Участок тепловлажностной обработки многопустотных плит перекрытий ПК 27.15-8

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт материаловедения и металлургии

Департамент строительного материаловедения

Кафедра технологии вяжущих материалов и строительных изделий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

УЧАСТОК ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МНОГОПУСТОТНЫХ ПЛИТ ПЕРЕКРЫТИЙ ПК 27.15-8

Руководитель

доцент, к.т.н. Б.А. Фетисов

Студент

гр. Мт-401204

Ю.М. Карташова

Екатеринбург 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ ПРОПАРОЧНЫЕ КАМЕРЫ

. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ

. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ УСТАНОВКИ

ВЫВОД

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Твердение бетона при повышенной температуре - один из основных процессов производства сборного железобетона. Конечной целью тепловой обработки в большинстве случаев является получение не полной проектной прочности бетона, а только ее доли, как правило, 70% проектной. Это даёт возможность выполнять дальнейшие производственные операции (распалубливание, передачу усилия натяжения арматуры на бетон и др.). После тепловой обработки изделия отправляют на склад готовой продукции, а затем на строительную площадку, где они достигают проектной прочности. В некоторых случаях (сложный монтаж, низкая температура, немедленная загрузка и т. п.) отпускная прочность бетона должна соответствовать проектной.

Ускоряющий эффект теплового воздействия оценивают по абсолютной прочности бетона в конце обработки, характеризующей степень ускорения твердения бетона по сравнению с твердением его в нормальных температурно-влажностных условиях (температура 20±2°С, относительная влажность - не менее 90%).

Эффективность тепловой обработки оценивают и по относительной прочности бетона прошедшего тепловую обработку, в сравнении с бетоном, твердевшим в нормальных условиях в течение 28 суток. Относительная прочность характеризует степень полноты использования вяжущего при тепловой обработке. Показатель 28 - суточной относительной прочности бетона, прошедшего тепловую обработку, дает возможность оценить положительные и отрицательные стороны воздействия высокие температур на бетон.

Длительность тепловой обработки составляет 70-80% общей продолжительности технологического цикла, чем короче сроки тепловой обработки, тем больше оборачиваемость форм, формовочных и тепловых установок, меньше удельный расход тепла на обработку изделий. В связи с этим очень важно интенсифицировать процесс твердения бетона, что можно осуществить технологическими и химическими способами.

Режимом тепловлажностной обработки называется совокупность условий окружающей среды, т. е. температуры влажности и давления, воздействующих на изделие в течение определенного времени и обусловливающих оптимальную для данного изделия скорость процесса твердения.

Режим тепловой обработки включает в себя параметры периодов подогрева, изотермического прогрева (при максимальной температуре) и охлаждения. Он характеризуется длительностью каждого периода, максимальной температурой изотермического прогрева и влажностью среды. Режимы могут быть жесткими и мягкими.

Жестким режимам отвечают жесткие условия структурообразования бетона: короткое предварительное выдерживание свежеотформованных изделий, быстрый подъем температуры, высокая температура изотермического прогрева, недостаточно влажная среда, немедленная распалубка и т. д.

Мягкие режимы сочетают длительное предварительное выдерживание, медленный подъем температуры, низкую температуру изотермического прогрева, влажную среду и т. д.

При назначении режима тепловой обработки бетона руководствуются такими соображениями:

·   предварительное выдерживание свежеотформованного бетона должно быть тем короче, чем быстрее наступают сроки схватывания цементного теста;

·        изделия следует прогревать тем медленнее, чем подвижнее бетонная смесь, из которой они изготовлены, короче предварительное выдерживание, больше их массивность и модуль открытой поверхности;

·        продолжительность изотермического прогрева нужна тем большая, чем выше требуемая прочность бетона при прочих постоянных параметрах;

·        максимальная температура изотермического прогрева зависит от вида применяемого цемента;

·        изделия охлаждаются тем дольше, чем они массивнее, причем из легкого бетона медленнее, чем из тяжелого.

Кроме того, в арматуре армированных конструкций потери предварительного напряжения от температурных перепадов не должны превышать величин, установленных нормативными документами. На длительность тепловой обработки также оказывает влияние массивность изделий. С увеличением массивности возрастает температурный перепад между наружными и внутренними слоями бетона, увеличивается величина температурных напряжений и вероятность возникновения температурных деформаций.

Изделия, к которым предъявляются высокие требования по долговечности, обрабатывают по мягким режимам, включающим предварительное выдерживание, медленный подъем температуры на 10-15°С в 1ч. и изотермический прогрев при температуре не выше 80 °С с последующим медленным охлаждением не более чем на 15 °С в час.

Режим тепловой обработки устанавливают сопоставлением всех технико-экономических показателей производства сборного железобетона. Работу тепловых установок организуют в три смены, даже когда формовочный цех работает в две смены.

Тепловлажностная обработка бетона, железобетона и силикатных изделий является заключительной стадией технологического процесса, исключая отделку. Это наиболее длительный и ответственный процесс технологии. Поэтому правильная организация такого процесса и выбор конструкции установок, в которых он протекает, во многом определяют качество, готовой продукции.

Конструкции тепловых установок в зависимости от технологического назначения разнообразны. При изучении конструкций тепловых установок необходимо основное внимание обращать на создаваемые в них условия тепло- и массообмена, сравнивать их достоинства и недостатки.

Важнейшими показателями, определяющими как режимы изготовления изделий, так и их эксплуатационные свойства, являются теплофизические свойства бетонов.

Тепловые установки или специальные посты, на которых осуществляют тепловую обработку железобетонных изделий, по режиму работы могут быть периодическими (ямные и туннельные камеры, автоклавы, кассеты, термоформы, термопосты, установки для электрообработки) или непрерывными (вертикальные и горизонтальные камеры, водные конвейеры).

Методы тепловой обработки, применяемые на комбинатах и заводах по производству сборного железобетона, различают так:

·   по виду теплоносителя (прогрев паром, горячим воздухом или дымовыми газами, горячей или перегретой водой, парогазовой смесью, высококипящими жидкостями и электрической энергией);

·        по способу воздействия теплоносителя на бетон (непосредственное соприкосновение теплоносителя и бетона, соприкосновение через поверхности нагрева или через газовую среду);

·        по кратности воздействия высоких температур (одно- и двух стадийная тепловая обработка), и по режиму действия (периодические и непрерывные).

Преимущества горизонтальных камер туннельного типа: возможность механизации и автоматизации тепловой обработки изделий; пониженный расход тепла вследствие однократного нагрева ограждающих конструкций и использования тепла охлаждающихся изделий; высокий коэффициент использования оборудования. Однако туннельные камеры дороги и занимают большие производственные площади.

1. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ ПРОПАРОЧНЫЕ КАМЕРЫ

В конвейерной технологии производства сборного железобетона в сочетании с вертикально, наклонно- и горизонтально замкнутыми тележечными конвейерами применяют одно- или многоярусные горизонтальные камеры тепловой обработки. Изделия, находящиеся на поддонах-вагонетках, проходят тепловлажностную обработку в камерах, расположенных параллельно формовочному конвейеру на уровне пола цеха, ниже или выше его, а подаются в камеру соответственно передаточной тележкой, снижателем или подъемником. Изделия, прошедшие обработку в горизонтальных камерах непрерывного действия, отличаются равномерностью обработки. Камеры по длине разделены на три следующие зоны: нагрева, изотермического выдерживания и охлаждения.

Горизонтальная щелевая пропарочная камера представляет собой туннель длиной 80-100 м. Ширина туннеля проектируется в расчете на движение через него одного-двух изделий, загружаемых в один ряд на каждой форме-вагонетке, и составляет 5-7 м, а высота туннеля 1-1,5 м. В зависимости от длины камеры в ней размещается 12-25 вагонеток с изделиями.

Горизонтальная щелевая пропарочная камера (рис. 1.1.) работает по следующему принципу. Форма-вагонетка с отформованным изделием 1 поступает на снижатель 2, который опускает форму-вагонетку на уровень рельс, проложенных в камере. Камера в целях уменьшения площади цеха, занятой под технологический процесс, заглублена в землю. Снижатель 2 оборудован толкателем вагонетки в камеру. Вагонетка проходит под механической шторой 3 и проталкивает весь поезд вагонеток по камере 4 на одну позицию. Вагонетка, находившаяся на последней позиции, поднимает герметизирующую штору 5, выкатывается на подъемник 6, который поднимает вагонетку с готовой продукцией на уровень пола цеха и скатывает ее на рельсовый путь. Загрузка и выгрузка вагонеток происходит с интервалом.

Время нахождения вагонетки в щелевой пропарочной камере соответствует времени тепловой обработки. Изменяя интервал загрузки, можно менять время тепловой обработки изделий. По длине l камеру условно делят на три зоны. Первая, начиная от места загрузки, является зоной нагревания l1, вторая зона, где материал выдерживается при достигнутой в зоне нагревания температуре, называется зоной изотермической выдержки l2 в третьей зоне l3 проходит охлаждение материала. В зоне нагревания и зоне изотермической выдержки в качестве теплоносителя используется пар. Зоны отделены одна от другой воздушными завесами, которые устанавливаются и на торцах камер. Назначение воздушных завес: предотвращать переход паровоздушной смеси из одной зоны в другую, и выход смеси в цех или засасывание в камеру холодного воздуха из цеха. Ограждения камер выполняют из кирпича и железобетона. Торцы закрывают гибкими шторами: брезентовыми, резиновыми, пластиковыми и др. Изделия охлаждают наружным воздухом. Для движения наружного воздуха зона охлаждения с каждой стороны оборудуются дополнительными каналами. Схема зоны охлаждения, отличающаяся только наличием боковых каналов, показана на рисунок 1.2.

В одном из боковых каналов 3 зоны охлаждения устраивают две-три заборные шахты 2, снабженные жалюзийными решетками 1 для регулирования количества забираемого наружного воздуха. Воздух через шахты 2 поступает в канал 3, откуда через окна 4 поступает в зону охлаждения, отбирает теплоту от изделий 5. Отработанный (нагретый) воздух через окна 6 попадает в канал 7, из которого через патрубок 8 забирается вентилятором 9 и через трубу 10 выбрасывается в атмосферу.

При использовании пара для его подачи применяют двухсторонние стояки-коллекторы, причем их первая пара размещена на расстоянии 18-20 м от входа в камеру.

К недостаткам щелевых камер можно отнести сложность подачи кондиционированной паровоздушной смеси; необходимость нижнего подогрева камер глухим паром для устранения недогрева изделий, расположенных внизу; недостаточную защиту торцовых проемов камер от выброса греющей среды вверху и засоса холодного цехового воздуха снизу, что увеличивает затраты тепла.

Из сказанного следует, что конструкция щелевых камер туннельного типа требует усовершенствования, чтобы удельные расходы тепла на единицу продукции были сведены к минимуму.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Рисунок 2.1 - Эскиз плиты перекрытия ПК 27.15-8

Исходные данные:

Таблица 2.1 - Сведения об изделии

Рассчитаем ритм конвейера:

r = (Т *23*60*n_и*U_б*К_и) / Пгод, с, (2.1)

где T - годовой фонд рабочего времени, сут;=251*0,948, где

- количество рабочих дней в году;

,948 - нормативный коэффициент использования времени;_и - количество изделий на вагонетке, шт.;_б - объем бетона, необходимый для производства одной плиты, м³; U_б = 0,91;_и - коэффициент использования оборудования (камеры), K_и = 0,9;

П_год - годовая производительность камеры, м³/год; П_год =80000.= ((251·0,948·23·60·1·0,91·0,9)/80000)·60 = 201,7 с.

Принимаем r=250с.

Количество вагонеток в камере

=(3600τ)/r, (2.2)

где: N - количество вагонеток в камере, шт.;- ритм конвейера, с; r = 900;

τ - продолжительность цикла тепловой обработки, час; τ=10.=(3600*10)/250=144 шт.

Общая длина камеры

_к=(N/n_я)*L_ф, (2.3)

где: L_к - общая длина камеры, м;_я - количество ярусов в камере, шт.; n_я=4;_ф - длина формы-вагонетки, м.

L_ф=L_изд+0,15*2=2,68+0,15*2=2,98 м (2.4)_к=(144/4)*2,98=107,28 м

Высота яруса

=H_ф+h₁+h₂, (2.5)

где: H - высота яруса, м;_ф - высота формы-вагонетки с изделием, м;

_ф=h_изд+0,25=0,22+0,25=0,47 м (2.6)

_изд - толщина изделия, м; h_изд=0,22;₁ - расстояние от пола камеры до уровня головки рельсового пути, м; h₁=0,15;₂ - расстояние от верхней поверхности изделия до перекрытия камеры, м; h₂=0,1.=0,47+0,15+0,1=0,72 м

Ширина камеры

_к=B_ф+2*b, (2.7)

где: B_к - ширина камеры, м;_ф - ширина формы-вагонетки, м;

_ф=b_изд+2*0,15=1,49+2*0,15=1,79 м

_изд - ширина изделия, м;- зазор между бортом вагонетки и стенкой камеры, м; b=0,3_к=1,79+2*0,3=2,39 м

Длина зоны подогрева

₁=N*(τ₁/τ)*L_ф, (2.8)

где: L₁ - длина зоны прогрева, м;

τ₁ - продолжительность периода подъема температуры, час; τ₁=3;₁=144*(3/10)*2,98=128,74 м

Длина зоны изотермической выдержки

₂=N*(τ₂/τ)*L_ф, (2.9)

где: L₂ - длина зоны изотермической выдержки, м;

τ₂ - продолжительность периода изотермической выдержки, час; τ₂=5;₂=144*(5/10)*2,98=214,56 м

Длина зоны охлаждения

₃=N*(τ₃/τ)*L_ф, (2.10)

где: L₃ - длина зоны охлаждения, м;

τ₃ - продолжительность периода охлаждения, час; τ₃=2;₃=144*(2/10)*2,98=85,82 м

. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ

Расход материалов на 1 м³ бетона

Подвижность (осадка конуса) 4 см, по таблице;

Класс: B22,5 МПа;

Марка цемента: ПЦ 400;

Активность ПЦ: 37,5 МПа;

ρ_ист цемента=3100 кг/м^3;

Песок средней крупности с водопотребностью 7%;

ρ_ист песка=2630 кг/м^3;

Щебень с предельной крупностью 20 мм;

ρ_ист щебня=2600кг/м³; ρ_нас щебня=1480кг/м³;

В/Ц (по формуле 3.1)

В/Ц=А*R_ц/(R_б + А*0,5 R_ц), (3.1)

где А - качество заполнителя (по табл.); А=0,6;

R_ц=37,5 МПа, R_б=25МПа;

В/Ц=0,6*37,5/(25 + 0,6*0,5 *37,5)=0,62

Вода (по графику 3.33)

В=190 л/м³

Цемент (по формуле 3.2)

Ц=В/(В/Ц) (3.2)

Ц=190/0,62=306,11 кг/м³

Пустотность

где ρ_нас - насыпная плотность щебня;

ρ_ист - истинная плотность щебня

П_щ=1-1480/2600=0,43

Раздвижка зёрен (по табл.) α =1,38

Щебень

Щ=1000/(α* П_щ /ρ_{щ. ист}+ 1/ ρ_{щ. нас})=1000/(1.38*0.43/1,480+1/2,6)=

=1271,81 кг/м³ (3.4)

Песок

П=ρ_п(1000-Ц/ ρ_ц-В-Щ/ ρ_щ)=2,63(1000-306/3,1-190-1271,81/2,6)=

=584,11 кг/м³ (3.5)

Плотность бетонной смеси:

П+Щ+Ц+В=584,11+1271,81+190+306,11=2352 кг/м³

Таблица 3.1 - Расход материалов на 1 м³ бетона

Количество изделий в камере (расчет ведется на 1 час работы камеры):

n_и=N/τ, (3.6)

где: n_и - количество изделий в камере, шт.;

N - количество изделий в камере, шт.; N=40;

τ - продолжительность тепло влажностной обработки в камере, час; τ=10;

n_и=40/10=4 шт.

Объем бетона:

V_б=n_и*U_б=4*0,91=3,64 м³ (3.7)

Масса цемента:

G_ц=Ц*V_б=306,11*0,91=278,56 кг (3.8)

Масса заполнителя:

G_з =З*V_б=1855,92*0,91=1688,89 кг (3.9)

Масса сухих материалов:

G_с.м.=G_ц+G_з=278,56+1688,89=1967,45 кг (3.10)

Масса арматуры:

G_а=А*V_б, (3.11)

_а=163,48*0,91=595,06 кг

Масса воды затворения:

G_в=В*V_б=190*0,9=691,60 кг (3.12)

Масса испарившейся воды:

W_исп=G_в*15%=691,60*0,15=103,74 кг (3.13)

Масса оставшейся воды:

G_о.в.=G_в*85%=103,74*0,85=587,86 кг (3.14)

Масса металлоформ:

G_м.ф. = Т * n_и * U_б, кг (3.15)

где: Т - масса металлоформы на 1 м³ изготавливаемых в ней железобетонных изделий, кг; T=1500;_м.ф=1500*4*0,91=5460 кг (3.16)

4. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Исходные данные:

С_б - удельная теплоемкость сухой массы бетона; С_б = 0, 84 кДж/кгК;

С_в - удельная теплоемкость воды; С_в = 4,19 кДж/кгК;

С_м - удельная теплоемкость металла; С_м = 0,48 кДж/кгК;

t_из - температура изотермического прогрева; t_из = 85⁰С;

t_ц - температура цеха; t_ц = 20 ⁰С;

К - коэффициент теплопередачи от паровоздушной среды в цех;

K = 6,29 кДж/м²чград;

x - степень сухости насыщенного пара, х=0,5;

h_x - энтальпия пара;

h_x=h_n^’+r*x=417,47+2257,5*0,85=2223,47 кДж/кг,

где h_n^’=417,47 кДж/кг - удельная энтальпия влажного насыщенного пара;

r = 2257,5 кДж/кг -теплота парообразования;

h_n= 2676 кДж/кг - энтальпия нормального пара.

РАСХОДНЫЕ СТАТЬИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Расход тепла на нагрев сухой массы:

₁=G_с.м.*С_б*(t_из-t_о),

где: G_с.м - вес сухих материалов, кг;₁=4680,38*0,84*(85-20)=255548,75 кДж

Расход теплоты на нагрев воды затворения:

₂=G_о.в.*С_в*(t_из-t_о),

₂=357*4,19*(85-20)=97228,695 кДж

Расход теплоты на нагрев форм - вагонеток:

₃=3855,6*0,48*(85-20)=120294,72 кДж

Потери теплоты через ограждающие конструкции камеры:

Q₄=К(L_к*В_к+2*Н_к*В_к+L_к*Н_к*2)*(t_из-t_о),

Q₄=6,29*(107,28*2,39 +2*107,28*1,44+2*2,39*1,44)*(85-20)=1159740 кДж

Потери теплоты через торцы камеры, принимая коэффициент утечки 0,2:

