小型混凝土构件节能环保养护窑的养护设计.pdf

2 0 1 2年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUC 2 0 1 2 No 1 1 No v e mbe r 小型混凝土构件节能环保养护窑的养护设计 丁卫清 ( 江苏省送变电公 司， 南京 2 1 1 1 0 2 ) 摘 要 ： 针 对传 统 生产 小型混 凝 土构 件 的养护 窑 在资 源和 环保 方 面 的缺 陷 ， 介 绍 了一种 小 型混凝 土 构件 节 能环保 型养护窑。该养护窑采用新型材料作为 围护结构 ， 提 高了保 温性并 降低 了能耗 。同时， 考虑到特种设备安全管 理要 求、 各种 加热设备 的能耗 、 投 资与运行 成本、 气候 等 因素 ， 采用空气源 高温热泵 恒温 系统提供 热源 ， 达到 了低耗 、 零 排 放 。 关键词 ： 小型混凝 土构件 ； 电缆 沟盖板 ； 生产线 ； 养护窑 ； 热平衡 计算 ； 空气源热 泵 Ab s t r a c t ： A i mi n g a t t h e e x i s t i n g d e f e c t s o f t h e t r a d i t i o n a l s ma l l c o n c r e t e s t r u c t u r e c u ri n g k i l n i n r e s o u r c e a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n ， a n e w k i n d o f s ma l l c o n c r e t e s t r u c t u r e c u ri n g k i l n w i t h e n e r g y s a v i n g a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n i s i n t r o d u c e d T h e b u i l d i n g s u r r o u n d i n g o f t h e c u r i n g k i l n wh i c h ma d e b y i n t r o d u c e d n e w ma t e ria l s c a n i mp r o v e t h e i n s u l a t i o n c h a r a c t e ris t i c a n d r e d u c e e n e r g y c o n s u mp t i o n Me a n w h i l e ，c o n s i d e rin g s o me f a c t o r s s u c h a s t h e s p e c i a l e q u i p me n t s a f e t y ma n a g e me n t r e q u i r e me n t s ，e n e r g y c o n s u mp t i o n o f a l l k i n d s o f h e a t i n g e q u i p me n t ，i n v e s t me n t a n d o p e r a t i o n c o s t ， c l i ma t e ， e t c ， h i g h t e mp e r a t u r e a i r s o u r c e h e a t p u mp t h e r mo s t a t s y s t e m i s a p p l i e d f o r t h e c u ri n g k i l n t o p r o v i d e h e a t ， wh i c h a c h i e v e t h e d e s i r e d e f f e c t s o f l o w p o we r c o n s u mp t i o n a n d n o n - e mi s s i o n Ke y wo r d s ： S ma l l c o n c r e t e s t r u c t u r e s ；C a b l e t r e n c h c o v e r ；P r o d u c t i o n l i n e ；C u rin g k i l n ； He a t b a l a n c e c a l c u l a t i o n ；Ai r s o u r c e h e a t p u mp 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2) 1 1 3 5 0 4 0前 言 随 着 经 济 的 发 展 ，我 国 电 网 的规 模 也 不 断 扩 大 ， 新 建 、 扩建和改建的变电站工程需要大量的电 缆沟盖板 、 电缆沟压顶 、 雨污水井盖 、 端子箱基座等 小型混凝土构件 ， 这些构件以往均采取施工现场预 制或小规模工厂预制 自然养护方式生产 ， 产品质量 得不到保证 ， 在工程 投运一段时间后 ， 经常会 出现 开裂 、 缺损等质量问题 ， 对电网安全 运行 构成不 同 程度 的威 胁 。 目前 ， 混凝土构件实行工厂化预制 、 机械化施 工 、 尽 量减少现场制作 、 减少人 为因素对产 品质量 的影响等 已成为企业积极研究的课题。江苏省某电 力企业根据“ 十二五” 规划任务 ， 投资兴建 了一条电 网工程小型混凝土构件 自动化生产线 ， 年产小型 昆 凝土构件 8 3 0 0 m 。该生产线集国内最先进的 P C生 产技术于一体 ， 自动化程度 高 ， 混凝土配料 、 输送 、 浇筑 、 振捣 、 养护 、 模具车移动 、 脱模 、 翻转 、 码垛缠 绕全可实现机械化 ， 采用计算机 P L C中央控制 。按 照设计流水时间节拍 ， 最大每天可达 3 5个循环 ， 混 凝土热养护时间为 3 8 h 。 此外 ，由于养护窑的养 护设计对 产品质量 、 能 源损耗和生产效率影响很大 ， 故在 目前大力推进节 能与环保并重的形势下 ， 建造 高性能的养护窑则显 得尤为重要 ， 其关键技术是采用与发展生产工艺相 适应 的新型建材、 新能源设备 。采用空气源高温热 泵提供热 量源 ，具有高效节能与零排放 的双重优 势。本文从养护窑的材料选择 、 供热设备 、 养护窑的 温热控 制以及温度 自动控制 系统 四个方面介绍 了 一 种新型小型混凝土构件节能环保养护窑。 1 养护 窑形 式 目前 ， 可以用于混凝土制 品加温养护 的设备很 多 ， 广泛使用的主要是 养护窑、 养护池 、 隧道窑( 折 线窑) 和蒸压釜等 】 】 。养护窑按生产制度可分为连续 式养护窑和间断式养护窑( 周期性窑) 。 连续式养护窑实行三班连续生产 ， 在养护过程 中 ， 每一 区域 内的温度可认为是不变化的 ； 间断式 养护窑其特点是养护窑内不划分温度区段 ， 养护窑 按一班或二班生产 ， 在每一加热周期内的温度是变 化 的。 连续式养护窑 比间断式养护窑 的热效率高 ， 因 为连续式窑 的生产率高而且是不 间断工作 ， 养护窑 工作处 于稳定状态 ，没有周期性 的墙体蓄热等损 一 3 5 2 0 1 2年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 9期 失 圆 。 本文所述养护窑采用的是连续式养护窑设计 ， 窑内划分温度区段 ， 由静停 区、 升温区、 恒温 区和降 温区四个 区段组成。窑 内铺设双轨 ， 升温区和出窑 端设 自动 门， 各温度 区段 间设门帘 ， 制品带模具最 多叠放 5层于小车上进行养护 ， 层问留有充分 的间 隙， 便于气流组织 、 热风对流。图 1为连续式养护窑 平 面示 意 图。 升 温 区 恒 温 区 降温 I I I I I l I _ I J l J I I lJ I l1 I ll II ，l f h I I I 一 I l I f I I 一 【 r 【 1一L k 预热区( 静停区) 崮 罾 罾 8蒸养 l I I I I II I I I I I I U I I I I l I I I I I I I I I l 摆渡车 II E 目 E 臣马 I J ll 0 l lIl J 0 ll 1 0 0 l Jl 一 l l 1 0 l I JI l ll 、 lll I I 、 混 凝 土 构 件 运 送 ，J 、 车 轻 型 轨 道 四 巴 四 四 H型钢架框 A L C墙板 图 1 连续式养护窑平面示 意图 养护窑根据养护小车的宽度 、 高度及一次码放的 制品个数决定。静停区长 1 0 8 m， 宽 4 4 5 m， 升温区、 恒 温区和降温区共 2 4 m，宽 3 3 m。窑体净空高度约 2 4 m 。 养护窑采用 H w1 5 0 x l 5 O型钢 做外置框架 ， 墙 体与屋面用 1 7 5 mm厚加气混凝土 ( 以下简称 A L C) 板通过专用件连接于框架上， 避免热桥造成能源浪费。 2 养护 窑材 料选 择 在国内， 混凝土制 品养护窑的结构材料以钢结 构形式和砖混结构形式为主 ， 钢结构形式的养护窑 施工周期短 ， 但保温处 理难吼 ； 砖混结构施工简单 ， 但施 工工 序多且 周期 长 。 选用导热系数低 、 比热容小的轻质材料作养护 窑 的墙体 ， 以减少墙体的蓄热和散热 损失 ， 加快窑 升温速度和提高窑温的均匀度 ， 达到节能效果 。 养 护窑墙厚增加 ， 窑墙散热损失少 ， 墙外表面 温度低 ， 但墙蓄热热量将增多。一般情况下， 间断式 养护窑应采用较薄的墙体 以减少蓄热损失 ； 连续式 养护窑应采用较厚的墙体以 降低经常性 的散热损失 。 本 养 护 窑 选 择 采 用 钢 结构外框架 、 A L C板材做围 护保温材料， 实行装配式施 工 ， 具有保温性 能好 ， 施 工 工 期短的特点 ，安装仅 用 4 h时间 。 A L C板 内 部 配 有 钢 筋 网， 是一种很好 的非承重结 构材料， 同时也是一种保温 隔热性能优越的建筑材料 。 一 3 6一 回风 口 其 内部有众多的微小密闭气孔 ， 这些气孔在材料 中 形成 了静空气层 ，所使用的 A L C板干体 积密度 5 2 0 k g m。 ，干导 热 系 数 0 1 3 W ( m K) ， A L C板 比 热容为 0 8 4 k J ( k g K) I 5 ，体积密度仅为标准砖 的 1 3 ， 导热 系数仅为标准砖的 1 6 ， 比热容小于标准砖。 1 7 5 ra m厚 A L C板墙体相 当于 1 0 0 0 m m厚 以上的砖 墙， A L C板围护结构的蓄热耗能远小于砖砌体。 3供热 设备 昆 凝 土构 件 生 产 中 ， 利 用 外 界热 源 加热 混 凝 土 所使 用 的加 热 介 质 和 加 热方 式 有 ： 饱 和 蒸 汽 、 热 空 气 、 热水、 热油 、 太 阳能 、 电能 、 远红外线及微波等l I l 。 经多个方 案 比较 ，考虑特种设备安全管理要 求 、 各种加热设备的能耗 、 投资与运行成本等因数 ， 结合工厂所在地年平均气温为 1 5 5 c I 二 的有利气候条 件 ， 选用 了空气源高温热泵恒温系统 ( 其示意图见 图 2 ) ， 为混凝土养护提供热源， 用干烘法热养 ， 构件 采取全密封措施 ， 确保混凝土表面相对湿度。 高温热泵机组从周 围区域吸收低位热源 ， 将循 图 2 空气源高温热泵恒温系统示 意图 丁卫清 小型混凝土构件节能环保养护窑 的养护设计 环 水 加热 到 7 5 ， 然 后 用 7 5 c I = 的热 水 在风 柜 中与 回 风 换 热 ，将 热 风送 至 养 护 窑 内 ， 以保 证 出 风 口温 度 6 5 。 制热过程中 ， 热泵只需要消耗一小部份的电能 满足空气压缩机和风机等设备做功。经测算 ， 每消 耗 l k W h电大约能产生 3 k W h电 以上的热量 ， 相 当于热效率超过 3 0 0 J 。 4养护 窑 的温 热控 制 4 1 混凝土制品的温度控制 小型 混 凝 土制 品 的厚 度 在 l O c m 以下 ，升 温 阶 段 的升温速度不宜过快 ， 以免构件表面和 内部产生 过 大 温差 而 出现 裂纹 ； 恒温 阶段 混凝 土 强 度增 长最 快 ，这个 阶段 需保 持 混凝 土表 面 9 0 - 1 0 0 的相 对 湿度 ， 降温阶段 的降温速度也不宜过快 J 。 电缆 沟盖板等制 品生产 时的温控制度为 ： 混凝 土人模 温 度 1 5 ( 冬 期采 取 黄砂 加温 至 5 0 和 7 0 8 0 q C 热水搅拌 ) ；静停过程 中 ，温度逐步升至 3 0 3 5 ， 时问 1 6 h 。 ； 升温 阶段 的升温 梯度 2 5 h ， 升 至 6 0 进入恒温 区， 温度保持在 6 0 c 【 = ； 降温 区的降 温梯 度 2 5 。 【 = h ， 总时间为 3 7 h ， 同时保证 出窑后 ， 构 件表 面 与外 界温 差 4 0 。 4 2 养护窑加热条件 ( 1 ) 每 h 进入养护窑内的模具、 小车等钢材约 2 5 t ， 混凝 土 制 品约 2 m ， 从 室 温加 热 到 6 0 ， 然 后 降温 。 ( 2 ) 每 h保温 门打 开 6次 ， 每次约 3 0 s ， 制 品推 进 去一 批 ， 推 出一批 。 ( 3 ) 环 境最 低温 度考 虑 6 。 4 3 热平衡计算 连续 式养护窑的热平衡计算通常按 单位时间 计算各项热收支项 目 2 1 。并按养护窑单位时间的最 大热量消耗 ， 确定设备热源大小。 热量计算是 比较复杂的过程 ， 需要考虑生产流 水节拍、 养护窑结构材料 、 加热条件 、 环境温度等因素。 在环境温度 1 0 的情况下 ， 经计算 ， 单位时间 各项热量消耗支出项 目为： ( 1 )加 热制 品 消耗 的热量 Q 。 = 2 2 6 8 0 0 k J ； ( 2 ) 小车 、 模板设备消耗的热量 Q = 3 3 6 8 6 4 k J ； ( 3 )养护窑围护结构蓄热耗热量 Q 。 = 3 3 1 0 8 l k J ； ( 4 ) 散失于养护设施外 的热量 Q 4 = 1 0 9 5 7 2 k J ； ( 5 ) 开门等漏损耗热量 Q = 4 9 6 8 4 k J 。 各项热量消耗不会 同时发生 ， 最大总热量不能 将各项支 出项 目简单的相加 ， 需按生产 工艺 、 制度 等因素对数据进行处理。养护窑围护结构蓄热发生 在养护窑启动前数小时 ， 散失于养护设施外 的热量 发 生 在 养护 窑 启动 数 小 时后 ， 后 期 还 可 以考 虑 养 护 辅助设备 ( 钢模 、 小车等) 的余热 。养护窑不 同时间 段 的热量 消耗 见 图 3 。 4 5 6 7 8 9 1 0 时 间 h 总耗能一时 间曲线 从 图中可以看出 ， 热量最高消耗量发生在每次 启 动 养护 窑后 3 h左 右 ， 约 8 2 x 1 0 k J 。8 h后 ， 辅 助设 备有余温 ， 最大能量消耗可降为 7 2 x l O k J 左右。 考虑其它未估计到的热损耗储备系数 ， k取 1 1 ， 最 大 总热量 ： Q = 9 0 3 1 0 k J 风量根据总热量和每次换热温度提升可 以计 算 出来 ： G = Q ( C A t p ) = 9 0 3 x l O g( 1 x 2 0 x 1 3 )= 3 4 7 3 l m 3 h 式 中： G为每 h的再循 环空气量 ， m h ； f为养 护 窑 的 最 大 热 损 耗 量 ， k J b ； C 为 空 气 比 热 容 ， 取 l k J k g K； A t为 加 热 器 出 口 与 进 口 的 空 气 温 度 差 ， ， 取 2 0 ； p为 空气密 度 ， 取 1 3 k g m。 。 本项 目选用 5台 2 0匹高温热泵机组和 1台 4 万风量 的高温换热风柜 ， 满足养护窑的最大小 时耗 损 量及 循环 风量 。 5台 2 0匹高温热泵机组可同时供应 的热量为： Q G - 3 6 x 1 0 3 n q = 3 6 x 1 0 3 x 5 x 5 4 =9 7 2 x 1 0 k J 9 0 3 x l O k J 式 中： n为高温热泵机数量 ( 台) ； q为单 台高温 热泵出水温度 6 5 时的制热量 ， 取 5 4 k W h ； 3 6 x 1 0 。 为热量单位换算系数 ， l k W h= 3 6 x 1 0 。 k J ； 环境温度 6 时 ， 供热量会降低， 制热量应考虑 0 8系数 ： Q c = 9 7 2 1 0 x 0 8 = 7 7 8 x 1 0 k J 9 0 3 x l O k J 考虑用部分电加热补充热源。 5 温度自动控制系统 采用温度检测元件实时 检测混凝土进 入静停 区 、 升温区、 恒温区和降温 区的温度传送 至 P L C中 央控制 ，根据检测结果 ， P L C中央控制给出控制信 一 3 7一 O 8 6 4 2 O r ) k 0 _【 x ) 涎 霰 3 3 图 2 【 O 2 0 1 2年第 1 1期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 9期 号 ， 控制高温热泵机组的启动台数 ， 通过风流组织 控制设备对各温度分 区供热 ， P L C中央控制系统 自 动记录温度检测数据 ， 每天 自动生成温度记录报表 供查询打印。 6结语 ( 1 ) 采用 A L C材料建 造养护窑 ， 投运后运行情 况 良好 ，在工作 阶段其 围护墙外表面无手感温升。 高温热泵机组停机 1 l h后 ，窑内温度从 6 2 降至 4 0 q C ， 仍高于环境温度 ， 保温性能 良好。 ( 2 ) 空气源高温热泵提供热源， 在环境温度 3 2 的情况下 ， 启动 2台高温热水机组运行 3 0 m i n ， 循环 水温可达 7 5 ， 风机 出口温度达 6 5 c C。运行 1 h ， 窑 内恒 温 区的养护 温 度可达 6 2 。 ( 3 ) 采用该养护窑热养 的 3个项 目的电缆沟盖 板 ， 共计 6 4 0 0 m ， 强度满足设计 要求 ， 表 面平 整光 滑 、 色泽 一致 ， 无气孔 、 裂痕 、 漏浆等缺陷， 其中 2个 工程已投运 ， 受到用户的充分肯定。 参考 文献 ： 1 冯乃谦 主编 新实用混凝土大全【 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 5 2 王秉 辁主编 工业 炉设计手册 【 M 3版 北京： 机械工 业 出 版 社 ， 2 0 1 0 3 J 赵秀刚 ， 李加萍 ， 姚荣 明 粉煤灰 砌块养护窑 的养护设 计 J 建筑砌块与砌块建筑 2 0 0 5 【 4 0 3 S G 7 1 5 1 ， 蒸压轻质加气混凝土板( N A L C) 构造祥 图 s 5 】 余永祯 ， 周世 明， 林婉华， 等 建筑施工 手册 M 】 4版 北 京： 中 国建 筑 工 业 出版 社 ， 2 0 0 3 6 】 耿浩 ， 慈鹏 空气 源热泵热水机组工作原理及特点【 J 1 理论 研究 2 0 0 5 收 稿 日期 ： 2 01 2 0 9 2 6 作者简介 ： 丁卫清( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 工程师。 通讯地址 ： 南京市江宁区苏 源大道 5 8 号一 5 联 系 电 话 ： 1 3 6 01 45 9 8 4 1 E- ma i l ： d wq 8 0 0y a h o oo n 四川省自贡市佳世特密封制品有限公司 本 公司是 国内最 大 、 最专业生产 管道橡 胶密封 圈的厂家之一 ， 产 品销往全 国各 地并随管道 出 E l 东 亚 、 东 南亚 、 中亚 、 中东 、 欧洲 、 美 国等地 ， 年生产能力可达 3 0 0 0吨。 本公司拥有 目前 国内最 大型 ， 最专业的生产设备 ， 技术力量雄厚 ， 检测手段齐备 ， 通过 了 I S 0 9 0 0 1 ： 2 0 0 0国 际质量管理体系认证 ( 含设计 ) 。本公司生产的优 质 、 高弹管道用密封圈 ， 经国家权威机构检测 ， 其寿命 可达 7 9 年 ， 开创了 国内同类产 品寿命测试 的先河 ， 处于 国内管道用橡胶 密封圈产 品的领先地 位。 主要产品： P C C P钢筒管用密封圈 自应力 与预应力输水管用密封圈 钢承 口企 口管用密 封圈 F型顶管用密封圈 滚射机胶轮 玻璃钢管用密封圈 球墨铸铁管用 密封 圈 塑料管用密封圈 截面形状 ： O形 、 楔形 、 T形 、 A形 、 K形 雷 道 密 封 圈 郑重承诺 ： 同鞋昀价麓 、 质更好 ； 同赶昀生产周期 、 供货更快 ； 同群昀产品 ， 服务更毫业。 销售热线 ： 0 8 1 3 5 8 O 4 6 6 3 5 8 0 1 9 5 0 5 8 0 3 1 4 9 1 3 9 8 0 2 2 3 7 1 6 1 3 0 3 8 1 0 9 6 8 5 成都公司 电话 ： 1 3 8 8 1 7 0 9 5 2 1 传 真 ： 0 8 1 3 - 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