Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техника и технологии обработки материалов в псевдоожиженном слое. Учебное пособие
.pdf
Большое разнообразие типов вулканизационного оборудования и
способов осуществления вулканизации резиновых изделий требует индивидуального подхода к выбору конструкции аппарата и разработке методики его расчета. Разработана общая схема алгоритма расчета аппаратов
для вулканизации резиновых изделий в дисперсных средах [5].
При проектировании аппаратов для вулканизации длинномерных резиновых изделий в дисперсном слое промежуточного
теплоносителя
предлагается следующая методика расчета (на примере вулканизации уплотнителя в форме шнура наружным диаметром D
).
т
1. Выбор типа аппарата: в зависимости от номенклатуры и поперечных размеров резиновых изделий принимаем непрерывную вулканизацию в псевдоожиженной среде (при D
тационном циркуляционном слое (при D
= 3,5…40 мм) или в виброграви-
т
= 3…25 мм).
т
2. Определение основных (геометрических и физических) параметров
слоя частиц промежуточного теплоносителя. В качестве частиц проме-
жуточного теплоносителя целесообразно использовать сферические частицы, например, стеклянные шарики. Величина порозности статического
слоя монодисперсных сферических частиц ξ
ξ
= 0,4. Плотность частиц – ρч = 2570 кг/м3.
0
Эквивалентный диаметр монодисперсных частиц
ddd = , (20)
= 0,38…0,42. Принимаем
0
21
где d1 и d2 – размеры ячеек смежных сит.
3. Определение средней скорости перемещения длинномерных рези-
новых изделий в виброгравитационном циркуляционном слое по формуле
63,0
−
()
2
титлтлтт
1cos477,0 DLAU
2
α
cos
−ρβω≈
лт
. (21)
22
βλ
sin
лт
С учетом выражения для скорости перемещения изделий находим
производительность вулканизатора по формуле
0,37
тлтлтт
2
α
1,37
т
0,63
−
и
cos
−ρβω=
1cos374,0 LDAG
лт
. (22)
22
βλ
sin
лт
4. Расчет времени прогрева изделия. Поскольку длина шнура Lт значительно больше его диаметра D
, т.е. Lт Dт >> 1, то шнур можно считать
т
неограниченным цилиндром, у которого длина бесконечно велика по
сравнению с диаметром. Такой шнур представляем как неограниченный
цилиндр радиуса r
, который отбирает тепло от слоя через боковую
0
поверхность. Считаем, что задано радиальное распределение температуры
71
в виде некоторой функции Т(r, 0) = f (r). Предполагаем, что изотермы
∂
z
()()(
∞≠∂τ∂
∞≠τ
(
представляют собой коаксиальные цилиндрические поверхности, т.е. температура шнура зависит только от времени и радиуса (симметричная задача). В начальный момент времени шнур помещаем в слой с постоянной
температурой Т
> Т(r, 0). Коэффициент теплоотдачи во всех точках
сл
поверхности шнура одинаков и остается неизменным на протяжении
всего периода нагрева. Температурное поле вулканизуемого шнура в
предположении изотропности его теплофизических свойств и отсутствии
в нем внутренних источников теплоты рассчитываем по уравнению
теплопроводности
2
2
⎛
T
∂
τ∂
T
∂
⎜
a
=
⎜
r
∂
⎝
∂
+
rTr
∂
2
11
∂
+
2
22
r
ϕ∂
⎞
TT
∂
⎟
+
. (23)
2
⎟
z
∂
⎠
Совмещаем ось 0z с осью шнура. При заданных условиях температу-
ра изменяется только в радиальном направлении и температурное поле
2
T
и
0=
∂∂z
. Поскольку изотермиче-
0
=
2
будет одномерным. Поэтому
T
∂
ские поверхности являются цилиндрическими, имеющими общую ось со
∂T
шнуром, то температура не должна изменяться также вдоль φ, т.е
2
∂ T
и
. Тогда получим
0
=
2
ϕ∂
2
rT ,1,,
τ∂
⎜
=
a
⎜
⎝
⎛
τ∂
τ∂
rT
+
2
∂
r
r
⎞
)
τ∂
rT
⎟
. (24)
⎟
∂
r
⎠
0=
ϕ∂
Задаем граничные и начальные условия:
– при τ = 0 и 0 ≤ r ≤ r
– при τ > 0 и r = 0:
– при τ > 0 и r = r
: Т (r, 0) = f (r);
0
rT /),0( и
),(
τ∂
rT
0
: )),((
0
∂
−=
r
),0(T
;
α
λ
τ−
rTT
.
0сл
Сформулированную задачу решим с помощью разделения перемен-
ных, полагая θ(r, τ) = Т
=θ
– Т(r, τ). Решение имеет вид
сл
)
,
TrT
−τ
0
TT
−
0с
∑
n
∞
⎛
⎜
IA
μ−=
nn
0
⎜
r
⎝
=
1
⎞
r
0
2
⎟
()
Foexp1
, (25)
μ
n
⎟
⎠
где А – постоянные коэффициенты, зависящие от критерия Био,
72
A
=
n
()()()
Bi2
1Bi
μ+μ+
.
′
II
μ
nnn
11
Для определения коэффициентов А нужно определить критерий Био
Bi = αδ/λ, где δ – определяющий размер (δ = r
).
0
При использовании виброгравитационной циркуляционной среды
коэффициенты теплоотдачи рассчитываем по формуле
176,0424,0
Ga72,9Nu
λ=
y
−
379,0
⎞
⎛
b
лт
⎜
⎜
D
т
⎝
⎛
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
863,0
−
H
⎞
0
⎟
d
⎠
261,0
L
⎛
⎜
⎝
⎛
⎞
т
⎜
⎟
⎜
d
⎠
⎝
205,0
⎞
ρ
ρ
⎛
т
⎟
⎜
⎟
⎝
сл
⎠
54,0
d
⎞
лт
. (26)
⎟
d
⎠
Нашли критерий Био (в рассматриваемом случае Bi < 5). Для найденного значения критерия Био процесс нагрева шнура зависит как от
скорости переноса тепла внутри шнура, так и от интенсивности теплообмена с псевдоожиженной средой. Постоянные характеристические числа µ
n
зависят от критерия Био, а следовательно, и от радиуса шнура. Поэтому
скорость нагрева шнура будет обратно пропорциональна n-й степени
радиуса шнура (так как на основании неравенства µ
с увеличением µ
ции exp(–µ
быстро уменьшается величина экспоненциальной функ-
n
2
Fo)). Если исключить из рассмотрения малые значения Fo, то
n
< µ2 < µ3 < < … µn < …
1
можно ограничиться одним членом ряда, а остальными можно пренебречь. Тогда искомое решение окончательно примет вид
⎞
⎛
r
⎟
⎜
μ−=θ
IA . (27)
101
⎟
⎜
r
0
⎠
⎝
2
()
Foexp1
μ−
1
Поскольку непрерывная вулканизация длинномерных резинотехнических изделий экономически целесообразна при температуре среды в
диапазоне 170…250 °С (в этих условиях время структурирования быстро
вулканизующихся изделий соизмеримо со временем их прогрева), то принимаем температуру слоя Т
Т
= 20 °С. Для определения времени τн, необходимого для нагрева шнура,
0
= 250 °С, а начальную температуру шнура
сл
считаем законченным нагрев при достижении температуры на оси шнура
= 200 °С. Значение членов уравнения, входящих в решение задачи,
Т
r = 0
находим по соответствующим графикам. Находим значение коэффициента температуропроводности для шнура. В итоге для найденных значений
Фурье и коэффициента температуропроводности окончательно находим
время нагрева шнура по формуле
2
r
Fo
0
=τ
н
, (28)
a
которое, например, при r0 = 5 мм составляет ~ 2,0 мин.
73
5. Определение времени пребывания шнура в вулканизаторе τоб:
(
ε−ε−=
τоб = τн + τв, (29)
где τв – время, необходимое для структурирования (вулканизации) шнура
(задано технологическим регламентом в зависимости от типа и марки резиновой смеси, из которой изготовлено изделие). В зависимости от наружного диаметра вулканизуемых резиновых изделий (от 3…5 до 40 мм)
общее время их пребывания в вулканизационной среде составит 2…5 мин.
6. Определение габаритных размеров вулканизационной ванны аппа-
рата. Одними из основных факторов, влияющих на интенсивность тепло-
переноса в виброгравитационном циркуляционном слое, являются отношения
DH и
тсл
делены экспериментально) составили
bD . Оптимальные отношения этих величин (опре-
лтт
H
сл
D
т
D
1
т
и3
≥≥
. (30)
3
b
лт
7. Высоту расширения виброгравитационного циркуляционного слоя
находим по формуле
где порозность bсл определяем по формуле
105,0
ε−ε
0сл
00743,0
1
=
ε−
0
d
⎛
л
⎜
d
⎝
⎛
⎞
⎜
⎟
⎜
⎠
⎝
)( )
sin
cos
11
сл00сл
117,0
⎛
⎞
β
⎜
⎟
⎜
⎟
α
⎝
⎠
125,0
⎞
HL
2
b
л
⎛
0л
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
01,0
−−
b
⎞
л
. (32)
⎟
d
⎠
HH , (31)
2
ω
A
лл
g
8. Составление теплового баланса вулканизатора. При установив-
шемся температурном режиме аппарата общий расход тепла Q
(или теп-
об
ловая нагрузка нагревателей), затраченный на вулканизацию резиновых
изделий, включает
Qоб = Q1 + Q2 + Q3, (33)
где Q1 – количество теплоты, воспринятой шнуром в процессе нагрева и
вулканизации; Q
верхностей; Q
– потери тепла в окружающую среду от нагретых по-
2
– потери тепла с отсасываемым воздухом и газообразными
3
продуктами вулканизации в окружающую среду.
Определим количество теплоты, воспринятой шнуром в процессе на-
грева за промежуток времени от τ = 0 до τ = τ
. Для этого находим сред-
н
нюю температуру шнура по формуле
74
r
(
(
)
0
2
T . (34)
∫
2
r
0
0
τ=
),(
drrrT
Вместо решения Т(r, τ) подставляем соответствующее выражение из
решения (25). Получим
=Θ
−
)(
TrT
−
TT
∑
n
∞
B
1
=
0
0сл
2
()
μ−−=
Foexp1
, (35)
nn
где Вn – коэффициенты, зависящие от критерия Био:
2
=
B .
n
Bi4
()
222
Bi
+μμ
nn
Ряд (35) быстро сходится [59], поэтому для нашего значения Fо
практически можно ограничиться одним (первым) членом ряда. Тогда
)(
−
TrT
=Θ
0
−
TT
0сл
2
1
−=
Bi4
()
1
2212
Bi
+μμ
2
()
μ−
1
Foexp
, (36)
откуда находим
)
TTTT +−Θ=
. (37)
00сл
Находим количество теплоты Q1, воспринятой шнуром в процессе
нагрева за промежуток времени от τ = 0 до τ = τ
:
н
τ−ρ= TTcFUQ , (38)
н0ртрт1
где ρр – плотность резинового шнура, ρр = 1200 кг/м3; ср – удельная теплоемкость резинового шнура, с
ного сечения шнура, F
= 0,785
т
= 1380 Дж/кгڄград; Fт – площадь попереч-
р
2
2
D , м
.
т
При установившемся тепловом режиме аппарата количество тепла,
необходимое для нагрева изделия, равно
Q1 = mтcр(Тсл – Т0), (39)
где тт – масса резинового изделия, находящегося в аппарате.
Величина Q
чение Q
1/Qоб
действия аппарата, т.е. η
определяет полезные затраты тепла, относительное зна-
1
– определяет величину теплового коэффициента полезного
= Q1/Qоб, характеризующего энергетическую
т
эффективность вулканизационного оборудования.
75
Величина Q2 определяется по формуле
Q2 = αn Fa (Тсл – Тв), (40)
где αп – общий коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием;
F
– нагретая наружная поверхность аппарата; Тст – температура наружной
a
поверхности аппарата; Т
При Т
≤ 150 °С в закрытом помещении имеем
ст
Потери Q3 определяем по формуле
– температура воздуха, окружающего аппарат .
в
αn = 9,74 + 0,07(Tст – Tв). (41)
Q3 = mвcв(Тн – Тв), (42)
где тв – масса выбрасываемых газообразных выделений продуктов вулканизации; с
температура выделений на выходе из вентилятора; Т
– удельная теплоемкость выбрасываемых выделений; Тн –
в
– температура под-
в
сасываемого воздуха.
При вводе аппарата в установившийся режим работы общий расход
тепла
= Q1 + Q2 + Q3 + Q4, (43)
Q
об
где Q4 – дополнительный расход тепла, затрачиваемый на нагрев металлических деталей аппарата. Величина Q
Q4 = mа cа (Так – Тан), (44)
определяется по формуле
4
где тa – масса нагреваемых узлов и деталей аппарата; са – среднеобъемная
удельная теплоемкость нагреваемых узлов и деталей аппарата; Т
– сред-
ак
необъемная конечная температура нагреваемых узлов и деталей аппарата;
– начальная температура узлов и деталей аппарата.
Т
ан
К основным теплотехническим факторам, влияющим на качество изделий, вулканизуемых непрерывным способом, в первую очередь, можно
отнести разброс температуры по сечению аппарата и стабильность коэффициента теплоотдачи в этом же сечении. Особое значение придается
системе нагрева, регулирования и автоматического поддерживания температуры псевдоожиженной среды,
которая позволяет создавать перемен-
ные температуры в зонах по длине вулканизатора.
Среда дополнительно подогревается помещенными в нее нагревателями, которые одновременно служат для регулирования по зонам температуры среды. Причем, первые 3 м изделия выдерживают при более низкой температуре, а последние 7 м – при повышенной температуре. Такой
мягкий режим вулканизации предупреждает образование
локального
скопления газообразных продуктов в резиновом изделии, улучшая его
качество.
76
При термообработке длинномерных резиновых изделий в непрерывных вулканизаторах большое значение имеет автоматическое поддержание оптимальных реологических условий. При перемещении изделия через обладающий определенными вязкостными характеристиками слой в
начальный момент термообработки происходит изменение геометрических размеров обрабатываемого изделия (его вытяжка и связанное с этим
изменение диаметра) вследствие силового воздействия слоя
на поверх-
ность изделия.
Величина вытяжки зависит от скорости перемещения изделия U
диаметра изделия D
и эффективной вязкости слоя µсл, определяющейся
т
т
такими его параметрами, как эквивалентный диаметр частиц d.
Контрольные вопросы
1. Опишите конструкцию аппарата для вулканизации полых изде-
лий в виброгравитационном циркуляционном слое.
Как можно решить проблему появления брака за счет слипания
2.
изделий в процессе вулканизации?
Какие преимущества и недостатки имеют вулканизаторы с вибро-
3.
гравитационным циркуляционным слоем?
Какой теплоноситель в настоящее время используют в качестве
4.
охлаждающей среды для охлаждения резиновых изделий после вулканизации?
В связи с чем вулканизация в псевдоожиженном слое становится
5.
невозможной для пористых длинномерных изделий?
77
,
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проанализирована возможность использования псевдоожиженной
среды и виброгравитационного циркуляционного слоя в качестве промежуточного теплоносителя при термообработке стальных изделий и вулканизации резиновых заготовок.
Выявлены основные факторы, препятствующие массовому практическому внедрению технологий с использованием псевдоожиженного слоя:
неравномерное распределение локальных коэффициентов теплоотдачи по
поверхности термообрабатываемых изделий и невозможность существующими способами задавать
(охлаждения) в любой зоне поверхности изделия.
Следует отметить, что дальнейшее развитие техники псевдоожижения применительно к термообработке стальных изделий непосредственно
связано с использованием биотоплива вместо дизельного топлива при
нагреве стальных изделий в псевдоожиженном слое.
Установлено, что псевдоожиженный слой наиболее эффективен при
использовании его в качестве
или охлаждении, однако он менее эффективен при проведении процессов
массопереноса.
Вулканизация в псевдоожиженной среде имеет большие резервы для
модернизации. Возможно совершенствование системы утилизации отработанного воздуха (целесообразно его повторное применение); за счет
уменьшения размера частиц можно снизить расход воздуха и уменьшить
энергозатраты; улучшение системы нагрева среды (
подогревателей в ванне).
Наиболее перспективными направлениями дальнейшего усовершенствования оборудования для термообработки резиновых изделий является переход от использования отдельных аппаратов и машин, в том числе оснащенных программным управлением, к внедрению гибкой (переналаживаемой) автоматизированной линии. При этом технологическое оборудование
расположено в принятой последовательности технологических операций,
объединено единой
автоматизированной транспортно-складской системой и
оснащено автооператорами и специализированными манипуляторами.
Наиболее перспективными направлениями дальнейшего усовершенствования оборудования для термообработки резиновых изделий является переход от использования отдельных аппаратов и машин, в том числе оснащенных программным управлением, к внедрению гибкой (переналаживаемой) автоматизированной линии. При этом технологическое оборудование
расположено в
принятой последовательности технологических операций,
объединено единой автоматизированной транспортно-складской системой и
оснащено автооператорами и специализированными манипуляторами.
78
и выдерживать требуемый темп нагрева
промежуточного теплоносителя при нагреве
применение только
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кунин, Д. Промышленное псевдоожижение / Д. Кунин, О. Левиншпиль. –
М. : Химия, 1976. – 448 с.
2. Псевдоожижение / В.Г. Айнштейн, А.П. Баскаков, Б.В. Берг и др. – М. :
Химия, 1991. – 400 с.
3. Заваров, А.С. Термическая обработка в кипящем слое / А.С. Заваров,
А.П. Баскаков, С.В. Грачев. – М. : Металлургия, 1981. – 84 с.
4. Техника
погруженными телами / С.И. Дворецкий, В.Н. Королев, С.А. Нагорнов, В.П. Таров. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 168 с.
5. Техника и технологии псевдоожижения: процессы термообработки и
вулканизации / С.И. Дворецкий, В.Н. Королев, С.А. Нагорнов, В.
Изд-во «Машиностроение-1», 2006. – 232 с.
и технологии псевдоожижения: гидродинамика и теплообмен с
П. Таров. – М. :
79
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ …………………………………….………………………… 3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ
МАТЕРИАЛОВ. ФИЗИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ………….………………………………… 5
1.1. Особенности модифицирования металлов и полимеров ……... 6
2. ВИБРОГРАВИТАЦИОННЫЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ СЛОЙ
КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ СРЕДА ………………………………….. 9
2.1. Способы создания вибрационного псевдоожиженного слоя
дисперсных материалов ………………………………………... 10
2.2. Обтекание тел псевдоожиженной средой ….…………………. 12
2.3. Методика исследования картины обтекания тел псевдо-
ожиженной средой ….…………………………………………... 12
2.4. Структурно-гидродинамические характеристики псевдо-
ожиженного слоя вблизи погруженных
3. ВНЕШНИЙ ТЕПЛООБМЕН В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ 25
3.1. Существующие представления о механизме внешнего
теплообмена ……………………………………………………… 25
3.2. Модель переноса теплоты в дисперсных средах ……………….. 29
4. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ
СЛОЕ …………………………………………………………………. 40
4.1. Сравнительный анализ существующих закалочных сред ……. 41
4.2. Гидродинамические основы термообработки изделий
в псевдоожиженном слое ….…………………………………… 50
5. НЕПРЕРЫВНАЯ ВУЛКАНИЗАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ В ВИБРОГРАВИТАЦИОННОМ ЦИРКУЛЯЦИОННОМ СЛОЕ .…………...
5.1. Вулканизационные
аппараты для производства экструдиро-
ванных резиновых изделий .……………………………………. 53
5.2. Вулканизационные аппараты для производства штучных
резиновых изделий ……………………………………………… 64
5.3. Оборудование для охлаждения изделий ….……………………. 67
5.4. Методика расчетов аппаратов для вулканизации ….…………. 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .………………………………………………………….. 78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………..……………………………… 79
80
в него тел ...……… 14
53
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]