Расчет температуры греющей среды по этапам

2. Расчет температуры греющей среды по этапам

Скорость подъема температуры греющей среды:

где:  - начальная температура среды;

  - температура изотермической выдержки;

 - время этапа подъема температуры. Режим тепловлажностной обработки (+  +), а также температура изотермической выдержки указываются в бланке задания.

град./час

Цикл тепловой обработки бетона в камере Семенова

Конечные и средние температуры каждой стадии и этапов:

 

Этап подъема температуры ():

Стадия I-1:

⁰С; ⁰С;

⁰С.

Стадия1-2:

⁰С; ⁰С;

⁰С.

Стадия1-3:

⁰С; ⁰С;

 ⁰С.

где: и - начальная и конечная температура каждой стадии;

- время каждой стадии

;

- средняя температура стадии.

Этап изотермической выдержки ⁰С;

Этап охлаждения (): ⁰С; ⁰С;

 ⁰С.

ЭтапI ЭтапII ЭтапIII

  

 

3. Метод критериальных уравнений

Эффективность нагрева изделий в условиях протекания процесса конвекционного теплообмена прямо пропорциональна интенсивности теплообмена, толщине прогреваемого слоя изделия и обратно пропорциональна теплопроводности материала тела. При расчетах нестационарных процессов нагрева эта связь (зависимость распространения тепла в изделии от интенсивности внешнего теплообмена) учитывается критериальным комплексом Био :

где:  - коэффициент теплопередачи, Вт/м² • град.; - определяющий размер по соответствующей оси, м. ; - коэффициент теплопроводности бетона.

Скорость изменения температуры при неустановившемся режиме учитывают критериальным комплексом Фурье:

где:  - коэффициент температуропроводности, м²/час; - продолжительность процесса нагрева, час.

 При расчете температур материала в любой точке по оси X используют зависимости типа:

где: - безразмерная температура; , - температура среды и начальная температура тела.

Аналогично определяют безразмерные температуры  и  по осям Y,Z.

Для определения температуры на поверхности и в центре всесторонне прогреваемого изделия используются графики, приведенные в прил. КП-7. По определенным критериям Фурье и Био на соответствующем графике находят безразмерную температуру, по которой определяют искомую темпе-ратуру в центре или на поверхности изделия.

Порядок расчета по методу критериальных уравнений

Определение критериев - и  для центра и поверхности изделия для всех этапов.

Этап подъема температуры (стадия 1-1);

Критерий Bi:

 

_{; ;}

 

где:  - коэффициент теплопередачи для первой стадии; 1, b, h - соответственно длина, ширина и толщина изделия (по заданию);  - коэффициент теплопроводности данного вида бетона (Прил.КР-3).

Расчет коэффициента теплопередачи а для всех стадий этапа подъема температуры, этапа изотермической выдержки и этапа охлаждения изделий определяется по Прилож.КП-5, где:

Пункт А: для паровоздушной среды при естественной конвекции (ямные камеры конструкции «Гипростройиндустрии», проф. Л.А.Семенова и др.);

Пункт Б: для установок с интенсивной циркуляцией среды (ямные камеры конструкции ПДК КИСИ и др.);

 Пункт В: для чистого (без примеси воздуха) насыщенного пара (автоклавы и вертикальные камеры проф. Л.А. Семенова и др.);

 Пункт Г: для кассетных установок.

Этап подъема температуры ():

Стадия I-1: t I-1 =32,57.

 ⁰С, ,

 ;

 ;

 ;

Стадия 1-2: t I-2 =57,7С⁰.

⁰С, ,

 ;

 ;

 ;

Стадия 1-3: t I-3 =82,83.

⁰С, ,

 ;

 ;

 ;

Этап изотермической выдержки⁰С; ,

 ;

 ;

 ;

 
Критерий :

 

 ; ; .

где: а - коэффициент температуропроводности, определяемый по Прил.КР-3 для заданного вида бетона; г/.у - длительность первой стадии.

 

Этап подъема температуры ():

;

 ;

 .

 

Этап изотермической выдержки 

 ;

  ;

 .

 По графикам в зависимости от значений критериев Bi и Fo находят без- размерные температуры по каждой оси для поверхности и центра изделия (Прил.КП-6):

- для поверхности изделия:  ; ;  ;

Этап подъема температуры ():

Стадия I-1:  

Стадия 1-2:

Стадия 1-3: ;

 

 - для центра изделия:  ;  ; .

Этап подъема температуры ():

Стадия I-1: ;

Стадия 1-2: ;

Стадия 1-3: ;

Общая безразмерная температура для поверхности и центра изделия:

 

=

=.

 

Этап подъема температуры ():

Стадия I-1:  

;

Стадия 1-2:

Стадия 1-3:

;

 

Этап изотермической выдержки 

 ;

По формулам определяют истинные температуры поверхности и центра изделия:

 

 

где: ,  - искомая температура поверхности или центра в данной стадии;  - конечная температура данной стадии; ,  - безразмерныетемпературы поверхности и центра данной стадии; ,  - температура центра или поверхности в предыдущей стадии (для стадии 1-1 - = =; для стадии I-2 - =; = и т.д.)

Этап подъема температуры ():

Стадия I-1:

 

Стадия 1-2:

 

 

Стадия 1-3:

  

 

 

Этап изотермической выдержки 

  

Подсчитывают среднюю температуру изделия:

 0,67 +0,33  

 Далее аналогично стадии 1-1 производится расчет для следующих стадий этана подъема температуры и для этапа изотермической выдержки и охлаждения. Результаты записываются в таблицу 2. Последняя колонка таблицы заполняется после расчета экзотермии цемента.

Этап подъема температуры ():

Стадия I-1:

 0,67 +0,33 =;

Стадия 1-2:

 0,67 +0,33 =;

Стадия 1-3:

 0,67 +0,33 =;

Этап изотермической выдержки

  .

 

 Таблица 2.

Температуры изделия

Стадии и периоды ТВО	Средняя температу- ра	Температу- ра поверх- ности	Температура центра	Фактическая температура с учетом тепла эк- зот. выдержки цемента
	28,99	42,14	22,51	33,59
	44,90	61,27	36,84	52,10
	72,96	94,01	62,60	97,26
	81,32	94,99	74,59	145,72

 

Расчет тепловыделения /экзотермии) бетона

Процесс твердения бетона сопровождается выделением тепла вследствие экзотермических реакций гидратации цемента.

Тепловыделение бетона зависит от тепловыделения цемента, которое в свою очередь определяется рядом факторов: химическим и минералогическим составом, маркой цемента, водоцементным отношением, расходом цемента, температурой бетона и продолжительностью тепловой обработки.

В приближенных расчетах количество тепла экзотермии, выделяемое 1 кг цемента, можно определить по формуле:

, кДж/кг

где: -удельное тепловыделение цемента, кДж/кг; М - марка цемента;

- количество градусов-часов от начала процесса, град-час; В/Ц – водо-цементное отношение;  - эмпирический коэффициент, который опреде- ляется для каждой стадии этапа подъема температуры и этапаизотермичес-кой выдержки по значению  :

 = 0,32+0,002 при < 290 град-час;

 = 0,84+0,0002 при > 290 град-час.

Расчет тепловыделения ведут в следующем порядке:

 1) Определяют  для всех рассматриваемых стадий (этапов):

 град∙час;

 град∙час;

 град∙час;

 град∙час;

 град∙час;

где: - начальная температура бетона, град;

 - средняя температура бетона стадии (этапа), град;

 - время стадии (периода), час;

 - количество стадий с начала тепловой обработки.

 2) Определяют суммарное количество тепловыделения для всех стадий по формуле:

, кДж/кг

 

  кДж/кг

  кДж/кг

 кДж/кг

  кДж/кг

3) Определяют тепло экзотермии, выделившейся в течение каждой стадии прогрева на 1 кг цемента

, кДж/кг

 кДж/кг

 кДж/кг

 кДж/кг

 кДж/кг

 

4) Определяют общее тепло экзотермии, выделяемое цементом, находящимся в камере в течение каждой стадии:

, кДж,

где: Ц - расход цемента, кг/м³;  -объем бетона в тепловой установке:

м³;

где:  - объем одного изделия, м³ (определяется по габаритам изделия); -количество изделий, находящихся в тепловой установке (определяется в технологическом расчете по раскладке изделий)

 

 

 5) Определяют повышение средней температуры изделий за счет тепла экзотермии:

 

 град,

где:  - теплоемкость заданного вида бетона, кДж/кг град. (Прил.КР-3)

;

 -масса бетона в тепловой установке, кг. :

==

где:  - плотность бетона, кг,м³(Прил.КР-3); кг/м³.

