автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Технология строительных изделий с полимерным покрытием, оптимизированная по критерию минимума энергозатрат при тепловом воздействии на формирующийся композит

^ «ъ

На правах рукописи

г4-

Цветков Николай Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПОЛИМЕРНЫМ

ПОКРЫТИЕМ, ОПТИМИЗИРОВАННАЯ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ФОРМИРУЮЩИЙСЯ КОМПОЗИТ

05.23.08 - Технология и организация промышленного н гражданского строительства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск 1998

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, засл. деят. науки и техники РФ, чл.-кор. АТР, профессор

Соловъянчмк Александр Романович.

Доктор технических наук, профессор

Защита состоится " 23 " октября 1998 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 064.41.01 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная 2, корп. 5, ауд. 307. Телефон для справок 72-42-81.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Верещагин Владимир Иванович.

Доктор технических наук, профессор Реутов Юрий Ильич.

Ведущая организация-

Институт теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

<f*ti

Н.К.Скрипникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и ее связь с государственными программами. Значительное повышение долговечности и других эксплуатационных качеств строительных материалов, изделий и конструкций достигается при использовании полимерных покрытий на основе термореакгивных смол. Это обусловливает непрерывное расширение как области применения известных, так и вовлечение в производство ранее неиспользуемых в строительстве термореактивных полимеров, в том числе отходов производств и некондиционного сырья электротехнической промышленности. Их уникальные свойства образовывать прочные, эластичные, неплавкие и нерастворимые тонкие покрытия, обладающие наибольшим электрическим сопротивлением и способностью длительно работать при высоких температурах на различных материалах, определили рациональную область их применения в строительстве (новые эффективные коннекторы, свойства которых определяют возможность успешной реализации энергосберегающих критериев при возведении строительных объектов, особенно для трехслойных наружных стен из штучных материалов; защита проволочной арматуры и изделий из нее; высококачественные защитно-декоративные покрытия на отдельных материалах для внутренней отделки зданий и сооружений; защитные покрытия архитектурных гипсовых и других изделий при реставрации и реконструкции зданий; защитно-декоративные покрытия штучных силикатных, керамических и многих других материалов).

Расширяется область применения термореактивных покрытий в специальных сооружениях (поверхностная защита коллекторов канализационных систем вследствие резко возросших химически активных сбросов; емкостей хранения в ряде производств сыпучих и жидких материалов, а также при их консервации и захоронении; в составах пароизоляционных покрытий внутренних поверхностей кислотоупорной кладки стволов железобетонных и кирпичных дымовых труб; пропитка и поверхностные покрытия конструкций фундаментов теплового оборудования; защитно-технологические покрытия внутренних поверхностей труб инженерных сетей для снижения гидравлического сопротивления и защитные покрытия их наружных поверхностей).

Наиболее качественные покрытия на основе термореактивных полимеров получают при условии их тепловой обработки, с повышением уровня температуры проведения которой достигается резкое увеличение скорости химических реакций полимеризации или поликонденсации в покрытиях и улучшается ряд их эксплуатационных показателей.

Однако, применительно к новым условиям строительства, широкое использование композитов с полимерным покрытием сдерживается несовершенством наиболее перспективной непрерывной скоростной технологии их получения вследствие ряда причин:

1) отсутствием методологии создания и оптимизации работы технологических комплексов для тепловой обработки полимерных покрытий при уров-

нях температуры в нагревательных устройствах, значительно превышающих порог активизации термодеструктивных явлений, на основе системного подхода по обеспечению их максимальной производительности при минимальных энергозатратах и гарантированного получения заданного качества композитов;

2) отсутствием обобщенной математической модели процессов при тепловой обработке наиболее распространенных в строительстве цилиндрических и плоских изделий и материалов с полимерным покрытием;

3) недостаточной изученностью процессов в системах "изделие-покрытие" при радиационно-конвективных тепловых воздействиях, обеспечивающих на стадии тепловой обработки формирование покрытий заданного уровня качества;

4) недостаточной изученностью закономерностей формирования пространственно распределенных параметров теплового поля с учетом поддержания оптимальных динамических пространственных характеристик его изменений в процессах тепловой обработки изделий различных масс и конфигураций, включая периоды удаления растворителей и отверждения покрытий.

Работа выполнялась в рамках программы "САПР" Минвуза РСФСР (тема 07.01.29 - 1976-1981 г.г., тема 3.151 - 1982-1987 г.г., утверждена приказом Минвуза РСФСР N 394 от 17.09.76 г.); программы "Теплофизика и энергетика" АН СССР (тема 1.9.1.4.2 - 1984-1987); программы "Строительство" (тема 2.53 -1991-1993 г.г., утверждена приказом ГКНВШ РСФСР N252 от 27.03.91 г.); программы "Архитектура и строительство" (тема 2.4.3.6 - 1994-1997 г.г.); программы "Оптимизация использования природных, производственных и интеллектуальных ресурсов Томской области в интересах населения и народного хозяйства" (тема Ы1-РП -1993-1996 г.г., утверждена приказом ГК РФ ВО N 73 от 24.04.93 г.); гранта по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук (1994 - 1996 г.г., утвержден приказом ГК РФ ВО N 516 от 30.12.93 г. ), а также тематических планов госбюджетных и хоздоговорных НИР Томского политехнического университета, Томского государственного архитектурно-строительного университета и НИИ строительных материалов при ТГАСУ.

Основная удея, положенная в основу работы над диссертацией, состоит в создании оптимальных температурно-временных режимов протекания физико-химических процессов в покрытиях на основе термореактивных смол, реализация которых обеспечивается в непрерывных , нагревательных устройствах при уровнях температур в них, значительно превышающих наложенные ограничения по термодеструктивным явлениям в системе "изделие-покрытие".

Цель работы заключается в создании энергосберегающей технологии производства строительных композитов с полимерным покрытием, управляемых путем технологической корректировки пространственно-временных параметров теплового поля с учетом поддержания оптимальных динамически? пространственных характеристик его изменений в процессах тепловой обра ботки изделий различных масс и конфигураций, включая периоды удачен и:

растворителей и отверждения покрытий. Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

1) разработать методологию создания и оптимизации работы технологических комплексов для тепловой обработки полимерных покрытий на основе системного подхода по обеспечению их максимальной производительности при минимальных энергозатратах и гарантированного получения заданного качества композитов;

2) разработать обобщенную модель процессов тепломассопереноса при сложных тепловых воздействиях на формирующийся композит для наиболее распространенных в строительстве цилиндрических и плоских изделий и материалов с полимерным покрытием;

3) изучить динамику формирования температурных полей в непрерывно движущихся плоских и цилиндрических объектах "изделие-покрытие" на основе параметрического анализа при конвективном, радиационном и радиацион-но-конвективном подводе теплоты к покрытию и установить критерии оптимального управления тепловыми воздействиями;

4) исследовать аналитически и экспериментально закономерности формирования пространственно-временных параметров температурных режимов в рабочих пространствах щелевых электронагревательных устройств, обеспечивающих непрерывность технологического процесса;

5) установить связь между параметрами теплового воздействия на объект "изделие-покрытие" и качеством получаемой продукции;

6) разработать методики, алгоритмы и программы целенаправленного формирования и поддержания в динамическом режиме реального времени необходимых для обеспечения оптимального теплового воздействия на композит режимных параметров тепловой обработки с учетом максимума производительности, минимума энергетических затрат и получения требуемых эксплуатационных качеств покрытий;

7) выполнить промышленную апробацию предложенных технологических и технических решений.

Научная новизна работы состоит в углублении теоретических положений технологии скоростной тепловой обработки при производстве материалов и изделий с покрытием на основе растворов и расплавов термореактивных полимерных композиций, что конкретизируется следующим.

. 1. Разработана обобщенная физико-математическая модель процесса тепловой обработки строительного композита с полимерным покрытием. Впервые учтено влияние теплопереноса в покрытии, теплопроводности в композитах по ходу их движения, теплоты фазового перехода при удалении растворителей, теплоты химических реакций процессов пленкообразования. Получены новые аналитические решения, связывающие распределенные управляемые режимные параметры радиационно-конвекгивных нагревательных устройств с физико-химическими процессами в полимерных покрытиях на изделиях и материалах цилиндрической и плоской конфигураций.

2. Получена совокупность натурных и лабораторных экспериментальных данных по температурным режимам в протяжных тепловых агрегатах непрерывного действия, подтвердившая корректность новых аналитических решений, что позволило их использовать как основу алгоритма управления процессами формирования композита при минимуме энергозатрат.

3. Доказано, что электрическая прочность может быть использована в качестве обобщенного показателя качества термореактивных покрытий, что согласуется с законом створа И.А.Рыбьева. Использование этого показателя обеспечивает оптимальное управление режимами работы теплотехнического агрегата и упрощает промышленную реализацию разработанной технологии.

4. Впервые установлены зависимости влияния периодических изменений характеристик тепловых воздействий на качество получаемых композитов. Сформулирован принцип технологической корректировки температурно-скоростных режимов тепловой обработки, заключающийся в том, что максимальная стабильность качества полимерных покрытий достигается при отношениях времени тс тепловой обработки композитов к периоду хп колебаний температуры в рабочем пространстве нагревательного устройства равных целым числам, а максимальная производительность технологического комплекса с минимальными энергозатратами и требуемым качеством покрытий обеспечивается при т0/тп =1 без ограничений на амплитуду и частоту колебаний.

Автор защищает совокупность положений, установленных закономерностей, теоретических и экспериментальных результатов, положенных в основу создания энергосберегающей технологии тепловой обработки изделий с полимерными покрытиями, управляемой по критерию максимальной производительности.

Практическая ценность работы состоит в разработке методологии, методик, алгоритмов и пакетов прикладных программ расчета режимов скоростной тепловой обработки полимерных термореактивных покрытий на различных материалах и изделиях плоских и цилиндрических форм, позволяющих оптимизировать работу действующего оборудования и создавать новые технологические агрегаты, управляемые по критерию максимальной производительности.

Использование полученных результатов позволило создать и реализовать на практике производство остродифицитных материалов и изделий с высококачественным защитным полимерным покрытием. - главным образом несущих стержней металлических и композитных коннекторов, необходимых для строительства современных объектов с высокими теплозащитными свойствами наружных ограждающих конструкций. При этом обеспечивается экономия энергетических ресурсов, расширяется сырьевая база стройиндустрии за счет неиспользуемых ранее отходов изоляционных лаков кабельных производств и исключается экологический вред при сжигании (захоронении) этих отходов.

