CC BY
24ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
РАСЧЕТ ПОТРЕБНОСТИ ТЕПЛА ПРИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ БЕТОНА В ГЕЛИОТЕХНИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ Жайылхан Н.А.
Жайылхан Нурадин Алиевич - кандидат технических наук,
доцент,
кафедра строительного инжиниринга, Каспийский университет технологии и инжиниринга им. Ш. Есенова, г. Актау, Республика Казахстан
Аннотация: в статье рассматривается расчет потребности тепла при гелиотермообработке изделий с применением гелиотехнической системы. Ключевые слова: прогрев бетона, световой климат, твердения бетона, жаркий климат, тепловая обработка.
Одним из путей максимального уменьшения количества отходов, с ослаблением за счет этого воздействия на окружающую среду вредных выбросов производства добычи известняка-ракушечника. Особую эффективность такой утилизации придаст экономия топливных ресурсов на тепловую обработку этих изделий, использования солнечной энергии, с применением не требующей «особых» затрат прозрачных для света покрытий, в условиях сухого жаркого климата Мангистауской области [1].
Ниже приведен расчет потребности тепла при гелиотермообработке изделий с применением гелиотехнической системы.
Так как температура окружающей среды непостоянна, то исходя из выбранного дня проводимого эксперимента (22.06.2018), производим необходимый расчет потребности тепла, принимая температуру окружающей среды Т0=36°С. Для исходных расчетов определяем интервалы по времени с температурными отсчетами для прогрева бетона до изотермического процесса (таблица 1). Определим
количество тепла, сообщенное бетону на первом интервале, до изотермического процесса по формуле [2]:
Ср^-ь), (1)
-5
где 0=1660 кг/м - объемный вес бетона; Срб=0.232 Вт/кг°С - удельная теплоемкость бетона; Т2 - температура теплоаккумулирующего покрытия. °С; Т1 - температура теплоприемника (бетонного изделия), °С.
Далее определяем количество тепла, необходимое для прогрева гелио-форм от 40 до 80°С по формуле:
0ф=Оф Срв^2^1), (2)
где Оф - массовый расход горячей воды в тепловых отсеках гелиоформ, кг/с; Срв - теплоемкость воды, Дж/кг °С; t2, t1 -температура воды на входе и выходе тепловых отсеков, °С.
Определяем потребность тепла для нагрева арматуры в бетоне при изготовлении армированных изделий по формуле:
0,пр Опр Ср.пр ^2^1) (3)
где Опр=125 кг, вес арматуры; Српр=0.141 Вт-с - удельная теплоемкость арматуры.
Таблица 1. Значения температур при выдерживании
Время теплового процесса, т, часы 9 10 11 12 13 14 15
Температура под покрытием ВУС °С, t2 39 53 64 73 78 78 77,2
Температура поверхностного слоя бетона, °С 35 48 61 69 72 74 74
Температура окружающей среды, tl 25 29,3 32,5 36,8 36,2 36,0 35,7
Определяем потери тепла от гелиоформы в окружающую среду.
При применении теплоаккумулирующего покрытия -гелиопокрытия необходимо определить пропускную способность двухслойного покрытия по формуле:
т=(1 - р)/11 + (2^ - 1)]р (4)
где п - количество слоев светопрозрачного покрытия; р -отражательная способность покрытия.
Принимая, во внимание что, в области солнечного спектра преломление для стекла п= 1,526. Отражательная способность покрытия определяется по формуле [3]:
р=[(п-1)/(п+1)]г = [(1,526-1/(1,526+1)/ = 0,04336 (5)
Следовательно:
т=(1-0,04336)/[1+(2 • 2 - 1) 0,043336]=1,8346 (6)
Определяем истинную пропускательную способность, учитывающую как отражение, так и поглощение (что в свою очередь адекватно применению второго слоя из пленки, а также запыленности от внешней среды) по формуле:
^ В ^ Г — ^0 (7)
откуда по формуле:
= е ^ (8)
где К - коэффициент ослабления, равный 0,032-10-1 мм; Ь -фактическая длина пути солнечной радиации через
3
прозрачную среду, равная 20 мкм, или 20 • 10- мм.
КЬ=0,032 10-1 20 10-3 =0,64 • 10-4 уу (9)
Определим, что: КЬ
Находим:
_ 0,0 ТВ =е ,
Тогда:
0,000064 ТВ =е0,000064=0,9936
Те=1,8346 - 0,9936=0,8410 (10) Удельный тепловой поток, доходящий до поверхности карбонатного бетона изделия при применении светопрозрачного покрытия:
бб =0б 1п 0,8410 (11)
Из данной величины облучения бетоном воспринимается количество тепла, определяемое по формуле:
0б.в=0б «б, (12) где аб - степень черноты бетона, равная 0,7 (степень черноты цемента). Отсюда:
0б.в=0,8410 • 1п • 0,7 = 0,6987, (13) где 1П - величина полной солнечной радиации. В нашем случае суммарная радиация для горизонтальной поверхности светопрозрачного покрытия определяется по формуле:
0вус=тв аб 1п $вус=Об Срб ^1^2), (14) где БВУС - световая площадь светопрозрачного покрытия, равная 3,55 м2.
0вус=0,6987 • 1п • 0,7 • 3,55= 1,7363 1п
°оот= онагр + отепл + оак - опогл- яэкз (15) Исходя из расчетных и экспериментальных данных, производим для сравнения подсчет суммарной солнечной радиации (таблица 2).
Таблица. 2. Суммарная солнечная радиация и количество теплоты, преобразованной элементами гелиосистемы
Интервалы времени £10 - суммарная радиация на 1 м2 поверхности QВyС -тепло от ВУС
Часовой пояс Актау МДж/м2 Вт/м2 КДж
9.00 1,50 416,97 1118
10.00 2,00 577,22 1550
11.00 2,71 752,06 2020
12.00 3,14 871,39 2341
13.00 3,30 915,79 2460
14.00 3,30 915,79 2460
15.00 3,14 871,39 2341
16.00 2,71 752,06 2020
17.00 2,04 566,12 1521
23,84 6628,79 17831
Экспериментальные данные в сравнении с расчетными данными составляют отклонение в пределах примерно 8,4%.
Исходя из потребности тепла при использовании светопрозрачного покрытия над бетоном для обеспечения режимных параметров при толщине изделий до 300 мм принимаем в среднем:
(3,9+6,0) : 2 = 5 кВт/ч-м2, 5 • 3600 = 18000 КДж с набором прочности бетоном 40% Я28, то для увеличения прочности до 80% Я28 необходимо 36000 КДж.
С учетом теплопотерь в ночное время 15% потребность тепла составила 18000 + 20700 = 37800 КДж.
Определяя по этому уравнению количество тепла в любой момент времени выдерживания бетона, можно построить кривую потребности в количестве тепла от времени:
(16)
График зависимости производительности гелиоустановки от времени приведен на рисунке 1.
Рис. 1. Зависимость производительности гелиоустановки от
времени
В таблице 3 приводятся температурные режимы под гелиопокрытием ВУС, и однослойной гелиокрышкой камеры твердения.
Таблица 3. Температурный режим светопрозрачного покрытия ВУС и пропарочной камеры
Продолжительность твердения То °С Твус Тпр. кам. Температурный режим бетона
т^б 1 б т^н 1 б
900 25 40,0 35,0 37,2 30,0
10°° 29,3 55,0 42,0 51,0 33,0
1100 32,5 67,0 48,0 66,0 37,2
12°° 36,8 77,0 56,0 74,4 38,0
1300 36,2 81,0 65,0 75,0 42,0
1400 36,0 81,0 70,0 80,2 45,0
1500 35,7 80,5 75,0 80,2 51,0
1600 35,2 78,4 78,2 78,5 53,0
1700 34,2 80,2 81,3 76,4 55,0
1800 31,0 74,0 77,8 73,2 56,0
1900 29,0 43,0 75,0 73,2 65,0
2000 26,0 68,0 68,0 67,0
2100 26,0 64,0 66,0 72,0
2200 25,0 57,0 60,2 73,0
2300 23,0 54,0 58,0 77,0
2400 23,0 49,0 54,0 77,0
0100 21,0 46,0 51,0 74,0
0200 20,0 40,0 48,2 73,0
0300 19,0 38,2 46,0 69,6
0400 19,0 34,6 46,0 66,0
Т0 - температура наружного воздуха; ТВУС - температура под покрытием ВУС; Тпр.кам. - температура пропарочной камеры; Твб - температура воды на входе и выходе; Тнб - температура
нижележащего (у днища гелиоформы) слоя бетона, °С.
Основная цель в разработке и внедрении новой технологии тепловой обработки бетона, а также гелиопокрытий с использованием солнечной энергии состоит в экономии природных ископаемых.
Список литературы
1. Бектенов Л.Б., Жайылхан Н.А., Убиева А. Технология утилизации отходов ракушечника для производства карбонатобетона // Вестник Министерства образования и науки НАН РК. № 2, 2003. С. 71-75.
2. Давлетов А., Петрова А.А., Гусейнова Ф.А. К использованию аккумуляторов солнечной энергии для тепло и хладоснабжения. № 1, 1980. С. 39-43.
3. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Л., 2015. 284 с.
4. Кенжетаев Г.Ж., Жайылхан Н.А., Убиева А. Методы выдерживания бетона с использованием солнечной энергии. II-я Научно-практическая конференция «Наука и молодежь» (16-17 апреля 2003) // Сб. научных трудов. Актау. С. 104-107.
5. Gopinathan K.K. Solar radiation on variously oriented sloping surfaces // Solar Energy. 1991. V. 47. № 3. Р. 173-179.
