Frissbeton hőmérsékletcsökkentésének lehetősége és az ipari gázok
Jens Tauchmann, Messer Group GmbH Herczeg István, Messer Hungarogáz Kft. 2011. április 14.
Szükség van-e a frissbeton hűtésére nyáron? Egyértelmű a válasz: amennyiben az időjárás megfelelő - NEM! Az állandó minőségű anyagok előállításához és megmunkálásához elengedhetetlen a hőmérséklet-szabályozás! Példák Vegyipar gyógyszeripar, festékek és lakkok,... Kerámia- és üveggyártás porcelángyártás, műszaki kerámiák, üveg... Fém- és acélipar acélgyártás, acélok edzése/keményítése, ötvözetek előállítása,... Műanyagipar Termoplasztok és duroplasztok gyártása és megmunkálása... A Beton gyártásánál és feldolgozásánál is szükség lehet a hőmérséklet szabályozására!
2011. április 14.
A frissbeton hőmérsékletének számítása
A beton fajhője: cbo = (mz * cz + mg * cg + mw * cw ) / (mz + mg + mw)
A frissbeton hőmérséklete:
Tb o =
[kJ/kg/K]
z : cement mennyisége [kg/m3] g : adalékanyag mennyisége [kg/m3] w : víz mennyisége [kg/m3] cz = 1,0 kJ/kgK: cement fajhője cg = 1,0 kJ/kgK: adalékanyag fajhője cw = 4,2 kJ/kgK: víz fajhője Tz : cement hőmérséklete [K] Tg: adalékanyag hőmérséklete [K] Tw: víz hőmérséklete [K]
mz * cz *Tz + mg * cg *Tg + mw * cw *Tw cb o * (mz + mg + mw )
A frissbeton hőmérsékletének változása:
ΔQ ΔT = C bO
DQ = mjég * (336kJ/kg + cw*Tw)
bO
2011. április 14.
Hogyan alakul ki magas hőmérséklet a betonban? Hőbevitel az alapanyagok által: Víz Kavics/homok/zúzottkő Egyéb adalékok Cement
átlagosan 12-15°C nyáron normál esetben környezeti hőmérséklet normál esetben környezeti hőmérséklet környezeti hőmérséklet felett, szállítástól függően
Hőbevitel kémiai reakcióval (aktiválási energia és reakció) Különböző cementek hidratációs hőjét teljes hidratációnál az oldódási hő határozza meg:
Cementfajták Portlandcement Portland puccoláncement Égetett/agyagpala-portlandcement Kohósalakcement Aluminátcement
CEM I CEM II/A-P CEM II/A-T CEMIII/A
2011. április 14.
Hidratációs hő J/g 375 ... 525 315 ... 420 360 ... 480 355 ... 440 545 ... 585
Hogyan alakul ki magas hőmérséklet a betonban? Különböző cementfajták hidratációs hője teljes hidratációnál
2011. április 14.
Miért van szükség a beton hűtésére? FEM-analízis: Hosszirányú feszültség eloszlása [N/mm2] (7 nappal a monolit betonfal elkészülése után)
(A belső feszültségek ábrázolása céljából a falat középen kettévágták)
)
2011. április 14.
Miért van szükség a beton hűtésére? Hidratációs hő összehasonlítása hűtött és nem hűtött betonnál 60 55
ΔT max 50 45
Hőmérséklet (°C)
40 35
B45 hűtött
30 25
B45 nem hűtött
20 15 10
Δt
5 0 0
10
20
30
40
50 Idő (h)
2011. április 14.
60
70
80
90
100
A frissbeton-hőmérséklet csökkentésének lehetőségei Víz
hőcserélőn keresztül (kompresszoros hűtő; kriogén gázok)
Adalékok: külső permetezés/átfolyó rendszerű hűtés homok, kavics, zúzalék (hideg víz; hideg gázok /0-5°C/) Cement
hideg gázok (sűrített levegő harmatpontja felett)
Direkt keverés
Hőcserélő/közvetlen hűtés (kompresszoros hűtő; kriogén gázok)
Frissbeton
Hőcserélő/közvetlen hűtés (kompresszoros hűtő; kriogén gázok)
Elvárások:
nagy hőátvitel rövid idő alatt nagy hűtőhatás a gyors hőátvitelnek köszönhetően nagy hőátadási felület vagy hosszú hőátviteli idő
2011. április 14.
Frissbeton hőmérséklet csökkentésének lehetőségei – I.
• Kötőanyagok kiválasztása - alacsony hidratációs hővel - alapvetően mindig figyelembe kellene venni
• Betonalapanyagok hűtése LIN vagy LCO2 gázokkal -
nem hatékony: alacsony hőátvitel a kis határfelület miatt nagy anyagmennyiségek miatt logisztikailag nehezen kivitelezhető elkerülendő a napsütés okozta fel-/visszamelegedés alacsony energiahasznosulás
• Belső csővezetékes hűtés (csőkígyó) - nem hatékony az alacsony hőátvitel miatt - szűkíti a technológiai berendezés keresztmetszetét - magas beruházási költségek, de jó energiahasznosítás
2011. április 14.
Frissbeton hőmérséklet csökkentésének lehetőségei – II. Lándzsás hűtés cseppfolyós nitrogénnel • nincs kémiai hatása a beton szerkezetére • nem befolyásolja a beton minőségét és konzisztenciáját • kis határfelületek miatt alacsony hőátvitel • rövid időtartam miatt alacsony hűtőteljesítmény • inhomogén hűtés, a beton helyenkénti kifagyásának veszélye • adalékokra és a keverődobra erőteljes termikus sokk hat • erős ködképződés a hűtési folyamat során • alacsony energiahasznosítás
2011. április 14.
Frissbeton hőmérséklet csökkentésének lehetőségei – III. Jégpehely beadagolása • jó hőátvitel a jég és a beton között • korlátozott hűtőteljesítmény a jéghőmérséklettől ( max. –7°C) és víz/cement-aránytól függően • korlátozott hűtőteljesítmény az alacsony jégelőállítási teljesítmény miatt • A jégpelyhet előre kell legyártani és hűtve kell tárolni • magas beruházási költség és alacsony energiahasznosulás
2011. április 14.
Alternatív hűtési eljárások Szárazjég beadagolása CO2 Előnyök: • a magas párolgási hő gyors lehűlést tesz lehetővé a frissbetonban • egyszerű adagolás és jó homogenizálódás a betonban • nem befolyásolja a víz/cement-arányt Hátrányok: • adalékvíz CO2-koncentrációjának (15 mg/l) korlátozása DIN EN szerint • A CO2 hatása még nem tisztázott a cement hidratációjára • A CO2 hatását a beton tartósságára még vizsgálni kell
2011. április 14.
Alternatív hűtési eljárások Szárazjég beadagolása CO2 CO2 tulajdonságai: • Sűrűség
1,977 kg/m3
• Szublimációs pont
-78,9 °C
• Szublimációs hő
573,02 kJ/kg
• Hűtőteljesítmény (0°C-ig)
645 kJ/kg
• MAK-érték
5000 ml/m3
• Oldhatóság (2 bar-on; 15°C-on) 4 g/l H2O
2011. április 14.
Alternatív hűtési eljárások
A CO2 hatása a beton tartósságára Karbonizáció: 1 fázis:
H2O + CO2 Æ 2 H+ + CO322 fázis:
Ca(OH)2 + 2H+ + CO32- ÆCaCO3 + 2 H2O A karbonizáció a beton pH-értékét kb. 8,3 értékre csökkenti – mely az acél passziválási határa alatt van.
2011. április 14.
Alternatív / új technológiák Betonhűtés kriogén hóval (Cryocrete ®) • magas hűtési telj. • megbízható adagolás • hőmérséklet szabályozás • magas beruházási ktg. • kíváló energiahasznosítás
• folyamatos termelés mellett
Tesztberendezés üzem közben 2011. április 14.
Alternatív / új technológiák Új eljárás frissbeton hűtésére Cementhűtés I és II • Az új eljárást a MAG és MGG fejlesztette ki 2006-ban és szabadalmi bejelentést tett. • Első tesztüzem a Münchner Frischbeton GmbH-nál 2006 nyarán. • Technológia továbbfejlesztése 2007 őszéig. ⇒Két különböző technológia a cement hűtésére: - cementhűtés a cementsilóban célhőmérséklet 0-tól 20°C-ig - Just in Time cementhűtés fluidágyas hűtéssel a cementmérleg előtt célhőmérséklet -160°C • A technológia először Ausztriában került bevezetésre; 7 működő berendezés. • Magyarországi első alkalmazás – 2010 – Mercedes gyár építése, Kecskemét 2011. április 14.
Milyen előnyöket kínál az új hűtési eljárás? A cement finomkristályos szerkezetének előnyei: •
homogén eloszlás a frissbetonban, nincs lokális túlhűlés
•
gyors és teljes oldódás a keverés alatt
•
gazdaságos gyártás a jó hőátvitel miatt
•
egyszerű adagolás
Az akár –160°C-ra lehűtött cement előnyei: •
nagy hűtőteljesítmény
•
több mint 20°C-kal lehűthető a frissbeton
•
nem változik a víz/cement-arány
2011. április 14.
Hűtési energia számítása: „Hidegenergia igény“, 1 m3 beton 1K-nel való lehűtéséhez : 2.618.000 J = 6,54 kg LIN, 1kg cseppf. nitrogén (LIN) a következő „hűtési energiát” biztosítja: Dq = 400.296 J/kg
Vízhűtés: Hatékonyság: ca. 99% => 150 kg H2O víz lehűtéséhez 15,7 kg LIN-re van szükség (12-ről 2°C-ra). Max. hűtési teljesítmény: beton ca. 2,4-3 K/m3
Adalékanyagok hűtése: Hűtőközeg: hideg gáz és H2O, T>1°C. Hatékonyság ?? Ca. 50%; Max. hűtési teljesítmény: ca. 8K/m3 cStickst = 1038J/kgK ceis = 2090 J/kgK cw = 4190 J/kgK
2011. április 14.
ΔHVStickst= 201kJ/kg ΔHsEis= 336kJ/kg
Hűtési energia számítása: cStickst = 1038J/kgK ceis = 2090 J/kgK cw = 4190 J/kgK
Lándzsás hűtés:
ΔHVStickst= 201kJ/kg ΔHsEis= 336kJ/kg
Hatékonyság: ca. 30-tól 50 %-ig => 12-től 18 kg-ig LIN/m3K Max. hűtési teljesítmény: 1-2 K/m3 5 perc alatt keverőjárművenként
Jégpehely:
1 kg jégpehely a következő „hűtési energiát „ biztosítja: Dq = 354.835 J/kg Hatékonyság: ca. 99%, de energiaveszteség a gyártás során Max. hűtési teljesítmény: ca. 8 K/m3
Kriogén hó:
1 kg kriogén hó (-180°C) a következő „hűtési energiát” biztosítja: Dq = 775.050 J/kg Hatékonyság: ca. 99%, de energiaveszteség a gyártás során Max. hűtési teljesítmény: ca. 22 K/m3
2011. április 14.
Hűtési energia számítása: cStickst = 1038J/kgK ceis = 2090 J/kgK cw = 4190 J/kgK
ΔHVStickst= 201kJ/kg ΔHsEis= 336kJ/kg
Cementhűtés I (cementsiló hűtése): Hatékonyság: ca. 99% => 27000 kg cement hűtéséhez 70°C-ról 20°C-ra ca. 3200 kg LIN szükséges. A cement 50°C fokkal való hűtése a beton hőmérsékletét 5°C fokkal csökkenti. Hosszabb tárolás során nem melegszik fel a cement a silóban. Max. hűtési teljesítmény: beton ca. 7-10 K/m3
Cementhűtés II (fluidágyas eljárás): Cement lehűtése a cement adagolásakor (Just in Time). Nem szükséges a cement tárolása, így nincs hűtési energia veszteség. A cement akár -160°C-ig is lehűthető. A betonhőmérséklet beállítható a hideg és meleg cement keverési arányával! Max. hűtési teljesítmény: ca. 22 K/m3
2011. április 14.
Melyik eljárást válasszuk? A technológia kiválasztásának szempontjai: - Lehűtendő beton mennyisége adott idő alatt - maximálisan szükséges hűtési teljesítmény - óránként lehűtendő betonmennyiség
Technológiai kiválasztása: - A jégpehelyhűtés nagyobb betonmennyiségek néhány °C fokkal való hűtéséhez ajánlott. Hűtési teljesítmény korlátozott. - Lándzsás hűtés a kis és közepes betonmennyiségek néhány °C fokkal való hűtéséhez ajánlott megfelelő időtartam megléte esetén. - Víz- és adalékanyaghűtés kis és közepes betonmennyiségek hűtésére alacsony hűtési teljesítménnyel és rövid időtartam alatt - Cementhűtés I és II kis, közepes és nagy betonmennyiségek hűtésére, magas külső hőmérséklet mellett alkalmas, nagy hűtési teljesítmény adott időegység alatt. Az egyetlen módszer, mellyel a frissbeton hőmérséklete széles tartományban beállítható.
2011. április 14.
Melyik eljárást alkalmazzuk? Beruházási és üzemeltetési költségek (alacsony
; közepes
Technológia
; nagyon magas
):
H2O ; Adalék ; Lándzsa ; Jégpehely ; Cement
Beruházás
Üzemeltetés/veszteség
Max. hűtési telj.
[K]
3
5-8
2011. április 14.
5-10
8-10
22
Cementhűtő berendezés 2011. – Kecskemét, Mercedes gyár építése
2011. április 14.
