ТВО Б и ЖБИ при избыточном давлении. Пять этапов автоклавирования, конструкции автоклавов. Вакуумирование.

Тепловлажностная обработка Ба при избыточном по сравнению с атмосферным давлении Избыточное давление в период твердения Ба оказывает большое влияние на его структуру и прочность. Например, прочность Ба, прогреваемого в формах под давлением 0,25 МПа, вы­ше, чем в обычных закрытых формах в 1,5 раза. Меха­ническое обжатие Ба в 0,005—0,01 МПа позволяет сократить цикл ТВО и увеличить прочность. Даже жесткие металлические формы, способ­ные противостоять tным и влажностным расширениям Ба, улучша­ют его механические пока­затели. И поэтому используют избыточное давление в период ТВО не только для получения силикатных и легких (теплоизоляцион­ных) Бов, но и для ТВО тяжелых Бов. В герметичной уста­новке идут идти про­цессы тепло- и массообмена в какой-то мере аналогичные наблюдаемым в установках, работа­ющих при атмосферном давлении, но в то же время и отличаются от них. Возьмем полностью герметизированную установку. Поместим в нее изделие в стальной форме. Установка оборудована системой подачи пара, систе­мой отвода конденсата, системой вакуумирования, вентилями на системах и предохранительным клапа­ном, защищающим установку от развития в ней сверх­допустимого давления. В такую установку можно, за­крыв вентиль на системе отбора воздуха, подать пар по системе, необходимое избыточное давление обычно в 1 -1,2 МПа. Тогда пар будет поступать в установку, в которой уже находится воздух. Общее давление в ней начнет возрастать. В любой момент в этом случае оно будет складываться из парциального давления пара и парциального давления воздуха. В соответст­вии с ростом давления в установке будет увеличиваться и tа. Пар, конденсируясь на мат-ле, отда­ет теплоту мат-лу, нагревает открытую поверхность и создает пленку конденсата. Одновременно нагревается и форма. Поверх­ность мат-ла будет на­греваться несколько боль­ше, чем днища формы. Из-за неравномерности tного поля возникают градиенты t, вызывающие част­ные потоки массы вследствие термовлагопроводности. Мат-л увлажняется под действием частного по­тока массы от пленки конденсата толщиной б, а от днища формы влага пе­редвигается к центру изде­лия за счет частного потока массы. Можно заме­тить идентичность с процесс нагрева Ба в открытой форме, помещенной в установку с атмосферным давлением. Однако в силу увеличения разности t в установке с давлением порядка 1-1,2 МПа, свежезагруженной мат-лом и паровоздушной смесью, перепады t и влагосод-ний при избыточном давлении значительно выше. Следова­тельно, в изделии вследствие увеличенных перепадов t и влагосод-ния при tном расширении и слоев и при набухании слоев из-за увеличенного перепада влагосод-ния возникает значи­тельно большее напряженное состояние. Однако в рас­сматриваемой установке на открытую поверхность Ба действует избыточное давление, которое вместе со стенками и днищем формы обжимает Б в процессе нагрева и позволяет получить лучшую структуру и по­высить Т.О. качество изделий. Рассмотрим теперь воздействие избыточного давле­ния, образующегося внутри мат-ла, на внутренний тепло- и массообмен. По указанным ранее причинам в мат-ле возникает избыточное давление, пропорцио­нальное tе мат-ла в каждой точке попе­речного сечения. Если при атмосферном давлении в ус­тановке это давление на поверхности релаксировалось, то в данном случае с поверхности на мат-л и через неплотности в днище будет действовать значительно большее избыточное давление, чем внутри мат-ла. Поэтому релаксации не будет, а, наоборот, с открытой поверхности давление в мат-ле может быть несколь­ко выше, чем в процессе нагрева. В установке, ра­ботающей с избыточным давлением, у днища формы Б должен характеризоваться меньшим влагосод-нием, чем в установке, работающей при атмосферном давлении. Следовательно, с точки зрения распределения влаги нагрев при избыточном давлении менее предпо­чтителен. Обработанный Б при избыточном давлении имеет лучшую структуру и более высокие прочностные показатели. Очевидно, из­быточное давление компенсирует потери в нарушении структуры, возникающие из-за большей неравномерно­сти влагосод-ний. Вакуумирование Для повышения tы и увеличения коэф-та теплоотдачи к мат-лу в установках, работаю­щих на избыточном давлении, применяют вакуумирование или продувку. И тот и другой методы рассчитаны на удаление из них воздуха и получения среды чистого пара. В этом случае достигается более высокая tа и больший коэф-т теплоотдачи к мат-лу при одном и том же давлении. Вакуумирование со­стоит в следующем. После загрузки установку гермети­зируют и включают вакуум-насосы. Вакуумирование ведут до достижения 70-75 % полного вакуума в тече­ние 10-15 