淺談混凝土拌和系統(tǒng)的制冷設計
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摘 要 通過對制冷設計原則、氨系統(tǒng)的選擇及氨設備的計算，淺談萬家寨混凝土拌和系統(tǒng)的制冷設計過程。
關鍵詞 制冷 氨工藝 出機溫度 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，混凝土的體積也在不斷變化，當混凝土受到基礎或相鄰澆筑塊的約束，就會降低水工建筑物的安全系數(shù)，對穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，根據(jù)國內(nèi)外筑壩經(jīng)驗，進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。
對壩體混凝土進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格的限制。控制混凝土最高溫升的方法之一是降低混凝土澆筑溫度。因此，要限制混凝土的出機溫度，在氣溫較高的季節(jié),混凝土在自然條件下的出機溫度往往超過施工所要求的限制溫度。此時，就必須采取人工降溫措施，即通過對骨料的預冷和加冷凍水、加冰拌和混凝土來降低混凝土的出機溫度，這是降低混凝土澆筑溫度的最有效措施。
萬家寨地區(qū)為溫帶季風大陸性氣候，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℃，日絕對最高氣溫為38．1℃。根據(jù)溫控要求，混凝土出機口溫度12℃，夏季混凝土澆筑強度為74000m·3／月。通過對骨料預冷、加冷水、加冰拌和混凝土，應該能滿足混凝土出機口溫度要求。
根據(jù)混凝土系統(tǒng)中制冷工程標書中總?cè)萘?0248kW(標準工況)，其中片冰系統(tǒng)2326kW(標準工況)，冷凍水系統(tǒng)29lkW(標準工況)，冷風系統(tǒng)40lkW(標準工況)，通過市場調(diào)查，方案比較、設備選型、實地勘測等。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)的工藝設計
2．1．1 氨系統(tǒng)工藝設計的基本原則：
(1)制冷量按照標書中的左岸混凝土系統(tǒng)制冷總?cè)萘康囊筮M行。
(2)結(jié)合萬家寨的現(xiàn)場實際地形，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)首先應該滿足生產(chǎn)工藝的需要，也要考慮經(jīng)濟，選用安全、可靠，并盡可能采用先進工藝。
(4)壓縮機及輔助設備的布置應使連接管路最短，流向暢通并便于安裝，設備管路上的壓力表、溫度計及其它儀表均應設置在便于觀察的地方。
(5)廠內(nèi)設備布置應保證操作、檢驗方便，并盡可能緊湊，壓縮機應設于室內(nèi)，其它輔助設備可設在室外或敞開式建筑中。
(6)片冰機均按獨立系統(tǒng)進行配套，以保證均勻穩(wěn)定供氨液，簡化調(diào)節(jié)和操作運行，提高靈活性及可靠性。
2．1．2 冷凍水氨系統(tǒng)工藝設計：
(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力，直接由高壓儲液器經(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阻力，滿足向制冷系統(tǒng)冷分配設備供液的需要(見圖1)。
(2)制冷工況的確定：
蒸發(fā)溫度和冷凝溫度是確定運輸工況的兩個決定因素。蒸發(fā)溫度T，是指制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)沸騰時的溫度，與蒸發(fā)壓力是相對應的，它是根據(jù)被冷卻物體或載冷劑的要求來確定的，并根據(jù)制冷工藝要求，通過技術經(jīng)濟分析綜合考慮。
冷凝溫度Tk是指制冷劑在冷凝器中冷凝時的溫度。與冷凝壓力是相對應的，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有關，它是通過技術經(jīng)濟分析，綜合考慮。蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的計算公式如下：
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,冷凝器進出水溫度差取2-4℃。
(3)制冷劑的選擇：
制冷劑為氨，因為氨是廣泛使用的一種制冷劑，它的優(yōu)點是標準沸騰溫度低，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)象時易被發(fā)現(xiàn)(有味)、價格低廉。
(4)制冷壓縮機的選擇：
我國使用的活塞式制冷壓縮機現(xiàn)已大多被螺桿式制冷壓縮機取代，因為螺桿式制冷壓縮機有很多的優(yōu)點：其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、沒有氣閥等易損件，運轉(zhuǎn)可靠性高，維護管理簡單。一般螺桿機均向工作腔噴油，因而使排氣溫度低，單級壓縮比大，容積效率高，它有滑閥調(diào)節(jié)裝置，可進行空載啟動，以及無級冷量調(diào)節(jié)近20年來螺桿壓縮機發(fā)展很快，機器品種增多，機組系統(tǒng)不斷更新，冷量也向更小和更大的范圍伸展，制冷系數(shù)、躁聲等指標已接近或達到活塞制冷壓縮機的水平。在中等冷量范圍內(nèi)的應用已取得了很大的倍譽?？傊?，它已發(fā)展成為制冷機的主要機型之一。
2．1．3 氨系統(tǒng)設備選擇的計算：
(1)壓縮機的選擇：
根據(jù)冷水系統(tǒng)的所需制冷量291kW(標準工況)，選用螺桿式制冷壓縮機，型號為KAl6C(煙臺冷凍廠)，制冷量為379．1kW，在設計工況下的制冷量為430kW(按照廠家說明書的蒸發(fā)溫度與制冷量、軸功率的關系曲線中查到)。
(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負的熱負荷。同時，也與冷凝器的傳熱系數(shù)和冷凝溫度有關。
冷凝器熱負荷計算：
Qc＝Q十860Ni
Qc一冷凝器熱負荷 kW；
Q一制冷機在工況下的制冷量 kW；
Ni一制冷機在設計工況下的指示功率W。
冷凝器傳熱面積的計算：
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--冷凝器熱負荷 kW；
Ti、To--冷卻水進、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)氨儲液器的選擇計算：
氨儲液器的選擇主要是其容積決定的。
V＝GVc/ 2
V一儲液器容積 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，在配套設計中，集油器和空氣分離器的選擇一般不進行計算，而是根據(jù)經(jīng)驗選用。
2．2 冷風、片冰氨系統(tǒng)的工藝設計
冷風、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備—氨泵的機械力，完成向冷分配設備輸送低壓低溫冷劑液體任務的制冷系統(tǒng)，在氨泵供液制冷系統(tǒng)中，高壓制冷劑液體被節(jié)流后進入低壓縮循還儲液器，再用氨泵送往蒸發(fā)器(冷風機或片冰機)。從蒸發(fā)器出來的氣液兩相流體，先進入低壓循還儲液器進行氣液分離，接近干飽和狀態(tài)的制冷劑蒸汽被壓縮機收回，分離出來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、小冰庫、配冰螺旋機、稱冰斗等組成。
片冰樓由水電十三局安裝施工。分為2個冰樓，都可相交送往2個拌和樓。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，三樓為片冰機。2個冰庫分別設有1臺冷風機，型號為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(標準工況)，總風量為19980m3／h；選用l臺ABLGlooZ螺桿氨泵機組，制冷量為279．1kW。片冰機選用普陀制冷設備廠生產(chǎn)的PBl一2×llO型立式片冰機，共8臺，采用單配單工藝，每臺片冰機的生產(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，要求進水溫度5—8℃，所配的制冷機為武漢冷凍機廠生產(chǎn)的ABLGlooZ螺桿氨泵機組，每臺標準工況的制冷量為279．1kW。
對粗骨料進行預冷的冷暖風機共6臺，型號為KLZ一12—56—3．5，換熱面積564m2。氨蒸發(fā)溫度一l0℃，風量3．5—5．1萬m2／min，風的溫度為0℃，選擇l臺JZB—KAl2．5一12螺桿泵機組配2臺冷暖風機，共3臺,每臺機組制冷量為131．4kW。
對粗骨料預冷、加冰、冷水拌和混凝土是有效的溫控措施。由于冷風系統(tǒng)的3臺JzB KAl2*5一12螺桿氨泵機組是龍羊峽的舊備，存在的問題比較多，所缺的設備附件比較多，到現(xiàn)在仍沒有運行。目前運行的情況是只加冰、加冷水拌和混凝土。
螺桿氨泵機組的低壓氨液分別用氨泵送至Z樓上的片冰機，片冰機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，通過平板刮冰機進入輸冰膠帶機送入拌和樓內(nèi)的小冰庫。小冰庫的容積2．5m3，再經(jīng)配冰螺旋輸送機到冰稱量斗，稱量后進入集中1料斗。小冰庫和配料冰螺旋機外部貼裝保溫層。
由制冷廠生產(chǎn)出來的2—4℃的冷水，通過水泵房內(nèi)的水泵進入拌和樓內(nèi)的一個3m3水罐。在進水口裝有浮球閥來控制水位。經(jīng)過出水口進入水稱量，稱量后進入集中料斗。
通過對拌和混凝土的加冰、加水采降低混凝土的出機溫度，而混凝土的出機溫度與砂、石子、水泥、水的溫度有關，從當年6—8月測得各材料的溫度為：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滿足出機溫度的要求。
其計算公式如下；
TO=7n一2TiGiCi一807zGc十Q
TO一混凝土出機口的計算溫度 ℃；
Ti一組成混凝土中第i類材料的平均進料溫度
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；
Q一每立方米混凝土拌和時產(chǎn)生的機械熱 k工；
80一冰的融化潛熱kJ／kg。
由于測試工作未能全面開展，夏季3個月混凝土出機溫度資料不全，無法從這3個月經(jīng)加冰、加冷水拌和后的出機溫度來討論它相對自然出機溫度的綜合降溫效果。通過夏季加冰、加冷水拌和混凝土實測的混凝土出機溫度，可以看出，采取人工降溫措施后的出機溫度并沒有達到所要求的出機溫度，主要原因如下：
（1）對粗骨料吹冷風沒有使用，使得粗骨料溫度較高。
（2）制冷廠生產(chǎn)的冷水雖然達到2—4℃。但由于去水泵房的冷水管在施工中沒有保溫、拌和樓上的水罐及管路都沒有保溫，造成冷水的溫度在拌和混凝土時外高，使得混凝土的出機溫度降不下來。
4 結(jié)語
采用對粗骨料吹冷風，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溫度的要求。
從混凝土拌和系統(tǒng)的制冷廠設計、施工到部分投入運行以來，在各級領導、技術人員和廠隊工人的共同努力下，取得了—點成績，同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題。從設備配備到施工運行管理以及測試都有不足之處，需加以改進。相信隨著制冷技術的迅速發(fā)展和工程實踐經(jīng)驗的不斷豐富，混凝土拌和制冷系統(tǒng)將會進一步完善。
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