Технология производства ячеистого бетона

Технология производства ячеистого бетона

Содержание

автоклавное производство бетон

Введение

. Оценка экономической целесообразности производства ячеистого бетона

. Описание технологического процесса

. Описание конструкции и работы автоклава

. Исходные данные

. Режим работы автоклавов

. Конструкторский расчет автоклава

. Массовый баланс воды в технологии

. Энергетический баланс

.1 Схемы производства

.2 Энергобаланс автоклава

.3 Перепуск пара

.4 Барботаж пара

.5 Нагрев воды в теплообменнике

.6 Анализ энергетического баланса производства ячеистого бетона

. Эксергетический баланс системы

.1 Понятие эксергия и эксергетический анализ

.2 Эксергетический баланс

.3 Анализ эксергетического баланса потоков энергии автоклава

. Заключение

. Список используемой литературы

Введение

В настоящее время рациональное использование энергии и энергетических ресурсов занимает одно из ведущих мест в экономической политике любой страны. Для Республики Беларусь особенно актуален этот вопрос, т.к. основное энергетическое сырье приходиться покупать. В настоящее время стоимость энергии стала одной из главных составляющих производственных затрат и решение вопроса о рациональном использовании энергоресурсов особенно актуально.

На большинстве белорусских предприятиях есть возможность применения современных энергоэффективных технологий, что приведет к снижению потребления энергии и, следовательно, к снижению стоимости выпускаемой продукции. При проведении энергетического анализа любого предприятия не следует забывать о том что основным является соблюдение технологии производства.

В РБ в последнее время наблюдается интенсивное строительство жилья и других объектов. К 2011 году планируется довести объемы жилищного строительства до 10 млн. м в год. В 2008 году объем жилищного строительства должен составить 5,2 млн. м² [1]. В связи с этим производство строительных материалов имеет большое значение для нашей страны.

Наиболее производимым и используемым строительным материалом в РБ является ячеистый бетон. Весь объем производства ячеистобетонных изделий будет полностью востребован на внутреннем строительном рынке республики.

1. Оценка экономической целесообразности производства ячеистого бетона

Проведенная огромная аналитическая работа по технико-экономической оценке различных строительных материалов показала, что конструкции из ячеистого бетона по показателям материалоемкости, энергоемкости, капиталоемкости и общей трудоемкости выгодно отличаются от традиционных стеновых материалов. Например, удельные капитальные вложения, учитывающие сопряженные затраты на производство сырьевых и вспомогательных материалов, топливно-энергетических ресурсов для стен из ячеистого бетона в 1,5 раза меньше, чем из керамзитобетона.

Энергоемкость производства (с учетом производства вяжущих и заполнителей) ячеистобетонных панелей по сравнению с керамзитобетонными панелями меньше примерно в 2,0 раза и ячеистобетонных стеновых блоков в 1,8-2,7 раза меньше, чем для производства керамических камней и глиняного кирпича, а расход тепловой энергии при эксплуатации таких зданий (в расчете на 1 м² стены) меньше на 10-40%. Применение блоков из ячеистого бетона в стенах зданий вместо кирпича сокращает в 1,4 - 2,0 раза трудоемкость строительства.

С введением в странах СНГ новых нормативных показателей по теплозащите зданий их строительство из традиционных стеновых материалов (кирпич и керамзитобетонные панели) стало экономически невыгодным, так как потребовало бы увеличения толщины стен до 1,5-2,0 м.

Изделия из ячеистого бетона имеют коэффициент теплопроводности в 2-3 раза ниже, чем у кирпича и керамзитобетонных панелей, в результате чего стены зданий из ячеистого бетона в 2-3 раза теплее кирпичных при сохранении практически прежней толщины стеновых конструкций в пределах 400-600 мм. Это выгодно, прежде всего, по экономическим соображениям, так как объем стеновых конструкций уменьшается также в 2-3 раза с одновременным обеспечением их термического сопротивления, соответствующего новым нормативам при более низких стоимостных показателях.

В этой ситуации ускоренное развитие производства ячеистого бетона как самого эффективного, практически безальтернативного и освоенного в промышленных масштабах конструкционно-теплоизоляционного материала является одной из самых неотложных задач в отрасли производства строительных материалов. Если учесть, что объем ячеистого бетона в стеновой конструкции может составлять 70-100%, то наращивание физических объемов их производства позволит существенно снизить общие трудозатраты и стоимость строительства, и, соответственно, рыночную стоимость жилья при одновременном обеспечении новых нормативных показателей теплозащиты зданий.

По экологическим показателям ячеистый бетон наиболее близок к деревянным конструкциям.

Использование автоклавного газобетона в зданиях позволяет снизить величину радиационного γ-фона в помещениях. Это особенно актуально для регионов Беларуси, Украины и России, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС. Ячеистый бетон «дышит», регулируя влажность в помещениях. Строения из ячеистого бетона являются практически вечными, причем прочностные показатели со временем повышаются. В отличие от дерева они не гниют и одновременно обладают свойствами близкими к дереву и камню.

Обследования домов с конструкциями из ячеистых бетонов, прослуживших до 60 лет, показали полную сохранность материала и пригодность для дальнейшей эксплуатации. Более того, из всех типов стен эксплуатируемых жилых домов, ячеистобетонные являются самыми теплыми, т.е. энергосберегающими. Их равновесная влажность в 4 раза меньше, чем у деревянных стен, радиоактивность в 5 раз меньше, чем у кирпичных стен, паропроницаемость (способность дышать) в 3 раза выше, чем у дерева, в 5 - у кирпича, в 10 - у железобетонных трехслойных панелей.

Ячеистый бетон относится к пожаробезопасным материалам. Он не горит и эффективно препятствует распространению огня, а поэтому может применяться для возведения стен всех классов пожарной безопасности.

Учитывая высокую технико-экономическую эффективность изделий из ячеистого бетона автоклавного твердения, по сравнению с другими строительными материалами аналогичного функционального назначения, «Основными направлениями развития материально-технической базы строительства Республики Беларусь на период 1998-2015 г.г.» ячеистобетонные изделия определены главным стеновым материалом и до 2015 года существующие мощности по его производству должны быть увеличены в 2,1 раза. Согласно этому документу потребность в изделиях из ячеистого бетона к 2010 году составит 2 951,9 тыс. м3, а к 2015 году - 3 416 тыс. м3. Основные производители ячеистого бетона в РБ отражены в таблице 1. Как видно из таблицы производство продукции с каждом годом увеличивается.

Таблица 1 - Производство ячеистого бетона в РБ

В настоящее время проектируются и строятся новые заводы по производству ячеистобетонных блоков на Минском КСИ годовой мощностью 300 тыс. м³, на ОАО "Красносельскстройматериалы" - 220 тыс. м³, ОАО "Оршастройматериалы" - 300 тыс. м³, ОАО "Березовский КСИ" - 300 тыс. м³, СООО "Славушка" (г. Климовичи) - 300 тыс. м³, ООО "Евроблок" (г. Минск) - 350 тыс. м³, ЗАО "КварцМелПром" (Малоритский район) - 350 тыс. м³, ОАО "Забудова" (Молодечненский р-н) - 350 тыс. м³, а также планируется модернизация в ОАО "Гомельстройматериалы" с увеличением годового объема производства до 400 тыс. м³. Ввод в эксплуатацию новых мощностей планируется осуществить в течение 2008-2010 гг[1].

Исходя из вышеизложенного видно, что следует уделять внимание производству ячеистого бетона. Поэтому в данной работе рассматривается одно из типовых предприятий по производству ячеистого бетона ОАО «Минский комбинат силикатных изделий». Произведен энергетический анализ работы линии по производству бетона. Исходя из полученных данных, сделаны предложения по более рациональному использованию ресурсов предприятия.

2. Описание технологического процесса

Для производства ячеистого бетона используются в качестве сырья экологически чистые материалы: цемент, известь, песок гипсовый камень и вода. В качестве газообразующей добавки, позволяющей получить бетон плотностью 400-600кг /м³, используется алюминиевая пудра. Сырье поступает на завод автотранспортом или по железной дороге.

Технология автоклавного ячеистого бетона предполагает использова-ние в технологии молотых сырьевых материалов, при автоклавной обработке которых при температуре 180-190°С и давлении пара 12 ати образуются новые соединения. Работа завода мощностью 100тыс. м³ в год обеспечивается установкой трех шаровых мельниц диаметром 1,4 и длиной 5,6м. Одна мельница используется для совместного помола извести и песка, а две для мокрого помола песка. В технологии ячеистого бетона большое значение для получения качественной продукции имеет точность дозировки компонентов. В настоящее время заводами СНГ освоено производство дозаторов и систем управления, которые обеспечивают требуемую точность дозировки и имеют высокую надежность в работе. Эти системы строятся на использовании импортных комплектующих и в работе не уступают зарубежным аналогам. Составной частью технологических линий по производству изделий из ячеистых бетонов является оборудование для формования, выдержки и разрезки изделий. Для формования массив бетон заливается в формы обеспечивающих получение после разрезки массивы необходимой ширины и высоты. Длина массива до 4,5м. После набора массивом прочности, достаточной для раскрытия формы, форма переносится кантователем на стол резательного комплекса, поворачивается на 90 º, раскрывается и массив остается на поддоне, которым является продольный борт формы. На резательном комплексе производится разрезка массива в продольном и поперечном направлениях, с целью получения изделий заданных размеров.

Разрезанные массивы на поддонах устанавливаются на автоклавные вагонетки и загружаются в автоклавы.

Далее происходит цикл автоклавной обработки. Продолжительность цикла 12-16 часов. После автоклавной обработки массивы на поддонах поступают на склад готовой продукции для разборки, укладки на отгрузочные поддоны и отправке на склад готовой продукции.

Отходы, образующиеся при разрезке массива, собираются и перерабатываются в мешалке с водой и насосом перекачиваются в шламбассейн отходов. Из шламбассейна отходы дозируются в смеситель.

После запарки и съема изделий с поддона на нем остается подрезной слой. Этот отход предварительно измельчается при прохождении поддона по конвейеру возврата, затем перерабатывается в муку, которая используется в технологии вместо песка. На этой же линии перерабатываются отбракованные изделия. Таким образом, в технологической линии предусмотрена полная утилизация технологических отходов.

В процессе автоклавной обработки образуется конденсат а также происходит выброс пара при снижении давления в автоклаве. Конденсат собирается в баках и используется для подогрева воды, поступающей в парогенератор. Охлажденный конденсат используется для технологических целей. Избыток охлажденного конденсата сбрасывается в систему ливневой канализации. Избыток конденсата может образовываться при нарушении режима работы линии[2].

3. Описание конструкции и работы автоклава

Автоклав представляет собой цилиндрический горизонтальный сварной сосуд с открывающейся крышкой. Исходя из условий производства, автоклавы изготовляются в проходном и тупиковом вариантах.

Тупиковый автоклав состоит из корпуса, крышки с механизмом подъема, байонетного кольца с механизмом поворота, гидропривода, системы охлаждения, блокировочного устройства, системы автоматического регулирования и электрооборудования.

Корпус автоклава выполнен в виде полого цилиндра, состоящего из сварных обечаек; к крайней обечайке приварены фланцы, служащие для байонетного соединения корпуса с быстрооткрывающейся крышкой. Для увеличения прочности цилиндрической оболочки корпуса пои вакууме 600 мм рт. ст. к наружной поверхности цилиндра приварены кольца жесткости таврового сечения. На корпусе имеются специальные площадки для установки механизмов подъема крышек, поворота байонетных колец, насосной и распределительной станций. К наружной поверхности корпуса приварены фланцы и штуцера для соединения с трубопроводной и контрольно-измерительной аппаратурой, специальные ограничивающие, направляющие упоры и верхние части десяти опор автоклава - одной неподвижной и девяти подвижных. Нижние части опор крепятся к фундаменту болтами, внутри корпуса вдоль его продольной оси уложен рельсовый путь. К наружной поверхности корпуса в плоскости крепления пути приварены две продольные балки. Такая конструкция позволяет значительно уменьшить напряжения в корпусе в месте установки рельс (рис. 1).

Внутри корпуса (в верхней и нижней части) расположены также питательные трубы паропровода, перфорированные по всей длине, что обеспечивает равномерную подачу пара в автоклав. Автоклавы оборудованы магистралями для впуска насыщенного пара, перепуска отработанного пара в другой автоклав, выпуска пара в атмосферу или в утилизатор и для отвода конденсата. Для снижения потерь теплоты поверхность автоклавов и всех паропроводов покрывают теплоизоляцией. Для компенсации температурных деформаций, возникающих во время запаривания изделий, автоклав монтируют на фундаментных опорах, из которых передняя неподвижная, а остальные - подвижные (роликовые).

Рис.1 Автоклав фирмы ОАО «Уралхиммаш»

Автоклавная обработка блоков из ячеистого бетона производится в автоклавах фирмы ОАО «Уралхиммаш» диаметром 2,9м и длиной 29м при давлении пара 12 МПа. Особенностью тепловой обработки в автоклавах является сохранность воды в жидкой фазе при давлении насыщенного пара. ОНТП 09-85 рекомендует давление 12,0 МПа, которое является резервным для увеличения производительности цеха.

4. Исходные данные

Расчет производился для ОАО «Минский комбинат силикатных изделий». В настоящее время компания УП «Вельд» разрабатывает проект «Совершенствование технологии производства ячеистого бетона (строительство участка цеха №1 по производству стеновых блоков)». На оборудовании фирмы «Masa Henke» (Германия) будут производится: блоки стеновые из ячеистого бетона «паз-гребень» с фрезерованными захватами для рук для кладки на клею. Исходные данные для расчета предоставленны ОАО «Минский комбинат силикатных изделий» и УП «Вельд».

В автоклавном отделении устанавливаются 6 автоклавов диаметром 2,9м длиной 29м поставки «Уралхиммаш». Управление подачей пара и программное обеспечение для автоматической работы автоклавов фирмы «Masa Henke». Режим работы производства 365 дней в году в 3 смены по 8 часов.

Параметры производимых изделий:

Удельный расход сырьевых материалов для блоков (на примере массовой марки Д500) сведены в таблицу 2:

Таблица 2 - Расход сырьевых материалов для блоков Д500

Средняя плотность изделия 500кг/м³.

Размеры блоков 600х250х100-500мм, 600х100х100-500мм.

Компоненты ячеистой бетонной смеси заливаются в форму с внутренними размерами 6,2х0,66х1,58м. Запарочные вагонетки - 3шт.

Вместимость автоклава: 6ваг х3шт х5,4м³ = 97,2м³.

Подача пара на технологические нужды и сброс конденсата:

Пароснабжение осуществляется от действующей котельной по паропроводу диаметром 250мм. При автоклавной обработке пенобетонных блоков используется насыщенный пар давлением 12бар по норме 0,15т/м³. При проведении процесса используется способ перепуска пара при сбросе давления в соседний автоклав, находящийся в режиме его подъема. Давление в этих автоклавах выравнивается при 2бар, далее пар в количестве 0,04т/м³ барботируется в емкость конденсата. Количество образующегося конденсата 0,13т/м³ с температурой 95^оС. рН=10-12.

Емкость конденсата с насосной выполняется в виде много секционной емкости размером 15,6х9,6м и отметкой днища -4,5м. размещается у автоклавов, разделена на 4 отсека (4+4+4+3). В последнем отсеке размещена насосная.

Конденсат после автоклавов сливается самотеком в емкость, состоящую из трех отсеков общим объемом 120м³. В отсеках размещаются регистры, по которым циркулирует холодная вода. Конденсат охлаждается до температуры 50^оС. Дальнейшее охлаждение конденсата может вызвать осаждения растворенных в нем веществ на регистрах с прекращением теплообмена. Поэтому далее предполагается его естественное охлаждение в очистных сооружениях. Охлажденный конденсат используется для приготовления песчаного шлама. Всего требуется приготовить 80000т сухого остатка (песка) в шламе при содержании воды 45%.

Рис.2 Технологическая линия производства

Автоклавы относятся к взрывным объектам. Возможный вариант аварии - отрыв крышки от автоклава. Максимальная длина его перемещения - 50м. на этом расстоянии отсутствуют рабочие места и оборудование. В атмосферу выделяется 2-3 тонны пара.

Потребление электроэнергии предприятием:

Установленная мощность потребителей ЭЭ 1697кВт.

Расчетная мощность потребителей ЭЭ 1346кВт.

Годовое потребление ЭЭ 6610 тыс. кВт. Ч.

Удельный расход электроэнергии на еденицу выпускаемой продукции 20кВтч.ч/м³

5. Режим работы автоклавов

Процесс тепловлажностной обработки состоит из ряда операций. В таблице 3 показаны порядок процессов и их длительность для исследуемого производства.

Таблица 3 - Длительность процессов в автоклаве

С учетом того что режим работы производства 365 дней в году в 3 смены по 8 часов и необходимо осуществлять перепуск пара. Т.е. в одно время должно быть два автоклава у одного из которых происходит подъем давления до 2 бар, а у второго сброс до этого же значения. Получаем установившейся суточный график работы автоклавов (Таблица 4). Здесь 1А..6А - автоклавы с соответственными номерами, обозначения процессов соответствуют принятым обозначениям в таблице 3. После выполнения 14-го часового цикла существует 2-ух часовой простой. Это обусловлено необходимым ожиданием автоклавов для совершения перепуска пара. Этот период времени может быть использован в технологических нуждах. Например для вакуумирования [4, c37].

Таблица 4 - Режим работы шести автоклавов

В правой части таблицы указаны расходы пара из котельной на совершение процесса из учета, что:

в режиме подъема температуры пар подается в количестве 1,18 т/час

в режиме выдержки пар подается в количестве 7,5 т/час.

Из таблицы видно что полный технологический процесс длиться 16 часов и 6 устанавливаемых автоклавов выполняют 9 полных циклов в сутки.

Суточное потребление пара составляет 131,22 т/час

Суточная производительность линии составляет 97,2х9=875 м3.

Найдем расход пара на единицу продукции 131200/875=150 кг/м3 , что соответствует нормативным данным.

График подачи пара из котельной выглядит следующим образом:

Рис.3 Циклы работ котельной и автоклава

Максимум подачи пара составляет 9,86 т/час, а минимум 2,36 т/час. Из графика видно что котельная работает по повторяющимся восьмичасовому циклу. Давление пара в автоклаве изменяется по показанной зависимости. Цикл изменения давления составляет 16 часов. На графике отражены давление в автоклаве в любой момент времени цикла, указаны плавный подъем и сброс давления. Данные о давлении и температуре для циклов сведены в таблицу 5.

Таблица 5 - Параметры работы автоклава

6. Конструкторский расчет автоклава

Определим основные размеры автоклава и оборудования. В автоклавном отделении устанавливаются 6 автоклавов диаметром 2,9м длиной 29м поставки «Уралхиммаш».

Принимая что автоклав является цилиндром находим его внутренний объем:

Основным оборудованием являются запарочные тележки. Их объем в технических расчетах рассчитывается следующим образом. Примем удельную металлоемкость конструкции Ф=500 кг/м³. Удельная плотность стали ρ_ст=7900 кг/м³.

Масса оборудования:

Объем, занимаемый оборудованием:

Зная объем, занимаемый изделиями и оборудованием можно рассчитать свободный объем автоклава. Этот объем в процессе обработки будет заполнен паром.

Определим площадь поверхности автоклава:

7. Массовый баланс воды в технологии

Для оценки эффективности процесса тепловлажностной обработки в автоклаве составляют материальный баланс на уменьшения влагосодержания, поскольку наибольшие потери тепла связаны с удалением влаги [4, c.135]. т.е. расчет массового баланса воды в технологическом процессе необходим для определения воды, испарившейся из сырого бетона в процессе тепловлажностной обработки - . Эта вода под действием температуры переходит в газообразное состояние.

Приход: пар из котельной, сырой бетон с содержанием воды m’;

Расход: конденсат, выброс пара, готовый бетон m’’;

Будем считать что в процессе не происходит потери воды. Тогда уравнение массового баланса примет вид:

Т.о.

8. Энергетический баланс

8.1 Схемы производства

Основным документом для анализа энергопотребления той или иной технической системы, того или иного технологического процесса был и остается энергетический баланс, дающий картину целевого потребления энергии всех видов. На основе анализа энергобаланса производится оценка фактического состояния и структуры энергоиспользования технической системы. Определяются потоки рассеиваемой энергии, выявляются причины возникновения потерь энергии и разрабатываются мероприятия по их снижению.

Энергобаланса надо базируется только на первом законе термодинамики и отражает лишь количественную сторону энергетических превращений, протекающих в технологическом процессе, а потому не может дать объективной и полной термодинамической оценки преобразования энергии. По этой причине, на основе только баланса энергии, нельзя определить пути энерготехнологического совершенствования производственных процессов[3].

Для составления энергобаланса необходимо изобразить технологическую и структурные схемы производства (см. приложение 1). Технологическая схема является типовой для производств подобного рода.

Основное место в технологическом процессе занимает автоклавная обработка. Она же является и наиболее энергоемкой. Поэтому решено произвести энергетический анализ работы автоклава и устройств утилизации низкопотенциальных потоков (рис 4).

Рис. 4 Технологическая схема

Природный газ среднего давления по магистральному газопроводу поступает в газо-регулирующую установку (ГРУ). Далее газ низкого давления поступает в котельную, где происходит производства пара на технологические нужды. Пар поступает в автоклав (точка 1), где отдает свою энергию бетонным изделиям и выходит в виде конденсата (точка 2) или сбросного пара (точка 3с). Также в целях рационального использования энергии предусмотрено совершение перепуска пара из автоклава завершающего цикл тепловлажностной обработки в автоклав начинающий технологический цикл (точки 1п и 2п). Конденсат проходит через конденсатор (точка 3) и поступает в устройство, где в него барботируется сбросной пар (точка 4). Затем при помощи насоса (точка 5) конденсат подается в теплообменный аппарат (точка 6), где происходит нагрев сетевой воды. Далее конденсат идет в систему повторного использования производственных вод и в канализацию.

На основе схемы и исходных данных можно изобразит процессы происходящие с паром на i-s диаграмме (рис.5). Это облегчит понимание процесса и упростит дальнейшие расчеты. Диаграмма построена в реальном масштабе.

Рис. 5 i-s диаграмма пара

На технологической схеме выберем блоки для составления балансов и составим структурную схему (приложение 1). Выделим следующие блоки:

Ø  Блок автоклава - ТС1

Ø  Блок перепуска пара - ТС2

Ø  Блок барботажа пара - ТС3

Ø  Блок теплообменника - ТС4

Расчет балансов энергии будем проводить на сутки.

8.2 Энергобаланс автоклава

.2.1 Определение удельной массовой изобарной теплоемкости бетона

Рассчитаем теплоемкость бетонной смеси до и после тепловлажностной обработки (ТВО). Удельная массовая изобарная теплоемкость смеси рассчитывается по формуле:

Используя данные о составе бетонной смеси (таблица 2) и массовые изобарные теплоемкости компонентов[5] производим расчет теплоемкости бетонной смеси до и после тепловлажностной обработки (таблица 6).

Таблица 6 - Расчет теплоемкости бетона

Примечание: показатели массы и удельной массовой теплоемкости для воды указаны следующим образом: в числителе - до ТВО, в знаменателе - после ТВО.

.2.2 Потоки энергии

Изобразим на схеме потоки энергии для ТС1 - термодинамической системы включающей в себя автоклав (рис. 6).

Рис. 6 Структурная схема потоков энергии автоклава

Баланс составляем на основе закона сохранения энергии

8.2.3 Приходная часть

Приход тепловой энергии складывается из суммы затрат энергии, вносимой в установку компонентами бетонной смеси, тепловыделением бетона и теплоносителем(паром), а также оборудованием[4].

) Энергия потока пара из котельной

Пар при давлении 1,3МПа по паропроводам подается в автоклавы. Энергия потока пара из котельной определяется по следующей зависимости:

Состояние пара близко к насыщенному, поэтому принимаем x=0,95. Энтальпию пара определяем по программе Aquadat как функцию от давления и степени влажности пара.

Т.о.

2) Тепловыделение бетона

При тепловлажностном твердении бетона выделяется теплота экзотермии, пропорциональная массе продуктов реакции гидратации, образовавшейся за промежуток времени. Это дает возможность определить величину тепловыделения бетона[4]:

Где, t=90^oC - температура бетона во время тепловлажностной обработки[6];  - количество циклов в сутки;  - расход цемента на один цикл;  - коэффициент экзотермии цемента:

;

 - тепло, выделяемое цементом при естественном твердении за 28 суток.

Т.о. 5,8 ГДж.

) Энергия потока бетона

Энергия потока бетона определяется по формуле:

Где  - удельная массовая изобарная теплоемкость бетона (таблица 6);  - температура бетона при затворении водой[4];  - масса бетона до тепловлажностной обработки;  - количество циклов в сутки.

Т.о. 552 ГДж.

) Энергия потока оборудования

Энергия потока оборудования определяется по формуле:

Где,  - удельная массовая изобарная теплоемкость стали [5];  - температура окружающей среды, задаемся исходя из опытных данных;  - масса оборудования;  - количество циклов в сутки.

Т.о. 59 ГДж.

Сумма потоков энергии приходной части равна:

Т.о. =969 ГДж.

8.2.4 Расходная часть

Расход тепла при тепловлажностной обработке складывается из затрат на нагрев автоклава, компонентов бетонной смеси (цемента, песка, извести, воды), оборудования (запарочных тележек), испарения влаги из бетона и потерь в окружающую среду. Для установок непрерывного действия расход тепла на нагрев самой камеры незначителен и поэтому им можно пренебречь.

) Энергия потока бетона

Энергия потока бетона определяется по формуле:

Где,  - удельная массовая изобарная теплоемкость бетона (таблица 6);  - температура бетона после тепловлажностной обработки[6];  - масса бетона после тепловлажностной обработки;  - количество циклов в сутки.

Т.о.

636 ГДж.

2) Энергия потока оборудования

Энергия потока оборудования определяется по формуле:

Где,  - удельная массовая изобарная теплоемкость стали [5];  - температура до которой происходит нагрев оборудования во время тепловлажностной обработки, задаемся исходя из опытных данных;  - масса оборудования;  - количество циклов в сутки.

Т.о. 75 ГДж.

3) Энергия потока сбросного пара

После осуществления процесса перепуска пара происходит сброс пара из автоклава с 0,3 МПа до 0,1 МПа. Пар из котельной при давлении 1,3МПа выходя из автоклава дросселируется (см. i-s диаграмму). Т.о. справедливо равенство энтальпий:

Энергия потока сбросного пара определяется по формуле:

Где,  - расход сбросного пара

Т.о. .

4) Энергия потока конденсата

Образовавшийся конденсат после конденсатора имеет температуру  и атмосферное давление. С помощью программы Aquadat определяем энтальпию конденсата по этим данным. Энергия конденсата будет определяться из формулы:

Где,  - расход конденсата

Т.о. .

) Потери энергии в окружающую среду

Для оценки потерь автоклава определим тепловой поток через стенку автоклава. Температура окружающей среды, как было отмечено выше, равна . Температура поверхности изоляции не должна превышать , поэтому принимаем . Коэффициент теплоотдачи от изоляции автоклава к окружающей среде примем . Площадь поверхности автоклава равна 277 м³.

Тепловой поток определяется из соотношения:

Суммарные потери теплоты за сутки будут равны:

Где, 3600 - перевод часов в секунды; 24 - количество часов в сутки; 6 - количество автоклавов.

) Энергия на испарение воды из бетона

В процессе тепловлажностной обработки происходит испарение чати воды из бетона. Энергия, необходимая для испарения воды рассчитывается:

Где  - удельная теплота парообразования, определена с помощью программы Aquadat;  - количество циклов в сутки.

Т.о.

Сумма потоков энергии приходной части равна:

Т.о. =927 ГДж.

8.2.5 Энергетический баланс автоклава

Исходя из рассчитанных выше приходной и расходной части баланса составляем уравнение энергетического баланса:

Или, в данном случае, для автоклава справедливо равенство сумм следующих потоков:

Подставляя численные значения, получим:

Дисбаланс составляет:  или , что является допустимым для подобного рода расчетов. Данная ошибка возникла из-за сложности и переменности режимов тепловлажностной обработки в автоклаве. Также определение рядов потоков энергии и температур является приблизительным из-за отсутствия возможности получения более точных данных. Сведем рассчитанные данные в таблицу 7:

Таблица 7 - Энергетический баланс автоклава

Изобразим круговые диаграммы приходной части, расходной части а также распределение полученной энергии (рис. 7)

Рис. 7 Составляющие баланса энергии автоклава

Как видно из таблицы и диаграмм пар отдает наибольшее количество энергии в ходе процесса. Основные затраты идут энергии на нагрев бетона и испарение воды из него. К потерям энергии можно отнести: рассеивание энергии в окружающую среду, энергии сбросного пара и конденсата.

Определим энергетический коэффициент полезного действия процесса тепловлажностной обработки в автоклаве. Полезной эффектом будем считать нагрев бетона, оборудования и испарение воды из бетонной смеси. К затратам отнесем энергию пара из котельной.

Т.о.

8.3 Перепуск пара

При проведении тепловлажностной обработки используется технология перепуска пара для снижения удельных затрат расхода пара и как следствие - экономию энергетического топлива. После процесса изобарно-изотермической выдержки необходимо произвести плавный сброс давления до атмосферного, с последующим удалением пара из автоклава. С использованием технологии перепуска происходит плавный сброс давления пара с 1,3 МПа до 0,3 МПа в соседний автоклав, где происходит повышение давления с 0,1 до 0,3 МПа. Структурная схема потоков приведена на схеме (рис. 8).

Рис. 8 Структурная схема потоков перепуска пара

Произведем расчет количества перепускаемого пара. Содержание пара в автоклаве перед перепуском при 1,3МПа можно определить по формуле:

Где  - свободный объем автоклава;  - плотность пара в автоклаве, определяется по программе Aquadat;  - количество циклов в сутки.

Т.о. .

Аналогично количество пара оставшегося в автоклаве после перепуска при 0,3МПа можно определить по формуле:

Где  - свободный объем автоклава;  - плотность пара в автоклаве, определяется по программе Aquadat;  - количество циклов в сутки.

Т.о. .

Количество перепускаемого пара находиться из разности:

.

Энергия потока перепускаемого пара определяется по формуле:

Где  - удельная энтальпия перепускаемого пара, определяется по программе Aquadat.

Т.о. .

Примем что потери энергии составляет 5% от энергия потока перепускаемого пара. Они обусловлены в первую очередь потерями в паропроводах.

Тогда отданная энергия перепускаемого пара будет равна:

8.4 Барботаж пара

Барботаж служит для утилизации сбросного пара из технологии. На рассматриваемом производстве пар барботируется в конденсат. Установка для осуществления этого процесса представляет собой корпус автоклава, израсходовавшего свой ресурс. Она устанавливается вне помещения и сообщена с атмосферой, т.е. в установке атмосферное давление.

Произведем энергетический баланс установки с целью определения температуры конденсата на выходе. Структурная схема потоков приведена на схеме (рис. 9).

Рис. 9 Структурная схема барботажа пара

Приходная часть баланса энергии будет складываться из потоков пара и конденсата выходящих из автоклава. Поэтому будем считать что энергии этих потоков остаются постоянными:

В расходную часть баланса энергии будет включаться энергия потока конденсата, потери энергии в окружающую среду, а также энергия образовавшегося пара. Последняя составляющая возникает из-за того что конденсат обладает довольно высокой температурой 95^оС и дальнейшее повышение температуры приведет к вскипанию конденсата. Исходя из этого рассчитаем приходную часть баланса.

Т.к. в качестве устройства для барботажа пара используется автоклав, исчерпавшего свой ресурс то потери в окружающую среду рассчитываются аналогично потерям из автоклава.

Температуру окружающей среды примем равной , т.к. автоклав расположен вне помещения. Тогда температура поверхности изоляции будет приблизительно равна . Коэффициент теплоотдачи от изоляции к окружающей среде примем . Площадь поверхности автоклава равна 277 м³.

Тепловой поток определяется из соотношения:

Суммарные потери теплоты за сутки будут равны:

Где, 3600 - перевод часов в секунды; 24 - количество часов в сутки.

Определим количество необходимой теплоты, для повышения температуры конденсата до .

Где,  - расход конденсата;  - энтальпия конденсата при температуре  и атмосферном давлении, определяется с помощью программы Aquadat.

Т.о. 3 ГДж.

Расход конденсата увеличится в следствии барботации пара. Определим новый расход конденсата.

Где  - удельная массовая изобарная теплоемкость конденсата (таблица 6).

Т.о..

После барботирующего устройства поток энергии конденсата будет равен:

Где,  - расход конденсата;  - энтальпия конденсата при температуре  и атмосферном давлении, определяется с помощью программы Aquadat.

Т.о. 60 ГДж.

Энергия сбрасываемого потока конденсата можно найти из баланса энергии:

Т.о. .

Сведем рассчитанные данные в таблицу 8:

Таблица 8 - Энергетический баланс процесса барботажа

Изобразим круговые диаграммы приходной и расходной частей (рис. 10)

Рис. 10 Составляющие баланса энергии для процесса барботажа

Как видно из таблицы и диаграмм энергия пара не используется полностью и большая ее часть сбрасывается в атмосферу. Это обусловлено высокой температурой входящего конденсата и ограниченностью его нагрева только на .

8.5 Нагрев воды в теплообменнике

Описание теплообменного устройства дано выше. Рассчитаем энергетический баланс работы теплообменника. Приходная часть состоит из потока конденсата после барботажа и потока сетевой воды при температуре . Расходную часть составляют потери энергии в окружающую среду, энергия нагретой сетевой воды и энергия охлажденного конденсата до . Структурная схема потоков приведена на схеме (рис. 11).

Рис. 11 Схема потоков энергии теплообменника

Уравнение энергетического баланса будет иметь вид

 ,или

Целью расчета является определение температуры нагретой сетевой воды. Расход сетевой воды составляет 100 кг/м³(исходя из требований предприятия), или за сутки:

Энергия потока сетевой воды будет равна:

Где  - энтальпия сетевой воды при температуре , определяется с помощью программы Aquadat.

Т.о. .

Энергия конденсата 60 ГДж.

Энергия конденсата после теплообменного устройства будет равна

Где,  - расход конденсата;  - энтальпия конденсата при температуре , определяется с помощью программы Aquadat.

Т.о. .

Рассеивание энергии в окружающую среду примем равной 10% от приходной части, т.е.:

Исходя из уравнения баланса энергии, энергия потока сетевой воды после теплообменника будет равна:

Т.о. .

Определим температуры до которой нагреется сетевая вода.

Используя программу Aquadat, по найденной энтальпии определяем температуру сетевой воды после теплообменника , что соответствует технологическим требованиям.

Сведем рассчитанные данные в таблицу 9:

Таблица 9 - Энергетический баланс теплообменного устройства

Изобразим круговые диаграммы приходной и расходной частей (рис. 12)

Рис. 12 Составляющие баланса энергии теплообменника

8.6 Анализ энергетического баланса производства ячеистого бетона

Для иллюстрации особенностей энергобаланса конкретной термодинамической системы (ТС), повышения его наглядности используется его графическое изображение в виде полосовой диаграммы потоков энергии или диаграммы Сэнки. Диаграмма потоков энергии для данного производства изображена в приложении 2 и на рис.13. На этой диаграмме потоки энергии изображаются полосами, ширина которых пропорциональна соответствующим величинам энергии, т.е. диаграмма в отношении ширины полос имеет постоянный масштаб. Направление потока энергии указывается стрелками[3].

Как уже было отмечено: наиболее энергоемким процессом является автоклавизация ячеистого бетона. По построенной диаграмме видно, что наибольшей энергией обладает поток сырого бетона (552 ГДж), хотя очевидно, что качество этой энергии достаточно низко. В этом и есть недостаток энергетического баланса. Т.о. для проведения более объективной оценки необходимо произвести расчет эксергетического баланса ТС1.

Рис. 13 Диаграмма потоков энергии для технологии производства

Из диаграммы видно, что суммарные потери тепла в окружающую среду составляют 55 ГДж. Также в атмосферу сбрасывается энергия пара в размере 71 ГДж. В канализацию сбрасывается энергия конденсата 30 ГДж, эти потери можно уменьшить, обеспечив очистку конденсата. В этом случае не будет ограничения на температуру конденсата, сбрасываемого в канализацию. На тепловлажностную обработку бетона необходимо 84+36=120 ГДж. За счет нагрева используемого оборудования, его энергия повышается на 16 ГДж.

Процесс перепуска пара дает экономию энергии порядка 10 ГДж, но увеличивает продолжительность технологического цикла.

Использование барботажа пара в конденсат позволяет утилизировать только 23 ГДж энергии из 94 ГДж доступных. Это обусловлено тем, что температура конденсата близка к температуре его кипения и возможно лишь не значительное повышение температуры.

9. Эксергетический баланс системы

9.1 Понятие эксергия и эксергетический анализ

Эксергетический анализ позволяет проводить термодинамическую оптимизацию системы, которая может заключаться:

Ø  в выборе наиболее выгодных параметров технологических потоков;

Ø  в выборе режимов работы оборудования;

Ø  в замене оборудования;

Ø  в реструктуризации системы.

Эксергетический анализ дает информацию относительно возможного улучшения термодинамических процессов.

Эксергия термодинамической системы (ТС) - максимальная работа, которую система производит при обратимом переходе в состояние полного равновесия с окружающей средой. Эксергия тел зависит от параметров тела и от параметров окружающей среды.

Эксергия ТС имеет физическую и химическую составляющие. Физическую эксергию тела составляют его потенциальная и кинетическая энергии с частью внутренней энергии или, для потоков вещества, с частью энтальпии.

В ходе анализа систем преобразования энергии при расчете эксергии потока рабочего тела, при расчете физической составляющей эксергии индивидуального вещества можно воспользоваться соотношением:

е = (i - i₀) - T₀(s - s₀)

Где i, s - соответственно энтальпия и энтропия системы в данном состоянии; i₀, s₀ - соответственно энтальпия и энтропия системы в состоянии равновесия с окружающей средой, т.е. при Т = Т₀, р = р₀; Т₀, р₀ - соответственно температура и давление окружающей среды.

Для определения эксергии потока теплоты q, характеризующегося постоянным температурным уровнем Т, используется соотношение:

e_q = q×t_e,

Где t_e = (1 - T₀/T) - эксергетическая температурная функция.

Эксергия, обусловленная взаимодействием системы с окружающей средой за счет химического потенциала, называется химической. Различают реакционную и концентрационную составляющую химической эксергии.

Химическая эксергия веществ определяется несколько сложнее и ее значения приводятся в термодинамических справочниках.

Уравнение баланса эксергии термодинамической системы имеет следующий вид:

åЕ^’ = åЕ^" + åD

Где åЕ^’ - сумма всех входных потоков эксергии ТС, так называемый, эксергетический вход системы; åЕ^" - сумма всех выходных потоков эксергии ТС, так называемый, эксергетический выход системы.

Потери эксергии, как и ее потоки, абсолютно аддитивны, что позволяет записать соотношение

åD = åD_i + åD_е.

9.2 Эксергетический баланс

.2.1 Параметры окружающей среды

При проведении расчета эксергии состояние вещества сравнивается с состоянием окружающей среды. Принимаем следующие параметры окружающей среды (воздуха):

Температура окружающей среды: ;

Давление окружающей среды: ;

Влажность окружающей среды: .

Изобразим структурную схему потоков эксергии (рис.14).

Рис.14 Структурная схема потоков эксергии автоклава

Эксергия оборудования до тепловлажностной обработки будет равна нулю, поскольку оборудование находится при температуре окружающей среды.

.2.2 Приходная часть

) эксергия потока пара

Как уже было отмечено выше расчет эксергии пара вычисляеться по формуле:

Где  - расход пара;  - энтальпия пара;  - энтальпия пара при условиях окружающей среды, определяем по программе Aquadat;  - энтропия пара;  - энтропия пара при условиях окружающей среды, определяем по программе Aquadat;

Т.о. .

2) эксергия потока бетона

Эксергия бетона складывается из термомеханической и химической составляющих:

Термомеханическая эксергия сухого бетона:

Где  - удельная массовая изобарная теплоемкость бетона (таблица 6);  - температура бетона;  - масса бетона до тепловлажностной обработки;  - масса воды до тепловлажностной обработки;  - количество циклов в сутки.

.

Химическая эксергия состоит из реакционной и концентрационной.

Реакционная составляющая будет равна:

Где,  - химическая эксергия вещества;  - массовая доля вещества.

Для сухой бетонной смеси имеем данные, приведенные в таблице 10[7]:

Таблица 10 - Химическая эксергия веществ

Т.о. .

Концентрационная составляющая:

Где  - энтальпии веществ соответственно до и после тепловлажностной обработки;  - концентрации веществ в бетоне соответственно до и после тепловлажностной обработки;  - молярная доля вещества.

Очевидно, что концентрационная эксергия определяется только составом смеси. Данные для расчета конденсационной составляющей приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Данные для расчета конденсационной эксергии

Т.о. .

Эксергия воды в бетоне определяется по следующей формуле:

Где  - термомеханическая эксергия воды;  - нулевая эксергия воды. (R - газовая постоянная для воды).

Т.о. .

Обобщая полученные результаты получим:

9.2.3 Расходная часть

) Эксергия сбросного пара

Эксергия сбросного пара определяется по следующей формуле:

Где  - расход пара;  - энтальпия сбросного пара;  - энтальпия пара при условиях окружающей среды, определяем по программе Aquadat;  - энтропия сбросного пара;  - энтропия пара при условиях окружающей среды, определяем по программе Aquadat;

Т.о. .

) Эксергия конденсата

Эксергию конденсата определяем по аналогии с эксергией воды:

Где  - термомеханическая эксергия воды;  - нулевая эксергия воды.

Т.о. .

) Эксергия потока бетона

По аналогии с расчетом эксергии бетона для приходной части, найдем эксергию бетона после технологического процесса:

Термомеханическая эксергия сухого бетона:

Где  - удельная массовая изобарная теплоемкость бетона (таблица 6);  - температура бетона;  - масса бетона до тепловлажностной обработки;  - масса воды после тепловлажностной обработки;  - количество циклов в сутки.

.

Химическая эксергия будет постоянной, поэтому

Эксергия воды в бетоне определяется по следующей формуле:

Где  - термомеханическая эксергия воды;  - нулевая эксергия воды. (R - газовая постоянная для воды).

Т.о. .

Обобщая полученные результаты получим:

) Эксергия оборудования

Эксергия потока оборудования рассчитывается по следующей формуле:

Т.о.

9.2.4 Эксергетический баланс

Уравнение баланса эксергии имеет следующий вид:

åЕ^’ = åЕ^" + åD

Т.о. .

Потери эксергии состоят из внешние и внутренние потери. Внешние потери связаны с потерей тепла в окружающую среду и их можно рассчитать:

Где  - рассеивание энергии в окружающую среды, рассчитано при проведении энергетического баланса;  - температура потока пара.

Т.о.

Исходя из этого можно определить внутренние потери эксергии:

.

Исходя из рассчитанных данных можно рассчитать эксергетический КПД процесса. Наиболее известное выражение для расчета эксергетического КПД имеет вид:

h_е = åЕ^”/ åЕ^’ =1 - åD/ åЕ^’.

Однако следует учесть сброса пара, конденсата и эксергию оборудования. В это м случае Эксергетический КПД будет равен доле потока бетона в расходной части баланса. Т.е.

Величина эксергетического КПД позволяет оценить степень термодинамического совершенства использования первичной энергии данной термодинамической системы.

Сведем рассчитанные данные в таблицу 12 и покажем процентную долю каждого потока.

Таблица 12 - Эксергетический баланс автоклава

Изобразим круговые диаграммы приходной и расходной частей (рис. 15)

Рис. 15 Составляющие баланса эксергии для автоклава

9.3 Анализ эксергетического баланса потоков энергии автоклава

Для иллюстрации особенностей баланса эксергии конкретной ТС, повышения информативности и наглядности, используется его графическое представление в виде полосовой диаграммы потоков эксергии или диаграммы Грассмана (приложение 2, рис.16). Отличие этой диаграммы от диаграммы Сэнки в том, что в диаграмме Грассмана ширина полос должна уменьшаться или полосы должны вовсе исчезать, что отражает закон потерь эксергии в реальной ТС. Потери эксергии на диаграмме Грассмана изображаются в виде треугольника потерь, катет которого в масштабе определяет соответствующие потери в том или ином элементе. Полоса, соответствующая внешним потерям эксергии, непременно пересекает контрольную поверхность ТС. Полоса, отображающая внутренние потери эксергии, всегда обрывается внутри контрольной поверхности.

Рис.16 Диаграмма потоков эксергии для автоклава

По мере снижения температуры системы увеличивается разница между ее энергией и эксергией. Из этого следует, что сохранение энергии при понижении температуры системы сопровождается потерями эксергии [3]. Этот процесс и наблюдается в данном случае. Энергия бетона намного больше его эксергии. В энергетическом балансе энергия пара меньше энергии потока бетона, хотя пар обладает энергией более «высокого качества», что и отражает эксергетический анализ.

Эксергия потока бетона увеличилась на 7 ГДж, при уменьшении эксергии пара на 33 ГДж. Низкий КПД технологического процесса говорит о термодинамическом не совершенстве технологии. Однако основным является придание бетону необходимой прочности. Данная технология является наиболее эффективной при тепловлажностной обработке бетона. Поэтому необходимо не изменять технологию, а выгодно утилизировать сбросные пар и конденсат.

10. Заключение

В данной курсовой работе было рассмотрена технология производства ячеистого бетона. Основное место в технологии занимает автоклавная тепловлажнастная обработка бетона. Она является наиболее энергоемким процессом производства. В технологии используется водяной пар в состоянии, близком к насыщению. В результате, вместе с продукцией, образуется конденсат, и происходит сброс пара.

В технологии, также, используется метод перепуска пара из одного автоклава в другой. Как показывают расчеты, этот метод не приносит значительной экономии топлива. И, при возможном применении новой технологии использования энергии сбросного пара, от него можно отказаться. Для повышения температуры конденсата используется барботаж сбросного пара в конденсат, однако температура конденсата достаточно высока и близка к температуре вскипания жидкости. В результате используется только часть сбросного пара. А с учетом того, что сброс пара происходит с большими временными паузами, т.е. в один период времени конденсату сообщается некоторое количество энергии, а в другой - наблюдается отсутствие подачи пара, то эффективность барботажа еще больше уменьшается. Вероятно, есть способ более выгодного использования сбросного пара. Если отказаться от перепуска пара и его барботажа, то появляется постоянный расход сбросного пара и сокращение времени технологического цикла, что приведет к увеличению объема выпуска продукции. Появится возможность использования сбросного пара для выработки электроэнергии, например, при помощи паровой турбины.

Низкопотенциальное тепло конденсата также возможно использовать в энергетических целях, например, с помощью применения хладоновой турбины.

11. Список используемой литературы

1) «Опыт производства и применения ячеистобетонных изделий автоклавного твердения в Республике Беларусь» Голубева Т.Г., Сажнев Н.П., Галкин С.Л., Сажнев Н.Н. Архитектура и строительство 23.07.2008

2)      <http://www.avtoklavbeton.ru/> - Сайт компании ООО «ТЕХНОСТРОМ-ЦЕНТР», Россия от 20.10.2008г.

)        Романюк В. Н., Радкевич В.Н., Ковалев Я.Н. «Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли» - Мн.: УП «Технопринт», 2001

)        Марцинкевич В.Л., Дадышко А.С. «Энергосберегающие технологии производства бетона» - Мн., 2001 - 284с.

)        Михеев М.А., Михеев И.М. «Основы теплопередачи» - М., 1973 - 320с.

)        Баженов Ю.М. «Технология бетона: Учеб. Пособие для технол. спец. строит. вузов.» - М., 1987 - 415с.

)        Хрусталев Б.М. «Техническая термодинамика: учебник. В 2 частях. Часть 2» - Мн., 2004 - 560с.

)        Бродянский В.М., Фраштер В., Михаленок К. «Эксергетический метод и его приложения» - М., 1988 - 288с.

)        Шаргут Я., Петела Р. «Эксергия» -перевод с польского, М., 1978 - 279с.