CC BY
25Современное строительство и архитектура ■ № 1 (01) ■ Февраль
DOI: 10.18454/mca.2016.01.10 Федосов С.В.1, Гущин А.В.2, Федосеева М.Ю.3 1 Доктор технических наук, 2кандидат технических наук, 3инженер,
Ивановский государственный политехнический университет АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОЗДУХА И ВОДЯНОГО ПАРА С ПОЗИЦИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ИЗДЕЛИЙ
Аннотация
В статье рассмотрена проблема математического моделирования теплопереноса на стадии нагревания процесса тепловлажностной обработки железобетонных изделий. Показано, что для синтеза адекватной математической модели необходимо иметь полный перечень расчетных выражений для определения основных параметров воздуха и водяного пара с учетом их зависимости от влагосодержания и температуры. Установлено, что в практических расчётах важно учитывать теплоотдачу как конвекцией, так и излучением от паровоздушной среды к поверхности изделия.
Ключевые слова: тепловлажностная обработка, теплообмен, промышленность.
Fedosov S.V.1, Gushchin А.У.2, Fedoseeva M.Y.3 1PhD in Engineering, 2PhD in Egineering, 3engineer, Ivanovo State Politechnical University ANALYSIS OF PHYSICAL PROPERTIES OF AIR AND WATER VAPOR FROM THE VIEWPOINT OF MATHEMATICAL MODELLING OF HEAT-HUMIDITY TREATMENT PROCESSES
OF CONCRETE PRODUCTS
Abstract
The problem of mathematical modeling of heat exchange during the stage of heat-humidity treatment of concrete products is discussed. It is shown, in order to sinthesize the sufficient mathematical model, the full set of equations for calculation of air and water vapor parameters, including their humidity and temperature dependencies must be taken into account. It is established that in practical calculations, it is important to fake into account the heat transfer as a convection, and a radiation from the vapor environment to the product surface.
Keywords: heat-humidity treatment processes, heat exchange, industry.
Процесс тепловлажностной обработки (ТВО) является одним из важнейших в технологии производства железобетонных изделий для крупнопанельного домостроения [1,2]. Традиционно [3,4] рассматривалось три стадии ТВО: начальный период прогрева (подъём температуры), период изотермической выдержки и период охлаждения. Правильность организации процесса ТВО позволяет в итоге получать готовое изделие с нормативными показателями проектных и эксплуатационных характеристик.
В основе существующих методов теплотехнического расчёта камер ТВО лежит балансовый метод [5], по которому основной задачей расчёта является определение размеров камер ТВО для обеспечения заданной производительности по готовой продукции, а также установление необходимого расхода пара, и, следовательно, энергозатрат на проведение процесса.
При этом одним из этапов расчёта является определение коэффициента теплоотдачи от влажного воздуха к поверхности изделия и в этих условиях обычно принимается, что теплообмен между влажным воздухом, насыщенным водяным паром и обрабатываемым изделием происходит по закону естественной конвекции [4]. Для расчётов принимается критериальное уравнение вида [7]:
Nu=0,5(GrPr)0,25 (1)
Здесь критерии подобия:
Nu=-
а■ L
Х7
■ теплообменный критерий Нуссельта.
Gr=
gL
2
в .в
fikt =
Pr=
gL
V
2
в.в
рк Р п.и.
Рк
- критерий Грасгофа
- критерий Прандтля
(2)
(3)
а
в.в
В указанные критерии подобия входят теплофизические характеристики влажного воздуха: плотность - р, кг/м3; кинематический коэффициент вязкости - v, м2/с; коэффициент температуропроводности - а, м2/с и теплопроводности - X, Вт/(м К). Подстрочным индексом «в.в» обозначена принадлежность к влажному воздуху. Кроме того в уравнениях (1)-(3) обозначено: а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); L - определяющий размер изделия, м; рк -плотность влажного воздуха при температуре в камере ТВО, кг/м3; рп.и. - плотность влажного воздуха при температуре поверхности изделия, кг/м3.
Для выполнения конкретных расчётов необходимо наличие математических зависимостей для определения входящих в формулы (1)-(3) величин.
Ниже приводится сводка формул, заимствованных нами из литературы или полученных математической обработкой данных таблиц или графических зависимостей.
- относительная влажность воздуха [8]:
53
Современное строительство и архитектура ■ № 1 (01) ■ Февраль
• 100%, где
(4)
где Рп - парциальное давление пара, Па;
Рнп - парциальное давление насыщенного пара, Па;
- парциальное давление насыщенного водяного пара:
lg Рнп= 2,135 +
156 + 8,12t к 236 +1
tK - температура в камере, оС;
- влагосодержание воздуха [8]:
М.
М„
- = 0,622 •-
Ф-Рн
Р -ф-Р .
КТ н.п
(5)
(6)
Здесь: М - масса влаги в единице объёма, кг;
Мсв , - масса сухого воздуха в единице объёма, кг;.
Рк -давление в камере, Па;
- плотность влажного воздуха [8]:
Рвлв = 3,49Р -1,32Р = Т(3,49Рк - \Ъ2фР„.п)
- теплоёмкость влажного воздуха [8]:
Свл.в Сс.в+ Св.пх
Сс.в=1,005 - теплоёмкость сухого воздуха, кДж/(кг К);
Св.п=1,807 - теплоёмкость водяного пара, кДж/(кгК);
- скрытая (удельная) теплота парообразования:
г*- 10-3=5,292-2,8exp(7,92- 10-4t), кДж/кг
(7)
(8)
(9)
(формула получена нами в результате обработки табличных данных [ ])
- теплопроводность влажного воздуха [9]
^вл.в ^с.в(1_ х)+ ^в.п. • х
В диапазоне температур 0-100°С теплопроводность сухого воздуха может быть представлена следующей полученной нами зависимостью:
Хс.в -10 -0,00684+2,369
- динамический коэффициент вязкости сухого воздуха:
То + С ( Т Л
Д = Ц0
Т + С
То
1,5
(10)
ющей
(11)
(12)
д0=1 8,27 • 10-5 - вязкость сухого воздуха при 00С, Пас;
То =291,15 - температура при 200С, К;
С=120 - поправка Сазерленда, К.
- энтальпия (теплосодержание) влажного воздуха:
/=Сс.в.+х(г*+Сп4), кДж/кг (13)
На рисунке 1, заимствованном нами из работ [10-12], показаны температурные графики в течение всего процесса ТВО в горизонтальной камере. Отчётливо видно, что температура поверхности изделия изменяется в течение первых двух периодов не так, как температура паровоздушной среды.
На рисунке 2 показано изменение критерия Нуссельта и соответствующее ему изменение коэффициента теплоотдачи во времени периода прогрева, учитывающее изменение теплофизических свойств.
Вместе с тем известно, что многоатомные газы (а к ним относятся и углекислый газ и водяной пар) способны излучать тепловую энергию.
54
Современное строительство и архитектура ■ № 1 (01) • Февраль
I - температура поверхности изделия;
1 этап - период предварительной выдержки, 2 этап - период прогрева, 3 этап - изотермическая выдержка, 4 этап -период охлаждения.
Рис. 2 - Изменение теплового критерия Нуссельта (1) и коэффициента теплоотдачи (2)
В этом случае можно предположить, что теплообмен в камере ТВО определяется не только конвективным теплопереносом, а существенную роль может играть и тепловое излучение.
В соответствии с принципами сложного теплообмена [Михеев] можно записать:
Ясл_Яконв+Яизл (14)
где: q^HB и qHM - соответственно плотности тепловых потоков посредством естественной конвекции и излучение, определяемые по выражениям:
^онв ^конвС^к^п.и.)
t + Т 4 t + T 1 п.и ' 1 о 4 '
_ 100 _ _ 100 _
^зл &пр’ Со
Здесь:
Со=5,67 коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, Вт/(м2К4);
£пр - приведённая степень черноты в системе «камера ТВО - изделие», определяется по формуле [4]:
(15)
(16)
&пр
*
£п ' £бет • в
(17)
£бет + £п (1 — £б ет )
Обработкой табличных экспериментальных данных в диапазоне температур 10-100оС нами получена следующая аппроксимальная формула:
=0,179+0,01 [2,7t2-6,05t+(-0,472t2+0,246t+1,4) Рп l 3+ +(2,67t2-0,566t-15)- Рп 12+(2,195t2- 7,48t+47,2) Рп l ]
°пр
(18)
Для определения величины поправочного коэффициента в имеются графические зависимости [4], аппроксимация которых может быть обобщена выражением:
* о о
в =-2,16Рп+0,056(Рп l )2-0,282(Рп I )+3,675Рк (19)
Здесь: Рп - парциальное давление пара, Па;
55
Современное строительство и архитектура ■ № 1 (01) • Февраль
Рп l - величина параметра на графиках, где l - длина пути луча.
По аналогии с записью выражения (15) из выражения (16) можно записать следующую формулу для «модифицированного» коэффициента теплоотдачи излучением:
аизл £«р’Со'
На рисунке 3 показаны результаты расчётов по формулам (1) и (20).
1 + S* 1 4 t + T V и. 1 о
_ 100 _ _ 100 _
1
0 к - t п. и. )
(20)
Рис. 3 - Изменение коэффициентов теплоотдачи излучением (1), конвекцией (2) и суммарного коэффициента
сложного теплообмена (3)
Очень показательно, что по мере приближения состояния паровоздушной среды к состоянию насыщения от пара начинает приобретать всё большее значение.
Выводы:
1. Проведённый анализ литературных источников показывает, что в настоящее время основным методом расчёта камер тепловлажностной обработки железобетонных изделий и элементов конструкций является балансовый метод, позволяющий определить необходимые параметры ведения процессов ТВЛ и конструктивных параметров камер. Однако этот метод не позволяет учитывать динамику и кинетику явлений теплопереноса, оказывающих существенное влияние на структурообразование цементного камня и эксплуатационные характеристики изделий.
2. Показано, что для организации работы камер ТВО и разработки методов их расчёта необходимо учитывать изменение во времени процессы теплофизических параметров паровоздушной среды и обрабатываемого изделия. При этом следует учитывать влияние лучистой тепловой энергии от поступающего в камеру ТВО теплоносителя -насыщенного водяного пара.
Литература
1. Скрамтаев Б.Г., Балатьев П.К. Справочник по производству сборных железобетонных изделий, т.1, 2. - М.: Стройиздат, 1965. - 453 с.
2. Пособие по тепловой обработке железобетонных конструкций и изделий (к СНиП 3.09.01-85). - М.:
Стройиздат, 1989. - 49 с.
3. Производство сборных железобетонных изделий: Справочник / Г. И. Бердичевский, А. П. Васильев, Л. А. Малинина и др.; Под ред. К. В. Михайлова, К. М. Королева. - М.: Стройиздат, 1989. - 477с.
4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.
5. Марьямов Н.Б. Тепловая обработка изделий на заводах сборного железобетона (процессы и установки). - М.: Стройиздат, 1970. - 272 с.
6. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гущин А.В. Влияние режима процесса тепловлажностной обработки железобетонных ограждающих конструкции и изделии на их прочность // Строительные материалы. - 2006. - №9. -С.7-8.
7. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гущин А.В. Применение методов математической физики для моделирования массо- и энергопередачи в технологических процессах строительной индустрии // Строительные материалы. - 2008. -№4. - С. 65-67.
8. Богословский Б.Н. Строительная теплофизика. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1982г. - 415с.
56
Современное строительство и архитектура ■ № 1 (01) ■ Февраль
9. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов / Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А., Тоцкий Е.Е. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352.
10. Федосов С.В., Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии. Монография. -Иваново: ИПК «ПресСто», 2010. - 364 с.
11. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гущин А.В. Нестационарный процесс теплопереноса в монолитном
железобетонном перекрытии при использовании термоактивной опалубки. Часть I. // Строительные материалы XXI в. - 2006. - №2. - С. 56-57.
12. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гущин А.В., Нестационарный процесс теплопереноса в монолитном
железобетонном перекрытии при использовании термоактивной опалубки. Часть II // Строительные материалы XXI в. - 2006. - №3. - С.70.
References
1. Skramtaev B.G., Balathev P.K., Spravochnic po proizvodstvu sbomhih zelezobetonnhih izdeliy, т.1, 2. - М., Stroyizdat, 1965. - 453 с.
2. Posobie po teplovoy obrabotke zhelezobetonnyih konstruktsiy i izdeliy (k SNiP 3.09.01-85). - M.: Stroyizdat, 1989. - 49 s.
