2390

воздуха, тем самым поддерживается разрежение в камере на уровне 5…10 Па. Высокая скорость подачи продуктов сгорания в камеру (до 25 м/с) повышает равномерность состава и температуру среды в камере.

Каждая камера периодического действия оборудуется индивидуальным теплогенератором, а камеры непрерывного действия оснащаются теплогенераторами, распределенными по тепловым зонам.

Известно, что газовый теплоноситель по сравнению с паром имеет невысокий коэффициент теплоотдачи или теплообмена: α газа равна 7…10; α паровоздушной смеси – 200…800; α чистого пара – 5000…6800 Вт/(м2·ºС). Поэтому, несмотря на высокую температуру продуктов сгорания (130…140 °С), данный способ не позволяет интенсифицировать разогрев бетона и получить короткие циклы термообработки. В связи с этим этот способ может быть эффективен лишь при условии более экономичного потребления топлива по сравнению не с фактическим, а с оптимизированным паропрогревом.

В настоящее время имеется большой опыт производства изделий сборного железобетона классов В3,5…В25 с термообработкой продуктами сгорания газа на предприятиях Миннефтегазостроя и др.

Достигнутая при этом способе удельная технологическая энергоемкость составляет 0,3…0,5 ГДж/м3 (Свислочский завод ЖБИ, завод ЖБИ Сургутского ДСК). Наиболее массовый показатель расхода газа равен 10…15 м3/м3. Вырабатываемый теплогенераторами ТОК 1 и ТОК 1А высокотемпературный теплоноситель с низкой относительной влажностью целесообразно использовать для термообработки легких бетонов с целью ускорения их твердения и достижения нормативной (12 %) влажности изделий.

Необходимые условия для термообработки тяжелого бетона способен обеспечить теплогенератор ТОБ 2. Регулируемая подача продуктов сгорания позволяет реализовать технологически рациональный тепловой режим с разогревом бетона в среде с пониженной относительной влажностью (30…40 %) и изотермической выдержкой при относительной влажности более 50…70 %.

3.14.2. Применение автономно вырабатываемой парогазовой смеси

Схему с децентрализованной выработкой теплоносителя позволяют реализовать также автономные парогазогенераторы, осуществляющие увлажнение теплоносителя, а именно горячего воздуха и продуктов сгорания природного газа.

139

Возможность получения теплоносителя (технологического пара) с различными температурой и влажностью, изменяемыми в широком диапазоне, непосредственно у потребителя тепловой энергии делает этот метод и схему производства перспективной и конкурентоспособной в сравнении

страдиционным паропрогревом, основанным на теплоснабжении от котельной.

Внастоящее время созданы газовые генераторы, способные производить паровоздушную смесь в момент запуска генератора в работу непосредственно у места потребления теплоносителя. Такие генераторы применяются на заводах в США для тепловой обработки железобетонных труб

снемедленной распалубкой, бетонных блоков и изделий стендового производства.

Ведутся работы по освоению газового генератора мощностью около 4 ГДж/ч. Генератор вырабатывает паровоздушную смесь в виде тумана (80…100 °С) или перегретый сухой пар (до 200 °С) в зависимости от типа прогреваемых изделий, вида заполнителя и бетона, режима и цикла термообработки. Относительная влажность смеси до 100 %, удельная теплоемкость 2,4 кДж/(кг·°С), энтальпия 2300…2500 кДж/кг. Генератор обеспечивает мгновенное образование пара путем смешивания продуктов сгорания газа с водой при интенсивной подаче воздуха. Мобильность генератора и примененная в нем система сгорания, исключающая образование вредного оксида углерода, гарантируют его удобство и безопасность в любых производственных условиях: стационарных и передвижных заводов, стройплощадок.

Эффективными автономными генераторами пара с различной степенью влажности являются горелки погружного типа. В практике известен метод погружного нагрева технологических жидкостей. Применение газового погружного нагрева позволяет снизить эксплуатационные расходы на обогрев жидкостей в 2…3 раза по сравнению с паровым и электрическим обогревом. Горелки погружного типа включают в себя вихревой смеситель, камеру горения с выхлопным патрубком, циркуляционную трубу. Изменением глубины погружения камеры горения можно регулировать

влажность получаемой паровоздушной смеси. По расходу газа горелки могут быть любой мощности:от 1000 до 20 м3/ч и менее.

3.14.3. Применение низкотемпературного теплоносителя

К числу энергосберегающих методов тепловой обработки сборного железобетона относится метод обогрева изделий в среде низкотемпературного (50…70 °С) теплоносителя, для получения которого могут быть использованы традиционные энергоносители (газ, электроэнергия), возоб-

140

новляемые виды энергии (солнечная, геотермальная), а также производственные низкотемпературные отходы (конденсат, оборотные воды горячего водоснабжения).

Требуемая для нагрева бетона до температуры 60…70 °С паровоздушная смесь с температурой не более 80 °С создается непосредственно в пропарочной камере. Генератором низкотемпературной паровоздушной смеси является гидроаэроциркуляционная (пузырьковая) камера (рис. 3.33).

Рис. 3.33. Гидроаэроциркуляционная пропарочная камера: 1 – камера; 2 – железобетонное изделие;

3 – водовоздушный эжектор; 4 – бак-аккумулятор; 5 – ванна; 6 – перфорированная труба; 7 – насос; 8 – водоподогреватель

В качестве теплоаккумулирующей и теплопередающей среды в этих камерах используется вода, циркулирующая по замкнутому контуру с насосом, водоподогревателем, паровоздушными эжекторами и перфорированными трубами, погруженными в водяную ванну камеры. Бакаккумулятор предназначен для накопления горячей воды. Циркуляция низкотемпературной паровоздушной смеси с требуемыми температурой и влажностью и необходимый теплообмен в камере создаются в результате реализации так называемого "пузырькового" режима барботажного аэрирования воды.

Таким образом, гидроаэроциркуляционная камера – это агрегат с автономной выработкой паровоздушного теплоносителя на основе несложного оборудования, позволяющего использовать нетрадиционные возобновляемые энергоносители и вторичные энергоресурсы. Каждая из схем энергоиспользования должна быть экономически обоснована и технически целесообразна. Только в этом случае применение гидроаэроциркуляционных камер может быть оправданно.

Разогрев бетона изделий до температуры 70 °С со скоростью 15…20 °С/ч в течение 3…4 ч практически реален при использовании гене-

141

рируемого в камере низкотемпературного теплоносителя. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи низкотемпературной паровоздушной смеси с относительной влажностью более 90 % благодаря эжекционной принудительной конвекции достигает 60 Вт/(м2 · ºС). Теплосодержание смеси при температуре 70…80 °C и барометрическом давлении составляет 800…1500 кДж/кг. Паровоздушная смесь, содержащая стандартный пар с теплосодержанием 2676 кДж/кг, имеет коэффициент теплоотдачи в условиях естественной конвекции 50…70 Вт/(м2 · 0С).

"Пузырьковый" режим барботажного аэрирования воды повышает интенсивность разогрева среды и бетона изделий примерно в 1,5 раза по сравнению с режимом разогрева изделий в камере с заглушёнными эжекторами.

Благодаря принудительной конвекции насыщенного влагой теплоносителя бетон изделий разогревается со скоростью, близкой к скорости повышения температуры среды в камере. Это исключает образование конденсата на поверхности изделий и испарение влаги из бетона. Незначительные градиенты температуры и влагосодержания ограничивают интенсивность внутреннего переноса влаги, что положительно влияет на физи- ко-механические характеристики бетона. Конвективная теплопередача от циркулирующей паровоздушной смеси к поверхности обрабатываемых изделий в значительной мере определяется режимом течения греющей среды и характером ее распределения по объему камеры, что зависит от схемы распределения в камере эжекторов. Стабилизация теплового режима в камере, например с электротермодинамическим способом аэрирования воды, не требует специальных автоматических устройств и может быть обеспечена при соблюдении расчетной номинальной мощности нагревателя. При эксплуатации пузырьковых камер на Новозыбковском заводе ЖБИ с агрегатным расходом тепловой энергии 360 МДж/м3, загрузкой камеры бетоном в объеме 7,2 м3 и продолжительностью подъема температуры 4 ч мощность электронагревателя с КПД, равным 0,9, составляет 200 кВт.

Исследованные тепловые режимы обеспечивают достижение бетоном распалубочной прочности (70 % от марки бетона, равной 20 МПа) за (18…22)-часовой цикл тепловой обработки в камерах, эксплуатируемых с одним оборотом в сутки.

Теплоэнергетический анализ показал, что в случае применения предварительно разогретой воды время и энергозатраты на разогрев изделий в камере сокращаются примерно на 20 %.

Запас предварительно подогретой воды может быть создан в специальных емкостных тепловых аккумуляторах, использующих какой-либо возобновляемый вид энергии, например солнечную, или традиционный источник энергии, например электроэнергию в часы внепиковой нагрузки

142

энергосистемы. Энергетические показатели тепловлажностной обработки железобетонных изделий в камерах с низкотемпературным теплоносителем представлены в табл. 3.3.

Тепловая обработка бетона в камерах, заполняемых в начале процесса холодной водой, по расходу топлива и стоимости израсходованной энергии практически равноценна нормативному паропрогреву. Этот чисто "электрический" вариант получения низкотемпературного теплоносителя сможет быть применен при отсутствии котельной, а также создании временных заводов и полигонов в виде мобильных комплексов по производству сборного железобетона.

Энергетический эффект от предварительного нагрева воды теплом, например, солнечной энергии зависит от ее доли в энергетическом балансе тепловых установок. При частичном использовании солнечной энергии (25…30 % от общих энергозатрат) потребление топлива по сравнению с нормативным паропрогревом может быть сокращено на 15…20 %. Технологические схемы с превалирующим использованием возобновляемого источника энергии позволят почти вдвое сократить расход топлива в условном исчислении (см. табл. 3.3). Пример такой схемы приведен на рис. 3.34. С дальнейшим понижением уровня температуры разогрева бетона доля во-

143

зобновляемой энергии в тепловом балансе камер и соответственно энергосберегающий эффект будут возрастать.

Рис. 3.34. Гелиоустановка с активным преобразованием солнечной энергии: 1 – гелиоприемник; 2 – фильтр для воды; 3 – расширительный бак; 4 – гидроэжектор; 5 – пузырьковая камера; 6 – изоляция "шторного" типа; 7 -– водоподогреватель; 8 – бакаккумулятор; 9 – насос; 10 – запорные вентили

Низкотемпературная паровоздушная смесь с коэффициентом теплоотдачи при принудительном конвективном теплообмене, не превышающем 60 Вт/(м2 · °С), и температурой не более 80 °С не может интенсифицировать прогрев по сравнению с традиционным паропрогревом и сократить цикл тепловой обработки. Поэтому в основе ожидаемого экономического эффекта лежит главным образом энергосбережение. Причем за объективную базу экономического сравнения берется традиционный паропрогрев бетона до температуры не выше 70 °С, при котором удельный расход энергии составляет 500…650 МДж/м3 в зависимости от КПД камер. В связи с этим применение пузырьковых камер может быть экономически обосновано при использовании возобновляемых видов энергии, причем доля этой энергии в тепловом балансе камеры должна быть не менее 50 %.

При использовании низкотемпературного источника тепловой энергии, например, источника возобновляемой энергии (солнечной или геотермальной), перепад температуры между первичным источником (368 К) и нагретым бетоном (333…343 К) резко сокращается, в связи с чем эксергетический КПД возрастает до 0,60…0,75.

Изыскание путей отказа от тепловой обработки или сокращение расхода топливно-энергетических ресурсов на неё с сохранением технологического цикла производства актуально и приведёт к значительной экономической эффективности.

144

Ускорение твердения бетона сборных изделий по широко применяемой в настоящее время в южных районах страны СВИТАПовской гелиотехнологии обеспечивает в течение 5…6 месяцев в году полный отказ от традиционных ТЭР, а в течение года 50…60 % его экономии.

Эффективность тепловой обработки с использованием солнечной энергии заключается в том, что вследствие плавного прогрева с подъёмом температуры до 60…65 °С в течение 5…6 часов, изотермическим прогревом в течение 5…6 часов при этих температурах и медленным остыванием обеспечивается высокая степень гидратации цемента гелиотермообработанного бетона, высокие физико-механические свойства в проектном возрасте и повышенная долговечность, приближающиеся к бетону нормального твердения по сравнению с бетоном, пропаренным по обычной технологии.

Внедрение в производство теплоизолирующих гелиостендов позволяет в южных районах страны удлинить сезонный период гелиотермообработки без расхода дополнительной традиционной энергии до 7…7,5 месяцев в году с обеспечением суточного цикла производства и отказаться от дополнительной операции по последующему уходу за бетоном изделий до достижения отпускной прочности при формировании в утренние часы.

Энергопотребляемость тепловой обработки бетона изделий при круглогодичной эксплуатации гелиостендов снижается при снабжении гелиостендов установками, повышающими интенсивность солнечной радиации.

Внедрение данной гелиотехнологии не требует сложных форм и оснасток и основана на традиционных технологиях.

