Расчет, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий. 2
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. 112220
Нупрейчик Н.С.
Руководитель:
к.т.н., доцент
Орлович А.И.
Минск-2013
Оглавление:
1. Введение…………………………………………………………
2. Краткое описание технологического процесса…………………….…4
3. Характеристика изделия и формы……………………………………..5
4. Состав бетонной смеси……………………………………………........
5. Выбор и обоснование режима тепловой обработки…………………..7
6. Определение требуемого количества тепловых агрегатов, их размеров и схемы размещения …………………………………………………………..12
7. Составление и расчет уравнения теплового баланса установки….....13
8. Определение часовых и удельных расходов теплоты и теплоносителя по периодам (зонам) тепловой обработки……………………………………19
9. Расчет трубопровода………………………………………………
10. Предложения по экономии энергоресурсов
и повышения качества изделий……………………………………………………………
11. Мероприятия по технике безопасности, охране труда и противопожарной технике……………………………………………………24
12. Перечень использованной
- Введение.
Производство сборного железобетона требует всемерной интенсификации технологических процессов, в частности сокращения длительности и энергоемкости тепловой обработки.
Сроки твердения бетона в конструкциях и изделиях, как известно, при применении тепловой обработки существенно сокращаются по сравнению с твердением в обычных температурных условиях, однако намного превышают длительность остальных операций по изготовлению железобетонных изделий. В общем цикле производства тепловая обработка составляет по времени 80 … 85 %, а ее стоимость составляет значительную часть от общей стоимости изделий и конструкций. Тепловая обработка определяет к тому же и качество структуры цементного камня в бетоне.
Свыше 90 % сборного железобетона подвергаются пропариванию. На термообработку 1 м3 сборных железобетонных изделий затрачивается от 200 до 2000 кг пара, а средний расход его практически по всем изделиям составляет 700 кг/м3.
Продолжительность и энергоемкость тепловой обработки сборного железобетона определяются не только принятым способом и режимом интенсификации процесса твердения бетона, но и рядом других факторов – минералогическим составом, активностью и расходом цемента, составом бетона, видом и количеством вводимых в бетонную смесь химических веществ.
В настоящем курсовом проекте рассмотрен процесс производства напорных труб, тепловая обработка которых производится на гнездовой установке.
Назначение режимов тепловой обработки произведено на основании нормативной литературы с учетом вида и класса бетона, активности цемента, толщины изделия, способа подъема теплоты и др. 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.
- Краткое описание технологического процесса
Для приготовления труб методом виброгидропрессования используют формы особой конструкции. Форма состоит из наружного кожуха и сердечника. Кожух может выполняться из двух или четырех элементов, скрепляемых болтами с тарированными пружинами.
Форму собирают в 2 этапа. Сначала производят сборку наружной формы с помощью болтов с тарированными пружинами, затем ее чистку, смазку и проклейку стыков.
Внутренняя форма представляет собой металлический сердечник с двумя стенками, одна из которых (наружная) имеет перфорацию. На сердечник надевают резиновый чехол.
В подготовленную форму устанавливают спиральный арматурный каркас. На торцах формы укрепляют опорные кольца. Через отверстия колец пропускают стержни продольной арматуры, которую напрягают с помощью гидродомкратов. Сборку двух частей формы (наружной и сердечник) осуществляют на посту комплектации. Затем наверх формы устанавливают центрирующее кольцо. Подготовленная форма подается краном на пост формования. Формование производят с помощью мостовых бетоноукладчиков, оборудованных передвижными бункерами. После виброуплотнения форму подают на пост гидропрессования и тепловой обработки. Давление в гидросистеме повышают до 2-3 МПа при температуре воды до 60 - 70°С.
Под гидравлическим давлением воды, которое поступает через перфорированные стенки сердечника, резиновый чехол расширяется (при этом происходит прессование бетонной смеси) и, перемещаясь, раздвигает наружную форму, скрепленную болтами с тарированными пружинами. Он растягивает спиральную арматуру, создавая предварительное ее натяжение.
В комплект оборудования модернизированных линий, кроме выпускаемого серийно, входят: установки для изготовления разделительной полосы с лепестками гарпунного типа и для изготовления П-образных скоб; станок для навивки спирально-перекрестных каркасов; устройство для зажима скоб, для осуществления способа спирально-перекрестного армирования, выполняющего функцию спиральной и продольной арматуры. Производительность линии - от 10 до 15 тыс. м3 в год (в зависимости от диаметра труб).
- Характеристика изделия и формы
В данном курсовом проекте в качестве строительного изделия принята труба виброгидропрессованнаяÆ1000 мм. Такие трубы изготовляются в соответствии с СТБ 1986-2009 «Трубы железобетонные напорные виброгидропрессованные. Технические условия», и согласно стандарту имеют обозначение TH100–I–СТБ 1986-2009 (Труба железобетонная виброгидропрессованная с диаметром условного прохода 1000 мм, I класса)
Трубы должны обладать следующими характеристиками:
- должны быть прочными и трещиностойкими и при испытании их нагружением выдерживать контрольные нагрузки
- должны быть водонепроницаемыми и выдерживать внутреннее испытательное гидростатическое давление, равное 1,8 МПа
- должны удовлетворять требованиям ГОСТ 18105:
- по показателям фактической прочности бетона
- по отклонению от толщины защитного слоя бетона до арматуры
- по морозостойкости бетона
Трубы изготовляют из тяжелого бетона по СТБ 1544. Класс бетона по прочности на сжатие должен быть не ниже С25/30 — для труб марок ТН50–III и ТН60–III, С32/40 — для труб остальных марок. Водонепроницаемость бетона должна соответствовать марке по водонепроницаемости W6, а водопоглощение бетона не должно быть более 6% по массе.
Для армирования труб следует применять стержневую горячекатаную сталь классов S240 и S400 и проволоку класса Вр-I .
На поверхности труб не допускаются:
- трещины на наружной и внутренней поверхности труб;
- наплывы и околы, а также раковины диаметром более 3 мм и глубиной более 2 мм на стыковых поверхностях раструба и втулочного конца труб;
- раковины диаметром более 10 мм и глубиной более 2 мм на остальной наружной поверхности;
- наплывы и околы бетона ребер на торцевых поверхностях труб высотой (глубиной) более 5 мм;
- следы (риски) шириной и глубиной более 1,5 мм на стыковой поверхности раструба от шлифовального инструмента;
- более трех раковин на площади 0,01 м2 (100×100 мм) на любом участке стыковой поверхности
- Состав бетонной смеси.
Согласно СТБ 1986-2009 «Трубы железобетонные напорные виброгидропрессованные. Технические условия.» трубы изготовляют из тяжелого бетона по СТБ 1544-2005. Класс бетона по прочности на сжатие должен быть не ниже С32/40. Водонепроницаемость бетона для труб должна соответствовать марке по водонепроницаемости W6.
Для обеспечения данных требований применяется бетонная смесь БСГТ П1 С32/40 W6 СТБ 1544-2005, приготовленная из следующих компонентов (на 1 м3 смеси):
- цемент марки М500 КНГ=0,4 rц=3100 кг/м3a=1,39 - 432 кг
- песок речной rп=2630 кг/м3
фракции: 2,5 - 5 10%
1,25 - 2,5 25%
0,63 - 1,25 25%
0,315 - 0,63 20%
0,14 - 0,315 15%
менее 0,14 5%
- щебень гранитный rщ=2670 кг/м3
фракции: 5 - 10 60%
10 - 20 40%
- вода
- 165 кг
Плотность бетонной смеси rбс=2533 кг/м3
Для производства одной трубы марки ТН100-I требуется 1.4 м3 бетона и 131.3 кг стали для каркаса.
- Выбор и обоснование режима тепловой обработки.
Для производства изделия назначим следующий тепловой режим согласно ТКП 45-5.03-13-2005 «Изделия бетонные, железобетонные сборные. Правила тепловлажностной обработки»:
1. Предварительная выдержка
2. Подъем температуры:
3. Изотермическая выдержка:
4. Время охлаждения:
Итого:
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:
t - продолжительность нагрева (охлаждения), ч;
R- определяющий размер изделия, м;
a- коэффициент температуропроводности, м2/ч;
l- коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м ºС), для твердеющего бетона l=2,5 Вт/(м ºС);
ρ- плотность бетона, кг/м3,
с- теплоемкость материала, кДж/(кг ºС),
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 |
добавка | |
с, кДж/(кг ºС) |
0,84 |
0,84 |
0,85 |
4,19 |
0,48 |
0,84 |
G кг. |
432 |
631 |
1172 |
165 |
131 |
2,6 |
По формуле:
По формуле с учетом R=0,1335 м. и τ=2,0 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);
для α1=70, α2=60 имеем следующие значения Bi:
При расчете температуры материала в точке х используется критериальная зависимость типа:
- безразмерная температура;
tс- средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС
tн- температура изделия в начале расчетного периода, ºС.
Температура на поверхности равна:
tп1 = 35 - 0,22(35 – 20,0) = 31,7 оС
tп2 = 50 - 0,26(50 – 31,7) = 45,2 оС
tп3 = 50 - 0,26(50 – 45,2) = 48,6 оС
tп4 = 50 - 0,26(50 – 48,6) = 49,7 оС
Температура в центре изделия:
tц1 = 35 - 0,67(35 - 20) = 24,95 оС
tц2 = 50 - 0,69(50 – 24,95) = 32,72 оС
tц3 = 50 - 0,69(50 – 32,72) = 38,07 оС
tц4 = 50 - 0,69(50 – 38,07) = 41,77 оС
Значения безразмерных температур п и ц определим по графикам исходя из рассчитанных выше величин Fo и Bi.
Средняя температура изделия за расчетный период определим по формуле:
tср1 = (31,7+2*24,95)/3 = 27,2 оС
tср2 = (45,24+2*32,72)/3 = 36,89 оС
tср3 = (48,56+2*38,07)/3 = 41,64 оС
tср4 = (49,68+2*41,77)/3 = 44,41 оС
По формулам рассчитаем температуры в центре, на поверхности, а так же средние температуры бетона на 1, 2 и 3 часу режима подъема температуры и на протяжении 5-ти часов изотермической выдержки и занесем их в таблицу:
№ |
|||||||
1 |
3,74 |
0,384 |
0,22 |
0,67 |
31,7 |
24,95 |
27,2 |
2 |
3,20 |
0,384 |
0,26 |
0,69 |
45,24 |
32,72 |
36,89 |
3 |
3,20 |
0,384 |
0,26 |
0,69 |
48,76 |
38,07 |
41,64 |
4 |
3,20 |
0,384 |
0,26 |
0,69 |
49,68 |
41,77 |
44,41 |
Для наглядности процесса разогрева бетона и паровоздушной среды построим график изменения температур во времени:
При таком тепловом расчете
температур температуру
Теплота экзотермии:
Количество теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента:
М - марка цемента
количество градусов – часов от начала процесса, град/час
В/Ц – водоцементное отношение
а – коэффициент.
Определяем количество градусов – часов:
Общее количество теплоты гидратации, выделяемое цементом находящегося в камере:
Определяем повышение средней температуры изделий за счет теплоты гидратации цемента:
Вывод: Среднее повышение температуры составляет 25,07°С, что является достаточным для догрева до температуры заданного режима.
- 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 цикла 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.
- 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
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 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:
, кДж
где сб- средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия, кДж/(кгºС);
Gб- масса изделия, кг;
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.
Так как форма для изготовления виброгидропрессованных труб состоит из металлического сердечника, резинового чехла, крышки и наружной формы, количество теплоты, расходуемое на нагрев формы рассчитывается по формуле:
Где :
- теплота,
расходуемая на нагрев
, кДж
где cм- теплоемкость материала наружной части формы, , кДж/(кг ºС);
Gн.ф.- масса формы, кг;
tк- конечная температура центра бетона изделия в соответствующем периоде, ºС;
tн- начальная температура формы, равная в период подъема температуры – температуре воздуха в цеху или на улице, а в период изотермической выдержки – температуре центра бетона изделия в конце периода подъема температуры, ºС.
Рассчитаем данный показатель по периодам тепловой обработки
подъем температуры:
кДж
изотермическая выдержка
кДж
- теплота,
расходуемая на нагрев
, кДж
где cм- теплоемкость материала сердечника, кДж/(кг ºС);
Gс- масса сердечника, кг;
tк- конечная средняя температура бетона изделия в соответствующем периоде, ºС;
tн- начальная температура формы, равная температуре воздуха в цеху или на улице, ºС.
Рассчитаем данный показатель:
кДж
- теплота,
расходуемая на нагрев
, кДж
где cм- теплоемкость материала резинового чехла, , кДж/(кг ºС);
Gр.ч.- масса резинового чехла, кг;
tк- конечная температура поверхности бетона изделия в соответствующем периоде, ºС;
tн- начальная температура 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:
кДж
изотермическая выдержка
кДж
- теплота, расходуемая на нагрев крышки.
, кДж
где cм- теплоемкость материала сердечника, кДж/(кг ºС);
Gкрышки- масса сердечника, кг;
tк- конечная температура теплового режима соответствующем периоде, ºС;
tн- начальная температура формы, равная температуре воздуха в цеху или на улице, ºС.
