Исследование теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов для новых конструкций цилиндрических стенок автоклавов высокого давления Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Д.А. ЕЛОВЕНКО

аспирант Байкальского государственного университета

экономики и права, г. Иркутск e-mail: bear-paw3@yandex.ru

О.В. РЕПЕЦКИЙ

проректор по международной деятельности Байкальского государственного университета экономики и права, доктор технических наук, профессор, г. Иркутск

e-mail: repetskiy@isea.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТЕНОК АВТОКЛАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Описаны экспериментальные исследования теплоизоляционных материалов разных видов и толщины, которые могут применяться в сосудах высокого давления. Сделан сравнительный анализ их эффективности в контексте решения проблемы снижения перегрева несущих стенок сосудов. Определена зависимость теплопроводности материалов от давления.

Ключевые слова: несущая стенка, теплоизоляционный материал, давление, теплопроводность, тепловой поток, температурный перепад.

УДК 004.94 ББК 32.816

D.A. ELOVENKO

post-graduate student, Baikal State University of Economics and Law, Irkutsk e-mail: bear-paw3@yandex.ru

O.V. REPETSKIY

Vice Rector for International Relations, Doctor of Science in Engineering, Professor, Baikal State University of Economics and Law, Irkutsk

e-mail: repetskiy@isea.ru

ANALYSIS OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF HEAT INSULATION MATERIALS FOR NEW CONSTRUCTIONS OF CYLINDRICAL WALLS IN HIGH-PRESSURE AUTOCLAVES

This paper describes the experimental researches of heat insulation materials of various types and thickness which can be used in high-pressure vessels. The authors have made the comparative analysis of the materials' efficiency in the context of solving the problems of reducing the thermal overload of vessels' load-bearing walls and have defined the dependence of thermal conductivity of materials on pressure.

Keywords: load-bearing walls, heat insulation material, pressure, thermal

conductivity, heat flux, temperature difference.

Совершенствование конструкций сосудов высокого давления главным образом необходимо ориентировать на повышение технологических режимов работы (температура рабочей среды и давления) и, следовательно, на увеличение единичной мощности этого оборудования. Большинство конструкций цилиндрических сосудов имеют внутренний

обогрев и находятся в непосредственной близости от рабочей среды. Их общим недостатком является тепловое воздействие на несущую стенку сосуда, которое создается нагревательными элементами в процессе работы. Снижая или полностью нейтрализуя это воздействие, можно повысить механические характеристики несущих стенок сосудов и

© ДА. Еловенко, О.В. Репецкий, 2011

увеличить технологические режимы работы аналогичного оборудования, а также создать новые, более совершенные конструкции цилиндрических стенок сосудов.

В предложенной ранее конструкции сосуда со встроенным в стенку нагревателем теплоизоляционный слой расположен непосредственно у внутренней поверхности несущей стенки сосуда [1]. Конструкция, исследованная в [2], также может быть модернизирована по этому конструктивному принципу. В связи с этими фактами возникает необходимость экспериментального исследования теплофизических свойств традиционных теплоизоляционных материалов, таких как асбестовый картон и порошки шамотный и корундовый.

При исследовании теплофизических свойств выбранных материалов необходимо определить зависимость термического

сопротивления от давления. Увеличение давления приводит к изменению плотности, а значит, и к изменению теплопроводности изоляционного слоя. Следовательно, теплопроводность исследуемого материала должна быть функцией давления, действующего в сосуде.

Оборудование для определения зависимости теплопроводности изоляционного материала от давления. Для экспериментальных исследований была использована специальная установка (рис. 1). Установка состоит из теплоизоляционного кожуха (3), сборного металлического экрана (4), двух сплошных цилиндров диаметром 40 мм (2). Между ними устанавливается контейнер (8), содержащий в замкнутом объеме исследуемый материал (5), образующий вместе с цилиндрами основной стержень, по которому пропускается тепловой поток.

220 V

I'////////А

220 V

Выхо,

воды

Вход

воды

Рис. 1. Схема установки для исследования теплофизических свойств материалов

На основном стержне и на металлическом экране установлены электронагревательные приборы (1) и (9), подключенные к сети переменного тока через регулирующие потенциометры (ПВ-2-11А, ПСР-03). В нижней части установки расположен холодильник (6), через который пропускается вода. Для замера температуры на основном стержне вдоль образующей через 10 мм и на границах слоя исследуемого материала установлены термопары (7) (хромель-ко-пель). Температура измерялась с помощью регистрирующего потенциометра ЭК-40. Основной тепловой экран, в котором нагревателем и холодильником поддерживается такое же распределение температуры, как в основном стержне, почти полностью исключает утечку тепла в радиальном направлении. Это подтверждается тем, что относительные разности среднего теплового потока и тепловых потоков в верхнем и нижнем цилиндрах составляют чуть больше 5%.

Методика исследования. Экспериментальные исследования теплопроводности материала в зависимости от давления проводились в следующем порядке:

1. Смонтированная и отлаженная установка помещалась на разрывную машину.

2. Снимались показания при комнатной температуре без нагружения.

3. Включались нагревательные элементы и подводилась вода к холодильнику. На шкалах потенциометра ПСР-1 и ЭПВ 2-1 1 ограничители были установлены на температуру 1 000 °С. В течение 3-4 ч без нагрузки выдерживалась температура до установки постоянного теплового потока.

4. При установившемся потоке исследуемый материал нагружался усилием 2 кН и каждые 15 мин снимались и фиксировались показания термопар до установления постоянного теплового потока.

5. Пункт 4 повторялся при нагрузках 2-6-20-40-48 кН.

6. Нагрузка сбрасывалась, и составной стержень нагружался до максимального значения 10 раз.

7. После десятикратного нагружения повторялись пункты 3, 4, 5.

8. Снимались показания термопар при уменьшении нагрузки с максимальной — 48 кН до 0 по ступеням 48-40-20-6-2-0.

Обработка результатов эксперимента.

Величины термического сопротивления и теплового потока функционально связаны [3]. Тепловой поток, направленный вдоль основного стержня, можно считать постоянным и определить как среднее арифметическое потоков в верхнем и нижнем цилиндрах:

і (ад-т) + ад - т^

1 V 1

-

_________________

' '

1 '

где X, и Х2 — коэффициенты теплопроводности материала верхнего и нижнего цилиндров при соответствующей температуре; !1( 16 — расстояния от нижнего торца верхнего цилиндра до его соответствующих термопар; 18, 112 — расстояния от верхнего торца нижнего цилиндра до его соответствующих термопар; 7^, Т6, Т8, Т12 — показания соответствующих термопар.

Коэффициент теплопроводности исследуемого материала определяется по формуле

где 5М = Биз — толщина слоя исследуемого материала.

Тепловой поток может быть выражен через термическое сопротивление по формуле

,

а,,

где Биз / Хиз — термическое сопротивление изоляции Яиз.

Термическое сопротивление изоляции определяется по формуле

с другой стороны, оно равно:

т -т

'

к

Анализ результатов. По изложенной выше методике было испытано три образца из шамотного порошка № 1, 2 и 3 с начальной толщиной 4,2, 5,2 и 4,7 мм; три образца из асбокартона № 4, 5 и 6 с начальной толщиной 5, 10 и 3 мм; три образца из корундового порошка № 7, 8 и 9 толщиной 3,9, 4,5 и 3,7 мм.

На рис. 2 показаны графики распределения температуры по длине составного

'

стержня для образца толщиной 5,2 мм из шамотного порошка, а на рис. 3 — для этого же образца после десятикратного нагружения по схеме 0-48-0 кН. На рис. 4 и 5 показаны аналогичные графики для образца из асбокартона толщиной 5 мм, а на рис. 6 и 7 эти графики приведены для образца из корундового порошка толщиной 4,5 мм.

I, мм

Рис. 2. Распределение температуры по длине основного стержня при разных контактных давлениях для образца из шамотного порошка

I, мм

Рис. 3. Распределение температуры по длине основного стержня при разных контактных давлениях после десятикратного нагружения по схеме 0—48—0 кН для образца из шамотного порошка

I, мм

Рис. 4. Распределение температуры по длине основного стержня при разных контактных давлениях для образца из асбокартона

I, мм

Рис. 5. Распределение температуры по длине основного стержня при разных контактных давлениях после десятикратного нагружения по схеме 0—48—0 кН для образца из асбокартона

Можно видеть, что давление оказывает заметное влияние на теплопроводность теплоизоляционного материала.

На рис. 8 показаны зависимости коэффициента теплопроводности от давления для образцов № 2, 4, 8 из шамотного порошка, асбокартона и корундового порошка соответственно, а на рис. 9 приведены аналогичные графики после десятикратного нагружения по схеме 0-38-0 МПа.

Т, °С400 350 300 250 200 150 100 50 0

•\ • X ■ • X

Ч N \ч'*\ V, ч> • •\

Ч ч‘Л ч 4 \\1

V ■

0 кН 2 кН

— ■ -6кН -•20 кН

— -40 кН

— -48 кН

0 20 40 60 80

100

120 140

I, мм

Рис. 6. Распределение температуры по длине основного стержня при разных контактных давлениях для образца из корундового порошка

Т, °С

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

N4»

V М

Л

— >

-----0 кН

.....2 кН

— 6 кН —■20 кН --40 кН -■■-48 кН

0 20 40 60 80

100

120 140

I, мм

Рис. 7. Распределение температуры по длине основного стержня при разных контактных давлениях после десятикратного нагружения по схеме 0—48—0 кН для образца из корундового порошка

Проанализированные зависимости, отраженные на графиках (рис. 8 и 9), показывают, что теплопроводность электрокорундо-вого порошка с ростом давления значительно увеличивается. Давление мало влияет на теплопроводность асбокартона и шамотного порошка. При этом коэффициенты теплопроводности шамотного порошка и асбокартона близки по величине и в 3—4 раза меньше, чем у электрокорундового порошка. Таким

образом, учитывая теплофизические характеристики исследуемых материалов, можно рекомендовать в качестве теплоизолятора шамотный порошок. Тем более что из трех исследуемых материалов он является наиболее дешевым и менее дефицитным.

Р, МПа

--Корундовый порошок-----Асбокартон

..Шамотный порошок

Рис. 8. Зависимость теплопроводности

материалов от давления

Р, МПа

---Корундовый порошок-----Асбокартон

...Шамотный порошок

Рис. 9. Зависимость теплопроводности материалов от давления после десятикратного нагружения по схеме 0—38—0 МПа

Анализ результатов испытаний показывает также, что теплопроводность асбокартона и шамотного порошка, определенная при нулевом давлении, в несколько раз выше, чем эти характеристики, приведенные в справочниках. Это вызвало необходимость тестовой

проверки правильности методики определения теплофизических характеристик с помощью использованного устройства.

Для проверки был определен коэффициент теплопроводности эталонного образца из стали 20.

При определении теплопроводности стального стержня в приспособление (см. рис. 1) вместо контейнера 5 устанавливался стальной образец по схеме, показанной на рис. 10.

2

4

5

7

15

8

9

а

та

с

О

5

а

ш

I-

ю

а

ш

5

0

1

Рис. 10. Схема составного стержня с эталонным образцом

Замеры температур проведены дважды в условиях установившихся тепловых потоков. Их результаты приведены в таблице. Показания термопар при исследовании стального образца

Показания температур

Т1 Т2 Т4 Т 5 Т7 Т8 Т9 Т10 Т11 Т12 Т14 Т15

89 197 190 182 174 60 54 47 39 33 187 108

133 277 265 249 232 90 78 65 53 42 258 171

В соответствии с нумерацией термопар (см. рис. 10) коэффициент теплопроводности определяется по формуле

5 8

о, __ _ ___ _____________ ____________

ст R Т — Т 1-. — и К — А

'

'

к

к

“ 1

При средней температуре стального стержня 98 °С коэффициент теплопроводности составил 40 ккал/м • ч • °С (по справочным данным, при 100 °С — 43 ккал/м • ч • °С). При температуре стержня 150 °С коэффициент теплопроводности составил 38 ккал/м • ч • °С (по справочным данным — 42 ккал/м • ч • °С).

Ошибка составила 8 и 9%, причем в меньшую сторону. Это значит, что и результаты исследования теплоизоляционных материалов корректны.

Проведенные исследования теплофизических свойств теплоизоляционных материалов отражают эффективность их применения для значительного уменьшения или полной блокировки теплового воздействия, которое нагревательные элементы оказывают на несущую стенку, снижая ее механические характеристики. Показано, что при малых толщинах теплоизолирующих материалов может быть обеспечена хорошая защита несущей стенки автоклава высокого давления от нежелательного обогрева в процессе работы.

Полученные экспериментальные данные и зависимости могут быть внедрены для создания автоклавов высокого давления новой конструкции на стадии проектирования и расчета сосудов. В этих сосудах сборные цилиндрические стенки будут иметь слой теплоизолирующего материала, который возможно демонтировать и менять на новый в случае его отработки, т.е. потери теплофизических свойств.

Список использованной литературы

1. Автоклав для синтеза и выращивания кристаллов в гидротермальных условиях: патент № 2093481 на изобретение / Пимштейн П.Г., Мурашев Б.Г., Борсук Е.Г., Погодин В.К., Древин А.К., Тришкин С.В., Олейник В.Н.

2. Еловенко Д.А., Пимштейн П.Г., Репецкий О.В., Татаринов Д.В. Экспериментальное исследование модели автоклава для гидротермального синтеза минералов // Вестник Байкальского союза стипендиатов DAAD. 2010. № 1 (7). С. 11-19.

3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплоотдачи. М., 1973. 320 с.

Referenses

1. Avtoklav dlya sinteza i vyrashchivaniya kristallov v gidrotermal'nykh usloviyakh: patent № 2093481 na izobre-tenie / Pimshtein P.G., Murashev B.G., Borsuk E.G., Pogodin V.K., Drevin A.K., Trishkin S.V., Oleinik V.N.

2. Elovenko D.A., Pimshtein P.G., Repetskii O.V., Tatarinov D.V. Eksperimental'noe issledovanie modeli avtoklava dlya gidrotermal'nogo sinteza mineralov // Vestnik Baikal'skogo soyuza stipendiatov DAAD. 2010. № 1 (7). S. 11-19.

3. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Osnovy teplootdachi. M., 1973. 320 s.