Автореферат (Технологическое проектирование высокопористых теплоизолирующих конструкций насосно-компрессорных труб из коротких базальтовых волокон на основе метода жидкостной фильтрации)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Одной из технически значимых иэнергосберегающих задач развития машиностроения является созданиетеплоизолирующих конструкций из доступных, дешевых и экологическичистых базальтовых супертонких волокон (БСТВ), работоспособныхдлительное время при температурах от –260 °С до 700…750 °С. Областьприменения таких конструкций - внутренняя теплоизоляция элементовмашин,медицинскойтехники,бытовыхприборов,межтрубнаятеплоизоляция изделий, работающих при высоких температурах илисвязанных с транспортировкой криогенных топлив.Основным недостатком рулонных теплоизоляционных материалов(ТИМ)избазальтовыхштапельныхволокон,изготовленныхаэродинамическим методом и широко применяемых в строительстве,является высокий коэффициент кондуктивной теплопроводности, который в1,75 раза выше, по сравнению с коэффициентом, полученным расчетнымпутем для БСТВ и спокойного воздуха.

Другим важным недостаткомуказанных ТИМ является невозможность создания теплоизолирующихконструкций сложной пространственно-геометрической формы.Из анализа литературных источников следует, что сложно профильныеизделия из БСТВ могут быть получены только методом жидкостногоосаждения в пресс-форму коротких базальтовых волокон из пульпы илигидромассы. Это показывает и практика изготовления из коротких кварцевыхволокон теплозащитных плиток ВКС по программе «Буран» (ТЗМК-10,ФГУП НПП «Технология») или «Шаттл» (Li-900, фирма «Boeing»).Перспективным направлением в настоящее время является созданиемногослойныхнасосно-компрессорныхтруб(НКТ),включающихмежтрубную теплоизоляцию из коротких БСТВ и защитно-силовуюстеклопластиковую оболочку. Такое конструктивно-технологическоерешение обеспечивает снижение погонной массы композитных НКТ в2…2,5 раза по сравнению со стальными вакуумно-теплоизолированнымиНКТ - «термокейсами» и доставку теплоносителя (перегретого пара) свысокими начальными параметрами (температура 420…450 °С, давление35 МПа) в нефтяные пласты с тяжелой высоковязкой нефтью, которыезалегают на глубине 3000…3500 м (с возможностью увеличения до4000…4500 м).С другой стороны, по критерию «себестоимость-теплопроводность»теплоизоляция из коротких базальтовых волокон в несколько раз дешевлетеплоизоляции из кварцевых волокон ТЗМК-10, используемой в«термокейсах» для защиты от теплового излучения в межтрубномпространстве НКТ.Таким образом, проблема, связанная с созданием высокопористыхсложно профильных изделий (втулок, манжет, колец, полуцилиндров или«скорлуп») из коротких базальтовых волокон с коэффициентомтеплопроводности в 1,5 раза меньшим по сравнению с ТЗМК-10 является1актуальной, имеет важное научно-техническое и практическое значение,способствует снижению массы и себестоимости теплоизолирующихконструкций.Цель работы.

Повышение технико-экономических показателейтеплоизолирующих конструкций из коротких базальтовых волокон на основеобеспеченияминимальногокоэффициентатеплопроводностиисовершенствования фильтрационной технологии их изготовления.Для решения поставленной цели были сформулированы задачиисследования.1. Совершенствовать 2-х стадийную технологию изготовления изкоротких базальтовых волокон и минеральной связки А1203 сложнопрофильных конструкций, включающую получение полуфабриката иформообразованиеизнегометодомжидкостнойфильтрациивысокопористых теплоизолирующих изделий.2. Разработать математическую модель процесса формообразованиятеплоизолирующих конструкций методом фильтрационного осаждениякоротких волокон из пульпы на основании закона А.

Дарси.3. Провести экспериментальные исследования по определениюкоэффициента теплопроводности на цилиндрических и плоских образцах иописать стационарный и нестационарный режимы изменения температуры ввысокопористом материале на основе коротких базальтовых волокон сучетом лучистого переноса тепла в межпоровом пространстве.4.

Разработать методику расчета теплофизических характеристик,толщины теплоизоляционного покрытия в виде цилиндрических скорлуп,провести испытания опытных образцов НКТ нового поколения и оценитьрезультаты экспериментальных и теоретических исследований.Научная новизна состоит:- в разработке математической модели процесса формообразованиявысокопористых теплоизолирующих конструкций из коротких базальтовыхволокон и связки Al2O3 на основе метода фильтрационного осаждения;- в получение уравнений теплопроводности, описывающихстационарный и нестационарный режимы изменения температуры ввысокопористом теплоизоляционном материале на основе короткихбазальтовых волокон с учетом лучистого переноса тепла в межпоровомпространстве.Практическая значимость работы заключается:- в совершенствовании 2-х стадийной технологии, включающей:измельчение и очистку волокон, подготовку полуфабриката; изготовлениепульпы из коротких базальтовых волокон и связки Al2O3, формообразованиевысокопористых теплоизолирующих конструкций сложной формы методомфильтрационного осаждения;- разработке методического обеспечения, позволяющего производитьрасчет коэффициента теплопроводности и толщины стенки теплоизоляции изкоротких базальтовых волокон, определяющего выход на стационарный2режим нагрева изделия и создающего основу для выбора технологическихрешений по созданию теплоизолирующих конструкций.Практическая ценность работы доказана путем успешнойпромышленной апробации результатов работы при создании опытныхобразцов теплоизолирующего покрытия НКТ нового поколения диаметром60 мм в виде цилиндрических скорлуп с толщиной стенки 25 мм и среднимкоэффициентом теплопроводности базальтовой теплоизоляции в диапазонетемператур 63…420 °С, равным 0,0413 Вт/(м К).Методы исследования.

Использовались основные положениятехнологии машиностроения, проектирования технологических процессов,теоретические основы фильтрации жидкости через пористые среды, основыкондуктивного и лучистого переноса тепла через высокопористыеволокнистыематериалы.Достоверностьполученныхрезультатовподтверждается применением известных и апробированных методовэкспериментальногоисследованияструктурных,механическихитеплофизических характеристик теплоизолирующих конструкций изкоротких базальтовых волокон на аттестованном оборудовании исертифицированных программно-математических пакетах.На защиту выносится:1.Математическая модель процесса фильтрационного осаждениякоротких базальтовых волокон из пульпы со связкой из Al2O3, определяющаятехнологические, структурные и механические характеристики материалаформуемых сложно профильных теплоизолирующих конструкций.2.Научно обоснованный водородный показатель для приготовленияпульпы из коротких базальтовых волокон pH = 6,5…8,5, обеспечивающийвведение расчетного количества (5 % по массе) окиси алюминия втеплоизоляционный материал, при сохранении достаточно высокой скоростиосаждения волокон из пульпы с вязкостью 5∙10-3 Па∙с.3.Новые результаты теоретических и экспериментальныхисследований, описывающие стационарный и нестационарный режимыизменения температуры в высокопористом ТИМ с учетом лучистогопереноса тепла и направленные на определение теплофизическиххарактеристик теплоизолирующих конструкций.4.Методические рекомендации по определению коэффициентатеплопроводности и выбору толщины стенки цилиндрических скорлуп изкоротких базальтовых волокон и связки Al2O3 по требуемому перепадутемператур на опытных образцах насосно-компрессорных труб новогопоколения.Апробация и внедрение результатов работы.

Основные положениядиссертации докладывались на Всероссийской конференции «Будущеемашиностроения России» (г. Москва, 2012, 2014 г.г.), на академическихчтениях по космонавтике «Актуальные проблемы Российской космонавтики»(г. Москва, 2012-2014, 2016 г.г.), на 4-ой международной научнойконференции«Ракетно-космическаятехника:фундаментальныеи3прикладные проблемы», на XX научно-технической конференции молодыхученых и специалистов (г. Королев, РКК «Энергия», 2015 г.).

Основныеразделы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры«Технологии ракетно-космического машиностроения». Получены дипломына Всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» залучшую научную работу по направлению «Специальное машиностроение»(г. Москва, 2012 г.), диплом за «Успешный поиск новых решений» и дипломI степени в номинации «Лучшая работа в области энергетики»Всероссийской молодежной научно-инженерной выставки «Политехника»(г. Москва, 2014 г.), диплом 2 степени за «Лучший проект», представленныйна конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов МГТУим.