мм) равномерный слой эмульсионной смазки.

Установка арматурного каркаса:

Арматурный каркас застропляют стропами, затем подают команду крановщику на его подъем и перемещение, укладывают в кассету и расстропляют.

Сборка формы:

Осуществляется с помощью механизма распалубки и сборки кассет.

Формование:

При помощи пневмотранспорта подается в форму бетонная смесь, одновременно с подачей бетонной смеси производится прерывистое вибрирование. Затем устанавливаются закладные детали и заглаживается поверхность свежезаформованного бетона. Через 1-2 часа еще раз тщательно заглаживаются верхние поверхности изделий и после схватывания бетонной смеси при помощи крана извлекают металлические каналообразователи.

Тепловлажностная обработка:

Тепловлажностная обработка производится непосредственно в самой установке. Пар подается в паровые рубашки, которые далее прогревают бетон до нужной температуры.

 

 

 

 

 

 

 

Конструкция и принцип работы кассетной установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.

1-станина; 2-паровые рубашки; 3-разделительная стенка; 4-отсеки для формования изделий; 5-теплоизолирующие стенки; 6-фиксирующие упоры; 7-механизм сжатия; 8-приводной механизм;

 

Рис. 2.

1-подача свежего пара в эжектор; 2-эжектор; 3-диффузор; 4- подача смеси пара и рециркулята в паровые отсеки; 5- отбор конденсата; 6- конденсатоотводчик; 7 конденсатопровод; 8- паровые отсеки; 9- нагреваемые изделия; 10- прокладка; 11- отбор паровоздушной смеси из паровых отсеков; 12- трубопровод с вентилем для выпуска части отработанного теплоносителя, в атмосферу; 13- подача паровоздушной смеси (рециркулята)   в  эжектор

 

Кассетные установки применяются для формования и тепловлажностной обработки панелей, лестничных маршей, ребристых плит и ряда других изделий, применяемых в строительстве. Как формование, так и тепловлажностная обработка осуществляются в кассетах в вертикальном положении. Масса сформованного бетона находится в кассете в замкнутом пространстве, что способствует более интенсивной тепловлажностной обработке. Форма-кассета (рис. 1.) состоит из ряда отсеков, образованных стальными вертикальными стенками, причем отсеки, используемые для формования бетона, чередуются с отсеками для пара (паровая рубашка). Крайние отсеки теплоизолируют. Бетон подают в отсеки 4 и после уплотнения подвергают тепловой обработке. Для тепловой обработки пар подают в отсеки 2 и прогревают с двух сторон сразу два изделия, разделенные стальной перегородкой 3.

Тепловлажностная обработка складывается из двух периодов: первый — прогрев, второй — изотермическая "выдержка, после чего кассета остывает вместе с изделиями. Время тепловой обработки бетона в кассетах составляет 4—8 ч. Отпускную прочность изделия добирают при остывании. К концу такого добора прочности они набирают прочность, равную 0,7—0,75 марочной, и, согласно принятым нормам, могут быть отправлены на строительные площадки.

Прогрев изделий через стенку в кассетах паром из-за большого расслоения температур по высоте 30—40 °С затруднен, поэтому применяют эжекторное пароснабжение кассет. Схема такого пароснабжения показана на (рис. 2) Пар из паропровода 1 подается в эжектор 2 и эжектирует паровоздушную смесь, отбираемую из паровых отсеков по трубопроводу 13. Смесь подается в паровые отсеки, отдает теплоту, а сама через трубопроводы 11 отбирается за счет разрежения, создаваемого эжектором. Часть отработанной смеси через трубопровод 12 выбрасывается в атмосферу. Такое пароснабжение кассетных установок дает возможность снизить неравномерность температур между верхом и низом кассет до 5—7°С, что вполне приемлемо для тепловлажностной обработки.

Обогревают изделия в кассетах через металлическую разделительную стенку, верх изделия на время тепловой обработки тепло- и влагоизолируют. Таким образом массообмена между теплоносителем и материалом и материалом и окружающей средой практически не происходит. Нагревать тепловые отсеки кассет можно любыми источниками тепла. Так в промышленности кроме пара можно применять обогрев горячим воздухом или дымовыми газами, высококипящими жидкостями, масляным теплоносителем и электронагревателями. Наиболее выгоден и прост в исполнении электрообогрев. В этом случае в паровые отсеки вместо подачи пара монтируют тэны или любые другие электронагреватели и уже ими через стенку нагревают бетон. При любом способе изделия из бетона нагревают до 70—90 °С в течение 1—2 ч и далее выдерживают при этой температуре 4—6 ч. Расход в кассетах пара или любого другого источника теплоты в пересчете на теплоту, выделяемую, паром, составляет 100—200 кг на 1 м3 бетона.

 

Распалубка:

После остывания кассетной установки с готовым изделием при помощи машины для распалубки и сборки кассет вынимают готовые изделия.

 Доводка маркировки и сдача ОТК:

 

Доводка внутренних стеновых панелей производиться на линии отделки методом втирания, которая состоит из следующих технологических постов: загрузки панелей, огрунтовки, шпатлевания и выгрузки панелей. После того как с панелями будут произведены вышеперечисленные операции, необходимо прочистить электроканалы с помощью металлического стержня, очистить верх панели, снять наплывы бетона, произвести окончательную подчистку поверхностей от остатков шпатлевки.

Затем изделия маркируются и перевозятся к месту погрузки.

     На торцевую или боковую поверхность конструкций  внутренних стеновых панелей несмываемой краской темного цвета наносят следующие надписи:

-товарный  знак или краткое наименование  предприятия изготовителя;

-марка конструкции;

-дата изготовления  конструкции;

-масса конструкции (для конструкций, масса которых  превышает 0,5т);

-штамп технического  контроля.

И сдают готовую продукцию ОТК.

 

 

 

 

2.Характеристика изделия и формы:

 

В данном курсовом проекте в качестве строительного изделия принята внутренняя стеновая панель, размеры которой м.

       Внутренние стеновые панели должны обладать следующими характеристиками:

1. Внутренние стеновые панели должны соответствовать            СТБ 1151-99 «Панели стеновые  внутренние, и блоки вентиляционные бетонные, и железобетонные для зданий. Общие технические условия» и изготавливаются по рабочим чертежам. 

2. Фактическая прочность бетона (в проектном возрасте и отпускная) должна соответствовать требуемой, назначаемой по ГОСТ 18105 в зависимости от нормируемой прочности бетона, указанной в проектной документации, и от показателя фактической однородности прочности бетона;

3. Внутренние стеновые панели следует изготовлять из тяжелого бетона по ГОСТ 26633, класс бетона  по прочности на сжатие должен соответствовать установленному в проектной документации и быть не ниже С16/20,С25/30;

4. Поставку внутренних стеновых панелей потребителю следует производить после достижения бетоном требуемой отпускной прочности. Требуемая отпускная прочность должна составлять не менее 70% в летний период года и 90% в зимний период (в процентах от класса бетона  по прочности на сжатие).

5. Форма и размеры арматурных и закладных изделий и их положение во внутренних стеновых панелях должны соответствовать указанным в рабочих чертежах;

6. Материалы, применяемые для приготовления бетона, должны обеспечивать выполнение технических требований к бетону, установленных настоящим стандартом, при соблюдении заданных технологических режимов;

7. Толщина защитного слоя бетона до арматуры во внутренних стеновых панелях должна соответствовать указанной в рабочих чертежах;

8. Требования к качеству поверхностей и внешнему виду панелей по ГОСТ 13015.0.

 

 

 

 

 

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов бетона панелей не должна превышать 370 Бк/кг.

Номинальная длина плиты	Предельное отклонение
	По длине	По высоте, при номинальной высоте плиты			По толщине, при номинальной толщине плиты
		До 1600	1600–2500	Св. 2500	До 100	Св. 100
До 2500	6
2500–4000	8	5	5	5	3	5
Св. 4000	10	6	6	6

 

Качество поверхностей панелей (кроме поверхностей, отделываемых в процессе изготовления) должно удовлетворять требованиям, указанным для категорий:

А4 – лицевых подготовленных под оклейку обоями или другими рулонными материалами, под облицовку плиточными материалами на клею;

А7 – невидимых условий эксплуатации.