мин. При этом кроме воздуха из установки удаляется и часть воздуха из Ба, что позволяет по­лучать изделия с более плотной структурой. Подача па­ра с нарастающим давлением позволяет обжимать Б и также улучшает его прочностные показатели. Другие условия создаются при продувке установки. После загрузки установка не герметизируется, оставля­ется открытой дверь, либо гидравлический затвор. В со­общающуюся с атмосферой установку начинают пода­вать пар. Пар, смешиваясь с воздухом, заполняет ее, об­разует паровоздушную смесь. Свежие порции пара постепенно вытесняют паровоздушную смесь и tа в какой-то момент при атмосферном давлении до­стигает 100 °С. После этого установка полностью герме­тизируется, подача пара для ТВО продолжается и достигает заданного значения. Продувка позволяет увеличить tу несколько больше, чем вакуумирование, так как из установки уда­ляется весь воздух, однако длится она 1-2 ч при нагре­ве до 100 °С именно тогда, когда Б нуждается в об­жатии. Обжатие после этого к положительным рез-там не приводит. Следовательно, процесс продувки вряд ли целесообразен. Во время изотермической выдержки вследствие вы­равнивания tного поля и поля влагосод-ний происходит ослабление напряженного состояния. При охлаждении из автоклава сбрасывается пар. Давле­ние в нем падает, tа снижается. Понижение tы приводит к охлаждению мат-ла (с по­верхности), сопровождающемуся испарением влаги. В мат-ле возникают градиенты tы, влагосод-ния, а по мере приближения давления к атмосферному появляется и градиент давления. Эти градиенты вызывают частные потоки массы, направленные к поверхности, аналогично про­цессу в пропарочной камере, где ТВО ведется насыщенным паром. При достижении атмосферного давления дальнейшее охлаждение также идет аналогично происходящему в пропарочной камере. Т.О., весь тепло- и массообмен, а также воз­никающее напряженное состояние при обработке паром в автоклаве (при избыточном давлении) близки по фи­зической сущности к процессам, проходящим в пропа­рочной камере при атмосферном давлении. Можно выделить пять эта­пов автоклавной обработки: Первый этап (запаривания) - от начала впуска пара до установления в автоклаве tы, равной 100° С. На этой стадии пар, как очень эффективный теплоноситель, отдает тепло. При этом чем выше давление пара, тем выше его теплосод-ние (энтальпия) и тем, следовательно, более эффективна отдача тепла. При 0,8 МПа энтальпия (суммарная) жидкости и пара состав­ляет 833 ккал/кг, при 12 - 855, при 16 - 875, при 25 - 900, при 50 - 942, при 100 МПа - 986 ккал/кг. Впуск пара является сложным и ответственным моментом автоклавизации. Обладая большей теплопроводностью, стенки автоклава, вагонетки и другие металлические предметы раньше, чем автоклавизируемые изделия, достигают tы 100° С. Так как tа поверхности изделий в этот период ниже tы водяного пара, теплообмен идет за счет конденсации водяных паров на поверхности изде­лий. На этой стадии (до 100° С) на­блюдается во всех случаях максимальный tный пе­репад как между средой и поверхностью образца, так и между поверхностью и центром образца, достигающий 30-50° С. В за­висимости от конфигурации, размера и теплопроводности tный перепад и связанные с этим напряжения могут вы­звать разрушение изделий. Второй этап начинается при t > 100°С, т. е. с момента подъема давления, и продолжается до момента достижения максималь­ного давления в автоклаве. В этот период наблюдается повыше­ние не только tы, но и давления пара. Этим второй этап существенно отличается от первого. С повышением давления ускоряется процесс теплообмена, пар под давлением проникает в поры изделия и там конденси­руется, и изделие прогревается по всему сечению. На этой стадии, перепад tы между поверхностью и центром сокращается до 3-5°, что уже не может вызвать разрушающих tных напряжений. Тем более, что к этому времени образец приобрел некоторую прочность. Третий этап - выдержка изделий при постоянных давлении и tе. Через 30…60 мин выдержки выравнивается tа по сечению изделий. Дли­тельность выдержки сокращается по мере увеличения давления. При высоких давлениях (1,6-2 МПа) даже небольшие колебания tы среды (5-7°) отражаются на tе не только поверхности, но и центра изделий. Продолжительность изотермической выдержки определяется требованиями, предъявляемыми к качеству изделия, а также в зависимости от величины давления. Длительность третьей стадии должна изменяться в соответствии с установленной закономерностью: чем выше давление, тем короче режим автоклавизации; в ряде случаев третья стадия может отсутствовать (так называемый, пиковый режим). Четвертый этап автоклавной обработки начинается с момента снижения давления. В этот момент изделие име­ет более высокую tу, чем среда, поэтому в порах, заполненных конденсатом, происходит бурное парообразование, что может вызвать разрушение. Происходит как бы самовзрыванне образца. На этой стадии в мат-ле могут появиться трещины, и для их предотвращения важно снижать давление в автоклаве как можно медленнее, не допуская резких сбросов пара. Для сокращения сроков спуска давления и с целью уменьшения влажности изделий после снижения давления рекомендуется вакуумирование автоклавного пространства в течение 1—2 ч до разрежения 50—60 МПа. В рез-те вакуумирования давление водяного пара внутри изделий становится выше автоклавного на 0,015 — 0,025 МПа, что способствует снижению tы и сушке изделий. Пятый этап условно ограничивается tой от 100 до 18-20° С, т. е. это период окончательного остывания изделии либо в автоклаве, либо после выгрузки их из автоклава. Tный перепад «изделие — среда» на пятой стадии достигает 30-40° С. Повышенная скорость остывания при этом может вызвать появление микротрещин, что влияет на механи­ческую прочность. Поэтому и этот период следует считать опас­ным в отношении целостности и механических свойств изделия. Обычно влиянию tных напряжений при подъеме давления придается излишне большое значение, так как не учи­тываются факторы,снижающие эти напряжения: конденсацию пара, которая происходит вследствие того, что при подъеме давления tа образцов ниже tы пара в авто­клаве, и экзотермические реакции гидратации, которые приво­дят к более быстрому разогреванию внутренних слоев образца. При спуске давления пара tные напряжения воз­никают в основном за счет разности t в автоклаве и в образце. Вследствие тепловой инерции образец оказывается перегретым по отношению к tе автоклава. Это приво­дит к интенсивному парообразованию в образце, что создает дополнительные напряжения, особенно на его поверхности. К пяти этапам до­бавили шестой - вакуумирование автоклавного пространства в течение 1-2 ч до разрежения 50-60 МПа., предназначенное для сокра­щения сроков спуска давления до атмосферного в автоклаве и, что особенно важно, в изделиях и с целью уменьшения влажности изделий после снижения давления. В рез-те вакуумирования давление водяного пара внутри изделий становится выше автоклавного на 0,015-0,025 МПа. Это вызывает снижение tы и способствует сушке изделий. Автоклавная обработка - разновидность тепловлажностной обработки, применяемой для ускорения тверде­ния Бов. В отличие от пропаривания, твердение Ба в автоклавах происходит в среде насыщенного во­дяного пара обычно под давлением 0,9…1,3 МПа при 175…191 °С. В последние годы доказана эффективность повышения tы водяного пара до 200…225°С. С целью повышения tы вместо насыщенного пара можно использовать перегретый пар и парогазовую смесь. Автоклавы представляют собой герметически закры­вающиеся, цилиндрические или прямоугольные сосуды, рассчитанные на рабочее давление 0,8-1,6 Мн/м². Внут­ренний диаметр современных автоклавов 3,6 м, длина корпуса 21 м, они так называемого проходного типа. В такой автоклав поезд из вагонеток заталкивается с одною конца, а через другой поело работы выгружается готовая продукция. Различают два типа таких автокла­вов: проходные и непроходные (тупиковые). В проходных крышки съемные. Изделия загружают и вы­гружают с противоположных торцов. В тупико­вых - один торец глухой, другой - со съемной крыш­кой. Изделия загружают и выгружают с одного и того же торца. Наружная поверхность корпуса и паропроводов по­крыта слоем теплоизоляционного мат-ла толщиной 10-12 см. Крышки прикреплены болтами (48 шт. на одну крышку) или быстродействующими байонетными затворами. Герметизация обеспечивается уплотняющими прокладками, в которые можно подать сжатый воздух. Для большей сохранности прокладок их в процессе ра­боты автоклава охлаждают водой. По дну автоклава уложены рельсовые пути для пере­мещения вагонеток с изделиями, которые загружают и выгружают электролебедками, толкателями и автопогрузчиками. Наиболее целесообразно перемещать сразу весь состав сцепленных между собой вагонеток. Около рельса, по всей его длине, размещена паровпуск­ная труба с отверстиями, направленными вверх. Для улучшения циркуляции среды на паропровод ставят расширяющиеся сопла Лаваля. Воздух, снижающий tу чистого насыщенного пара, удаляется в ат­мосферу через отводной клапан. Чистоту пара (отсутствие воздуха) контролируют по манометру и термометру. Если tа среды в автоклаве ниже tы насыщения пара в нем, значит пар разбавлен воздухом. Чем больше воздуха, тем больше разность t. Предохранительный клапан автоклава предотвращает превышение давления пара сверх допустимого. При ма­лейшем превышении давления в автоклаве сверх нор­мального клапан срабатывает и выпускает излишек пара. При пуске или перепуске пара из одного автоклава в другой должны быть открыты вентили для спуска кон­денсата и выпуска воздуха. После окончания пуска пара или уравнивания давления в обоих автоклавах закры­вают вентиль впуска пара на подогреваемом автоклаве и перепуска пара на охлаждаемом. При перепуске пара подъем tы должен соответствовать принятому режиму тепловой обработки. Оставшийся пар исполь­зуют на технологические нужды (подогрев воды, зап-лей и т. д.). Устанавливают автоклав на 5-8 опорах. Одна из них неподвижная, остальные подвижные, благодаря чему устраняются напряжения, возникающие в корпусе от теплового расширения. Внедрение автоклавной обработки изделий сдержи­вается высокой металлоемкостью автоклавов. Удельные затраты металла на единицу готовой продукции снижа­ются по мере увеличения оборачиваемости автоклавов и максимального использования их полезного объема. В прямоугольных автоклавахдостигается макси­мальное заполнение полезного объема. Их изготовляют из преднапряженного железоБа, обшитого внутри сварной рубашкой из листовой стали толщиной 5-10 мм, обеспечивающей паронепроницаемость ограждения. Кор­пус автоклава монтируют на фундаментной плите. Торцы закрывают крышками, которые перемещаются по направляющим, расположенным в приямках. Давле­ние достигает 0,8 Мн/м². На рис. - автоклав, состоящий из корпуса 1 с теплоизоляцией 13 и его оборудования. К оборудованию относятся две быст­ро закрывающиеся крышки 2, механизм, закрывающий и открывающий крышки 3, два предохранительных кла­пана 4, патрубок ввода пара 12, патрубок для вывода конденсата 7, патрубок для включения в вакуум-систему 10 и патрубок для перепуска пара 5. Сам корпус ус­танавливают на опоры, одна из которых закреплена не­подвижно - 11, а остальные - подвижные 8, что позволя­ет корпусу при тепловом расширении передвигаться по ним. В корпусе для загрузки вагонеток на специальных опорах смонтирован рельсовый путь 9 с колеей 1524 мм. Внизу между рельсами во всю длину корпуса вмонтиро­вана перфорированная труба 6, соединенная с патруб­ком ввода пара и предназначенная для раздачи пара в автоклаве. Производительность автоклава характеризуется дли­тельностью цикла работы и кол-вом загружаемой продукции. К садке изделий на вагонетку предъявляют большие требования. Чем больший объем изделий уда­ется разместить на вагонетке, тем экономичнее работа ав­токлава. Кол-во изделий, загруженных в автоклав, характеризуют коэф-том его заполнения. Под коэф-том заполнения понимают отношение объема загруженных изделий к объему автоклава. Цикл работы автоклава складывается из времени, необходимого на загрузку, времени, необходимого на тепловую обработку, равного времени, затрачивае­мому на периоды подъема tы, изотермичес­кой выдержки и времени то охлаждения мат-ла, а также времени на выгрузку и чистку самого автоклава. Цикл выражают в часах и для различных мат-лов он колеблется в пределах 12-18 ч. Расход пара на ТВО достаточно велик и составляет в среднем 300-400 кг на 1м3 плотных изделий. Работа автоклава заключается в следующем. На путях колеи 1520 мм в цехе формируют состав загруженных изделиями вагонов и заталкивают его в подготовленный с открытыми крышками автоклав. После загрузки и герметизации крышек можно либо включить подачу пара и начать ТВО, либо включить вакуумирование и потом начать обработку, либо, не закрывая крышек, включить подачу пара и начать продувку. Далее автоклав работает следующим образом. Сначала путем подачи пара поднимают tу до максимальной, затем осуществляется изотермическая выдержка, причем пар в это время подается только на компенсацию потерь теплоты. По окончании выдержки начинается охлаждение. Подача пара при этом отключается. Рез-том автоклавной обработки является не только ускорение твердения Бов за счет повышения скорости гидратации вяжущих, но и, что особенно важ­но, образование новых соединений Цирующих веществ - гидросиликатов кальция и магния. Синтез этих соединений при повышенных значениях tы и давления водяного пара идет в автоклавах из мат-лов, которые при обычных условиях не взаимодействуют друг с другом. Перепуск: В целях экономии пара на заводах перепускают пар из одного автоклава в другой. С появлением на предприятиях автоклавов Æ3,6 м, которые заменили авто­клавы Æ2,6 м, число работающих установок снизилось до 2-4. Поэтому перепускать пар стало затруднитель­но и на предприятиях в целях экономии расхода пара стали применять пароснабжение с дополнительной емкостью - паровым аккумулятором. В качестве парового аккумулятора используют старый автоклав малого диа­метра. Схема пароснабжения двух автоклавов с паро­вым аккумулятором показана на рис. ( I и II - автоклавы, III - паровой аккумулятор). По такой схе­ме автоклавы работают следующим образом.

По системе паропроводов 1 подается рабочий пар из системы пароснабжения предприятия. Эта система име­ет подводы к каждому автоклаву, которые на рисунке обозначены соответственно I и II. Система 3 предусмат­ривает удаление конденсата из каждого автоклава через конденсатоотделительное устройство 4 в конденсацион­ную сеть. Система 2 служит для присоединения автокла­вов к вакуум-насосу. Система 5 предназначена для отбо­ра пара из автоклавов и передачи его либо в паровой аккумулятор, либо на перепуск в другой автоклав, либо для выброса отработанного пара в атмосферу через тру­бопровод 7. Система 6 служит для перепуска пара в ав­токлавы. Назначение системы 8 - передавать пар в ем­кость-аккумулятор III или для отбора из аккумулятора. Система 9 служит для зарядки аккумулятора. Все си­стемы снабжены вентилями 10. Пусть в первом авто­клаве закончился период изотермической выдержки, который проводился при Р=1 МПа, второй автоклав только загружен и нуждается в подаче пара, рабочая емкость - паровой аккумулятор заполнен горячей водой при давлении 0,1 МПа, автоклавы предназначены для работы без вакуумирования и без продувки. Так как автоклав II нуждается в паре, а из автоклава I надо отбирать пар, то перепускают пар из I автоклава во II. Для этого открывают вентили а, б, в и г. Все остальные должны быть закрыты. Тогда автоклавы I и II окажутся соединенными между собой через систему 5 (вентиль а) и систему 6 (вентили б и в) и вентиль г, обеспечива­ющий подачу пара в автоклав II через перфорирован­ную трубу. Путь пара показан пунктирной линией.

Если бы емкости были соединены без сопро­тивления и объем их был бы одинаковым, то давление в них установилось бы одинаковое и равное = 0,55 МПа. В нашем случае ав­токлавы имеют одинаковый объем и одинаковый коэф-т загрузки К. Соединены они через систему тру­бопроводов, представляющую собой сопротивление DР. Следовательно, к концу времени перепуска в I авто­клаве установится давление (0,55+DРI/2) МПа, а во II ав­токлаве давление за счет перепуска пара составит (0,55 - DР/2) МПа. Больше пара во II автоклав из первого перепустить невозможно, поэтому закрывают вентили б и г, а открывают вентиль д и начинают впуск во II автоклав пара из сети, чтобы соз­дать необходимое давление в 1 МПа. В первом автоклаве еще остался пар под давлением (0,55 + +DРI/2) МПа, а в паровом аккумуляторе - 0,1 МПа. Следовательно, можно из автоклава I перепус­тить часть пара в аккумулятор. Для этого открывают вентиль е. Автоклав окажется соединенным через систе­му паропроводов 5 и 8 и вентили а и е с аккумулятором. Акку­мулятор по объему значительно меньше автоклава и пар из автоклава вряд ли может вместиться в него. Для это­го аккумулятор заполняют горячей водой и трубу, куда подается пар, опускают в воду. Пар поступает в аккуму­лятор, проходит через воду и отдает теплоту парообра­зования, а сам конденсируется, при этом его объем умень­шается примерно в 10 раз. Т.о., не только из одного, а из двух и более автоклавов пар можно вместить в аккумулятор. Остав­шийся пар в автоклаве через систему 5 и 7, открывая вентили а и ж, выбрасывают в атмосферу. Так, перепус­кая пар из автоклава в автоклав, из автоклава в паровой аккумулятор, из парового аккумулятора в автоклав, (при этом конденсат расширяется и превращается снова в пар) можно экономить до 10-15 % пара.