Введение к работе
Актуальность темы. Процессы полимеризации изоляционных слоев типичных кабельных изделий предполагают движение последних через специализированные нагревательные камеры. Основной характеристикой процесса является полнота завершения полимеризации в изоляционном слое. Наиболее распространенная технология полимеризации изоляции предполагает воздействие на образец беспаровой среды (например, воздуха) с температурой 180-200 0С. Нагрев до таких достаточно высоких температур обеспечивает снижение доли влаги и газовых включений в изоляционном покрытии (при этом реализуется защита от коррозии, эрозии и других негативных факторов). Однако, вместе с тем возникает опасность перегрева изделия и деформации его поверхности в результате плавления и термического разложения. Достаточные и предельно допустимые температуры, характерные времена прогрева, а также способы полимеризации могут существенным образом меняться в зависимости от компонентного состава изоляционного материала и его структуры.
Полимеризация может реализовываться несколькими способами, отличающимися по агрегатному состоянию полимеризуемой системы. Однако, вне зависимости от способа полимеризации и агрегатного состояния изоляционного материала рассматриваемые физико-химические процессы являются энергозатратными. Для выбора оптимальных по масштабам привлекаемых материальных ресурсов и качеству изделий технологических параметров целесообразно прогностическое моделирование теплового состояния изделия в процессе его полимеризации.
Вопросам исследования механических, теплофизических, термохимических и других характеристик типичных изоляционных материалов, макроскопических закономерностей процессов изготовления и эксплуатации последних посвящено достаточно много работ. Можно выделить труды Лукомской А.И., Баденкова П.Ф., Кеперша Л.М., Панфиловой О.А., Аваева А.А., Осипова Ю.Р., Осипова С.Ю., Короткова В.Н., Цаплина А.И., Милехина Ю.М., Янкова В.И., Труфановой Н.М., Ковригина Л.А., Силуянова А.Ю., Сырчикова И.Л., Татарни- кова А.А., Андыка В.С., Кима В.С., Леонова А.П., Бутакова А.А., Седова И.В., Халтуринского Н.А., Левина П.П., Худяева С.И., Берлина А.А., Штейнберга А.С., Шкадинского К.Г., Зеленского А.Д., Холодного С.Д., Назарова Э.С., Михайлова Ю.М., Куличихина С.Г., Захватова А.С. и других исследователей.
Однако, несмотря на достаточно многочисленные, на первый взгляд, научные работы и многолетний производственный опыт, технологические процессы изготовления изоляции не проработаны в полной мере теоретически. Во многом это можно объяснить тем, что ранее не исследовались процессы полимеризации с учетом реальной геометрии изделий, а также сопряженного конвективного, кондуктивного и радиационного теплообмена в нагревательных камерах. Отсутствие теории и, как следствие, прогностических моделей, сказывается как на эффективности производства (брак, неэффективное расходование материальных и временных ресурсов), так и безопасности технологических процессов (перегрев, плавление, тление и возгорание изоляционных материалов).
Разработка математических моделей и методов решения соответствующих задач полимеризации в условиях сложного теплообмена может позволить существенно повысить качество выпускаемых кабельных изделий и снизить энергоемкость технологических процессов их изготовления.
Цель диссертационной работы - теоретический анализ макроскопических закономерностей полимеризации изоляции кабельных изделий при помощи математического моделирования комплекса нестационарных взаимосвязанных физико-химических процессов, протекающих при их изготовлении. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка физических и математических моделей процессов полимеризации в условиях нестационарного сопряженного конвективного, кондуктивно- го и радиационного теплопереноса в системе «кабельное изделие - воздух - нагревательная камера».
-
Выбор методов решения нестационарных дифференциальных уравнений теплопереноса в частных производных. Разработка алгоритмов решения задач. Тестирование полученных моделей на адекватность. Выполнение эксперимента и сопоставление полученных теоретических и экспериментальных результатов.
-
Численное исследование макроскопических закономерностей полимеризации изоляционных слоев кабельных изделий с учетом влияния таких факторов и процессов, как конвективный, кондуктивный и радиационный теплообмен, параметры нагревательной камеры, скорости движения и времена прогрева изделий, характерные толщины изоляции и другие.
-
Анализ влияния термохимических и теплофизических характеристик материала оболочки кабельного изделия на времена его полной полимеризации.
-
Исследование влияния внутренней структуры кабельного изделия на времена полимеризации его внешней оболочки.
-
Разработка рекомендаций по повышению качества изоляции кабельных изделий и энергоэффективности технологических процессов их изготовления.
Научная новизна работы. Впервые поставлена и решена группа задач математического моделирования комплекса физико-химических процессов, протекающих в типичных кабельных изделиях при полимеризации в рамках моделей, учитывающих двумерный нестационарный сопряженный конвективный, кондуктивный и радиационный теплоперенос. Задачи не имеют аналогов по постановке, алгоритму решения и полученным результатам.
Практическая значимость работы. Разработанные физические и математические модели, алгоритмы численного решения задач теплопереноса могут быть использованы для анализа качества изоляции кабельных изделий и повышения энергоэффективности процессов полимеризации при их изготовлении. Сформулированные в тексте рукописи рекомендации позволят существенно повысить ресурсоэффективность (время, энергия, сырье и т.д.) рассматриваемых в диссертации процессов.
Степень достоверности результатов численных исследований. Оценка достоверности полученных в ходе исследований результатов проводилась проверкой консервативности используемых разностных схем. Также выполнено тестирование выбранных численных методов и разработанного алгоритма решения основной задачи теплопереноса на ряде менее сложных нестационарных нелинейных задач теплопроводности. Проведены экспериментальные исследования, результаты которых являются основанием для выводов об удовлетворительной достоверности результатов проведенных численных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
Физическая и математическая модели процесса полимеризации изоляционной оболочки кабельного изделия, отличающиеся от известных учетом двумерного нестационарного сопряженного конвективного, кондуктивного и радиационного теплопереноса.
-
Результаты численных исследований влияния основных факторов (размеры и температура нагревательной камеры, скорость движения кабеля, внутренняя структура изделия, радиационный, конвективный и кондуктивный механизмы теплопереноса, теплофизические и термохимические параметры изоляции) на интегральные характеристики физико-химических процессов, протекающих в кабельном изделии при полимеризации.
-
Рекомендации по повышению качества изоляционных оболочек типичных кабельных изделий и ресурсоэффективности процессов полимеризации.
Личный вклад автора состоит в постановке задач полимеризации изоляционных слоев кабельных изделий, выборе методов и разработке алгоритмов решения поставленных при выполнении работы задач, установлении основных закономерностей протекания физико-химических процессов при полимеризации оболочек кабелей, проведении экспериментальных исследований в реальных производственных условиях, обработке и анализе полученных результатов, разработке рекомендаций для повышения энергоэффективности производств кабелей, формулировке основных выводов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на ХІУ Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии» (Томск, 2008), ХУ Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии» (Томск, 2009), УІІ Международной конференции «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2010), VIII Всероссийской научно- практической конференции «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010), XVI Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2010), II Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2010), У Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010), XVII Международной научно- практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2011), VII всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011), II Всероссийской научно-практической конференции «Теплофи- зические основы энергетических технологий» (Томск, 2011), VII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2011), III Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2012),
Всероссийской конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск, 2012), XIX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2013).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 23 печатных работах (5 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК). Список основных публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 170 наименований, содержит 33 рисунка, 7 таблиц, 129 страниц.
Похожие диссертации на Физико-химические процессы при полимеризации изоляционных слоев кабельных изделий в условиях нестационарного сопряженного теплообмена
-
