Теплотехнический расчет установок тепловой обработки строительных изделий

по дисциплине

«Теплотехника»

Тема: теплотехнический расчет установок тепловой обработки строительных изделий

Тверь 2013

Содержание

• 1. Вводная часть
• 2. Характеристика исходных материалов и изготавливаемых изделий
• 3. Описание конструкции установки и выбор режима ее работы
• 4. Расчет режима нагрева изделия
• 5. Технологический расчет
• 6. Теплотехнический расчет
• 7. Санитария, охрана труда и техника безопасности
• Библиографический список

• 1. Вводная часть
• В данной курсовой работе требуется рассчитать режим и подобрать оборудование цеха (участка) тепловлажностной обработки по производству строительных бетонных (железобетонных) изделий.
• Наиболее широкое распространение получили следующие виды тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий: пропаривание в камерах периодического или непрерывного действия при нормальном атмосферном давлении и температуре 60-100°С; запаривание в автоклавах при температуре насыщенного водяного пара 175-190°С и давлении 0,9-1,3 МПа; нагрев в закрытых формах с контактной передачей тепла бетону от различных теплоносителей через ограждающие поверхности форм; электропрогрев бетона; прогрев в электромагнитном поле, а также с использованием солнечной энергии.
• Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий является одним из наиболее длительных и ответственных процессов в технологии их производства. Сущность ее состоит в том, что при повышении температуры до 80-100°С скорость реакции гидратации вяжущих веществ увеличивается.
• Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий проводится до достижения распалубочной, отпускной, а для предварительно напряженных изделий передаточной прочности.
• Так как железобетонные изделия разнообразны по своим размерам, составу, свойствам, способам формования, требованиям к виду и качеству поверхности, применяются различные установки тепловой обработки. Эти установки отличаются по принципу действия - периодические и непрерывные.
• К установкам периодического действия относятся ямные камеры, автоклавы, кассетные установки и кассетные формы. К установкам непрерывного действия относятся туннельные, щелевые, вертикальные камеры, камеры прокатных станов. В качестве теплоносителя широкое распространение получили пар и паровоздушная смесь, а также подогретый и увлажненный воздух.
• При применении в качестве источника теплоты электроэнергии нагрев изделия осуществляют при непосредственном прохождении электрического тока через бетон или при помощи различных нагревателей и излучателей.
• На продолжительность тепловой обработки влияет минеральный состав цемента.
• В процессе тепловой обработки в бетоне происходят сложные физические процессы, вызывающие появление деформаций способствующих образованию трещин.
• При подъеме температуры и в начале изотермического прогрева температура и давление пара в изделии более низкие, чем окружающей среды и наружные более нагретые его слои увеличиваются в объеме в большей степени, чем внутренние. Кроме того, разница температуры в различных слоях бетона создает в них разность парциальных давлений. Это вызывает перемещение влаги из наружных слоев во внутренние и расширение находящейся в порах паровоздушной смеси, создающей внутри бетона избыточное давление. В этот период, особенно при быстром подъеме температуры, в бетоне возникают значительные напряжения и образуются трещины и нарушается контакт между цементным камнем и заполнителем.
• При изотермическом прогреве затвердевший бетон увеличивается в объеме и вследствие разницы коэффициентов линейного температурного расширения его компонентов образуются микродефекты.
• При снижении температуры в камере температура бетона и давление в нем пара будут выше, чем в окружающей среде и начинается движение в нем нагретого воздуха к открытой поверхности изделия, а также миграция из глубинных слоев бетона влаги с интенсивным ее испарением.

• 2. Характеристика исходных материалов и изготавливаемых изделий
• строительный бетонный железобетонный теплообмен
• Для тепловлажностной обработки железобетонных изделий в работе даны следующие характеристики исходных материалов и изготавливаемого изделия:
• 1) Портландцемент марки М 600 без добавок. Расход цемента составляет
• Ц = 410 кг/м³;
• 2) Водоцементное отношение В/Ц = 0,45;
• 3) Водопотребность:
• В = Ц•(В/Ц) = 410·0,45 = 184,5 л/м³;
• 4) Расход щебня:
• Щ=1000/(б·V_n/с_ощ + 1/с_щ)=1000/(1,1·0,43/1,4+1/2,8) =1438,85 кг/м³;
• 5) Расход песка:
• П=с_п·(1000-Ц/с_ц-В - Щ/с_щ)= 2,65·(1000 - 410/3,1 - 184,5-1438,85/2,8)=448,82 кг/м³;
• 6) Бетон: марка М400; теплопроводность л_б = 1,65 Вт/м·^оС; теплоемкость
• С_б = 0,84 кДж/кг·^оС; плотность с_б = 2550 кг/м³;
• 7) Габариты ж/б изделия: 3500Ч2500Ч150 мм.

