Содержание к диссертации
Введение
1. Тепловые процессы и установки в технологии строительных материалов 9
1.1. Тепловая обработка бетона 11
1.2. Конструкции тепловых аппаратов 20
1.3. Пути снижения расхода тепловой энергии в производстве строительных материалов 49
1.4. Исследование управления процессами структурообразования через влажностный режим 57
1.5. Методы решения проблемы влажности при тепловлажностной обработке строительных материалов продуктами сгорания 62
1.6. Выводы 66
2. Оценка теоретической эффективности энергоиспользования при тепловлажностной обработке строительных материалов 69
2.1. Расчет энергозатрат при тепловлажностной обработке строительных материалов в традиционной пропарочной камере 70
2.1.1. Энергозатраты на водоподготовку 71
2.1.2. Энергозатраты на производство пара в паровом котле 72
2.1.3. Энергозатраты на транспортировку пара 74
2.1.4. Энергозатраты на тепловлажностную обработку бетона в пропарочной камере 74
2.1.5. Тепловой баланс технологического процесса тепло влажностной обработки бетона в пропарочных камерах 85
2.2. Расчет энергозатрат при производстве бетона в камере тепловой обработки продуктами сгорания природного газа 87
2.3. Сравнение тепловых балансов технологических процессов пропарочной камеры и камеры тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа 103
2.4. Выводы 105
3. Экспериментальная камера тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа 107
3.1. Описание экспериментальной установки тепловлажностной обработки бетона продуктами сгорания 107
3.2. Описание опыта производства бетона в экспериментальной камере обработки бетона продуктами сгорания природного газа 112
3.3. Тепловые балансы двух экспериментальных камер при проведении опыта 129
3.3.1. Тепловой баланс камеры тепловой обработки продуктами сгорания природного газа 129
3.3.2. Тепловой баланс безнапорной пропарочной камеры 140
3.3.3. Сравнение тепловых балансов двух экспериментальных камер тепловлажностной обработки бетона 149
3.4. Выводы 152
4. Математическая модель процесса тепловлажностной обработки продуктами сгорания природного газа 154
Заключение 163
Библиографический список 164
Приложения 176
- Конструкции тепловых аппаратов
- Энергозатраты на тепловлажностную обработку бетона в пропарочной камере
- Описание опыта производства бетона в экспериментальной камере обработки бетона продуктами сгорания природного газа
- Тепловой баланс камеры тепловой обработки продуктами сгорания природного газа
Введение к работе
Актуальность темы. Тепловая обработка играет важную роль в производстве практически всех строительных материалов Именно при тепловой обработке могут быть вскрыты такие неотъемлемые факторы современного производства строительных материалов, как повышение качества продукции, увеличение выпуска изделий за счет повышения производительности агрегатов, обеспечение экономии энергетических ресурсов
Производство строительных материалов относится к числу наиболее энергоемких отраслей промышленности На практике на тепловую обработку затрачивается до 30% стоимости производства материалов, расходуется до 80% энергии, потребляемой производством Длительность тепловой обработки составляет 80 90% времени всего производственного цикла Таким образом, от эффективности и экономичности работы тепловых камер во многом зависит энергопотребление в строительной сфере страны в целом
Основным теплоносителем в технологическом процессе тепловлажност-ной обработки строительных материалов в настоящее время является насыщенный водяной пар Коэффициент его полезного использования достаточно низок, а удельные расходы велики Поэтому важным является совершенствование систем и оборудования, использующих водяной пар для тепловой обработки изделий, а также, как показывают работы последних лет, переход на беспаровые методы тепловой обработки
Представленный в диссертации материал является обобщением результатов, полученных при выполнении научно-исследовательских работ в рамках тематического плана РААСН и госбюджетной работы «Повышение энергетической эффективности технологических процессов»
Цель работы. Исследование и разработка методов повышения энергетической эффективности тепловлажностной обработки строительных материалов В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи
Анализ структуры приведенных энергозатрат в существующих камерах тепловой обработки бетонных изделий
Исследование теплового и влажностного факторов при беспаровой тепловой обработке бетонных изделий и анализ способов увлажнения продуктов сгорания природного газа
Разработка способа создания и поддержания регламентируемого режима изменения температуры и влажности при тепловлажностной обработке бетона
Разработка экспериментальной установки тепловлажностной обработки бетона продуктами сгорания природного газа
5) Экспериментальное исследование процесса тепловлажностной обработки бетона продуктами сгорания природного газа и его энергетической эффективности
Научная новизна.
На основе комплексного анализа структуры энергозатрат и потерь теплоты при тепловлажностной обработке получено, что максимум потерь в паровых пропарочных камерах связан с неоптимальными параметрами влажност-ного и температурного режимов и потерями при производстве и транспортировке пара
Решена задача получения необходимых параметров среды и разработан способ тепловлажностной обработки продуктами сгорания природного газа с раздельным регулированием непосредственно в камере температуры и влажности среды
Предложен и экспериментально исследован режим тепловлажностной обработки, отличающийся раздельным регулированием температуры и влажности при сжигании природного газа непосредственно в камере, позволяющий повысить прочность бетона, сократить время тепловлажностной обработки и снизить расход энергии
Получены экспериментальные данные величины энергозатрат и потерь тепла в экспериментальной камере тепловлажностной обработки продуктам сгорания природного газа с раздельным регулированием температуры и влажности и сопоставлены с энергозатратами в подобной камере паровой обработки Показано, что предложенный режим позволил снизить энергозатраты на 50%
Практическая значимость.
Разработана схема создания и поддержания оптимальных параметров при раздельном регулировании температуры и влажности среды в процессе тепловлажностной обработки продуктами сгорания природного газа, обеспечивающая существенное снижение энергозатрат
Экспериментально доказана возможность сократить время «пропари-вания» бетона без снижения его качества
Разработана экспериментальная установка, позволяющая снизить энергозатраты на производство бетонных изделий с улучшенными физико-механическими характеристиками Экспериментальная установка позволила отказаться от использования пара от внешних источников и парового хозяйства и получить существенное (до 50%) снижение энергозатрат
Внедрение результатов
Результаты исследования используются при разработке камер тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа на ОАО «Завод Железобетон» города Липецка, а также в учебном процессе, при постановке лабора-
торных работ на кафедрах «Промышленная теплоэнергетика» и «Строительные материалы»
На защиту выносятся:
Результаты теоретического анализа структуры энергозатрат при теп-ловлажностной обработке бетона продуктами сгорания природного газа
Результаты экспериментальных исследований процесса тепловлажно-стной обработки продуктами сгорания природного газа при раздельном регулировании температуры и влажности
Результаты экспериментальных исследований энергозатрат установок паровой тепловлажностной обработки с использованием продуктов сгорания природного газа
Соотношение для расчета коэффициента теплоотдачи в процессе тепловлажностной обработки бетона продуктами сгорания природного газа
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на конференции, посвященной 30-летию кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Липецкого государственного технического университета (Липецк, 2005), на десятых академических чтениях Российской Академии архитектуры и строительных наук (Казань, 2006) и на Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛІТУ (Липецк, 2006)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [1] - анализ исследования влияния различных факторов при проведении эксперимента на физико-механические характеристики получаемого бетона, [2] - разработка камеры тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа, [3] — вариант расположения открытой водной поверхности в тепловой камере над зоной горения, позволяющий раздельно регулировать влажность и температуру среды, [4] - проведение экспериментов по определению прочностных характеристик образцов бетона, [5] -теоретический анализ статей расхода энергоресурсов в полном технологическом процессе производства бетона в пропарочной камере и камере тепловой обработки продуктами сгорания природного газа, [6] -анализ фактических энергозатрат в процессе тепловлажностной обработки бетона по экспериментальным данным лабораторных камер, [7] -анализ возможности повышения влажности в среде продуктов сгорания природного газа различными приспособлениями, [8] — проведение эксперимента и обработка экспериментальных данных
Объем її структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы (119 наименований) и приложений, содержащих рабочие материалы в форме расчетов, документы,
отражающие результаты производственных внедрений и их эффективность Работа изложена на 177 страницах, содержит 26 таблиц и 38 рисунков
Автор выражает благодарность и глубокую признательность заведующему кафедрой «Строительные материалы» ЛГТУ, доктору технических наук, профессору Александру Дмитриевичу Корнееву за консультации и методическую помощь в области технологии производства строительных материалов
Конструкции тепловых аппаратов
В зависимости от технологии для тепловлажностной отработки железобетонных изделий применяют различные тепловые агрегаты: пропарочные камеры периодического и непрерывного действия, кассетные установки, термоформы, термопосты и т.д [7,8].
В наиболее распространенных в промышленности сборного железобетона пропарочных камерах периодического действия тепловая обработка осуществляется циклически с перерывами для загрузки и выгрузки изделий. В камерах непрерывного действия процесс тепловой обработки идет непрерывно, с одновременным перемещением изделий. Камеры периодического действия применяют обычно при стендовой и агрегатно-поточной технологии, камеры непрерывного действия — при конвейерной технологии.
Для тепловой обработки железобетонных изделий в первую очередь стали применять ямные пропарочные камеры (рис. 1.4), оснащенные крановым оборудованием для перемещения форм с изделиями. Эти установки периодического действия сохранили ведущую роль и в настоящее время. Ямные камеры сооружают полностью или частично заглубленными в пол или напольными. Чаще строят заглубленные (на 2/3-4/5 высоты) многосекционные блочные камеры. Основными их элементами являются стенки, пол с гидравлическим затвором для стока конденсата, съемные крышки и система паропроводов, оснащенных запорной и регулировочной арматурой для подачи пара в камеру.
Формы в камере устанавливают в штабель по 5-8 штук с зазором 30-50 мм для улучшения теплопередачи. Зазоры между изделиями обеспечиваются автоматическими стойками, установленными в камерах твердения, или металлическими прокладками. После загрузки изделий камеры закрывают крышками.
Конструкция крышки камеры должна иметь необходимую жесткость для избежания перекосов и выхода пара. Обычно крышки камер представляют собой плоские металлические рамные конструкции, обшитые с двух сторон для снижения паропроницаемости металлическими листами толщиной 1,5-2 мм, между которыми уложен теплоизоляционный материал.
До последнего времени стенки пропарочных камер при толщине 250-400 мм изготовляли обычно из тяжелого бетона. Являясь достаточно прочными и непроницаемыми для паровоздушной смеси, такие ограждения, однако, характеризуются высокой теплопроводностью и теплоемкостью и, как следствие, вызывают значительные непроизводительные потери теплоты. В настоящее время для ограждений пропарочных камер рекомендуется высокопрочный керамзитобетон марки М 200, обладающий в 3-4 раза меньшей теплопроводностью и в 1,5 раза меньшей теплоемкостью, чем тяжелый бетон. Как при реконструкции, так и при строительстве новых камер можно использовать тяжелый бетон с внутренним теплоизоляционным слоем, защищенным от увлажнения паром и конденсатом листовой сталью.
Пол камеры делают с уклоном для стока конденсата в слив, оборудованный гидрозатвором и подключенный к общей системе слива конденсата.
Для предотвращения утечки паровоздушной смеси через неплотности между крышкой и стенами камер в верхнем обрезе устраивают корытообразный желоб, заполняемый водой (гидравлический затвор) или песком (песчаный затвор). При опускании крышки ребро металлического уголка, укрепленного по ее периметру, попадая в корытообразный желоб, изолирует внутреннее пространство камеры от окружающей среды (рис. 1.5).
Пар в камеру поступает через замкнутый перфорированный трубопровод, уложенный в камере по ее внутреннему периметру на расстоянии 300-500 мм от днища. Поднимающийся пар смешивается с воздухом и образует паровоздушную смесь. Температуру паровоздушной среды контролируют термометрами различных типов или датчиками, установленными в специальной нише одной из стен камеры на расстоянии 2/3 высоты камеры. В зависимости от концентрации воздуха изменяется температура паровоздушной смеси. Например, при содержании воздуха примерно 50% температура смеси составляет около 80С.
Для охлаждения паровоздушной среды камеры в заключительный период тепловой обработки и удаления пара из камеры перед извлечением из нее изделий применяют принудительную вентиляцию через приточный и вытяжной водяные затворы. В период работы вентиляционной системы воду из водяных затворов удаляют эжекторным устройством, паровоздушную смесь отводят через вытяжной затвор в вентиляционный канал.
Наиболее эффективны системы пароснабжения камер, обеспечивающие интенсивную циркуляцию греющей среды. При этом устраняется расслоение паровоздушной смеси и неравномерность обработки изделий. Для интенсивной циркуляции среды в камере устанавливают пароразводящий коллектор с несколькими крупноразмерными соплами диаметром 15-25 мм; шаг установки сопел 0,5-1,0 м. Тип сопла (суживающееся, цилиндрическое или расширяющееся) определяется в зависимости от давления пара и требуемой дальнобойности струи. Оси сопел на 24 правляют так, чтобы струи не ударяли в поверхность бетона. Места установки коллектора и сопел для предохранения от повреждений оборудуют в нишах стен. Ямная камера соединяется с атмосферой через обратную трубу, которую устанавливают в нише стены. Наружный конец трубы оборудуют гидрозатвором и конденсатором для конденсации пара, выходящего из камеры вместе с воздухом. Работа таких устройств эффективна лишь при давлении пара более 0,25 МПа.
Одной из разновидностей ямных камер [8] является безнапорная камера Л. А. Семенова (рис. 1.6). В отличие от обычной камеры, пар поступает в нее через две перфорированные трубы, расположенные вверху и внизу; пар, выходящий из обратной трубы, для утилизации проходит через конденсатор. Через нижнюю перфорированную трубу пар подается в период подъема температуры среды до 90-95С. Дальнейшее повышение температуры идет за счет поступления пара через верхнюю перфорированную трубу. Эта камера позволяет обеспечить более высокую прочность бетона сразу после пропаривания, однако характеризуется повышенным удельным расходом пара на тепловую обработку.
Ямная камера ПДК-КИСИ, предложенная А. А. Вознесенским, предусматривает интенсивную циркуляцию теплоносителя с одновременным обеспечением полного омывания поверхности изделия. Интенсификация движения теплоносителя внутри рабочего объема камеры достигается подачей пара через крупноразмерные (15-25 мм) точечные сопла (типа сопла Лаваля). Струи пара путем эжек-ции вовлекают неподвижную греющую среду в скоростную циркуляцию с многократным коэффициентом (4-6 м и выше). Это обеспечивает высокие показатели теплообмена и равномерность нагрева изделий. В камере ПДК-КИСИ сопла расположены через 500-1000 мм. Они ввертываются в патрубки, приваренные к коллектору. Расположение коллекторов, направление осей каждого сопла и их количество зависит от типа укладки и вида изделий. Давление пара перед соплами должно быть не ниже 0,25-0,3 МПа. Камеры ПДК-КИСИ позволяют сократить продолжительность тепловой обработки, уменьшить удельный расход пара. Их недостатки: необходимо иметь относительно высокие параметры пара перед ка 25 мерой и обеспечить сочетание условий внутреннего теплоснабжения камеры с определенным типом железобетонных изделий.
Более усовершенствованная схема теплоснабжения ямных камер предполагает использование внешней эжекции теплоносителя (рис. 1.7). Пар в камеру поступает через крупноразмерные сопла, установленные в паропроводах, уложен 26 ных вдоль стен камеры на высоте 2/3 ее глубины. На высоте 200-300 мм над полом камеры вдоль стен уложены перфорированные трубы, через которые с помощью инжектора можно осуществлять рециркуляцию паровоздушной смеси, чтобы она хорошо перемешивалась. Пар можно подавать отдельно через сопла и перфорированные трубы одновременно, а также с рециркуляцией паровоздушной смеси. В летний период, когда пар к ямным камерам подходит более сухим, изделия можно нагревать за счет рециркуляционной схемы подачи теплоносителя. В зимний период при увлажнении пара в период нагрева изделий его можно подавать двояко — через сопла и через перфорированные трубы. В период изотермической выдержки подачу теплоносителя следует переводить на рециркуляционный режим. Для принудительного охлаждения изделий в камере открывают вентиляционные окна и включают инжектор с отсосом паровоздушной смеси в атмосферу.
Ямные пропарочные камеры с использованием в качестве теплоносителя продуктов сгорания природного газа (рис. 1.8) позволяют уменьшить количество расходуемой тепловой энергии по сравнению с применением пара за счет использования непосредственного сгорания топлива в тепловом агрегате, исключающего потери тепла в котельных и распределительных тепловых сетях предприятий. Теплогенераторы типа ТОК и ТОБ для использования в указанных целях изготовляются промышленностью. Применение камер с теплогенераторами наиболее целесообразно для тепловой обработки изделий из легких бетонов.
Энергозатраты на тепловлажностную обработку бетона в пропарочной камере
Тепловая обработка бетонных изделий производится до достижения ими требуемой отпускной прочности. При этом должна обеспечиваться необходимая прочность в возрасте 28 суток после пропаривания, т.е. заданная проектная марка бетона.
Для тепловой обработки бетонных изделий в первую очередь стали применять ямные пропарочные камеры, оснащенные крановым оборудованием для перемещения форм с изделиями. Эти установки периодического действия наиболее распространены в промышленности бетона и сохранили свою ведущую роль и в настоящее время. Ямные камеры сооружают полностью или частично заглубленными в пол или напольными. Основными их элементами являются стенки, пол с гидравлическим затвором для стока конденсата, съемные крышки и система паропроводов, оснащенных запорной и регулировочной арматурой для подачи пара в камеру.
Для составления теплового баланса ямной пропарочной камеры выберем режим тепловлажностной обработки бетона, по которому и произведем расчет основных энергозатрат.
Режимы тепловлажностной обработки характеризуются длительностью отдельных стадий процесса пропаривания и температурой изотермического прогрева. С режимом тепловлажностной обработки бетона тесно связаны его строительно-технические свойства, расход цемента и тепловой энергии.
Общий цикл пропаривания разделяют на 4 периода:
1. предварительное выдерживание — время от момента окончания формования изделия до начала повышения температуры среды камеры;
2. подъем температуры среды в камере;
3. изотермический прогрев — выдерживание при наивысшей заданной температуре,
4. охлаждение — понижение температуры среды камеры.
Режим твердения выражается суммой отдельных периодов в часах, например 2+3+6+2=13 часов. Подбор режима пропаривания производят в зависимости от требуемого критерия оптимальности при заданных ограничениях. Такими критериями могут быть минимально приведенные затраты или себестоимость продукции, минимальный расход цемента, максимально высокая относительная прочность и т. д.
Произведем расчет энергозатрат для пропарочной камеры с режимом твердения 3+5+1=9 часов без предварительного выдерживания [48,50,62...67, 79...87].
1. Основные размеры камеры тепловлажностной обработки бетона.
Для расчета теплового баланса пропарочной камеры принимаем, что используются две соединенные между собой камеры. Тепловая камера представляет собой параллелепипед с размерами
Боковая поверхность пропарочной камеры имеет трехслойную стенку: первый внутренний слой - лист метала Ст20 толщиной 5 мм, второй слой - из тяжелого железобетона толщиной 40 мм и третий слой - лист металла толщиной 5 мм.
Крышка пропарочной камеры имеет аналогичную боковой поверхности трехслойную стенку: лист метала Ст20 толщиной 5 мм, тяжелый железобетон толщиной 40 мм и лист металла толщиной 5 мм.
В тепловлажностной камере бетонные плиты устанавливаются по центру рабочей площади и имеют форму параллелепипеда с размерами а Ь с = 5,98 1,49 0,22 м.
Бетонные плиты располагаются по 8 штук в каждой камере, с суммарным количеством плит- 16 штук.
Для расчета теплового баланса примем исходные данные: Мпл - масса сухой бетонной плиты после пропаривания (2550 кг); Спл - удельная теплоемкость бетона (0,840 кДж/(кг С)); Мв - масса воды в бетонной плите после пропаривания (350 кг); Св - удельная теплоемкость воды (4,187 кДж/(кг С));
Мме.ст. - масса внутренней и внешней ограждающей металлической стенки пропарочной камеры (2 6115 кг = 12230 кг); Сет - удельная теплоемкость стали (0,480 кДж/(кг С));
Мме.ст. - масса ограждающей стенки пропарочной камеры из железобетона (12120 кг);
Си - удельная теплоемкость железобетона (0,850 кДж/(кг С)); N- производительность пропарочной камеры (16 плит); tB - температура окружающего воздуха (18С); tm\ - начальная температура бетонных плит (8С); t2 - температура пара в пропарочной камере (85С);
Составим уравнение теплового баланса тепловлажностной обработки бетона в традиционной пропарочной камере: Приход тепла:
Тепло, которое выделяет пар в пропарочной камере: Qn = Gn In = 2706,2 Gn где In = 2706,2 кДж/кг из таблицы при температуре 85С и давлении 0,20 МПа
Вследствие гидратации портландцемент в бетоне выделяет теплоту, которая частично снижает ее расход [88]. В процессе запаривания 1кг портландцемента выделяется (экзотермия цемента) теплоты около Qn = 250 кДж. В бетоне портландцемент составляет около В = 17%.
Определяем количество теплоты от экзотермии цемента: Qn3 = Qn тпл N В = 250 2550 16 0,17 = 1734000 кДж
Суммарное тепло, принесенное в пропарочную камеру составит: Оприод =Qn + Qn = 2706,2 Gn + 1,734 106 Расход тепла: В результате тепловлажностной обработки бетона в пропарочной камере тепло расходуется на нагрев соответственно бетонных плит, материалов ограждения камеры, арматуры, закладных частей и форм; на потери в окружающую среду через ограждающие конструкции камеры, в результате конвекции, щели и другие неплотности камеры, через тепло, уносимое с конденсатом пара и количества пара, требуемого на начальное заполнение свободного объема камеры.
Определим тепло, потерянное в окружающую среду через ограждения камеры, рассмотрев два периода тепловлажностной обработки бетона: первый период- нагрев бетона (3 часа) и второй период - изотермическое выдерживание бетона (5 часов).
Первый период (подъем температуры бетона - 3 часа).
Количество теплоты на возмещение теряемой теплоты пропарочной камерой в период подъема температуры от 18 до 85 С в окружающую среду определяют следующим образом.
Описание опыта производства бетона в экспериментальной камере обработки бетона продуктами сгорания природного газа
Согласно расчетным данным, определенным в главе 3, мы определили, что использование камеры тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа энергетически эффективно. Экономия, при получении бетона в таких камерах, составит 43% по сравнению с традиционными пропарочными камерами.
Однако нужно удостовериться, а не ухудшится ли качество получаемого бетона в тепловых камерах. Для этого были проведены эксперименты в камере тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа и пропарочной камере. Данные камеры являются идентичными, с одинаковыми размерами и теплопроводными свойствами стенок и т.д.
Экспериментальная пропарочная камера представляет собой рабочую камеру, изготовленную из листовой стали и щита управления. Между боковыми стенками камеры и крышки находится слой тепловой изоляции - минеральная вата. В нижней части камеры установлены два водяных ТЭНа мощностью 3 кВт, получающие питание от сети переменного тока напряжением 220В. Нагреватели погружены в воду, которая, испаряясь, создает в камере тепловлажностную среду. Предусмотрена также подача пара от парогенератора. Удаление воды из камеры производится через патрубок с вентилем, установленным в дне камеры.
Верхняя часть камеры имеет желоб, используемый в качестве водяного затвора. Автоматическое выдерживание заданного температурного режима осуществляется с помощью программного регулятора температуры типа ПРТЭ-2м, который соединен с платиновым термометром сопротивления типа ТСП-1, установленного в рабочем объеме камеры, через магнитный пускатель, включающий и отключающий ТЭНы. Образцы бетона помещают на решетчатый поддон. Для определения расхода электрической энергии установлен однофазный электрический счетчик классом точности 2,0.
При сравнении тепловых балансов в качестве традиционной пропарочной камеры используется безнапорная пропарочная камера с электронагревателями. Процесс тепловлажностной обработки бетона вышеназванной пропарочной камеры идентичен процессу в традиционной камере, так как при испарении воды ТЭНами, за короткое время камера заполняется паром со 100%-ной влажностью. В данной камере, как и в традиционной пропарочной камере возможность регулировки влажностной характеристикой отсутствует. Коэффициент полезного действия электронагревателей соизмерим с КПД парового котла, использующего в качестве топлива природный газ.
По таблице «Нарастание прочности тяжелого бетона на портландцементах и шлакопортландцементах марок 400-500 при тепловлажностной обработке и последующем твердении» [1] для проектной марки бетона М300 и водоцемент-ного отношения В/Ц=0,58 выбираем пятичасовой общий цикл тепловлажностной обработки для двух камер, соответствующий следующим режимам: 5 часов = 0,5+1,5 + 2+1: где 0,5 часа - предварительная выдержка в окружающей среде;
1,5 часа - подъем температуры среды камеры до 85 С;
2 часа - изотермический прогрев (выдерживание температуры среды 85 С);
1 час - охлаждение (понижение температуры среды камеры). Прочность бетона при испытании контрольных образцов после окончания пятичасового цикла тепловлажностной обработки и четырехчасового выдержи-вания должна составить 35...45% (14800 кгс/см ) от проектной.
Для поддержания температуры среды 80...95 С в экспериментальной камере тепловой обработки продуктами сгорания природного газа достаточно, чтобы горелка работала только на запальной горелке. При непосредственном контакте открытых поверхностей образцов бетона с теплоносителем при их про паривании применяется паровоздушная смесь, обеспечивающая относительную влажность среды на стадии изотермического прогрева 90... 100%. При нагреве бетона пар, отдавая свою теплоту, конденсируется на поверхности бетона, при этом меняется как температура, так и влагосодержание поверхности бетона и среды.
Для экспериментального опыта были изготовлены 54 образца бетона по 27 кубиков на каждую экспериментальную камеру по 9 с каждым заполнителем (известковый, шлаковый и гранитный щебень) на каждую тепловую камеру [94... 109]. Бетонные кубики размером 100 100 100 мм помещают на поддоны двух экспериментальных установок в два ряда в шахматном порядке по 14 и 13 штук соответственно на каждый поддон.
Рассмотрим эксперимент в камере тепловлажностной обработки бетона продуктами сгорания природного газа.
Через специальное отверстие камеры тепловой обработки продуктами сгорания природного газа заливаем в «водяную ванну» воду с температурой 18С, чтобы толщина слоя жидкости в «водяной ванне» составила не более 5 мм, для оптимального процесса нагрева и испарения, что составило около 3 литров воды. Параметры воздуха в помещении, где проводится эксперимент, следующие:
- температура воздуха 18 С:
- относительная влажность воздуха 50%.
Подъем температуры среды в камере тепловой обработки продуктами сгорания природного газа производится с помощью регулирующего вентиля подачи газа на запальной горелке с постоянной скоростью 30 С/час.
После двухчасового плавного подъема температуры среды камеры до 85 С относительная влажность, по пробам продуктов сгорания и методу охлаждения, составила около 95%. При визуальном осмотре, через люк крышки экспериментальной установки, на поверхности образцов бетона видна пленка конденсата от испарившейся жидкости «водяной ванны».
Во время всего изотермического прогрева относительной влажности среды в тепловой камере оставалась неизменной и составляла 90...95%.
Часовое понижение температуры среды камеры производится аналогично подъему, с помощью регулирующего вентиля подачи газа на запальной горелке. Температура в центре образцов бетона в конце тепловлажностной обработки составило около 50С.
После 5-часового режима тепловлажностной обработки бетона открываем крышку экспериментальной установки и достаем образцы.
Данные температур и влажности в камере тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа снимались каждые 5-Ю минут и приведены в таблице 3.1.
На основании данных изменения температуры среды тепловой камеры и образцов бетона при пятичасовой обработке продуктами сгорания природного газа в экспериментальной камере построим рис. 3.2.
На рис. 3.2 отчетливо видны три режима 5-часового цикла тепловлажно-стной обработки бетона по температуре среды тепловой камере. С 9-45 до 11-10 часов представлен режим плавного подъема температуры среды до 85С. С 11-10 до 13-50 часов изображен режим изотермического прогрева при постоянной температуре среды 85 С и с 13-50 до 14-45 часов - остывание в тепловой камере до 50 С.
Температура бетона, как на поверхности, так и в центре, только к началу режима остывания достигают своей максимальной температуры около 72 С и то, если температура на поверхности бетона при изотермическом прогреве изменяется незначительно, от 55 до 72 С, то температура в центре образцов бетона от44до72С.
Плавный подъем и понижение температуры образцов бетона, по сравнению с температурой среды в тепловой камере, связано в первую очередь с низким коэффициентов теплопроводности бетона 0,75...0,85 Вт/(м К), поэтому иногда резкие колебания температуры среды в процессе тепловлажностной обработки не сильно оказывают влияние на прочностные характеристики бетона.
Для построения графика нарастания прочности бетона после тепловой обработки в экспериментальной камере проведем 3 серии определения прочности бетона через разные временные промежутки выдерживания.
Тепловой баланс камеры тепловой обработки продуктами сгорания природного газа
1. Расчет горения топлива.
Расчет горения природного газа аналогичен расчету приведенному в п.3.2.
Для горелки УГОП-П-16, установленной в экспериментальной камере тепловой обработки бетона продуктами сгорания природного газа, коэффициент расхода воздуха составляет а = 1,15.
Химический состав сухих газов природного газа приведен в таблицы 3.5.
2. Основные размеры рабочей камеры.
Экспериментальная тепловая камера представляет собой параллелепипед с размерами а Ь с = 1600 900 800 мм.
Боковая поверхность пропарочной камеры имеет трехслойную стенку: первый внутренний слой - лист метала Ст20 толщиной 4 мм, второй слой - минеральная вата толщиной 20 мм и третий слой - лист металла толщиной 4 мм.
Крышка пропарочной камеры имеет аналогичную боковой поверхности трехслойную стенку: лист метала Ст20 толщиной 4 мм, минеральная вата толщиной 20 мм и лист металла толщиной 4 мм.
В тепловлажностной камере образцы бетона устанавливаются по центру рабочей площади и имеют форму куба с размерами а Ь с = 0,1 0,1 0,1 м.
3. Начальное температурное состояние образцов бетона. Начальное температурное состояние образцов бетона зависит от температуры используемых для изготовления материалов компонентов. Температура бе 132 тонных кубиков на поверхности и в середине равной tB = 8С. Температура окружающей среды to = 18С.
Первый период нагрева.
Первый период нагрева представляет собой подъем температуры среды внутри камеры тепловой обработки продуктами сгорания природного газа с 18 до 85С в течении 1,5 часов.
- Приход тепла связан в первую очередь с теплом продуктов сгорания природного газа, образуемым в тепловой камере, и воздуха с температурой окружающей среды tB = 18С. В первый период нагрева температуры до 85С, по показанию счетчика природного газа, израсходовано 0,53 м3, что в среднем составило около 0,35 м3 природного газа в час.
Средняя за период подъема температура уходящих газов составила по показаниям термометров, установленных на выходе из тепловой камеры, 55С Энтальпия уходящих газов при 55С составит і у = 71 кДж/м3 8). Потери тепла теплопроводностью через кладку: -) Первый период (подъем температуры бетона - 1,5 часа).
Для расчета теплового потока, теряемого боковыми стенками тепловой камерой, находящимся в закрытом помещении, при температуре поверхности стенки его до 150С можно использовать приближенную формулу: а2 = 9,74 + 0,07 (t„3 - tB) = 9,74 + 0,07 (55 -18) = 12,33 Вт/(м2 С) Второй период нагрева.
Второй период представляет собой изотермическое выдерживание бетона при постоянной температуре среды внутри камеры тепловой обработки продуктами сгорания природного газа 85С в течении 2 часов.
Расчет ведем аналогично первому периоду.
- Приход тепла связан в первую очередь с теплом продуктов сгорания природного газа, образуемым в тепловой камере, и воздуха с температурой окружающей среды tB = 18С, а также вследствие выделения теплоты портландцементом при температуре среды 85С. В период изотермического прогрева при 85С, по показанию счетчика природного газа, израсходовано 0,30 м3, что в среднем составило около 0,15 м3 природного газа в час. 1). Химическое тепло топлива определяется по формуле: QX2 = QPH BC T2 =34873 0,15 2 = 0,0105 106 кДж/период 2).Определим физическое тепло воздуха при температуре tB=18C QBo 2 = ів VB Bc т2 = 23,5 10,67 0,15 2 = 0,0001 106 кДж/период 3). Вследствие гидратации портландцемент выделяет теплоту, что частично снижает ее расход. В процессе запаривания 1кг портландцемента выделяется (экзо-термия цемента) теплоты около Qq = 250 кДж. В бетоне портландцемент составляет около В = 17%.
Средняя, за период изотермического прогрева бетона, температура уходящих газов составила по показаниям термометров, установленных на выходе из тепловой камеры, 85 С
Энтальпия уходящих газов при 85С составила i y = 116,5 кДж/м 6). Потери тепла теплопроводностью через кладку:
Второй период (изотермическое выдерживание - 2 часа). Произведем расчет количества теплоты, теряемого в окружающую среду в период изотермического выдерживания бетонных образцов при температуре 85С в течении т2 = 2 часов. На основании экспериментальных данных теплового баланса тепловлаж ностной обработки бетона в камере тепловой обработки продуктами сгорания природного газа постоим графики статей расхода, показывающие процентное и натуральное отношения каждой из статей расхода за один цикл.
По данным таблицы 3.9 и рис. 3.8, 3.9, удельный расход тепловой энергии на пропаривание бетона в камере тепловой обработки продуктами сгорания в два превышает расчетный (п.3.2.), это связано с неоптимальной загрузкой бетонных изделий. Так в экспериментальной камере отношение объема образцов бетона к объему камеры составляет 2,6%, в свою очередь при теоретических расчетах эта величина составляла 25,0%. Также в отличие от расчетов, проведенных в п.3.2., где основным теплоизоляционным материалом камер тепловлажностной обработки служит тяжелый железобетон, в экспериментальных камерах таким материалом была минеральная вата. Данный фактор также увеличивает затраты тепловой энергии на потери в окружающую среду.
