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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

строительство бетон тепловой агрегат

1. Введение

2. Краткое описание технологического процесса. Устройство и принцип действия тепловой установки

3. Характеристика изделия, формы

4. Состав бетонной смеси

5. Выбор и обоснование режима тепловой обработки

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

7. Составление и расчет уравнения теплового баланса установки

8. Определение часовых расходов теплоты и теплоносителя по периодам (зонам) тепловой обработки

9. Определение удельных расходов теплоты и теплоносителя

10. Составление схемы подачи теплоносителя, построение циклограммы работы тепловых установок, расчет тепловых нагрузок и параметров сети

Список использованных источников

1. Введение

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. Затраты на тепловую обработку обусловлены не только затратами на пар и другие виды энергии, с ней связано количество форм и расход цемента. Длительность тепловой обработки определяет время оборачиваемости отдельных форм, стоимость которых составляет весьма существенную долю стоимости всех производственных фондов предприятия. На формы расходуется до 60--70% массы всей стали, расходуемой на оборудование заводов, а отчисления на амортизацию форм в 1,5--2 раза выше, чем для всего основного оборудования. До 85 % всей продукции заводского производства подвергается пропариванию в камерах при нормальном атмосферном давлении пара и температуре среды 60--85°С. Интенсификацию тепловой обработки необходимо осуществлять одновременно с проведением таких мероприятий, как введение химических добавок--ускорителей твердения, формование из горячих смесей, двухстадийная тепловая обработка, использование цементов повышенного качества. Тепловая обработка сборных железобетонных изделий производится до достижения ими требуемой отпускной (передаточной, распалубочной) прочности. При этом должна обеспечиваться необходимая прочность в возрасте 28 сут. после пропаривания, т. е. заданная проектная марка бетона. Под отпускной прочностью бетона понимается такая прочность, при которой изделие разрешается отгружать с завода потребителю.

Передаточная прочность устанавливается для предварительно напряженных изделий и характеризует прочность бетона, необходимую к моменту передачи на него предварительного натяжения арматуры. Передаточная и отпускная прочность регламентируется техническими условиями на определенный вид изделий. В ряде случаев отпускная прочность согласуется с потребителем и проектной организацией. Распалубочная прочность характеризует минимальную прочность бетона на сжатие, при которой возможны распалубка и безопасное внутризаводское транспортирование изделий. Она назначается предприятием-изготовителем.

В курсовом проекте рассматривается изготовление двускатных стропильных балок пролетом 12 м. Установка - вертикальная силовая термоформа. Такая установка с меньшим расходом теплоносителя, чем другие установки, обеспечит требуемый режим тепловой обработки настолько массивной конструкции. Прогрев изделий в термоформах осуществляется кондуктивным методом с помощью водяного пара.

2. Краткое описание технологического процесса. Устройство и принцип действия тепловой установки

Технология производства двускатных стропильных балок:

- подготовка стенда (чистка, смазка) и частичная сборка термоформы;

- раскладка преднапрягаемой арматуры и выравнивание с фиксацией в зажимах;

- первая ступень натяжения (50% от расчетного натяжения);

- установка ненапрягаемой арматуры и закладных деталей с последующей фиксацией в проектное положение;

- окончательная сборка термоформы;

- вторая ступень натяжения арматуры (110% от расчетного), выдержка в течение 5 минут, фиксация преднапрягаемой арматуры в зажимах упоров и отпуск натяжения до 100% расчетного натяжения;

- бетонирование и уплотнение с помощью навесных и глубинных вибраторов;

- укрытие термоформы покрывалом и проведение ТВО при заданном режиме;

- режим ТВО: 1+4.5+6+1.5;

- частичная распалубка;

- передача напряжения на бетон (обрезка преднапрягаемой арматуры);

- окончательная распалубка изделия;

- выдержка, доводка, маркировка и сдача ОТК.

3. Характеристика изделия, формы

В курсовом проекте рассматривается изготовление двускатных стропильных балок пролетом 12 м 1БДР12-3 в соответствии с серией рабочих чертежей 1.462.1-3/89 и СТБ 1186-99 «Балки стропильные и подстропильные, ригели и прогоны железобетонные для зданий и сооружений. Общие технические условия».

Балки должны удовлетворять установленным при проектировании требованиям по трещиностойкости и выдерживать при испытаниях контрольные нагрузки, указанные в рабочих чертежах.

Нормируемая отпускная прочность бетона должна быть не менее 70% прочности, соответствующей классу бетона по прочности на сжатие, а в холодный период года может быть повышена до 90%.

Морозостойкость и водонепроницаемость бетона балок должны соответствовать маркам по морозостойкости и водонепроницаемости, установленным проектной документацией конкретного здания, сооружения.

Двускатная стропильная балка пролетом 12 м 1БДР12-3 изготавливается из бетона класса С25/30.

В качестве вяжущих материалов применяется портландцемент ПЦ-500, по ГОСТ 10178, ГОСТ 30515 или ЦЕМ I/II 42,5 по ГОСТ 31108.

В качестве крупного заполнителя применяется фракционированный щебень или гравий из плотных горных пород по ГОСТ 8267. Наибольший размер зерен крупного заполнителя не должен превышать 20мм.

В качестве мелкого заполнителя применяется природный песок, песок из отсевов дробления и их смеси удовлетворяющие требованиям ГОСТ 8736.

Армирование балок осуществляется напрягаемой арматурой класса S800 по СТБ 1706 или канатной арматурой S1400 по ГОСТ 13840, ненапрягаемой арматурой класса S500 по СТБ 1704 и круглой сталью класса S240 по СТБ 1704. Монтажные петли изготавливаются из арматурной стали класса S240.

Для экономии цемента, для сокращения времени и энергетических затрат на тепловлажностную обработку бетона, а также для сокращения времени и энергетических затрат на вибрирование бетонной смеси, в бетон добавляется комплексная добавка (суперпластификатор + ускоритель твердения) Стахемикс.

Марка бетона по удобоукладываемости П3(10-15 см).

Характеристика стропильной двускатной балки 1БДР12-3АV:

Длина - 11960 мм, ширина - 200 мм, высота - 890-1390 мм.

Объем бетона класса С25/30 в изделии - 1,86 м³.

Расход арматуры - 199,86 кг/изделие. Принимаем 110 кг/м³.

В термоформе производится 2 балки.

4. Состав бетонной смеси

Состав бетонной смеси C25/30 П3:

Цемент М500 -380 кг

Песок - 750 кг

Щебень - 1100 кг

Вода - 170 кг

Добавка Стахемикс (1%)- 3,8 кг.

5. Выбор и обоснование режима тепловой обработки

Для производства двускатных стропильных балок в термоформах в соответствии с П2-2018 к ТКП 45-5.03-307-2017 назначим следующий режим тепловлажностной обработки:

Таблица 1

№ п/п	Периоды тепловой обработки	Продолжительность, ч
1	Предварительная выдержка	1
2	Подъем температуры	4,5
3	Изотермическая выдержка	6
4	Термосное выдерживание	1,5
	ИТОГО	13

Согласно П2-2018 к ТКП 45-5.03-307-2017 при изготовлении изделий в силовых формах предварительное выдерживание 1 час.

Вследствие большой длины изделий рекомендуется распределять пар в секциях с помощью перфорированного трубопровода, уложенного в нижней части секций.

Для предотвращения интенсивных влагопотерь из бетона и снижения теплопотерь в окружающую среду тепловая обработка изделий в термоформах осуществляется с укрытием неопалубленных поверхностей паронепроницаемыми и теплозащитными материалами. В качестве таких укрытий могут быть использованы пленочные покрытия и пленкообразующие составы со слоем плитной теплоизоляции, многослойные пленочные покрытия с воздушными прослойками, инвентарные термовлагоизоляционные покрывала.

Начальную температуру принимаем +15 єС.

Температура изотермической выдержки - +70 єС. Применяем комплексную добавку (суперпластификатор + ускоритель твердения) Стахемикс.

Для расчета температур воспользуемся критериальными зависимостями теплопроводности при нестационарных условиях теплопередачи. 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:

где: - продолжительность нагрева (охлаждения), ч;

R- определяющий размер изделия, м. Принимаем R = 0,1м (в термоформе изготавливаются 2 балки толщиной 200 мм и обогреваются с двух сторон);

а- коэффициент температуропроводности, м²/ч.



где: - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м•єС), для твердеющего бетона =2,5 Вт/(м єС);

с- плотность бетона, кг/м³,

с- теплоемкость материала, кДж/(кг єС).

, кДж/(кг єС),

где: с_i - массовые теплоемкости цемента, песка, щебня, воды, металла арматуры соответственно, кДж/(кг єС);

G_i - масса цемента, песка, щебня, воды, металла арматуры соответственно, кг.

	цемент	песок	щебень	вода	сталь
с, кДж/(кг•°С)	0,84	0,84	0,84	4,19	0,48
G, кг	380	750	1100	170	110

кДж/(кг·єС).

По формуле:

м²/ч.

По формуле с учетом R = 0,1 м и = 1,5 ч имеем:

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

где: б- коэффициент теплоотдачи от среды к поверхности обрабатываемого изделия Вт/( м² єС);

для б₁=100, б₂=90, б₃=80, б₄=70 имеем следующие значения Bi:

; ; ; .

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

где: - безразмерная температура;

t_с - средняя температура среды за соотв. расчетный период, єС;

t_н - температура изделия в начале расчетного периода, єС.

Температура на поверхности рассчитываем по формуле:

Температура в центре изделия рассчитываем по формуле:

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

По формулам рассчитаем температуры в центре, на поверхности, а также средние температуры бетона для режима подъема температуры и изотермической выдержки.

Средняя температура изделия за расчетный период определим по формуле:

,єС

tп1 = 24.2-0,18(24.2-15) = 22,5	tц1 = 24.2-0,55(24.2-15) = 19
tп2 = 42.5-0,2(42.5-22,5) =38,5	tц2 =42.5-0,58(42.5-19) = 29
tп3 = 60.8-0,23(60.8-38,5) =55.5	tц3 = 60.8-0,6(60.8-29) = 41.5
tп4 = 70-0,26(70-55.5) =66	tц4 = 70-0,62(70-41.5) = 52.5
tп5 = 70-0,26(70-66) =69	tц5 = 70-0,62(70-52.5) = 59
tп6 = 70-0,26(70-69) =70	tц6 = 70-0,62(70-59) = 63
tп7 = 70-0,26(70-70) =70	tц7 = 70-0,62(70-63) = 65.5

Внесем рассчитанные значения в таблицу:

N	F0	Bi	п	ц	tп	tц	tсрб
1	0,51	4	0,18	0,55	22.5	19	20
2	0,51	3.6	0,2	0,58	38.5	29	32
3	0,51	3.2	0,23	0,6	55.5	41.5	46
4	0,51	2.8	0,26	0,62	66	52.5	57
5	0,51	2.8	0,26	0,62	69	59	62.5
6	0,51	2.8	0,26	0,62	70	63	65.5
7	0,51	2.8	0,26	0.62	70	65.5	67

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 єС по отношению к заданной по режиму. Недогрев бетона составляет 3С, что компенсируется теплотой экзотермии цемента и режим ТВО обеспечится.

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

Цикл ТВО - 13 ч, распалубка термоформы с очисткой и смазкой - 1 ч, армирование и сборка - 1 ч, укладка и уплотнение бетонной смеси - 1 ч. Итого подготовительно-формовочные работы 3 часа. В термоформе производится 2 балки.

Исходя из того, что подготовительно-формовочные работы занимают 3 часа и в двух рабочих сменах фонд времени составляет 16 часов, то в цеху будет располагаться 10 термоформ в 2 линии по 5 термоформ. В каждой рабочей смене работают по 2 звена рабочих (по звену на линию). Время цикла также составляет 16 часов, соответственно оборачиваемость каждого стенда можно принять равной 1.

Тогда годовая производительность будет составлять:

где

М - число рабочих дней в году;

К_об - коэффициент оборачиваемости стенда;

N_ус - количество установок в цеху, шт;

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

7. 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 термоформ уравнение теплового баланса имеет вид:

, кДж,

где

Q - поступление теплоты от теплоносителя в каждом из периодов или за весь цикл тепловой обработки;

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

в- коэффициент, учитывающий непредвиденные потери теплоты;

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

- количество теплоты, расходуемое на нагрев металла формы, кДж;

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

- потери с конденсатом, кДж.

Так как недогрев бетона менее 10 градусов, то из уравнения теплового баланса исключаем теплоту экзотермической реакции цемента с водой .

Поскольку открытую поверхность бетона укрываем влагоизоляционным материалом, то из уравнения теплового баланса исключаем расчёт потери теплоты на испарение воды затворения.

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

, кДж,

где с_б- средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия, кДж/(кг°С);

G_б- масса изделия, кг;

t_н, t_к- средние температуры бетона в начале и конце соответствующего периода, °С.

Рассчитаем теплоту на разогрев бетона по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

кДж

изотермическая выдержка:

кДж.

Теплота на нагрев формы. Количество теплоты, расходуемое на нагрев металла формы определим по выражению:

, кДж,

где

c_м- теплоемкость материала формы, кДж/(кг єС)

G_п.р- масса металла паровых рубашек, кг

G_из- масса тепловой изоляции, кг

G_огр- масса металла ограждающих листов установки, кг

1.2- коэффициент, учитывающийнагрев станины установки

- средняя температура материала в конце рассматриваемого периода, єС

- 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, єС.

Наружные паровые отсеки изолированы минеральной ватой толщиной 80 мм.

Минеральная вата обшита листом стали толщиной 3 мм.

Рассчитаем температуру на наружной поверхности обшивочного слоя метала:

(м² ·єС)/Вт

Плотность стали _ст =7850кг/м³.

Плотность минеральной ваты _м.в.=50 кг/м³.

Рассчитаем массы металла и изоляции:

Потери теплоты поверхностями установки

, кДж

где

_н- коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности формы, Вт/(м² єС)

F- площадь поверхности формы, м²;

tн0,57,563 протяжении 7,5-мльным конечная температура поверхности формы в соответствующем периоде, єС;

t₀- температура воздуха в цеху или на улице, єС.

Коэффициент _н рассчитываем по следующей формуле

где t_{пов ,}T_пов, - температура наружной поверхности установки по стоградусной шкале и шкале Кельвина соответственно;

t'_{пов ,}T'_{пов, -} температура лучевоспринимающей поверхности по стоградусной шкале и шкале Кельвина соответственно;

Ф- коэффициент, принимаемый для вертикальных поверхностей ограждающих конструкций (2,2) и горизонтальных поверхностей, обращённых вверх (1,8);

c'- приведенный коэффициент лучеиспускания поверхностей ограждения, Вт/(м²• К⁴);

c'=c₀•е,

где c₀ =5,67 Вт/ (м²• К⁴)- постоянная лучеиспускания абсолютно чёрного тела;

е=0,56 - степень черноты полного нормального излучения материала ограждения;

c'=5,67•0,56=3,18 Вт/(м²• К⁴).

Для сторон с минеральной ватой:

подъём температуры: t_пов =(18+15)/2=16,5 ⁰C:

, Вт/(м² єС);

изотермическая выдержка: t_пов=18 ⁰C:

, Вт/(м²єС);

F=12•2•(1,39+0,89)/2=27,4 м²

Рассчитаем потери теплоты по периодам тепловой обработки

подъем температуры:

, кДж

изотермическая выдержка:

, кДж.

Для нижней части термоформы:

подъём температуры, t_пов =(55,5+15)/2=35.25 ⁰C:

Вт/(м² єС);

изотермическая выдержка, t_пов=(70+55,5)/2=62.75 ⁰C:

Вт/(м²єС);

(F=0,86*12=10,32м²)

Рассчитаем потери теплоты через низ термоформы по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

кДж

изотермическая выдержка:

кДж

Для боковых стенок термоформы (без тепловой изоляции):

подъём температуры, t_пов =(55.5+15)/2=35.25 ⁰C:

Вт/(м² єС);

изотермическая выдержка, t_пов=(70+55,5)/2=62,75 ⁰C:

Вт/(м²єС);

(F=2*0,86*0,89=1,53м²)

Рассчитаем потери теплоты через боковые поверхности без теплоизоляции по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

кДж

изотермическая выдержка:

кДж

Суммарные потери в окружающие среды по периодам тепловой обработки составляют:

подъем температуры:

, кДж

изотермическая выдержка:

, кДж

Теплота, теряемая с конденсатом.

Теплота, теряемая с конденсатом, рассчитывается по формуле

кДж,

где

G_к- количество конденсата, равное количеству искомого пара за период;

i_к- энтальпия конденсата, уходящего из установки, кДж/кг.

кДж/кг,

где

с_к- теплоемкость конденсата (для воды с_к=4,19), кДж/кг єС;

t_к- температура конденсата.

Рассчитаем энтальпию конденсата по формуле

кДж/кг

Без учета теплоты гидратации бетона, после преобразования формула имеет вид

с учетом того, что получим

Энтальпия пара рассчитывается по формуле и определяется по рабочему давлению пара, поступающего в установку

, кДж/кг,

где

i '-энтальпия воды на линии насыщения

r- теплота фазового перехода

x- степень сухости пара

Рабочее давление пара, поступающего в установку, согласно заданию равно 0.4Мпа.

i '= 603,7 кДж/кг; r = 2134,5 кДж/кг.

кДж/кг

На основании выше перечисленных формул количество теплоносителя необходимого для работы установки рассчитывается по формуле

кг

кг

Теплота, теряемая с конденсатом равна

кДж

кДж

Статья баланса	Количество теплоты, кДж	Итого	%
	Подъем температуры	Изотермическая выдержка
Теплота на нагрев бетона	304017	205947	509964	52,6
Теплота на нагрев формы	203860	_______	203860	21,0
Потери поверхностями установки	32052	117499	149551	15,4
Потери с конденсатом	66370	39721	106091	11,0
Итого	606299	363167	969466	100

8. Определение часовых расходов теплоты и теплоносителя по периодам (зонам) тепловой обработки

Часовой расход теплоносителя для периодов подъема температуры и изотермической выдержки определяется по формулам:

,кг/ч.

, кг/ч.

^I, ^II- продолжительность каждого периода, ч.

По формулам рассчитаем часовые расходы пара

кг/ч.

кг/ч.

9. Определение удельных расходов теплоты и теплоносителя

Удельный расход теплоносителя на 1 м³ бетона рассчитывается по выражению

,кг/м³,

где V_б- суммарный объем бетона, одновременно загружаемого в установку, м³.

кг/м³.

Удельный расход теплоты на 1 м³ бетона

, кДж,

кДж/м³.

10. Составление схемы подачи теплоносителя, построение циклограммы работы тепловых установок, расчет тепловых нагрузок и параметров сети

Из этого следует, что с=2,163 кг/м³.

Диаметр трубопровода рассчитывается по формуле:

V - скорость жидкости, м/с; для пара в магистралях трубопровода

Максимальный расход теплоносителя, исходя из циклограммы, происходит в тот момент, когда 4 установки работают в режиме подъема температуры и 4 в режиме изотермической выдержки.

м; принимаем dу = 50 мм.

м; принимаем dу = 40 мм.

Далее рассчитаем трубопровод на всех его участках с учетом применяемых режимов работы тепловых установок и расходов теплоносителя.

Режим работы установок	1П	2П	2П+1ИВ	2П+2ИВ	4П+4ИВ
Расход теплоносителя кг/ч	58,7	117,4	143,7	170	340
Необходимый диаметр, мм	20	28	31	33	47
Необходимый условный диаметр трубы	40	40	40	40	50

Список использованных источников

1. Нестеров Л.В, Орлович А.И. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Теплотехника и теплотехнического оборудование». Мн.: БГПА, 2001.

2. ТКП 45-2.04-43-2006. Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования. Мн.: Министерство архитектуры и строительства РБ, 2007.

3. СТБ 1186-99 «Балки стропильные и подстропильные, ригели и прогоны железобетонные для зданий и сооружений. Общие технические условия».

4. Серия рабочих чертежей 1.462.1-3/89.

5. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.; Стройиздат, 1984.

6. Кокшарев В.Н., Кучеренко А.А. Тепловые установки. Киев: Высшая школа, 1990.

7. П2-2018 к ТКП 45-5.03-307-2017.

Размещено на Allbest.ru