Расчет автоклава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

На тему: «Расчет автоклава»

1. Теоретическая часть

1.1 Понятие теплового процесса и тепловая установка

При производстве строительных материалов и изделий, почти во всех случаях для перевода сырья в готовую продукцию применяют тепловую обработку для этого сырья или полуфабрикатов. Их помещают в тепловую установку, где создается необходимый тепловой режим.

Под тепловым режимом понимают взаимосвязь теплового и массообменного воздействия на материал, а именно: изменение температуры среды, скорости течения жидкости или газов омывающих материал, изменение давления.

Тепловой режим - это взаимосвязь тепловых, массообменных гидродинамических процессов происходящих в тепловой установке.

Тепловой процесс - соединение стадий теплового воздействия на материал с целью придания ему заданных свойств.

Тепловая установка - устройство, в котором протекает тепловой процесс. Она представляет собой теплообменный аппарат, работа, которой оценивается количеством тепловой энергии, передаваемой в единицу времени.

1.2 Способы тепловой обработки материала

Прежде чем приступить к классификации способов тепловой обработки, рассмотрим уравнение потока влаги с поверхности материала:

где qⁿ_m - удельный поток влаги;

б_m - коэффициент влагоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений;

P'_nь, P'_oc - парциальное давление водяных паров на поверхности материала и в окружающей среде соответственно;

В, В' - барометрическое давление при нормальных условиях (н/у) в тепловой установке.

Из этого уравнения следует, что при взаимодействии влажного материала с теплоносителем возможно 3 варианта:

1. P'_nь< P'_oc - величина qⁿ_m - отрицательная, влага с поверхности материала не испаряется, а конденсируется на ней, при этом материал увлажняется;

2. P'_nь= P'_oc - величина qⁿ_m=0, влажность материала находится в равновесном состоянии с влажностью теплоносителя;

3. P'_nь> P'_oc - величина qⁿ_m>0, с поверхности материала удаляется влага и материал сушится.

Сушка материала может осуществляться даже при отрицательных температурах, если выполняется условие P'_nь> P'_oc

Исходя из этих положений, можно констатировать, что влажный материал может подвергаться тепловой обработки 2 способами:

1. Когда из материала удаляется влага, т.е. qⁿ_m<0, это способ тепловлажностной обработки (ТВО) бетонов, При этом обязательном условием является сохранение влаги в нагревательном материале;

2. Когда из материала удаляется влага, т.е. qⁿ_m>0, это способ сушки

Кроме этих способов в производстве строительных материалов и изделий применяют: обжиг, вспучивание, спекание, плавление.

1.3 Тепловая обработка

тепловой бетон автоклавный цемент

1.3.1 Теплоносители, используемые для ТВО

В качестве теплоносителей при ТВО бетона применяют пар, электроэнергию, продукты сгорания природного газа, высоко вскипающие жидкости и другие. Наиболее распространенным является - пар.

Электроэнергия применяется для предварительного электроразогрева бетонных смесей, электропрогрева изделий в формах, электрообогрева нагревательными элементами.

Тепловая обработка бетона продуктами сгорания газа производится в камерах, куда подается газовоздушная смесь с заданной температурой, полученная при сжигании газа в выносной топке.

1.3.2 Насыщенный и перегретый пар и его параметры

Насыщенным называют пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью. Температура такого пара зависит от давления, т.е. определенному давлению насыщенного пара соответствует определенная температура.

Насыщенный пар может быть сухим и влажным. Сухой пар не содержит жидкости, влажный пар - смесь пара с жидкостью, равномерно распределенной по его массе.

Состояние сухого насыщенного пара определяется только одним

параметром - давлением или температурой. Состояние влажного насыщенного пара определяется 2 параметрами: давление и температура; степенью сухости. Степень сухости (Х) - массовая доля сухого пара в составе водяного пара.

Теплосодержание (энтальпия) насыщенного пара слагается из тепла нагрева жидкости до температуры испарения

и скрытой теплоты парообразования или теплоты испарения (ч)

При температуре 374°С и давлении 2,25 МПа вся масса воды мгновенно превращается в пар без дополнительной затраты теплоты, т.е. образуется перегретый пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления. Этот пар не имеет определенной зависимости между температурой и давлением. Разность температуры перегретого и насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева.

Теплосодержание (энтальпия) нагретого пара - сумма теплосодержания насыщенного пара и теплоты перегрева.

,

где - теплоемкость перегрето пара;

t_К-t_Н - степень нагрева;

t_Н - температура насыщенного пара.

Для тепловой обработки тяжелого бетона рекомендуется применять влажный или сухой насыщенный пар. Такой пар создает в камере паровоздушную среду со 100% относительной влажностью б, в

которой практически не происходить испарение влаги из бетона т.к. пар легко конденсируется на поверхности изделия и нагревает его.

Конденсация перегретого пара наступает после того, когда он потеряет теплоту перегрева, т.е. когда его температура понизится до температуры насыщенного пара. В результате происходит удаление влаги из бетона, т.е. сушка, а это недопустимо.

При этом бетон теряет часть влаги, которая участвует в физико-химических процессах гидратации клинкерных минералов C₃S (аллита), C₂S (беллита), C₂A (трехкальциевого алюмината) и C₃AF (трехкальциевого алюмоферита), что существенно снижает прочность изделия.

1.3.3 Параметры влажного воздуха

Тепловая обработка бетона обычно проводится во влажном воздухе, состоящем из смеси сухого воздуха и водяного пара, которые образуют паровоздушную смесь подчиняющуюся закону Дальтона: если в одном и том же объеме заключены два разных газа, то каждый газ заполняет весь объем, как если бы другого газа не было.

Давление любого из этих газов называется парциальным давлением, а общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений:

P=Р'_П+Р'_В

где Р'_П,Р'_В - парциальное давление пара и воздуха в установке.

При тепловой обработке бетона важным является степень насыщенного воздуха паром, которая определяется относительной влажностью б, т.к. от этого показателя зависит интенсивность испарения влаги из бетона.

Относительная влажность - отношение массы водяного пара содержатся в 1 м³ воздуха p_П к определенному его содержанию p_Н при том же объеме, температуре и давлении

Максимально возможное количество водяных паров в воздухе называется состоянием насыщения p_Н, а температура, при которой происходит насыщение - точкой росы или температурой насыщения t_Н.

1.4 Теоретические основы ТВО

1.4.1 Фазовый состав свежеотформованного бетона

Свежеотформованный бетон - это материал, состоящий из жидкой, твердой и газообразной фаз. Пространство между твердыми компонентами бетона и газообразной фазой связано непрерывной системой оводненных капилляров, радиус которых зависит от расхода воды и удельной поверхности цемента.

Твердая фаза представлена крупным и мелким заполнителями и формирующейся структурой цементного камня. Структура цементного камня формируется в виде пористого тела, имеющего капилляры от 2Ч10^-7 до 2Ч10^-2 см.

На стадии формирования, твердая фаза в цементе камня нестабильна, т.к. в период твердения идет процесс гидратации зерен цемента.

Жидкая фаза представлена химической, физико-химической и физико-механической связанной влагой. Эта влага участвует в гидратации зерен цемента, поэтому в процессе формирования цементного камня происходит перераспределение влаги по формам связи, т.е. количество химически и физико-химически связанной влаги возрастает, а физико-механической уменьшается.

Газообразная фаза состоит из: воздуха, вовлеченного при формировании; воздуха, выделившегося при дегидратации воды затворения за счет вибрации при формировании; газа, выделившегося из бетона в результате химических реакций.

1.4.2 Физико-химические процессы, происходящие в бетоне при ТВО

Физические свойства бетона определяются строением капиллярно-пористой структуры цементного камня, образованной в процессе его твердения.

Рассмотрим, какое воздействие оказывает повышение температуры, т.е. условия, создаваемые при ТВО, на формирование цементного камня и бетона в целом.

При твердении вяжущего вещества значительную роль играют плотность и вязкость жидкой фазы. Изменение относительной плотности и вязкости влияет на скорость растворения и диссоциацию на ионы минералов цемента и дальнейшее образование кристаллогидратов.

С возрастанием температуры структура воды изменяется, т.к. происходит разрыв водородных связей. Плотность и вязкость воды уменьшается. В результате чего увеличивается ее растворяющая способность, приводящая к ускорению физико-химических процессов, превращающее цементное тесто в твердое тело.

При смачивании зерен цемента водой начинают развиваться следующие физико-химические процессы, которые можно разделить на этапы: 1. Адсорбация воды; 2. Поверхностная гидратация; 3. Растворение; 4. Гидратация в растворе; 5. Образование центров кристаллизации; 6. Кристаллизация.

Растворение минералов цемента идет с разрушением структуры вещества и сопровождается поглощением тепла (эндотермические процессы), а гидратация - с выделением тепла (эндотермические процессы).

Рассмотрим этапы взаимодействия зерен цемента с водой:

Этап 1. Частицы цемента находятся в воде, которая начинает адсорбироваться на поверхности. Адсорбированная вода создает на частице поверхностное поле и становится структурированной, т.е. по своему составу приближается к твердому телу, в котором молекулы воды имеют определенную ориентацию, что изменяет ее плотность (1,3-1,9 гр/см³);

Этап 2 и 3 (протекают параллельно в две стадии). 1) переход вещества в раствор в виде ионов и даже молекул, которые затем диссоциируют на ионы; 2) происходит гидратация ионов, и образуются основы гидратных фаз, т.е. тех фаз, которые в дальнейшем способствуют образованию субмикрокристаллов;

Этап 4. Жидкая фаза становится сильно перенасыщенной новообразованиями - субмикрокристаллами. Содержание ионов (концентрация) распределяется неравномерно. Максимальная концентрация находится у поверхности зерна цемента, в результате непосредственного присоединения водя к твердой фазе. При этом образуется «внутренний продукт гидратации», а именно, внутренний гидросиликат, имеющий тонкую и плотную структуру. Внешние продукты гидратации образуются через растворения вне зерен цемента, и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Ca(OH)₂ и энтрингита;

Этап 5. На этом этапе при повышении температуры, образования центров кристаллизации происходит в более короткие сроки. Происходит насыщение субмикрокристаллов адсорбированной водой и плотность всей системы меняется;

Этап 6. Субмикрокристаллы за счет гравитационных сил и увеличения размеров соединения образуют пространственную структуру. Цементное тесто в бетоне теряет пластичность и преобразует свойства твердого тела. Повышение температуры среды до 80-100°С ускоряет реакции гидратации и кристаллизации в 8-10 и более раз.

1.4.3 Внутреннее тепло и массообмен при ТВО

При внешнем тепле и массообмене в результате конденсации пара поверхность получает тепло и влагу. Это приводит к увеличению влагосодержания и температуры его поверхности. По сечению изделия создается перепад температур и влагосодержаний.

t_ПМ>t_ЦМ

U_ПМ>U_ЦМ

Дt=t_ПМ-t_ЦМ

ДU=U_ПМ-U_ЦМ

Этот перепад температур и влагосодержания по сечению изделия может быть представлен в виде изопотенциальных линий - изовлаг и изотерм. Наибольшее изменение потенциала происходит в направлении, пересекающем изопотенциальную поверхность, т.е. возникает разность потенциалов на поверхности и в центре прогреваемого изделия, которые будут являться grad t и grad U. Следовательно, предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормам называется температурным градиентом (Т):

А предел отношения изменения влагосодержания и расстояния между изовлагами по нормам называется градиентом влагосодержания (U):

Значение потенциала температуры (Т) и потенциала влагосодержания (U), являются градиентами потенциала переноса теплоты и влаги, которые направлены в стороны наибольшего потенциала.

1.4.4 Частные потоки массы при внутреннем тепле и массообмене

Grad переноса теплоты и влаги - называют потоки теплоты и влаги, направленные в противоположную сторону от grad. За счет grad переноса теплоты вместе с передачей теплоты (удельный поток теплоты) q^B_t, возникает еще и поток влаги q^B_MU, называют термовлагостойкостью. Этот поток влаги q^B_mt как и q^B_MU входит как одна из частных составляющих в общий удельный поток массы и является величиной векторной, направленной в противоположную сторону вектору Т. Следовательно, при нагреве и увлажнении материала теплота и влага с поверхности изделия будет распространяться внутрь к центру. Влага, двигаясь внутрь изделия, частично сожмет воздух, находящийся в капиллярах, а частично выдавит его из бетона, занимая освободившийся объем пор. Внутри бетона появится избыточное давление, которое будет увеличиваться за счет испарения влаги в пузырьки воздуха. Пузырьки воздуха, оставшиеся в бетоне по мере нагрева материала, кроме испарения влаги в пузырьки воздуха, расширяют и сам воздух, что так же увеличивает давление. Возникающее избыточное давление передается на бетон, а сам процесс возникновения избыточного давления связан с температурой, т.о. внутри бетона при ТВО в процессе нагрева возникает избыточное давление, поскольку в установке и на поверхности изделия давление равно атмосферному. Между центральными слоями бетона и поверхностью изделия создается перепад давления ДР, что приводит к появлению частного потока q^B_mр. Следовательно, в период нагрева изделия, открытого со всех сторон, возникают три частных потока влаги: q^B_mu; q^B_mt; q^B_mр, которые составляют общий поток влаги в бетоне.

q^B_m = q^B_mu + q^B_mt + q^B_mр

а) уравнение распространения теплоты при массообмене:

в бетоне при ТВО все время движутся потоки влаги и воздуха, т.е. происходит процесс массопереноса, сопровождающийся теплом массообменном, поэтому в период подъема температуры при ТВО, основной задачей является определение удельных потоков теплоты и массы.

Удельный поток теплоты внутри материала от внутренней и дополнительно увлажненной поверхности имеет вид:

q^B_t = -лТ + iq^B_m

где л - теплопроводность влажного материала;

i - теплота, перемещающаяся в материале с удельными потоками массы;

q^B_m - плотность удельного потока массы, перемещаемого в материале.

Перенос массы внутри влажного материала происходит в направлении от высшего потенциала к низшему, а плотность потока массы прямо пропорциональна grad U имеет вид:

q^B_mu = -б_mp₀U

б_m - коэффициент температуропроводности;

p₀ - масса абсолютно сухого материала.

По физическому смыслу б_m характеризует скорость выравнивания влагосодержания внутри материала.

б) плотность частного потока массы за счет термовлагопроводности:

q^B_mt = -б_mp₀бT

б - термоградиентный коэффициент, учитывающий влияние б_m на коэффициент температуропроводности.

в) плотность частного потока массы за счет изменения внутреннего давления в бетоне:

q^B_mр = -б_mp₀б_pP

б_p - коэффициент, учитывающий влияние б_m.

г) общее уравнение плотности суммарного потока массы в материале:

q^B_m = -б_mp₀U - б_mp₀бU - б_mp₀б_pU

Подставив полученное уравнение q^B_m в уравнение q^B_t, получим уравнение распространения теплоты в материале при массообмене, которое будет иметь вид:

q^B_t = -лТ + iq^B_m = -лТ + (-i_Uб_mp₀U - i_Tб_mp₀бT - i_Pб_mp₀б_pP)

i_U, i_T, i_P - теплота, перемещающаяся с потоками массы за счет grad U, grad T, grad P.

1.4.5 Изменение влагосодержания, температуры и давления при ТВО

1) Изменение влагосодержания при ТВО:

В первый период подъема температура влагосодержащей поверхности изделия быстро увеличивается вследствие пара и образования пленки конденсата на поверхности изделия; одновременно увеличивается и влагосодержание в центре изделия, но значительно медленнее.

Вначале второго периода изотермической выдержки интенсивность перемещения потоков влаги уменьшится, хотя они еще направлены к центру изделия. С поверхности начинает постепенно испаряться влага.

В период охлаждения, третий период, в установку подают холодный воздух, который ассимилирует влагу, насыщаясь до 100%, и удаляется из установки. В этот период с поверхности изделия более интенсивно испаряется влага и снижается влагосодержание;

2) Изменение температуры при ТВО:

Все потоки направлены к поверхности изделия из центра, и влага испаряется более интенсивно за счет конденсации пара, поверхность изделия нагревается, и к концу первого периода приобретает температуру равную температуре паровоздушной смеси в камере, т.е. с этого момента начинается период изотермической выдержки.

За счет внутреннего тепло- и массообмена, внутренние слои бетона прогреваются медленнее и достигнув температуры паровоздушной смеси в установке во втором периоде будет нестационарным. Т.к. выравнивание температуры центра изделия и паровоздушной смеси в установке будет зависеть от тепло- и массопроводности бетона, перепад температуры между поверхностью и центром изделия будет возрастать до конца первого периода, а частные потоки влаги будут направлены к центру изделия.

В период изотермической выдержки второго периода меняется направление, а следовательно и частных потоков, т.к. температура в центре изделия будет больше на 5-10°С, чем на поверхности в результате экзотерической реакции цемента.

В период охлаждения за счет испарения влаги и контактирования с холодным воздухом, поверхность изделия начнет охлаждаться. Однако в центре изделия бетон будет остывать медленнее, т.к. продолжаются экзотермические реакции, которые увеличивают перепад температур. Направление градиентов и потоков остается прежним;

3) Изменение давления при ТВО:

Давление на поверхности и в центре изделия, а также в установке до начала ТВО равно 0,1 МПа.

При ТВО давление в установке и на поверхности изделия во все периоды остается без изменения, а давление в центре меняется по периодам.

В первом периоде подъема температуры, приблизительно до его середины, давление в центре изделия растет и достигает максимального значения, возникает перепад давлений. Механизм появления избыточного давления в центре изделия можно объяснить следующим образом: в первый период за счет перепада влагосодержания возникает частный поток, направленный к центру изделия, движущаяся с этим потоком влага частично выдавит воздух из бетона, а частично его закроет в гелевых капиллярах, т.к. сама в них проникнуть не может. При продолжающемся нагреве влага начинает испаряться в пузырьки воздуха, что увеличивает давление в бетоне. Кроме того, находящейся в бетоне воздух, тоже нагревается и это повышает давление.

В период изотермической выдержки (второй период) и частично в первый период происходит снижение избыточного давления в бетоне за счет потери воздуха, т.е. его вытеснение влагой, т.к. частный поток массы будет направлен в сторону поверхности изделия.

В период охлаждения, давление вновь возрастает, но незначительно, т.к. из бетона начинает испаряться влага, а ее место занимает паровоздушная смесь, которая проникает в более нагретые слои воздуха, находящийся в паровоздушной смеси нагревается. Пузырьки воздуха, проникающие в бетон из пограничного слоя, начинают испаряться, что приводит к незначительному росту давления.

2. Технологическая часть

2.1 Предавтокавная обработка

2.1.1 Основные процессы

К предавтоклавной обработке относятся операции выдержки изделий, предавтоклавная тепловая обработка, удаление или прикатка горбушки, разрезки массивов на изделия, образование рельефной поверхности изделий механической обработкой. Указанные операции не обязательны дл всех технологических схем. Например, резка массивов на изделия характерна только для резательной технологии.

Выдержка перед автоклавной обработкой необходима для приобретения бетоном пластической прочности, обеспечивающей транспортирование, резку, уплотнение горбушки отформованных изделий или массивов. Тепловая обработка изделий не может начаться, прежде чем мешюровые перегородки не приобретут прочности, способной выдержать давление расширяющегося при нагревании воздуха в порах.

В процессе формования температура ячеистогобетонной смеси после заливки ее в формы начинает повышаться. Повышение температуры смеси вызвано экзотермическими процессами гашения извести, взаимодействия ее с алюминием, процессами структурообразования. При виброформовании это тепло выделяется в короткий срок, вызывая повышение температуры смеси до 70-90°С. Формование крупных массивов по резательной и виброрезательной технологиях приводит к еще более высоким температурам внутри массивов.

Повышение температуры оказывает положительное влияние на скорость структурообразования, поэтому, например, при виброформовании повышенная температура и низкое ВД обеспечивают приобретение бетоном прочности, необходимой для распалубки уже через 20-40 минут. При формовании по литьевой технологии в индивидуальных формах, вследствие замедления экзотермических процессов длительность выдержки до срезки горбушки и распалубки значительно больше и составляет 2-6 ч, в зависимости от вида вяжущего, для газобетонов и 4-8 ч - для пенобетонов. Длительная выдержка увеличивает опасность образования усадочных трещин и деструктивных процессов в ячеистом бетоне.

Высокая температура внутри крупных массивов, достигающая 100°С, может привести к образованию трещин, вследствие большой разности температур в центре и на поверхности массивов. Для снижения температурных перепадов и обеспечения оптимального режима структурообразования рекомендуется предварительный прогрев форм и выдержка их после заливки в камерах тепловой обработки, обеспечивающих тепловой режим в соответствии с температурой в центре массива. Это позволяет за 3-4 часа выдержки в камере получить пластическую прочность 0,035-0,045 МПа, которая исключает появление трещин и других дефектов на дальнейших технологических операциях.

Тепловая обработка массивов имеет целью предотвратить большие температурные перепады, вызывающие дефекты изделий, и обеспечить равномерную прочность по сечению массива, необходимую для его нормальной резки. Производится она в камерах тепловой обработки горячим воздухом. Камера располагается непосредственно за постом заливки ячеистой смеси. Длина ее рассчитывается из условия нахождения в ней формы в течении 4 часов, что позволяет получить необходимую пластическую прочность бетона в пределах 0,035-0,045 МПа. В качестве теплоносителя применяется пар, пропускаемый по закрытым регистрам, расположенным по продольным стенкам камеры и на полу на уровне головок рельс.

2.1.2 Прикатка или срезка горбушки

Формование изделий методом газообразования всегда сопровождается образованием некоторого избытка вспучившейся смеси, образующей горбушку над уровнем бортов форм. Объем такой горбушки составляет 5-10% от объема изделий, формуемых в индивидуальных горизонтальных формах, и 2-3% в кассетах и крупных массивах. Для придания изделиям правильной геометрической формы, горбушку необходимо срезать или прикатать, вдавив ее в поверхностный слой газобетона.

2.1.3 Разрезка массивов на изделия

На заводах, работающих по резательной технологии, формуются крупные массивы, разрезаемые после приобретения заданной прочности на изделия требуемых размеров. Объем массивов при изготовлении конструктивных элементов достигает 15-20 м³. Теплоизоляционные изделия почти на всех заводах, в том числе и на заводах, работающих по литьевой технологии, получаются разрезкой массивов объемом до 8-10 м³.

Разрезку осуществляют струнами, качающимися или неподвижными, установленными на специальных агрегатах или закрепленными на борт-оснастке. Разрезка массивов ножами или пилами не нашла широкого применения вследствие усложнения агрегатов.

Исследования показали тесную связь пластической прочности газобетона с характером разрушения сырца перед фронтом режущего органа. При низкой прочности бетона поверхность реза шероховатая. На поверхности образуется уплотненная поверхностная пленка. Разрезка массивов с высокой пластической прочностью обеспечивает минимальную шероховатость, но требует больших энергозатрат. При этом часты обрывы струн. Для большинства режимов резания оптимальная пластическая прочность колеблется в пределах от 0,03 до 0,08 МПа. Резание газобетонного сырца с пластической прочностью менее 0,02-0,025 МПа приводит к слипанию поверхностей по плоскостям резания.

По направлению разрезку делят на следующие виды:

ь Горизонтальную;

ь Вертикальную продольную;

ь Вертикальную поперечную.

По движению струны различают методы:

ь Продавливания;

ь Пиление бегущей струной.

Существуют также разновидности методов, уточняющие условия применения метода. Например, продавливание с применением пуансонов.

2.2 Автоклавная обработка

2.2.1 Физико-химические процессы при автоклавной обработке

Твердение ячеистобетонных смесей с образованием новых соединений, отсутствующих в исходных материалах, происходит в результате сложных процессов взаимодействия между компонентами сырьевой смеси. На вид новообразований влияют: вид, количество и активность компонентов сырьевой смеси; соотношение между компонентами смеси; температура смеси; давление; длительность взаимодействия и ряд других факторов.

Если в ячеистой смеси имеются гидравлические вяжущие, то твердение происходит в результате их гидратации и гидролиза. По теории твердения вяжущих П.А. Ребиндера, схватывание и твердение цемента представляет собой комплекс процессов гидратации, самопроизвольного измельчения микрочастиц вяжущего, образование гаксотронных структур и развитие на их основе кристаллизационных структур гидратных новообразований, получившихся в результате кристаллизации через стадию пересыщенного раствора.

После твердения портландцемента в нормальных условиях образуются: CSH гель, кристаллический Ca(OH)₂, гидросульфоалюминат кальция 3CaO-Al₂O₃-12H₂O, а также гидроферриты и гидроалюминаты кальция. Структура продуктов гидратации цемента при обработке в среде насыщенного пара значительно изменяется с повышением температуры до 170-190°С. Изменяются состав и структура гидросиликатов кальция, не обнаруживается самостоятельных алюминатных фаз. Видимо, основная часть Al⁺³ входит в гидросиликаты-гидрогранаты. автоклавная обработка клинкерных минералов показала, что алюминаты и алюмоферриты кальция почти не дают прироста прочности по сравнению с нормальным твердением в течении 28 дней или даже снижают ее.

Повышение прочности ячеистого бетона при введении в состав смеси, кроме цемента, еще и кремнеземистого компонента, говорит о том, что основную роль в прочности бетона играют не продукты гидратации и гидролиза цемента, а новые соединения, возникшие в результате взаимодействия кремнезема с продуктами гидратации цемента, т.е. продукты гидротермального синтеза.

Гидротермальный синтез основан на химическом взаимодействии гидрата окиси кальция Ca(OH)₂, введенного в состав сырьевой смеси или образующегося при гидролизе клинкерных минералов с кремнеземистым компонентом (кварцевым песком, золой ГЭС, доменным шлаком). В условиях повышенных температур и давлений в автоклаве кремнезем, содержащейся в кварцевом песке, золе, шлаке, превращается в активный компонент, который способен реагировать с известьсодержащими материалами, образуя гидросиликаты кальция CSH(B), C₂SH(B), тоберморит C₄S₅H₅, ксонотлит C₆S₆H и др.

С ростом температуры и давления основность гидросиликатов уменьшается, а степень кристаллизации увеличивается. Повышение содержания растворимого кремнезема при повышении давления увеличивает количество новообразований. Постепенно исчезают Ca(OH)₂ и C₂SH(А), одновременно образуется низкоосновные гидросиликаты разного состава и различной степени кристаллизации.

Конечный состав гидросиликатов зависит от основности исходной сырьевой смеси и параметров автоклавной обработки. Высокоосновные материалы - портландцементы, шлаковые и нефелиновые цементы - в зависимости от условий запаривания образуют высокоосновные гидросиликаты кальция, имеющие невысокую прочность. Введение кремнезема приводит к образованию низкоосновных гидросиликатов кальция, характеризующихся высокой прочностью. Изменяя основность сырьевой смеси, можно получать ячеистые бетоны с заданными свойствами.

2.2.2 Режимы автоклавной обработки

При тепловлажностной обработке ячеистых бетонов одновременно протекают процессы тепло- и массообмена, физико-химические процессы твердения смеси и вызываемых ими структурных изменений, процессы изменения давления в порах бетона. Все они вызывают деформации бетона и связанные с этими деформациями значительные внутренние напряжения. Внутренние напряжения возникают в бетоне также в результате неоднородности различных зон бетона. Процессы, протекающие в твердеющем бетоне, и напряжения, вызываемые ими, приводят к развитию деструктивных явлений, являющихся причинами снижения прочности ячеистого бетона. На развитие деструктивных процессов, кроме факторов, указанных выше, влияют также характер пористости, деформативность бетона в процессе автоклавной обработки и т.д.

При подъеме давления в автоклаве тепловая энергия подводится к поверхности изделий, т.е. температурный градиент направлен от поверхности к центральным зонам. Температурные перепады тем больше, чем толще изделия и интенсивнее подъем температуры и чем ниже экзотермия вяжущего. Одновременно идет процесс перехода бетона из упруговязкопластичного состояния в упругохрупкое с нарастанием прочности и модуля упругости бетона. Напряжение в начальный период автоклавной обработки незначительны вследствие низкого модуля упругости бетона, поэтому деформации могут протекать без образования трещин. Это говорит за сокращение стадии подъема давления, но при этом существует опасность образования дефектов в конце стадии подъема давления или в начале стадии изотермического прогрева, когда в результате происходящего с запозданием теплового расширения центральных зон изделия знак напряжения в наружных слоях изменяется, и они оказываются уже растянутыми.

Вследствие значительного числа разнообразных факторов, влияющих на твердеющий в автоклаве бетон, расчет режимов автоклавной обработки весьма сложен и не всегда точен. Поэтому рекомендованные в инструктивной литературе и различных методиках режимы автоклавной обработки должны уточняться в производственных условиях. Учеными предложено много различных методов расчета режимов, но ни один из них не может учесть всего многообразия факторов, воздействующих на твердеющий в автоклаве ячеистый бетон. Б.А. Новиков предложил метод расчета продолжительности прогрева и охлаждения изделий в зависимости от допускаемых температурных и усадочных напряжений. Метод расчета, основанный на кинетике растворения кремнезема и его связывания с гидроокисью кальция, предложен В.А. Рейманом и его сотрудниками.

К.Э. Горяйновым разработан метод инженерного расчета продолжительности отдельных стадий автоклавной обработки, учитывающий основные, наиболее значимые технологические факторы: геометрические и технологические параметры изделий или массивов до автоклавной обработки, теплотехнические параметры и допускаемые перепады температуры в запариваемых изделиях.

Эффективность автоклавной обработки ячеистых бетонов в значительной степени зависит от соотношения количества пара и воздуха внутри автоклава и в порах бетона. Чем выше содержание воздуха в смеси, тем ниже температура паровоздушной смеси и тем больше сопротивление при переходе тепла к бетону. К.Э. Горяйнов и И.Б. Заседателев установили, что это вызвано снижением коэффициентом теплоотдачи от среды к бетону. Вначале удаления воздуха из автоклава производилось вакуумированием. Опыт производства вскрыл недостатки этого способа, и в настоящее время удаление воздуха производят продувкой автоклава паром или совмещением вакуумирования с продувкой.

Под режимом автоклавной обработки подразумевается длительность отдельных периодов (стадий) и их тепловые характеристики. Разбивка на периоды может быть различной в зависимости от того, какие процессы, протекающие в твердеющем ячеистом бетоне, берутся во внимание.

Наиболее правильной представляется предложенная К.Э. Горяйновым разбивка цикла автоклавной обработки на 4 периода:

1. Нагрев изделий до 100°С с продувкой при давлении пара немногим более атмосферного;

2. Нагрев до максимальной температуры, достижимой в автоклаве;

3. Изотермический нагрев;

4. Снижение давления.

Длительность первого и второго периодов рассчитывается исходя из необходимости максимальной скорости подъема температур при допустимых внутренних напряжениях, возникающих при температурных перепадах в изделиях. Их экономических соображений длительность периодов должна быть минимальной. Этого можно добиться, ускорив движение тепловой волны от поверхности к центральным зонам изделий. Такое ускорение возможно при переходе от молекулярно теплопереноса к молярному тепломассопереносу (инфильтрации пара в центральные зоны изделий).

Исследования показали, что молярный тепломассоперенос интенсивно протекает при температурах в центре изделий выше 65-70°С. Такие температуры возможны в изделиях, поступающих на автоклавную обработку после формования по резательной или кассетной технологиям. Длительность первого и второго периодов в этом случае может составлять не более 1-1,5 часа. При температурах в центральных зонах изделий перед загрузкой в автоклав менее 65-70°С рекомендуется быстрый нагрев с повышением давления в автоклаве.

Период изотермического прогрева рассчитывается исходя из условия приобретения бетоном заданной прочности или полного связывания извести в гидросиликаты кальция. Длительность его зависит от: температуры пара в автоклаве (давления пара), вида тепломассопереноса, толщины и объемной массы изделий, температуры в центральных зонах изделий в момент достижения в автоклаве максимального давления. Продолжительность периода колеблется от 3 до 5 часов при давлении 1,3 МПа, молярном тепломассопереносе и применении кварцевого песка, 10-14 часов - при давлении 0,9 МПа, молекулярном теплопереносе, большой толщине изделий, кварцево-полевошпатных песках.

Снижение давления в автоклаве сопровождается испарением влаги и выделением пара из изделий. Длительность периода рассчитывается исходя из условий превышения прочности бетона растягивающих напряжений, возникающих при перемещении выделяющего пара из внутренних изделий к поверхности. Продолжительность периода 1-2 часа.

После снижения давления целесообразно для снижения влажности изделий и ускорении их остывания производить вакуумирование рабочего пространства автоклава в течение 0,5-1 часа до остаточного давления 0,02-0,04 МПа. В НИИ предложили способ сушки и охлаждения изделий путем создания разряжения в автоклаве в результате конденсации выделяющегося из изделий пара и отсоса воздуха. Эффективность сушки определяется достигаемым остаточным давлением в автоклаве, составляющего при данном способе около 0,005 МПа.

2.2.3 Работа автоклавных отделений

В состав автоклавных отделений включают: площади, занимаемые путями с размещающимися на них автоклавными вагонетками или составами, подготовленными к автоклавной обработке и прошедшими обработку; электропередаточные мосты для загрузки или разгрузки любого из автоклавов; стенды для распалубки изделий (кантователи), вакуум-насосы, станции сбора и перекачки конденсата; пульты управления режимами автоклавной обработки.

На заводах применяются автоклавы проходные и тупиковые, с внутренним диаметром 2,0; 2,6 и 3,6 м, длиной 17-32,1 м. Выбор типа, размеров и количества автоклавов зависит от организации движения вагонеток в автоклавном отделении, размера изделий, способа их укладки на автоклавных вагонетках, производительности предприятия. Автоклавы выпускаются на рабочие давления 0,0 и 1,3 МПа. Тупиковые автоклавы могут устанавливаться вне здания, перпендикулярно его продольной оси. Это позволяет экономить строительные объемы зданий. Проходные - эффективны на заводах большой производительности, при поточной организации технологии. При современной номенклатуре изделий автоклавы диаметром 2 м имеют низкий коэффициент заполнения. Новые заводы проектируются с автоклавами диаметром 2,6 и 3,6 м, причем в последних достижениях высоких коэффициентов заполнения затрудняется вследствие усложнения загрузки автоклавных вагонеток изделиями. Коэффициенты заполнения автоклавов изменяются от 0,15-0,2 при запаривании изделий в формах, до 0,4-0,5 - без форм.

Устанавливаются автоклавы на опорах, одна из которых неподвижная, а все остальные - подвижные (на роликах). Современные автоклавы снабжены быстросъемными крышками с байонетными затворами, позволяющими открывать или закрывать крышку за 1-2 мин. Старые - имели крышки, укрепляемые болтами, расположенными по окружности крышки.

Удельный расход пара на автоклавную обработку зависит от длительности цикла запаривания, коэффициента заполнения автоклавов, обработки в формах или без них, перепуска пара в другие автоклавы и колеблется в пределах 220-250 кг/м³.

2.3 Послеавтоклавная обработка

Послеавтоклавная обработка изделий из ячеистых бетонов включает в настоящее время механическую обработку, укрупнительную сборку и отделку.

Механическая обработка может включать операции по фрезерованию лицевых поверхностей и боковых граней с целью придания им заданных размеров и требуемой формы, сверлению отверстий для тяжей, закладных деталей и гнезд, распиловке изделий на детали.

Фрезерование изделий имеет целью, кроме придания изделиям заданных размеров, снятие угловых фасок, получение выемок, патов и шпонок, необходимых для организации стыка двух соседних элементов, а также удаление рыхлого поверхностного слоя, образующегося иногда при разрезке массивов. Фрезерованием можно создавать декоративный рельеф на фасадных поверхностях стеновых панелей.

3. Расчетная часть

3.1 Технологический расчет

Прежде чем приступить к технологическому расчету, необходимо выбрать марку автоклава и определить его размеры, позволяющие размещать внутри установки вагонетки с массивами бетона. Нам необходимо выбрать такой диаметр автоклава, в котором массив бетона разрезался на размер наших изделий без остатка. Наиболее оптимальным является автоклав с диаметром 2,6 м. Принимаем автоклав марки СМ-1126А (проходной). Далее нам необходимо выбрать автоклавную вагонетку. Колея платформы-вагонетки для транспортирования массивов бетона должна соответствовать ширине колеи в автоклаве, т.е. для размещения массива бетона принимаем вагонетку марки СМ-547, имеющую ширину колеи 900 мм, что соответствует ширине колеи автоклава марки СМ-1126А.

Далее определяем количество вагонеток, которое может одновременно размещаться в автоклаве. Для этого длину автоклава, равную 19 м, следует разделить на длину вагонетки, равную 6,25 м, откуда количество вагонеток, загружаемых в автоклав, составит 3 шт. Количество изделий, которое возможно разместить на одной вагонетки, равняется 12. Полная загрузка автоклава - 36 изделий (12Ч3=36).

Массу поддона Gф вычисляем, исходя из условия, что длина поддона равна 6 м, ширина - 1,8 м, толщина листа металла 0,02 м, тогда

Gф = V Ч p + m_р.ж

где V - объем поддона, м³;

p - плотность металла, из которого сделан поддон;

m_р.ж - масса ребра жесткости (250 кг)

Gф = (6 Ч1,8 Ч 0,02) Ч 7800 + 250 = 1984,8 кг.

Далее необходимо сделать расчеты:

ь Рабочего объема автоклава:

Vраб = рR²L

где R - радиус внутреннего пространства автоклава, м;

L - длина автоклава, м.

Vраб = 3,14 Ч 1,3² Ч 19 = 101 м³

ь Коэффициента загрузки автоклава:

kзаг = Vизд / Vраб

где Vизд - объем изделий, загружаемых в автоклав, равный 2,16 Ч 18 = 38,88 м³,

kзаг = 38,88 / 101 = 0,38

ь Массы сухих составляющих в изделиях:

Gс = p^сб Ч Vизд

где p^сб - средняя плотность бетона, т/м³ (0,656 т/м³)

Gс = 0,656 Ч 38,88 = 25,505 т

В том числе массу цемента:

Gц = Ц Ч Vизд

тепловой бетон автоклавный цемент

где Ц - расход цемента на 1 м³ бетона (0,088)

Gц = 0,088 Ч 38,88 = 3,421 т

ь Массу воды:

Gв = В/Т Ч Gс

где В/Т - водотвердое отношение (0,39)

Gв = 0,39 Ч 25,51 = 9,94 т

Режим запаривания изделий назначается, исходя из вида бетона, его средней плотности, толщины изготовляемого изделия и последующей разрезки массива бетона, если эта операция предусмотрена в технологическом процессе.

В рассматриваемом примере принят следующий вид запаривания:

ь Нагрев до 100°С в течение 120 мин;

ь Продувка при избыточном давлении 0,03 МПа в течение 30 мин;

ь Подъем избыточного давления до 0,3 МПа в течение 15 мин;

ь Подъем давления от 0,3 до 1,3 МПа в течение 15 мин;

ь Выдержка при максимальном давлении 1,3 МПа в течение 420 мин;

ь Снижение избыточного давления от 1,3 до 0,3 МПа в течение 39 мин;

ь Снижение давления от 0,3 до 0,1 МПа в течение 39 мин;

ь Вакуумирование в течение 90 мин;

ь Загрузка и разгрузка автоклава - 30 мин.

Итого: 798 мин (13,3 ч)

Определение количества автоклавов, необходимых для выполнения производственной программы:

где - годовой объем выпуска изделий, м³ (122000 м³);

- рабочий объем автоклава, м³;

- годовой фонд времени работы предприятия, сут. (259 сут.);

- коэффициент выхода готовых изделий (0,975)

- коэффициент загрузки автоклава изделиями;

- коэффициент оборачиваемости автоклава в сутки: = 24/фц, где фц - продолжительность тепловой обработки с учетом времени на загрузку и разгрузку автоклава, ч

= 24/13,3 = 1,804

3.2 Теплотехнический расчет

Для проведения теплотехнического расчета режим запаривания следует разделить на периоды:

ь Период 1: нагрев до 100°С и продувка в течение 50 мин. Характеристики пара: энтальпия lп₁ = 2676,3 кДж/кг, плотность pп₁ = 0,5976 кг/м³;

ь Период 2: подъем давления от 0,1 о 0,3 МПа и нагрев от 100 до 133,3°С в течение 40 мин. Характеристики пара: lп₂ = 2724,7 кДж/кг, pп₂ = 1,652 кг/м³;

ь Период 3: подъем давления от 0,3 до 1,3 МПа и нагрев от 133,3 до 191,6°С в течение 90 мин. Характеристики пара: lп₃ = 2787,4 кДж/кг, pп₂ = 6,615 кг/м³;

ь Период 4: выдержка при максимальном давлении 1,3 МПа и температуре 191,°С в течение 420 мин. Характеристики: lп₄ = 2787,4 кДж/кг, pп₂ = 6,615 кг/м³;

ь Период 5: снижение избыточного давления от 1,3 МПа до 0,3 МПа и охлаждение от 191,6 до 133,3°С в течение 42 мин.;

ь Период 6: снижение избыточного давления от 0,3 до 0,1 МПа и охлаждение от 133,3 до100°С в течение 36 мин.;

ь Период 7: вакуумирование в течение 90 мин.

3.2.1 Определение тепловыделения цемента по периодам тепловой обработки

Для приготовления ячеистого бетона используется портландцемент М400. В/Т = 0,39. Тепловыделение определяется для 1 кг цемента.

ь Период 1:

где И - количество градусочасов тепловой обработки,°СЧч;

M - марка цемента;

a = 0,32+0,002И, при ? 290°СЧч

a = 0,84+0,0002И, при > 290°СЧч

где - начальная температура ячеистого массы,°С

a = 0,32+0,002Ч53,95=0,43

- общее количество теплоты

- масса цемента, кг

ь Период 2:

a = 0,32+0,002Ч69,99=0,46

ь Период 3:

a = 0,32+0,002Ч243,68=0,81

ь Период 4:

a = 0,84+0,0002Ч1341,2=1,11

Перед автоклавной обработкой формы с изделиями подвергаются выдержке при t=32°С (температура ячеистой массы) в течение 1,5 часов. Тогда тепловыделение цемента за это время составит:

a = 0,32+0,002Ч48=0,42

Т.о. при гидратации цемента выделяется теплота в следующем количестве:

ь За 2 часа перед автоклавной обработкой - 23,9 кДж/кг

ь За 1 период в течение 2,5 часов - 27,1 кДж/кг

ь За 2 период в течение 0,25 часов - 35,1 кДж/кг

ь За 3 период в течение 0,25 часов - 124,5 кДж/кг

Остается на 4 период: 418 - (23,9+27,1+35,1+124,5) = 207,4 кДж/кг

где 418 - тепловыделение 1 кг цемента М400.

Следовательно, в 4 периоде теплота от экзотермической реакции гидратации цемента будет поступать не 7 часов, а в течение (207,4/263,4)Ч7=5,5 ч.

Количество теплоты, выделенное цементом, за все четыре периода составит:

3.2.2 Расчет теплового баланса

ь Период 1: Расход теплоты на нагрев до 100°С в течение 2 ч и продувки в течение 0,5 ч (ф₁ = 2,5Ч)

1. Потери тепла корпуса автоклава:

где - масса автокава, кг;

- теплоемкость метала, кДж/кгЧ°С;

- соответственно максимальная температура нагрева в 1 периоде и его начальная температура,°С

кДж

2. Потеря тепла форм:

где - масса формы, кг;

- кол-вл форм в автоклаве, шт.;

- соответственно максимальная температура нагрева формы в 1 периоде и ее начальная температура, равная температуре ячеистой массы (,°С

кДж

3. Потеря тепла вагонеток:

где - масса вагонеток, кг;

- кол-во вагонеток в автоклаве, шт.;

- соответственно максимальная температура нагрева вагонетки в первом период и ее начальная температура, равная температуре воздуха в цехе,°С

кДж

4. Потеря тепла сухих составляющих ячеистой массы:

где - масса сухих составляющих ячеистой смеси, кг;

- теплоемкость сухих составляющих, кДж\кгЧ°С;

- соответственно максимальная температура нагрева сухих составляющих в первом периоде и их начальная температура, равная температуре ячеистой массы (),°C

кДж

5. Потеря тепла влаги в ячеистом бетоне:

где - масса влаги в ячеистой массе, кг;

- теплоемкость воды, кДж\кгЧ°С;

- соответственно максимальная температура нагрева влаги в первом периоде и ее начальная температура, равная температуре ячеистой массы,°С

кДж

6. Потеря тепла теплоизоляции автоклава:

для расчета кол-ва теплоты, затраченной на нагрев теплоизоляции автоклава, вначале необходимо определить массу теплоизолирующего слоя

где - толщина теплоизоляционного слоя, равна 0,15…0,20 м;

- средняя плотность теплоизоляционного материала (минеральная или стеклянная вата), кг/м³;

- площадь изоляционной поверхности автоклава, м², равная:

где - длина автоклава, м

- наружный диаметр автоклава, м, равный:

 м

м²

кДж

При выборе автоклава проходного типа изолируется только боковая поверхность аппарата. Если для расчета принят автоклав тупикового типа, то необходимо учесть массу изоляции торца автоклава, которая равна:

и определить ее как сумму:

где - теплоемкость теплоизоляционного материала, кДж/кгЧ°C;

- температура окружающей среды (температура в цехе),°C

кДж

7. Потеря тепа через изоляцию автоклава:

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²Ч°C

где - толщина стенки автоклава, м;

- толщина слоя теплоизоляционного материала, м;

- коэффициент теплопроводности стенки автоклава, Вт/м²Ч°C;

- коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, Вт/м²Ч°C;

- коэффициент теплообмена м/д изолированной стенкой автоклава и окружающей средой, Вт/м²Ч°C:

где - коэффициент, зависящий от формы тепловой установки;

- температура теплоизоляции на поверхности автоклава, равная 40…45°C;

- коэффициент излучения реального тепла,

кДж

8. Потеря тепла через неизолированные крышки автоклава:

где - кол-во крышек в автоклаве, шт.;

- площадь крышки автоклава, м²

м²

- коэффициент теплоотдачи, Вт/м²Ч°C



где - максимальная температура нагрева неизолированной крышки автоклава в первом периоде,°C

кДж

9. Потеря тепла энтальной паровоздушной смеси в свободном автоклаве:

где - энтальпия пара в первом периоде, кДж/кг;

- плотность пара в первом периоде, кг/м³;

- свободный объем автоклава, м³

где - объем форм, м³. (определяется по внешним геометрическим размерам формы)

м³

кДж

10. Потери теплоты, затрачиваемой на продувку:

где - расход пара на продувку автоклава, кг на 1 м³ бетона ( кг);

- энтальпия при давлении 1,3 МПа;

- объем изделий, загружаемых в автоклав, м³

кДж

11. Неучтенные потери:

Неучтенные потери составляют 10% всех учтенных потерь за вычетом потерь тепла, затрачиваемого на продувку ()

кДж

12. Энтальпия конденсата:

где - максимальная температура среды в автоклаве в первом периоде,°C