автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Форсированный кондуктивный разогрев бетона в монолитной конструкции с трубчатыми индукционными нагревателями

КЫРГЫЗСКИЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

РГ6 од

* г4,г" Т

" ; " ! На правах рукописи

ШАИМБЕТОВ ДЖЕКШЕНБЕК АКМАТОВИЧ

ФОРСИРОВАННЫЙ КОНДУКТИВНЫЙ РАЗОГРЕВ БЕТОНА В МОНОЛИТНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ТРУБЧАТЫМИ ИНДУКЦИОННЫМИ НАГРЕВАТЕЛЯМИ

05.23.08 — Технология и организация промышленного и гражданского строительства

05.05.04 — Дорожные и строительные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степей« кандидата технических наук

Бишкек 1993

Диссертационная работа выполнена в Киргизском архитектурно-строительном институте.

Научный руководитель — кандидат технических паук,

профессор Тулемьшев М. Ш.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, Головкев С. Г. кандидат технических наук, додект Фролов И. О.

Ведущая организация — трест «ОРГТЕХСТРОИ».

Защита состоится 22 октября 1993 г. в 14 часов на заседании специализированного совета К.05.93.26 в Кыргызском архитектурно-строительном институте по адресу: Кыргызская Республика, г. Бишкек, ул. Малды-баева, 34 б, корпус 1, ауд. 1/309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить и адрес специализированного совета.

Автореферат разослав « » Г

^УА 1993 г.

~7'

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

ЖЫЛКЫЧИЕВ

1!, л ь в л, с с е р ¿' и ц и о н о I; р а б о т и является рчирДнп-ка техиоздгзи (^реиро ванного кондуктивного разогрева уложенного бетсиа путем разп&оотки и пргс/еиешш иових одект-рашгрерагельтгх ус*ройе?ь поаволжмих воздейогьовать теплом через ценг-радышг нлпь берснируедк-к ьснолчгн^ конатрукции.

Дяя достиаьния поставленной цели в раооте роппзись еллдусцке основные задачи; иссли/пшии«; кинетики .¡орыировшнш температурных попей при кондуктивноП передаче от гояикцрьчоских источников; разработка конструкций »061« 1шгреь5ТйЛи:ик устройств и создание методики оптимального прооктироканиь к р-счета энергетических параметров; разработка технологии кондуктиыюго разогрев тяжелого бетона б монолитных конструкциях с . .12 м'"1 и апробацией в производственных условиях; анализ -экономической эффективности и выявление рациональной области ирименения предтягаемой нагревательной установки.

Н а у ч и а к а о ¡: и з н а работы состоит в следующем:

- установлены закономерности в виде математических моделей процессов формирования температурного поля трубчатыми нагревателями г> теле уложенного бетона при кондукгивном воздействии теплом через центральные ядра;

- разработана конструкция трубчатых индукционных нагревательны*' устройств, обеспечивающих электробезопаснос.ть и экономичность при эксплуатации;

- разработана методика расчета основных параметров трубчатых индукционных нагревателей и выявлены принципы их проектирования;

- установлены технологические параметры индуктивного воздействия теплом на уложенный бетон трубчатыми индукционными нагревателями.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- установлены математические модели процесса переноса тепла, позволяющие прогнозировать кинетику формирования температурных полей в бетоне при его кондуктивном разогреве трубчатыми нагревателями;

- создана новая конструкция трубчатых кондукционньгх нагревателей, которая может быть положена в основу их серийного производства;

- обеспечена возможность регулирования количества тепловой

энергии, сносимой в бетон независимо от степени армирог-яния;

- разработана технология возведения монолитных: конструкция путем использования предлагаемых нагревательных устройств.

На защиту выносятся:

- результаты исследований кинетики формирования температурных пол-'в бетоне при воздействии теплом цилиндрическими историками;

- конструкции трубчатых индукционных нагревательных установок для теплового воздействия на бетон непосредственно в опалубке;

- методика инженерного расчета конструкции трубчатого индукционного нагревателя;

- выявленные особенности технологически;: параметров воздействия теплом трубчатыми индукционным нягреяятеодш.

Внедрение. Результаты исследований использованы при бетонировании монолитных конструкций и сооружений, возводимых трестом "Бишкек-,трой".

Апробация работы. 'Материалы диссертации были доложены и сбсуддены: на Республиканской научно-практической конференции "Пути снижения материальных, энергетических и трудовых ресурсов в капитальном строительстве" (г.Фрунзе, 1994 г.); на научно-практической конференции КШЕВ Госстроя СССР и Иркутского областного совета НТО "Снижение энергозатрат з технологии монолитного железобетона для районов с суровыми природно-климатическими условиями" (г.Иркутск, 1Ш5 г.); на расширенном заседании секции. "Тепло- и иассоперенос п процессов твердения материалов на основе вяаупзге веществ" П£НТ СМ СССР по проблеме "Форсированный разогрев бетонной смеси и устройства для его осуществления" (г.Владимир, 1Ш9 г.); на Республиканской конференции "Влияние региональных природно-климатических факторов на организационные и технико-экономические особенности строительства в Киргизской ССР" (г.Фрунзе, 19У9 г.); на I научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Кыргызского архитектурно-строительного института (г.Бишкек, 1993 г.), на заседании кафедры технологии строительного производства Кыргызского архитектурно-строительного института (1992 г.); на объединенном заседании секций "Механизация, автоматизация строительства и строительство автомобильных дорог" и "Строительные и технологические проблемы" НТС Кыргызского архитектурно-строительного института '(1993 г.).

- б -

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатних работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 124 наименований и приложений.

Работа изложена на I9S страницах и включает / J о страниц машинописного текста, рисунка, 4 таблицы и 18 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, освещено состояние проблемы, поставлена цель работы и обоснована необходимость теплового воздействия в конструкции уложенного бетона через центральные слои и разработки многофункционального нагревателя для его осуществления.

Первая глава диссертации посвящена изучению и анализу технологических особенностей существующих методов предварительного разогрева бетелной смеси применительно к условиям строительной площадки.

Установлено, что одним из эффективных способов теплового воздействия является кондуктивная передача тепла бетону от нагревателей, установленных в ее центральных ядрах.

С целью совершенствования методов предварительного кондуктив-ного разогрева рассмотрены и проанализированы существующие нагреватели, применяемые для термообработки бетонных конструкций, и выявлен ряд недостатков для практического осуществления коядуктиЕНой передачи тепла непосредственно в опалубке.

На основе анализа индукционных установок, применяемых в металлургии, предложено использовать принцип передачи тепла в канальных печах. Однако практическая реализация этого принципа в термообработке бетона в монолитной конструкции потребовала проведения комплекса исследований, охватывающих теплофизнческае, энергетические, конструктивные, технологические и экономические ее аспекты.

Для рационального осуществления этих вопросов сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию кинетики формирования температурим; полей при колдуктивной передаче' теш; а

от трубчатых нагревателей, установленных в конструкции.

При теоретическом прогнозировании кинетики формирования температурного поля влияние экзотермии цемента не учитывалось, так как процесс разогрева бетона трубчатыми индукционными нагревателями осуществляется кратковременно. Тогда известное аналитическое описание дифференциального уравнения теплопроводности имеет вид:

jot £Г ае/,у fay ъа</ Г) + yr (I)

где JJ - плотность; у У - мощность трубчатых источников тепла.

При решении уравнения (I) условия однозначности приняты на поверхности нагревателя Е^орого рода для нестационарного теплового режима, поскольку между поверхностью нагревателя и бетонной смесью, как показали результаты эксперимента, в каждый момент времени поддерживается постоянная удельная поверхностная мощность. Граничные условия на поверхности нагревателя при Z =0

На расстоянии имеют место граничные условия третьего рода -Л = ДГ {vL {г) -

?? /г it* i 1 с

Начальные условия, при одинаковой начальной температуре попер-хности нагревателя н бетонной смеси, ткмевт вид для новой обобщенной координаты =0 и r/(x,fJ=Q.

С учетом формы фрагмента конструкции дифференциальное урасне-ние теплопроводности имеет вид:

Ъ?- = Л (*JJL 4JL) (2)

э Г ' г -эх. /

где rv ■■ фактор формы (величина, характеризующая форму криволинейной стенки).

Решение уравнения (2) при дзнннх краевых условия:«::

(ь Г J, ±0 t г/ ft, т)* 7;р ( г] СЗ)

где U ( т,'с) - темперстурэ бетонной соси от действия одного источника; ¿/- (■£") - составляющая те-люротурного фона, созданного действием остальных нагревателей, и

, - (а. $ * А ±л )U - yt {г)] fet 2'CjtJ* W/ гц i гЛ- лГ (-/ _I -

где 6а, СЬ , , В, - коэффициент!! функций дробно-рационального вида; л , , ^ - временные функции, значения которых определяются по формулам, приведенным в диссертационной работе. Решения (3) позволяют учесть габаритное размеры и форму конструкции, условия ее теплообмена с окружающей средой, размеры, мощность и количество индукционных нагревателей.

Полученная математическая модель (3) проведена в экспериментальных исследованиях температурных полей, которые показали достаточную сходимость расчетних и экспериментальных результатов.

Экспериментально и расчетнш путем установлено, что осуществление кратковременного кондуктивпого разогрева до 20 минут в бетоне еозиолно при расстояниях между нагревателями до а при разогреве до 25 мшу? расстояние между нагревателями можно увеличить до 3 ({. При таких режимах разогрева достигается средняя температура йчееи порядка 40-50°С при максимальной температуре разогрева ВО.. .Р0°С.

Дли проьидения кашянних расчетов температурного поля в теле бетона, подвергающегося разогреву индукционными трубчатыми нагре-ьо гелями, автором бил разработан алгоритм расчета.

Т реп и г л а в а посвяцено разработке нових трубчатых индукционных нагревателей и принципам конструирования установок для термообработки на основе этих нагревателей.

Трубчатый ин.дукционный нагреватель представляет собой систему с индуктором сояеноидального типа, обвитого на магнигопроводном сердечнике, и загрузкой, расположенной снаружи и охватывающей индуктор.

Установлено, что такая система имеет высокие энергетические показатели, так как реактивная мощность минимальна в виду малых полей рассеивания, и электрические потери в индукторе также идут на нагрев загрузки. Наличие стального сердечника из тонких пластин электротехнической стали облегчает появление направленного магнитного потока, улучшает электрические характеристики индуктора и повышает коэффициент мощности.

Исходными урчинениями напряженности магнитных и электрических полей являются основные уравнения Максвелла, которые в полярных координатах имеют вид:

^ , / Эм _ ; и^А'» /у

' Т J ---- = ° (4 )

Решая уравнение (4) для конкретных граничных условий, полученных в работе экспериментально, найдем напряженность магнитного и электрического полей, зная которые, можно установить активные и реактивные мощности системы с магнитопроводным и диэлектрическим сердечником. Для окончательного решения параметров системы необходимо знать активную мощность из теплового расчета, которая зависит от начальной удельной "тепловой мощности нагревателя, найденной из условия, что за заданное время нагреватель обеспечивает подъем изотермической температуры.

Исследование оптимальности конструкций трубчатых индукционных нагревателей в зависимости от геометрических параметров прводилось с использованием составленного алгоритма и реализованной на ЭВМ программы. Критерием оптимальности принят получение максимального значения ces У и кпд использования электрической энергии.

.Установлено, что при соотношениях длины нагревателей к диаметру m й Ю энергетические г.араметры вше у нагревателей с маг-нитопроводнкм сердечником, а при m é: 20-е диэлектрическим сердечником. Толщину стенки наружного кожуха следует назначать не более 2 км, а диаметр - не более 50 та.

На основании полученных параметров из энергетических расчетов и принципов конструирования, заключающихся в технологичности использования и экономичности, сконструированы трубчатые индукционные нагреватели, представленные на рисЛ и 2.

Исследования электротехнических параметров нагревателей показали, что полученные параметры близки к расчетным донным. Трубчатые индукционные нагревателя предлагаемых конструкций более электробезопасны при эксплуатации непосредственно во влажной среде, какой является уложенный бетон, по сравнению с другими электрическими нагревателями.

Вьщеление тепла основано на получении индукционного эффекта. Магнитный поток, возбуждаемый в сердечнике от индуктора, замыкается через наружный кожух нагревателя и при этом качественно нагревает его. Сердечник из электротехнической стали нагревается незначительно вследствие изготовления его из отдельных тонких листов, и в нем снижаются потери на вихревые потоки. ВьщеляемкЙ тепловой поток кондуктивно передается от нагревателей к уложенному бетону.

РисЛ. Индукционный трубчатый нагреватель с магнитопроводнкм сердечником:

I - индуктор; 2 - сердечник-магнитопровод из электротехнической стали; 3 - стальной трубчатый -кожух; 4 - электроизоляция из стеклоткани; Ь - электроизоляция из асбестового шнура; 6 - ввод для подвода электроэнергии

5

Рис.2. Индукционный трубчатый нагреватель с диэлектрическим сердечником:

I - индуктор; 2 - пластмассовая труба; 3 - стальной трубчатый кожух; 4 - злектроизоляция; 5 - подвод электроэнергии

С целью снижения трудозатрат при использовании трубчатого индукционного нагревателя в производственных условиях разработана принципиальная схема установки для кондуктивного внесения тепла в тело бетона в опалубке, на основе анализа аналогичных нагревательных устройств и получения во второй главе данных кинетики формирования температурного поля при использовании пакета нагревателей.

