автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Исследование метода окрашивания комбинированным распылением и разработка на его основе аппаратуры для нанесения лакокрасочных покрытий при строительстве судов

РГ5 ОД

2 2 ДЕК 2000

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИИ СУДОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ПОПОВ

Алексей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОКРАШИВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ И РАЗРАБОТКА НА ЕГО ОСНОВЕ АППАРАТУРЫ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

СУДОВ

Специальность: 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и

организация судостроительного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на Федеральном государственном унитарном предприятии Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент В.Ю. Григорьев

Официальные оппоненты - доктор химических наук, профессор

Н.З. Евтюков

кандидат технических наук А.И. Самсонова

Ведущая организация - ГУП "Адмиралтейские Верфи"

Защита диссертации состоится « 5 у> пеКАВРЯ 2000г в */0 часов на заседании диссертационного совета К.130.04.01 на Федеральном государственном унитарном предприятии Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения по адресу: 198095, Санкт-Петербург, Промышленная улица, д. 7.

Ваш отзыв с подписями, заверенными печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в аспирантуре ФГУП Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения

Автореферат разослан « ^ » Н09&Рр 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук старший научный сотрудник В.П. Шабаршин

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы

Принципы современного судостроения и судоремонта требуют от лакокрасочных покрытий обеспечения надежной защиты изделий от коррозии в течение всего срока их междоковой эксплуатации и, соответственно, высокого качества окрашивания при ускоренных темпах постройки. Это обусловливает стремление к применению прогрессивных видов лакокрасочных материалов (ЛКМ), эффективных методов нанесения и, естественно, к усовершенствованию окрасочного оборудования. Направления модернизации окрасочного оборудования определяются в основном двумя факторами: увеличением производительности труда и снижением экологической опасности. Известно, что применение современных технологий и средств механизации нанесения ЛКМ на изделия обеспечивает рост производительности труда в 3-15 раз.

В настоящее время процесс нанесения ЛКМ является источником существенного загрязнения окружающей среды, поскольку до сих пор окрашивание в большинстве случаев производится методами распыления, при которых от 25 до 50% наносимых материалов выбрасывается в окружающую среду, поэтому конкурентоспособность производств тесно связана не только с успешным развитием технической и технологической базы, но и с решением экологических проблем, что отвечает ужесточению законодательств многих государств по охране окружающей среды. Нарушение этих законов влечет за собой серьезные денежные санкции, и применение экологически несовершенных технологий становится невыгодным экономически.

Одновременно со снижением загрязнения окружающей среды использование современных технологий и оборудования обусловливает существенную экономию ЛКМ, что является одним из направлений повышения эффективности их использования.

Важным аспектом является также улучшение условий труда. При нанесении покрытий рабочие непосредственно контактируют с Л КМ через кожные покровы, подвергаются их вредному воздействию при вдыхании выделяющихся в воздух паров токсичных растворителей.

Существующие в настоящее время отечественные аппараты не отвечают описываемым требованиям, поэтому разработка новых средств технологического оснащения (СТО) для нанесения лакокрасочных покрытий представляется актуальной.

Цель и задачи исследований

Целью настоящего исследования является повышение эффективности использования ЛШ и качества наносимых покрытий при соблюдении экологической чистоты судостроительного производства.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. На базе экспериментального и вычислительного подходов произвести изучение процесса окрашивания методом комбинированного распыления (КР), в том числе создать математическую модель течения факела ЛКМ.

2. Разработать окрасочный аппарат КР, отвечающий требованиям, предъявляемым к средствам технологического оснащения для судостроения.

3. На основании результатов проведенных исследований оптимизировать конструкцию распылительного устройства КР.

4. Разработать метод определения технологических режимов нанесения ЛКМ с помощью разработанного устройства.

Методы исследований

Основные задачи работы решались методами математического моделирования и экспериментальными методами. Методы математического моделирования базировались на использовании законов механики сплошных сред и теории диспергирования жидкости. Расчеты параметров факела ЛКМ производились на ЭВМ. Экспериментальные исследования отрабатывались на специальном стенде с привлечением методов математической обработки результатов.

Научная новизна и научные результаты

- Разработана математическая модель факела ЛКМ и метод его расчета, в которых учтены специфические особенности задачи о течении факела.

- На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований процессов в факеле ЛКМ установлена взаимосвязь условий распыления с параметрами течения факела и характеристиками получаемого отпечатка.

Практическая ценность работы

- На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований выработаны практические рекомендации по проектированию распылительных устройств окрасочных аппаратов КР.

- Разработана конструкция и изготовлен окрасочный аппарат КР.

- Предложен метод оптимизации технологических режимов нанесения ЛКМ методом КР, базирующийся на разработанном методе расчета факела ЛКМ.

-о-

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на международной конференции по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех-99» (Санкт-Петербург, 1999г.);

- на совещаниях специалистов (Санкт-Петербург, 1999г.);

- конференции молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех-юниор» (Санкт-Петербург, 2000г.).

Публикации

По теме диссертации имеется 5 опубликованных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 116 страниц машинописного текста, в том числе 54 рисунка и 2 таблицы.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, показана практическая значимость работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе проанализированы методы нанесения ЛКМ, распространенные в настоящее время в промышленности, выделены их отличительные особенности. Оценена перспективность различных способов окрашивания с точки зрения применения при постройке судов. Произведен обзор отечественного и зарубежного окрасочного оборудования, рассмотрены пути его модернизации.

На основе проведенного анализа сделано заключение, что наиболее перспективным для судостроения является развитие метода комбинированного распыления (КР), который основан на распылении

жидкости при истечении ее с высокой скоростью через эллиптическое отверстие малого диаметра с дополнительным диспергированием за счет вдува струй воздуха в образующийся факел аэрозоля. Такой выбор объясняется следующими аргументами:

- метод КР обеспечивает мелкодисперсное распыление при минимуме потерь ЛКМ на туманообразование;

- существует возможность плавно регулировать производительность и ширину факела;

- массогабаритные характеристики аппаратуры лучше по сравнению с окрасочной аппаратурой безвоздушного распыления (БВР), применяемой в отрасли в настоящее время;

- идентичность конструкций позволяет использовать отработанные технические решения, применяемые в аппаратуре БВР; конструктивные схемы аппаратов БВР и КР приводятся на рис.1.

Отмечено, что типоразмерный ряд аппаратуры КР, выпускаемой отечественной промышленностью, мал. Также отсутствует опыт применения данного метода на предприятиях судостроительной отрасли.

На основании изложенного определены задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены исследуемые объекты, используемые для их изучения методы, измеряемые параметры, описано применяемое экспериментальное оборудование.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных с краскораспылителем КР.

Определено (в качестве предварительной оценки), что наилучшие результаты распыления достигаются при применении совмещенной (прямой + отраженной) подачи воздуха в факел, причем вдув воздуха при прямой подаче следует производить под углом 30° к оси факела, а при отраженной - 90°. Установлено, что для получения качественного факела (без просветов и обогащенных жидкостью периферийных зон) необходимо гарантированное взаимодействие воздушных струй с периферийными зонами, что может бьггь обеспечено за счет придания воздушным соплам прямой подачи прямоугольной или серповидной формы и обеспечения соосности сопел отраженной подачи.

б)

-. —■ — ^

Рис.1 Конструктивные схемы аппаратов для нанесения ЛКМ

а - аппарат БВР, б - аппарат КР 123456- блок подготовки воздуха

насос высокого давления емкость с ЛКМ краскораспы л ите л ь фильтр грубой очистки ЛКМ фильтр тонкой очистки ЛКМ

Обоснована важность применения в конструкции краскораспылителя приспособления для быстрой прочистки форсунки и устройства для предохранения пневмосистемы аппарата от просачивания в нее ЛКМ, что может иметь место при засорении форсунки. Показано, что нет необходимости в синхронизации подачи воздуха в головку краскораспылителя с нажатием на курок, т.к. это помогает избежать забивания воздушных сопел пленкой ЛКМ.

В четвертой главе освещена разработка математической модели факела ЛКМ. Описаны физические процессы, предложена система уравнений, описывающих течение. В частности, учтены такие специфические аспекты задачи, как длительность процесса деформации жидких частиц, дробление частиц крупной фракции.

При составлении системы уравнений использованы следующие допущения:

1. Поток является двухмерным (большинство ныне существующих краскораспылителей дают плоский веерообразный факел аэрозоля).

2. Газ считается нетеплопроводным и невязким. Вязкость учитывается только при воздействии фаз друг на друга. Теплообмен между фазами отсутствует.

3. Дисперсная фаза рассматривается как состоящая из крупной и мелкой фракций, размер частиц внутри каждой фракции одинаков. В соответствии с этой трактовкой, каждую фракцию можно рассматривать как самостоятельную фазу (в математическом смысле), и все течение, таким образом, рассматривается как трехфазное. Далее по тексту индексом 1 обозначены величины, относящиеся к газовой фазе, индексом 2- к мелкодисперсной фазе, индексом 3- к крупнодисперсной.

4. Частицы крупной фракции могут дробиться до размеров мелкой фракции. Других межфазных превращений (коагуляция, конденсация, испарение) не существует.

5. Фракции дисперсной фазы, являющиеся дискретными компонентами потока, заменяются фиктивными непрерывными составляющими. Доля объема смеси, занятая к-й фазой, характеризуется величиной ее

объемного содержания (р% (к=1,2,3). Каждой точке смеси соответствуют

приведенные плотности фаз рк, характеризующие их массы в единице объема смеси, и истинные плотности фаз р"», характеризующие плотности веществ, их составляющих: р\ = рк /<рк. Объемное содержание дисперсной фазы определяется объемом одной частицы ву и числом частиц пк в единице объема смеси: <рк = вкпк. При вычислении объема частица считается сферой (вк = п!к /6).

Система уравнений выглядит следующим образом:

1) Уравнения неразрывности:

% + ) = 0; а

Фг а

д1 а

Ф}+сНу(р3Щ)=Х

2) Уравнения движения:

а ах

а ¿у

3) Уравнение энергии: а

+ 1)-р^\У г - р^ъ =0.

В этой системе приняты следующие обозначения: IV к -вектор скорости к-й фазы;

ик,Ук -компоненты вектора №к в направлении X и У соответственно; Р1 -давление газа;

У*,,/*,, -компоненты вектора силы/к, действующей со стороны газовой

фазы на к-ю фракцию дисперсной фазы. Ек = Кк + -1 к -удельная полная энергия к-й фазы; Кк = 1Ук / 2 -удельная кинетическая энергия к-й фазы; Jk = С,,кТк -удельная внутренняя энергия к-й фазы; Су- теплоемкость к-й фазы (для газовой фазы - теплоемкость при

постоянном объеме); Тц - абсолютная температура фазы; £ -ускорение свободного падения.

Сила /2 определяется по формуле

Л = Ж/22и2А"С2|Ж! - -IV2)/8,

в которой с12 -размер частицы мелкой фракции аэрозоля,

С2 -коэффициент ее аэродинамического сопротивления, При его расчете учитывается, что деформирование частицы происходит в течении некоторого промежутка времени.

Соотношения, описывающие крупнодисперсную фазу (к=3), выглядят аналогично соотношениям для мелкодисперсной фазы (к=2). с/р3

X - —:— -скорость перехода крупной фракции в мелкую. ш

Давление Д определяется из соотношения

Л =

у -показатель адиабаты газа.

Для решения приведенной системы уравнений на базе метода «Крупных частиц» разработан специальный метод расчета, в котором учтены особенности рассматриваемой задачи.

Обоснована целесообразность сочетания при расчетах параметров жидкой фазы разностных схем первого и второго порядка точности, что позволяет избежать «размазывания» структуры факела и подавить осцилляции, которые имеют место в случае применения, соответственно, первого и второго вида разностных схем (рис. 2). Для расчета газовой фазы применялись схемы только первого порядка.

Рис. 2 Влияние порядка применяемой разностной схемы.

а- точное решение;

б- решение, полученное по схеме первого порядка;

в- решение, полученное по схеме второго порядка

При постановке численного эксперимента исследовались параметры внутри области АВСО, соответствующие одной из половин факела (рис.3). Для дискретизации расчетной области, размеры которой близки к размерам всего факела - около 350 мм, приходилось применять достаточно крупную сетку (размеры ячейки порядка 16x16 мм). Структуру потоков жидкой фазы в факеле при этом рассмотреть невозможно, поскольку сетка оказывается слишком грубой. Измельчение же сетки приводит к многократному увеличению времени счета. Поэтому при

а)

б)

в)

С

Рис. 3. Расчетная область для постановки численного эксперимента

исследовании общих закономерностей течения применялась крупная сетка, а при изучении распределения потока жидкой фазы аэрозоля (и, таким образом, характера отпечатка) расчетная область ограничивалась начальным участком течения, где производится вдув воздуха, поскольку качество факела определяется, в основном, распыляемостью его краевой зоны. В этом случае применялась более мелкая сетка, что позволяло более точно моделировать условия подачи воздуха. При этом предполагалось, что характер поперечных профилей расхода (потока) дисперсной фазы, который определяет свойства отпечатка, изменяется незначительно по длине факела (сечения а и б рис. 4).

б

а

Рис.4 Профили расхода дисперсной фазы в факеле ЛКМ при БВР на начальном и конечном участках.

В обоих случаях факел ориентировался таким образом, что плоскость симметрии АО проходила вдоль диагонали расчетных ячеек. Указанная особенность связана с тем, что при таком расположении вектор скорости частиц дисперсной фазы на периферии факела оказывается направленным близко к одному из направлений X или У, что позволяет избежать "размазывания" структуры факела без измельчения ячеек и тем самым сократить время расчетов.

Разработанный метод расчета использовался при выявлении закономерностей течения факела и оптимизации конструкции распылительного устройства.

В пятой главе освещено исследование факела ЛКМ посредством математического моделирования.

С помощью расчетов выявлено, что при распылении материала без подачи воздуха в факел происходит эжектирование воздуха из окружающей среды внутрь факела. Вблизи окрашиваемой поверхности формируется пограничный слой, где происходит торможение воздуха и его разворот вдоль обдуваемой плоскости.

Воздух, как находящийся в пограничном слое, так и эжектируемый из окружающего пространства, движется перпендикулярно оси факела (обозначено стрелками на рис.5), поэтому капли аэрозоля тормозятся, передавая собственное количество движения воздуху. Периферийных зон эжекционные потоки не ликвидируют. Таким образом, для уменьшения туманообразования необходимо устранить эжекцию воздуха из окружающего пространства и сообщить жидкой фазе потока дополнительную скорость для прохождения сквозь пограничный слой, что осуществляется при подаче воздушных струй в факел.

Основным вопросом является определение размеров воздушных сопел, их расположения и направления подачи воздушных струй, при которых обеспечивается функционирование краскораспылителя в широком диапазоне условий. Для определения этих параметров и определения зависимости от них характера отпечатка была проведена серия численных экспериментов.

Рис. 5. Схема потоков воздуха пои БВР вблизи окоашенной поверхности

При моделировании в качестве распыляемого материала рассматривалась

жидкость со следующими параметрами:

коэффициент поверхностного натяжения о=0.05 Н/м,

плотность р=1000 кг/м3,

вязкость по В3-4=35с.

Эти параметры являются осредненными значениями соответствующих характеристик, свойственных наиболее широко применяемым в судостроении ЛКМ. Изменяя какой-либо параметр распыления при сохранении остальных постоянными, можно определить степень его влияния на процесс и оценить оптимальные значения. В качестве критериев оптимальности выступают характеристики факела, в первую очередь плотность отпечатка, а также скорость и направление воздушных потоков.

В результате численных экспериментов выявлено следующее:

1. Оптимальный размер воздушных сопел составляет 0,5 мм. Этого достаточно для успешной ликвидации краевых зон. Уменьшать сопла нецелесообразно, поскольку в этом случае не всегда удается получить достаточно равномерный отпечаток из-за недостаточного воздействия воздуха на капли. Увеличение отверстий повышает количество вносимого воздуха, делает аэрозоль более подвижным.

2. Оптимальное значение угла подачи воздушных струй при прямой подаче составляет около 30°. Уменьшение угла вдува ухудшает распределение плотности отпечатка, увеличение угла значительного улучшения качества отпечатка не приносит.

3. Воздушные сопла следует располагать по возможности ближе к форсунке, поскольку при этом уменьшается неравномерность плотности отпечатка.

4. Сопла отраженной подачи следует размещать таким образом, чтобы обеспечить вдув воздуха в периферийные зоны факела. В этом случае воздействие воздушных струй оказывается более эффективным и позволяет с их помощью управлять шириной факела. Кроме того, такое расположение повышает скорость воздуха в краевых зонах факела по сравнению с центральным. Таким образом, медленно движущиеся

капли периферийной зоны получают дополнительное количество движения для прохождения через пограничный слой, что уменьшает потери.

5. Степень воздействия воздуха на факел зависит также от производительности: чем она выше, тем слабее воздействие. Определяющим фактором здесь является скорость истечения жидкости. При изменение производительности за счет геометрических размеров форсунки изменения в факеле не столь существенны. Важно заметить, что верхний предел скорости истечения, при котором возможна эффективная ликвидация краевых зон, выше при периферийном расположении сопел отраженной подачи, чем при центральном.

6. Вязкость распыляемой жидкости, согласно проведенным расчетам, не оказывает прямого воздействия на качество факела. С другой стороны, разбавление ЛКМ снижает поверхностное натяжение жидкости, а с уменьшением поверхностного натяжения влияние воздуха на факел усиливается.

7. Повышение давления в воздушной головке усиливает воздействие воздуха на факел. В то же время, при этом возрастает плотность воздуха в пограничном слое возле окрашиваемой поверхности и его воздействие на капли, что активизирует их унос от окрашиваемой поверхности. На рис. 6 показано распределение плотности воздуха вдоль оси факела, а на рис. 7- искривление -его границы (обозначена пунктиром) при повышении давления за счет воздействия пограничного слоя.

/э,кг/м

1.26Е+00

1.24Е+00

1.22Е+00

1.20Е+00

1.18Е+00

1.16Е+00

1.14Е+00

Рис.6. Распределение плотности воздуха вдоль оси факела.

-о-БВР -л-2атм -о-Затм -*-1 атм

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Рис.7. Схема течения при различном давлении в воздушной головке.

В шестой главе предлагается метод определения технологических режимов окрашивания методом КР.

Режим окрашивания определяется вязкостью ЛКМ, типоразмером применяемой форсунки, давлением ЛКМ в гидросистеме аппарата и давлением воздуха в головке краскораспылителя.

Вязкость ЛКМ назначается в соответствии с нормативной документацией.

Типоразмер применяемой форсунки определяется условиями применения. При этом учитываются особенности окрашиваемой поверхности, вид применяемого ЛКМ, его вязкость, степень перетира компонентов.

Давление в гидросистеме аппарата должно быть таким, чтобы обеспечить требуемую скорость истечения и, как следствие, нужную дисперсность получаемого аэрозоля. При этом необходимо учитывать потери давления ЛКМ в шлангах.

Давление воздуха в головке краскораспылителя назначается таким, чтобы обеспечить ликвидацию краевых зон и минимальный унос капель из факела. Для его количественного определения рассчитывается суммарный поток фракций жидкой фазы в направлении от оси факела через некоторую контрольную поверхность, ей параллельную (рис.8):

¡{р2ИГЯ2 + ръШ„ъ)с!{АВ) пип

АВ

Здесь - Им проекция вектора скорости ¡-й фракции на нормаль к оси факела. В настоящей работе для определения параметров потока использовалась разработанная математическая модель факела. Интегралы при расчете потерь материала брались численно, методом прямоугольников.

При определении необходимого давления воздуха также следует учитывать потери в шлангах.

А

Рис. 8. Расположение контрольной поверхности при оптимизации технологических режимов

В седьмой главе проведен технико - экономический анализ внедрения аппаратов КР вместо БВР. Основным фактором, обусловливающим снижение затрат при окрашивании изделий, представляется снижение потерь ЛКМ. Иные факторы, такие как уменьшение воздействия на окружающую среду, улучшение условий труда плохо поддаются учету, и их невозможно представить количественно при расчете экономической эффективности.

Расчеты показывают, что при интенсивной эксплуатации аппарата годовой экономический эффект составляет около 40000 рублей на 1 аппарат, т.е. новый аппарат окупается меньше, чем за 1 год.

Заключение

В результате исследований были решены следующие проблемы, связанные с внедрением метода окрашивания КР:

1. Определены критерии, обусловливающие направления развития технологий нанесения лакокраксочных покрытий, оценена перспективность использования различных способов окрашивания в судостроении. Выявлены пути модернизации окрасочного оборудования.

2. Выполнены экспериментальные исследования технологии окрашивания с помощью метода КР в лабораторных условиях. Результаты использовались в качестве входных параметров при численном исследовании факела, а также для проверки данных, полученных с помощью расчетов.

3. Проведен анализ физических процессов, происходящих при образовании и течении факела ЛКМ, предложена его математическая модель, на основе которой разработан численный метод расчета, учитывающий специфику задачи о течении факела. Для практической реализации указанного метода создана программа для ЭВМ. Выполнение тестовых задач показало достаточно точное совпадение расчетных и экспериментальных результатов.

4. С помощью разработанного численного метода проведено исследование зависимости характеристик факела от условий распыления и свойств распыляемых материалов.

5. На основании результатов численных и экспериментальных исследований выработаны практические рекомендации по проектированию распылительного устройства KP, такие как место подачи воздушных струй в факел и их направление, размер воздушных сопел, необходимость в некоторых конструктивных элементах, что было использовано в конструкции пистолета - краскораспылителя окрасочного аппарата. Разработанный аппарат прошел опытную эксплуатацию на ГУП "Адмиралтейские Верфи", которая подтвердила правильность принятых технических решений. Кроме этого, аппарат испытан при ремонте вагонов электропоездов, что позволяет говорить о распространении рынка сбыта разработанного изделия на другие отрасли народного хозяйства.

6. На базе разработанного метода расчета предложен способ оптимизации технологических режимов окрашивания изделий, что позволяет добиваться минимальных потерь ЛКМ в сочетании с высоким качеством наносимого покрытия.

7. Проведенный технико - экономический анализ показал эффективность внедрения аппаратуры KP на предприятиях. Прогнозируемый экономический эффект от внедрения одного аппарата составляет около 40 ООО руб. в ценах 2000г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.B. Попов. Окрашивание судов: модернизация оборудования (из иностранного опыта). Сборник ЛОП НТОС им. акад. А.Н. Крылова, 1998 №28 ч.2, с. 109-120.

2. A.B. Попов. Математическая модель факела лакокрасочного материала Вестник молодых ученых, 1998, №1, с.35-39.

3. A.B. Попов, В.Ю. Григорьев. Математическая модель факела

лакокрасочного материала. Сборник ПОП НТОС им. акад. А.Н. Крылова, 1999 №29 ч.З, с.184-195.

А. A.B. Попов, В.Ю. Григорьев. Метод расчета факела лакокрасочного материала. Сборник ЛОП НТОС им. акад. А.Н. Крылова, 1999 №29 ч.З, с. 196-202.

5. A.B. Попов. О некоторых результатах исследования факела лакокрасочного материала с помощью математического моделирования. С.Петербург, ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова, ДР-№3755 от 25.05.2000г

Введение.

1. Современное состояние проблемы нанесения лакокрасочных материалов на изделия.

1.1 Требования к окрасочной аппаратуре, применяемой при. постройке и ремонте судов.

1.2 Анализ основных методов нанесения лакокрасочных материалов.

1.3 Выбор метода нанесения лакокрасочных материалов, оценка уровня его развития и пути модернизации.

1.4 Выводы, постановка задач исследования.

2. Объекты и методика исследования.

3. Экспериментальные исследования.

4. Разработка математической модели факела лакокрасочного материала.

4.1 Описание процессов в факеле лакокрасочного материала.

4.2 Построение расчетной модели факела.

4.3 Метод расчета.

4.4 Постановка численного эксперимента.

5. Исследование процесса комбинированного распыления с помощью математической модели.

5.1 Общая картина течения факела.

5.2 Оптимизация параметров распылительного устройства.

5.3 Исследование влияния технологических параметров процесса комбинированного распыления на свойства факела лакокрасочного материала.

6. Метод определения технологических режимов окрашивания методом комбинированного распыления.

7. Технико - экономический анализ внедрения окрасочной аппаратуры комбинированного распыления.

Принципы современного судостроения и судоремонта требуют от лакокрасочных покрытий обеспечения надежной защиты изделий от коррозии в течение всего срока их междоковой эксплуатации и, соответственно, высокого качества окрашивания при ускоренных темпах постройки. Это обусловливает стремление к применению прогрессивных видов лакокрасочных материалов (ЛКМ), эффективных методов нанесения и, естественно, к усовершенствованию окрасочного оборудования. Направления модернизации окрасочного оборудования определяются в основном двумя факторами: увеличением производительности труда и снижением экологической опасности. Установлено, что при применении современных технологий и средств механизации нанесения ЛКМ производительность труда при окрасочных работах увеличивается в 3-15 раз [1].

В настоящее время процесс нанесения ЛКМ является источником существенного загрязнения окружающей среды, поскольку до сих пор окрашивание в большинстве случаев производится методами распыления (пневматическим, безвоздушным и пр.), при которых от 25 до 50% наносимых материалов в виде красочного тумана выбрасывается в окружающую среду, не осаждаясь на поверхности изделий [2]. Конкурентоспособность производств тесно связана не только с успешным развитием технической и технологической базы, но и с решением экологических проблем, что отвечает ужесточению законодательств ряда государств по охране окружающей среды. Например, в США с 1990 года разрешено применять окрасочные установки с коэффициентом переноса ЛКМ не менее 65%, тогда как у традиционных распылителей он составляет около 25%. Подобные законы существуют также в странах ЕС и других государствах. Нарушение этих законов влечет за собой серьезные денежные санкции, и применение экологически несовершенных технологий становится невыгодным экономически [3,4]. Следовательно, промышленное оборудование, не удовлетворяющее экологическим требованиям, не найдет сбыта на рынке средств производства.

Одновременно со снижением загрязнения окружающей среды использование более современных технологий и окрасочного оборудования обусловливает существенную экономию ЛКМ, что является одним из способов их эффективного использования. При применении новых методов экономия ЛКМ на одну установку может достигать 2-4 тонн в год [5].

Еще одним существенным аспектом является улучшение условий труда. При нанесении покрытий рабочие непосредственно контактируют с ЛКМ через кожные покровы, подвергаются вредному воздействию при вдыхании выделяющихся в воздух паров токсичных растворителей. Исследования, проведенные на ряде предприятий, показывают, что применение более совершенных способов окрашивания снижает загазованность на рабочем месте маляра в 2-4 раза, а в общецеховой зоне - в 10 раз [4].

Приведенные факты свидетельствуют об актуальности разработки новых средств технологического оснащения (СТО) для нанесения лакокрасочных покрытий и позволяют сформулировать цель исследований: повышение эффективности использования ЛКМ и качества наносимых покрытий при соблюдении экологической чистоты судостроительного производства.

