автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Управление электротепловыми процессами при разогреве смеси

рг6 ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ШШНЕРНО-СТРОИТЕЛЬННИ ИНСТИТУТ ИМ. В. В. КУЙБЫШЕВ А

7

I ¡;«!1

На правах рукописи

квашнин

александр георгиевич

УДК 693.547.3:666.9.03

УПРАВЛЕНИЕ Э.1ЕКТР0ТЕПЛ0ВЫШ ПРОЦЕССАМИ ПРИ РАЗОГРЕВЕ СМЕСИ

05.23.08 Технология и организация промышленного и гражданского строительства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1993

работа выполнена в Новосибирском ордена Трудового Красного Знамени ¡ижвнерко-строительном институте им.В.Б.Куйбышева.

Научный руководитель -

Официальные оппонента -

доктор технических наук, действительный член Жйлищио-Коммуналыюй Академии, чл-ун Асх (комитет 306), профессор Зубков В.И.

доктор технических наук, профессор Гтшря А.И.

кандидат технических наук, доцент В.Г.Черный

Ведущая организация - Промышленно-строительное акционерное

общество "Сибакадемстрой".

Защита состоится ¿У 1993 г. в часов

на зеседант специализировашюго совета К 064.04.01 но присуадению ученой степени кандидата технических наук в Новосибирском ордена Трудового Красного Знамени инженер-но-строитзльном институте им. Б.В.Куйбышева по адресу: бэоооа, Новосибирск, ул.Ленинградская, 113. аудитория 308

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " ~_1993 г.

Ученый секретарь

специализированного совета К 0G4.04.0I кандидат технических наук, доцент

/рмх^ъ

Т.Ф.Катков.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность ра 0 о т ы . Основным материалом современного строительства выступает бетон, объем производства которого возрастает ежегодно в мире на 5...6Ж. Этот рост сопровождается расширением конструктивах и временных (сезонных) областей применения бетона, увеличением темпов строительного производства и, в частности, бетонных работ.

Климатические условия большей части территории России, характеризующиеся низкими отрицательными температурами в точение продолжительного периода (4...6 месяцев), предопределяют .необходимость производства бетонных работ с интенсификацией твердения бетона путем приложения к бетонной смеси и бетону термодинамических воздействий, из всего богатого арсенала которых широко применяют методы электротермообработки: электропрогрев, электрообогрев, электроразогрев и др. Среди перечисленных методов электроразогрев выделяют как один из наиболе) целесообразных на технологическом, технико-экономическом уровнях к с точки зрения структурообразования бетона.

Однако, широкое на первом этапе внедрение электрорэзогре-еа в зимнее бетонирование практически прекратилось и метод перестал применяться в необходимых масштабах вследствие недостаточной устойчивости технологических параметров , получаемых в электроразогреввшей технике с низким уровнем технологической надежности.

Цель раб о. ты. Разработка технологии разогрева бетонной смеси с устойчивыми электрогешювыми параметрами, получаемыми в надежной электроразогреваищей' технике за счет управления элекгротепловими процессами разогрева..

Задачи исследования.

1. Исслрдорчть кинетику изменения основного электрофизи-•■геклт параметра бетонной смеси - удельного электросопротивления; разработать (¡«тематическое описание удельного алект-

росопротивления бетонной смеси.

2. разработать методику расчетного обоснования скорости и температуры разогрева смеси и ее отдельных компонентов (жидкой и твердой фаз) путем исследования теплофизики совместного разогрева системы "растворная часть - крупный заполнитель".

3. Разработать математическое описание целевых функций управления процессом электроразогрева и на этой основе:

3.1. Исследовать электротепловые шля в устройствах для разогрева смеси и разработать методику расчетного и экспериментального определения конструктивных параметров устройств.

3.2. Разработать способы управления электротепловыми процессами при электроразогреве смеси в виде соответствующих ВЛГОрЯТи'ОБ и блок-схем >

4. Разработать рекомендации по проектированию разогревающих и управляющих устройств.

5. Проверить результаты исследований путем экспериментальных работ с применением опытно-промышленных образцов электроразогреванцих устройств и блоков управления.

Объект исследования.

Электротепловые процессы во время разогрева смеси.

Научная новизна работы. *

1. Впервые построено адекватное математическое описание температурно-временной функции удельного электросопротивления бетонной смеси для всего технологически значимого временного и температурного интервала, основанное на характерных параметрах -темпэратурно-временных кривых удельного электросопротивления.

2. Получено математическое огшсание температурного режима разогрева растворной части смеси и системы "жидкая фаза -твердая фаза", учитывающее основные технологические параметру процесса, электро- и тешгофизические свойства и физическую структуру бетонной смеси.

»Разработан способ управления (формированием электротепловых полей в сечениях разогревающих устройств на основ» аксиально-симметричного секционирования электродных групп в круглых геометриях с разбиением смеси на отдельно разогреваемые слои.

к

4. Разработан технологический процесс разогрева с управлением температурным режимом по оптимальному закону, основанному на математическом описании траектории управляющего воздействия.

Б. Разработан технологический процесс разогрева с адаптивным управлением электротепловыми процессами, базирующимся на адаптации энерго-силовых параметров управляющей системы к непрерывно идентифицируемым параметрам разогреваемой смеси.

Практическое значение работы.

1. Разработана методика определения темгоратурно-времен-. ной функции удельного электросопротивления бетонной смеси, позволяющая выполнять технологические расчеты для широкого диапазона практических задач.

2. Разработано расчетное обоснование температурного режима электроразогрева бетонной смеси в виде пакета программ для ПЭВМ и наборов графиков для определения электротепловых и энергосилоЕых параметров разогрева.

3. Созданы устройства, реализующие принцип аксиально-симметричного секционирования применительно к круглым геометриям бвтонораздаточного оборудования (круглые и цилиндрические бункеры ).

4. Дли реализации адаптивной системы управления разработано устройство управления электротепловыми процессами разогрева с применением микропроцессорной техники и тиристорных блоков регулирования.

5. Разработан технологический комплекс электроразогрева, о единящий установки разогрева смеси с устройствами управления, обеспечивающими устройчивые технологические уар/н.гериотшш процесса.

Апробация работы. Основные положения и. резугплаты-диосертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании-семинаре "Форсированный разогрев бетонной смеси. Теория. Эксперимент. Практика" (Владимир, 198? г.), Все-россчйской научно-технической конференции "Технология монолитного домостроения" (Томск, 19R9 г.), на Всесоюзном семинаре "Интенсификация бетонных работ в строительном производстве"

(Челябинск, 1989 г.), на Региональной научно-практической кон ференции, посвящшюй бо-летию СибМИ (Новокузнецк. 1990 г.}, на Всесоюзном совещании-семинаре "Непрерывный электроразогрйй в строите 1ьствв" (Ленинград, 1991 г.), на научно-технически:; конференциях профессорско-преподавательского состава НИСИ им.В.В.Куйбышева (Новосибирск, 1986-1993). В полном-объеме ре бота доложена на расширенном научном семинаре кафедры технола гии строительного производства гШСИ им.В.В.Куйбышева (Новоей _Оирск, 1993 г.).

Результаты исследований опубликованы в двадцати пни

рииОТаХ.

Объем и структура работы.

Дисс зртационная работа состоит из введении, 5 глав, заключения, списка основной использованной литературы, прилоненн* и содержит 194 'страницы машинописного текста, 'включая 3 таблицы, 29 рисунков, 9 приложений. Библиография включает 10?'. наименования на II страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе анализируется технологическая эффективность предварительного элекгроразогрева бетонной . смеси. К числу основных проблем, связанных с интеграцией этого метода зимнего бетонирования с практикой, относятся .задзчи достоверного описания электрофизических параметров смеси, конструирования надежных электроразогреващих устройств, • управления процессами влектроразогрева с целью получения устойчивых технологических параметров.