3. Proizvodstvo sbornyih zhelezobetonnyih izdeliy: Spravochnik / G. I. Berdichevskiy, A. P. Vasilev, L. A. Malinina i dr.; Pod red. K. V. Mihaylova, K. M. Koroleva. - M.: Stroyizdat, 1989. - 477s.
4. Miheev M.A., Miheeva I.M. Osnovyi teploperedachi. Izd. 2-e, stereotip. - M.: Energiya, 1977. - 344 s.
5. Maryamov N.B. Teplovaya obrabotka izdeliy na zavodah sbornogo zhelezobetona (protsessyi i ustanovki). - M.: Stroyizdat, 1970. - 272 s.
6. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Guschin A.V. Vliyanie rezhima protsessa teplovlazhnostnoy obrabotki zhelezobetonnyih ograzhdayuschih konstruktsii i izdelii na ih prochnost // Stroitelnyie materialyi. - 2006. - #9. - S.7-8.
7. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Guschin A.V. Primenenie metodov matematicheskoy fiziki dlya modelirovaniya masso-i energoperedachi v tehnologicheskih protsessah stroitelnoy industrii // Stroitelnyie materialyi. - 2008. - #4. - S. 65-67.
8. Bogoslovskiy B.N. Stroitelnaya teplofizika. Izd. 2-e pererab. i dop. - M.: Vyisshaya shkola, 1982g. - 415s.
9. Spravochnik po teploprovodnosti zhidkostey i gazov / Vargaftik N.B., Filippov L.P., Tarzimanov A.A., Totskiy E.E. -M.: Energoatomizdat, 1990. - 352.
10. Fedosov S.V., Teplomassoperenos v tehnologicheskih protsessah stroitelnoy industrii. Monografiya. - Ivanovo: IPK «PresSto», 2010. - 364 s.
11. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Guschin A.V. Nestatsionarnyiy protsess teploperenosa v monolitnom
zhelezobetonnom perekryitii pri ispolzovanii termoaktivnoy opalubki. Chast I. // Stroitelnyie materialyi XXI v. - 2006. - #2. -S. 56-57.
12. Fedosov S.V., Ibragimov A.M., Guschin A.V., Nestatsionarnyiy protsess teploperenosa v monolitnom
zhelezobetonnom perekryitii pri ispolzovanii termoaktivnoy opalubki. Chast II // Stroitelnyie materialyi XXI v. - 2006. - #3. -S.70.
DOI: 10.18454/mca.2016.01.11 Федюк Р.С.1, Храмов Д.А.2
^Кандидат технических наук, 2студент, Дальневосточный федеральный университет ЛАБОРАТОРНОЕ ФИЗИКО-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОЛЫ УНОСА
Аннотация
Современное строительное материаловедение направлено на разработку экологически чистых материалов с оптимальными физико-механическими и другими характеристиками. Наиболее эффективно использовать для этой цели применять такие методы, как рентгеновскую дифракцию, дифференциально- термический анализ, термогравиметрию, спектрометрический анализ. В результате различных исследований определены
характеристики золы уноса теплоэлектростанций. Выявлено, что золы двух электростанций Приморского края из четырех пригодны для использования в качестве компонента композиционного вяжущего.
Kлючевые слова: зола уноса, рентгенофазовый анализ, дифференциально-термический анализ,
термогравиметрия, спектроскопический анализ.
Fediuk R.S.1, Khramov D.A.2
:PhD in Engineering, 2student, Far Eastern Federal University PHYSICAL EQUIPMENT SPECTROSCOPIC STUDY OF COAL ASH
Abstract
Modern construction materials aims to develop eco-friendly materials with optimum physical and mechanical and other characteristics. Most efficiently used for this purpose are applied techniques such as X-ray diffraction, differential thermal analysis, thermogravimetry, spectrometric analysis. As a result of various studies identified characteristics offly ash. Revealed that the two power stations Primorsky Region of the four are suitable for use as a component of the composite binder.
Keywords: coal ash, X-ray diffraction, differential thermal analysis, thermogravimetry, spectrometric analysis.
Introduction
In the development of composite building materials, requires a comprehensive study of their components. In the modern building materials science applied techniques such as X-ray phase analysis, differential thermal analysis, thermogravimetry, spectrometric analysis.
57
