Расчёт, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Факультет энергетического  строительства

 

Кафедра: «Теплогазоснабжение  и вентиляция »

 

 

 

Курсовой  проект

по дисциплине «Теплотехника и теплотехническое оборудование»

 

 

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

 

 

 

 

 

Исполнитель:   студент гр.

Петрякова Е.Д.

Руководитель: Орлович А.И.

 

 

Минск - 2012

 

Содержание

Введение……………………………………………………….…………………...…….4

1. Краткое описание технологического процесса………….………………………….5

2. Устройство и принцип действия тепловой установки...……………………….......7

3. Характеристика изделия и формы …………………………………..........................9

4. Состав бетонной смеси……………………………………………………………...11

5. Выбор и обоснование режима тепловой обработки……………………………....13

6. Расчет теплоты экзотермии………………………………………………………...17

7.Определение требуемого количества тепловых агрегатов и схем их размещения……………………………………………………....................................................18

8. Составление и расчет уравнения теплового баланса установки………………....19

9.Определение часовых и удельных расходов теплоты и теплоносителя по периодам  тепловой обработки………………………………………………..………….….......................25

10.Составление схемы подачи теплоносителя, построение циклограммы работы тепловых установок, расчет тепловых нагрузок и параметров сети……………………………………….....................................................................................26

11.Предложения по экономии энергоресурсов при эксплуатации тепловых установок………………………………………………...............................................................28

12.Мероприятия по технике безопасности, охране труда и противопожарной технике ………………..……………………………………………………………….…..…....29

Список использованных литературных источников………………………….…......31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 и охране труда.

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 кассеты.

Установка арматурного  каркаса:

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

Подача и уплотнение бетонной смеси:

При помощи ленточного транспортёра бетонная смесь подается в форму, 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 каналообразоатели.

Тепловлажностная обработка:

Тепловлажностная обработка производится непосредственно в самой установке. Пар подается в паровые рубашки, которые далее прогревают бетон до нужной температуры. Пропаривание внутренних стеновых панелей является  ответственным этапом, так как в течение заданного времени бетон должен набрать требуемую прочность.

Осуществляется контактным прогревом  через стенки тепловых отсеков. Продолжительность тепловой обработки зависит от толщины прогреваемого изделия, расположения паровых рубашек (с одной или с двух сторон), а так же состава бетона и вида применяемого цемента.

Распалубка и извлечение изделия из кассеты:

После остывания установки с  готовым изделием при помощи машины для распалубки и сборки 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Устройство и принцип действия тепловой установки

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 ( 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 и после уплотнения подвергают тепловой обработке. Для тепловой обработки пар подают в отсеки 2 и прогревают с двух сторон одно изделие.

Прогрев изделий через стенку в кассетах паром из-за большого расслоения температур по высоте 30—40 °С затруднен, поэтому применяют эжекторное пароснабжение кассет. Пар из паропровода подается в эжектор и эжектирует паровоздушную смесь, отбираемую из паровых отсеков по трубопроводу. Смесь подается в паровые отсеки, отдает теплоту, а сама через трубопроводы отбирается за счет разрежения, создаваемого эжектором. Часть отработанной смеси через трубопровод 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 тепловлагоизолируют. 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


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               3. Характеристика изделия и формы

В данном курсовом проекте в качестве строительного изделия принята  плита для внутренней перегородки

Геометрические размеры плиты 4,42,60,14м.

Объём бетона одного изделия – 1,6 м3.

Масса стали –52 кг

 

 

 

 

 

 

 

 

Размеры кассеты:

 

 

 

 

 

 

 

               4.Состав бетонной смеси

Проектируем состав бетона по модифицированному  методу профессора И.Н. Ахвердова.

Исходные данные:

Бетон класса – С16/20;

Марка бетона по морозостойкости –  F200;

Осадка конуса – 7 см;

Активность цемента – 400;

Плотность цемента – 3100 кг/м3;

Плотность песка – 2630 кг/м3;

Плотность щебня – 2670 кг/м3.;

Добавка ускоритель твердения –  Сульфат Натрия.

Требуемая прочность бетона в проектном  возрасте:

fб= ==25,6  МПа,

Рассчитывается В/Ц отношение:

(В/Ц) =+ 0,08 = + 0,08 = 0,55,

Данное В/Ц отношение удовлетворяет требованиям по морозостойкости.

Рассчитывается объём цементного теста:

Vт=  + 0,07*(В/Ц)3 =   + 0,07*(0,55)3=  0,32 м2,

Определяется расход цемента:

Ц = = = 367 кг,

Определяется расход воды:

В = Ц*(В/Ц) = 367*0,55 = 202 кг,

Определяется доля песка в смеси  заполнителей:

r = 45–80*(Vт – 0,2)+1,4* = 45–80*(0,32–0,2)+1,4* = 40 %,

Определяется расход песка:

П = = = 715кг,

Определяется расход щебня:

Щ = * = * = 1089кг,

Добавка: D= 0,015*Ц = 0,015*367  = 5,5 кг.

Плотность бетонной смеси: ρб.с.=202 + 367 + 715 + 1089 + 5,5 = 2378,5 кг/м3, с арматурой: rбса=2429,5 кг/м3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Выбор и обоснование режима тепловой обработки

Для производства изделия назначается следующий  тепловой режим:

  1. Подъем температуры                                              1 час;
  2. Изотермическая выдержка при =70 ºС           4 часа;
  3. Время охлаждения                                                  4,5 часа;

                                                              Итого:                    9,5 часов.

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 - расчетный промежуток времени, 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),

, 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)

0,84

0,84

0,85

4,19

0,48

G кг.

367

715

1089

202

51


 

 кДж/(кг ºС),

 м2/ч

С учетом, что R=0,07 м и τ=1 ч имеем:

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

,  где

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

В зависимости  от α1=100, α2=90, имеем следующие значения Bi:

;    ;

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

,  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 графикам исходя из рассчитанных выше величин Fo и Bi:

Qц1=0,41;                    Qп1=0,18;

Qц2=0,43;                    Qп2=0,21; 

Зная  значения безразмерных температур Qп и Qц вычислим значения температур:

-на поверхности  изделия

tп1=45 - 0,18*(45 - 20)=40,5;

tп2=70 - 0,21*(70 – 40,5)=63,8;

tп3=70 - 0,21*(70 – 63,8)=68,7;

tп4=70 - 0,21*(70 – 68,7)=69,7;

tп5=70 - 0,21*(70 – 69,7)=69,99;

-в центре  изделия

tц1=45 – 0,41*(45 - 20)=34,8;

tц2=70 - 0,43*(70 – 34,8)=54,9;

tц3=70 - 0,43*(70 – 54,9)=63,5;

tц4=70 - 0,43*(70 – 63,5)=67,2;

tц5=70 - 0,43*(70 – 67,2)=68,9;

Средняя температура изделия за расчетный  период определим по формуле

, ºС

tср1=( tп1+2* tц1)/3=(40,5+2*34,8)/3=36,7;

tср2=( tп2+2* tц2)/3=(63,8+2*54,9)/3=57,9;

tср3=( tп3+2* tц3)/3=(68,7+2*63,5)/3=65,2;

tср4=( tп4+2* tц4)/3=(69,7+2*67,2)/3=68,03;

tср5=( tп5+2* tц5)/3=(69,99+2*68,99)/3=69,5;

 

№

Bi

Fo

Qп

Qц

tп

tц

tср

1

2,8

0,67

0,18

0,41

40,5

34,8

36,7

2

2,52

0,67

0,21

0,43

63,8

54,9

57,9

3

2,52

0,67

0,21

0,43

68,7

63,5

65,2

4

2,52

0,67

0,21

0,43

69,7

67,2

68,03

5

2,52

0,67

0,21

0,43

70

70

70




 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             6. Расчет теплоты экзотермии

Количество  теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента:

М - марка  цемента

количество градусов – часов  от начала процесса, град/час

В/Ц – водоцементное отношение

а – эмпирический коэффициент, равный

, при Q<290 град·ч

, при Q>290 град·ч

Расчет  теплоты гидратации осуществляется в следующем порядке:

              -определяем количество градусо-часов за период подъема температуры:

   

               где - средняя температура бетона в конце периода прогрева,°С

               -рассчитываем количество градусо-часов за весь период тепловой обработки

             

Определяем  эмпирический коэффициент:

Зная  эмпирический коэффициент и количество градусо-часов можно определить количество теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента:

 

 

Количество теплоты гидратации, выделяемое цементом находящегося  в камере:

 

 

 

 

7. Определение требуемого количества тепловых агрегатов и схем их размещения:

Число установок периодического действия определим по выражению

,шт.

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.

