Способ автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона в условиях открытой строительной площадки

Изобретение относится к способам управления термообработкой бетона и может быть применено для автоматизированного управления технологическим процессом тепловой обработки в монолитном строительстве. Способ включает нагрев уложенной смеси, измерение температуры смеси, ограничение температуры поверхностного слоя смеси, выдерживание бетона до набора требуемой прочности, измерение температуры наружного воздуха и скорости ветра. Далее формируют температурно-временной график тепловой обработки бетона и определяют необходимую максимальную электрическую мощность для реализации процесса тепловой обработки в соответствии со сформированным температурно-временным графиком. Энергообеспечение строительной площадки осуществляют согласно заданным предварительно условиям потребления электрической мощности и выполнения температурно-временного графика тепловой обработки бетона. Технический результат заключается в расширении области применения в условиях ограничений по максимуму электрической мощности, повышении качества строительной продукции и снижении расхода электрической энергии на тепловую обработку изделий. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к строительной отрасли, в частности к способу управления термообработкой бетона, и может быть применено для автоматизированного управления технологическим процессом тепловой обработки в монолитном строительстве.

В строительстве при изготовлении железобетонных изделий известны способы их тепловой обработки для ускорения нарастания прочности изделий [Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. Изд. 3-е, перераб. и дополн., М.: Стройиздат, 1975 - 700 с.]. Причем подача теплоносителя корректируется и ограничивается при достижении максимальной температуры поверхности изделий. Но при этом невозможно обеспечить набор бетоном заданной прочности за кратчайший промежуток времени при минимуме энергозатрат. Кроме того, недостатками способа являются малая производительность, большая трудоемкость, низкое качество производства работ, отсутствие комфортных условий труда обслуживающего персонала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ управления тепловой обработкой железобетонных изделий (авторское свидетельство СССР №1361522, кл. G 05 D 27/00, 1987), включающий нагрев изделия путем подачи теплоносителя, измерение температуры изделия, ограничение температуры его поверхностного слоя путем изменения подачи теплоносителя в процессе тепловой обработки, выдерживание изделия в агрегате до набора требуемой прочности, при этом процесс начинают при начальном максимальном расходе теплоносителя, контролируют изменение теплового потока через поверхностный слой изделия, фиксируют достижение максимального значения теплового потока, определяют с этого момента отношение текущего значения теплового потока к зафиксированной его максимальной величине и уменьшают подачу теплоносителя пропорционально этому отношению, определяют количество поглощенного изделием тепла и при достижении заданного значения тепла прекращают подачу теплоносителя, а момент прекращения подачи теплоносителя определяют по факту выравнивания температур на поверхности и внутри изделия.

Однако известный способ ориентирован на заводскую технологию производства изделий в стационарных климатических условиях и не в полной мере отвечает требованиям тепловой обработки изделий на открытой строительной площадке в условиях резко переменных внешних факторов (температуры наружного воздуха и скорости ветра) с изменяющимися параметрами энергопотребления как установки для тепловой обработки, так и прочих потребителей электрической энергии, что имеет место в монолитном строительстве.

Без учета перечисленных внешних факторов нельзя точно отработать оптимальный температурно-временной график прогрева бетона, при этом может быть не обеспечена проектная прочность бетона, возможно превышение допустимого максимума электрической мощности и возможен перерасход электроэнергии.

Целью предлагаемого способа является расширение области применения, включая технологию монолитного строительства на открытых строительных площадках в условиях ограничений по максимуму электрической мощности, повышение качества строительной продукции и снижение расхода электрической энергии на тепловую обработку изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления процессом тепловой обработки бетона, включающем нагрев уложенной смеси путем подачи теплоносителя, измерение температуры смеси, ограничение температуры ее поверхностного слоя путем изменения подачи теплоносителя в процессе тепловой обработки, выдерживание бетона до набора требуемой прочности, измеряют температуру наружного воздуха и скорость ветра и в зависимости от этих параметров, а также в зависимости от вида бетонируемого сооружения (модуль поверхности), конструктивных особенностей опалубки (площадь, утепление, наличие мостиков холода), вида уложенной бетонной смеси (класс бетона, марка и вид цемента, наличие добавок) формируют оптимальный температурно-временной график тепловой обработки бетона, определяют необходимую максимальную электрическую мощность для реализации процесса тепловой обработки в соответствии с сформированным температурно-временным графиком, а энергообеспечение строительной площадки осуществляют согласно условиям:

где - максимум электрической мощности, установленный для строительной площадки; P_n - электрическая мощность потребителей строительной площадки за исключением установок тепловой обработки бетона; - максимальная электрическая мощность, потребляемая установками тепловой обработки бетона; - текущее значение электрической мощности, необходимой для реализации сформированного температурно-временного графика тепловой обработки бетона,

а при невыполнении условий ограничивают энергопотребление P_n или корректируют температурно-временной график тепловой обработки бетона.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что дополнительно измеряют температуру наружного воздуха и скорость ветра и на основании этих измерений, а также в зависимости от вида бетонируемого сооружения, конструктивных особенностей опалубки, вида уложенной бетонной смеси формируют оптимальный температурно-временной график тепловой обработки бетона, в соответствии с которым определяют необходимую максимальную электрическую мощность для тепловой обработки бетона, а энергообеспечение строительной площадки осуществляют согласно условиям:

а при невыполнении условий ограничивают энергопотребление Р_n или корректируют температурно-временной график тепловой обработки бетона.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

В заявляемом решении измерение температуры наружного воздуха, скорости ветра и электрической мощности производят через каждые 30 минут, скорость нагрева бетона принимают в зависимости от модуля поверхности конструкции в пределах 5...15°С/ч, скорость остывания бетона принимают не более 5°С/ч, уровень прочности стен - не менее 50% от проектной, перекрытий - не менее 70% от проектной.

Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена блок-схема способа управления; на фиг.2 - алгоритм способа; на фиг.3 - график изменения температуры бетона в процессе набора заданной прочности; фиг.4 - график изменения электрической мощности; фиг.5 - график изменения электрической мощности; фиг.6 - скорректированный температурно-временной график тепловой обработки; фиг.7 - график изменения электрической мощности.

Способ иллюстрируется блок-схемой (фиг.1) и состоит в следующем.

После включения блока управления 1 командный блок 2 осуществляет запрос необходимых начальных параметров технологического процесса бетонирования: класс укладываемого бетона по прочности; геометрические размеры и модуль поверхности изделия; параметр, характеризующий конструктивные особенности опалубки (это коэффициент теплопередачи опалубки или укрытия неопалубленных поверхностей); параметры уложенной бетонной смеси (начальную температуру бетонной смеси, расход цемента в смеси, тепловыделение цемента за время твердения бетона, удельную теплоемкость бетона, плотность бетона, наличие и вид добавок); температура бетона к концу остывания и др. При отсутствии ввода таких параметров запрос повторяется.

После занесения начальных параметров в базу данных системы вырабатывается команда на включение датчиков температуры наружного воздуха 7 и скорости ветра 6, датчиков температуры бетона в контактной зоне с нагревателями 8 и 9, датчика температуры бетона в теле конструкции 10, датчика потребляемой электрической мощности строительной площадки 15.

Далее вычислительное устройство 3 с предварительно установленным специально разработанным программным обеспечением (программа ThermoCon), в соответствии с данными, поступающими на входы командного блока от датчиков температуры наружного воздуха 7, скорости ветра 6 и датчика температуры бетона в теле конструкции 10, формирует оптимальный температурно-временной график термообработки. Вычислительное устройство 3 формирует массив заданных значений температуры термообработки бетона конструкции (t_i=f(τ)) и массив значений электрических характеристик (Р_i=f(τ)) с определенным оператором шагом дискретизации (Δτ).

После формирования массива значений электрических характеристик (Р_i=f(τ)) осуществляется запрос системы о максимуме электрической мощности, отведенной для термообработки бетона на строительной площадке

Вычислительное устройство осуществляет сравнение электрической мощности, отведенной для термообработки бетона на строительной площадке с необходимой для термообработки электрической мощности Р_i для текущего периода обогрева.

При соблюдении условия >Р_i вычислительное устройство 3 передает информацию на вход 7 командного блока. Командный блок 3 подает сигнал регуляторам температуры 4 и 5, которые управляют нагревательными элементами щитов термоактивной опалубки 12 и 13. Начинается процесс тепловой обработки бетона конструкции 14. При этом регуляторы температуры 4 и 5 поддерживают и ограничивают заданные вычислительным устройством 3 значения температуры.

Во время термообработки датчик скорости ветра 6, датчик температуры наружного воздуха 7, датчик температуры бетона 10 в теле конструкции, датчики температуры бетона в контактной зоне с термоактивной опалубкой 8 и 9 постоянно выдают информацию соответственно на входы 1, 2, 3, 4, 5 командного блока. При резких изменениях внешних факторов или аварийной ситуации вычислительное устройство 3 корректирует режим термообработки.

При превышении необходимой для термообработки электрической мощности Р_i для текущего периода обогрева над значением максимума электрической мощности, отведенной для термообработки бетона на строительной площадке (ветвь "Б" алгоритма - фиг.2), оператору системы предлагаются следующие пути решения:

- ограничение электроснабжения второстепенных потребителей строительной площадки;

- переход на режим аварийного поддержания температуры бетона конструкции с коррекцией температурно-временного графика в соответствии со значением максимума электрической мощности, отведенной для термообработки бетона на строительной площадке

После завершения времени термообработки командный блок 2 выдает сигнал регуляторам температуры 4 и 5 на прекращение подачи теплоносителя.

Датчик прочности 11 определяет набранную бетоном прочность, при несовпадении полученного значения заданному процесс термообработки бетона, в зависимости от решения оператора системы автоматизированного управления тепловой обработки бетона, может продолжиться (ветвь "Е" алгоритма - фиг.2).

Пример 1. Для возведения монолитной стены панорамного лифта размерами в плане 27,57×4,75×0,30 м административно-торгового комплекса был использован тяжелый бетон В25 (вяжущее портландцемент М400, химическая добавка Лигнопан-Б2 в количестве 0,25% от массы цемента) и предусмотрен обогрев в термоактивной опалубке. Максимум электрической мощности, установленный для строительной площадки, - =120,0 кВт. Максимум электрической мощности, предусмотренный для термообработки бетона на строительной площадке, =50,0 кВт.

В соответствии с исходными данными о температуре наружного воздуха t_H.B.=-5°C, о температуре бетонной смеси t_Б.С.=+15°C, скорости ветра V_в=3,4 м/с, а также при Мп=6,7 м^-1, площадь опалубочного щита S=14,25 м², утеплитель - минераловаттные плиты, кэшированные алюминиевой фольгой с коэффициентом теплопередачи 2,78 Вт/(м²·°С), был сформирован температурно-временной график для управления тепловой обработки бетона, представленный на фиг.3.

График изменения электрической мощности, потребной для реализации сформированного температурно-временного графика тепловой обработки бетона, представлен на фиг.4.

Через шесть часов после начала процесса тепловой обработки бетона температура наружного воздуха изменилась до t_Н.В.=-13°С, а скорость ветра до V_в=6,5 м/с, что привело к необходимости корректировки графика электрической мощности, потребной для тепловой обработки бетона (фиг.5).

Однако максимум электрической мощности, потребной для реализации графика тепловой обработки =46,4 кВт, не превысил максимума электрической мощности, предусмотренной для термообработки бетона на строительной площадке =50,0 кВт.

Пример 2. Исходные условия как в примере 1. Максимум электрической мощности, установленной для строительной площадки, - =120,0 кВт. Максимум электрической мощности, предусмотренной для термообработки бетона на строительной площадке, =40,0 кВт.

При аналогичных примеру 1 изменениях температуры наружного воздуха и скорости ветра потребовалась корректировка графика электрической мощности, потребной для тепловой обработки бетона (фиг.5).

Однако максимум текущего значения электрической мощности, потребной для реализации графика тепловой обработки, =46,4 кВт превысил максимум электрической мощности, предусмотренной для термообработки бетона на строительной площадке =40,0 кВт.

Для реализации скорректированного графика электрической мощности при этих условиях было принято решение о временном отключении второстепенных потребителей строительной площадки (сварочного трансформатора и компрессора), что привело к увеличению до 47,0 кВт.

Пример 3. Исходные условия как в примере 1. Максимум электрической мощности, установленной для строительной площадки, - =120,0 кВт. Максимум электрической мощности, предусмотренной для термообработки бетона на строительной площадке, =40,0 кВт.

Максимум текущего значения электрической мощности, потребной для реализации графика тепловой обработки, =46,4 кВт превысил максимум электрической мощности, предусмотренной для термообработки бетона на строительной площадке =40,0 кВт.

Для обеспечения набора бетоном конструкции прочности в минимальные сроки при условии =40,0 кВт было принято решение о корректировке температурно-временного графика управления тепловой обработкой бетона (фиг.6) и графика изменения электрической мощности (фиг.7).

Использование предлагаемого способа автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Точно выдерживаются технологически необходимые: скорость подъема температуры бетонной смеси и скорость остывания бетона в условиях резко переменных внешних факторов (температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра), что гарантированно обеспечивает качество монолитных конструкций.

2. Выполнение тепловой обработки бетона предлагаемым способом обеспечивает набор конструкцией заданной прочности за кратчайший промежуток времени при минимуме энергозатрат.

3. Надежное управление процессом тепловой обработкой бетона в условиях изменяющихся параметров энергопотребления как установок термообработки, так и прочих потребителей электрической энергии на строительной площадке.

4. Использование предлагаемого способа в процессе возведения монолитных конструкций в термоактивных опалубках позволит существенно повысить производительность труда при уменьшении трудоемкости и повышении качества строительства.

1. Способ автоматизированного управления процессом тепловой обработки бетона, включающий нагрев уложенной смеси путем подачи теплоносителя, измерение температуры смеси, ограничение температуры ее поверхностного слоя путем изменения подачи теплоносителя в процессе тепловой обработки, выдерживание бетона до набора требуемой прочности, отличающийся тем, что измеряют температуру наружного воздуха и скорость ветра и в зависимости от этих параметров, а также в зависимости от вида бетонируемого сооружения (модуль поверхности), конструктивных особенностей опалубки (площадь, утепление, наличие мостиков холода), вида уложенной бетонной смеси (класс бетона, марка и вид цемента, наличие добавок), формируют оптимальный температурно-временной график тепловой обработки бетона, определяют необходимую максимальную электрическую мощность для реализации процесса тепловой обработки в соответствии с сформированным температурно-временным графиком, а энергообеспечение строительной площадки осуществляют согласно условиям:

где

- лимит электроэнергии, отпускаемой строительной площадке;

P_n - электрическая мощность потребителей строительной площадки за исключением установок тепловой обработки бетона;

- максимальная электрическая мощность, потребляемая установками тепловой обработки бетона;

- текущее значение электрической мощности, необходимой для реализации сформированного температурно-временного графика тепловой обработки бетона,

а при невыполнении условий ограничивают энергопотребление P_n или корректируют температурно-временной график тепловой обработки бетона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение температуры наружного воздуха, скорости ветра и электрической мощности производят через каждые 30 мин, скорость нагрева бетона принимают в зависимости от модуля поверхности конструкции в пределах 5-15°С/ч, скорость остывания бетона принимают не более 5°С/ч, уровень прочности стен - не менее 50% от проектной, перекрытий - не менее 70% от проектной.