Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса (анализ литературных данных) 8
1.1 Общие характеристики метода литья по выплавляемым моделям 8
1.2 Керамические оболочковые формы для ЛВМ
1.2.1 Модельные составы 10
1.2.2 Огнеупорные материалы 10
1.2.3 Связующие 11
1.2.4 Растворители 13
1-.2.5 Обеспечение оптимального качества оболочковых форм 13
1.3 Сушка керамических оболочковых форм 16
1.3.1 Общие процессы операции сушки 16
1.3.2 Особенности сушки оболочковых форм для ЛВМ на основе ЭТС 17
1.3.3 Особенности сушки оболочковых форм для ЛВМ на основе кремнезоля «Армосил» 1.4 Классификация сушильных устройств КОФ в ЛВМ 19
1.5 Статика процессов конвективной сушки
1.5.1 Параметры и диаграмма состояния влажного воздуха 23
1.5.2 Материальные и тепловые балансы конвективной сушки 26
1.5.3 Основной вариант использования сушильного агента 29
1.5.4 Равновесное влагосодержание 30
1.6 Кинетика процессов сушки 30
1.6.1 Внутренний перенос влаги и теплоты 31
1.6.2 Внешний тепломассообмен 34
1.6.3 Экспериментальная кинетика сушки 37
1.6.4 Расчеты кинетики процессов в сушильных аппаратах 43
1.7 Конструктивные особенности установок обсыпки блоков зернистым огнеупором 49
Выводы 50
ГЛАВА 2. Элементы теории процесса сушки керамических оболочковых форм в УСОНС 53
2.1 Анализ процесса формирования слоя КОФ (формирование первого слоя) 53
2.2 Анализ объемно-напряженного состояния 65
2.3 Анализ особенностей сушки КОФ в УСОНС 75
2.3.1 Анализ параметров сушильного агента 75
2.3.2 Анализ материального и теплового баланса сушки в УСОНС 81
2.3.3 Особенности кинетики сушки КОФ в УСОНС 81
Выводы 81
ГЛАВА 3. Методика исследования процесса сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно напряженного состояния 83
3.1 Исследуемые материалы 83
3.2 Разработка опытной установки сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния (УСОНС)
3.2.1 Общая конструкция и принцип работы 86
3.2.2 Выбор компрессора 91
3.3 Методики измерения 94
3.3.1 Методика измерения продолжительности сушки КОФ 95
3.3.2 Методика измерения температуры сушильного агента 96
3.3.3 Методика измерения давления сушильного агента 97
3.3.4 Методика измерения расхода сушильного агента 98
3.3.5 Методика измерения относительной влажности сушильного агента 99
3.3.6 Методика измерения предела прочности КОФ при статическом изгибе : 100
3.3.7 Методика измерения газопроницаемости КОФ 101
3.3.8 Методика измерения теплоаккумулирующей способности КОФ. 102
3.3.9 Методика определения открытой пористости контактной поверхности КОФ 104
3.3.10 Лабораторная установка конвективной сушки КОФ 105
Выводы 106
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование процесса сушки КОФ в УСОНС 107
4.1 Исследование кинетики сушки КОФ в УСОНС 107
4.2 Исследование изменения параметров С А в ходе сушки в УСОНС 114
4.3 Исследование эффективности процесса сушки КОФ в УСОНС 115
4.4 Исследование влияния способа сушки на свойства КОФ 125
4.5. Выводы..; 141
ГЛАВА 5 Практическое применение результатов исследования 142
5.1. Прикладная программа «УСОНС» 142
5.2 Изготовление керамических оболочковых форм и опытных отливок на ООО «Литейщик» 148
5.3 Изготовление отливок «кольцо уплотнительное» в лаборатории кафедры МЛС ГОУ ВПО РГАТА им. П. А. Соловьева 154
5.4 Применение результатов работы в учебном процессе 158
Выводы : 158
Заключение 159
Основные выводы по работе 161
Список использованных источников
- Огнеупорные материалы
- Анализ объемно-напряженного состояния
- Выбор компрессора
- Исследование эффективности процесса сушки КОФ в УСОНС
Введение к работе
з
Актуальность проблемы. В производстве литых заготовок для деталей машин и приборов значительное место занимает способ литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Высокая конкуренция в условиях современного рынка диктует неуклонно растущие требования к снижению себестоимости и повышению качества точнолитых изделий, получаемых методом ЛВМ. Для получения таких отливок необходима разработка новых технологических процессов, в основе которых должен лежать способ сушки керамических оболочковых форм (КОФ), обладающий лучшими технико-экономическими показателями, позволяющий работать с широким спектром модельных составов и формовочных материалов, применяемых в ЛВМ.
Поэтому создание универсальных, экономичных способов сушки, позволяющих получать КОФ стабильного качества, обеспечивающих снижение брака точных отливок, является весьма актуальной задачей литейного производства. Особенно актуально совершенствование технологии сушки КОФ для производства лопаток газовых турбин из жаропрочных сплавов. В результате анализа состояния вопроса по процессам изготовления неразъемных керамических оболочковых форм предложен новый способ их сушки в направленном потоке сушильного агента в объемно-напряженном состоянии, который не имеет аналогов и имеет ряд преимуществ перед известными, например, предупреждение стекания суспензии при сушке, отслоения оболочек, однако исследований по этой технологии не имеется.
Цель работы. Улучшение технологических свойств форм, отливок и сокращение продолжительности технологического цикла с применением сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния (ОНС).
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: 1. Разработка способа сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния (ОНС);
Разработка установки сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния (УСОНС);
Экспериментальное и теоретическое изучение особенностей сушки КОФ в условиях ОНС;
Экспериментальное и теоретическое изучение процесса формирования технологических свойств КОФ;
Разработка методики проектирования и расчета основных параметров сушки КОФ, применяемых в ЛВМ.
Направление исследований. Основными направлениями исследований являются:
Изучение влияния сушки в условиях ОНС на технологические параметры сушки КОФ;
Исследование свойств КОФ, полученных при их сушке в УСОНС.
Методы исследований. При проведении комплексного анализа технологических параметров процесса сушки и качества КОФ были использованы известные методики исследований и разработанные автором методики измерения кинетики сушки и оценки качества полученных в УСОНС КОФ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов:
- достигается корректным применением основных положений
тепломассообмена при рассмотрении процессов сушки КОФ в УСОНС,
использованием регламентированных ГОСТами методик исследования,
применением сертифицированного по международным стандартам
оборудования, проверкой результатов исследований обработанных материалов
в независимой лаборатории;
- подтверждается соответствием результатов расчетов по теоретической
модели эмпирическим данным лабораторных исследований, а также
результатам промышленной апробации.
На защиту выносятся: 1. Основы теории и технологии сушки КОФ в УСОНС;
Регрессионные уравнения, устанавливающие закономерности между условиями сушки и технологическими свойствами КОФ;
Экспериментальные результаты исследований процесса сушки и формирования КОФ.
Научная новизна: Установлены закономерности формирования керамических оболочковых форм в условиях ОНС, на основе которых разработана установка и технология получения КОФ.
Практическая ценность данной работы:
Разработан и опробован новый высокоэффективный способ формирования слоев КОФ в объемно-напряженном состоянии преимущественно для протяженных отливок, например, лопаток газовых турбин. Определены основные технологические режимы сушки;
Разработана методика расчета технологических параметров сушки керамических оболочковых форм в объемно-напряженном состоянии позволяющая получать КОФ с повышенными технологическими свойствами;
Спроектирована и изготовлена лабораторная установка УСОНС для изготовления КОФ в условиях ОНС, используемая на кафедре МЛС РГАТА при выполнении лабораторных работ и дипломного проектирования.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации были опубликованы в 5 работах, из них 2 статьи в отраслевых журналах «Литейное производство», «Заготовительное производство», 1 патент на изобретение, а также материалы научно-технических конференций. По теме диссертации выполнялись совместные исследования с ООО «Литейщик», г. Рыбинск.
Личный вклад автора состоит: 1. В разработке аналитической модели формирования структуры КОФ в процессе сушки в УСОНС и в её практическом исследовании;
В проектировании и изготовлении лабораторной установки сушки КОФ в объемно-напряженном состоянии;
В разработке технологических режимов сушки КОФ и оценке их эффективности на практике.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 168 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 42 таблицы, список использованных источников из 116 позиций.
Огнеупорные материалы
Задача сушки оболочки заключается в том, чтобы к концу испарения растворителя золь кремниевой кислоты, обволакивающий зерна основы, а также высокополимерные кремнииорганические соединения, присутствующие в золе, превратить в твердый, плотный гель кремниевой кислоты.
Связующее должно затвердеть необратимо, во избежание набухания при нанесении последующих слоев оболочки. Свойством набухания облада 16 ют продукты неполного гидролиза ЭТС. Чистый гель SiC»2 твердеет необратимо. Тепло-массообмен с внешней средой в общем случае зависит от следующих параметров: 1. скорости движения сушильного агента; 2. температуры сушильного агента; 3. относительной влажности сушильного агента; 4. размера зерна огнеупорного материала обсыпки; 5. толщины наносимого слоя.
Последние две позиции, как правило, задаются производственными условиями. Первые три позиции определяются параметрами сушки и более подвержены корректировке.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что управление технологическими параметрами операции сушки КОФ является одним из перспективных направлений снижения брака, повышения качества и технологических свойств КОФ.
Общими процессами операции сушки форм на основе различных связующих являются процессы сушки, диффузии, усадки и образования капилляров. Собственно сушка — испарение растворителя с поверхности оболочки. Диффузия — перемещение растворителя суспензии в сторону меньшей концентрации у поверхности испарения. Усадка. В результате испарения влаги растворителя количество жидкости в слое оболочки уменьшается, а следовательно, уменьшается толщина пленок и происходит сближение зерен. Но в затвердевших пленках сближе 17 ниє зерен невозможно, поэтому в пленках возникают напряжения и в оболочке могут образоваться трещины.
Капилляры формируются к окончанию испарения влаги. Рассмотренные процессы взаимосвязаны. Например, с увеличением скорости испарения растворителя увеличивается усадка пленок связующего в жидком их состоянии и уменьшается усадка затвердевших пленок. Чем скорее происходит испарение, тем качественнее получается оболочка. Можно было бы повысить температуру сушки, но это приводит к трещинам в оболочке вследствие термического расширения моделей. Поэтому сушку ведут при установившейся в цехе температуре.
Понижение температуры сушки замедляет испарение растворителя, снижает прочность оболочки и вызывает брак по трещинам. Кроме того, это вызывает усадку моделей, что приводит к короблению оболочки, ее отслаиванию от моделей и тоже к браку.
Гидролитическая поликонденсация этилсиликатных связующих протекает под действием влаги воздуха (связующие типов орг— 1 и орг—2 [1, 2]). Для необратимого превращения связующего типа орг—1 требуется несколько дней. Так как зерна основы склеены полиэтоксисиланами, сохраняющими свойство растворяться не исключено образование дефектов форм, таких как вспучивание и отслоение после смачивания их суспензией. Для увеличения скорости процесса гидролитической поликонденсации, применяют увлажненные пары аммиака. Необратимое твердение протекает за несколько минут.
Минимизируется вероятность разбухания и отслоения оболочки. При этом образовавшиеся частицы геля, имеют упорядоченное строение, чем и объясняют высокую прочность образцов оболочек со связующими типа орг 18
1. При поликонденсации вода образует с аммиаком влажное соединение, которое удаляют при обязательном после аммиачной обработки проветривании блоков. В противном случае, аммиак вызывает коагуляцию суспензии при нанесении последующего слоя. Вследствие затрудненного доступа к остаткам этоксильных групп полиэтоксисилана, влажного аммиака, они не могут участвовать в процессе гидролитической поликонденсации. Эти удаляются только при прокаливании оболочки.
Процесс твердения связующего типа орг—2 при температуре 20...24 С, атмосферном давлении и относительной влажности воздуха 60...80 % завершается за 3...4 ч. Обязательную повышенную влажность создают за счет кондиционирования воздуха или установки желобов для воды, которая повышает влажность воздуха.
Сушку керамических на основе кремнезоля «АРМОСИЛ» форм следует проводить с максимальной интенсивностью для всех слоев [21, 27]. Относительная влажность воздуха согласно зарубежным рекомендациям не должна превышать 70 %. Однако более высокая влажность не критична, а лишь увеличивает время сушки.
Температура воздуха определяется маркой модельного состава, в большинстве случаев подходит интервал 25...35 С. Скорость движения воздуха — максимально возможная. Ограничивается она только нарушением целостности формируемого слоя. Готовность формы к нанесению следующего слоя или удаления модельного состава определяется влажностью воздуха, прошедшего через объем сушильной камеры, в которой установлены формы. Если влажность воздуха на входе и на выходе из камеры совпадают, то формы готовы к проведению следующей операции. Просушенность форм - весьма критичный показатель. Нанесение слоев с недостаточной сушкой предыдущих покрытий приводит к разрушению формы при вытопке модельного состава. В качестве индикатора просушен-ности форм можно рекомендовать соли Со. При введении их в состав суспензии, о просушенности форм можно судить по изменению окраски блока.
Увеличение интенсивности удаления влаги сокращает время существования стационарных состояний. В результате контактная поверхность имеет гораздо более плотную структуру.
Лабораторные исследования и. промышленное опробование показали, что высокая скорость удаления растворителя снижает вероятность образования трещин и отслоений на первом слое, как это имеет место в формах на этс.
Анализ объемно-напряженного состояния
Процессы формирования слоев ходе обычной конвективной сушки подробно рассмотрены в работах [1-4, 22-30]. Общим для многих типов применяемых формовочных материалов является развитие усадочных напряжений и деформаций в слое покрытия в ходе сушки. Так же, наблюдается эффект стекания суспензии способствующий возникновению дефекта форм по отслоению первых слоев КОФ (рис. 2.1)
Наблюдается неравномерное образование прочных структур геля по объему формируемого слоя. Так как связующее сообщает прочность формируемому слою в процессе сушки, то активное образование структур будет наблюдаться на границе фронта испарения растворителя. При этом вследствие капиллярного массопереноса суспензии пленка геля будет обладать повышенным содержанием пылевидного наполнителя суспензии [98]. Образование плотной пленки будет препятствовать испарению растворителя, и снижать скорость сушки слоя. Так же будет наблюдаться уменьшение диаметра капилляров, что приведет к интенсификации капиллярного массопереноса суспензии в начале процесса и растворителя на следующих этапах сушки. Пониженное содержание пылевидного наполнителя и наличие замкнутых объемов растворителя у поверхности контакта с предыдущим слоем или модельным блоком приведет к градиенту прочности геля по толщине слоя.
Таким образом, можно предположить, что обычная конвективная сушка обладает рядом недостатков способствующих образованию изолированных пор и повышенной пористости контактной поверхности формы. Образующийся гель может содержать в себе включения неиспарившегося растворителя, и занимать больший объем, тем самым снижая характеристики газопроницаемости формы (рис. 2.2). Рассмотрим процесс формирования первого слоя покрытия в процессе нанесения на поверхность модели и сушки в УСОНС (рис. 2.3).
После извлечения из суспензии модель погружаем в кипящий слой зернистого огнеупора (ЗО) (рис. 2.4, а). В это время суспензия в слое обладает жидкоподвижностью и под влиянием силы тяжести стремиться стечь с поверхности модели. Если блок не вращается вокруг вертикальной и горизонтальной осей, то стекание произойдет по краям зоны 1, особенно интенсивно в зонах 2 — 4, и суспензия будет стремиться оторваться от поверхности модели в зоне 5, чему будет препятствовать восходящий поток воздуха.
Приставший ЗО покроет суспензионный слой, практически не внедряясь в него при вязкостях суспензии более 30...35 с. (по ВЗ-4) [22] вследствие незначительной энергии удара частиц о слой суспензии, обусловленной низкой скоростью восходящих потоков, ослабленной противоположно (вниз) направленной силой тяжести частиц. Затем модель с нанесенным покрытием формуем в опорном наполнителе методом кипящего слоя (рис. 2.4, б) и организуем процесс сушки (рис.
Этапы формообразования в УСОНС: а - нанесение зернистого огнеупора (1), находящегося в режиме «кипящего слоя», на покрытую слоем суспензии модель (3), путём погружения; б - выключение режима «кипящий слой» зернистого огнеупора, герметизация рабочей камеры; в - сушка нанесенного слоя оболочки при обеспечении перепада давления сушильного агента в верхней и нижней частях камеры: 2 -фильтр; 4 — блок с нанесённым слоем оболочковой формы; Рь Р2 - давление сушильного агента; Рдтм. - атмосферное давление.
Преодолевая гидродинамическое сопротивление слоя, фильтрующийся поток сушильного агента создаст объемно-напряженное состояние. При достижении необходимого уровня напряжений в опорном наполнителе произойдет внедрение зерен присыпочного материала в слой суспензии. Зафиксировавшись и уплотнившись в суспензии, частицы ЗО создадут прочный каркас препятствующий отеканию суспензии и усадке слоя покрытия при сушке блока. Фильтрация СА над поверхностью слоя и в межпоровом пространстве обеспечит повышенную скорость сушки, за счет увеличения скорости движения сушильного агента непосредственно у поверхности испарения. Это приведет к сокращению времени существования жидкоподвижных объемов суспензии в слое покрытия, однородному распределению введенного наполнителя суспензии в объеме пленок формирующегося геля, которые будут занимать минимальный объем (рис. 2.5) [21, 27, 98].
Структурообразование при сушке в различных зонах покрытия, согласно рис. 2.3, осуществится следующим образом. В зоне 1 в верхних горизонтально расположенных участках слоя произойдет внедрение насыпавшихся частиц и выдавливание суспензии вверх между ними со смачиванием зерен опорного наполнителя, увеличением толщины слоя покрытия. При этом будет наблюдаться меньшая разница в плотности суспензии по высоте формируемого слоя по сравнению с обычной конвективной сушкой [22]. Образующаяся структура - компактно уплотненная (гравитационно-пневматически). Слой равномерный по толщине с утончениями по краям. Формирование структуры на боковых вертикальных поверхностях модели в зонах 2, 3, 4 происходит в неблагоприятных условиях, поскольку жид-коподвижная суспензия под действием сил тяжести стремится сползти вниз. Частицы присыпочного материала, испытывая давление сжатия со стороны опорного наполнителя, внедряются в слой суспензии, уплотняются и фиксируются без возможности смещения. Уплотнение приводит к перераспределению суспензии в направлении от поверхности модели и смачиванию зерен опорного наполнителя. Толщина формируемого слоя покрытия несколько увеличивается. В результате такого движения системы суспензия - присы-почный материал - опорный наполнитель, сокращается разница толщин боковых стенок формирующегося слоя по высоте блока. Стенки содержат одинаковое количество армирующего материала. Длительность подобного структурообразования зависит от вязкости суспензии и скорости сушки.
В нижних горизонтальных участках слоя зоны 5, вследствие увеличения уровня напряжений в опорном наполнителе [98-108], будет наблюдаться формирование плотной упаковки зерен материала присыпки. Так же произойдет увеличение толщины слоя (в сравнении с боковыми поверхностями), связанное с совпадением направлений действия силы тяжести и фильтрации суспензии по капиллярам, образованным зернами опорного наполнителя. Капиллярный массоперенос суспензии будет ограничиваться избыточным давлением СА.
Таким образом, можно сделать вывод, что объемно-замкнутый слой покрытия, неразрывно соединяющий все участки зон 1-5 посредством углов и сопряжений, - сложная и напряженная конструкция. Плотная упаковка зерен по равномерной толщине слоя и отсутствие высоких концентрации напряжений снизит вероятность трещинообразования при сушке.
Выбор компрессора
В качестве базы для разработки УСОНС с целью изучения процессов сушки была принята установка для обсыпки модельных блоков в псевдоожи-женном ("кипящем") слое зернистого огнеупора (рис. 3.2.), успешно применяемая в производстве при изготовлении КОФ.
Отличительной особенностью разработанной установки является простота и надежность конструкции. Данная установка обеспечивает нанесение слоя зернистого огнеупора по всей поверхности блока [1, 2, 4, И, 22]. При этом происходит равномерное нанесение огнеупора на открытые поверхности и поднутрения. Одним из преимуществ такой установки является возможность её применения в качестве формовочной установки.
Дальнейшее развитие конструкции этого устройства привело к созданию опытной УСОНС для исследования процессов сушки КОФ, в которой была реализована возможность герметизации рабочей полости установки и организации направленного потока сушильного агента.
Отметим некоторые дополнения и изменения в конструкции по отношению к базовой конфигурации:
1. В верхней части корпуса была установлена быстросъемная крышка, обеспечивающая надежную герметизацию рабочей полости установки при работе с избыточными давлениями сушильного агента.
2. Для организации направленного потока сушильного агента с заданным градиентом давлений и аварийного сброса последнего, на штуцерах в верхней и нижней части корпуса были установлены шаровые краны, манометр и аварийный клапан. Рис. 3.2. Схема установки для обсыпки блока моделей в "кипящем" слое зернистого огнеупора: 1 - емкость с огнеупором, 2 - полость для подвода сжатого воздуха, 3 модельный блок Принцип работы УСОНС заключается в том, что после нанесения слоя зернистого огнеупорного материала основы, модельный блок остается погруженным в выключенном "кипящем" слое. После герметизации рабочей камеры, через штуцера установки организуется направленный поток сушильного агента при заданном градиенте давлений [67 - 69]. Фильтрация сушильного агента через опорный наполнитель вдоль поверхностей блока, создает необходимые условия для конвективной сушки КОФ.
Происходит увеличение скорости сушки за счет интенсификации теплообмена между сушильным агентом и поверхностью формы. Гидродинамическое сопротивление фильтрации, а так же собственный вес слоя опорного наполнителя создают напряжения сжатия, тем самым формируя объемно-напряженное состояние в рабочей полости УСОНС. Это приводит к уплотнению формируемого слоя оболочки, предупреждению отслоения, вследствие компенсации возникающих усадочных напряжений, обеспечивает лучшую смачиваемость между зернами основы и суспензией. Точная настройка оптимального градиента избыточного давления и расхода сушильного агента в рабочей камере установки, создает возможность в широких пределах управлять процессами формообразования. Расположение основных узлов УСОНС представлено на рис.3.3.
Основанием установки служит прижимное дно 9 корпуса 1 устанавливаемое на резиновой прокладке 3 с помощью болтовых соединений 12. Рабочая полость установки надежно герметизируется крышкой 2. В корпусе выполнен узел войлочного фильтра, состоящий из крестовины 10, войлочной прокладки 4 и прижимной решетки 11, фиксируемой с помощью болтовых соединений 13. Через расположенный в нижней части корпуса штуцер 6 организуется режим работы установки «Кипящий слой». Штуцера 5 и 7 расположенные соответственно в верхней и нижней частях корпуса предназначены для организации работы установки в режиме «Сушка». Штуцер 8 расположенный в верхней части корпуса реализует возможность аварийного сброса избыточного давления сушильного агента.
Схема работы установки в различных режимах представлена на рис. 3.4. После нанесения суспензии на поверхность модельного блока, происходит его обсыпка в псевдокипящем слое зернистого наполнителя. Для этого УСОНС переводится в режим работы «Кипящий слой». Организуется на 89 правленный поток воздуха с необходимыми для псевдоожижения значениями расхода и давления. Модельный блок погружается в полость рабочей камеры УСОНС, где происходит прилипание зерен огнеупора (рис. 3.4. (а)).
Затем, не извлекая модельного блока из псевдоожиженного слоя, перекрытием подачи воздуха, происходит выключение режима «Кипящий слой», тем самым реализуя операцию формовки блока в опорном наполнителе. Рабочая камера установки герметизируется крышкой, после чего, организуется направленный поток сушильного агента с заданными значениями градиента давления и расхода сушильного агента. Таким образом, реализуется работа УСОНС в режиме «Сушка» (рис. 3.4. (б)). Извлечение модельного блока после операции сушки, осуществляется посредством перевода установки в режим работы «Кипящий слой» после снятия герметизирующей крышки. Замена огнеупорного материала обсыпки происходит с помощью пневмотранспорта.
Выбор компрессора осуществляется на основе расчета оптимальных значений давления и расхода сушильного агента, которые должны обеспечить: 1. работу установки в режиме «кипящий слой»; 2. работу установки в режиме «сушка»; Диапазон существования кипящего слоя определяется условиями обтекания и уноса частиц, являющимися граничными условиями. Используем уравнение Горошко, Розенбаума и Тодеса описывающее весь диапазон существования кипящего слоя [86]:
Исследование эффективности процесса сушки КОФ в УСОНС
Расход сушильного агента задавался регулировкой параметров компрессора, а также регулировкой шаровых кранов расположенных на входе и выходе из рабочей камеры УСОНС. Значения расхода СА определялись по методике, изложенной во второй главе.
В результате экспериментов были получены зависимости массы нанесенного слоя от времени сушки и скорости потери массы слоя от массы нанесенного слоя. Анализ полученных зависимостей выявил характерные этапы процесса сушки (рис. 4.1 - 4.4).
На кривых кинетики потери массы слоя (рис. 4.1, 4.3) отсутствуют прямолинейные участки, на которых масса уменьшается с течением времени по линейному закону и свидетельствующий о том, что убыль массы в единицу времени — величина постоянная, что отличает период постоянной скорости сушки [64, 120]. Начальное увеличение массы нанесенного слоя КОФ при сушке в УСОНС от т0 до т+ (рис. 4.3), по-видимому, связано с захватом зерен опорного наполнителя фильтрующейся суспензией в направлении от поверхности модели.
Построенные методом дифференцирования кривые скорости потери массы слоя (рис. 4.2, 4.4) показывают, что в ходе сушки слоев форм процесс проходит в период падающей скорости.
Вид кривых соответствует кривым сушки, характерным для капиллярно-пористых тел, какими являются исследуемые КОФ [22].
Отсутствие периода постоянной скорости сушки, в течение которого температура материала постоянна и равна температуре мокрого термометра, не позволяет использовать повышенные температуры для интенсификации процесса сушки.
Малая ширина доверительных интервалов при сушке в УСОНС обусловлена применением компрессорной установки, нивелирующей колебания параметров воздуха в рабочем помещении. На основании данных представленных в таблице 4.2 построены графики на рис. 4.5 и рис. 4.6.
Анализ графиков на рис. 4.5 и рис. 4.6 показывает, что применение способа сушки в условиях объемно-напряженного состояния направленным потоком СА позволяет значительно сократить продолжительность операции сушки слоев формы. Так, суммарная продолжительность операции сушки восьмислойной КОФ на основе плавленого кварца сокращается в 4,1 раза, на основе искусственного кварца - в 3,3 раза. Таким образом подтверждаются предположения о сокращении продолжительности операции сушки высказанные во второй главе настоящей работы.
Регистрация параметров С А в контрольных точках (см. рис 2.10) по методике, изложенной в третьей главе данной работы, позволила определить зависимость параметров СА от времени сушки слоев КОФ в УСОНС. Общий вид полученных зависимостей представлен на рис. 4.8. Представленный характер изменения параметров СА является типичным для сушки с первого по восьмой слой всех исследуемых КОФ В УСОНС. В результате экспериментов был получен большой объем данных о значениях параметров СА в контрольных точках, измеряемых непосредственно.
Так как интервалы начальных и конечных значений различных параметров СА в процессе сушки различных слоев и типов форм невелики, представляется возможным указание лишь этих интервалов, а не всех промежуточных значений. Интервалы приведены в таблице 4.3.
Давление СА над поверхностью слоя ОН на практике оказалось несколько выше расчетного (таблица 4.4). Вероятнее всего это вызвано влиянием неучтенных при расчете гидродинамических потерь при движении сушильного агента. Поскольку разница незначительна, существенного влияния на уровень напряжений в слое опорного наполнителя она не окажет.
Оценка эффективности способа сушки произведена на основе уравнений материального и теплового баланса сушки (п. 1.5.2). Исходными данными для расчета послужили параметры СА (в контрольных точках расчетной схемы рис. 2.10) и данные об итоговых потерях массы слоев зафиксированные при проведении экспериментов по кинетике сушки КОФ. Данные приведены с учетом замечаний п. 2.3.2. Удельный расход сухого воздуха определялся по уравнению 1.12.
Для расчета были приняты следующие значения: сф=1150 Дж/(кг-К); св=4190 Дж/(кгтрад.); соя=800 Дж/(кг-К); суст =750 Дж/(кг-К); масса опорного наполнителя: для КОФ на основе искусственного кварца: 1,2 слой - 1,64 кг; 3-8 слой - 1,74 кг; для КОФ на основе плавленого кварца: 1,2 слой - 1,2 кг; 3-8 слой - 1,2 кг; масса УСОНС — 6,5 кг; масса камерного сушила - 80 кг; Масса абсолютно сухого воздуха затраченного на сушку определялась из формулы (1.11), температуры Тх и Т4 приняты средними за весь цикл сушки слоя (получены в ходе экспериментов по кинетике сушки). Для сушки в УСОНС : Т, =296,19 К, Г4 =302,14 К.
