energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2021-64-3-259-274energy-2075Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGНаучно-методические основы эксергетического анализа процессов тепловой обработки бетонных изделий в теплотехнологических установках. Часть 1Scientific and Methodological Bases of Exergetic Analysis of the Processes of Heat Treatment of Concrete Products in Heat Technology Installations. Part 1РоманюкВ. Н.RomaniukV. N.

Адрес для переписки: Романюк Владимир Никанорович - Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65/2, 220013, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 293-92-16pte@bntu.by

Address for correspondence: Romaniuk Vladimir N. – Belаrusian National Technical University, 65/2, Nezavisimosty Ave.,  220013, Minsk, Republic of Belarus. Tel.: +375 17 293-92-16pte@bntu.by

 

pte@bntu.byНияковскийА. М.NiyakovskiiA. M.

Новополоцк

Novopolotsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusПолоцкий государственный университетБеларусьPolotsk State UniversityBelarus202104062021643259274Copyright © Романюк В.Н., Нияковский А.М., 20212021Романюк В.Н., Нияковский А.М.Romaniuk V.N., Niyakovskii A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2075

Эксергетический метод термодинамического анализа сложных теплоэнергетических систем в последние годы получил широкое признание, доказав свою эффективность при поиске оптимальных вариантов энергоснабжения и энергопотребления. Вместе с тем его применение сдерживается отсутствием соответствующих научно обоснованных методических подходов к теплотехнологиям, в ходе которых имеют место не только энергетические, но и материальные превращения. Тепловая обработка бетонных и железобетонных изделий относится именно к таким технологиям. В данной статье представлены новые научные результаты, связанные с разработкой эксергетических балансов процессов приготовления бетонной смеси в смесителе и тепловой обработки бетонного изделия в теплотехнологической установке. Для каждого из этих случаев осуществлен анализ эксергетических потоков, определена структура эксергии бетонной смеси и твердеющего бетона. На основе анализа научных работ о химическом составе цементных клинкеров, цементов и продуктов гидратации предложены новые зависимости для расчета эксергии потока бетонной смеси и бетона при его тепловой обработке, включая термомеханическую, реакционную и концентрационную составляющие. Разработаны абсолютные эксергетические показатели. На конкретном примере с использованием разработанного научно-методического обеспечения выполнен расчет указанных величин. Во второй части будут опубликованы результаты исследования по определению относительных эксергетических показателей, позволяющих выполнять оценку энергетической эффективности процессов тепловой обработки бетонных изделий в теплотехнологических установках. Полученные результаты могут использоваться при выборе энергосберегающих режимов теплотехнологического оборудования для промышленной тепловой обработки бетонных изделий.

Having proven its effectiveness in finding the best options for energy supply and energy consumption the exergetic method of thermodynamic analysis of complex heat and power systems has been widely recognized in recent years. However, its application is hindered by the lack of appropriate scientific and methodological heat technology support, especially if their application involves not only transformation of energy, but also transformation of substances. Heat treatment of concrete and reinforced concrete products belongs to such technologies. This article presents new scientific results related to the development of exergetic balances of the processes of preparation of concrete mixture in a mixer and heat treatment of a concrete product in a heat-technological installation. For each of these cases, the analysis of exergetic flows was carried out, the structure of the exergy of the concrete mixture and the hardening concrete was determined. Based on the analysis of the literature data on the chemical composition of cement clinkers, cements, and hydration products, new dependences have been proposed for calculating the exergy of the concrete mixture flow and the exergy of concrete under its heat treatment, including all their components, viz. thermomechanical, reaction, and concentration constituents. Absolute energy indicators have been developed. The calculation of the mentioned values was performed on a specific example with the use of the developed scientific and methodological support. In the second part of this paper, the results of the study related to the determination of relative exergetic indicators that allow evaluating the energy efficiency of the processes of heat treatment of concrete products in heat technology installations will be published. The results obtained in this paper can be used for the selection of energy-saving modes of heat-technological equipment intended for industrial heat treatment of concrete products.

