МДК0201 Теплотехническое оборудование. Занятие №30.
Исследования показали, что избыточное давление в период твердения бетона оказывает большое влияние на его строение и прочность. Прочность бетона, прогреваемого в формах под давлением 0,25 МПа, выше, чем в закрытых формах в 1,5 раза.
Механическое обжатие бетона 0,005-0,01 МПа позволяет сократить цикл ТВО и увеличить прочность, даже жесткие металлические формы способны противостоять температурные и влажностные расширения бетона, улучшая его механические показатели, поэтому наблюдается тенденция использования избыточного давления в период ТВО, не только для получения силикатных и легких бетонов, но и для ТВО тяжелого бетона.
Если любой бетон поместить в герметичную установку, и провести ТВО паром, то в нем, как и при ТВО в установках с атмосферным давлением, будет идти процессы тепло- и массообмена.
Возьмем полностью герметичную установку 1,поместим в нее изделие 2 в стальной форме.
Рис 1.Система герметичной установки автоклава
Установим оборудование подачи пара 3,систему отвода конденсата 4,систему вакуумирования 5, вентиль на системе 6,и предохранительный клапан 7,защищающий 2 установку от развития в ней сверхдопустимого давления.
В такую установку можно, закрывая вентиль на системе отбора воздуха, подать пар по системе 3 необходимое избыточное давление 1-1,2 МПа, тогда пар будет поступать в установку в которой уже находится воздух,общее давление Ру начнет возрастать. В любой момент она будет складываться из парциального давления пара Р’ п и парциального давления воздуха Рв, в соответствии с ростом давления в установке будет увеличиваться и температура,т.к. температура пара внутри установки для данного случая представляет собой функцию его парциального давления tп =f(Р’ п).Пар конденсируется на материале, отдает теплоту материалу,нагревая открытую поверхность и создает пленку конденсата,одновременно нагревается и форма.
Рассмотрим этот процесс на неограниченной пластине с координатами Х и Y.
Поверхность материала будет нагреваться несколько больше чем днище формы и температурное поле в пластине распространится по неравнобочной гиперболе, если его отложить на оси У в выбранном масштабе. Из-за неравномерности температурного поля ∆Т1 и ∆Т2 вызывающие частные потоки массы qmt 1 и qmt 2 в следствии термообработки.
Материал увлажняется под действием частного потока массы qmt 1 от пленки конденсата,толщиной δ,а у днища формы влага передвигается к центру изделия за счет частного потока массы qmt 2 , в результате поле влагосодержания U принимает характер восходящей параболы из-за образовавшегося градиента влагосодержания ∆U возникает частный поток массы qmv.
Если рассмотреть поле температур и влагосодержания по сечению пластины и сравнить с процессом нагрева в открытой форме, помещенной в установку с атмосферным давлением, то можно заметить их идентичность.Однако,в силу увеличения разности температур в установке, с давлением 1-1,2 МПа, свежезагруженной материалов и паро-воздушкой смесью, перепады температур и влагосодержания значительно выше. Следовательно в изделии, вследствие увеличения периодов температур и влагосодержания при температурном расширении слоев и при набухании слоев из-за увеличения перепада влагосодержания возникает идентичное по форме, но значительно большее напряженное состояние. Однако, в рассмотренной установке на открытую поверхность бетона действует избыточное давление, которое вместе со стенками и днищем формы,обжимает бетон в процессе нагрева и позволяет получить лучшую структуру и повысить качество изделий.
