Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных изделий
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. 1 Классификация
установок для
1.2 Установки периодического действия
1.3 Установки непрерывного действия
- Обзор основных типов тепловлажностных установок
1.4.1 Кассетные установки
- Автоклавные установки
- Термоформы
- Горизонтальные щелевые камеры
- Вертикальные пропарочные камеры
- Камеры ямного типа.
Сравнительная характеристика тепловых установок
- Подбор состава бетонной смеси
- Конструктивный расчет тепловой установки
- Расчет производительности установки
- Расчет коэффициента теплообмена между
греющей средой и прогреваемым изделием - Расчет тепловыделения бетона при тепловой обработке
- Расчет распределения температур в бетонных и железобетонных изделиях
- Теплотехнический расчет
8а. Материальный баланс
8б. Тепловой баланс
- Расчет диаметров паро- и конденсатопроводов
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу по теплотехнике и теплотехническому оборудованию технологии строительных изделий студентки группы ПС-31 Долгов Д.
Выбрать рациональную схему теплоснабжения, рассчитать и спроектировать ямную камеру для тепловлажностной обработки строительных изделий.
Исходные данные:
Производительность камеры, м3/год |
Вид изделия |
Размеры изделия, м |
Вид бетона |
Теплоноситель |
30000 |
Плиты перекрытия |
3,5´0,3´2,98 |
тяжелый |
пар |
ВВЕДЕНИЕ
Сумма мероприятий, обеспечивающих благоприятные условия твердения уплотненной бетонной смеси, а также способы, предохраняющие бетон от повреждения его структуры в раннем возрасте, составляют уход за бетоном. Организация ухода за бетоном должна быть проведена сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси. Прочность бетона нарастает в результате физико-химических процессов взаимодействия цемента с водой, которые нормально проходят в теплых и влажных условиях. Бетон при нормальных условиях постепенно набирает свою прочность и к 28 сут приобретает марочную прочность, причем в первые 3–7 сут прочность бетона растет более интенсивно и на 7-е сутки составляет 60–70 % марочной прочности. Для заводской технологии такие условия твердения бетона не приемлемы, так как они требуют больших площадей и большого количества форм.
В заводской
технологии применяют ускоренные методы
твердения - тепловую обработку изделий
при обязательном сохранении влажности
изделий. Чаще всего применяют прогрев
изделий при атмосферном
На заводах сборного железобетона применяют различные способы тепловой обработки изделий: пропаривание при нормальном давлении, электропрогрев, контактный обогрев, обработку лучистой энергии, обогрев в газовоздушной среде и др.
Процесс тепловой обработки бетона обычно состоит из подъема температуры до максимально установленного уровня, выдерживания при нем и охлаждения изделия до температуры окружающей среды.
Установки для
тепловлажностной обработки предназначены
для ускоренного твердения
По режиму работы – на установки периодического и непрерывного действия. Установки периодического действия в свою очередь подразделяются на две группы: на работающие при атмосферном и избыточном давлении. Установки непрерывного действия могут работать только при атмосферном давлении. В качестве установок периодического действия применяют ямные камеры, кассеты, пакеты, термоформы и автоклавы. Установки непрерывного действия изготовляют в виде горизонтальных и вертикальны камер, в которых происходит непрерывное или импульсное передвижение подвергаемого обработке материала.
По виду используемого
теплоносителя различают
- ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Тепловлажностная обработка бетона, железобетона и силикатных изделий является заключительной стадией технологического процесса, исключая отделку. Это – наиболее длительный и ответственный процесс технологии. Поэтому правильная организация такого процесса и выбор конструкции установок, в которых он протекает. Во многом определяют количество готовой продукции.
Конструкции тепловых установок в зависимости от технологического назначения разнообразны. При изучении конструкций тепловых установок необходимо основное внимание обращать на создаваемые в них условия тепло- и массообмена, сравнивать их достоинства и недостатки.
