Морозильный шкаф для определения морозостойкости

Полезная модель относится к области контрольно-испытательной техники, используемой для определения морозостойкости образцов различных материалов (бетон, кирпич, раствор строительный, цемент, асбоцемент, асфальтобетон, щебень и др.). В рамках настоящей полезной модели рассматривается конструкция морозильного шкафа в виде холодильника, предназначенного для определения морозостойкости бетонных образцов первым базовым методом по ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости», образцов кирпича по ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости» и растворных образцов по ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний».
Морозостойкость бетона - способность бетона сохранять физико-механические свойства при многократном попеременном замораживании и оттаивании. Морозостойкость бетона характеризуется маркой по морозостойкости, под которой понимается установленное нормами максимальное число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона, проводимых по базовым методам, при котором сохраняются первоначальные физико-механические свойства в утвержденных стандартом пределах. Методика определения морозостойкости бетона регламентирована стандартом ГОСТ 10060-2012, согласно которому все образцы, в том числе и контрольные, перед испытанием насыщают водой при температуре (20±2)°C. Для этого их сначала погружают в воду (или солевой раствор) на 1/3 их высоты и выдерживают 24 ч, затем уровень жидкости доводят до 2/3 высоты образцов и также выдерживают 24 ч. После чего образцы полностью погружают в жидкость таким образом, чтобы она окружала их со всех сторон слоем не менее 20 мм, и в таком состоянии выдерживают еще 48 ч.
Контрольные образцы испытывают на сжатие через 2…4 ч после извлечения из ванны, где проводилось их насыщение. Образцы бетона, подлежащие испытанию, после насыщения водой в течение 96 ч загружают в морозильную камеру в контейнерах или устанавливают на сетчатые стеллажи морозильной камеры так, чтобы расстояние между ними, стенками контейнеров и вышележащими стеллажами было не менее 50 мм. Если после загрузки камеры температура в ней повысится выше -16°C, то началом замораживания считают момент установления в морозильной камере температуры -16°C. В течение всего цикла замораживания температуру в камере поддерживают в интервале -16…-20°C, измеряя ее в центре объема морозильной камеры в непосредственной близости от образцов. Оттаивание производят в ванне с водой температурой (20±2)°C; при этом образцы должны быть окружены слоем воды толщиной не менее 50 мм.
Число циклов замораживания и оттаивания основных образцов бетона должно быть не менее одного в сутки. При вынужденных (технически обоснованных) перерывах в испытании на морозостойкость образцы должны находиться в замороженном состоянии.
Через 2…4 ч после проведения соответствующего числа циклов замораживания и оттаивания основные образцы, извлеченные из ванны, осматривают и взвешивают, после чего испытывают на сжатие.
Замораживание образцов бетона проводят в морозильных камерах.
Так, известен морозильный шкаф в виде холодильника, состоящий из теплоизолированного корпуса, собранного из наружного и внутреннего коробов и в верхней части корпуса которого размещены машинное отделение с однокаскадной холодильной машиной, содержащей компрессор SC-15CM, обеспечивающей в охлаждаемом объеме рабочей камеры температуру минус 18±2°C, необходимую для проведения испытаний на морозостойкость первым базовым методом по требованиям ГОСТ 10060-2012, и блок управления с микропроцессорным измерителем-регулятором температуры, а в нижней части корпуса расположена рабочая морозильная камера с полками для размещения испытываемых образцов, закрываемая дверцей. В верхней части охлаждаемого объема рабочей камеры располагаются воздухоохладитель и ТЭН, а в центре рабочей камеры закреплены температурные датчики (RU 77403, F25D 13/00, опубл. 20.10.2008).
В известном решении насыщенные водой образцы для испытаний на морозостойкость обтирают тканью и помещают в рабочую камеру при температуре в ней минус 18°C. Началом цикла замораживания считается включение девятого шага выполнения программы испытаний после установления в рабочей камере температуры минус 16÷20°C. Контроль за температурой в охлаждаемом объеме рабочей камеры осуществляется по показаниям на дисплее микропроцессорного измерителя-регулятора температуры блока управления. Окончанием цикла замораживания считается включение десятого шага выполнения программы. Во время достижения в рабочей камере температуры минус 16÷20°C и на десятом шаге запрограммирована оттайка теплообменной поверхности испарителя с целью его очистки от снеговой шубы во время и после замораживания посредством ТЭН. По окончании замораживания образцы извлекают из рабочей камеры.
Недостаток известного решения заключается в длительном времени достижения необходимой температуры в камере после загрузки образцов и в достаточном расходе электроэнергии в связи с постоянной работой одной холодильной машины и частыми ее переключениями из режима работы компрессора в режим его выключения. Кроме того на расход электроэнергии влияет работа ТЭНа для оттаивания испарителя (очистка поверхности ламелей испарителя от снеговой шубы неработающей холодильной машины). Постоянная длительная работа холодильной машины и применение ТЭНа так же оказывают влияние на эксплуатационную долговечность морозильного шкафа.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в максимально возможном увеличении производительности морозильного шкафа с целью уменьшения затрат времени цикла замораживания образцов, в эксплуатационной долговечности морозильного шкафа за счет использования двух холодильных машин и исключения ТЭНов оттаивания испарителей за счет подобранной опытным путем увеличенной поверхности теплообмена испарителей и с частичным переносом функции ТЭНов на вентиляторы обдува испарителей повышенной мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что морозильный шкаф для определения морозостойкости, содержащий теплоизолированный корпус, в верхней части которого размещены машинное отделение с холодильной машиной, и процессорный блок управления, выполненный с возможностью реализации функций измерения и регулирования температуры, в нижней - закрываемая дверцей рабочая морозильная камера с полками для размещения испытываемых образцов и в центральной части полости которой закреплены температурные датчики, а в верхней части этой камеры расположен воздухоохладитель, снабжен размещенной в машинном отделении дополнительной холодильной машиной, гидравлически не связанной с первой холодильной машиной, процессорный блок управления выполнен с возможностью реализации дополнительной функции управления обеими холодильными машинами для их совместной работы в режиме начального охлаждения морозильной камеры до температуры минус 15°C и их попеременной работы при длительном охлаждении при температуре в диапазоне минус (15-20)°C в сменном режиме работы одной холодильной машины при неработающей другой холодильной машине, а воздухоохладитель выполнен в виде вентиляторов с частотой вращения 2600 об/мин для эффективного теплообмена, перемешивания воздуха в полости морозильной камеры и частичной очистки поверхности ламелей испарителя от снеговой шубы у неработающей холодильной машины.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 изображен общий вид морозильного шкафа с открытой дверцей;
фиг. 2 - диаграмма работы двух холодильных машин на примере программы определения морозостойкости кирпичных образцов методом объемного замораживания по ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости».
Согласно настоящей полезной модели рассматривается усовершенствованная конструкция морозильного шкафа, используемого для определения морозостойкости бетонных образцов по первому базовому методу, описанному в ГОСТ 10060-2012 растворных образцов по ГОСТ 5802-86 и в соответствии с требованиями, предъявляемыми ГОСТ 7025-91, которые в рамках требований по временным интервалам и температурным режимам показаны на фиг.2 на диаграмме программы определения морозостойкости кирпичных образцов.
Эти испытания должны проводиться в камере морозильной с принудительной вентиляцией и автоматически регулируемой температурой от минус 5 до минус 20°C.
Для решения этой задачи используется морозильный шкаф (фиг. 1) состоящий из теплоизолированного корпуса 1, например, собранного из двух коробов - наружного 2 и внутреннего 3. В верхней части корпуса 1 размещены машинное отделение 4 с двумя однокаскадными холодильными машинами 5, которые гидравлически между собой не сообщены, и микропроцессорный блок управления 6 с измерителем-регулятором температуры 7, выполненный с возможностью реализации функций измерения и регулирования температуры в морозильной камере 8. В нижней части корпуса расположена морозильная камера 8 с полками 9 для размещения испытываемых образцов, эта морозильная камера закрывается дверцей 10. В верхней части охлаждаемого объема морозильной камеры 8 располагается моноблочный воздухоохладитель 11, выполненный в виде двух испарительных батарей, обдуваемых двумя мощными вентиляторами с частотой вращения 2600 об/мин для теплообмена и перемешивания воздуха в полости морозильной камеры. Оба вентилятора обдува испарителей активны при активном состоянии любого из компрессоров холодильных машин с целью создания мощного потока воздушной массы с заданной скоростью его перемещения. Это позволяет не только эффективно осуществлять теплообмен и перемешивать воздух в полости морозильного шкафа, но и использовать энергию воздушного потока для частичной очистки поверхности ламелей испарителя от снеговой шубы у той холодильной машины, которая в данный момент не работает.
Накапливание снежной шубы или инея на ламелях испарителей - вполне естественный процесс, который в исправном холодильнике длится от 3-х месяцев до полугода, если конечно у вас не установлена система No Frost (система принудительной очистки испарителя от снежной шубы путем оттаивания ТЭНом, управляемым реле времени). Физическая составляющая процесса замораживания довольно проста. Хладагент при испарении забирает тепло из холодильной камеры и отдает тепло окружающей среде при его принудительной конденсации. Происходит это циклами:
- охлаждение до заданной температуры
- отдых, во время которого происходит повышение температуры до заданной величины.
И этот цикл постоянно повторяется. Конденсируемая из воздуха влага начинает намерзать на поверхности испарителей, так как температура на поверхности трубок испарителя составляет от -10°C во время начала охлаждения до -30°C при достижении требуемой температуры в морозильнике.
В связи с этим скорость вовлечения в воздушный поток паров влаги с поверхности замораживаемых образцов прямо связана со скоростью перемещения воздушной массы. Это основано на физической способности воздуха удерживать большое количество водяных паров и тем больше, чем выше температура воздуха.
В центре морозильной камеры закреплены температурные датчики 12.
Наличие двух (вместо одной) гидравлически независимых холодильных машин позволяет организовать новый алгоритм работы морозильного шкафа для сокращения сроков выхода на заданный температурный режим. Этот алгоритм представлен на фиг. 2 (обеспечивается программой управления в процессорном блоке управления): на 1-ом, 2-ом и 3-ем шагах испытаний работают обе холодильные машины одновременно. На 4-ом, 5-ом и 6-ом шагах холодильные машины работают попеременно поодиночке: одна холодильная машина работает, другая находится в нерабочем выключенном состоянии. Такой алгоритм работы позволяет достичь минимально возможного времени достижения необходимой температуры в камере после загрузки образцов, равномерного использования технического ресурса обеих холодильных машин и минимального расхода электроэнергии.
Для этого процессорный блок управления выполнен с возможностью реализации дополнительной функции управления обеими холодильными машинами для их совместной работы в режиме начального охлаждения морозильной камеры до температуры минус 15°C и их попеременной работы при длительном охлаждении при температуре в диапазоне минус (15-20)°C в сменном режиме работы одной холодильной машины при неработающей другой холодильной машине.
Необходимый алгоритм работы холодильных машин с поддержанием необходимых параметров температуры воздуха и временных промежутков, регламентированных ГОСТами, обеспечивается программой управления всеми элементами морозильного шкафа. Оригинальная программа управления закладывается в энергонезависимую память микропроцессора управляющего контроллера камеры.
Целью оснащения камеры морозильной двумя холодильными машинами является достижение минимально возможного времени выхода на необходимый температурный режим до и после загрузки образцов, достижение равномерного использования технического ресурса обеих холодильных машин, достижение оптимального режима работы обеих холодильных машин по критерию допустимой частоты включения/выключения компрессора холодильной машины и минимизация расхода технического ресурса холодильных машин и расхода электроэнергии. Достижение минимально возможного времени выхода на необходимый температурный режим до и после загрузки образцов позволяет достичь максимальной производительности камеры морозильной по количеству производимых циклов замораживания образцов в сутки.
Достичь аналогичной производительности камеры в прототипе (с одной холодильной машиной) по сравнению с морозильным шкафом, оснащенным дублированной холодильной системой, невозможно. Так, простое увеличение мощности компрессора камеры прототипа позволяет достижение аналогичного временного промежутка на 1-ом, 2-ом и 3-ем шагах исполнения программы, но не позволяет работать компрессору в нормальном циклическом режиме на 4-ом, 5-ом и 6-ом шагах. Завышенная мощность холодильной машины приведет к излишне частому включению-выключению компрессора и выходу его из строя. Нормальное количество включений компрессора не должно превышать 7÷10 циклов за один час. Чем ниже этот показатель, тем в более легком режиме работает компрессор и тем выше сохранность его технического ресурса. Для камеры, оснащенной дублированной холодильной системой, этот показатель составляет 3 цикла в час.
Работа морозильной камеры осуществляется следующим образом. Образцы для испытаний на морозостойкость насыщенные водой, обтирают тканью и помещают в морозильную камеру 8 при температуре в ней минус 18°C. Началом цикла замораживания считается выполнение программы испытаний после установления в этой камере 8 температуры минус 15÷20°C. Контроль за температурой в охлаждаемом объеме морозильной камеры 8 осуществляется по показаниям на дисплее микропроцессорного измерителя-регулятора температуры 7 блока управления 6. Окончанием цикла замораживания считается включение последнего шага выполнения программы. По окончании замораживания образцы извлекают из рабочей камеры.
Применение ТЭНов оттаивания испарителей у прототипа обусловлено необходимостью очистки поверхности ламелей испарителя от образующейся снеговой шубы во время выхода на необходимый температурный режим после загрузки образцов, так как образцы размещаются для замораживания в морозильную камеру после очередной процедуры оттаивания в воде и имеют высокую влагонасыщенность. Без применения оттаивания испарителей у прототипа невозможно достижение необходимой отрицательной температуры в камере из-за ухудшения теплопередачи вследствие образования снеговой шубы или наличия вероятности несоблюдения необходимого стандартизованного температурного режима во время замораживания образцов на 4-ом, 5-ом и 6-ом шагах исполнения программы.
Возможность исключения из состава конструкции холодильных машин ТЭНов для оттаивания испарителей холодильной машины достигнута за счет подобранной опытным путем более развитой поверхности ламелей испарителей каждой холодильной машины и наличия двух независимых холодильных машин. Наличие двух попеременно работающих холодильных машин в период поддерживания необходимого стандартизованного температурного режима на 4-ом, 5-ом и 6-ом шагах исполнения программы позволяет осуществлять частичную самоочистку поверхности ламелей испарителя от снеговой шубы неработающей холодильной машины во время работы другой холодильной машины. Исключение из состава конструкции холодильных машин ТЭНов оттаивания испарителей холодильных машин повышает производительность морозильной камеры по количеству производимых циклов замораживания образцов в сутки, снижает вероятность отказов морозильной камеры по причине выхода из строя ТЭНов, исключает пожароопасность и снижает расход электроэнергии.
Самоочистка поверхности ламелей испарителя от снеговой шубы неработающей холодильной машины усилена применением постоянно работающих вентиляторов с частотой вращения 2600 об/мин против 1300 об/мин, как у прототипа. Применение высокооборотных вентиляторов с частотой вращения 2600 об/мин увеличивает перемешивание воздуха в морозильной камере и улучшает показатель неравномерности температуры в разных точках камеры.
Настоящая полезная модель промышленно применима и может быть изготовлена промышленным путем с использованием технологий, применяемых при производстве холодильных установок различного назначения.