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

Горячая вода, так же как и водяной пар, загрязняет внутрен­ нюю поверхность теплообменников. Наиболее широко применяется в ваннах и бассейнах при обработке древесины.

Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) . Для обогрева установок в качестве теплоносителей применяют однокомпонентные и многокомпонентные ароматические углеводороды.

Основным достоинством этих теплоносителей является высокая температура кипения, что позволяет использовать их в большинст­ ве установок в жидкой фазе при атмосферном давлении. Поэтому использование ВОТ позволяет изготавливать теплообменные ап­ параты менее металлоемкими, рассчитанными на невысокое дав­ ление.

В качестве ВОТ нашли наибольшее применение глицерин, дитолилметан, даутерм и минеральные масла.

Глицерин CzH$(OH)z неядовит; невзрывоопасен, температура самовоспламенения 393° С. Химически чистый глицерин кипит при 290° С. Применяется при температуре 220—250° С. Средний темпе­ ратурный коэффициент объемного расширения между 20 и 280° С

пароизомеров, получающихся при конденсации толуола с формаль­ дегидом. Кипит при 296° С. На воздухе быстро окисляется, при этом в нем увеличивается смолосодержание.

По правилам Гостехнадзора при смолосодержании ДТМ свыше 10% необходимо проводить его регенерацию — перегонку с дефлег­ мацией. Заполнение системы свежеприготовленным ДТМ должно проводиться только после ее промывки при /=150—200° С. Для промывки также применяется свежий ДТМ.

Глицерин и дитолилметан относятся к однокомпонентным тепло­ носителям.

Даутерм — дифенильная смесь. Представляет собой смесь дифекила (С12Н10) (26,5%)"" и дифенилового эфира ( С 6 Н 5 ) 0 2 (73,5%). Относится к многокомпонентным ВОТ. Температура кипения 258° С. Смесь неядовита, невзрывоопасиа. Температурный коэффициент объемного расширения смеси при / ^ 2 7 0 ° С определяется, по фор­

обогрева в случае затвердевания в них теплоносителя. Температу­ ра самовоспламенения дифенильной смеси равна 550° С.

•Минеральные масла. Среди всех известных ВОТ минеральные масла являются самыми дешевыми теплоносителями, но и самыми термически нестойкими. Наиболее часто в качестве минеральных масляных теплоносителей используют компрессорное и машинное масла. Эти масла взрывоопасны и должны применяться только в герметических установках, не допускающих течи теплоносителя, и при температурах ниже их — температуры воспламенения.

Химический состав минеральных масел, полученных из нефтей различных месторождений, колеблется в широких пределах и по­ этому их температура вспышки также колеблется в интервале 200—

70

300° С. Использование масляных теплоносителей в силу изложен­ ного требует обязательного и непрерывного удаления из системы газообразных продуктов разложения *.

Применение ВОТ для обогрева установок по переработке поли­ мерных материалов в строительные изделия требует дополнитель­ ных установок для их нагревания. Нагрев ВОТ осуществляют в специальных котельных или термостатах (циркуляционные систе­ мы с электрообогревом).

Электрофизические методы нагрева. Электроэнергия широко применяется в процессах нагрева при переработке полимерных ма­ териалов. Развитие современной физики доказывает возможность в дальнейшем, при развитии производства полимерных строитель­ ных изделий, перейти на новые, более рациональные и наиболее от­ вечающие технологическим требованиям электрические методы обогрева.

Простейшим способом электрообогрева является омический. В этом случае нагреваемое тело (изделие) включается в электриче­ скую цепь как сопротивление. Чаще в качестве источников тепла для полимерных материалов применяют нагреватели, в которых используются металлические сплавы вольфрама, никеля, молибде­ на, обладающие высоким сопротивлением.

Этот принцип электронагрева, хотя и наиболее распространен в настоящее время при переработке полимерных материалов, обла­ дает рядом недостатков, а нагреватели из сплавов, обладающих высоким удельным сопротивлением и тугоплавкостью, недолго­ вечны.

