Нагревание горячей водой

Горячая вода — наиболее доступный теплоноситель. Она применяется при необходимости нагрева до температур 80-95 °С; коэффициент теплоотдачи от горячей воды ниже, чем от водяного пара, а ее температура снижается вдоль поверхности обогрева, что затрудняет ее регулирование.

Применяется главным образом для предварительного нагрева высоковязких смол, олигомеров и различных жидких добавок для облегчения их транспортировки и дозирования, а также в различного рода смесителях периодического действия для подготовки композиций.

Нагревание водяным паром

Это один из наиболее распространенных теплоносителей, позволяющий осуществлять нагрев до 180-190 °С (при давлении 10-12атм). Характеризуется высоким коэффициентом теплоотдачи, высоким КПД. Постоянство температуры конденсации позволяет точно поддерживать температуру, а также регулировать ее путем изменения давления. Возможность утилизации пара после использования повышает его экономичность.

Находит широкое применение в процессах переработки каучуков и резин — в технологии вальцевания и приготовления резиновых смесей в смесителях тяжелого типа, при шприцевании, грануляции каучуков и т. д., а также в производстве разнообразных листовых материалов (текстолиты, декоративные бумажно-слоистые пластики и др.).

При необходимости достижения высоких температур нагрева широко используют высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). В качестве последних могут использоваться минеральные масла, высококипящие органические жидкости (глицерин, этиленгликоль), а также производные ароматических углеводородов (дифенил, дифениловый эфир, хлорированный дифенил) или их смеси (даутерм, динил). При использовании ВОТ обогрев реализуется циркуляционной установкой. В жидком виде с ее помощью можно реализовать нагрев до 250 °С, а в парообразном виде они применяются для нагрева до 380 °С при давлениях в десятки раз более низких, чем при использовании водяного пара. Недостатком ВОТ является низкий коэффициент теплоотдачи и повышенная горючесть; этих недостатков можно в известной степени избежать, если использовать для целей нагрева кремнийорганические жидкости.

Пожалуй, наибольшее распространение в качестве источника тепла при переработке полимеров получила электрическая энергия, как благодаря возможности изменения температур в широком диапазоне, так и благодаря легкости и точности их регулирования. Электрические нагревательные устройства могут быть весьма миниатюрными, они просты в обслуживании и эксплуатации. Электронагреватели используются двух типов — нагреватели сопротивления и индукционные.

В первом случае нагреватели представляют собой проволочные спирали или ленты из сплавов с большим омическим сопротивлением, намотанные на керамические сердечники (ТЭНы) или на слюдяные пластины, из которых изготавливаются секции нагревателей различной формы в соответствии с конфигурацией соответствующих частей перерабатывающего оборудования.

С помощью электрических элементов сопротивления возможен нагрев до температуры 1000 °С.

Индукционные нагреватели обеспечивают выделение тепла за счет вихревых токов Фуко, возникающих в стальных стенках аппаратов под воздействием переменного магнитного поля.

Для этого на поверхности аппарата размещают индукционные катушки. Такие нагреватели позволяют повысить температуру до 400 °С, обеспечивают равномерный нагрев и возможность точной регулировки температуры.

Индукционные нагреватели, однако, значительно дороже нагревателей сопротивления.

Электрические нагреватели обоих типов находят широкое применение в литьевых машинах и литьевых формах, в экструзионной технике, в пресс-формах, для обогрева каландров и вальцев и т. д.

Одной из разновидностей разогрева с помощью электричества является высокочастотный нагрев. Его применение ограничено нагревом диэлектриков — материалов, не проводящих электрический ток. Выделение тепла происходит в результате колебательного движения молекул в переменном электрическом поле высокой частоты. Использование для нагрева диэлектрических потерь сопровождается равномерным разогревом всей массы полимера, помещенного между пластинами конденсатора.

Для высокочастотного разогрева используются обычно токи стандартной частоты 50 Гц, которые в ламповых генераторах преобразуются в частоты 20-50 КГц. Температура нагрева легко регулируется, скорость нагрева достаточно высока. Однако, как правило, процесс нагрева разобщен от перерабатывающего оборудования и осуществляется в специальных установках, достаточно простых и компактных. Метод широко применяется для предварительного разогрева материала (как правило, в виде таблеток) перед прессованием, для сушки некоторых видов материалов и т. п.

В последние годы постепенно расширяется применение в качестве нагревателей инфракрасных нагревательных элементов различной конструкции и специальных газонаполненных трубчатых элементов. Их действие основано на использовании электромагнитного излучения в ИК-диапазоне. Они удобны в эксплуатации, безопасны, однако тепловой поток у них небольшой. Основное применение они находят для разо1рева пленочных и листовых материалов небольшой толщины, для сушки порошкообразных материалов и пропитанных растворами связующих пре- ирегов, а также для подогрева влагочувствительных термопластов в бункерах литьевых машин с целью предупреждения поглощения влаги из воздуха.

Иногда для разогрева полимерных материалов, а также для их подсушки используется горячий воздух, подогреваемый с помощью калориферов. Этот метод подогрева наиболее эффективен при сушке гранулированных термопластов в псевдоожиженном слое, при сушке разнообразных покрытий из полимеров, а также при отверждении крупногабаритных изделий из композиционных материалов на основе олигомеров, которое осуществляется в больших тепловых камерах с непрерывной циркуляцией горячего (до 140-150 °С) воздуха.

В некоторых случаях нагрев заготовок перед формованием (листы, пластины и т. п.) может осуществляться в термошкафах или термокамерах различной конструкции, путем контактного нагрева на полках или с использованием разогретого воздуха.

Как правило, после завершения процесса формования изделия или полуфабрикаты (пленки, трубы, профили, листы) нуждаются в охлаждении для сохранения размеров, формы и реализации присущих им свойств.

Для охлаждения до обычных температур наиболее часто и широко используются доступные и дешевые охлаждающие агенты — воздух и вода.

По сравнению с воздухом вода отличается более высокими теплоемкостью и коэффициентом теплоотдачи, что позволяет осуществлять охлаждение с большей скоростью и до более низких температур.

Охлаждение может осуществляться пропусканием теплоносителя по системе охлаждающих каналов, змеевиков (закрепленных на поверхности или смонтированных в корпусе), а также непосредственным погружением охлаждаемого тела в водяную ванну. Достигаемая температура охлаждения зависит от начальной температуры воды, температуры охлаждаемого изделия и времени его контакта с охлаждающей средой. Из-за низкой теплопроводности полимеров время охлаждения толстостенных изделий может быть достаточно большим. Для повышения эффективности охлаждения (а также в некоторых технологических процессах, например для подавления кристаллизации) иногда в охлаждающую воду добавляют лед.

При необходимости охлаждения толстостенных изделий, например труб, иногда прибегают к использованию водяного тумана — путем распыления воды воздухом во внутренней полости изделия. Эффективность этого приема связана с использованием высокой теплоты испарения воды вместо теплоотдачи через стенку.

Из-за низкой эффективности охлаждение воздухом чаще всего используется в производстве разнообразных пленочных материалов, где для заметного понижения температуры достаточно удаления относительно небольшого количества тепла. Однако в последнее время в связи с ростом производительности пленочных агрегатов на них все чаще используют водяное охлаждение.

Низкая теплопроводность полимеров ведет к тому, что процессы нагрева и особенно охлаждения занимают много времени, что приводит к существенному увеличению размеров охлаждающих ванн, расхода воды и удорожанию продукции. Поэтому разработка эффективных методов ускорения процессов нагрева и охлаждения является важнейшим резервом повышения производительности труда. Вместе с тем непродуманное изменение температурных режимов при переработке — важнейший источник возникновения брака.

Во всех процессах, связанных с необходимостью нагрева или охлаждения полимеров и полимерных материалов, необходимо учитывать ряд специфических особенностей их теплофизических свойств. Благодаря особенностям химического строения и присущей им надмолекулярной структуры важнейшие теплофизические свойства полимеров — теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность — существенно отличаются от аналогичных характеристик других материалов как по величине, так и по характеру температурной зависимости.

Теплоемкость характеризует количество теплоты, необходимое для изменения температуры тела на 1 °С. Различают теплоемкость при постоянном давлении С и постоянном объеме С.

Р о

где Я и U — энтальпия и внутренняя энергия.

Эти характеристики связаны соотношением

где а — температурный коэффициент объемного расширения; V — объем; % — коэффициент изотермической сжимаемости.

Для полимеров, как и для низкомолекулярных систем в конденсированном состоянии, различие между ними проявляется только при Т> -100 °С.

Теплота затрачивается на развитие колебательного движения, поэтому в твердом состоянии (колебания атомов) теплоемкость мало зависит от химического строения. Для большинства полимеров при отсутствии структурных изменений Ср возрастает лишь в интервале -50-200 °С.

Температурный коэффициент dCp/dT для твердых полимеров равен в среднем 310 3, для расплавов 1,2-10"3. При переходе в высокоэластическое состояние (>Г) теплоемкость возрастает в результате появления новых степеней свободы; аналогичным образом теплоемкость возрастает выше Тм. Величина скачка АСр зависит от химического строения полимера.

Величина изменения теплоемкости зависит также от скорости нагрева из-за релаксационного характера процессов; положение области повышения теплоемкости с ростом скорости нагрева смещается в сторону более высоких температур.

Значения теплофизических характеристик некоторых полимеров приведены в табл. 2.1.

Теплопроводность — способность тел переносить тепло от более нагретых элементов к менее нагретым. Теплопроводность обусловлена распространением и рассеянием упругих волн (фононов), вызываемых тепловыми колебаниями составляющих тело частиц.

Теплопроводность X = -dQ/dTполимеров зависит от химического строения, физического состояния и температуры. С увеличением числа объемных боковых групп теплопроводность снижается, с ростом молекулярной массы возрастает. Теплопроводность может быть также повышена введением наполнителей с высокой теплопроводностью.

У аморфных полимеров с ростом температуры до Г наблюдается повышение теплопроводности, с появлением плавного максимума в области Г. При дальнейшем повышении температуры теплопроводность постепенно снижается в связи с возрастанием свободного объема.

