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

процессов третьей группы поэтому необходимо рассматривать гид­ родинамические и тепло- и массорбменные, а иногда и химические

присущие целой группе. Такой подход способствует более деталь­ ному и систематическому изучению излагаемою далее материала. •

§ 2. Материальные и энергетические балансы установок

Для ведения процесса необходимы установка или аппарат, материалы, подвергаемые обработке, и энергия, затрачиваемая на обработку.

Установки должны обеспечивать ведение процесса по опреде­ ленным технологическим параметрам, создавать возможность лег­ кого регулирования параметров процесса и обеспечивать мини­ мальный расход энергии. Поэтому основные свойства установки: емкость, способность к самовыравниванию и запаздывание, долж­ ны обязательно учитываться при проводимых расчетах и конструи­ ровании установок для ведения того или иного процесса.

40

Под емкостью понимают способность регулируемого объекта накапливать вещество или энергию. Объекты — установки, могут быть одноемкостными, двухъемкостными и многоемкостными. Каждая емкость связывается с другой через какое-либо сопротив­ ление: тепловое, гидравлическое, электрическое или какое-либо дру­ гое. Для оценки влияния емкости объекта на процесс регулирова­ ния вводится коэффициент емкости объекта.

Коэффициентом емкости называют количество вещества или энергии, необходимое для изменения энергетического состояния объекта на одну единицу измерения этой энергии. Он характеризу­ ет скорость изменения регулируемого параметра при нарушении равновесия в объекте между подачей и расходом.

Самовыравниванием называют свойство объекта при изменении нагрузки без участия регулятора приходить в какое-то новое рав­ новесие. Объекты, обладающие этим свойством, регулируются лег­ че, чем объекты, не обладающие свойством самовыравнивания на­ грузки.

Под запаздыванием понимают свойство объекта реагировать на изменение нагрузки с некоторым опозданием. Этим свойством в большей мере обладают тепловые объекты с большой аккумули­ рующей способностью.

Ведение любого процесса по заданным параметрам достигается применением систем автоматического регулирования (САР), кото­ рые необходимо рассматривать как часть технологической установ­ ки, так как свойства установки и свойства САР определяют ход процесса только вместе как единое целое.

Полимерные материалы, подвергаемые обработке, несмотря на целый ряд положительных свойств, обладают и отрицательными, которые снижают их ценность для применения в строительстве. Существенными недостатками полимерных материалов являются: малая поверхностная твердость, высокий коэффициент термическо­ го расширения, повышенная ползучесть и горючесть.

Все эти свойства имеют особо важное значение в строительстве,

улучшить свойства готовых изделий. В чистом виде полимерные ма­ териалы поэтому применяют в строительстве очень редко (в основ­ ном это гидроизолирующие пленки), чаще всего используют поли­ мерные композиции, состоящие из полимера, наполнителя, пласти­ фикатора и других добавок.

Для определения расхода исходных материалов, выхода гото­ вой продукции и определения размеров и производительности уста­ новки проводят материальные расчеты, составляя материальный баланс.

Материальные балансы. По закону сохранения материи, вес ма­ териалов, поступающих на переработку, G\ должен быть равен весу материалов, получаемых в результате обработки G2 ,

41

где G n — потери материала.

Материальные балансы составляют для всего процесса или его части, для всех материалов, участвующих в процессе, или для одно­ го компонента.

Кроме того, материальный баланс составляют на единицу пере­ рабатываемого материала, на один час ведения процесса или на цикл.

Величина, на которую составляется материальный баланс, на­ зывается базой'баланса. Баланс, составленный на часть процесса, называют частным, а на весь процесс — общим материальным ба­ лансом.

Материальные балансы широко применяют в технике для оцен­ ки проводимого процесса с точки зрения выхода готовой продук­ ции. Наиболее совершенными процессами с технологической точки зрения будут такие, у которых выход готовой продукции будет бли­ же к теоретически возможному.

На основе выполненных расчетов материального баланса опре­ деляют необходимые габариты установки для ведения процесса. Отправной величиной для этого является необходимая (заданная) производительность установки по проводимому процессу.

Зная производительность и время обработки, определяют необ­ ходимую длину установки. А по количеству поступающего мате­ риала в единицу времени и коэффициенту заполнения поперечного сечения установки определяют ее высоту и ширину.