При этом способе нагрева тепло от нагревателей передается че­ рез стенку формы к поверхности материала и так же, как и при нагреве всеми упомянутыми ранее теплоносителями, создает в ма­ териале неравномерное температурное поле. Указанная неравно­ мерность определяется неодинаковым нагревом участков стенки формы и теплопроводностью материала. Неравномерность прогре­ ва материала ухудшает качество изготовляемой продукции и зна­

поля, наводятся электродвижущие силы. Под их действием возни­ кают вихревые токи, которые распространяются по сечению формы неравномерно и также неравномерно ее нагревают. Наибольшая температура развивается на поверхности формы. Появляетсянаиболее нагретый поверхностный слой формы, тепло от которого за счет теплопроводности передается внутренним слоям и далее нагреваемому материалу, находящемуся внутри.

* Подробно см.: А. В. Ч е ч е т к и н . Высокотемпературные теплоносители. «Энергия», 1971.

71

слоя возрастает, достигая определенного максимума, и более глу­ бокие слои формы уже нагреваются только за счет теплопроводно­ сти.

Материал, находящийся в форме-установке по переработке, так­ же нагревается за счет теплопроводности от стенки формы.

Для наибольшего поглощения энергии нагреваемым материалом необходимо иметь потери в индукторе минимальные. Лучшим-

нагрева слоя требуемой глубины при данной частоте тока, квт/см2; S — поверхность, подлежащая нагреву, см2; т\т — к. п. д. генерато­ ра и трансформатора; т]и —'к. п. д. индуктора.

Кроме выделенного тепла за счет вихревых токов тепло выделя­ ется и за счет явления гистерезиса, однако это тепло вследствие его незначительности при расчетах не учитывается.

Практически для индукционного обогрева агрегатов при пере­ работке полимеров на поверхности агрегатов делают пазы, в кото­ рые укладывают обмотку индуктора.

•Применение индукционного нагрева токами промышленной частоты позволяет, снизить неравномерность нагрева поверхностей формующих агрегатов до 2—3°, а следовательно, получить более равномерное температурное п о л е в самом материале. Кроме того, при индукционном нагреве по сравнению с внешними электронагре-

72

вателями наблюдается снижение расхода электроэнергии на 8— 10%.

Нагрев материалов (диэлектриков), заключенных в металличе­ ские формы в магнитном поле тока высокой частоты (ТВЧ), назы­ вают также индукционным нагревом. При прохождении тока высо­ кой частоты по индукционной катушке, размещаемой по поверхно­ сти формы или агрегата с подготовленными к нагреву материалом, в этой форме или агрегате возникает индуктированный ток, кото­ рый и нагревает поверхность формы. По мере нагрева формы глу­ бина индуктированного тока несколько возрастает. Форма или агрегат равномерно нагревается, и уже от нее за счет теплопровод­ ности тепло передается материалу. Этот способ индукционного вы­ сокочастотного нагрева не позволяет избежать перепадов темпера­ туры в нагреваемом материале, возникающих в нем за счет тепло­ проводности, но по сравнению с другими методами нагрева более равномерно нагревает форму или агрегат, создавая лучшие усло­ вия для подогрева материала.

Диэлектрическийнагрев. Принцип нагрева диэлектриков в электрическом поле токов высокой частоты заключается в следую­ щем. Молекулы диэлектрика, имеющие равное количество положи­ тельных и отрицательных зарядов, находятся в устойчивом равно-

. весии. Когда диэлектрик помещается в электрическое поле перемен­ ного тока, эти заряды смещаются, в небольших пределах, завися­ щих от структуры материала. Движение связанных зарядов обра­ зует ток поляризации. Величины тока поляризации и тока проводи­ мости материала определяют количество поглощенной энергии электрического поля переменного тока и тем самым количество тепла, выделившееся в материале.

Впервые нагрев ТВЧ начал применяться в Советском Союзе сначала для плавки и закалки металлов. Позднее были предложе­ ны методы высокочастотной сушки непроводниковых материалов.

С развитием производства полимерных материалов токи высо­ кой частоты получили широкое распространение для нагрева ком­ позиций пластических масс перед прессованием или формовкой, для сварки, отжига (снятия напряженного состояния) готовых из­ делий и т. д.

В отличие от всех изложенных выше способов нагрева различ­ ными теплоносителями, в которых обогрев материала осуществля­ ется по поверхности соприкосновения перерабатываемого продукта с о стенками агрегата или формы, высокочастотный диэлектриче­ ский нагрев дает возможность передать значительное количество тепла внутрь перерабатываемой продукции и тем самым получить

73

ваемого материала; / — частота тока; Е — напряженность электри­ ческого поля.'

Диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь находят из таблиц справочников.

Анализируя формулу (IV.16), можно видеть, что выделенная тепловая энергия в материале зависит от напряженности поля ТВЧ

фактор потерь К по всему объему, диэлектрический нагрев мате­ риала происходит равномерно. Однако в силу потерь тепла с по­ верхности внутреннее ядро материала обычно оказывается нагре­ тым до более высокой температуры. Поэтому диэлектрический на­ грев иногда называют нагревом с внутренним источником тепла.

В случае, если нагреваемый материал имеет какие-либо вклю­ чения макрохарактера, отличающиеся по своему фактору потерь от этой же величины основного материала, происходит неравномер­ ное поглощение энергии ТВЧ материалом и макровключениями. В таком случае происходит избирательный нагрев: одни части ма­ териала нагреваются до более высоких температур, чем другие.

Кроме того, из формулы ( I V . 16) следует, что поглощение энер­ гии, т. е. степень нагрева, не зависит от теплопроводности материа­ ла, которая, как известно, определяет интенсивность нагрева тел во всех остальных случаях нагрева.

Для диэлектрического нагрева материал помещают в обкладки конденсатора, к которому подводят ток высокой частоты от генера­

последовательно включенных конденсатора: один с нагреваемым

74

Отношение удельных мощностей, развиваемых в последователь­ но соединенных конденсаторах

Р± Е\ е2 t g 61

Высокочастотный нагрев материалов с экономической точки зрения является дорогим, однако дает возможность быстрее пере­ давать тепло внутрь и равномернее нагревать материалы.

Если сочетать конвективный нагрев с поверхности и диэлектри­ ческий нагрев ТВЧ для нагрева внутренних слоев материала, то можно снизить общие экономические затраты на процесс нагрева. Такие или подобные комбинированные методы нагрева материалов в процессах тепловой обработки должны применяться при получе­ нии строительных изделий с применением пластических масс.

§ 3. Теплообмен в установках с дополнительным внешним обогревом

Для внешнего обогрева рассмотренные теплоносители пропуска­ ют через специальные каналы, устраиваемые в кожухах или огра­ ждениях установок, а также в специальных нагревательных плитах.

Эти же каналы служат для размещения нагревателей в случае применения различных электрофизических методов нагрева.

Следовательно, установки, в которых перерабатываются поли­ мерные материалы в строительные изделия, являются одновремен­ но и теплообменными аппаратами-.

В процессах теплообмена обычно участвуют два или несколько

но в пространствах, разделенных стенкой, потому тепло между ни­ ми передается непрерывно через разделительную стенку."

В теплообменниках регенеративного типа, работающих периоди­ чески, передача тепла от горячей жидкости к холодной по време­ ни осуществляется за два этапа. Вначале горячий теплоноситель (продукты горения топлива) направляют в камеру, где он нагрева­ ет насадку, выполненную из шамотного кирпича или керамических колец. После этого через насадку пропускают холодный теплоноси­ тель, который отбирает аккумулированное в стенках насадки теп­ ло. Таким образом, теплоносители периодически омывают одну и ту же поверхность нагрева.

Смесительные теплообменники — аппараты непрерывного дей­ ствия, в них процесс передачи тепла осуществляется путем непос­ редственного контактирования и 'перемешивания теплоносителей между собой.

75

В производстве полимерных строительных материалов широкое распространение нашли рекуперативные и смесительные теплооб­

Стенка установки имеет специальные отверстия '4, куда по­ дается теплоноситель или где располагаются нагреватели. Стенка агрегата от окружающей среды отделяется слоем теплоизоля­ ционного материала в целях снижения потерь тепла в окружаю­ щую среду.

Для нагрева материала при движении теплоносителя по отвер­ стиям в стенке установки или от установленных там же нагревате-

76

лей возникает тепловой поток qi к менее нагретому материалу и в окружающую установку среду — q%.

Тепловой поток. Определение величины теплового потока ведут по основному уравнению теплопередачи

q = k(tT—tK) = Ш с р , (IV.19) где k — коэффициент теплопередачи от теплоносителя через стенку

ское сопротивление теплопроводности многослойной стенки с тол­ щиной каждого слоя б, и коэффициентом теплопроводности каж­ дого слоя-Я,,-; а 1/ai и 1/аг— термическое сопротивление теплоотда­ чи (1/ai — от горячего теплоносителя к стенке, 1/аг — от стенки к холодному теплоносителю).

Неизвестными в этой формуле являются коэффициенты теплоот­ дачи ai и а2, которые зависят от характера и скорости движения теплоносителей, физических свойств и форм поверхностей теплооб­ мена и целого ряда других факторов.

На основе приведенной общей зависимости рассмотрим принци­

ложнена наличием газовой прослойки, показанной на -рис. 26, поэто­ му рассмотрим оба варианта: с газовой прослойкой и без нее.

индексы / показывает — критерий, определяемый при средней тем­ пературе теплоносителя; с — критерий, определяемый при средней температуре стенки; коэффициент 8; — учитывает влияние длины трубы на теплоодачу и принимается по табл. 3.

77

ент ея учитывает влияние поворотов трубы. Для прямого участка ед=1 . Для змеевиков величина бд может быть вычислена по формуле

где d — диаметр трубки змеевика, м; R — радиус изгиба трубки, м. Коэффициент теплоотдачи а2 от разделяющей стенки к матери­ алу в случае применения дегазации можно вести по уравнению (IV.21), определяющим в этом случае будет поток двигающегося по

установке материала.

При наличии между стенкой установки и материалом газовой прослойки теплопередача осложняется.

В случае герметической газовой прослойки, а именно такая и наблюдается в установках по переработке полимерных материалов в строительные изделия, поток тепла от стенки к материалу можно представить в виде

78

Конвективная составляющая теплового потока q'K от поверхно­

по установке передвигается, и температура его поверхности по мере продвижения изменяется от tM\ до tM2, то температура на поверхно­ сти материала t3 должна быть вычислена как средняя

Конвективный теплообмен в газовом слое связан с циркуляцией газа. В вертикальных воздушных или газовых прослойках, где толт щина прослойки соизмерима с высотой, наблюдаются восходящие потоки теплоносителя на более нагретой поверхности и нисходя­ щие — на более холодной.

В тонких прослойках, которые наблюдаются в установках по переработке полимера, восходящий и нисходящий потоки взаимно тормозятся.

При малых разностях температур между стенкой установки и материала в тонких прослойках наблюдается режим параллельноструйного движения газа вдоль стенки без перемешивания.

Интенсивность естественного конвективного потока для любых форм поверхностей и сред в обобщенном виде определяют произве­

тяжести; v — коэффициент кинематической' вязкости; / — определя­

венно на внутренней поверхности стенки установки и на поверхно­ сти материала, обращенной к стенке (см. рис. 26); су— объемная теплоемкость воздуха или газов, заключенных в прослойке.

Для воздушных прослоек экспериментально установлено [4], что ламинарный режим течения сохраняется в пределах значений про­

Следовательно, можно записать, считая / = бг , для ламинарного движения газов в прослойке

79