Классификация основных процессов в технологии производства строительных материалов и изделий

Классификация основных процессов в технологии производства строительных материалов и изделий

Классификация основных процессов в технологии строительных материалов может быть проведена по различным признакам.

В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов:

1) механические (скорость определяется законами механики твёрдых материалов);

2) гидродинамические (скорость определяется законами гидродинамики);

3) тепловые (скорость определяется законами теплопередачи);

4) массообменные (скорость определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую);

5) химические (скорость определяется законами химической кинетики).

По способу организации:

1) периодические;

2) непрерывные;

3) комбинированные.

В зависимости от изменения параметров во времени:

1) динамические;

2) стационарные.

По направлению взаимодействующих потоков:

1) прямоточные;

2) противоточные.

Основные параметры о гидродинамических, тепловых, массообменных и механических процессах

В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов:

Механические

Основой является механическое воздействие на исходные материалы, описываемые законами механики твёрдых материалов. К механическим процессам относятся измельчение твёрдых материалов, классификация (измельчение) сыпучих материалов, смешение и транспортировка твёрдых компонентов, формование изделий.

Гидродинамические

Скорость определяется законами гидродинамики – науки о движении жидкостей и газов. К ним относятся перемещение и перемешивание жидкостей и газов, разделение жидких неоднородных систем под воздействием сил тяжести (гравитационных сил) и центробежных (отстаивание, центрифугирование), а также движение твёрдых тел в жидкости или газе, псевдоожижение твёрдого зернистого материала.

Тепловые

Скорость определяется законами теплопередачи – науки о способах распределения теплоты. Сюда относят процессы нагревания, выпаривания, охлаждения, конденсации.

Массообменные

Скорость определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К ним относятся адсорбция, абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация.

В технологии строительных материалов тепловые и массообменные процессы протекают, как правило, одновременно. Поэтому их нередко объединяют в одну группу. Типичным примером таких процессов является сушка.

Химические

Связаны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Получение многих строительных материалов связана с различными химическими превращениями исходных компонентов (гидратация при твердении цемента, декарбонизация при получении извести, полимеризация).

Скорость этих процессов определяется законами химической кинетики.

Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов

Основы теории подобия и моделирования систем процессов и аппаратов.

Теоремы подобия

1. По Ньютону: Подобные явления имеют численно одинаковые критерии подобия.

По Кирпичеву М.В.: У подобных явлений индикаторы подобия равны "1".

2. Количественные результаты опытов нужно представлять в виде уравнений выражающих зависимость между критерием подобия процесса, т.е. что любая зависимость между переменными характеризующей какое-либо явление может быть представлена в форме зависимости между критериями подобия составленными из этих элементов:

f(k₁,k₂,...,k_n)=0 - подобные зависимости называются критериальными уравнениями, в эти уравнения помимо критерия подобия могут входит симплексы, или так называемые параметрические критерии, представляющие собой отношение двух однородных величин.

В отличии от критериев подобия, составляемых из не однородных величин и называемых критериями-комплексами, критерии-симплексы получаются не как результаты обработки основных уравнений, а вытекают соответственно из подстановки задачи. Например если:

параметрический критерий или симплекс.

3. М.В. Кирпичева, А.А. Глухмана трактует о тех условиях, которые необходимы и достаточны для подобия двух явлений.

В соответствии с ней два явления подобны если они имеют подобные условия однозначности, и численно одинаковы определяющие критерии подобия.

Определяющими критериями подобия называют критерии которые составлены из параметров входящих в условия однозначности.

Условия однозначности: Понятие подобия применимо к таким физическим явлениям, которые качественно одинаковы как по форме, так и по содержанию, т.е. имеют одну физическую природу, развиваются под действием одинаковых сил и описываются одинаковыми по форме ДУ и краевыми условиями (условиями однозначности). В противном случае явления будут называться аналогичными, пример: теплопроводность и диффузия (аналогичны т.к. у них совершенно разная физическая природа).

Условия однозначности дают математическое описание всех частных особенностей рассматриваемой задачи и включают:

1. геометрические условия - определяющие размеры и форму тела или системы тел, где протекает процесс.

