Разработка тепловой установки для тепловлажностной обработки бетона (стр. 2 из 4)
Рис 2.Схема распределения темпартур,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 массо-обмен. 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,т о 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 qmp1 и qmp2 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 100оС.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 100оС 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 тепло- и массо-обмен,а также возникающие напряженные состояния при обработке паром в автоклаве,близки по физической сущности к процессам проходящим в пропарочной камере при ТВО.
3 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 oC, t2=180 oC ,Vп=25 оС\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 оС , Vo=30 oC\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=2 м ; Lкорп=19,245 м ;Раб.давление= 0,9 МПа ;Ширина колеи вагонетки= 0,75 м ;Масса= 20,57 т ;Габаритные размеры: L= 20,825 м, 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
4 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 епловой 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 *оС).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;