Производительность является основной характеристикой уста­ новки. По производительности и какой-либо основной единице, ха­ рактеризующей установку, определяют интенсивность процесса. Например, производительность .во времени дает характеристику интенсивности.

Материальные балансы можно представить в виде таблицы, иногда составляют материальные балансы в виде диаграммы, на которой в каком-то определенном масштабе изображают потоки материалов.

В табл. 2 «приводится примерный материальный баланс на про­ цесс окончательного вспенивания гранул пенополистирола. В каче­ стве базовой величины баланса принят 1 кг.

На основе приведенного баланса можно установить, что взято 1 кг гранул пенополистирола, из них получено 1,089 кг пенополис­ тирола с влажностью 10%. Далее, если подвергнуть сушке полу-

42.

пающего расплава, переданная тепловая энергия и выделившаяся тепловая энергия за счет химических реакций должны равняться; энергии расплава, выходящего из точки Ь, в сумме с работой, со­ вершенной расплавом.

(Еа.Га'Рй'Ч)

Рис. 17. Схематическое изображение процесса те­ чения установившегося потока расплава

Тогда по закону сохранения энергии уравнение энергетического баланса для течения расплава из точки а в точку Ъ может быть записано

44

энергию, 'потраченную на работу по перемещению расплава, назы­ вают работой привода и обозначают As-

Чтобы ввести расплав в точку а, надо тоже совершить работу — Аа, а на выходе из точки Ъ расплав будет совершать работу — Аь.

Рассматривая только механическую работу, совершаемую при сжатии или расширении расплава, а именно такая и происходит при введении расплава в точку а и на выходе из точки Ь, получаем

„Aa = (PV)a и Ab = {PV)b. (П.5):

Тогда полное уравнение энергетического баланса для течения рас­

общем виде описывает тепловую обработку материалов для пер­ вых двух методов, приведенных в классификации табл. 1. Тепловая

Уравнение теплового баланса составляют на всю установку, в которой ведется процесс, или на ее часть, за единицу времени, или на единицу веса перерабатываемого материала.

45

Г л а в а III

ОБРАБОТКА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Рассмотрим теоретические основы тепловой обработки за счет внутренних источников тепла.

Приложенная извне сила вызывает течение полимерных мате­ риалов, при этом внутри материала за счет вязкого трения выде­ ляется тепло, которое за счет теплопроводности, распространяется по материалу. Основной задачей определения условий тепловой обработки за счет внутренних источников тепла является -установ­ ление температурных полей, возникающих при разогреве за счет пластических деформаций материала.

§ 1. Нагрев теплопроводностью за счет внутренних источников тепла

Рассмотрим частный случай расцространения тепла теплопро­ водностью при наличии только внутренних источников тепла.

Тепловой баланс для тела, имеющего объем dV, внутри которо­ го выделяется тепловая энергия, можно записать

'"dt

47

тура поверхности пластины; а—коэффициент теплоотдачи от пла­ стины в окружающую среду.

48

дачи а и производительность источника тепла qE принята посто­ янной.

Следовательно, для расчета нагрева тел с внутренним источни­ ком тепла, каким является выделение тепла за счет вязкого трения пластической деформации, необходимо определить величину qE— производительность источника..

Производительность источника qE, где тепло выделяется за счет вязкого трения в материале при переработке, Э. Бернхард [3] пред­ лагает определять по следующей методике.

Рассмотрим показанный на рис. 18 элемент жидкости, первоначаль­ но имеющий форму куба. Если счи­ тать, что течение происходит вдоль оси X, а градиент .скорости сущест­ вует только вдоль оси Y, то дефор­ мируемый элемент через определен­ ный отрезок времени приобретет форму параллелепипеда. Если ско­ рость движения верхней грани от­ носительно нижней равна dw, то скорость деформации будет равна dwldy. Чтобы разность между ско­ ростями верхней и нижней поверх­ ностей оставалась постоянной, к верхней поверхности необходимо

приложить силу. Отношение этой силы к поверхности и дает на­ пряжение сдвига. Считая с определенным приближением течение ньютоновским, можно принять напряжение сдвига прямо пропор­

Береходит в тепло (тепло внутреннего трения). Интенсивность вы­ деления внутренней тепловой энергии qE вследствие внутреннего трения равна произведению силы на скорость. Для единицы объе­ ма жидкости интенсивность выделения внутренней энергии опреде­ ляется

2

0т

49