6)  Определяют фактические средние температуры изделий по стадиям (этапам):

где:  - средняя температура изделия, на данном этапе (стадии).

Результаты расчета заносятся в таблицу 2.

 

Материальные и тепловые балансы

 

Материальный баланс

По закону сохранения масс вес материалов, поступивших в тепловую установку  , должен быть равен весу материалов, выходящих из нее ,

=

(это балансовое уравнение, выражающее закон сохранения материи, называют материальным балансом).

Однако в процессе тепловой обработки наблюдается потеря материала за счет испарения влаги.

Следовательно, уравнение материального баланса имеет вид:

,

где:  - потери материала.

Левая часть уравнения  складывается из статей прихода материала, а правая  - из статей расхода после тепловой обработки.

Материальные балансы для установок периодического действия составляют для всего материала, находящегося в установке, для установок непрерывного действия - по часовой производительности.

Статьи материального баланса (кг/цикл, кг/час) для легкого железобетона.

Приход материалов:

1.  - сухая масса изделий; =++, кг;

 =1140,48+2592+4458,24=8190,72 кг

G_грав=Г*Vб=860*5,184=4458,24 кг

а)  - масса цемента; , кг;

кг

б)  - масса песка; , кг;

 кг

2.  - масса воды затворения; , кг;

 кг

3.  - масса арматуры; , кг;

 кг;

4. - масса металла форм;

 кг

где: Ц,П,Щ,В,А - соответственно масса цемента, заполнителей, воды,

 арматуры в кг/м³ бетона;

  - объем бетона, уложенного в камеру, м³;

 n_то – количество форм, уложенных в камеру, шт.;

  - металлоемкость одной формы, кг/м³ .

Расход материалов:

1.  - масса испаренной воды, кг (для плотных бетонов — 1 % от их массы для других бетонов - по технологическим расчетам).

 кг.

2. - масса оставшейся воды в изделии:

Материалы по п.п. 1,3,4 приходных статей проходят тепловую обработку без изменения.

 

Тепловой баланс

Тепловым балансом называется уравнение, где в одной части находится сумма величин прихода тепла, а в другой - сумма величин статей расхода тепла в установке или в отдельных ее частях. В приходную часть теплового баланса для тепловой обработки бетона обычно входят: тепло теплоносителей, экзотермических реакций материала, в расходную - тепло, затраченное на полезные цели (нагрев обрабатываемого материала), на тепловые потери в окружающую среду, с уходящим теплоносителем, конденсатом и т.д.

Из теплового баланса определяют общие, часовые, удельные расходы тепла и пара на единицу объема изделий в плотном теле.

На основе теплового баланса подбирают диаметр труб для подвода пара или продуктов сгорания газа и устанавливают дроссельные диафрагмы регуляторов давления и температур, вентиляторы, основные элементы систем автоматики процесса тепловой обработки.

Уравнение теплового баланса составляется на всю тепловую установку или на ее часть либо на весь рассматриваемый период, или за единицу времени (1 час).

 

Тепловые балансы установок периодического действия

Тепловой баланс установок периодического действия составляется по обычной методике с учетом специфических сторон процесса. Так как часовой расход тепла в период нагрева изделий и самой конструкции установки в несколько раз (5-10) превышает часовой расход тепла в период изотермической выдержки, то тепловой баланс следует составлять отдельно для первого и второго периода. Это позволяет определить часовой расход пара (по нему находят размеры паропроводов, ограничительных шайб) и составить программу автоматического регулирования.

 

Период подъема температур (первый период)

Статьи прихода тепла (кДж/цикл).

,

где:  - тепло насыщенного пара

кДж,

где: - масса пара, поступающего в камеру за первый период, кг;

  - теплосодержание пара, берется по таблице насыщенного пара;

 для нормального пара = 2680 кДж/кг;

 - тепло экзотермии цемента, выделившееся за первый период:

,кДж,

где:  - масса цемента в бетоне изделий, находящихся в камере

 (из материального баланса), кг;

 - тепло экзотермии цемента, выделившееся за первый период одним кг цемента (кДж/кг).

