3.4. Теплообмен излучением

Теплообмен излучением может происходить между телами, находящимися на больших расстояниях одно от другого. Отличным примером этого явления служит излучение Солнца на Землю. В технике теплообмен излучением имеет место в котлах, в системе отопления зданий, сушильных агрегатах и т.п. При высоких температурах теплообмен излучением преобладает над остальными видами теплообмена и имеет в связи с этим важное значение. Лучеиспускание тела в пространство может быть равномерным или направленным.

Лучистая энергия, испускаемая на какое-либо тело, в зависимости от его физических свойств, формы и состояния поверхности частично поглощается этим телом и переходит в тепловую (а иногда и другие формы энергии), а остальная часть отражается и частично проходит через пего.

Обозначим через Q_O общее количество лучистой энергии, падающей на тело, а через Q_A, Q_R, и Q_D–соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него:

Q_O = Q_A + Q_R + Q_D (3.13)

Разделив обе части равенства на Q_O, получим:

1 = A + R + D (3.14)

где A – поглощательная способность тела; R - отражательная способность тела; D - пропускная способность тела.

Из приведенного рассмотрения следует, что величины A, R и D являются безразмерными коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. В зависимости от конкретных физических свойств тела, его температуры и длины волны падающего излучения численные значения коэффициентов А, R и D могут быть различными, а в частных случаях и равными нулю.

Если A = 1 (т.е. R = D = 0), то тело полностью поглощает все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе нет (A < 1). Свойствами, близкими к абсолютно черному телу, обладают нефтяная сажа (A = 0,9–0,96), черный бархат (A ==0,955).

Если R = l (т.е. A = D = 0), то тело полностью отражает падающие на него тепловые лучи. Такое тело называется зеркальным (если отражение правильное, не рассеянное) либо абсолютно белым (если отражение рассеянное–диффузное). К числу тел, близких по свойствам к абсолютно белому телу, относится ряд металлов (золото, медь и др.). Для полированных металлов R = 0,95–0,97. Белая оштукатуренная наружная поверхность стены хорошо отражает солнечные (видимые) лучи, а невидимые тепловые лучи интенсивно ею поглощаются.

Если D = 1 (т.е. A = R = 0), то тело пропускает через себя все падающие на него лучи. Такое тело называется абсолютно проницаемым. Воздух–практически прозрачная среда, твердые тела и жидкости непрозрачны. Многие тела прозрачны только для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длинноволнового инфракрасного излучения.

Лекция 4. Теоретические основы тепловлажностной обработки (2 часа)

4.1. Физико-химические процессы, проходящие в бетоне при тепловлажностной обработке

Твердение бетона – заключительный этап изготовления искусственного камня капиллярно-пористой структуры из вяжущего, крупного и мелкого заполнителя и воды. При затворении смеси водой вяжущее вступает в химические реакции гидратации, проходя последовательно стадии формирования пространственного каркаса коллоидной структуры, индукционного периода, формирования, а затем упрочнения конденсационно-кристаллизационной структуры. Уже в начальной стадии процесса гидратации вяжущего (цемента) происходит быстрое взаимодействие трехкальциевого силиката 3СаОSiO₂ (алита C₃S) и воды с образованием гидросиликата кальция и гидроксида кальция. Трехкальциевый алюминат ЗСаОАl₂O₃ представляет самую активную фазу среди клинкерных минералов: немедленно после соприкосновения С₃А с водой на поверхности непрореагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных алюмогидратов в виде тонких гексагональных пластинок. Рыхлая структура гидроалюминатов ухудшает прочностные и эксплуатационные свойства бетонов.

Двухкальциевый силикат-белит 2СаОSiO₂ (C₂S) гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше гидроксида Са(ОН)₂.

Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаОАl₂О₃Fe₂O₃ (C4AF) при взаимодействии с водой расщепляется на алюмогидрид и гидроферрит.

Первичная структура представляет собой малопрочный пространственный каркас из дисперсных частиц продуктов гидратации; к концу периода схватывания формируется основная структура цементного теста, которое превращается в цементный камень. Цементный камень, являющийся минеральным клеем, скрепляющим зерна заполнителя, должен обладать достаточной прочностью и хорошо сцепляться с зернами заполнителя. Эти свойства зависят от степени гидратации цемента, количества и качества новообразований, объема и характера пор.

