Расчет, конструирование и составление теплового баланса установок для тепловой обработки строительных материалов и изделий

 

 кДж/(кг  ºС),

 

По формуле:

 м2/ч

По формуле с учетом R=0,1335 м. и τ=2,0 ч. имеем:

Зависимость скорости распространения теплоты в изделии от интенсивности внешнего теплообмена учитываем критериальным комплексом Био:

,  где

α- коэффициент теплоотдачи от среды к поверхности обрабатываемого изделия Вт/(м2 ºС);

для α1=70, α2=60 имеем следующие значения Bi:

;    .

При расчете температуры материала в точке х используется критериальная зависимость типа:

,  где

- безразмерная  температура;

tс- средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС

tн- температура изделия в начале расчетного периода, ºС.

Температура на поверхности равна:

tп1 = 35 - 0,22(35 – 20,0) = 31,7 оС

tп2 = 50 - 0,26(50 – 31,7) = 45,2 оС

tп3 = 50 - 0,26(50 – 45,2) = 48,6 оС 

tп4 = 50 - 0,26(50 – 48,6) = 49,7 оС 

 

Температура в центре изделия:

tц1 = 35 - 0,67(35 - 20) = 24,95 оС

tц2 = 50 - 0,69(50 – 24,95) = 32,72 оС

tц3 = 50 - 0,69(50 – 32,72) = 38,07 оС

tц4 = 50 - 0,69(50 – 38,07) = 41,77 оС

Значения безразмерных температур п и ц определим по графикам исходя из рассчитанных выше величин Fo и Bi.

Средняя температура изделия за расчетный период определим по формуле:

 

, ºС

 

tср1 = (31,7+2*24,95)/3 = 27,2  оС

tср2 = (45,24+2*32,72)/3 = 36,89  оС

tср3 = (48,56+2*38,07)/3 = 41,64  оС

tср4 = (49,68+2*41,77)/3 = 44,41  оС

 

По формулам рассчитаем температуры в центре, на поверхности, а так же средние температуры бетона на 1, 2 и 3 часу режима подъема температуры и на протяжении 5-ти часов изотермической выдержки и занесем их в таблицу:

 

 

№			п	ц
1	3,74	0,384	0,22	0,67	31,7	24,95	27,2
2	3,20	0,384	0,26	0,69	45,24	32,72	36,89
3	3,20	0,384	0,26	0,69	48,76	38,07	41,64
4	3,20	0,384	0,26	0,69	49,68	41,77	44,41

 

 

 

Для наглядности процесса разогрева бетона и паровоздушной среды построим график изменения температур во времени:

 

 

 При таком тепловом расчете  температур температуру изделий  получают без учета теплоты  гидратации. В реальных условиях  температура бетона к концу  изотермической выдержки  может  быть уменьшена на 5…10 ºС по  отношению к заданной по режиму.

 

Теплота экзотермии:

 

Количество теплоты гидратации, выделяемое 1 кг цемента:

М - марка цемента

количество градусов – часов от начала процесса, град/час

В/Ц – водоцементное отношение

а – коэффициент.

 

 

Определяем количество градусов – часов:

 

 

Общее количество теплоты гидратации, выделяемое цементом находящегося  в камере:

 

 

Определяем повышение средней температуры изделий за счет теплоты гидратации  цемента:

 

Вывод: Среднее повышение температуры составляет 25,07°С, что является достаточным для догрева до температуры заданного режима.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Определение требуемого количества тепловых агрегатов, их размеров и схемы размещения.

 

Число установок периодического действия определим по выражению

, шт.

где

N0- годовая производительность линии, м3;

tц- продолжительность цикла работы установки (с учетом времени предварительной выдержки, загрузки и разгрузки, длительности тепловой обработки), ч;

SVб- суммарный объем бетона, одновременно обрабатываемого в одной установке, м3

М- число рабочих дней в году;

К- число смен; 

Z- продолжительность рабочей смены, ч.

 

шт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Составление и расчет уравнения теплового баланса установки.