Рис 2.Схема распределения температур, влагосодержания и давления для периода нагрева в установке с избыточным давлением по сравнению с атмосферным
1-материал,2-днище формы,3-пленка конденсата толщиной δ
U,T,P-кривые распределения влагосодержания,температур и давления соответственно
∆U,∆T,∆P-направление векторов градиентов
qmt,qmv,qmp -частные потоки массы
Рассмотрим воздействие избыточного давления, образующегося внутри материала, на внутренний тепло- и массообмен. По указанной ранее причине в материале возникает избыточное давление,пропорциональное температуре материала в каждой точке поперечного сечения. Если при атмосферном давлении в установке, это давление на поверхности релаксировалось, то в данном случае с поверхности на материал и через неплотности в днище будет действовать значительно большее избыточное давление чем внутри материала, поэтому релаксации не будет, а скорее наоборот, давление в материале будет несколько выше чем в процессе нагрева,поэтому считается что кривая Р будет аналогом кривой Т, соответственно ∆Р1 и ∆Р2 обуславливают возникновение частных потоков массы qmp 1 и qmp 2 направленных к центру изделий.
Сравнивая сумму частных потоков массы можно отметить, что в установке работающей с избыточным давлением у днища формы бетон должен характеризоваться меньшим влагосодержанием, чем в установке работающей при атмосферном давлении.
Обработанный бетон при избыточном давлении имеет лучшую структуру и более высокие прочностные показатели.
Избыточное давление компенсирует нарушения структуры, возникающие из-за большой неравномерности влагосодержания.
Для повышения температуры и коэффициента теплоотдачи к материалу в установке, работающей на избыточном давлении, применяют вакуумирование или продувку. и тот и другой методы рассчитаны на удаление воздуха и получения среды чистого пара. В этом случае достигается более высокая температура и больший коэффициент теплоотдачи к материалу при одном и том же давлении.
Процесс вакуумирования выглядит так: после загрузки, установку герметизируют и включают вакуум-насос, вакуумирует воздух до достижения 70-75% полного вакуума в течении 10-15 мин. При этом кроме воздуха из установки, удаляется и часть воздуха из бетона, что позволяет получать изделия с более плотной структурой, подача пара с парциальным давлением, позволяет обжать бетон, и также улучшить его прочностные показатели.
Продувка установки выглядит так: после загрузки установку не герметизируют, оставляют открытой дверь или гидравлический затвор,
Начинают подавать пар, который смешивается с воздухом, образуя паро-воздушную смесь. Свежие порции пара постепенно вытесняют ее и температура в определенный момент при атмосферном давлении достигает 100о С. После этого установку полностью герметизируют, подача пара продолжается и достигает заданного значения.
Продувка позволяет увеличить температуру больше чем вакуумирование, т.к. из установки удаляется весь воздух, однако, длится она 1-2 ч при нагреве до 100о С именно тогда когда бетон нуждается в обжатии.
Во время изотермической выдержки, вследствие уравнивания температурного поля и поля влагосодержания, происходит ослабление напряженного состояния при охлаждении из автоклава сбрасывается пар, давление падает температура снижается. Понижение температуры приводит к охлаждению материала, сопровождающегося испарением влаги.
В материале возникают перепады ∆Т и ∆U, а по мере приближения давления к атмосферном возникает ∆Р. Эти градиенты вызывают частные потоки массы, направленные к поверхности аналогичны процессу в камере, где ТВО ведется насыщенным паром.
Таким образом возникающие напряженные состояния при обработке паром в автоклаве, близки по физической сущности к процессам проходящим в пропарочной камере при ТВО.
1.Технологический расчет
Продолжительность теплового цикла работы камеры:
τ=τз+ τн+ τи+ τо +τв,ч
Где:
τз, τн, τи, τо,τв-соответственно время загрузки, нагрева, изотермической выдержки, охлаждения и выгрузки,ч
τн= (t2-t1)\Vп,ч
где:
t1- температура цеха;
t2- начальная температура;
Vп—скорость подъема температуры.
t1 =16 o C, t2 =180 o C,Vп =25 о С\ч
τн=(180-16)\25=6,56 ч
τо=(t2-t’1)\Vо,ч
где:
t’1-температура,при которой изделия извлекаются из камеры после ТВО, С
Vо-скорость понижения температуры в камере,
t’1 =40 о С, Vo =30 o C\ч
τо=(180-40)\30=4,67 ч
τ=1+6,56+5+4,67+1=18,23 ч
Суточная производительность тепловых установок:
Vc=Vг\(τг+kρ),м3\сут,
Где:
Vг-годовая производительность завода(цеха),м3\год;
τг—нормированное количество рабочих дней в году;
kρ-коэффициент использования оборудования.
Vг =13560 м3 \год, τг=245, кр =0,91
Vc=13560\(245*0,91)=60,82 м3 \сут
Оборачиваемость камер:
m=24\τ
m= 1,37
Количество изделий, изготовленных в сутки:
mиз= Vc\Vи,
Vи-объем одного изделия,м3
Vи-=2,669 м3
mиз =23
Количество изделий, загружаемых в камеру:
nи=H\h
nиз =12 шт
где:
H-ориентировочная высота рабочего пространства пропарочной камеры,м
h-шаг изделия по высоте(сумма высоты формы и расстояния между ними),м
Основные размеры рабочей камеры тепловой установки:
Ширина B=в+2в”+2в’,м В=1,906 м
Длина L=l+2в”+2в’,м L=19,158 м
Высота H=(a+a’) nи +c’(nи -1)+c+d,м Н=3,5 м
Где:
в-ширина изделия, м
в’-расстояние от внутренней стенки камеры до формы,м
в”-ширина полки формы, м
l-длина изделия, м
а-толщина изделия, м
а’-толщина дна формы, м
с-расстояние от дна камеры до низа формы, м
с’-расстояние между формами, м
d-расстояние от крышки камеры до верхней формы, м
Исходя из полученных расчетных данных выбираем автоклав тупикового типа с параметрами:
D=2м; Lкорп =19,245 м; РРаб.давление=0,9 МПа; Ширина колеи вагонетки а=0,75 м; Масса= 20,57 т; Габаритные размеры: L= 20,825м, В=2 м, Н=4 м.
Объем рабочей камеры установки:
Vк=L*B*H,м3 Vk =127,803 м3
Коэффициент загрузки камеры:
kз=(Vи *nи)\ Vк к=(2,669*12)\127,803=0,25
количество пропарочных камер с учетом резерва:
nk=nиз\(nи*m)+(1…2),шт nk =2
2.Теплотехнический расчет
Уравнение теплового баланса установки имеет вид:
Qист=Qб+Qв+Qф+Qо+Q5+Qп-Qэкз, кДж,
Где:
Qист- количество теплоты, кДж, которое должно быть подведено источником(теплоносителем) к тепловой установке,
Qб-теплота на нагрев бетонных и железобетонных изделий в камере, кДж;
Qв-теплота на нагрев воды в бетонной смеси изделий камеры, кДж;
Qф-теплота на нагрев форм, арматуры и других закладных частей из металла, кДж;
Qо-теплота,затрачиваемая на нагрев ограждающих конструкций(стен,крышки,пола), кДж;
Q5-потери теплоты конструкцией тепловой установки в окружающую среду, кДж;
Qп--неучтенные потери теплоты, кДж;
Qэкз-количество теплоты,выделяющейся в процессе экзотермических реакций цемента с водой затворения, кДж.
Qб=Gб*сб (t2-t1), кДж
Qв=Gв*св (t2-t1), кДж
Qф=Gф*сф (t2-t1), кДж
Где:
Gб,Gв,Gф- соответственно полная масса бетонных изделий, воды в бетонной смеси изделий и металла(форма, арматура, закладные детали) в камере, кг;
сб, св, сф- соответственно удельные теплоемкости сухой массы бетона, воды и металла, кДж \(кг К);
t2-максимальная температура в конце стадии нагрева, С
t1-начальная температура С, как правило, принимается равной температуре цеха.
Gб =16727 кг
Gв =4270,4 кг
Gм = 26250,672 кг
Сб =0,837 Св =4,187 См =0,481
Qб =16727*0,837(180-16)=2016071,8 кДж
Qв =4270,4*4,187(180-16)=2574743,73 кДж
Qм =26250,672*0,481(180-16)=1818226,545 кДж
Qо=0,85(t2-tв-35)√с*λ*ρ*τт *F,кДж
Где:
tв-температура окружающей среды(цеха),С
с, λ, ρ-удельная теплоемкость и плотность материала,из которого выполнено ограждение;
F-площадь ограждения, аккумулирующая теплоту,м2;
τт-продолжительность цикла тепловой обработки,
τт= τн+ τз+ τв,
τт =8,56 ч
F=173,305 м2
Qо =0,85(180-16-35)√0,46*56*7800*8,56 *173,305=24921652,8245 кДж
Q5= Q5’+ Q5”+ Q5’”
Где:
Q5’-потери теплоты в окружающую среду через стены установки, соприкасающейся с воздушной средой цеха, т.е. выступающего над землей, кДж;
Q5”-потери теплоты в окружающую среду через крышку, кДж;
Q5’”-потери теплоты через пол и стены, соприкасающиеся с землей, кДж
Q5’= F*q*τ
Для определения величины теплового потока от стены к воздушной среде цеха q(кДж\ч) необходимо принять в соответствующими с действующими требованиями температуру наружной поверхности вертикальной стенки tнар и подсчитать значение коэффициента теплоотдачиот стенки в окружающую среду α2:
α2=2,64 √ tнар-tв +(си\(tнар-tв)) [((273+ tнар)\100)4 –((273+tв)\1004 ]=
=2,6 4 √20-16 +(4,6\(20-16)) [ ((273+20)\100)4 -((273+16)\100)4 ]=8,21
где:
си -величина, характеризующая излучательную способность стенки; принимается равной 4,6.
В качестве теплоизоляции установки выберем плиты минераловатные с теплопроводностью λиз =0,059 ВТ\(м2 *о С).Зададим толщину теплоизоляции δ=0,22м и найдем величину теплового потока от стены к воздушной среде цеха:
q=[(tср -tв)*3,6]\(δi \λi +1\α2),кДж;
где:
tср - средняя температура внутренней поверхности стенки(ограждения), о С; принимается равной 150 о С
α1 -коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности стенок(ограждений) камеры, Вт\м2 К;
q=((150-16)\3,6)\(0,024\56+0,22\0,059+0,003\56+1/8,21)=125,263 кДж\ч
Проверяем значение температуры наружной стенки формулой:
tнар = tср - q\ 3,6*(δиз \λиз + δст \λст + δс \λс)=150- 125,263\3,6*(0,024\56+0,22\0,059+0,003\56)=20,238 о С
Q5 =173,305*125,263*8,56=185826,508 кДж
Неучтенные потери:
Qп =(0,1…0,2)(Qб +Qв +Qф +Qо +Q5),кДж
Qп =0,15*(2016071,8+2574743,73+1818226,545+185826,508)=5402478,211 кДж
Qэкз =qэкз *Gц,кДж
Где:
Gц –масса цемента во всех изделиях, загружаемых в камеру, кг
qэкз -теплота выделяемая при гидратации 1 кг цемента, кДж\кг
tср.б =[0,5(t1 +t2)+t2 +(t2 +t1 ’)0,5]\3=(0,5(180+16)+180+(180+16)*0,5)\3=
=125 о С
qэкз =0,0023 q28 *tср.б (В\Ц)0,44 τ=0,0023*335*125*(0,4)0,44 *6,56=464,385 кДЖ\кг
Gц =Ц*Vи *nиз =450*12*2,669=14412,6 кг
Qэкз =14412,6*464,385=6692005,251 кД
q28 -количество теплоты экзотермии при твердении бетона в естественных условиях, кДж\кг(принимается по справочным данным);
τ-продолжительность рассматриваемого периода ТВО для которого определяется Qэкз ,ч
Общий расход теплоты за период нагрева:
Qн ист =2016071,8+2574743,73+1818226,545+185826,508+5402478,211-6692005,251=34726994,3667 кДж
Расход пара(теплоносителя)в период подъема температуры:
Dн =Qист \[(i” -ik)τн ],кг\ч
Где:
i” и ik –соответственно энтальпии пара подаваемого в камеру,и конденсата, отводимого из камеры, кДж\кг i” =2758 и ik =675,5
Dн =34726994,3667\((2758-675,5)*6,56))=2542,01 кг\ч
В период изотермической выдержки уравнение теплового баланса имеет вид:
Qи ист =Q5 +Qп +Qвл -Qэкз, кДж,
Где:
Qвл - расход теплоты на испарение влаги из бетона в период изотермической выдержки, кДж.