В четвертой главе представлены регламентирующие положения и организационные формы технологии кондуктивной передачи тепла трубчатыми индукционными нагревателями, разработаны вопросы их эксплуатации, контроль производства работ и качества, а также требования техники безопасности.

Технологические процессы, выполняемые при кондуктивной передаче тепла, поскольку она осуществляется непосредственно в опалубке, представлены в двух группах. В первую группу входят технологические операции, выполняемые до внесения тепла, а во вторую группу - процессы, выполняемые в период и после окончания внесения тепла.

Осуществление операции по первой группе производится с учетом требований к теплофизическим характеристикам свекеуложенного бетона, который подвергается кондуктивной передаче тепла от источника - трубчатого индукционного нагревателя. Установлено, что при таком внесении тепла существенно сокращаются работы по подготовке площадки к приему бетонной смеси. Кроме того, сокращается общий цикл времени, требуемого для укладки бетонной смеси. В связи с откм подготовительные работы по предлагаемому методу внесения тепла существенно не отличаются от таких работ, выполняемых в обычных условиях, и открывают возможности для укладки бетонной смеси без дополнительной перегрузки.

Поскольку нагреватели питаются от пониженного напряжения до 55 В, то в комплекте оборудования предусматривается понижающий трансформатор, выпускаемый промышленностью с необходимым комплектом приборов для автоматического и ручного управления ходом термообработки. Извлечение нагревателей осуществляется с использованием комплекса противоадгезионных мер, заключающихся в наличии противо-адгезионного слоя, совмещением периодических вертикальных перемещений нагревателей в период термообработки и завершением процессс разогрева в начальной стадии твердения бетонной смеси.

Контроль и управление процессом передачи тепла осуществляются датчиком тепературы трансформатора КТПТ0-80-86У1, который обеспечивает поддержание температуры на поверхности наружного кожуха нагревателя.

Контроль за продолжительностью разогрева осуществляется использованием реле времени трансформатора.

Такие мероприятия контроля и управления процессом формирования температурного поля исключают трудности при контроле за ходом изменения температуры, имеющие место в методах, основанных непосредственно на прохождении электрического тока через бетонную смесь. В этих методах требуется проводить измерения после отключения тока либо принимать специальные меры по злектроизоляции термодатчика, расположенного в бетоне.

Операции по установке и извлечению нагревательных устройств производятся, как правило, с помощью приобъектного крана, используемого для подачи бетонной смеси к месту укладки.

Требуемая прочность бетона ко времени полного остывания достигается как и в методе термоса. При этом контроль за температурой осуществляется в наиболее бистро остывающих частях конструкции е необходимым утеплением для предотвращения преждевременного охлаждения поверхности.

На основе полученных результатов по режиму разогрева, параметров трубчатого индукционного нагревателя и технологических и организационных принципов разработаны типовые технологические карты на возведение монолитных' ленточных фундаментов и диафрагм каменно-монолит-ных зданий.

Пятая глава работы посвящена апробации,ипроизводст-венному внедрению и обоснованию эффективности применения установок на основе трубчатых индукционных нагревателей.

Как показывает анализ некоторых конструкций фундаментов и стен, их толщина по расчету может быть принята меньшего сечения.

Одним из путей рационального использования толщины конструкций является образование пустот, которые позволяют снизить расход материалов. С целью сочетания процесса образования пустот с процессом термообработки при возведении фундаментов малоэтажных зданий использовались индукционные трубчатые нагреватели. Опыт работы показал, что при таком сочетании процессов достигается снижение общей трудоемкости пустотообраэовяния и термообработки при соответствующем сни-"№нии расход-! бетонной смеси до 10-20 %.

Тепловая обработка монолитной диафрагмы каменно-монолитных зданий индукционными трубчатыми нагревателями показала, что расход электроэнергии составляет 40-45 кВт/ч на I м^ бетона, технология термообработки в зимних условиях не отличается от технологии возведения таких зданий в летне( время, достигается рациональное использование сечений стен за счет образования пустот в диафрагме.

Оценка экономической эффективности кондуктивного внесения тепла трубчатыми индукционными нагревателями производилась в соответствии с СИ 509-78, на основе сравнения предлагаемого и базового вариантов, приведенных в сопоставимый в;д В качестве базового метода принято возведение конструкций на преД'-лрчтоя'шо разогретых: смесях.

п

Экономия за счет снижения приведенных ватрат на I м' бетона монолитных конструкций составила 2,47 руб., что составляет 10-15 %. Общий экономический эффект от внедрения результатов р?.боти составил 28912 руб.' (в ценах 1984 года).

ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫБОДа

1. С топки зрения энергосбережения процессе термообработки установлена эффективность кондуктивного способа передачи тепла трубчатыми индукционными нагревателями через центральные едра бетона непосредственно после его укладки.

2. Полученные математические модели кинетики формирования температурных полей в бетоне от цилиндрических источников тепла, расположенных в теле бетона определенным образом, позволяют прогнозировать температурные поля в монолитной конструкции при ее кон-дуктигноы разогреве с учетом тешгафизическнх свойств, габаритных размеров г. форм конструкции, условий его теплообмена с окружающей средой; размера», мощности и количества индукционных нагревателей.; влишко йзркы $рагашта консгрущия, содержащего один нагреватель.

3. Разработаны новые конструкции индукционных негревателен, позволяющие концентрировать тепловой поток в наружном кожухе нагревателя, контгл;гару«цсго с бетонной средой, и обеспечить жеге-нио тепло к бетону неэаьиеико от степени црмирстшя сякдггсг.чы нь наружной поверхности нагревателя электрического поля.

Установлено, чте удельная поа^рхностнен; ¡-

го кндукционного кагрррнтеля г период ня^сап гм

туры разогрева существенно не изменяется. Отклонение ее значений по времени составляет не более 10 %, что позволяет считать удельную поверхностную моацность практически постоянной. Средняя температура разогрева смеси до 40-50°С достигается за 20-25 минут при расстоянии между нагревателями в пределах 2...3 диаметра нагревателя при соответствующей изотермической температуре 80-90°С.

5. Получены оптимальные соотношения энергетических, геометрических параметров^ трубчатых индукционных нагревателей, влияющие на технологические параметры разогрева. Удельная поверхностная мощность нагревателя составляет порядка 2,0...3,5 кВт/м^, соотношения длины нагревателя к диаметру / Ю<4 , 10^ ^ / -с 20 соответственно для нагревателей с магнитопроводным и диэлектрическим сердечником.

6. Кондуктивный разогрев бетона трубчатыми индукционными установками по сравнению с предварительным разогревом перед укладкой бетонной смеси позволяет снизить приведенные затраты на 10-15 %,

а при сочетании разогрева с процессом пустотообразования достигается снижение расхода бетонной смеси до 10-20 %.

Результаты исследований и основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тобокелов К.Т., Тулемшеа М.Ш., Шаимбетов Д.А. Эффективность предварительного разогрева бетонной смеси нагревателями непосредственно а опалубках //Пути снижения материальных, энергетических и трудовых ресурсов в капитальном строительстве. - Фрунзе. - 1934. - С. 51-52.

2. Тулежчпев М.1'1., Шаиг.бетоз Д. А. Форсированный разогрев бетонной смеси индукционным:* нагревателями при возведении монолитных железобетонных конструкций //Эффективная технология бетонньг,: работ в условиях воздействия окружающей среди: Сб.науч.тр. - Челябинск, Ш6. - С. 107-110.

3. Тудсмкпев Ч.И., Шакмбетов Д.А. Индукционные кагрсрателк

,*. -.я паяогрева бетонной смеси //Форсированный разогрев бетонной сме-сл и устройства для его осуществления: Материалы расширенного засе-.-»кия-ссчшшра. - Владимир, 1289. - С.54-59.

Ел т.» его в Д. А., Лашша О.И. Термообработка монолитных кон-■зтрукцчи гругповтади индукционш^и нагревателями //Влияние региональ-«*мх Дикторов па организационные и техиико-экокоиические особенности с: .;о;;г ; в Киргизской ССР: Материалы республиканской научно-

практической конференции, ч.П. - Фрунзе, 1989. - С.106.

5. Тулемыпев М.Ш., Шаиыбетов Д. А. Организация термообработки монолитных конструкций передвижными установками //Влияние региональных факторов на организационные и технико-экономические особенности строительства в Киргизской ССР: Материалы республиканской научно-практической конференции, ч.П. - Фрунзе, 1989. - С.172.