CC BY
14
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
БИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин.
- Л. : Энергоатомиздат. Ленинградское отделение.
- 1986. - 208 с.
2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Учебник для вузов-2-е изд. перераб. и доп. в 2-х томах. -М. : Издательство МЭИ 2004. Том 1. -656 с.
3. Волдек А.И. Электрические машины. - Л. : Энергия, 1978. - 832 с.
4. Лукьянов Д.А., Куцый Н.Н. Исследование, моделирование и оптимизация динамических характеристик мотор-вентиляторов электровозов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование - Иркутск, ИрГУПС. - 2009. - № 2 (22). - С. 97-108.
УДК 621.002.5 Широбоков Константин Петрович,
к.т.н., доцент, Воткинский филиал Ижевского государственного технического университета, тел.: 8(34145) 5-15-00, 8-9226863753, e-mail: vflab101@mail.ru
Святский Владислав Михайлович, аспирант, Воткинский филиал Ижевского государственного технического университета, тел.: 8-9058759300, e-mail: svlad-2000@rambler.ru
ОХЛАЖДЕНИЕ СВОБОДНОЙ СТРУИ РАСПЛАВЛЕННОГО ПОЛИМЕРА ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАЗДУВА
K.P. Shirobokov, V.M. Svjatsky
COOLING OF THE FREE STREAM OF THE FUSED POLYMER AT REALIZATION OF VERTICAL BLOW WITH AIR TECHNOLOGY
Аннотация. Рассмотрен способ получения волокнистых материалов из расплава полимеров, представлена методика расчета изменения температуры струи расплавленного полимера на участке ее течения от сопла плавильного агрегата до координаты встречи с дутьевой головкой.
Ключевые слова: материал, технология, установка, агрегат, волокно.
Abstract. The way of reception of fibrous materials from the melt of polymers is considered, the design procedure of change of temperature of a stream of the fused polymer, on a site of its current from a nozzle of the melting unit to coordinate of a meeting with blow head is presented.
Keywords: material, technology, facility, unit,
fibre.
В современном мире большинство промышленных потребителей теплоизоляционных, звукоизоляционных и сорбирующих материалов отдают предпочтение волокнистым материалам, которые просты в применении, показывают высокую эффективность и имеют низкую себестоимость продукции.
В настоящее время волокнистые синтетические материалы благодаря высокой прочности, стойкости к агрессивным воздействиям, хорошим фильтрующим свойствам и низкому влагопогло-щению все больше заменяют в промышленности материалы из природных волокон [1].
С этой точки зрения создание современной технологии, позволяющей сократить затраты на производство волокнистых материалов, обеспечивая при этом получение качественного материала с высокой производительностью, в настоящее время является актуальной задачей.
Традиционная технология получения такого материала, основанная на экструзии расплава через тонкие отверстия фильеры в виде струек, охлаждением и вытягиванием жгута намоточным устройством с дальнейшей обработкой - достаточно сложное и энергоемкое производство, предполагающее использование качественного промышленного сырья определенного состава. При использовании в качестве сырья вторичного гра-нулята, который неоднороден по составу, расплав обладает меньшей вязкостью, температурой плавления, а также низкими механическими характе-
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
ристиками, не позволяющими применять в таких условиях намоточные устройства. По этой причине не удается получить из них волокнистый материал по традиционной технологии.
Наибольший интерес среди технологических процессов получения волокнистых материалов из волокон термопластичных веществ представляет процесс, суть которого заключается в получении вертикально падающей струи расплавленного материала с последующим ее раздувом воздушным потоком. Идея такого процесса не нова, однако этот процесс до сих пор не реализован в промышленных условиях, за исключением стеклянных и минеральных волокон [2, 3]. Результаты работы по созданию такой технологии получения волокнистых материалов из расплава полимеров подтвердили ее положительные качества, в том числе существенное уменьшение материальных и энергетических затрат на производство такого волокна по сравнению с традиционной технологией [4].
Конструкторские идеи переработки полимерных расплавов в штапельные волокна, основанные на принципе одностадийного процесса, сделали этот способ весьма перспективным, поскольку все переходы от загрузки сырья до выхода готового материала осуществляются на одном агрегате, при этом в качестве сырья может использоваться как первичный, так и вторичный грану-лят. Теоретические основы такого способа следует рассматривать как новый, самостоятельный процесс, полностью удовлетворяющий требованиям экономии энергии, снижения трудозатрат и простоты технологических операций.
В этой связи исследование технологии получения волокнистых материалов из волокон термопластичных веществ способом вертикального раздува представляет наибольший интерес.
Такой технологический процесс принципиально отличается способом создания растягивающей силы: она создается воздушным потоком, истекающим из устройства волокнообразования. Это обстоятельство вносит ряд новых моментов при проектировании агрегатов по рассматриваемой схеме по сравнению с традиционным способом.