Теплопроводность кристаллических полимеров выше, чем у аморфных, при этом ее величина возрастает с ростом степени кристалличности. С повышением температуры теплопроводность одних полимеров надает (ПЭТФ, ПФА), у других растет (ПЭ, ПЭТФ, ПТФЭ). При плавлении теплопроводность кристаллических полимеров резко уменьшается, однако при дальнейшем повышении температуры наблюдается ее рост вследствие появления сегментальной подвижности, отсутствующей в кристаллическом состоянии.

Теплопроводность полимеров растет с повышением давления: при росте давления от 0,1 до 30 МН/м2 относительное повышение составляет 1,6-10 3 м2/МН. Возникновение структурной организации при ориентации полимеров сопровождается появлением анизотропии значений теплопроводности. Для аморфных ориентированных полимеров выполняется соотношение

где Х0, А- и ХА — коэффициенты теплопроводности изотропного и ориентированного полимера — соответственно вдоль и поперек направления ориентации.

Анизотропия теплопроводности ориентированных кристаллических полимеров выше благодаря вкладу ориентации кристаллитов.

Наименование

материала

Коэффициент линейного расширения, а-М5, К'«

Коэффициент

теплопроводно

сти,

Вт/(мК)

Удельная

тепло

емкость,

кДжДкг-К)

Коэффициент температуропроводности, а-107, м2

Температура

плавления,

X

Температура размягчения по Вика, X

Теплостой

кость

по Мартенсу, X

ПЭНП

15-19

0,32-0,36

1,8-2,5

1,3-1,5

100-108

90-110

-

ПЭВП

17-20

0,42-0,44

1,9-2,1

1.9

120-125

120-140

-

ПП

11

0,19-0,21

1,93

1,3

160-170

140-180

ПС

5,6-8,2

0,09-0,14

1,34

0,8

95-105

78-80

УПС

3,7-10

-

1,3

85-100

САН

6-8

0,08-0,16

1,3

-

96-105

75-96

АБС-пластик

8-10

0,12

1,24

0,9

-

ПВХ

8,5-17

0,16

0,9

0,118

-

70-85

65-70

ПММА

экструзионный

4,8-9

0,18-019

1.47

0,9-1,1

90-115

88-95

ПММА

литьевой

4,8-9

0,19

1,48

0,9-1,1

102-117

90-97

ПК

5,9-6

0,21

1,17

0,8-1,9

220-240

150-172

120-145

ПА-12

8-12

0,3

1,6

2-5

175-180

172

ПЭТФ

7

0,20

1,05-1,1

1,56

235

ПСФ

5.6

0,15

1,3

-

180-200

Пенопласты

поливинилхло

ридные

6,0-8,3

0,79-0,80

65-78

60

Температуропроводность — скорость распространения температуры в материале под действием теплового потока в нестационарных температурных условиях.

Температуропроводность а = ХДС^р), м2/с, где X — теплопроводность, Ср — теплоемкость, р — плотность; она возрастает с увеличением молекулярной массы, степени кристалличности и давления. Температуропроводность стеклообразных аморфных и кристаллических полимеров с повышением температуры плавно уменьшается. В температурном интервале стеклования и плавления температуропроводность резко падает. Выше Т и Т11я температуропроводность практически не зависит от температуры.

Тепловое расширение — увеличение линейных размеров материалов и изделий при повышении температуры как следствие роста интенсивности теплового движения. Оно характеризуется коэффициентами объемного а и линейного р теплового расширения. Для изотропных тел а = Зр и обычно а > 0, причем значения а для полимеров значительно выше, чем для металлов и низкомолекулярных твердых тел.

При повышении температуры а незначительно возрастает, однако значительный рост а наблюдается при переходе через Г; для полимеров в высокоэластическом состоянии значения а всегда больше, чем в стеклообразном или кристаллическом.

Существование анизотропии в кристаллитах ведет к появлению трех коэффициентов р - Рх, ру и Рг, причем у большинства полимеров коэффициент р вдоль оси макромолекул может иметь отрицательное значение. Более существенные различия в коэффициенте Р характерны для ориентированных полимеров. Хотя соотношения Р( + 2($± - Зро - а обычно выполняются, но отрицательные значения Р[(, особенно характерные для полимеров, ориентированных в высокоэластическом состоянии, являются причиной значительной усадки и должны учитываться при производстве пленок, волокон и других подобных структур.

Отмеченные выше особенности теплофизических свойств полимеров накладывают определенные ограничения на практические приемы нагрева и охлаждения полимеров в технологических процессах их переработки:

  • - из-за низкой теплопроводности полимерных материалов время нагрева оказывается достаточно значительным (кроме случая высокочастотного нагрева) и оказывает большое влияние на производительность процесса;
  • - низкая температуропроводность не позволяет интенсифицировать процесс нагрева повышением температуры нагревателей; более целесообразным является использование секционных нагревателей;
  • - из-за релаксационного характера установления теплового равновесия в процессах нагрева и охлаждения отклонения от рекомендованных режимов ведут к возникновению остаточных напряжений и неконтролируемой усадке.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >