CC BY
22УДК 691.328.666:015.45
С.В. ФЕДОСОВ, д-р техн. наук, член-корр. РААСН, Г.Н. ЗАКИНЧАК д-р экон. наук, Ивановский государственный архитектурно-строительный университет; Ю.А. МИТЬКИН, д-р техн. наук, А.М. СОКОЛОВ, канд. техн. наук (sam@vetf.ispu.ru), Ивановский государственный энергетический университет; В.И. БОБЫЛЕВ, генеральный директор АО «ДСК» (Иваново)
Электротепловая обработка бетона токами различной частоты
Вопросы практического применения электротепловой обработки бетона уже достаточно хорошо разработаны, например в [1]. Несмотря на многие преимущества такого способа тепловой обработки, все же на предприятиях сборного железобетона и крупнопанельного домостроения продолжают господствовать традиционные методы: тепловлажностная обработка (ТВО) паром, обработка продуктами сгорания газа, подогрев опалубки горячей водой, которые имеют ряд серьезных недостатков, прежде всего по энергетической эффективности. Огромную потребность в применении электроразогрева бетона испытывают малые и средние предприятия, производящие продукцию небольшими сериями. Для них традиционные методы тепловой обработки практически недоступны. Такое положение дел обусловлено рядом причин, важнейшими из которых являются отсутствие необходимого технологического оборудования, в частности электрических источников питания с хорошими массогабаритными и технико-экономическими показателями, а также недостаток сведений по оценке эффективности электроразогрева бетона по сравнению с традиционными методами тепловой обработки.
Перспективным направлением развития электротепловой обработки бетона является применение для нее источников питания нового поколения, выполненных на основе полупроводниковых преобразователей напряжения. Это стало возможным благодаря появлению в последние годы новых силовых электронных компонентов в виде мощных высоковольтных транзисторов на токи до 300 А и напряжение до 1200—1500 В. Имеются примеры успешного применения таких источников питания большой мощности, соответствующей параметрам электротепловой обработки бетона, в смежных отраслях.
На рис.1 представлена блок-схема источника питания на основе полупроводникового (транзисторного) преобразователя напряжения [2]. Такое устройство преобразует переменное синусоидальное напряжение 220/380 В 50 Гц питающей сети в регулируемое пере-
Рис. 1. Блок-схема источника питания на основе полупроводникового преобразователя напряжения
менное напряжение повышенной (ультразвуковой) частоты (15—50 кГц) прямоугольной формы, которое через силовой трансформатор прикладывается к нагрузке (обрабатываемому изделию). Трансформатор работает на высокой частоте, что многократно уменьшает его массу и габариты. Это и обеспечивает основной эффект от применения таких источников питания.
Источники питания, построенные по такой блок-схеме, обладают значительно лучшими массогабарит-ными и технико-экономическими показателями, чем существующие трансформаторные источники питания промышленной частоты 50 Гц [2].
Сведения о параметрах и характеристиках электротепловой обработки бетона с использованием источников питания такой конструкции в литературе отсутствуют, что обусловило необходимость проведения экспериментов и теоретических исследований в этом направлении.
Были выполнены эксперименты по электротепловой обработке образцов бетона (ГОСТ 10180—78) 100x100x100 мм класса В20 (осадка конуса 4—5 см), который получил широкое применение, токами с частотой 20 кГц прямоугольной формы и 50 Гц синусоидальной формы. Для осуществления электротепловой обработки бетонных образцов в ходе экспериментов был разработан и изготовлен лабораторный стенд, представленный на рис. 2.
Источник питания установки выполнен на силовых транзисторах типа Ш04РИ50КВ, имеет мощность 5 кВт и массу около 4 кг. В этих габаритах при незначительном увеличении массы может быть достигнута
Рис. 2. Лабораторный стенд: 1 - источник питания на основе транзисторного преобразователя напряжения; 2 - мультиметр с термопарой для измерения температуры; 3 - комплект измерительных приборов; 4 - опалубка для изготовления и электротепловой обработки бетонного образца; 5 - осциллограф выходного напряжения 20 кГц.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q-су,rfSj\Ljj.jLjjS
4 июнь 2010 *
Рис. 3. Внешний вид опалубки Рис. 4. Партия опытных образцов. а - до испытаний на механическую прочность; б - после испытаний после укладки и утрамбовки свежего бетона
мощность 20 кВт. Из таких однотипных блоков может быть составлен источник питания на любую мощность.
Для изготовления и электротепловой обработки образцов использовалась опалубка, выполненная из диэлектрических материалов (водостойкой ламинированной фанеры, стеклотекстолита) при наличии теплоизоляции в виде пенопласта толщиной 25 мм (рис. 3). Электротепловая обработка образцов проводилась путем пропускания через них электрического тока.
Этот способ обработки является наиболее простым, дешевым, эффективным, например по скорости разогрева и имеет самый высокий коэффициент полезного действия [1]. Длительность изотермической стадии электротепловой обработки при температуре 60оС и 80оС соответствовала достижению суточной механической прочности не менее 70% Я28. Образцы после тепловой обработки выдерживались при комнатной температуре в течение 3—35 сут и подвергались механическим испытаниям на прессе типа П-125 для определения механической прочности на сжатие. В ходе экспериментов было изготовлено и испытано более 100 образцов (рис. 4).
Выполненные эксперименты подтвердили, что такая электротепловая обработка бетона обеспечивает практически однородное тепловое поле в объеме материала. Этот вывод можно сделать на основании рис. 5, где представлены температурные зависимости одного из образцов, полученные в ходе опыта. Наблюдается практически полное совпадение значений температуры, измеренной в 4 различных точках образца.
В результате экспериментов были получены обширные сведения по изменению электропроводности бетона в ходе электротепловой обработки при воздействии напряжений различной частоты (50 Гц и 20 кГц). Это
Время обработки, ч — Т1 ■ Т2 ж Т3 • Т4
Рис. 5. Температурные зависимости стандартного образца (№ 78) в ходе электротепловой обработки: Т1 - в центре образца; Т2, Т3 , Т4 -на поверхности (Т2 и Т4 - вблизи электродов, Т3 - посередине)
позволило разработать математическую модель изменения электропроводности бетона при любом графике электротепловой обработки, которая является составной частью методов расчета и оптимизации технологического оборудования и режимов его работы [3, 4].
Наибольшие интерес и практическое значение имеют полученные в ходе опытов по электротепловой обработке сведения о важнейшем параметре бетона — механической прочности на сжатие На рис. 6 приведены экспериментальные зависимости набора прочности бетона в процессе его созревания после электротепловой обработки. Наблюдается разброс экспериментальных значений, одной из важнейших причин которого является вид используемого напряжения.
При использовании напряжения промышленной частоты 50 Гц (кривая 1 — рис. 6) нормированная прочность достигается, в среднем, на 15-е сут, а прочность после созревания бетона в 28 сут и более лишь на 12—15% выше нормированной. При использовании напряжения частоты 20 кГц нормированная прочность достигается на 8-е сут (2 — рис. 6), а после созревания бетона его прочность уже на 25—28% выше нормированной. Этот результат можно объяснить, по-видимому, явлением активации процессов твердения цементного камня под воздействием токов и электромагнитных полей ультразвуковой частоты. В итоге получается бетон уже более высокого класса, чем ожидается. При сроке созревания 25 сут и более ни один из испытанных образцов не имел прочности ниже нормированного значения. Это позволяет сделать однозначный вывод, что электротепловая обработка бетона токами промышленной и особенно, ультразвуковой частоты (20 кГц) обеспечивает требуемую прочность бетона и пригодна для промышленного применения.
Рис. 6. Зависимости набора прочности для образцов, прошедших электротепловую обработку при различных условиях: 1- зависимость для напряжения 50 Гц; 2 - зависимость для напряжения 20 кГц; 3 - нормированная прочность бетона.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы -- - ® июнь 2010 5
%
100
80
60
40
20
□ Полезные затраты
□ Потери энергии
Рис. 7. Структура затрат полной энергии тепловой обработки железобетонных изделий: 1 - установки для предварительного разогрева бетонной смеси (среднее по табл. 4.3); 2 - электротепловая обработка в монолитном строительстве; 3 - устройство электротепловой обработки взамен ТВО на полигонной установке; 4 - электротепловая обработка при изготовлении пенополистирольных изделий; 5 - ТВО на полигонной установке; 6 - ТВО при изготовлении пенополистирольных блоков
Важным параметром установки для электротепловой обработки бетона является коэффициент полезного действия (КПД) источников питания на основе полупроводниковых (транзисторных) преобразователей напряжения. Он определяется как отношение мощности, которая передается с выхода источника в нагрузку (изделие в опалубке), к мощности, потребляемой им из питающей сети. По результатам всех экспериментов усредненное значение КПД источника питания, использованного в опытах, составило т|=0,91. Такие источники питания хотя несколько уступают по этому показателю трансформаторным источникам 50 Гц (их КПД 0,94—0,98), имеют почти на порядок лучшие мас-согабаритные и стоимостные показатели [2].
В качестве вариантов первоочередного опытно-промышленного применения электротепловой обработки периодического действия целесообразно выбрать четыре следующих направления: а) использование установок электротепловой обработки взамен ТВО на полигонных установках; б) применение электротепловой обработки для изготовления изделий из пенополистирольного бетона; в) применение электротепловой обработки бетона при монолитном строительстве и г) применение электротепловой обработки
для предварительного разогрева бетона перед укладкой в опалубку.
Разработанная в ходе исследований методика расчетной оценки технических и энергетических показателей производственных установок для электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий позволила выполнить сравнительные оценки этих показателей. Например, на рис. 7 показана структура полной энергии обработки в относительных значениях для всех вариантов опытно-промышленного применения электротепловой обработки в сравнении с ТВО. Согласно рис. 7 варианты с электротепловой обработкой несколько отличаются по структуре энергетических затрат, тем не менее, они значительно превосходят традиционные технологические процессы по величине доли полезных затрат энергии.
Весьма наглядной (рис. 8) является оценка энергетической эффективности электротепловой обработки по использованию энергии первичного энергоносителя -природного газа, который является источником энергии и для традиционных методов тепловой обработки бетона и при электротепловой обработке, так как не менее 60% электроэнергии производится на тепловых электрических станциях, где газ является доминирующим видом топлива. Рис. 8 позволяет сделать вывод, что в случае электротепловой обработки энергия природного газа используется почти в 5 раз эффективнее, чем при традиционных методах (34% против 7%).
Однако даже при переходе на электротепловую обработку картина использования природного газа выглядит весьма безрадостно. Учитывая, что на энергетику приходится около 40% потребляемого газа, а также потери в других отраслях народного хозяйства, можно уверенно сказать: при сжигании газа не менее 50% получаемой тепловой энергии бесполезно рассеивается в окружающую среду. Другими словами, природный газ фактически уничтожается в гигантских объемах — 140—170 млрд м3 в год. Будущие поколения вряд ли будут благодарны за такую безрассудную расточительность, и эту ситуацию следует квалифицировать, как полномасштабный энергетический кризис. По-видимому, требуются срочная разработка и реализация программ национального и глобального энергетического спасения. Центральное место этих программ должно занимать широкое использование электротехнологических процессов, в частности электротепловой обработки в строительной отрасли, при значительном увеличении производства электроэнергии путем безопасного развития атомной электроэнергетики с удаленным размещением атомных станций [5, 6].
Энергия при сгорании газа в котельной 100%
Энергия пара 70%
Потери энергии при транспортировке пара и ТВО 63%
Полезная энергия Шб 7%
Энергия при сгорании газа на ТЭЦ 100% Потери энергии на ТЭЦ 60% Потери электроэнергии при транспортировке / /\ и в источнике питания 16%
Электроэнергия 40% Полезная энергия Шб ^ 34% /
Рис. 8. Структура затрат энергии первичного энергоносителя (природного газа) при тепловой обработке бетона: а - ТВО; б - электротепловая обработка
б
а
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
6 июнь 2010 *
Технологическая себестоимость
15%
НДС 15%
Нормативная прибыль 11%
Стоимость материалов 57%
Амортизация и содержание оборудования и помещений 16%
Основная зарплата 13%
Технологическая тепловая энергия для ТВО 34%
Дополнительная зарплата 3% Отчисления на социальное страхование 4%
Общезаводские расходы на электроэнергию 30%
Рис. 9. Структура производственной себестоимости изделий из бетона В20 Рис. 10. Структура технологической себестоимости
Окончательное решение о широком применении электротепловой обработки бетона может быть принято лишь при наличии экономической эффективности.
Важнейшей экономической задачей любого производственного процесса является снижение себестоимости продукции. На рис. 9 представлена структура производственной себестоимости железобетонных изделий из бетона классов В20. Основную ее долю (более 50 %) составляет стоимость исходных материалов, необходимых для получения бетона, что является характерным для строительной отрасли. В этом случае у предприятия существует реальная возможность повлиять только на две составляющие себестоимости — общецеховые, общезаводские расходы (1—2%) и технологическую себестоимость (15—16%).
Очевидно, что основные усилия необходимо прилагать к снижению технологической себестоимости, структура которой представлена на рис. 10. Основная ее часть складывается из энергетических составляющих: затрат на тепловую и электрическую энергию в приблизительно равных долях, которые в сумме составляют около 2/3 технологической себестоимости. Применение электротепловой обработки железобетонных изделий вместо традиционной ТВО паром оказывает влияние прежде всего на две составляющие технологической себестоимости: затраты на технологическую тепловую энергию — около 34% полностью исключаются и заменяются затратами на силовую (технологическую) электрическую энергию; снижаются издержки на амортизацию и обслуживание оборудования и помещений.
Выполненные исследования показали, что при использовании электротепловой обработки технологическая себестоимость снижается на 25% и добиться такого же уменьшения этого показателя другими способами практически невозможно.
По оценкам годовой экономии от снижения себестоимости и капиталовложений в переоснащение производства расчетный срок окупаемости капиталовложений при переходе на электротепловую обработку составляет около 7 мес, что многократно меньше нормативного показателя (8 лет).
Полученные параметры экономической эффективности не оставляют никаких сомнений в целесообразности применения электротепловой обработки взамен традиционных способов.
Для окончательного уяснения практического значения электротепловой обработки бетона целесообразно оценить последствия полного перехода на этот вид тепловой обработки в масштабах всего государства. В настоящее время годовое производство сборного железобетона в России составляет около 22 млн м3. Учитывая, что тепловой обработке подвергается приблизи-
тельно 90% производимых изделий, переход на электротепловую обработку приведет к росту потребления электроэнергии в объеме около 1,2 млрд кВтч в год, что составляет примерно 0,12% годового производства электроэнергии в России («1000 млрд кВт-ч в год). Даже без специального исследования можно сказать, что дополнительная выработка такого количества электроэнергии не составит проблем для отечественной электроэнергетики. С другой стороны, годовая экономия природного газа будет иметь величину приблизительно 1,8—2 млрд м3, что составляет около 2% газа, потребляемого промышленностью. Такого количества газа достаточно для приготовления пищи всему населению страны в течение 3 мес.
В заключение можно сделать вывод, что существует настоятельная необходимость и техническая возможность скорейшего и широкого применения на практике электротепловой обработки бетона и железобетонных изделий с использованием источников питания на основе полупроводниковых преобразователей напряжения. Для этого требуются объединенные усилия специалистов и организаций, а также участие со стороны государства.
Ключевые слова: электротепловая обработка бетона, токи различной частоты, источники питания большой мощности.
Список литературы
1. Руководство по прогреву бетона в монолитных конструкциях / Под ред. Б.А. Крылова, С.А. Амбар-цумяна, А.И. Звездова. М.: НИИЖБ, 2005. 275 с.
2. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. Энергоатомиздат, 1987. 184 с.
3. Федосов С.В., БобылевВ.И., Митькин Ю.А., СоколовА.М. Исследование электропроводимости бетона в процессе его отверждения при различной частоте приложенного напряжения // Строит. материалы. 2009. № 5. С. 51-53.
4. Федосов С.В., Бобылев В.И., Соколов А.М. Математическое моделирование температурно-временных зависимостей удельной проводимости бетонных смесей // Строит. материалы. 2009. № 9. С. 84-85.
5. Александров Т.Н., Соколов А.М. Использование электропередач ультравысокого напряжения для развития атомной электроэнергетики // Энергетик. 2008. № 10. С. 4-7.
6. Александров Т.Н., Соколов А.М., Закинчак Т.Н. Основы поступательного развития. О роли техники высоких напряжений в будущем благополучии электроэнергетики // Энергетик. 2010. № 1. С. 2-6.
научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы -- - ® июнь 2010 7