Статьи расхода тепла (кДж/цикл)

=++++++++Q_A

1.  - на нагрев сухой части бетона изделий, от начальной до средней (по всей массе изделия) температуры к концу периода нагрева

,кДж

,кДж

2.  - нагрев воды затворения:

, кДж

, кДж

3.  - нагрев арматуры и закладных деталей:

, кДж

4.  - на нагрев форм:

, кДж

 кДж

5.  - нагрев материала ограждения в период нагрева:

кДж

где: - соответственно масса сухой части бетона, воды, арматуры, форм (берется из статей материального баланса); масса отдельных частей кладки камеры (бетона стен и пола (), минеральной ваты () и стали крышки камеры ()) определяется, исходя из размеров и конструкции камеры;

 С_С , С_В, С_А, С_К - теплоемкости соответственно бетона, воды, арматуры, материала стен и пола (С_Б), крышки камеры (См.в., Смет), кДж/кг·град;

  - температуры соответственно: бетона, поступающего в ка меру, средняя и поверхности бетона к концу периода нагрева, град;

 t_K - температура ограждений камеры перед поступлением в нее пара;

 = - при пуске камеры после длительного простоя, град;

 = 35-40°С - при интенсивной эксплуатации камеры, когда ее ограждения не успевают охлаждаться до температуры окружающей среды, град;

- средняя температура ограждающих конструкций к концу периода нагрева, ,град.

Расчет массы бетона стен и пола:

, кг.

, м³

где:  - объем ограждающих конструкций;

- плотность железобетона (Прил.КР-3);

 - расчетные габариты камеры;

 - толщина стен камеры (=0,4м);

 - толщина пола камеры ( = 0,3 м).

м³

 

Расчет массы минеральной ваты, используемой для устройства теплоизоляции крышки камеры:

, кг.

 кг,

, м³

 м³

где:  - плотность минеральной ваты (Прил.КР-3);

  - толщина слоя минеральной ваты (по заданию).

Расчет массы металла, идущего на устройство водяного затвора и крышки камеры:

, кг

где:  - масса швеллера для устройства водяного затвора;

 - масса листовой стали крышки камеры.

кг.

Масса швеллера:

, кг;

, м;

где:  - длина швеллера, м;

  - масса одного погонного метра швеллера ( для швеллера

профиля ]16 — 14,2 кг).

 м;

, кг;

Масса листовой стали (2 листа):

, кг

м³;

 м³;

кг

где:  - объем листовой стали;

 - плотность листовой стали, кг/м³;

 - толщина листовой стали (=0,002 м).

6.  - потерянное в окружающуго среду через ограждения камеры в период нагрева:

а) Надземной частью:

, кДж,

где:  - коэффициент теплопередачи через поверхности ограждения, над земную часть стен () и крышку камеры ():

, Вт/м²·град;

 , Вт/м²·град; , Вт/м²·град;

- коэффициенты теплопередачи соответственно к внутренней и от наружной поверхности надземной части ограждений, Вт/м²·град.

Для нагрева принимают среднее значение  среды в камере:

Вт/м²·град

Вт/м²·град

где: - принимается в среднем 7-10 Вт/м²·град;

 Вт/м²·град;

 - толщина каждого слоя многослойных ограждений, м;

 - коэффициенты теплопроводности железобетона, минеральной ваты и строительной стали, Вт/м²·град (Прил.КР-3);

 - поверхность надземной части ограждений камеры:

стены: , м²,

, м²,

крышка: ,м²,

 м²,

 - средняя температура первого периода внутри рабочего пространства камеры ;

⁰С

- наружная температура окружающей камеру среды (температура цеха).

 Вт/м²·град;

 Вт/м²·град;

 кДж.

б) Подземной частью:

, кДж

где:  - коэффициент теплопередачи через поверхности ограждения:

 подземную часть стен и пола. Ввиду сложности его вычисления, (необходимо знать характеристики грунта и засыпки), в расчете принимают: :

 - поверхность подземной части ограждений камеры

,м²

,м²

 кДж

Общее потерянное тепло через ограждения камеры к концу периода нагрева:

,

 кДж

7. - потери тепла с паром, занимающим свободный объем камеры:

, кДж

где:  - свободный объем камеры

,

 м³;

где:  - объем камеры, м³;

  - объем бетона в камере, м³;

  - плотность металла форм; =7850 кг/м³;

  - плотность пара (плотность нормального пара =0,8кг/м³);

  - теплосодержание пара.

 кДж

8. Тепло, уносимое конденсатом пара:

=,

где: = 4,19=4,19*57,7=241,76- энтальпия конденсата - определяется по средней температуре среды за период нагрева (первый);

  - количество конденсата:

  - расход пара за первый период, кг;

  - расход пара на пропуски в атмосферу, кг;

  - масса свободного объема пара, кг.

, кг.

, кг.

9. Тепло, уходящее в атмосферу с паровоздушной средой, выбивающейся из щелей и других неплотностей камеры за первый период нагрева. Приближенно берется в количестве 10-20% от общей суммы статей расхода за период:

, кДж.

, кДж.

Меньший коэффициент берется для надежно герметизированных камер. В соответствии с рассчитанными статьями прихода и расхода составляется тепловой баланс камеры.

Период подъема температур:

Решая полученное уравнение теплового баланса, находим необходимое

количество пара, которое поступает за первый период ,кг.

кг

750970.4=750981.6

Определяется среднее часовое количество пара за первый период:

, кг/час

Удельный расход пара за первый период:

 кг/м³

Количество тепла за первый период:

=243.36*2680=652204.8кДж

Qконд=241,763*243,36-24,2*243,36-31823,75=21122,4

Тепловой баланс второго периода - периода изотермической выдержки составляется в том же порядке. В приходную часть входят необходимое тепло пара, а также тепло экзотермии цемента, выделившееся за второй период.

При прогреве толстостенных изделий, не успевших прогреться за первый период до центра, в статьи расходов второго периода необходимо включать затраты тепла на дальнейший прогрев изделий и ограждений, потери в окружающую среду ограждений, увеличенные ввиду больших температур в камере, пропуски через неплотности, потери с конденсатом и на испарение части воды затворения.

Период изотермической выдержки (второй период)

Статьи прихода тепла (кДж/цикл)

1.

2. ,кДж

где:  - количество тепла экзотермии, выделившееся за период изотермической выдержки одним кг цемента.

Статьи расхода тепла (кДж/цикл)

=+₂+++++++

1. ,

,кДж

2.

где:  - масса воды, оставшейся в изделиях к концу периода изотермической выдержки (из материального баланса).

1522,72кг

3.  на испарение части воды затворения.

 кДж

где:  - масса испарившейся влаги (из материального баланса).

кг

4 . , кДж.

кг;

5. , кДж

 кДж

6. , кДж

7. , кДж

а) Надземной частью:

, кДж,

где:  - коэффициент теплопередачи через поверхности ограждения, надземную часть стен () и крышку камеры ():

, Вт/м²·град;

 , Вт/м²·град; , Вт/м²·град;

- коэффициенты теплопередачи соответственно к внутренней и от наружной поверхности надземной части ограждений, Вт/м²·град.

Для нагрева принимают среднее значение  среды в камере:

Вт/м²·град

где: - принимается в среднем 7-10 Вт/м²·град;

 Вт/м²·град;

  - средняя температура первого периода внутри рабочего пространства камеры ⁰С;

- наружная температура окружающей камеру среды (температура цеха).

 Вт/м²·град;

 Вт/м²·град;

F_k^н=14,5*2,2=31,9 м²

F_ст^н=2*0,6*(14,5+2,2)=20,04 м²

 кДж.

Qoc^п=3.6*τII*(tII-tн)*ΣК_i*F_i

К_ст^п=0,5* К_ст^п=0,5*2,38=1,19;

F^п_i=F_ст+F_пол=2*Н_к^п*(L_k+B_k)+ L_k*B_k=2*4.73*(14.5+2.2)+14.5*2.2=189.882

Q^п_ос=3,6*7*(95-20)*(1,19*189,882)=427063,61 кДж

Q_ос= Q^н_ос+ Q^п_ос=108834,14+427063,61=535897,75.

8. , кДж

где: =4,19=4.19*95=398,05 - энтальпия конденсата (определяется по температуре изотермической выдержки).

Q_конд=G_пII-G_п-G_св.об

G_пр=0,1* G_пII

G_св.об.=ρ_п*V_п=0,8*164,54=131,632

Q_конд=( G_пII-0,1* G_пII-131,632)*398,05

9. ,кДж.

Q_выб=0,1*(Q_c+ Q_в2 +Q_а+ Q_ф+ Q_акк+ Q_ос+ Q_м+ Q_конд)=0,1*(151639,7+140619,5+1060,03+25390,08+2712298,5+535897,75+87051,272+398,05* G_пII-39,81* G_пII-52396,1)=360156,07+35,824* G_пII

Q_пII+Q_экзII= Q_c+ Q_в2 +Q_а+ Q_ф+ Q_акк+ Q_ос+ Q_м+ Q_конд+Q_выб

2680 G_пII+98765,6=3653956,8+360156,07+35,824* G_пII+398,05* G_пII-39,81* *G_пII-52396,1

2206,31* G_пII=3730318,633

G_пII=1690,75

4531210=(3917691,544+60538,98+672664,695-119671,019)

4531210=4531224,2

Аналогично первому периоду из уравнения теплового баланса второго периода определяем расход пара за этот период , среднечасовой его расход

 , кг/час,

Удельный расход  кг/м³

Расход тепла , кДж

Сумма дает важнейший показатель экономичности работы пропарочной камеры - удельный расход нормального пара на 1 м³ бетона

, кг пара/м³ бетона

Тепловые балансы камеры (по периодам и общий) сводятся в таблицу, составленную по приведенной форме:

Период изотермической выдержки (второй период)

Таблица 2

	Статьи прихода тепла	кДж	%	№№  п/п	Статьи расхода	кДж	%
1.	Тепло пара	4531224,2	96.3	1.	На нагрев сухих  материалов	151639,7	3.22
2.	Тепло экзотермии цемента	175827,8	3.7	2.	На нагрев воды	140619,5	2.99
	Итого	4707052		3.	На нагрев арматуры	1060,03	0.02
				4.	На нагрев форм	25390,08	0.54
				5.	На нагрев материала ограж.	2712298,5	57.62
				6.	Потерянного в окр. среду через ограждения	535897,75	11.39
				7.	Потери с паром, заним. св. объем камеры	166437.5	3.54
				8.	Тепло уносимое конденсатом пара	553002	11.75
				9.	Тепло уходящее в атмосферу	420695	8.94
					Невязка	12,06
				Итого 4707040,06
Удельный расход пара в кг/м3 326
Часовой расход пара в кг/час 241,14

Период подъема температур (первый период)

№№ п/п	Статьи прихода тепла	кДж	%	№№  п/п	Статьи расхода	кДж	%
1.	Тепло пара	652204,8	86.8	1.	На нагрев сухих  материалов	36437.6	4.85
2.	Тепло экзотермии цемента	98765,6	13.2	2.	На нагрев воды	34510.3	4.59
	Итого	750970.4		3.	На нагрев арматуры	2547,2	0.33
				4.	На нагрев форм	61009,9	8.12
				5.	На нагрев материала ограж.	54246	64.63
				6.	Потерянного в окр. среду через ограждения	8467.7	1.12
				7.	Потери с паром, заним. св. объем камеры	35277.4	4.698
				8.	Тепло уносимое конденсатом пара	21122,4	2.81
				9.	Тепло уходящее в атмосферу	66350.83	8.84
					Невязка	11,2
				Итого 750981.6
Удельный расход пара в кг/м3 46,94
Часовой расход пара в кг/час 121,68

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вознесенский В.А. Тепловые установки в производстве строительных материалов и изделий. - М. Стройиздат, 1964,

2. Кучеренко А А. Тепловые установки заводов сборного железобетона - Вшцашкола, 1977,

3. Кокшарев В.Н.Дучеренко А.А. Тепловые установки.- К.: Вища школа, 1990.

4. Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в производстве строительных изделий и деталей. -М.: Стройиздат, 1983.

5. Никифорова Н.М. Основы проектирования тепловых установок при производстве строительных материалов. - К.: Вища школа, 1974.

6. Баженов Ю.М., Комар А.Г, Технология бетонных и железобетонных изделий. -М.: Стройиздат, 1984.