авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Изоляционные материалы из базальтовых волокон, полученных индукционным способом

-- [ Страница 3 ] --

Несмотря на большое количество работ, описывающих волокнообразование из расплавов, механизм формирования волокон в газодинамическом поле с использованием прямоточной головки остается недостаточно ясным. Предлагаемая нами гипотеза основана на предположении, что возникающий в прямоточной головке сверхзвуковой поток энергоносителя своим ультразвуковым полем генерирует на поверхности расплава капиллярные поверхностные волны и одновременно срывает их вершины путем последовательного сдвига. В развитие этой гипотезы рассмотрены вопросы теоретического расчета параметров струи расплава, втекающей в раздувочную головку, и акустических характеристик капиллярных волн, генерируемых на ее поверхности.

Поскольку совокупность кольцевого сопла со струей расплава представляет собой газоструйный генератор акустических колебаний стержневого типа – генератор Гартмана, есть основание применить теорию его работы к процессу раздува. Согласно этой теории, излучение звука тесно связано с эффектом, возникающим в сверхзвуковых газодинамических струях и проявляющимся в виде разрывов и скачков давления. Струя при этом приобретает ячеистую структуру, в которой периодически изменяются давление, температура, плотность и скорость. Так как источником энергии в газоструйных излучателях служит кинетическая энергия газового потока, обладающего ячеистой структурой, основным параметром, характеризующим воздействие акустических колебаний на струю, будет являться длина первой ячейки 0 с центральным стержнем диаметром dcт (диаметром струи расплава):

,

где dc – диаметр сопла; ри = (рс – ра) – рабочий перепад давлений в сопле и окружающей атмосфере.

Для выбранного варианта струйной головки при давлениях 0,2…0,4 МПа и вязкости расплава в интервале 2…20 Па·с длина ячейки составит

6…16 см. С учетом того, что в область косых скачков давления попадает половина струи расплава, находящейся в первой ячейке, зона воздействия акустических колебаний на струю будет находиться в пределах

3…8 см по ее длине с поверхностью от 9 до 11 см2.

Акустическая мощность Na и мощность, необходимая для поддержания требуемой скорости потока Nп, задаются выражениями:

,. (3.1)

Интенсивность звука падающей на поверхность струи расплава площадью А звуковой мощности Na:

.

Если звуковая волна не отражается струей расплава, в ней возбуждаются колебания частиц, параметры которых связаны с интенсивностью падающей мощности выражением:

, (3.2)

где – плотность среды; – круговая частота, равная 2f; с1 – скорость звука; Ym и рm – максимальные значения амплитуды смещения и звукового давления.

При падении звуковой волны на границу двух сред, часть звуковой энергии отражается от нее, а остальная переходит во вторую среду. При этом в ней образуются продольные и поверхностные волны. Коэффициент отражения равен:

. (3.3)

Здесь 1, 2 и с1, с2 – плотность сред и скорость звука в них.

В жидких средах существуют продольные объемные волны, а также поверхностные поперечные в виде капиллярных, скорость которых находится из выражения:

, где . (3.4)

Амплитуда прошедшей капиллярной волны не равна разности амплитуд падающей и отраженной волн, однако интенсивность ее определяется их разностью:

. (3.5)

Даже при минимальной скорости распространения продольных волн в жидкости значение кг/м2·с. Для воздуха кг/м2·с. Отсюда интенсивность прошедшей волны Jn 0.

Скорость поверхностной волны в диапазоне 10…70 кГц, рассчитанная в соответствии с (3.4), находится в интервале 2…4 м/с. Тогда для средней скорости волны 3 м/с кг/м2·с, а интенсивность прошедшей волны будет равна . Исходя из этого следует полагать, что 20 % звуковой энергии, падающей на расплав, преобразуется в поверхностную волну. Такой вывод можно отнести ко всему спектру акустических колебаний (20…100 кГц), генерируемых головкой. Поскольку спектр в этой области неравномерный, характеризующийся дискретным тоном в зоне 30…40 кГц и спадом в зоне 80…100 кГц, разделим его на полосы шириной 20 кГц со средней частотой в каждой полосе: 30±10, 50±10, 70±10 и 90±10 кГц.

Учитывая, что фазовые скорости сф поверхностных волн в пределах одной полосы отличаются незначительно, всю совокупность волн в ней можно рассматривать как волновой пакет с групповой скоростью:

. (3.6)

Подставив в формулу (3.6) скорость поверхностной капиллярной волны из (3.4) и сделав необходимые преобразования, получим:

. (3.7)

Вычисленные по (3.7) групповые скорости в зонах акустических колебаний 30, 50 и 70 кГц будут соответственно равны 4,60; 5,40 и 6,10 м/с.

Так как перенос энергии происходит с групповой скоростью, вся энергия волнового движения, приходящаяся на полосу, будет определять амплитуду гребня поверхностной волны. С учетом этого замечания, используя (3.1) и (3.5), из выражения (3.2) получим максимальное значение амплитуды гребня поверхностной волны:

. (3.8)

Максимальная амплитуда гребня волны определяется равенством звукового давления и препятствующего ему поверхностного натяжения, возрастающего по мере роста амплитуды и сопутствующему ему уменьшению радиуса кривизны вершины волны.

Вынужденные колебания частиц поверхностного слоя при распространении капиллярных волн зависят не только от восстанавливающей силы капиллярного притяжения (поверхностного натяжения), но также от вязкого трения, приводящего к уменьшению их амплитуды:

. (3.9)

Здесь – коэффициент затухания волны за счет вязкого трения

Тогда . (3.10)

Подставляя в (3.10) значение «с» из (2.4), имеем

. (3.11)

Оценка зависимостей скорости и длины капиллярных волн от затухания показала, что они не превышают 8 %, поэтому в дальнейших расчетах ими можно было пренебречь.

В соответствии с формулой (3.9) максимальные значения амплитуд гребней поверхностной волны при вязкости расплава 0,5, 2, 10 и 20 Па·с

равны 0,98Y0, 0,94Y0, 0,74 Y0 и 0,53 Y0.

Максимальное значение возбуждающего волну давления и соответствующее ему минимальное значение радиуса определяются из выражений: ; .

Процессы в раздувочной головке осесимметричны, поэтому волновой фронт капиллярной волны распространяется по окружности струи расплава. При этом на гребень действуют две силы – давление набегающего потока воздуха и сила поверхностного натяжения, препятствующая его деформации. Представим для наглядности сечение волны в виде усеченного треугольника с радиусом кривизны вершины r (рис.3.4).

Рисунок 3.4 – Гребень струи расплава

Под действием поперечного газодинамического потока гребень будет разрушаться, причем с большей вероятностью разрушение будет происходить в области перехода наибольшей кривизны его вершины к более низким значениям. При этом от гребня волны отрывается часть в виде полуцилиндра, который не может быть разрушен сорвавшей его силой при условии . Сорванный с вершины гребня полуцилиндр под действием поверхностного натяжения преобразуется в цилиндр с диаметром, эквивалентным диаметру волокна: .

Представленные в табл. 3.1 расчетные значения минимального диаметра волокна в зависимости от вязкости расплава и частоты генерированных раздувочной головкой ультразвуковых колебаний находятся в полном соответствии с результатами, полученными экспериментальным путем (рис. 3.5).

Таблица 3.1

Расчетные значения минимального диаметра волокна

р, МПа , Па·с dв, мкм, при f, кГц
30 50 70
0,25 0,5 2 10 20 1,20 1,27 1,95 3,21 1,15 1,20 1,86 3,02 1,00 1,07 1,55 2,47
0,40 2 20 1,15 2,88 1,10 2,73 0,96 2,20

Рисунок 3.5 – Зависимость среднего диаметра волокна от температуры расплава на входе в раздувочную головку

Так как кольцевое сечение струи расплава с r r0 внешним давлением не может быть разрушено, предполагаемый механизм образования протяженного волокна связан с начальным поперечным разрушением отделяемой каймы гребня на дефекте сплошности и дальнейшим последовательным отрывом (сдвигом) частиц каймы от его вершины (рис. 3.6). При этом каждая из частиц остается связанной с телом струи.

Рисунок 3.6 – Разрушение гребня: 1 – струя расплава; 2 – амплитуда капиллярной волны; 3 – сдвинутая газодинамическим потоком часть гребня

Срыв частиц усиливается за счет сил трения растущего свободного конца волокна с энергоносителем. Вершина гребня, с которой сорвана частица, зарастает в результате действия сил поверхностного натяжения и разрушается в дальнейшем по описанному механизму. Поскольку возникновение капиллярных волн и их разрушение происходят одновременно, естественно полагать, что сдвиг вершины волны может начаться раньше, чем волна наберет рассчитанную нами для стационарного случая максимальную амплитуду. В этом случае возможен сдвиг более плоской вершины. Образованный при этом полуцилиндр может либо превратиться в цилиндрическое волокно с диаметром большим, чем dmin, либо, если вершина плоская, застыть в виде чешуйки. Описываемые процессы зависят от вязкости расплава, поверхностного натяжения и времени его охлаждения.

Максимальная длина волокна будет определяться размером отслаиваемой каймы по всей окружности струи расплава, т.е. lmax = dст, где

dст – диаметр струи.

Из представленных в табл. 3.2 расчетных значений диаметра струи расплава и максимальной длины волокна в сравнении с экспериментально полученными результатами видно, что они вполне сопоставимы.

Таблица 3.2

Параметры струи расплава и образующихся волокон

G, кг/ч Значения параметров при , Па·с
2 20
dст, мм lmax, мм *lmax, мм dст, мм lmax, мм *lmax, мм
15 20 30 40 5,93 6,54 7,0 8,2 18,5 20,4 23,8 25,7 15±3 20±3 20±5 25±5 10,6 11,5 13,3 14,6 33,4 36,3 41,8 45,8 30±5 35±5 40±5 40±5

*lmax – измеренная максимальная длина волокон

Теоретически найденные значения параметров струи расплава и образующихся волокон, имеющие хорошую сходимость с экспериментальными данными, свидетельствуют о достоверности описанного механизма расщепления струи на волокна.

Результаты проведенных исследований нашли отражение в создании производства большей мощности (400 т/год).

В четвертой главе рассмотрены и проанализированы принципы компоновки связующих и формирования с их использованием минераловатных изделий. Приведены результаты рецептурно-технологических проработок по созданию из базальтовых супертонких волокон теплоизоляционных материалов различного назначения с высокими эксплуатационными свойствами, нашедшие выражение в разработке аппаратурно-технологических схем их промышленного производства. Предложена методика определения долговечности, позволяющая прогнозировать сроки эксплуатации теплоизоляционных изделий в зоне умеренно холодного климата и представлены результаты испытаний.

При получении волокнистых материалов с заданными свойствами одной из наиболее важных проблем является выбор связующего и способа его нанесения на волокна.

Эксперименты по компоновке рецептур связующих для теплоизоляционных изделий различного назначения показали преимущество в производстве плит с использованием метода пролива минераловатного ковра смесевого связующего, содержащего в качестве основных компонентов поливинилацетатную дисперсию ПВА и натриевое жидкое стекло, а при получении из гидромасс скорлуп оказалось эффективным применение глинисто-целлюлозного связующего. В целях повышения гидролитической стойкости изделий в композиции вводили гидрофобизаторы, а гомогенность систем при смешивании обеспечивалась введением поверхностно-активных веществ. В результате проведенных в лабораторных условиях рецептурно-технологических исследований получены образцы теплоизоляционных материалов, по основным техническим характеристикам не уступающих аналогичным зарубежным и отечественным, а по термо- и водостойкости превосходящих их. Это дало основание приступить к разработке технологических процессов их промышленного производства.

Наиболее востребованные среди широкого ассортимента минераловатных утеплителей теплоизоляционные плиты, относящиеся к категории полужестких, имеют, как правило, горизонтально-слоистую внутреннюю структуру, обусловливающую низкую прочность изделий при сжатии-растяжении и расслоение при эксплуатации. Лучшими характеристиками обладают плиты, в которых волокна ваты расположены преимущественно в вертикальном положении. Прочность при сжатии таких образцов в 2-3 раза выше, чем образцов только с горизонтально-слоистой структурой, поэтому при разработке способа формования полужестких плит нами предложено ввести в состав конвейерной линии устройство по частичной переориентации волокон в вертикальное положение (механизм гофрирования).

Поскольку основные операции при получении плит связаны с фильтрацией (просасыванием) воздуха через слои минеральной ваты, для подбора и проектирования оборудования немаловажное значение имеют данные по сопротивлению увлажненной ваты воздушному потоку.

Из приведенных на рис. 4.1 зависимостей видно, что сопротивление Рс резко возрастает в начальный момент времени, затем падает и по истечении 60 с стабилизируется независимо от скорости прососа воздуха V. При этом основная масса воды удаляется в первую минуту вакуумирования. Наименьшая остаточная влажность W образца-сырца обеспечивается при максимальной скорости прососа воздуха.

Рисунок 4.1 – Зависимость сопротивления слоя увлажненной ваты воздушному потоку от времени вакуумирования: 1 – V=0,17 м/с, W=150 %; 2 – V=0,11 м/с,W=160 %; 3 – V=0,04 м/с, W=230 %



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.