Рассчитаем данный показатель:
кДж
Рассчитаем теплоту на нагрев формы по периодам тепловой обработки:
в подъем температуры:
кДж;
И период изотермической выдержки:
кДж;
Потери теплоты.
Количество теплоты отданное формой в окружающую среду определим по выражению
, кДж
где
aн- коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности формы, Вт/(м2 ºС)
F- площадь поверхности формы, м2;
tк- конечная температура поверхности формы в соответствующем периоде, ºС;
t0- температура воздуха в цеху или на улице, ºС.
aн- коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности формы, Вт/(м2 ºС)
где aн- рассчитывается по формуле
aн=
с’- приведенный к-т лучеиспускания поверхностей ограждения, Вт/(м2ºС)
с’ =с0×e
где
с0- постоянная лучеиспускания поверхностей ограждения,Вт/(м2 ºС)
e-степень черноты полного нормального излучения материала ограждения(выбирается из таблицы)
с’ =5,67∙0,92=5,22 Вт/(м2 ºС)
Вт/(м2 ºС)
Вт/(м2 ºС)
Площадь поверхности формы принимаем 20 м2
Рассчитаем данный показатель по периодам тепловой обработки
подъем температуры:
кДж
изотермическая выдержка:
кДж.
Количество теплоты отданное крышкой (F=1,13 м2) в окружающую среду различные периоды:
подъем температуры:
кДж
изотермическая выдержка:
кДж
Потери теплоты в грунт рассчитаем по следующей формуле
где
R01- общее сопротивление теплопередаче конструкции, (м2 ºС)/Вт
F- площадь основания установки, м2;
tср- средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС;
t0- температура воздуха в цеху или на улице, ºС.
Так как в качестве ограждающей конструкции основания принят керамзитобетон с l- коэффициентом теплопроводности материала l=0,65 Вт/(м ºС) то R01 рассчитывается с учетом термического сопротивления данного слоя:
, (м2 ºС)/Вт
Примем толщину слоя d =0,15 м., и получим R01равное
(м2 ºС)/Вт
И рассчитаем по формуле потери теплоты в грунт по периодам тепловой обработки:
подъем температуры:
кДж
изотермическая выдержка:
кДж
Количество теплоты, расходуемое на нагрев основания, определим по формуле:
, кДж
где сб- средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия, кДж/(кгºС);
Gб- масса основания, кг;
tн, tк- средние температуры бетона в начале и конце периода подъема температуры , ºС.
Рассчитаем данную величину по периодам тепловой обработки:
подъем температуры:
кДж
Суммарные потери в окружающие среды по периодам тепловой обработки составляют:
подъем температуры:
кДж
изотермическая выдержка:
кДж
Теплота, теряемая с конденсатом.
Теплота, теряемая с конденсатом, рассчитывается по формуле:
кДж
где
Gк- количество конденсата,равное 0,8 … 0,9 искомого пара за период;
кг;
iк- энтальпия конденсата, уходящего из установки, кДж/кг.
кДж/кг
где
ск- теплоемкость конденсата (для воды ск=4,19), кДж/кг ºС;
tк- температура конденсата.
Энтальпия пара рассчитывается по формуле:
, кДж/кг
где
i’ - энтальпия воды; ( i’ = 439,34 кДж/кг );
r - теплота фазового перехода; ( r = 2570,76 кДж/кг );
x - степень сухости пара; ( х = 0,95 );
кДж/кг
Расход пара за циклы тепловой обработки рассчитывается по выражениям:
, кг
, кг
где - суммарный расход теплоты за периоды подъема температуры и изотермической выдержки соответственно, кДж;
- коэффициент неучтенных потерь;
, кг
Теплота, теряемая с конденсатом равна:
, кДж;
, кДж.
Статья баланса |
Количество теплоты, кДж |
Итого |
% | |
Подъем температуры |
Изотермическая выдержка | |||
Теплота на нагрев бетона |
26552,66 |
90009,84 |
116562,5 |
30,44 |
Теплота на нагрев формы |
28840,12 |
65633,6 |
94473,72 |
24,67 |
Потери в окружающую среду. |
29231,62 |
117763,6 |
146955,2 |
38,38 |
Потери с конденсатом. |
5894,2 |
19043,15 |
24937,35 |
6,51 |
итого |
383103,67 |
100 | ||
- Определение часовых и удельных расходов теплоты и теплоносителя по периодам (зонам) тепловой обработки.
