Камеры прогрева ЖБИ и СБИ инфракрасным излучением.

МДК0201 Теплотехническое оборудование. Занятие №31.

Сущность инфракрасного способа термообработки бетона заключается в использовании энергии инфракрасного излучения, подаваемого на открытые или опалубленные поверхности обо­греваемых конструкций, и превращении его в тепловую энергию, аккумулирующуюся на этих поверхностях. Поскольку глубина проникновения инфракрасных лучей в бе­тон не превышает 2 мм, то лучистая энергия превращается в тепловую в тонких поверхностных слоях бетона, остальная же масса конструкции нагревается за счет теплопередачи от этих слоев и экзотермии цемента.

При обогреве бетона с использованием непосредственного инфракрасного излучения облучаемую поверхность бетона по­крывают полиэтиленовой пленкой, которая легко пропускает это излучение. Пленка предотвращает быстрое испарение с поверх­ности бетона. В случае использования деревянных опалубочных форм единственной возможностью ускорить твердение бетона является направление инфракрасного излучения непосредствен­но в бетон, без какой-либо промежуточной среды.

Способ обогрева бетона при помощи инфракрасного излуче­ния весьма чувствителен к влиянию ветра и дождя, поэтому влияние этих факторов следует устранить путем возведения за­щитных устройств.

В производстве бетонных работ при отрицательных темпера­турах инфракрасный обогрев целесообразно применять:

§ для отогрева промороженных бетонных оснований, арма­туры, закладных металлических деталей и опалубки;

§ для интенсификации твердения бетона конструкций и со­оружений, возводимых в скользящей и объемно-переставной опалубках, плит перекрытий, отдельных вертикальных и наклон­ных конструкций, бетонируемых в металлической опалубке;

§ для предварительного отогрева зоны стыков сборно-монолитных конструкций.

В качестве источников инфракрасного излучения применяют:

§ металлические трубчатые электрические нагреватели ТЭНы мощностью от 0,6 до 1,2 кВт/м с рабочим напряжением 127, 220 и 380В с температурой излучающей поверхности от 300 до 600°С;

§ керамические стержневые излучатели мощностью от 1 до 10 кВт/м с рабочим напряжением 127, 220 и 380В, с температурой излучающей поверхности от 1300 до 1500'С;

§ кварцевые трубчатые излучатели мощностью 1 кВт напря­жением 220В и температурой спирали 2300°С.

 

Рис.1. Схемы тепловой обработки конструкций инфракрасными установками.

Для создания направленного лучистого потока излучатели помещают в параболические, сферические или трапециедальные отражатели. Инфракрасные излучатели в комплекте с отражате­лями и поддерживающими устройствами составляют инфракрас­ную установку (Рис.1).

При обогреве плитных конструкций используют излучатели с от­ражателями коробчатого типа, которые устанавливают на бетонную поверхность или подвешивают на некотором расстоянии от нее.

При возведении стен в щитовой и объемно-переставной опа­лубке применяют односторонний обогрев излучателями сфериче­ского типа. Для обеспечения равномерности прогрева отражате­ли располагают на разновысоких телескопических стойках и на расчетном расстоянии от стены.

При применении инфракрасного обогрева конструкций, воз­водимых в скользящей опалубке, процесс термообработки бето­на разделяют на четыре этапа (Рис.2):

а) инфракрасные установки, смонтированные по периметру подвижных форм, нагревают элементы скользящей опалубки перед укладкой бетона в формы и первые спои уложенного бетона (Рис.2,а). При этом опалубка и инфракрасные установки находятся в состоянии покоя (V_оп = V_y = 0, где V_у - скорость подъема инфрак­расной установки, м/ч; V_оп - скорость подъема опалубки, м/ч);

Рис.2. Схемы инфракрасного обогрева бетона в конструкции.

б) скользящая опалубка поднимается па высоту, равную высоте подвесных лесов, а инфракрасные установки остаются в первоначальном положении и прогревают слой бето­на, равный высоте установок (V_у = 0, V_оп > 0);

в) инфракрасные установки, смонтированные на подвесных лесах, движутся относительно конструкции синхронно со скользящей опалубкой (V_у = V_оп > 0):

г) по окончании бетонирования захватки сооружения сколь­зящая опалубка останавливается, а инфракрасные установки поднимаются вверх (V_оп =0, V_у > 0). На этом этапе не­обходимо, чтобы скорость подъема установок не превышала средней скорости подъема опалубки.

В соответствии с этим каждый слой бетона будет проходить четыре этапа выдерживания:

а) предварительное выдерживание в течение времени

где h_л и h_у – соответственно высота подвижных лесов и инфрак­расной установки, м;

б) разогрев в течение времени

где h_п – высота зоны разогрева, м;

в) изотермический прогрев в течение времени

h_и – высота зоны изотермического прогрева, м;

г) остывание, продолжительность которого зависит от кон­струкции тепляка, месторасположения прогреваемого участка, скорости подъема опалубки, массивности конструкции и темпера­туры наружного воздуха.