В бетоне внутренних стеновых панелей, поставляемых потребителю, трещины не допускаются за исключением усадочных и других поверхностных технологических трещин, ширина которых не должна превышать, мм:

0,1 – в  панелях из тяжелого  бетона, которые при эксплуатации могут подвергаться переменному замораживанию и оттаиванию в водонасыщенном состоянии или в условиях эпизодического водонасыщения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Подбор состава бетона:

 

Внутренние стеновые панели выпускаются из тяжелого бетона, утвержденным в установленном порядке и в соответствии с требованиями СТБ 1151.

     Состав бетонной смеси принимаем на основании данных заводской лаборатории завода ОАО «Стройпрогресс» МАПИД

 

Цемент:   марки М400     

                    Ц=353 кг;

Песок речной:  rп=2630 кг/ м3

            П=710 кг;

Щебень:   rщ=2670 кг/м3 

                    Щ=1157 кг;

Вода:           В=180 л

Добавка С-3: Д=0.5 л

Плотность бетонной смеси rбс=2400,5 кг/м3, с арматурой rбса=2502,5 кг/м3 .

Для производства одной внутренней стеновой панели требуется 1,728 м3 бетона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Выбор и обоснование режима тепловой обработки:

 

 

Согласно техническим условиям на изготовление внутренних стеновых панелей назначим следующий тепловой режим:

Режим выбран руководствуясь ТКП 45-5.03-13-2005 

                      Подъем температуры                                      1 час;

                      Изотермическая выдержка при =70 ºС    4 часа;

                      Время охлаждения (термос)                           4 часа.

                                                                       Итого:     9 часов

=70 ºС Принять в связи с использованием добавки С-3

 Проверку  прогреваемости изделия принимаем  по выбранному режиму, используя  критериальные зависимости теплопроводности  при нестационарных условиях  теплопередаче. Бетон рассматриваем  как инертное тело без учета  теплоты, выделяющейся при гидратации  цемента.

Качественную характеристику скорости изменения температуры тела при неустановившемся режиме учитывают критериальным комплексом Фурье:

                                    (1)

где

t - продолжительность нагрева (охлаждения), ч;

R- определяющий размер изделия, м;

a- коэффициент температуропроводности, м2/ч;

,                                  (2)

где

l- коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м ºС), для тяжелого бетона l=2,5 Вт/(м ºС);

ρ- плотность ж/б, кг/м3,

с- теплоемкость материала, кДж/(кг ºС),

, кДж/(кг  ºС),      (3)

где

сц,п,щ,в,м- массовые теплоемкости цемента, песка, щебня, воды, металла арматуры соответственно, кДж/(кг ºС),

Gц,п,щ,в,м – масса цемента, песка, щебня, воды, металла арматуры соответственно, кг.

 

 

	цемент	песок	щебень	вода	сталь
с, кДж/(кг ºС)	0,84	0,84	0,84	4,19	0,48
G кг.	353	710	1157	180	102

 

 

кДж/(кг С)

По формуле (2):

 

 м2/ч

По формуле (1) с учетом R=0,08 м. и τ=0.5 ч. имеем:

Зависимость скорости распространения теплоты в изделии от интенсивности внешнего теплообмена учитываем критериальным

   комплексом Био:

                                  (4),

где

α- коэффициент теплоотдачи от среды к поверхности обрабатываемого изделия Вт/(м2 ºС);

По формуле (4) для α1=110, α2=100, αиз=90 имеем следующие значения Bi:

;            .

При расчете температуры материала в точке х используется критериальная зависимость типа:

,                          (5)

где

Q- безразмерная температура;

tс- средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС

tн- температура изделия в начале расчетного периода, ºС.

Температура на поверхности равна

                             (6)

Температура в центре изделия

                             (7)

Значения безразмерных температур Qп и Qц определим по таблицам исходя из рассчитанных выше величин Fo и Bi:

 Qц1=0,82; Qц2=0,83;  Qциз=0,84; Qп1=0,31; Qп2=0,32;  Qпиз=0,33.

 

Определим температуры в период подъема по формуле (6,7):

 

tп11 = 28,75 – 0,31 (28,75 – 15) = 24,5 ºС

tп21 = 56,25 – 0,32(56,25 – 24,5) = 46,1 ºС

tц11 = 28,75 – 0,82(28,75 – 15) = 17,5 ºС

tц21 = 56,25 – 0,83(56,25 – 17,5)=24,1 ºС

 

Определим температуры в период изотермической выдержки по формуле (6,7):

 

tп12 = 70 – 0,33(70 – 46,1) = 62,1 ºС

tп22 = 70 – 0,33(70 – 62,1) = 67,4 ºС

tп32 = 70 – 0,33(70 – 67,4) = 69,1 ºС

tп42 = 70 – 0,33(70 – 69,1) = 69,7 ºС

tп52 = 70 – 0,33(70 – 69,7) = 69,9 ºС

tп62 = 70 – 0,33(70 – 69,9) = 69,97 ºС

tп72 = 70 – 0,33(70 – 69,97) = 69,99 ºС

tп82 = 70 – 0,33(70 – 69,99) = 69,997 ºС

 

tц12 = 70 – 0,84(70 – 24,1) = 31,4 ºС

tц22 = 70 – 0,84(70 – 31,4) = 37,6 ºС

tц32 = 70 – 0,84(70 – 37,6) = 42,8 ºС

tц42 = 70 – 0,84(70 – 42,8) = 47,2 ºС

tц52 = 70 – 0,84(70 – 47,2) = 50,8 ºС

tц62 = 70 – 0,84(70 – 50,8) = 53,9 ºС

tц72 = 70 – 0,84(70 – 53,9) = 56,5 ºС

tц82 = 70 – 0,84(70 – 56,5) = 58,7 ºС

 

Средняя температура изделия за расчетный период определим по формуле

, ºС                      (8)

 

 

 

 

            

 

 

 

            

 

 

  

         

 

 

 

 

Результаты запишем в таблицу:

 

Подъем температуры и изетермическая выдержка,ч	Bi	F0	Qц	Qп	tп	tц	tбср
0,5	3,52	0,266	0,31	0,82	24,5	17,5	19,8
1,0	3,2		0,32	0,83	46,1	24,1	31,4
1,5	2,88		0,33	0,84	62,1	31,4	41,6
2,0	2,88		0,33	0,84	67,4	37,6	47,5
2,5	2,88		0,33	0,84	69,1	42,8	51,6
3,0	2,88		0,33	0,84	69,7	47,2	54,7
3,5	2,88		0,33	0,84	69,9	50,8	57,2
4,0	2,88		0,33	0,84	69,97	53,9	59,3
4,5	2,88		0,33	0,84	69,99	56,5	61
5,0	2,88		0,33	0,84	69,997	58,7	62,5

 

 

 

Для наглядности процесса разогрева бетона и паровоздушной среды построим график изменения температур во времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При таком тепловом расчете температур температуру изделий получают без учета теплоты гидратации. В реальных условиях температура бетона к концу изотермической выдержки  может быть уменьшена на 5…10 ºС по отношению к заданной по режиму.

 

    Теплота экзотермии. В приближенных  расчётах  количество теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента, можно определить по следующей  формуле:  

                                 ,кДж/кг

Где М=400 – марка цемента;

- количество  градусо-часов от начала процесса, град∙час;

В/Ц=180/353=0,51 – водоцементное отношение;

a – эмпирический коэффициент, равный

а=0,32+0,002∙ , при < 290 град∙час;

a=0,84+0,0002∙ , при > 290 град∙час;

Рассчитаем количество градусо-часов:

,град∙час;

Тогда  а=0,32+0,002∙211=0,74.

                                 ,кДж/кг.

  Общее  количество  теплоты гидратации, выделяемое цементом, находящимся в установке:

Для производства одной  внутренней стеновой панели требуется =1,728 м3 бетона:

Тогда количество бетона загружаемое в установку равно:

n- количество изделий в установке

  , кДж.

где Ц=353 кг/м3 – расход цемента;

     Определим повышение средней  температуры изделия за счёт  теплоты гидратации цемента:

                                   , 0С,

где Gб – масса бетона в тепловой установке;

 сб =1,0669  кДж/(кгºС) - средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия.

                                     , 0С.

Вывод: за счет экзотермии цемента мы обеспечиваем догрев бетона до заданной температуры и данный режим тепловой обработки.

 

5.Определение требуемого количества тепловых агрегатов, их размеров и схемы размещения:

 

Число установок периодического действия определим по выражению

, шт.                          (9)

где

N0- годовая производительность линии, м3;

tц- продолжительность цикла работы установки (с учетом времени предварительной выдержки, загрузки и разгрузки, длительности тепловой обработки), ч;

Vб- суммарный объем бетона, одновременно обрабатываемого в одной установке, м3

М- число рабочих дней в году;

К- число смен; 

Z- продолжительность рабочей смены, ч.

 

-время загрузки.

-время подъема температуры.

-время изотермической выдержки.

-время охлаждения.

-время распалубки и чистки форм.

 

Схема подвода теплоносителя.

 

 

 

 

 

6.Составление и расчет уравнения теплового баланса установки:

 

Теплотехнический расчет заключается в составлении теплового баланса установок, на основании которого определяется расход теплоты, требуемой на тепловую обработку изделий. Базовой величиной для расчета теплового баланса является количество теплоты, расходуемое за цикл тепловой обработки.

Для установок периодического действия уравнение теплового баланса имеет вид:

, кДж               (10)

где Q=Gп∙iп- поступление теплоты от теплоносителя в каждом из периодов или за весь цикл тепловой обработки;

здесь Gп – расход теплоносителя, кг;

iп = i’+r∙x – энтальпия теплоносителя, поступающего в установку, кДж/кг;

Qэкз- количество теплоты, выделяющейся в процессе экзотермической реакции гидратации цемента с водой затворения, кДж.

Β =1,2- коэффициент, учитывающий неизбежные потери теплоты;

Qб- количество теплоты, расходуемое на нагрев бетона, кДж;

Qогр- количество теплоты, расходуемое на нагрев ограждений, кДж;

Qпот- количество теплоты, потерянное установкой в окружающую среду, кДж;

Qк- потери с конденсатом, кДж.

 

Теплота на нагрев бетона. Количество теплоты, расходуемое на нагрев массы изделия, определим по формуле:

, кДж                      (11)

где сб =1,0669  кДж/(кгºС) - средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделий;

tн, tк- средние температуры бетона в начале и конце соответствующего периода, ºС.

Рассчитаем данную величину по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

 кДж

 

 

 

изотермическая выдержка:

 кДж

 

Теплота на нагрев формы. Количество теплоты, расходуемое на нагрев установки:

, кДж                      (12)

где 1.2-коэфициент, учитывающий нагрев станины установки;

 cм=0,48 кДж/(кг ºС)- теплоемкость материала формы;

сиз=0,84 кДж/(кг ºС)- теплоемкость минеральной ваты;

Gп.р-масса метала паровых рубашек;

Gизл-масса тепловой изоляции;

Gогр-масса метала ограждающих листов

tк- средняя температура материала в конце рассматриваемого периода, ºС;

tн- начальная температура металла формы, равная в период подъема температуры – температуре воздуха в цеху или на улице, а в период изотермической выдержки – температуре поверхности бетона изделия в конце периода подъема температуры, ºС.

Рассчитаем температуру на наружной поверхности обшивочного слоя метала:

    

(м2 ∙ºС)/Вт                      

 

              

             

     

 

 

 

 

 

Рассчитаем массы металла и изоляции: