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-401 204

Ю.М. Карташова

Екатеринбург 2014

1. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ ПРОПАРОЧНЫЕ КАМЕРЫ

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ

4. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

5. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ УСТАНОВКИ ВЫВОД БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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 °C с последующим медленным охлаждением не более чем на 15 °C 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 теплои 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 (однои 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 одноили 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;

T=251*0,948, где

251 — количество рабочих дней в году;

0,948 — нормативный коэффициент использования времени;

n_и — количество изделий на вагонетке, шт.;

U_б — объем бетона, необходимый для производства одной плиты, м³; U_б = 0,91;

K_и — коэффициент использования оборудования (камеры), K_и = 0,9;

П_год — годовая производительность камеры, м³/год; П_год =80 000.

r = ((251?0,948?23?60?1?0,91?0,9)/80 000)?60 = 201,7 с.

Принимаем r=250с.

Количество вагонеток в камере

N=(3600ф)/r, (2.2)

где: N — количество вагонеток в камере, шт.;

r — ритм конвейера, с; r = 900;

ф — продолжительность цикла тепловой обработки, час; ф=10.

N=(3600*10)/250=144 шт.

Общая длина камеры

L_к=(N/n_я)*L_ф, (2.3)

где: L_к — общая длина камеры, м;

n_я — количество ярусов в камере, шт.; n_я=4;

L_ф — длина формы-вагонетки, м.

L_ф=L_изд+0,15*2=2,68+0,15*2=2,98 м (2.4)

L_к=(144/4)*2,98=107,28 м Высота яруса

H=H_ф+h₁+h₂, (2.5)

где: H — высота яруса, м;

H_ф — высота формы-вагонетки с изделием, м;

H_ф=h_изд+0,25=0,22+0,25=0,47 м (2.6)

h_изд — толщина изделия, м; h_изд=0,22;

h₁ — расстояние от пола камеры до уровня головки рельсового пути, м; h₁=0,15;

h₂ — расстояние от верхней поверхности изделия до перекрытия камеры, м; h₂=0,1.

H=0,47+0,15+0,1=0,72 м Ширина камеры

B_к=B_ф+2*b, (2.7)

где: B_к — ширина камеры, м;

B_ф — ширина формы-вагонетки, м;

B_ф=b_изд+2*0,15=1,49+2*0,15=1,79 м

b_изд — ширина изделия, м;

b — зазор между бортом вагонетки и стенкой камеры, м; b=0,3

B_к=1,79+2*0,3=2,39 м Длина зоны подогрева

L₁=N*(ф₁/ф)*L_ф, (2.8)

где: L₁ — длина зоны прогрева, м;

ф₁ — продолжительность периода подъема температуры, час; ф₁=3;

L₁=144*(3/10)*2,98=128,74 м Длина зоны изотермической выдержки

L₂=N*(ф₂/ф)*L_ф, (2.9)

где: L₂ — длина зоны изотермической выдержки, м;

ф₂ — продолжительность периода изотермической выдержки, час; ф₂=5;

L₂=144*(5/10)*2,98=214,56 м Длина зоны охлаждения

L₃=N*(ф₃/ф)*L_ф, (2.10)

где: L₃ — длина зоны охлаждения, м;

ф₃ — продолжительность периода охлаждения, час; ф₃=2;

L₃=144*(2/10)*2,98=85,82 м

3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ

Расход материалов на 1 м³ бетона

Подвижность (осадка конуса) 4 см, по таблице — Расчет ведется по Баженову Ю. М. «Технология бетона»;

Класс: B22,5 МПа;

Марка цемента: ПЦ 400;

Активность ПЦ: 37,5 МПа;

с_ист цемента=3100 кг/м^3;

Песок средней крупности с водопотребностью 7%;

с_ист песка=2630 кг/м^3;

Щебень с предельной крупностью 20 мм;

с_ист щебня=2600кг/м³; с_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 П_щ=1-(с_нас/ с_ист), (3.3)

где с_нас — насыпная плотность щебня;

с_ист — истинная плотность щебня П_щ=1−1480/2600=0,43

Раздвижка зёрен (по табл.) б =1,38

Щебень

Щ=1000/(б* П_щ /с_{щ. ист}+ 1/ с_{щ. нас})=1000/(1.38*0.43/1,480+½, 6)=

=1271,81 кг/м³ (3.4)

Песок П=с_п(1000-Ц/ с_ц-В-Щ/ с_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/ф, (3.6)

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

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

ф — продолжительность тепло влажностной обработки в камере, час; ф=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)

G_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;

G_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/кгтеплота парообразования;

h_n= 2676 кДж/кг — энтальпия нормального пара.

РАСХОДНЫЕ СТАТЬИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Расход тепла на нагрев сухой массы:

Q₁=G_с.м.*С_б*(t_из-t_о),

где: G_с.м — вес сухих материалов, кг;

Q₁=4680,38*0,84*(85−20)=255 548,75 кДж Расход теплоты на нагрев воды затворения:

Q₂=G_о.в.*С_в*(t_из-t_о),

Q₂=357*4,19*(85−20)=97 228,695 кДж Расход теплоты на нагрев форм — вагонеток:

Q₃=G_м.ф.*C_м*(t_из-t_о),

Q₃=3855,6*0,48*(85−20)=120 294,72 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)=1 159 740 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),

Q₇=0,15(255 548,75+97 228,95+163 754,73+120 294,72+231 888+444,69*Д_п +292,3*Д_п)=131 761,36+110,55*Д_п, кДж Суммарный часовой расход теплоты:

Q_расх=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇,

Q_расх=255 548,75+163 754,73+97 228,95+120 294,72+231 888+444,69*Д_п +

+292,3*Д_п+131 761,36+110,55*Д_п =985 634,14+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 *И, 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

И — количество градусо-часов;

И=(t_из-t_н)/2*ф₁ + t_из*ф₂ = (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= 265 893,93 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

265 893,93+2223,47*Д_п=985 634,14+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

Q_расх.=Q_прих,

Невязка расчета теплового баланса удовлетворяет условиям требований: <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.

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

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

4. 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;

5. ГОСТ 13 015–2003 «Изделия железобетонные и бетонные для строительства. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения».