浅谈混凝土拌和系统的制冷设计

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浅谈混凝土拌和系统的制冷设计

$ {1 ^' k" D9 Q引言 冷系统工艺布置设计  混凝土加片冰和冷水拌和的降温效果 返回主页

摘  要  通过对制冷设计原则、氨系统的选择及氨设备的计算，浅谈万家寨混凝土拌和系统的制冷设计过程。

关键词  制冷  氨工艺  出机温度  蒸发温度  冷凝温度

1  引  言
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坝体混凝土浇筑后，随着水泥凝结硬化的发展,要释放出大量的水化热，使得混凝土内部温度升高。随着时间的推移，由于热量逐渐散发,内部温度逐渐降低。与此同时，混凝土的体积也在不断变化，当混凝土受到基础或相邻浇筑块的约束，就会降低水工建筑物的安全系数，对稳定产生不利影响，根据国内外筑坝经验，进行坝体混凝土的温度控制，是防止大体积混凝土产生裂缝，保证混凝土质量的有效方法。

5 H8 V3 P9 R9 p0 H# x% j  C对坝体混凝土进行温度控制的主要方法有:减少混凝土的发热量；降低混凝土的浇筑温度;散发浇筑块的热量；分层分块浇筑；表面保护等。
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4 s4 b# ]* F8 E- @) ?. @: p为了防止混凝土发生裂缝，混凝土体内的最高温度必须加以严格的限制。控制混凝土最高温升的方法之一是降低混凝土浇筑温度。因此，要限制混凝土的出机温度，在气温较高的季节,混凝土在自然条件下的出机温度往往超过施工所要求的限制温度。此时，就必须采取人工降温措施，即通过对骨料的预冷和加冷冻水、加冰拌和混凝土来降低混凝土的出机温度，这是降低混凝土浇筑温度的最有效措施。
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0 ]) U. b/ Y7 Y( w+ l# A" _2 冷系统工艺布置设计

" |" K: t9 O, `2 t* [/ V- g万家寨地区为温带季风大陆性气候，夏季炎热干燥，日温差变化大，年平均气温为7℃，多年月(7月)平均最高气温24．7℃，日绝对最高气温为38．1℃。根据温控要求，混凝土出机口温度12℃，夏季混凝土浇筑强度为74000m·3／月。通过对骨料预冷、加冷水、加冰拌和混凝土，应该能满足混凝土出机口温度要求。

' F/ F. H+ ^: {- I5 V& y7 R0 k6 W根据混凝土系统中制冷工程标书中总容量30248kW(标准工况)，其中片冰系统2326kW(标准工况)，冷冻水系统29lkW(标准工况)，冷风系统40lkW(标准工况)，通过市场调查，方案比较、设备选型、实地勘测等。将拌和系统制冷厂布置在左岸距拌和楼100m处，占地约2000m2。
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9 o  N) A1 g8 v( `8 o2．1  冷冻水氨系统的工艺设计

2．1．1  氨系统工艺设计的基本原则：

(1)制冷量按照标书中的左岸混凝土系统制冷总容量的要求进行。

( p& u3 ?3 x! i) X- m4 \(2)结合万家寨的现场实际地形，制冷厂布置在能缩短氨系统管路距离的地方。
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( E! z, E# f9 M, [$ s8 C2 I: H3 @(3)氨系统首先应该满足生产工艺的需要，也要考虑经济，选用安全、可靠，并尽可能采用先进工艺。
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& S" m: R$ M* `, h$ M$ ^(4)压缩机及辅助设备的布置应使连接管路最短，流向畅通并便于安装，设备管路上的压力表、温度计及其它仪表均应设置在便于观察的地方。

(5)厂内设备布置应保证操作、检验方便，并尽可能紧凑，压缩机应设于室内，其它辅助设备可设在室外或敞开式建筑中。

2 f, k( ?% _1 z# O(6)片冰机均按独立系统进行配套，以保证均匀稳定供氨液，简化调节和操作运行，提高灵活性及可靠性。
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2．1．2  冷冻水氨系统工艺设计：
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9 G8 I  T9 T& R4 F(1)氨系统的工艺选择：
, J; G9 S( O3 ?" b5 @
! D( {8 s0 C" w, K! W( R冷冻水氨系统工艺采用直接膨胀供液系统，并采用单级压缩膨胀供液制冷系统，就是利用制冷剂的冷凝压力和蒸发压力之间的压力差作为动力，直接由高压储液器经节流阀向蒸发器供液的循环方式，高压制冷剂液体压力和蒸发压力之间的压力差，一般足以克服供液管、蒸发器和回气总管中的流动阻力，满足向制冷系统冷分配设备供液的需要(见图1)。
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(2)制冷工况的确定：
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4 p9 c$ w. ]% O. ^蒸发温度和冷凝温度是确定运输工况的两个决定因素。蒸发温度T，是指制冷剂在蒸发器内沸腾时的温度，与蒸发压力是相对应的，它是根据被冷却物体或载冷剂的要求来确定的，并根据制冷工艺要求，通过技术经济分析综合考虑。
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冷凝温度Tk是指制冷剂在冷凝器中冷凝时的温度。与冷凝压力是相对应的，它的大小取决于冷却水或空气的温度，并与冷却水在冷凝器中的温度和冷凝器的型号有关，它是通过技术经济分析，综合考虑。蒸发温度、冷凝温度的计算公式如下：
/ s: w0 b% P$ O& L
Te=Tf-ΔT

( t: @6 {: e0 C2 _8 E. PTe—蒸发温度  ℃
. ?; W$ e! J$ ?( b5 q% R/ E
, j, A. E+ R: ]# O/ S- X" mTf—被冷却物或冷却介质与蒸发温度的差值  ℃.     
  v1 W! C! m/ M3 S/ C
Tc=（Twi+Twe）/2+ΔTl

3 S' Z' A5 ~* V' hTc—冷凝温度  ℃

2 Y6 X% y8 Z/ t( K' O$ F( c( l. WTwi—冷凝器冷却水的进水温度,一般小于或等于31℃;

$ W: w0 ~& P4 \2 L, GTwc—冷凝器冷却水的出水温度,一般小于或等于35℃;

ΔTl—因选用立式冷凝器,冷凝器进出水温度差取2-4℃。

- O7 P7 m# {+ `  {7 J(3)制冷剂的选择：

制冷剂为氨，因为氨是广泛使用的一种制冷剂，它的优点是标准沸腾温度低，在冷凝器和蒸发器中压力适中，单位容积制冷量大、导数系数大、气化潜热大、节流损失小、能溶解水、有漏气现象时易被发现(有味)、价格低廉。
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(4)制冷压缩机的选择：
0 I6 z* X- n1 ~1 P+ Y
我国使用的活塞式制冷压缩机现已大多被螺杆式制冷压缩机取代，因为螺杆式制冷压缩机有很多的优点：其结构紧凑、体积小、重量轻、没有气阀等易损件，运转可靠性高，维护管理简单。一般螺杆机均向工作腔喷油，因而使排气温度低，单级压缩比大，容积效率高，它有滑阀调节装置，可进行空载启动，以及无级冷量调节近20年来螺杆压缩机发展很快，机器品种增多，机组系统不断更新，冷量也向更小和更大的范围伸展，制冷系数、躁声等指标已接近或达到
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活塞制冷压缩机的水平。在中等冷量范围内的应用已取得了很大的倍誉。总之，它已发展成为制冷机的主要机型之一。

1 }; e( G& ?; ]  L' C! m# v+ W2．1．3  氨系统设备选择的计算：

(1)压缩机的选择：
2 B2 ^$ p) }' Z! k: S
根据冷水系统的所需制冷量291kW(标准工况)，选用螺杆式制冷压缩机，型号为KAl6C(烟台冷冻厂)，制冷量为379．1kW，在设计工况下的制冷量为430kW(按照厂家说明书的蒸发温度与制冷量、轴功率的关系曲线中查到)。

7 r1 Y& T, I' S& u9 y/ F- x% E8 W(2)冷凝器的选择：
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8 z. ]2 T* M- @( g* X; i2 L 冷凝器选择是按照其传热面积决定的，传热面积主要取决于担负的热负荷。同时，也与冷凝器的传热系数和冷凝温度有关。
' v4 Q! D2 g- ^
  冷凝器热负荷计算：
( y7 b6 f* F0 R4 N+ p
9 T! ]) H1 _; S( V4 g+ `* V  E# iQc＝Q十860Ni
# n' T3 ~3 o% s6 h$ |
Qc一冷凝器热负荷  kW；

# |) L0 E9 b" e5 VQ一制冷机在工况下的制冷量  kW；

Ni一制冷机在设计工况下的指示功率W。
  N! ~6 v8 I* ]9 e- D9 `
冷凝器传热面积的计算：
' h) Z5 Z$ e# P( j/ R4 ?* ~
/ E( m# P  r4 J$ j% e3 eF= Qc/q

F一冷凝器的传热面积  m2；

q一冷凝器的单位热负荷  kW／m2；

最后冷凝器采用LN一310；传热面积为308m2。

冷凝器所需的冷却水量：

. M8 Q+ R3 n8 }+ [$ j, }3 @Gw＝Qc/1000(To-Ti)

/ x8 Z/ _8 Y! @- E# qGw一冷凝器所需的冷却水量  t／h；

) T* k( B' D/ n9 Q1 {0 M% T0 z. OQc--冷凝器热负荷  kW；
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  a6 `1 b  K& X5 k2 WTi、To--冷却水进、出冷凝器的温度；
$ }* g  M8 C0 l' \* o
C一冷却水比热  kT／(kg,℃)。

(3)蒸发器的选择计算：

( N& i+ T& i) P蒸发器的选择是按其传热面积决定的。
3 M6 E# i5 _: h& Y# x
5 x" {- t- i5 fF=Qe /q=Qe /kT

F一蒸发器的传热面积  m2；
' q& T  C8 X6 d6 l' J
0 C( L: K& P4 ~Qe一蒸发器的热负荷  kW；
- Q& }  u% V4 v9 O: u
6 S5 o- ~( P9 d; e' ~& Z4 Q- ck一蒸发器的散热系统数kW／(m2，℃)

2 E* y" `2 O* I& @5 nq一蒸发器的单位热负荷kW／(m2，℃)；
5 N9 G1 o2 ~/ T( K% U
Ta一蒸发温度与蒸发器外载冷剂温度的平均温差℃。
* w+ J1 \3 u6 X  l- p
1 _5 C3 _& Z1 ]8 F冷冻水产量计算：

Gw=Qe/1000(To-ti)C
( M; [7 [  `! t- N
蒸发器采用LzA一240，传热面积为240m2

(4)氨储液器的选择计算：
. w5 \7 n3 ~3 i* M
0 y( h! j% @6 Y) D氨储液器的选择主要是其容积决定的。

  V＝GVc/ 2
' y1 |& K, j* O# U
V一储液器容积  m3；
8 _: e3 O7 u, O+ ^$ Y: K
8 F, A- L; E  l6 ^8 h: k% r. dVc一冷凝温度下液体制冷剂的比容  m3／kg；
: R# Y) k) Y& o5 t! J
G一制冷剂循环总量  kg／h；
: U3 n6 @9 X0 b$ @! u, R; Y7 m0 o
7 d5 j" C) k1 D+ s: \& K$ ]p一液体充满系数，一般取0．7—0．8；

# w: |6 n% V5 C0 {$ C& ?! K; N氨储液器采用WCA一3300，其容积为3．3m3。

# C" V$ c3 H" K' S' D3 D(5)集油器、空气分离器与紧急泄氨器，在配套设计中，集油器和空气分离器的选择一般不进行计算，而是根据经验选用。
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2．2  冷风、片冰氨系统的工艺设计
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, U+ r$ E- Z8 K, F( u冷风、片冰氨系统的工艺均采用氨泵供液方法，此氨泵供液系统就是借助于液体输送设备—氨泵的机械力，完成向冷分配设备输送低压低温冷剂液体任务的制冷系统，在氨泵供液制冷系统中，高压制冷剂液体被节流后进入低压缩循还储液器，再用氨泵送往蒸发器(冷风机或片冰机)。从蒸发器出来的气液两相流体，先进入低压循还储液器进行气液分离，接近干饱和状态的制冷剂蒸汽被压缩机收回，分离出来的制冷剂重新被泵送往蒸发器参加循环，此种供液方法可使片冰机产量稳定，供液均匀可靠，提高效率。
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片冰系统是由片冰楼、输水胶带机、小冰库、配冰螺旋机、称冰斗等组成。

片冰楼由水电十三局安装施工。分为2个冰楼，都可相交送往2个拌和楼。片冰楼高11m，分3层布置，一楼为片冰的输送系统，二楼为冰库，三楼为片冰机。2个冰库分别设有1台冷风机，型号为IJ一200，蒸发面积为198m2，使用制冷剂为氨，总耗冷量为2×134．8kW(标准工况)，总风量为19980m3／h；选用l台ABLGlooZ螺杆氨泵机组，制冷量为279．1kW。片冰机选用普陀制冷设备厂生产的PBl一2×llO型立式片冰机，共8台，采用单配单工艺，每台片冰机的生产能力为30t／d，片冰厚1．5—2．0mm，出冰温度为一8℃一一ll℃，耗冷量225．8kW，要求进水温度5—8℃，所配的制冷机为武汉冷冻机厂生产的ABLGlooZ螺杆氨泵机组，每台标准工况的制冷量为279．1kW。
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对粗骨料进行预冷的冷暖风机共6台，型号为KLZ一12—56—3．5，换热面积564m2。氨蒸发温度一l0℃，风量3．5—5．1万m2／min，风的温度为0℃，选择l台JZB—KAl2．5一12螺杆泵机组配2台冷暖风机，共3台,每台机组制冷量为131．4kW。

3  混凝土加片冰和冷水拌和的降温效果

对粗骨料预冷、加冰、冷水拌和混凝土是有效的温控措施。由于冷风系统的3台JzB KAl2*5一12螺杆氨泵机组是龙羊峡的旧备，存在的问题比较多，所缺的设备附件比较多，到现在仍没有运行。目前运行的情况是只加冰、加冷水拌和混凝土。    ：
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螺杆氨泵机组的低压氨液分别用氨泵送至Z楼上的片冰机，片冰机制冰的水由制冷厂生产2—4℃的冷水，制成的片冰直接依靠重力送入冰库，通过平板刮冰机进入输冰胶带机送入拌和楼内的小冰库。小冰库的容积2．5m3，再经配冰螺旋输送机到冰称量斗，称量后进入集中1料斗。小冰库和配料冰螺旋机外部贴装保温层。

由制冷厂生产出来的2—4℃的冷水，通过水泵房内的水泵进入拌和楼内的一个3m3水罐。在进水口装有浮球阀来控制水位。经过出水口进入水称量，称量后进入集中料斗。
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9 x0 F7 ]: R' [0 p通过对拌和混凝土的加冰、加水采降低混凝土的出机温度，而混凝土的出机温度与砂、石子、水泥、水的温度有关，从当年6—8月测得各材料的温度为：水泥29．1℃、砂20．5℃、石子29．3℃，根据加冰量的调整和拌和冷水的温度来满足出机温度的要求。其计算公式如下；
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* W3 ]! f% u" o  Z/ M2 F& D. W7n一2TiGiCi一807zGc十Q
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11J———飞顾厂—
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TO一混凝土出机口的计算温度  ℃；

Ti一组成混凝土中第i类材料的平均进料温度
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Gi—每立方米混凝土中第I类材料的重量kg；

Ci一第i类材料的比热  kJ(kg·℃)；

1 t  G. C& u7 G8 TGc一每立方米混凝土的加冰量  kg

: l6 G2 w' R& a+ ]+ |+ C9一冰的冷量利用率，以小数计；

Q一每立方米混凝土拌和时产生的机械热  k工；

80一冰的融化潜热kJ／kg。
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由于测试工作未能全面开展，夏季3个月混凝土出机温度资料不全，无法从这3个月经加冰、加冷水拌和后的出机温度来讨论它相对自然出机温度的综合降温效果。通过夏季加冰、加冷水拌和混凝土实测的混凝土出机温度，可以看出，采取人工降温措施后的出机温度并没有达到所要求的出机温度，主要原因如下：
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. C; S" V/ P% `# ]9 {（1）对粗骨料吹冷风没有使用，使得粗骨料温度较高。

* v, V% z. U4 p; s) K' F (2)制冷厂生产的冷水虽然达到2—4℃。但由于去水泵房的冷水管在施工中没有保温、拌和楼上的水罐及管路都没有保温，造成冷水的温度在拌和混凝土时外高，使得混凝土的出机温度降不下来。

2 z' D) a4 S* a" t4  结语

! O! Y4 X  p* j, W& w- i$ o) h采用对粗骨料吹冷风，将粗骨料温度降低约6℃左右并加2℃的冷水及一8℃的片冰是能保证夏季混凝土出机温度的要求。

从混凝土拌和系统的制冷厂设计、施工到部分投入运行以来，在各级领导、技术人员和厂队工人的共同努力下，取得了—点成绩，同时也发现了一些问题。从设备配备到施工运行管理以及测试都有不足之处，需加以改进。相信随着制冷技术的迅速发展和工程实践经验的不断丰富，混凝土拌和制冷系统将会进一步完善。
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　 　 摘自《青海水力水电》