Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных изделий

где a_п – средний за период прогрева коэффициент теплообмена между греющей средой и поверхностью изделий, Вт/(м²×°С); R – характерный размер изделия, м; а – коэффициент температуропроводности, м²/ч.

Количество  градусо-часов в период прогрева

,

где – средняя температура бетона за период прогрева, °С;

,

где C₂=f (Fo_п, Bi_п) определяется по графикам [1, прил.22]

С₁=0,87 при F₀=1,86; Bi=1,15;

=20+ =21,4 °С/ч

Q_П=21,4×3=64,2 °С

• В конце периода подъема температуры:

=t₀+ × ,

где – средняя температура бетона в конце периода прогрева, °С;

С₂=f(Fо_кп,Вi_кп) определяется по графикам [1, прил.23]

Bi_к.п.=

= =4,68; Fo_к.п.= = =0,37

С₂=0,18

=20+ =48°С

• В период изотермической выдержки

С₃=f(Fо_из,Вi_из) определяется по графикам [1, прил.24]

Bi_из=

= =4,95  Fo_из= = =0,62

С₃=0,69

Q=80×5-(80-48)×

= 224°С/ч

Количество  градусо-часов за весь период ТВО

Q=Q_ИЗ+Q_П=224+64,2=288,2 °С/ч

По номограмме определяем [1, прил.21]:

а) общее  удельное тепловыделение цемента за весь цикл тепловой обработки q_э – по общему количеству градусо-часов Q:

q_э=42 ккал/кг=175,56 кДж/кг

б) удельное тепловыделение цемента в период подъема температуры q_э^п – по количеству градусо-часов, полученным бетоном за период подъема температуры Q_П:

q_э^п=15 ккал/кг=62,7 кДж/кг

в) удельное тепловыделение цемента в период изотермического прогрева:

q_э^и = q_э- q_э^п=175,56-62,7=112,86 кДж/кг

Соответствующие значения удельного  тепловыделения бетона кДж/м³, будут равны:

Q_э=q_э×Ц=175,56×381,1=66905,9кДж/м³

Q_э^п=q_э^п×Ц=62,7×381,1=23894,97 кДж/м³

Q_э^и=q_э^и×Ц=112,86×381,1=43010,9 кДж/м³

Величина, характеризующая  тепловыделение бетона

m=

,

где А=0,0023×Q_э28(B/Ц)^0.44 – коэффициент, учитывающий водоцементное отношение. Для ПЦ 400: Q_э28=419кДж/кг

А=0,0023×419×(0,47)^0.44=0,7

m=

=2,64 °С/ч

 

7. Расчет распределения температур 
в бетонных и железобетонных изделиях

 

Период подъема температур

Если  испарения влаги из бетона нет  и начальная температура его  равна начальной температуре  среды, то температуру бетонного  изделия в любой его точке  в зависимости от продолжительности  нагрева, теплофизических констант, скорости подъема температуры и  тепловыделения бетона можно рассчитать по следующим формулам:

t(x,t)=t₀+bt–

[R²(1+ )–x²]+ R² ,

где r_ц – координаты точки рассматриваемого тела; A_n, m_n – постоянные, зависящие от формы тела и критерия Bi.

Так как  Fo>0,2, то ограничиваемся только первым рядом суммы и соответственно значениями A₁ и m₁[1, прил. 32].

A₁ =1,19, m₁ =0,99,

Температура центра изделия (x=0)

t(0;t)= [0,15²(1+ ]+0,15² =54°C

Температура поверхности изделия (r=0,15 м)

t(0,1;t)=20+20×3– [0,15²(1+ ]+ × × =71,36 °C

Период изотермической выдержки

Для определения  температур по сечению изделия служат те же дифференциальные уравнения, что  и для периода подъема, но при  других начальных условиях. За начало отсчета времени следует брать  время конца периода прогрева. При этом изделия будут иметь  начальное распределение температур, определяемое вышеприведенными уравнениями, в которых следует положить t = t_под. Величину m_из рассчитываем по формуле:

m_из=

,

где Q_Э – тепловыделение 1 м³ бетона в зависимости от , кДж/м.

m_из=

=4,2°С/ч

Таким образом, получаем решения, которые удобно представить  в следующем виде:

A_пл =

B_пл =

Для Bi_из=4,95 и Fo_из=0,62 значения A₁ и m₁ соответственно равны[1, прил. 32]:

A₁ =1,25, m₁ =1,3

Для центра:

A_из= =1

=85 °C

Для поверхности изделия

A_из= =0,94

B_из= =0,97

=80,5 °C

Определим средние температуры изделий  в начале и конце каждого периода.

=59,78 °С

=39,89 °С

=82 °С

=70,89 °С

 

8. Теплотехнический расчет

 

Этот расчет выполняют путем  составления материального и  теплового балансов установки. Материальный баланс установок тепловлажностной обработки позволяет учесть массы всех материалов, участвующих в процессе (сырьевых материалов, закладных деталей и арматуры, форм, ограждающих конструкций). Тепловой баланс позволяет определить удельный расход теплоты на единицу продукции, максимальный часовой расход тепла, теплоносителя или топлива. На основе этого расчета подбирают диаметры труб для подвода теплоносителя, дроссельные диафрагмы, регуляторы давления и температуры, основные элементы системы автоматики.

