Методика определения электротепловых полей в системе «Электрод-бетонная смесь»

Исходя из приведенных данных можно утверждать, что разрабатываемые теплоизоляционные материалы на основе низинных торфов Томской области являются конкурентоспособными и могут занять достойную нишу на строительном рынке Западно-Сибирского региона.

Библиографический список

1. Торфяные ресурсы Томской области и пути их использования в строительстве / Л.В. Ка-сицкая, Ю.С. Саркисов, Н.П. Горленко [и др.]. - Томск : SST, 2007. - 292 с.

2. Пат. 2273620 Российская Федерация. Торфодревесная композиция для изготовления теплоизоляционных строительных материалов.

3. Волженский, А.В. Вяжущие материалы на основе торфяных зол / А.В. Волженский, К.П. Гайгалас // Строительные материалы. - 1961, - № 1. - С. 22-25.

4. Рациональное использование торфа в строительных технологиях / Н.О. Копаница, А.И. Кудяков [и др.] // Строительные материалы. - 2007. - № 12. - С. 32-36.

5. Копаница, Н.О. Исследования вяжущих свойств низинных торфов при производстве теплоизоляционных материалов / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // Вестник ТГАСУ. -2007. - № 1. - С. 210-216.

M.A. KALASNIKOVA

USE OF HEAT-INSULATING MATERIALS ON THE BASIS OF VALLEY PEATS OF TOMSK AREA IN PROTECTING DESIGNS

The paper contains information about the obtaining of heat-insulating materials, the opportunity of regulation of their properties and a field of their application.

УДК 693.5:624.139

A.И. ГНЫРЯ, докт. техн. наук, профессор,

B. И. КУРЕЦ, докт. техн. наук, профессор,

М.М. ТИТОВ, канд. техн. наук, доцент,

И. В. ЮЖАКОВ, аспирант,

ТГАСУ, Томск

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В СИСТЕМЕ «ЭЛЕКТРОД-БЕТОННАЯ СМЕСЬ»

В работе показано, что первопричиной неравномерности электротепловых полей по краям фазных электродов в устройствах для электроразогрева бетонной смеси, приводящей к быстрой потере работоспособности электроразогревающих устройств любого конструктивного исполнения, является так называемый «краевой эффект», известный из электростатики.

Метод электротепловой обработки бетона на стройках и заводах ЖБИ с предварительным электроразогревом бетонной смеси по физике проходя-

© А.И. Гныря, В.И. Курец, М.М. Титов, И.В. Южаков, 2008

щих в бетонной смеси и твердеющем бетоне процессов является наиболее эффективным, т. е. обеспечивающим минимальный расход энергии при максимальной скорости набора прочности в первые 1-2 суток до величин 40-70 % Я28 [1]. Однако этот метод в настоящее время еще не получил должного распространения, потому что металл электродов (в первую очередь, в области краев - торцов и ребер) нагревается со скоростью в 3-5 раз большей, чем весь объем смеси между электродами, и достигает температуры порядка 100 °С через 3-4 мин после подачи напряжения. Затем на границе металл-бетонная смесь наступает кризис теплоотдачи, и происходит кипение воды затворения и экранирование части поверхности электрода, уменьшающие величину проходящего тока [2]. Этот процесс повторяется, и с каждым разом происходит налипание и схватывание бетона на электродах. Через 20-25 циклов разогрева скорость нагрева падает до 2-3 °С/мин, что технологически неприемлемо.

Следовательно, реальный процесс электроразогрева дает крайне неравномерную картину температурных и, соответственно, электрических полей. Причину этого явления следует искать в неравномерной плотности тока на границе раздела бетонная смесь-поверхность электродных систем. Следует отметить, что, как показывают производственные наблюдения, интегральная функция плотности тока на поверхности электрода зависит от времени разогрева (т. е. от температуры и зависящей от нее величины удельного сопротивления бетонной смеси), а локальная функция плотности тока является функцией координаты точки, особенно в области краев электродов, погруженных в разогреваемую смесь. Таким образом, можно считать, что температурная неравномерность обусловлена неравномерностью плотности тока в области торцов и ребер электрода, т. е. по его краям.

Целью данной работы является определение полей плотности тока и, соответственно, распределение температурных полей для одноэлектродного электроразогревающего устройства с плоским стальным фазным электродом расчетным путем, используя методы численного моделирования. В качестве геометрической модели используем схему, представленную на рис. 1.

1. Фазный электрод 0,6х0,3 м, 8 = 8 мм;

2. Нулевые электроды 1,0х0,3 м, 8 =3 мм;

3. Диэлектрический короб V = 1,0х0,4х0,3 = 0,12 м3;

4. Бетонная смесь

у = 2200 кг/м3, р = 6 Ом • м

Рис. 1. Схема электроразогревающего устройства с плоским стальным фазным электродом

Электрическая нагрузка при электроразогреве в предложенной модели представляет чисто омическое сопротивление, поэтому в первом приближении можно рассматривать задачу распределения полей U и E как электростатическую [3]. В теории электромагнитного поля [4] известен метод электростатической аналогии, позволяющий в ряде случаев при расчете токов в проводящей среде воспользоваться готовыми решениями соответствующих задач электростатики, т. к. напряженность электрического поля по отношению к удельному сопротивлению среды связана с плотностью тока соотношением J = p-1E.

Поскольку J и E — векторные величины, а p — скалярная, то в однородной изотропной среде направление линий электрического тока всюду совпадает с направлением линий напряженности электрического поля и плотность тока всюду пропорциональна плотности линий напряженности электрического поля.

Разработанные в последнее время программные и аппаратные средства позволяют оценить качественные и количественные полевые характеристики различных конструктивных систем, включая систему «электрод — бетонная смесь». Одним из таких программных средств является программный продукт ELCUT 5.1 Professional Edition, который позволяет задавать шаг минимальной дискретизации для более детальной проработки исследуемой области поля. Программа дает возможность оперировать следующими локальными и интегральными физическими величинами: скалярным электрическим потенциалом U, вектором напряженности электрического поля E, вектором плотности тока J, мощностью тепловыделения в заданной точке объема W, температурой Т, вектором плотности теплового потока F = -X grad Т. Программный продукт ELCUT 5.1 позволяет визуализировать результаты расчетов как в самой программе, так и в AutoCAD или Word. Приведенные здесь решения ограничиваются: Т = 100 °С в наиболее нагретом месте — у ребра электрода, Е = 11—12 В/см — между электродами. Возможность задавать шаг минимальной дискретизации впервые позволила получить детальную картину распределения J и T в области края фазного электрода, которую невозможно получить экспериментально. На рис. 2, 3 приведены визуализированные результаты расчета плотности тока и температуры на краю фазного электрода. На них ясно видно, что максимальная плотность тока, в десятки раз превосходящая среднее значение по плоскости электрода, локализуется в области ребер электрода. Поскольку тепловыделения, а значит и температура пропорциональны плотности тока в квадрате, то наибольшая температура (100 °С) в момент начала приэлектродного кипения воды затворения возникает в области торца электрода, но не у самого металла, а на некотором удалении от него (5—8 мм). Для количественного анализа на рис. 4—7 приводятся графики плотности тока, температуры, удельного тепловыделения и градиента температуры по направлению n от ребра электрода (под углом 45°) (см. рис. 1). Из рис. 4, 6 параметры J и W убывают экспоненциально, что вполне объяснимо. На рис. 5, 7 параметры Тиб показывают, что максимум температуры удален от ребра на 5—8 мм. Это обстоятельство доказывает, что большая часть тепловыделения поглощается металлом электрода сначала в области торца, а затем, т. к. его теплопроводность в двадцать три раза больше, чем у бетонной смеси, и всем элек-

тродом. Остальное выделившееся тепло рассеивается в окружающий край электрода смеси. На рис. 7 область локального минимума О показывает: слева поток тепла поглощается электродом, а справа - рассеивается в бетонной смеси.

1X1

Рис. 2. Плотности тока на краю электрода

Рис. 4. Плотность тока от ребра по направлению п

Рис. 6. Удельное тепловыделение от ребра по направлению п

Рис. 3. Температурное поле на краю электрода

Рис. 5. Температура от ребра по направлению п

Рис. 7. Градиент температуры от ребра по направлению п

В результате работы показано, что наличие «краевого эффекта» приводит к неравномерному разогреву бетонной смеси вблизи ребер электрода. Представлен механизм опережающего (по сравнению со всем объемом смеси) нагрева фазного электрода от локального источника в области края электрода. При достижении температуры среды Т = 100 °С возникает парообразование на краях фазного электрода, уменьшающее площадь контакта электрода со смесью и приводящее к последующему налипанию бетона на его поверхность.

Библиографический список

1. Крылов, Б.А. Форсированный электроразогрев бетона / Б.А. Крылов, А.И. Ли. — М. : Стройиздат, 1975. — 155 с.

2. Гныря, А.И. Новое слово в разработке технологии предварительного электроразогрева бетонной смеси / А.И. Гныря, М.М. Титов // Технологии бетонов. — № 1. — 2008. — С. 54—57.

3. Иоссель, Ю.Я. Расчет потенциальных полей в энергетике / Ю.Я. Иоссель. — Л. : Энергия,

1978. — 272 с.

4. Теоретические основы электротехники. Ч. 2, 3 / Г.И Атабеков [и др.]. — М. : Энергия,

1979. — 316 с.

A.I. 6NYRJA, V.I. KURETZ, M.M. TITOV, I.V. YUZHAKOV

DEFINITION OF ELECTROTHERMAL FIELDS IN SYSTEM THE ELECTRODE-CONCRETE MIX

The paper considers the method of definition of electrothermal fields in «Electrode — Concrete Mix» system. It was shown, what an original cause of non-uniformity of electrothermal fields on edges of phase electrodes in devices for an electrowarming of the concrete mix leading to the fast loss of working capacity of electrowarming devices of any design is so-called «border effect», known from an electrostatics.