книги из ГПНТБ / Перегудов, В. В. Тепловые процессы и установки технологии полимерных строительных материалов и изделий учебник

„В идеальном случае при замещении всего воздуха влагой, ч ш практически не наблюдается, градиент давлений тоже должен об­ ратиться в нуль.

На стадии изотермической выдержки материал вспучивается (имеется в виду тепловлажностная обработка полимерных компо­ зиций) и после этого подвергается охлаждению.

На стадии охлаждения пар из камеры удаляется (замещается холодным воздухом), за счет поверхностного испарения влаги тем­ пература поверхности материала и ее влагосодержание начинают снижаться (температура в камере tK стремится к температуре ок­ ружающей среды t0.c) •

отношению к рассмотренным в процессах подогрева и изотермиче­

новению разрежения в норах материала. Возникает градиент дав­

водит к замещению освобождающегося от влаги пространства пор воздухом.

Охлаждение материала в этот период происходит вследствие массообмена с окружающей средой (испарение влаги с поверхно­ сти) и за счет внешнего конвективного теплообмена.

Обработка материала в автоклавах и герметических формах при избыточном давлении. Процесс тепловлажностной обработки при избыточном давлении можно разделить на пять периодов:

1.Нагрев при атмосферном давлении.

2.Нагрев при избыточном давлении.

3.Изотермическая выдержка.

4.Охлаждение при избыточном давлении.

5.Охлаждение при атмосферном давлении.

Механизм тепло- и массообмена для стадий нагрева и охлаж­ дение при атмосферном давлении, а также изотермической выдерж­ ки разобраны, поэтому здесь кратко рассмотрим остальные перио­ ды: нагрев и охлаждение при избыточном давлении.

По мере подъема давления, а его при тепловлажностной обра­ ботке полимерных материалов максимально поднимают до 3—4 ат, остается справедливым неравенство между температурой среды tc, температурой пленки конденсата на поверхности материала ta и температурой материала tM.

При этих условиях пар продолжает конденсироваться на по­ верхности материала,- Сохраняются градиенты V t, V U и V Р. Однако по мере дальнейшего подъема давлений происходит посте­ пенное заполнение цор влагой и вытеснение воздуха из материала, что приводит к снижению V U и VP. К моменту изотермической выдержки V Р резко уменьшается, а иногда становится равным нулю. В это время при автоклавной обработке иногда наблюдается вынос влаги из материала в виде пара.

К моменту охлаждения при избыточном давлении градиент дав­ лений V Р обычно меняет свой знак, так как из материала начи­ нается выделение влаги. Свободный объем пор начинает снова за­ нимать паровоздушная смесь, которая прорывается навстречу по­ току влаги, выделяющемуся из материала. Эти'процессы приводят к резкому охлаждению поверхности и возникновению перепада тем­ ператур по сечению материала.

Поэтому скорость сброса пара из автоклава вплоть до получе­ ния в нем атмосферного давления является основным фактором, определяющим величину перепада температур между поверхностью

ицентром материала.

-§ 8. Теплоносители и источники тепла для внешнего обогрева

Для различных сушильных установок и установок стабилизации размеров изделий в 'качестве теплоносителя применяют нагретый воздух и дымовые .газы. Указанные теплоносители можно рассмат­ ривать как влажный воздух, свойства которого достаточно полно изучаются в курсе общей теплотехники [22]. Здесь рассмотрим прин­ ципы подготовки этих рабочих агентов.

Получение нагретою воздуха для установок, применяемых при производстве полимерных строительных материалов и изделий, осу­ ществляют в теплообменниках рекуперативного типа (см. гл. I V

§ 3). Подогрев наружного воздуха для превращения его в нагре­ тый происходит без сообщения' ему дополнительной влаги, следо­ вательно, его влагосодержанне в процессе нагрева не изменяется. Работа нагретого воздуха и параметры его состояния рассматрива- " ются в гл. V I I I § 6 при описании расчетов сушильного процесса.

Дымовые газы получают, сжигая любой вид топлива в топочных устройствах с последующим разбавлением наружным воздухом до необходимой температуры..