 

Теплотехнический расчет заключается в составлении теплового баланса установок, на основании которого определяется расход теплоты, требуемой на тепловую обработку изделий. Базовой величиной для расчета теплового баланса является количество теплоты, расходуемое за цикл тепловой обработки.

Для установок периодического действия уравнение теплового баланса имеет вид:

, кДж             

где

Q- поступление теплоты от теплоносителя в каждом из периодов или за весь цикл тепловой обработки;

Qэкз- количество теплоты, выделяющейся в процессе экзотермической реакции гидратации цемента с водой затворения, кДж.

β- коэффициент, учитывающий непредвиденные потери теплоты;

Qб- количество теплоты, расходуемое на нагрев бетона, кДж;

Qф- количество теплоты, расходуемое на нагрев формы, кДж;

Qпот- количество теплоты, потерянное установкой в окружающую среду, кДж;

Qк- потери с конденсатом, кДж.

 

Теплота на нагрев бетона.

Количество теплоты, расходуемое на нагрев массы изделия, определим по формуле:

, кДж                    

где сб- средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия, кДж/(кгºС);

Gб- масса изделия, кг;

tн, tк- средние температуры бетона в начале и конце соответствующего периода, ºС.

Рассчитаем данную величину по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

 кДж

изотермическая выдержка:

 кДж

 

Теплота на нагрев формы.

Так как форма для изготовления виброгидропрессованных труб состоит из металлического сердечника, резинового чехла, крышки и наружной формы, количество теплоты, расходуемое на нагрев формы рассчитывается по формуле:

Где :

- теплота, расходуемая на нагрев наружной  части формы.

, кДж 

где cм- теплоемкость материала наружной части формы, , кДж/(кг ºС);

Gн.ф.- масса формы, кг;

tк- конечная температура центра бетона изделия в соответствующем периоде, ºС;

tн- начальная температура формы, равная в период подъема температуры – температуре воздуха в цеху или на улице, а в период изотермической выдержки – температуре центра бетона изделия в конце периода подъема температуры, ºС.

Рассчитаем данный показатель по периодам тепловой обработки

подъем температуры:

 кДж

изотермическая выдержка

 кДж

 

- теплота, расходуемая на нагрев сердечника.

, кДж 

где cм- теплоемкость материала сердечника, кДж/(кг ºС);

Gс- масса сердечника, кг;

tк- конечная средняя температура бетона изделия в соответствующем периоде, ºС;

tн- начальная температура формы, равная температуре воздуха в цеху или на улице, ºС.

Рассчитаем данный показатель:

 кДж

 

- теплота, расходуемая на нагрев резинового  чехла.

, кДж 

где cм- теплоемкость материала резинового чехла, , кДж/(кг ºС);

Gр.ч.- масса резинового чехла, кг;

tк- конечная температура поверхности бетона изделия в соответствующем периоде, ºС;

tн- начальная температура формы, равная в период подъема температуры – температуре воздуха в цеху или на улице, а в период изотермической выдержки – температуре поверхности бетона изделия в конце периода подъема температуры, ºС.

Рассчитаем данный показатель по периодам тепловой обработки

подъем температуры:

 кДж

изотермическая выдержка

 кДж

 

- теплота, расходуемая на нагрев крышки.

, кДж 

где cм- теплоемкость материала сердечника, кДж/(кг ºС);

Gкрышки- масса сердечника, кг;

tк- конечная температура теплового режима соответствующем периоде, ºС;

tн- начальная температура формы, равная температуре воздуха в цеху или на улице, ºС.

Рассчитаем данный показатель:

 кДж

 

Рассчитаем теплоту на нагрев формы по периодам тепловой обработки:

в подъем температуры:

 кДж;

И период изотермической выдержки:

 кДж;

 

 

Потери теплоты.

