Hlađenje betona u mikserima, konvencionalnim i kontejnerskim postrojenjima

Smanjenje zagrevanja betona u toku hidratacije pre same ugradnje jedan je od najvažnijih aspekata hlađenja betona, naročito za velike objekte. Zato je prilikom izgradnje većih objekata neophodno optimalno postrojenje za hlađenje vode na samom gradilištu gde se beton ugrađuje. Pored ovih sistema, beton se može hladiti i u mikserima upotrebom inertnog gasa

kompaktna fabrika betona za instalaciju na gradilištu
(proizvođač Astec, SAD, sedište za Evropu u Francuskoj)

1. Osnove hlađenja betona

Temperatura hidratacije (reakcije cementa sa vodom) podiže temperaturu betona na 25°C tokom procesa sazrevanja (očvršćavanja) betona. Zbog toga se beton širi i ne postiže homogenu čvrstoću u celoj svojoj zapremini.

Očvršćavanjem, beton se hladi i puca zbog kontrakcija ili smanjenja zapremine. Važno je da temperatura sipanja bude što niža kako bi ostala u zadovoljavajućim granicama tokom procesa sazrevanja.

Topla voda pravi mnoge probleme tokom pripremanja i sipanja betona. Komitet 305 Američkog instituta za beton (American Concrete Institute Committee 305) u dokumentu Hot Weather Concreting⁽¹⁾ definiše beton sa toplom vodom kao beton nastao u okruženju sa visokom temperaturom, niskom relativnom vlažnosti, vazdušnim strujanjima i toplotom Sunca.

Svaki od navedenih faktora može da izazove ubrzano isparavanje vlage koja na kraju dovodi do plastičnih deformacija skupljanja i pukotina u betonu.

1.1 Uticaj tople vode na beton

Beton nastaje hidratacijom cementa. Hidratacija je egzoterma reakcija koja ubrzava sa porastom temperature betona. Glavni problem za čvrstoću i sazrevanje betona nije temperatura vazduha već temperatura na kojoj se odvija proces hidratacije. Jednom kada se cement hidrira on ubrzano počinje da upija velike količine vode, što dalje dovodi do fenomena ubrzanog formiranja kristala oko čestica agregata (šljunak, drobljeni kamen, metalni opiljci, itd).

Formiranje kristala ubrzava se sa porastom temperature. Ova ubrzana reakcija znači da kristali nemaju dovoljno vremena da ojačaju, što kasnije utiče i na čvrstoću samog betona.

U tim slučajevima, početna čvrstoća je visoka, ali nakon 28 dana (koliko traje zrenje betona) ovako formiran beton postaje slab. Ukoliko je svež beton oko 10°C topliji od normalnog (na primer 30°C umesto 20°C), konačna čvrstoća na pritisak biće oko 10% niža ⁽²⁾.

Propisana temperatura betona u toku sipanja varira od slučaja do slučaja i kreće se od 7°C do maksimalnih 15°C. Pošto su početni i tekući troškovi sistema za ovakvo hlađenje visoki, veoma je važna upotreba sofisticiranog sistema.

Upotreba ohlađene ili zamrznute vode (led se koristi umesto vode u mešavini), kao deo ili kao sva potrebna količina vode za hidrataciju, najlakši je način za hlađenje betona tokom toplijih dana. Ukoliko se led ili hladna voda dodaju u postrojenjima za proizvodnju betona to malo produžava vreme sazrevanja betona i daje više vremena za sipanje, vibriranje i završne radove prilikom instalacije betona u oplatu.

1.2. Faktori koji utiču na rešenje za hlađenje jesu:

• kapacitet proizvodnje betona
• tip fabrike za proizvodnju
• zahtevana dostavna temperatura betona
• vreme trajanja izgradnje objekta
• slobodna površina na gradilištu
• zapremina i veličina miksera
• temperatura na lokaciji u odnosu na sezonske proseke i promene.

1.3. Sistem za hlađenje betona za izgradnju brana i druge masivne objekte niskogradnje uglavnom se sastoji od:

• postrojenja za hlađenje vode koje daje vodu temperature od 1°C do 2°C (kapacitet postrojenja može biti u potpunosti ili delimično korišćen u skladu sa potrebama gradilišta)
• rezervoar sa hladnom vodom sa crpnom pumpom
• postrojenje za proizvodnju leda u ljuspama temperature -5°C
• komora za skladištenje leda u ljuspicama sa potpuno automatizovanim sistemom sa "grabuljama" za mešanje i sistemom za pražnjenje komore
• sistem za gradilišni transport leda
• sistem za merenje zapremine leda koja će biti dodata u betonsku mešavinu.

1.4 Sastav ohlađenog betona

U svom osnovnom obliku beton je mešavina veziva i agregata. Vezivo (cement i voda) obavija površinu granula i komada agregata tokom hemijske reakcije koju nazivamo hidratacijom. Vezivo se stvrdnjava i postepeno postiže željenu čvrstoću stvarajući materijal nalik prirodnom kamenu - beton.

U ovom procesu leži ključ izuzetnih karakteristika betona: plastičnost i oblikovnost svežeg betona, jačina i dugotrajnost zrelog betona. Ovi kvaliteti su razlog zašto betonom možemo graditi oblakodere, mostove, trotoare, auto-puteve, kuće i brane...

Pažljivo odmeravanje i mešanje sastojaka osnova su za poravljenje jakog i trajnog betona. Mešavina koja nema dovoljno veziva da popuni sav prazan prostor između zrna argregata teško se sipa u oplatu i stvara grubu, hrapavu površinu.

Kada veziva ima više nego što je optimalno potrebno, beton se izuzetno lako sipa u oplatu ali nakon stvrdnjavanja daleko je veća verovatnoća da će doći do skupljanja čitave mase u znatno većem procentu nego što je to predviđeno.

Beton uglavnom ima sledeće sastojke u ovim procentima⁽³⁾:

• cement - 16% do 20%
• običan pesak (dune sand) - 9% do 12%
• isprani pesak (washed sand) - 25% do 29%
• agregat (20 mikrona prečnika) - 9% do 11%
• agregat (40 mikrona prečnika) - 25% do 29%
• voda - 6% do 9%.

Beton može biti ohlađen do određene granice uz pomoć mešanja sa hladnom vodom. Maksimalno smanjenje temperature svežeg betona može biti do 10°C.

Količina ohlađenje vode u mešavini ne može biti veća od proračunate količine vode (maksimalnog dozvoljenog procenta vode u betonu) i njen procenat u betonu zavisi od vlažnosti agregata i proporcija drugih sastojaka.

Temperatura betona nakon mešanja sa vodom može se približno izračunati pomoću sledeće jednačine (Jednačina 1)⁽⁴⁾:

• T = 0.22 (Ta × Wa + Tc × Wc ) + Tw × Ww / {0.22 (Wa + Wc ) + Ww} (1)

Gde je:

• Ta - temperatura agregata (uključujući pesak)
• Tc - temperatura cementa
• Tw - temperatura vode u mešalici za pripremu betona 
• Wa - suva masa agregata
• Wc - masa cementa
• Ww - masa vode u mešalici za pripremu betona.

Grafikon 1 je baziran na Jednačini 1 i pokazuje stepen hlađenja koji možemo postići uz upotrebu vode temperature od 1°C i od 4°C. (temperatura sveže izmešanog betona u odnosu na temperaturu okruženja kada se meša sa vodom od 1°C do 4°C.)

Grafikon 2 pokazuje koeficijent opterećenja hlađenja za različite temperature vode. Ovaj koeficijent za dati primer betona ima linearnu relaciju između temperature vode i opterećenja za hlađenje po kubnom metru po danu (potrošnja energije za hlađenje po kubnom metru betona po danu u odnosu na temperaturu vode).

Na Bliskom Istoku temperatura vode za pravljenje betona je obično veoma visoka i prosečno varira od 22°C do 26°C od novembra do aprila. Tokom letnjih meseci ova temperatura poraste i na 30°C.

Ukoliko se voda nalazi u zatvorenom rezervoaru temperatura poraste i na 35°C. Povećanje temperature povećava i potrošnju (opterećenje) sistema za hlađenje betona.

Grafikon 3 pokazuje opterećenje (potrošnju) sistema za hlađenje betona (voda u mešavini u odnosu na kapacitet betona). Voda se hladi sa 38°C na 4°C.

2. Konvencionalna postrojenja za hlađenje vode

Uzmimo za primer postrojenje koje hladi vodu na temperature od 1°C do 2°C. Kao sredstva za hlađenje uglavnom se koriste amonijak ili R-22 (HCFC-22 - u upotrebi u sistemima za hlađenje duže od četiri decenije).

Ovakvo postrojenje ima sledeću delove:

• recipročni kompresor ili zavojni kompresor
• omotač sa sistemom za hlađenje vodom i cevni kondenzator
• skladište za amonijak
• vertikalni hladnjak - čiler
• rezervoar za vodu sa toplom i ohlađenom vodom
• primarnu i sekundarnu pumpu za vodu za hlađenje
• toranj za hlađenje
• pumpu za hladnu vodu
• uljni hladnjak (u slučaju zavojnog kompresora – screw compressor)
• primarni uljni separator.

Ovakav sistem se mora instalirati na samom gradilištu i zahteva minimum mesec do dva dana za instalaciju i inspekciju, zavisno od lokacije.

2.1 Proces hlađenja u konvencionalnom postrojenju za hlađenje vode

Kompresor usisava sredstvo za hlađenje sa niskim pritiskom iz omotača vertikalnog hladnjaka i predaje ga kondenzatoru. U kondenzatoru superzagrejano sredstvo za hlađenje pod visokim pritiskom prelazi u tečno stanje. Kasnije, tečnost prosto otiče u rezervoar vođena gravitacijom.

Tečnost pod visokim pritiskom iz tog rezervoara predaje se vertikalnom čileru kroz ekspanzioni uređaj.

Tečnost pod niskim pritiskom u vertikalnom čileru apsorbuje toplotu iz vode i prelazi u gasovito stanje. U čileru, voda se hladi na željenu temperaturu i kasnije koristi za hlađenje betona. Kompresor usisava gas iz čilera.

Vertikalni čiler se koristi da postigne željenu temperaturu vode od 1°C do 2°C. On se instalira iznad rezervoara sa hladnom vodom i voda teče od vrha ka dnu. Zamrzavanje vode neće dovesti do oštećenja ili poremećaja rada vertikalnog čilera.

injekcione mašine za hlađenje betona (levo)
mašina za proizvodnju leda u ljuspicama (desno)

2.2 Kruženje ohlađene vode

Kruženje ohlađene vode odvija se u zatvorenom sistemu. Ohlađena voda meša se sa betonskom smešom (sa 38°C na 1°C). Vertikalni čiler je obično projektovan tako da hladi vodu sa 10°C na 1°C radi optimizacije.

Skoro četiri puta više od potrebnog hlađenja da bi temperatura vode sa 38°C pala na 1°C. Zato se ohlađena voda sa temperaturom od 10°C meša sa toplom vodom sa temperaturom od 38°C  i dobija se voda temperature od oko , i to je voda koju vertikalni čiler zatim hladi na  1°C.

2.3 Mane konvencionalnog postrojenja za hlađenje vode za beton jesu:

• nekompaktan dizajn
• dugo vreme instalacije i inspekcije postrojenja (mesec-dva)
• postrojenje zahteva livenje temelja
• potrebni su rezervoari z atoplu i hladnu vodu (obično izliveni od betona) što povećava cenu gradnje
• potrebna je velika površina za postavku postrojenje
• kada ispuni zadatak postrojenje se deinstalira i nosi na sledeće gradilište (pošto su opet uključene inspekcije, kao tranport i instalacija na novoj lokaciji, kompletan prenos često traje tri do četiri meseca)
• s obzirom da se koristi jednostepeno hlađenje, COP (koeficijent performansi - coefficient of performance) za ovo postrojenje je 2,59 (–4°C/43°C) - višestepeni sistemi hlađenja mogu povećati ovaj koeficijent
• protočna moć primarne pumpe (primary chilled water pump) je četiri puta veća od potrebne što znači da cena rada pumpe znatno utiče na ukupnu cenu tekućih troškova (a potrebna je još i sekundarna pumpa)
• ukupni troškovi povećavaju se zbog prethodno pomenutih faktora - tipično postrojenje koje postiže 2,94l/s zahteva 152kW energije sa ukupnim instalisanim kapacitetom za električnu energiju od 172kW za hlađenje vode sa 35°C na 1°C.

Kako bi se izbegle navedene mane konvencionalnih sistema za hlađenje vode u fabrikama betona na gradilištu potrebno je koristiti kontejnerske sisteme iste namene.

3. Kontejnerska postrojenja za hlađenje vode

Ovaj tip postrojenja obično se koristi za postizanje temperature vode od 1°C do 2°C. Za hlađenje se obično koristi R-22/R-134a (tetrafluorouretan).

3.1 Sastav kontejnerskog postrojenja za hlađenje vode

Kontejnersko postrojenje za hlađenje vode uključuje:

• prvi i drugi kružni sistem sa recipročnim ili zavojnim kompresorima
• kondenzator za paru sa dva kalema
• direktni ekspanzioni pločasti toplotni izmenjivač (PHE - plate heat exchanger)
  za prvu fazu
• direktni ekspanzioni PHE za drugu fazu
• direktni ekspanzioni pločasti hladnjak za rezervor za vodu
• primarna pumpa za vodu.

Sva ova oprema se instalira u jedan kontjner i povezuje. Prvi kružni sistem za hlađenje koristi za hlađenje vode sa 38°C na 14°C. Temperatura isparavanja (evaporation) u ovom kolu održava se na 10°C.

Kompresor, kondenzator pare (evaporative condenser) i direktni ekspanzioni pločasti izmenjivač toplote (faza 1) su deo prvog kružnog sistema.

Drugi kružni sistem (kolo) se koristi za hlađenje vode sa 14°C na 1°C i direktnom ekspanzionom izmenjivaču toplote (faza 2) i kasnije u hlađenom rezervoaru za vodu. Regulacija kontrole pritiska pomaže da se isparavanje održava na temperaturi od 1°C što sprečava da se pločasti izmenjivač ne zaledi. Ova temperatura se u hlađenom rezervoaru spušta na –5°C što dovodi do hlađenja vode na temperaturu od 1°C.

Kondenzator pare ima dve nezavisne spirale koje se koriste za kondenzaciju i hlađenje u prvom i drugom kružnom sistemu. On ima i ventilator i recirkluacionu pumpu za vodu za raspršivanje vode po spiralama.

Kontejnersko postrojenje traži manje prostora od konvencionalnih, ali je ipak teško smestiti svu potrebnu opremu u sam kontejner. Opšti raspored pločastih izmenjivača toplote, kompresora i hlađenog rezervoara za vodu ne sme ometati kretanje za rad, održavanje i kontrolu inženjera i tehničara.

hladnjak (čiler) za rashlađivanje vode za hlađenje betona,
proizvođač KTI - više na linku na kraju teksta

Osnovi delovi povezuju se cevima koje se smeštaju u gornjoj zoni kontejnera kako bi bilo moguće kretanje osoblja ispod njih.

Kondezator za paru ima dve spiralne sekcije (nezavisna kompresorska sistema) koje omogućavaju fleksibilnost rada sistema kompresora.

Uporedimo opremu za napajanje konvencionalnog postrojenja za hlađenje vode za hlađenje betona i kontejnerskog postrojenja pregledom specifikacije za kontejnerski.

