CC BY
14
УДК 539.319.001.24 Пимштейн Павел Гдальевич,
д. т. н., профессор кафедры «Прикладная механика», ИрГУПС, тел.: (8-392)-41-08-04, e-mail: pim1937@mail.ru Еловенко Денис Александрович, аспирант кафедры «Информатика и кибернетика» - БГУЭП, тел.: 8-904-115-90-90, e-mail: bear-paw3@yandex.ru Татаринов Алексей Дмитриевич, аспирант кафедры «Прикладная механика» - ИрГУПС, тел.: 8-950-061-53-55, e-mail: unbreakable_86@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ОБОЛОЧКИ СО ВСТРОЕННЫМИ В СТЕНКУ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ
ЭЛЕМЕНТАМИ И СЛОЕМ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
P. G. Pimshtein, D.A. Elovenko, A.D. Tatarinov
THE RESEARCH OF ENCLOSURE UNDER PRESSURE WITH HEATING ELEMENT INSTALLED IN WALL WITH HEAT INSULATION MATERIAL LAYER
Аннотация. В статье описаны экспериментальные исследования оболочки под давлением со встроенными в стенку нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала. Определены коэффициенты теплопроводности материалов теплоизоляции. Доказана возможность эффективной защиты от перегрева несущей стенки автоклава.
Ключевые слова: оболочка, нагревательные элементы, теплоизоляционный материал, давление, теплопроводность.
Abstract. This paper describes the experimental researches of the enclosure under pressure with heating element installed in wall and with heat insulation material layer. Heat transfer coefficients have been calculated for the heat insulation material. Here the possibility of efficient protection from thermal overload of autoclave load-bearing wall is proved.
Keywords: enclosure, heating element, heat insulation material, pressure, heat transfer.
Современные конструкции автоклавов высокого давления со встроенными в корпус несущей стенки нагревательными элементами, например [4], могут быть усовершенствованы путем размещения между нагревательными элементами и основной несущей стенкой слоя теплоизолирующего материала [2]. Эта конструкция корпуса автоклава, состоящая из сваренных кольцевыми швами многослойных цилиндрических оболочек, является недостаточно исследованной ввиду сложности конструкции цилиндрической стенки
отдельной оболочки. Каждая из этих оболочек в сосуде испытывает одинаковую радиальную нагрузку и может быть рассмотрена экспериментально отдельно. Исследование отдельной оболочки позволяет исследовать эффективность использования встроенной теплоизоляции, сохранив при этом основные условия работы автоклавов высокого давления, и потребует минимальных экономических затрат на эксперимент. Сделав конструкцию оболочки сборной, включая и несущую стенку, можно минимизировать время демонтажа и проводить исследования разных теплоизоляционных материалов и их теплофизических параметров на одной и той же конструкции.
Для определения коэффициента теплопроводности встроенного в стенку теплоизоляционного слоя нужно знать тепловой поток через стенку. Тепловой поток через цилиндрическую стальную стенку при стационарном режиме, если известен перепад температуры по толщине стенки, определяют по формуле [3]
2 жМ
(1)
1п I ^ I / X
где - коэффициент теплопроводности стали, Вт/м °С;
гв, гн - наружный и внутренний радиусы стального цилиндра, мм.
Стационарный тепловой потока через составную цилиндрическую стенку определяют по формуле [3]:
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
4 =-
2жАТ
(2)
А
Ъ *
А
1п
А =-
(3)
2 жАТ 41
-Ъ 1п \?т\/4
Температуры на внутренних поверхностях цилиндрических слоев оболочки (рис. 1) с наружной теплоизоляцией (не показана) определяют по формуле
к-1 1 4,Ъ Т1п
,=1 А
2ж
(4)
41
ЪI ^
1=к А I г
2ж
(5)
Отсюда определяем коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя:
ленной на виде сверху (рис. 1). Распределение остаточных деформаций по длине окружности внутренней поверхности центральной обечайки определяли с помощью координатной сетки (рис. 1). Напряженно-деформированное состояние (НДС) центральной обечайки оболочки исследовали тензометрией, для чего на внутренней поверхности
располагали (рис. 2).