Экономическое сравнение нагретого воздуха и дымовых газов показывает, что для получения нагретого воздуха с учетом к. п. д. воздухоподогревателей необходимо перерасходовать около 10% тепла. По условиям техники безопасности предпочтение отдают на­ гретому воздуху, так как дымовые газы содержат некоторое коли­ чество окиси углерода, которая при неправильном использовании теплоносителя может оказать вредное воздействие на окружающий персонал.

Кроме того, дымовые газы могут содержать продукты горения серы, которые воздействуют на различные металлические части ус­ тановок, подвергают их коррозии в присутствии влаги. •

В производстве полимерных строительных материалов чаще применяют комбинированный метод внешнего обогрева. В этом случае нагретый воздух и дымовые газы применяют совместно с дополнительными источниками нагрева, такими как паровые ре­ гистры, ТЭНы, ламповые излучатели и др.

Паровые регистры выполняют в виде стальных труб, размещае­ мых в установке. Циркулирующий теплоноситель забирает тепло

Инфракрасные лучи в едином спектре электромагнитных коле­ баний занимают промежуточное положение между видимым светом и радиоволнами. Длина волны их составляет от 0,76-10- 4 до Ю - 2 м к . Энергия инфракрасных лучей передается излучением и затрачи­ вается на увеличение энтальпии облучаемого тела.

При подводе энергии инфракрасных лучей к материалу можно передать материалу тепла в десятки раз больше, чем при конвек­ тивном или контактном способе. Эффективность нагрева излучени­ ем зависит от величины коэффициентов поглощения, пропускания и отражения инфракрасных лучей материалом, т. е. от спектраль­ ных оптических характеристик материала. В свою очередь, эти ко­ эффициенты определяются длиной излучаемой волны инфракрас­ ных лучей, т. е. характеристикой источника излучения. Поэтому подбор излучателей надо вести, исходя из условий той длины вол­ ны, которая для данного материала имеет наибольший коэффи­ циент поглощения и наименьший коэффициент отражения. Инфра­ красные технические излучатели должны обладать возможно боль­ шим сроком службы, обеспечивать возможность равномерного нагрева облучаемых поверхностей и даватьвозможно большую плотность излучения.

332

Выпускаемые отечественной промышленностью инфракрасные излучатели делятся на две группы: газовые и электрические.

Газовые излучатели представляют собой металлические или ке­ рамические панели, нагреваемые газовым пламенем. Они дают

• мощные потоки излучения -и очень эффективны.

Электрические излучатели выпускают различных типов. Внача­ ле наибольшее распространение получили инфракрасные лампы на­ каливания, снабженные рефлекторными отражателями.

Рабочая температура таких ламп составляет около 2200°. Дли­ на волн от 0,8 до» 9 мк. Эти ламповые излучатели работают более 2000 ч и имеют мощность от 250 до 1550 вт.

Наша промышленность в настоящее время выпускает очень мощные трубчатые, кварцевые излучатели с плотностью потока инфракрасных лучей до 100 вт/см2. Эти излучатели состоят из квар­ цевой трубки, в которую заделана накаливаемая до 2400° С вольф­ рамовая спираль. Они дают поток инфракрасных лучей длиной волны 2—4 мк.

Выпускают также стержневые инфракрасные излучатели, стержни которых изготовлены из силита, карборунда, дисилицида

ные трубчатые излучатели ТЭНы на температуру 400—600° С. Эти ТЭНы—темные электрические нагреватели трубчатого типа, пред­ ставляют собой нихромовую спираль," запрессов.анную в металличе­ скую трубку и изолированную от нее порошкообразной окисью маг­ ния. ТЭНы дают излучение длиной волны 3—6 мк и служат более 6000 ч.

Инфракрасный нагрев в производстве строительных изделий с применением пластических масс широко применяется при изготов­ лении линолеума и в процессах сушки.

§ 9. Аэродинамика при внешнем обогреве материала

Установки для тепловлажностной обработки, где в качестве теп­ лоносителя применяется горячая вода и пар, рассчитывают по ме­ тодике, приведенной в гл.IV.

Различные сушильные установки, установки для сушки с поли­ конденсацией или полимеризацией материала, а также другие, где в качестве теплоносителя применяют нагретый воздух и дымовые газы, принципиально отличаются сопротивлением, оказываемым на пути движения теплоносителя, хотя и подчиняются одним и тем же законам.•

Основной особенностью использования газообразных теплоноси­ телей является та, что они транспортируются по каналам и уста­

133

продуктов горения и различных вредных газов, образующихся при частичной деструкции полимеров.

