CC BY
19
УДК 678
В. Л. Федяев, И. В. Моренко, А. Р. Сираев,
Э. Р. Галимов, И. Р. Гимранов, Л. Р. Фазлыев, И. А. Абдуллин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
РАСПЫЛИТЕЛЯ ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ
Ключевые слова: полимерные порошковые композиции, покрытия, распыглительное устройство, расчетные
формулы, математическая модель.
Проведен анализ процессов, протекающих при прохождении частиц полимерных порошковых композиций в проточной части распылительного устройства. Представлены математические модели процессов с учетом конвективного и радиационно-конвективного теплового взаимодействия частиц с окружающей средой. Определены соотношения для расчета температуры частиц в зависимости от продольной координаты, времени полета, режимных и конструктивных параметров, а также теплофизических характеристик композиций и окружающей среды.
Keywords: polymer powder compositions, coating, spraying device, formulas, mathematical model.
We conducted an analysis of the processes occurring during the passage of particles of polymer powder compositions in the flow part of the spray device. A mathematical model of the processes taking into account the convective and radiative-convective thermal particle interaction with the environment. The relationships for calculating the temperature ofparticles as a function of the longitudinal coordinate, time offlight, operating and design parameters and ther-mo-physical characteristics of the compositions and the environment.
Введение
Среди большого разнообразия функциональных покрытий особое место по эффективности и перспективности применения занимают покрытия на основе полимерных порошковых композиций (ППК) [1]. В последние десятилетия во всех про-мышленно развитых странах наблюдается стремительный рост объемов производства и применения порошковых материалов и покрытий на их основе. В настоящее время на долю порошковых покрытий различного назначения приходится до 20 % всех окрашиваемых изделий и конструкций, и они представляют технико-экономическую альтернативу многим видам покрытий. Основными потребителями порошковых покрытий являются машиностроение и энергетика, химическая и нефтегазовая промышленность, а также многие другие отрасли современного производства.
В исходном состоянии ППК представляют собой дисперсные порошки, содержащие в качестве пленкообразующих компонентов термопластичные или термореактивные связующие, а также функциональные добавки в виде наполнителей, отвердите-лей, стабилизаторов, пигментов и др. компонентов, придающих покрытиям необходимые технологические и эксплуатационные свойства.
Для получения порошковых покрытий наиболее широкое применение нашли электростатический, газопламенный и комбинированные способы нанесения [2, 3], основанные на подаче смеси ППК с воздухом или другими газообразными продуктами в виде струи (факела), т.е. с использованием струйных газовых течений.
Основными составляющими установок для реализации технологических процессов получения порошковых покрытий указанными способами являются: устройство для подачи сжатого воздуха и газа, порошковый питатель-дозатор с электронагревателем, распылительное устройство, пульт регули-
рования и управления режимными параметрами, коммуникации с запорной и регулируемой аппаратурой, а также ряд дополнительных устройств. Для получения порошковых покрытий разработан комбинированный универсальный способ, основанный на совмещении электростатического и газопламенного способов.
Производительность и стабильность технологического процесса, а также качество получаемых покрытий определяются конструктивно-
технологическими параметрами разработанного оборудования, и в первую очередь, процессами, протекающими в распылительном устройстве. Основными узлами распылительного устройства являются: вихревая камера (барабан) с центральной трубкой для подачи воздушно-порошковой смеси (ВПС), зарядный узел, вихревая камера (топка) с кольцевой трубкой, обеспечивающие подачу в распылительное устройство теплоносителя в виде нагретого газа, теплоизолированная трубка (область прямого контакта ВПС с горячим газом), набор сопел, торцевой инфракрасный излучатель.
Экспериментальная часть
В данной работе проведено математическое моделирование процессов нагрева и оплавления частиц полимерного порошка в распылительном устройстве [3, 4]. При нанесении ППК указанным способом частицы порошка подаются в высокотемпературную струю продуктов сгорания топлива. При этом велика вероятность деструкции материала на поверхности частиц и, как следствие, появления дефектов покрытия. Чтобы исключить названные нежелательные процессы, и принимая во внимание большую тепловую инерцию материала напыляемых полимерных порошков, целесообразно нагрев и последующее оплавление (расплавление) частиц производить поэтапно: вначале в питателе-дозаторе, затем на первом участке центральной проточной
части распылительного устройства конвекциеи через разделительную стенку. После чего, на втором участке, в области прямого контакта воздушно-порошковой смеси (ВПС) с нагретыми до высокой температуры газами, осуществлять оплавление (расплавление) частиц порошка, в основном, за счет лучистого теплообмена.
Первый участок проточной части распылителя состоит из центрального кольцевого канала длиноИ11 с винтовой вставкой, в котором движется ВПС, и периферийного кольцевого канала такой же длины с текущей в нем горячей газовой средой. По сути, данный участок представляет собой рекуперативный теплообменник типа «труба в трубе». Второй участок - трубка длиной 12, внутренний диаметр которой совпадает с диаметром периферийного кольцевого канала первого участка. Наружная поверхность этой трубки, как и трубки первого участка, теплоизолирована. В трубке второго участка движутся с разными скоростями ВПС и охватывающая поток смеси нагретая газовая среда (воздух, продукты сгорания топлива).
При рассмотрении неизотермического течения сред в полостях этих участков предполагается, что среды несжимаемы, на первом участке ВПС представляет собой гомогенную смесь. Вводится цилиндрическая система координатг, ф, ъ, ось 0ъ которой направлена вдоль оси симметрии концентрических трубок. Исходная система уравнений, описывающих течение ВПС в центральном кольцевом канале, состоит из дифференциальных уравнений сохранения импульса, массы, энергии и зависимости плотности ВПС от температуры.
На первом участке уравнения этой системы осредняются и дополняются замыкающими феноменологическими соотношениями.
С целью определения формул, пригодных для выполнения инженерных расчетов, система ос-редненных уравнений максимально упрощается с использованием следующих допущений. Турбулентное неизотермическое течение смеси в канале считается квазистационарным; члены, содержащие производную по координате ъ в уравнениях сохранения импульса и неразрывности, упускаются, а изменение плотности теплового потока в продольном направлении полагается малым по сравнению с изменением в радиальном направлении.
Полученная таким образом задача решается относительно среднемассовой температуры смеси
^ =11 ^) =1вх1 + (р^^ и), (1)
где 1вх1 - средняя температура ВПС на входе в кольцевой канал, и - средняя расходная скорость смеси, отнесенная к полному сечению канала Б1 =п (г12 -Гц ); г1 - радиус центральной цилиндрической вставкивнутренней поверхности кольцевого канала; р1,с1 - средняя плотность, удельная теплоемкость смеси; q0 - плотность теплового потока со стороны нагретого газа.
Аналогичное соотношение может быть найдено и для среднемассовой температуры
12=12 (z) нагретого газа в периферийном кольцевом
канале. После ряда преобразований этих соотношений получим
11=(1вх1+к|Б112 )/Х1 ,
( Л о /Л Л /
12 =
1ВХ2 +1 I tвх1+SэqЭ
(2)
Х2 . (3)
Х2=1 + к^2/ Х1 ,
Здесь х-1=1+к^1,
S1=S1 (z )=теДр^^й),
S2=S2 (z) = i(p202S2U2 ), S2=п(г22-г12 ) - площадь полного сечения периферийного канала, Sэ =Sэ (z)=SЭ/(p202S2U2); SЭ=SЭ (2) - площадь
боковой поверхности электронагревательного элемента, установленного в зазоре периферийного
1
кольцевого канала; к|
к| = 1/
1 1 , -+—1п
а1Г1 Ао
(Г1Л
Чг1у
а2Г1
средний коэффициент теплоотдачи, Хс - средний коэффициент теплопроводности материала разделительной стенки, Г1=Г1+И1, ^ - толщина стенки; а1,а2 - средние коэффициенты конвективного теплообмена на внутренней и наружной поверхности этой стенки; р2,о2,и, 1вх2 - средняя плотность, удельная теплоемкость, расходная скорость, входная температура нагретого газа в периферийном кольцевом канале.
В общем случае плотность, теплоемкость, средняя расходная скорость газов в рассматриваемых каналах близки ( Учитывая данное обстоятельство, полагая qЭ = 0, найдем 11 □ (1-к|Б1) 1вх1+к|Э112,
12 □ [(1+к|§1) 1вХ2 + к| Э21вХ1 ]/(1+к|§2 ).
Отсюда следует, что если 1вх1 □ 1вх2 , то на выходе из канала (ъ = 11) температура ВПС, а значит и температурами частиц порошка будет
1р|1=1р|1=1вх1+к11вх2; (4)
температура газовой среды в периферийном кольцевом канале
12|1 = к21вх2, (5)
где к1=к2к|§ц, к2=у (1+к|Э2|), 81|=Б1 (2=1,),
32|=Э2 (2=|2 ) .
Видно, что температура 11|1 ВПС на входе увеличивается по сравнению с исходной на величину, пропорциональную1ВХ2, коэффициенту теплоотдачи к|, длине первого участка11, и уменьшается пропорционально расходу этой смеси. Соответственно, температура газа 12и по сравнению йВХ2 уменьшается, что вполне согласуется с имеющимися представлениями.
На втором участке нагретая воздушно-порошковая смесь движется в кольцевой струе горячего газа. В силу потери устойчивости границы
раздела потоков происходит ее размывание и перемешивание сред. Однако, поскольку длина участка 12 сравнительно мала, это перемешивание здесь не учитывается. Предполагается, что на частички порошка сферической формы одинакового радиуса действует равномерное излучение со стороны газа, температура которого приблизительно равна ^ «Ьп, а температура внутренней поверхности трубки близка 