, кДж/ч,

Потери с конденсатом

Q₆=Д_к*С_в*t_к

где: Д_к - количество конденсата, Д_к = 0,93*Д_п

С_в - удельная теплоемкость воды; С_в=4,19 кДж/кгК;

t_к - температура конденсата; t_к=75 ⁰С

Q₆=0,93*Д_п*4,19*75=292,3*Д_п кВт

Неучтенные потери тепла составляют 15% от общего расхода:

Q₈=0,15(Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆),₇=0,15(255548,75+97228,95+163754,73+120294,72+231888+444,69*Д_п +292,3*Д_п)=131761,36+110,55*Д_п, кДж

Суммарный часовой расход теплоты:

Q_расх=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇,

Q_расх=255548,75+163754,73+97228,95+120294,72+231888+444,69*Д_п +

+292,3*Д_п+131761,36+110,55*Д_п =985634,14+847,54*Д_п кДж

ПРИХОДНЫЕ СТАТЬИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Приход тепла вследствие экзотермических реакций:

Q_экз.=q_экз.*G_ц,

где: q_экз. - тепловыделение 1 кг цемента,

q_зкз.=0,0023Q₂₈(B/Ц)^0,44 *Θ, кДж/кг

где: Q₂₈ - тепловыделение цемента при 28-суточном твердении в естественных условиях, в зависимости от марки цемента; Q₂₈= 360 кДж/кг;

значения (В/Ц)^0,44 для облегчения расчетов принимаются из таблицы:

(В/Ц)^0,44 = 0,62

Θ - количество градусо-часов;

Θ=(t_из-t_н)/2*τ₁ + t_из*τ₂ = (85-20)/2*3 + 85*4 = 437,5 град*час,

q_зкз.=0,0023*360*0,8625*437,5=312,44 кДж/кг.

Q_экз.=312,44*646,15= 265893,93 кДж

Приход тепла со стороны пара:

Q_п=Д_п*i_n= Д_п *2223,47 кДж

Составим уравнение теплового баланса

Q_экз+Q_п=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇+Q₈+Q₉

,93+2223,47*Д_п=985634,14+847,54*Д_п

Д_п=541,12 кг/ч

Занесем все результаты расчета в таблицу теплового баланса.

Таблица 4.1 - Сводная таблица теплового баланса

_расх.=Q_прих,

Невязка расчета теплового баланса удовлетворяет условиям требований: x<0,1%.

5. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ УСТАНОВКИ

бетон пропарочная камера плита

Расход пара за период: Д_п=541,12 кг/ч

Удельный расход пара на 1 м³ бетона:

d_n = Д_п / V_б, кг/м³

d_n=541,12/2,1=257,68 кг/м³

Удельный расход пара на 1 изделие:

d^`_n = Д_п / n_и, кг/шт.

d^`_n=541,12/6=90,19 кг/шт.

Удельный расход нормального пара на 1 м³ бетона:

d_н.п.=d_n* h_x/h_н.,

d_н.п=257,68*2223,47/2676=214,10 кг/м³

ВЫВОД

Удельный расход пара щелевой пропарочной камеры находится в пределах нормы, и удовлетворяет техническим требованиям. Разработанная пропарочная камера обеспечивает заданную производительность и использование ее целесообразно для производства плит перекрытия.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кучеренко А.А. Тепловые установки заводов сборного железобетона. - Киев: Вища школа, 1977. 280 с.

. Фетисов Б.А., Перин П.В., Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных изделий», УГТУ, 2011;

. Баженов Ю.М, Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М; 1984 - 672 с; ил

. Капустин Ф.Л., Шишкин С.Ф., Лошкарёв А.Б., Методические указания для студентов всех форм обучения специальностей факультета строительного материаловедения «Оформление учебных текстовых и графических элементов», УГТУ, 2005;

. ГОСТ 13015-2003 «Изделия железобетонные и бетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения».