книги / Процессы и аппараты в технологии строительных материалов

Модель – аналог исследуемого объекта, обладающий определенными формами подобия с оригиналом.

Функциональнаямодель– модель, воспроизводящая функции объекта.

Структурная модель – модель, воспроизводящая структуру объекта.

Знаковая модель – модель, воспроизводящая объект с помощью графических знаков – букв, цифр, чертежей, графиков и т.п.

Физическая модель – модель, воспроизводящая физические свойства объекта.

Идеальная модель – модель, отображающая представления исследователя об объекте.

Математическая модель – модель, отображающая свойства объекта в виде уравнений, формул или численных величин.

3. Механические процессы

Цель изучения раздела: результатом изучения материала главы должно быть знание механизма разрушения материала на атомно-структурном уровне, знание закономерностей измельчения, гипотез Кика – Кирпичева, Реттингера, Бонда, Ребиндера.

Изучивший материал раздела должен знать определение понятий «степень измельчения», «средний диаметр». Он должен знать способы организации процесса измельчения, уметь выбирать тип измельчительного механизма в зависимости от свойств измельчаемого материала и требуемой степени измельчения.

Необходимо также знание конструкции измельчительных аппаратов для различных типов измельчения, умение рассчитать угол захвата, требуемую мощность и число оборотов двигателя для измельчительных механизмов крупного дробления.

Кроме того, изучивший главу должен уметь назначить тип грохота для получения из сыпучей смеси материала с заданным гранулометрическим составом, а также рассчитать состав зернистого заполнителя для бетона и асфальтобетона.

31

В технологии строительных материалов механические процессы являются основными в технологических оперaциях измельчения твердых материалoв и механической классификации продуктов измельчения.

Теоретически основы измельчения опираются на теорию строения твердых тел. Эта теория включает учение о дислокациях и дефектax кристаллической решетки. Благодаря дислокациям и дефектам реальная прочность твердых кристаллических материалов на несколько порядков ниже теоретически расчетной.

Измельчение связано с деформацией тела и образованием новых поверхностей раздела. В зависимости от размера измельчаемых кусков материала работа, затрачиваемая на измельчение, складывается в большей или меньшей степени из работы деформации и работы образования новых поверхностей. При этом общие затраты энергии на измельчение возрастают при увеличении степени измельчения материала.

Технологияизмельчениявключаеткрупное,среднееимелкое дробление, тонкое и сверхтонкое измельчение. Первые три вида измельчения осуществляют в дробилках различной конструкции. Тонкое и сверхтонкое измельчение производят в мельницах и потому называют помолом.

При измельчении независимо от степени реализуются четыре вида механических воздействий на материал: раскалывание, раздавливание, истирание и удар. Выбор типа механического воздействия зависит от крупности и механических свойств измельчаемого материала: твердости, прочности, истираемости.

Измельчение может быть организовано следующими способами:

–в открытом цикле, когда куски материала проходят каждый через измельчитель только один раз;

–в замкнутом цикле: от измельченного материала отсевают крупные куски и возвращают их в тот же измельчитель для повторного измельчения;

–комбинированным, когда на первой стадии измельчения материал проходит через открытый цикл, а на следующей стадии – через замкнутый.

Измельчение может осуществляться в одну или несколько стадий.

32

Для крупного дробления применяют щековые и конусные дробилки. Основными характеристиками дробилок являются угол захвата, число качаний (оборотов) дробящего органа, мощность привода и производительность.

Для среднего и мелкого дробления применяют валковые или камерные дробилки различных конструкций. Для мелкого дробления используют дезинтеграторы и дисмембраторы.

Помол осуществляют в барабанных шаровых или стержневых мельницах,атакжевгалечныхимельницахсамоизмельчения.

При сверхтонком измельчении применяют вибрационные, струйные, маятниково-роликовые, струйные мельницы.

В последние годы появились новые конструкции мельниц: пружинные, центробежные.

Классификация зернистых материалов необходима для разделения на классы по крупности с целью получения оптимального гранулометрического состава зернистой смеси.

Классификацию проводят на грохотах и ситах. Используют два способа организации классификации в зависимости от цели: от мелкого к крупному или от крупного к мелкому.

Для получения оптимального гранулометрического состава зернистой смеси производят расчеты или подбирают такой состав экспериментально.

Основные термины и понятия

Дислокация – нарушение порядка в кристаллической решетке, при котором образуется не заполненная атомами (ионами) часть плоскости – краевая дислокация – или смещение кристаллических плоскостейотносительнососедних–спиральнаядислокация.

Дефекткристаллическойрешетки–включениевкристалличес- куюрешетку«чужих»узлов–атомовилиионовдругоготипа,чемте, изкоторыхпосвоейхимическойприродедолженсостоятькристалл.

Гипотеза Кика – Кирпичева – теория измельчения, согласно которой работа измельчения пропорциональна деформации измельчаемого куска материала.

Гипотеза Реттингера – теория измельчения, связывающая величину работы измельчения с величиной образующейся новой поверхности куска.

33

Уравнение Бонда – формула, связывающая работу измельчения как с деформацией, так и с величиной вновь образуемой поверхности.

Теория Ребиндера – положение, согласно которому величина затрачиваемой работы при измельчении изменяется на разных стадиях измельчения: чем выше степень измельчения на каждой последующей стадии, тем больше требуется произвести работы для получения одного и того же количества измельченного материала.

Степеньизмельчения–отношениеисходногоразмеракусковма- териалакразмерукусковпродукта,полученногоприизмельчении.

Угол захвата – угол между поверхностями рабочего органа измельчителя, обеспечивающий прохождение кусков материала через измельчитель (захват).

Грохочение – процесс разделения сыпучего материала на классы по крупности путем просеивания через одно или несколько сит (грохотов).

Модуль набора сит – отношение диаметра отверстий сита к диаметру отверстий следующего сита в сторону уменьшения.

Просев, или подрешеточный продукт, – материал, прошед-

ший сквозь сито.

Отсев, или надрешеточный продукт, – материал, не про-

шедший сквозь сито.

Эффективность грохочения – отношение содержания полезного продукта в просеве к теоретическому (т.е. установленному анализом) содержанию полезного продукта в смеси.

4. ГИДРОДИНАМИКА

Цель изучения раздела: результатом изучения темы должно бытьзнаниеосновгидростатикиигидродинамики,пониманиефизическогосмыслауравненийравновесияЭйлера,законаПаскаля,уравнений гидродинамики; знание практических приложений теоретическихположенийгидродинамики.Изучившийразделдолженуметь составлять критериальные уравнения гидродинамических систем в зависимостиотихконкретныххарактеристик.

34

Гидромеханические процессы описываются наукой гидравликой, которую можно подразделить на две части: гидростатику, описывающую статическое состояние жидкости, и гидродинамику, описывающую закономерности движения жидкостей.

При этом жидкости рассматривают как реальные, так и идеальные. Идеальной жидкостью называют гипотетическую несжимаемуюинеимеющуювязкости(т.е.внутреннеготрения)жидкость.

Реальные жидкости представлены капельными, имеющими вязкость, но практически несжимаемыми, и упругими, сжимаемыми, но имеющими небольшую вязкость, которой при скоростях, меньших, чем скорость звука, можно пренебречь. Реальные упругие жидкости – это газы и пары. Поведение упругих жидкостей при скоростях выше звуковой описывает аэродинамика.

Подавляющее большинство жидкостей, применяемых в технологии строительных материалов, являются капельными.

Капельные жидкости, подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона, называют ньютоновскими. Жидкости, имеющие другие закономерности внутреннего трения, называют неньютоновскими. Многие материалы, применяемые в технологии строительных материалов, являются неньютоновскими жидкостями: бетонные ирастворныесмеси,керамическиеформовчныемассыит.п.

Одна из основополагающих закономерностей гидростатики связана с системой уравнений равновесия Эйлера, из которой выводится основной закон гидростатики, являющийся вариантом закона сохранения. Из основного закона выводят закон Паскаля, который постулирует, что в покоящейся жидкости давление передается по всем направлениям одинаково. Следствиями из закона Паскаля являются: принцип сообщающихся сосудов, принципы работы гидравлических машин, вывод о независимости гидростатического давления от формы сосуда.

Гидродинамика рассматривает закономерности течения жидкостивпотоке.Потокможетбытьстационарным(установившимся) или нестационарным (неустановившимся).

Поток описывается скоростью, расходом и субстанциональной производной, которая, по сути, является производной, изменяющейся по ходу движения жидкости в потоке; поток характеризуется также режимом движения.

35

Режим движения жидкости может быть ламинарным или турбулентным. В ламинарном потоке все слои жидкости движутся параллельно, хотя и с разными скоростями, не перемешиваясь между собой. В турбулентном потоке слои перемешиваются, движение на некотором удалении от стенки канала (трубы) становится хаотичным. Эта часть потока называется ядром. Часть потока, прилежащая к стенке, состоит из ламинарного и переходного подслоев.

Жидкость в турбулентном потоке приобретает дополнительную составляющую вязкости, называемую турбулентной.

Режим течения жидкости в потоке характеризуется с помощью критерия Рейнольдса. Значения критерия Рейнольдса, при котором происходит срыв потока в турбулентность, называют критическим.

Распределение скоростей по сечению потока подчиняется закону Стокса и носит параболический характер. При этом средняя скоростьпотокавсоответствиисуравнениемПуазейляравнаполовине максимальной скорости, имеющей место вдоль оси потока.

Для турбулентного потока таких зависимостей нет. Для такого потока можно получить уравнение неразрывности потока, из которого следует, что скорости в разных сечениях потока обратно пропорциональны величине этих сечений.

Поток жидкости подчиняется закономерностям, описываемым системой уравнений движения Эйлера. Эти уравнения, однако, выведены для идеальной жидкости и не учитывают внутреннее трение. Поведение реальной жидкости, обладающей вязкостью, описывается системой уравнений Навье – Стокса.

Одним из решений системы уравнений движения Эйлера является уравнение Бернулли, устанавливающее постоянство суммы пьезометрического, гидравлического и скоростного напора в различных точках неразрывного потока.

Это уравнение является теоретической основой устройств для измерения скорости и расхода потоков жидкостей. С его помощью также решаются задачи, связанные с истечением жидкостей.

Реально сумма пьезометрического, гидравлического и скоростного напора в достаточно удаленных сечениях потока неодинакова. Разность между этими суммами называют потерями напора. Потери возникают вследствие гидравлических сопротивлений.

36

Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводах являетсяважнойтехническойзадачей.Дляламинарногопотокауравнение, связывающее потери давления с гидродинамическими характеристиками потока, может быть получено аналитически. Из этого уравнения находят коэффициент трения. Для турбулентного потока такое уравнение аналитически получить не удается. Однако эта задача может быть решена путем подобного преобразования системы уравнений Навье – Стокса, в результате которого получается критериальное уравнение, связывающее критерий Эйлера с критериями Рейнольдса и Фруда. Коэффициент трения на основании решения критериального уравнения получают как функцию режима течения потока, поэтому он может принимать различные значения для различных режимов, пока не наступает такой режим, при котором коэффициент трения уже не зависит от величины критерия Рейнольдса. Этот режим называют автомодельным.

При выборе оптимального диаметра трубопровода учитывают не только гидродинамические характеристики жидкости

итруб, но и экономические показатели: затраты на устройство

иэксплуатацию трубопровода. Первые тем ниже, чем меньше диаметр трубы (меньше расход материала самой трубы, изоляционных материалов и пр.); вторые, наоборот, тем ниже, чем больше диаметр трубы (меньше гидравлические сопротивления, меньше требуемая мощность для транспортировки жидкости). Оптимальноерешениенаходяткаккомпромисс,прикоторомсумма затрат минимизирована.

Основные термины и понятия

Гидромеханика (гидравлика) – совокупность гидростатики и гидродинамики.

Гидростатика – наука о равновесном состоянии жидкостей в покое.

Гидродинамика – наука о течении жидкостей.

Идеальная жидкость – гипотетическая несжимаемая жидкость, не имеющая вязкости.

Реальные жидкости – капельные и упругие жидкости. Капельная жидкость – практически несжимаемая жидкость,

обладающая вязкостью.

37

Упругая жидкость – сжимаемая жидкость, обладающая исчезающе малой вязкостью при атмосферном давлении; при скоростях меньше скорости звука это газы и пары.

Ньютоновские жидкости – жидкости, подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона; неньютоновские жидкости – не подчиняющиеся этому закону. Последние разделяют на три группы: вязкие (стационарные) – бингамовские, псевдоплас-

тичные, дилатантные; нестационарные – тиксотропные и репектантные; вязкоупругие – максвелловские.

Гидростатическое давление – давление, зависящее только от плотности жидкости.

Пьезометрическое давление – давление, зависящее от высо-

ты уровня жидкости над плоскостью сравнения (для реальных измерений – над уровнем мирового океана).

Принцип сообщающихся сосудов – принцип, устанавливаю-

щий обратную пропорциональность уровня и плотности сообщающихся жидкостей.

Объемный расход – объем жидкости, прошедшей через сечение потока в единицу времени, м3/с в СИ.

Массовый расход – масса жидкости, прошедшей через сечение потока в единицу времени, кг/с в СИ.

Гидравлический радиус – отношение площади сечения некруглого канала к смоченному периметру сечения.

Эквивалентный диаметр – для некруглого сечения – учетверенный гидравлический радиус.

Стационарный, или установившийся, поток – поток, харак-

теристики которого не изменяются во времени.

Нестационарный, или неустановившийся, поток– поток, ха-

рактеристики которого изменяются во времени.

Субстанциональная производная – полная производная лю-

бого свойства жидкости (скорости, плотности, давления, температуры, концентрации растворенного вещества и т.п.) по времени и координатам точки, движущейся вместе с потоком.

Ламинарный поток – поток, в котором любой слой жидкости движется параллельно любому другому слою и оси потока без перемешивания различных слоев.

Турбулентный поток – поток, в котором слои жидкости перемешиваются. Такой поток имеет ламинарный слой вдоль стенки

38

канала (трубы), переходный слой, в котором ламинарность уже нарушена, и ядро потока, в котором турбулентность развита в той или иной степени.

Турбулентная вязкость – дополнительная составляющая внутреннеготрениявжидкостипритурбулентномрежиметечения,появляющаясязасчетнепараллельностидвижениячастицвтакомпотоке. Неявляетсяфизико-химическойхарактеристикойжидкости.

Скоростной напор – составляющая давления, возникающая при движении жидкости.

Потерянный напор – разность скоростных напоров в различных сечениях потока.

Коэффициент сопротивления трения – величина, показы-

вающая, во сколько раз потерянный напор потока отличается от скоростного напора.

Коэффициент трения – множитель, обратно пропорциональный критерию Рейнольдса,входящийвкоэффициентсопротивления трения;зависит,такимобразом,отрежиматеченияжидкости.

5. ТЕПЛООБМЕН

Цели изучения раздела: В результате изучения материала студенты должны понимать терминологию, связанную с теплопереносом, физический смысл уравнений законов теплопроводности, конвективного и лучистого теплообмена, уметь получать из дифференциальных уравнений тепловые критерии подобия, составлять критериальные уравнения теплообменных процессов.

Необходимо также знание закономерностей теплопередачи при ламинарном и турбулентном течении жидких теплоносителей; знание способов нагревания и видов нагревающих агентов в различных технологических процессах производства строительных материалов.

Теплообменные процессы происходят под действием разности температур. Они могут осуществляться с помощью лучистого теплообмена, за счет теплопроводности и конвекции. В реальных условиях имеют место все три варианта переноса тепла. Для расчета тепловых процессов и аппаратов необходи-

39

мо установить величину теплового потока и размер поверхности теплообмена. Тепловой поток определяют на основе теплового баланса, который является вариантом закона сохранения энергии. Поверхность теплообмена определяют из основного уравнения теплопередачи.

Перенос тепла теплопроводностью описывается законом Фурье и дифференциальным уравнением теплопроводности. Теплопроводность зависит также от формы тела, в котором распространяется тепло.

Тепловое излучение является частным случаем электромагнитного излучения и потому подчиняется всем законам такого излучения: прямолинейность распространения, закон отражения, поглощения и преломления. Основные законы, характеризующие лучистый теплообмен,–законСтефана–БольцманаизаконКирхгофа.

При конвективном теплообмене перенос тепла связан с гидродинамическими условиями. Теплопроводность движущейся жидкости зависит не только от ее физико-химической природы, но и от режима ее течений. В турбулентном потоке появляется дополнительная составляющая теплопроводности – турбулентная теплопроводность.

Описание переноса тепла в турбулентном потоке и решение задач, возникающих при таком способе передачи тепла, весьма сложны. По этой причине для решения подобных задач применяют подобное преобразование уравнений теплопередачи, получая тепловые критерии подобия. Из этих критериев составляют критериальные уравнения, включающие условия однозначности для конкретных процессов. На основе решений критериальных уравнений определяют необходимые параметры реальных тепловых процессов и аппаратов.

Впромышленностистроительныхматериаловвкачестветеплоносителейдлянагреваиспользуютводянойпар,воду,топочныегазы

инагреваниеэлектрическимтоком.Нагреваниеводянымпаромприменяетсявпроизводствежелезобетонныхконструкций,автоклавных материалов. Топочные газы в основном используются в производстве керамики, портландцементного клинкера, стекла и т.п.

Внекоторых технологических процессах в производстве строительныхматериаловиспользуютохлаждениеводойиливоздухом.

40