N0 = 34000 м3

SVб = 19,2 м3

М = 256

К = 2

Z = 8 ч.

tц = 2,5+1+4+4,5+1 = 13 ч

= 6 шт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. 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=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 непредвиденные потери теплоты;

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

Qуст- 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

где сб =1,11 кДж/(кгºС) - средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделий;

Gб – масса изделии, одновременно загружаемых в установку, кг;

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

Рассчитаем  данную величину по периодам тепловой обработки:

подъем  температуры:

Qб1 = 1,11*2429,5*19,2*(36,7-20) = 864684,3 кДж

изотермическая  выдержка:

Qб2 = 1,11*2429,5*19,2*(70-36,7) = 1724190,88 кДж

Теплота на нагрев формы.

Количество  теплоты, расходуемое на нагрев установки:

Qуст = 1,2*[ cм*Gп.р.*( tк - tн )  + cм*Gогр.*( tк - tн ) + cи*Gи.*( tк - tн )], кДж

где 1,2-коэфициент, учитывающий нагрев станины установки;

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

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

Gп.р. - масса метала паровых рубашек;

Gи    - 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 металла:

 (м*ºС)/Вт

 ºС

Для минеральной  ваты:

 ºС

Рассчитаем  массы металла и изоляции:

Gп.р=(0,01*4,5*2,61*2*7850+4,5*0,1*0,01*7850*2+2,61*0,1*0,01*7850*2)*13+(0,14*4,5*0,01*7850+0,14*2,61*0,01*7850*2)*12=28183,3 кг

Окончательно  примем массу металла паровых  рубашек вместе с ребрами жёсткости  равную:

Gп.р=28183,3+0,2*28183,3=33819,9кг.

Gи = 2*0,05*4,5*2,61*125 = 146,8 кг.

Gогр. = 2*0,003*4,5*2,61*7850+4*0,1*4,5*0,003*7850+4*0,1*2,61*0,003*7850=620,2 кг

Qогр = 1,2*[ 0,48*33819,9*( 70-20 ) +  0,48*620,2*( 24,51-20 ) + 0,84*146,8*( 47,3 – 20 )] = 979663,9 кДж

Потери теплоты.

Количество  теплоты отданное установкой в окружающую среду определяем по выражению:

, кДж

где aн- коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности формы, Вт/(м2 ºС)

F- площадь поверхности формы, м2;

tн- конечная температура поверхности формы в соответствующем периоде, ºС;

t0- температура воздуха в цеху или на улице, ºС.

Коэффициент aн рассчитываем по следующей формуле

где tпов  ,Tпов , - температура наружной поверхности установки по стоградусной шкале и шкале Кельвина соответственно;

t’пов  ,T’пов, - температура лучевоспринимающей поверхности по стоградусной шкале и шкале Кельвина соответственно;

Ф- коэффициент, принимаемый для вертикальных поверхностей ограждающих конструкций (2,2) и горизонтальных  поверхностей обращённых вверх (1,8;2,4);

c’- приведенный коэффициент лучеиспускания поверхностей ограждения,

Вт/(м2∙ К4);

c'=c0∙ε,

где c0 =5,67 Вт/ (м2∙ К4)- постоянная лучеиспускания абсолютно чёрного тела;

ε=0,95 –  степень черноты полного нормального  излучения материала ограждения ;

c’=5,67∙0,95=5,3865 Вт/(м2∙ К4).

Для боков с мин. ватой:

подъём  температуры: tпов =(24,51+20)/2=22,27 0C:

, Вт/(м2 ºС);

изотермическая  выдержка:

tпов=24,51 0C:

,, Вт/(м2ºС);

Площадь поверхности принимаем: F=4,5*2,61*2+2,61*0,5*4+4,5*0,5*2=33,21 м2

Рассчитаем  потери теплоты по периодам тепловой обработки:

подъем  температуры:

= 8,18*33,21*(22,27-20)*1*3,6 = 2219,99  , кДж

изотермическая  выдержка:

=8,76*33,21*(24,53-20)*4 *3,6 = 18977,26  , кДж.

Для низа кассеты:

подъём  температуры:

tпов = (40,5+20)/2 = 30,25 0C:

,Вт/(м2 ºС);

изотермическая  выдержка:

tпов=(70+40,5)/2=55,25 0C:

,Вт/(м2ºС);

Площадь поверхности принимаем: F = 3,14*4,5  = 14,13 м2

Расчёт, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий