Тема лекции 11 Массо- и теплообмен при тепловлажностной обработке. Внешний и внутренний тепло- и массообмен при тепловлажностной обработке строительных материалов

Тепловлажностная обработка бетона насыщенным паром — основной способ, который позволяет создать влажностные условия нагрева и сохранить влагу затворения в материале. Поэтому именно этот 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. 11.2) по­местим в установку 1 и обозна­чим локальную температуру и влагосодержание материала соответственно на поверхности t_п.м и U_п.м и в центре t_ц._м и U_ЦМ. В установку подадим пар П и из установки будем выводить конденсат К. Пар будет отда­вать теплоту парообразования, нагревать поверхность материала и тепловую установ­ку за счет 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.

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. 11.2) проведем оси координат X —У.

Рисунок -11.2 Схема установки для тепло-влажностной обработки (период нагрева и изотермической выдержки)

Внешний тепло- и массообмен при нагреве материала. Отложим на оси X (рис. 11.3, 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, если она не полностью герметична, будет равно атмосферному Р_у. Подадим пар в установ­ку (условие неполной герметичности сохраняется). В этом случае общее давление в установке Р_у по-прежне­му должно быть равно атмосферному и будет складываться (см. рис. 4.3, а) из парциального давления водя ного пара Р'п и парциального давления воздуха Р'в:

(11.1)

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 t _п.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

(11.2)

При этом Р_П>Р_П, а Р'_В<Р_В- 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 t _н при парциальном давлении пара Р"_п. При толщине пленки конденсата на поверхности материала δ удельный поток теплоты q_т к материа­лу будет равен

(11.3)

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

(11.4)

где р_т — коэффициент массообмена при конденсации; Р_п — парци­альное давление водяного пара в установке; Р_п —парциальное дав­ление пара у поверхности изделия.

Рядом исследований доказано, что р_т — коэффици­ент массообмена при конденсации водяного пара из па­ровоздушной смеси близок к коэффициенту массообмена при испарении с поверхности жидкой пленки а_т, (р_т~ ~0,97сс_т), поэтому в расчетах обычно из-за трудностей определения р_т находят а_т и к его значению приравни­вают р_т.

Коэффициент массообмена а_т при испарении для условий естественной конвекции определяют по крите­риальной зависимости а_т = 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

(11.5)

где К — коэффициент диффузии для водяного пара в воздух при нормальных условиях или коэффициент потенциалопроводности для влажного газа; μ_п—молекулярная масса пара, р,_п=0,018 кг/моль; Т_ср — средняя абсолютная температура условного пограничного слоя; То — абсолютная температура; Rμ —универсальная газовая постоянная; В₀ — барометрическое давление при нормальных усло­виях; В — барометрическое давление воздуха.

Внешний тепло- и массообмен в период изотер­мической выдержки. Изотермическая выдержка начи­нается с момента достижения поверхностью материала температуры паровоздушной среды в установке. В это время центральные слои материала продолжают еще какое-то время нагреваться за счет тепловой энергии конденсирующегося на изделии пара. Сама установка тоже за счет потерь в окружающую среду требует под­вода тепла, равного потерянному количеству тепловой энергии. Однако 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 счет 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. Кроме того, тепловая энергия пара вос­полняет потери тепла в окружающую установку среду. Удельный поток теплоты, отдаваемый материалу паром при конденсации и от паровоздушной смеси, может быть подсчитан по формулам (11.4) и (11.5).

Удельный поток массы-влаги q_WB, испаряемой с по­верхности в период изотермической выдержки, находят по формуле

(11.6)

где α_m — коэффициент массообмена при испарении; Р_п^"— парци­альное давление пара у поверхности изделия при температуре мок­рого термометра; Р_п^' —парциальное давление водяного пара в ус­тановке; Во — барометрическое давление при нормальных физиче­ских условиях; В' — барометрическое давление, существующее в ус­тановке.

Коэффициент массообмена при испарении а_т опре­деляют по формуле (12.6). Удельная теплота q_m, затрачиваемая на испарение, может быть подсчитана с неко­торым приближением, как произведение теплоты паро­образования г на удельную массу испаряемой влаги q_m (здесь не учтен расход энергии на преодоление сил, удерживающих влагу на поверхности материала):

q=rq =r<x (11.7)

Приведенные формулы позволяют определить удель­ные потоки массы и теплоты и описывают таким обра­зом условия внешнего тепло- и массообмена в период изотермической выдержки.

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 t_ПM и влагосодержание U_пм поверхности материала. Эти изменения влекут за собой обязательную передачу теп­лоты и массы внутри изделия, поэтому 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 счет которых на­гревается с увеличением влагосодержания. По сечению образца создается перепад температур и влагосодержаний

Рисунок 11.3 - Схема возникновения в материале градиентов температур и влаго­содержаний

а и г — соответственно линии изопотенциальных поверхностей температур и влагосодержаний; б — схема образования градиента температур VT и потока

Рассмотрим процесс испарения влаги в пузырек воз­духа на i-d-диаграмме (рис. 11.4).

Рисунок 11.4 - Схема определения количества влаги, испаряемой в пузы­рек воздуха

t_ср φ_ср ^- соответственно темпера­тура и относительная влажность среды, из которой забран пузырек воздуха; d_П(τ) — влагосодержание

В начальный момент времени то воздух в пузырьке характеризовался парамет­рами среды цеха t_cp и φ_ср (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= = d_n{Ti)—d_n(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 ф_с, 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 = d_n(x) —d_n(T). Зная количество испарившейся влаги в материа­ле, можно определять избыточное давление в различных сечениях материала.

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 (см. рис. 4.6) для частных потоков q^B_mu и q^B_mt приводит к по­явлению частного потока влаги в материале q^B_mp. Таким образом, в период нагрева открытого со всех сторон ма­териала во время тепловлажностной обработки возника­ют три частных потока влаги q^B_mu, q^B_mt и q^B_mp составляют общий поток влаги в материале q^B_m. Влага, передвигаясь с поверхности внутрь материала, вытесняет из него воздух и занимает его место. Удаляясь из материала, влага замещается воздухом, поступаю­щим из окружающей среды. Поэтому в материале все время в процессе тепловлажностной обработки движутся потоки влаги и воздуха, происходит так называемый массообмен или массоперенос. Поэтому нагрев при теп­ловлажностной обработке бетона сопровождается про­цессами тепло- и массообмена.