Разработка тепловой установки для тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Разработка тепловой установки для тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий



Введение

теплотехнический железобетонный автоматика

Эффективность применения бетона в современном строительстве в значительной мере определяется темпами производства железобетонных изделий. Решающим средством ускорения твердения бетона в условиях заводской технологии сборного железобетона является тепловая обработка.

Процесс тепловой обработки занимает 70-80% времени всего цикла изготовления изделий. На тепловую обработку расходуется до 70% всей тепловой энергии на производство сборного железобетона. Затраты на тепловую обработку обусловлены не только затратами на пар и другие виды энергии, с ней связано количество форм и расходы цемента. Длительность тепловой обработки определяет время оборачиваемости отдельных форм, стоимость которых составляет весьма существенную долю стоимости всех производственных фондов предприятия.

До 85% всей продукции заводского производства подвергается пропариванию в камерах при нормальном атмосферном давлении пара и температуре среды 60 - 100°С. Кроме пропаривания применяют запаривание - обработку бетона в автоклавах при температуре насыщенного водяного пара 174 - 191°С и давлении 0,9 - 1,3 МПа, нагрев в закрытых формах с контактной передачей теплоты бетону от различных источников через ограждающие поверхности формы; электропрогрев бетона, прогрев бетона индукционными токами в электромагнитном поле.

Тепловая обработка сборных железобетонных изделий производится до достижения ими требуемой отпускной прочности. При возрасте 28 суток после пропаривания, т.е. заданная проектная марка бетона. Под отпускной прочностью бетона понимается такая прочность, при которой изделие разрешается отгружать от завода потребителю.

В процессе ТВО происходит ряд физических, физико-химических и химических процессов, которые формируют структурную прочность бетона.

В начальный период цемент реагирует с водой за счет гидратации, образуется пересыщенный раствор новообразований, выделяются в виде геля из пересыщенного раствора, формирует первую структуру цементного камня. Это первая структура имеет вид рыхлого каркаса, который постепенно ускоряется. Полученный во время гидратации цементный гель увеличивается в размерах, одновременно во внутрь и наружу цементных зерен, занимает почти два раза большой размер чем зерна цемента, из которого он образуется. Поэтому гель вынужден занимать пространство, где ранее находились одна и воздух, уменьшает пористость и радиус пор. Все это заставляют свободно воздуху и влаги, а сам бетон обменивается воздухом и влагой с огромной средой.

Процесс нагрева бетона пар отдавая свою теплоту конденсируется на поверхности бетона, в этом случае изменяется как температура так и влагосодержание поверхности бетона и окружающей среды. Эти процессы являются внешними по отношению к материалу и поэтому их называют внешним тепло- и массообменом.

Передвижение влаги и воздуха по материалу, а также изменение температурного поля воздействует на формирующуюся структуру материала. Если образующаяся структура не в состоянии противостоять силе, с которой продвигается масса, слагающаяся с силой возникающих температурных напряжений, то это структура в большей или меньшей степени может разрушаться. Поскольку с увеличением скорости нагрева сила передвигаемой массы нарастает, то нагрев изделий следует ввести с какой-то вполне определенной безопасной для разрушения структуры скорости.

Наибольшая скорость формирования структуры бетона наблюдается во втором периоде ТВО, во время выдержки при постоянной температуре. Разности температуры и влагосодержания с насыщением материала в этот период начинает уменьшаться и постепенно выравниваются, что значительно улучшают условия структурообразования, кроме того в это время идет дальнейшая гидратация цемента, влага из образовавшегося на поверхности геля отсасывается внутренними слоями цементного зерна, в следствие влагосодержание геля начинается кристаллизация новообразования, что и обуславливает нарастание процесса структурообразования и упрочнения всей системы.

Третий период, период охлаждения, из материала интенсивно удаляется влага процессы кристаллизации новообразования и структурообразования резко увеличивается, материал цементируется. Однако в это время опять начинает возрастать перепады температур и влагосодержания между поверхностью и центральными слоями материала, возрастает масса переноса внутри материала, эти процессы опять начинают воздействовать на структуру материала и могут снова привести к ее разрушению.



Исходные данные

Таблица 1

№	наименование	значение
1	Тип установки: щелевая (туннельная) камера двухярусная установка
2	Вид материала: стеновая панель наружные 112 серии.
3	Годовая производительность	17300 м3/год
4	Объем одного изделия	1,604 м3
5	Время загрузки: фн	3,44 ч
6	Время выгрузки: фо	2 ч
7	Время изотермической выдержки: фи	5 ч
8	Начальная температура изделия: t1	15°С
9	Температура изотермической выдержки: t2	100°С
10	Температура извлечения из установки: t?1	40°С
11	Температура окружающей среды: tв	16°С
12	Скорость подъема температуры: Vп	25°С/час
13	Скорость охлаждения: Vo	30°С/час
14	Нормированное количество рабочих дней в году	247 дней
15	Коэффициент использования оборудования	0,89

Таблица 2. Характеристики материалов

Характеристики материалов	бетон	Вода	Сталь
Удельная теплоемкость с, кДж/(кг·К)	0,84	4,19	0,46
Теплопроводность л, Вт/(м·°С)	1,450	0,580	56,00
Плотность с, кг/м3	2400	1000	7800

Таблица 3. Характеристики пара

Характеристики пара	Обозначение	При t=100°С
Энтальпия пара, кДж/кг	i»	2676
Энтальпия конденсата, кДж/кг	iк	419,09
Теплота парообразования, кДж/кг	r
Плотность, кг/м3	сп	0,5977



Таблица 4. Технические характеристики щелевой камеры

№	Наименование	Значение
1	Длина, м	119,548
2	Ширина, м	4,2
3	Высота, м	1,416
4	Количество изделий, размещаемых в камеру, шт	29
5	Количество вагонеток (изделий на вагонетке)	10

Таблица 5. Технические характеристики стенового панеля

№	Наименование	Значение
1	Длина, мм	3580
2	Ширина, мм	2800
3	Толщина, мм	150
4	Вес, т	1,44
5	Объем, мі	1,604



1. Выбор типа конструкции и принцип работы установки

Щелевые камеры непрерывного действия применяют при конвейерном способе производства железобетонных изделий. Их выполняют в виде проходных тоннелей высотой не менее 1,5 м, по которым специальными механизмами перемещаются формы - вагонетки с изделиями. Небольшая высота камер исключает перепады температуры среды в их поперечном сечении и создает одинаковые температурно-влажностные, условия твердения для каждого изделия. Длина камер непрерывного действия определяется производительностью тепловой обработки. Компоновка камер непрерывного действия определяется производительностью конвейеров и продолжительностью тепловой обработки. Компоновка камер непрерывного действия зависит от схемы конвейерной линии. Камеры могут быть выполнены напольными или заглубленными, причем поверхность перекрытий камер используется для выполнения различных технологических операций по производству изделий. При необходимости сокращения длины камер непрерывного действия их выполняют блоками в несколько рядов по горизонтали и вертикали. Температуру паровоздушной среды камер тепловой обработки контролируют термометрами, расположенными равномерно по их длине в верхнем и нижнем ярусах. Количество подаваемого теплоносителя регулируют запорно-регулирующей арматурой, разделяющей системы теплоснабжения верхнего и нижнего ярусов. Недостатком камер непрерывного действия являются значительные (до 25%) теплопотери вследствие утечки пара через торцы. Для экономии тепла торцы горизонтальных камер рекомендуется оборудовать дверьми с механическим приводом (по типу СМЖ - 445 конструкции Гипростоммаш) или специальными герметизирующими устройствами конструкции СКТБ Главмостройматериалов.

Камеры непрерывного действия полигонального очертания, у которых загрузочное отверстие расположено ниже уровня зоны пропаривания, практически исключают торцевые теплопотери, однако такие камеры предусматривают довольно сложную систему толкателей. TBO бетона насыщенным паром в открытой металлической форме. Увлажнение бетона со стороны днище формы пар конденсируется на нем, нагревая ее. Днище формы обращено внизу установки, поэтому из условия теории теплоотдачи нагрев со стороны днище будет отставать от нагрева открытой поверхности. Для этого случая если отложить в по оси У температура по толщине пластины каждой точки поля температура будет представлено кривой Т, тогда согласно механизму рассмотренному ранее конечное удлинение пластины по условию, что она не заключена в форму должна составить Lk. Отложим по оси У условие в масштабе в влагосодержание по толщине пластины поле для этого случая представлено кривая U согласно механизму рассмотренного ранее конечная длина пластины должна составлять Цъ если бы она не находилась в форме должна была стать равной [Lo+(Lk-Lo)+(Lki - Lo)]. Однако жесткая форма с бортоснасткой препятствует удлинению пластины, воздействует на материал различных сечений (толщина пластины 2х) с различной силой равной суммарной силе. Взаимодействие этих сил влияет на формирующую структуру. Если силы возникают в материал в данный момент времени, будут превышать структуру прочности материала, то это структура будет нарушаться. При нагреве возникает напряжение состояние от перепадов давления по толщине изделий. Поля давлений по толщине не ограничиваются пластиной 2х может быть представлен условном масштабе кривой Р расположенной линии атмосферной давлении. Перепады давления создают потенциальную напряжения причем открытая поверхность бетона испытывает перепад давления. Все эти могут приводить к возможным нарушающимся структурам растрескивания материала с поверхности, что позволяет вывод: бетон в форме находится в напряженном состоянии различно по поперечным сечениям и особо не благоприятно для открытых поверхностей. Кроме того чем больше толщина изделия тем больше напряженное состояние, изложенное справедливо «выдержанного бетона» имеющего к моменту TBO некоторую прочность. Свежее формованный бетон прочности не имеет при ее нагреве слои легко могут передвинуть по отношению друг другу однако при нагреве эта структура прочности начинает формироваться и при движении слоев так же значит, мере нарушаются способность бетона к формированию структуры прочности.

2. Технологический расчет

Продолжительность теплового цикла работы камеры

ф = ф _н + ф _и + ф _о, ч

где ф_з - время загрузки, ч;

ф_н - время нагрева, ч;

ф_и - время изотермической выдержки, ч;

ф _н =(t₂-t₁)/V_п, ч

где t₁ - начальная температура изделия, принимается равной 14?С;

t₂ - максимальная температура изделия, принимается равной 60?С;

V_п - скорость подъема температуры, принимается равным 30?С/ч;

ф _н = (100 - 15) / 25 = 3,44 ч.

ф _о =(t₂-t₁)/V_o, ч

где t₁' - температура, при которой изделия извлекаются из камеры после ТВО, принимается равной 42?С;

V_о - скорость понижения температуры в камере, принимается равным 30 С/ч;

ф _о = (100 - 40) / 30 = 2 ч.

После нахождения ф_н,ф_и, ф_о, определяем продолжительность теплового цикла работы камеры по формуле (1):

ф= 3,44 + 5 + 2 = 10,44 ч.

Суточная производительность тепловых установок:

где - годовая производительность завода (цеха), м3/год;

- нормированное количество рабочих дней в году;

- коэффициент использования оборудования.

Оборачиваемость камер:

Количество изделий, изготовленных в сутки:

где - объем одного изделия, м³.

Количество изделий размещаемых в камеру

N=П_ч ? ф

П_ч=2,74 шт./час;

N=2,74= 28,6 шт.

Рабочая длина;

L = 28,6 • 4,18/1 = 119,548 м

Рабочая высота;

Н=1*(0,458+0,1)+0,1+0,2+0,2=1,416 м

Рабочая ширина;

В=3,7+2•0,25 = 4,2 м

где - длина формы - вагонетки, м;

- число ярусов или форм - вагонеток в одной стопе, шт.;

- высота формы - вагонетки, м;

- свободный промежуток по высоте камеры между формами - вагонетками, м;

- расстояние от рельсового пути нижнего яруса до пола;

- расстояние от верхней поверхности изделия, находящегося на вагонетке верхнего яруса до перекрытия, м;

- ширина формы - вагонетки, м;

- допустимые промежутки между формой - вагонетки и стеной камеры, м.

длина зон составляет:

зона нагрева:

зона изотермической выдержки:

зона охлаждения:

3. Теплотехнический расчет

Период нагрева

Уравнение теплового баланса имеет вид:

Q_ист=Q_б+Q_в+Q_ф+Q₅+Q_п-Q_экз, кДж

где Q_ист - количество теплоты, кДж, которое должно быть подведено теплоносителем к тепловой установке;

Q_б - теплота на нагрев железобетонных изделий в камере, кДж;

Q_в - теплота на нагрев воды в бетонной смеси изделий, кДж;

Q_ф - теплота на нагрев формы, кДж;

Q₅ - потери теплоты конструкцией тепловой установки в окружающую среду, кДж;

Q_п - неучтенные потери теплоты, кДж;

Q_экз - количество теплоты, выделяющейся в процессе экзотермических реакций цемента с водой затворения, кДж.

Часовой расход бетонных изделий:

G_б=G_и·n_и= 1,604 · 29 ·2400 = 111638,4 кг

Q_б= G_б·с_б·(t₂-t₁)=111638,4•0,84•(100-15)= 7970981,76 кДж

Часовой расход воды в бетонной смеси изделий:

G_в==В•Vизд•n изд =190 • 1,604 • 29 = 8261,242 кг

Q_в= G_в·с_в·(t₂-t₁)= 8261,242 • 4,19 • (100-15) = 3942241,34 кДж

Полная масса металла

G=(Gтел+Gфор)•1,4•n = 29 · 105 + 7800 · 1,604 · 0,08 · 29 =32087,32,

Q_ф= G_м·с_м·(t₂-t₁)=32087,52 • 0,46•(100-15) = 1145524,42 кДж

где - потери теплоты в окружающую среду через стены установки, соприкасающейся с воздушной средой цеха, т.е. выступающие над землей, кДж;

- потери теплоты в окружающую среду через крышку, кДж;

- потери теплоты через пол и стены, соприкасающейся с землей, кДж.



Далее, задаваясь видом тепловой изоляции и ее толщиной , проверяют ранее принятое значение температуры наружной стенки формулой:

Потери теплоты через пол и стены, соприкасающиеся с грунтом:

кДж

где - площадь пола и стен, соприкасающихся с грунтом, м²;



Неучтенные потери теплоты на основании опыта проектирования принимаются в количестве 10-20% от учтенных потерь:

где - масса цемента во всех изделиях, загружаемых в камеру, кг;

- теплота, выделяемая при гидратации 1 кг цемента в период нагрева:

где - количество теплоты экзотермии при твердении бетона естественных условиях, кДж/кг (принимается по справочным данным);



Общий расход теплоты за период нагрева:

Период изотермической выдержки. Уравнение теплового баланса для этого периода будет иметь вид:

Удельный расход пара на 1 м плотного бетона:

Уравнение теплового баланса для установок непрерывного действия:

Q _r = 42151801,99 кДж/ч

Часовой расход пара на установку:



Удельный расход пара на 1м³ плотного бетона:

Расчет подачи пара

Расчет диаметров паропроводов можно выполнять по необходимому расходу пара и рекомендуемым скоростям в них пара. Площадь поперечного сечения паропровода:

D_и= 15383869,34/2256,94

F_тр=D_и/(с·щ·3600), мІ

Fтр= /(0,5977·40·3600)=0,00101, м

радиус паропровода:

=1,8 см d= 3,6 см

Пар в установку, как правило, подается через перфорированные трубы. Диаметр отверстия d_о для выхода пара примем 4 см. Количество отверстий в перфорированных трубах для подачи в установку необходимого расхода пара:



4. Тепловой контроль и автоматика

Автоматизация процессов тепловой обработки изделий имеет целью обеспечить заданный тепловлажностный режим твердения бетона для получения продукции с требуемым комплексом свойств. На заводах сборного железобетона используют дистанционный и местный автоматический контроль основных параметров тепловой обработки и автоматическое управление с программным регулированием температурного режима.

Разработаны и применяются полуавтоматические и автоматические системы управления установками ускоренного твердения бетона. При полуавтоматическом регулировании паровоздушная среда нагревается до заданной температуры, однако характер изменения нагрева среды не задается и может изменяться в широких пределах. Для осуществления полуавтоматического регулирования установок периодического действия в системе пароснабжения устанавливают диафрагмы и регуляторы температуры. При достижении изотермической выдержки регуляторы автоматически поддерживают требуемую температуру. При этом методе пар в период нагрева подается без учета начальной температуры камер.

Для автоматического регулирования режима тепловой обработки изделий применяются системы, в которых регулируется либо температура теплоносителя (в ямных камерах), либо температура конденсата (в кассетных установках, термоформах).

Автоматическое регулирование в кассетных установках осуществляется с использованием программных регуляторов температуры ПРТЭ-4М (рис. 4) или ЭРП-61. Некоторые основные параметры регулятора ПРТЭ-2М: пределы изменения температуры 0-100?С; точность изменения температуры от верхнего предела шкалы ±2,5%; чувствительность - не менее 0,5?С; максимальная продолжительность регулирования 24 ч, потребляемая мощность 30 Вт. Регулятор имеет свой задатчик - копир, вырезаемый в соответствии с желаемым графиком температурного режима. Изделия обрабатывают паром при определенном давлении с целью поддержания пара в требуемых пределах. На общей паровой магистрали устанавливают регулирующий клапан прямого действия. Для стабилизации давления пара общий трубопровод обычно закольцовывают. При падении давления в паропроводе срабатывает специальный сигнализатор. Сигнализатор отключает электропитание регулятора, вместе с тем включается датчик (счетчик) времени простоя кассеты. Режим изменения температуры в каждой кассетной установке записывается на диаграмме электронного моста. Окончание цикла работы кассетной установки оповещается световой сигнализацией.

При автоматизации режима работы кассетных установок важное значение имеет устранение температурных перепадов, которые в различных точках по длине и высоте изделий в период подъема температуры достигают 35?С. С этой целью кассетные установки оснащают эжекторами. Эжектор устанавливают перед коллектором распределения пара по тепловым отсекам. При подаче пара в камере всасывания эжектора образуется разрежение в результате происходит отсос воздуха и паровоздушной смеси. Отсасываемая смесь поступает в камеру эжектора, где смешивается со свежим паром, понижая его температуру. Полученная паровоздушная смесь подается через коллектор подачи пара в перфорированные трубы, проходящие внутри отсеков. Благодаря усиленной циркуляции температура паровоздушной смеси по плоскости рубашек кассеты выравнивается. Разброс температуры по всей площади кассет, оборудованных эжекторами, не превышает 10?С; сокращается цикл тепловой обработки и расход пара, повышается равнопрочность в различных точках изделий.

5. Технико-экономические показатели (ТЭП)

Таблица 6

№	Наименование	Показатели
1	Вид установки	щелевая
2	Годовая производительность, мі	17300
3	Суточная производительность, мі
4	Часовая производительность, мі	2,74
5	Продолжительность ТВО, ч	10,44
6	Расход пара, кг пара/мі

6. Охрана труда и техника безопасности

Заводы сборного железобетона относятся к числу предприятий, на которых санитарно-гигиенические условия труда и техника безопасности являются не только важнейшими критериями для повышения производительности труда, они обеспечивают сохранение здоровья каждого работающего на заводе.

Вопросы обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий труда на предприятиях должны строго соблюдаться при его эксплуатации. Многие цехи в результате выполнения технологических процессов создают значительное выделение пыли, конвекционного или лучистого тепла, паров и вредных газов. В формовочных цехах используются вибрационные механизмы, которые оказывают отрицательное влияние на состояние здоровья рабочего, они же являются источниками шума и т.д., поэтому на таких предприятиях в целях обеспечения безопасных и нормальных санитарно-гигиенических условий труда необходимо строго руководствоваться правилами техники безопасности и производственной санитарией.

Тепловые установки на заводах строительных материалов и изделий являются агрегатами повышенной опасности, так как их работа связана с выделением теплоты, влаги, пыли, дымовых газов. Поэтому условия труда по эксплуатации таких установок строго регламентируются соответствующими правилами и инструкциями. Контроль за соблюдением правил и инструкций по охране труда и технике безопасности осуществляется органами государственного надзора и общественными организациями, которые и разрабатывают эти нормы.

Согласно действующим нормативам, в цехах, где размещаются тепловые установки, необходимо иметь: паспорт установленной формы с протоколами и актами испытаний, осмотров и ремонтов на каждую установку; рабочие чертежи, находящегося оборудования; исполнительные схемы всех трубопроводов с нумерацией арматуры и электрооборудования; инструкции по эксплуатации и ремонту. В таких инструкциях должно быть краткое описание установок, порядок их пуска, условия безопасной работы, порядок установки, указаны меры предотвращения аварий. Кроме того, инструкции должны содержать чёткие указания о порядке допуска к ремонту установок, о мерах безопасного обслуживания и противопожарных мероприятиях.

На стадии проектирования предусматриваются нормы безопасной работы и эксплуатации тепловых установок. Каждая тепловая установка разрабатывается с таким расчётом, чтобы она создавала оптимальные условия ведения технологического процесса и безопасные условия труда. Для этого необходимо, чтобы поверхности установок были теплоизолированы и имели температуру не выше 40?С.

Проектировать топки, сушила, печи в которых используются продукты горения топлива, разрешается только на давление менее атмосферного (разрежение). Установки для тепловлажностной обработки проектируют с обязательной герметизацией. Эти установки оборудуют вентиляцией рабочего пространства, которая включается перед выгрузкой изделий и тем самым позволяет удалять пар из установки.

Оборудование тепловых установок проектируют с ограждением, а его включение в работу должно сопровождаться звуковой и световой сигнализацией. Площадки для обслуживания, находящиеся выше уровня пола, оборудуют прочным ограждением и сплошной обшивкой по нижнему контуру.

Отопление и вентиляция цехов. В которых устанавливают тепловые установки, необходимо рассчитывать с учетом выделения теплоты, испарения влаги и выделения пыли. Электрооборудование тепловых установок проектируют с заземлением. Все переносное освещение делают низковольтным.

Особое внимание при проектировании тепловых установок следует уделять очистке работающих теплоносителей от уносов пыли и мелких частиц материала. Согласно нормативным указаниям, для тепловых установок следует проектировать специальные очистные устройства.

При эксплуатации тепловых установок в цехах., где они расположены, кроме соблюдения требований, упомянутых в общих положениях, обязательно должны быть вывешены на видном месте инструкции по правилам эксплуатации установок и охране труда. Весь обслуживающий персонал тепловых установок допускается к работе только после изучения, а также после обязательного документального оформления проверки его знаний.

Персонал, обслуживающий тепловые установки., которые контролируются Госэнергонадзором и Гостехнадзором и к которым предъявляются повышенные требования по охране труда, проходит дополнительное обучение с обязательной проверкой знаний в соответствии с правилами этих учреждений.

Все кассеты должны иметь герметичные системы подвода пара, оборудованные надежными вентилями. В цехах, где расположены кассеты, обязательно устанавливают приточно-вытяжную вентиляцию.

Электрооборудование и электроприборы, размещенные в цехах, где производят тепловлажностную обработку, должны быть рассчитаны на работу во влажной среде. Электродвигатели должны иметь обязательное заземление.



Список использованной литературы

1. Ю.М. Баженов, А.Г. Комар Технология бетонных и железобетонных изделий: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1984. - 672 с., ил.

2. Г.Г. Турантаев. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных изделий. - Якутск: Изд-во СВФУ, 2013.

3. В.С. Богданов, С.И. Ханин, Р.Р. Шаралов. Механическое оборудование специального назначения и технологические схемы производственных комплексов предприятий строительных материалов: атлас конструкций: учебное пособие. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - 232 с

4. Н.Б. Марьянов. Тепловая обработка изделий на заводах сборного железобетона. - М.: Стройиздат, 1970. - 272 с

5. В.С. Богданов, С.Б. Булгаков, А.С. Ильин. Технологические комплексы и механические оборудования предприятий строительной индустрии: учебник. - СПб.: Проспект науки, 2010. - 624 с

Размещено на Allbest.ru

...