Расчет автоклава

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.

 

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.

 

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

 

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 (12×3=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 × 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 ×1,8 × 0,02) × 7800 + 250 = 1984,8 кг.

 

Далее необходимо сделать расчеты:

• Рабочего объема автоклава:

Vраб = πR²L

 

 

 

 

 

 

где R – радиус внутреннего пространства автоклава, м;

L – длина автоклава, м.

Vраб = 3,14 × 1,3² × 19 = 101 м³

 

• Коэффициента загрузки автоклава:

kзаг = Vизд  / Vраб

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

kзаг = 38,88 / 101 = 0,38

 

• Массы сухих составляющих в изделиях:

Gс = p^сб × Vизд

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

Gс = 0,656 × 38,88 = 25,505 т

 

В том числе  массу цемента:

Gц = Ц × Vизд

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

Gц = 0,088 ×  38,88 = 3,421 т

 

• Массу воды:

Gв = В/Т ×  Gс

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

Gв = 0,39 × 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:

• Нагрев до 100°С в течение 120 мин;
• Продувка при избыточном давлении 0,03 МПа в течение 30 мин;
• Подъем избыточного давления до 0,3 МПа в течение 15 мин;
• Подъем давления от 0,3 до 1,3 МПа в течение 15 мин;
• Выдержка при максимальном давлении 1,3 МПа в течение 420 мин;
• Снижение избыточного давления от 1,3 до 0,3 МПа в течение 39 мин;
• Снижение давления от 0,3 до 0,1 МПа в течение 39 мин;
• Вакуумирование в течение 90 мин;
• 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/τц, где τц – продолжительность тепловой обработки с учетом времени на загрузку и разгрузку автоклава, ч

= 24/13,3 = 1,804

 

 

2. Теплотехнический расчет

 

Для проведения теплотехнического расчета режим запаривания следует разделить на периоды:

• 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;

• 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;
• 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;
• 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;
• Период 5: снижение избыточного давления от 1,3 МПа до 0,3 МПа и охлаждение от 191,6 до 133,3°С в течение 42мин.;
• Период 6: снижение избыточного давления от 0,3 до 0,1 МПа и охлаждение от 133,3 до100°С в течение 36 мин.;
• Период 7: вакуумирование в течение 90 мин.

 

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.

• Период 1:

где Θ- количество градусочасов тепловой обработки, °С×ч;

M- марка цемента;

 

a = 0,32+0,002Θ, при ≤ 290°С×ч

a = 0,84+0,0002Θ,  при > 290°С×ч

 

где - начальная температура ячеистого массы, °С

 

a = 0,32+0,002×53,95=0,43

 

 

- общее количество теплоты

- масса цемента, кг

• Период 2:

 

a = 0,32+0,002×69,99=0,46

• Период 3:

 

a = 0,32+0,002×243,68=0,81

 

 

• Период 4:

 

a = 0,84+0,0002×1341,2=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+0,002×48=0,42

 

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

• За 2 часа перед автоклавной обработкой – 23,9 кДж/кг
• За 1 период в течение 2,5 часов – 27,1 кДж/кг
• За 2 период в течение 0,25 часов – 35,1 кДж/кг
• 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)×7=5,5 ч.

 

 

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

 

 

2. Расчет теплового баланса

• Период 1: Расход теплоты на нагрев до 100°С в течение 2 ч и продувки в течение 0,5 ч (τ₁ = 2,5Ч)

 

1. Потери тепла корпуса автоклава:

где - масса автокава, кг;

- теплоемкость метала, кДж/кг×°С;

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

 

кДж

 

2. Потеря тепла форм: