Автореферат (1026326), страница 3
Текст из файла (страница 3)
4, а). В случае, когда pH=7,5÷8,5 (Рис. 4, б), можно гарантироватьрасчетное количество окиси алюминия в теплозвукоизоляционном материале8при сохранении достаточно высокой скоростиувеличивающей вязкости пульпы до η п = 6∙10-3 Па∙с.фильтрациипри1 – 5 % вес.связующего;2 – 7,5 % вес.связующего;3 – расчетноеколичество А1203при введении 5 %связки;4 - расчетноеколичество А1203при введении7,5 % связкиабРис. 4. Зависимость изменения содержания связующего в материале от pHосаждения гидроокиси алюминия (а); связка из Al2O3, осажденная набазальтовых волокнах (б)В главе описан также процесс фильтрационного осаждения волокон спостоянным внешним давлением на зеркало пульпы при формованиицилиндрических образцов (Рис. 2, б), необходимых для исследованиятеплофизических характеристик материала теплоизолирующих изделий.В третьей главе приведены экспериментально-теоретическиеисследования в области теплофизических свойств теплоизолирующихконструкций из коротких базальтовых волокон и минеральной связки изAl2O3 на плоских и цилиндрических образцах.Лабораторныеисследованиявысокопористойизоляциинацилиндрических образцах из коротких базальтовых волокон с внутреннимнагревом трубы от электронагревателя позволили рассчитать удельныйтепловой поток и фактические значения коэффициентов теплопроводностиТИМ.
Полученные данные подтвердили аналитическое определениекоэффициента кондуктивной теплопроводности ТИМ на основе базальтовоговолокна и спокойного воздуха.Для изучения фактических характеристик при нагреве базальтовойтеплоизоляции в виде цилиндрических колец, одетых на трубу, был созданспециальный испытательный стенд, который позволяет прокачиватьнагретый до необходимой температуры в пределах до 600 оС воздух.
Так же вглавепроведеноэкспериментальноеопределениекоэффициентатеплопроводности многослойного натурного образца регулярной части НКТ,включающего стальную трубу диаметром 60 мм и конструкцию ТИМ,состоящую из цилиндрических колец на основе базальтовых волокон исвязки Al2O3, двух слоев фольги и намотанной сверху защитно-силовойстеклопластиковой оболочки толщиной 2 мм. Испытания показали высокую9эффективность высокопористой базальтовой теплоизоляции.
Среднеезначение коэффициента теплопроводности теплозащитного покрытия НКТсоставило 0,0409 Вт/м К.В главе обсуждаются вопросы исследования процессов переноса теплавнутри теплозащитных покрытий, которые необходимо проводить приопределении толщины теплоизолирующего слоя и при расчете температурывнешней поверхности многослойной НКТ. В результате температурныхисследований были получены экспериментальные зависимости, отражающиенестационарный и стационарный нагрев теплоизоляционных образцов.Теплофизические исследование температурного режима при нагревевысокопористого теплоизоляционного материала из коротких базальтовыхволокон проводились с учетом лучистого переноса тепла в межпоровомпространстве.
Уравнение теплопроводности представлено в следующем виде:1 ∂T ∂ 2 T=− a1 (T − Т 0 ) 4 ,2a ∂t∂xгде a =λ- коэффициент температуропроводности, м2/с; λ - коэффициентρCvтеплопроводности, Вт/(м К); ρ - плотность материала, кг/м3; Cv теплоемкость материала, Дж/(кг К); T - температура, которая в силулинейности и однородности уравнения может измеряться с помощью шкалКельвина и Цельсия; Т0 – начальная температура, К; t - время, с; xi пространственная координата; a1 = χ ⋅ a2 =5,8*10-6 – параметр, полученныйпосле обработки проведенных экспериментальных данных.По результатам исследований разработаны номограммы дляопределения необходимой толщины теплоизоляции на основе базальтовых иволокон в зависимости от заданного перепада температур на холодной игорячей стенке (Рис.
5, а).В третьей главе также предложена математическая модель нелинейнойтеплопроводности высокопористого теплоизоляционного материала изкоротких базальтовых волокон, на основе которой можно оценить динамикуизменения температуры стенки трубопровода в зависимости от условийиспытаний. Полученная модель может быть использована для обоснованиявремени испытаний с учетом условий производства, разных средтеплопередачи (воздуха, воды и песка) и конструктивной схемойиспытательного стенда.В основе модели лежит зависимость наружной ( Tн ) и внутренней ( Tв )температур:η fТ1 − е− А(t +τ )TН = В (1 −) , где B = 1 + 2 2 ; A = η 1 af 1 + η 2 f 2 .η1af1ВA(t + τ )Здесь f1 = r 21δ T (r + δ T )210, η1 =1χ, η2 =1µλ с ρ (r + δ T ), f2 = В В В, a = λT,δTсТ ρTχсТ ρ T ( r +2)δ Tгде r – внутренний радиус трубы, м; δ Т - толщина слоя ТИМ, м; χ эмпирическая поправка; µ - эмпирический коэффициент; λT - коэффициенттеплопроводности ТИМ, Вт/(м К); сТ - коэффициент теплоемкостиТИМ, Дж/(кг К); ρ T - плотность ТИМ, кг/м3; λв ; св ; ρ в - соответственнокоэффициенттеплопроводностивоздуха, Вт/(мК);коэффициент3теплоемкости воздуха, Дж/(кг К) и плотность воздуха, кг/м .Для обоснования времени проведения испытаний используетсяфункция вида:f (t ) =1 − е − А(t +τ ).A(t + τ )абРис.
5. Зависимость градиента темературы от координаты поверхноститрубы - (а); график функции f(t) – (б)Проверив на базе экспериментальных данных вид f(t), а затем,принимая f(t) за установленный, можно проводить испытания на любоймомент времени t. Изображенный на Рис. 5, б график f(t) позволяетопределить время выхода теплопередачи в ТИМ на стационарный режим, атакже пересчитывать результат (температуру) на большие значения времени.В результате полученные в главе соотношения представляют собоймодель нагрева поверхности трубы, которая учитывает и диаметр трубы, ипараметры теплоизоляции, и свойства окружающей среды.
Эта модель можетбыть использована для анализа работы стенда с прямоточным движениемгорячего воздуха по внутренней поверхности трубы.В четвертой главе описаны практические результаты по применениюкоротковолокнистой теплоизоляции из коротких базальтовых волокон иминеральной связки Al2O3, а также прочностные и тепловые испытаниятеплоизолированных конструкций НКТ нового поколения.Разработаннаяинженернаяметодикарасчетаэффективногокоэффициента теплопроводности на основе правила суммированиякондуктивного и радиационного переноса тепла в высокопористойкоротковолокнистой теплоизоляции позволила определить коэффициенттеплопроводности теплоизоляционного покрытия регулярной части НКТ.11Эффективный коэффициент теплопроводности для материала на основебазальтового волокна представляется как сумма трех составляющих:1эфф = 1БВ + 1возд + 1рад = 1конд + 1рад ,где 1БВ , 1возд , 1рад и 1конд - соответственно коэффициенты теплопроводностикаркаса из базальтовых волокон; сухого воздуха, радиационной икондуктивной теплопроводности.Величина изменения суммарного коэффициента теплопроводностиизоляции из коротких базальтовых волокон показывает, что радиационнаясоставляющая (Рис.
6, а) оказывает существенное влияние лишь при малойплотности материала и пористости выше 96 %.абРис. 6. Зависимости коэффициентов эффективной теплопроводноститеплоизоляционного покрытия НКТ из коротких базальтовых волокон сучетом лучистого переноса тепла (1) и кондуктивной теплопроводности (2),определенной без учета тепловых потерь на излучение (а);Зависимости толщины слоя (1) и погонной массы (3) покрытия НКТ изкоротких базальтовых волокон с учетом лучистого переноса тепла итолщины покрытия (2), определенная без учета тепловых потерь наизлучение (б)Необходимая толщина теплоизоляционного покрытия НКТ из короткихбазальтовых волокон (Рис.
