Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ организационных, технологических и технических решений применения солнечной энергии для производства железобетонных изделий 9
1.1. Физико-технические процессы, протекающие в бетоне при твердении его в высокотемпературной сухой среде 9
1.2. Технические решения гелиотехнических устройств и установок для термообработки железобетонных изделий 13
1.3. Организационные и технологические решения применения солнечной энергии при изготовлении железобетонных конструкций на полигонах 36
Глава 2. Разработка методологии энергетического расчета досточности солнечной энергии для термообработки железобетонных изделий 41
2.1. Критерии достаточности солнечной энергии для термообработки бетона 41
2.2. Математическая модель тепло- и массообменных процессов при термообработке бетона в гелиотехнических устройствах 46
2.3. Солнечная энергия как теплоноситель для термообработки бетона 51
2.4. Тепловые потери из гелиотехнических устройств в окружающую среду 59
2.5. Тепловыделение при твердении бетона в результате экзотермической реакции гидратации цемента 68
Глава 3. Исследование влияния нестационарных температурно-влажностных условий на формирование структуры бетона 76
3.1. Методика и материалы для проведения экспериментальных исследований 76
3.2. Формирование структуры бетона при термообработке его с использованием солнечной энергии 83
Выводы 106
Глава 4. Организационно-технологические решения обеспечения полигонного производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии 107
4.1. Номенклатура изготавливаемых железобетонных изделий в полигонных условиях 107
4.2. Состояние современных нормативных документов по организации производства железобетонных изделий 111
4.3. Надежность и стабильность производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии 116
4.4. Организационно-технологическое обеспечение мобильных полигонов, разворачиваемых для ликвидации последствий техногенных и природных катаклизмов 125
Выводы 127
Глава 5. Технико-экономическое обоснование эффективности применения солнечной энергии для производства железобетонных изделий 129
5.1. Затраты энергоресурсов на тепловую обработку бетона 129
5.2. Полимерные материалы прозрачных ограждений гелиотехнических устройств и исследование их оптических свойств 136
5.3. Оценка экономического эффекта от замещения органического топлива солнечной энергией при полигонном изготовлении железобетонных изделий 151
Выводы 160
Общие выводы 162
Список литературы 165
- Технические решения гелиотехнических устройств и установок для термообработки железобетонных изделий
- Формирование структуры бетона при термообработке его с использованием солнечной энергии
- Надежность и стабильность производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии
- Полимерные материалы прозрачных ограждений гелиотехнических устройств и исследование их оптических свойств
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение современной цивилизации энергией осуществляется за счёт углеводородного топлива, запасы которого непрерывно истощаются, а новых месторождений становится всё меньше. Углеводородная энергетика исторически себя исчерпала. Использование ядерной энергии, как и углеводородного топлива, связано с опасностью загрязнения окружающей среды. На сегодняшний день нигде в мире не решена, и, возможно, является фундаментально нерешаемой, проблема захоронения радиоактивных отходов. В то же время, численность населения неуклонно возрастает и по прогнозам ОНН к 2050 году составит 9 млрд. человек, а мировое потребление энергии достигнет к этому времени 25 млрд. т.н.э. (тонн нефтяного эквивалента). При отсутствии решения энергетической проблемы человечеству придется адаптироваться к принципиально новому уровню энергопотребления и испытывать нарастающие продолжительные экологические кризисы, связанные с индустриальным загрязнением биосферы.
В настоящее время в разных странах мира, и особенно в странах Европейского союза, проводится политика, направленная на разработку энергосберегающих технологий и использование альтернативных источников энергии, сопровождающаяся стимулирующими правовыми и экономическими актами и законами, принятыми в этих странах.
Проблема энергосбережения для строительной отрасли, одной из наиболее энергоёмких отраслей народного хозяйства, является актуальной. Основные затраты энергии при производстве железобетонных изделий на предприятиях стройиндустрии приходятся на их термообработку при температуре 70-80 0С. Доступность получение таких температур в гелиотехнических устройствах позволяет использовать солнечную энергию при изготовлении различных железобетонных конструкций в стационарных призаводских или временных полигонах, срочно организуемых при ликвидации последствий техногенных и природных катастроф.
Целью исследования является разработка организационно-технологических решений по обеспечению производства железобетонных изделий на основе методологии и компьютеризации расчета достаточности солнечной энергии для термообработки бетона в полигонных условиях.
Для достижения заданной цели определены следующие задачи исследования:
провести анализ организационных, технологических и технических решений применения солнечной энергии при изготовлении железобетонных конструкций на полигонах;
выбрать рациональную организационно-технологическую схему полигонного производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии;
разработать методологию определения продолжительности эффективного применения солнечной энергии для термообработки бетона в зависимости от географического положения района производства и номенклатуры выпускаемых предприятием изделий;
исследовать кинетику структурообразования бетона в условиях нестационарности поступления солнечной радиации и температуры окружающей среды, а также их влияние на качество железобетонных конструкций;
обосновать организационные и технологические решения обеспечения надежности и стабильности работы полигонов в условиях прерывистого поступления солнечного излучения;
исследовать оптические свойства современных полимерных материалов и применимость их для прозрачных ограждений гелиотехнических устройств.
провести технико-экономическое обоснование эффективности энергосберегающего и экологически безопасного производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии.
Научная новизна результатов исследования:
Разработана методология энергетического расчета достаточности и продолжительности эффективного применения солнечной энергии для термообработки бетона в зависимости от географического положения района производства и номенклатуры выпускаемых предприятием изделий.
Построена математическая модель тепло- и массообменных процессов при термообработке железобетонных изделий в гелиотехнических устройствах для оптимизации их конструктивных параметров и прогнозирования изменения температурно-временных характеристик и кинетики набора прочности бетона.
Предложены организационные и технологические решения обеспечения производства железобетонных изделий в период снижения плотности потоков солнечного излучения, заключающиеся в кратковременном и суточном резервировании теплоты в наиболее энергоемких составляющих бетонных смесей и применением модифицированных бетонов.
Проведена оценка экономического эффекта от замещения органического топлива солнечной энергией при полигонном производстве железобетонных конструкций.
Исследованы спектральный и интегральный коэффициенты пропускания, поглощения и отражения современных полимерных прозрачных покрытий гелиотехнических устройств.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Разработана методология энергетического расчета достаточности солнечной энергии для термообработки бетона, учитывающая пространственно-временные изменения поступления её на поверхность Земли.
-
Построена математическая модель теплофизических процессов при термообработке железобетонных изделий с использованием солнечной энергии в опалубочных формах с прозрачным покрытием и гелиотехнических устройствах типа «горячего ящика».
-
Предложены организационно-технологические решения обеспечения производства железобетонных изделий, включающие: определение продолжительности применения солнечной энергии для термообработки бетона, выбор энергетически эффективных гелиотехнических устройств и оптимизацию их конструктивных параметров, использование модифицированных бетонов и предварительно разогретых бетонных смесей для повышения надежности и стабильности работы полигонов в условиях прерывистого поступления солнечного излучения.
-
Исследованы закономерности формирования структуры твердеющего бетона в условиях нестационарности поступления солнечной радиации и температуры окружающей среды, и их влияние на качество железобетонных конструкций.
-
Проведено технико-экономическое обоснование эффективности энергосберегающего и экологически безопасного производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии в полигонных условиях.
Практическая значимость работы. Результаты исследований являются практической базой для организации и обеспечения стабильности производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии в полигонных условиях. На основе результатов исследований разработаны организационно-технологические решения, которые позволяют:
определять сезон применения солнечной энергии для термообработки бетона в зависимости от климатических условий района производства и номенклатуры выпускаемых предприятием изделий;
оценивать и выбирать энергетически эффективные гелиотехнические устройства в зависимости от производственной программы предприятия-изготовителя, а также оптимизировать их конструктивные параметры на основе имитационного моделирования твердения в них изделий;
своевременно резервировать дополнительные ресурсы для обеспечения стабильности работы полигона в период снижения интенсивности потоков солнечного излучения.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.02.22 – «Организация производства (строительство)», охватывающей проблемы становления, эффективного функционирования и совершенствования производственных процессов, в диссертационном исследовании разработаны организационно-технологические решения по обеспечению стабильности производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии, учитывающие пространственно-временные изменения поступления её на поверхность Земли. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют 2, 4, 5, 7 пунктам области исследования паспорта специальности 05.02.22 – «Организация производства (строительства)»
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили одобрение на Международной научно-практической конференции «Инженерные системы – 2011», VII и VIII научно-технических конференциях факультета ФРиС и кафедре строительного производства МГАКХиС.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы (114 наименований). Общий объем диссертационной работы составляет 175 страниц, включая 30 рисунков и 44 таблицы.
Технические решения гелиотехнических устройств и установок для термообработки железобетонных изделий
В течение ряда лет прошлого столетия в Российской Федерации и странах СНГ исследованы и разработаны различные установки и устройства для термообработки сборных железобетонных изделий на призаводских открытых летних полигонах с использованием солнечной энергии.
В 1953-1955 годах в ТашПИ Узбекистана разработана гелиокамера простейшей конструкции. Она состоит из каркасных стенок с двухсторонней обшивкой и заполнением внутреннего пространства древесными опилками (рис. 1.1.).
Между прозрачным ограждением и бетонными изделиями располагаются металлические листы. При термообработке бетона набор прочности на сжатие составляет: в возрасте 3 суток - 37,2%, 7 суток - 75,6%, 28 суток - 103% R.28 [17].
В 1959 году в ТашПИ предложена технология выдерживания бетонных изделий в водных бассейнах. Отформованные изделия устанавливают в незаполненный бассейн для предварительной выдержки в течение 6 часов. Одновременно с процессом изготовления бетонных изделий в коллекторах происходит нагрев воды в дневное время до 55-60 С. Тепловую обработку бетона начинают с подачи горячей воды в бассейн с последующим подогревом её паром до температуры 80 С. Процесс производства изделий включает в себя: изготовление и предварительную выдержку бетона; независимый нагрев воды в дневное время солнечной радиацией; тепловую обработку бетона горячей водой с подогревом её в ночное время до температуры изотермического выдерживания бетона; охлаждение за счет теплопотерь в окружающую среду; возврат теплоносителя на повторный нагрев солнечной энергией; извлечение изделий; их распалубку и складирование. Весь технологический цикл завершается в течение 24 часов, бетон набирает 50% марочной прочности [36].
В 1970-1973 годах в ТашЗНИИЭП предложена двухстадийная тепловая обработка сборных железобетонных изделий, включающая термообработку бетона традиционными теплоносителями с последующим выдерживанием в камерах дозревания парникового типа под воздействием солнечной энергии до набора отпускной прочности. Размеры камеры назначают с расчетом, чтобы коэффициент её заполнения составлял 0,7-0,85; конфигурация камеры зависит от формы и объема штабеля железобетонных изделий (рис. 1.2.).
Средняя продолжительность твердения изделий в камерах дозревания после тепловой обработки в зависимости от марки бетона и периода года при наборе 30-40% R.28 до получения 70% R2g составляет 6-8 часов при температуре воздуха свыше 20 С, 22-24 часа при температуре до -10 С 32].
В САНИИРИ Узбекистана в 1971-1973 годах выполнены экспериментальные исследования на заводе ЖБИ треста «Промстройматериалы» Ташкентской области, в результате которых разработаны гелиокамеры для одностадийной (ГКС-1) и двухстадийной (ГКС-2) термообработки железобетонных изделий (рис. 1.З.).
Каркас камер изготовлен из деревянных брусков, внешнее ограждение выполнено из прозрачной полиэтиленовой пленки, а внутреннее - из полиэтиленовой пленки с сажевым наполнителем (черной). Стена, ориентированная на север, теплоизолирована. Температура в устройствах на 30 С превышает температуру окружающей среды. Влажностный режим осуществляют путем испарения влаги из мокрого песка, на котором устанавливают гелиокамеру. В гелиокамере ГКС-1 бетон, твердеющий в течение 3 суток, набирает 70-80% R28; в 5-7 суточном возрасте - 100% R28 [35].
В физико-техническом институте им. СВ. Стародубцева АН Узбекистана в 1971-1974 годах на основе исследований изготовлена экспериментальная промышленная гелиокамера (рис. 1.4.).
Крыша гелиокамеры имеет угол наклона к горизонту 35 , выполнена из двух слоев оконного стекла с воздушной прослойкой между ними толщиной Зсм. Влажность воздушной среды в гелиокамере поддерживают за счет дисперсного распыления подогретой воды для орошения бетона. Установку и изъятие изделия осуществляют с помощью специальной тележки, на которой плиту размещают наклонно под углом 90 относительно угла вхождения солнечных лучей; загрузка изделия в камеру однорядная, что обеспечивает облучение поверхности плиты солнечной радиацией. При температуре наружного воздуха 35-40 С температура воздуха в установке достигает 70-80 С. Набор прочности бетона в возрасте 1 суток составляет 46-50% R28; в возрасте 2 суток -60-70% R28 [43].
Анализ технических решений простейших гелиокамер показывает, что основные исследования направлены па разработку метода использования солнечной энергии путем пассивного нагрева бетона. Разработанные гелиокамеры, предназначены для получения прочности при удлиненных режимах выдерживания изделий или применения двухстадийнои тепловой обработки. Внедрение этих устройств на заводах и полигонах по производству железобетонных изделий имеет экспериментальный характер.
С 1974 года в ЦНИИОМТП проведены исследования по использованию солнечной энергии для термообработки железобетонных изделий под покрытиями из полимерных пленок [70, 74, 75, 91]. Наиболее доступным методом гелиотермообработки бетона, не требующим больших капитальных вложений, является прямой нагрев его в простейших устройствах типа плоского коллектора, к которым относятся опалубочные формы, оснащенные штатными инвентарными рамами с прозрачным покрытием (рис. 1.5.).
Прямой нагрев бетона осуществляется в условиях реализации принципа «парникового эффекта» в замкнутой системе. Основными узлами конструкции инвентарной рамы являются зажим-фиксатор, гибкая уплотняющая прокладка, обеспечивающая герметичность воздушного пространства между бетоном и прозрачным ограждением. Штатные инвентарные рамы снабжают монтажными петлями для съема и установки их подъемными механизмами. Они имеют улавливатели для точности монтажа на опалубочные формы и сборки в пакет после завершения тепловой обработки бетона.
Все работы по подготовке опалубочных форм, укладке и уплотнению бетонной смеси, установке прозрачных покрытий производят до 9-10 часов, а затем изделия экспонируют на рабочей площадке, выполненной из керамзитобе-тона толщиной 100мм. Продолжительность выдерживания бетона в опалубочной форме составляет 22 часа. Тепловая обработка протекает при температуре 60-75 С с одноразовым оборотом опалубочных форм в течение суток. Рост прочности при выдерживании под однослойной полиэтиленовой пленкой с коэффициентом прозрачности 0,8 в первые сутки твердения для низко- и средне-алюминатных портландцементов с подвижностью бетонной смеси ОК=3-4см составляет 53-65% R28 для бетона класса В15 (М200); 67-69% R28 для бетона класса В25 (МЗОО); 69,7-78% R28 для бетона класса В30 (М400) и выше.
По результатам экспериментальных исследований установлено, что при температуре наружного воздуха 15 С и выше целесообразно прозрачное ограждение выполнять однослойным, а при температуре от -10 С до 15 С - двухслойным; метод прямого нагрева бетона в устройствах типа плоского коллектора рационален для железобетонных изделий толщиной до 400мм.
Этот способ термообработки бетона внедряют в практику строительства с 1976 года на территории Кзыл-Ординской обл. Казахстана, на Капчугайском заводах ЖБИ Узбекистана, на предприятиях стройиндустрии Таджикистана.
С 1981 года НИИЖБ совместно с ВНИПИТеплопроект проводят исследования по использованию солнечной энергии для термообработки бетона. В качестве технического решения принята опалубочная форма, дополнительно оснащенная штатной инвентарной рамой с двумя прозрачными покрытиями из поливинилхлоридной пленки марки В-ПВХ(В) (рис. 1.6.).
Формирование структуры бетона при термообработке его с использованием солнечной энергии
Для экспериментального подтверждения разработанной математической модели тепло- и массообменных процессов при термообработке бетона с использованием солнечной энергии параллельно проведены имитационное моделирование и натурные исследования твердения бетона в гелиотехнических устройствах с заданными конструктивными параметрами.
Имитационное моделирование произведено с использованием осредненных климатических показателей из научно-прикладного справочника по климату (средняя месячная и средняя максимальная температура воздуха, средняя месячная скорость ветра, суммы суммарной солнечной радиации) [66]. Расчёты выполнены в приложении Microsoft Excel [42].
Для энергетической оценки достаточности солнечной энергии естественной плотности для термообработки бетона имитационное моделирование проведено для разных значений интенсивности поступления её на тепловоспринимающую поверхность.
Исходные данные для сравнительных исследований:
Лабораторные условия, климатическая камера.
1. Климатические условия, смоделированные в камере: 44 с.ш.; июль; средняя и максимальная температуры наружного воздуха 34,7 С и 45 С; значение потока суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность за сутки л=85 30 (Вт-ч)/(сутм ), среднесуточная скорость ветра veempa=0 м/с.
2. Конструкция гелиотехнического устройства - теплоизолированная опалубочная форма; однослойное прозрачное ограждение из полиэтилентерефта-латной прозрачной плёнки с коэффициентами отражения и поглощения солнечной радиации 0,09 и 0,05, спектральным коэффициентом пропускания для инфракрасного излучения «-„„0=0,86; толщина воздушной прослойки между бетоном и прозрачным ограждением (56,„=0,005 м.
3. Бетонное изделие - 35x35x35 (h) см; объем Кб=0,0443 м3; площадь солнце-воспринимающей поверхности F6=0,1225 м ; плотность и удельная теплоем-кость бетонной смеси рбс=2400 кг/м и сбс=1,11 кДж/( Скг); вяжущие -портландцемент ПЦ400 Воскресенского цементного завода ОАО «Воскресенскцемент», расход цемента Рч=415 кг/м .
4. Шаг разбиения времени Ат=1 час.
Полигонные условия, Московская область.
1. Географическое положение полигона - 56 с.ш.