В зоне термообработки бетон проходит две стадии - разогрев и изотермический прогрев. Для удобства расчетов инфракрасную установку условно делят по высоте на две зоны: зону нагрева (разогрева) и зону изотермического прогрева; энергетические расче­ты ведут отдельно для двух зон, а общую мощность инфракрасной установки определяют как сумму мощностей обеих зон.

При применении инфракрасного обогрева бетона конструкций и сооружений, возводимых в скользящей опалубке, скорость ра­зогрева должна соответствовать скорости подъема опалубки, но не превышать значений скорости подъема температуры облу­чаемых поверхностей бетонных конструкций.

При камерной термообработке (в объемно-переставных опа­лубках) в отечественной и зарубежной практике применяется обогрев с использованием газовых инфракрасных горелок. Основными элементами инжекционных беспламенных горелок являются, инжектор-смеситель, перфорированная керамическая насадка и рефлектор. Горелки устанавливаются внутри замкнуто­го пространства опалубленных ячеек (туннелей).

Выбор типа, количества и мест расположения горелок произ­водится на основе расчета баланса тепла, выделяемого горел­ками, поглощаемого внутренними поверхностями туннеля (бето­ном) и теряемого через брезентовую штору и перекрытие. Ориентировочно потребную мощность горелок рекомендуется принимать из расчета: при двустороннем обогреве - 250 Вт/м обо­греваемой поверхности опалубки, при одностороннем - 500 Вт/м2.

При инфракрасном обогреве могут применяться инжекцион­ные беспламенные горелки различных конструкций. Горелки могут работать на природном и сжиженном газе. Сжиженный газ из баллонов поступает через трубопроводы, вентиль, испаритель газа, коллектор в редуктор. Из редуктора газ че­рез коллектор и пробковые краны по шлангам поступает в горел­ки. Все оборудование располагается вне туннеля.

Инфракрасные излучатели, как правило, должны быть на­правлены на те части опалубки, в которые укладывается бетон. В случае применения объемно-переставной опалубки и обогрева при помощи инфракрасного излучения коэффициент использова­ния опалубки может быть равен одним суткам.

Расчетные величины мощности, идущей на обогрев бетона, следует определять в каждом конкретном случае, при этом осо­бое внимание необходимо уделять условиям исправности обогревающего оборудования и теплозащите. Путем улучшения теп­лозащиты обеспечивается возможность значительного снижения потребностей мощности на обогрев.

Если при возведении конструкций для обогрева бетона ис­пользуются инфракрасные излучатели, работающие на сжи­женном газе, то обязательно выполнение действующих правил безопасной работы.

В зависимости от назначения, конфигурации и модуля поверхности обогреваемых конструкций рекомендуется применять инфракрасные установки, приведенные на рис. 3:

а) короб для обогрева плитных конструкций, дорожных оснований, стен, отогрева промороженного бетона, грунта и т.п.;

б) прожектор для отогрева полости опалубки, арматуры, закладных деталей и тепловой защиты поверхностей, недоступных для утепления;

в) сферические и плоские нащельники для предварительного отогрева зоны стыка сборных железобетонных конструкций и термообработки бетона заделки;

г) двухстенную плоскую опалубку для термообработки плоских вертикальных и линейных конструкций и элементов;

д) одиночные излучатели, вводимые в каналы-пустоты, для термообработки многопустотных плит и настилов.

Рис. 3. Инфракрасные установки

а - короб; б - прожектор; в - нащельники; г - двухстенчатая опалубка; д - одиночные излучатели; 1 - гидроизоляция; 2 - облучаемая поверхность; 3 - отражатели; 4 - излучатели; 5 - обогреваемая конструкция

Задачей расчета и конструирования инфракрасных установок является выбор типа генераторов инфракрасного излучения, их мощности, количества и расположения относительно облучаемых и рефлектирующих устройств. Энергетические и геометрические параметры инфракрасных установок должны обеспечивать энергетическую освещенность облучаемой поверхности конструкции, требуемую для выделения на ней мощности, рассчитанной по формуле (1).

Требуемая энергетическая освещенность E определяется по формуле

(1)

где P - требуемая мощность, кВт;

F _о - площадь облучаемой поверхности, м²;

ε - степень черноты материала облучаемой поверхности.

Мощность, которую необходимо подать на облучаемую поверхность конструкции на стадии подъема температуры P _п бетона и изотермического прогрева P _и, определяется соответственно по формулам (2) и (3):

(2)

(3)

где C _б, C _а и C_{i оп} - удельная теплоемкость соответственно бетона, арматуры, материала i -го слоя опалубки, Дж/(кг · °С);

γ_б, γ_а, γ _i - объемная масса соответственно бетона, арматуры, материала i -го слоя опалубки, кг/м³;

V _б, V _а - объем соответственно бетона и арматуры, м³;

δ _{i оп} - толщина i -го слоя опалубки, м;

F _о, F _оп - площадь соответственно облучаемой и необлучаемой поверхности конструкции, м²;

τ_п - продолжительность подъема температуры, ч;

K - коэффициент теплопередачи через опалубку, кВт/(м² · °С);

Ц - расход цемента в бетоне, кг/м³;

Э _п, Э _и - удельное тепловыделение цемента в период соответственно подъема температуры и изотермического прогрева, Дж/кг;

t _н, t _н.в - соответственно начальная температура бетона и наружного воздуха, °С;

t _и, t ′_и - температура изотермического прогрева, соответственно на облучаемой и не облучаемой поверхности конструкции, °С;

α_о - коэффициент теплоотдачи облучаемой поверхности, определяемой по формуле

(4)

где дополнительно:

h - расстояние между облучаемой и отражающей поверхностями, м;

t _ср - средняя температура бетона, определяется по формулам:

для стадии разогрева

(5)

для стадии изотермического прогрева

(6)

t _y - температура стенок инфракрасной установки, ориентировочно определяется по формулам:

для стадии разогрева

t _y - температура стенок инфракрасной установки, ориентировочно определяется по формулам:

для стадии разогрева

(7)

для стадии изотермического прогрева

(8)

Мощность, требуемая для тепловой защиты открытой поверхности конструкции, определяется по формуле

P _з = α_о F (t _и - t _н.в) кВт. (9)

Мощность инфракрасной установки, необходимая для создания требуемой освещенности на облучаемой поверхности конструкции, определяется по формуле

(10)

где φ - коэффициент облученности, показывающий, какая доля лучистого потока, создаваемого излучателями, воспринимается облучаемой поверхностью; определяется по формуле

φ = φ_и-п + [(1 - ε_о)φ_и-оφ_о-п - φ_о-и], (11)

где φ_и-п и φ_и-о - доля лучистого потока, передаваемая от излучателей соответственно на облучаемую и отражающую поверхности; φ_о-п и φ_о-и - доля лучистого потока, передаваемая от отражателя соответственно на облучаемую поверхность и излучатели.

Значения коэффициентов лучистого потока φ_и-п, φ_и-о и φ_о-и берутся в зависимости от геометрических параметров S и d элементов инфракрасной установки, указанных на рис. 4, а коэффициента φ_о-п в зависимости от геометрических параметров a ₁, a ₂ и h.

Рис. 4. Схема к расчету параметров инфракрасной установки

и - излучатели; о - отражатель; п - облучаемая поверхность

Зная требуемую энергетическую освещенность E и площадь облучаемой поверхности F _о, задаются геометрическими параметрами элементов установки, определяют коэффициент облученности φ и рассчитывают необходимую мощность инфракрасной установки P _уст.

При конструировании инфракрасных установок необходимо:

- в поддерживающих инфракрасные излучатели конструкциях и приспособлениях применять легкие металлы;

- в качестве рефлекторов применять алюминий, обладающий наибольшей отражательной способностью. При отсутствии листового алюминия можно применять листовое железо с покраской отражающей поверхности жаростойкой алюминиевой краской;

- опалубленные поверхности, воспринимающие инфракрасное излучение, покрывать черным матовым лаком для повышения поглощательной способности поверхности;

- в целях повышения равномерности обогрева конструкции в инфракрасных установках электрические мощности распределять следующим образом:

1. на нижнюю треть высоты конструкции - 50 % общей мощности;

2. на среднюю треть - 30 % общей мощности;

3. на верхнюю треть - 20 % общей мощности;

4. на крайние ¹/₆ ширины конструкции - 50 % подводимой на данной высоте мощности;

5. на средние ¹/₆ ширины - 30 % подводимой на данной высоте мощности;

При отогреве промороженного бетона скорость разогрева поверхности облучения должна быть в пределах 10 - 15 °С/ч. Учитывая повышенное испарение с облучаемых поверхностей при инфракрасном обогреве, последние должны быть тщательно укрыты гидроизоляционными материалами, пропускающими инфракрасные лучи: полиэтиленовой, полиамидной и другими прозрачными пленками. По той же причине рекомендуется предварительное выдерживание бетона при низких положительных температурах.

Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.

2. Предоставитьсхемы камер прогрева ЖБИ и СБИ инфракрасным излучением.

Срок выполнения 22.10.2020.