автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование обогреваемого транспортирующего цилиндра с жидкостным наполнителем

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТРАНСПОРТИРУЮЩИЕ ЦИЛИНДРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ, СПОСОБЫ НАГРЕВА, МЕСТО В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ.

1.1. Назначение обогреваемых транспортирующих цилинд-ров(ТЦ).

1.2. Классификация и конструктивно-технологические решения современных ТЦ.

1.3. Способы передачи тепла от технологической поверхности к нити.

1.3.1. Контактные устройства для нагрева нити.^

1.3.2. Бесконтактные устройства для нагрева нити.

1.4. Физико-механические характеристики химических нитей и волокон - важнейший фактор при разработке ТЦ.

1.5. Постановка задачи.^

2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЦ БЕЗ ЖИД КОСТНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ.

2.1. Математическое описание ТЦ на базе метода сосредоточенных элементов.

2.2. Экспериментальное исследование тепловых процессов в

ТЦ без жидкостного наполнителя.

2.3. Проверка адекватности математической модели.

2.4. Уточнение математической модели транспортирующего цилиндра.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕГО ЦИЛИНДРА С ЖИДКОСТНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ.

3.1. Математическое описание цилиндра с жидкостным наполнителем на базе метода сосредоточенных элементов.

3.2. Конечно-разностный вариант модели цилиндра.

3.3. Блок-схема программы и ее особенности.

3.4. Выбор шага счета.

4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ С ЖИДКОСТНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ.

4.1. Анализ характера температурного поля в цилиндре с жидкостным наполнителем.

4.2. Соображения по выбору конструкции жидкостной полости.

4.3. Выбор оптимального конструктивного решения цилиндра. Ю

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОЗДАНИЮ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ТРАНСПОРТИРУЮЩЕГО ЦИЛИНДРА С ЖИДКОСТНЫМ

НАПОЛНИТЕЛЕМ. ПО

5.1. Конструкция макета цилиндра. Л

5.2. Структура испытательного стенда.

5.3. Система контроля параметров температурного режима

Развитие производства химических волокон и волокнистых материалов бытового, технического и других назначений ставит все новые задачи в области совершенствования существующих и создание принципиально новых технологических процессов, обеспечивающих повышение качества, производительности и создание материалов с новым комплексом свойств.

Во многих странах ведутся широкие технологические исследования в области химических волокон, что позволило усовершенствовать существующие и создать новые технологические процессы, повысить качественные показатели волокон.

В настоящее время большая часть химических волокон и нитей производится методом формования из расплавов на основе полимеров. По сравнению с процессами формования из растворов полимеров этот процесс является наиболее производительным и экономичным. Для его проведения не требуется применения вспомогательных технологических жидкостей (растворителей, осадителей) и, соответственно, отпадает необходимость в их регенерации, что обусловливает его безвредность в экологическом аспекте.

Техническое перевооружение отрасли по производству химических волокон требует, наряду с разработкой передовой технологии, расширения масштабов работ по созданию высокопроизводительного оборудования.

Технический уровень оборудования закладывается на стадии требований к его созданию, то есть определяется особенностями технологического процесса, для которого заказывается данное оборудование, При этом существенную роль играют теоретические расчеты, прогнозирующие совокупность показателей создаваемого оборудования в расчетных и реальных условиях и осуществляемые с применением математического моделирования, основанного на теоретических и экспериментальных данных.

Важную роль во многих областях науки и техники играют процессы теплопереноса, определяющие качество технологических процессов. В частности, в производстве химических волокон существует ряд важных технологических процессов (формование, вытягивание, текстурирование синтетических нитей), в которых качество продукции принципиально зависит от тепловых режимов. При этом огромное значение имеет равномерность температурного поля, обеспечиваемая обогреваемыми вытяжными цилиндрами. Наиболее распространенные индукционно обогреваемые цилиндры, к сожалению, не обеспечивают необходимой равномерности температуры вдоль рабочей поверхности. Этого основного недостатка лишены индукционно обогреваемые транспортирующие цилиндры с жидкостным наполнителем, обеспечивающие выполнение технологических требований к температурным характеристикам ТЦ. Однако методика по конструированию таких цилиндров в большинстве случаев в проектных организациях отсутствует.

В связи с этим задачу по разработке и исследованию отечественных обогревающих транспортирующих цилиндров с жидкостным наполнителем можно считать актуальной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации даны обзор и классификация основных обогревающих устройств для термообработки синтетических нитей. На основе такой классификации обогревающие устройства делятся по способу передачи тепла от источника нагрева к рабочей поверхности и по способу передачи тепла от рабочей поверхности к нити. Показаны преимущества индукционно обогреваемых транспортирующих цилиндров с жидкостным наполнителем. Такие цилиндры обеспечивают необходимую по технологическим требованиям равномерность температуры вдоль рабочей поверхности.

2. Разработана математическая модель тепловых процессов в цилиндре с жидкостным наполнителем с учетом процессов испарения и конденсации. Правильность подхода к построению модели подтверждена экспериментальными данными на примере ТЦ без жидкостного наполнителя.

3. Создано алгоритмическое и программное обеспечение численного моделирования тепловых процессов в транспортирующем цилиндре с жидкостным наполнителем. Отличительной особенностью программы является использование автоматического выбора шага счета в зависимости от условий теплообмена. Это позволяет существенно ускорить вычислительный процесс без потери счетной устойчивости.

4. Проведено исследование теплофизических характеристик индукционно обогреваемого цилиндра с жидкостным наполнителем. Определена зависимость характера температурного поля от следующих характеристик ТЦ:

• соотношения выделения активной энергии в теле цилиндра и его крышке;

• коэффициента оребрения;

• степени заполнения парожидкостной полости жидкостью;

• типа жидкостного наполнителя.

5. На основании результатов численного моделирования определено оптимальное конструктивное решение цилиндра. Рассмотрены различные варианты формы жидкостной полости. Наиболее перспективным оказался вариант конструкции полости с оребрением крышки цилиндра и непосредственным тепловым контактом ребер с телом цилиндра. При такой форме жидкостной полости неравномерность температурного поля вдоль рабочей зоны цилиндра по результатам моделирования составила 1,9 °С.

6. Выработаны рекомендации по макетированию цилиндра с жидкостным наполнителем и созданию экспериментального стенда.

1. Зазулина З.А., Конкин A.A. Основы технологии химических волокон. М., Химия, 1969, с.344.

2. Фишман К.Е., Хрузин H.A. Производство волокна капрон. М., Химия, 1976, с.310.

3. Рабкин Р.Л. Устройства для нагрева синтетических нитей в процессе ориентационного вытягивания (обзор). М., 1976, с.4-8.

4. Богдан М.В. Разработка и исследование контактных нагревательных устройств в машинах для вытягивания капроновых технических нитей. Кандидатская диссертация. ЛИТЛП им. С.М.Кирова, 1984, с. 184.

5. Локшина С.И., Рабкин Р.Л. Индукционный нагрев вытяжных цилиндров с токопроводящими кольцами. Химические волокна, №1, 1982, с.32-34.

6. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. М., Энергия, 1965, с.552.

7. Лозинский М.Г. Промышленное применение индукционного нагрева. М., Издательство АН СССР, 1958, с.472.

8. Родигин Н.М. Индукционный нагрев стальных изделий. Свердловск, Металлургиздат, 1950, с.246.

9. Простяков A.A. Индукционные нагревательные установки. М., Энергия, 1970, с.120.

10. Разработка подсистем автоматизации проектирования механизмов машин для производства синтетических нитей. Отчет по НИР. ЛИТЛП., 1989.

11. Немков B.C. Теория и расчет цилиндрических электромагнитных систем индукционного нагрева. Л., Энергия, 1980, с.192.

12. Махмудов K.M., Слухоцкий АЕ. Расчет электрических параметров цилиндрических индукторов произвольной длины. Труды ВНИИТВЧ, вып. 10, Л., Машиностроение, 1969, с.20-35.

13. Кувалдин А.Б. Низкотемпературный нагрев стали. М., Энергия, 1976, с.145.

14. Глуханов Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева. Л., Машиностроение, 1965, с.95.

15. Савицкий A.B., Носов М.П. Динамика нагрева синтетических нитей на плоском нагревателе в процессе вытягивания. Химические волокна, 1979, №4, с. 13-15,

16. Слухоцкий А.Е. Применение токов высокой частоты в электротермии. Труды ВНИИТВЧ, выпуск 7, Л., Машиностроение, 1966, с.34-38.

17. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л., Энергия, 1974, с.264.

18. Васильков Ю.В., Романов A.B. Термообработка текстильных изделий технического назначения. М., Легпромиздат, 1990, с.9-12.

19. Пакшвер А.Б. Физико-химические основы технологии химических волокон. М., Химия, 1972, с.304.

20. Фихман В.Д. Производство синтетических волокон. М., Химия, 1971, с.15-17.

21. Шурыгин Д.А. Задачи математического моделирования в процессе получения волокна капрон.//Систем ы автоматизации как элементы гибких производственных комплексов в текстильной и легкой промышленности: Межвуз. сб. науч. тр. Л.:ЛИТЛП, 1990. -С.12-17.

22. Сегерлинд Л.А. Применение метода конечных элементов. М., Мир, 1979, с. 158.

23. Самарский A.A. Теория разностных схем. М., Наука, 1983, с.614.

24. Немков B.C., Полеводов Б.С. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева. Л., Машиностроение, 1980, с.62.

25. Жаблон К., Симон Ж. Применение ЭВМ для численного моделирования в физике. М., Наука, 1983, с.234.

26. Разработка инженерных методик проектирования требуемых температурных режимов обогреваемых устройств машин химических волокон на базе математического моделирования. Отчет ЛИТЛП, 1990, с.68.

27. Разработка подсистем автоматизации проектирования механизмов машин для производства синтетических волокон. Отчет ЛИТЛП, 1989, с.25-38.

28. Нагревание полиамидных нитей в процессе высокоскоростного вытягивания. Химические волокна, 1981, №1, с.24-26.

29. Фильберт Д.В., Андронов Е.С. Достижения в области формования поликапроамидных кордных и технических нитей. Химические волокна, 1981, №3, с.32-35.

30. Григорьев П.И. Термообработка капроновых технических нитей при высоких скоростях вытягивания. Химические волокна, 1982, №3, с.32-35.

31. Кремнев O.A. О тепловой обработке синтетических волокон при вытяжке. Химические волокна, 1963, №6, с. 18-23.

32. Рабкин Р.Л. К вопросу о контактном нагревании волокна в процессе ориентационного вытягивания. Химические волокна, 1975, №6, с.65-67.Ы

33. Рабкин P.JT. К вопросу о нагревании капроновой нити в процессе ориентационного вытягивания. Химические волокна, 1972, №4, с.23-25.

34. Захаров B.C. Нагревание синтетических нитей на металлических обогреваемых поверхностях. Химические волокна, 1977, №5, с. 5255.

35. Суров Ю.И., Геллер В.Э. Оценка температурных полей моноволокон в процессе формования. Химические волокна, 1974, №1, с.17-19.

36. Геллер В.Э. Исследование полей температур и скоростей при вытягивании полиэфирных мононитей. Химические волокна, 1974, №3, с.67-69.

37. Григорьев П.И. Нагревание полиамидных нитей в процессе ориентационного вытягивания. Химические волокна, 1972, №4, с.23-25.

38. Андронов Е.С. Теплообмен в системе нагреватель-нить при вытягивании синтетических комплексных нитей. Химические волокна, 1977, №3, с.20-22.

39. Чи С. Тепловые трубы. Теория и практика. М., Машиностроение, 1981, с.207.

40. Ивановский М.Н., Сорокин В.П. Технологические основы тепловых труб. М., Атомиздат, 1980, с. 160.

41. Штельрайн Э.Э. Тепловые трубы. М., Мир, 1977, с.420.

42. Fibers & Textiles in Eastern Europe, №2, 1994, p.30-32.

43. Перепелкин K.E. Структурная обусловленность механических свойств высокоориентированных волокон. М,, НИИТХИМ, 1970, с.254.

44. Яковлев Г.П. О теплообмене при термической обработке полимерных материалов. Сб. кожевенно-обувная промышленность. 1969, №12, с.28-30.

45. Марихин В.А., Мясников Л.П. Надмолекулярная структура полимера. JL, 1977, с. 125.

46. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., 1975, с.392.

47. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967, с.599.

48. Кутателадзе С.С., Боршанский В.М. Справочник по теплопередаче. М,, Госэнергоиздат, 1959, с.414.

49. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. М., Энергия, 1969, с.408.

50. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. М., Машгиз, 1952, с.232.

51. Боровский В.Р. Теплофизика и теплотехника. Республ. межведомственный сборник, вып. 15, Киев, Наукова Думка, 1970, с.77-80.

52. Методы расчета теплообмена в процессах производства синтетических волокон. Обзорная информация. НИИТХИМ, М., 1979, с.35.

53. Линевег Ф. Измерения температур в технике. Справочник. Пер. с нем., М., Металлургия, 1980, с.544.

54. Ярышев Н.П. Теоретические основы измерения нестационарных температур. Л., Энергия, 1967, с.299.

55. Геращенко O.A., Федоров В.Г. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство, Киев, Наукова Думка, 1965, с. 145.

56. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л., Энергия, 1968, с. 156.

57. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л., Энергия, 1970, с. 187.

58. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М., Госэнергоиздат, 1953.

59. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы. М., Высшая школа, 1972, с. 186.

60. Короткое П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин. Л., Энергия, 1974, с.95.

61. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д. Теплотехнические измерения и приборы. М,, Энергоиздат, 1984, с,83-86.

62. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. Л., Энергия, 1973, с.59.

63. Бошняк Л.П. Измерения при теплофизических исследованиях. Л., Машиностроение, 1974, с213.435