Расчет, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий. 4
Оглавление
Введение.
Эффективность применения бетона в современном строительстве в значительной мере определяется темпами производства железобетонных изделий. Решающим средством ускорения твердения бетона в условиях заводской технологии сборного железобетона является. тепловая обработка сборного железобетона является. Процесс тепловой обработки занимает 70—80 % времени всего цикла изготовления изделий. Затраты на тепловую обработку обусловлены не только затратами на пар и другие виды энергии, с ней связано количество форм и расход цемента. Длительность тепловой обработки определяет время оборачиваемости отдельных форм, стоимость которых составляет весьма существенную долю стоимости всех производственных фондов предприятия.
Интенсификацию тепловой обработки необходимо осуществлять одновременно с проведением таких мероприятий, как введение химических добавок—ускорителей твердения, формование из горячих смесей, двухстадийная тепловая обработка, использование цементов повышенного качества. Тепловая обработка сборных железобетонных изделий производится до достижения ими требуемой отпускной (передаточной, распалубочной) прочности. При этом должна обеспечиваться необходимая прочность в возрасте 28 сут. после пропаривания, т. е. заданная проектная марка бетона. Под отпускной прочностью бетона понимается такая прочность, при которой изделие разрешается отгружать с завода потребителю.
Оправданное снижение отпускной прочности бетона - один из существенных резервов экономии цемента. Электролиты-ускорители твердения эффективны и при электротермообработке бетона, снижая необходимое напряжение и расход электроэнергии. Относительный прирост прочности бетона с добавками электролитов увеличивается при сокращении режима тепловой обработки. Это позволяет применять для бетонов с добавками короткие форсированные режимы тепловой обработки при сокращенной предварительной выдержке. Существенное снижение энергетических затрат при введении ускорителей твердения возможно при двухстадийной тепловой обработке, включающей после кратковременного твердения в естественных условиях прогрев при температуре около 60 °С. Электролиты-ускорители твердения эффективны в композиции с пластифицирующими добавками. При этом представляется возможным усилить пластифицирующий эффект комплексной добавки, снизить расход дефицитного пластификатора, более существенно уменьшить В/Ц, или расход цемента. Совместное введение органических поверхностно-активных веществ и электролитов позволяет в нужных пределах регулировать сроки схватывания.
- Краткое описание технологического процесса
Изготовление колонн осуществляется по стендовой технологии и включает в себя следующие процессы:
Очистка и смазка стенда.
Армирование.
Укладка бетонной смеси.
Виброуплотнение бетонной смеси.
Отделка поверхности.
Тепловая обработка.
Распалубка и маркировка.
Тепловая обработка осуществляется в напольной пропарочной камере.
Основными элементами камеры являются стенки, пол с гидравлическим затвором для стока конденсата, крышка и система паропроводов, оснащенных запорорегулирующей арматурой для подачи пара в камеру.
После формования изделия камеру закрывают крышками, представляющими собой металлические рамные конструкции, обшитые металлическими листами, между которыми уложен теплоизоляционный материал.
Пар в камеру поступает через замкнутый перфорированный трубопровод.
Назначение режима тепловой обработки производится на основании нормативной литературы (ТКП 45-5.03-13-2005) с учетом вида, класса бетона, активности цемента при пропаривании, наличии химических добавок.
Напольная пропарочная камера
2. Характеристика изделия и формы
Характеристика колонн
Колонны должны изготавливаться из тяжелого бетона.
Для производства одной колонны длиной 6м и сечением 0,3×0,3 м требуется 0,54 м3 бетона и 38 кг стали.
Масса изделия – 0,54 * 2506 = 1353кг
Эскиз изделия (Колонна К75)
Масса формы – Gф = 13200кг
Размеры формы 6,2х1,4х0,4 м
3. Состав бетонной смеси
Исходные данные:
Класс бетона С20/25
Состав бетонной смеси
Цемент: М500
Цемент: Ц=386 кг.
Песок:П=698 кг.
Щебень: Щ=1128 кг.
Вода: В=192 л.
Gмет = 38 кг/м3
Плотность бетонной смеси:
Для производства одной колонны длиной 6м и сечением 0,3×0,3 м требуется 0,54 м3 бетона и 38 кг стали.
Плотность бетонной смеси с учетом армирования:
4. Выбор и обоснование режима тепловой обработки
Для производства изделия назначим следующий тепловой режим
(по ТКП 45-5.03-13-2005):
Класс бетона |
Режимы тепловой обработки, ч, при толщине бетона в изделиях, мм | ||
До 160 |
160–300 |
300–400 | |
С8/10 – С16/20 |
3,5 + 5,5 + 2 |
3,5 + 6,5 + 2 |
3,5 + 6,5 + 3 |
С20/25 |
3 + 4 + 2 |
3 + 5 + 2 |
3 + 5,5 + 2,5 |
С25/30 |
3 + 3,5 + 2 |
3 + 4,5 + 2 |
3 + 5 + 2,5 |
С30/37 |
3 + 3 + 2 |
3 + 4 + 2 |
3 + 4 + 2,5 |
С35/45 и более |
3 + 2 + 2 |
3 + 3 + 2 |
3 + 3,5 + 2,5 |
Примечание — Режимы тепловой обработки включают время подъема температуры среды в тепловом агрегате, время изотермического выдерживания и время остывания изделий без подачи пара. | |||
- Предварительная выдержка
2 часа; - Подъем температуры
3 часа; - Изотермическая выдержка (при t=70ºС) 5 часов;
- Время охлаждения
2 часа.
Для расчета температур воспользуемся критериальными зависимостями теплопроводности при нестационарных условиях теплопередачи. 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:
где
t - продолжительность нагрева (охлаждения), ч;
R- определяющий размер изделия, м;
a- коэффициент температуропроводности, м2/ч;
где
l- коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м ºС),
для тяжелого бетона l=2,5 Вт/(м ºС);
ρ- плотность бетона, кг/м3,
с- теплоемкость материала, кДж/(кг ºС),
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) |
1,13 |
0,84 |
0,89 |
4,19 |
0,48 |
G кг. |
386 |
698 |
1128 |
192 |
38 |
По формуле (2):
С учетом R=0,15 м. и τ=1,0 ч. имеем:
Зависимость скорости распространения теплоты в изделии от интенсивности внешнего теплообмена учитываем критериальным комплексом Био:
α- коэффициент теплоотдачи от среды к поверхности обрабатываемого изделия Вт/(м2 ºС);
α1=60 (1час ПТ), α2=70 (2час ПТ), α3=80 (3час ПТ), α4=90 (ИВ),
ПТ: ;
ИВ:
При расчете температуры материала в точке х используется критериальная зависимость:
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
Температура в центре изделия
Значения безразмерных температур Qп и Qц определим по таблицам исходя из рассчитанных выше величин Fo и Bi:
Qц1=0,95; Qц2=0,94; Qц3=0,93; Qц4=0,92;
Qп1=0,40; Qп2=0,36; Qп3=0,32; Qп4=0,28;
Режим подъема температуры будет равен: t = (70 - 15) / 3 = 18 ºС/час
Найдем tс - средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС
tс1 = (15 + 18 + 15) / 2 = 24 ºС
tс2 = 24 + 18 = 42 ºС
tс3 = 42 + 18 = 60 ºС
Средняя температура изделия за расчетный период:
По формулам рассчитаем температуры в центре, на поверхности, а так же средние температуры бетона во время подъема температуры и на протяжении 5-ти часов изотермической выдержки и занесем их в таблицу:
№ пп |
a |
Fo |
Bio |
Oпов |
Oц |
tс |
tпов |
tц |
tср.б |
1 |
60 |
0,133 |
3,6 |
0,4 |
0,95 |
24 |
21 |
15 |
17 |
2 |
70 |
0,133 |
4,2 |
0,36 |
0,94 |
42 |
34 |
17 |
23 |
3 |
80 |
0,133 |
4,8 |
0,32 |
0,93 |
60 |
52 |
20 |
31 |
1 |
90 |
0,133 |
5,4 |
0,28 |
0,92 |
70 |
65 |
24 |
38 |
2 |
90 |
0,133 |
5,4 |
0,28 |
0,92 |
70 |
69 |
28 |
41 |
3 |
90 |
0,133 |
5,4 |
0,28 |
0,92 |
70 |
70 |
31 |
44 |
4 |
90 |
0,133 |
5,4 |
0,28 |
0,92 |
70 |
70 |
34 |
46 |
5 |
90 |
0,133 |
5,4 |
0,28 |
0,92 |
70 |
70 |
37 |
48 |
Недогрев бетона составляет 22°.
