Инфракрасный, индукционный и конвективный нагрев

Инфракрасный нагрев основан на передаче лучистой энергии от генератора инфракрасного излучения нагреваемым поверхностям через воздушную среду. На облучаемой поверхности поглощенная энергия инфракрасного спектра преобразуется в тепловую и благодаря теплопроводности бетона распространяется по толщине нагреваемой конструкции. Метод реализуется посредством автономных (от конструкции и опалубки) инфракрасных прожекторных установок (ИПУ), работающих на электроэнергии.

К преимуществам метода относятся: отсутствует необходимость в переоборудовании опалубки для установки нагревательных элементов, возможность выполнять вспомогательные операции (отогрев промороженного основания или стыков ранее уложенного бетона), удаление наледи на арматуре и в заопалубленном пространстве, возможность прогревать конструкцию параллельно с бетонированием, сохраняя ранее внесенную тепловую энергию, возможность за суточный цикл термообработки получить до 70% проектной прочности бетона.

При инфракрасном нагреве используют способность инфракрасных лучей поглощаться телом и трансформироваться в тепловую энергию, что повышает теплосодержание этого тела.Инфракрасное излучение осуществляют нагревом с помощью электрического тока твердых тел. В промышленности для этих целей применяют инфракрасные лучи с длиной волны 0,76... 6мкм, при этом максимальным потоком волн данного спектра обладают тела с температурой излучающей поверхности 300...2200ºС.

Теплота от источника инфракрасных лучей к нагреваемому телу передается мгновенно, без участия какого-либо переносчика теплоты. Поглощаясь поверхностями облучения, инфракрасные лучи превращаются в тепловую энергию.От нагретых таким образом поверхностных слоев тело прогревается за счет собственной теплопроводности.

Для бетонных работ в качестве генераторов инфракрасного излучения применяют трубчатые металлические и кварцевые излучатели. В зависимости от температуры на поверхности нагревателей они подразделяются на две группы:

высокотемпературные нагреватели с температурой на поверхности выше 250ºС – лампы, трубчатые, спиральные, проволочные, кварцевые и др. Карборундовые излучатели имеют мощность до 10 кВт/ч, а их рабочая температура достигает 1300...1500ºС. Расход электроэнергии 120...200 кВт/ч, максимальная температура разогрева бетона 80...90ºС.

низкотемпературные нагреватели с температурой на поверхности ниже 250ºС – плоские, трубчатые и струнные. Расход электроэнергии 100...160 кВт/ч, максимальная температура разогрева бетона 60...70ºС.

Для создания направленного лучистого потока излучатели заключают в плоские или параболические рефлекторы, отражатели алюминиевые или из оцинкованной стали, позволяющие до 80% излучаемой энергии передавать направленно.

Инфракрасный нагрев применяют при следующих технологических процессах: отогреве арматуры, промороженных оснований и бетонных поверхностей; тепловой защите укладываемого бетона; ускорении твердения бетона при устройстве междуэтажных перекрытий, возведении стен и других элементов в деревянной, металлической или конструктивной опалубке. Способ инфракрасного прогрева применяют в тонкостенных конструкциях с большим модулем поверхности – стен, высотных сооружений бетонируемых в скользящей опалубке (элеваторы, силосы и т.п.), плит, балок. Его применяют также для отогрева замерзшего бетона в рабочих швах бетонирования, отогрева арматуры и поверхности опалубки-облицовки перед укладкой в нее бетонной смеси.

Оптимальное расстояние между инфракрасной установкой и обогреваемой поверхностью 1,0...1,2 м. Температура на поверхности бетона не должна превышать 80...90ºС. Чтобы исключить интенсивное испарение влаги из бетона, открытые его поверхности закрывают полиэтиленовой пленкой, пергамином или рубероидом. Инфракрасный прогрев обеспечивает хорошее качество термообработки бетона, не требуется дополнительного металла на электроды.

Прогрев бетона с помощью инфракрасных лучей обычно делят на три периода: выдержка уложенного бетона и его разогрев до оптимальной температуры, изотермический прогрев при этой температуре и остывание.

Электроэнергия для инфракрасных установок поступает обычно от трансформаторной подстанции, от которой к месту производства работ прокладывают низковольтный кабельный фидер, питающий распределительный шкаф. От шкафа электроэнергию подают по кабельным линиям к отдельным инфракрасным установкам.

Бетон обрабатывают инфракрасными лучами при наличии автоматических устройств, обеспечивающих заданные температурные и временные параметры путем периодического включения-выключения инфракрасных установок.

Инфракрасный прогрев экономичнее других методов зимнего бетонирования – стержневого электропрогрева, одностороннего и двухстороннего периферийного, метода «горячего термоса» в диапазоне изменения модуля поверхности М_п от 7 до 20.

Недостатком технологии инфракрасного прогрева является значительная трудоемкость метода, связанная с переносом, расстановкой и подключением к электрической сети технических средств – инфракрасных прожекторных установок (ИПУ), необходимость создания замкнутого изолированного объема для сокращения затрат тепловой энергии, а также высокий удельный расход электроэнергии 80...120 кВт-ч/м³ прогретого бетона.

Индукционный прогрев основан на использовании тепла, выделяемого в арматуре или стальной опалубке, находящейся в электромагнитном поле катушки индуктора, по которой протекает переменный электрический ток. При индукционном прогреве энергия магнитного поля преобразуется в тепловую в арматуре или стальной опалубке, и за счет теплопроводности передается бетону.

Для создания индукции по наружной поверхности опалубки последовательными витками укладывается изолированный провод-индуктор. Переменный электрический ток, проходя через индуктор, создает переменное электромагнитное поле. Электромагнитная индукция вызывает в находящемся в этом поле металле (арматуре, стальной опалубке) вихревые токи, в результате чего арматура (стальная опалубка) нагревается и от нее (кондуктивно) нагревается бетон. В зависимости от типа бетонируемой конструкции применяют две схемы:

индуктивной катушки с железом, располагаемая с наружной стороны опалубки;

трансформатора с сердечником, при расположении внутри бетонируемой конструкции.

Метод индуктивного прогрева позволяет:

* отогревать арматуру при отрицательных температурах и ранее уложенный и замороженный бетон, примыкающий к возводимой конструкции;

* использовать круглый год инвентарную металлическую опалубку;

* увеличить оборачиваемость деревянной опалубки;

* исключить расход стали на электроды.

Рекомендуемый порядок выполнения работ включает навивку индуктора (в качестве индуктора используют изолированные провода с медными или алюминиевыми жилами), подключение к электрической сети, предварительный отогрев арматуры и металлической опалубки в течение 5...10 мин.

После этого укладывают бетонную смесь в конструкцию и осуществляют ее постепенный прогрев до максимальной температуры 90...95ºС, при максимальной скорости разогрева до 20º/ч, расход электроэнергии составляет при этом 120...150 кВт/ч.

Интенсивность термообработки при индукционном прогреве не зависит от электрофизических свойств бетона, а определяется электрическими и магнитными свойствами опалубки, напряженностью магнитного поля.

По условиям безопасности индукционный прогрев ведут на пониженном напряжении от 36 до 12 вольт. При обеспечении надежной изоляции напряжение можно повысить до 220...380 вольт. Режимы прогрева рекомендуют применять те же, что и при инфракрасном прогреве, максимальная скорость подъема температуры не должна превышать 15º/ч. Оптимальные модули поверхности М_п от 5 до 20.

Достоинством метода является простота конструктивного решения и качество прогрева конструкций за счет значительного их армирования, благодаря чему обеспечивается равномерное по сечению и длине конструкций температурное поле. Применение метода требует специальных знаний и расчетов, а также изготовления оснастки для каждого конкретного случая применения указанного метода зимнего бетонирования.

При конвективном способе обогрева передача тепла от источников тепловой энергии нагреваемой конструкции происходит через воздушную среду путем конвекции. Технологическое решение данного способа обогрева может быть реализовано в замкнутом пространстве с применением технических средств (электрокалориферов, газовых конвекторов и др.), преобразующих различные энергоносители (электроэнергия, газ, жидкое и сухое топливо, пар и др.) в тепловую энергию. Способ применим для прогрева тонкостенных стеновых конструкций и перекрытий.

Достоинства метода в незначительной трудоемкости подготовительного периода – устройстве замкнутого объема вокруг прогреваемой конструкции посредством инвентарных ограждений или пологов, например из брезента. К недостаткам относятся значительные тепловые потери на нагрев сторонних предметов и воздуха, большая продолжительность цикла обогрева (от 3 до 7 сут), высокий показатель удельного расхода энергии – свыше 150 кВт-ч/м³ прогретого бетона.

Тепловая энергия бетону передается с помощью нагретой (обычно движущейся) среды – теплым воздухом или паром. В этом случае бетон до приобретения им заданной прочности выдерживают в тепляках, представляющих собой временные ограждающие сооружения. Тепляки могут быть объемными, т. е. охватывающими всю бетонируемую конструкцию, и плоскими или секционными, ограждающими только часть конструкции. За счет теплого воздуха или пара в опалубке и бетоне поддерживают положительную температуру.

Применение для обогрева бетона горячего воздуха приводит к большим потерям теплоты. Данный способ целесообразно использовать при небольшой отрицательной температуре наружного воздуха и при использовании достаточно надежной и герметичной тепловой изоляции. Горячий воздух получают в электрокалориферах, электропушках, огневых калориферах, работающих на жидком топливе.

Способ паропрогрева обеспечивает самые благоприятные тепловлажностные условия для ускоренного твердения бетона. Однако по ряду причин – сложность сетей и устройств, высокая стоимость, большие теплопотери, этот способ применяется в основном на объектах, где имеется избыток пара при недостатке свободных электроресурсов.

Для прогрева монолитных бетонных конструкций применяют пар низкого давления 0,05...0,07 МПа с температурой 80...95ºС. Примерный режим прогрева включает подъем температуры в конструкции при скорости не более 5...10º/час, изотермический прогрев при температуре 80ºС для бетонов на портландцементе и прогрев до температуры 95ºС – для других цементов. Скорость остывания бетона должна быть порядка 10ºС/час. Паропрогрев бетона рекомендуется вести до набора им проектной прочности.

Специфика деревянной опалубки для паропрогрева в том, что с внутренней стороны щитов устраивают треугольные или прямоугольные пазы, которые зашивают стальными коробами, внизу щита устроен горизонтальный распределительный короб со штуцером для присоединения к магистральному паропроводу. Температура в тепляке поддерживается 5...10ºС, в связи с чем, твердение бетона замедляется, а продолжительность приобретения бетоном распалубочной прочности увеличивается.

Бетонирование конструкций в тепляках применяют редко, так как эти работы весьма трудоемки и требуют значительного расхода материалов на устройство тепляков. В современном строительстве тепляки применяют при возведении высотных сооружений в скользящей или подъемно-переставной опалубке. Их применяют также в тех случаях, когда необходимо поддерживать положительные температуры не только для бетонных, но и других работ, выполняемых в период строительства данного сооружения. В настоящее время в качестве тепляков находят применение надувные конструкции из синтетических материалов, которые представляют собой двустенное ограждение с воздушной прослойкой.

Тепляки обогревают электрическими или паровыми калориферами и в исключительных случаях (например, при возведении отдельно стоящих фундаментов с применением объемных переносных тепляков) – паром. Реже применяют огневоздушное калориферное отопление.