• 3. Описание конструкции установки и выбор режима ее работы
• На заводах сборного железобетона при использовании конвейерной технологии производства изделий применяются одноярусные щелевые камеры, представляющие собой горизонтальный туннель, в котором по рельсовому пути движутся вагонетки с изделиями. Движение вагонеток происходит по определенному ритму, за время цикла ТВО они проходят по длине щели три температурные зоны: разогрева, изотермической выдержки и охлаждения. Для интенсификации процесса теплообмена между средой и изделиями рекомендуется осуществлять в зоне активной тепловой обработки рециркуляцию среды. Рециркуляция применяется в щелевых камерах, использующих как паровоздушную среду прогрева, так и воздушно-сухую, например продукты сгорания природного газа.
• В последнем случае камера оборудуется теплогенерирующими устройствами, а в объеме щели организуются условно-замкнутые контуры циркуляции (по числу теплогенераторов), в которых движущийся теплоноситель отдает свое тепло вагонеткам с изделиями и, охлаждаясь, поступает вновь на рециркуляцию, попутно подмешиваясь к горячим продуктам сгорания природного газа. Часть остывших продуктов сгорания природного газа выводится в атмосферу для поддержания в камере небольшого разрежения - 5...10 Па.
• Одним из важнейших вопросов в технологической схеме производства изделий является выбор оптимальных режимов тепловлажностной обработки.

• 4. Расчет режима нагрева изделия
• 4.1 Теплообмен между греющей средой и изделием
• Находим определяющую температуру , т.е. среднюю температуру пограничного слоя пленки конденсата, которая вычисляется по формуле:
• где и -начальные температуры среды и изделия, принимаемые равными температуре воздуха в цехе, (15); - температура изотермической выдержки, ; - средняя температура поверхности изделия,
• ),
• где- средний перепад температур между средой и изделиями, .
• Таким образом
• Полученное значение определяющей температуры округляем до величины кратной 0,5
• Для полученной величины по таблицам подбираем теплофизические параметры среды:

• Паровоздушная смесь:

48,73	1,063	0,027	15,090

• Пленка конденсата:

				r, кДж/кг
48,73	4,178	0,640	0,557	2386,8

• Процесс теплообмена между средой камеры и изделиями описывается критериальной зависимостью И.Б.Заседателева (для ):
• сплошные плиты
• ;
• Тогда средний коэффициент теплообмена
• , Вт/м²·°С
• Критерий Грасгоффа
• Вычисляем критерий конденсациипо формуле:

• где r - скрытая теплота парообразования в кДж/кг;- теплоемкость пленки конденсата в ;-средний перепад температур между средой и изделиями, .
• Определение L_опр :
• Тогда
• Вычисляем средний коэффициент теплообмена по формуле:
• где - коэффициент теплопроводности среды, .
• 4.2 Температурное поле по толщине изделия в периоде подъема температуры среды в камере
• Определяем тепловыделение цемента при нормальном режиме твердения:
• где -марка цемента.
• Рассчитываем коэффициент тепловыделений:

• где - удельная теплоемкость бетона, кДж/кг^.град; -плотность бетона, кг/м³; В/Ц - водоцементное отношение; Ц - расход цемента.
• Вычисляем критерий Био:
• где - коэффициент теплопроводности бетона Вт/м^.0С
• Вычисляем коэффициент температуропроводности бетона:
• Критерий Фурье для расчетного времени подъема температуры нагрева:
• где R - половина толщины изделия, м.
• Определение коэффициента с помощью графика(приложение 1):
• Коэффициент определяем по графику (приложение2):
• Определяем скорость подъема температуры средыв периоде нагрева длительностью :

• Определяем темп нагрева изделия за счет внутреннего источника тепла :
• Рассчитываем температурное поле в период нагрева по формуле:
• Результат расчета:
• Таблица 1. Температурное поле в периоде подъема температуры

Текущее время, ч	X=0	X=R
0,5	17,9	23,5
1	23,3	32,4
1,5	30,3	41,7
2	38,4	51,3
2,5	47,2	61
3	56,4	70,8
3,5	65,9	80,7