тензорезисторы 2ПКБ-10-100А
В случае отсутствия теплоизоляции, когда наружная поверхность оболочки имеет конвективный теплообмен с окружающей средой, температуру внутренней поверхности слоев оболочки определяют по формуле
Характеристика объекта исследований
Первый вариант конструкции оболочки выполнен со встроенной теплоизоляцией из асбеста (рис. 1 ) и состоит из центральной обечайки (1), на которую наварены дистанционные планки (2), на планках помещается кожух (3) толщиной 4 мм. На кожух навит листовой асбест (4), скрепленный стеклотканью. Общая толщина теплоизолирующего слоя 9,2 мм. Несущая часть корпуса состоит из разрезных конических колец (5) с углом 15° и монолитных колец (6). Между дистанционными планками установлены теплоэлектронагреватели (7) (ТЭНы). Навивку асбеста и стеклоткани производили на трехвалковых вальцах с прижатием валков и многократной обкаткой. Толщина теплоизоляционного слоя после этой операции уменьшилась с 12 мм в исходном состоянии до 9,4 мм. На внутренней поверхности центральной обечайки и на наружной поверхности теплоизоляционного слоя были размещены термопары (хромель - ко-пель) согласно схеме (рис. 1). Такие же термопары были установлены на внутренней поверхности разрезного кольца и наружной поверхности оболочки.
Для определения остаточных деформаций центральной обечайки при нагружении модели внутренним давлением производили измерения внутренних диаметров в двух взаимно перпендикулярных плоскостях согласно схеме, представ-
\Ф8П
Рис. 1. Схема экспериментальной царги диаметром 500 мм На виде сверху показана схема расположения термопар: (1), (2) - термопары, расположенные на внутренней поверхности центральной обечайки; (4), (5) - термопары, расположенные на тепловой изоляции;
(6), (7) - термопары, заключенные в разрезные кольца и расположенные рядом с термопарами (4), (5); (8), (9) - термопары, расположенные на наружной поверхности оболочки
Исследование НДС экспериментальной оболочки
Перед началом экспериментов было рассчитано давление технологической опрессовки по формуле
я
(6)
где
80 - общая толщина несущей стенки экспериментальной оболочки, мм;
Я - радиус наружной поверхности экспериментальной оболочки, мм;
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
-г-ср
Г/ - среднии предел текучести по толщине стенки оболочки, МПа.
СредниИ предел текучести по толщине стенки оболочки определяется по формуле
7ср =■ ■'т
( & + (& + (кБрк + (кБ к
Б, + Б + + Б„
(7)
где гц - предел текучести материала центральной обечаИки, МПа; гК - предел текучести материала внутреннего кожуха теплоизоляции, МПа;
предел текучести материала разрезных
колец, МПа;
_нк
гт - предел текучести материала монолитных
накладных колец, МПа;
8ц - толщина центральной обечаИки, мм;
- толщина внутреннего кожуха теплоизоляции,
мм;
8рк - толщина разрезных колец, мм;
8нк - толщина монолитных накладных колец, мм.
Давление технологической опрессовки составило 81 МПа и рассчитано из условия, что внутренний слой переходит в пластическую зону.
На основании результатов расчётов принята следующая схема нагружения с тензометрией на каждой ступени давления. При опрессовке:
0 - 50 - 64 - 80 МПа - 15-минутная выдержка - 0 МПа.
При упругих нагружениях:
1 цикл - 0 - 10 - 20 - 40 - 64 - 0 МПа,
2 цикл - 0 - 10 - 20 - 40 - 64 - 0 МПа,
3 цикл - 0 - 10 - 20 - 40 - 64 - 0 МПа, с тензометрией на каждой ступени давления.
Внутреннее давление в многослойной оболочке создавали на специальной установке. После опрессовки оболочки давлением 80 МПа производили замеры внутренних диаметров и координатной сетки (рис. 1).
Результаты замеров внутренних диаметров до и после опрессовки показали, что средняя остаточная деформация внутренней поверхности центральной обечайки составила 1,56 %. Эти данные согласуются с результатами замеров координатной сетки, по которым минимальная деформация составляет 1,3 %, максимальная 2,1 %, средняя деформация равна 1,7 %. Внутренний диаметр увеличился на 7,8 мм за счет утонения слоя теплоизоляции соответственно на 3,9 мм. Толщина слоя теплоизоляции стала 5,5 мм.
После опрессовки на внутренней поверхности оболочки были приварены тензорезисторы, предварительно наклеенные на нержавеющую фольгу, согласно схеме, приведенной на рис. 2. Результаты тензометрии показывают, что при повторных нагружениях давлением ниже давления опрессовки внутренняя поверхность оболочки деформируется в упругой зоне. После тензометрии демонтировали тензосистему и провели тепловые испытания оболочки со встроенной теплоизоляцией из асбеста, анализ результатов которых приведен ниже (табл. 1).
Таблица 1
Результаты измерения внутренних диаметров (мм)
Этапы измерений Пояса замеров Плоскости замеров
1 2 3
До испытаний Сечение I 494,35 494,27 494,09
Сечение II 494,90 494, 72 494,59
Среднее значение 494,62 494,46 494,34
После испытаний Сечение 1 501,90 502,52 502,48
Сечение 2 501,90 502,15 502,88
Среднее значение 501,90 502,33 502,68
Увеличение 7,28 7,87 8,34
Деформация ,% 1,45 1,57 1,66
0е |45° |135* |225" ,315° 361Г
Рис. 2. Схема расположения тензорезисторов на внутренней поверхности центральной обечайки
(развернутая поверхность)
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Второй вариант экспериментальной оболочки с теплоизоляционным слоем из шамотного порошка выполнен на той же установке.
После проведения испытаний с асбестом экспериментальную оболочку разобрали. Узел, состоящий из центральной обечайки, дистанционных планок и расположенного на них внутреннего кожуха теплоизоляционного слоя, был проточен по наружному диаметру в размер 584 мм (рис. 3). Наружный кожух теплоизоляции 7 надели, зафиксировали дистанционным кольцом 8, зазор 7 мм между кожухами 3 и 7 заполнили шамотным порошком. Плотность заполнения обеспечивали вибратором.
Рис. 3. Конструктивная схема царги с теплоизоляционным слоем из шамотного порошка 1 - центральная обечайка; 2 - дистанционные планки;
3 - внутренний кожух теплоизоляционного слоя;
4 - шамотный порошок; 5 - разрезные кольца; 6 - неразрезные кольца; 7 - наружный кожух теплоизоляционного слоя; 8 - дистанционное кольцо Полученную оболочку с теплоизоляционным слоем из шамотного порошка опрессовали давлением 80 МПа. В результате внутренний диаметр центральной обечайки увеличился в среднем на 5,7 мм, то есть на 1,12 %, за счет уменьшения толщины теплоизоляционного слоя. Толщина теп-
лоизоляционного слоя стала равной в среднем 4,15 мм.
Анализ данных полученных, после опрес-совки царги с теплоизоляционными слоями из асбеста и шамотного порошка, показывает, что уплотнение этих материалов в процессе изготовления достаточно эффективны.
Остаточная деформация внутренней поверхности центральной обечайки в результате опрес-совки составляет не больше 2 % в том и другом случаях, и при последующих упругих нагружени-ях меньшим давлением внутренняя поверхность царги деформируется без остаточных деформаций. Если теплоизоляционный слой спрессовывать до монтажа автоклава высокого давления подобной конструкции с многослойной или монолитной ее несущей частью, то напряженно-деформированное состояние внутренней поверхности будет более благоприятно.
Тепловые испытания оболочек со встроенными теплоизоляциями
После опрессовки оболочки подготовили к тепловым испытаниям: установили термопары по схеме, приведенной на рис. 1, смонтировали теплоэлектронагреватели. Нагрев производили с помощью расположенных между планками теп-лоэлектронагревателей. Температуры измеряли термопарами хромель - копель. Оболочки нагревали до установления постоянных температур во всех точках измерения, то есть до получения стационарного режима нагрева с постоянным тепловым потоком q по толщине стенки. Полученные результаты приведены в табл. 2.
Расчет коэффициентов теплопроводности материалов теплоизоляции
На основании результатов тепловых испытаний, проведенных на экспериментальной оболочке, можно произвести расчет коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных слоев по опи-
Таблица 2
№ п/п Материал встроенного теплоизоляционного слоя Значения температур, °С Перепад температур по металлу
Номера термопар
1 Асбест + наружная теплоизоляция 2 5 7 9 5-9
590 468 466 463 5
1 4 6 8 4-8
588 459 457 450 9
2 Шамотный порошок + наружная теплоизоляция 2 5 7 9 5-9
517 435 - 432 3
3 Шамотный порошок без наружной тепло изо ляции 358 253 - 247 6
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
санной выше методике. Для этого выбраны значения перепадов температур при стационарном режиме (табл. 1).
По результатам измерения температур на внутренней и наружной поверхности несущего слоя оболочки при известном коэффициенте теплопроводности стали рассчитывается стационарный тепловой поток по формуле (1). Поскольку нагреватели расположены над центральной обечайкой, то в расчет не входят ее толщина и толщина слоя с нагревателями.
Для случая, когда слой встроенной теплоизоляции выполнен из асбеста и имеется наружная теплоизоляция:
2жАГ 6,28АТ
—, д = -
Ч =
1п
/ Л
,1 407 , „
1п|-|/34,4
298,4
■ = 696,028АТ
по среднему перепаду температуры по несущему слою металла
5 + 9 .о,
Т = -
- = 70С,
1п
Л„ =-
2пАТ
"I 1п I ТГ I / Л
1п
1п
из
г'
V из )
г
V в
Ласб ="
= 1пI | = 0,01853;
292,92
= 1п| = 0,01375;
= 0,1153 Вт/м оС.
288,92 0,01853
6,28-
125 4888,02
0,01375 34,4
Аналогично определяем коэффициент теплопроводности шамотного порошка:
( \
1п
г"
V из )
= 1п
299 294,8
5>
г
V в У
= 1п
= 0,01415;
300
2948 | + 1п|300 | = 0,02737; 287,8 ) V 299 у
при наличии наружной теплоизоляции: 0,014146
Лшам
6,28-
82
0,02737
= 0,05792 Вт/м оС;
2101,69 34,4 без слоя наружной теплоизоляции:
0,014146
6,28-
105
0,02737
= 0,09064 Вт/м оС.
4203,37 34,4 Среднее значение коэффициент теплопроводности шамотного порошка
XI,. =
0,05792 + 0,09064 2
= 0,07428 Вт/м оС.
2
получаем ч = 696,028 • 7 = 4872,2 Вт/м.
При теплоизоляционном слое из шамотного порошка при наличии наружной теплоизоляции перепад температур по несущему металлическому слою равен АТ = 3 оС. Тогда тепловой поток равен:
, Л6,28А" -= 700,56АТ =
1п |3001 + 1п |40711/34,4
1299) 1300 ))
= 700,56 • 3 = 2101,7 Вт/м.
Без наружной теплоизоляции перепад температур по несущему металлическому слою равен АТ = 6 0С. Тогда тепловой поток равен: д = 700,56^6 = 4203,4 Вт/м.
Теперь по формуле (3) определяем коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя.
Для стенки с теплоизоляционным слоем из асбеста:
Зная коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя и разность температур на внутренней и наружной поверхности экспериментальной царги, находим общий тепловой поток через стенку царги с помощью выражения (2).
Для стенки с теплоизоляционным слоем из асбеста:
6,28 • 132,5
-±- Ы 0,2891+1п [_0401
34,41 V 0,285 ) V 0,2962
1 , I 0,2962
+-1п| —-
0,115328 V 0,289
- = 4890,65 Вт/м.
Аналогично определяем для стенки с теплоизоляционным слоем из шамотного порошка при наличии наружной теплоизоляции:
6,28 -85
Ч =
1п| 0,292 1 + 1п[-03-
34,41 V 0,285 ) V 0,299
+ 1п
0,407 0,3
1
0,2991
0,057923 V 0,292
1п
= 2102,49 Вт/м;
без слоя наружной теплоизоляции:
6,28-111
Ч =
^11 0,292 1+ 1п[-03- 1 + 1п| _1_1п| 0,299 1
34,41 V0,285) V0,299) V 0,3 )) 0,09064 V0,292) = 4205,83 Вт/м.
Полученные результаты позволяют провести расчет температур по всем слоям оболочек аналитическим методом и сравнить эти значения с экспериментальными данными. Для расчета температур на каждом слое, когда оболочка имеет наружную теплоизоляцию, воспользуемся формулой (4), а когда ее нет, то для расчета так же будет использована формула (5). На рис. 4 приведен график распределения температур в стенке экспериментальной оболочки с теплоизолирующим слоем из асбеста. Наружная поверхность оболочки теплоизолирована.
из
н
1=1
Ч
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 4. График распределения температуры по стенке оболочки с теплоизолирующим слоем из асбеста
540 520 500 480 460 440 420 400
"С
i >
Я л/л
■а нал
И1ИЧ
еск...
О
0,2
0,4
0,6
Рис. 5. График распределения температуры по стенке оболочки с теплоизолирующим слоем из шамотного порошка
400
350
300
250
200
г< ш 1
■ Ana лит и чсс...
О
0,1
0,2
0,3
0,4
R, им
0,5
Рис. 6. График распределения температуры по стенке оболочки с теплоизолирующим слоем из шамотного порошка без наружной теплоизоляции
На рис. 5 приведен аналогичный график распределения температур для оболочки с теплоизолирующим слоем из шамотного порошка. На рис. 6 показан график, когда оболочка не имеет наружной теплоизоляции.
Выводы
В ходе проведенной работы испытана натурная модель оболочки со встроенными в стенку нагревателями и встроенным тепловым экраном (теплоизоляционным слоем) между нагревателем и несущей частью корпуса. В качестве теплоизоляционных материалов были использованы асбест и шамотный порошок. В результате экспериментальных исследований и расчетов были определены коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных материалов.
Экспериментально доказано, что применение теплоизоляционного слоя позволяет значительно снизить нежелательный нагрев несущей стенки в автоклавах высокого давления новой конструкции. Этот факт позволит увеличить рабочую температуру и давление без изменения размеров несущей стенки в сравнении с подобными существующими конструкциями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 14249.1 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. М; Стандартинформ, 2008.
2. Патент № 2093481 «Автоклав для синтеза и выращивания кристаллов в гидротермальных условиях». / Пимштейн П. Г, Мурашев Б. Г, Борсук Е. Г, Погодин В. К, Древин А. К, Тришкин С. В, Олейник В. Н. // Заявл. 24.04.1991; Опубл. 20.10.1997.
3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи - М: Энергия, 1973 - 320 с.
4. Экспериментальное исследование модели автоклава для гидротермального синтеза минералов / Д.А. Еловенко, П.Г. Пимштейн, О.В. Репец-кий, Д.В. Татаринов // Вестник байкальского союза стипендиатов DAAD. № 1 (7), 2010 г., С. 11 -19.