Активным элементом структуры цементного камня, участвующим в образовании гидратных соединений и формировании пор, является вода. Пористость цементного камня зависит от начального водоцементного отношения, а также от форм связи воды с твердой фазой. Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и «внешние», заполняющие пространство, первоначально занятое водой. Внутренний гидросиликат, получающийся в результате непосредственного присоединения воды к твердой фазе алита и белита, имеет тонкую и плотную структуру. Внешние продукты гидратации образуются вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов гидроксида и эттрингита.

Гидратация цемента относится к химическим реакциям, проходящим с экзотермическим эффектом, т. е. с выделением теплоты. Тепловыделение цементов зависит от минералогического состава и активности вяжущего, тонкости помола, водоцементного отношения, условий и длительности твердения.

Термохимические свойства минералов вяжущего различны; наибольшей экзотермией обладает трехкальциевый алюминат, наименьшей–белит.

При гидратации цемента в процессе тепловлажностной обработки тепловыделение на каждом этапе зависит от средней температуры бетона и продолжительности процесса, что при постоянном водоцементном отношении можно представить как функцию градусо-часов (4.1, 4.2).

где t_б – температура бетона; _I, _II, _III– соответственно длительность периода нагрева, изотермического выдерживания и охлаждения. Среднюю температуру бетона определяют из расчетов нестационарных температурных полей.

Для практических расчетов применяют формулу определения тепловыделения, кДж/кг, связывающую марку цемента и количество градусо-часов:

q_экз = 9,6410^-4M(В/Ц)^0,44 (4.3)

Наибольшее тепловыделение цемента наблюдается в первые периоды твердения, затем процесс замедляется; тепловыделение более эффективно (при одинаковом количестве градусо-часов) при коротком нагреве до высокой температуры, чем длительное твердение при небольших температурах. Эта теплота может составить до 20 % всей теплоты, расходуемой на нагрев изделий, и должна учитываться при составлении теплового баланса процесса При отсутствии потерь теплоты в окружающую среду и на испарение температура в бетоне может на 5...10 °С превысить температуру среды в установке, что нежелательно, в частности, для предварительно напряженных бетонов.

Одним из методов ускорения твердения бетона является тепловлажностная обработка: повышение температуры до 60... 100 °С ведет к ускорению химических реакций в 6...12 раз и сокращению длительности процесса структурообразования с 28 сут до 6...16 ч. При этом одним из основных требований является сохранение в бетонной смеси воды в жидкой фазе, необходимой для образования гидросиликатов, диффузии растворов, равнораспределенной и уплотненной кристаллизации во всем объеме. Поэтому повышение температуры происходит в условиях повышенной влажности среды ( ~ 100 %) или в условиях, исключающих массообмен между изделием и средой.

При прогреве свежеотформованного бетона в нем одновременно протекают процессы структурообразования, обусловленные ускорением твердения цемента и упрочнением структуры бетона, и деструктивные процессы, возникающие в результате физических изменений под действием температурных и влажностных факторов. К ним относятся явления, вызываемые температурными, линейными и объемными изменениями, внутренними деформациями, капиллярным давлением и миграцией влаги.

При тепловлажностной обработке бетона вода и «защемленный» воздух, находящиеся в нем и имеющие коэффициент температурного расширения в 20...300 раз выше, чем у заполнителей и новообразований, раздвигают твердые компоненты, создавая внутреннее давление, превышающее прочность свежеуложенного бетона. При этом наблюдаются необратимые нарушения структуры бетона, такие как уменьшение прочности, появление микротрещин и капиллярных канальцев.

Возникающие в процессе нагрева неравномерности распределения температур по объему изделия вызывают неравномерные температурные расширения различных участков и зон изделия, температурные напряжения и деформации.

Процессы массообмена, которыми сопровождается тепловая обработка бетона (например конденсация пара на поверхности изделий, испарение влаги с открытых поверхностей, миграция влаги пара и воздуха внутри бетона), также влияют на характер и развитие деструктивных процессов.

В зависимости от степени температурного воздействия и влияния деструктивных процессов нарушение структуры бетона по сравнению с бетоном нормального твердения характеризуется ухудшением его основных физико-механических свойств (прочности, долговечности, морозостойкости).