2. фактические свойства среды существенные для рассматриваемого процесса.

3. граничные условия которые описывают особенности процесса протекающего на границах системы с окружающей средой.

4. временные условия, показывающие особенности протекания рассматриваемого процесса во времени, для стационарных процессов временные условия отпадают.

Условия однозначности заданные в виде конкретных числовых значений в соединении с диф уравнением выделяют из всего класса процессов один конкретный процесс.

В этом случае решением диф. уравнения, если его удается получить справедливо только для заданных численных условий однозначности.

Естественно, что равенство определяющих критериев подобия влечет за собой равенство всех остальных критериев в состав которых входят величины не предусмотренные условиями однозначности, так называемых не определяющих критериев. Т.о. каждый из не определенных критериев будет представлять собой однозначную функцию совокупности определяющих критериев. Т.е. если k₁, k₂, k_n - определяющие критерии, а k - не определяющий, то: k=f(k₁,k₂,...,k_n).

Это положение имеет большое значение для данных опыта, и представляет собой центральное звено всей теории подобия.

Теория подобия позволяет полно ответить на вопрос о том, как надо ставить эксперимент, что нужно изменять во время опыта, как нужно обрабатывать полученные результаты, и какие явления будут подобны изученным.

Во время опыта нужно измерять все те величины, которые входят в критерий подобия (это вытекает из первой теории подобия). Результат подобия следует обрабатывать в форме критериальных уравнений, при этом определяющие критерии являются аргументами, а не определяющие - функциями (эта составляющая второй теоремы подобия). На вопрос о том какие объекты будут подобны исследуемому отвечает теорема Кирпичева-Гухмана.

Для удобства критериальные уравнения представляют в форме степенной зависимости:

Это обусловлено тем, что в логарифмических координатах степенная зависимость изображается прямой линией, при этом показатель т определяется как тангенс угла наклона прямой, а коэффициент с - как отрезок оси абсцисс.

 

 

Степень дробления

Можно выразить как отношение размера наибольшего куска исходного материала к размеру наибольшего в готовом продукте

Наиболее точно степень дробления определяется соотношением средневзвешанных размеров кусков и исходного материала

Где … - средние размеры отдельных фракций ситового анализа, определяемые как полусумма размеров отверстий 2ух сит – ближайшего верхнего, через которые прошли бы все зерна и ближайшего нижнего на котором бы задержались.

Число стадий дробления на перерабатывающих предприятиях назначают исходя из требуемой степени дробления с учётом степеней измельчения конкретных машин.

Схемы циклов измельчения

1.Открытый цикл

2.Открытый цикл с предварительной классификацией

 

3.Замкнутый цикл

Комбинированная схема

Сортируемый материал поступает на сито с отверстиями среднего размера. Продукт верхнего класса дальше сортируется по 2-й схеме, а нижнего класса по 1-й схеме.

 

Перемешивание материалов.

Формование изделий.

Центробежный способ (центрифугирование). Две основные стадии центрифугирования (распределение и уплотнение бетонной смеси). Скорости вращения центрифуги на стадиях распределения и уплотнения бетонной смеси. Схемы центрифуг.

Под центрифугированием (труб, опор для линий электропередач и т. д.) в промышленности строительных материалов понимают процесс уплотнения неоднородных смесей в поле центробежных сил.

Неравноплотность: более крупные зерна за счет большей центробежной силы при­жимаются к наружной поверхности, а мелкие зерна концентрируются ближе к внутрен­ним слоям. Поэтому центрифугированные массы в отличие от вибрированных имеют меньшую однородность распределения зерен заполнителя по толщине изделия. Этот органический недостаток центрифугированных масс может быть устранен при послойном уплотнении.

При малых толщинах последовательно загружаемых и уплотняемых слоев отдельные фракции заполнителя распределяются в них более равномерно. В процессе уплотнения последующего слоя крупные зерна заполнителя внедряются во внутреннюю часть предыдущего слоя и вытесняют более дисперсную часть связующего во внешнюю часть второго слоя. Аналогичные явления происходят и при уплотнении последующих слоев. В результате достигается более равномерная структура смеси по толщине изделия. Число слоев при раздельном их уплотнении при прочих равных условиях зависит от толщины стенки: чем она больше, тем больше должно быть уплотняемых слоев. По­слойный способ формования целесообразно применять к смесям, имеющим большую разницу в массах отдельных частиц (например, бетонные смеси) и нежелательно для смесей, масса отдельных частиц которых близка по величине.

Для центрифугирования применяют подвижные бетонные смеси с ОК = 4...8 см и расходом цемента 350...450 кг/м³. Наибольшая крупность заполнителя не должна пре­вышать 15...20 мм. При центрифугировании, как отмечено выше, часть воды отжимается из бетона. Так, при первоначальном В/Ц = 0,3; 0,45; 0,6 остаточное В/Ц будет соответственно 0,26; 0,34; 0,36 и затвердевший бетон имеет высокую плотность (водопо-глощение не более 3%).

Уплотнение смеси методом центрифугирования производят в специальных маши­нах, называемых центрифугами. По способу закрепления форм различают центрифуги роликовые со свободным вращением форм, ременные с подвеской формы на бесконечных ремнях, огибающих холостые и приводные шкивы, и осевые или шпиндельные (рис. 1, II).

Осевые центрифуги (рис. 4.1, в) имеют высокие скорости вращения и позволяют уплотнять более жесткие смеси. Недостаток их - сложность конструкции и трудность загруз­ки смеси в форму. Применяются они для производства относительно коротких изделий.

Роликовые центрифуги (рис. 4.1 а) проще в изготовлении, однако их недостаток -значительный шум при работе. Кроме того, они требуют высокой степени сбалансированности формы, в противном случае возможно сбрасывание формы со станка.

Ременные центрифуги (рис. 4.1, б) менее чувствительны к балансировке форм, менее шумны при работе, но требуют повышенного ухода из-за износа ремней.

Уплотнение смеси следует производить при такой скорости вращения, которая обеспечивает необходимую начальную прочность изделия, достаточную для транспор­тировки его в формах на последующие технологические посты (например, в пропарочные камеры).

На рис. 4.2 показана схема силового воздействия на частицу, находящуюся в поле центробежных сил.

F_Ц – центробежная сила; G –вес частицы; m – ее масса, ω – угловая скорость вращения; r – радиус вращения центра тяжести частицы.

Процесс формования изделий центрифугированием включает две основные стадии:

- распределение бетонной смеси;

- уплотнение бетонной смеси.

Бетонная смесь распределяется в форме при минимальной частоте вращения центрифуги , при которой исключается возможность расслоения бетона на состав­ные части (цемент, песок, щебень, воду), имеющие разную плотность, а, следовательно, и разную величину центробежной силы. Кроме того, на этой стадии окружная скорость способна удерживать частицы бетона в верхнем положении. Для этого должно быть со­блюдено условие F _Ц ≥ G, где центробежная сила определяется по формуле:

Здесь m - масса частицы; r - радиус вращения центра тяжести частицы, м; g - ускорение силы тяжести, м/с²; n - частота вращения центрифуги, об/мин.

Отсюда

Если принять, что , то получим:

С учетом возможной вибрации, толчков и других отклонений от равномерного вра­щения реальная скорость распределения увеличивается по сравнению с расчётной в 1.5...2 раза.

На второй стадии формования происходит уплотнение бетонной смеси. Частота вращения центрифуги на стадии уплотнения равна:

С учетом запаса n_упл принимается в 1,5…2 раза больше .

 - уплотняющее давление, необходимое на наружной поверхности трубы (для транспортировки).

R, r – внешний и внутренний радиус формуемой трубы.

Движение тел в жидкостях

Законы движения твердых тел в жидкости или обтекание жидкостью твердой поверхности тел имеет важное значение для расчетов многих аппаратов, применяющихся при производстве СМ.

При обтекании твердого тела потоком жидкости или при движении твердого тела в покоящейся жидкости возникают жидкодинамические сопротивления. Эти сопротивления проявляются в непосредственной близости от самого тела и определяется действием силы вязкости и сил, возникаемых разностью давлений.

 

Материальный баланс сушки

m₁, m₂– количество влажного материала, поступающего в сушилку, и высушенного материала соответственно, кг/с

U₁, U₂ – влажность материала (U₁ и U₂ весовых долей соответственно)

W – количество испарённой влаги, кг/с

Материальный баланс по всему количеству материала: m₁=m₂+W, кг/с (1)

Баланс по абсолютно сухому веществу, количество которого не меняется в процессе сушки: mсух=m₁·(1-U₁)= m₂·(1-U₂) (2)

Из (1) и (2) определяют m₂ и W.

Для теплового расчёта сушилки необходимо знать расход воздуха на сушку, который определяется из баланса влаги. Если на сушку расходуется L кг абсолютно сухого воздуха, причём влагосодержание влажного воздуха в сушилке на входе Х₀ кг/кгсух.в., а сухого – Х₂ кг/кгсух.в., то с воздухом поступает (L·X0) кг влаги, с отработанным воздухом – (L·X2) кг, из материала испаряется W кг влаги. Тогда баланс влаги в сушилке: L·X₂=L·X₀+W.

Расход воздуха составляет: L=W/(X₂-X₀)

Удельный расход воздуха (на 1 кг влаги): l=L/W=1/(X2-X0), кгсух.в/кгвл (3)

Из (3) видно, что l зависит только от разности влагосодержаний отработанного и свежего воздуха. Расход воздуха тем выше, чем выше его Х₀, которое определяется температурой и относительной влажностью воздуха. Расход воздуха при других условиях выше.

Расход воздуха в летних условиях больше, чем в зимних, и устройства для перемещения воздуха (вентиляторы, газодувки) необходимо выбирать по расходу на самый тёплый месяц года. Значение t₀ и φ₀ зависят от условий района, где работает сушилка.

 

Тепловой баланс сушки

С, Св, С₂,Ст – средние удельные теплоёмкости: сушильного агента (на 1 кг сухого); влаги, удалённой из материала; высушенного материала; транспортных устройств сушилки, Дж/(кг·⁰С).

t₀, t₂ – температура сушильного агента до и после сушилки, ⁰С

θ₁, θ₂ – температура материала на входе и выходе из сушилки, ⁰С

mт – масса транспортных устройств, кг

 – температура транспортных устройств на входе и выходе из сушилки,  ⁰С

 – энтальпия водяного пара в свежем и отработанном виде, Дж/кг

Баланс тепла:

1) приход тепла: L·C·t₀

2) с высушенным материалом: m₂·C₂·θ₁

3) с влагой, испаряемой материалом: W·Св·θ₁

4) физическое тепло транспортных устройств: mт·Cт·

5) подводимое тепло: Q=Qн+Qдоб, где Qн – тепло нагревания сушильного объекта (в воздухонагревателе или топке), Qдоб – дополнительное тепло в сушильной камере (от дополнительных воздухонагревателей)

Расход тепла:

1) в сушильном агенте: L·C·t₂

2) с высушенным материалом: m₂·C₂·θ₂

3) с влагой, испаряемой материалом: W·

4) физическое тепло транспортных устройств: mт·Cт·

5) потери тепла в окружающую среду: Qп

Классификация основных процессов в технологии производства строительных материалов и изделий

Классификация основных процессов в технологии строительных материалов может быть проведена по различным признакам.

В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов:

1) механические (скорость определяется законами механики твёрдых материалов);

2) гидродинамические (скорость определяется законами гидродинамики);

3) тепловые (скорость определяется законами теплопередачи);

4) массообменные (скорость определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую);

5) химические (скорость определяется законами химической кинетики).

По способу организации:

1) периодические;

2) непрерывные;

3) комбинированные.

В зависимости от изменения параметров во времени:

1) динамические;

2) стационарные.

По направлению взаимодействующих потоков:

1) прямоточные;

2) противоточные.