• По результатам расчетов находим среднюю по толщине температуру изделия к концу подъема температуры среды:

• Градиент температуры по толщине изделия:
• 4.3 Температурное поле по толщине изделия в периоде изотермической выдержки
• Определяем текущий момент времени начала периода изотермической выдержки:
• Критерий Фурье для текущего времени изотермической выдержки:
• Коэффициент определяем по графику в приложении 4.
• Определяем темп нагрева изделия за счет внутреннего источника тепла в периоде экзотермической выдержки:

• Вычисляем коэффициент D:
• При X=0:
• При X=R:
• Вычисляем коэффициент F:
• При X=0:
• При X=R:

• Рассчитываем температурное поле в период выдержки по формуле:
• Таблица 2. Температурное поле в периоде изотермической выдержки

Текущее время, ч	X=0	X=R
4,0	73,1	82,3
4,5	77,7	83,3
5,0	80,6	84,0
5,5	82,5	84,4
6,0	83,7	84,7
6,5	84,5	84,9
7,0	85,0	85,0
7,5	85,3	85,1
8,0	85,5	85,1

• По результатам расчетов находим среднюю по толщине температуру изделия к концу периода изотермической выдержки:

• 5. Технологический расчет
• В соответствии с нормами технологического проектирования устанавливаем годовой фонд рабочего времени, при этом принимаем следующий режим работы
• Рабочая неделя- пятидневная
• Количество рабочих дней в году- 305
• Количество рабочих смен в сутки для ТВО-3
• Количество рабочих часов в году- 4168
• Определяем размеры формы для одного изделия:

длина формы:

ширина формы:

высота формы:

Определяем размер ямной пропарочной камеры:

длина камеры

ширина камеры

высота камеры

объем камеры

где - количество форм с изделиями, укладываемых по длине, ширине и высоте камеры соответственно. По высоте камеры укладывается от 4 до 6 изделий (или до 8 м³ бетона).

Для камер периодического действия технологический расчет ведем следующим образом:

Длительность формовки одного изделия, мин:

где V_изд - объем одного изделия; Т_год - годовой фонд рабочего времени, ч; Р - длительность формовки одного изделия, ч.

Годовой съем готовой продукции м³ изд. в расчете на одну камеру (установку) периодического действия

где n_сут - количество рабочих дней за год; k_заг - коэффициент загрузки камеры; k_об - коэффициент оборачиваемости камеры

- коэффициент загрузки камеры k_ЗАГ:

где n_изд - количество изделий, одновременно укладываемых в камеру, шт.; V_изд - объем одного изделия, м³;V_кам - внутренний объем камеры, м³

- коэффициент оборачиваемости камеры к_ОБ:

где Т_цик - длительность цикла с учетом времени загрузки камеры (),ч; тепловлажностной обработки (),ч и времени разгрузки камеры (), ч

Время загрузки камеры:

где Р - длительность формовки одного изделия, ч; N_лин - количество агрегатно-поточных линий, с которых идет загрузка камеры

Время выгрузки камеры:

тогда

Количество камер потребных для выполнения годовой программы

Округляем количество камер до целого числа N_кам= шт. и уточняем годовую программу по выпуску изделий:



6. Теплотехнический расчет

Тепловой баланс для периода подъёма температуры камер периодического действия.

Расходная часть теплового баланса состоит из восьми статей расхода тепла, а именно расход тепла: 1) на нагрев сухой части бетона, 2) на нагрев арматуры, 3) на нагрев форм, 4) на нагрев части воды затворения, 5) на испарение части воды затворения, 6) на нагрев стенок камеры, 7) потери тепла в окружающую среда через ограждения камеры и 8) неучтенные потери тепла.

Приходная часть баланса состоит из двух статей: это приход тепла с паром и выделение тепла в результате протекания экзотермических реакций твердения бетона.

Решая уравнение теплового баланса относительно прихода тепла с паром, находим часовой расход пара в периоде подъёма температуры (I период):

.

Удельный расход пара:



,

где - длительность периода подъёма температуры, ч; - энтальпия пара, кДж/кг; - энтальпия конденсата, кДж/кг; - число изделий в камере, шт.; - объём одного изделия, м³.

Расход тепла на нагрев сухой части бетона:

;

где Ц, П и Щ - расход цемента, песка и щебня на 1 м³ бетона, кг/м³; С_б - теплоёмкость бетона (по заданию), кДж/кг·°С; - средняя температура бетона по толщине изделия к концу периода подъёма температуры, °С; t_н - начальная температура бетона, °С.

кДж/период

Расход тепла на нагрев арматуры и закладных деталей:

где g_арм- степень армирования изделия (по заданию), кг/м³; С_арм - теплоёмкость арматуры, которую можно принять равной 0,46, кДж/кг·°С.

кДж/период

Расход тепла на нагрев форм:



где g_форм- удельный расход металла на 1 куб. метр изделия (по заданию), кг/м³; С_форм - теплоёмкость металла формы, которую можно принять равной 0,46 кДж/кг·°С.

кДж/период

Расход тепла на нагрев воды затворения:

;

кДж/период

Расход тепла на испарение части воды затворения:

;

где е - доля воды затворения, испаряющаяся в период подъема температуры (е = 0,005…0,05); В - расход воды затворения, кг/м³бетона.

Расход тепла на нагрев стенок камеры:

,

где q_ст и q_пл - удельные теплопоглощения стенок и полов камеры (справочные данные), кДж/м²; G_мет. и G_ут. - вес металла и утеплителя в конструкции крышки камеры (по отдельному расчету), кг; С_мет.= 0,46 и С_ут.= 2,35 - теплоемкость металла и утеплителя (справочные данные), кДж/кг·°С.

Величину удельных теплопоглащений стен и полов камеры можно определить по таблице в зависимости от длительности периода подъёма температуры и материала стен камеры.

Длительность периода нагрева, ч	Материал стен и пола камеры
	железобетон	бетон	кирпич	шлакобетон
1	11 942	10 349	7 647	6 117
2	16 844	14 665	10 810	8 631
3	20 699	17 933	13 240	10 601
4	23 883	20 699	15 294	12 235
5	26 607	23 129	17 053	13 659

Определяем площади стенок и пола камеры:

Определяем вес металла и утеплителя в конструкции крышки камеры:

кг

кг

кДж/период

Потери тепла в окружающую среду через ограждения камеры:

,



где k_i- коэффициент теплопередачи различных частей ограждений камеры (для горизонтальных поверхностей k_i=7,8 и для вертикальных - k_i=23), Вт/м²·°С; t_р - расчетная температура наружных поверхностей ограждений (примерно 40 - 45°С).

кДж/период

Неучтенные потери тепла принимают в размере 5% от расхода тепла на нагрев сухой части бетона:

кДж/период

Расход тепла:

Выделение тепла в результате протекания экзотермических реакций твердения бетона в приходной части теплового баланса находим по формуле:

.

.

Находим часовой расход пара:

.



Удельный расход пара:

По результатам расчета составляется таблица теплового баланса для периода подъема.

Приход тепла	Расход тепла
Наименование статей прихода	кДж/период	%	Наименование статей расхода	кДж/период	%
Тепло с паром	2721951,973	81,6	Нагрев сухой части бетона	1129265,937	33,8
Тепло при твердении бетона	610290,325	18,4	Нагрев арматуры	21531,621	0,64
_	_	_	Нагрев форм	403480	12,1
_	_	_	Нагрев части воды затворения	429697,5	12,9
_	_	_	Испарение части воды затворения	254701,5	7,6
_	_	_	Нагрев ограждений камеры	801296,6	24
_	_	_	Потери через ограждения в атмосферу	235805,85	7
_	_	_	Неучтённые потери	56463,29	1,7
Итого	3332242,298	100	Итого	3332242,298	100

Тепловой баланс для периода изотермической выдержки для камер периодического действия.

Расходная часть теплового баланса состоит из четырёх статей расхода тепла, а именно расход тепла: 1) на нагрев сухой части бетона, 2) на нагрев арматуры, 3) потери тепла в окружающую среда через ограждения камеры и 4) неучтенные потери тепла. Остальные статьи расхода тепла равны нулю.



Расчёты расхода тепла во втором периоде выполняются по тем же формулам что и в первом периоде, с той лишь разницей что:

ѕ начальной температурой в периоде изотермической выдержки является средняя температура бетона по толщине изделия к концу периода нагрева;

ѕ конечная температура - это средняя температура бетона по толщине изделия к концу периода изотермической выдержки;

ѕ время тепловой обработки равно длительности периода изотермической выдержки.

Приходная часть баланса состоит из двух статей: это приход тепла с паром и выделение тепла в результате протекания экзотермических реакций твердения бетона.

