автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Разработка процессов технологии, моделей и методов расчета теплопроводности графитопластов

В в е д е н и е

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

I.I.Основные технологические процессы изготовления теплообменных аппаратов из графитоплас

1.2.Основные факторы, влияющие на теплопроводность графитопласта.

1.3. Структурные модели дисперсных материалов.

1.4. Методы и способы определения термического контактного сопротивления.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГРАФИТОПЛАСТОВ.

2Л.Описание экспериментальных установок для изготовления и определения тепло- и электропроводности образцов

2.2.Изучение влияния размера частиц наполнителя на свойства монофракционного графитопласта

2.3.Экспериментальное исследование влияния грансостава наполнителя на тепло- и электропроводность графитопласта

2.4.Влияние способа прессования и времени термообработки на свойства графитопласта.,

2.5.Определение расчетного числа фракций графитопласта с полифракционным наполнителем.

2.6.Методика расчета перераспределения концентрации частиц графита мелкой фракции вблизи крупных.

Глава 3. СТРУКТУРНЫЕ МОДЕМ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕПЛОПРОВОД

НОСТИ ГРАФИТОПЛАСТА.

3.1.Теоретическая модель контактной тепло- и электропроводности монофракционного гра-фитопласта.

3.2.Аналитические исследования проводимости модели контактирующих частиц наполнителя.

3.3.Определение геометрических параметров модели.

3.4.Моделирование процесса теплопроводности гра-фитоплаота с полифракционным наполнителем.

3.5.Исследование проводимости модели дисперсного материала с полифракционным наполнителем.

Глава 4. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЁТА И КОНТРОЛЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГРАШТОПЛАСТОВ.

4.1.Методы определения коэффициента теплопроводности графитопласта с монофракционным наполнителем.

4.2.Методика расчёта эффективной теплопроводности графитопласта с полифракционным наполните л ем.

4.3.Определение коэффициента теплопроводности графитопласта по данным технологического контроля.

4.4. Выбор числа образцов для технологичес -кого контроля теплопроводности графитопласта.

Интенсивное развитие цветной металлургии и химической промышленности, предусмотренное решениями съездов KTICG [i] и материалами пленумов ЦК КПСС [2], невозможно без широкого внедрения в производство новых, стойких к агрессивным средам материалам. В связи с этим на предприятиях всё больше внимания уделяют углеграфитовым материалам, перспективным для использования в различных технологических аппаратах и устройствах.

Углеграфитовые материалы, а именно искуственный графит и полученные на его основе графитопласты широко используются в химической промышленности и цветной металлургии. Эти материалы удачно сочетают в себе два свойства, крайне важные для химической теплообменной аппаратуры : высокая теплопроводность и коррозионная стойкость. Эти свойства материала определяются не только свойствами исходных материалов (графита и фенолформальдегидной смолы), но и технологией изготовления изделий.

Для обеспечения качества выпускаемой продукции из гра-фитопласта необходимо осуществить такой оптимальный технологический процесс, который позволит получать материал с заданными свойствами. Существенное влияние на свойства графитоплас-та оказывают такие технологические параметры как грансостав наполнителя и температурный режим изготовления изделий из графитопласта. Анализ влияния технологических параметров на свойства материала, и в частности на его теплопроводность , можно вести, если производить массовый контроль свойств материала. Непосредственное измерение коэффициента теплопроводноети готовой продукции затруднительно, так как изготовить образец заданных размеров не всегда возможно, а проведение тепло-физических исследований представляет собой весьма сложную задачу. Весьма перспективной является идея косвенного контроля теплопроводности по величине электропроводности материала. Определение электропроводности материала является более простой задачей и по технике замеров, и по производительности экспериментов. Однако для того, чтобы судить о теплопроводности по его электропроводности необходимо знать взаимосвязь между этими физическими параметрами.

Широкой известностью по изучению технологии изготовления и свойств исскуственного графита пользуются работы НИИГрафит, являющегося головной организацией этой отрасли промышленности. Графитопластовые материалы до настоящего времени не подвергались детальному изучению. Значительное количество теплообмен-ных аппаратов, выпускаемых из графитопласта, высокие требования к качеству изготовленной продукции обусловили более тщательное изучение влияния технологических параметров изготовления изделий на свойства материала.

В связи с этим, в соответствии с комплексным планом НИ/ Минцветмета СССР, № 48-8I-I по заданию Новочеркасского электродного завода в отраслевой лаборатории графитовой теплообмен-ной аппаратуры выполнена настоящая работа.

Диссертационная работа включает в себе четыре главы :

I - посвящена анализу технологии изготовления изделий из графитопласта на его теплофизические свойства, обзору литературы по исследованию различных технологических факторов на свойства дисперсного материала с целью изучения возможности использования результатов научных работ для расчёта теплопроводности графитопласта и поставлена задача исследования ;

П - посвящена исследованию основных технологических факторов на тепло- и электропроводность графитопластов, в результате которого найдены количественные соотношения и разработаны методики, позволяющие учитывать влияние размера частиц наполнителя, способа прессования, грансостава наполнителя, времени термообработки на свойства материала ;

Ш - посвящена теоретическому анализу структурных моделей для расчета теплопроводности графитопластов. В этой главе предложена теоретические модели контактной тепло- и электропроводности графитопластов с монофракционным и полифракционным наполнителем, проведены аналитические исследования проводимости моделей, разработаны методики определения их геометрических параметров ;

1У - посвящена разработке и экспериментальной проверке инженерных методов расчёта и контроля теплопроводности графитопластов, позволяющих с помощью рассчитанных на ЭВМ номограмм определять коэффициент теплопроводности материала по данным технологического контроля и количество образцов, необходимых для контроля свойств материала.

Исследования, представленные в диссертации, дали возможность разработать рекомендации и методики, которые позволили оперативно вести контроль качества выпускаемых изделий, целенаправленно изменять технологический режим производства изделий из графитопласта (изменять грансостав наполнителя, режим термообработки и т.д.)

Автор защищает :

I.Экспериментальные исследования влияния основных технологических факторов на свойства графитопласта с монофракционным наполнителем : размера частиц наполнителя, способа прессования, направление усилия при прессовании, времени термообработки.

2.Теоретические исследования и методику расчёта перераспределения концентрации частиц графита мелкой фракции вблизи крупных и определения расчетного числа фракций графитопласта с полифракционным наполнителем.

3.Гибкую модель для расчета контактной теплопроводности материала при плотной упаковке частиц наполнителя.

4.Теоретическую модель и методику расчета теплопроводности графитопласта с полифракционным наполнителем по данным технологического контроля

5.Инженерную методику контроля теплопроводности изделий из графитопласта, позволяющую без применения ЭВМ определить свойства материала при различных соотношениях мелкой и крупной фракции в наполнителе.

По теме научно-исследовательских работ, включенных в диссертацию, опубликовано б статей, получено I авторское свидетельство.

Экономический эффект от внедрения разработок составил 130 тыс.руб. в год.

I.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

I.I.Основные технологические процессы изготовления теплообмен-ных алпаратов из графитопласта

На предприятиях химической промышленности и цветной металлургии в технологических схемах широко используются графитовые и графитопластовые теплообменные аппараты. Применяются они для термообработки агрессивных сред. Графит и графитопласт, как конструкционные материалы для теплообменных устройств, удачно сочетают в себе два положительных свойства : высокую теплопроводность и коррозионную стойкость.

Новочеркасский электродный завод выпускает четыре типа теплообменников : блочные, кожухоблочные, кожухотрубчатые и оросительные [ 3}

У блочных и кожухоблочных теплообменных аппаратов основным рабочим элементом является блок из пропитанного графита. Блоки имеют две группы каналов : вертикальные - для агрессивной среды и горизонтальные (у блочных) или радиальные (у кожухоблочных) для теплоносителя. Количество блоков в одном теплообменном аппарате может быть различно. Блоки в блочном аппарате соединены друг с другом с помощью стяжек, металлических плит и крышек. Блоки кожухоблочных теплообменников помещены в металлический кожух и закреплены таким образом, что агрессивная среда поступает в вертикальные каналы, а теплоноситель - в радиальные.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты выполнены в виде трубншюгпучка, заключённого внутри металлического кожуха. Трубный пучок представляет собой неразъёмное соединение графитопластовых труб с графитовыми трубными решётками. В межтрубном пространстве теплообменника установлены поперечные графитовые перегородки, обеспечивающие сложную схему движения теплоносителя. Равномерность распределения агрессивной жидкости по трубам пучка обеспечивается графитовыми входными и выходными камерами.

Оросительные графитовые теплообменники представляют собой систему последовательно соединённых графитопластивых труб, подвешенных на металлическом корпусе. Охлаждение агрессивной жидкости, протекающей внутри труб, обеспечивается орошением наружной поверхности теплообменного аппарата.

Используемый для кожухотрубчатых и оросительных теплообменников графитопласт представляет собой материал, полученный прессованием наполнителя в виде частиц графита и связующего, основой.': которого является новолачная фенолформальдегидная смола. Для наполнителя используют частицы искусстенного графита, полученные в результате термической иди механической обработки изделий из графита.

На рис. I.I представлена технологическая схема изготовления изделий из графитопласта. Основными этапами изготовления изделий являются : приготовление шихты наполнителя, приготовление связующего, вальцевание пресспорошка и прессование изделий.

Составление шихты наполнителя производится из двух дозировочных бункеров. Один из них содержит частицы графита более крупного размера (крупка), другой - частицы более мелкого размера (пыль). В соответствии с техническими условиями, содержание крупки и пыли в шихте наполнителя регулируется взвезг о Се м t- о сое 9-г я-в- -S3 о CW .с! ос a i C\l цебание

Of® nptCC0&QHU9 & глухую матрицу I «

I]рош.и&ной способ просеобания

2рохот

2рохот

Р ио. I.I

Принципиальная схема технологической линии по производству изделий из графитойласта. шиванием.

Приготовление связующего осуществляется в шаровой барабанной мельнице, которая загружается новолачной формальдегид-ной смолой в твёрдом виде с добавками уротропина, стеарина, извести и графитированной пыли.

Смесь шихты наполнителя и связующего в виде пресспорош-ка проходит через зазор нагретых вращающихся валков (вальцевание). При вальцевании пресспорошка происходит частичное плавление и поликонденсация новолачной фенолформальдегидной смолы.

Подготовленный к прессованию порошок направляется на пресса. Прессование изделий из графитопласта производят прошивным способом и в глухую матрицу. Изготовленные прошивным способом трубы из графитопласта используются для изготовления поверхностей нагрева кожухотрубчатых и оросительных теплообменников. Прессованием в глухую матрицу изготавливают большой ассортимент деталей к графитовым теплообменникам и другим изделиям графитопласта.

В зависимости от назначения изготавливаемые изделия из графитопласта могут подвергаться дополнительной обработке : термообработке или графитации.

Для серийного изготовления поверхностей нагрева теплообменник аппаратов в настоящее время применяют термообработан-ный графитопласт марки AIM - IT.

Современные условия эксплуатации технологического оборудования предъявляют большие требования к качеству и надёжности работы всех элементов технологических схем. Важнейшей эксплуатационной характеристикой теплообменного аппарата является его способность передавать необходимое количество тепла от одного теплоносителя к другому, поэтому при выборе конструкционного материала для поверхностей нагрева теплообменных аппаратов основное внимание уделяют его теплопроводности. В связи с этим при производстве графитовой теплообменной аппаратуры большое внимание обращается на контроль теплопроводности материала. Сведения о коэффициенте теплопроводности необходимы не только для конструкторов теплообменной аппаратуры и проектировщиков технологических линий, где используются графитовые теплообменники, но и для других специалистов, выполняющих расчёты тепловых процессов в изделиях из графита или графитопласта.

Контроль за теплопроводностью материала можно вести путём систематического отбора проб (образцов) и определения коэффициента теплопроводности с помощью специального прибора. Такой метод контроля является самым надёжным. Однако, из-за большой серии образцов и отсутствия стандартных, надёжных и простых в эксплуатации приборов по определению коэффициента теплопроводности, этот метод в данном случае оказывается неприемлемым в качестве основного.

В последнее время используются методы косвенного определения коэффициента теплопроводности дисперсных материалов. Эти методы, чаще всего основанные на теории обобщённой проводимое-* ти [4] предполагают определение других более простых в экспериментальном исследовании свойств и использования этих свойств для определения коэффициента теплопроводности.

ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Из анализа работ по исследованию влияния технологии изготовления дисперсных материалов на его теплопроводность следует :

1. Отсутствуют работы по всестороннему изучению влияния различных технологических факторов на свойства графитопластов.

2. Некоторые эмпирические формулы и графические зависимости свойств дисперсных материалов от различных отдельных факторов неприменимы для определения свойств графитопластов.

3. Существующие модели для расчета теплопроводности дисперсных материалов предполагают жесткие структурные системы только контактирующих или только неконтактирующих частиц наполнителя в материале.

4. Известные теоретические решения по определению термического контактного сопротивления не учитывают взаимодействие центральных и переферийных тепловых потоков в зоне контакта.

5. Материалы с полифракционным наполнителем представляют особую трудность для моделирования и расчета проводимости системы.

В соответствии с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи :

1. Исследовать влияние различных технологических факторов (размера частиц, грансостава наполнителя, способа прессования, направления усилия при прессовании, времени термообработки и т.д.) на теплофизические свойства графитопласта.

2. Предложить и исследовать теоретическую модель для расчета теплопроводности графитопласта при плотной упаковке частиц монофракционного наполнителя, параметры которой можно определить по теплопроводности, электропроводности и объемной концентрации графита в образце.

3. Разработать методику и предложить модель для расчета теплопроводности графитопласта с полифракционным наполнителем.

4. Представить в удобном для инженерных расчетов виде методы технологического контроля теплопроводности графитопластов по его легко определяемым свойствам: плотности, электропроводности и концентрации наполнителя в материале.

2. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

ГРАФИТОПЛАСТОВ

2.1.Экспериментальные установки для изготовления и определения тепло- и электропроводности образцов

Для изучения влияния различных технологических факторов на свойства графитопластов можно использовать оборудование заводской технологической линии. Однако, на начальном этапе исследования было решено отказаться от образцов, изготовленных на заводских установках, так как технологическая линия, предназначенная для выпуска деталей из графитопласта большими партиями, не может обеспечить гарантированного контроля всех параметров процесса изготовление конкретного образца, что оказывает большое влияние на точность и надёжность результатов экспериментальных исследований. Есть и другие причины, обусловившие необходимость создания лабораторной установки для изготовления образцов :

I.Останов непрерывно действующего оборудования для проведения многочисленных экспериментальных исследований-боль-щие материальные затраты.

2.Заводское оборудование без дополнительных приспособлений имеет малый диапазон изменения технологических параметров.

3.Невозможно изготовление образцов с точно контролируемым составом наполнителя.

4.Изготовленные в заводских условиях изделия имеют большие геометрические размеры, что приводит к : а)неравномерности распределения состава наполнителя по всему объёму изделия, б)неравномерности распределения параметров технологического процесса по объёму, в)дополнительным затратам на изготовление образцов необходимого размера.

Сконструированная и изготовленная лабораторная установка позволяет в больших пределах изменить и с большей точностью регулировать технологические параметры. При проектировании установки за основу была принята заводская технология прессования изделий в глухую матрицу.

Схема установки представлена на рис. 2.1. Установка состоит из матрицы I с цилиндрическим отверстием диаметром 15мм для пуансона 2. Пуансон и матрица могут нагреваться до заданной температуры электрическими нагревателями 4 и 5 и для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду они покрыты тепловой изоляцией 3. Контроль температуры пуансона и матрицы осуществлялся термопарами 6. Регулирование температуры может осуществлятся вручную автотрансформатором 7 и выключателями 8. Для создания усилия на пуансон использовался пресс П-6022, позволяющий создавать усилие прессования до 10 т. Усилие регистрировалось манометром 9 и регулировалось ручным насосом

10.

Технология изготовления образцов характеризовалась

Для определения теплофизических характеристик дисперсного материала используют приборы, основанные на стационарных и нестационарных методах исследования температурных полей и тепловых потоков в образце [10] . Стационарные методы связаны со значительными затратами времени на подготовку необходимого следующими параметрами :

Удельное давление прессования

Бремя выдержки образца под прессом

Температура матрицы. Температура пуансона

135°С 130°С 240 с

Рио. 2.1. Схема установки для изготовления образцов. 4 теплового режима и на проведение самого опыта. К основному недостатку нестационарных методов относится трудность получения регулируемого изменения температуры во времени. При массовых исследованиях зависимости теплофизических свойств материала в широком диапазоне изменения каких-либо условий решающим требованием к методу является кратковременность опыта.

Для скоростного измерения комплекса теплофизических свойств различных твердых материалов в Отраслевой лаборатории тепловых измерений при Ленинградском институте точной механики и оптики разработаны приборы, в основу которых положено монотонное нагревание образцов. С целью проверки возможности использования этих приборов для исследования свойств графитопласта были изготовлены образцы из одного и того же материала и определен коэффициент теплопроводности на приборе [39] и динамическом АС - калориметре ЛИГМО. Сравнение результатов исследования теплопроводности графитовых материалов на двух различных приборах показывает, что расхождение в показаниях этих приборов не более 4 %, Каждый из них, в свою очередь, тарировался и проверялся на образцах из других стандартных материалов (алюминий, сталь IXX8H9T, и т.д.) и точность каждого оценивается авторами в 5 %. Этот небольшой опыт показал, что для скоростных измерений теплофизических характеристик графитовых материалов целесообразно использовать динамический АС -калориметр.

Конструкция калориметра, изготовленного по чертежам ЛИТМО, изображена на рис. 2.2. Расчет инструментальной погрешности представлен в приложении.

Прибор предназначен для измерений коэффициента температуропроводности 01 и истинной теплоемкости С твердых материалов в интервале температур 30-400°С. Измерения проводятся в про

Р ио. 2.2 . Прибор для определения теплопроводности гра£лтопласга. цессе монотонного разогрева образцов цилиндрической формы диаметром 15 мм и высотой 25 мм. Для размещения термопар в образце высверливаются вблизи торцевых поверхностей два рециальных отверстия диаметром I мм. Конструкция динамического АС - калориметра показана на рис. 2.2.

Металлический блок ас-калориметра состоит из основания I, охранного колпака 3, тепломера 2 и адиабатической оболочки 5. Испытываемый образец устанавливается на тепломер внутри адиабатической оболочки и для улучшения теплового контакта с последним прижимается сверху стержнем 4. Основание I состоит из двух деталей, соединенных винтами. Соприкасающиеся плоскости их для улучшения теплового контакта притерты. В нижней детали основания расположен нагреватель. Верхняя деталь имеет конусную часть, по которой осуществляется контакт с охранным колпаком 3 . В центральной части ее расположено резьбовое отверстие для тепломера и ряд отверстий и пазов для вывода термопар. Для тепловых и температурных измерений в ас-калориметре используются термопары из нихрома и константана диаметром 0,2 мм.

Термостолбик б используется для измерения теплового потока проходящего через тепломер. Термопары 7 и 8 для измерения временного остановления температуры точки "В" и "Н". Одновременно термопара 8 при соединении с термопарой 9 служит для регулирования температуры оболочки. В опыте измеряются температура и скорость разогрева образца, тепловой поток, поглощаемый образцом и временное отставания температуры точки "В" и "Нп . Для определения коэффициента температуропроводности использовалась фори^ула :

2 2 Q Хн Хв 2 где Ум, - координаты точек заделки термопар "Н" и В в испытываемом образце, отсчитанные от его верхней части ;

1нв - временное отставание температуры в точке "В образца от Н 11 ;

Т0 - поправка на неидектичность градуировки термопар.

Для определения теплоемкости образца использовалась формула:

Р - [ Кт Ки Пт А? С*1 ы Л ДЕ \

Д Е где Кт - условное значение коэффициента теплопередачи тепломера ;

Ки - чувствительность гальванометра в цепи измерения; дЕ;дТ~ малые конечные приращения э.д.с. и времени; Пт - показния тепломера

С* -поправка на теплоемкость пластины тепломера и на теплообмен образца с адиабатической оболочкой m - масса образца . Коэффициент теплопроводности подсчитывался по известной формуле :

X = QCp ,

4m где 0= —- кажущаяся плотность образца, рассчитанная J Tdrn по известным : а -диаметру, n,m -высоте и массе образца.

Измерение электропроводности графитопласта осуществлялось на экспериментальной установке, специально разработанной для этой цели.

Обычно измерения электропроводности производится по схеме, изображенной на рис. 2.3 а. Через образец I пропускается ток с помощью контактов, прижимаемых к торцам образца. Измеряются величина тока и падение потенциала на некоторой известной длине образца, причем потенциалы измеряются в двух точках на боковой поверхности образца. Описанная методика измерений предполагает параллельность изопотенциальных поверхностей в образце (см.рис.2.3) на всей длине между точками замера электрического потенциала. Для исследуемых образцов графитопласта такая методика представляется непригодной. Дело в том, что эти образцы, во-первых, имеют относительно большое поперечное сечение (диаметр образцов соизмерим с их длиной) и, во-вторых, неизбежно обладают довольно значительной внутренней неоднородностью из-за случайного характера контактов между частицами графита. Первое обстоятельство приводит к тому, что искривление изопотенциальных поверхностей, возникающее на границах образца из-за случайного распределения точек контакта по торцевой поверхности образца, распространяется на всю длину. Второе обстоятельство приводит к дополнительному искривлению изопотенциальных поверхностей внутри образца (см. рис.2.3 в), благодаря этому результаты измерения разности потенциалов на фиксированной длине образца, но в различных точках по его окружности, могут отличаться друг от друга в несколько раз.

В связи с изложенным было решено использовать для под ключения образца к измерительной схеме уже давно применяемые в электротехнике жидкие (ртутные) контакты с малым контактным сопротивлением и измерять разность потенциалов между

1 St f*

-0 a. ъ

Рис. 2.3 . К обоснованию способа измерения электропроводности образцов а - схема включения исследуемого образца в электрическую цепь; б - форма изопотенциалышх поверхностей в относительно длинном образце из однородного материала; в - форма изопотенциалъных поверхностей в коротком образце из дисперсного материала. контактами. При этом торцевые поверхности образца являются практически изопотенциальными, а искажения, возникающие внутри образца, не отражаются на результатах измерений.

Конструкция устройства для подключения образца и измерительная схема изображены, на рис.2.4. Прибор состоит из двух контактных пластин 4, резиновой втулки 2, в которую плотно вставляется образец I, стяжных шпилек 5 и контактоочис-тителей 8. Б нижней части каждой контактной пластины имеется полость 9, в которую сливается ртуть при нерабочем положении, црибора. В контактные пластины ввинчены бронзовые втулки 6, к которым припаяны проводники для подключения прибора к измерительной схеме. При рабочем положении прибора, когда он повёрнут на 180° вокруг оси А-А относительно положения, показанного на рис.2.4, а, ртуть из полости 9 заполняет пространство между торцом образца и втулкой 6, образуя жидкий контакт. Контактоочиститель 8 представляет собой стальной стержень с загнутым концом, на который надета хлорвиниловая трубка 3. Вращением контактоочистителя можно добиться надёжной очистки торцевой поверхности образца от загрязнений и окисных плёнок. Благодаря этому контактное сопротивление на границе ртуть-образец становится пренебрежимо малым (I % от сопротивления образца). Контактоочиститель пропускается сквозь втулку 6 при помощи хлорвиниловой трубки 7, которая играет роль уплотнения и одновременно электрической изоляции между контактоочистителем и бронзовой втулкой 6. Последнее обстоятельство позволяет использовать контактоочистители в качестве электродов для измерения разности потенциалов на образце.

Использовалась общепринятая измерительная схема (см.рис. 2.5,6),включающая источник постоянного тока 15 (батарею ак

1 2 3 4 6

46

45

V.

40 If /2 К

43

Рис. 2.4 . Измерение электропроводности образцов дисперсного материала. кумуляторов), магазин сопротивлений 10 для регулирования тока, стандартное сопротивление 12 и потенциометр 14 с переключателем 13 для измерения разности потенциалов на образце U0op и стандартном сопротивлении UCT • Сопротивление образца вычислялось по формуле :

UoSp о<$р R ст

Uct

Измерения производились при токе 200 мА. Оосбенность методики измерений с помощью описанного прибора заключается в следующем. В процессе измерения необходимо несколько раз поворачивать контактоочистители, прижимая их к образцу, а затем отводить их от образца, причём эта операция повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто постоянного Си минимально возможное при данном токе через образец) значение U0jjp

Точность измерения электрического сопротивления оценивается в 3 %.

Удельная электропроводность графитопласта вычислялась по известной формуле: г 1 где и F - соответственно длина и площадь поперечного сечения образца.

2.2.Изучение влияния размера частиц наполнителя на свойства монофракционного графитопласта

Основная цель настоящих исследований заключалась в том, чтобы определить эффективные свойства отдельных фракций наполнителя графитопласта, оказывающих существенное влияние на тепло- и электроцроводность материала. Для этого из наполнителя путем рассева на ситах были выделены фракции с размерами частиц 2,0 + 1,0; 1,0 + 0,5; 0,5 + 0,2; 0,2 + 0,08 ; 0,08 + 0 мм, которые затем использовались в качестве наполнителя монофракционного графитопласта. В качестве связующего использовалась композиция, рецептура которой составлена на основе той, которая используется на НЭЗе. Рецептура связующего :

Фенолформальдегидная смола.83,80 %

Уротропин.10,67 %

Стеарин.3,95 %

Известь пушенка.1,58 %

Для каждой фракции определялась: кажущаяся плотность графитовых частиц, эффективная тепло- и электропроводность графита с учётом влияния содержания закрытых пор в части -цах разного размера, предельная объемная и весовая концентрация графита в образцах монофракционного графитопласта, тепло- и электропроводность образцов при плотной упаковке частиц монофракционного наполнителя.

Кажущаяся плотность графитовых частиц определялась пикнометрическим способом. В качестве эталонной жидкости использовался толуол. В процессе измерения плотности частиц температура пикнометров поддерживалась постоянной и равной

30°С в жидкостном термостате. Результаты измерения для каждой фракции представлены в таблице 2.1.

-177-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I.Экспериментальные исследования свойств отдельных фракций наполнителя и графитопластов с монофракционным наполнителем позволили определить влияние каждой фракции на свойств ва материала. Изучением свойств графитопластов с полифракционным наполнителем установлено влияние соотношения крупки и пыли в наполнителе. Результаты исследований процесса приготовления шихты наполнителя графитопластов необходимы для целенаправленного выбора соотношений крупных и мелких частиц в наполнителе материала.

