Исследование процессов тепломассообмена при тепловлажностной обработке силикатного кирпича Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Литература 2. Ключев, В.И. Теория электропривода: учебник для

вузов / В.И. Ключев. - М., 1985.

1. Башарин, А.В. Управление электроприводами: учеб. пособие для вузов / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. - Л., 1982.

УДК 691.4. 004. 8/669. 184

Н.Н. Синицын, Н.И. Шестаков, Т.Н. Меньшакова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА

В технологии силикатного кирпича тепловлажностная обработка является важнейшим этапом производства. Процесс твердения зависит от конкретных физико-химических условий автоклавной обработки силикатного кирпича. Установлено, что периоды запаривания и охлаждения силикатного кирпича осуществляют при существенном градиенте температуры по сечению кирпича.

Отходы металлургического производства, тепловая обработка силикатного кирпича, периоды запаривания и охлаждения силикатного кирпича, экспериментальные зависимости температуры от времени прогрева.

The heat-and-moist curing is the main production stage in the technology of the silicate brick. How the hardening process will go, depends on concrete physical and chemical conditions of thermal processing of the silicate brick. It is established that the periods of steaming and cooling of the silicate brick are carried out at an essential gradient of temperature on brick cross-section.

Metallurgical production wastes, thermal processing of the silicate brick, the periods of steaming and cooling of the silicate brick, experimental dependences of temperature on warming up time.

Для усовершенствования технологии получения силикатного кирпича с использованием отходов металлургического производства необходимо изучить тепловые процессы, протекающие в заготовке в процессе ее обработки [5].

В изготовлении силикатного кирпича тепловая обработка является одной из основных частей технологического цикла. Процесс твердения кирпича в автоклаве занимает до 90 % времени и в значительной мере определяет строительно-прочностные свойства готовых изделий.

Основное назначение термовлажностной обработки заключается в создании жидкой высокотемпературной среды в порах сырца, обеспечивающей растворение компонентов и их взаимодействие с образованием водных силикатов кальция различного состава.

Существует несколько теорий, объясняющих твердение вяжущих материалов, имеется большое число экспериментальных данных, подтверждающих ту или иную точку зрения на механизм образования цементирующей связки при автоклавном твердении силикатных материалов [2].

Процесс твердения зависит от конкретных физико-химических условий автоклавной обработки силикатного кирпича. Для исследования процессов тепломассообмена при тепловлажностной обработке силикатного кирпича сначала необходимо создать лабораторно-экспериментальную установку и провести опыты на всех стадиях запаривания при различных режимах.

Для определения коэффициента теплоотдачи на вертикальной стенке необходимо измерять температуру насыщенного пара, температуру конденсата на стенке, высоту стенки, давление насыщения пара, а

также температурное поле стенки. При рассмотрении внешнего тепло- и массообмена по периодам подогрева, изотермической выдержки и охлаждения изменяется температура /п. м и влагосодержание ип. м поверхности материала. Эти изменения влекут за собой обязательную передачу теплоты и массы внутри изделия, поэтому дальнейшей задачей является изучение условий распространения теплоты и массы внутри материала, а также изучение их влияния на струк-турообразование, происходящее в материале в различные периоды тепловлажностной обработки.

Рассматривается образец материала в виде модельного параллелепипеда (открытый со всех сторон). При внешнем теплообмене, вследствие конденсации пара поверхность материала получает теплоту и влагу, за счет которых она нагревается с увеличением влагосодержания. По сечению образца создается перепад температур и влагосодержания.

На рис. 1 представлена схема автоклавной установки, которая представляет собой герметически закрывающийся сосуд цилиндрического типа, рассчитанный на тепловлажностную обработку изделий паром под давлением 0,8-1,3 МПа.

В потребитель пара II устанавливается отформованный силикатный кирпич с термопарами. После этого он герметично закрывается.

Источник пара I с помощью электронагревателя нагревается до необходимого давления пара. Затем проводится продувка от воздуха паром и создается необходимое давление с помощью вентиля 9.

Это давление выдерживают до конца опыта. Кроме того, образец взвешивается перед опытом и после опыта. Время опыта измеряется секундомером.

По данным [1], [3], при пленочной конденсации

чистого насыщенного неподвижного пара, не содержащего неконденсирующихся газов, средний коэффициент теплоотдачи а вычисляется по уравнениям

(1)-(5).

пература насыщенного пара; tc - средняя температура стенки; Н - высота стенки или высота вертикальной трубки; r - теплота парообразования при температуре tK; Pr - число Прандтля; v - коэффициент кинематической вязкости, ^ - коэффициент динамической вязкости; X - коэффициент теплопроводности; Ргс, цс, Хс - то же при температуре tc; g -ускорение силы тяжести.

Уравнения (1) и (2) справедливы при значениях r

Pr > 1 и-> 5, где с - теплоемкость конденсата.

с At

Значения (Н At)^, при которых режим течения конденсатной пленки переходит в турбулентный, определяются по формуле

(H -At )кр = 2300 ^

f v2

Рж

g Рж -Рп.

Рис. 1. Схема автоклавной установки: 1 - корпус; 2 - образец; 3 - манометр; 4 - термометр; 5, 6, 7 - термопары для измерения температурного поля образца и пленки конденсата; 8 - предохранительные клапаны; 9 - паровой вентиль; 10 - вода; 11 -электронагреватель; 12 - конденсатоотделительное устройство; 13 и 14 - вентили; I - источник пара;

II - потребитель пара

где g = 9,81 м /с; А/ = 4 - /с; 4 - температура насыщения; рп - плотность насыщенного пара; рж - плотность конденсата.

Средняя теплоотдача при свободной конвекции жидкости (газа) в большом объеме около вертикальных пластин, а также около вертикальных и горизонтальных труб может быть рассчитана по уравнению [1]

При конденсации пара на вертикальных трубах и стенках а рассчитывается по формулам:

а) если 2 < 2300 (ламинарное течение пленки):

a = 0,95-rPV-Z0 78 et; At - H '

(1)

б) если 2 > 2300 (течение пленки ламинарное вверху и турбулентное внизу):

a =

1- rpv

4At - H

253 + 0,069Pr0'5 (Z - 2300)

/ \0,25

' Pr^

v Pr ,

V c У

(2)

„ f g V 1AtH где Z = 1 -г I

) гру

Поправка, учитывающая зависимость физических свойств конденсата от температуры:

Nu = C(Gr - Pr)" e,

(4)

где Ми = а 10 /1 - среднее число Нуссельта; Ог = g РА/ • /03 / V2 - число Грасхофа; Рг = у/а - число Прандтля; а = дсА/; А/ = /с - /0; /с - постоянная или средняя температура поверхности тела; /0 - температура жидкости (газа) вдали от поверхности теплообмена; /0 - характерный размер омываемой поверхности; для горизонтальных труб /0 = с1, для вертикальных труб и пластин /0 = Н, где Н - длина трубы или пластины.

Здесь b =

1

t0 + 273

- коэффициент объемного

расширения среды, окружающей пластину; у, а - коэффициент кинематической вязкости и коэффициент температуропроводности среды. Параметры С, п, г для пластины имеют следующие значения [3]:

для вертикальной пластины при ламинарном пограничном слое (Ог • Рг = 103^109) значения С = 0,8;

п = 1/4;

Л3

1С

1 m

(3)

с У

e =

1 + 1 1 +

1

л/Pr

В уравнениях (1)-(5) a = qjAt; At = tK - tc; qc - средняя плотность теплового потока; tK - тем-

при турбулентном режиме пограничного слоя [4]

(Gr ■ Pr > 109) значения С = 0,15; п =i; s = 1.

3

л

8

2

et =

Среднее значение коэффициента теплоотдачи по высоте

- - Нр -

а = ал —- + -т

Н

\ _ Не

н

где ал, ат - средние коэффициенты теплоотдачи на участках ламинарного и турбулентного пограничных слоев; Н - полная высота пластины.

Расчет теплоотдачи вертикальных пластин при значениях Ог • Рг > 109 производится отдельно для начального участка высотой Нкр, занятого ламинарным пограничным слоем, и для участка Н - Нр, занятого турбулентным пограничным слоем. Значение Нр определяется из условия

я В Д/ • Я3 (Ог • Рг) = Я Р 2 кр

= 109

(5)

Средний коэффициент теплоотдачи горизонтальной пластины можно определить как агор = аверт, если поверхность обращена вверх [4], и как агор = 0, 5аверт , если поверхность обращена вниз; здесь аверт - коэффициент теплоотдачи вертикальной пластины, определяется по формуле (5) при Ог • Рг < 109, за определяющий размер при этом принимается меньшая сторона пластины.

Для расчета средней теплоотдачи теплофизиче-ские характеристики имеют значения: р = 1900 кг/м3, X = 0,81 Вт/(м • К), С = 0,84 кДж/кг, влажность Ж р = = 6 %. Рабочее давление в автоклаве 8,975 • 105 Па, температура 175 °С. Начальная температура кирпича /0 = 20 °С.

Для температуры среды определяем теплофизи-ческие характеристики: коэффициент кинематической вязкости V = 0,177 • 10-6 м2/с, коэффициент температуропроводности а = 17,25 • 10-8 м2/с, коэффициент теплопроводности X = 67,65 • 10-2 Вт/(м • К), число Прандтля Рг = 1,025. Число в = 1/(гс + 273) = = 2,232 • 10-3 1/К.

Число Грасгофа Ог = я • в • М • /03/и2 = 73,89 • 109. Произведение Ог • Рг = 75,74 • 109.

Режим пограничного слоя турбулентный, потому что Ог • Рг > 109.

Критическая высота стенки Якр = 20,97 мм при Ог • Рг = 109, т. е. режим течения пленки Якр переходит из ламинарного в турбулентный. Коэффициенты теплоотдачи в различных точках и при разных условиях приведены в табл. 1.

Наибольшая прочность образцов достигается за 6 ч при 175 °С. Прогрев образцов до 175 °С представлен на рис. 2. Термопара установлена в центре образца.

Таблица 1

Расчетные данные коэффициента теплоотдачи

Область расчета коэффициента теплоотдачи Значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м2 • К)

Вертикальная пластина при ламинарном пограничном слое, а 3080,00

Турбулентный режим пограничного слоя, ат 4838,41

Среднее значение а по высоте 4420,80

Горизонтальная пластина, поверхность, обращенная вниз, агор 5632,90

Горизонтальная пластина, поверхность, обращенная вверх, агор = а верг 5632,90

Среднее значение а1 на поверхности без конденсации влаги 9702,70

Среднее значение а2 с учетом конденсации влаги в первый период прогрева 7193,00

200

150

100

50

900 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7300 8100 9000 ^ с

Рис. 2. Изменение температуры при прогреве образцов в автоклаве

Рассчитаем числа подобия Фурье и Био для опытных данных в период прогрева (табл. 2).

Таблица 2

Расчетные данные чисел подобия Фурье и Био в период прогрева и охлаждения

Периоды обработки В1, В1у В1г

Подъем давления 1110,00 532,8 288,60

Прогрев без конденсации влаги 1738,58 834,5 452,03

Охлаждение на воздухе 24,00 11,5 6,259

Значение числа В1 > 100 в период прогрева, а следовательно, и температурное поле определяются только физическими характеристиками материала.

г, с

В период охлаждения на воздухе В1 > 1, следовательно, по сечению образца существует градиент температуры.

Охлаждение образцов на воздухе представлено на рис. 3. Термопара установлена в центре образца.

300 900

1500 2100 2700 3300

Рис. 3. Изменение температуры образца при охлаждении на воздухе

При этих условиях данные, представленные на рис. 3, можно аппроксимировать зависимостью

0xyz ~ х p

х exp

FQ.

-exp

2 - F0у

exp

Fq.

где Fox, Foy, Foz - числа Фурье с характерными раз-

мерами

направлении осей x, y,

Fox, FOy

у

Foz - определяются по формуле: Fo = а ■ т/52, здесь а - коэффициент температуропроводности; т - вре-

мя; 5 - характерный размер в направлении осей х, у, г; 0 - безразмерная температура, определяется по

формуле 0 = — = -—— u U -1„

здесь и, и0 - избыточная

температура; t - температура материала в текущий момент времени; ^ - начальная температура материала; иж - температура окружающей среды.

Получены экспериментальные зависимости температуры от времени прогрева в период запаривания силикатного кирпича в автоклаве и охлаждения его на воздухе. Установлено, что периоды запаривания и охлаждения силикатного кирпича осуществляют при значительном градиенте температуры по сечению заготовки. Результаты экспериментального исследования аппроксимированы зависимостью в функции от чисел Фурье с характерными размерами в направлении координатных осей.

Литература

1. Аметистов, Е.В. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справ. / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев и др.; под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. -М., 1982.

2. Кузнецов, Л.В. Декоративный силикатный кирпич с добавкой шлама кислородно-конвертерного производства / Л.В. Кузнецов, Т.Н. Меньшакова // Строительные материалы. - 2007. - № 10. - С. 18-19.

3. Теплотехнический справочник: в 2 т. / под общ. ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. - 2-е изд., перераб. -М., 1976. - Т. 2.

4. Уонг, Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: справ. / Х. Уонг. - М., 1979.

5. Шестаков, Н.И. Тепловые процессы в заготовке при изготовлении силикатного кирпича с добавками шлама / Н.И. Шестаков, Е.Л. Никонова, Т.Н. Меньшакова // Вестник Воронежского гос. техн. ун-та. - 2010. - Т. 6. - № 5. -С. 118-120.

2

2

4

4

p

p

2

2

p

p

УДК 621.778.04-426.3

М.В. Чукин, А.Г. Корчунов, В.Н. Лебедев, Г.Ш. Рубин, М.А. Полякова

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ*

В статье рассматриваются вопросы повышения результативности технологического процесса производства высокопрочной арматуры. Показана эффективность использования маршрута волочения с убывающими обжатиями для получения качественной продукции.

Высокопрочная арматура, результативность, показатели качества, волочение, механические свойства.

The article considers some factors of increasing the effectiveness of the technological process of high tensile reinforcement manufacture. The effectiveness of using the route of drawing with decreasing reduction for getting high quality production is shown.

High-strength reinforcement, effectiveness, quality index, drawing, mechanical properties.