В. Е. МАЛИНОКИЙ, инж. (ЦНИИС Минтрансстроя СССР), Перспективы использования солнечной энергии для изготовления мостовых конструкций
Одним из путей снижения расхода тепловой энергии, получаемой на технологические нужды от котельной, является использование солнечной энергии. Однако разработки по ее использованию для конструкций промышленного и гражданского строительства не могут быть перенесены на производство конструкций транспортного назначения, имеющих сложную геометрическую форму, большую высоту, формующихся в сложной технологической оснастке. Поэтому ЦНИИС принял систему, в которой солнечная энергия используется как дополнительный источник теплоты. При недостатке солнечной энергии включается основная система нагрева теплоносителя. Система состоит из гелиоприемника, термоформы с греющими элементами-регистрами, по которым циркулирует теплоноситель (минеральное масло), электрического теплогенератора, циркуляционного насоса, бака аккумулятора и маслопроводов.
Целесообразность использования гелиоприемника и минерального масла в качестве теплоносителя объясняется тем, что термоформы с паровыми или водяными рубашками подвержены повышенной коррозии, а температурный режим прогрева длинномерных конструкций в таких термоформах регулировать сложно. Передача теплоты изделиям с помощью минеральных масел устраняет указанные недостатки, обеспечивает коэффициент полезного ее использования до 0,7...0,8 и более.
В ПНИИСе разработана экспериментальная установка с маслообогревом, позволяющая проводить термообработку фрагмента длиной 2 м железобетонной балки пролетного строения автодорожного моста длиной 24 м. Для установки был применен солнечный коллектор — плоский бак, внутренние поверхности которого разделены перегородками, образующими циркуляционные каналы 20X40 мм. Коллектор с зачерненной лицевой поверхностью и установленным над ней теплоизолирующим покрытием из двойного остекления помещен в теплоизолированный футляр на штативе. Коллектор может вращаться в двух плоскостях, солнцевоспринимающая поверхность устанавливается перпендикулярно солнечным лучам. Теплоноситель— минеральное м;асло ИС-12 высокой подвижности.
Эксперименты выполнялись ц условиях Москвы в августе-сентябре. Разогрев поверхности солнечного коллектора и циркулирующего масла начинается одновременно с началом облучения. В первые ч&сы эксперимента скорость разогрева масла составляла около 8°С/ч. Незначительный дополнительный электроподогрев масла обеспечивал разогрев железобетонных конструкций со скоростью до Ю°С/ч, что регламентируется нормативными документами. Исследования показали принципиальную возможность использования комбинированной гелиотехнологии при изготовлении мостовых железобетонных конструкций даже в условиях средней полосы. Например, в начале осени температура солнечного коллектора достигает 72°С, а температура масла — 55°С, а в отдельные дни даже 70°С. Это происходит при установлении оптимального соотношения между площадью, воспринимающей солнечную радиацию, скоростью движения масла по коллектору и теплосодержанием аккумулирующего бака.
Солнечная энергия может быть также использована непосредственно для нагрева верхней плиты балки. В таком случае возможно создание комбинированной гелиотехнологии с применением промежуточного теплоносителя, разогретого в гелиоприемнике и при необходимости дополнительно подогретого в теплогенераторе, а также непосредственное использование солнечной энергии для прогрева плоских частей мостовых конструкций.
Элементы этой системы прошли производственную проверку в Мостоотряде № 13 Мостостроя № 7 в Ташкенте при изготовлении железобетонных мостовых балок длиной 16 м (рис. 1). Предлагаемую систему удобно применять в условиях полигонов наряду с другими технологиями. Например, перспективно использовать теплоаккумулирующие покрытия, которые в дневное время накапливают теплоту, находясь вне зоны расположения конструкции, а в ночное время их можно использовать для утепления и прогрева бетона.
Использование этого предложения возможно после экспериментальной проверки и отработки технологии. Можно также накапливать тепловую энергию в резервуарах-приемниках с помощью гелиоприемника и теплоносителя-масла с последующим ее использованием для прогрева бетона в ночное время.
Количество теплоты, воспринимаемой гелиоколлектором, определяется в зависимости от его ориентации и наклона. Для северного полушария наиболее благоприятна ориентация на юг, а наклон поверхности, получающей максимальное количество тепловой энергии, зависит от многих факторов. На основании исследований ЦНИИСа теоретическим путем получены формулы для определения оптимальных углов наклона. Для зимнего периода времени формула имеет вид
Результаты выполненных с помощью ЭВМ исследований показали, что начальная температура смеси оказывает существенное влияние на величину максимального разогрева. Так, при начальной температуре уложенной бетонной смеси +5°С бетон мостовой балки длиной 24 м через 70 ч может разогреться до 55°С, а при начальной температуре бетонной смеси +35°С — до температуры +85°С через 25...30 ч после окончания укладки (рис. 2). В таких условиях бетон на Балаклейском цементе при начальной температуре смеси +35°С может набирать требуемую прочность через 47...45 ч после укладки.
Такие результаты сопоставимы с результатами тепловой обработки мостовых железобетонных конструкций по типовым режимам. Следует, однако, отметить, что при использовании менее активных цементов для набора необходимой прочности может потребоваться больше времени. Тем не менее возможность применения термосного выдерживания конструкций при высокой начальной температуре бетонной смеси очевидна.
Следует отметить, что с применением термосного метода выдерживания мостовых железобетонных конструкций можно повысить их качество путем создания благоприятного термонапряженного состояния и ликвидации предпосылок для сушки бетона в теплоизолированной форме и т. п. Как показывают исследования, при термосном выдерживании мостовых железобетонных балок (рис. 3) наблюдаются перепады температуры по их сечению, при этом более высокая температура — в середине сечения. Такие условия твердения создают предпосылки для формирования благоприятного собственного термонапряженного состояния в конструкциях и повышения их трещиностойкости.
Через 45...50 ч перепады прочности твердеющего бетона уменьшаются таким образом, что к этому времени мы имеем равнопрочную конструкцию. Это также определяет окончание процесса выдерживания балки в теплоизолированной форме.
Для получения разогретых бетонных смесей нужно иметь подогретые инертные заполнители и воду. Воду можно подогреть с помощью гелиоприемников, инертные разогреваются естественным путем в штабелях от солнечной энергии.
Для исследования влияния солнечной энергии на разогрев заполнителей и бетонных конструкций в ЦНИИСе предложена методика, позволяющая наглядно, просто и удобно учитывать величину солнечной радиации в тепловых расчетах. Для разработки практических рекомендаций были проанализированы полученные в результате расчетов на ЭВМ температурные поля в штабелях щебня и песка, расположенных под открытым небом на широте Ташкента. Рассматривали штабель, ориентированный в длину с юга на север так, что в первую половину дня солнечные лучи воздействуют на левую (восточную) его сторону, а во вторую — на правую (западную). Были выбраны наиболее неблагоприятные погодные условия, характерные для ноября.
Исследования показали, что к 13 ч дня температура верхнего слоя левой (восточной) стороны штабеля щебня достигает 25°С, а правой (западной) стороны—17°С. В 16 ч дня она соответственно равна 30°С и 25°С, а в 20 ч — 25°С и 30°С.
В летний период (июль) распределение температур на западном и восточном склонах изменяется. Щебень может разогреться до 60°С и температура в глубине штабеля составляет 20°С и более. Таким образом имеется реальная возможность приготовить бетонную1 смесь с начальной температурой 25... ..30°С.
Для эффективного использования аккумулированной в заполнителях тепловой энергии при приготовлении смесей необходимо соблюдать определенные требования при подаче заполнителей в приемные бункеры бетоносмесительного цеха. Дело в том, что на складах заполнители имеют разную температуру по толщине штабеля. Наиболее разогретым является слой толщиной 40 см. Поэтому при наличии грейферных кранов на складах инертных заполнители необходимо брать последовательно тонким слоем, начиная со склонов штабеля, ориентированных на восток, и заканчивая склонами, ориентированными на запад. При приготовлении бетонной смеси с заданной температурой необходимо руководствоваться обычными правилами, учитывающими температуру воды и заполнителей, обеспечивающую получение смеси с заданными параметрами.
Эффрктивное использование солнечной энергии как основного или дополнительного источника теплоты при изготовлении мостовых железобетонных конструкций может быть обеспечено только при наличии современных систем автоматизации, регулирующих температуру твердеющего бетона с учетом изменения его физико-химических свойств в процессе тепловой обработки, т. е. имеющими обратную связь с объектом управления. Такие системы могут быть построены на базе микропроцессорной техники и, в частности, при использовании устройств управления тепловой обработкой бетона с информацией о прочности типа А 351—01, разработанных ЦНИИСом совместно с ЛНПО «Буревестник». В дальнейшем может быть использовано многоканальное устройство управления тепловой обработкой бетона, разработанное этими же организациями и подготавливаемое к освоению.
Бетон и железобетон, 1988 №05