Frissbeton hőmérsékletcsökkentésének lehetősége és az ipari gázok Jens Tauchmann, Messer Group GmbH Herczeg István, Messer Hungarogáz Kft.
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!
A frissbeton hőmérsékletének számítása A beton fajhője: c bo = (m z * c z + m g * c g + m w * c w ) / (m z + m g + m w ) A frissbeton hőmérséklete: [kj/kg/k] z : cement mennyisége [kg/m 3 ] g : adalékanyag mennyisége [kg/m 3 ] w : víz mennyisége [kg/m 3 ] c z = 1,0 kj/kgk: cement fajhője c g = 1,0 kj/kgk: adalékanyag fajhője c w = 4,2 kj/kgk: víz fajhője Tz : cement hőmérséklete [K] Tg: adalékanyag hőmérséklete [K] Tw: víz hőmérséklete [K] T bo m = z * c z * T z c + m bo g *( m * c z g * T + m g g + m + m w w ) * c w * T w A frissbeton hőmérsékletének változása: ΔQ C ΔT = bo DQ = m jég * (336kJ/kg + c w *T w ) bo
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 Hidratációs hő J/g Portlandcement CEM I 375... 525 Portland puccoláncement CEM II/A-P 315... 420 Égetett/agyagpala-portlandcement CEM II/A-T 360... 480 Kohósalakcement CEMIII/A 355... 440 Aluminátcement 545... 585
Hogyan alakul ki magas hőmérséklet a betonban? Különböző cementfajták hidratációs hője teljes hidratációnál
Miért van szükség a beton hűtésére? FEM-analízis: Hosszirányú feszültség eloszlása [N/mm 2 ] (7 nappal a monolit betonfal elkészülése után) (A belső feszültségek ábrázolása céljából a falat középen kettévágták))
Miért van szükség a beton hűtésére? Hidratációs hő összehasonlítása hűtött és nem hűtött betonnál 60 55 50 ΔT max 45 40 Hőmérséklet ( C) 35 30 25 20 B45 hűtött B45 nem hűtött 15 10 Δt 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Idő (h)
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 Direkt keverés Frissbeton Elvárások: hideg gázok (sűrített levegő harmatpontja felett) Hőcserélő/közvetlen hűtés (kompresszoros hűtő; kriogén gázok) Hőcserélő/közvetlen hűtés (kompresszoros hűtő; kriogén gázok) nagy hőátvitel rövid idő alatt nagy hűtőhatás a gyors hőátvitelnek köszönhetően nagy hőátadási felület vagy hosszú hőátviteli idő
Frissbeton hőmérséklet csökkentésének lehetőségei I. Kötőanyagok kiválasztása - alacsony hidratációs hővel - alapvetően mindig figyelembe kellene venni Betonalapanyagok hűtése LIN vagy LCO 2 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
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
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
Alternatív hűtési eljárások Szárazjég beadagolása CO 2 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 CO 2 -koncentrációjának (15 mg/l) korlátozása DIN EN szerint ACO 2 hatása még nem tisztázott a cement hidratációjára ACO 2 hatását a beton tartósságára még vizsgálni kell
Alternatív hűtési eljárások Szárazjég beadagolása CO 2 CO 2 tulajdonságai: Sűrűség 1,977 kg/m 3 Szublimációs pont -78,9 C Szublimációs hő Hűtőteljesítmény (0 C-ig) 573,02 kj/kg 645 kj/kg MAK-érték 5000 ml/m 3 Oldhatóság (2 bar-on; 15 C-on) 4 g/l H 2 O
Alternatív hűtési eljárások ACO 2 hatása a beton tartósságára Karbonizáció: 1fázis: H 2 O + CO 2 2 H + + CO 3 2-2fázis: Ca(OH) 2 + 2H + + CO 3 2- CaCO 3 + 2 H 2 O A karbonizáció a beton ph-értékét kb. 8,3 értékre csökkenti mely az acél passziválási határa alatt van.
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
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
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
Hűtési energia számítása: Hidegenergia igény, 1 m 3 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 H 2 O víz lehűtéséhez 15,7 kg LIN-re van szükség (12-ről 2 C-ra). Max. hűtési teljesítmény: beton ca. 2,4-3 K/m 3 Adalékanyagok hűtése: Hűtőközeg: hideg gáz és H 2 O, T>1 C. Hatékonyság?? Ca. 50%; Max. hűtési teljesítmény: ca. 8K/m 3 cstickst = 1038J/kgK ΔHVStickst = 201kJ/kg c eis = 2090 J/kgK ΔH seis = 336kJ/kg c w = 4190 J/kgK
Hűtési energia számítása: c Stickst = 1038J/kgK ΔH VStickst = 201kJ/kg c eis = 2090 J/kgK ΔH seis = 336kJ/kg c w = 4190 J/kgK Lándzsás hűtés: Hatékonyság: ca. 30-tól 50 %-ig => 12-től 18 kg-ig LIN/m 3 K Max. hűtési teljesítmény: 1-2 K/m 3 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/m 3 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
Hűtési energia számítása: c Stickst = 1038J/kgK ΔH VStickst = 201kJ/kg c eis = 2090 J/kgK ΔH seis = 336kJ/kg c w = 4190 J/kgK 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/m 3 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/m 3
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.
Melyik eljárást alkalmazzuk? Beruházási és üzemeltetési költségek (alacsony ; közepes ; nagyon magas ) : Technológia H 2 O ; Adalék ; Lándzsa ; Jégpehely ; Cement Beruházás Üzemeltetés/veszteség Max. hűtési telj. [ K ] 3 5-8 5-10 8-10 22
Cementhűtő berendezés 2011. Kecskemét, Mercedes gyár építése