Для тяжелого бетона
Qвл =0,015*Gвл *r,кДж;
r-теплота парообразователя, кДж\кг;
Qвл =0,015*4270,4*2082=133364,592 кДж
qэкз =0,0023 q28 *tср.б (В\Ц)0,44 τ=0,0023*335*125*(0,4)0,44 *5=357,2 кДж\кг
Qэкз =5148457,88
Qи ист =185826,508+5402478,211+133364,592-5148457,88= 573211,431 кДж
Расход пара в период изотермической выдержки:
Dи =Qи ист \[(i” -ik)τи ],кг\ч.
Dи =573211,431 \((2758-675,5)*5)=55,05 кг\ч
Удельный расход теплоты и пара(теплоносителя):
qу =(Qист +Qи ист)\(Vи *nи) кДж,м3 бетона;
qу =(573211,431+34726994,3667)\(2,669*12)=1102167,0350 кДж\м3 бетона
d= qу \(i” -ik),кг пара\м3
d=1102167,0350 \(2758-675,5)=296,4 кг пара\м3
3. Расчет подачи пара (теплоносителя)
Fтр =Dн(и) \(ρ*ω*3600),
Где:
Fтр -площадь поперечного сечения паропроводов,м2
ρ-плотность пара, кг\м3
ω-скорость пара, м\с.
Fтр =2542,01\(3600*25*5,51)=0,00512 м2 или 5,12 см2
D=√(5,12*4)\3,14=2,5 диаметр трубопровода принимает равным 3 см.
Количество отверстий в перфорированных трубах для подачи в камеру необходимого расхода пара:
n=Dн(и) \[0,67d2 0 √(0,02+0,48p1)(p1 -p2)*100], шт
где:
p1 и p2 –абсолютное давление пара в перфорированной трубе и камере.
n=2542,01\(0,67*32 √(0,02+0,48*0,15)(0,15-0,1)*100) =196,5=197 шт.
4.Технико-экономические показатели
1.Назначение и тип установки: Автоклав
2.Вид материала: Плиты перекрытия ребристые
3.Производительность установки: 13560 м3 \год
4.Суточная производительность установки: 60,82 м3 \сут
5.Количество изделий,размещаемых в установке: 12
6.Класс прочности бетона: В 15
7.Время нагрева: 6,56 ч
8.Время охлаждения: 4,67 ч
9.Продолжительность полного цикла работы камеры: 18,23 ч
10.Теплота на нагрев бетонных и железобетонных изделий в камере: 2016071,8 кДж
11.Теплота на нагрев воды в бетонной смеси камеры: 2574743,73 кДж
12.Теплота на нагрев металла в камере: 1818226,545 кДж
13.Потери теплоты через стены установки: 185826,508 кДж
14.Неучтенные потери теплоты: 5402478,211 кДж
15.Расход пара в период подъема температуры: 2542,01 кг\ч
16.Расход пара в период изотермической выдержки: 93,18 кг\ч
17.Удельный расход теплоты и пара за весь цикл тепловой обработки: 369643,75 кДж\м3 бетона
18.Площадь поперечного сечения паропроводов: 5,12 см2
19.Диаметр паропровода: 2,5 см
20.Количество отверстий в перфорированных паропроводах,для подачи необходимого количества пара в установку: 197 шт.
Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.
2. Предоставитьсхемы оборудования тепловлажностной обработки.
Срок выполнения 23.10.2020.