Тепловой баланс для установок  периодического действия выполняют отдельно по периодам, поскольку часовой расход тепла в период нагревания в несколько раз превышает расход тепла в период изотермической выдержки.

Расчет ведем для одной установки.

 

8a. Материальный баланс

Приход материалов

1. Масса сухой части изделия

,

где Ц  – удельный расход цемента, кг/м³; П – удельный расход песка, кг/м³;   Щ – удельный расход щебня, кг/м³; V_б – объем бетона в расчетной загрузке, м³.

G_c=(381,1+359,66+1491,95)∙62,58=13∙10 ⁴ кг

2. Масса воды затворения

,

где В  – удельный расход воды, кг/м ³;

G_в1=146,87∙62,58=9∙10³ кг

3. Масса форм или поддонов

,

где G_ф1 – масса одной формы или поддона, кг[1, прил.9]; n – количество форм или поддонов в расчетной загрузке, шт.

=1,612∙10⁵ кг

4. Приход материалов

G_прих= G_c+G_в1+С_ф

G_прих=13∙10⁴ +9∙10³ +1,612∙10⁵=3,02∙10⁵ кг

 

 

 

Расход материалов

G_расх= G_c+G_в2+G_ф,

где G_в2- масса оставшейся после испарения воды в материале, кг, равная

G_в2= G_в1-W,

где W»0,01r_бV_б- масса испарившейся воды, кг.

G_в2=9∙10³–0,01∙2400∙62,58=7,498∙10³ кг

G_расх=13∙10⁴+7,498∙10³+1,612∙10⁵= 2,98698∙10 ⁵ кг

 

Потери материалов

Из общего уравнения материального баланса  находим потери массы

3,02∙10⁵ –2,98698∙10 ⁵ =3301 кг

 

8б. Тепловой баланс

Период подъема температур

Приход теплоты

1. Теплота сухой части бетона

,

где С_с – удельная теплоемкость сухой части бетона, кДж/(кг×°С) [1, прил.11]; – средняя температура изделия в начале периода, °С.

=13∙10 ⁴ ∙0,84∙20=2,184∙10 ⁶ кДж

2. Теплота воды затворения

, где

С_в – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг°×С) [1, прил.13].

=9∙10³∙4,185∙20=7,533∙10 ⁵ кДж

3. Теплота форм или поддонов

,

где С_ф – удельная теплоемкость материала форм или поддонов, кДж/(кг×°С) [1, прил.11].

=1,612∙10⁵ ∙0,46∙20=1,44 ∙10⁶ кДж

4. Теплота экзотермии цемента при средней температуре бетона за период прогрева

,

где - удельное тепловыделение цемента, кДж/кг; В/Ц- водоцементное отношение; - масса цемента в загруженных в камеру изделиях, кг.

=0,0023∙419∙(0,47)^0,44∙39,89∙3∙381,1∙62,58=1972989 кДж

5. Теплота насыщенного пара, затраченного на обработку изделия в период прогрева

,

где -масса пара, поступившего в установку за период прогрева, кг; - энтальпия пара, кДж/кг[1, прил.14].

∙2568

Суммарный приход теплоты за период подъема температуры

=2,184∙10⁶+7,533∙10⁵+1,4∙10⁶+1972989 +2568 =(6310289+2571,5 ) кДж

 

Расход теплоты

1. Теплота сухой части бетона

,

где – средняя температура изделий в конце периода прогрева, °С.

=13∙10 ⁴ ∙0,84∙59,78=6527976 кДж

2. Теплота воды в изделиях

=9∙10³ ∙4,187∙59,78=2247847 кДж

3. Теплота форм или поддонов

.

=1,612∙10⁵ ∙0,46∙59,78=4432806 кДж

4. Потери теплоты в окружающую среду от различных элементов ограждений

,

где – коэффициент теплопередачи, зависящий от внешнего и внутреннего теплообмена, Вт/(м²×°С); - толщина ограждений, м; и - коэффициенты теплоотдачи Вт/(м²×°С).

В установках ТВО принимают:

=50…75 Вт/(м²×°С) – внутренний теплообмен;

=5…10 Вт/(м²×°С) – внешний теплообмен.

Теплоту, потерянную с 1 м² подземной части установки, принимают в размере 1/3 потерь надземной части в окружающую среду.

Для стенок

H=0,6 – высота над уровнем пола.

=2∙4,2∙0,6+2∙6,85∙0,6=13,26 м²

=0,51 Вт/(м²×°С)

=3,6∙0,51∙13,26∙(59,78–20)∙3=2905 кДж – для надземной части

=2905/3=968 кДж – для подземной части

=3873 кДж

 

Для пола

 м²

=2,87 Вт/(м²×°С)

=3,6∙2,87∙28,77∙(59,78–20)∙3=35474 кДж

 

Для крышки

 м²

=0,3

=3,6∙0,3∙51,07∙(59,78–20)∙3=6582 кДж

 

=3873+35474+6582=45929кДж

5. Теплота, уносимая конденсатом пара

,

где – энтальпия конденсата, кДж/кг; – потери пара за счет пропусков в атмосферу, кг; – масса пара, занимающего свободный объем, кг;

,

где – плотность пара, кг/м³[1, прил.14]; – соответственно объемы камеры, загрузки бетона и форм, м³.

=0,1283∙95,89=12,3кг

=80∙4,187=334,24 кДж/кг