Выводы:

1. При течении факела происходит эжектирование воздуха из окружающей среды внутрь потока, а вблизи окрашиваемой поверхности формируется пограничный слой. Вследствие этих явлений происходит торможение частиц аэрозоля. Подача воздушных струй уменьшает эжекцию.

2. Оптимальным способом подачи воздуха в факел является совмещенная подача. Воздушные сопла следует располагать по возможности ближе к форсунке, причем ориентировать их таким образом, чтобы угол между осью факела и направлением струй прямой подачи составлял 30°, а сопла отраженной подачи обеспечивали вдув воздуха в периферийную зону факела. Размер отверстий составляет 0,5 мм.

-993. Вязкость ЛКМ не оказывает прямого влияния на степень воздействия воздушных струй на факел. Большее влияние оказывает поверхностное натяжение распыляемой жидкости. 4. Влияние воздушных струй на факел ослабляется с ростом производительности, причем степень влияния определяется, в основном, скоростью истечения материала. Влияние геометрических размеров форсунки значительно меньше.

6. Метод определения технологических режимов окрашивания методом комбинированного распыления.

Режим нанесения покрытий с помощью КР определяется вязкостью ЖМ, поскольку с этим параметром связано давление ЛКМ в гидросистеме аппарата, типоразмером применяемой форсунки и давлением воздуха в головке краскораспылителя.

Вязкость ЛКМ назначается в соответствии с нормативной документацией.

Типоразмер применяемой форсунки определяется условиями применения. Для окрашивания больших поверхностей рационально использование форсунок, образующих широкий факел и обеспечивающих большой расход наносимого материала. При обработке решетчатых и мелких конструкций целесообразно применять форсунки с узким факелом и пониженной производительностью. В случае окрашивания предметов, сочетающих в себе и те, и другие элементы, следует применять форсунки с широким факелом, но при переходе к узким участкам корректировать ширину факела за счет подачи воздуха с одновременным снижением производительности дросселированием потока ЛКМ.

Минимальный размер форсунки определяется вязкостью применяемого ЛКМ и степенью перетира пигмента в нем. Максимальный размер определяется мощностью блока нагнетания аппарата (максимальной производительностью и развиваемым давлением).

Для обеспечения качества наносимого покрытия, сочетающего высокую адгезию со сплошностью, следует получать аэрозоль с определенной дисперсностью материала. В настоящей работе за оптимальные принимались значения дисперсности, полученные при исследовании БВР [8].

Для получения капель заданного размера необходимо обеспечить заданную скорость истечения жидкости из форсунки, которая, в свою очередь, связана с производительностью и выбранным типоразмером форсунки.

В гл. 4.4 размер капель, получаемых при истечении жидкости из форсунки, определялся исходя из скорости элементарных струек. С учетом того, что при правильной подаче воздуха происходит практически полное превращение крупной фракции материала в мелкую, дисперсность материала во всем потоке будет определяться размером капель, образуемых из материала только центральных струек форсунки.

Поиск требуемого давления ЛКМ происходит в следующем порядке. Задается некоторая производительность через форсунку требуемого типоразмера, рассчитывается размер капель, получаемый при данных условиях распыления. Рассчитанный размер сравнивается с оптимальным, и, в зависимости от результата, задается новая величина производительности, увеличенная или уменьшенная. Описанная процедура повторяется до тех пор, пока расхождение между оптимальной и рассчитанной дисперсностью не уменьшится до заранее заданного предела.

Зная оптимальную производительность и коэффициент расхода форсунки, можно определить требуемое давление ЛКМ в гидросистеме аппарата по известной формуле (2Ф = л]2Рф / р . При расчетах допускается принимать коэффициент расхода форсунки ^=0,66 [8].

При этом необходимо учитывать потери давления в шлангах, величина шл, ¿пщ 1- скорость течения жидкости по шлангу, диаметр шланга и его которых приближенно определяется по формуле АР

Ъ2у1ш длина. Или, с учетом того, что = ()шл / Гшл = Щшл 1{лс12шл) шл ) > потери давления

АР = 1

7Ш1А /илШЛ

По понятным причинам, <Зшл=0ф

Давление, развиваемое насосом, складывается из давления на форсунке и потерь в шланге: Рн=Рф+АР. Потерями в пистолете пренебрегают.

Давление воздуха в головке краскораспылителя назначается таким, чтобы обеспечить разрушение капель крупной фракции жидкости (см. рис. 5.30) при минимальном уносе капель из факела. Для его количественного определения рассчитывается суммарный поток фракций жидкой фазы в направлении от оси факела через некоторую контрольную поверхность, ей параллельную (рис.6.1): р2УУыг + р31¥тЩАВ) тш

АВ

Здесь - проекция вектора скорости ьй фракции на нормаль к оси факела. Процедура оптимизации давления аналогична той, что применялась при поиске дисперсности распыления. В настоящей работе для определения параметров потока использовалась разработанная математическая модель факела. Интегралы при расчете потерь материала брались численно, методом прямоугольников.

При оптимизации необходим также учет потерь давления в воздушном шланге. Экспериментальные кривые потерь давления воздуха, снятые для краскораспылителя разработанной конструкции, показаны на рис. 6.2. Из рисунка следует, что применять шланги с условным диаметром меньше 6мм нецелесообразно по причине больших потерь давления. Применение шлангов с Ду= 6 мм обеспечивает давление воздуха в головке распылителя в пределах рабочего диапазона при давлении в цеховой магистрали около 5 атм. Применять шланги большего диаметра также нецелесообразно, поскольку это уменьшает подвижность 6.1 Расположение контрольной поверхности при оптимизации технологических режимов

-104

Ркон,, атм.

1 2 3 4 5 6

Рис.6.2 Давление в начале и конце шлангов различных диаметров и длины

-о-Ду=4мм, 1=2м -*-Ду=6мм, 1=2м -*-Ду=6мм, !=9м краскораспылителя и, следовательно, отрицательно сказывается на удобстве работы с ним. Ниже приводится пример расчета.

Пример Необходимо разработать режим нанесения эмали ПФ-223 через форсунку С-310. Диаметр проходного сечения шланга подачи ЛКМ б мм, длина шлангов 9 м.

1. Эмаль ПФ-223 наносится при вязкости 40с [8]. Ее плотность составляет 950 кг/м , коэффициент поверхностного натяжения

5,4*10 Н/м.

2. Рекомендуемая для эмали ПФ-223 дисперсность при нанесении составляет 40-60 мкм [8]. Зададим искомую величину дисперсности 50±5 мкм. Рассчитывая размер капель последовательно для производительности 0.7 , 1.0 и 0.9 л/мин, получим, что при производительности 900 г/мин образуются частицы размером 53 мкм.

3. Определим давление, необходимое для обеспечения производительности 900 г/мин (1.5*10"5м3/с) через форсунку С-310.

Площадь эллиптического отверстия форсунки, исходя из его размеров

0,84*0,25 2 0.84x0.25 мм: Рф = 71---= 0,164мм .

Тогда необходимое давление жидкости перед форсункой.

Рф =950*

Г 1.5* Ю-5 ^ У

2 = 9.122М7а

0.66*1.64*10"

4. Потери давления в шланге при указанной производительности и вязкости 40 сек (что сответствует динамической вязкости ц=0.154 Па*с)

128* 0.154* 9* 1.5* Ю-5 АР =---= 0.653М7<я я:0,006

-106

Таким образом, давление, развиваемое насосом, должно равняться Рн=9.122+0.653=9.775МПа.

5. При оптимизации давления в воздушной головке была проведена серия расчетов при давлении 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 атм. Оптимальное значение, обеспечивающее минимум потерь, соответствует 1 атм.

6. Чтобы обеспечить давление 1 атм. в воздушной головке, необходимо обеспечить давление в начале шланга -2,6 атм. (рис. 6.2).

7.Технико-экономический анализ внедрения окрасочной аппаратуры комбинированного распыления.

Необходимым условием успешного выведения на рынок новых средств СТО является достижение экономического эффекта за счет их применения.

Основным фактором, обусловливающим снижение затрат при окрашивании изделий, представляется снижение потерь ЛКМ. Иные факторы, такие как уменьшение воздействия на окружающую среду, улучшение условий труда плохо поддаются учету, и их невозможно представить количественно при расчете экономической эффективности.

Годовой экономический эффект от внедрения комбинированного распыления рассчитывается по формуле: Э=(СгС2)-ЕнК, где

С]- себестоимость годового объема окрасочных работ, производимых базовым методом (в качестве которого фигурирует метод БВР); С2- себестоимость годового объема окрасочных работ, производимых новым методом (метод КР);

Ен=0,15- нормативный коэффициент эффективности; К- капиталовложения (в данном случае - стоимость аппарата).

Величина СгС2=ЛС определяется, как уже сказано, снижением потерь ЛКМ. Другие составляющие себестоимости работ, связанные с затратами на ремонт оборудования, его техническое обслуживание, подготовку персонала и прочие считаются одинаковыми для обоих методов ввиду идентичности конструкции аппаратуры.

Потери при окрашивании БВР составляют приблизительно! 0%, при КР - на 30% меньше. Выигрыш составит, таким образом, 3% от количества распыляемого ЛКМ.

Расход материала через эталонную форсунку краскораспылителя С-310 составляет 1 л/мин (бОл/час). Если принять, что само распыление (имеется в виду время истечения материала из форсунки) занимает примерно половину рабочего времени, то при односменном режиме работы годовой расход материала С2Г составит С)Г=К%%5, где

N =250- число рабочих дней в году,

4 часа- время распыления за одну смену, qч=60л/чac- расход материала через форсунку; 250*4*60=60000 л/год.

Снижение расхода материала за 1 год, таким образом, составит 60000*0,03=1800 л.

Цена 1 литра краски отечественного производства в настоящее время составляет от 10 до 50 руб. Для расчета примем цену 25 руб. Тогда выигрыш в стоимости окрасочных работ за 1 год АС составит:

АС=1800х25=45000руб.

Цена аппарата КР, по результатам проведенных маркетинговых исследований, составляет около 25000 руб.

Годовой экономический эффект составит:

3=45000-0,15*25000=41250 руб.

Таким образом, внедрение аппаратов КР вместо аппаратов БВР оказывается экономически целесообразным. Несложный подсчет показывает, что при интенсивном использовании новый аппарат КР окупается меньше, чем за 1тод

Заключение

В результате исследований были решены следующие проблемы, связанные с внедрением метода окрашивания КР при постройке судов:

1. Определены критерии, обусловливающие направления развития технологий нанесения лакокраксочных покрытий, оценена перспективность использования различных способов окрашивания в судостроении. Выявлены пути модернизации окрасочного оборудования.

2. Выполнены экспериментальные исследования технологии окрашивания с помощью метода КР в лабораторных условиях. Результаты использовались в качестве входных параметров при численном исследовании факела, а также для проверки данных, полученных с помощью расчетов.

3. Проведен анализ физических процессов, происходящих при образовании и течении факела ЛКМ, предложена его математическая модель, на основе которой разработан численный метод расчета, учитывающий специфику задачи о течении факела. Для практической реализации указанного метода написана программа для ЭВМ. Выполнение тестовых задач показало достаточно точное совпадение расчетных и экспериментальных результатов.

4. С помощью разработанного численного метода проведено исследование зависимости характеристик факела от условий распыления и свойств распыляемых материалов.

5. На основании результатов численных и экспериментальных исследований выработаны практические рекомендации по проектированию распылительного устройства КР, такие как место подачи воздушных струй в факел и их направление, размер воздушных сопел, необходимость в некоторых конструктивных элементах, что v было использовано в конструкции пистолета - краскораспылителя

-110окрасочного аппарата. Разработанный аппарат прошел опытную эксплуатацию на ГУЛ "Адмиралтейские Верфи", которая подтвердила правильность принятых технических решений. Кроме этого, аппарат испытан при ремонте вагонов электропоездов, что позволяет говорить о распространении рынка сбыта разработанного изделия на другие отрасли народного хозяйства.

6. На базе разработанного метода расчета предложен способ оптимизации технологических режимов окрашивания изделий, что позволяет добиваться минимальных потерь ЛКМ в сочетании с высоким качеством наносимого покрытия.

7. Проведенный технико - экономический анализ показал эффективность внедрения аппаратуры КР на предприятиях. Прогнозируемый экономический эффект от внедрения одного аппарата составляет около 40'000 руб. в ценах 2000г.

1. Вестник молодых ученых, 1/1998, стр. 35-39.

2. Лакокрасочные материалы и их применение, 2/1993, стр. 22-24.

3. Лакокрасочные материалы и их применение, 5/1991, стр. 39-42.

4. Finishing, 9/1992, стр24-28.

5. Лакокрасочные материалы и их применение, 5/1992, стр. 31-33.

6. Е. Искра, А. Луковский. Технология окрашивания судов. Ленинград, "Судостроение", 1988.

7. В. Болотин. Исследование и разработка метода окраски судов безвоздушным распыливанием. Канд. дисс. ЦНИИ ТС, 1971.

8. А. Яковлев. Химия и технология лакокрасочных покрытий. Ленинград, "Химия", 1981.

9. А. Яковлев, В. Евстигнеев, П. Гисин. Оборудование для получения лакокрасочных покрытий. Ленинград, "Химия", 1982.11 .Р. Ламбурн. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика. С.-Петербург, "Химия", 1991.

10. Д. Пажи, В. Галустов. Основы техники распыливания жидкостей. Москва, "Химия", 1984.

11. Лакокрасочные материалы и их применение, 2-3/1999, стр. 30-33.

12. Лакокрасочные материалы и их применение, 11/1999, стр. 24-25.

13. Лакокрасочные материалы и их применение, 7/2000, стр. 18-20.

14. Pigment and resin technology, 3/1992, стр.15.17. Проспект фирмы "Wagner".

15. Pigment and resin technology, 6/1992, стр 20.

16. Finishing, 8/1992, стр.30.

17. Сборник ЛОП НТОС им. акад. А.Н. Крылова, 1998, вып. 28 ч.П, стр.109-120.21. Проспект фирмы "Graco".

18. Pigment and resin technology, 5/1992, стр.21.

19. Исследование диспергирования лакокрасочных материалов аппаратом "Луч-2" и разработка технических требований к устройству для формирования защитного воздушного колпака. Отчет. С.-Петербург, СПбГТУРП, 1993.

20. В. Бородин, Ю. Дитякин, Л. Клячко, В. Ягодкин. Распыливание жидкостей. Москва, "Машиностроение", 1967.

21. Лакокрасочные материалы и их применение, 2/1991, стр. 40-43

22. А. Мудров. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск, "МПРаско", 1992.

23. Н. Шаманов, А. Дядик, А. Лабинский. Двухфазные струйные аппараты. Ленинград, "Судостроение", 1989.

24. М. Дейч, Г. Филиппов. Газодинамика двухфазных сред. Москва, "Энергоиздат", 1981.

25. Сборник ЛОП НТОС им. акад. А.Н. Крылова, 1999, вып. 29 ч.Ш, стр. 196-202.

26. О. Белоцерковский, Ю. Давыдов. Метод крупных частиц в газовой динамике. Москва, "Наука", 1982.

27. Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. Москва, "Мир", 1990.

28. УТВЕРЖДАЮ . Заместитель главного'инженера, начальник ИЦ ГУЛ «Адмиралтейские аерфн»1. Сурков О Л.-Акт . ' ;;испытаний аппарата комбинировалиого распыления в прокзводственнмх условиях

29. Составлен на ГУЛ «Адмиралтейские верфи» Санкт-Петербург ' Я? С*Т&Щ>Х 1999 г

30. В результате испытаний установлено:

31. Образец аппарата КР показал себя работоспособным, функциональные возможности я показатели назначения его соответствуют исходным требованиям и техническому заданию. . .

32. Окрасочный аппарат обеспечивает качество лакокрасочных покрытий.

33. В процессе эксплуатации выявлены следующие недостатки

34. Длительное время всасывания плунжерным насосом материала нз расходное емкости.

35. Нечеткая работа пневмопривода пз-за перекрытия воздуганогокаиала в системе пвеанораспределенпя. . ^^

36. Касается выполнения работ по теме ОКР «Стандарт 4», н/з 34021402-115