Parametri:

• početna temperatura vode - 35°C
• temperatura ohlađene vode - 1°C
• temperatura kondenzacije - 43°C
• wet-bulb temperatura - 30°C (ona je indikator vlažnosti vazduha, temperatura koja karakteriše sisteme sa gasom i parom i predstavlja najnižu temperaturu koja se može postići samo isparavanjem vode - temperatura koju osećamo kada nam preko mokre kože struji vazduh)
• protok vode - 2.94L/s.

Rashladni kružni sistemi:

• faza 1 - sa 35°C na 13°C (prvi pločasti izmenjivač toplote)
• faza 2 - sa 13°C na 4°C (drugi pločasti izmenjivač toplote)
• faza 3 - sa 4°C na 1°C u hlađenom rezervoaru.

3.2 Ušteda energije

Ukupna potrošnja električne energije za konvencionalna postrojenja za hlađenje vode za hlađenje betona veća je od potrebne energije za kontejnersko postrojenje:

   171,2kW (konvencionalno postrojenje sa R-22)
 - 140kW (kontejnersko postrojenje sa R-22)
 = 31.2 kW.

Ukoliko se uzme u obzir cena (navedena u originalu teksta u dolarima) od 0,10 dolara/kWh, ovo čini razliku od 27.331,20 dolara u prosečnim godišnjim uštedama.

Napomena: kontejnersko postrojenje sa R-134a koristi približnu količinu električne energije kao i kontejnersko postrojenje za hlađenje vode sa R-22 - 135,5kW, odnosno 140kW.

3.3 Prednosti kontejnerskih postrojenja za hlađenje vode za hlađenje betona jesu:

• kompaktan sistem
• nema posebne instalacije na gradilištu osim priključivanja dovoda vode i električne energije
• kontejner se lako donosi i odnosi sa gradilišta
• nema gradnje rezervoara za hladnu i nehlađenu vodu
• nema potrebe za livenjem temelja
• punjenje tečnosti/gasa za hlađenje je manje nego kod konvencionalnih postrojenja zbog upotrebe direktnih ekspanzivnih čilera
• proces hlađenja je podeljen u dva kružna sistema - COP ovakve kombinacije je 3,18 sa R-22 i 3,27 sa R-134a
• potrebna je samo primarna pumpa za protok
• nije potreban rashladni toranj, cevovod za vodu za hlađenje povezan sa kondenzatorom, kao i jedna pumpa
• za postrojenje sa standardnim protokom od 2,94L/s koje hladi vodu sa 35°C na 1°C potreban je priključak za električnu energiju od 140kW sa R-22 i 135,5kW sa R-134a.

4. Zaključak

Očigledno je da kontejnerski sistemi za hlađenje vode za beton predstavljaju bolje rešenje od konvencionalnih sistema iste namene. Kontejnerski sistemi za hlađenje vode zahtevaju manje električne energije od konvencionalnih.

Pored ovoga tu su i druge prednosti: kompaktan sistem koji se lako doprema i pušta u funkciju na gradilištu, nije potrebno livenje temelja, može biti transportovan bez kašnjenja, i zahteva manje količine sredstava za hlađenje.

Početna cena kontejnerskih postrojenja za hlađenje vode na gradilištima veća je od cene konvencionalnih, ali cena se lako kompenzuje prednostima koje pruža tokom upotrebe kao i operativnim troškovima.

Reference

• 1. ACI. 2007. “305.1-06: Specification for Hot Weather Concreting.” Farmington
  Hills, Mich.: American Concrete Institute.
• 2. Naik, T.R. 1985. Temperature Effects on Concrete, pp. 88–106. Philadelphia:
  ASTM International.
• 3. PCA. 2009. “Cement and Concrete Basics.” www.cement.org/basics. Skokie,
  Ill.: Portland Cement Association.
• 4. ACI. 2000. “305R-1999: Hot Weather Concreting.” Farmington Hills, Mich.:
  American Concrete Institute.

Linkovi:

• Kirloskar Pneumatic - www.kpclapps.com
• KTI - link
• Izmenjivač toplote - tipovi, opšte karakteristike i primena u građevinarstvu - link