автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий в псевдоожиженном слое инертного зернистого теплоносителя

д5,/ » с!а ~ -г / о/}

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Сараев Алексей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ ГУММИРОВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ИНЕРТНОГО ЗЕРНИСТОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

05.14.04- Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Осипов Ю.Р.

Череповец 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................................................4

ОСНОВНЫЕ БЕЗРАЗМЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ.........................................7

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ......................................................................8

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................9

1. НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В РЕЗИНАХ И ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ..........................................................................................................17

1.1. Теория вулканизации............................................................................................17

1.2. Теплообмен между псевдоожиженным слоем и поверхностью..................37

1.3. Тепловые задачи при вулканизации резинометаллических изделий.........55

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ИНЕРТНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ.........72

2.1. Вывод расчетного уравнения для определения коэффициента теплоотдачи.................................................................................................................72

2.2. Описание экспериментальной установки и методика исследований......75

2.3. Влияние некоторых факторов на коэффициент теплоотдачи...............86

2.4. Обработка экспериментальных данных и вывод расчетных формул.....96

3. ПРОГРЕВ МНОГОСЛОЙНЫХ ГУММИРОВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ИНЕРТНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ.......105

3.1. Экспериментальное определение температурных полей........................105

3.2. Методы расчета температурных полей......................................................112

3.3. Расчет температурных полей в многослойных гуммировочных покрытиях при термообработке в псевдоожиженном слое инертного теплоносителя...........................................................................................................114

3.4. Основные закономерности прогрева гуммировочных покрытий в псевдоожиженном слое инертного теплоносителя..........................................133

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ВУЛКАНИЗАЦИИ ГУММИРОВОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ............................148

4.1. Расчет кинетики неизотермической вулканизации гуммировочных

покрытий.....................................................................................................................148

4.2. Выбор оптимальных режимов термообработки гуммировочных покрытий в псевдоожиженном слое инертного теплоносителя...................169

ВЫВОДЫ.................................................................................................173

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................184

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - коэффициент температуропроводности;

апак ~ коэффициент температуропроводности "пакета" частиц теплоносителя;

Ь - расстояние от поверхности теплообмена до первого ряда частиц

теплоносителя; с — концентрация вещества; С - удельная теплоемкость; Сг - теплоемкость газа; Ст - теплоемкость частиц теплоносителя; й - средний диаметр частиц теплоносителя; 2) - эквивалентный диаметр аппарата; Е - эффект вулканизации;

Еюо ~ модуль упругости при 100 %-ном удлинении;

Езоо ~ модуль упругости при 300 %-ном удлинении;

Р - площадь поверхности;

g - ускорение силы тяжести;

к - высота теплообменной поверхности;

Н0 - статическая высота слоя;

/ - интенсивность вулканизации;

1жв ~ эквивалентная интенсивность вулканизации;

к - температурный коэффициент вулканизации;

К - константа скорости химической реакции;

</ - плотность теплового потока;

- мгновенная плотность теплового потока; qг - средняя плотность теплового потока; () - тепловой поток;

г - половина толщины обрабатываемой пластины;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура;

Т0 - начальная температура поверхности;

Тпс - температура псевдоожиженного слоя;

Тя - температура ядра псевдоожиженного слоя;

и - скорость движения частиц;

и' - средняя скорость движения частиц;

U - энергия активации процесса вулканизации;

х, у, z - линейные координаты;

н - набухание;

ф - фактор формы и состояния поверхности частиц теплоносителя;

Ф - дополнительные параметры, определяемые размером и ориентацией поверхности теплообмена;

а - коэффициент теплоотдачи;

ат - мгновенный коэффициент теплоотдачи;

а' - средний коэффициент теплоотдачи;

ссмтс ~ максимальный коэффициент теплоотдачи;

апуз - коэффициент теплоотдачи от газового "пузыря" к поверхности

теплообмена;

осЭфф ~ эффективный коэффициент теплоотдачи;

8г - толщина пограничного слоя газа;

доб - толщина резиновой обкладки;

Sem ~ толщина стальной подложки;

s - порозность псевдоожиженного слоя;

s0 - порозность слоя в неподвижном состоянии;

Sp - относительное удлинение при разрыве;

(рпуз - частота прохождения "пузырей" у поверхности теплообмена;

Л - коэффициент теплопроводности; Лг - коэффициент теплопроводности газа; Лст ~ коэффициент теплопроводности стали; Лт - коэффициент теплопроводности частиц теплоносителя; Лэфф - эффективный коэффициент теплопроводности псевдоожиженно-го слоя;

/и - динамическая вязкость газа; V - кинематическая вязкость газа; О - безразмерная температура; р - плотность;

р0 - плотность статического зернистого слоя; рг - плотность газа; рт - плотность частиц теплоносителя; сг - модуль сдвига;

ст100 - напряжение при 100 %-ном удлинении; огр - предел прочности при разрыве; г - время;

Чак ~~ среднее время соприкосновения "пакетов" с поверхностью теплообмена;

тэкв - эквивалентное время вулканизации; со - линейная скорость газа; 0)вит - скорость витания частиц; 0)кр - критическая скорость; а>опт - оптимальная скорость;

- доля общего времени, в течение которого поверхность теплообмена соприкасалась с "пузырями".

ОСНОВНЫЕ БЕЗРАЗМЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Лг Рт-Рг д

Лг = —---- число Архимеда;

V2 рг

аг

- —— - число Био;

Я

го - — - число Фурье; гг ---- число Фруда;

лг _ А а

1\ — А = - число нестационарного теплообмена,

ЛД С

V т

Рг

тг т

у4=0,137 с1

0,5.

(XII

Ми - —— - число Нуссельта;

л

а

число Прандтля;

сой

ке - — - число Рейнольдса.

V

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

БСК - бутадиен-стирольный каучук;

ДФГ - дифенилгуанидин;

НК - натуральный каучук;

СКБ - синтетический каучук бутадиеновый;

СКД - синтетический каучук бутадиеновый, полученный полимеризацией бутадиена в растворе в присутствии комплексных катализаторов;

СКИ - синтетический каучук изопреновый;

СКМС - синтетический каучук бутадиен-метилстирольный;

СКН - синтетический каучук бутадиен-акрилонитрильный.

ВВЕДЕНИЕ

Гуммирование является эффективным способом защиты металлических поверхностей от разрушающего воздействия окружающей среды. Кроме защиты металлической основы эластомерные покрытия придают поверхности гуммированного объекта уникальные свойства. Резина обладает такими технически полезными свойствами, как стойкость к воздействию агрессивных сред, эластичность, вибростойкость, водо- и газонепроницаемость, тепло- и морозостойкость, электро- и звукоизоляционные свойства и др. Эластомерные покрытия используют для защиты от воздействия агрессивных сред при изготовлении химической аппаратуры, в машиностроительной, автомобильной и авиационной промышленности, а также для покрытия валов в типографских, ситцепечатных и бумажных машинах. Широкое распространение получили такие детали, как различные амортизаторы и демпферы, шланги, подшипники, протекторные кольца и др.

Качество гуммированных деталей машин и аппаратов определяется когезионной прочностью, химической стойкостью гуммировочного покрытия, прочностью крепления покрытия к металлу и т.д.

В последнее время контролю качества гуммировочных покрытий уделяется серьезное внимание, но в основном на завершающей стадии процесса. При такой постановке дела можно лишь констатировать уровень качества уже готовой продукции. Во многих типовых технологических процессах гуммирования еще применяется ручной труд, что приводит к нестабильности качества резинометаллических изделий. Чтобы гарантировать выпуск гуммированной техники в полном соответствии с требуемыми показателями необходимо перейти от инспекции качества готовой продукции к контролю качества отдельных ее элементов и технологиче-

ских процессов на всех этапах производства.

Таким образом, стратегическим направлением совершенствования технологии гуммирования является максимальная механизация и автоматизация технологических операций при наличии оперативной системы контроля и управления производственным процессом, обеспечивающие точное изготовление как гуммировочного покрытия, так и гуммированного объекта в целом.

Применяемые в настоящее время способы крепления резины к металлам можно разделить на две группы [68]:

1) способ холодного крепления, при котором к металлу прикрепляют вулканизованную резину с помощью клея или механическим путем.

2) способ горячего крепления, при котором гуммировочное покрытие вулканизуют непосредственно на металлической основе.

Горячее крепление резины к металлу во многих случаях является более предпочтительным, так как при термообработке достигается высокая адгезионная прочность. В процессе горячего крепления резина присоединяется к металлу либо через промежуточный слой, либо непосредственно. Непосредственно присоединяются к металлу эластомеры, в состав которых введены соли меди, кобальта, железа, а также смолы и другие соединения. В качестве промежуточных слоев при креплении резины к металлам используются эбонит, латунь и различные клеи, обладающие способностью хорошо сцепляться как с металлом, так и с резиной.

Для повышения физико-механических характеристик гуммированных объектов в промышленной практике чаще осуществляется крепление к металлу не однослойных, а многослойных покрытий из различных эластомеров. Сочетание материалов с различными свойствами позволяет обеспечивать надежную работу систем в неблагоприятных условиях окружающей среды, создавать конструкции, сочетающие высокую проч-

ность и жесткость с относительно небольшой массой, хорошими тепло-, электро-, звукоизоляционными свойствами, стойкостью к воздействию агрессивных сред и т.д.

Эластомеры благодаря особому строению молекул представляют класс веществ, у которых возможно сочетание достаточной когезионной прочности со способностью к коалесценции (слиянию) [38]. Для коалес-ценции двух слоев эластомера одного контакта недостаточно, так как должно произойти протекающее во времени восстановление в зоне контакта структуры высокомолекулярного вещества, т.е. переплетение цепей эластомера, характерное для любого участка в объеме. Восстановление структуры эластомера в зоне контакта происходит за счет перемещения (диффузии) молекул. Перемещение молекул в целом особенно легко происходит, когда контакт слоев эластомера осуществляется при температуре лежащей выше температуры течения эластомера. В результате диффузии макромолекул и их сегментов между приведенными в контакт слоями эластомера создается прочная связь.

Механизм адгезии при креплении слоев эластомера друг к другу и всей обкладки к металлу в процессе вулканизации имеет свою особенность. Она состоит в том, что процесс взаимопроникновения молекулярных цепей обрывается накладывающимся на него процессом образования поперечных химических связей между макромолекулами. Это приводит к образованию прочного соединения, значительно превышающего по прочности связи при расслоении невулканизованные склейки, в которых молекулы закреплены более слабыми межмолекулярными связями.

Вулканизация покрытий - завершающий и наиболее ответственный этап во всем цикле работ по гуммированию, один из самых трудоемких и энергоемких процессов гуммировочного производства, - является решающим фактором формирования свойств готового изделия. Вулканиза-

ционные процессы должны способствовать достижению оптимальных антикоррозионных и деформационно-прочностных свойств гуммировочных покрытий, прочности связи обкладок с подложками, химической стойкости к воздействию различных агрессивных сред при повышенных температурах и давлениях, водо- и газонепроницаемости, устойчивости к истиранию, а также способствовать сохранению точности геометрических параметров гуммированных деталей и оборудования. При вулканизации обкладок гуммированных объектов необходимо обеспечить такое распределение и изменение температуры во времени, при котором в минимальный срок для данного типа обкладки, применяемых материалов и рецептур эластомеров формируется наилучшее сочетание основных свойств готового покрытия металлической конструкции. Эти требования можно обеспечить выбором оптимального режима термообработки.

Комплекс технически полезных свойств, приобретаемый эластомер-ным покрытием в процессе термообработки, характеризуется степенью вулканизации. Для выбора оптимального режима термообработки, а также для текущего контроля качества гуммировочного покрытия, необходимо располагать данными об изменении распределения степени вулканизации в объеме резиновой обкладки по ходу процесса. Степень вулканизации, получаемая резиной за заданный временной интервал термообработки, определяется скоростью образования поперечных химических связей между макромолекулами эластомера или скоростью вулканизации. Скорость вулканизации зависит от температуры и степени вулканизации. Поскольку часть процесса вулканизации многослойных гуммировочных покрытий проходит при непрерывном возрастании температуры, важным аспектом проблемы поиска оптимальных режимов вулканизации является задача установления основных закономерностей прогрева покрытий и определения степени вулканизации, получаемой резиной при нестационарном теп-

ловом процессе.

Степень вулканизации используется для унификации многочисленных критериев оценки качества гуммировочных покрытий. Под степенью вулканизации может пониматься уровень одного основного свойства, или сочетание ряда свойств, или содержание вулканизующего агента (серы). Кроме этого качество гуммировочного покрытия во многом зависит от равномерности распределения достигнутых при вулканизации свойств в объеме эластомерной обкладки. Поскольку равномерность вулканизации непосредственно связана с нестационарным тепловым процессом, - эта конкретная характеристика готового покрытия выбрана в качестве критерия для оптимизации режима термообработки.

Режимы термообработки резинометаллических объектов устанавливаются в настоящее время в основном экспериментально - по результатам лабораторных и стендовых испытаний или путем замера температуры в изделии и последующего определения длительности вулканизации [66]. Экспериментальное определение режимов термообработки требует больших затрат времени, материалов и отличается крайне низкой воспроизводимостью вследствие большого разброса технологических параметров и данных по замерам температур. Разработка и внедрение расчетных методов определения тепловых режимов вулканизации позволит интенсифицировать и оптимизировать процесс с сохранением высокого качества гуммированной продукции.

В производстве резинометаллических деталей наиболее широко распространен способ термообработки в вулканизационных прессах, а для гуммирования химической аппаратуры применяют вулканизационные котлы. Эти агрегаты обладают рядом недостатков, главными из которых являются [3, 21, 107]:

1) большие габариты;

2) высокие энергетические затраты при низкой производительности;

3) металлоемкость и сложность эксплуатации;

4) периодичность процесса термообработки;

5) трудность механизации и автоматизации технологического процесса (главным образом операций по загрузке и выгрузке изделий).

В последнее время предлагаются способы интенсификации процесса термообработки, основанные на использовании новых видов теплоносителя: замена воздуха на пар, псевдоожиженный слой, растворы солей [68]. Из перечисленных теплоносителей псевдоожиженный слой отличает высокая интенсивность теплоотдачи к обрабатываемой поверхности.

Псевдоожижение зернистого материала восходящим потоком газа или жидкости, как технологический прием, за последние полвека получило широкое распространение в самых различных областях техники. Это обусловлено следующими обстоятельствами [96]:

1. Взвешенные в потоке частицы расходятся друг от друга, снижая при этом гидравлическое сопротивление аппарата, что приводит к саморегулированию и поддержанию постоянства потери напора при изменении скорости потока. При этом потеря напора остается равной весу слоя независимо от размера составляющих его зерен.

2. Интенсивное перемешивание подвижной, обладающей большой объемной теплоемкостью, твердой фазы приводит к выравниванию темпера