Технология строительных изделий с полимерным покрытием, оптимизированная по критерию минимума энергозатрат при тепловом воздействии на формирующийся композит Цветков, Николай Александрович

Введение к работе

Актуальность проблемы и ее связь с государственными программами. Значительное повышение долговечности и других эксплуатационных качеств строительных материалов, изделий и конструкций достигается при использовании полимерных покрытий на основе термореактивных смол. Это обусловливает непрерывное расширение как области применения известных, так и вовлечение в производство ранее неиспользуемых в строительстве термореактивных полимеров, в том числе отходов производств и некондиционного сырья электротехнической промышленности. Их уникальные свойства образовывать прочные, эластичные, неплавкие и нерастворимые тонкие покрытия, обладающие наибольшим электрическим сопротивлением и способностью длительно работать при высоких температурах на различных материалах, определили рациональную область их применения в строительстве (новые эффективные коннекторы, свойства которых определяют возможность успешной реализации энергосберегающих критериев при возведении строительных объектов, особенно для трехслойных наружных стен из штучных материалов; защита проволочной арматуры и изделий из нее; высококачественные защитно-декоративные покрытия на отдельных материалах для внутренней отделки зданий и сооружений; защитные покрытия архитектурных гипсовых и других изделий при реставрации и реконструкции зданий; защитно-декоративные покрытия штучных силикатных, керамических и многих других материалов).

Расширяется область применения термореактивных покрытий в специальных сооружениях (поверхностная защита коллекторов канализационных систем вследствие резко возросших химически активных сбросов; емкостей хранения в ряде производств сыпучих и жидких материалов, а также при их консервации и захоронении; в составах пароизоляционных покрытий внутренних поверхностей кислотоупорной кладки стволов железобетонных и кирпичных дымовых труб; пропитка и поверхностные покрытия конструкций фундаментов теплового оборудования; защитно-технологические покрытия внутренних поверхностей труб инженерных сетей для снижения гидравлического сопротивления и защитные покрытия их наружных поверхностей).

Наиболее качественные покрытия на основе термореактивных полимеров получают при условии их тепловой обработки, с повышением уровня температуры проведения которой достигается резкое увеличение скорости химических реакций полимеризации или поликонденсации в покрытиях и улучшается ряд их эксплуатационных показателей.

Однако, применительно к новым условиям строительства, широкое использование композитов с полимерным покрытием сдерживается несовершенством наиболее перспективной непрерывной скоростной технологии их получения вследствие ряда причин:

1) отсутствием методологии создания и оптимизации работы технологических комплексов для тепловой обработки полимерных покрытий при уров-

нях температуры в нагревательных устройствах, значительно превышающих порог активизации термодеструктивных явлений, на основе системного подхода по обеспечению их максимальной производительности при минимальных энергозатратах и гарантированного получения заданного качества композитов;

2) отсутствием обобщенной математической модели процессов при теп
ловой обработке наиболее распространенных в строительстве цилиндрических
и плоских изделий и материалов с полимерным покрытием;

1. недостаточной изученностью процессов в системах "изделие-покрытие" при радиационно-конвективных тепловых воздействиях, обеспечивающих на стадии тепловой обработки формирование покрытий заданного уровня качества;

2. недостаточной изученностью закономерностей формирования пространственно распределенных параметров теплового поля с учетом поддержания оптимальных динамических пространственных характеристик его изменений в процессах тепловой обработки изделий различных масс и конфигураций, включая периоды удаления растворителей и отверждения покрытий.

Работа выполнялась в рамках программы "САПР" Минвуза РСФСР (тема 07.01.29 - 1976-1981 г.г., тема 3.151 - 1982-1987 г.г., утверждена приказом Минвуза РСФСР N 394 от 17.09.76 г.); программы "Теплофизика и энергетика" АН СССР (тема 1.9.1.4.2 - 1984-1987); программы "Строительство" (тема 2.53 -1991-1993 г.г., утверждена приказом ГКНВШ РСФСР N252 от 27.03.91 г.); программы "Архитектура и строительство" (тема 2.4.3.6 - 1994-1997 г.г.); программы "Оптимизация использования природных, производственных и интеллектуальных ресурсов Томской области в интересах населения и народного хозяйства" (тема Nl-РП -1993-1996 г.г., утверждена приказом ГК РФ ВО N 73 от 24.04.93 г.); гранта по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук (1994 - 1996 г.г., утвержден приказом ГК РФ ВО N 516 от 30.12.93 г. ), а также тематических планов госбюджетных и хоздоговорных НИР Томского политехнического университета, Томского государственного архитектурно-строительного университета и НИИ строительных материалов при ТГАСУ.

Основная удея, положенная в основу работы над диссертацией, состоит в создании оптимальных температурно-временных режимов протекания физико-химических процессов в покрытиях на основе термореактивных смол, реализация которых обеспечивается в непрерывных.нагревательных устройствах при уровнях температур в них, значительно превышающих наложенные ограничения по термодеструктивным явлениям в системе "изделие-покрытие".

