CC BY
8
УДК 693.5:624.139
ТИТОВ МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин),
630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113
МЕТОДИКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОРАЗОГРЕВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
В работе показано, что причина низкой точности используемых методов электротехнического расчета трехфазных устройств для технологии электроразогрева бетонной смеси заключается в неадекватности принятых схем замещения фазных нагрузок в соответствующих устройствах. На объемном экспериментальном материале доказана гораздо более высокая точность предлагаемого метода расчета, основанного на иной схеме замещения.
Ключевые слова: бетонная смесь, технология электроразогрева, методика, электротехнический расчет.
TITOV, MIKHAIL MIKHAILOVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., [email protected]
Novosibirsk State University of Architecture and Building,
113 Leningradskaya st., Novosibirsk, 630008, Russia
TECHNIQUE OF ELECTROTECHNICAL CALCULATION OF DEVICES FOR TECHNOLOGY OF ELECTROWARMING UP OF THE CONCRETE MIXTURE
The paper considers the reason of low accuracy of used methods of electrotechnical calculation of three-phase devices for the technology of electrowarming up the concrete mixture. The reason is in not accepted equivalent circuits of phase loadings in corresponding devices. On a volumetric experimental material much higher accuracy of an offered method of the calculation based on other equivalent circuit was proved.
Keywords: concrete mix, technology of electric heating up, technique, electrotechnical analysis.
С момента возникновения технологии предварительного электроразогрева бетонной смеси и до настоящего времени отсутствует рекомендуемая нормами адекватная методика электротехнического расчета силы линейных токов и потребляемой мощности в служащих для этой цели поворотных строительных бункерах, оборудованных тремя пластинчатыми электродами. Также нет способов с приемлемой точностью рассчитать заранее время разогрева до требуемой температуры или температуру разогрева за заданное время.
Сравнение точности существующих и предлагаемой методик расчета велось по величине Рб.см, полученной по соответствующим формулам различных методик через фактические линейные токи и фазные напряжения, изме-
© М.М. Титов, 2009
ренные в производственном ЭРУ объёмом Уб = 0,65 м3 с тремя пластинчатыми электродами, в котором производился разогрев бетонной смеси. За фактическое рб.см принималось значение, определённое методом «амперметра-вольтметра» в формочке из оргстекла размером 0,1x0,1x0,23 м [6] и по закладным датчикам в ЭРУ [8]. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Фактическое и расчетные значения рб.см в ЭРУ объёмом Уб = 0,65 м3
№ п/п Источ- ник Формула определения Рб.см рб.см расчет- ное, Ом-м рб.см фактиче- ское, Ом-м ДРб.^ % Приме- чание
1 [1] _ Цф • 5 Рб.см Т ; 1ф ^ 7 3,48 6,00 42 1964 г.
2 [2] и фл/3 • 5 Рб.см т ; 1 л •7 3,48 о О, ич" II И Ю 0 О, 6, II а о ю а 1Л 00 1 1 К ю а 42 1969 г.
3 [3] Р _ ил • 5 Рбсм 1 л\/3 • 7 2,01 66,5 1972 г.
4 [4] Р ил • 5 Рбсм іл7з • 7 2,01 66,5 1979 г.
5 [5] Р Цл • 5 Рбсм іл7з • 7 2,01 66,5 1981 г.
6 [6] Р ил • 5 Рб см 1 ^л/3 • 7 2,01 66,5 1982 г.
7 [7] Р _ ил ^ 1 б. см т- ; 1ф ^ 7 6,013 0,2 1983 г.
8 [8] Р ил^ • 5 р2б.см т- і л2 7ср Р _ ил х г 1,3 б.см т і т 1\^1Ъ 2 11 р Р2 5 х 1+ Р+- V 3 7 0 К^ _Р13 _ 1,136 Р2 6,013 6,83 0,2 0,2 1989 г.
Из анализа результатов следует, что в основном все формулы отличаются местоположением члена л/3 , и все значения рб.см, полученные по любым
формулам, кроме предложенных, не совпадают со значением, полученным по формочке и по закладным датчикам.
В основу предлагаемой методики положено решение методами теории электрических цепей [8] задачи о соотношении линейных токов и фазных сопротивлений в эквивалентной схеме замещения электрических нагрузок бункера с тремя плоскими электродами.
Экспериментально на существующих ЭРУ установлено, что изоляция дна бункера (плёнкой полиэтиленовой, битумной окраской) не изменила ни величины линейных токов, ни средней температуры смеси после разогрева, а лишь на 2-3 мин отодвинула начало приэлектродного кипения. Поэтому в расчётной схеме замещения принято, что весь ток протекает между плоскопараллельными электродами. По ГОСТ 13109-90 на качество электроэнергии, подаваемой потребителю, установлено, что в сети прямая последовательность фаз АВС (1, 2, 3), но в реальных условиях стройплощадки она может быть не соблюдена. Поэтому аналогичный расчёт был произведен и для обратной последовательности фаз (АСВ). Также он был произведен еще двумя способами: графическим и графоаналитическим для прямой и обратной последовательности фаз.
На рис. 2 изображено геометрическое соотношение межэлектродных расстояний и пропорциональное им межфазное сопротивление Я. Поскольку 1ср /1кр = Ъ, то и межэлектродное сопротивление пропорционально межэлек-тродному расстоянию. Решение задачи по схеме (рис. 1) производилось аналитическим, графоаналитическим и графическим способами для прямой (АВС) и обратной (АСВ) последовательности фаз. Результат в любом случае получался один и тот же. Приведем электротехнический расчет линейных токов и фазных сопротивлений по предлагаемой схеме замещения электроразогревающего трехэлектродного устройства для прямой (АВС) последовательности фаз.
АВС
ян м ян
я
я
С/ср С/кр
Рис. 1. Эквивалентная схема замещения элек- Рис. 2. Соотношение межэлектродных рассто-трических нагрузок бункера с тремя яний и пропорциональное им межфаз-
плоскими электродами ное сопротивление Я
По закону Ома фазный ток, в соответствии с направлением, изображенном на рис. 3 векторной диаграммой напряжений по рис. 4 составит:
т _ ЕВЛ _ ^п_ е] 30 _
ЛВ Я Я Я
і
■+]'
2 2
1 ЕСВ Ел -]90 __ . Ел
ВС_~Я~~Яе __]~Я ’
пС
й„с-5 ил-5
Я
]120 е
ил
(
ЯV 3 Ял/ 3
.73
і ..
—+ ]— 2 2
Я
Ял/3 Ял/3 '
и,
са
Рис. 3. Направление токов в схеме замещения Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений для нагрузок бункера прямой
По закону Кирхгофа линейный ток составит:
1Л _ ^пЛ _1 лб _ 0 , 1 в _1 ВС +1 лб _ 0 ,
1С + ^ВС _ 1Сп _ 0 , _К + ^Ап +1 Сп _ 0 '
1Л _ ^пА + 1ЛБ , ■^Б _ ^ВС _ 1ЛБ ,
^С _ ^Сп _ ^ВС , 1 п _ ^Ап + ^Сп .
Определим показания амперметров ной форме, используя формулу Эйлера:
_ Л _ 1 по шкале в комплекс -
е+]а _ 008 а ± ] - 8ш а
1 _ +Ел,
ІЛ Ял/3 + Я
л/3
Я
л/3
Я
1
л/3 + 2
52 + 5 + 3 +1 _ Е- 1 + 5 + 52
3^44 Я V ъ3
1в _ _]'•
• _л___л_
Я Я
Я
л/3
1 Е ( . л/3 .1
Я
-] _Т _] 7
V У
1 Е„ ( л/3
Я
Л
Ел
л/3
_]3 і _ Чл. 3+9 _ 12 _
2 і Я V 4 4 Я V 4 Я
і _ ^ ІС я/3
Ел
Я
„л/3 1 2
и и
;_л_ _ _Л
Я ~ Я
_5_
л/3
2
2л/3
■ +1
Ел
Я
5
2л/3
+11 _
Е. £.+51+5+1 _ і 1+5+51
Я V 12 4 Я V 3
1п _
Ел-5 , Ел-5
Ял/3 Ял/3
1
■ УІ3 1 Ел-5(
Ял/3
1 1 -Я
1-----+ ]---
2 2
Л
ил-5
N 3 ^
1 _ 2
2 (
л/3
л2
Ел-5
Ял/3 '
1 _ 1+11+2 _ .
4 У 4 Ял/ 3
/ту
V У
Мощность, потребляемая устройством, составит
^ + Е 2 І л/3 + Е ф Я
Р _ 2| Ря + Рк/ |_
(
_ 2
. Л
л/3
_ 21 ЕБ -1Б + ЕфС -1лС 5
где ЕфВ, 1Б - фазное напряжение и ток в линии по центральному электроду;
ЕС, 1<С - то же по крайним электродам.
Основные расчетные формулы в итоге будут иметь следующий вид:
1В =
В Я
Р _ 2
1л + 1с 5'
(1)
(2)
(3)
В результате во всех шести способах расчета получен один и тот же результат. Линейный ток по среднему электроду В при любом значении Е составляет
I, = в Я
Линейные токи 1А и 1С на практике, как правило, не равны между собой и не равны 1В. Их неравенство 1В обусловлено закономерностями протекания тока в схеме и поддается расчету. Неравенство 1А и 1С между собой на практике (хотя по расчету они равны) обусловлено явлением электромагнитного переноса энергии с одной фазы на другую, т. н. явление «дикой» и «мертвой» фаз. Но среднеарифметическое их значение строго соответствует расчету.
=и. С“£.
2 Я \ 3
Для уменьшения явления «дикой» и «мертвой» фаз рекомендуется применять обратную последовательность фаз, избегать больших расстояний от трансформатора до бункера и при неизбежности этого делить кабель на три равные части по длине и делать на соединениях сдвижку фаз на 1/3.
Практика разогрева показывает, что при Е Ф 1,73 температура в средних и крайних отсеках получается различной. Объясняется это следующим. Для равенства температур в отсеках необходимо, чтобы
0 0 и2 и2
= ^. Пусть Я = т; 0кр=т,
Кр Ур У ^ Я ^ 3Я
подставим второе в первое и выразим Я через р
и2 -т и2 -т
3Р^*«р •5 рт£- •5
11 , а*
сократим — = — или I Кр = -=,
кр ср V *5
т. е. Е = 1,73 обеспечивает равенство температур в отсеках.
Если необходимо, чтобы токи были равны, то нужно, чтобы
л/з ^^ 1+Е+—. я яЧ э
Сократим, возведём в квадрат и найдём величину Е:
Е2 3 1
э = 1+Е +у или е2 + 3Е-6 = о Е1,2 = -2±2^33.
Решая это уравнение, находим положительный корень а+ = 1,38, т. е.
только при Е = 1,38 обеспечиваются равные токи 1А = 1В = 1С.
Представляет практический интерес вопрос о том, как будет соотноситься прирост температуры в среднем и крайнем отсеках в зависимости от Е, так как только при Е = л/3 соблюдается равенство Atcp = А^кр.
Повторим расчёт в обратном порядке: 1 1
-Ф-
и2 -т
и2 -т
1
1
т. е.
Ф---57 или -тк Ф — т;
р-Е2 3 к е2 ср
кр .
кр -2кр 5^3р- £ кр
АС 1/£2 3 К А^ср К 3
, = —тК; итак, —- = К, = —.
АС 13 Е2 ґ Аґ ‘ й2
-Кр 13 е2 ‘ " Л^кр ‘ е2
Из графиков, приведенных на рис. 5, следует, что есть такое соотношение (Е = 1,38), при котором коэффициенты у!,3 и у2 равны 1,73, и все линейные токи при этом будут также равны, но не равны температуры по средним и крайним отсекам. А при Е = 1,73 у2 равно 1,73 (оно при любом Е = 1,73) но у13 = 1,93. При этом экспериментальные точки ложатся на график с точностью графического построения.
т
1,9 1.8 1.7 1.6 1.5 ■-
Рис. 5. Зависимость соотношения токов у2, у13 и температуры К, средних и крайних отсеков от соотношения межэлектродных расстояний Е
Результаты экспериментальной проверки адекватности предложенной методики приведены в табл. 2. Критерием адекватности служит совпадение фактических параметров с расчетными, прежде всего по линейному току разогрева на среднем электроде и среднеарифметическому из двух токов на крайних электродах.
Таблица 2
Результаты экспериментальной проверки предлагаемой методики
расчета I, Р в ЭРУ
№ п/п Шифр экспери- мента Р* Ом-м в форме м м Линейные токи
12расч 12факт. А, % І\ +12 2 ’ расч. І\ +13 2 , факт. А, %
1 87-03 5,5 0,105 32,7 32,80 0,21 33,6 33,5 0,36
2 87-04 5,5 0,08 40,6 40,66 0 44,4 44,4 0
3 87-05 5,68 0,078 41,4 41,40 0,05 45,9 46,1 0,3
4 87-2(1) 3,48 0,795 356,9 357,0 0,01 365,4 377,0 3,06
5 88-002(1) 4,58 0,88 250,8 250,8 0 275,4 266,2 3,3
6 88-003(2) 4,47 0,90 255,3 254,0 0,51 280,4 284,9 1,58
7 88-004(2) 5,30 0,90 217,4 217,48 0 250,9 240,7 4,07
Результаты проверки показывают, что полученные выражения (1), (2) и (3) могут служить основой для достоверной методики расчета. Алгоритм методики может быть весьма различным, важно, чтобы в основе лежали вышеприведенные выражения. Итак:
1. В формочке сечением 0,15x0,15 м длиной 1кр с электродами из тонкой черной жести площадью не менее 0,15x0,15 м измеряется удельное сопротивление бетонной смеси на Цф. При этом весьма желательно, чтобы величина р определялась каждую минуту или в каждый момент, кратный 5 °С п раз. Если предполагается в бункере нагревать бетонную смесь с 15 до 70 °С, т. е. Аґ = 55 °С, то и р^ определяется как среднегармоническая величина из п значений рг- в формочке, полученных на данном температурном интервале
п
Р Р І=п .
X1/Рі
і=1
2. Подсчитывается сопротивление объема бетона в одном из центральных межэлектродных объемов
* = Рр ( о/5)
причем 5 - это геометрическая площадь плоского электрода, м2.
3. Подсчитывается среднее по тепловому эффекту за время разогрева значение силы линейного тока в центральном электроде
і = в я
Здесь же подсчитывается среднее из двух значений силы линейных токов по крайним электродам
іа+Ь=1+5+£
2 Я V 3
4. Подсчитывается среднее по тепловому эффекту за время разогрева значение мощности, потребляемой бункером.
Р=2
Ц • и +Ц1 1а + +"
Следует сказать, что точность расчетов по вышеприведенным формулам лимитируется лишь точностью электрических измерений и арифметических подсчетов. Неопределенность расчетов возникает лишь при определении времени разогрева или температурного интервала разогрева, т. е. при использовании значения величины к.п.д. = п.
5. Время разогрева определяется по известной формуле
Т с • т •Л.
р = Р •п Л. Тр ■Р •п
или Л. =--------.
с • т
Как установлено исследованиями, проведенными автором, величина п при прочих равных условиях зависит прежде всего от режима потребляемой мощности. И только там, где стабильно питающее напряжение, т. е. есть повторяемость режима потребляемой мощности, есть и приемлемая повторяемость в величине п. Во всех остальных случаях величина п может колебаться от 0,5 до 0,9, и, соответственно, в таком же диапазоне колеблется Тр или Л.. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании технологии.
Выводы
1. Впервые предложена методика, позволяющая рассчитывать электротехнические параметры в технологии электроразогрева 1л и Р с предельно возможной точностью 1-3 % и технологические параметры Тр и Л. с точностью, определяемой точностью величины к.п.д.
2. Впервые дано объяснение наблюдаемому в практике электроразогрева расхождению расчетных и фактических значений 1л и Р и неравенству 1л по крайним электродам.
3. Показана невозможность одновременного достижения равенства температуры по отсекам бункера и равенства линейных токов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Миронов, С.А. Проект временной инструкции по бетонированию в зимних условиях с электроподогревом бетонной смеси / С.А. Миронов, А.С. Арбеньев, А.Р. Козлов // Бетонирование при низких отрицательных температурах: материалы конференции. Новокузнецк, 1964. - Новокузнецк : Новокузнецкое отделение УралНИИжелезобетона, 1965. - С. 103-118.
2. Пеккер, В.И. Влияние параметров предварительного электроразогрева на некоторые свойства тяжелой бетонной смеси и бетона : дис. ... канд. техн. наук. - Челябинск, 1969. - С. 60-69.
3. Рекомендации по изготовлению железобетонных изделий с применением электроразогрева бетонной смеси в заводских условиях / ВНИИЖелезобетон / Мин. пром. стройматериалов. СССР. - М., 1972. - С. 78.
4. Афанасьев, Н.Ф. Электроразогрев бетонных смесей / Н.Ф. Афанасьев. - Киев, 1979. -С. 103.
5. Арбеньев, А. С. Методика расчета и конструирования электроразогревательных устройств / А.С. Арбеньев // Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. - 1981. - № 11. - С. 99-102.
6. Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях, районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. - М. : Стройиздат,
1982. - С. 213.
7. Совершенствование технологии, организации и управления строительным производством в ГлавАлтайстрое: отчет о НИР / АлтПИ ; рук. В.Ф. Чушняков. 31.08./83 ; Барнаул,
1983. - Разд. 7. - С. 95-174. - № ГР 810035535 ; Инв. № 02830067882.
8. Титов, М.М. Круглогодичная электротермообработка бетона - способ интенсификации монолитного домостроения / М.М. Титов // Проблемы развития и интенсификации народнохозяйственного комплекса Алтайского края в 13-й пятилетке и на период до 2005 года: материалы научно-практической конференции. - Барнаул., 1989. - С. 98-100.
