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

G_{ц,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	0,85	4,19	0,48
G кг.	367	715	1089	202	51

 

 кДж/(кг ºС),

 м²/ч

С учетом, что R=0,07 м и τ=1 ч имеем:

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

,  где

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

В зависимости  от α₁=100, α₂=90, имеем следующие значения Bi:

;    ;

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

,  где

Q- безразмерная температура;

t_с- средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС

t_н- температура изделия в начале расчетного периода, ºС.

Температура на поверхности равна:

Температура в центре изделия:

Значения  безразмерных температур Q_п и Q_ц определим по графикам исходя из рассчитанных выше величин Fo и Bi:

Q_ц1=0,41;                    Q_п1=0,18;

Q_ц2=0,43;                    Q_п2=0,21; 

Зная  значения безразмерных температур Q_п и Q_ц вычислим значения температур:

-на поверхности  изделия

t_п1=45 - 0,18*(45 - 20)=40,5;

t_п2=70 - 0,21*(70 – 40,5)=63,8;

t_п3=70 - 0,21*(70 – 63,8)=68,7;

t_п4=70 - 0,21*(70 – 68,7)=69,7;

t_п5=70 - 0,21*(70 – 69,7)=69,99;

-в центре  изделия

t_ц1=45 – 0,41*(45 - 20)=34,8;

t_ц2=70 - 0,43*(70 – 34,8)=54,9;

t_ц3=70 - 0,43*(70 – 54,9)=63,5;

t_ц4=70 - 0,43*(70 – 63,5)=67,2;

t_ц5=70 - 0,43*(70 – 67,2)=68,9;

Средняя температура изделия за расчетный  период определим по формуле

, ºС

t^ср₁=( t_п1+2* t_ц1)/3=(40,5+2*34,8)/3=36,7;

t^ср₂=( t_п2+2* t_ц2)/3=(63,8+2*54,9)/3=57,9;

t^ср₃=( t_п3+2* t_ц3)/3=(68,7+2*63,5)/3=65,2;

t^ср₄=( t_п4+2* t_ц4)/3=(69,7+2*67,2)/3=68,03;

t^ср₅=( t_п5+2* t_ц5)/3=(69,99+2*68,99)/3=69,5;

 

№	Bi	Fo	Qп	Qц	tп	tц	tср
1	2,8	0,67	0,18	0,41	40,5	34,8	36,7
2	2,52	0,67	0,21	0,43	63,8	54,9	57,9
3	2,52	0,67	0,21	0,43	68,7	63,5	65,2
4	2,52	0,67	0,21	0,43	69,7	67,2	68,03
5	2,52	0,67	0,21	0,43	70	70	70

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             6. Расчет теплоты экзотермии

Количество  теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента:

М - марка  цемента

количество градусов – часов  от начала процесса, град/час

В/Ц – водоцементное отношение

а – эмпирический коэффициент, равный

, при Q<290 град·ч

, при Q>290 град·ч

Расчет  теплоты гидратации осуществляется в следующем порядке:

              -определяем количество градусо-часов за период подъема температуры:

   

               где - средняя температура бетона в конце периода прогрева,°С

               -рассчитываем количество градусо-часов за весь период тепловой обработки

             

Определяем  эмпирический коэффициент:

Зная  эмпирический коэффициент и количество градусо-часов можно определить количество теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента:

 

 

Количество теплоты гидратации, выделяемое цементом находящегося  в камере:

 

 

 

 

7. Определение требуемого количества тепловых агрегатов и схем их размещения:

Число установок периодического действия определим по выражению

,шт.

где N₀- годовая производительность линии, м³;

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

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

М- число рабочих дней в году;

К- число смен;

Z- продолжительность рабочей смены, ч.

N₀ = 34000 м³

SV_б = 19,2 м³

М = 256

К = 2

Z = 8 ч.

t_ц = 2,5+1+4+4,5+1 = 13 ч

= 6 шт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. 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

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

здесь G_п – расход теплоносителя, кг;

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

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

β =1,2- коэффициент, учитывающий непредвиденные потери теплоты;

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

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

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

Q_к- потери с конденсатом, кДж.

Теплота на нагрев бетона.

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

, кДж

где с_б =1,11 кДж/(кгºС) - средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделий;

G_б – масса изделии, одновременно загружаемых в установку, кг;

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

Рассчитаем  данную величину по периодам тепловой обработки:

подъем  температуры:

Q_б¹ = 1,11*2429,5*19,2*(36,7-20) = 864684,3 кДж

изотермическая  выдержка:

Q_б² = 1,11*2429,5*19,2*(70-36,7) = 1724190,88 кДж

Теплота на нагрев формы.

Количество  теплоты, расходуемое на нагрев установки:

Q_уст = 1,2*[ c_м*G_п.р.*( t_к - t_н )  + c_м*G_огр.*( t_к - t_н ) + c_и*G_и.*( t_к - t_н )], кДж

где 1,2-коэфициент, учитывающий нагрев станины установки;

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

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

G_п.р. - масса метала паровых рубашек;

G_и    - масса тепловой изоляции;

G_огр. - масса метала ограждающих листов

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

t_н- 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 металла:

 (м*ºС)/Вт

 ºС

Для минеральной  ваты:

 ºС

Рассчитаем  массы металла и изоляции:

G_п.р=(0,01*4,5*2,61*2*7850+4,5*0,1*0,01*7850*2+2,61*0,1*0,01*7850*2)*13+(0,14*4,5*0,01*7850+0,14*2,61*0,01*7850*2)*12=28183,3 кг

Окончательно  примем массу металла паровых  рубашек вместе с ребрами жёсткости  равную:

G_п.р=28183,3+0,2*28183,3=33819,9кг.

G_и = 2*0,05*4,5*2,61*125 = 146,8 кг.

G_огр. = 2*0,003*4,5*2,61*7850+4*0,1*4,5*0,003*7850+4*0,1*2,61*0,003*7850=620,2 кг

Q_огр = 1,2*[ 0,48*33819,9*( 70-20 ) +  0,48*620,2*( 24,51-20 ) + 0,84*146,8*( 47,3 – 20 )] = 979663,9 кДж

Потери теплоты.

Количество  теплоты отданное установкой в окружающую среду определяем по выражению:

, кДж

где a_н- коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности формы, Вт/(м² ºС)

F- площадь поверхности формы, м²;

t_н- конечная температура поверхности формы в соответствующем периоде, ºС;

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

Коэффициент a_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;2,4);

c’- приведенный коэффициент лучеиспускания поверхностей ограждения,

Вт/(м²∙ К⁴);

c'=c₀∙ε,

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

ε=0,95 –  степень черноты полного нормального  излучения материала ограждения ;

c’=5,67∙0,95=5,3865 Вт/(м²∙ К⁴).

Для боков с мин. ватой:

подъём  температуры: t_пов =(24,51+20)/2=22,27 ⁰C:

, Вт/(м² ºС);

изотермическая  выдержка:

t_пов=24,51 ⁰C:

,, Вт/(м²ºС);

Площадь поверхности принимаем: F=4,5*2,61*2+2,61*0,5*4+4,5*0,5*2=33,21 м²

Рассчитаем  потери теплоты по периодам тепловой обработки:

подъем  температуры:

= 8,18*33,21*(22,27-20)*1*3,6 = 2219,99  , кДж

изотермическая  выдержка:

=8,76*33,21*(24,53-20)*4 *3,6 = 18977,26  , кДж.

Для низа кассеты:

подъём  температуры:

t_пов = (40,5+20)/2 = 30,25 ⁰C:

,Вт/(м² ºС);

изотермическая  выдержка:

t_пов=(70+40,5)/2=55,25 ⁰C:

,Вт/(м²ºС);

Площадь поверхности принимаем: F = 3,14*4,5  = 14,13 м²