2. Месяцы года, в которых проводились исследования:
- май; средняя и максимальная температуры наружного воздуха 12,5 Си 17,8 С; значение потока суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность за сутки /=7662 (Вт-ч)/(сут-м ), среднесуточная скорость ветра Veempa -)- М/С.
- июль; средняя и максимальная температуры наружного воздуха 19,4 С и 26 С; значение потока суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность за сутки /=7922 (Втч)/(сут-м ), среднесуточная скорость ветра Veempa=l,9 М/С.
3. Конструкция гелиотехнического устройства - теплоизолированная опалубочная форма; однослойное прозрачное ограждение из полиэтиленовой нестабилизированной неокрашенной плёнки с коэффициентами отражения и поглощения солнечной радиации 0,09 и 0,15, спектральным коэффициентом пропускания для инфракрасного излучения «w/=0,8; толщина воздушной прослойки между бетоном и прозрачным ограждением 5ЙЛ=0,02 м.
4. Бетонное изделие - 20x20x20 (h) см; объем Кб=0,008 м ; площадь солнцевос-принимающей поверхности Fe=0,04 м"; плотность и удельная теплоемкость бетонной смеси /9бс=2400 кг/м3 и сбс=\,\\ кДж/(Скг); вяжущие - портландцемент ПЦ400 Воскресенского цементного завода ОАО «Воскресенскце мент», расход цемента Р„=415 кг/м3.
5. Шаг разбиения времени Лт=1 час.
При определении ожидаемой прочности использованы эмпирические поправочные коэффициенты, учитывающие граничные условия по составу бетона, равные 1,35 для первых и 1,15 и вторых суток твердения соответственно [60].
В дневные часы происходит нагрев бетона, за счет перехода в теплоту солнечной радиации, поглощенной его поверхностью с достаточно высоким коэффициентом поглощения и теплоты, выделенной за счет гидратации цемента.
Через несколько часов после начала термообработки бетона в гелиотехническом устройстве происходит образование капельного конденсата на нижней поверхности прозрачного ограждения, вызванного испарением воды затворения из бетонного изделия вследствие разности парционального давления водяных паров при повышении температуры бетона относительно температуры воздушной прослойки.
Образование конденсата свидетельствует о достижении близкой к 100% относительной влажности воздуха между поверхностью бетона и прозрачным ограждением и нейтрализации, соответственно, негативных физических процессов обезвоживания в твердеющем бетонном изделии.
В ночные часы происходит медленное остывание изделия за счет тепловых потерь через прозрачное ограждение, достигающих своего максимального значения в период минимальных значений температуры наружного воздуха.
Согласно табл. 3.4.-3.7. около 55% от общего количества теплоты, полученного бетоном за первые сутки твердения, составляет теплота экзотермической реакции гидратации цемента, во вторые сутки интенсивность тепловыделения цемента уменьшается и составляет 45% от общего количества теплоты, полученной бетоном за вторые сутки твердения.
Расхождение температурных кривых, полученных экспериментальным и расчётным путем, обусловлено некоторым несоответствием:
- реальной температуры наружного воздуха в течение суток закону простого гармонического колебания (кривые 3 и 4);
- фактического тепловыделения за счет экзотермической реакции гидратации цемента при нестационарном температурном режиме и теоретически рассчитанного, основанного на экспериментальных данных о тепловыделении, полученных в изотермических условиях.
Несоответствие фактического и теоретического тепловыделения также связано с тем, что в расчете использовались осредненные значения удельного тепловыделения портландцемента марки 400, не учитывающие его конкретный минералогический состав, являющийся одной из основных технологических характеристик цементов. В экспериментах применялся ПЦ400 Воскресенского цементного завода с содержанием трехкальциевого алюмината в своем составе более 6%. В исследованиях [60, 65] доказано различие в скоростях и значениях тепловыделения низкоалюминатных и высокоалюминатных цементов, увеличивающихся с повышением температуры.
Несмотря на эти расхождения, показатели зрелости бетона в расчётах и экспериментальных исследованиях практически идентичны. В лабораторных условиях в климатической камере зрелость бетона после первых суток твердения составила 1070,5 градусо-часов, после вторых - 2402,9 градусо-часов, по результатам расчёта - 1067,7 и 2406,5 градусо-часов соответственно. В полигонных условиях на территории Московской области зрелость бетона после суток твердения в мае составила 625 градусо-часов, в июле - 753 градусо-часов, в результате расчётов - 622 и 754,5 градусо-часов соответственно.
Схожесть расчётных и экспериментальных кривых распределения температуры бетона во времени, а также значений его зрелости, подтверждают соответствие теоретических закономерностей тепло- и массообменных процессов с реально происходящими в бетоне при термообработке его в гелиотехнических устройствах.
Для исследования распределения температурных полей по сечению бетонного изделия проведены соответствующие эксперименты в лабораторных условиях в климатической камере. Во избежание начального распределения температуры бетона, имитационное моделирование изменения температуры бетонного изделия по его сечению проведено для вторых суток твердения в гелиотехническом устройстве.
Надежность и стабильность производства железобетонных изделий с использованием солнечной энергии
Внедрение новой технологии изготовления железобетонных изделий, связанной с использованием альтернативных источников энергии в качестве теплоносителя для термообработки бетона, и переход полигонов на её стабильное использование возможны только при обеспечении надежности и устойчивости их работы.
Надежность производства проявляется в вероятности получения продукции с заданными показателями качества в установленные сроки и в заданном объеме [27].
Эффективность технологического процесса может изменяться в широком диапазоне в зависимости от степени учёта всех конкретных условий производства, в связи с этим, актуальной задачей является проектирование организации производства изделий в полигонных условиях, использующего солнечную энергии в качестве теплоносителя, с прогнозированием и повышением надежности основных его параметров.
Производство железобетонных изделий является сложной динамической системой с множеством связей, которые обеспечивают взаимодействие её элементов в пространстве и времени. Надежность этой системы повышается с возрастанием уровня организации производства, который зависит от надежности каждого элемента системы и надежности их взаимосвязи [63].
Базовым понятием теории надежности является понятие отказа, т.е. полного или частичного выхода системы из строя (утраты основного качества) [41]. Все отказы носят случайный характер, поскольку вызываются влиянием случайных факторов. Надежность системы определяется вероятностью отказа в течение гарантированного проектом срока исправной работы системы [28].
Соответственно, надежность полигонного производства железобетонных конструкций с использованием солнечной энергии естественной плотности определяется вероятностью обеспечения выпуска готовых изделий с сохранением предусмотренной продолжительности технологического цикла в течение запроектированного срока её использования.
Применение солнечной энергии в технологических целях носит сезонный характер, продолжительность которого значительно отличается в разных климатических районах Земли. Это наиболее актуально в нашей стране, особенность географического положения которой заключается в значительной протяженности её территории от северных до южных границ (от 81 с.ш. до 41 с.ш.).
Для организации полигонного производства железобетонных конструкций с применением солнечной энергии необходимо определить сезон её эффективного использования в зависимости от климатических условий, в которых находится предприятие-изготовитель, и от номенклатуры, выпускаемых им изделий. Для его определения автором разработана методология энергетического расчета достаточности солнечной энергии для термообработки железобетонных изделий, критерием оптимальности для которой является набор бетоном критической прочности (не менее 50% R.28) при сохранении продолжительности технологического цикла изготовления изделий, составляющего не более 1 суток. Прогнозирование прочности бетона осуществляется по его температурно-вре-менным характеристикам, получаемым в процессе имитационного моделирования твердения железобетонных изделий в гелиотехнических устройствах с заданными конструктивными параметрами.
При помощи имитационных моделей можно не только анализировать существующие системы, но и прогнозировать, а также проектировать оптимальные по любому принятому критерию системы, обладающие принципиально новыми организационно-технологическими качествами и любым заданным уровнем надежности [28].
Исходными данными для построения модели являются климатические характеристики района производства, а также данные о номенклатуре выпускаемых изделий.
Основными технологическими параметрами при изготовлении железобетонных изделий являются продолжительность технологического цикла их производства (Тч), показатели прочности бетона после завершения цикла (Rc), а также затраты (в энергетическом и экономическом эквиваленте) на его осуществление (Зпр.ва). Самым рациональным, при оценке уровня организации производства, является вариант, имеющий минимальные затраты в процессе изготовления железобетонных изделий (4.1).
При сезонном снижении интенсивности потока солнечной радиации в неизбежно увеличение сроков набора бетоном требуемой прочности и продолжительности технологического цикла. В этом случае продолжительность эффективного применения солнечной энергии естественной плотности определяется временем, при котором затраты, связанные с увеличением продолжительности технологического цикла, будут меньше затрат на использование традиционных теплоносителей (4.2).
Кроме определения сезона, для организации производства железобетонных конструкций с применением солнечной энергии необходимо выбрать энергетически эффективные гелиотехнические устройства в зависимости от производственной программы предприятия-изготовителя.
Анализ конструктивных решений гелиотехнических устройств свидетельствует, что наиболее оптимальными для использования солнечной энергии естественной плотности (до 0,8 кВт/м") являются опалубочные формы с прозрачным покрытием и гелиокамеры типа «горячего ящика». Наименее затратным, в технологическом и экономическом эквивалентах, является переустройство стандартных опалубочных форм в простейшие гелиотехнические устройства путем изготовления к ним инвентарных рам с покрытием из прозрачного полимерного материала. Технологической базой в них является днище и борта опалубочной формы, они наиболее рациональны для изготовления линейных и плитных изделий с большим модулем открытой поверхности.
Для изготовления изделий других форм, осуществления пакетной технологии при ограниченных заводских территориях рационально использовать гелиотехнические устройства типа «горячего ящика». Несмотря на большие затраты на их изготовление, согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, прочность железобетонных конструкций после твердения в этих устройствах, а следовательно, сезон их применения на 10-20% выше, чем в опалубочных формах с прозрачным покрытием. Такие устройства обладают большей технологической гибкостью.
Благодаря тому, что имитационное моделирование термообработки бетона с использованием солнечной энергии реализуется в компьютерном приложении, происходит оперативная оптимизация конструктивных параметров выбранного гелиотехнического устройства для повышения его энергетической эффективности в зависимости от формы железобетонного изделия и климатических условий его производства.
При отработке изделий на технологичность необходимо проектировать раскладку изделий в опалубочных формах с прозрачным покрытием или в ге-лиокамерах. Для этого необходима информация о парке форм и об их потребности на конкретном предприятии-изготовителе.
Согласно [22] при прерывном характере производственного процесса, которым является изготовление железобетонных изделий с использование солнечной энергии, рационально принимать двухсменный режим работы.
Основным для полигонов и наиболее приемлемым для изготовления сборного железобетона с применением солнечной энергии является стендовый способ производства (рис. 4.2.).
Полимерные материалы прозрачных ограждений гелиотехнических устройств и исследование их оптических свойств
Основная часть солнечной радиации, определяющая тепловой режим гелиотехнических систем и устройств, находится в видимой (0,38-0,78 мкм) и инфракрасной (0,78-3,0 мкм) области спектра. Для эффективного использования солнечной энергии необходимо применять полимерные материалы с оптимальными оптическими характеристиками. К ним относятся максимальная прозрачность ограждения в видимой, ближней и средней инфракрасной области спектра, а также способность поглощать и отражать длинноволновое тепловое излучение. В гелиотехнике широкое распространение получили прозрачные листовые ограждения из силикатного и органического стекла, а также пластмассы. С учетом физико-технических характеристик при изготовлении бетонных изделий и укрытии монолитных железобетонных конструкций практический интерес представляют полимерные пленки, обладающие эластичностью, малым весом по отношению к площади ограждения, прозрачностью в видимой и инфракрасной области, способностью задерживать длинноволновое излучение и воспринимать динамические воздействия при перемещении грузоподъемными механизмами гелиоустройств.
В ряде работ [40, 70, 86] выполнены специальные исследования по определению спектральных характеристик различных пленок, изучено влияние количества слоев ограждения, а также угла падения солнечной радиации на их оптические свойства.
В основе лабораторных исследований оптических свойств полимерных пленок приняты спектральные измерения коэффициентов пропускания и отражения, выполненных на спектрофотомерах и приставках к ним, необходимость использования которых в исследованиях вызвана ограниченностью их спектральных диапазонов вследствие различия источников излучения, чувствительности приемников и монохроматоров.
Полимерные пленки обладают индивидуальными оптическими свойствами и могут изменяться в пределах одного класса полимера с увеличением толщины пленки, введения в состав полимера пигментных веществ или нанесения на поверхность пленки различных покрытий.
В потоке лучистой энергии окружающего пространства присутствует длинноволновое излучение, исходящее от источника с температурой, близкой к нормальной температуре окружающего воздуха, и охватывает все длины волн более 3 мкм. В ночное время длинноволновое излучение небосвода является единственным источником тепловой энергии, приходящей к тепловоспринимаемой поверхности. Характерная для светового дня система теплообмена «источник излучения - оптическая среда - бетонное тело» в ночное время видоизменяется, и её можно рассматривать как систему «оптическая среда - бетонное тело». Нагретый бетон в этой системе - источник длинноволнового излучения, а небосвод представляется как абсолютно черное тело при некоторой температуре окружающего пространства. Теплообмен излучением бетонного тела и среды происходит между двумя низкотемпературными поверхностями при температуре источника излучения 50 С. Охлаждение бетона будет происходить, в первую очередь, быстрее при выдерживании его под пленками, у которых наименьшее значение интегральной степени черноты. Исключение составляют металлизированные пленки, имеющие поверхность с зеркальным отражением и выполняющие роль теплоотражающего экрана.
Результаты экспериментальных исследований [70], представленные в табл. 5.5., свидетельствуют, что в видимой области спектра бесцветные полимерные пленки прозрачны на 72-95%, а в ближней инфракрасной на 14-89%. Введение в состав пленкообразующего полимера пигментирующих веществ значительно изменяют прозрачность пленок. Полиэтиленовая пленка с сажевым наполнителем в видимой и инфракрасной области спектра непрозрачна, но коэффициент поглощения составляет 94-96%. Полиэтиленовая пленка с титановым наполнителем прозрачна на 80% в видимой и на 55%) в инфракрасной области.
С изменением угла падения луча от 0 до 60 прозрачность всех пленок уменьшается и для однослойных пластин составляет: поливинилхлоридная -19%, полиэтиленовая 20%о, поливинилхлоридная парниковая 15%, полиэтиленовая армированная 20%о, стеклопластик армированный 20%о. Существенное влияние на прозрачность пленок оказывает также количество слоев из них. Для двухслойного покрытия снижение прозрачности для полиэтилентерефталатной прозрачной пленки составляет 9%, а для трехслойного - 18% . Изменение угла падения луча от 0 до 60 при двухслойном и трехслойном ограждении из пленки одного полимера или комбинации из различных полимеров на 30-39%) снижает их прозрачность (табл. 5.7.) [70].
За последние годы отечественной промышленностью увеличена номенклатура производства рулонных и листовых изделий из пластмассы с введением, в большинстве случаев, в её состав различных добавок и наполнителей, а также выпуск одно- и многослойных покрытий с воздушными включениями и прослойками. Наибольшее распространение из этой группы получили пленки из полиэтилена, поливинилхлорида, полиэтилентерефталата, листы из акрилового стекла и поликарбоната.
В соответствии с ГОСТ 10354-82 полиэтиленовую пленку выпускают несколько их марок: М - для изготовления транспортных мешков других изделий, требующих применения пленок наибольшей прочности; Т - для изготовления изделий технического назначения, строительства временных сооружений, защитных укрытий, упаковки и комбинированных пленок; СТ и СИК - для использования в сельском хозяйстве в качестве прозрачного атмосферостойкого покрытия; СК - для использования в сельском хозяйстве при консервации кормов; СМ - для использования в сельском хозяйстве в качестве материала для мульчирования [1]. Пленки из полиэтилена обладают свойствами: прочность при растяжении и сжатии, стойкость к удару и раздиру, морозостойкость, водо- и паронепроницаемость, имеют превосходную химическую стойкость к кислотам, щелочам и неорганическим растворителям, но чувствительны к углеводородам, маслам и жирам, которые они поглощают с последующим набуханием.
Рынок полиэтиленовых пленок хорошо развит и является самым емким на российском рынке полимерных пленок и составляет 632 тыс. тонн. Основной объем спроса удовлетворяется за счет отечественного предложения. Доля импорта в общем объеме потребления полиэтиленовых пленок, по данным за 2006 год, не превышает 15%.
В последние годы наряду с количественным ростом рынка полиэтиленовых пленок происходят и качественные изменения, среди которых переход с однослойных пленок на многослойные (воздушно-пузырчатые пленки), улучшение качеств пленок за счет введения в структуру линейного полиэтилена. Воздушно-пузырчатые пленки производятся из полиэтилена высокого давления и бывают двухслойные и трехслойные. Одним из видов воздушно-пузырчатых пленок (ВПП) является парниковая светостабилизированная ВПП, которая состоит из трех слоев и представляет собой слой пузырьков из полиэтилена, с двух сторон закрытых полиэтиленовой пленкой (табл. 5.8.).
Прозрачность таких пленок составляет не менее 82%, наличие воздушных пузырьков, наполненных сухим воздухом, увеличивает теплоизолирующие свойства пленки за счет пропускания теплового излучения от солнца и отражения внутрь излучения от нагретого бетона. В состав пленок введена светостабилизирующая добавка, продлевающая срок службы на открытом воздухе до 5 лет и препятствующая разрушению под действием солнечного света. Внутренняя сторона пленки содержит дополнительную добавку - антифог, препятствующую образованию капельного конденсата.
Пленки из ПВХ изготовляют непластифицированными, предназначенными для термоформования, и пластифицированными, одним из видов которых являются технические пленки (от 100 мкм), используемые в различных областях промышленности. Согласно ГОСТ 16272-79 поливинилхлоридные пластифицированные технические пленки выпускают следующих марок: ОН - упаковочная пленка для консервации машин, механизмов и т.д.; Г - для гидрозащиты изоляции на суднах; М-40 - морозостойкая пленка для упаковывания различных промышленных изделий; М-50 - морозостойкая пленка для изготовления сигнальных флажков; Ф - для изготовления специальных изделий; Э - эластичная пленка для покрытия валиков вытяжных аппаратов прядильных машин; С -светостойкая пленка прозрачная для различных культивационных сооружений в сельском хозяйстве и других технических целей [2].
