淺談混凝土拌和系統(tǒng)的制冷設(shè)計(jì)
2005-05-18 00:00
摘 要 通過(guò)對(duì)制冷設(shè)計(jì)原則、氨系統(tǒng)的選擇及氨設(shè)備的計(jì)算，淺談萬(wàn)家寨混凝土拌和系統(tǒng)的制冷設(shè)計(jì)過(guò)程。
關(guān)鍵詞 制冷 氨工藝 出機(jī)溫度 蒸發(fā)溫度 冷凝溫度
壩體混凝土澆筑后，隨著水泥凝結(jié)硬化的發(fā)展,要釋放出大量的水化熱，使得混凝土內(nèi)部溫度升高。隨著時(shí)間的推移，由于熱量逐漸散發(fā),內(nèi)部溫度逐漸降低。與此同時(shí)，混凝土的體積也在不斷變化，當(dāng)混凝土受到基礎(chǔ)或相鄰澆筑塊的約束，就會(huì)降低水工建筑物的安全系數(shù)，對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，根據(jù)國(guó)內(nèi)外筑壩經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行壩體混凝土的溫度控制，是防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫，保證混凝土質(zhì)量的有效方法。
對(duì)壩體混凝土進(jìn)行溫度控制的主要方法有:減少混凝土的發(fā)熱量；降低混凝土的澆筑溫度;散發(fā)澆筑塊的熱量；分層分塊澆筑；表面保護(hù)等。
為了防止混凝土發(fā)生裂縫，混凝土體內(nèi)的最高溫度必須加以嚴(yán)格的限制?？刂苹炷磷罡邷厣姆椒ㄖ皇墙档突炷翝仓囟?。因此，要限制混凝土的出機(jī)溫度，在氣溫較高的季節(jié),混凝土在自然條件下的出機(jī)溫度往往超過(guò)施工所要求的限制溫度。此時(shí)，就必須采取人工降溫措施，即通過(guò)對(duì)骨料的預(yù)冷和加冷凍水、加冰拌和混凝土來(lái)降低混凝土的出機(jī)溫度，這是降低混凝土澆筑溫度的最有效措施。
萬(wàn)家寨地區(qū)為溫帶季風(fēng)大陸性氣候，夏季炎熱干燥，日溫差變化大，年平均氣溫為7℃，多年月(7月)平均最高氣溫24．7℃，日絕對(duì)最高氣溫為38．1℃。根據(jù)溫控要求，混凝土出機(jī)口溫度12℃，夏季混凝土澆筑強(qiáng)度為74000m·3／月。通過(guò)對(duì)骨料預(yù)冷、加冷水、加冰拌和混凝土，應(yīng)該能滿足混凝土出機(jī)口溫度要求。
根據(jù)混凝土系統(tǒng)中制冷工程標(biāo)書(shū)中總?cè)萘?0248kW(標(biāo)準(zhǔn)工況)，其中片冰系統(tǒng)2326kW(標(biāo)準(zhǔn)工況)，冷凍水系統(tǒng)29lkW(標(biāo)準(zhǔn)工況)，冷風(fēng)系統(tǒng)40lkW(標(biāo)準(zhǔn)工況)，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，方案比較、設(shè)備選型、實(shí)地勘測(cè)等。將拌和系統(tǒng)制冷廠布置在左岸距拌和樓100m處，占地約2000m2。
2．1 冷凍水氨系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)
2．1．1 氨系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的基本原則：
(1)制冷量按照標(biāo)書(shū)中的左岸混凝土系統(tǒng)制冷總?cè)萘康囊筮M(jìn)行。
(2)結(jié)合萬(wàn)家寨的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形，制冷廠布置在能縮短氨系統(tǒng)管路距離的地方。
(3)氨系統(tǒng)首先應(yīng)該滿足生產(chǎn)工藝的需要，也要考慮經(jīng)濟(jì)，選用安全、可靠，并盡可能采用先進(jìn)工藝。
(4)壓縮機(jī)及輔助設(shè)備的布置應(yīng)使連接管路最短，流向暢通并便于安裝，設(shè)備管路上的壓力表、溫度計(jì)及其它儀表均應(yīng)設(shè)置在便于觀察的地方。
(5)廠內(nèi)設(shè)備布置應(yīng)保證操作、檢驗(yàn)方便，并盡可能緊湊，壓縮機(jī)應(yīng)設(shè)于室內(nèi)，其它輔助設(shè)備可設(shè)在室外或敞開(kāi)式建筑中。
(6)片冰機(jī)均按獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行配套，以保證均勻穩(wěn)定供氨液，簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)和操作運(yùn)行，提高靈活性及可靠性。
2．1．2 冷凍水氨系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)：
(1)氨系統(tǒng)的工藝選擇：
冷凍水氨系統(tǒng)工藝采用直接膨脹供液系統(tǒng)，并采用單級(jí)壓縮膨脹供液制冷系統(tǒng)，就是利用制冷劑的冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之間的壓力差作為動(dòng)力，直接由高壓儲(chǔ)液器經(jīng)節(jié)流閥向蒸發(fā)器供液的循環(huán)方式，高壓制冷劑液體壓力和蒸發(fā)壓力之間的壓力差，一般足以克服供液管、蒸發(fā)器和回氣總管中的流動(dòng)阻力，滿足向制冷系統(tǒng)冷分配設(shè)備供液的需要(見(jiàn)圖1)。
(2)制冷工況的確定：
蒸發(fā)溫度和冷凝溫度是確定運(yùn)輸工況的兩個(gè)決定因素。蒸發(fā)溫度T，是指制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)沸騰時(shí)的溫度，與蒸發(fā)壓力是相對(duì)應(yīng)的，它是根據(jù)被冷卻物體或載冷劑的要求來(lái)確定的，并根據(jù)制冷工藝要求，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析綜合考慮。
冷凝溫度Tk是指制冷劑在冷凝器中冷凝時(shí)的溫度。與冷凝壓力是相對(duì)應(yīng)的，它的大小取決于冷卻水或空氣的溫度，并與冷卻水在冷凝器中的溫度和冷凝器的型號(hào)有關(guān)，它是通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，綜合考慮。蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的計(jì)算公式如下：
Te=Tf-ΔT
Te—蒸發(fā)溫度 ℃
Tf—被冷卻物或冷卻介質(zhì)與蒸發(fā)溫度的差值 ℃。
Tc=（Twi+Twe）/2+ΔTl
Tc—冷凝溫度 ℃
Twi—冷凝器冷卻水的進(jìn)水溫度,一般小于或等于31℃； Twc—冷凝器冷卻水的出水溫度,一般小于或等于35℃；
ΔTl—因選用立式冷凝器,冷凝器進(jìn)出水溫度差取2-4℃。
(3)制冷劑的選擇：
制冷劑為氨，因?yàn)榘笔菑V泛使用的一種制冷劑，它的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)沸騰溫度低，在冷凝器和蒸發(fā)器中壓力適中，單位容積制冷量大、導(dǎo)數(shù)系數(shù)大、氣化潛熱大、節(jié)流損失小、能溶解水、有漏氣現(xiàn)象時(shí)易被發(fā)現(xiàn)(有味)、價(jià)格低廉。
(4)制冷壓縮機(jī)的選擇：
我國(guó)使用的活塞式制冷壓縮機(jī)現(xiàn)已大多被螺桿式制冷壓縮機(jī)取代，因?yàn)槁輻U式制冷壓縮機(jī)有很多的優(yōu)點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、沒(méi)有氣閥等易損件，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高，維護(hù)管理簡(jiǎn)單。一般螺桿機(jī)均向工作腔噴油，因而使排氣溫度低，單級(jí)壓縮比大，容積效率高，它有滑閥調(diào)節(jié)裝置，可進(jìn)行空載啟動(dòng)，以及無(wú)級(jí)冷量調(diào)節(jié)近20年來(lái)螺桿壓縮機(jī)發(fā)展很快，機(jī)器品種增多，機(jī)組系統(tǒng)不斷更新，冷量也向更小和更大的范圍伸展，制冷系數(shù)、躁聲等指標(biāo)已接近或達(dá)到活塞制冷壓縮機(jī)的水平。在中等冷量范圍內(nèi)的應(yīng)用已取得了很大的倍譽(yù)。總之，它已發(fā)展成為制冷機(jī)的主要機(jī)型之一。
2．1．3 氨系統(tǒng)設(shè)備選擇的計(jì)算：
(1)壓縮機(jī)的選擇：
根據(jù)冷水系統(tǒng)的所需制冷量291kW(標(biāo)準(zhǔn)工況)，選用螺桿式制冷壓縮機(jī)，型號(hào)為KAl6C(煙臺(tái)冷凍廠)，制冷量為379．1kW，在設(shè)計(jì)工況下的制冷量為430kW(按照廠家說(shuō)明書(shū)的蒸發(fā)溫度與制冷量、軸功率的關(guān)系曲線中查到)。
(2)冷凝器的選擇：
冷凝器選擇是按照其傳熱面積決定的，傳熱面積主要取決于擔(dān)負(fù)的熱負(fù)荷。同時(shí)，也與冷凝器的傳熱系數(shù)和冷凝溫度有關(guān)。
冷凝器熱負(fù)荷計(jì)算：
Qc＝Q十860Ni
Qc一冷凝器熱負(fù)荷 kW；
Q一制冷機(jī)在工況下的制冷量 kW；
Ni一制冷機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的指示功率W。
冷凝器傳熱面積的計(jì)算：
F= Qc/q
F一冷凝器的傳熱面積 m2；
q一冷凝器的單位熱負(fù)荷 kW/m2；
最后冷凝器采用LN一310；傳熱面積為308m2。
冷凝器所需的冷卻水量：
Gw＝Qc/1000(To-Ti)
Gw一冷凝器所需的冷卻水量 t/h；
Qc--冷凝器熱負(fù)荷 kW；
Ti、To--冷卻水進(jìn)、出冷凝器的溫度；
C一冷卻水比熱 kT/(kg,℃)。
(3)蒸發(fā)器的選擇計(jì)算：
蒸發(fā)器的選擇是按其傳熱面積決定的。
F=Qe /q=Qe /kT
F一蒸發(fā)器的傳熱面積 m2；
Qe一蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 kW；
k一蒸發(fā)器的散熱系統(tǒng)數(shù)kW／(m2，℃)
q一蒸發(fā)器的單位熱負(fù)荷kW／(m2，℃)；
Ta一蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)器外載冷劑溫度的平均溫差℃。
冷凍水產(chǎn)量計(jì)算：
Gw=Qe/1000(To-ti)C
蒸發(fā)器采用LzA一240，傳熱面積為240m2
(4)氨儲(chǔ)液器的選擇計(jì)算：
氨儲(chǔ)液器的選擇主要是其容積決定的。
V＝GVc/ 2
V一儲(chǔ)液器容積 m3；
Vc一冷凝溫度下液體制冷劑的比容 m3／kg；
G一制冷劑循環(huán)總量 kg／h；
p一液體充滿系數(shù)，一般取0．7—0．8；
氨儲(chǔ)液器采用WCA一3300，其容積為3．3m3。
(5)集油器、空氣分離器與緊急泄氨器，在配套設(shè)計(jì)中，集油器和空氣分離器的選擇一般不進(jìn)行計(jì)算，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用。
2．2 冷風(fēng)、片冰氨系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)
冷風(fēng)、片冰氨系統(tǒng)的工藝均采用氨泵供液方法，此氨泵供液系統(tǒng)就是借助于液體輸送設(shè)備—氨泵的機(jī)械力，完成向冷分配設(shè)備輸送低壓低溫冷劑液體任務(wù)的制冷系統(tǒng)，在氨泵供液制冷系統(tǒng)中，高壓制冷劑液體被節(jié)流后進(jìn)入低壓縮循還儲(chǔ)液器，再用氨泵送往蒸發(fā)器(冷風(fēng)機(jī)或片冰機(jī))。從蒸發(fā)器出來(lái)的氣液兩相流體，先進(jìn)入低壓循還儲(chǔ)液器進(jìn)行氣液分離，接近干飽和狀態(tài)的制冷劑蒸汽被壓縮機(jī)收回，分離出來(lái)的制冷劑重新被泵送往蒸發(fā)器參加循環(huán)，此種供液方法可使片冰機(jī)產(chǎn)量穩(wěn)定，供液均勻可靠，提高效率。
片冰系統(tǒng)是由片冰樓、輸水膠帶機(jī)、小冰庫(kù)、配冰螺旋機(jī)、稱冰斗等組成。
片冰樓由水電十三局安裝施工。分為2個(gè)冰樓，都可相交送往2個(gè)拌和樓。片冰樓高11m，分3層布置，一樓為片冰的輸送系統(tǒng)，二樓為冰庫(kù)，三樓為片冰機(jī)。2個(gè)冰庫(kù)分別設(shè)有1臺(tái)冷風(fēng)機(jī)，型號(hào)為IJ一200，蒸發(fā)面積為198m2，使用制冷劑為氨，總耗冷量為2×134．8kW(標(biāo)準(zhǔn)工況)，總風(fēng)量為19980m3／h；選用l臺(tái)ABLGlooZ螺桿氨泵機(jī)組，制冷量為279．1kW。片冰機(jī)選用普陀制冷設(shè)備廠生產(chǎn)的PBl一2×llO型立式片冰機(jī)，共8臺(tái)，采用單配單工藝，每臺(tái)片冰機(jī)的生產(chǎn)能力為30t／d，片冰厚1．5—2．0mm，出冰溫度為一8℃一一ll℃，耗冷量225．8kW，要求進(jìn)水溫度5—8℃，所配的制冷機(jī)為武漢冷凍機(jī)廠生產(chǎn)的ABLGlooZ螺桿氨泵機(jī)組，每臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工況的制冷量為279．1kW。
對(duì)粗骨料進(jìn)行預(yù)冷的冷暖風(fēng)機(jī)共6臺(tái)，型號(hào)為KLZ一12—56—3．5，換熱面積564m2。氨蒸發(fā)溫度一l0℃，風(fēng)量3．5—5．1萬(wàn)m2／min，風(fēng)的溫度為0℃，選擇l臺(tái)JZB—KAl2．5一12螺桿泵機(jī)組配2臺(tái)冷暖風(fēng)機(jī)，共3臺(tái),每臺(tái)機(jī)組制冷量為131．4kW。
對(duì)粗骨料預(yù)冷、加冰、冷水拌和混凝土是有效的溫控措施。由于冷風(fēng)系統(tǒng)的3臺(tái)JzB KAl2*5一12螺桿氨泵機(jī)組是龍羊峽的舊備，存在的問(wèn)題比較多，所缺的設(shè)備附件比較多，到現(xiàn)在仍沒(méi)有運(yùn)行。目前運(yùn)行的情況是只加冰、加冷水拌和混凝土。
螺桿氨泵機(jī)組的低壓氨液分別用氨泵送至Z樓上的片冰機(jī)，片冰機(jī)制冰的水由制冷廠生產(chǎn)2—4℃的冷水，制成的片冰直接依靠重力送入冰庫(kù)，通過(guò)平板刮冰機(jī)進(jìn)入輸冰膠帶機(jī)送入拌和樓內(nèi)的小冰庫(kù)。小冰庫(kù)的容積2．5m3，再經(jīng)配冰螺旋輸送機(jī)到冰稱量斗，稱量后進(jìn)入集中1料斗。小冰庫(kù)和配料冰螺旋機(jī)外部貼裝保溫層。
由制冷廠生產(chǎn)出來(lái)的2—4℃的冷水，通過(guò)水泵房?jī)?nèi)的水泵進(jìn)入拌和樓內(nèi)的一個(gè)3m3水罐。在進(jìn)水口裝有浮球閥來(lái)控制水位。經(jīng)過(guò)出水口進(jìn)入水稱量，稱量后進(jìn)入集中料斗。
通過(guò)對(duì)拌和混凝土的加冰、加水采降低混凝土的出機(jī)溫度，而混凝土的出機(jī)溫度與砂、石子、水泥、水的溫度有關(guān)，從當(dāng)年6—8月測(cè)得各材料的溫度為：水泥29．1℃、砂20．5℃、石子29．3℃，根據(jù)加冰量的調(diào)整和拌和冷水的溫度來(lái)滿足出機(jī)溫度的要求。
其計(jì)算公式如下；
TO=7n一2TiGiCi一807zGc十Q
TO一混凝土出機(jī)口的計(jì)算溫度 ℃；
Ti一組成混凝土中第i類材料的平均進(jìn)料溫度
Gi—每立方米混凝土中第I類材料的重量kg；
Ci一第i類材料的比熱 kJ(kg·℃)；
Gc一每立方米混凝土的加冰量 kg
9一冰的冷量利用率，以小數(shù)計(jì)；
Q一每立方米混凝土拌和時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械熱 k工；
80一冰的融化潛熱kJ／kg。
由于測(cè)試工作未能全面開(kāi)展，夏季3個(gè)月混凝土出機(jī)溫度資料不全，無(wú)法從這3個(gè)月經(jīng)加冰、加冷水拌和后的出機(jī)溫度來(lái)討論它相對(duì)自然出機(jī)溫度的綜合降溫效果。通過(guò)夏季加冰、加冷水拌和混凝土實(shí)測(cè)的混凝土出機(jī)溫度，可以看出，采取人工降溫措施后的出機(jī)溫度并沒(méi)有達(dá)到所要求的出機(jī)溫度，主要原因如下：
（1）對(duì)粗骨料吹冷風(fēng)沒(méi)有使用，使得粗骨料溫度較高。
（2）制冷廠生產(chǎn)的冷水雖然達(dá)到2—4℃。但由于去水泵房的冷水管在施工中沒(méi)有保溫、拌和樓上的水罐及管路都沒(méi)有保溫，造成冷水的溫度在拌和混凝土?xí)r外高，使得混凝土的出機(jī)溫度降不下來(lái)。
4 結(jié)語(yǔ)
采用對(duì)粗骨料吹冷風(fēng)，將粗骨料溫度降低約6℃左右并加2℃的冷水及一8℃的片冰是能保證夏季混凝土出機(jī)溫度的要求。
從混凝土拌和系統(tǒng)的制冷廠設(shè)計(jì)、施工到部分投入運(yùn)行以來(lái)，在各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員和廠隊(duì)工人的共同努力下，取得了—點(diǎn)成績(jī)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。從設(shè)備配備到施工運(yùn)行管理以及測(cè)試都有不足之處，需加以改進(jìn)。相信隨著制冷技術(shù)的迅速發(fā)展和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，混凝土拌和制冷系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步完善。
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