теплотехнологиитеплотехнологические установкиэнергоэффективностьтепловая обработка бетонных изделийэксергия бетонаэксергетический балансэксергетические критерии энергетической эффективностиheat technologythermal technological equipmentenergy efficiencyheat treatment of concrete productsexergy of concreteexergetic balanceexergetic criteria of energy efficiencyReferencesКоц, I. В. Ексергетичний аналіз теплових процесів технології виготовлення будівельних виробів / I. В. Коц, О. П. Колісник // Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві. 2011. Т. 10, № 1. С. 46–48.Kots I., Kolesnik O. (2011) Exergy Analysis of Thermal Processes Technology Manufacture of Building Products. Suchasnі Tekhnologії, Materіali і Konstruktsії v Budіvnitstvі = Modern Technologies, Materials and Design in Construction, 1 (10), 46–48 (in Ukrainian).Атоян, В. Р. Анализ эффективности теплотехнологических схем производства бетонных изделий на основе эксергетического метода / В. Р. Атоян, И. Н. Малый, А. В. Полин // Комплексное использование тепла и топлива в промышленности: межвуз. науч. сб. Саратов, 1995. С. 78–81.Atoyan V. R., Malyi I. N., Polin A. V. (1995) Analysis of the Efficiency of Heat-Technological Schemes for the Production of Concrete Products Based on the Exergetic Method. Kompleksnoe Ispol'zovanie Tepla i Topliva v Promyshlennosti: Mezhvuz. Nauch. Sb. [Integrated Use of Heat and Fuel in Industry: Interuniversity Scientific Collected Papers]. Saratov, 78–81 (in Russian).Способ управления процессом приготовления бетонной смеси: пат. RU 2334713, МПК B 28B 11/00 / Т. М. Вердиян, Р. Т. Лукманов. Опубл. 27.09.2008.Verdiyan T. M., Lukmanov R. T. (2008) Method for Controlling the Process of Preparing a Concrete Mixture. Patent RU No 2334713 (in Russian).Вердиян, М. А. Эксергетический анализ процессов химической технологии (на примере технологии цемента) / М. А. Вердиян, Д. А. Бобров, А. М. Вердиян. М.: РХТУ имени Д. И. Менделеева, 2004. 68 с.Verdiyan M. А., Bobrov D. А., Verdiyan A. M. (2004). Exergetic Analysis of Chemical Technology Processes (on the Example of Cement Technology). Moscow, Mendeleev University of Chemical Technology. 68 (in Russian).Koroneos, C. Exergy Analysis of Cement Production / C. Koroneos, G. Roumbas, N. Moussiopoulos // International Journal of Exergy. 2005. Vol. 2, No 1. P. 55–68. https://doi.org/10.1504/ijex.2005.006433.Koroneos C., Roumbas G., Moussiopoulos N. (2005) Exergy Analysis of Cement Production. International Journal of Exergy, 2 (1), 55–68. https://doi.org/10.1504/ijex.2005.006433.Ахвердов, И. Н. Основы физики бетона / И. Н. Ахвердов. М.: Стройиздат, 1981. 464 с.Akhverdov I. N. (1981) Fundamentals of Concrete Physics. Moscow, Stroiizdat Publ. 464 (in Russian).Kermeli, K. Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for the Concrete Industry: Guide for Energy and Plant Managers / K. Kermeli, E. Worrell, E. Masanet. Berkeley: Berkeley National Laboratory University of California, 2011. 112 p. https://doi.org/10.2172/1062106.Kermeli K., Worrell E., Masanet E. (2011) Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for the Concrete Industry: Guide for Energy and Plant Managers. Berkeley, Berkeley National Laboratory University of California Publ. 112. https://doi.org/10.2172/1062106.Химия строительных материалов / Й. Планк [и др.]. Шымкент: Южно-Казахстанский гос. ун-т имени М. Ауэзова, 2016. 221 с.Plank J., Taimasov B. T., Shtefan D., Khirsh K., Zhakipbaev B. E. (2016) Chemistry of Buil-ding Materials. Shymkent, South Kazakhstan State University named after M. Auezov. 221 (in Russian).Райхель, В. Бетон: в 2 ч. / В. Райхель; пер. с нем.; под ред. В. Б. Ратинова. М.: Стройиздат, 1979. Ч. 1: Свойства. Проектирование. Испытания. 111 с.Raikhel' V. (1979) Concrete. Part 1: Properties. Design. Testing. Moscow, Stroiizdat Publ. 111 (in Russian).Баженов, Ю. М. Технология бетона / Ю. М. Баженов. М.: Изд-во АСВ, 2002. 500 с.Bazhenov Y. M. (2002) Technology of Concrete. Moscow, ASV Publ. 500 (in Russian).Фридрихсберг, Д. А. Курс коллоидной химии / Д. А. Фридрихсберг. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1984. 368 с.Fridrikhsberg D. A. (1984) Colloid Chemistry Course. 2nd ed. Leningrad, Khimiya Publ. 368 (in Russian).Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа / В. М. Бродянский. М.: Энергия, 1973. 296 с.Brodyanskii V. M. (1973) Exergetic Method of Thermodynamic Analysis. Moscow, Energiya Publ. 296 (in Russian).Бродянский, В. М. Принципы определения КПД технических систем преобразования энергии и вещества / В. М. Бродянский, М. В. Сорин // Изв. высш. учеб. заведений СССР. Энергетика. 1985. № 1. С. 60–65.Brodyanskii V. M., Sorin M. V. (1985) Principles for Determining the Efficiency of Technical Systems for Energy and Substance Conversion. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii SSSR. Energetika [Proceedings of Higher Educational Institutions of the USSR. Energy], (1), 60–65 (in Russian).Бродянский, В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек; под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1998. 288 с.Brodyanskii V. M., Fratsher V., Mikhalek K. (1998) The Exergetic Method and its Applications. Moscow, Energoatomizdat Publ. 288 (in Russian).