обоснование к курсовой работе по ПУТСИ
advertisement
Основным достоинством эмпирического метода «чёрного ящика» является простота., Особенно существенно она сказывается при изучении сложных процессов. Например, рассмотрим бетон как систему. Внешние связи этой (как и "Всякой" другой) системы состоят из контролируемых и регулируемых входов — состав, ряд технологических параметров (время перемешивания и вибрирования смеси, температура и длительность тепловлажностной обработки и т. д.), контролируемых, но не регулируемых входов — активность цемента, зерновой состав заполнителей (что поступило на завод, то практически и надо использовать), некоторые технологические параметры (например, амплитуда колебаний бетонной смеси), ряд эксплуатационных воздействий (например, температурные условия службы бетона), случайные входы—химическая загрязненность сырья, большинство эксплуатационных воздействий и т. п. Откликами этой системы, как правило, являются прочностные, деформативные, теплофизические характеристики материала и его долговечность. В настоящее время мы многое знаем о влиянии входов на выходные факторы, например ________________________________________________________________________ и т. д., где Rб и Rц—соответственно прочность бетона и цемента; В/Ц—водоцементное отношение; Rмра— морозостойкость бетона; t и t°—соответственно продолжительность и температура твердения бетона; с—объемная концентрация цементного теста в бетоне. ) Все эти зависимости получены в результате эксперимента. Общий механизм процесса создания материала и обобщенные зависимости его свойств от основных факторов, по существу, находятся на стадии качественного описания. Возможности количественной оценки на основе фундаментальных уравнений физики, химии, термодинамики в настоящее время лишь намечаются на базе характеристик, связывающих состав—структуру—свойства. Тепловлажностной (или гидротермальной) обработкой называют процесс одновременного воздействия на материал теплоты и влаги. В производстве строительных материалов тепловлажностной обработке как основной технологической операции подвергают бетонные изделия, силикатный кирпич, некоторые виды безобжиговых огнеупоров,] композиции на основе полистирола и поливинилхлорида. Тепловая| обработка минеральных строительных материалов ускоряет силикатное твердение составляющих, а полимерных материалов — вспенивание соответствующих композиций. В качестве теплоносителей для тепловлажностной обработки применяют водяной пар, горячую воду и нагретый воздух с повышенной относительной влажностью. В последнем случае за счёт" выделения влаги из материала теплоноситель представляет паровоздушную смесь с большим или меньшим содержанием влаги. Тепловлажностная обработка может осуществляться при атмосферном давлении в камерах, формах, шнеках и при повышенном давлении в автоклавах и герметических формах. Процесс обработки, как правило, делят на три периода: нагрев материала до температуры греющей среды, выдержка при максимальной температуре, охлаждение. Окончанием периода нагрева считают время, при котором поверхность материала нагреется до температуры теплоносителя. Второй период часто условно называют периодом изотермической выдержки. Условность названия связана с тем, что центральные слои материала в начале периода продолжают нагреваться, так как их температура отстает от температуры поверхности. Период охлаждения протекает без подачи теплоносителя в установку. При тепловлажностной обработке полимерных материалов в горячей воде окончанием процесса является прекращение вспучивания материала. Внешний и внутренний тепло- и массообмен может быть описан уравнениями, приведенными в гл. 5 и 6. Если при тепловлажностной обработке на поверхности материала не образуется пленки конденсата, что наблюдается при нагреве изделий горячим воздухом (например, обработка железобетонных изделий в щелевых камерах при обогреве ТЭНами), то балансовое уравнение описывается формулой _______________________________________________________________________ ___ В случае, если на поверхности материала образуется пленка сконденсировавшейся влаги, теплообмен между средой и материалом описывается формулой ________________________________________________________ Толщину пленки конденсата на вертикальной поверхности для любого расстояния от верха ее можно определить по выражению ______________________________________________________________ где v—кинематическая вязкость жидкости; х—расстояние рассматриваемого сечения пленки от верхней кромки изделия; g— ускорение силы тяжести; р и р—соответственно плотность конденсата и паровоздушной смеси. При нагреве материала в горячей воде поток теплоты от жидкости к материалу можно определить по формуле Ньютона: _______________ Процесс внутреннего тепло- и массообмена принципиально не отличается от рассмотренных в процессе сушки закономерностей и записывается в том же виде: __________________________________ где ________________________________ Механизм тепло- и массопереноса при тепловлажностной обработке. Если при тепловажностной обработке изделий греющей средой является пар или паро-воздушная смесь с высокой относительной влажностью, а температура поверхности материала ниже температуры точки росы, то на поверхности изделия образуется плёнка влаги. Для выяснения процессов,, проходящих в материале. рассмотрим бесконечную пластину и проанализируем направление составляющих потока массы qm. "Величина и направление составляющей потока qmu_при прочих равных условиях будет определяться временем, прошедшим с момента формования изяелия до помещения его в тепловую установку. Если оно значительно, то в толще пластины за счет испарения влаги с поверхности успеет установиться параболический характер распределения влаги,. При внесении пластины в паровую среду на ее поверхности образуется пленка конденсата и влагосодержание поверхности станет больше, влагосодержания центра U. Через некоторый промежуток вpемени за счёт диффузии влаги от поверхностных слоев _к центру влагосодержание в пластине будет характеризоваться кривой, показанной сплошной линией. Промежуточдые этапы отмечены штрихпунктирной линией. Таким образом начале процесса пропарки влага движется от центра и от ПОВЕРХНОСТИ нздедия_к плоскости х, причем сама эта плоскость постепенно перемещается от поверхности к центру, Через некоторое время и до конца периода подъема температуры весь поток влаги за счет U будет двигаться от поверхности изделия к центру_ Поток влаги за счет градиента температур qмт в течеие всего периода подогрева направлен от поверхности к центру, поскольку нагрев изделий идет снаружи Рис. К объяснению механизма тепло- и массопереноса при тепло-влажностной обработке при обогреве паром При рассмотрении механизма тепло- и массообмена в процессах сушки было объяснено возникновение в материале градиента давлений, который максимален в центре пластины и уменьшается, превращаясь в нуль, на ее поверхности. При внесении материала в среду с повышенной температурой изменяется и характер давления по сечению пластины. В пузырьках воздуха, расположенных вблизи поверхности, температура возросла и, следовательно, снизилась относительная влажность. Тогда в пузырек дополнительно испарилось некоторое количество влаги, которое увеличило давление в нем. В пузырьках, расположенных дальше от поверхности, температура изменилась меньше, поэтому и давление увеличилось на меньшую величину. Таким образом, кривая изменения давлений за счёт температуры аналогична характеру температурной кривой и на рис. Но давление на поверхности не может быть больше атмосферного. Поэтому реально в этот период могут наблюдаться два случая: 1) давление изменяется по кривой ВКД и тогда частный поток влаги за счет градиента 2) давление qmp направлен от центра к поверхности; 2) давление изменяется по 3) кривой ВМД с максимумом в точке М, тогда частный поток влаги за счет градиента 4) давлений разбивается на два потока: один направлен от центра к поверхности q'mp и 5) существует до плоскости ОМ, другой—от поверхности к центру q’’mp и существует 6) тоже до плоскости ОМ. Возможность существования того или иного случая определяется свойствами материала — пористостью, ее характером, теплопроводностью и условиями теплообмена. Поэтому суммарный поток влаги за счет градиента давлений в зависимости от условий может быть направлен как к центру, так и к поверхности. Тогда общий поток влаги qт. для большей части периода подогрева будет описываться выражением, ___________________________________ В периоде изотермической выдержки частный поток массы qmu практически исчезает, так как влага к этому моменту заполняет все доступные норы и капилляры и влагосодержание по сечению материала выравнивается. Температура поверхности в этот период постоянна, а температура центра изделия через некоторое время достигает температуры поверхности и __ исчезает Давление внутри материала также приближается к давлению окружающей среды вследствие вытеснения воздуха влагой, заполняющей поры. Таким образом, в этот период внутренний тепло- и массообмен практически прекращается. С пачалом охлаждения влага начинает испаряться с поверхности и ее температура становится равной температуре мокрого термомертря Градиенты влагосодержания и температуры по сравнению с первым периодом меняют знаки И Частные потоки влаги за~ .счет этих градиентов Направлены от центра к поверхности (рис,в). Последнее обстоятельство вызывает возникновение разрежения в центральных слоях и. следовательно, наличие градиента давлений, направленного от центра к поверхности. Частный поток влаги q mp направлен от поверхности к центру и тормозит передвижение влаги к поверхности за счет градиентов температуры и влагосодержания. Общий поток влаги qm в этот период описывается выражением Механизм тепло- и массообмена при автоклавной обработке принципиально не отличается от описанного выше. Направление частных потоков влаги в отдельные периоды сохраняется таким же, но лишь со смещением в область повышенных давлений и с изменением абсолютных значений величин _U, _ t и _ Р. В период охлаждения при избыточном давлении интенсифицируется поток влаги из материала, что приводит к резкому охлаждению поверхности. Поэтому скорость сброса давления пара в автоклаве является основным фактором, определяющим перепад температур между поверхностью и центром материала. Механизм тепло- и массообмена при тепловлажностной обработке в случае отсутствия пленки конденсата на поверхности материала принципиально не отличается от механизма, разобранного при сушке изделий. Знание этого механизма позволяет регулировать технологические параметры тепловой обработки таким образом чтобы исключить возможность «пересушки» бетона, особенно его поверхностных слоев, и в то же время снизить общую влажность изделий. Так, при пропарке керамзитобетона в щелевых камерах, я оборудованных ТЭНами, в течение всего периода тепловой обработки из бетона уделяется 50...70 кг влаги, что вполне безопасно, так как оставшейся воды с избытком хватает на гидратацию цемента.! Конечная влажность бетона при этом составляет 10...13% против . 18...20% при обогреве паром. А это значит, что такие панели в течение нескольких лет в процессе эксплуатации будут иметь большее термическое сопротивление, чем панели, прошедшие термическую обработку в камерах обогрева паром. Поэтому пониженная влажность стеновых панелей приводит к значительной экономии теплоты я на отопление и улучшает санитарно-гигиенические условия жилья. , Рассмотрим теперь механизм тепло- и массообмена при обогреве материала горячей водой. Пусть неограниченная пластина помещена в емкость с циркулируемой водой (рис. . Известно, что на поверхности твердого тела имеется неподвижный пограничный слой. Тогда температура воды в емкости tв будет выше температуры пограничного слоя tп, который отдает часть своей теплоты материалу, а температура материала tм ниже температуры этого слоя, т. е. будет выполняться неравенство > > В этом случае направление частных потоков влаги qmu, qmt и qmp для всех трех периодов аналогичной разобранному выше при обогреве:материала паром. В заключение необходимо отметить, что приведенные механизмы тепло- и массообмена (в том числе и при сушке материала) справедливы только для тепло- и влагоизолированной бесконечной пластины с двумя противоположными открытиями поверхностями. Характер описанных процессов будет изменяться в зависимости от конфигурации обрабатываемого изделия (куб, тело вращения и т. д.), методов нагрева (всесторонний, двусторонний, односторонний), расположения открытой поверхности (горизонтальное, вертикальное), конструкции формы и ряда других факторов, которые могут существенно изменить величину и направление соответствующих градиентов. Эти процессы специфичны не только для отдельных производств—керамики, бетона, пластмасс, но и технологических особенностей тепловой обработки одного и того же материала. Например, механизм тепло- и массообмена при тепловой обработке бетона в кассетах будет отличаться от механизма при обогреве бетона в термоформах. .Под режимами тепловлажностной обработки обычно подразумевают длительность отдельных периодов обработки, максимальную температуру обработки. а также параметры греющего теплоносителя - его температуру, относительную влажность и скорость перемещения относительно обрабатываемого материала. Для минеральных_вяжуптих материалов длительность периода изотермической выдержки и максимальная температура этого периода определяется требуемой степенью завершенности силикатного твердения вяжущего и допустимой температурой нагрева данного конкретного вяжущего Известно, например, что тепловая обработка, как правило, в той или иной степени снижает показатели физико-механических свойств бетона по сравнению с его твердением во влажных условиях при обычной температуре. Причем это снижение тем больше чем интенсивнее и жестче режимы тепловой обработки. Жесткость режимов прежде всего определяется интенсивностью роста и снижения температуры на первом и последнем этапе тепловлажностной обработки, которые вызывают возникновение в материале напряженного состояния. Определяющим условием возникновения в материале напряжений является тепло- и массоперенос. Как показано ранее, возникновение градиентов температуры, влагосодержания и давления вызывает движение влаги в материале и, следовательно, различные по величине деформации усадки и. набухания коллоидного капиллярно-пористого тела. Ни усадка, ни набухание сами по себе не вызывают напряженного состояния материала. Напряжения появляются за счет недопущенных деформаций. На рис. а показан характер возникающих недопущенных влажностных деформаций материала при обогреве его паром. Причины их возникновения см. выше. Принципиальным отличием рассматриваемого процесса является смена знаков возникающих напряжений. В отличие от сушки при обогреве паром поверхностные слои испытывают напряжение сжатия, а центральные слои растяжения. Аналогичная схема возникновения напряжений с теми же знаками может быть приведена и вследствие недопущенных температурных деформаций (рис. , б). Перепад давлений _Р в материале также создает напряжения, которые стараются сдвинуть слои один относительно другого. Эпюра результирующих напряжений (от _U, _t и _Р) может быть получена сложением частных эпюр. Поскольку сам процесс тепло- и массопереноса в каждом конкретном случае зависит от величины и характера пористости, тепло- и массопроводности материала, формы и размеров изделия и множества других факторов, попытки ряда исследователей рассчитать режим пропаривания исходя из допустимой скорости нагрева '//// У// А /// . б у/// '//// /', // . у/// ///// ^ 1 /^' /, 3 // /// • Рис. . Схема возникновения недопущенных . влажностных и температурных ^ деформации при нагреве паром /^// />// (в первоосновt из величины возникающих напряжений) пока не увенчались успехом. Поэтому основным остается принцип экспериментального подбора режимов обработки по оценке физикомеханических свойств полученных изделий. Однако ряд серьезных практических выводов качественного характера все-таки можно сделать, если хорошо представлять себе механизм процессов тепло- и массообмена. Например, ранее было показано, как формируется перепад давлений внутри материала и было отмечено, что он образуется за счет нахождения в материале газовой фазы. Поэтому если массу во время формования подвергнуть вакуумированию, то количество воздуха в ней резко понизится. Совмещая этот процесс с одновременным предварительным разогревом смеси, можно значительно снизить возникающие на первой стадии тепловой обработки внутренние напряжения в материале. Следовательно, можно увеличить допустимую скорость нагрева изделия, сократив, тем самым, длительность общего цикла пропаривания. Период изотермической выдержки с точки зрения нарушений в структуре материала является наиболее спокойным, поскольку _U, _t и _P сначала уменьшаются, а затем практически исчезают. Период охлаждения для материалов, набирающих прочность за счет гидратационного твердения, является самым ответственным. Если в первый период частичные нарушения структуры могут залечиваться вследствие углубления реакций гидратации, то в третий период этих залечиваний в большом объеме происходить не может. Поэтому технологу при разработке режимов необходимо достаточно серьезное внимание обратить на режим охлаждения изделий. При подборе состава материала по приведенным формулам следует исходить из высказанных качественных зависимостей прочности, а затем проведением эксперимента уточнить прочностные характеристики и состав материала. Обычно в технике подобные методы .исследования носят название раочетноэкспериментальных: Причем чем более точен расчет и подробнее в применяемых расчетных формулах вскрывается физическая взаимосвязь между отдельными элементами системы, тем проще проведение эксперимента и надежнее конечные результаты. В приведенной задаче не рассматривалось влияние технологических факторов на конечный результат. Оптимизация задач такого типа тем сложнее, чем большее количество технологических факторов должно учитываться в ней и чем сложнее сама технология получения материала. Представим какой-либо строительный материал, допустим бетон, как систему, имеющую входные 'и выходные параметры (рис. ). Пусть этот материал. изготовляют на действующем предприятии, оборудование которого не может, меняться. а технологические параметры могут быть изменены в тех пределах, которые допустимы. параметрами установленного оборудования. Входами системы «бётон» является его состав и технологические параметры производства; песка, щебня, воды и добавок является контролируемыми и регулируемыми входами Н, а активность цемента, прочность щебня, зерновой состав крупного и мелкого заполнителя контрлируемыми, но нерегулируемыми входами Х, на которые наложены ограничения (по соответствующим ГОСТам). Технологические параметры также относятся к..кантролируемым и регулируемым входам Н. Имеющим ограничення по возможностям peгyлиpoвки исходных возможностей установленного оборудования. ..Например, время перемешивания и вибрирования 'бетонной смеси можно менять, а скорость оборотов бетоносмесителя, частоту и амплитуду колебаний виброплощадки нельзя
