Лекции 15-16

Процессы термовлажностной обработки

11.1. Теоретические основы процесса термовлажностной обработки

Тепловые способы ускорения твердения бетона основаны на нагреве материала изделия за счет передачи теплоты от какого-либо источника и теплоносителя. Передача теплоты к изделию (внешний теплообмен) может осуществляться конвективно с использованием в качестве теплоносителя водяного пара, воздуха, паровоздушной смеси, продуктов сгорания газа, кондуктивно (в результате теплопроводности), а также с помощью лучеиспускания.

Изменение условий и параметров среды в установке, а затем и параметров поверхности изделий приводит к изменению температурного поля внутри изделия и передвижению влаги и воздуха (массы). Интенсивность внутреннего тепло- и массообмена существенно влияет на формование структуры материала, конечные прочностные характеристики изделия. Прогрев с помощью конвективного теплообмена происходит при обработке в термовлажностных установках, в которых теплоноситель непосредственно соприкасается с поверхностью изделия. Теплообмен зависит от скорости и характера движения теплоносителя и его свойств, коэффициент его теплопроводности составляет λ = 0,0245 Вт/(м·^оС). Поэтому создаваемая вокруг изделий воздушная прослойка значительно снижает теплообмен. Для сохранения влаги в материале тепловую обработку проводят насыщенным водяным паром, который при соприкосновении с более холодной поверхностью изделия конденсируется, отдавая при этом теплоту 2200...2500 кДж/кг нагреваемому обмена от паровоздушной среды к изделию зависит от многих факторов, и, прежде всего от соотношения пара и воздуха в паровоздушной смеси, а также скорости движения паровоздушной смеси.

Коэффициент теплообмена в установках для термовлажностной обработки зависит от интенсивности конвективного теплообмена, количества конденсирующего пара, вида конденсации (пленочная, капельная), расположения и конфигурации поверхностей.

При увеличении скорости движения паровоздушной среды влияние примеси воздуха значительно снижается, а скорость теплообмена повышается, т. е. коэффициент α повышается при увеличении скорости смеси, температуры и относительной влажности среды.

Влияние внешних условий среды на термовлажностной установке во всех периодах обработки изделий сказывается на изменении температуры и влагосодержания поверхности материала, что в свою очередь вызывает передвижение теплоты и массы в объеме изделия. Теплота внутри влажного изделия перемещается как за счет теплопроводности, так и потоком теплоты, которую несет передвигающийся в материале поток влаги (массы).

Удельный поток теплоты внутри влажного материала телу. На поверхности изделия образуется пленка конденсата, снижающая коэффициент теплообмена и удельный поток теплоты к изделию.

Изменение влагосодержания по сечению материала приводит к тому, что при увеличении количества влаги составляющие материала раздвигаются, и материал набухает, увеличиваясь в размерах. С уменьшением влагосодержания частицы материала сближаются, материал дает усадку. Если суммарные растягивающие и сжимающие напряжения, вызванные градиентами температуры, влагосодержания и давления превысят значения, допустимые для данного материала, то возникают деформации и нарушения структуры. Наиболее опасными в этом отношении являются начальные этапы термовлажностной обработки, т.к. затем материал постоянно набирает прочность и способен выдерживать значительные напряжения. В период изотермического выдерживания наблюдается выравнивание температур в среде и материале, а температурные градиенты уменьшаются и исчезают. Затем под влиянием экзотермии температура внутренних слоев повышается, теплота и влага начинают перемещаться к поверхности. В период изотермического выдерживания бетон теряет до 15 % воды затворения. Этот процесс особенно усиливается в период охлаждения, когда вместо пара в установку подают воздух, охлаждающий поверхности изделия и поглощающий влагу. Температура греющей поверхности зависит от вида и параметров теплоносителя, из которых наиболее распространены пар и вода. При применении пара повышение температуры выше 100 °С приводит к повышению давления. Зависимость давления и температуры определяют по линии насыщенного пара.

При обработке изделий в продуктах сгорания газа прогрев происходит с помощью конвективного теплообмена. Важнейшим показателем для определения параметров продуктов сгора­ния природного газа как теплоносителя, является коэффициент избытка воздуха α , показывающий отношение количества воздуха, подаваемого в топку, к количеству воздуха, необходимому для горения.

На стадии нагрева и изотермического выдерживания при температуре среды до 100...120 °С происходит конденсация пара на поверхности изделия из среды продуктов сгорания. Процесс продолжается до тех пор, пока температура поверхности изделий будет ниже точки насыщения (точки росы) продуктов сгорания.

При α = 1 температура точки росы 59 °С, при α = 2...2,5 температура 30...50 °С. По мере разогрева поверхности интенсивность конденсации понижается и наступает равновесное состояние, а затем начинается испарение влаги из бетона.