Решая уравнение теплового баланса относительно прихода тепла с паром, находим часовой расход пара в периоде подъёма температуры (I период):

Удельный расход пара:

.

,



где - длительность периода подъёма изотермической выдержки, ч; - энтальпия пара, кДж/кг; - энтальпия конденсата, кДж/кг; - число изделий в камере, шт.; - объём одного изделия, м³.

Расход тепла на нагрев сухой части бетона:

;

где Ц, П и Щ - расход цемента, песка и щебня на 1 м³ бетона, кг/м³; С_б - теплоёмкость бетона (по заданию), кДж/кг·°С; - средняя температура бетона по толщине изделия к концу периода подъёма температуры, °С; t_б.ср - - средняя температура бетона по толщине изделия к концу периода изотермической выдержки, °С.

кДж/период

Расход тепла на нагрев арматуры:

где g_арм- степень армирования изделия (по заданию), кг/м³; С_арм - теплоёмкость арматуры, которую можно принять равной 0,5, кДж/кг·°С.

кДж/период

.Потери тепла в окружающую среду через ограждения камеры:

,

где k_i- коэффициент теплопередачи различных частей ограждений камеры (для горизонтальных поверхностей k_i=7,8 и для вертикальных - k_i=23), Вт/м²·°С; t_р - расчетная температура наружных поверхностей ограждений (примерно 40 - 45°С).

кДж/период

Неучтенные потери тепла принимают в размере 5% от расхода тепла на нагрев сухой части бетона.

кДж/период

Расход тепла:

кДж/период

Выделение тепла в результате протекания экзотермических реакций твердения бетона в приходной части теплового баланса находим по формуле:

Находим часовой расход пара:

h_пиh_к- соответственно энтальпия пара иконденсата, (h_п= 2736кДж/кг;h_к= 562кДж/кг)

Удельный расход пара:

По результатам расчета составляется таблица теплового баланса для периода подъема.

Приход тепла	Расход тепла
Наименование статей прихода	кДж/период	%	Наименование статей расхода	кДж/период	%
Тепло с паром	1200863,65	45,6	Нагрев сухой части бетона	304818,8	11,5
Тепло при твердении бетона	1427982,45	54,4	Нагрев арматуры	5607,5	2,45
_	_	_	Нагрев форм	0
_	_	_	Нагрев части воды затворения	0
_	_	_	Испарение части воды затворения	0
_	_	_	Нагрев ограждений камеры	0
_	_	_	Потери через ограждения в атмосферу	2303178,95	83,4
_	_	_	Неучтённые потери	15240,9	0,67
Итого	2628846,1	100	Итого	2628846,1	100



7. Санитария, охрана труда и техника безопасности

Тепловые установки на заводах строительных материалов и изделий являются агрегатами повышенной опасности, т.к. их работа связана с выделением теплоты, влаги, пыли, дымовых газов.

Контроль за соблюдением правил и инструкций по охране труда и техники безопасности осуществляется органами государственного надзора. Согласно действующим нормативам, в цехах необходимо иметь: паспорт установленной формы с протоколами и актами испытаний, осмотров и ремонтов на каждую установку; рабочие чертежи, схемы размещения; краткое описание установок; порядок установки и т. д.

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

В цехах должны быть вывешены инструкции по охране труда при обслуживании данных тепловых установок.



Библиографический список

1. Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей: Учебник для вузов. - М., Стройиздат, 1983.

2. Цителаури Г.И. Проектирование предприятий сборного железобетона: Учебник для вузов. - М., «Высшая школа»,1986.

3. Сорокер В.И. Примеры и задачи по технологии бетонных и железобетонных изделий: Уч. пособие для вузов. - М., «Высшая школа»,1972.

4. Справочник по производству сборных железобетонных изделий: Под ред. К.В. Михайлова, А.А. Фоломеева. - М., Стройиздат, 1982.

5. Шихненко И.В. Краткий справочник инженера-технолога по производству железобетона.: - К., «Будивельник», 1974.

6. Якобсон Я.М., Совалов И.Г. Краткий справочник по бетону и железобетону.: - М., Стройиздат, 1977.

7. Лапир Ф.А. Оборудование и средства автоматизации для производства бетона и железобетона.: - М., «Машиностроение», 1973.

8. Малинина Л.А. Тепловлажностная обработка тяжелого бетона.: - М., Стройиздат, 1977.

Размещено на Allbest.ru

...