книги из ГПНТБ / Перегудов, В. В. Тепловые процессы и установки технологии полимерных строительных материалов и изделий учебник
.pdf
В. В. П Е Р Е Г У Д О В
ТЕПЛОВЫЕ
ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИМЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ИЗДЕЛИЙ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов высших учебных
заведений специальности «Производство строительных изделий и конструкций»
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1973'
6 П 7 : 6 С З П27
У Д К 66.0 : 691 (075.8)
Перегудов В. В.
Тепловые процессы и установки технологии полимерных строи тельных материалов и изделий. Учебник для вузов. М., «Высш. шко-' да», 1973.
295 стр. с ил.
В книге рассмотрены основы технологии тепловой обработки по лимерных строительных материалов и изделий, как-то: основные по нятия о необратимых деформациях и релаксационных процессах; об
изотермическом |
и неизотермическом течении полимерных материа |
|||
лов, а также |
принципиальные особенности |
перевода |
полимерных |
|
композиций в вязкотекучее состояние с целью придания |
им |
формы |
||
и свойств строительных изделий. Изложены |
принципиальные |
особен |
||
ности процессов тепло- и массообмена и гидроаэродинамики при переработке полимерных композиций. Освещены теория и инженерная методика расчета установок, применяемых для тепловой обработки -в
технологии полимерных строительных |
материалов. |
|
|
Учебник |
предназначен для студентов строительно-технологических |
||
факультетов |
инженерно-строительных |
вузов, а также |
может быть |
использован инженерно-техническими работниками |
строительной |
||
промышленности. |
|
|
|
0329—464 |
БЗ—25—20—73 |
|
6П7:6СЗ |
|
|
||
001(01)—73 |
|
|
|
Р е ц е н з е н т :
кафедра строительной физики и использования тепла в строитель ном производстве Белорусского политехнического института (зав. к а ф е д р о й — д о к т . техн. наук М. Т. Солдаткнн).
© Издательство «Высшая школа», 1973 г.
ПР Е Д И С Л О В И Е
Внастоящей книге изложены вопросы тео рии тепловой обработки и установок для теп ловой обработки полимерных строительных изделий на современном этапе развития про мышленности.
Учебник предназначен для студентов спе циальности «Производство строительных изде лий и конструкций из пластмасс» и составлен по соответствующей программу курса, утвер жденной Министерством высшего и среднего специального образования СССР.
Автор приносит глубокую благодарность за указания и критические замечания рецен зенту— кафедре строительной теплофизики и использования тепла в строительстве Белорус ского политехнического института (заведую щий кафедрой докт. тех. наук. М. Т. Солдаткии) .
Кроме того, автор благодарит кафедры органических строительныхматериалов и пластмасс (заведующий кафедрой заслужен ный деятель науки и техники РСФСР, докт. техн. наук, проф. В. А. Воробьев), и физиче ской, и органической химии (заведующий ка федрой докт. химич. наук, проф. С. Л. Сосин) Московского инженерно-строительного инсти тута им. В. В. Куйбышева за советы и замеча ния, высказанные при просмотре рукописи.
Автор глубоко признателен научному ре дактору учебника канд. техн. наук, доц. Н. Н. Ларикову за полезные советы и замеча ния.
ВВЕДЕНИЕ
Для создания материально-технической базы коммунизма ре шениями X X I V съезда КПСС по девятому пятилетнему плану раз вития народного хозяйства СССР предусматривается значительное увеличение производства полимерных материалов, что создает не обходимую основу для широкого внедрения в строительную техни ку изделий и деталей, изготовленных на основе полимеров.
Осуществление поставленных задач требует увеличения выпус ка как уже освоенных производством полимерных строительных изделий,-так и освоения новых, необходимых для массового строи тельства.
Развитие технологии, в том числе и тепловой обработки поли мерных строительных изделий, определяется развитием производи тельных сил и производственных отношений, поэтому любой процесс тепловой обработки следует рассматривать как развивающийся и совершенствующийся.
Технологическими называют промышленные процессы перера ботки исходного сырья в изделия или детали.
Тепловая обработка является одной из составных частей техно логического процесса производства полимерных строительных ма териалов и в значительной мере определяет качество готовой про дукции.
При проведении тепловой обработки в установках по производ ству полимерных строительных изделий одновременно происходит транспортировка.материала, смешение компонентов, пластифика ция, прессование и другие явления, осложненные химическими ре акциями и процессами тепло- и массопереноса.
Основным назначением тепловой обработки является перевод полимерных материалов в вязкотекучее состояние для придания им необходимой формы будущего строительного изделия.
Перевод в вязкотекучее состояние осуществляется за счет под вода тепла извне и выделения его самим материалом, за счет тре ния при-пластической деформации во время транспортировки, сме шения, прессования или других методов переработки, происходя щих непосредственно в установке. Кроме того, при переработке термореактивных материалов выделяется тепловая энергия за счет прохождения химических реакций полимеризации или поликонден сации.
4
Таким образом, тепловая обработка полимерных материалов в большинстве случаев связана с одновременным механическим воз действием на материал. Известны следующие обогреваемые уста новки: экструдеры, каландры, пресса, смесители, литьевые маши ны и др. В них материал за счет подведенных к нему тепловой и механической энергий переходит в вязкотекучее состояние под на грузкой и получает необходимую форму строительного изделия и определенные свойства.
В других установках-—сушильных, полимеризационных и уста новках для тепловлажностной обработки — материал за счет сооб щения ему только тепловой энергии приобретает необходимые свой ства для применения его в строительстве. В этих установках про цессы подвода тепла также тесно связаны с изменением свойств материала, их приходится рассматривать в совокупности с физикохимическими процессами, проходящими в материале.
Третий тип установок, к которым можно отнести вальцы, неко торые виды экструдеров и смесителей, не нуждается в подводе тепловой энергии. Однако выделяемая тепловая энергия при плас тической деформации материала в таких установках распространя ется по материалу, разогревает установку и рассеивается в окру жающую среду. . •
Поэтому тепловую обработку полимерных материалов при из готовлении строительных изделий и деталей невозможно рассмат-
'ривать в отрыве от других процессов, проходящих как в материале, так и в самой установке. В связи с этим вводится новое понятие «Тепловые процессы и установки технологии полимерных строи тельных материалов и изделий», в котором объясняется совокуп ность явлений, проходящих в данной установке в зависимости от необходимого технологического режима обработки.
•Для изучения дисциплины «Тепловые процессы и установки тех нологии полимерных строительных материалов и изделий» необхо димо прежде всего рассмотреть физическую сущность каждого от дельно проходящего процесса, их совокупность, математическое описание всех процессов, а также выявить характеристики, опреде ляющие параметры автоматизации процессов.
*Такой подход к изучению тепловых процессов и установок в тех нологии полимерных строительных материалов и изделий дает воз можность! решать сложную технико-экономическую задачу по производству качественных, экономически целесообразных поли мерных строительных материалов и изделий с заданными свойст вами.
Уровень производства строительных материалов, их качество и свойства имеют исключительно важное значение в народном хо зяйстве нашей страны. Различные эксплуатационные условия зда ний и сооружений определяют и разнообразные требования к стро ительным материалам. Круг этих требований все время расширяет ся, поэтому к процессу производства. строительных материалов и изделий предъявляются все новые и более высокие требования.
5
Свойства и качество строительных материалов определяются ГОСТом, а при его отсутствии специально разрабатываемыми тех ническими условиями. ГОСТы и ТУ не являются постоянными, они пересматриваются по мере совершенствования технологии.
Государственные стандарты являются стимулом совершенство вания работы предприятий, так как каждый новый ГОСТ предъяв ляет более высокие требования к материалу. Следовательно, вмес те с расширением мощности промышленности строительных мате риалов происходит непрерывное ее качественное совершенствование.
Основной задачей развития производства является техникотэкономическое сопоставление конкурирующих видов изделий для обес печения широкого изготовления наиболее экономически эффектив ных.
Себестоимость строительных материалов и изделий складыва ется из затрат на основные и вспомогательные сырьевые материа лы на топливо, электроэнергию, заработную плату производствен ных рабочих, на цеховые и общезаводские расходы.
Снижение'себестоимости продукции достигается точной дози ровкой и тщательно разработанными процессами. Кроме того, необходимо поддерживать точные технологические режимы и улуч шать конструкцию аппаратов. Все эти мероприятия, в том числе широкое внедрение механизации и автоматизации, приводят к эко номии энергетических ресурсов, сырья и экономии расхода зара ботной платы при ее непрерывном росте на одного производствен ного рабочего.
Рассматривая технологию тепловой обработки полимерных строительных материалов, необходимо отметить, что, являясь не отъемлемой частью технологического процесса большинства поли мерных строительных материалов, снижение ее себестоимости представляет большие возможности для получения значительного экономического эффекта.
Для снижения энергетических и других затрат на тепловую об работку полимерных строительных материалов необходимо зиать способы транспортировки материала, по установкам; конструкцию установок; подвод и распространение тепла, а также аэро- и гидро динамику установок, т. е. технологические особенности тепловой обработки.
Чтобы получить максимальный эффект от автоматизации техно логического процесса или установки, необходимо правильно опре делить главные задачи автоматизации.
Для различных тепловых установок задачи автоматизации мо гут быть различны:-например, получение максимальной производи тельности, наилучшего качества готовой продукции или снижение затрат сырья, топлива и электроэнергии, а иногда и совокупность перечисленных требований. Правильный выбор задачи автоматиза ции позволит достигнуть максимального эффекта именно в данном технологическом процессе и даст возможность не перегружать сис тему автоматизации излишними, второстепенными функциями и дорогостоящей аппаратурой.
6
Подвергая комплексному анализу стоимость сырья, тепловой обработки, расхода рабочей силы и других факторов производства, можно правильно выбрать необходимую степень автоматизации для каждого параметра в зависимости от ее эффективности.
Поэтому ниже рассмотрены возможности интенсификации про цессов и-принцип составления задания на автоматизацию, преду сматривающий обязательный анализ статической и динамической зависимости параметров ведения процесса.
Р А З Д Е Л . П Е Р В Ы Й
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
Устройство, в котором тепло используется для технологической переработки сырьевых материалов в полуфабрикат или готовую продукцию, называют тепловой установкой.
Тепловые установки различают по принципу проходящей в них тепловой обработки. Так, например, установки, в которых произво дится сушка материала, называют сушильными; установки, в ко торых происходит нагрев во влажных условиях, называют установ ками для тепловлажностной обработки и т. д.
Установки для переработки полимерных композиций в строи^ тельные изделия в большинстве своем такой специализации не име ют. В этой технологии установки, в которых используется тепло, как уже указывалось, одновременно выполняют и ряд других тех нологических операций для получения готовой" продукции. Напри мер, в экструдерах производится непрерывное выдавливание раз личных погонажных изделий, однако для ведения процесса применяется обогрев самого зкструдера. Процесс каландрирования требует обязательного подогрева валков каландра, прессование бумопластиков — нагрева плит пресса, процесс вальцевания — охлаждения валков вальцев, литье под давлением — обогрева лить евой машины и форм и т. д. Поэтому большинство технологических установок является одновременно и тепловыми установками, и, следовательно, тепловую обработку невозможно отделить от дру гих операций, проходящих в аппарате.
Таким образом, тепловая обработка в производстве полимерных материалов имеет свои специфические особенности, заставляющие ее рассматривать и изучать в совокупности с другими процессами, проходящими одновременно в аппарате.
Г л а в а I
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ТЕПЛОВУЮ ОБРАБОТКУ
1(о агрегатному состоянию все вещества делят на твердые, жид кие и газообразные*. Кроме того, вещества различают по фазово му состоянию.
Фазой называют однородную систему, находящуюся в равнове сии. С точки зрения термодинамики, фазовое состояние вещества характеризуется давлением и температурой. Понятие о фазовом состоянии применяют только к системам, состоящим из большого числа частиц, имеющих поверхность раздела с другими фазами.
Фазовые состояния веществ (твердое, жидкое и газообразное) различаются также термодинамическими потенциалами.
Полимерные материалы могут находиться в твердом и жидком состоянии, газообразное состояние для них неизвестно.
Твердому агрегатному состоянию соответствуют два фазовых: кристаллическое и аморфное. Жидкому фазовому состоянию соот ветствуют два агрегатных: твердое — стеклообразное и жидкое — расплав.
Полимерные материалы переходят из. одного физического состо яния в другое при изменении температуры, оказывающей влияние на запас тепловой энергии макромолекул. Поэтому процессы пере работки полимерных композиций в строительные изделия в боль шинстве случаев сводятся к изменениям температуры материала, что помогает ему легко деформироваться и принимать форму необ ходимого изделия.
§ 1. Основные физико-химические свойства
Полимерные материалы по В. А. Каргину и др. [13] являются высокоупорядоченными системами, состоящими из пачек макромо лекул или глобул. Пачки представляют собой роевые образования нескольких цепных молекул, сложенных параллельно.
Пачки и глобулы являются простейшими структурными образо ваниями, из которых строятся вторичные, более сложные надмоле кулярные структуры.
Роевые образования полимеров термодинамически неустойчивы, и характерным для них в процессе течения является активирован ный скачок через энергетический барьер при переходе сегментов макромолекул жидкости (расплава) из одного положения в другое. Поэтому частота перескокоа должна зависеть от температуры, кон фигурации (конформации) соседних звеньев в жидкости и среднего значения длины цепей молекул. Следовательно, физико-механиче ские свойства полимерных материалов: прочность, деформируе мость, способность развивать обратимые и необратимые деформа ции — должны изменяться с изменением температуры.
* Плазменное не рассматривается.
9