4. Порядок и последовательность выполнения курсового проекта.

Получив задание на разработку курсового проекта, студент вначале знакомится по доступным литературным источникам со всеми видами тепловой обработки строительных изделий. В составе просматриваемых литературных источников обязательно должны присутствовать центральные и периодические издания по специальности.

Изучив достоинства и недостатки заданного теплового агрегата, студент обосновывает проектируемый тип установки, задается основными ее параметрами и размерами и выбирает наиболее рациональный тепловой режим ее работы.

На основе полученных расчетных данных и творческой проработки графического материала студент составляет на листе миллиметровой бумаги компоновочную схему агрегата.

Выбранные схемы обсуждаются вместе с руководителем проекта, после чего студент приступает к выполнению теплотехнических и конструктивно-технологических расчетов, которые служат основой для выполнения графической части проекта.

6. Содержание расчетно-пояснительной записки.

1. Вводная часть.

Вводная часть расчетно-пояснительной записки должна содержать задание на проектирование и перечень основных проектных данных и норм, положенных в основу разработки курсового проекта.

Во вводной части необходимо кратко отразить результаты анализа литературных источников по теме проекта с обязательной ссылкой на список используемой литературы, прилагаемый в конце расчетно-пояснительной записки.

2. Характеристика исходных материалов и изготавливаемых изделий.

В этом разделе должны быть представлены геометрические и теплофизические характеристики исходных материалов и изготавливаемых изделий. На эскизе изделий указываются размеры, степень армирования и наличие закладных деталей.

Состав и расход исходных материалов при формовании изделия принимаются в соответствии с заданной маркой бетона по справочной литературе или рассчитываются по известным из курса технологии бетонных изделий методикам. В характеристиках исходных материалов указывается их плотность, теплопроводность, теплоемкость. Для изделия в целом также определяется плотность бетона, теплопроводность, температуропроводность и водоцементное отношение.

3. Описание конструкции установки и выбор режима ее работы

Описание конструкции установки лучше проводить после выполнения графической части. В этом разделе необходимо отразить принятые конструктивные решения: дать краткие сведения о способах загрузки и разгрузки, способах подачи и отбора теплоносителя, о пуске и поддержании заданного режима в агрегате, а также указать рабочие места для обслуживания установки и их организацию. В разделе следует указать необходимые параметры, подлежащие контролю, и места установки контрольно-измерительных приборов по условиям технологии ТВО изделий.

4. Расчет нагрева изделий

Для правильного назначения режимов ТВО необходимо знать кинетику изменения и распределение температуры по толщине изделия.

4.1. Теплообмен между греющей средой и изделием

Если в паре находится какой-либо неконденсирующийся газ, например воздух, то теплоотдача конденсирующегося пара на поверхности тела будет значительно снижаться.

Из многочисленных исследований известно, что даже весьма незначительное содержание воздуха в водяном паре весьма заметно снижает коэффициент теплообмена. По этой причине коэффициенты теплообмена в ямных камерах между паровоздушной средой и изделиями значительно ниже, чем в камерах с чистым насыщенным паром.

Опыты, проведенные в институте ВНИИЖелезобетон, показали, что теплообмен сплошных и пустотных бетонных плит, расположенных горизонтально в паровоздушной среде, при конденсации и естественной конвекции, может быть выражен следующими эмпирическими зависимостями:

сплошные плиты ;

пустотные плиты .

Тогда средний коэффициент теплообмена , Вт/м²·°С

Дополнительно к перечисленным ранее отдельные величины в формулах и критериях Nu, Gr, Pr и K обозначают: L_опр — определяющий размер, равный толщине плиты (высота плиты при ее горизонтальном положении) h в м; теплофизические свойства среды – пленки конденсата с_с, λ_с; ν_с; β_с; ρ_с и Pr — теплоемкость в кДж/кг·°С; коэффициент теплопроводности в Вт/м·°С, коэффициент кинематической вязкости в м²/с; коэффициент объемного расширения в 1/°С; плотность в кг/м³ и критерий Пратдтля определяются по табл. 1 Приложения в зависимости от определяющей температуры. Определяющей температурой t_опр,°С является средняя температура пограничного слоя пленки конденсата, которая вычисляется по формуле: , где t_н – начальные температуры среды и изделия, принимаемые равными температуре воздуха в цехе, °С; t_из – температура изотермической выдержки, °С; t_s = (t_из – Δt) – температура поверхности изделия, °С. После вычислений, значение определяющей температуры следует округлить до величины кратной 0,5 °С. Критерий Грасгоффа ; критерий конденсации , где r – скрытая теплота парообразования в кДж/кг, определяемая по табл. 1 Приложения в зависимости от определяющей температуры.