Цель работы заключается в создании энергосберегающей технологии производства строительных композитов с полимерным покрытием, управляемых путем технологической корректировки пространственно-временных параметров теплового поля с учетом поддержания оптимальных динамически? пространственных характеристик его изменений в процессах тепловой обра ботки изделий различных масс и конфигураций, включая периоды удаленна

растворителей и отверждения покрытий. Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

1. разработать методологию создания и оптимизации работы технологических комплексов для тепловой обработки полимерных покрытий на основе системного подхода по обеспечению их максимальной производительности при минимальных энергозатратах и гарантированного получения заданного качества композитов;

2. разработать обобщенную модель процессов тепломассопереноса при сложных тепловых воздействиях на формирующийся композит для наиболее распространенных в строительстве цилиндрических и плоских изделий и материалов с полимерным покрытием;

3. изучить динамику формирования температурных полей в непрерывно движущихся плоских и цилиндрических объектах "изделие-покрытие" на основе параметрического анализа при конвективном, радиационном и радиацион-но-конвективном подводе теплоты к покрытию и установить критерии оптимального управления тепловыми воздействиями;

4. исследовать аналитически и экспериментально закономерности формирования пространственно-временных параметров температурных режимов в рабочих пространствах щелевых электронагревательных устройств, обеспечивающих непрерывность технологического процесса;

5. установить связь между параметрами теплового воздействия на объект "изделие-покрытие" и качеством получаемой продукции;

6. разработать методики, алгоритмы и программы целенаправленного формирования и поддержания в динамическом режиме реального времени необходимых для обеспечения оптимального теплового воздействия на композит режимных параметров тепловой обработки с учетом максимума производительности, минимума энергетических затрат и получения требуемых эксплуатационных качеств покрытий;

7) выполнить промышленную апробацию предложенных технологиче
ских и технических решений.

Научная новизна работы состоит в углублении теоретических положений технологии скоростной тепловой обработки при производстве материалов и изделий с покрытием на основе растворов и расплавов термореактивных полимерных композиций, что конкретизируется следующим.

. 1. Разработана обобщенная физико-математическая модель процесса тепловой обработки строительного композита с полимерным покрытием. Впервые учтено влияние теплопереноса в покрытии, теплопроводности в композитах по ходу их движения, теплоты фазового перехода при удалении растворителей, теплоты химических реакций процессов пленкообразования. Получены новые аналитические решения, связывающие распределенные управляемые режимные параметры радиационно-конвекгивных нагревательных устройств с физико-химическими процессами в полимерных покрытиях на изделиях и материалах цилиндрической и плоской конфигураций.

2. Получена совокупность натурных и лабораторных экспериментальных данных по температурным режимам в протяжных тепловых агрегатах непрерывного действия, подтвердившая корректность новых аналитических решений, что позволило их использовать как основу алгоритма управления процессами формирования композита при минимуме энергозатрат.

3. Доказано, что электрическая прочность может быть использована в качестве обобщенного показателя качества термореактивных покрытий, что согласуется с законом створа И.А.Рыбьева. Использование этого показателя обеспечивает оптимальное управление режимами работы теплотехнического агрегата и упрощает промышленную реализацию разработанной технологии.

4. Впервые установлены зависимости влияния периодических изменений характеристик тепловых воздействий на качество получаемых композитов. Сформулирован принцип технологической корректировки температурно-скоростных режимов тепловой обработки, заключающийся в том, что максимальная стабильность качества полимерных покрытий достигается при отношениях времени т₀ тепловой обработки композитов к периоду т_п колебаний температуры в рабочем пространстве нагревательного устройства равных целым числам, а максимальная производительность технологического комплекса с минимальными энергозатратами и требуемым качеством покрытий обеспечивается при т₀/т_п =1 без ограничений на амплитуду и частоту колебаний.

Автор защищает совокупность положений, установленных закономерностей, теоретических и экспериментальных результатов, положенных в основу создания энергосберегающей технологии тепловой обработки изделий с полимерными покрытиями, управляемой по критерию максимальной производительности.

Практическая ценность работы состоит в разработке методологии, методик, алгоритмов и пакетов прикладных программ расчета режимов скоростной тепловой обработки полимерных термореактивных покрытий на различных материалах и изделиях плоских и цилиндрических форм, позволяющих оптимизировать работу действующего оборудования и создавать новые технологические агрегаты, управляемые по критерию максимальной производительности.

Использование полученных результатов позволило создать и реализовать на практике производство остродифицитных материалов и изделий с высококачественным защитным полимерным покрытием. - главным образом несущих стержней металлических и композитных коннекторов, необходимых для строительства современных объектов с высокими теплозащитными свойствами наружных ограждающих конструкций. При этом обеспечивается экономия энергетических ресурсов, расширяется сырьевая база стройиндустрии за счет неиспользуемых ранее отходов изоляционных лаков кабельных производств и исключается экологический вред при сжигании (захоронении) этих отходов.

Методология работы. Исследования выполнены в рамках общей концепции создания новых строительных композитов с улучшенными адгезионно - когезионными характеристиками, развитой в трудах научной школы профессора Боженова Ю.М. и основаны на общепринятых теоретических положениях в областях тепломассопереноса, материаловедения, физической химии полимеров, физики и химки обработки материалов, большой вклад в разработку которых внесли коллективы научных работников под руководством профессоров М.А.Михеева, А.А.Гухмана, С.С.Кутателадзе, А.В.Лыкова, А.И.Леонтьева, Б.С.Петухова, Ю.А.Суринова, Н.А.Рубцова, Б.С.Хрусталева, Л.С.Кацевича, П.А.Ребиндера, Н.Н.Рыкалина, А.А.Углова, В.И.Саломатова, В.У.Новикова, А.Д.Яковлева, В.Г.Хозинг, Л.А.Сухаревой и многих других. Приближенные и точные аналитические решения получены на основе современных математических методов. Экспериментальные исследования проводились с использованием цифровых информационно-измерительных систем, приборов и оборудования кафедр "Теплофизика", "Теоретические основы теплотехники" и "Промышленная теплоэнергетика" Томского политехнического университета, НИИ строительных материалов и кафедры "Теплогазоснабжение и вентиляция" Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована достаточной их обоснованностью, правомерностью сделанных допущений и обеспечена:

последовательным получением аналитических решений задач с усложнением их математических постановок и тщательным сопоставлением получаемых решений между собой, а также с известными решениями других исследователей для упрощенных случаев;

сопоставлением результатов, полученных аналитическим, численным и экспериментальным методами;

применением современных методов и средств расчета, приборов и научного оборудования с необходимым объемом статистики, обеспечивающих достаточный уровень надежности результатов математического моделирования, результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований, а также измерений физических и потребительских свойств изделий;

отсутствием в полученных результатах противоречий с общепризнанными теоретическими представлениями.

Реализация результатов диссертаиионной работы. Основные положения работы и полученные результаты прошли промышленную апробацию на предприятиях Томской области (СПАО "Химстрой", АО "Оргтехстрой", АО "Томскжилстрой", ИЧП "Курсор", АПО "Сибкабель") и Кемеровской области (Инженерный центр "ОРГСТРОЙ"- г. Кемерово, Научно-исследовательский и проектно-технологический институт "СИБИНВЕСТСТРОМ" - г. Новокузнецск и др.). Использование в промышленности рекомендаций и разработок диссертанта позволило повысить производительность производства защищенных по-

лимерными покрытиями изделий на 30...60 % при снижении энергозатрат на 25...50 % на единицу продукции.

Результаты исследований используются: в курсовом и дипломном проектировании Московского энергетического университета, Томского политехнического университета. В Томском государственном архитектурно-строительном университете отдельные теоретические результаты включены в лекционные курсы "Строительная теплофизика" и "Тепломассообмен" для специальности 29.07 - "Тешюгазоснабжение и вентиляция", в лекционный курс "Теплотехническое оборудование технологии строительных материалов и конструкций" для специальности 29.09 - "Производство строительных изделий и конструкций", используются при курсовом и дипломном проектировании. Разработанные установки и приборы используются при выполнении лабораторных работ.

Апробация работы. Материалы работы апробированы: на научном семинаре лаборатории радиационно-кондуктивного теплообмена института теплофизики СО АН СССР (г. Новосибирск, 1980 г.), на Всесоюзном семинаре по экономии тепловой и электрической энергии на промышленных предприятиях (г. Севастополь, 1981 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Защита металлов от коррозии органическими покрытиями" (Казань, 1985 г.), на Всесоюзном научно-методическом семинаре по автоматизации проектирования в энергетике и электротехнике (Иваново, 1986 г.), на Всесоюзном совещании по аналитическим методам расчета процессов тепло- и массопереноса (Душамбе, 1986 г.), региональной научно-технической конференции по повышению эффективности производства и использованию энергии в условиях Сибири (Иркутск, 1993 г.), на Международной научно-технической конференции "Экология и ресурсосбережение" (Могилев, 1993 г.), на научно-технической конференции по использованию отходов промышленности в производстве строительных материалов (Новосибирск, 1993 г.), на Международной научно-технической конференции по ресурсосберегающим технологиям строительных материалов, изделий и конструкций (Белгород, 1993 г.), на Международном совещании-семинаре "Сопряженные задачи физической механики и экология" (Томск, 1994 г.), на Международной научно-технической конференции "Композиты. Народное хозяйство России. Композит-95" (Барнаул, 1995), на Международной научно-технической конференции "Сибконверс-95" (Томск, 1995), на научном семинаре института теплофизики СО РАН (Новосибирск, 1998) и др.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 96 научных статьях и докладах, в том числе получено 2 патента, 1 авторское свидетельство и 1 положительное решение на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. Результаты исследований представлены на 262 страницах основного текста, включают 92 рисунка, 21 таблицу, библиографию из 637 наименований. Объем приложения составляет 2 страницы.