Методология работы. Исследования выполнены в рамках общей концепции создания новых строительных композитов с улучшенными адгезионно - когезионными характеристиками, развитой в трудах научной школы профессора Боженова Ю.М. и основаны на общепринятых теоретических положениях в областях тепломассопереноса, материаловедения, физической химии полимеров, физики и химки обработки материалов, большой вклад в разработку которых внесли коллективы научных работников под руководством профессоров М.А.Михеева, А.А.Гухмана, С.С.Кутателадзе, А.В.Лыкова, А.И.Леонтьева, Б.С.Петухова, Ю.А.Суринова, Н.А.Рубцова, Б.С.Хрусталева, Л.С.Кацевича, П.А.Ребиндера, Н.Н.Рыкалина, А.А.Углова, В.И.Саломатова, В.У.Новикова, А.Д.Яковлева, В.Г.Хозинг, Л.А.Сухаревой и многих других. Приближенные и точные аналитические решения получены на основе современных математических методов. Экспериментальные исследования проводились с использованием цифровых информационно-измерительных систем, приборов и оборудования кафедр "Теплофизика", "Теоретические основы теплотехники" и "Промышленная теплоэнергетика" Томского политехнического университета, НИИ строительных материалов и кафедры "Теплогазоснабжение и вентиляция" Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована достаточной их обоснованностью, правомерностью сделанных допущений и обеспечена:

- последовательным получением аналитических решений задач с усложнением их математических постановок и тщательным сопоставлением получаемых решений между собой, а также с известными решениями других исследователей для упрощенных случаев;

- сопоставлением результатов, полученных аналитическим, численным и экспериментальным методами;

- применением современных методов и средств расчета, приборов и научного оборудования с необходимым объемом статистики, обеспечивающих достаточный уровень надежности результатов математического моделирования, результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований, а также измерений физических и потребительских свойств изделий;

- отсутствием в полученных результатах противоречий с общепризнанными теоретическими представлениями.

Реализация результатов диссертационной работы. Основные положения работы и полученные результаты прошли промышленную апробацию на предприятиях Томской области (СПАО "Химстрой", АО "Орггехстрой", АО "Томскжилстрой", ИЧП "Курсор", АПО "Сибкабель") и Кемеровской области (Инженерный центр "ОРГСТРОЙ"- г. Кемерово, Научно-исследовательский и проектно-технологический институт "СИБИНВЕСТСТРОМ" - г. Новокузнецск и др.). Использование в промышленности рекомендаций и разработок диссертанта позволило повысить производительность производства защищенных по-

лимерными покрытиями изделий на 30...60 % при снижении энергозатрат на 25...50 % на единицу продукции.

Результаты исследований используются: в курсовом и дипломном проектировании Московского энергетического университета, Томского политехнического университета. В Томском государственном архитектурно-строительном университете отдельные теоретические результаты включены в лекционные курсы "Строительная теплофизика" и "Тепломассообмен" для специальности 29.07 - "Теплогазоснабжение и вентиляция", в лекционный курс "Теплотехническое оборудование технологии строительных материалов и конструкций" для специальности 29.09 - "Производство строительных изделий и конструкций", используются при курсовом и дипломном проектировании. Разработанные установки и приборы используются при выполнении лабораторных работ.

Апробация работы. Материалы работы апробированы: на научном семинаре лаборатории радиационно-кондуктивного теплообмена института теплофизики СО АН СССР (г. Новосибирск, 1980 г.), на Всесоюзном семинаре по экономии тепловой и электрической энергии на промышленных предприятиях (г. Севастополь, 1981 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Защита металлов от коррозии органическими покрытиями" (Казань, 1985 г.), на Всесоюзном научно-методическом семинаре по автоматизации проектирования в энергетике и электротехнике (Иваново, 1986 г.), на Всесоюзном совещании по аналитическим методам расчета процессов тепло- и массопереноса (Душамбе, 1986 г.), региональной научно-технической конференции по повышению эффективности производства и использованию энергии в условиях Сибири (Иркутск, 1993 г.), на Международной научно-технической конференции "Экология и ресурсосбережение" (Могилев, 1993 г.), на научно-технической конференции по использованию отходов промышленности в производстве строительных материалов (Новосибирск, 1993 г.), на Международной научно-технической конференции по ресурсосберегающим технологиям строительных материалов, изделий и конструкций (Белгород, 1993 г.), на Международном совещании-семинаре "Сопряженные задачи физической механики и экология" (Томск, 1994 г.), на Международной научно-технической конференции "Композиты. Народное хозяйство России. Композит-95" (Барнаул, 1995), на Международной научно-технической конференции "Сибконверс-95" (Томск, 1995), на научном семинаре института теплофизики СО РАН (Новосибирск, 1998) и др.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 96 научных статьях и докладах, в том числе получено 2 патента, 1 авторское свидетельство и 1 положительное решение на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. Результаты исследований представлены на 262 страницах основного текста, включают 92 рисунка, 21 таблицу, библиографию из 637 наименований. Объем приложения составляет 2 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ результатов известных исследований, который позволил обосновать использование достигнутого уровня знаний, в том числе в смежных отраслях , применительно к процессам непрерывной тепловой обработки протяженных цилиндрических и плоских изделий с полимерным покрытием, выполнить классификацию вариантов основных переделов технологии полимерных покрытий, наносимых на строительные материалы с использованием тепловой обработки. Критический анализ достигнутого, с учетом современных тенденций создания скоростных энергосберегающих технологий, позволил поставить цель и определить задачи исследования, сформулированные выше.

Большой вклад в развитие теории технологий с использованием тепловой обработки строительных изделий и материалов в целом и полимерных покрытий в частности внесли отечественные и зарубежные ученые - А.В.Лыков, Н.А.Рубцов, А.Р.Соловьянчик, А.С.Аньшаков, А.И.Леонтьев, Б.С.Петухов, Ю.А.Суринов, Б.С.Хрусталев, Л.С.Кацевич, П.А.Ребиндер, Н.Н.Рыкалин,

A.А.Углов, В.И.Саломатов, В.У.Новиков, А.П.Прошин, А.Д.Яковлев,

B.М.Хрулев, И.А.Рыбьев, В.Г.Хозин, Л.А.Сухарева, В.И.Верещагин,

A.И.Гныря, Г.Г.Волокитин, В.Н.Ефименко, Ю.И.Реутов, А.Ф.Строганов,

B.Д.Строганов, С.Г.Васильев, Ю.Р.Осипов, В.И.Сафрончик, С.Д.Холодный, Е.Я.Шварцбурд, Л.Н.Лейбзон, Ф.И.Азимов, Я.Я.Вилкершст, В.А.Бриеде, Э.Х.Лийв, В.Ренби и многие другие.

Покрытия на основе растворов термореактивных полимеров получают путем их нанесения на подготовленные или подогретые не выше температуры кипения растворителя поверхности изделий (схема 1 на рис. 1) с последующей тепловой обработкой композита для удаления растворителя, отверждения покрытия и регламентированного охлаждения изделий с покрытием. Схема 1 позволяет получать тонкие многослойные покрытия. По схемам 2, 3, б и 7 получают покрытия на основе термопластов, без использования растворителей, путем напыления полимерного порошка или нанесения его расплава на подогретые выше температуры плавления полимеров поверхности изделий с последующим нерегламентированным (схемы 2 и 7) или регламентированным охлаждением (схемы 3 и 6). Таким же образом получают покрытия и на основе термореактивных смол (схемы 4 и 5), но после нанесения порошка или расплава такие покрытия подвергаются тепловой обработке с последующим регламентированным охлаждением.

Наиболее сложные и наименее изученные процессы протекают при тепловой обработке систем "изделие-покрытие" с использованием переделов по схемам 1. 4 и 5, но именно в этих технологических схемах заложен потенциал получения наиболее качественных покрытий на основе сетчатых полимеров, к которым относится большинство электроизоляционных лаков. На основе этих лаков, после их нанесения и тепловой обработки, можно практически на любых

Рис. 1. Схема основных переделов технологии получения полимерных покрытий на строительных материалах и изделиях с использованием тепловых воздействий: ЗПТО - зона предварительной технологической обработки; ЗОТО - зона основной технологической обработки; ЗТД - зона технологической дообработки.

поверхностях создавать неплавкие и нерастворимые, прочные и высокоэластичные, с большим электрическим сопротивлением покрытия, способные работать при повышенных температурах.

Наиболее общей схемой технологии нанесения полимерных покрытий является схема 1. На стадии удаления растворителей (скорость процесса определяется внутренним массопереносом) чрезмерное повышение температуры покрытия приводит к их вскипанию с образованием газовых включений по его толщине и к образованию каверн на поверхности (брак "по корявости"). При недостаточных уровнях температуры на этой стадии снижается производительность тепловой установки (агрегата). На стадии отверждения чрезмерное повышение температуры приводит к развитию термоокислительной деструкции в покрытии, а при недостаточных уровнях температуры резко снижается производительность оборудования.

Таким образом, температурный режим покрытия Т](т), как доказано в работах ученых школы профессора С.Д.Холодного (Московский энергетический институт) должен быть таким, чтобы обеспечить максимальную скорость физико-химических процессов без образования газовых включений и термодеструкции в покрытии. При этом установлено, что степень завершенности реакции пленкообразования А, определяемая по формуле

А = 1 -ехр

■ U

Jk0•ехр(— )dx

о R-Ti(-t)

0)

должна быть в пределах 0,6 < А < 0,8.

Доказано, что интенсивность удаления растворителей из жидкой пленки лака резко возрастает с повышением температуры. Однако температура покрытия Ti(t), как установлено в работах С.Д.Холодного и других, должна быть на 10... 15 °С меньше температуры кипения растворителей Ткип, пока его относительное содержание W не снизится от начального W„ = 0,35...0,65 до критического WKp = 0,15 ... 0,20. Это ограничивающее условие можно записать в следующем виде:

Т, (t) < ТК1Ш-10, при W >. Wkp . (2)

Дальнейшее повышение температуры покрытия на стадии удаления растворителей ограничивается условием

Т,(т)< Ткип+^,при W<WKp, (3)

где 4, р - постоянные коэффициенты, определяемые экспериментально для каждого типа лака.

Скорость нагревания покрытия на стадии отверждения ограничивается процессом удаления продуктов реакции и может быть определена по формуле С. Д.Холодного

где Т1гаах - предельный уровень температуры нагрева покрытия, зависящий от

Постоянные коэффициенты а3 и ¡и в выражениях (4)-(5) определяются экспериментально для каждого типа покрытий.

Общие соотношения (1)-(5) позволяют построить требуемый температурный режим тепловой обработки для конкретных типов покрытий независимо от формы и размеров изделий, на которые нанесено покрытие. Этот теоретически оптимальный режим является эталоном, максимально возможное приближение к которому в реальных тепловых агрегатах и будет характеризовать оптимальность режимных параметров тепловой обработки изделий конкретной конфигурации с конкретным термореактивным полимерным покрытием. Обеспечить такой температурный.режим систем "изделие-покрытие" в конкретном нагревательном устройстве возможно только на знании взаимосвязей между пространственно-временными параметрами тепловых воздействий в его рабочем пространстве и температурным режимом формирующегося композита конкретной формы.

Выполненный, таким образом, в главе 1 анализ известных работ, связанных с выявлением различных факторов, влияющих на качество изделий с термореактивными полимерными покрытиями и производительность оборудования при их тепловой обработке, свидетельствует об объективной необходимости достижения поставленной выше цели работы и решении сформулированных задач исследований.

Во второй главе показано, что самыми распространенными в строительстве изделиями, необходимость поверхностной защиты которых наиболее актуальна, являются изделия цилиндрической и плоской форм. Непрерывную тепловую обработку таких изделий с полимерным покрытием рационально осуществлять, как показывает опыт, в щелевых нагревательных устройствах с электрическим источником теплоты.

Основные факторы (рис. 2), определяющие температурный режим непрерывно движущихся цилиндрических (рис. 3-а) и плоских (рис. З-б) систем "изделие-покрытие" взаимосвязаны в обобщенной математической модели, охватывающей три расчетные области: до входа в нагревательное устройство, в рабочем пространстве нагревательного устройства и после выхода из него.

его толщины Д

Т1тах=1/(а31пЛ + а4).

(5)

--'Т1^

гг

о$

Л

Основные сракторы

7*3

•л

.сР

¿г

Л

V/

'¿ее кие

Ч

> ^ V

<ъ

£ *

№

№

а

/ ^ а*

ЪопроВод*^

Рис. 2. Классификация основных факторов, определяющих температурный режим системы "изделие-покрытие" при тепловой обработке

X' Е т. (г) а

У >88888^,*«,^

О - ♦А Л • А 1 * .. оВ •' Е ,,. 'Г " ' о 5; < |х„ •.Я5 \ о г] д .. ' 'к ■■ -"|С2, Р 2, * к)

1 о '/////////////////у/ух у////////////;/////;/ г Г^з

У///////////////////^ '(////////////////////,

«-Ьп-

б)

Рис. 3. К математической модели тепломассопереноса в цилиндрической (а) и плоской (б) системах "изделие - покрытие": 1 - покрытие; 2 - изделие; 3 - кессон.

Для каждой расчетной области при постоянных коэффициентах переноса на каждом расчетном участке обобщенные уравнения теплопроводности применительно к плоской (Г = -1/2) и цилиндрической (Г = 0) системам «изделие-покрытие», движущимся в направлении т. со скоростью v, имеют вид: а) в области до входа в нагревательное устройство (-Ър< г < 0),

8 ^т(х,г)

8 г

д\т(»>*) , (2Г + 1) д Чт(х,г)

дх'

а %

Чхр(А)

С1,ПЦ ' р1,!ш

•; х0<х<х0+А;

(6)

<3

' 2,т

8 г

= а-

3[ (2Г+1)х

а х

V

„5 | д Ч;П1(х,г)

8 х

В

, 0 < х < х0;

(7)

б) в области рабочего пространства нагревательного устройства (0<2<Ь„),

5Т1)П(х,2) д г

82Т1)П(х,г) [ (2Г+1) Э Т1>п(х,2) д х2 х Эх

+

v

+ Чхр(А) , х0<х<Х0 + Л; с1,т " Pl.nl

(8)

5 Т2,п(х,г)

V--= а -

а г

а2Т2>п(х,г) (2Г + 1)

■1 л-т--X

а х*

ат,„(х,г) е2т2;П(х,2)

8 х

8 г1

, 0 < х < х0;

(9)

в) в области после выхода из нагревательного устройства до приемного устройства (Ьп < г < Ьпу),

д а,к(х,г)

'1,к а ъ

= а,

(2Г+1) 3 к(х,г)

---1---------

а х*

8 X

+

+ Чхр(А) , хв <х<х0 + Д;

С1,Ы "Р1,1а

V--1-= а

Э252;к(х,г) | (2Г + 1)у

ОТ ' д X2

8 92,к(х,2) а232,к(х,2)

о x

г) начальные условия,

а ^

0 < х < х

0'

(П)

(12)

т=1(х,2=-Ьр )= Тр; т=1(х,г =-Ьр)= Тр; =-Ьр)= Wo;

Т1,п=1(х,2=0) = ^,„1=м(х,2=0); Т2,11=1(х,2=0) = 12.т=м(х,2=0); \УЦ=,(2=0) = Wnl=!(z=0); и,, к=1(х,г=Ьп) =Т1>п=К(х,2=Ьп) и2,к=1(х,г=Ьп) =Т2>п_н(х,г=Ь); \*/км(г=Ьп) = 0.

д) условия сопряжения на границах расчетных областей и между расчетными участками в каждой области,

8 Чт=м(х>2)

5 г

3 Т2,п=м(х.2)

_ д Т2,п=1(Х'г)

г=0

д г

д г

2=0

Э г

5 *2,т(х>г)

а %

5 Т^^г)

д г

Э Т2п(х,г)

а г

о т.

8 г д 92к(х,г)

г=Ь.

8 %

(13)

(14)

(15)

(16) (17)

е) условия идеального теплового контакта покрытия и изделия,

9 Чга(Х'2)

д х

= X

2,гаГ

3 Чг(х>2)

д х

г=х„

' 'Х-Хл 'Х-Хп

9 Т,П(Х,2)

д X

~ ^2,1)1

9 т2 -(х,2)

д х

х=х0

х=х„

5 V к(х,г)

8 X

5 92 к(х,г)

д х

(19)

(20) (21) (22) (23)

ж) условия теплообмена на внешней поверхности покрытия (учитываются конвективный и радиационный тепловые потоки, а также теплота, расходуемая на испарение растворителя),

3 ЧтОО

О X

аг

х=хп+л

ТвлпФ-^ПДх.Т)

Х = Хп + Л

+

Фп,Ет°0

г у-А-Рз <ПУ(г)

Чт>

Тс4,я(2)-«?1П1(х,т)|

1х = Х. +Д

= 0;

(24)

3 Т,,„(х)

С X

а„

Х = Х„4Д '>П'П!

Тв.п(г)-Т1>п(х)|х=х

+д

и

<Рп£п°о

Тс4,„ 00-Т?|В(х)

Х = Х.4Л

Л

I Л " —

Ч»1

3 91>к(х)

д х

х=х„ +Л

Тв,к(г)-911к(х,х)[

Фк£к<*0

х=х. -+Д

(26)

з) условие предельно достижимых температур в каждом расчетном участке ггц п, к при бесконечном времени теплообмена,

•1г->ю Чш.пд»

т2,п (х> ^^ = Т2)П1ПД;

(27)

и) условия теплообмена для плоской системы «изделие-покрытие» при х=0 принимаются как граничные условия первого рода

Ы*.2)1Ж=0 =Т„;

(28)

к) условия теплообмена для цилиндрической системы «изделие-покрытие» при х=0 принимаются как условия симметрии

д

д х

3 Т2(х,г)

х=0

а х

о а2(х'2)

х=0

8 X

- 0;

(29)

х=0

Для расчета содержания растворителя W(z) в слое использовались уравнения Л.И.Кассихина, приведенные в диссертации.

Равенство (28) допускает, что существует идеальный, тепловой контакт между подом печи и тыльной стороной плоского изделия. Для цилиндрического изделия это условие заменяется на условие симметрии (29), а в уравнениях (24)-(25) первое слагаемое умножается на величину (-Г).

Если существуют ограничения на уровень температуры изделий Тн1Д>1гах , выше которого активизируются термодеструктивные явления, то должны выполняться условия:

12(х,г)2Тид>ш„; (30)

Т2 (х, г) 5: Т|пд гпа!., 9 2(х,г) < Тиз1тах.

В ряде случаев могут быть заданы ограничения на скорость повышения температуры изделий или скорость их охлаждения по условиям возникновения недопустимых температурных напряжений:

<1Т,,„(х,г) йг

<\\

21,та*'

(31)

Аъ

<УЧ

И, шах'

Ограничения, связанные с уровнем температуры в процессах удаления растворителей и пленкообразования в соответствии с (2)-(5), принимают вид:

1г<га(Х,Х)<Ткип - 10, при \У(г) >0,15; (32)

Т,5П(х,г)<Тю1п -10, при \У(г)>0Д5;

11>т (х,'г) < Ткип + С / , при \¥(г) < 0,15;

Т1!П(х,г)<Ткпп+С/\У;, при \\'(г) <0,15;

|Чп(х'2)]тах^ 1 / (аэ • 1пД + а4);

[Т1>п(х,г)]тах< 1 / (аэ • 1пА + а4).

Максимальная скорость увеличения температуры локрытияЧу!ипа1., после удаления основной массы растворителей и снижения его содержания до критических значений = 0,15, определяется в соответствии с условием (4).

'Н.тлх ~ 2 ' Яэ ' ' ехР

и

К-Тг,„(х,г)

[Т1>п(х,г)]

2

Ш31 *

(33)

v

Ограничение, связанное с удалением оставшейся части растворителя и продуктов химических реакций без образования газовых включений или разрывов покрытий, формулируется в виде неравенства

У Аг

(34)

Из выражения (33) видно, что величина скорости нагревания покрытия должна контролироваться по его толщине Хо<х<хо+Дна любой координате г в нагревательном устройстве.

Как показано выше, долговечность термореактивных покрытий существенно зависит от отношения А числа прореагировавших групп 1Чр к максимальному числу групп Np.tr,м для конкретной химической реакции. При значениях А<0,6 покрытие «липкое», а при значениях А>0,8 стойкость покрытий, например, к тепловому старению, снижается. Поэтому, после завершения тепловой обработки покрытия величина А должна быть в пределах

0,60<А< 0,80. (35)

Величина А, называемая степенью завершенности реакции пленкообра-зования термореактивного покрытия, является интегральной характеристикой и может быть определена для покрытия толщиной А при тепловом воздействии на него с переменным уровнем температуры 11т(х,г), п(х,г), 91п(х,'г) на

конкретных расчетных участках ш, п или к из выражения

|[к0-ехр о о

(36)

Выражения (30)-(31) для изделия вместе с условиями (32)-(35) для покрытия составляют систему ограничений, накладываемых на температурный режим изделий с полимерным покрытием.

Математическая модель дополняется системами уравнений, приведенными в диссертации, для нагревательных устройств с вертикальной и горизонтальной ориентацией рабочего пространства, позволяющими определить распределение температурных полей излучающих поверхностей Тс(г) и теплоносителя Т„(г), скорость движения теплоносителя ш(г) при известной функции распределения мощности тепловыделений q(z) по длине этих устройств.

Математическая модель дополняется зависимостями для расчета коэффициентов теплопереноса в виде аппроксимирующих известные экспериментальные результаты формул, в виде критериальных уравнений и расчетных выражений, полученных нами - для свободно-конвективного теплообмена цилиндрических тел; для свободно-конвективного теплообмена в горизонтальном рабочем пространстве нагревательных устройств; для коэффициентов теплопроводности и температуропроводности покрытий.

В третьей главе представлены результаты теоретического исследования теплопереноса в цилиндрических и плоских системах "изделие-покрытие" при различных граничных условиях теплообмена на границах.

На основе декомпозиции математической модели получены с использованием интегрального преобразования Лапласа аналитические решения следующих задач:

а) точное решение балансного уравнения радиационно-конвективного теплообмена системы составных цилиндрических тел для расчетного участка в нагревательном устройстве, учитывающее в отличие от решения Кавадерова-Самойловича неравномерность полей температуры Тв(г) и Тс(г);

б) приближенные взаимосвязанные решения балансных уравнений радиационно-конвективного теплообмена системы составных цилиндрических тел для расчетных участков до входа в нагревательное устройство, в нагревательном устройстве и после выхода из него, учитывающих дополнительно перенос теплоты по изделию в направлении его движения;

в) приближенные решения задачи нагрева цилиндрического композита при радиационно-конвективном подводе теплоты к покрытия в предположениях абсолютно непрозрачного и диатермичного покрытия;

г) точное решение задачи нагрева плоского изделия с покрытием при конвективном подводе теплоты к покрытию;

д) приближенные решения задачи нагрева плоского изделия с покрытием при радиационнном и радиационно-конвективном подводе теплоты к покрытию.

На основе сопоставления аналитических решений между собой, с результатами известных решений для более простых случаев, с результатами численных решений рекомендованы зависимости для расчета температурного режима покрытия.

Для цилиндрической системы

м5 м52

+ (37)

п=1 м ~ г5

Для сокращения формы записи в решении (37) приняты следующие обозначения:

М, = п- В1 + ш- И] /д;

М2

М3 =

1в-В! + ас-Н2).]Ч1/ч-Г-(В! + 1Ч1)-(К+Г)];

хЧ-

п - В» +-

11. 2ах-

1 _ м,

мл =

—+ М5 —2+-г г

5

2а)

Р1 = 18В1 + с 2 -Т^ -| п-В1 + - _ , 2

„ т-ЛЛ 5

Ч -3!

-а-^ + ^МК+Г);

1 2 Ъ р2 =--5т(ц п • X)--- • совСн в • X);

ъл

Рз=2—

М

С08(|ап • (1 - X)) + —• (1 - X))

з---м5+г+~м5 . 2

Р5 =

с 2, 1 5 „ Ъ

5-----М5+--М5

2 цп

К=Т!(г0,0); ^ = Т] (К0,0) - Т1 (г0,0); = Бк =СТо'С'5'Т°

Я!

„ ~кл • а-» ■ 5 ^ а, • т _ „

2 1 0 О К0 - Г0

х- г"г»

; =<р-8к-я/Тс3;

Значения корней цп определяются с использованием метода секущих при решении характеристического уравнения

^•(гг + вкко

При расчете температурного режима покрытия по (37) расчетная область разбивается на участки. Значение коэффициентов 1С, т, Н2. с\1 п, 1в вычисляются для 1-го участка из выражений:

Индекс 1-1 относится к началу: а индекс 1 - к концу расчетного участка. Решение (37) получено с применением кусочно-линейной аппроксимации парабол температур в четвертой степени:

Тс4(т) = + шт; тДНо.т) = Н2 + <^(^,1).

Для плоской системы "изделие-покрытие" температурный режим на каждом расчетном участке определяется из выражений:

(а + Е а„Ь,)М0 " (М1->;Мг-Мз-М4)со8циХ+ >

-НМ^м^м^м^тцдХ-;

Т(х = Т | <аТ- ~ аТ" ~ еа«т.< ~ " еаЛТо)Х | ° (а + аа,Ь,)М,

| " (Тп -Т0)со5цпХ + (М9 +М10 +МП -М|2 - ?

_ + +14+N,4 + ]Ч15 +1Ч16)

Значения корней ця при 1< п<оо вычисляются из характеристического уравнения:

Р, + Р, + Р3

Цв-Рз-К,-(Р4 + Р5)

В выражениях (38)-(39) обозначено: ß3 = /Ц /Бл; Кл = Xl / А,2; X = х/б2; Ка = /а2; Foj = а, -х Ib*-, Fo2 = а2 • i /522; ai; bj - коэффициенты кусочно-линейной аппроксимации парабол искомой температуры Т]4(х,т); М0... Ми , N] ... Ni6, Pi... Р5 - коэффициенты, сокращающие форму записи.

Использование полученных аналитических решений и программ численных решений позволил установить в результате параметрического анализа ряд закономерностей формирования температурных режимов систем "изделие-покрытие".

Максимально возможное изменение температуры цилиндрических тел различных диаметров на входе в нагревательное устройство, обусловленное влиянием теплопроводности по ходу их движения, зависит от скорости перемещения v (рис. 4) и, применительно к технологии изготовления строительных коннекторов, при d > 3-10"3 м и v > 0, 1 м/с этим влиянием можно пренебречь. Однако, при остановах тяговых устройств (v —> 0) и температуре в нагревательном устройстве Тщ = 873 К температура изделия диаметром d = 4-10'3 м может достигать значений 393 К на расстоянии 0,1 м от входа в нагревательное устройство, а температура изделия диаметром d = 8-10"3 м - 468 К. Полученные расчетные соотношения для этого случая позволяют выбрать оптимальное расстояние узла наложения покрытия от входа в нагревательное устройство или принять решение по использованию в технологических агрегатах откатных нагревательных устройств, обеспечивающих выход изделий с покрытием из рабочих пространств (например, через прорези в узких боковых гранях) во всех случаях останова тяговых устройств.

Расчеты показали, что температурный режим цилиндрического тела существенно зависит от характера изменения температурных полей по длине нагревательного устройства. При одних и тех же средних значениях Тс и Т„ (рис. 5), соответствующих режиму 2, расхождение температуры поверхности покрытия толщиной 20-Ю"6 м на медном цилиндрическом теле диаметром d = 1-Ю"3 м при нагревании по режимам 1 и 3 составляет 101 К на длине печи 1 м.

Для плоских систем "изделие-покрытие" установлено, что в зонах быстрого нагрева время достижения заданных уровней температуры на границе покрытия с подложкой не зависит от толщины конкретной подложки (типичный пример расчета показан на рис. 6). Это позволяет реализовать принцип максимального быстродействия в этих зонах.

Температурный перепад в покрытиях, нанесенных на различные материалы, в процессе тепловой обработки может достигать от 15 до 30 К (рис. б и _ рис. 7). С учетом того, что профессором С.Д.Холодным (МЭИ) установлен факт изменения скорости химических реакций в термореактивных покрытиях

Рис. 4. Изменение температуры медного цилиндрического тела на входе в нагревательное устройство в зависимости от скорости его движения в рабочем пространстве и диаметра:

1 - V = 0,01; 2 - V = 0,05; 3 - V = 0,10; 3 - V = 0,20 м/с;

Т0 - температура окружающей среды, К;

Т„у - температура в нагревательном устройстве.

т 1100

1000

900

800

700

воо

500

400

V V

ч X Ч N ф - V

* Ч ч V ч с-•>» VI ф /

2 —р^—

ч

у ф УУ ф ч % ч ч > ч ч ч

у

V *** У »

У / Л' р

/ , / / // ^

300

0.4

0.8

1.2

1.6

Рис. 5. Изменение температуры поверхности покрытия по длине нагревательного устройства в зависимости от распределения полей температуры Тс(г) и ТЕ(г):

1 - Тс(г) = 683 + 40т и Тв(г) = 633 + 40т; 2-Тс(г)=923 К и Т8(2) = 873 К; 3 - Тс(г) = 1123 - 40т и ад) = 1073 - 40т; Т - температура, К; Ь - координата длины, м.

ОС-/О 10

/V 2У 3 -V

/ V s> * У 'v

1 * / / ✓

1, * // /у / 'J ✓ —

/ / 1 1 Ч/л V ✓у // • ^^ X / У У * у * У *

/ / / / / — у^У

/ J , 1/ ' /А

W

9

8 ?

6 5

¿t 3 2 1

300 320 260 т ш Ш 52.0 Т

Рис. 6. Изменение температуры в гипсовом изделии и полиэфирном покрытии:

1, 2, 3 - для т = 10, 30 и 180 с соответственно

при 5] =0,М0"3 и б2 = 10-10"3 м; 4, 5, б -то же при 62 = 7,5-10"3 м; 7, 8, 9-то же при 5j= 0,4-Ю"3 и62=5,0-10"3 м; х - координата толщины, м; Т - температура, К.

Координата я о , м

Рис. 7. Изменение температурного поля стальной пластины (52=10-10"3 м) с полиэфирным покрытием (51=0,2-10'3 м) во времени: 1, 2, 3, 4 - при Т„ = 350 К и т = 1, 5, 10 и 30 с соответственно; 5, 6, 7, 8 - при Тп = 450 К и т = 1, 5, 10 и 30 с соответственно; Тв(т) = Тс(т) = 873 К.

примерно в 2 раза при изменении его температурного режима на 15... 20 К, открывается возможность при тепловой обработке получения покрытий с градиентными свойствами по толщине посредством соответствующего формирования тепловых режимов в нагревательных устройствах.

Сопоставление расчетов температурных режимов плоских и цилиндрических систем "изделие-покрытие" по полученным теоретическим решениям с собственными результатами лабораторных и натурных исследований, а также с экспериментальными данными Лейбзон Л.Н. и др. (керамическая плитка, керамический и силикатный кирпич) показало их согласие с приемлемой для практики точностью.

В диссертации показано, что поля температуры излучающих тепловые потоки поверхностей Тс(г) и теплоносителя Тв(г) по длине нагревательных устройств являются важнейшими технологическими факторами, определяющими, в основном, уровни тепловых воздействий на формирующийся композит. Ма-лоизученность этих факторов не позволяла оптимизировать процесс тепловой обработки строительных изделий с полимерным покрытием.

В четвертой главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования температурных полей в щелевых нагревательных устройствах с вертикально и горизонтально ориентированными рабочими пространствами.

Установлено, что в ряде вертикальных печей (М-24, С-24, Б-30, Б-140) с проходящим теплоносителем температурное поле стенок рабочего пространства и теплоносителя существенно неравномерны как по горизонтальным сечениям, так и по высоте. Наибольшая неравномерность (до 83 °С) температуры стенок по периметру в горизонтальных сечениях наблюдалась в нижней части, на 1/3 высоты печей, а наименьшая (11,6 °С) - в верхней 1/3 части. Осреднен-ные в горизонтальных сечениях температуры стенок изменяются по высоте от 38 °С до 643 °С, а теплоносителя - от температуры воздуха в цехе до 367 °С.

Для расчета осредненных по горизонтальным сечениям полей температуры ТВ(Ь) и ТС(Ь) в этих устройствах с учетом теплообмена излучением разработан экспериментально-теоретический метод (идея метода предложена доцентом ТГАСУ Трифоновым Ю.М.), суть которого заключается в опытном определении "торцовых" функций, учитывающих усиленный теплообмен конвекцией, тепловым излучением и теплопроводностью (через поддерживающие металлические конструкции), а также сложные аэродинамические процессы на входе в печь и на выходе из нее. Применение в дополнение метода элементарных тепловых балансов А.П.Ваничева позволило создать методику расчета распределений температуры стенок рабочей камеры ТС(Ь) и теплоносителя ТВ(Ь), скорости теплоносителя \¥(К) с приемлемой для практики точностью.

Применительно к футеровкам горизонтальных нагревательных устройств с одной, двумя и тремя отдельно регулируемыми тепловыми зонами получены, при использовании конечного интегрального косинус-преобразования Фурье,

точные аналитические решения задач двумерной теплопроводности. Эти решения позволили установить характер изменения температурных полей стенок рабочих камер Тс(г) и кожуха Тк(г) вблизи торцевых поверхностей и вблизи контакта зон с различной мощностью нагревателей при учете и без учета теплообмена на торцовых поверхностях.

Результаты натурного исследования температурных полей теплоносителя Т,(г) по длине двухзонных (Р02-5/15М, Р02-10/30, Р02-15/40МК) и четырех-зонных (Р-28) циркуляционных горизонтальных печей позволили убедиться в их существенной неравномерности по ширине рабочего пространства, достигающей 68 °С, и в возможностях управления этими полями изменением чисел оборотов лопаток печных вентиляторов, мощности тепловыделений в зонах, изменением температуры нагревательных элементов узлов каталитического окисления паров растворителей, положением регулирующих заслонок и шиберов. Одновременно, по разработанным в лабораторных условиях методикам, суть которых заключается в использовании четырехэкранной подвижной термопары и метода трех термопар с различными диаметрами термоэлектродов, исследованы закономерности изменения эффективной температуры излучающих поверхностей Тс(г) по длине этих нагревательных устройств. Для всех исследуемых горизонтальных циркуляционных печей установлено, что разность температуры Тс(г) - Тв(г) составляет 8 ...13 К по всей длине, за исключением зон длиной 0,3 ... 0,4 м вблизи торцов.

Выполнены прямые измерения температурных режимов сваренных в стык термопар различных диаметров с полиэфирным покрытием (со скоростью регистрации температуры 5 раз в секунду), перемещаемых в рабочих камерах вертикальных и горизонтальных нагревательных устройств с различными скоростями при помощью специально созданного устройства. Сопоставление полученных опытных режимов и результатов их расчета по аналитической зависимости (37) показало их удовлетворительное согласие (максимальное расхождение составило 7,3 %).

Полученные теоретические и экспериментальные результаты создали основу для оптимизации температурно-скоростных режимов тепловой обработки изделий плоской и цилиндрической форм с полимерным покрытием. Однако ее практическая реализация оказалось под сомнением из-за отсутствия надежных данных по влиянию режимов тепловой обработки на качество полимерных покрытий. Наиболее достоверные результаты по решению этой задачи (применительно к технологии изготовления проволочных строительных коннекторов, эффективность использования которых в слоистых ограждающих конструкциях будет показана ниже) удалось получить при анализе показателей качества четырех типов покрытий, нанесенных на медные, алюминиевые и стальные проволоки в 8 агрегатах на производственной базе АЛО "Сибкабель" с использованием испытательного оборудования Центральной заводской лаборатории этого объединения.

В пятой главе, на основе испытаний стандартными методами более 32 тыс. образцов установлено, что неравномерность качественных показателей покрытий по длине изделий может достигать 200 % и обусловлена, кроме неравномерности входных параметров сырья, неравномерностью температурного поля по ширине рабочих пространств нагревательных устройств и периодическими колебаниями температуры в них с периодом 150...430 с и амплитудой до 28 °С. Результаты испытаний показали, что электрическая прочность покрытий наиболее чувствительна к режимам тепловых воздействий в отличие от считавшегося ранее обобщенного показателя качества (пробивного напряжения). При достижение максимума этого показателя на кривой его изменения в зависимости от скорости перемещения систем "изделие-покрытие" при неизменных тепловых режимах нагревательного устройства обеспечивается достижение максимума прочности на истирание, максимума величины адгезии и минимума тангенса угла диэлектрических потерь в случаях, когда величина А находится в пределах 0,77... 0,82. Изменение теплового режима нагревательного устройства без обеспечения величины А в указанных пределах смещает экстремумы относительно друг друга. Эти результаты полностью согласуются с теорией створа И.А.Рыбьева, что позволяет уверенно рекомендовать использовать электрическую прочность в качестве информативного признака качества термореактивных полимерных покрытий в наибольшей степени отражающего оптимальность их структуры при завершении тепловой обработки.

Использование предложенного информативного признака качества термореактивных полимерных покрытий позволило впервые установить, что неравномерность показателей качества по длине изделий определяется, в основном, амплитудой и частотой колебаний полей температуры в рабочих пространствах нагревательных устройств, обусловленных работой систем регулирования температуры.

Доказано, что максимальная стабильность качества полимерных покрытий при минимальном разбросе характеристик достигается при отношениях времени тепловой обработки композитов т0 к периоду колебаний температуры в зоне основной технологической обработки т„ равных целым числам (рис. 8), а максимальная производительность существующего технологического комплекса с минимальными энергозатратами при наилучшей стабильности качества покрытий обеспечивается в случае т0/т„ = 1 без ограничений на частоту и амплитуду колебаний. Полученная закономерность является принципом технологической корректировки температурно-скоростных режимов тепловой обработки строительных изделий с полимерным покрытием, реализация которого на практике обеспечивает гарантированное качество композитов.

Полученная совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет построить общую методологию оптимизации технологии строительных изделий с полимерным покрытием по критерию минимума энергозатрат при тепловых воздействиях на формирующийся композит.

Рис. 8. Характер изменения относительной электрической прочности покрытий в зависимости от относительного времени тепловой обработки:

1 - результаты экспериментов, соответствующих началу отсчета

т0 по кривой "а" (при максимальном значении температурного уровня Ттах в рабочем пространстве нагревательного устройства);

2 - результаты экспериментов, соответствующих началу отсчета

х0 по кривой "б" (при минимальном значении температурного уровня Тт;„ в рабочем пространстве нагревательного устройства); тп = 2тк.

Л - алюминий; О - медь; А - сталь.

Оптимизационный процесс строится по принципу максимального быстродействия, достаточно полно разработанного в работах В.М.Вичака на основе теории и методов оптимального управления системами с распределенными параметрами.

На первом этапе для конкретного покрытия определяется теоретически возможный оптимальный график тепловой обработки Т,от(г)с учетом ограничений (2)-(5). На втором этапе определяется функция теоретического линейного теплового потока (2°т(г) для покрытия с конкретным изделием, обеспечивающего выполнение графика Т°т(г). На третьем этапе для конкретного нагревательного устройства с учетом всех ограничений и тепловых потерь отыскивается минимум критерия

Кэ=[<3„0) -ОГО*)], (4°)

где (2Н (г) - распределение мощности источников теплоты по длине нагревательного устройства.

Для практического использования критерия (40) разработан пакет прикладных программ "ОРТ1М".

Оптимизация температурных полей и аэродинамического режима в рабочем пространстве нагревательного устройства агрегата РОИ-5/15М, наряду с реализацией установленного принципа технологической корректировки режимов позволила, повысить скорость тепловой обработки изделий с полиэфирным лаковым покрытием на 55...68 %, снизить удельный расход электроэнергии на 36...44 %, снизить расход лака на 14...18 %, снизить неравномерность качественных показателей покрытий (механическая и электрическая прочность) по длине изделий с 89 %до21 %. Практическая реализация критерия (40) на агрегате РСг-15/40МК и выполнения обоснованной в связи с этим энергетической реконструкции нагревательного устройства (установка нагревателей в зеве и на необогреваемых стенках рабочего пространства за счет их уменьшения в рабочем пространстве) позволила повысить его производительность на 42...74 %, снизить удельный расход электроэнергии на 38...63 %, снизить расход лака на 24...41 %, снизить неравномерность электрической прочности по длине изделий с 73 % до 17 %, снизить вредные выбросы в атмосферу в среднем на 32 %.

В шестой главе приведены сведения о практическом использовании полученных результатов исследования. Доказано, что применение дешевых стальных коннекторов с защитным покрытием в ограждающих многослойных конструкциях при одинаковой толщине утепляющего слоя с теплопроводностью менее 0,75 Вт/м2К эффективнее по теплозащитным свойствам колодцевой кладки более, чем в 4 раза. Для изготовления строительных коннекторов разработаны и реализованы в промышленности два варианта технологии получения

многослойных защитных покрытий с нанесением из раствора или из расплава термореактивных смол основного слоя и из расплава термопластичной смолы -противостоящего щелочной среде дополнительного слоя.

В первом варианте использована в качестве тепловой установки модифицированная двухъярусная система из четырех откатных электропечей агрегата СОГ-15. Модификация заключалась: в установке циркуляционных систем и узла каталитического окисления паров растворителей, разработанного в институте катализа СО РАН; в устройстве вертикальных щелевых завес на входе одной и на выходе из другой печей в верхнем и в нижнем ярусах, отсекающих выбросы паров растворителя в рабочую зону; в модификации контура движения теплоносителя и устройств регулирования потоков теплоносителя; в распределе-• нии мощность тепловыделений по длине каждой печи на основе оптимизации режимов тепловой обработки. Это позволило увеличить производительность агрегата при тепловой обработке стальной проволоки диаметром 4 мм с 0,031 до 0,050 м/с, снизить удельные расходы тепловой энергии с 358 до 220 кДж/кг, снизить разброс электрической прочности кремний органических покрытий с 44 до 20 % при экономии растворов этого и других термореактивных пленкообразующих материалов не менее 14%, исключить выход паров растворителей в рабочую зону и уменьшить их выброс в атмосферу в 9,4 раза (получить при этом не менее 10 % дополнительной тепловой энергии в узле каталитического окисления).

Во втором варианте каждый слой трехслойного покрытие на основе расплавов смол ПИ-25, ТС-1 и др. подвергается тепловой обработке в последовательно расположенных четырехзонных нагревательных устройствах, что позволило исключить частичную деформацию полимерного покрытия на поворотных роликах, имеющее место в агрегатах СОГ вследствие больших усилий, необходимых для натяжения изделий крупных сечений, и более точно осуществить оптимальный режим тепловой обработки. Производительность этого агрегата почти в 5 раз выше производительности агрегатов СОГ-15, отсутствуют вредные выбросы в окружающую среду. В настоящее время агрегат успешно работает в республике Узбекистан (г. Ташкент).

Разработаны методики расчета режимов тепловой обработки цилиндрических и плоских изделий с термореактивным покрытием на основе полученных аналитических решений и пакеты соответствующих прикладных программ. Теоретические результаты используются в курсах лекций в ТГАСУ.

На основе аналитических решений задач двумерной теплопроводности выполнена оптимизация измерительных ячеек и изготовлены установки по измерению теплопроводности строительных материалов. Установки успешно эксплуатируются в Инженерном центре "Оргстрой", КузНИИшахтстрой, НПО "Карболит" (г. Кемерово), в научно-исследовательском и проектно-технолошческом институте строительных материалов "СИБИНВЕСТСТРОМ" (г. Новокузнецк), в испытательном центре "СТРОМТЕСТ" (г. Томск), аккредитованном Госстроем и Госстандартом РФ, в учебном процессе Томского ГАСУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана обобщенная физико-математическая модель процесса непрерывной тепловой обработки плоских и цилиндрических изделий и материалов с покрытием на основе растворов и расплавов термореактивных полимерных композиций в щелевых электропечах с распределенными управляемыми параметрами при радиационно-конвективном способе подвода или отвода теплоты к системам "изделие-покрытие". На основе методов системного анализа выполнена декомпозиция сложной математической модели, что позволило методами интегральных преобразований Лапласа и Фурье с линеаризацией парабол искомых температур кусочно-линейными функциями получить новые аналитические решения, связывающие распределенные управляемые режимные параметры радиационно-конвективных нагревательных устройств непрерывного действия с физико-химическими процессами в цилиндрических и плоских системах "изделие-покрытие".

На основе полученных аналитических решений и разработанных программ численного расчета, при использовании экспериментально определенных коэффициентов теплопереноса с привлечением конкретных данных современного материаловедения в области полимеров, выполнен параметрический анализ закономерностей формирования температурных полей в плоских и цилиндрических системах "Изделие-покрытие". Установлено, что в зонах быстрого нагрева время достижения заданных уровней температуры на границе покрытия с подложкой плоских систем не зависит от толщины конкретной подложки.

Обоснована возможность получения полимерных покрытий либо с усилением градиентных свойств по толщине, либо с исключением дополнительных переделов контролируемого набухания и вторичной тепловой обработки покрытий, например в технологии диффузионной модификации эпоксидных покрытий фурановыми соединениями.

2. На основе физического моделирования и экспериментальных исследований в производственных условиях (обобщено более 83 тыс. опытных точек) изучены закономерности формирования температурных полей и условий теплообмена, определяющих интенсивность воздействия лучисто-конвективных потоков теплоты на изделия с покрытием по длине и ширине рабочих пространств вертикальных и горизонтальных щелевых электропечей.

Экспериментально определены температурные режимы систем "изделие-покрытие" для конкретных условий непрерывной тепловой обработки, сопоставление которых с теоретическими расчетами и результатами известных исследований показало их удовлетворительное согласие. Установлено, что неравномерность температурных полей и аэродинамических условий в перпендикулярных направлению движения изделий сечениях рабочего пространства конкретных электропечей существенно влияет на ка-

чество покрытий, характеристики которого определялись стандартными методами (испытано около 32 тыс. образцов). Например, для покрытий на основе эмальлака Р-35 "Теребек" разброс пробивного напряжения достигал 114 %, а по механической прочности - более 36 %.

Показано, что оптимизация тепловых режимов нагревательных устройств при непрерывной тепловой обработке конкретных изделий с полимерным покрытием позволяет получить максимальную производительность технологического комплекса с минимальными энергозатратами.

3. Исследовано влияния изменений характеристик тепловых воздействий, обусловленных системами автоматического регулирования, на качество получаемых композитов и на основе их обобщения установлен принцип технологической корректировки температурно-скоростных режимов тепловой обработки, заключающийся в том, что максимальная стабильность качества полимерных покрытий достигается при отношениях времени тепловой обработки композитов х0 периоду колебаний температуры в зоне основной технологической обработки т„ равных целым числам, а максимальная производительность технологического комплекса с минимальными энергозатратами и требуемым качеством покрытий обеспечивается при т0/х„ = 1. На основе этих исследований сформулированы требования к системам управления технологическими режимами непрерывной тепловой обработки.

4. На основе выполненных исследований разработана совокупность технологических и технических решений, обеспечивающих при их промышленном использовании повышение производительности линий по производству защищенных полимерными покрытиями изделий на 30...60 % при снижении энергозатрат на 25...50 % на единицу продукции.

Разработаны пакеты прикладных программ расчета режимов скоростной тепловой обработки полимерных термореактивных покрытий на различных материалах и изделиях плоских и цилиндрических форм, что позволяет оптимизировать работу действующего оборудования и создавать новые технологические агрегаты, управляемые по критериям максимальной производительности при заданном уровне качества композитов и минимальных энергозатратах.

Теоретические результаты исследований и разработанные на их основе средства измерения теплопроводности строительных материалов и теплозащитных свойств наружных ограждений используются в учебном процессе.

5. Основные положения работы и полученные результаты прошли промышленную аппробацию на предприятиях Томской области (СПАО "Химстрой", АО "Томскстрой", ИЧП "Курсор", заводе керамических материалов и изделий, АО "Сибкабель" и других), Кемеровской области (Инженерный центр "Оргстрой" - г. Кемерово, Научно-исследовательский и проектно-технологический институт строительных материалов "СИБ-ИНВЕСТСТРОМ" - г. Новокузнецк).

Список основных опубликованных работ по теме диссертации.

1. Цветков H.A., Чижик Ю.И. Исследование теплофизических свойств сухой основы эмальлака ПЭ-939//Инженерно-физический журнал,- 1983.Т. 44, N 1.- С. 137.

2. Цветков H.A., Цветкова JI.H., Молодежникова Л.И. Влияние осевой теплопроводности на температурный режим круглых проводов вблизи входа в нагревательное устройство// Инженерно-физический журнал. - 1985,- Т. 49, N 1.-С. 149.

3. Цветков H.A., Лычагин В.В. Экспериментально-теоретический метод расчета полей температуры в вертикальных протяжных электропечах// Инженерно-физический журнал.- 1985. - Т.48, N 1,- С. 157.

4. Цветков H.A., Цветкова JI.H. Аналитическое исследование задач нестационарного радиационно-конвективного теплообмена проволоки с покрытием в технологиях эмалирования из раствора и расплава II Аналитические методы расчета процессов тепло-и массопереноса: Тез. докл. Всесоюз. совещ. - Душанбе, 1986.- С. 62-63.

5. Цветков H.A. Подготовка исходных данных для САПР высокоэффективных протяжных электропечей // САПР электротехнических систем: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., Куйбышев, 1985.- С. 101.

6. Цветков H.A., Лычагин В.В. Оценка температурных режимов проводов при их изолировании стекловолокном с применением расплавов термопластичных смол //Инженерно-физический журнал. - 1985.- Т.49, N 2.- С. 332-333.

7. Цветков H.A., Ляликов A.C., Цветкова Л.Н. и др. Температурные режимы эмалирования проводов на вертикальных эмальагрега-тах//Промышленная теплотехника.-1985.- Т.7, N 4,- С.83-86.

8. Цветков H.A., Овчинникова С.Л., Дроганова Л.В. Повышение эффективности эмалирования проводов с различными видами изоляции/Электрические и радиотехнические цепи и системы: Тез. докл. Меж-респ. науч.-техн. конф. - Пермь, 1986. - С. 105.

9. Цветков H.A. Анализ полей температуры в горизонтальных многозонных электропечах для термообработки проволоки /НИИ строит, материалов при Томск. инж.-строит, ин-те. - Томск, 1990. 17 с.: ил. - Библиогр. 2 назв. - Рус. Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО 30.08.90, N 125 - эт 90.

10. Цветков H.A., Чижик Ю.И. Радиационно-конвективный теплообмен при непрерывной термообработке в печах с переменным температурным полем /НИИ строит, материалов при Томск, инж.-строит, ин-те. -Томск, 1990. -16 е.: ил. - Библиогр.: 4 назв. Рус. - Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО 30.08.90, N 124-эт 90.

11. Цветков H.A., Цветкова Л.Н., Чижик Ю.И. Реконструкция системы горизонтальных печей для термообработки стеклообмоочных проводов крупных сечений /НИИ строит, материалов при Томск, инж.-строит. ин-

те.-Томск, 1991.- 18 е.: ил. - Библиогр.: 4 назв. - Рус. - Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО 03.10.91, N 72 - эт 91.

12. Цветков H.A., Чижик Ю.И., Дроганова JI.B. Закономерности формирования температурных полей печи предварительного нагрева агрегата Р-28/ НИИ строит, материалов при Томск, инж.-строит. ин-те,- Томск, 1992.- 9 е.: ил,- Библиогр.:4 назв.-Рус.- Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО 23.06. 92, N 26-эт92.

13. Цветков H.A., Карауш С.А., Скачков С.И. Оценка влияния боковых теплопотерь при определении теплофизических свойств строительных материалов //Изв. вуз. Строительство.--1992-N 1,-С. 120-122.

14. Балух В.Л., Цветков H.A., Карауш С.А. Теплофизические свойства карбамидного утеплителя в интервале температур от -20 до +50 °С//Изв. вузов. Строительство.-1993.-Ы З.-С. 55-56.

15. Недавний О.И., Карауш С.А., Цветков H.A. Теория, методы и средства неразрушающего контроля качества строительных материалов и конструкций // Создание и модификация строительных материалов с целью повышения их эффективности: Материалы к науч.-техн. конф. "Современные проблемы строительной науки". - М.: Изд-во МГСУ, 1993. - С. 43-44.