В многоярусных и одноярусных (щелевых) туннельных камерах непрерывного действия паровоздушная среда находится в вынужденном движении благодаря естественной циркуляции паровоздушной среды через торцовые сечения камеры и работы циркуляционных вентиляторов. В этом случае процесс теплообмена между средой камеры и изделиями выражается следующими критериальными зависимостями, полученными И. Б. Заседателевым:

при φ > 65% ,

при φ ≤ 65% ,

где t_с - температура сухого термометра равная t_опр,°С, t_м – температура мокрого термометра, определяемая по табл.3 Приложения с учетом φ%; Δt — средний перепад температур между средой и изделиями, °С. В критериях Nu и Re за определяющий размер L_опр принят , где s – поверхность теплообмена изделия, м². Скорость движения теплоносителя в этих установках может достигать 1,5—2 м/сек. Теплофизические свойства среды – паровоздушной смеси находятся по табл.2 приложения по величине t_опр.

Эти формулы получены в результате испытания образцов бетонных изделий при изменении критерия Рейнольдса ( ) в пределах 5 · 10³ < Re < 40 · 10³.

4.2. Температурное поле по толщине изделия в периоде подъема температуры среды в камере

Цикл тепловлажностной обработки железобетонных изделий включает следующие этапы:

1. подъем температуры паровоздушной среды до максимальной заданной, который всегда можно выразить линейной зависимостью температуры от времени. На этом этапе в основном происходит разогрев изделия;

2. выдерживание изделий в камере при максимальной постоянной температуре (так называемый изотермический прогрев). На этом этапе, в зависимости от характерного размера и теплофизических постоянных бетона, изделие может быть уже прогрето и распределение температур по толщине становится равномерным или же разогрев будет продолжаться;

3. остывание изделий. На этом этапе температура изделий понижается соответственно заданному режиму понижения температуры среды в камере.

Особенное значение имеет расчет температуры бетона в период нагрева, так как на этой стадии распределение температур по толщине бетона существенно влияет на его структурообразование, а также в процессе охлаждения, когда появляется опасность появления трещин.

Рассмотрим процесс нагрева бетонной панели при ее тепловой обработке. Так как свежеотформованный бетон является влажным телом, то в общем случае при тепловой обработке может происходить испарение влаги из бетона. Поэтому наряду с положительным источником тепла будет действовать отрицательный источник тепла, величина которого для случая равномерного испарения влаги по всему объему тела определится из соотношения: , где r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг; D – объемная интенсивность испарения влаги, кг/м³·с.

Тогда задачу о нагреве бетонной панели можно сформулировать следующим образом. Дана неограниченная пластина толщиной 2R при температуре t_н. Пластина помещается в среду, температура которой повышается по закону:

,

где t_н — температура среды в момент  = 0; b — скорость нагрева среды в °С/ч.

Внутри пластины действуют положительный и отрицательный источники тепла, мощность которых q_v и w. Найти распределение температуры по толщине пластины и удельный расход тепла в любой момент времени. Приведем решение уравнения теплопроводности бетонной пластины при следующих допущениях.

1. Коэффициент теплоотдачи от паровоздушной среды к бетонной пластине постоянен. В действительности он меняется от температуры среды. Принимая во внимание, что коэффициент теплоотдачи вообще велик, для бетонных изделий, имеющих достаточную толщину и коэффициент теплопроводности не более 1,7 Вт/м· град, можно, без большой погрешности, пользоваться средним значением коэффициента теплоотдачи для рассматриваемого интервала температуры.

2. Коэффициент теплопроводности в процессе нагрева пластины постоянный.

3. Испарение влаги из пластины происходит равномерно по всему объему.

4. Учитывая высокое значение коэффициента теплопроводности стали (50 Вт/м· град), а также небольшую относительно изделия толщину стенок металлической формы, влиянием последней в расчетах пренебрегаем, что оправдывается опытом и наблюдениями. Также пренебрегаем влиянием арматуры на температурное поле пластины.

5. Пластина нагревается одинаково с обеих сторон.

6. В рассматриваемом интервале времени, соответствующем периоду разогрева изделий, тепловыделение цемента определяется по формуле:

,

где Q_Э28 – удельная величина тепловыделений бетона при нормальном режиме твердения в течение 28 суток, зависящая от марки цемента и равная (0,83·M_ц + 87), кДж/кг цемента.

Тепловыделение бетона зависит от средней по объему температуры бетона, которая определяется без учета тепловыделения цемента.

Поместим в середину толщины пластины начало координат и ось х направим перпендикулярно к плоскости пластины, тогда уравнение теплопроводности можно написать в следующем виде:

,

где х,  — переменные: расстояние от условно выбираемого начала координат и время; t(x, ) —температура в градусах в точке тела х в момент времени ; - коэффициент температуропроводности, м²/ч; с_б - удельная теплоемкость бетона, кДж/кг·град; ρ_б – плотность бетона, кг/м³, λ_б - коэффициент теплопроводности бетона, Вт/м·°С; q_v — средняя за рассматриваемый промежуток времени мощность внутреннего источника тепла (количество выделяемого тепла в единицу времени в единице объема); в нашем случае — экзотермический эффект в бетоне, Вт/м³.

Вычислим мощность тепловыделения q_v, т.е. среднее тепловыделение цемента в 1 м³ бетона за рассматриваемый промежуток времени. Очевидно, что за время τ тепловыделение в 1 м³ бетона будет равно:

.

Обозначив величину темпа нагрева и темпа охлаждения и подставив их в исходное уравнение, получим:

.

Для решения уравнения теплопроводности пластины приняты следующие краевые условия:

1. t(Х, 0) = t_н, т. е. в начальный момент температура бетонной пластины по всему сечению постоянна;

2. условие симметричного распределения температуры по сечению тела относительно его оси, обусловленное равенством температуры среды со всех его сторон;

3. условие равенства количеств тепла, подводимого к поверхности тела путем теплообмена и отводимого от поверхности внутрь тела в результате теплопроводности.

Пользуясь операционным методом, получаем решение уравнения в виде выражения для температуры в любой точке неограниченной пластины в любой момент времени с учетом тепловыделения цемента и испарения влаги:

Для практических расчетов начальная температура бетона может быть принята равной температуре среды (t_н = t₀), мощность отрицательного источника, связанного с испарением влаги, то же равна нулю (p = 0) Кроме того число членов ряда может быть ограничено до одного первого члена, учитывая что ряд быстросходящийся. Тогда решение для неограниченной пластины получим в виде уравнения:

.

4.3. Пояснения к расчетной формуле

Приняв Х = R, получим значения температуры поверхности изделия в момент времени τ (интервал времени при расчете предлагается 0,5 ч); приняв Х = 0, получим значения температуры центра изделия в момент времени τ.

Скорость подъема температуры среды b, град/ч в периоде нагрева длительностью  _под по формуле: .

Темп нагрева изделия за счет внутреннего источника тепла: .

Коэффициент тепловыделений: .

Тепловыделения при нормальном режиме твердения: .

Коэффициент: .

Критерий Био: ; критерий Фурье: , в котором за текущее время  принимается расчетное время в периоде подъема температуры  _под^рас, ч.

Коэффициент: ; коэффициент: .

По результатам расчетов находим: среднюю по толщине температуру изделия к концу периода подъема температуры среды , °С и градиент температуры по толщине изделия , °С/м.

4.4. Температурное поле по толщине изделия в периоде изотермической выдержки

Для решения задачи о кинетике нагрева изделия и распределения температур по его сечению в этот период служат те же дифференциальные уравнения теплопроводности, что и для решений подобной задачи при подъеме температуры, но при других начальных условиях.

Начало режима изотермического прогрева совпадает с концом периода подъема температур, поэтому за начальный момент времени для отсчета продолжительности нагрева необходимо брать время, соответствующее концу периода разогрева температуры среды в камере. При этом изделие будет иметь начальное распределение температур, определяемое уравнениями температурного поля периода нагрева, в которых следует принять  =  _под, где  _под — продолжительность периода подъема температуры среды в камере.

Кроме того, величина t_б·, характеризующая тепловыделение бетона, будет выражаться значительно сложнее, чем при подъеме температуры. При изотермическом прогреве, как правило, t_б· > 375, и, следовательно, зависимость тепловыделения от времени и температуры уже не будет выражаться линейной функцией.

Аналитическое решение указанных уравнений при этих условиях очень затруднительно. Для упрощения задачи примем, что в начальный момент изотермического прогрева изделие имеет по сечению параболическое распределение температуры, определяемое соотношением:

,

где - соответственно температуры поверхности и центра в начальный момент изотермического прогрева.

Величину, характеризующую тепловыделение бетона в этот период, обозначим m_из и будем определять ее как разность тепловыделений 1 м³ бетона за промежуток времени, равный  _под +  _из, и промежуток  _под, отнесенную к разности этих промежутков времени, т. е. к продолжительности изотермической выдержки  _из и к величине с_б·ρ_б, т. е,

,

где Q_из+под — тепловыделение 1 м³ бетона за время, равное продолжительности подъема температуры среды в камере и изотермической выдержки в кДж/м³; Q_под — то же самое за время подъема температуры среды в камере в Дж/м³.

Тогда получим решения для неограниченной пластины, которое удобно представить в следующем виде с учетом ранее принятых допущений:

.

Приняв x = R, получим значения температуры поверхности изделия в момент времени  (интервал времени при расчете предлагается 0,5 ч); приняв x = 0, получим значения температуры центра изделия в момент времени .

Темп нагрева изделия за счет внутреннего источника тепла:

.

Коэффициент тепловыделений: .

Тепловыделения при нормальном режиме твердения: .

Коэффициент: .

Критерий Био: ; критерий Фурье: , в котором за текущее время  принимается расчетное время в периоде изотермической выдержки, отсчитанное от 0, т.е.  = ( _из^рас -  _под), ч.

Коэффициент: ; коэффициент: .

Средняя температура бетона по толщине изделия к концу периода нагрева или, то же самое, к началу периода выдержки: .

Коэффициент: .

Коэффициент: .

По результатам расчетов находим: среднюю по толщине температуру изделия к концу периода изотермической выдержки , °С.