6, б) hтип без учета hконд ( λконд ) и с учетом hрад ( λэфф )лучистого переноса тепла в высокопористом теплоизоляционном материале:hтип =d тр λтип ∆Т −1exp 2π2 q1 ,где ∆T = (Т1 −Т2 ) = 360 °С – перепад температур на внешней и внутреннейстенках теплоизоляции.Четвертая глава также содержит результаты экспериментов поопределению упругих характеристик материала на основе базальтовыхволокон при 12 % деформации образца на сжатие.
Исследованияпроводились на испытательной машине FP 10/1 с использованиемреверсивного устройства и на испытательной машине Zwick/Roell (Рис. 7).12абРис. 7. Зависимости изменения напряжения и восстановления толщиныобразцов после их деформации со связкой Al2O3 (а) и без связки (б)В работе описан технологический процесс изготовления ТИМ изкоротких базальтовых волокон для теплоизоляционного покрытия опытнойтрубы НКТ.
Проведенные исследования показали, что с целью сокращениявремени изготовления цилиндрических теплоизоляционных изделий ипоследующей их сборки на трубе НКТ необходимо изменить схемуформования с торцевого на формование с плоскости образующей цилиндра(Рис. 8).Разработана методика проведения экспериментальных тепловыхиспытаний опытной (натурной, длиной 2,5 м) теплоизолированной НКТнового поколения (Рис. 9) на тепловом стенде. Главным результатомиспытаний явилось низкое значение температуры на элементах конструкцииНКТ, в регулярной части трубы получена требуемая температураповерхности (Рис.
10, Рис. 11).1 – камера;2 – пульпа;3 – пуансон;4 – первонач.слой осадкаабРис. 8. Схема формования цилиндрических скорлуп из короткихбазальтовых волокон (а); общий вид собранных цилиндрических скорлуп ипрофильных манжет для теплоизоляции стыка двух труб НКТ(б)13Рис. 9. Конструктивная схема многослойной НКТ: теплоизоляция регулярнойчасти НКТ в виде цилиндрических скорлуп; теплоизоляция соединений НКТмежду собой в виде профильной манжеты и теплоизоляция резьбовой муфтыНКТ в виде цилиндрического стаканаРис. 10. Изменение во временипоказаний датчиков температуры№1-3 на регулярной части трубы НКТРис.
11. Изменение во временитемпературы воздуха на входе ивыходе трубы НКТРис. 12. Фото трубы НКТ, используемой для тепловых испытанийТаким образом, и на полноразмерной секции паропровода (Рис. 9-12)былаподтвержденавысокаяэффективностьразработанноготермоизоляционного покрытия для нефтепромыслового паропровода новогопоколения. Опытные многослойные теплоизолированные НКТ прошлииспытания на тепловом стенде и показали в регулярной части трубы и вобласти соединения двух труб требуемую температуру поверхности сдопуском ±3 °С.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ1. По результатам критического анализа литературных источников, ТУи нормативных материалов исходных компонентов для получениятеплоизолирующих конструкций, разработанное и выдержавшее испытания14покрытие на основе базальтового волокна и связки из Al2O3 являетсяперспективным. Оно недефицитно, нетоксично, не горючее и экологическибезопасно при изготовлении.2.
На основании экспериментально-теоретических исследованийразработана математическая модель фильтрационного осаждения короткихбазальтовых волокон из пульпы со связкой из Al2O3 в процессе формованиясложно профильных теплоизолирующих конструкций:•модель позволяет определить структурные, механические итеплофизические характеристики формируемых изделий;•разработанные методики позволяют получать изделия сравномерным распределением волокон и связки по всему объему материала;•предложенная модель позволяет определить время, необходимоедля осаждения волокон из пульпы при фильтрационном осаждении.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