1.1 Классификация установок для тепловлажностной обработки бетона[2]
Установки для тепловлажностной обработки разделяют по следующим признакам:
- По режиму работы – установки периодического и непрерывного действия. Первые в свою очередь, делятся на установки, работающие при атмосферном давлении, и на установки, работающие при избыточном давлении. Установки непрерывного действия могут работать только при атмосферном давлении. Из установок периодического действия, работающих при атмосферном давлении, применяют камеры ямного типа, кассетные и пакетные установки, термоформы. В качестве установок периодического действия работающих при избыточном давлении используют автоклавы.
Установки непрерывного действия изготовляют в виде горизонтальных и вертикальных камер, в которых происходит непрерывное, а чаще импульсное передвижение изделий, подвергаемых тепловлажностной обработке.
- По виду используемого теплоносителя или применяемых источников теплоты — установки, использующие водяной пар при атмосферном и избыточном давлениях, паровоздушную смесь, горячую воду, продукты горения топлива и электрофизические источники теплоты.
Кроме установок
для тепловлажностной обработки
бетонных изделий в технологии бетона
применяют установки и
1.2 Установки периодического действия
Первыми установками периодического действия, предназначенными для тепловлажностной обработки бетона, были камеры ямного типа и туннельные. С развитием промышленности туннельные камеры периодического действия перестали применять, а ямные, претерпев некоторые изменения, продолжают использоваться в качестве основного типа установок (около 80% всех работающих) тепловлажностной обработки бетона.
Главный конструктивный недостаток ямной камеры заключается в системе загрузки изделий в камеру. Частое снятие крышек нарушает герметичность верхней части камеры, которая приводит к постепенному увеличению выбивания пара через неплотности. Решение поставленных перед строительной отраслью задач потребовало создания установок непрерывного действия. Наряду с ними используются периодически действующие установки: кассетные, пакетные, термоформы и др.
1.3 Установки непрерывного
С развитием
механизации и автоматизации
строительного производства для
термовлажностной обработки бетонных
изделий стали применять
Из пропарочных установок непрерывного действия в промышленности строительных материалов широко применяются горизонтальные щелевые различных типо и вертикальные камеры.
- Обзор основных типов тепловлажностных установок
1.4.1 Кассетные установки (рис. 1.1) [2].
В кассетных
установках изготовляются изделия
для жилищного строительства. В
таких установках формование и тепловая
обработка производятся в вертикальных
сборно-разборных формах. Кассетные
установки применяются для
Изготовление
изделий в кассетных формах обеспечивает
высокую точность сборных деталей
и хорошее качество поверхности.
Отпадает необходимость в
Масса бетона в кассетах находится в замкнутом пространстве; открыто всего 1,5...6 % поверхности. Это дает возможность применять интенсивную тепловую обработку бетона, не опасаясь быстрого испарения из него влаги и образования трещин. Температура бетона в кассетных установках достигает 100 °С.
Рис. 1.1. Схема кассетной установки, [1]:
1 – станина; 2 – отсеки пара; 3 – разделительная стенка, металлическая гибкая или жесткая в виде короба; 4 – отсеки для изделий; 5 – теплоизолированные подвижная и неподвижная стенки; 6 – фиксирующие упоры; 7 – механизм сжатия; 8 – привод; 9 – упорный дожимной винт
Недостаткам являются периодичность работы, необходимость применять пластичные бетонные смеси, требующие значительно большего расхода цемента по сравнению с жесткими смесями; неудобство чистки и смазки кассет; неравномерность прочности и структуры бетона по высоте изделия и значительная металлоемкость кассет (вес до 60 т)
В кассетных установках массообмен между изделием и теплоносителем и между изделием и окружающей средой не происходит, что позволяет нагревать отсеки кассет любым источником тепла (воздух, пар, дымовые газы, электрический нагрев).
При любом обогреве изделия из бетона нагревают до 80...90 °С в течение 1,0..1,5 ч и далее выдерживают при этой температуре 4...6 ч. Расход пара в кассетах (или в пересчете на пар при других видах теплоносителей) составляет 150...250 кг на 1 м3 бетона.
- Автоклавные установки [2]
Автоклавы представляют собой герметически закрывающиеся сосуды, предназначенные для ТВО изделий из теплоизоляционных и силикатных бетонов паром под давлением выше атмосферного (рис. 2.1). Автоклавы могут быть прямоугольные или цилиндрические, тупиковые (с одной крышкой) или проходные (с двумя крышками). Рабочее избыточное давление составляет от 0,8 до 2,5 МПа.
Рис. 2.1. Схема автоклавной установки:
1 — наружная поверхность корпуса; 2 — крышки; 3 — затворы; 4 — перепускной клапан; 5 — предохранительный клапан; 6 — паровпускная труба; 9 — рельсовые пути; 10 — вентиль для спуска конденсата; 11 — неподвижная опора; 12 — вентиль для выпуска воздуха
Автоклав работает следующим образом: сначала путем подачи пара при атмосферном давлении поднимают температуру до 100 °С, потом до максимальной температуры, при которой проводится изотермическая выдержка. При изотермической выдержке пар подается только на компенсацию потерь теплоты. По окончании выдержки начинается двухступенчатое охлаждение.
Выбор типа и размера автоклава зависит от габаритов изделий, технологии их изготовления и производительности предприятий. Чаще всего применяют автоклавы диаметром от 2 до 3,6 м. При большой мощности предприятий наиболее эффективны проходные автоклавы длиной до 40 м, обеспечивающие поточность производства. Длина автоклава должна быть кратна размерам изделий, потому что неиспользуемая длина снижает коэффициент заполнения объема и увеличивает удельный расход пара, который обычно составляет 300...400 кг/м3.
Тип автоклава выбирают, исходя из соображений технологии и по наибольшему коэффициенту заполнения, который должен составлять 0,1...0,35.
Автоклавная
обработка изделий из изоляционных
и силикатных бетонов в автоклаве
дает возможность получать высококачественные
изделия при применении даже низкомарочных
цементов или местных вяжущих. Этому
способствует повышенное давление в
сочетании с высокой
- Термоформы [1,2]
Изготовление и эксплуатация тепловых установок требуют больших капитальных вложений. При низком коэффициенте заполнения расходуется большое количество пара на периодический прогрев ограждений, свободного пространства, прокладок и др. В связи с этим целесообразнее тепловую обработку изделий проводить непосредственно в формах, полые борта и поддон которых выполняют роль тепловых отсеков, Такие формы получили название термоформ.
По условиям работы они бывают стационарными (имеют постоянное место) и передвижными (перемещаются в процессе изготовления изделий).
Материалом для изготовления термоформ служит металл и железобетон. Наиболее распространены металлические термоформы.
По условиям тепловой обработки изделий термоформы подразделяются на открытые, состоящие из поддона и бортоснастки, и герметизированные, имеющие еще и крышку. Последние могут состоять из поддона, к которому крепятся боковые стенки и крышка, или из двух крышек и боковых стенок, представляющих собой самостоятельную конструкцию.
Масса одной термоформы - 4200 кг. Удельный расход пара составляет 200...300 кг/м3. Применяются они на ДСК при производстве стеновых панелей.
Для повышения эффективности тепловой обработки изделий в открытых термоформах надо исключить массообмен с окружающей средой и надежно их тепло- и влагоизолировать и пригрузить (желательно). Для этого используют тяжелую резиновую ленту, пленку или тяжелый щит с пароизоляционной прокладкой.
- Горизонтальные щелевые камеры [2]
Горизонтальные
щелевые камеры (рис. 4.1) бывают одноярусные
и многоярусные (чаще - трехъярусные).
Одноярусная щелевая камера располагается
ниже уровня пола и представляет собой
туннель. Длина составляет 60... 127 м. Ширина
туннеля проектируется в
Рис. 4.1. Схема горизонтальной пропарочной камеры щелевого типа:
- — вагонетка с изделием; 2 — снижатель; 3 — механическая штора; 4 — уровень рельсов; 5 — герметизирующая штора; — подъемник
1.4.5 Вертикальные пропарочные камеры [2]
Вертикальные
пропарочные камеры (рис. 5.1) позволяют
рационально расходовать
Приямок оборудован
механизмами для подъема форм
по вертикали, перемещения по горизонтали
и опускания. Механизмы транспортирования
состоят из гидроподъемника, гидроснижателя
и передаточной тележки. Конструкция
гидроподъемника и
Рис. 5.1. Вертикальная пропарочная камера:
1 — ограждение камеры; 2 — формы с изделиями; 3 — передаточная тележка; 4 — стол-снижатель; 5 — стол-подъемник; 6 — вход в камеру; 7 — трубчатое кольцо; 8 — кольцевой паропрогрев.
В камерах вертикального типа используется естественное расслоение пара и воздуха по высоте. В верхней зоне камеры создается среда чистого насыщенного пара с температурой 100 °С. Ниже камера заполнена паровоздушной смесью, температура которой у пола 20...30 °С и по мере подъема изделий повышается до 100 °С.
Подогреваются и охлаждаются изделия по принципу противотока: нагретые до 100 °С, опускаясь, охлаждаются, встречая холодную среду, а свежеотформованные при подъеме встречают все более горячую и влажную среду. Таким образом, нижняя часть камер для движущихся вверх свежеотформованных изделий служит зоной подогрева, а для изделий опускающихся - зоной охлаждения.
Основное достоинство вертикальных камер - их устойчивый тепловой режим, что упрощает эксплуатацию, позволяет точно планировать сроки тепловой обработки и обеспечивает возможность поточности технологической линии.
Недостатки вертикальных камер - возможность выхода из строя механизмов в среде насыщенного пара и низкий коэффициент использования объема.
Удельный расход пара 100... 150 кг/м3 бетона.
- .6 Камеры ямного типа.
Простой и самой распространенной на предприятиях сборного бетона является пропарочная камера ямного типа. Эти камеры применяют на заводах и полигонах.
Изготовляемая из железобетона пропарочная ямная камера имеет прямоугольную форму (рис. 6.1). Стены камеры 3 для уменьшения тепловых потерь делают комбинированными (конструкции стен, днища и крышки рассматриваются далее). По боковым стенам камеры установлены стойки с кронштейнами 4. В одной из боковых стен делается отверстие для забора воздуха 5 из атмосферы при охлаждении, снабженное водяным затвором. Сопряжение крышки 7 со стенками камер снабжено также водяным затвором 6. Для отбора паровоздушной смеси устроен канал 9, сообщающийся через водяной затвор 8 с системой вентиляции. В днище предусмотрена система отбора конденсата 10, пропускающая его и не пропускающая пар[2].
Для нагрева
изделий через паропровод 2 в камеру
подается пар. Камеры размещаются в
технологических линиях и соединяются
в блоки. Габариты камеры в плане
соответствуют габаритам
Рис. 6.1. Схема пропарочной ямной камеры [2].
Принцип работы камеры заключается в следующем. С камеры 1 снимается крышка. Изделие в форме опускается краном в камеру и устанавливается на нижние кронштейны стоек 4 (см. рис.6.1). Нагруженные кронштейны заставляют раскрыться следующий ряд и так далее. После загрузки камеры закрывается крышка, заполняются водяные затворы и начинают подавать пар. Изделия нагреваются (период прогрева) и выдерживаются (изотермическая выдержка) при достигнутой температуре [2].
В процессе прогрева и изотермической выдержки пар конденсируется, отдает теплоту и в виде конденсата удаляется через систему 10. По окончании выдержки подача пара прекращается, и через канал 9 из камеры удаляется паровоздушная смесь. При этом вода в затворах вскипает и в виде паровоздушной смеси также удаляется. Через освободившийся от воды затвор 5, а также через затвор 6, соединяющий крышку со стенками, в камеру поступает воздух, который охлаждает изделия, сам нагревается и также удаляется в канал 9. После охлаждения изделий камера раскрывается, а изделия, набравшие 70–80 % марочной прочности, выгружаются из камеры краном.
Необходимость экономии топливно-энергетических ресурсов заставила искать возможности снижения расходов пара на тепловлажностную обработку. В связи с этим были приняты усовершенствования стенок, днища и крышек пропарочных камер, а также принципов подачи пара в камеры. Рассмотрим эти усовершенствования [3].
Фактический
коэффициент полезного
Рис. 6.2. Схемы конструкций днищ ямной камеры с воздушными прослойками, [2]:
а — днище с ребристыми плитами; б — днище с плоской плитой; 1 — цементная стяжка; 2 — ребристая (для а), плоская (для б) плита; 3 — воздушная прослойка; 4 — днище из керамзитобетона; 5 — песчаная подготовка.
Рис. 6.3. Схема конструкции днища ямной камеры без воздушных прослоек, [3]:
1 — цементная стяжка; 2 — керамзитобетонные плиты; 3 — песчаная подготовка; 4— керамзитовый гравий; 5 — фундаментная балка; 6 — опорная балка
Основное днище 4 выполняется из керамзитобетона и кладется на песчаную подготовку 5. Над основным днищем, которое выполнено с уклоном к месту отбора конденсата, находится воздушная прослойка 3, перекрытая фальш-днищем. Уклон фальш-днища делается в обратном направлении для создания гидравлической петли из стекаемого конденсата в целях лучшего разделения находящегося в камере пара и удаляемого конденсата. При этом возможность «пролетного» пара в конденсатоотводящую систему резко снижается.
Предлагается и днище без воздушных прослоек (рис. 6.3). В конструкции такого днища роль теплоизолятора отведена керамзитобетонной пустотной плите в совокупности с подсыпкой из керамзитового гравия. Указанная конструкция является меньшим теплоизолятором, так как имеет опорные и фундаментные блоки[2].
Рис. 6.4. Схема наружной стены ямной камеры с водяным затвором [2]
1 — железобетонный каркас;
2 — закладные бруски;
3 — швеллер водяного затвора;
4 — опорное
ребро водяного затвора (
5 — уплотняющее ребро;
6 — крышка камеры;
7 — деревянные прокладки;
8 — асбестоцементный лист;
9 — фольгоизол;
10 — экраны из стеклопластика;
11 — цементная стяжка
Рис. 6.5 Схема конструкции
1 — цементная стяжка;
2 — прокладки;
3 — фольгоизол;
4 — экраны;
5 — металлический каркас
Основным источником потерь теплоты в ямных камерах были массивные стены из тяжелого бетона. Значительное количество теплоты они отдавали в окружающую среду; много теплоты расходовалось на их разогрев; кроме того, теплота терялась при охлаждении и разгрузке камер. Поэтому для стен ямной камеры предложены легкие теплоизолирующие конструкции (рис. 6.4). Наружная стена камеры состоит из железо-бетонного каркаса 1, на котором монтируются экраны 10 с воздушными прослойками. Шаг прослоек регулируется деревянными прокладками. Вся конструкция экранов с обеих сторон гидроизолируется фольгоизолом по которому прокладывается асбестоцементный лист 8. Претерпел изменения и гидрозатвор, для уплотнения которого кроме опорного ребра 4 введено дополнительное уплотняющее ребро 5.[3]
На рис. 6.5
показана схема конструкции
Кроме того,
разработаны разделительные стенки
с бетонным каркасом и экранной изоляцией.
Для внутренних и наружных стен с
экранной изоляцией разработаны
конструкции с металлической
изоляцией. Рассмотренные стеновые
конструкции обладают малой массой,
хорошей теплоизоляционной
Рис. 6.6. Схема конструкции плоской крышки ямной камеры, [3]:
1 — металлический каркас; 2 — минераловатиая плита; 3 — нижняя и верхняя стальные обшивки; 4 — стальные экраны; 5 -г- опорное ребро; 6 — швеллер гидравлического затвора.
Претерпели
изменение и конструкции крышек
ямных камер. Значительно увеличилась
толщина теплоизоляционного слоя. Плоские
крышки (рис. 6.6) снабжаются стальным экраном
для стока конденсата в гидравлический
затвор и для предохранения
Все рассмотренные конструктивные изменения в значительной мере увеличивают количество полезно используемой теплоты на тепловлажностную обработку изделий. Однако основной недостаток, заложенный в конструкции ямной камеры, продолжает оставаться. При загрузке изделий в камеры краном они ударяются о борта камеры, о гидравлический затвор, постепенно нарушая герметизацию. Пар начинает выбивать через неплотности, и его расход через определенное время начинает возрастать.