Отличие заключается, прежде всего, в том, что для получения волокнистого материала требуемого качества необходимо знать, как изменяется температура струи расплавленного материала на участке ее течения от сопла плавильного агрегата до координаты встречи с устройством волок-нообразования.
При аналитическом решении этой задачи примем следующие допущения. Первое: струя расплавленного полимера имеет форму бесконечного стержня с убывающим по длине радиусом. Второе: движением струи в осевом направлении пренебрегаем вследствие малых скоростей потока. Третье: охлаждение струи расплавленного полимера эжектируемым устройством волокнообразо-вания воздушным потоком на рассматриваемом участке происходит равномерно по всей длине струи. Четвертое: струя находится в среде с постоянной температурой а Пятое: коэффициент теплопроводности материала струи X достаточно велик, а площадь поперечного сечения струи мала по сравнению с ее длиной. Последнее дает основание пренебречь изменением температуры по сечению струи и считать, что она изменяется только по длине струи в направлении оси х. Расчетная схема для решения поставленной задачи представлена на рис. 1.
О.?:
хУ
Рис. 1. Расчетная схема для определения изменения температуры струи, истекающей из сопла плавильного агрегата
В дальнейших выводах отсчет температуры струи будем вести от температуры среды и введем определение избыточной температуры струи, обозначив ее через в:
в =гх - ■
На расстоянии х от среза сопла плавильного агрегата, из которого происходит истечение струи расплавленного полимера, выделим элемент
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
струи длиной dx. Уравнение теплового баланса для рассматриваемого элемента запишем в виде:
dQ = Qx-Qx+dx, (1)
где dQ - количество теплоты, отдаваемое за единицу времени наружной поверхностью выделенного элемента окружающей его среде; Qx - количество теплоты, входящее в верхнюю грань элемента за единицу времени; Qx+dx - количество теплоты, которое выходит за это же время через нижнюю грань выделенного элемента.
Согласно основному закону теплопроводности имеем:
dQ=-X(dв/dx)пr2 , (2)
Qx+dx=-Xжr2 [d(в+(dв/dx)dx]dx. (3)
Считая, что процесс теплообмена между поверхностью выделенного элемента струи площадью 2пМх описывается законом Ньютона - Рих-мана, имеем:
dQ=2пгавdx, (4)
где а - коэффициент теплоотдачи [Вт/(м К)], характеризующий интенсивность конвективного теплообмена между струей и окружающей средой. Этот коэффициент зависит практически от всех параметров процесса теплообмена, в том числе и от скорости воздушного потока V, эжектируемого устройством волокнообразования в области между соплом плавильного агрегата и верхним торцем устройства волокнообразования. Для определения коэффициента теплоотдачи предлагается воспользоваться эмпирической формулой:
а= ас +вV, (5)
где ас - коэффициент теплоотдачи при нулевой скорости потока воздуха; в - коэффициент влияния скорости воздушного потока на эффективность теплоотдачи (ас и в - определяются экспериментально для разных условий взаимодействия воздушного потока со струей расплавленного полимера).
Подставив (2), (3), (4) в уравнение теплового баланса (1), получим дифференциальное уравнение второго порядка, описывающее процесс охлаждения струи расплавленного материала:
d2в/dx2=q2в, (6)
где q2 = 2а/(кг); X = 0,14 Вт/(мК) - коэффициент теплопроводности материала.
Для случая, когда параметр q=const, существует аналитическое решение уравнения (6):
в=вое-«х , (7)
где в0= t0 - ta - избыточная температура на срезе сопла плавильного агрегата.
В рассматриваемом случае радиус r струи существенно зависит от осевой координаты х, и считать, что q = const будет некорректным.
В ходе экспериментального исследования процесса истечения струи расплавленного полимера из сопла плавильного агрегата под действием гидростатического давления получены ее фотографии (рис. 2), при различных значениях средней скорости V воздушного потока, действующего на струю расплавленного полимера в направлении ее движения на рассматриваемом участке.
Рис. 2. Струя расплавленного первичного полимера, полученная при температуре на срезе сопла плавильного агрегата 310 оС
После анализа этих фотографий получена эмпирическая формула, устанавливающая зависимость текущего радиуса струи г от осевой координаты х:
г= (г0-гс)в-ах+гс, (8)
где гс - радиус струи, охлажденной ниже температуры плавления; с - параметр, определяемый в зависимости от скорости V воздушного потока, обтекающего струю в зоне между срезом сопла плавильного агрегата и верхним торцем устройства волокнообразования - до начала процесса во-локнообразования. Одна из фотографий струи, полученной при истечении расплавленного полимера из сопла плавильного агрегата диаметром 3 мм (г0 = 0,0015 м) при температуре на срезе сопла ^ = 310 оС и при неработающем устройстве волокно-
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
образования, когда V=0, представлена на рис. 2. Измерив с учетом масштаба фотографии продольные и поперечные размеры струи, получено: в нижней части течения, при расстояниях х>0,04 м радиус струи остается неизменным и составляет гс = 0,0002 м, а при х = 0,03 м - г = 0,00025 м. При этих условиях из формулы (8) определен параметр с = 108 м-1.
На настоящий момент аналитического решения уравнения (7) с условием (8) получить не удалось. Для решения поставленной задачи предлагается представить струю расплавленного полимера ступенчатой, в виде множества цилиндрических элементов длиной Ах, и последовательно вычислять избыточную температуру в, в нижней части таких элементов по формуле:
в,, =ви е-1, Ах , (9)
где 1 = 1...п; п =10...20 - количество условных цилиндрических элементов; Ах =(0,1...0,05)хтах; Хщах - максимальное расстояние по длине струи, при увеличении которого существенного изменения температуры, влияющего на физические свойства струи, не происходит; в— - избыточная температура в нижней части предыдущего условного цилиндрического элемента. Осевая координата при этом определяется выражением х = 1 Ах. Параметр 1, в этом случае вычисляется по формуле: 1=[2а/(к ( (г0-гс)е~сАх+гс))]0,5 . (10)
Предварительные расчеты изменения температуры струи по ее длине по формуле (8) показали неудовлетворительный результат: при изменении расстояния х от нуля всего на 0,004 м температура изменяется сразу на 200 оС - от 310 до 110 оС, хотя судя по фотографии струи ее деформация продолжается до расстояния х = 0,04 м, что свидетельствует о том, что на этом участке температура струи остается выше температуры плавления полимера, которая составляет 250 оС. Вероятно, что такой результат обусловлен некорректностью определения коэффициента теплоотдачи по формуле (5). Предположив, что изменение поперечного размера струи происходит только в том случае, когда ее температура превышает температуру плавления полимера, формулу (9) можно представить в виде:
вт= вое-11, хтах , (11)
где впл= 230 оС, во=290 оС и хтах= 0,04 м определены во время эксперимента при получении струи, изображенной на рис. 2.
Рассмотрев совместно формулы (10) и (11), на основе экспериментальных данных определили коэффициент теплоотдачи струи расплавленного
полимера при нулевой скорости потока охлаждающего воздуха:
ас = 0,000512 Вт/(м2К).
Результаты расчета температуры струи по формуле (9) полученные при рассмотрении струи расплавленного полимера с коэффициентом теплопроводности X = 0,14 Вт/(мК), истекающей из сопла плавильного агрегата радиусом г0 = 0,0015 м, при гс = 0,0002 м, при неработающем устройстве волокнообразования, когда V = 0, при коэффициенте теплоотдачи, определенным выше ас = 0,000512 Вт/(м2К), при параметре с = 108 м-1 представлены на рис. 3. При этом принято, что 1 = 1...10, хтах = 0,04 м, Ах = 0,004 м. Графики получены при температуре струи на срезе сопла плавильного агрегата ^ = 330 0С, 10 = 310 0С и ^ = 290 0С. Температура среды 1а = 20 0С. Температура струи, соответствующая осевой координате х, определяется как 1х = в{ + 1а.
350 330 310 290 270
250
О
230
0,01
0,02 х, м
0,03
0,04
Рис. 3. Расчетные зависимости температуры струи расплавленного полимера ^ от осевой координаты х: <> - при ^,=330 "С; Л - при ^,=310 "С; □ - при ^=290 "С
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований процесса охлаждения струи расплавленного полимера получена формула для расчета распределения температуры по длине струи, которая необходима для определения рационального расстояния от сопла плавильного агрегата до устройства волокнообразования при проектировании агрегатов для получения волокнистых материалов способом вертикального раздува воздухом.
Вывод
Показана возможность получения волокнистых материалов из расплава полимера способом вертикального раздува воздухом, дана преимущественная оценка такого способа переработки полимеров в волокнистые материалы. Представлена
0
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
методика расчета изменения температуры струи расплавленного материала, на участке ее течения от сопла плавильного агрегата до координаты встречи с устройством волокнообразования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Папков С.П. Теоретические основы производства химических волокон. - М. : Химия, 1990. - 272 с.
2. Стеклянное штапельное волокно. Я.А. Школьников, Б.М. Полик, Э.П. Кочаров и др. - М. : Химия, 1969.
- 269 с.
3. Джигирис Д.Д., Махова М.Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. -М. : Теплоэнергетик, 2002. - 416 с.
4. Технология и оборудование для производства волокнистых материалов способом вертикального раздува : монография / А.И. Шиляев, К.П. Широбоков, Б.А. Сентяков и др. - Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2008.
- 248 с.