Рассчитаем, поднимется ли температура в бетоне за счет тепла, выделяемого в процессе гидратации цемента.
М – марка цемента;
Q - количество градусо-часов от начала процесса, °С∙ч;
В/ц – водоцементное отношение;
А – эмпирический коэффициент, равный
а = 0,32 + 0,002 ∙ Q при Q < 290 °С∙ч;
а = 0,84 + 0,0002 ∙ Q при Q > 290 °С∙ч;
Рассчитываем количество градусо-часов за весь период тепловой обработки; при этом средняя температура бетона в период изотермической выдержки определяется как
tбср11 - средняя температура бетона в конце изотермической выдержки;
тогда
Определяем удельную теплоту гидратации в период экзотермической выдержки
a=0,84+0,0002*279,24= 0,896
Определяем количество теплоты гидратации, выделяемое цементом 1 м3 бетона
Определяем повышение средней температуры изделий за счет теплоты гидратации цемента
Среднее повышение температуры составляет 43,2 °С, что является достаточным для догрева бетона до температуры заданного режима.
5.Определение требуемого количества тепловых агрегатов, их размеров и схемы размещения.
Число установок периодического действия определим по выражению
где
N0- годовая производительность линии, м3;
tц- продолжительность чикла работы установки (с учетом времени предварительной выдержки, загрузки и разгрузки, длительности тепловой обработки), ч;
SVб- суммарный объем бетона, одновременно обрабатываемого в одной установке, м3
М- число рабочих дней в году;
К- число смен;
Z- продолжительность рабочей смены, ч.
Принимаем 6 установок (в две линии).
Габаритные размеры УПД определяются размерами изделий и форм и рассчитываются по выражениям:
длина Lk=mL ·lф+2∙l1+l2, м
ширина Bk=mb·bф+2·b1+b2, м
высота Hk=nh·hф+(n-1)·h1+h2+h3
где lф,bф,hф— длина, ширина и высота форм соответственно, м;
h1, h2, h3—расстояния по высоте между формами, верхней формой и крышкой, днищем нижней формы и полом камеры,м:
Высота напольной пропарочной камеры выбирается из расчета, что изделия в установке укладываются в один слой и принимается равной 0,7 м.
l1—расстояния между формой и стенкой камеры, достаточное для захода захватов автоматической траверсы, м ; l1=0,2…0,3 м;
l2—расстояния между штабелями форм, м; l2=0,2 м
Hk=1,05м
Bk=3,0м
Lk=13,2
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:
где
Q- поступление теплоты от теплоносителя в каждом из периодов или за весь цикл тепловой обработки;
Qэкз- количество теплоты, выделяющейся в процессе экзотермической реакции гидратации цемента с водой затворения, кДж.
β- коэффициент, учитывающий непредвиденные потери теплоты;
Qб- количество теплоты, расходуемое на нагрев бетона, кДж;
Qф- количество теплоты, расходуемое на нагрев металла формы, 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:
где сб- средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия, кДж/(кгºС);
Gб- масса изделий в установке, кг; Gб = 0,54 * 24 * 2506 = 32478 кг
tн, tк - средние температуры бетона в начале и конце соответствующего периода, ºС.
Рассчитаем данную величину по периодам тепловой обработки:
подъем температуры:
изотермическая выдержка:
Теплота на нагрев формы.
Количество теплоты, расходуемое на нагрев металла формы определим по выражению:
где cм- теплоемкость материала формы, , кДж/(кг ºС);
Gф- масса формы, кг;
tк- конечная температура поверхности бетона изделия в соответствующем периоде, 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 данный показатель по периодам тепловой обработки
подъем температуры:
изотермическая выдержка
Теплота на разогрев конструкций камеры.
Теплота на разогрев ограждающих конструкции установки для тепловой обработки рассчитывается по формуле:
где сi- массовая теплоемкость соответствующего слоя конструкции рассматриваемого ограждения.
Gi- масса рассматриваемого слоя, кг
tкi- средняя конечная температура материала рассматриваемого слоя конструкции, ºС;
tнi- начальная температура материала рассматриваемого слоя конструкции ºС.
Потери через стены:
Сбет=0,84 кДж/кг·ºС ; Сст=0,48 кДж/кг·ºС ; Смв=0,84 кДж/кг·ºС
λб=1,86 Вт/м·ºС ; λм.в.=0,054 Вт/м·ºС ; λст=58 Вт/м·ºС
ρб=2400 кг/м³ ; ρм.в.=125 кг/м³ ; ρст=7850 кг/м³
δб=0,3 м ; δм.в.=0,1 м ; δст=0,003 м
Найдем массу каждого из слоев;
Gб=26409,6 кг ; Gм.в.=462 кг ; Gст=877 кг.
Сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции:
Общее сопротивление:
Потери теплоты на разогрев стен конструкции при подъеме температуры:
t1=42,5 ºС
Потери теплоты на разогрев стен конструкции при изотермической выдержке:
t1=70
Потери теплоты на разогрев крышки при подъеме температуры:
δм.в.=0,1 м ; δст1=0,002 м ; δст2=0,003 м
Найдем массу каждого из слоев:
Gм.в.=125·1,56=615 кг
Gст1=7850·0,047=772,44 кг
Gст2=7850·0,031=1158,66 кг
Общее сопротивление:
Потери через пол:
δцем. стяж.=0,06м ; δпл =0,2м ; δпесч. просл.=0,1м
R0=1/60+1,3+0,17+0,02+0,108=1,
Найдем массу:
ρпесч. просл.=1600 кг/ м³
ρцем. стяж.=1800 кг/ м³
ρпл.=1400 кг/ м³
ρр-р.=800 кг/ м³
Gр-р =787,2 кг
G песч. просл =7872 кг
Gцем. стяж =5313,6 кг
Gпл=13776 кг
Тепло потери на разогрев пола конструкции при подъеме температуры:
Потери теплоты на разогрев пола конструкции при изотермической выдержке:
Потери теплоты рассчитаем по следующей формуле:
Потери теплоты при подъеме температуры:
Потери теплоты при изотермической выдержке:
Потери теплоты в грунт рассчитаем по следующей формуле:
F1=44,8
Потери теплоты при подъеме температуры:
Потери теплоты при изотермической выдержке:
Потери теплоты в окружающую среду рассчитаем по следующей формуле:
Vcр=22,4
Теплота, расходуемая на испарение воды затворения:
r- теплота фазового перехода,(2345,4 кДж/кг)
Теплота, теряемая с конденсатом:
Теплота, теряемая с конденсатом, рассчитывается по формуле
где
Gк- количество конденсата, равное 0,8 … 0,9 искомого пара за период;
iк- энтальпия конденсата, уходящего из установки, кДж/кг.
где
ск- теплоемкость конденсата (для воды ск=4,19), кДж/кг ºС;
tк- температура конденсата.
Рассчитаем энтальпию конденсата по формуле
Энтальпия пара рассчитывается по формуле
где
i ’-энтальпия воды
r- теплота фазового перехода
x- степень сухости пара
Расчет статей теплового баланса сведем в таблицу:
|
Статья баланса |
Количество теплоты, кДж |
Итого |
% | ||
Подъем температуры |
Изотермическая выдержка | ||||
Теплота на нагрев бетона |
427216,63 |
573813,0 |
1001029,63 |
41,9 | |
Теплота на нагрев формы |
220776,96 |
72721,92 |
293498,88 |
15,95 | |
Теплота на разогрев конструкций камеры: 1.Потери через стены |
63741,25 |
62815,89 |
126557,14 |
20,95 | |
2.Тепло потери на разогрев крышки
|
35392,42 |
35392,42 | |||
3. Потери через пол |
363644,24 |
632016,69 |
993660,93 | ||
Потери теплоты |
12252,89 |
36758,68 |
49011,57 |
1,65 | |
Потери теплоты в грунт |
8448 |
25344 |
33792 |
1,29 | |
Потери в окружающую среду. |
17868 |
17868 |
0,38 | ||
Теплота теряемая на испарением воды |
180162,72 |
180162,72 |
8,81 | ||
Теплота, теряемая с конденсатом |
292847,77 |
9,07 | |||
|
Итого |
2759671,13 |
100 | |||
