Теплотехнический расчет установок тепловой обработки строительных изделий

 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

 

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Гидравлика, теплотехника и гидропривод»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине

«Теплотехника»

 

Тема: теплотехнический расчет установок тепловой обработки строительных изделий

Вариант 1

 

 

 

Выполнил:

.

 

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тверь 2013

Содержание

 

1. Вводная часть 3

2. Характеристика исходных  материалов и изготавливаемых  изделий  5

3. Описание  конструкции установки и выбор  режима ее работы 6

4. Расчет режима нагрева  изделия 7

5. Технологический расчет   13

6. Теплотехнический  расчет 15

7. Санитария, охрана труда  и техника безопасности  24

Библиографический список 25

 

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

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/(α·Vn/ρощ + 1/ρщ)=1000/(1,1·0,43/1,4+1/2,8) =1438,85 кг/м3;

5) Расход песка:

П=ρп·(1000–Ц/ρц–В – Щ/ρщ)= 2,65·(1000 – 410/3,1 – 184,5–1438,85/2,8)=448,82 кг/м3;

6) Бетон: марка  М400; теплопроводность λб = 1,65 Вт/м·оС; теплоемкость

Сб = 0,84 кДж/кг·оС; плотность ρб = 2550 кг/м3;

7) Габаритыж/бизделия: 3500×2500×150 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 Lопр :

 

 

 

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):

 

Коэффициент по графику (приложение 3):

 

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

5.1. 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

5.2. Определяем размеры формы для одного изделия:

длина формы:  

ширина формы:  

высота формы:  

5.3. 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:

5.4. Длительность формовки одного изделия, мин:

где  Vизд – объем одного изделия; Тгод – годовой фонд рабочего времени, ч; Р – длительность формовки одного изделия, ч.

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