Анализом данных, полученных на сушильных установках, рабо­ тающих на разрежении, определено, что в них через различного рода неплотности прорывается из цеховых помещений 15—20% воздуха от объема подводимого теплоносителя. Этот подсасывае­ мый воздух приводит к неравномерности сушки, а главным обра­ зом снижает возможности интенсификации сушильных процессов. Учитывая размеры ограждающих конструкций установок и разре­ жение в них, достигающее 20—30 кГ/м2, необходимо знать, что ко­ личество подсасывающего воздуха в таких установках становится очень высоким.

а

Рис. 53. Схема движения теплоносителя в сушильной установке:

а — технологическая схема; б—эпюра давлений по пути движения теплоносителя

Воздух, подсасываемый в установку из цеха, плохо смешивает­ ся с теплоносителем, проходящим по установке, что приводит к значительному расслоению температур -по высоте сушильных ка­ налов.

. Поэтому ограждающие конструкции различных нагревательных камер, камер для охлаждения линолеума и сушильных установок для сокращения потерь тепла, в окружающую среду выполняют иометалла с применением теплоизоляции.

Тепловые установки, работающие по принципу созданного в них разрежения, характеризуются схемой, приведенной на рис. 53.

Рассмотрим технологическую схему и диаграмму давлений та­ кой установки, где в качестве теплоносителя используются дымо­ вые газы.

В топку / подаются газообразное топливо и воздух. Продукты горения за счет тяти, создаваемой вентилятором 5, через соедини­ тельный канал 2 поступают в смесительную камеру 3, куда подает­ ся воздух из окружающей среды'на разбавление продуктов горения

134

до необходимой температуры обработки, определяемой технологи­ ческим режимом.

Подготовленный таким образом теплоноситель за счет тяги вентилятора 5 проходит через соединительный канал 4 и нагнетает­ ся в тепловую установку 7 через соединительный канал 6. Так как установка работает на разрежении, то напор вентилятора 5 дол­ жен использоваться до нулевого значения на выходе из канала 6 в установку 7. По установке теплоноситель движется за счет тяги, создаваемой вентилятором 9, отбирается из нее через соедини­ тельный канал 8 и через трубу 10 выбрасывается в атмосферу.

Рассматривая схему движения теплоносителя, отметим, что на пути от топки 1 до установки 7 теплоноситель встречает сопротив­ ление трения о стенки каналов и местные сопротивления в виде изменения сечения, поворотов, а также резкое -изменение скорос­ ти при разбавлении газов в смесительной камере. На пути следо­ вания по установке теплоноситель встречает материал, называемый садкой, которая также оказывает сопротивление при движении теп­ лоносителя.

При отборе теплоносителя из установки по каналу 8 и трубе 10 возникают сопротивления трения и местные сопротивления. На основании изложенного под технологической схемой показана при­ мерная диаграмма сопротивлений такой установки.

Рассматривая AP=f\{w2) можно заметить, что в топке 1, где скорость теплоносителя меньше, чем в канале 2, нарастание' раз­ режения 'будет идти медленнее. В канале 2 скорость увеличения разрежения будет больше. В смесительной камере, где на пути теп­ лоносителя встретится местное сопротивление, вызванное резким увеличением скорости за счет разбавления газов, произойдет рез­ кое снижение давления.

Далее, в канале 4 скорость увеличения разрежения опять умень­ шится и вентилятор 5 на выхлопе должен создать напор, необходимый для проталкивания теплоносителя через канал 6. Если бы в тепловой установке не было подсосов воздуха через неплотности, то дальнейшее увеличение разрежения за счет сопротивления садки изделий шло по прямой, однако по мере прохождениятеплоносителя по установке.увеличивается и количество подсасываемого воз­ духа из окружающей среды. Поэтому разрежение в установке 7 увеличивается по • кривой. Дальнейшее возрастание разрежения вследствие большей герметичности каналов по сравнению с тепло­ вой установкой идет практически по прямой за счет сопротивления трению и местных сопротивлений.

Вентилятор 9 на выхлопе должен создать напор, необходимый для выбрасывания отработанного теплоносителя через трубу 10 в атмосферу.

Аэродинамический расчет тепловых установок, работающих на газообразных теплоносителях, производят с целью определения не­ обходимого напора и количества подаваемого теплоносителя для выбора вентиляционных установок, обеспечивающих необходимый режим движения теплоносителя.

135

Тогда, возвращаясь к разобранной выше схеме установки, при­ веденной на рис: 53, можно считать, что вентилятор 5 должен обес­ печить на всасывающей ветви необходимое разрежение для дви­ жения теплоносителя от топки до вентилятора и на нагнетающей ветви от вентилятора до тепловой установки. Вентилятор 9 дол­ жен обеспечить необходимое разрежение на всасывающей ветви от входа теплоносителя в тепловую установку до вентилятора и на выхлопе от него до выброса отработанного теплоносителя в атмо­ сферу.

Для выбора вентилятора необходимо знать количество транс­ портируемого теплоносителя и необходимый полный напор. Коли­ чество теплоносителя, как будет изложено ниже, при рассмотре­ нии тепловых установок выбирают по технологическим расчетам.

Рассмотрим определение полного напора для выбора вентиля­ торов.

Для вентилятора 5 (см. рис. 53) полный напор Я п слагается из всасывающего Я в с и нагнетающего Я н .

На всасывающей ветви (от топки до вентилятора 5) имеются сопротивления трения, местные сопротивления и сопротивления са­ мотяги, состоящие из необходимого разрежения в топке, опускания газов к каналу 2, поворота газов в канал 2 с изменением сечения, сопротивления трению в канале 2, выхода газов в увеличенное се­ чение смесительной камеры, изменения скорости в смесительной камере за счет разбавления газов воздухом, опускания газов к каналу 4, поворота газов в «анал 4 с изменением сечения и сопро­ тивления трению в канале 4. Следовательно, Я в с — сопротивление на всасывающей ветви будет складываться из сопротивлений тре­

противления: местное сопротивление на входе в канал 6, сопротив­ ление трению в канале 6, местное сопротивление поворота канала

139

димого вентилятора и равен сумме всасывающего и нагнетающего

потоку достигает веса частицы материала, слой материала увели­ чивается в'объеме, частицы переходят во взвешенное состояние. Та­ кое состояние слоя материала называется псевдоожиженным или кипящим слоем, а скорость газа, при котором частицы переходят в

137

ходятся частицы материала, то последние под действием силы тя­ жести осаждаются.

Гидродинамика фультрующего слоя материала. Величину по­ терь напора на преодоление сопротивления слоя зернистого мате­

Вработах, проведенных советскими учеными А. А. Акопяном,

А.Г. Касаткинам, М. А. Аэровым, Л. С. Лейбензоном и др., зани­ мавшимися установлением функциональной зависимости коэффи­ циента трения от критерия Рейнольдса, была создана модель структуры пористого слоя. Слой в этой модели представляется в виде «идеального слоя», состоящего из ряда цилиндрических пор, оси которых параллельны между собой (Л. С. Лейбензон).

Этот идеальный слой моделируется «фиктивным слоем» из ша­ ров одинакового диаметра, равного диаметру средней частицы идеального слоя. При этом сумма объемов пор фиктивного слоя должна быть равна сумме объемов поровых трубок идеального слоя; сумма поверхностей всех шаровых частиц фиктивного слоя должна быть равна сумме боковых поверхностей идеального слоя; пористость в обоих случаях должна быть одинаковой.

Объем собственно частиц в слое шаров одинакового диаметра

—(nd3/6)n.

138

Удельнаяповерхность 5 У Д твердых шарообразных частиц оди­ накового диаметра d в единице объема слоя равна

эквивалентный диаметр каналов между шарами

г для зерен любой формы с диаметром d 3

1 — 80

где "Ф — коэффициент, учитывающий зависимость эквивалентного диаметра частиц от их формы. Для частиц шаровой формы ар = 2/Зт Если w — скорость газа, отнесенная ко всему сечению слоя зер­ нистого материала, то истинная скорость течения газа wn в кана­

лах слоя может быть определена

сопротивления слоя частиц неправильной формы по сравнению со

139