Гелиотермообработка с использованием средств повышения

энергооблученности строительных изделий

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Щукина Татьяна Васильевна, доцент кафедры отопления и вентиляции, Семенова Екатерина Юрьевна, магистрант кафедры отопления и вентиляции.

 

Имеющийся обширный опыт использования солнечной энергии в технологических процессах предприятий стройиндустрии ближнего зарубежья [1] показывает перспективность проведения гелиотермообработки в климатических условиях РФ.

Одним из наиболее простых и эффективных способов ускоренного твердения бетона с использованием солнечной энергии является тепловая обработка изделий в гелиоформах со светопрозрачным теплоизолирующим покрытием [2]. Такая технология позволяет рассматривать каждое прогреваемое в форме изделие как своеобразный гелиоприемник, в котором бетон выполняет роль поглощающего и аккумулирующего элемента, металлическая форма является корпусом устройства, а дополнительное покрытие представляет собой наружное ограждение со специально подобранными светотехническими и теплотехническими параметрами, обеспечивающими его светопрозрачность для длинноволнового излучения. Затраты по обустройству гелиополигона с указанным способом утилизации солнечной энергии будут минимальными, если в качестве светопрозрачных ограждений применять полимерные пленки, укладывая их на неопалобочную поверхность.

Создать требуемый температурный режим, способствующий сокращению времени проведения процесса, возможно посредством гелиоформ, состоящих из деревянного, железобетонного или чаще металлического корпуса и покрытия из нескольких слоев светопрозрачного материала с замкнутыми воздушными прослойками между ними. Такое конструктивное исполнение должно обеспечивать, с одной стороны, максимальное использование солнечной энергии для прогрева бетона, а с другой – аккумулирование тепла в изделии для ночного времени суток.

Для гелиотермообработки, не снижающей качество выпускаемой продукции, требуется создание герметичной воздушной прослойки определенных размеров между ограждающим покрытием и свежеуложенным бетоном, параметры которой определяются как с позиций формирования физической структуры твердеющей массы, так и по теплофизическим критериям. При организации воздушной прослойки над свежеуложенным строительным изделием создается замкнутая среда, полностью насыщаемая в процессе гелиотермообработки водяными парами и обеспечивающая в связи с этим благоприятные условия твердения, которые характеризуются высокой относительной влажностью. Такая среда создается за счет частичного испарения влаги из бетона во время начального прогрева. Показателем полного насыщения влагой воздушного зазора между изделием и светопрозрачным покрытием является образование на нижней поверхности последнего капель конденсата, свидетельствующее о достижении величины относительной влажности близкой к 100 % и о соответствующей нейтрализации негативных физических процессов в прогреваемом материале. Дальнейшего испарения воды из бетона в насыщенную парогазовую смесь практически уже не происходит. Кроме того, создание воздушной прослойки над поверхностью, воспринимающей солнечное излучение, обеспечивает сохранение оптических характеристик применяемых светопрозрачных ограждений из-за отсутствия непосредственного контакта с нагреваемым бетоном, более полное проявление парникового эффекта при применении многослойных остеклений, дополнительную тепловую изоляцию, способствующую повышению температуры в период действия солнечной радиации и снижению темпов ее понижения ночью, увеличению срока службы светопрозрачных материалов и получение высокого качества строительных изделий.

Устройства с многослойным остеклением, предназначенные для укрытия строительных изделий под тонкой воздушной прослойкой, обеспечивают прежде всего блокирование интенсивных процессов внешнего массообмена и пластической усадки в твердеющей структуре, и, следовательно, являются надежным средством ухода за бетоном не только в условиях умеренной солнечной радиации, но и при экстремальных параметрах окружающей среды, характерных как для сухого и жаркого климата, так и для северных регионов с непродолжительным летним сезоном.

Гелиотермообработке с применением светопрозрачных ограждений целесообразно подвергать в первую очередь бетонные и железобетонные изделия сплошного сечения толщиной от 100 до 400 мм из тяжелого бетона класса В15 и выше. К ним относятся плиты перекрытий, дорожные, фундаментные, цокольные, балконные, карнизные, теплотрасс, лестничные площадки; панели, в том числе внутренние стеновые; блоки ленточных фундаментов, колонны, балки, ригели, рамные конструкции, сваи, перемычки и т.п. Тепловая обработка за счет энергии солнца может осуществляться и других изделий  из тяжелого бетона, в том числе тонкостенных толщиной менее 0,1 м, массивных (свыше 0,4 м), имеющих сложную конфигурацию, с пустотами, из бетона класса менее В15, а также различных изделий из легкого бетона на пористых заполнителях [2].

Тепловые процессы в строительных изделиях, нагреваемых в солнечных коллекторах (рис. 1), в условиях средней полосы России, как показали проведенные расчеты [3] достигают высоких параметров (рис. 2). Приведенные изменения температуры (рис. 2) предполагают незначительные затраты на обустройство коллектора, которые в основном могут быть израсходованы на выполнение остекления раздвижным, что впоследствии обеспечит беспрепятственную загрузку и выгрузку бетонных конструкций.

Распределение температуры по толщине железобетонного строительного изделия (рис. 2) получено в результате решения уравнения нестационарной теплопроводности [3]

                                                                                     (1)

с учетом интенсивности поступления солнечной радиации в Воронежской области на горизонтальную поверхность, соответствующей июлю:

,                          (2)

где  q - разность между переменной температурой массива, помещенного в коллектор,  T и некоторой средней величиной на его поверхности, воспринимающей тепловой поток To, относительно которой происходят наблюдаемые изменения, оС;  t  - время, с; а – коэффициент температуропроводности, м2/с;  х – координата, направленная от воспринимающей солнечное излучение поверхности в твердеющую структуру массива, м;   - частота колебаний в угловом измерении; z – продолжительность полного периода колебаний  z=24·3600, с.

 

Рис. 1. Схема укрытия для гелиотермообработки строительных изделий: 1– корпус; 2 – двойное спаренное остекление; 3 – тепловая  изоляция; 4 – изделие, подвергаемое термообработке

 

Снижение темпов падения температуры, наблюдаемое в ночное время суток (рис. 2), и повышение интенсивности энергооблучения поверхности строительных изделий можно обеспечить при совершенствовании предназначенных для этой цели конструкций тепловых солнечных коллекторов. Так предлагаемое (рис. 3) укрытие из теплоизоляционного материала [4] позволит существенно сократить теплопотери в ночное время суток, а в дневное время направить отраженное от его поверхности излучение на воспринимающую бетонную структуру, увеличивая тем самым ее энергооблученность.

Технологичность исполнения и автоматическая система перемещения теплоизоляционного материала в зависимости от времени суток может обеспечить более активное использование солнечной  энергии в процессах термообработки строительных изделий. Применяемый для этой цели тонкий теплоизоляционный материал с отражающим покрытием, например пенофол, имеет жесткую связь с металлическими легкими профилями 9, которые в совокупности выполняют функцию поддерживающего каркаса для используемого материала. Металлические профили 9 своими концами закреплены с возможностью их поворота на цилиндрических патрубках 10, расположенных с внешней стороны противоположных боковых стенок корпуса 1. На крайних профилях установлены светочувствительные 11 и металлические 12 пластины. Светочувствительные пластины 11 связаны с противоположными металлическими пластинами 12 посредством реле времени и провода 13. Между металлическими платинами 12 расположены упругие элементы 14.

 

часы
 

 

Рис.2. Изменение температуры строительного изделия, подвергаемого гелиотермообработке: 1 – на поверхности железобетонной плиты, поглощающей солнечное излучение; 2 – на поверхности, лежащей на корпусе устройства при толщине изделия 0,16 м; 3 – в центральном сечении железобетонной плиты, то есть при  х = 0,08 м

 

При выключенном реле времени и теплоизоляционном материале, смещенном к одной из продольных боковых стенок теплового коллектора, сдвигают по каналам 5 светопрозрачное ограждение, освобождая верхнюю поверхность корпуса для загрузки или выгрузки строительного изделия. В открытую полость 7 помещают бетонную конструкцию 6, а затем, передвигая остекление по каналам 5 создают воздушную прослойку над изделием, герметичность которой поддерживается предусмотренными уплотнениями 4. Затем верхнюю часть корпуса 1 дополнительно накрывают укрытием 8 из теплоизоляционного материала и включают реле времени, которое обеспечивает передачу получаемой на светочувствительной пластине 11 электрической энергии посредством провода 20 на металлическую пластину 12. Под действием электрического тока металлическая пластина 12 создает электромагнитное поле, притягивающее противоположную металлическую пластину 12 и сжимающее за счет этого расположенный между ними упругий элемент 14. Это в свою очередь вызывает вращательное движение концов металлических профилей 9 вокруг оси 10, переходящее в смещение укрытия. При смещенном укрытии (рис. 3, а) солнечная радиация, проходя через остекление, поступает на строительное изделие 6 и нагревает его.

Возникаемое усилие сжатия в упругом элементе 14 пропорционально подаваемой на металлическую пластину 12 силе тока, которая зависит от интенсивности солнечного облучения светочувствительной пластины 11. Поэтому в утренние и вечерние часы укрытие частично прикрывает устройство, обеспечивая тем самым отражение, попадающего на покрытие теплоизоляционного материала, солнечного излучения на поверхность строительного изделия, что дополнительно повышает его температуру.

В полдень при максимальной солнечной радиации будет достигнуто такое сжатие упругих элементов, которое полностью откроет верхнюю часть корпуса. Реле времени, запрограммированное на 13 часов, разомкнет цепь, и упругие элементы в отсутствии электромагнитного поля восстановят положение укрытия над верхней частью корпуса. Через несколько мгновений реле времени другой светочувствительной пластины 11 обеспечит подачу электрического тока посредством провода 13 на противоположную металлическую пластину 12. Возникшее электромагнитное поле притянет другую металлическую пластину, сжимая упругий элемент, что обеспечит смещение укрытия по отношению к верхней части корпуса и беспрепятственное поступление солнечной радиации на светопрозрачное ограждение и строительное изделие.

а

б

Рис. 3. Тепловой коллектор: а - поперечный разрез с открытым для поступления солнечной радиации светопрозрачным ограждением; б – вид сбоку при положении укрытия в ночное время суток; 1 – корпус; 2 – жесткое основание, на котором установлен коллектор; 3 – светопрозрачное ограждение; 5 – каналы для смещения остекления; 4 – уплотняющий материал; 6 – строительное изделие; 7 – герметичная полость; 8 – теплоизоляционный материал; 9 – металлические профили; 10 – цилиндрические патрубки; 11- светочувствительные пластины, снабженные реле времени; 12 – металлические пластины; 13- токопроводящие элементы; 14 – упругие элементы

 

В отсутствии солнечной радиации фотоэлементы не оказывают соответствующего воздействия на узел автоматического управления, и теплоизоляционный материал полностью перекрывает верхнюю часть корпуса.

Выполнение теплоизоляционных укрытий с металлизированной поверхностью позволяет в утренние и вечерние часы увеличить энергооблученность бетонных структур и существенно уменьшить теплопотери ночью. Это, в свою очередь, сократит сроки гелиотермообработки и позволит успешно ее проводить в условиях средней полосы России и в более северных широтах, что, безусловно, снизит высокую энергоемкость производства строительных изделий и положительно повлияет на конкурентоспособность.

 

Библиографический список

1.     Аруова Л.Б. Гелиотехнология при производстве железобетонных изделий в Республике Казахстан// Бетон и железобетон. - 2005. - № 3. – С. 16.

2.     Подгорнов Н.И. Термообработка бетона с использованием солнечной энергии. – М.: Издательство АСВ, 2010. – 328 с.

3.     Щукина Т.В. Повышение энергоактивности гелиотермообработки строительных изделий// Строительные материалы, 2008. -№10 – С. 20-23.

4.     Патент 2444682, МКИ F24J 2/02, F26В 3/28. Солнечный тепловой коллектор// Кузнецова Л.В., Полосин И.И., Щукина Т.В.; Государственное образовательное учреждение Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. - № 2010128587/06, заявлено 09.07.10; Опубл. 10.03.12, Бюл. № 7 – 9 С.