СОЛНЕЧНЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 691.002.5.24

СОЛНЕЧНЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

ЖАЙЫЛХАН НУРАДИН АЛИЕВИЧ

Ассоциированный профессор кафедры «Строительный инжиниринг», Каспийский университет технологий и инжиниринга, Актау, Казахстан

АЛДАКОВА МАДИНА ДЖИЕНБЕКОВНА

Магистр естественных наук, Актау, Республика Казахстан

Аннотация. Выполнен анализ отходов известняка-ракушечника Мангистауской области Казахстана и выявлено, что отходы известняка-ракушечника могут найти свое применение в строительных материалах, в качестве крупного заполнителя бетона.

Исследовано механические свойства карбонатного бетона. В связи с этим была разработана технология производства бетона с применением известняка-ракушечника.

На современном этапе экономического и социального развития Республики Казахстан особое место занимает проблема рационального и комплексного использования природных сырьевых и топливно-энергетических ресурсов.

Разработка безотходной технологии переработки все видов отходов известняка, с получением нового строительного материала, позволит снизить стоимость основной продукции карьеров, будет способствовать уменьшению скопившихся отходов при расходе до 1,7 т отходов на 1м3 бетона, и оздоровлению экологической обстановки.

Ключевые слова: солнечная радиация. пильные отходы, камень-ракушечник, бетонная смесь, прочность, утилизация, производство, бетон.

Наиболее распространенным методом использования солнечной энергии, при производстве бетонных работ, является прямой или пассивный нагрев твердеющего бетона.

В естественных условиях бетон, в течение одних суток, через открытую поверхность подвергается воздействию лучистой солнечной энергии, а также колебаний температуры наружного воздуха, участвуя в сложном процессе тепломассообмена с окружающим пространством. Одним из наиболее простых и эффективных способов тепловой обработки бетонов с использованием солнечной энергии - гелио-термообработки, является тепловая обработка изделий в гелиоформах со светопрозрачным теплоизолирующим покрытием СВИТАП. Недостатками известного покрытия СВИТАП является наличие воздушной прослойки между слоями прозрачным материалов, что влечет за собой высокое термическое сопротивление теплопередаче в дневное время. Герметичность воздушной прослойки между бетоном и прозрачным покрытием СВИТАП, способствует появлению конденсата на внутренней поверхности прозрачной изоляции, обращенной к изделию, оседающего на поверхности изделия, размягчающего при этом поверхность бетона и мигрирующего внутрь изделия, нарушающего при этом структуру бетона [39]. Для достижения цели обеспечения максимального нагрева бетонных и полимерцементных изделий в гелиоформе солнечной энергией за световой день и уменьшения тепловых потерь в ночное время, необходима была разработка варианта, прозрачного гелиопокрытия, отвечающего этим требованиям.

Недостатком данного устройства является нежелательное увеличение отражательных характеристик верхней светопрозрачной поверхности гелиопокрытия, за счет криволинейного очертания «провисающего» нижнего покрытия, а также необходимость высокой температуры нагрева изделия для вытеснения воздуха из прослойки.

Максимум температуры необходимой для создания давления над бетоном для вытеснения воздуха из прослойки, по результатам эксперимента наступал к 17 часам. Естественно, после 17 часов эффективность прозрачной изоляции как многослойной в

ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"

результате прижатия нижней пленки к стеклу будет минимальной за счет понижения интенсивности солнечной радиации.

В период остывания, при заполнении воздушной прослойки более холодным воздухом неравномерное оседание пленки приводит к скоплению конденсата непосредственно над поверхностью бетона, что чревато повреждением верхней зоны бетона.

Вышеприведенный анализ известных свегопрозрачных покрытий МПС и ВУС для тепловой обработки бетона с использованием естественной плотности солнечного излучения, свидетельствует о необходимости улучшения качественных характеристик покрытий.

Исследованиями бетонов на карбонатных заполнителях занимались многие ученые в нашей стране и за рубежом - П.Е. Еременок, В.Е. Ящука, М.А. Якубович, Б.Г. Скрамтаев, А.И. Конопленко и др. Многочисленными экспериментами эти исследователи доказали, что бетоны на основе высокопрочных карбонатных пород не уступают по прочности бетонам с заполнителем из изверженных пород (гранит, габбро и др.). Особенности карбонатных заполнителей позволяют использовать как плотные, так и пористые их разновидности для приготовления конструктивных бетонов и железобетонных конструкций, в том числе предварительно напряженных [4].

Целью настоящей работы являлось исследование возможность использование отходов известняка-ракушечника в качестве заполнителя бетона, механические свойства карбонатного бетона.

Для решения поставленной цели были решены следующие задачи:

- изучены физико-механические свойства известняков различного месторождения;

- изготовлены лабораторные образцы бетона с несколькими видами с карбонатными заполнителями из известняков различного месторождения.

- оценка экологического воздействия отходов известняка-ракушечника;

- разработка технологии использования всех видов отходов известняка-ракушечника, для получения нового строительного материала;

- анализ ресурсов солнечной энергии для использования гелиотехнологии;

- обоснование аспектов применения гелиоэнергетических устройств в технологических решениях, в целях экономии топлива и энергии;

- установление аналитической зависимости количества тепла, полученного изделием при гелионагреве, от глубины проникания тепла;

Повышение тепловой эффективности солнечных коллекторов может быть достигнуто путем:

- концентраторов солнечного излучения;

- вакуумирования пространства внутри коллектора;

- устранение многократных отражений с поверхности нижнего прозрачного слоя в окружающую среду за счет провисания.

В этой связи возникла необходимость разработки подобного покрытия с учетом перечисленных выше замечаний, недостатков. В целях решения проблемы использования солнечной энергии для ускорения твердения бетона, с применением покрытий с прозрачной изоляцией типа МПС и ВУС, не требующих затрат на изготовление теплоприемников и баков-аккумуляторов, разработано экономически и технически эффективное двухслойное покрытие с внутренней упругой поверхностью за счет применения прозрачного пластика. Покрытие ВУС (покрытие с внутренним упругим слоем из пластика) разработано для тепловой обработки бетона при использовании прямого нагрева солнечной радиации. Отличается от существующих покрытий тем, что кривизна нижней пластиковой изоляции (выполненной с «упругими швами» из полиэтиленовой трубки диаметром 3 мм и заполненной воздухом) позволяет без усилий способствовать вытеснению воздуха из прослойки, кроме этого при заполнении прослойки более холодным воздухом эта кривизна обеспечивает стекание конденсата к границам периметра покрытия. В дополнении к этому поверхность нижней

селективной изоляции обладает упругими свойствами, что препятствует многократному переизлучению солнечных лучей обратно в окружающую среду, что отличает покрытие от МПС имеющий ослабленный нижний слой.

Реализация поставленной выше цели достигается за счет устройства в гелиопокрытии, второго прозрачного слоя из пластика, под прозрачным верхним ограждением из стекла, причем, как и в покрытии МПС, оставляются отверстия для вытеснения воздуха, но равномерное по площади поджатие нижнего слоя к стеклу обеспечивается за счет упругих качеств пластика.

Предлагаемое покрытие (рисунок 1) работает следующим образом. Форму 6 заполняют бетоном 7 и на уплотнение 5 укладывают покрытие, прижимая его к форме 6 до полной герметизации пространства между нижним светопрозрачным ограждением 3 и бетоном 7 при помощи зажимов на стяжных болтах. В момент начала нагрева Солнцем гелиоформы с бетонным изделием прозрачный пластик 2 располагается на расстоянии 0,02-0,025 м от прозрачного верхнего ограждения 1, создавая воздушную прослойку между ними, при этом верхняя точка кривизны отстоит от стекла в пределах 1 см. При нагреве и твердении бетона 7 на его поверхности выделяется водяная пленка, которая при испарении, выделяет пары воды, повышающие давление между верхней поверхностью бетона 7 и нижнем ограждением 2 до величины большей, чем давление окружающей атмосферы. В результате этого прозрачная 2 изоляция с «упругим швом» (рисунок 2.6) поднимается, вытесняя воздух из воздушной прослойки, между ограждениями 2 и 1 через отверстие 4 и прижимается к верхнему ограждению 1.

у

-----

/ —-

1 - прозрачная изоляция, стекло; 2 - прозрачный пластик; 3 - корпус ограждения; 4 -отверстие для выхода воздуха; 5 - уплотнитель; 6 - металлическая инвентарная форма с тепловыми отсеками; 7 - бетон.

Рисунок 1 - Двухслойное светопрозрачное покрытие с внутренним прозрачным упругим слоем

1

1.5 cm 0,015 m

1 - упругий шов с й=3 мм

Рисунок 2 - Прозрачная пластиковая изоляция

Известно, что многослойные прозрачные пленки (при плотном прилегании пленок друг к другу) обладают значительно большей лучевоспринимающей способностью, чем однослойное. При удалении воздушной прослойки между верхним 1 и нижним 2 ограждениями уменьшается термическое сопротивление теплопередаче, между верхним покрытием 1 и изделием 7. Исчезает экран. В результате более плотного прилегания пластиковой пленки, и интегрального воздействия вышеописанных эффектов количество солнечного тепла, воспринимаемого изделием 9 в предлагаемом покрытии в дневное время суток будет поступать значительно больше, чем через известное покрытие СВИТАП и МПС.

В вечернее время, температура пространства между нижним ограждением 2 и бетонным изделием 7 падает (рисунок 2). Пары влаги конденсируются, давление уменьшается до величины меньше атмосферного. Через отверстие 4, засасывается воздух, из окружающей среды, заполняя воздушную прослойку, между верхним и нижним ограждениями 1 и 2. Это соответственно, создает теплоизоляционный слой между бетонным изделием 7 и окружающим воздухом и таким образом, уменьшает тепловые потери в ночное время суток. С наступлением следующего светового дня цикл повторяется.

Материал верхнего ограждения - стекло натриевое, нижнего ограждения - прозрачный пластик с «упругим швом». Толщина стеклянного ограждения ¿1 =0,003 м; расстояние между верхним и нижним ограждением ¿2 =0,015 м; степень черноты стекла ест =0,91; степень черноты поверхности бетонного изделия еБ =0,5...0,7 (в качестве степени черноты бетонного изделия принята степень черноты цемента); коэффициент теплопроводности воздуха Хв = 2,44 • 10-2 Вт/(м °С) коэффициент теплопроводности стекла Хст = 0,65 ккал/мч °С = 0,757 Вт/(м

Ti - температура внутренней поверхности стекла; T2 - температура наружной поверхности стекла; Тб - температура бетона; Тдф. - температура днища формы.

Рисунок 3 - Расчетная схема покрытия

Покрытие ВУС для тепловой обработки бетонных изделий - плоский коллектор, применяемый для преобразования солнечной энергии в тепловую, с тем различием, что в данном случае гелиоприемником, является поверхность бетона со степенью черноты е,= 0,54 (степень черноты цемента).

Уравнение теплового баланса гелиоформы [4] для тепловой обработки бетона в гелиоформе, с применением светопрозрачного покрытия ВУС, и традиционной пропарочной камере в летнее время за счет использования прозрачной крышки, с учетом тепловых потерь через днище, можно записать следующим образом

к* J

(тб - тдф) ч = ас(тб - т0)+ефа

100

Г т Л4 To

100

(3.1)

где Тб, То - соответственно, температура бетона (гелиоприемника), и окружающей среды, 0К; Тдф - температура днища формы, 0К; ас - коэффициент конвективной теплоотдачи; £ф -степень черноты днища формы; а - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2°К); Ь -соответственно толщина и коэффициент теплопроводности прозрачной изоляции.

