Массо- и теплообмен при тепловлажностной обработке

1.

МАССО И ТЕПЛООБМЕН ПРИ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ
ОБРАБОТКЕ
Выполнил: Мусабек Н.К
Проверила: Байсариева А.М

2.

Тепловлажностная обработка бетона насыщенным паром — основной способ, который позволяет создать
влажностные условия нагрева и сохранить влагу затворения в материале. По этой причине именно
данный способ применяется на большинстве заводов. Чтобы представить себе процессы, проходящие в
установке и материале при тепловлажностной обработке, на первом этапе изучения предположим, что
свежесформованный бетон после предварительной выдержки набрал какую-то начальную прочность,
которая позволяет подвергать его обработке без формы и поддона.
Бетон в виде модельного параллелепипеда 2 (см. схему приведенную на рис. 1.2) поместим в
установку 1 и обозначим локальную температуру и влагосодержание материала соответственно на
поверхности tп.м и Uп.м и в центре tц.м и UЦМ. В установку подадим пар П и из установки будем выводить
конденсат К. Пар будет отдавать теплоту парообразования, нагревать поверхность материала и тепловую
установку за счёт конденсации на поверхностях материала и установки. Этот процесс, как уже было
сказано, называется процессом внешнего, по отношению к материалу и установке, тепло- и массообмена.
Рассмотрим процесс внешнего тепло- и массообмена между паром и материалом.

3.

Внешний тепло- и массообмен при непосредственном соприкосновении насыщенного пара с материалом.
Внешний тепло- и массообмен определяет условия взаимодействия насыщенного пара, который подается
в установку, и изделия, подвергаемого тепловлажностной обработке. От условий взаимодействия
насыщенного пара с изделием зависит скорость нагрева изделия и степень его увлажнения с
поверхности, а также температурное поле в установке для тепловлажностной обработки изделий. Для
анализа условий внешнего тепло- и массообмена по боковой и нижней граням материала (см. схему на
рис. 1.2) проведем оси координат X—У.
Рисунок -1.2 Схема
установки для
тепло-влажностной
обработки (период
нагрева и
изотермической
выдержки)

4.

Внешний тепло- и массообмен при нагреве материала.Отложим на оси X (рис. 1.3, а) расстояние от
материала до стенки установки, а на оси У, по поверхности материала,— давление в установке Р. До
поступления пара в установке находился воздух, поэтому давление в ней, в случае если она не полностью
герметична, будет равно атмосферному Ру. Подадим пар в установку (условие неполной герметичности
сохраняется). В этом случае общее давление в установке Ру по-прежнему должно быть равно атмосферному
и будет складываться из парциального давления водя ного пара Р'п и парциального давления воздуха Р'в
(1.1)
Поступающий пар, попадая на более холодную поверхность материала, конденсируется. В силу смачивания
поверхности на ней образуется пленка конденсата толщиной б, поверхность нагревается и ее температура
tn.M возрастает, стремится к температуре паровоздушной смеси tп.с. Вместе с паром к поверхности, где он
конденсируется, поступает воздух. Парциальное давление пара у этой поверхности снижается до Р"п при
общем неизменном давлении в установке. Парциальное давление воздуха здесь возрастает до Р"в. Это
можно описать уравнением
(1.2)

5.

При этом РП>РП , а Р'В<РВ- В соответствии с парциальным давлением пара на поверхности материала Р'п на
стороне пленки, обращенной к паровоздушной смеси (рис. 4.3,6), будет температура t/ж, приближающаяся к
температуре насыщения tн при парциальном давлении пара Р"п. При толщине пленки конденсата на
поверхности материала δ удельный поток теплоты qт к материалу будет равен
(1.3)
верхности материала в координате времени.
Необходимо отметить, что пленка конденсата на поверхности материала резко снижает коэффициент теплоотдачи а, следовательно, и удельный поток теплоты к материалу от паровоздушной смеси. За все время
нагрева материала паром удельный поток массы пара, конденсирующегося на поверхности, можно
определить по формуле Н. Б. Марьямова
(1.4)
где рт — коэффициент массообмена при конденсации; Рп — парциальное давление водяного пара в
установке; Рп —парциальное давление пара у поверхности изделия.

6.

Рядом исследований доказано, что рт — коэффициент массообмена при конденсации водяного пара из паровоздушной смеси близок к коэффициенту массообмена при испарении с поверхности жидкой
пленки ат, (рт~ ~0,97сст), в связи с этим в расчетах обычно из-за трудностей определœ
ения рт находят ат и к его
значению приравнивают рт.
Коэффициент массообмена ат при испарении для условий естественной конвекции определяют по критериальной зависимости ат = 0,618 Ат°-шХ'//Т (при Аг = от 1,33-104 до 4-108), (11.5)
где Аг — критерий Архимеда; F — поверхность испарения (конденсации); X' — коэффициент
массопроводности.
Коэффициент массопроводности подсчитывают по формуле
(1.5)
где К — коэффициент диффузии для водяного пара в воздух при нормальных условиях или коэффициент
потенциалопроводности для влажного газа; μп—молекулярная масса пара, р,п=0,018 кг/моль; Тср — средняя
абсолютная температура условного пограничного слоя; То — абсолютная температура; Rμ—универсальная
газовая постоянная; В0 — барометрическое давление при нормальных условиях; В — барометрическое
давление воздуха.

7.

Внешний тепло- и массообмен в период изотермической выдержки.Изотермическая выдержка начинается смомента достижения поверхностью материала температуры паровоздушной среды в установке. В это
время центральные слои материала продолжают еще какое-то время нагреваться за счёт тепловой энергии
конденсирующегося на изделии пара. Сама установка тоже за счёт потерь в окружающую среду требует подвода тепла, равного потерянному количеству тепловой энергии. При этом вследствие экзотермии цемента
внутренние слои изделия приобретают температуру, несколько превышающую температуру паровоздушной
среды установки (на 2—5°С), Р"п становится Р'п, и с поверхности материала начинает испаряться влага. За
счёт расхода тепловой энергии на поверхности удерживается температура, равная температуре
паровоздушной среды установки. К концу изотермической выдержки пленка конденсата с поверхности
материала полностью испаряется, а сам материал теряет значительное количество влаги.
По данным Л. А. Малининой, В. М. Семенова, Н. Б. Марьямова, количество влаги, набранной материалом в
период подогрева, оценивается в 2—3 % от воды затворения бетона, а количество потерянной в период
изотермической выдержки — в 1,0—1,5%, считая от воды затворения. Следовательно, в начале изотермической выдержки происходит еще конденсация подводимого пара и на изделии, и на поверхностях установки. В
остальное, значительно большее время изотермической выдержки, испаряется влага с поверхности изделия,
на что расходуется кроме теплоты экзотермии цемента и теплота пара. Вместе с тем, тепловая энергия пара
восполняет потери тепла в окружающую установку среду. Удельный поток теплоты, отдаваемый материалу
паром при конденсации и от паровоздушной смеси, должна быть подсчитан по формулам (1.4) и (1.5).

8.

Удельный поток массы-влаги qWB, испаряемой с поверхности в период изотермической выдержки, находят
по формуле
(1.6)
где αm — коэффициент массообмена при испарении; Рп"—парциальное давление пара у поверхности
изделия при температуре мокрого термометра; Рп' —парциальное давление водяного пара в установке; Во — барометрическое давление при нормальных физических условиях; В' — барометрическое
давление, существующее в установке.
Коэффициент массообмена при испарении ат определяют по формуле (12.6). Удельная
теплота qm, затрачиваемая на испарение, должна быть подсчитана с некоторым приближением, как
произведение теплоты парообразования г на удельную массу испаряемой влаги qm (здесь не учтен расход
энергии на преодоление сил, удерживающих влагу на поверхности материала)
q=rq =r<x(1.7)
Приведенные формулы позволяют определить удельные потоки массы и теплоты и описывают таким образом условия внешнего тепло- и массообмена в период изотермической выдержки.

9.

Внутренний тепло- и массобмен при тепловлажностной обработке.
Как было показано при рассмотрении внешнего тепло- и массообмена по периодам подогрева, изотермической
выдержки и охлаждения изменяется температура tПM и влагосодержание Uпм поверхности материала. Эти
изменения влекут за собой обязательную передачу теплоты и массы внутри изделия, в связи с этим дальнейшей
задачей курса является изучение условий распространения теплоты и массы внутри материала, а также их
влияния на структурообразование, происходящее в материале в различные периоды тепловлажностной
обработки.
Внутренний тепло- и массообмен в период нагрева материала. Рассматривается образец материала в виде
модельного параллелепипеда, не заключенный в форму (открытый со всех сторон) (см. рис. 11.2). Как было
установлено при рассмотрении внешнего тепло- и массообмена, вследствие конденсации пара поверхность материала получает теплоту и влагу, за счёт которых нагревается с увеличением влагосодержания. По сечению
образца создается перепад температур и влагосодержаний
а и г — соответственно линии изопотенциальных поверхностей температур и
влагосодержаний; б — схема образования градиента температур VT и потока
Рисунок 11.3 - Схема
возникновения в
материале градиентов
температур и влагосодержаний

10.

Рисунок 1.4 - Схема определœ
ения количества
влаги, испаряемой в пузырек воздуха
tср φср- соответственно температура и
относительная влажность среды, из которой
забран пузырек воздуха; dП(τ)—
влагосодержание
В начальный момент времени то воздух в пузырьке характеризовался параметрами среды цеха tcp и
φср(точка А). Ко времени ti воздух ассимилирует с поверхности водяной пленки влагу по /-const до φ= 100 %
(точка В). При этом количество влаги, испарившейся в пузырек воздуха, составит: Ad= = dn{Ti)—dn(T j. В
процессе обработки материал нагревается вместе с воздухом предположим до
температуры ti (точка С). Нагрев паровоздушной смеси в пузырьке до h будет идти по прямой ВС. При этом
ф воздуха в пузырьке снизится до фс, и влажный воздух опять приобретает способность к моменту времени
тз ассимилировать влагу по линии СД до ф= 100 %. При этом количество влаги, испарившейся в пузырьке,
составит: Adi = dn(x)—dn(T). Зная количество испарившейся влаги в материале, можно определять избыточное
давление в различных сечениях материала.

11.

Следовательно, внутри бетона при тепловлажностной обработке в процессе нагрева возникает, как
установлено, избыточное давление. Так как в установке для тепловлажностной обработки в
рассматриваемом случае, а следовательно, и на поверхности бетона давление атмосферное, то между
центральными слоями бетона и его поверхностью создается перепад давлений DР. Разность давлений по
аналогии с ранее разобранным случаем для частных потоков qBmu и qBmt приводит к появлению частного
потока влаги в материале qBmp. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в период нагрева открытого со всех сторон материала во
время тепловлажностной обработки возникают три частных потока влаги qBmu , qBmt и qBmpсоставляют
общий поток влаги в материале qBm . Влага, передвигаясь с поверхности внутрь материала, вытесняет из
него воздух и занимает его место. Удаляясь из материала, влага замещается воздухом, поступающим из
окружающей среды. По этой причине в материале все время в процессе тепловлажностной обработки
движутся потоки влаги и воздуха, происходит так называемый массообмен или массоперенос. По этой
причине нагрев при тепловлажностной обработке бетона сопровождается процессами тепло- и
массообмена.