Романюк, В. Н. Интенсивное энергосбережение в теплотехнологических системах промышленного производства строительных материалов / В. Н. Романюк. Минск, 2010. 365 с.Romanyuk V. N. (2010) Intensive Energy Saving in Heat-Technological Systems of Industrial Production of Building Materials. Minsk. 365 (in Russian).Зимон, А. Д. Адгезия жидкости и смачивания / А. Д. Зимон. М.: Химия, 1974. 416 с.Zimon A. D. (1974) Adhesion of Fluid and Wetting. Moscow, Chimiya Publ. 416 (in Russian).Степанов, В. С. Химическая энергия и эксергия веществ / В. С. Степанов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. 163 с.Stepanov V. S. (1990) Chemical Energy and Exergy of Substances. Novosibirsk, Nauka Publ., Siberian Branch. 163 (in Russian).Гидравлические вяжущие вещества / И. Н. Кузнецова [и др.]. Омск: СибАДИ, 2012. 74 с.Kuznenetsova I. N., Rashchupkina M. A., Kosach A. F., Gutareva N. A. (2012) The Hydraulic Binders. Omsk, SibADI Publ. 74 (in Russian).Брыков, А. С. Гидратация портландцемента / А. С. Брыков. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2008. 30 с.Brykov A. S. (2008) Hydration of Portland Cement. St.-Petersburg, Saint-Petersburg State Institute of Technology Publ. 30 (in Russian).Садрашева, А. О. Гидросиликаты кальция (C–S–H) как основная фаза твердения портландцемента / А. О. Садрашева // Ползуновский альманах. 2016. № 3. С. 193–196.Sadrasheva A. O. (2016) Calcium Hydrosilicates (C–S–H) as the Main Phase of Hardening of Portland Cement. Polzunovskii Al'manakh [Polzunov's Almanac], (3), 193–196 (in Russian).Адгезия, клеи, цементы, припои / под ред. Н. Дебройна, Р. Гувинка; пер. с англ. А. Л. Коз-ловского. М.: Изд-во иностр. лит., 1954. 584 с.de Bruyne N. A., Houwink R. (1954) Adhesion and Adhesives. London, Cleaver-Hume Press. 516.Усов, Б. А. Химизация бетона / Б. А. Усов. М.: ИНФРА-М, 2016. 379 с.Usov B. A. (2016) Chemicalization of Concrete. Moscow, INFRA-M Publ. 379 (in Russian).Повышение энергетической эффективности теплотехнологического оборудования на основе численного моделирования нестационарных процессов / А. М. Нияковский [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 2. С. 177–191. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-2-177-191.Niyakovskii A. M., Romaniuk V. N., Yatskevich Yu. V., Chichko A. N. (2019) Improving the Energy Efficiency of Heat-Technical Equipment on the Basis of Numerical Simulation of Non-Stationary Processes. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeti-cheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (2), 177–191. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-2-177-191 (in Russian).Верификация нестационарной математической модели твердения бетона в теплотехнологических установках / А. М. Нияковский [и др.] // Наука и техника. 2019. Т. 18, № 2. С. 137–145. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2019-18-2-137-145.Niyakovskii A. M., Romaniuk V. N., Chichko A. N., Yaczkevich Yu. V. (2019) Verification оf Non-Stationary Mathematical Model оf Concrete Hardening in Thermal Technological Installations. Nauka i Tekhnika = Science and Technique, 18 (2), 137–145. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2019-18-2-137-145 (in Russian).Дискретная оптимизация программно управляемых режимов тепловой обработки бетонных изделий в теплотехнологических установках / А. М. Нияковский [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 3. С. 280–292. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-3-280-292.Niyakovskii A. M., Romaniuk V. N., Yatskevich Yu. V., Chichko A. N. (2019) Discrete Optimization of Software-Controlled Modes of Heat Treatment of Concrete Products in Heat-Technological Facilities. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (3), 280–292. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-3-280-292 (in Russian).Метод расчета эволюции теплоэнергетических характеристик процесса ускоренной гидратации бетонных изделий / А. М. Нияковский [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 4. С. 307–324. https://doi.org/10. 21122/1029-7448-2019-62-4-307-324.Niyakovskii A. M., Romaniuk V. N., Chichko A. N., Yatskevich Yu. V. (2019) The Method of Calculation of the Evolution of Thermal and Energy Characteristics of the Accelerated Hydration Process of Concrete Products. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (4), 307–324. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-307-324 (in Russian).Нестационарная модель процесса гидратации железобетонного изделия, находящегося в программно-нагреваемой среде / А. М. Нияковский [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. 2019. Т. 63, № 4. С. 496–505. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2019-63-4496-505.Niyakovski A. M., Ramaniuk U. N., Chychko А. N., Yatskevich Yu. V. (2019) Unsteady Model of the Hydration Process of a Reinforced Concrete Product at Software-Controlled Heating. Doklady Natsional’noi Akademii Nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 63 (4), 496–505. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2019-63-4496-505 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.