 Количество  теплоты отданное формой в  окружающую среду определим по  выражению

, кДж                  

где

aн- коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности формы, Вт/(м2 ºС)

F- площадь поверхности формы, м2;

tк- конечная температура поверхности формы в соответствующем периоде, ºС;

t0- температура воздуха в цеху или на улице, ºС.

aн- коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности формы, Вт/(м2 ºС)

где aн- рассчитывается по формуле

 

aн=

;Вт/м2×К4

с’- приведенный к-т лучеиспускания поверхностей ограждения, Вт/(м2ºС)

 

с’ =с0×e

где

с0- постоянная лучеиспускания поверхностей ограждения,Вт/(м2 ºС)

e-степень черноты полного нормального излучения материала ограждения(выбирается из таблицы)   

 

с’ =5,67∙0,92=5,22 Вт/(м2 ºС)

 

 Вт/(м2 ºС)

 Вт/(м2 ºС)

Площадь поверхности формы принимаем 20 м2

Рассчитаем данный показатель по периодам тепловой обработки

подъем температуры:

 кДж

изотермическая выдержка:

 кДж.

Количество теплоты отданное крышкой (F=1,13 м2) в окружающую среду различные периоды:

подъем температуры:

 кДж

изотермическая выдержка:

 кДж

Потери теплоты в грунт рассчитаем по следующей формуле

где

R01- общее сопротивление теплопередаче конструкции, (м2 ºС)/Вт

F- площадь основания установки, м2;

tср- средняя температура среды за соответствующий расчетный период, ºС;

t0- температура воздуха в цеху или на улице, ºС.

Так как  в качестве ограждающей конструкции основания принят керамзитобетон  с l- коэффициентом теплопроводности материала l=0,65 Вт/(м ºС) то R01 рассчитывается с учетом термического сопротивления данного слоя:

, (м2 ºС)/Вт          

Примем толщину слоя d =0,15 м., и получим  R01равное

 

(м2 ºС)/Вт

И рассчитаем по формуле потери теплоты в грунт по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

кДж 

изотермическая выдержка:

кДж

Количество теплоты, расходуемое на нагрев основания, определим по формуле:

, кДж                    

где сб- средневзвешенная теплоемкость бетонной массы изделия, кДж/(кгºС);

Gб- масса основания, кг;

tн, tк- средние температуры бетона в начале и конце периода подъема температуры , ºС.

Рассчитаем данную величину по периодам тепловой обработки:

подъем температуры:

 кДж

Суммарные потери в окружающие среды по периодам тепловой обработки  составляют:

подъем температуры:

кДж

изотермическая выдержка:

кДж

 

Теплота, теряемая с конденсатом.

Теплота, теряемая с конденсатом, рассчитывается по формуле:

кДж

где

Gк- количество конденсата,равное 0,8 … 0,9 искомого пара за период;

кг;

iк- энтальпия конденсата, уходящего из установки, кДж/кг.

 

кДж/кг

где

ск- теплоемкость конденсата (для воды ск=4,19), кДж/кг ºС;

tк- температура конденсата.

 

Энтальпия пара рассчитывается по формуле:

, кДж/кг

где

i’ - энтальпия воды; ( i’ = 439,34 кДж/кг );

r - теплота фазового перехода; ( r = 2570,76 кДж/кг );

x - степень сухости пара; ( х = 0,95 );

 

кДж/кг

Расход пара за циклы тепловой обработки рассчитывается по выражениям:

, кг

, кг

где  - суммарный расход теплоты  за периоды подъема температуры и изотермической выдержки соответственно, кДж;

- коэффициент неучтенных потерь;

 

, кг

 

Теплота, теряемая с конденсатом равна:

 

, кДж;

, кДж.

 

 

 

Статья баланса	Количество теплоты, кДж		Итого	%
	Подъем температуры	Изотермическая выдержка
Теплота на нагрев бетона	26552,66	90009,84	116562,5	30,44
Теплота на нагрев формы	28840,12	65633,6	94473,72	24,67
Потери в окружающую среду.	29231,62	117763,6	146955,2	38,38
Потери с конденсатом.	5894,2	19043,15	24937,35	6,51
		итого	383103,67	100

 

 

8. Определение часовых и удельных расходов теплоты и теплоносителя по периодам (зонам) тепловой обработки.