Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование производства и переработки полимерных материалов неотделимо от интенсификации основных тепловых и технологических процессов, в также разработки нового высокопроизводительного оборудования. Это непосредственно связано с выбором оптимальных режимов нагрева, охлаждения, термообработки, деформаций и др. Расчет или выбор оптимальных температурных режимов долкен опираться на знание достоверных теплофизических характеристик /Т5К/ полимерных сред и их зависимостей от температуры и давления фазэвых превращений.
На основе расчетов по'суцзствувдим математическим моделям с усредненными ЇФХ установлено, что выполнение тепловых расчетов с неадекватными технологическому процессу ТЗХ ведет к ошибке при вычислении температурного поля в полимерных средах в 15-20$, а при нахождении площади теплообмена проектируемого оборудования - в 20~25#.
В настояире время в экспериментальных данных по зависимости ТЗД полимерных материалов от температуры наблюдается довольно большой разброс в значениях величины получешшх для одних и тех же материалов различными авторами. Кроме того они не охватывают всего диапазона составов и температур реализуемых при производстве и переработке полимерных материалов. При этом необходимо заметить, что зависимости ТМ полимерных материалов от свойств среды носят очень сложный характер и значения их величин могут измениться более чем в два раза.
В последнее время возрос интерес к аналитическим методам
определения ТФХ полимерных материалов в силу их экономичности,
возможности охвата широкого диапазона изменения влияющих пара-
метров, а также удобстве использования их в микропроцессорном
управлении тепловыми режимами в технологии и САПР, В этой связи
возникла необходимость разработки экспериментально-аналитичес
ких методов расчета ТФХ полимерных материалов в зависимости от
состава, разовых и температурных превращений при различных па
раметрах внешней среда. Причем, эти Метода долкны сохранять точ
ность экспериментальных способов определения и давать возмож
ность получать значения ТМ для всего спектра изменяющихся вход
ных величин. *'
Полимерный материал при этом рассматривается та как однородное тело с воспроизводящимися при различных режимах производства и переработки свойствами, а как композит, характеристики компонент которого (молекулярнс-массовое распределение .степень кристалличности, вид и концентравдя наполнителя, модифицирующие ингредиенты и др.) определяют итоговые значения TSX всей композиции.
Цель работы заключалась в разработке научных основ'обобщения и расчета ЇФХ полимерных систем в твердом, жидком и рас-їлавленном состояниях при различных температурах и давлениях и эбоснованяе методов расчета температурных полей тепловых режимов ї площади теплообмена с. переменными адекватными процессу, ТМ зреды в процессах производства и переработки полимерных материалов.
Для достижения отой цели необходимо ралить следующие задачи:
-
Разработать математические модели теплопереноса в новых гехнологаческих процессах с высокими требованиями к термостаби-шзации полимерного материала при их производстве и переработке ; адекватными процессу ТХ среды.
-
На основе анализа теории проводимости микронеоднородных іатериалов обосновать методы расчета .эффективных тепло- и тем-гературопроводнооти полимерных материалов.-
-
Разработать методики определения ИХ, лучистых и конвек-?ивных тепловых потоков, температур поверхности и коэффициентов теплоотдачи от- движущихся тел различных форм,
-
Получить новые результаты по ТМ полимеров, полимерных іатериало%их композиций в твердом, расплавленном и видком со-,'тояниях при различных температурах и давлениях. .
-
Получить новые результаты по распределению температур в , юлишрннх материалах, коэффициентах теплоотдачи при различных изжимах нагрева или охлаждения по длине зоны формирования дви-;ущихся полимерных тел.
-
На основе изучения структурных особенностей полимерных ттериалов разработать модельные представления о структурах морено-кристаллических полимеров, полимерных растворах,стекло— иастиках и наполненных полимерных материалах.
-
На основе экспериментальных значений ТХ компонентов по-шмвриых структур выполнить расчет эффективных тепло- и темпе-атуропроводности, удельной изобарной теплоемкости и плотности
двух и многокомпонентных полимерных систем, при различных температурах и давлениях. Сравнить расчетные и экспериментальные значения TSX рассмотренных полимерных материалов.
8. Базируясь на расчетных значениях Т0 полимерных сред,экспериментальных значениях теплообменных характеристик, рассчитать температурные поля и тепловые режимы в новых технологических процессах производства и переработки полимерных материалов. Сравнить рассчетные и экспериментальные результаты.
Научная новизна. Разработаны научно-методические основы: обобщзния и расчета ТФХ полимеров , полимерных смесей, композиций на их основе в зависимости от молекулярно-массового распределения структуры,состава,фазовых превращений, вида и концен- . трации наполнителей при различных параметрах внешней среды; методов расчета температурных полей, тепловых режимов, площади теплообмена в процессах и агрегатах при производстве и переработке полимерных материалов с адекватными процессу 33 X полимер ных сред.
Разработаны методики измерения и получены новые результаты по: Т5Х полимеров, полимерных материалов в твердом .расплавленном и кидком состояниях при различных температурах и давлениях; лучистым и конвективным тепловым потоком, температурам поверхности и коэффициентам теплоотдачи от двинущихся полимерных тел различішх форм в новых технологических процессах переработки по лимеров.
Решение этой научной проблемы, помимо самостоятельного научного значения ваяно при прогнозировании Т5Х полимерных композиций при разработке новых технологических процессов и создания нового высокопроизводительного оборудования.
Обоснованность и достоверность положении.выводов п рекомендации подтверждается достоверностью методик принятых для измерения теплофизических и теплообменных характеристик полимерных материалов и сравнением расчетных и экспериментальных величин ИХ, температурных полей по длине зоны термовоздействия при различішх тепловых режимах в процессах производства и переработки полимерных материалов. Расхождения между расчетными и экспериментальными значениями " не превышают:, по удельной изобарной теплоемкости.и удельному объему 2*5/5 во всем диапазоне температур и 7% в области фазовых переходов; по эЩзек -чівшгл
тепло- и температуро проводгости ~ 5*-І0#; по раопределешао температур поверхности охлаждаемого или нагреваемого полимерного то-ла - 10*15%.
Практическая данность' и реализация работы. Работа выполни
лась согласно Межотраслевой Коглплексной программе работ he 1931-
IS85 г.г. по решению научно-технической проблемы "Обеспечение
народного хозяйства полной и достоверной информацией о свойствах
и применению полимерных материалов" принятой по постановлению
ЇЇСНТ СССР № 430 от 13.09.1979 г. и одобрена Коллегией Госстан
дарта np.tf 8 от 05.03.1981 г., Комплексной проблема "Теплофизи
ки и теплоэнергетики" Ж УССР и включене в Координационный план
по разделу "Свойства низко- и высокомолекулярных соединений и
композиций на их основе", Решением Бюро физико-химических проб
лем Ш УССР пр. Л II п. 185 от 09.12,1985 г., Координационному
алану Минвуза УССР,Минне5техиммэш СССР, Минхимпром СССР, на 1981~
1985 г.г. .
Разработана научно обоснованная методика расчета Т8Х амор|-ас—кристаллических полимеров, полимерных композиций, полимерных эастворов, наполненных полимерных систем, стеклопластиков. С необходимыми уточнениями она мояет быть использована для расчеса TSX других материалов, а также для прогнозирования свойств зновь создаваемых полимерных веществ.
Разработаны методы расчета температурных полей и тепловых >ежимов в процессах нагрева пли охлакдекия движущихся полимер-шх тел различных форм, а также тепловых и параметрических резолов экструзионного, теплообмеиного и реакторного оборудования ! переменными значениями Т5Х полимерных сред. Все расчеты пред— :тавлены в виде алгоритмов,блок-схем и программ для ЭВМ.
Результаты работы включены в разработку ряда внсокопроизво- * ителышх устройств, линий и аппаратов для проведения различных роцессов при производстве и переработке полимерных материвлов, езрвботки были вшдреїш в промышленность с долевым эконсмячес-им аспектом около I шш.рублей и отдаемым экономическим »йек~ ом более I млн.рублей.
Разработанные метода расчета используются в учебном процессе два учебных пособия объемом 16,6 п.л.), в ряде ведущих органи-аций по производству и переработке полимеров (0НП0 Плестополя-зр, г.Ленинград, НПО Пластмассы, ИВІШ КП г.Москве, Киевский
филиал ВНИИВпроект, УкрЮНпластмаш, (КБ Полимермаш г.Киев) и заводах по изготовлению теплообмеиного полімерного оборудования, вискозных волокон и тонких полимерных пленок. .
;Апт>обвпия работы. Результаты работы докладывались на Ш Всесоюзном совещании по тепло- и массообмеку (г.Минск, 1968 г.), Всесоюзной конференции по "Процессам и аппаратам полимерных материалов" (г.Тамбов, 1974 г.). Всесоюзной конференции " Процессы и аппараты производств полимерных материалов " {г.Москва, 1977 г., 1986 г.), УП Всесоюзной конференции по теплофизическим свойства! веществ (г.Минск, 1978 г.), П - У, УП Республиканских научно-технических конференциях "Повышение эффективности и усовершенствование процессов и аппаратов химических и пищевых производств" (г.Киев, 1968г, ; г.Львов, IS73 г.; г.Харьков, 1976г.; г.Днепропетровск, 1980 г.; г.Харьков, 1988 г.).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 38 работ, из них один справочник по TSX полимерных материалов и 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводав, списка использованной литературы (306 наименований) и приложений, в которых приведеш программы расчетов на ЭВМ тепловых режимов переработки полимеров и тепло-обданных устройств , документов, подтверкдающих практическое значение диссертации. Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 112 рисунков, 14 таблиц,