3.14.4. Применение масла как теплоносителя

Экономичные, малоэнергоемкие и компактные тепловые системы для нагрева отформованных железобетонных и бетонных изделий могут быть созданы при использовании в качестве теплоносителя масла. Широкомасштабного применения масляный теплоноситель иметь не может, и системы на его основе, как правило, разрабатываются для выпуска определенных изделий и являются неотъемлемой частью конкретной технологической линии. Примером могут служить линии стендового изготовления железобетонных плит с системами масляного обогрева немецкой фирмы "Макс Рот", работающие на нескольких заводах страны.

Реализуемый с помощью таких систем контактно-кондуктивный прогрев бетона рационален для тепловой обработки высоко- и среднемодульных изделий в кассетах, термоформах и стендовой опалубке других видов.

145

При отсутствии технологического пара масляный обогрев является высокоэкономичным, позволяющим организовать тепловую обработку изделий при любом первичном источнике энергии (газе, электроэнергии).

Масляный обогрев и системы на его основе перспективны при создании мобильных установок по производству железобетонных строительных материалов массового спроса (плит, блоков, камней, черепицы и т.д.).

Легко управляемая система генерирования тепловой энергии и ее передачи к объекту нагрева обеспечивает широкий диапазон параметров теплообмена. Регулируемые температура (60…300 °С) и скорость циркуляции масла позволяют легко оптимизировать режимы тепловой обработки бетона и реализовать при необходимости высокоскоростные и высокотемпературные режимы прогрева бетона под давлением.

Примером практического применения масла как теплоносителя могут служить технология и установка для тепловой обработки железобетонных блоков пролетных строений мостов, разработанные ЦНИИС Минтрансстроя (рис. 3.35).

Рис. 3.35. Установка для термообработки железобетонных изделий с применением масляного теплоносителя: 1 – насос; 2 – теплогенератор; 3 – бак-аккумулятор; 4 – балка; 5

– регистры; 6 – теплоизоляционное покрытие; 7 – гибкие шланги; 8 – кран; 9 – задвижка; 10 – манометр

Установка включает в себя термоформу, оснащенную регистрами (трубами) и систему маслообогрева. По регистрам с помощью насоса циркулирует минеральное масло, разогретое в теплогенераторе. Энергоемкость метода составляет 0,6 ГДж/м3 при коэффициенте полезного использования энергии 0,7, установленная мощность − 100 кВт.

146

3.14.5. Методы и область эффективного использования электротермии

Освоение новых эффективных методов тепловой обработки бетона требует создания более прогрессивного по сравнению с пропарочными камерами оборудования, на основе которого возможно радикальное совершенствование технологии в направлении энергосбережения и интенсификации производства. Прогрессивной технической основой развития производства, в том числе и производства сборного железобетона, является его дальнейшая электрификация. Качественно новый этап электрификации промышленности связан с широким использованием электроэнергии для технологических нужд, в частности, для повышения эффективности средне- и низкотемпературных технологических процессов, к которым относится тепловая обработка бетона.

С переходом от паровой к электротепловой обработке бетона, как правило, улучшается структура энергетического баланса этого процесса.

Электротермическая технология имеет ряд технических преимуществ:

относительная простота преобразования электрической энергии в тепловую и подвода тепла к необходимым участкам и в требуемых количествах;

высокая равномерность нагрева и необходимая точность обеспечения заданных температурных режимов;

отсутствие влияния энергоносителя на атмосферу в заводских цехах;

компактность и большая мобильность тепловых установок;

простота и экономичность передачи энергии;

хорошие социальные условия труда.

Методы эффективного использования электротермии в технологии сборного железобетона приведены на рис. 3.36. К ним относятся способы кондуктивного нагрева бетона с тепловыделением непосредственно в бетоне или форме, арматуре изделия, а также способы конвективного нагрева бетона в среде низкотемпературного теплоносителя, получаемого в результате преобразования и накопления в тепловых аккумуляторах энергии традиционного (электрическая энергия) или возобновляемого (солнечная энергия) источника.

Среди малоэнергоемких (45…50 (кВт·ч)/м3, или 14…16 кг/м3 в пересчете на условное топливо) высокопроизводительных (а в перспективе – бескамерных) технологий одной из наиболее эффективных является технология горячего формования изделий с предварительным электроразогревом бетонной смеси. Применение такой технологии целесообразно при немедленном формовании разогретой бетонной смеси.

147

148

Рис. 3.36. Методы эффективного использования электротермии в технологии сборного железобетона