Тепловыми потерями днища металлической формы, излучением пренебрегаем. В этом случае получаем:

(Тб - ТДФ )

К* J

= а

C (Тдф t0)

(3.2)

Уравнение 3.2 можно использовать для определения Тдф, при данной температуре бетона Тб. Плотность теплового потока ql, от бетона к внутренней поверхности прозрачной изоляции, определяется выражением

q =

(Ч

К*

-j (тдф - т)+*

fl I Л1 — +--1

К^Б J

Тб_ 100

—

100

(3.3)

где 8а - ширина воздушного зазора между стеклом и бетона; Е,б - степень черноты бетона; ^1 - степень черноты внутренней поверхности стекла; Т1 - температура внутренней поверхности стекла; I, J - плотность потока солнечной радиации; ^ - определяется выражением:

Ч= 0,3186 (Gr Pr f25Äq

(3.4)

где ^ - коэффициент теплопроводности воздуха в воздушной прослойке Вт/(м • °К); От - число Грасгофа определяется выражением:

Gr =

\(TÄ -T) v J

(3.5)

где g - коэффициент свободного падения м/с2; V - коэффициент кинематической вязкости м2/с; в=1/Тср - коэффициент объёмного расширения, Тср = ) (ТБ + Т ) •

Вследствие частичного поглощения солнечного изучения со светопрозрачной изоляции образуется внутренний источник тепла

а = EA

™вн с

(3.6)

4

4

4

где Е - плотность суммарного потока солнечной радиации, поступающего через стекло Е=(П+Д); Аст - поглощаемая способность стекла относительно солнечной радиации. Через прозрачную изоляцию проходит поток:

Т - Т2 ) (A7{J = Я?(05qm )

(3.7)

где 5ст - толщина стекла, м; ?ст - коэффициент теплопроводности стекла Вт/(м • °К); Т2 температура внешней поверхности стекла, °К.

Подставив уравнение (3.3-3.5) в уравнение (3.6) получим:

fr - T )

( х Л

ст V ^ ст J

- E

Г A

0.3186

8

0.25 W T

(ТБ - Ti )4 +

+ С,

Г T, ^4 Г T

100

100

Количества тепла, поглощённое светопрозрачной изоляцией, равно:

(3.8)

а

с ? - t0 ) +

Tl 100 j

—

= Я + Явн =(T1 - T2)

f X ^

ст

V ^ст J

А. 100

+ E^L 2

(3.9)

где £2 - степень черноты внешней поверхности стекла.

С помощью уравнения (3.5) можно определить Т1. Обозначив = а и = с2.

8„т

получим:

T = T 11 12

1 +

a a V100

+С2Г70

a

a V100

- E^L 2a

\

J

(3.10)

Обозначив также 1 + — = т ; — = п

2

a

О | T +ГС2 | Г T

, a I 0 I a JV100

0

= p;

EAC1 2a

= r

(3.11)

Тогда уравнение (3.10) примет вид:

T = mT2 + n I

jL 100,

- p - r

(3.12)

Уравнение (3.4) можно представить в виде

2

4

4

4

4

4

4

4

(t T\ 03186 (r ri

(T1 - T2 ) a = C0.25 W (ТБ - T1 )4 -

0.25 a

- c

f T ^

T Б V100 У

f T ^ T1

V100 у

= E

A

(3.13)

В таблице 1 приведены результаты расчётов температур внутренней и внешней поверхностей Т1 и Т2 прозрачной изоляции.

Если известны значения Т1 и Т2, то используя уравнение (3.5) можно найти величину тепловых потерь. Суммарные потери составляют:

Чсумм qcm + q ДФ

(3.14)

где qсm - тепловые потери через стекло; qдФ - тепловые потери через днище формы.

$сумм

hm

(Т - Т ) + EAmm + q д

(3.15)

Таблица 1 - Результаты расчётов температур внутренней и внешней поверхностей Т1 и Т2 прозрачной изоляции

4

4

2

Т2,°К Т1-Т2, °К для Аст равного Т2,°К Т1-Т2, °К для Аст равного

0,14 0,05 0,06 0,14 0,05 0,06

290 295 300 305 0,026 0,311 0,653 0,998 0,077 0,414 0,758 1,101 0,053 0,392 0,732 1,077 315 330 350 380 1,702 2,792 4,313 6,014 1,805 2,894 4,415 6,116 1,781 2,871 4,392 6,093

Ниже приведен расчет потребности тепла при гелиотермообработке изделий с применением гелиотехнической системы.

Производим необходимый расчет потребности тепла, принимая температуру окружающей среды То=32°С. Для исходных расчетов определяем интервалы по времени с температурными отсчетами для прогрева бетона до изотермического процесса (таблица 2). Определим количество тепла, сообщенное бетону на первом интервале, до изотермического процесса по формуле:

01=0б Србарп) (3.16)

где Qб=1660 кг/м3 - объемный вес бетона; Срб=0.232 Вт/кг°С - удельная теплоемкость бетона; Т2 - температура теплоаккумулирующего покрытия. °С; Т1 - температура теплоприемника (бетонного изделия), °С.

Таблица 2 - Значения температур при выдерживании

Время 9 10 11 12 13 14 15

теплового

процесса, т, часы

Температура под покрытием ВУС 41 55 66 75 81 82 79

°С, 12

Температура поверхностного слоя бетона, °С 36.8 49.3 61.5 72 74 78 76

Температура окружающей среды, tl 23 28.2 31.3 35.2 36,2 36,0 35.3

Определяем потери тепла от гелиоформы в окружающую среду.

При применении теплоаккумулирующего покрытия - гелиопокрытия необходимо определить пропускную способность двухслойного покрытия по формуле:

т=(1 -p)/11 + (2^ - 1)]p (3.17)

где п - количество слоев светопрозрачного покрытия; р - отражательная способность покрытия.

Из данной величины облучения бетоном воспринимается количество тепла, определяемое по формуле:

0б.в=0б Об, (3.18)

где аб - степень черноты бетона, равная 0,7 (степень черноты цемента).

Отсюда:

Qб.в=0,8410 • 1п • 0,7 = 0,6987, (3.19)

где 1п - величина полной солнечной радиации.

В нашем случае суммарная радиация для горизонтальной поверхности светопрозрачного покрытия определяется по формуле:

Qyc=тв аб 1п Sвyc=Gб Срб ^1^2), (3.20)

где 8вус - световая площадь светопрозрачного покрытия, равная 3,55 м2.

Qвyc=0,6987 • 1п • 0,7 • 3,55= 1,7363 1п

Qooт= Qнагp+ Qак + Qпoгл+ Qэкз (3.21)

Исходя из расчетных и экспериментальных данных, производим для сравнения подсчет суммарной солнечной радиации (таблица 3).

Таблица 3 - Суммарная солнечная радиация и количество теплоты, преобразованной элементами гелиосистемы

Интервалы времени

Ho - суммарная радиация на 1 м2 поверхности

Qbyc -тепло от ВУС

Часовой пояс Актау МДж/м2 Вт/м2 КДж

9.00 1,50 416,97 1118

10.00 2,00 577,22 1550

11.00 2,71 752,06 2020

12.00 3,14 871,39 2341

13.00 3,30 915,79 2460

14.00 3,30 915,79 2460

15.00 3,14 871,39 2341

16.00 2,71 752,06 2020

17.00 2,04 566,12 1521

23,84 6628,79 17831

Экспериментальные данные в сравнении с расчетными данными составляют отклонение в пределах примерно 8,4%.

Таблица 4 - Температурный режим светопрозрачного покрытия ^ ВУС

Продолжительность твердения То °С Твус Продолжительность твердения То °С Твус

900 25.2 42.2 1900 29,0 43,0

1000 30.2 55,6 2000 26,0 68,6

1100 32,8 68.3 2100 26,0 64,3

1200 36,8 77,9 2200 25,0 57,4

1300 36,2 82.2 2300 23,0 54,6

1400 36,0 82.2 2400 23,0 49,9

1500 35,7 81.2 0100 21,0 47.6

1600 35,2 78,4 0200 20,0 41.1

1700 34,2 80,2 0300 19,0 38,2

1800 31,0 74,0 0400 19,0 35.6

То - температура наружного воздуха; Твус - температура под покрытием ВУС;

Создание новых материалов:

Возможность превращения отходов известняка ракушника в новые материалы с уникальными свойствами, которые могут быть использованы в строительстве, производстве цемента, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности.

Научное значение исследований состоит в создании основ теории и инженерных методов расчета экономически и технически эффективных гелиотехнических устройств, являющихся основой для разработки энергосберегающих технологий.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Решении задачи получения нового строительного материала на основе отходов известняка-ракушечника с гелиотермообработкой, что позволило уменьшить количество отходов в основном производстве, использовать не применяемые в строительстве отходы, снизить расход топлива на тепловую обработку материалов 45-55%

2. Уменьшение негативного воздействия на окружающую среду: Утилизация отходов известняка ракушника позволяет снизить количество отходов, которые попадают на свалки

или выбрасываются в окружающую среду, что приводит к уменьшению экологической нагрузки.

3. Экономическая эффективность: Возможность создания новых и устойчивых источников материалов при утилизации отходов может привести к экономическим выгодам для промышленных предприятий.

В работе выполнен анализ отходов известняка-ракушечника различного месторождения Мангистауской области и выявлено, что отходы известняка-ракушечника -, могут найти свое применение в строительных материалах, в качестве крупного заполнителя для бетона.

Приведены результаты экспериментальных исследований по изучению возможности применения отходов известняка в качестве крупного заполнителя в замены природного в бетонах на плотных заполнителях.

С применением известнякового щебня, удовлетворяющих требованиям соответствующих ГОСТов, можно получить бетоны различных марок, расход цемента которых находится в пределах, допускаемых СН 386-74. В связи с этим была разработана технология производства бетона с применением отхода известняка-ракушечника.

Бетон с применением отхода известняка-ракушечника используются, главным образом, в малоэтажном домостроении для возведения несущих стен, а также в многоэтажном жилищном и промышленном строительстве в качестве внутренних перегородок и как теплоизоляционный материал

ЛИТЕРАТУРА

1. Жайылхан Н.А. Применение отходов известняка ракушечника в качестве заполнителя для бетона. Особенности современного этапа развития естественных и технических наук: Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: Белгород, 2017, 74-77 с.

2. Старчуков Д.С. Бетоны ускоренного твердения с добавками твердых веществ неорганической природы // Бетон и железобетон. 2011. № 14. С. 22-24.

3. А. Ж. Касенов., А. К. Тлеулесов., А. Н. Ахметбек. Производство бетона из отходов АО «Алюминий Казахстана». Наука и техника Казахстана №1. 2018. Стр.61-77.

4. Когай Э.А., Макарова Е.С., Федоркин С.И. Зависимость физико-механических характеристик дисперсно-армированного мелкозернистого бетона от вида известняковых заполнителей. Строительство и техногенная безопасность №24 (76)-2022г. стр. 57-63

5. А.К. Толегенова, А.С. Еспаева, З.Н. Алтаева. Исследование совместного влияния отходов добычи природного камня-ракушечника и химических добавок на технологические свойства бетонной смеси. Вестник КазГАСА стр. 241-253.

6. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В. Структура и свойства бетонов с наномодификаторами на основе техногенных отходов: монография. М.: МГСУ. 2013, 204 с.

7. Кудрышова, Б. Ч., Станевич, В. Т. Производство строительных материалов на основе промышленных отходов как экологическая доминанта развития современной экономики // Наука и техника Казахстана. - 2014. - № 1-2. - С. 65-68.

8. Петров В.П., Токарева С.А. Пористые заполнители из отходов промышленности // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 46-50.

9. Ахметбек, А. Н., Касенов, А. Ж. Возможность использования красного бокситового шлама в строительстве // Образование и наука без границ. - 2017. Т. 12. - С. 64-67.

10. Демьянова В. С., Чумакова О. А. Использование мелких строительных песков в составе цементных композиций. Пенза: ПГУАС, 2014. 124 с.

11. Баженова С.И., Алимов Л.А. Высококачественные бетоны с использованием отходов промышленности. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010, №1, 226-230 с.