2.Исследования процессов прессования и термической обработки изделий из графитопласта позволили выявить преимущественную ориентацию частиц наполнителя в материале, определить характер изменения свойств материала в зависимости от продолжительности термообработки. Результаты исследований позволяют целенаправленно изменять параметры технологического процесса с целью получения изделий с заранее прогнозируемыми свойствами.

3.Микроструктурный и теоретический анализ взаимного расположения частиц в графитопласте с полифракционным наполнителем позволил установить форму частиц наполнителя, характер контакта между ними, определить распределение концентрации частиц графита мелких фракций вблизи крупных. Этот анализ структуры материала необходим для изучения и физического обоснования характера переноса тепла в системе контактирующих частиц разного размера.

4.Предложенные теоретические структурные модели дисперсного материала с монофракционным и полифракционным наполнителем, теоретические исследования проводимости этих моделей позволили создать методику расчета теплопроводности графитопластов, способную гибко отражать возможные изменения в технологии изготовления изделий из этих материалов.

5. Разработанные и экспериментально проверенные инженер ные методы расчета и контроля теплопроводности графитопластов позволяют с помощью рассчитанных на ЭВМ номограмм по данным технологического контроля с точностью 10 % и надежностью 0,95 определить теплопроводность графитопласта. Теоретически обосновано минимальное число образцов для технологического контроля теплопроводности материала в заводских условиях.

6. Результаты исследований внедрены на Новочеркасском электродном заводе.

1.Материалы ХХУ1.съезда КПСС. М.:Политиздат, 1982, с.224.

2. Справочник партийного работника. М. Из-во полит.литературы, вып. 22, 1982, с. 654.-V »

3. Канаевский Л.С., Синявский Б.С., Фокин В.П. Химическая аппаратура из графитовых материалов, выпускаемая Новочеркасским электродным заводом. (Каталог), М.:ЦНИИцветмет экономики и информации, с.85.

4. Чудновский А.Ф. Метод поля термических характеристик при нахождении полятемператур в дисперсных системах. ИФК, т.19, № 5, 1970, с.886-892.

5. Хижняк П.Е., Лутков А.Н., Дымов Б.К., Михайлов В.Н. О теш* лопроводности дисперсных графитированных коксов в интервале температур 350*2500°К. Ш9 т.31, № 2, 1976, с.364-365.

6. Гинзбург А.С.,Уколов B.C. Опыт систематизации методов определения теплофизических характеристик зернистых материалов. Сб. Тепло- и массоперенос. Минск, т.7, 1972, с.352-356.

7. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.:ГШМ, 1962, с.456.

8. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.:Энергия, 1974, с.263.

9. Э.Миснар А. Теплопроводность твёрдых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.:Мир, 1968, с.464.

10. Ю.Васильев Л.А., Танаева С.А. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск: Наука и техника, 1971, с.264.

11. Новиков П.А.,Минхюк Б.Г. Исследование теплопроводности пористых металлокерамических элементов. ИЖФ, т. 17, № 4, 1969, с.655-663.

12. Cheng S.C.,Vachon R.I. The pzedLction oj the temal conductivity oj- two artdtlnee ptiase solid heterogeneous mixtuzes. Int.^ o^ Heat arid M.T. v.i2,/v3)4969,p.249-Z64.i

13. Никитин B.C., Антошин H.B. О переносе тепла в засыпке дисперсного материала. ИЖФ, т.17, № 2, 1969, с.248-253 .

14. Дущенко B.Q. и др. Влияние наполнителей на теплофизические свойства стеклообразного полиметилметакрилата. ИМ, т.19, № 5, 1970, с.883-897.

15. Зотов В.В. и др. Расчёт теплопроводности пористых материалов. Ш9 т.28, № 5 , 1974, с.908-909.

16. Белвская Э.А., Тарабанов А.С. Экспериментальное исследование теплопроводности углеграфитовых материалов высокой пористости. Ш9 т.18, № 4, 1970, с.696-701.

17. Гринберг Р.З., Терехов А.Д., Шер Э.М. Об эффективной теплопроводности и электропроводности анизотропных дисперсных сред. Ш, т.31, № I, 1976, c.II6-I2I.

18. Кириллин В.А., Сычёв В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.:Энергия, 1974, с.16.

19. Вишневский Г.Е.,Жукова Р.И., Шкленский 0.$., Шкляров А.Ю. Влияние пористости, содержания и свойств компонентов на теплопроводность стеклопластиков. Пластические массы.,1. II, 1970, с.34-38.

20. Дашко Н.М., Новиченок Л.Н., Спорягин Э.А. Влияние наполнителей на теплопроводность полиэтилена. Пластические массы, № II, 1970, с.45-47.

21. Горбис З.Р., Князев Л.П., Куклинский В.В., Теплообменв равномерной смеси двух дисперсных материалов ИМ, т. 18, № I, 1970, с.45-51.

22. Буевич Ю.А., Корнеев Ю.А. Эффективная тепопроводность дисперсной среды при малых числах Пекле. ИМ, т.З, № 4, 1976, с.607-612.

23. Танаева С.А., Домороз Л.С. Теплопроводность дисперсных систем .Сб. Тепло- и массообмен при низких температурах. Минск, 1970, с.74-81.

24. Шарова Н.И., Самойленко Ё.А., Щепалина Р.И., Крохина И.Н. Формирование свойств щеточной композиции в процессе вальцевания. В сб.Электроугольные материалы и изделия. Труды ВНШШЭИ, М.:Энергия, 1975 с.92-99.

25. Приходченко В.А., Чалых Ё.Ф., Смазнов П.П. и др. Влияние процесса вальцевания и способа измельчения на прессовые характеристики саже-пековых композиций. В сб.Электроугольные материалы и изделия. Труды ВНШШЭИ, М.: Энергия, 1975, с. 85-92.

26. Фиалков А.С. Формирование структуры и свойств углеграфито-вых материалов. М.:Металлургия, 1965, с.278.

27. Лидоренко Н.С. и др. Исследование электро- и теплопроводности металлосодержащих полимерных плёнок. Докл. АН СССР, т. 187, № 3, 1969, с.581-588.

28. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. Контактный теплообмен. М.-Л.:Гос-энергоиздат, 1963, с.144.

29. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. ,Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.:Энергия, 1977, с.328.

30. Зв.Лутков А.Н., Михайлов В.Н., Заричняк Ю.П., Волков Д.В. Исследование влияния температуры, давления и состава атмосферы на теплопроводность засыпок порошков титана, циркония и кремния. ИМ, т.33, № 3, 1977, с. 460-463.

31. Меерович Ш.С., Новопавловский B.C., Графитовая теплообмен* ная аппаратура. Ростов-на-Дону, Ростовское книжное издательство, 1965, с.70.

32. Гусман Ю.О., Черных В.А. Влияние структуры углеродистых материалов на их электропроводность. Химия твёрдого топлива, № 2, 1975, с. I2I-I3I.

33. Крылов В.Н.» Вильк Ю.Н. Углеграфитовые материалы и их применение в химической промышленности. М.-Л.:Химия, 1965, с.165.

34. Медведев Н.Н. Определение теплофизических характеристик сыпучих веществ и толстых слоёв различных материалов. И32К, т.14, № 2, 1968, с.329-333.

35. Иванов У.И. Некоторые особенности расчёта свойств неоднородных материалов. Изв.АН Латвийской ССР, Серия физ.-мат.наук, № 6, 1967, с.141-145.

36. Дульнев Г.Н., Сигалова З.В. Эффективная теплопроводность зернистых материалов. ИШЖ, т.13, № 5, 1967, с.670-685.

37. Дуль не в Г.Н. ,3аричняк Ю.П., Новиков В.В. Коэффициенты обобщённой проводимости гетерогенных систем с хаотической структурой. ИМ, т.31, № I, 1976, с. 150-168.

38. Хайнер С.П. Об оценке теплопроводности гетерогенных систем. ИМ, т.41, № 5, 1981, с.922-923.

39. Степанов С.В. 0 теплопроводности двухфазных систем. ИШ, т. 18, № 2, 1970, с.247-252.

40. Степанов С.В.Оценка коэффициента теплопроводности упорядоченных двухфазных систем. ИМ, т.21, № I, 1971, с.181-182.

41. Новопавловский B.C. Вероятностная модель контактной проводимости наполненных полимеров неплотной упаковке частиц наполнителя. Ш9 т.32, № I, 1977, с.137-138.

42. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П., Муратова Б.Л. Теплопроводностьзернистых и слабоспеченных материалов. ШК, т.6, № 6,1969, с.1019-1029.

43. Дульнев Г.Н., Муратова Б.Л. Теплопроводность волокнистых систем, ИФК, т.14, № I, 1968, с.30-35.

44. Дульнев Г.Н.Теплопроводность смесей с взаимопроникающими компонентами. ИШ, т.19, № 3, 1970, с.562-577.

45. Дульнев Г.Н., Еремеев М.А., Заричняк Ю.П. Теплопроводность связанных систем. ШК, т.27, № I, 1974, с.55-61.

46. Дульнев Г.К., Еремеев М.А., Заричняк Ю.П. Анализ процесса переноса тепла в зернистых системах с хаотической структурой. Ш, т.26, № 5, 1974, с.870-878.

47. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П., Муратова Ю.Л. Теплопровод -ность пористых увлажнённых материалов. ИЗЖ, т.31, № 2, 1976, с.278-283.

48. Демидченко В.И. и др. Тепло- и электрофизические характеристики двухкомпонентных систем медь-графит. Сб. Применение зональных методов расчёта лучистого теплообмена. Краснодар, с.273-278.

49. Демидченко В.И. Исследование тепло- и электропроводностиметаллокерамических гетерогенных: систем для коммутирующих узлов сухого трения в вакууме. Автореферат дисертации на соискание учёной степени канд.тех.наук, Киев, 1972, с.23.

50. Дульнев Г.Ы., Кругликов В.К., Сахова Е.В. Математическое моделирование гетерогенных изотропных систем. ИМ, т.41, № 5, 1981, с.922-923.

51. Дульнев Г.Н.,Муратова Б.Л., Новиков В.В. Проводимость Многокомпонентных гетерогенных систем. ИМ, т.41, № 4, 1981,с.593-600.

52. Тамарин А.И. Эффективная теплопроводность засыпок дисперсных материалов. ИМ, т.18, № 18, 1970, с.823-827.

53. Скороход В.В. Об электропроводности дисперсных смесей проводников с непроводниками. ИМ, т.2, № 8, 1959, с.51-58.

54. V. 12 , A/9 , <969, p. 1201 4206.

55. Попов B.M.Теплообмен в зоне контакта разъёмных и неразъёмных соединений. М.;Энергия, 197I.

56. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.:Машиностроение, 1966, с.275.

57. Яковлев А.И.Контактный теплообмен в элементах конструкций энергомашин. Сб.Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. Харьков, вып.7, 1977, с.9-42.

58. Попов В.М. К вопросу исследования термического контактного сопротивления. Изв.АН СССР. Энергетика и транспорт, № 3, 1976, с.170-174.

59. Ва?6ег .R. Thermal contact zeslstance The directionalejject and othe-г p^oBlems. Int.. 0} Heat and M.T., Y. 15 , A/3 , 1970 , p.789 -S07.

60. Bcts&ez . R. Lvitn conceenlng the рарег n Thezmalcontact zesistance-The directional etyect and othei pzoblems" 3nt.. Heat and M.T.lvMlA/2H97i,p.»i-wit.

61. Новиков B.C.Термическое сопротивление контакта сжимаемых шероховатых поверхностей. Сб.Теплопередача и теплотехника. Киев, вып.21, 1972, с.123-130.

62. Сооре-г M.G-. Mikic ВЛ Yovanovlch М.И. Thezmal contact condactance. Int. . Heat and Mass

63. ТгапЦег, v. 12, л/ь, ^Q69, p. 279 -300.

64. Лазарев M.C., Попов B.M. К вопросу о влиянии продолжительности наподвижного контакта твёрдых тел на его тепловую проводимость. Изв.ВУЗов, Энергетика, № 6, 1969, с.114-116.

65. Васильев Л.Л., Батюто Н.Н. Контактная теплопроводность порошков в вакууме при различных граничных температурах. Ст. Исследования по сушильным и термическим процессам. Минск, Наука и техника, 1968, с.85-89.

66. Мальков В.А. Термическое сопротивление контакта обработанных металлических поверхностей. ИШ2К, т. 18, № 2, 1970, с.259-263.

67. Темкин А.Г., Хижняк П.Е. Контактный теплообмен между керамическими поверхностями в среде расплавленного металла. Сб. Теплопроводность и диф^зия. Рига, т.1, № 2, 1971.

68. Godbee H.W.,ZiejIez'W.T. Thermal conductivities

69. Mg0,HI203 and 2г'0г powdees to &50°G. Journal o{ applied Physics, v.57,aM, 1966,~p. 56-65.

70. Новиков B.C. Зависимость контактного сопротивления от сжатия шероховатых поверхностей. ШК, т. 19, № 6, 1970, с.62-67.

71. Попов В.М., Лазарев М.С. К вопросу определения термического сопротивления контакта с волнистыми поверхностями. Ш9 т.20, № 5, 1977, с.846-852.

72. Новиков B.C. Термическая проводимость контакта сжимаемых поверхностей. ИФК, т.20, № 6, 1971, с.1094-1099.

73. Курская Т.А. и др. 0 термоприготовлении в многоконтактных пакетах, ШЁ, т.Г?, № 4, с.673-678.

74. Попов В.М., Янин Л.Ф. К вопросу о влиянии времении приложения нагрузки на термическое сопротивление контакта. ШК, т. 19, № 4, 1970, c.7IO-7I4.

75. Новиков B.C. 0 температурной зависимости фононного контактного сопротивления. Сб. Вопросы технической теплофикации, Киев, вып.З, 1971, с.81-87.

76. Хижняк П.Е., Федосеев С.Д., Лутков А.И. Контактное термическое сопротивление некоторых графитов. ИШ, т.33, № 3, 1977, с.455-459.

77. Попов В.М., Янин Л.В. Теплообмен при контакте обработанных металлических поверхностей с волнистостью и микроотклонениями. Изв.вузов, Энергетика, № 3, 197I, с.90.

78. Кулаков М.В.,Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твёрдых тел. М.:Энергия, 1969, с.12-39.

79. Мацевистый Ю.М.Применение метода комбинированных схем в случае контактного теплообмена. Изв.вузов, Энергетика, № 12, 1970, C.II7-I20.

80. Son Fгеу G-.S.L ElQchochem , tblj260,1952.

81. Хольм Р. Электрические контакты, М.:Изд~во иностранной литературы, 1961.

82. Гребер Т., Эркс., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.:Изд.иностранной литературы, 1958, с.149-154.

83. Котляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970, с.609-649.

84. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высшая школа, 1978, с.27-104.

85. Мучник Г.Ф., Бубашов И.Б. Методы теории теплообмена, чЛ. Теплопроводность. М.: Высшая школа, 1978, с.ПО-123.

86. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 197I, с.647-648.

87. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. М.: Наука, т.Ш, 1970, с.427-630.

88. Новопавловский B.C. Обобщение метода разделения для оценки теплового потока в телах сложной формы. В сб.Теплопередача и газодинамика, Новочеркасск, РИО НПИ, т.260, 1973, с.20-26.

89. Новопавловский B.C. Приближённое определение проводимости плоских фигур. УЖ, т. 14, № 2, 1968, с,273-281.

90. Ю2.Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме, Л,: Энергия, 1973,

91. Новопавловский B.C. Геометрическая модификация вариационного метода решения сложных задач теплопроводности. Изв. СКНЦВШ, серия "Технические науки", № 4, 1975, с.48-52.

92. Кендал М., Моран П.Геометрические вероятности. М.:Наука, 1972, с.120.

93. Ю5.Феллер В. Введение в теорию вероятностей и её приложения (дискретные распределения). М.: Изд.Иностранной литераТуры, 1952, с.31-68.

94. Юб.Гмурман B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.:Высшая школа, 1972, с.334.

95. Венцель Е.С. Теория вероятностей. М.:Из-во физ.мат. литературы, 1958, с.146-148.