Большой вклад в разработку и совершенствование технологии предварительного электроразогрева и его расчетного обоснования внесли ученые А.С.Арбеньев, Н.Ф.Афанасьев, К.Бгаип, В.П.Ганнн, А.И.Гныря, К.Дорш, И.Б.Заседателев, В,И.Зубков, .ЬОоИел'а, Б.А.Крылов, Ф.М.Ли, С.А.Миронов.Д.С.Михановский, Г.Я.Савельев, 1.8Ь1ш1йи, м.ТоЬ1о и многие другие исследователи.

Одной из ключевых проблем расчетного обоснования электро-

разогрева является описание основного.электрофизического параметра бетонной смеси - удельного электросопротивления, задающего, с одной стороны, вид и величину электрофизических воздействий, прикладываемых к бетонной смеси,- а с другой стороны - отражающего результаты этих воздействий на процессы структурообразования в бетоне.

Изучению физико-химической природы удельного электросопротивления и закономерностей его изменения посвящены труды И.Н.Ахвердовв, Г.И.Бердова, В.Я.Гендина, Ф.Я.Ковалева, Л.Н.Маргулисв, К.Еутап, и др.

На основе анализа кинетики изменения удельного электросопротивления и математических моделей, используемых для ее описания, показано, что известные математические' описания удельного электросопротивления, верно отражая существенные стороны физических феноменов электроразогрева, во-первых, не включают в работу всю "историю" удельного электросопротивления и, во-вторых, не обладают необходимой работоспособностью, привлекая сложно определяемые в рамках технологической практики параметры. Это приводит к использованию в практике приближенных подходов к расчету электроразогрвва,

Обзор конструкций электроразогревающих устройств показал, что их совершенствование реализуется через несколько уровней геометрической трансформации электродных групп в стремлении создать наиболее равномерное температурное поле в сечении устройств и обеспечить надежность их работы.

Устойчивость технологических параметров достигается уп~ 1 равлением электротепловыми процессами, при разогреве смеси. Однако, в известных способах управления разогревом отсутствует воздействие на динамику электротепловых процессов при концентрации внимания на конечном результате . в условиях отсутствия информации о механизме его достижения.

Эти факты дали возможность сформулировать цели и задачи исследований (рис. I).

Во втор ой главе представлены результаты исследований температурно-временной функции удельного электросопротивления бетонной смеси.

Требусмае

время разогрева

Выбор силового

оборудования

.....;;

[объект управления

!г

|1<илоги*о I разогрева I сисгеш "растворная ЧВСТ1-крушшй запошги-тегл"

г:тг______

Падение конечной температуры смеси после разогрева

Удельное, электросопротивление смеси

. "Г . .

Скорость разогрева

ишатуи

|эпектро-соаротив-пения

/1 ~~

/

готридвте/П|1Шё '

____I

л:

Изменение| удобо- | укладыва—| емогти

выходные

Конечная температура! нагрева \ смеси ^

момент максимум'

Начала эверго-

схлагы- сигсовых

Ваяйя параметров

электропробой и перегрев I электродов]

аметры

Конечгная удобо- I укладыва—I ем ость _|

энергозатраты работы устройств

Рис. 1. Блок-схема объекта исследования

В

Исходные исследования с целью изучения поведения удельного электросопротивления для изотермических условий выдерживания бетонной смеси и бетона выполнялись в лаборатории кофодры технологии строительного производства НЙСИ им.В.В.КуйСытеча. В ходе экспериментальных работ получены исходные кривые удельного электросопротивления для разных температур изотермического выдерживания. На кривых в плоскости (т;;р) выделены характерные точки, описываемые 4-мя параметрами: ра- начальное значение, Рт;„ - минимальное значение, рда - квазистацйонарное значение, тт1П- время достижения минимума, и проанализировано изменение их положения при вариации температуры изотермического выдерживания.

Для построения математического описания введет обобщенные переменные вила

Рсо

ер - р - р •• • <1> „

^ Г0 Гдо

Перестройка кривых р^р(х) в координаты дала

кривые (рис. 2), описание которых построено на соответствии математических функций физическому содержанию процесса и имеет обобщенный вид

' п

и в развернутой форме

2-х _ ,

1 . г

Ро -Ра

Г Рга1„-I Ро - Р™]

(3)

Функция (3) работает на всем технологически значимом интервале и строится на несложно определяемых параметрах температур-но-врементшх кривых удельного электросопротивления. Параметры функции (3) рчссчитнвяптся путем минимизации функционала

Ро ---

Ро< -

Pmin 1

о

' т,

mitt

Т

®р

Р щ1Р

1.0

0.5

0 ©.

\

\

\

t—2

0°С

27к

t+411

'Ч.

! -чц

Т mm

2 3 4 5

/

\

Рис.2. Исходные кривые удельного электросопротивления смеси и кривыв, перестроенные в обобщенные координаты

Pi \\ ■•

где pt ,pL - соответственно экспериментальное и расчетное значения электросопротивления в i-тый момент времени, On М;

по методу Давидона-Флетчера-Пвуэлла, формализованного на алгоритмическом языке Fortran стандарта UioroSoit 5.00. Работоспособность функции (3) доказана путем обработки кривых р=р(т), полученных в настоящей работе и в работах В.ПЛ'анина и Й.Н.Ахвердова.

Выявлены особенности, вносимые термоактивацией при алектроразогреве, в поведение исходных кривых удельного электросопротивления. Показано, что наибольшее влияние на вариации кривых оказывает теш разогрева, что может быть учтено введением в математическув модель (3) соотношения

х = ф/m , (5)

min '

где <р - эмпирический коэффициент; и - теш разогрева; адекватность которого доказывается линеаризацией функции (5>) в координатах (1/тт1П! и).

Таким образом, для случая электроразогрева температур-но-времешшя функция электроразогрева принимает вид

1 тга ргпл

р(т)- .р» ßmi п Ра»"

р» - Ра, Ро ■ - Р»

Математическое описание (6) позволяет прогнозировать изменение электросопротивления смеси при технологически значимых тгмпах разогрева, подбирать энерго-силоше параметры таким образом, чтобы удельное электросопротивление не достигало своего минимума до момента нагрева до требуемой тем-

пературы, описывать функцию объемного источника тепла (тепло Джоуля-Ленца! при решении тепловых задач.

Третья глава посвящена исследованию температурного режима разогрева смеси.

На первом этапе рассчитывался температурный режим электроразогрева жидкой фазы (растворной части с удельной теплоемкостью о, Дж/(кг°С) и средней плотностью ч, кг/м') в адиабатических условиях. В качестве расчетной схемы выбрана заполненная жидкой фазой элементарная тепловая ячейка с пренебрежимо малыми тепловыми потоками на границах и с действующем во всем объеме ячейки однородным переменным электрическим шлем напряженностью ®о. Дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности с учетом того факта, что влияние механизма теплопроводности на перераспределение теплоты за характерные для электроразогрева времена пренебрежимо мало, принимает вид

М «и,я)

ей - ^Т ■ (7)

к дополняется начальным условием: ЦО)~До= оопеЬ (8), при этом удельная мощность объемного источника теплоты определится из соотношения

и(1:)= Ео/р(г,т) , (9)

а уравнение (7) примет окончательный вид

т

о >7 -п

' о

1*1-4 V Г» П»

Ро - Р*

ф Фх 1<р ] (сш

• <ю)

где ио - напряжение на электродах, В;

Но - расстояние между электродами, м. Ревгение уравнения (10) получено численным разностным методом, представлено в графическом виде и может быть табулировано с применением ПЭВМ.

На втором этапе исследовался температурный реким электрп-

температурный режим разогрева бетонных смесей, обосновывать предельно допустимые по критерию однородности температурного поля скорости и времена нагрева, рассчитывать конечную температуру разогрева.

4. Программное обеспечение, созданное на основе численных решений, составляет один из компонентов технологических САПР зимнего бетонирования ' конструкций а предварительным э'лектроразогревом бетонннх смесей.

5. Аксиально-симметричное секционирование электродов в круглых геометриях цилиндрических и конических неповоротных сугосаров' является эффективным способом управления формированием электротепловых полей в сечениях электродных групп разогревающих устройств, обесточивая структурную и температурную однородность смеси с одновременным повышением технологической надежности и электробезопасности работ

6. Управление температурным режимом разогрева смеси по оптимальному закону, построенному на основе обратного решения дифференциального уравления теплопроводности и использующему параметры температурно-временной функции удельного электросопротивления и о параметрах разогревающих устройств, формирует электро- и теплофизические условия для перераспределения теплоты между растворной частью и заполнителем в направлении повышения температурной однородности смеси.

7.Адаптивная система управления элвктротоплавыы режимом разогрева смеси основана на принципе. инвариантности управляющего энерго-силового воздействия по отношению к "изменениям параметров разогреваемой смеси.

8. Адаптивное управление технологическим процессом разогрева осуществляется синхронно по трем фазам электрической цепи в виде непрерывного регулирования затрачиваемой . на разогрев электрической мощности.

9. Адаптивнее управление обеспечивает повышение качества э.пектрорэзогрева в части достижения устойчивости технологически параметров, надежности работы разогревающих, устройств и равномерной загрузки трехфазной сети.

Результаты рвеотн использованы при разработке технических .

П

условий на бетонирований монолитных конструкций в здашлх условиях на объектах ТСО "Новосибирскстрой", в госбюджет« исследованиях по теме "Зимнее бетонирование, монолитное домомстроелие в ' условиях Сибири и Крайнего Севера" (N Гос.регистрации 01920008785), входящей в план программ "Строительство" ГКН и Bill РФ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Пшонкин Н.Г., Квашнин А.Г. К расчету температуры непрерывного нагрева бетонной смеси в транспортирующей электромагнитной трубе//"Изввстия вузов. Строительство и Архитектура." - Ноьосибирск, 1987, к 9. - с.114-119.

2. Конышев В.П., Пшонкин К.Г., Квашнин А.Г. К математической модели температурного режима электроразогрева непрерывно транспортируемой бетонной смеси//"Известия СО АН СССР. Серия технических наук." - Новосибирск, 1988, вып.4.- с.108-115.

' 3. Пшонкин Н.Г., Квашнин А.Г. Параметры электродов и энергетическая эффективность транспортирующих труб непрерывного илектроразогрева бетонной смеси//Деп. во ВНИШС Госстроя СССР, 1988, выпи, N Гос.регистрации 8848.

4. Конншев В.П., Квашнин А.Г. О методике обработки экспериментальных зависимостей удельного электросопротивления бе тонных смесей как функции температуры//"Известия вузов. Строительство и Архитектура". - Новосибирск, 1989, N 6.- с.124-129.

5. Зубков В.И., Квашнин А.Г., Андриевский С.Н. Математическая модель влектросопротивления бэтонв//"Известия вузов. Строительство и Архитектура". - Новосибирск, 1991. N 4. ~ С.114-117.

6. Конышев В.П., Квашнин А.Г. Об оптимальной системе многоэлектродного электроразогрева бетонной смеси при аксиаль-но-симметрнчфной геометрии ее транспортировки//"Известия вузов. Строительство и Архитектура." - Новосибирск, 1991, N 8. -С.110-113.

7. Зубков В.И., Квашнин А.Г. и др. Температурные поля в устройствах электроразогрева смеси//Технология монолитного до-

построения: Тезисы докладов научно-технической конференции/ Томск, 1989.

8. Квашнин А.Г. Некоторые аспекты управления тепловыми процессами при элекгроразогреве смеси//Интенсификация бетонных работ в строительном производстве? Тезиса докладов Всесоюзного семинара/ Челябинск, 1989. - с.71-72.

