CC BY
21
DOI: 10.24143/2073-1574-2017-2-34-39 УДК 629.128
П. В. Яковлев, И. С. Просвирина
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВОЗДУШНОГО ОБОГРЕВА И УДАЛЕНИЯ ВОЗДУХА ВНУТРИШАТРОВОГО УКРЫТИЯ
В процессе сушки окрашенных корпусных деталей судов отклонение от рекомендуемых температурных режимов приводит к неравномерному и медленному высыханию поверхностей. Решением проблемы является проведение окрасочных работ и сушки готовых изделий в специально оборудованных тентовых помещениях с искусственно поддерживаемой температурой. При отрицательной температуре наружного воздуха для обогрева воздуха внутри шатра в основном используют тепловые дизельные подогреватели (калориферы), которые подбирают в зависимости от площади шатра и температуры воздуха на улице в день покраски и сушки изделий. На платформе SolidWorks разработана численная модель сушильной камеры с крупногабаритной окрашенной деталью. Целью разработки было исследование полей температур, скорости и траектории текучей среды (воздуха). Рассмотрены два варианта размещения вытяжных отверстий для удаления воздуха из тентового шатра: снизу - на расстоянии 1,5 м от пола - и сверху - на расстоянии 1,5 м от верха шатра. Установлено, что при удалении воздуха снизу формируется четко выраженный восходящий поток, собирающийся в верхней части камеры и формирующий более высокую температуру по объему камеры. При удалении воздуха из верхней части восходящий нагретый поток воздуха удаляется, вследствие чего средняя температура во всем объеме камеры понижается. При сравнении траекторий скоростей отмечается, что при удалении воздуха сверху скорость воздушного потока выше, а наблюдение за траекториями температур текучей среды еще раз подтверждает теорию свободной конвекции: при нижнем удалении воздух интенсивнее перемешивается с холодными потоками, создавая более равномерное распределение температур по всему объему сушильной камеры.
Ключевые слова: шатер, окрашивание, сушка, конвекция, скорость потока, температура воздуха.
Введение
Покраска различных частей кораблей проводится в целях защиты корпуса судна от вредных внешних воздействий. Образуя пленку между корпусом и окружающей средой, краска защищает стальные и алюминиевые поверхности от коррозии, стеклопластик от осмоса, дерево от гниения и обветривания, подводную часть от обрастания водорослями и ракушками, а палубу от истирания.
Идеальными условиями для покраски считаются температура 10-20 °С, влажность 60-65 % и хорошая вентиляция [1].
Окрасочные работы при отрицательных температурах не предусматриваются производителями лакокрасочных материалов, а в документации указываются лишь допустимые диапазоны температур. Так, например, для судовой эмали марки ЭП-46У, выпускаемой заводом лакокрасочных материалов «СпецЭмаль», рекомендуемый диапазон - 20-30 °С, при этом время высыхания не превышает 18 часов [2].
Отклонение от рекомендуемых температурных режимов приводит к неравномерному и медленному высыханию, что, в свою очередь, ведет к неоднородности цвета и образованию шагрени (шершавой поверхности), на краях краска начнет течь и, как следствие, не затвердеет, что негативно скажется на образовании пленки, адгезии слоев и качестве результата. Напротив, температура выше максимально допустимой негативно влияет на текучесть краски, и могут остаться заметные следы от инструмента. Можно отметить, что производители краски не дают никаких сведений о свойствах лакокрасочного покрытия при отклонении температурных режимов от регламентируемых.
Непрерывность производственного цикла судостроительных и судоремонтных предприятий в зимний период связана со значительными финансовыми потерями при любых простоях, в том числе на таком важнейшем этапе судостроительных работ, как окрашивание. Решением проблемы становится проведение окрасочных работ и сушки готовых изделий в специально оборудованных временных или стационарных помещениях с искусственно поддерживаемой температурой.
Устройство шатровых укрытий
Чаще всего в качестве временных помещений используют шатры из тентов. Материал тента (в основном) - полиэстер Ри 190Т RipStop, который хорошо отводит воду, не растягивается при намокании, держит форму и не выгорает на солнце.
Установка тента не только создает благоприятные условия для сушки лакокрасочных материалов, но и защищает окрашиваемые изделия от пыли, что позволяет краске ложиться естественным способом, и благоприятно сказывается на качестве покрытия. Также необходимо внутри шатра обеспечивать хорошую вентиляцию для испарения растворителя и отвердения краски.
Общий вид подобной конструкции представлен на рис. 1.
Рис. 1. Сушильная камера на судостроительном заводе «Красные Баррикады» Астраханской области
Для обогрева воздуха внутри шатра в основном используют тепловые дизельные подогреватели (калориферы), которые подбирают в зависимости от площади шатра и температуры воздуха на улице в день покраски и сушки изделий. Сами же калориферы установлены за пределами шатра на улице и подают тепло в шатер по воздуховодам.
Известна упрощенная методика подбора тепловентиляторов по их мощности для помещений жилого и общественного пользования с учетом высоты помещения до 3 м [3]. На рис. 2 приведены зависимости мощности тепловентилятора от площади обогреваемого помещения.
кВт
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Л
2'
Обогреваемая площадь помещения, м
* • для поиещсмия с высотой кнопка оного 3 и
Рис. 2. Номограмма для подбора мощности тепловентилятора
Очевидными недостатками методики можно считать то, что неизвестна расчетная температура воздуха в шатре, где именно должен быть установлен тепловентилятор, рабочий диапазон диаграммы существенно меньше параметров сушильных камер судостроительных предприятий.
Экспериментальные исследования
Для решения задачи подбора калориферов для систем обогрева сушильных камер судостроительных предприятий нами была разработана численная модель сушильной камеры с крупногабаритной окрашенной деталью на платформе SolidWorks. Целью исследования было получение полей температур, скорости и траектории текучей среды (воздуха). Распределение температур на поверхности твердого тела (в нашем случае окрашенной части судна) контролировалось для определения допустимости режимов работы камеры из условия нормируемых параметров сохнущей краски.
Экспериментальная установка представляет собой укрытие в виде шатра размером 20 х 30 х 21,5 м, внутри которого на подставках установлена окрашенная часть судна с габаритными размерами 24 х 14 х 10 м. Зазоры между деталью и тентом составляют 3 м. Нагрев воздуха в сушильной камере осуществляется дизельным теплогенератором с вентилятором ВО 06-300-5, размещенным снаружи посередине наибольшей стороны шатрового укрытия. Из условия предельных параметров сушки краски температура воздуха на выходе из вентилятора калорифера задавалась 40 °С. Для удаления загрязненного воздуха в виде паров растворителя, выделяемых при сушке окрашенной детали, предусмотрены два отверстия.
Рассматривались два варианта размещения вытяжных отверстий удаления воздуха из тентового шатра: вариант I - отверстия расположены снизу на расстоянии 1,5 м от пола; вариант II - отверстия расположены сверху на расстоянии 1,5 м от верха шатра.
При выборе типа задачи учитывались теплопроводность в твердых телах, нестационарность теплового процесса и свободно-конвективное движение воздуха. Температура наружного воздуха принята -10 °С. В качестве текучей среды выбран воздух с температурой 20 °С (по рекомендованным параметрам сушки) и атмосферным давлением. За материал тента принят полистирол, материал окрашенной детали - конструкционная сталь. На внешней стенке рассматривалось граничное условие, заданное коэффициентом теплопередачи, которое, с учетом теплопроводности материала тента, составило 15 Вт/(м2 • К). Параметры окружающей среды, как отмечалось выше, приняты с температурой 263,2 К.
На рис. 3, 4 представлены картины распределения температур воздуха внутри сушильной камеры для двух вариантов.
Рис. 4. Удаление воздуха сверху (вариант II)
Анализ сформировавшихся полей температур показывает, что при удалении воздуха снизу формируется четко выраженный восходящий поток, собирающийся в верхней части камеры и определяющий более высокую температуру по объему камеры. При удалении воздуха из верхней части (как это в настоящее время делается на многих предприятиях) восходящий нагретый поток воздуха удаляется, вследствие чего понижается средняя температура во всем объеме камеры.
При очевидных преимуществах нижнего удаления воздуха концентрация паров краски в верхней части шатра неизбежно должна увеличиваться вследствие формирования застойной зоны. Для определения возможности реализации различных схем в отношении удаления паров растворителя из разных частей камеры исследованы траектории и скорости движения воздуха в объеме камеры.
Траектории потоков воздуха и параметров потока по скорости и температуре показаны на рис. 5, 6.
а б
Рис. 5. Траектории потоков воздуха при удалении снизу с изменением скорости (а); температуры (б)
Рис. 6. Траектории потоков воздуха при удалении сверху с изменением скорости (а); температуры (б)
Сравнивая траектории скоростей (позиция а рис. 5, 6) видим, что при удалении воздуха сверху скорость выше. Это связано с тем, что при движении вверх свободная конвекция помогает вентилятору, вниз - мешает. Траектории же температур текучей среды еще раз подтверждают теорию свободной конвекции [4] - теплые потоки воздуха скапливаются сверху, но при нижнем удалении воздух интенсивнее перемешивается с холодными потоками, создавая более равномерное распределение температур по всему объему сушильной камеры.
Выводы
1. Нагрев воздуха с помощью теплогенератора с вентилятором ВО 06-300-5 позволяет получить температуру воздуха внутри шатрового укрытия на уровне 20 ± 1 °С.
2. На основании результатов сравнения двух вариантов размещения вытяжных отверстий удаления воздуха из тентового шатра можно утверждать, что при нижнем расположении более эффективно распределяются температуры и скорости воздуха.
3. Аэродинамическое сопротивление камеры и способ отвода воздуха влияет на все ее параметры, что должно учитываться при подборе калориферов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Судовые краски, краска для судов. UPL: spec-emal.ru (дата обращения: 20.12.2016).
2. Эмаль ЭП-46У. ТУ 2312-024-98605321-2007. СПб.: ЗАО «Биохим», 2007. 2 с.
3. Электрические тепловентиляторы. URL: komplektacya.ru (дата обращения: 25.12.2016).
4. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена: учебн. пособие. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.
Статья поступила в редакцию 14.02.2017
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Яковлев Павел Викторович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и гидромеханики; astra137@mail.ru.
Просвирина Ирина Сергеевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный архитектурно-строительный университет; старший преподаватель кафедры инженерных систем и экологии; Isp15@yandex.ru.
P. V. Yakovlev, I. S. Prosvirina
COMPARATIVE STUDY OF TECHNOLOGICAL SCHEMES OF AIR HEATING AND AIR REMOVAL OF THE INTRA-SPHERICAL SHELTER
Abstract. The article describes the problem of drying painted parts of the hull when deviation from recommended temperature leads to uneven and slow drying. The problem solution is to conduct painting and drying of finished products in specially equipped tents where temperature is artificially maintained. If outside temperature is below zero, thermal diesel heaters (calorifers) are generally used inside the tent. They are selected depending on the tent area and air temperature outside on the day of painting and drying procedures. The article presents a numerical model of the drying chamber with a large-sized painted part, developed on Solid Works platform. The purpose of the model is to study temperature and velocity fields and a trajectory of the flowing fluid (air). There have been considered two variants of placing air exhaust systems for removing air from the tent: from below - at 1.5 m from the floor; and from above - at 1.5 m from the ceiling of the tent. When air is removed from below, a distinct upflow has been noted to form and gather in the upper part of the chamber, which makes the temperature rise throughout the tent. When air is removed from the upper part of the tent, this upflow disappears resulting in lowering temperature in the chamber. When comparing velocity trajectories one can see that when air removal is done in the upper part, flow rate is faster. And watching a temperature trajectory of the flowing fluid again confirms the theory of free convection: at bottom removal the air is better mixed with cold air streams, creating a more uniform temperature distribution throughout the drying chamber.
Key words: tent, painting, drying, convection, flow rate, air temperature.
1. Sudovye kraski, kraska dlia sudov [Ship paints, paints for ships]. Available at: spec-emal.ru (accessed: 20.12.2016).
2. Emal' EP-46U. TU 2312-024-98605321-2007 [Enamel EP-46U. TC 2312-024-98605321-2007]. Saint-Petersburg, ZAO «Biokhim», 2007. 2 p.
3. Elektricheskie teploventiliatory [Electric fan heaters]. Available at: komplektacya.ru (accessed: 25.12.2016).
4. Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena: uchebnoeposobie [Introduction into the theory of heat exchange: a training manual]. Moscow, Atomizdat, 1979. 416 p.
Yakovlev Pavel Victorovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Life Security and Hydromechanics; astra137@mail.ru.
Prosvirina Irina Sergeevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering; Senior Lecturer of the Department of Engineering Systems and Ecology; Isp15@yandex.ru.
REFERENCES
The article submitted to the editors 14.02.2017
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
