Приложение 5

Расчет автоклава

Исходные данные

1. Вид изделия.

2. Геометрические размеры изделия, м:

длина – l,

ширина – b,

высота – h,

3. Масса изделия – G_и, кг.

4. Объем бетона в изделии – V_б, м³.

5. Объем одного изделия – V_и, м³.

6. Расход арматуры на 1 м³ бетона – G_аб, кг.

7. Расход арматуры на 1 изделие – G_а, кг.

8. Водотвердое отношение В/Т.

9. Марка цемента – М_ц.

10. Марка бетона – М_б.

11. Масса бетона в изделии G_б, кг.

12. Плотность свежеуложенного бетона (бетонной смеси)

 = G_ц + G_в + G_п + G_щ + G_и + G_з + G_ш + G_кк + G_ал. (30)

13. Расход материалов на 1 м³, кг (принимается на основании подбора состава бетона или литературных данных):

цемент – G_ц,

вода – G_в,

песок – G_п,

щебень – G_щ,

известь – G_и,

зола – G_з,

шлак – G_ш,

кремнеземистый компонент – G_кк,

алюминиевой пудры – G_ал .

14. Вес сухих веществ на 1 м³ – G_сб, кг.

15. Вес сухих веществ на 1 изделие – G_с1 = G_сбV_б, кг.

16. Количество воды, вступившее в реакцию с вяжущим – G_вс, кг,

(согласно СН 277-80 количество связанной воды принимается как 10 % от массы ячеистого бетона).

17. Масса формы – G_ф, кг.

18. Размеры формы, м:

длина – l_ф,

ширина – b_ф,

высота – h_ф.

19. Масса решетки запаривания, кг – G_реш1.

20. Масса вагонетки, кг – G_ваг1.

21. Температура загружаемых изделий – t_о, ^оС.

22. Температура окружающей среды – t_ос, ^оС.

23. Начальная температура в автоклаве – t₁, ^оС.

24. Температура запаривания – t_из, ^оС.

25. Температура изделий при выгрузке из автоклава – t_ох, ^оС.

26. Удельная теплоемкость (табл. 9):

– бетона – с_б, Дж/кгград;

– воды – с_в (4,19 Дж/кгград);

– арматуры – с_а;

– форм – с_ф;

27. Коэффициенты:

– теплопроводности бетона – _б, Вт/ мград (табл. 9);

– температуропроводности бетона – a_б, м²/час (табл. 9).

28. Прочность бетона после тепловлажностной обработки R_тво, МПа.

Выбор автоклава. Характеристика

1. Число изделий, расположенных в автоклаве, шт. – N₁.

Количество изделий расположенных в автоклаве определяется по эскизу из соображения максимальной загрузки. При этом необходимо учитывать следующие расстояния:

– от стен до изделий (форм) – 50...100 мм;

– по вертикали между отдельными изделиями (при необходимости) – 30 мм,

– по горизонтали между отдельными изделиями или блоками изделий – 50...100 мм.

2. На основании эскиза раскладки изделий в автоклаве подбирается стандартный автоклав и количество изделий в автоклаве (N₁) уточняется, исходя из его размеров и количества вагонеток (N_вг), входящих в камеру. Предпочтение следует отдавать автоклавам больших диаметра и длины, так как они позволяют при одинаковых режимах ТВО увеличивать производительность, что увеличивает эффективность их использования.

Приводится тип автоклава.

3. Размеры камеры:

Внутренние размеры, м:

– длина – L,

– диаметр – D_вн,

Габаритные размеры, м:

– длина – L_к,

– ширина – B_к,

– высота – H_к,

– диаметр – D_вш,

d_ст – толщина стены, м,

d_кр – толщина крышки, м.

Наружная поверхность автоклава, м²

F = 2·F_кр + F_бв, (31)

F_кр – площадь крышки, м²,

F_бв – площадь боковой поверхности, м².

4. Рабочий объем автоклава, м²:

V_к = 3,14·L· . (32)

5. Суммарный объем бетона изделий, входящих в автоклав:

V_бк = N₁ · V_б. (33)

6. Суммарная масса бетона изделий, входящих в автоклав:

G_бк = V_бк · _бс=G_б. · N₁, (34)

7. Объем формы:

V_ф1 =G_ф/_ф. (35)

8. Суммарный объем форм изделий, находящихся в автоклаве:

V_ф = V_ф1 · N₁. (36)

9. Масса вагонеток, загружаемых в камеру:

G_ваг = G_ваг1 · N_вг. (37)

10. Масса решеток запаривания, входящих в автоклав:

G_рз = G_реш1 · N_вг. (38)

11. Коэффициент заполнения автоклава бетоном изделий:

q_б = . (39)

12. Коэффициент заполнения автоклава формами:

q_к = . (40)

13. Коэффициент заполнения автоклава вагонетками:

q_вг = , (41)

где _вг  плотность материала вагонеток (табл. 9), кг/м³.

14. Коэффициент заполнения автоклава решетками запаривания

q_рз = , (42)

где _рз  плотность материала решеток запаривания (табл. 9).

Расчет количества автоклавов

Количество автоклавов определяется исходя из годовой производительности предприятия.

1. Годовая производительность одной камеры по объему:

П_к = · T_об · К_п, (43)

D_ц  общая длительность полного цикла камеры, ч:

D_ц = Т_з + Т_в + D, (44)

К_П  коэффициент, учитывающий потери (0,975...0,99);

D  длительность процесса тепловлажностной обработки;

Т_з  продолжительность загрузки автоклава, ч;

Т_в  продолжительность выгрузки изделий, 1-2 ч (Т_з и Т_в принимаются с учетом типа автоклава по ОНТП 09-85.

Т_об  нормативный годовой фонд времени работы, ч:

Т_об = Т  К_ти  К_г  К_см, (45)

Т  номинальный фонд рабочего времени, ч:

Т = N_d  N_cm  Т_см, (46)

N_d  номинальное количество рабочих дней в году;

N_cм ­ количество смен в сутки;

Т_см  продолжительность смены, ч;

К_ти  коэффициент технического использования оборудования,

K_ти = 0,95;

К_г  коэффициент готовности автоклава, К_г = 0,98;

К_см  коэффициент использования сменного времени, К_см = 1.

2. Требуемое количество автоклавов, шт:

N_кам = , (47)

где П  годовой объем выпуска изделий, м³.

Полученное значение N_кам округляется до ближайшего большего и добавляется 1 резервная камера или сосуд для перепуска пара. Если количество автоклавов до 4, то принимают тупиковый вариант, если более, то проходной вариант исполнения тепловой установки.

Материальный баланс работы автоклава

Поступает в автоклав:

– сухих веществ G_с = V_бк  G_с1, (48)

– воды G_w = V_бк  G_в, (49)

– металла форм G_м = N₁  G_ф, (50)

– арматуры и закладных деталей G_ар = G_аб  V_бк, (51)

– вагонеток G_ваг,

– решеток запаривания G_рз.

Выгружается из автоклава:

– сухого бетона G_бо = G_с + G_вг, (52)

– вода, перешедшая в гидратную влагу G_вг = G_всV_бк, (53)

– остаточная влага изделий:

G_wост = G_w – G_вг – G_w , (54)

– испарившаяся вода G_ви = G_w , (55)

где а₂  % испарившейся воды за период запаривания (~5%);

испаряется вода G_wио = G_wа₃ / 100, (56)

где а₃  % испарившейся влаги за период снижения давления (~10%);

– металла форм G_м = N₁G_ф, (57)

– арматуры и закладных деталей G_ар = G_абV_бк, (58)

– вагонеток G_ваг,

– решеток запаривания G_рз.

Тепловой баланс автоклава

Расчет температуры изделия по стадиям тепловой обработки

Расчет температуры проводится для определения максимально возможной скорости нагрева (или охлаждения) изделия, определения фактических температур изделия с учетом экзотермии вяжущего.

Расчет проводится с помощью критериальных уравнений нестационарного теплообмена для периодов подъема температуры и изотермической выдержки.

1. Период подъема температуры.

Критерий Био

Bi = , (59)

_п  коэффициент теплоотдачи изделия в период нагрева;

R_i  характерный размер изделия (для изделий прямоугольного сечения половина минимального размера).

Критерий Фурье

Fo = , (60)

a_б – коэффициент температуропроводности, определяется по формуле 12.

D_п  продолжительность подъема температуры, ч.

По графикам (рис. 1) находится безразмерная температура поверхности (_п) и безразмерная температура центра изделия (_ц).

Температура поверхности к концу стадии

t_(1-2)п= t_(1-2)o – _п(t_(1-2)o – t₁), (61)

где t_{(1-2)o ср}= t_ос + (t_из – t_ос) - средняя по времени температура среды за период.

Температура центра изделия в конце периода

t_(1-2)ц= t_{(1-2)o ср} – _ц (t_{(1-2)o ср} – t₁). (62)

Средняя температура изделия в конце периода

t_(1-2)o = 0,67 t_(1-2)ц + 0,33 t_(1-2)п. (63)

Фактическая средняя температура изделия принимается равной средней температуре изделия в конце периода

t_(1-2)б = t_(1-2)о. (64)

2. Период запаривания.

Критерий Био:

Bi = , (65)

 коэффициент теплоотдачи изделия за период.

Критерий Фурье:

Fo = . (66)

По графикам (рис. 1, 2) находится безразмерная температура поверхности (_п1) и безразмерная температура центра изделия ( _ц1).

Температура поверхности к концу периода

t_2п = t_из – _п1(t_из – t_(1-2)o). (66)

Температура центра изделия в конце периода

t_2ц = t_из – _ц1(t_из – t_(1-2)o). (67)

Средняя температура изделия в конце периода

t_2б = 0,67t_2ц + 0,33t_2п. (68)

Фактическая средняя температура изделия

t_(1-2)би = t_2б. (69)

Тепловой баланс периода подъема температуры

Тепловой баланс рассчитывается по периодам работы тепловой установки. Единицей расчета служит кДж/период.

1. Приход тепла:

1.1. Теплосодержание сухой части бетонной смеси изделий, загружаемых в автоклав

Q_1-1 = G_с  c_б  t_о, (70)

где с_б  теплоемкость бетона, кДж/кгград.

1.2. Теплосодержание влаги, содержащейся в бетонной смеси

Q_1-2 = G_w c_w t_o, (71)

где c_w  теплоемкость воды, кДж/кгград.

1.3. Теплосодержание арматуры и закладных деталей изделий, загружаемых в автоклав

Q_1-3 = G_ар с_а t_о, (72)

с_а  теплоемкость арматуры, кДж/кгград.

1.4. Теплосодержание форм

Q_1-4 = G_м c_ф t_о, (73)

с_ф  теплоемкость материала формы, кДж/кгград.

1.5. Тепло материалов ограждений:

Q_1-5 = V_iогр _iогр c_iогр t_iогр, (74)

где V_iогр  объем i-го материала в ограждении, м³;

_iогр  плотность i-го материала, кг/м³;

c_iогр  удельная теплоемкость i-го материала, кДж/кгград;

t_iогр  средняя температура i-го материала, С^о (определяется при расчете толщины стенок).

1.6. Теплосодержание решеток запаривания

Q_1-6 = G_рз c_рз t_о, (75)

с_рз  теплоемкость материала решеток запаривания, кДж/кгград.

1.7. Тепло вносимое вагонетками

Q_1-7 = G_ваг c_ваг t_о, (76)

1.8. Тепло вносимое теплоносителем

Q_1-7 = G₁ i_п, (77)

где G₁  количество подаваемого теплоносителя в период подогрева;

i_п  энтальпия теплоносителя при температуре его подачи в автоклав или при давлении в паропроводе (приложение 8).

1.9. Сумма приходных статей

Q_1п = Q_1-i. (78)

2. Расход тепла:

2.1. На нагрев сухих материалов

Q_2-1 = G_с c_б t_(1-2)б. (79)

2.2. На нагрев воды в бетонной смеси

Q_2-2 = G_wc_w t_(1-2)б. (80)

2.3. На нагрев арматуры и закладных деталей

Q_2-3 = G_арс_аt_(1-2)б. (81)

2.4. На нагрев форм

Q_2-4 = G_мс_мt_(1-2)ср . (82)

2.5. На нагрев материалов ограждений

Q_2-5 = V_iогр_iогр c_iогр t_2iогр, (83)

где t_2iогр  средняя температура i-го слоя материала ограждения (определяется при расчете толщины стенок при температуре среды в автоклаве t_(1-2)б).

2.6. Потери тепла в окружающую среду через боковую поверхность автоклава:

Q_2-6 = 3,6 k F_нD_п(t_ст - t_ос), (84)

где D_п  время подъема температуры, ч;

t_ст  температура внутренней поверхности автоклава;

k  коэффициент теплопередачи, Вт/м² град:

k = , (85)

где ₁  коэффициент теплоотдачи от греющей среды к разделяющей стенке;

₂  коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде, Вт/м³град:

₂=2.6 +5,7 , (86)

b_i  толщина слоев ограждения, м;

_i  коэффициент теплопроводности слоев ограждающих

конструкций, Вт/мград;

t_ст  температура наружной поверхности, ºС (должна находиться в интервале до 40^оС);

t_ос  температура окружающей среды, ºС;

Е  степень черноты

0,8 - для стального листа,

0,1...0,2 для стального листа покрытого алюминиевой краской.

2.7. Потери тепла через торцевые поверхности

Q_{2 - 7} = 3,6kF_крD_п (t_(1-2)o- t_ос)  2, (87)

где D_п  время подъема температуры, ч;

F_кр  площадь крышки, м²;

k ­ коэффициент теплопередачи, Вт/м²град:

k = (88)

₁  коэффициент теплоотдачи от пара к крышке, Вт/м² град,

₂= 2,6_к

b_i  толщина слоев  крышки, м,

_i  коэффициент теплопроводности слоев, Вт/мград,

t_ст  температура наружной поверхности  крышки, ^оС,

t_ос  температура окружающей среды, ^оС,

_к  коэффициент теплоотдачи от крышки к окружающей среде, Вт/м² град (табл. 13).

Таблица  13

Температура наружной поверхности, оС	Коэффициент теплоотдачи, Вт/ м2град
10 25 40 60	9,81 10,45 10,69 11,63

2.8. Тепло, уносимое конденсатом

Q_2-8 = G_к c_к t_(1-2)о , (89)

где G_к = G₁ – G_св – G_пр

где G_пр ­ потери пара через неплотности установки в атмосферу 0,01...0,03 от общего расхода пара за период;

G_св  масса пара, заполняющего свободный объем камеры

G_св = _п (V_к – V_бк – V_ф) (90)

где _п  плотность пара при средней температуре в автоклаве в период подъема давления (приложение 8);

c_к  удельная теплоемкость конденсата, кДж/кгград.

2.9. Потери тепла с паром, уходящим через неплотности установки:

Q_2-9 = G_пр c_п t_(1-2)о, (91)

где c_п  удельная теплоемкость пара, кДж/кгград.

2.10. Потери тепла на нагрев решеток запаривания

Q_2-10 = G_рзс_рзt_(1-2)0 (92)

2.11. Потери тепла на нагрев вагонеток

Q_2-11 = G_вагс_вагt_(1-2)0 (92)

Сумма расходных статей

Q_1р = . (93)

Уравнение теплового баланса для периода подъема температуры

Q_1п = Q_1р. (94)

Решая данное уравнение определяется расход теплоносителя, поданного в автоклав в период подъема температуры – G₁.

Среднечасовой расход теплоносителя:

G_1c = . (95)

Тепловой баланс периода запаривания

3. Приход тепла.

3.1. Теплосодержание сухой части бетонной смеси

Q_3-1 = Q_{2-1 .} (96)

3.2. Теплосодержание влаги, содержащейся в бетонной смеси

Q_3-2 = Q_{2-2 .} (97)

3.3. Теплосодержание арматуры и закладных деталей изделий

Q_3-3 = Q_{2-3 .} (98)

3.4. Теплосодержание форм

Q_1-4 = Q_{2-4 . .} (99)

3.5. Тепло материалов ограждений

Q_3-5 = Q_{2-5 .} (100)

3.6. Тепло, вносимое решетками запаривания

Q_3-6 = Q_2-10. (101)

3.7. Тепло, вносимое вагонетками

Q_3-7 = Q_2-11. (102)

3.8. Тепло, вносимое теплоносителем

Q_3-7 = G₂i_п, _. (103)

где G₂ – количество подаваемого теплоносителя в период запаривания

3.9. Сумма приходных статей

Q_2п = Q_3-i . _. (104)

4. Расход тепла:

4.1. На нагрев материалов

Q_4-1 = G_с c_б t _(1-2)би. (105)

4.2. На нагрев воды в бетонной смеси

Q_4-2 = (G_w – G_ви – G_вг) c_w t_{(1-2)би .} (106)

4.3. На нагрев арматуры и закладных деталей

Q_4-3 = G_ар c_а t_(1-2)би. (107)

4.4. На нагрев форм

Q_4-4 = G_ваг c_ваг t_из. (108)

4.5. На нагрев материалов ограждений

Q_4-5 =  V_iогр _iогр c_iогр t_2iогр . (109)

4.6. Потери тепла в окружающую среду через цилиндр автоклава

Q_4-6 = 3,6 k F_н D_и (t_ст – t_ос) . (110)

4.7. Потери тепла через торцевые поверхности

Q_4-7 = 3,6 k F_кр D_и (t_ст – t_ос)  2. (111)

4.8. Потери тепла на испарение части воды затворения и нагрев водяных паров

Q_4-8 = G_ви (r + С_вп  t_(1-2)би), (112)

где r  скрытая теплота парообразования (приложение 8).

С_вп  теплоемкость водяного пара.

4.9. Тепло, уносимое конденсатом

Q_4-9 = G_к c_к t_(1-2)о . (113)

4.10. Потери тепла с паром, уходящим через неплотности установки

Q_4-10 = G_пр c_п t_(1-2)о, (114)

где c_п  удельная теплоемкость пара, кДж/кг  град.

4.11. Расход тепла на нагрев паровоздушной смеси, заполняющей свободный объем камеры

Q_4-11 = G_св _п t_из. (115)

4.12. На нагрев вагонеток

Q_4-12 = G_ваг с_ваг t_из. (116)

4.13. Сумма расходных статей

Q_2р = Q_4-i. (117)

Уравнение теплового баланса для периода изотермической выдержки

Q_2п = Q_2р. (118)

Решая данное уравнение, определяется расход теплоносителя, поданного в камеру в период изотермической выдержки  G₂.

Среднечасовой расход теплоносителя, кг/ч

G_2c = . (119)

Удельный расход пара

G_уп = . (120)

При превышении удельного расхода пара 170 кг/м³ изменяют конструктивное решение ограждений тепловой установки или режим тепловой обработки и расчет повторяют (СН 513-79, ОНТП - 07-85). Неувязка баланса должна быть не более 1 %