16. Карауш С.А., Цветков H.A., Скачков С.И. Оптимизация работы туннельной электропечи для обжига керамики // Изв. вузов. Стр-во. - 1993. -N2.-С. 109-111.

17. Цветков H.A., Ляликов A.C. Методики инженерных расчетов температурных режимов проводов при их термообработке/ НИИ строит, материалов при Том. инж.- строит, ин-те. - Томск, 1993. -162 с. : ил. - Библиогр.: 8 назв. -Рус. -Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО 28.06.93, N. 27 -эт 93.

18. Цветков H.A. Особенности тепловой обработки защитного термореактивного покрытия на строительных материалах и изделияхУ/Материалы. технология, организация и экономика строительства: Сб. тез. докл. науч.-техн. конф., Новосибирск, апр. 1993 г. - Новосибирск, 1993. - 4.2 - С. 15-16.

19. Цветков H.A., Дроганова Л.В., Скачков С.И. Численный анализ те-плопереноса в системе " изделие-покрытие" при радиационно-конвективном подводе теплоты к поверхности покрытия/НИИ строит, материалов при Томск, инж.- строит, ин-те. - Томск, 1993. -21 с. : ил. - Библиогр.: 4 назв. -Рус. -Деп. в ВНИИЭСМ 23.04.93, N 1925.

20. Цветков H.A., Цветкова Л.Н. Мероприятия по улучшению экологии зон рабочих мест и окружающей среды в произдетвах с использованием токсичных растворителей // Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование: Сб. тез. докл. регион, науч.-техн. конф., Новосибирск, апр., 1993 г. - Новосибирск, 1993. - 4.2 - С. 14.

21. Цветков H.A. Формирование свойств защитных полимерных композиций на поверхности изделий при тепловой обработке // Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций: Сб. докл. Междунар. конф. Белгород, 20-22 апр. 1993 г. - 4.2. Проблемы строи-

тельного материаловедения и новые технологии производства изделий и конструкций,- Белгород.-1993.-С. 242.

22. Цветков H.A., Цветкова J1.H. Снижение токсичных выбрасов и утилизация отходов эмальпроизводства в строительстве// Экология и ресурсосбережение: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 17 нояб. 1993 г. - Могилев, 1993 г. - С. 81.

23. Дувидзон Н.В., Цветков H.A., Фролова Т.В.. Разработка новых эффективных способов повышения долговечности и декоративности гипсовых изделий //Изв. вузов. Строительство.- 1993.- N 11,12. - С. 43-45.

24. Цветков H.A. Формирование качественных показателей органических покрытий на основе термореактивных смол при термической обработке/НИИ строит, материалов при Томск, гос. архит.-строит. акад.-Томск, 1994.-10 с.:ил.-Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО, N 17-эт94.

25. Цветков Н.А-. Математическая модель термообработки протяженных цилиндрических тел с термореактивным покрытием//Сопряжен-ные задачи физической механики и экология: Материалы междунар. совещ.-семинара, Томск, 1994.-С.169-171.

26. Патент N 2017699 РФ, МКИ С 04 В 28/14, 38/00. Композиционный гипсовый материал/Дувидзон Н.В., Шлыкова Г.Г., Цветков H.A.-N 5006328; Заявлено 4.07.91; Опубл. 15.08.94/Юткрытия. Изобретения.-1994.-М 15.

27. Цветков H.A. Оптимизация режимов термообработки эмальпрово-дов и конструкций протяжных электропечей по критерию экономии энерго-ресурсов//Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тез. докл. per. науч.-техн. конф., Иркутск, 1994.-Иркутск, 1994.-Ч.2.-С. 11.

28. Цветков H.A. Разработка методов и средств измерения эффективной теплопроводности материалов наружных ограждений //Изв. вуз. Строительство. -1994. -С. 104-106.

29. Цветков H.A. Теплоперенос в составных цилиндрических телах с органическим покрытием при радиационно-конвективном теплообме-не//Инженерно-физический журнал.-1995.-Т. 68, N 4.-С. 695-696.

30. Цветков H.A. Управление температурными режимами при термообработке плоских тел с органическими термореактивными покрытиями/Инженерно-физический журнал,- 1995.-Т. 68, N 6.-С. 991-997.

31. Tsvetkov ,N.A., Skachkov S.l. Mathematical modeling of heat transfer in system of bodies with organic coating//The Scientific Conference On The Use Of Research Conversion Results In The Siberian Institutions Of Higher Education For International Cooperation (SIBCONVERS'95). Abstracts. - Russia, Tomsk, 4-6 October.- Tomsk:Tomsk State Academy of Control Systems and Radioelectronics, 1995.-P. 76.

32. Цветков H.A., Скачков С.И. Математическая модель термообработки полимерных покрытий на строительных материалах и изделиях//Изв. вузов. Строительство.-1995.- N 12.-С. 53-57.

33. Цветков Н.А. Формирование температурных режимов и качества многослойных термореактивных покрытий на проволоке при радиационно-конвективном теплообмене/ЛГеплофизика высоких температур,-1995.-Т. 33, N2.-0. 336.

34. Цветков Н.А. Обоснование и разработка технологии нанесения термореактивных покрытий на строительные материалы и изде-лия//Композиты. Народное хозяйство России (Композит'95): Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., Барнаул, 1995. - С. 60.

35. Патент N 2059179 РФ, МКИ Б 27 В 9/02. Тепловой агрегат I О.И. Недавний, Н.А. Цветков, С.А. Карауш, С.Б. Беленков.^ 5040208/33; Заявлено 28.04.92; Опубл. 27.04.96; Приоритет 28.04.92/Юткрытия. Изобретения,- 1996.-N 12.-6 е.: ил.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ т - время; х, у, ъ - размерные декартовы координаты; X, У, Ъ - безразмерные координаты; Ь, 1 - длина; Н, Ь - высота; , г0 - наружный радиус покрытия и изделия; с! - диаметр изделия; б - толщина; Б - площадь теплообмена;

- скорость теплоносителя; v - скорость перемещения системы "изделие-покрытие"; ^^ - содержание растворителя; и - энергия активации; К - газовая постоянная; Т, 1 - температура; 0 - относительная температура; & - избыточная температура; ДТ, Д1- разность температуры; р - плотность; с - теплоемкость; ц в, - динамическая и кинематическая вязкость теплоносителя; а -коэффициент конвективного теплообмена; е - степень черноты; еа - поправка на угол атаки; ф - угловой коэффициент облученности; а0 - константа излучения Стефана-Больцмана; Х- коэффициент теплопроводности; аь а2- коэффициенты температуропроводности полимерного покрытия и материала изделия; я - плотность теплового потока; № - число Нуссельта; Яа - число Ре-лея; К.е - число Рейнольдса; Кг - число Кирпичева; В! - число Био; ЬЬ -число Лебедева; 8к - число Старка; Ро - число Фурье; Рг - число Прандтля.

Нижние индексы:

1 - покрытие; 2 - изделие; о - окружающая среда; с - стенка; в - теплоноситель; р - расплав; к - кожух; н - нагреватель; кип - кипение.

Автор выражает благодарность коллективам отдела № 6 НИИ строительных материалов и кафедры "Теплогазоснабжения и вентиляции" за методическую и помощь в оформлении диссертации.

Подписано к печати 08.09.98 г. Заказ № 391 . Тираж 100 экз. Томск, ул. Партизанская ,15, Издательство ТГАСУ

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Томский государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

Цветков Николай Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ, ОПТИМИЗИРОВАННАЯ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ФОРМИРУЮЩИЙСЯ КОМПОЗИТ

V

05.23.08 - Технология и организация промышленного и гражданского строительства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Президиум ВАК России ;

ешение от"_"__19_г., №__) 1

зисудиА ученую степень ДО К' Г\_

>:1Э-Ч альн и к упра.;.

Томск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ....................... 21

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ С ОРГАНИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ ................. 23

1.1. Основные технологии защитных, защитно-декоративных и декоративных

полимерных покрытий .............................. 24

1.2. Анализ исследований в области тепловой обработки полимерных покрытий на различных материалах........................................ 37

1.3. Анализ исследований взаимодействия пространственно-временных тепловых полей нагревательных устройств с системами "изделие-покрытие" при радиационно-

конвективном теплообмене.......................... 48

1.4. Выводы............................................ 72

Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОТЫ НЕПРЕРЫВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ПЛОСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЯХ И МАТЕРИАЛАХ ..... 73

2.1. Математическая модель процесса диффузии растворителя из растворов пленкообразующих веществ на гладкой непроницаемой и пористой подложке......................................... 75

2.1.1. Экспериментальное исследование кинетики удаления растворителей из жидкой пленки полимерного покрытия ...................... 76

2.1.2. Обоснование математической модели режимов тепловой обработки полимерных покрытий

на стадии удаления растворителей.......... 80

2.2. Математическая модель тепломасопереноса в плоской и цилиндрической системах "изделие-покрытие"................................ 84

2.3. Экспериментальное исследование теплофизических свойств и коэффициентов теплопереноса............ 96

2.3.1. Экспериментальное исследование теплопроводности материалов полимерных покрытий ...... 97

2.3.2. Экспериментальное исследование конвективного коэффициента теплообмена цилиндрических тел........................ 129

2. 4. Математические модели теплового режима

вертикальных и горизонтальных нагревательных устройств........................................ 138

2.5. Декомпозиция обобщенной математической модели процессов при тепловой обработке материалов и изделий с органическими покрытиями на основе элементов системного анализа ..................... 159

2.6. Выводы............................................ 162

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ПЛОСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ "ИЗДЕЛИЕ-ПОКРЫТИЕ" ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ТЕПЛООБМЕНА НА ГРАНИЦАХ ........... 164

3.1. Теоретический анализ закономерностей формирования температурных полей в системе "изделие-покрытие" при тепловой обработке полимерных покрытий

на цилиндрических поверхностях.................... 164

3.1.1. Аналитические решения задачи теплопереноса в цилиндрических телах с термореактивным покрытием в приближении термически тонкого тела....................................... 165

3.1.2. Аналитические решения задачи радиационно-конвективного теплообмена составных цилиндрических тел с учетом теплопереноса

в покрытии................................. 182

3.2. Сопоставление результатов аналитического

и численного расчетов температурных режимов цилиндрических систем "изделие-покрытие".......... 195

3.3. Теоретический анализ закономерностей формирования температурных полей в системе "изделие-покрытие" при тепловой обработке полимерных покрытий

на плоских поверхностях........................... 204

3.2.1. Точное аналитическое решение задачи

3.4. Сопоставительный анализ результатов теоретических

и экспериментальных исследований температурных режимов в плоских и цилиндрических системах

"изделие-покрытие"................................ 216

3.5. Выводы........................................... 224

Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

С ОРГАНИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ.................... 225

4.1. Результаты аналитического исследования теплопроводности в футеровках многозонных нагревательных устройств.......................... 226

4.1.1. Аналитическое решение задачи двумерной теплопроводности применительно к футеров-кам однозоннных нагревательных устройств с горизонтально ориентированным рабочим пространством.............................. 226

4.1.2. Аналитическое решение задачи двумерной теплопроводности применительно к футеров-кам двухзонных нагревательных устройств

с горизонтально ориентированным рабочим пространством.............................. 231

4.1.3. Аналитическое решение задачи двумерной теплопроводности применительно к футеров-кам трех-и многозонных нагревательных устройств с горизонтально ориентированным

рабочим пространством...................... 234

4.2. Результаты лабораторных экспериментальных исследований температурных полей в футеровках нагревательных устройств, в вертикально и горизонтально ориентированных рабочих пространствах..................................... 246

4.2.1. Результаты исследования температурных полей в футеровках нагревательных устройств и их сравнение с результатами расчета............................. 247

4.2.2. Результаты исследования температурных полей в моделях рабочих пространств нагревательных устройств с целью обоснования методики измерений........... 255

4.3. Результаты экспериментального исследования температурных режимов в промышленных вертикальных электропечах непрерывного действия................ 264

4.4. Результаты экспериментального исследования закономерностей формирования температурных режимов в промышленных горизонтальных электропечах непрерывного действия............................. 276

4.4.1. Результаты экспериментального исследования закономерностей формирования температурных режимов в рабочем пространстве горизонтальных электропечей агрегата Р-28........ 277

4.4.2. Результаты экспериментального исследования закономерностей формирования температурных

режимов в рабочем пространстве горизон-

тальных электропечей агрегатов ........ 282

4.5. Выводы........................................... 288

Глава 5. ОПТИМИЗАЦИЙ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ

РЕЖИМОВ НЕПРЕРЫВНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

ИЗДЕЛИЙ С ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ ............. 291

5.1. Информативные признаки качества полимерных

покрытий......................................... 293

5.2. Результаты экспериментальной оценки влияния системы автоматического регулирования температуры

в тепловых объектах на качество тепловой обработки по длине изделий с термореактивными покрытиями........................................ 302

5.3. Принцип гарантированного качества тепловой обработки при производстве композитов

с термореактивным полимерным покрытием............ 314

5.4. Оптимизация режимных параметров в технологии строительных материалов с полимерным покрытием по критерию минимума энергозатрат при тепловом воздействии на формирующийся композит............. 318

5.5. Выводы........................................... 322

Глава 6. ОПЫТ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, НАПРАВЛЕНИЙ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ............................... 323

6.1. Технология нанесения защитных полимерных покрытий на гибкие связи (коннекторы) для энергосберегающих конструкций наружных стен из штучных материалов... 323

6.1.1. Перспективы применения проволочных коннекторов в конструкциях трехслойных наружных стен из штучных материалов........ 324

6.1.2. Реконструкция существующих и разработка новых нагревательных устройств для тепловой обработки защитных покрытий

на цилиндрических изделиях................. 335

6.2. Методики расчета режимов тепловой обработки цилиндрических и плоских изделий

с термореактивным покрытием....................... 342

6.3. Автоматизированные стенды для лабораторных исследований и приборы для натурного измерения эффективной теплопроводности строительных материалов и конструкций.......................... 346

6.4. Направления дальнейшего развития научных исследований..................................... 351

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................... 353

ЛИТЕРАТУРА........................................... 35?

ПРИЛОЖЕНИЕ. Документы, подтверждающие опыт и намерения промышленного использования полученных результатов исследования ................... 434

9

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы и ее связь с государственными программами. Значительное повышение долговечности и других эксплуатационных качеств строительных материалов, изделий и конструкций достигается при использовании полимерных покрытий на основе термореактивных смол. Это обусловливает непрерывное расширение как области применения известных, так и вовлечение в производство ранее неиспользуемых в строительстве термореактивных полимеров, в том числе отходов производств и некондиционного сырья электротехнической промышленности. Их уникальные свойства образовывать прочные, эластичные, неплавкие и нерастворимые тонкие покрытия, обладающие наибольшим электрическим сопротивлением и способностью длительно работать при высоких температурах на различных материалах, определили рациональную область их применения в строительстве (новые эффективные коннекторы, свойства которых определяют возможность успешной реализации энергосберегающих критериев при возведении строительных объектов, особенно для трехслойных наружных стен из штучных материалов; защита проволочной арматуры и изделий из нее; высококачественные защитно-декоративные покрытия на отдельных материалах для внутренней отделки зданий и сооружений; защитные покрытия архитектурных гипсовых и других изделий при реставрации и реконструкции зданий; защитно-декоративные покрытия штучных силикатных, керамических и многих других материалов).

Расширяется область применения термореактивных покрытий в специальных сооружениях (поверхностная защита коллекторов канализационных систем вследствие резко возросших химически активных сбросов; емкостей хранения в ряде производств сыпучих и

жидких материалов, а также при их консервации и захоронении; в составах пароизоляционных покрытий внутренних поверхностей кислотоупорной кладки стволов железобетонных и кирпичных дымовых труб; пропитка и поверхностные покрытия конструкций фундаментов теплового оборудования; защитно-технологические покрытия внутренних поверхностей труб инженерных сетей для снижения гидравлического сопротивления и защитные покрытия их наружных поверхностей).

Наиболее качественные покрытия на основе термореактивных полимеров получают при условии их тепловой обработки, с повышением уровня температуры проведения которой достигается резкое увеличение скорости химических реакций полимеризации или поликонденсации в покрытиях и улучшается ряд их эксплуатационных показателей.

Однако, применительно к новым условиям строительства, широкое использование композитов с полимерным покрытием сдерживается несовершенством наиболее перспективной непрерывной скоростной технологии их получения вследствие ряда причин:

1) отсутствием методологии создания и оптимизации работы технологических комплексов для тепловой обработки полимерных покрытий при уровнях температуры в нагревательных устройствах, значительно превышающих порог активизации термодеструктивных явлений, на основе системного подхода по обеспечению их максимальной производительности при минимальных энергозатратах и гарантированного получения заданного качества композитов;

2) отсутствием обобщенной математической модели процессов при тепловой обработке наиболее распространенных в строительстве цилиндрических и плоских изделий и материалов с полимер-

ным покрытием;

3) недостаточной изученностью процессов в системах "изделие-покрытие" при радиационно-конвективных тепловых воздействиях, обеспечивающих на стадии тепловой обработки формирование покрытий заданного уровня качества;

4) недостаточной изученностью закономерностей формирования пространственно распределенных параметров теплового поля с учетом поддержания оптимальных динамических пространственных характеристик его изменений в процессах тепловой обработки изделий различных масс и конфигураций, включая периоды удаления растворителей и отверждения покрытий.

Работа выполнялась в рамках программы "САПР" Минвуза РСФСР (тема 07.01.29 - 1976-1981 г.г., тема 3.151 - 1982-1987 г.г., утверждена приказом Минвуза РСФСР N 394 от 17.09.76 г.); программы "Теплофизика и энергетика" АН СССР (тема 19.1.4.2 -1984-1987); программы "Строительство" (тема 2.53 - 1991-1993 г.г., утверждена приказом ГКНВШ РСФСР N252 от 27.03.91 г.); программы "Архитектура и строительство" (тема 2.4.3.6 - 1994 -1997 г.г.); программы "Оптимизация использования природных, производственных и интеллектуальных ресурсов Томской области в интересах населения и народного хозяйства" (тема М1-РП -1993-1996 г.г., утверждена приказом ГК РФ ВО N 73 от 24.04.93 г.); гранта по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук (1994 - 1996 г.г., утвержд. приказом ГК РФ ВО N 516 от 30.12.93 г. ), а также тематических планов госбюджетных и хоздоговорных НИР Томского политехнического университета, Томского государственного архитектурно-строительного университета и НИИ строительных материалов при ТГАСУ.

Основная идея, положенная в основу уаботы над диссертацией, состоит в создании оптимальных температурно-временных режимов протекания физико-химических процессов в покрытиях на основе термореактивных смол, реализация которых обеспечивается в непрерывных нагревательных устройствах при уровнях температур в них, значительно превышающих наложенные ограничения по термодеструктивным явлениям в системе "изделие-покрытие".

Цель работы заключается в создании энергосберегающей технологии производства строительных композитов с полимерным покрытием, управляемых путем технологической корректировки пространственно-временных параметров теплового поля с учетом поддержания оптимальных динамических пространственных характеристик его изменений в процессах тепловой обработки изделий различных масс и конфигураций, включая периоды удаления растворителей и отверждения покрытий. Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

1) разработать методологию создания и оптимизации работы технологических комплексов для тепловой обработки полимерных покрытий на основе системного подхода по обеспечению их максимальной производительности при минимальных энергозатратах и гарантированного получения заданного качества композитов;

2) разработать обобщенную модель процессов тепломассопе-реноса при сложных тепловых воздействиях на формирующийся композит для наиболее распространенных в строительстве цилиндрических и плоских изделий и материалов с полимерным покрытием;

3) изучить динамику формирования температурных полей в непрерывно движущихся плоских и цилиндрических объектах "изделие-покрытие" на основе параметрического анализа при конвек-

тивном, радиационном и радиационно-конвективном подводе теплоты к покрытию и установить критерии оптимального управления тепловыми воздействиями;

4) исследовать аналитически и экспериментально закономерности формирования пространственно-временных параметров температурных режимов в рабочих пространствах щелевых электронагревательных устройств, обеспечивающих непрерывность технологического процесса;

5) установить связь между параметрами теплового воздействия на объект "изделие-покрытие" и качеством получаемой продукции;

6) разработать методики, алгоритмы и программы целенаправленного формирования и поддержания в динамическом режиме реального времени необходимых для обеспечения оптимального теплового воздействия на композит режимных параметров тепловой обработки с учетом максимума производительности, минимума энергетических затрат и получения требуемых эксплуатационных качеств покрытий;

7) выполнить промышленную апробацию предложенных технологических и технических решений.

Научная новизна работы состоит в углублении теоретических положений технологии скоростной тепловой обработки при производстве материалов и изделий с покрытием на основе растворов и расплавов термореактивных полимерных композиций, что конкретизируется следующим.

1. Разработана обобщенная физико-математическая модель процесса тепловой обработки строительного композита с полимерным покрытием. Впервые учтено влияние теплопереноса в покры-

тии, теплопроводности в композитах по ходу их движения, теплоты фазового перехода при удалении растворителей, теплоты химических реакций процессов плен