9. Пшонкин Н.Г., Квашнин А.Г. Разработка ресурсосберегающих техники и технологии бетонирования монолитных конструк-цкй//Форсированный разогрев бетонной смеси. Теория. Эксперимент. Практика: Сборник статей/ Владимир, 1989. - с.47-50.

10. Квашнин А.Г. Расчетное обоснование температуры укладки батонной смеси в опалубку//Тезисы докладов научно-технической конференции НИСИ/ Новосибирск, Апрель, 1990. - с.73-74.

11. Конышев В.П., Квашнин А.Г., Назарова Г.В. 00 оптимальном способе электроразогрева бетонной смеси при транспортировке ее в концентрических трубах// Тезисы докладов региональной научно-практической конференции, посвященной 60-летию СибМИ/ Новокузнецк, 1990. - с.79.

12. Зубков В.И., Квашнин А.Г., Гуненко H.A. Управление электротепловыми процессами при электроразогреве смеси// Непрерывный электроразогрев бетонной смеси в строительстве: Тезисы докладов совещания-семинара/ Ленинград, 1991. - с.8-1 о,

13. Зубков В.И., Квашнин А.Г., Андриевский О.Н. Электросопротивление бетонной смеси при форсированном электроразогреве// Материалы, технология, организация и экономика строительства: Тезисы докладов научно-технической конференции/ Новосибирск, 1991. - с.48.

14. Зубков В.И., Квашнин А.Г. Форсированный влектроразог-рвв смеси в цилиндрических и конических бадьях// Материалы, технология, организация и економика строительства» Тезиеи дг>уладов научно-технической конференции/Новосибирск, 1991. -<■.49.

15. A.c. СССР N 1217681. Устройство для нагрева транспортировки бетонной смеси. Авторы Пшонкин Н.Г., Квашнин А.Г., опубл. Бюллетень изобретений, 1986, N ю.

16. A.c. СССР N 1380970. Устройство для непрерывного ра-

¿огрева ôôтонной смеси. Авторы Пшонкин Н.Г., Квашнин АЛ'., опубл. Бюллетень изобретений, 1988, N ю.

17. A.c. СССР N 1574765- Устройство для обработки бетонной смеси. Авторы Пшонкип Н.Г., Квашнин А.Г., опубл. Бюллетень изобретений, 1990, N 24.

18. A.c. СССР N 1622133. Способ нагрева бетонной смеси. Авторы Квашнин А.Г., Коншэв В.П., опубл. Бюллетень изобретений, 1991, N 3.

19. A.c. СССР н 1712158. Устройство для транспортирования и разогрева бетонной смеси. Авторы Зубков Б.И., Квашнин АЛ'., опубл. Бюллетень изобретений, 1992, и 6.

20. Способ непрерывного электроразогрева бетонной смеси Пал. решение о выдаче а.с. по заявка N 477В812/33 от 22.02.91 Авторы Квашнин А.Г., Кошшев В.Г1.

21. Устройство для измерения температуры новерхностг Пол. решение о выдаче а.с. по заявке N 4827974/1 о от 27.05.91 Авторы Зубков В.И., Верейной А.Н., Квашнин А.Г.

22. Устройство для электроразогрева бетонной смеси. По, решение о выдаче патента но заявке н 4928233/33 от 03.04.9: Авторы: Зубков В.И., Квашнин А.Г.

23. Устройство для электроразогрева бетонной смеси. По. решение о видиче патента по заявке н 4951678/33 от .03.04.?; Авторы: Зубков В.И., Квашнин А.Г. '

24. Разработка технологии монолитного домостроения .зимних условиях на объектах ТСО "Новосибирск-строй" // Отчет * хоздоговорной шучно-технической работе, H Гос,регистрами 01890038194, Новосибирск, 1991. - 130 с.

25. Зимнеа бетонирований, монолитное домостроение в условиях Сибири и Крайнего Севера // Отчет о госбюджетной научно-исследовательской работе, н Гос.регистрации 01920006785, Новосибирск, 1992. - 39 с.

Кроме того, соискателем опубликован ряд работ, не вошедших в дпшшй список.