Расчет, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Подбор состава бетона:

 

Внутренние стеновые панели выпускаются из тяжелого бетона, утвержденным в установленном порядке и в соответствии с требованиями СТБ 1151.

     Состав бетонной смеси принимаем на основании данных заводской лаборатории завода ОАО «Стройпрогресс» МАПИД

 

Цемент:   марки М400     

                    Ц=353 кг;

Песок речной:  rп=2630 кг/ м3

            П=710 кг;

Щебень:   rщ=2670 кг/м3 

                    Щ=1157 кг;

Вода:           В=180 л

Добавка С-3: Д=0.5 л

Плотность бетонной смеси rбс=2400,5 кг/м3, с арматурой rбса=2502,5 кг/м3 .

Для производства одной внутренней стеновой панели требуется 1,728 м3 бетона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Выбор и обоснование режима тепловой обработки:

 

 

Согласно техническим условиям на изготовление внутренних стеновых панелей назначим следующий тепловой режим:

Режим выбран руководствуясь ТКП 45-5.03-13-2005 

                      Подъем температуры                                      1 час;

                      Изотермическая выдержка при =70 ºС    4 часа;

                      Время охлаждения (термос)                           4 часа.

                                                                       Итого:     9 часов

=70 ºС Принять в связи с использованием добавки С-3

 Проверку  прогреваемости изделия принимаем  по выбранному режиму, используя  критериальные зависимости теплопроводности  при нестационарных условиях  теплопередаче. Бетон рассматриваем  как инертное тело без учета  теплоты, выделяющейся при гидратации  цемента.

Качественную характеристику скорости изменения температуры тела при неустановившемся режиме учитывают критериальным комплексом Фурье:

                                    (1)

где

t - продолжительность нагрева (охлаждения), ч;

R- определяющий размер изделия, м;

a- коэффициент температуропроводности, м2/ч;

,                                  (2)

где

l- коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м ºС), для тяжелого бетона l=2,5 Вт/(м ºС);

ρ- плотность ж/б, кг/м3,

с- теплоемкость материала, кДж/(кг ºС),

, кДж/(кг  ºС),      (3)

где

сц,п,щ,в,м- массовые теплоемкости цемента, песка, щебня, воды, металла арматуры соответственно, кДж/(кг ºС),

Gц,п,щ,в,м – масса цемента, песка, щебня, воды, металла арматуры соответственно, кг.

 

 

	цемент	песок	щебень	вода	сталь
с, кДж/(кг ºС)	0,84	0,84	0,84	4,19	0,48
G кг.	353	710	1157	180	102

 

 

кДж/(кг С)

По формуле (2):

 

 м2/ч

По формуле (1) с учетом R=0,08 м. и τ=0.5 ч. имеем:

Зависимость скорости распространения теплоты в изделии от интенсивности внешнего теплообмена учитываем критериальным

   комплексом Био:

                                  (4),

где

α- коэффициент теплоотдачи от среды к поверхности обрабатываемого изделия Вт/(м2 ºС);

По формуле (4) для α1=110, α2=100, αиз=90 имеем следующие значения Bi:

;            .

При расчете температуры материала в точке х используется критериальная зависимость типа:

,                          (5)

где

Q- безразмерная температура;

tс- средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС

tн- температура изделия в начале расчетного периода, ºС.

Температура на поверхности равна

                             (6)

Температура в центре изделия

                             (7)

Значения безразмерных температур Qп и Qц определим по таблицам исходя из рассчитанных выше величин Fo и Bi:

 Qц1=0,82; Qц2=0,83;  Qциз=0,84; Qп1=0,31; Qп2=0,32;  Qпиз=0,33.

 

Определим температуры в период подъема по формуле (6,7):

 

tп11 = 28,75 – 0,31 (28,75 – 15) = 24,5 ºС

tп21 = 56,25 – 0,32(56,25 – 24,5) = 46,1 ºС

tц11 = 28,75 – 0,82(28,75 – 15) = 17,5 ºС

tц21 = 56,25 – 0,83(56,25 – 17,5)=24,1 ºС

 

Определим температуры в период изотермической выдержки по формуле (6,7):

 

tп12 = 70 – 0,33(70 – 46,1) = 62,1 ºС

tп22 = 70 – 0,33(70 – 62,1) = 67,4 ºС

tп32 = 70 – 0,33(70 – 67,4) = 69,1 ºС

tп42 = 70 – 0,33(70 – 69,1) = 69,7 ºС

tп52 = 70 – 0,33(70 – 69,7) = 69,9 ºС

tп62 = 70 – 0,33(70 – 69,9) = 69,97 ºС

tп72 = 70 – 0,33(70 – 69,97) = 69,99 ºС

tп82 = 70 – 0,33(70 – 69,99) = 69,997 ºС

 

tц12 = 70 – 0,84(70 – 24,1) = 31,4 ºС

tц22 = 70 – 0,84(70 – 31,4) = 37,6 ºС

tц32 = 70 – 0,84(70 – 37,6) = 42,8 ºС

tц42 = 70 – 0,84(70 – 42,8) = 47,2 ºС

tц52 = 70 – 0,84(70 – 47,2) = 50,8 ºС

tц62 = 70 – 0,84(70 – 50,8) = 53,9 ºС

tц72 = 70 – 0,84(70 – 53,9) = 56,5 ºС

tц82 = 70 – 0,84(70 – 56,5) = 58,7 ºС

 

Средняя температура изделия за расчетный период определим по формуле

, ºС                      (8)

 

 

 

 

            

 

 

 

            

 

 

  

         

 

 

 

 

Результаты запишем в таблицу:

 

Подъем температуры и изетермическая выдержка,ч	Bi	F0	Qц	Qп	tп	tц	tбср
0,5	3,52	0,266	0,31	0,82	24,5	17,5	19,8
1,0	3,2		0,32	0,83	46,1	24,1	31,4
1,5	2,88		0,33	0,84	62,1	31,4	41,6
2,0	2,88		0,33	0,84	67,4	37,6	47,5
2,5	2,88		0,33	0,84	69,1	42,8	51,6
3,0	2,88		0,33	0,84	69,7	47,2	54,7
3,5	2,88		0,33	0,84	69,9	50,8	57,2
4,0	2,88		0,33	0,84	69,97	53,9	59,3
4,5	2,88		0,33	0,84	69,99	56,5	61
5,0	2,88		0,33	0,84	69,997	58,7	62,5

 

 

 

Для наглядности процесса разогрева бетона и паровоздушной среды построим график изменения температур во времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При таком тепловом расчете температур температуру изделий получают без учета теплоты гидратации. В реальных условиях температура бетона к концу изотермической выдержки  может быть уменьшена на 5…10 ºС по отношению к заданной по режиму.

 

    Теплота экзотермии. В приближенных  расчётах  количество теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента, можно определить по следующей  формуле:  

                                 ,кДж/кг

Где М=400 – марка цемента;

- количество  градусо-часов от начала процесса, град∙час;

В/Ц=180/353=0,51 – водоцементное отношение;

a – эмпирический коэффициент, равный

а=0,32+0,002∙ , при < 290 град∙час;

a=0,84+0,0002∙ , при > 290 град∙час;

Рассчитаем количество градусо-часов:

,град∙час;

Тогда  а=0,32+0,002∙211=0,74.

                                 ,кДж/кг.

  Общее  количество  теплоты гидратации, выделяемое цементом, находящимся в установке:

Для производства одной  внутренней стеновой панели требуется =1,728 м3 бетона:

Тогда количество бетона загружаемое в установку равно:

n- количество изделий в установке

  , кДж.

где Ц=353 кг/м3 – расход цемента;

     Определим повышение средней  температуры изделия за счёт  теплоты гидратации цемента:

                                   , 0С,

где Gб – масса бетона в тепловой установке;

 сб =1,0669  кДж/(кгºС) - средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия.

                                     , 0С.

Вывод: за счет экзотермии цемента мы обеспечиваем догрев бетона до заданной температуры и данный режим тепловой обработки.

 

5.Определение требуемого количества тепловых агрегатов, их размеров и схемы размещения:

 

Число установок периодического действия определим по выражению

, шт.                          (9)

где

N0- годовая производительность линии, м3;

tц- продолжительность цикла работы установки (с учетом времени предварительной выдержки, загрузки и разгрузки, длительности тепловой обработки), ч;

Vб- суммарный объем бетона, одновременно обрабатываемого в одной установке, м3

М- число рабочих дней в году;

К- число смен; 

Z- продолжительность рабочей смены, ч.

 

-время загрузки.

-время подъема температуры.

-время изотермической выдержки.

-время охлаждения.

-время распалубки и чистки форм.

 

Схема подвода теплоносителя.

 

 

 

 

 

6.Составление и расчет уравнения теплового баланса установки:

 

Теплотехнический расчет заключается в составлении теплового баланса установок, на основании которого определяется расход теплоты, требуемой на тепловую обработку изделий. Базовой величиной для расчета теплового баланса является количество теплоты, расходуемое за цикл тепловой обработки.

Для установок периодического действия уравнение теплового баланса имеет вид:

, кДж               (10)

где Q=Gп∙iп- поступление теплоты от теплоносителя в каждом из периодов или за весь цикл тепловой обработки;

здесь Gп – расход теплоносителя, кг;

iп = i’+r∙x – энтальпия теплоносителя, поступающего в установку, кДж/кг;

Qэкз- количество теплоты, выделяющейся в процессе экзотермической реакции гидратации цемента с водой затворения, кДж.

Β =1,2- коэффициент, учитывающий неизбежные потери теплоты;

Qб- количество теплоты, расходуемое на нагрев бетона, кДж;

Qогр- количество теплоты, расходуемое на нагрев ограждений, кДж;

Qпот- количество теплоты, потерянное установкой в окружающую среду, кДж;

Qк- потери с конденсатом, кДж.

 

Теплота на нагрев бетона. Количество теплоты, расходуемое на нагрев массы изделия, определим по формуле:

, кДж                      (11)

где сб =1,0669  кДж/(кгºС) - средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделий;

tн, tк- средние температуры бетона в начале и конце соответствующего периода, ºС.

Рассчитаем данную величину по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

 кДж

 

 

 

изотермическая выдержка:

 кДж

 

Теплота на нагрев формы. Количество теплоты, расходуемое на нагрев установки:

, кДж                      (12)

где 1.2-коэфициент, учитывающий нагрев станины установки;

 cм=0,48 кДж/(кг ºС)- теплоемкость материала формы;

сиз=0,84 кДж/(кг ºС)- теплоемкость минеральной ваты;

Gп.р-масса метала паровых рубашек;

Gизл-масса тепловой изоляции;

Gогр-масса метала ограждающих листов

tк- средняя температура материала в конце рассматриваемого периода, ºС;

tн- начальная температура металла формы, равная в период подъема температуры – температуре воздуха в цеху или на улице, а в период изотермической выдержки – температуре поверхности бетона изделия в конце периода подъема температуры, ºС.

Рассчитаем температуру на наружной поверхности обшивочного слоя метала:

    

(м2 ∙ºС)/Вт                      

 

              

             

     

 

 

 

 

 

Рассчитаем массы металла и изоляции: