2107

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Э.Н. Мартемьянова

ТЕПЛОТЕХНИКА

И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЕ

ОБОРУДОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Учебное пособие

Омск Издательство СибАДИ

2007

1

УДК 621.1 ББК 31.1 М 29

Рецензенты:

директор ОООООФ «Центр качества строительства» А. И. Стариков; начальник отдела диагностики зданий

ОАО ТПИ «Омскгражданпроект» П. Г. Фролов

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для студентов 4 и 5 курсов специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» к курсовому и дипломному проектированию.

Мартемьянова Э.Н.

М 29 Теплотехника и теплотехническое оборудование технологии строительных материалов и изделий: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. 97 с.

ISBN 978 5 93204 331 8

Изложены основные принципы расчёта температурных полей в бетонных и железобетонных конструкциях в период их тепловой обработки. Приведены характеристики для тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий, а также примеры расчётов удельной величины тепловыделения бетона, температурных полей в периоды ТВО изделий, теплотехнические расчёты тепловых установок, удельные расходы пара на ТВО изделий в различных тепловых установках. В приложении помещены справочные данные, необходимые для расчётов.

Учебное пособие подготовлено на факультете «Промышленное и гражданское строительство» СибАДИ и предназначено для студентов специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Ил. 29. Библиогр.: 28 назв.

2

Оглавление

1. Температурные поля в бетонных и железобетонных изделиях, подвергаемых тепловой обработке, и их расчёт………………….............. 4

1.1.Общие положения…………………………………...……………….. 4

1.2.Тепловыделение бетона при его тепловой обработке……….......... 6

1.3.Распределение температур и температурные перепады

в бетонных и железобетонных изделиях в период подъёма температуры среды в тепловой установке…………………………........ 13

1.4.Распределение температур и температурные перепады в бетонных и железобетонных изделиях

в период изотермического прогрева…………………………………….. 20

1.5.Распределение температур и температурные перепады

в бетонных и железобетонных изделиях в период охлаждения……..... 28

2.Тепловые установки и их расчёт…………………………………………. 30 2.1. Камера ямного типа………………………………..……………........ 31 2.2. Эффективные системы парораспределения в ямной камере……... 33 2.3. Расчёт ямной камеры…………………………………………............ 35 2.4. Камеры вертикального типа ………………..………………………. 43

2.5. Расчёт вертикальной камеры ……………………………..………… 45

2.6.Кассетные установки ……………...……………………………...…. 51

2.7.Расчёт кассеты …………..…………………………………………... 55

2.8.Туннельные камеры…………………………………..……………… 60

2.9. Расчёт туннельной камеры…………………..……………………… 63

2.10.Щелевая камера. ……………..…………………………………….. 71

2.11.Расчёт щелевой камеры…………...……………………................... 72

2.12.Автоклав…………………………………………………………….. 78

2.13.Расчёт автоклава……………………………………………………. 80

Библиографический список………………………...……………………......... 84

Приложение…………………………………………………………………...... 85

3

1.ТЕМПЕРАТУРНЫЕПОЛЯВБЕТОННЫХИЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ,ПОДВЕРГАЕМЫХТЕПЛОВОЙОБРАБОТКЕ,

ИИХРАСЧЁТ

1.1.Общие положения

Температурный режим при тепловлажностной обработке (ТВО) железобетонных изделий задается в виде изменения температуры среды в установке во времени.

В изделиях температура в различных точках сечений не соответствует температуре среды в данный момент времени и отличается неравномерностью, т.е. наличием перепадов температуры между поверхностью и различными точками сечения изделий.

Количество тепла (кДж), переходящее через единицу поверхности (м2) в единицу времени (ч), называется тепловым потоком q и выражается формулой

где коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙град); x толщина неограниченной пластины, м; t1 и t2 температуры поверхности и центра пластины, С.

Знак минус в формуле обусловлен тем, что тепло распространяется в сторону понижения температуры и, следовательно, приращение температуры в этом направлении является отрицательным.

Тепловой поток всегда направлен нормально к изотермической поверхности тела в сторону наибольшего перепада температур.

Для правильного назначения режимов тепловой обработки изделий необходимо знать кинетику температуры в отдельных точках изделия и её распределение в объёме изделий в различные моменты времени. Эти же данные нужны и для теплотехнических расчётов установок ускоренного твердения бетона. В результате такого расчёта определяют количество и график подачи тепла в установки, длительность периодов подогрева, изотермического прогрева и охлаждения изделий.

Определение температуры бетонных и железобетонных изделий в зависимости от параметров греющей среды и их изменения во времени являются существенным элементом теплотехнического расчёта, связанного с определением оптимальных режимов тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий и конструктивных параметров установок для тепловой обработки.

Изменение температуры любой точки изделия в зависимости от времени и температуры описывается дифференциальным уравнением теплопро-

4

водности (уравнением Фурье). Это уравнение составляется на основании закона Фурье и закона сохранения энергии и в общем случае, при постоянстве физических констант тела, имеет вид

где t температура в рассматриваемой точке тела в С в момент времени в ч; удельная мощность внутреннего источника тепла, т.е. количество выделяемого тепла в единицу времени в единице объёма в кДж/м3 ч, в некоторых случаях, например, при значительном испарении влаги из бетона, величина может быть отрицательной; a коэффициент температуропроводности, м2/ч; с удельная теплоёмкость, кДж/кг∙град; плотность бетона изделия, (кг/м3).

Для одномерного температурного поля, которое мы в дальнейшем только и будем рассматривать, уравнение приобретает следующий вид:

прямоугольная система координат x, y, z (неограниченная пластина)

Для практических расчётов важно иметь решение дифференциальных уравнений теплопроводности для неограниченной пластины, неограниченного цилиндра и шара. Изделия типа плит и панелей при наименьшем размере в плане более 4 6 толщин сечения могут рассматриваться как неограниченные пластины. На основе этого в дальнейшем приводится пример расчёта таких изделий.

Классическое решение уравнения Фурье для шара можно использовать для температурных полей изделий, у которых все три измерения близки между собой.

Наконец, как бесконечный цилиндр можно рассматривать изделия различных форм: балки, колонны, ригели, сваи и т.п.

Из сочетания этих трёх элементов можно получить приближённые данные о температурных полях в отдельных изделиях более сложных форм, разделяя их на простейшие элементы. Сложность решения уравнения Фурье в применении к бетону изделий возникает вследствие необхо-

5

димости учитывать внутренний источник тепла в твердеющем бетоне в результате того, что процесс его твердения носит характер экзотермической реакции, т.е. протекает с выделением тепла. В свою очередь тепловыделение бетона величина не постоянная, зависит от многих факторов, и в том числе от начальной температуры бетона. В связи с этим, решение дифференциального уравнения (1.2) удаётся выполнить только при некоторых допущениях. Вопрос об экзотермии цемента и её зависимости от температурных условий твердения бетона рассматривается ниже.

1.2. Тепловыделение бетона при его тепловой обработке

Процесс твердения бетона, как известно, сопровождается выделением тепла вследствие экзотермической реакции гидратации цемента. Тепло, выделяемое только за первые 3 4 ч, составляет около 20 % всего тепла, расходуемого на нагрев изделий, и должно учитываться при теплотехнических расчётах.

Тепловыделение бетона зависит от тепловыделения цемента, которое в свою очередь определяется рядом факторов. Из них наиболее важными являются: химический и минералогический состав цемента, тонкость его помола, водоцементное отношение, температура бетона и продолжительность его тепловой обработки.

Для данного цемента при постоянном водоцементном отношении тепловыделение θ можно представить как функцию произведения температуры бетона (цемента) на время, т.е. как функцию градусочасов.

где tб постоянная температура цемента (бетона), ºC; продолжительность нагрева.

Обозначив величину тепловыделения цемента при 28-суточном твердении в естественных условиях через Qэ28, можно выразить тепловыделение цемента Qэ в виде эмпирической зависимости

где a – коэффициент температуропроводности, м2/ч; e – основание натурального логарифма; b – скорость подъёма температуры, ºC/ч.

Тепловыделение цементов, в зависимости от водоцементного отношения В/Ц и градусочасов, вычисляется по формуле

Для практических расчетов по этой формуле построена номограмма

(рис. 1).

6

2

144

1

128

112

96

80

64

48

32

16

ственно поправочный коэффициент

1,2; 1,0; 0,8; 0,6)

Значения (В/Ц)0,44 даются в прил. табл. П.5.

При изменении величины tб в пределах от 0 до 300 градусочасов удобно пользоваться простой формулой

или диаграммой (рис. 2), построенной по формуле (1.9).

Приведённые формулы выведены для портландцементов, однако в первом приближении они позволяют подсчитать тепловыделение и других цементов. Если в 1 м3 бетона содержится цемента Ц, кг, то для практиче-

ских расчётов можно считать, что тепловыделение бетона, кДж/м3, равно

Формулами (1.8) и (1.9) или диаграммами (см. рис. 1 и 2) для подсчёта тепловыделения цемента можно пользоваться в том случае, если температура его в процессе твердения бетона является постоянной величиной. При

7

изменении температуры надо принимать за tб среднюю температуру бетона за рассматриваемый промежуток времени.

Изменение температуры среды в камере tс при подъеме температуры с достаточной для практических расчётов точностью можно представить в виде линейной зависимости от времени

где t0 температура среды в начальный момент, ºC (при 0); b скорость нагрева среды, ºC/ч.

В этом случае средняя температура бетона tб.ср без учёта экзотермии на основании теории теплопроводности может быть определена по формуле

где т ' величина, зависящая от формы тела, (для неограниченной пластины т' = 1, неограниченного цилиндра т' = 2 и для шара т' = 3); е осно-

a

вание натуральных логарифмов; F0 R2 критерий Фурье, характери-

зующий связь между скоростью изменения температуры, физическими ха-

зующий связь между передачей тепла, теплопроводностью внутри тела и теплоотдачей на поверхности его; Bn и n величины, зависящие от кри-

терия Вi и формы тела; R характерный размер тела, м (для неограниченной пластины он равен половине её толщины, для цилиндра и шара их радиусу).

Для расчётов формулу (1.12) удобно представить в виде

определяется по графикам на рис. 3 5.

Средняя температурабетона,наданныйпромежуток времени,будетравна

где C2 f2(F0,Bi ) определяется по графикам на рис. 6 8.

8

C1

9