Применение зонального метода для определения теплофизических характеристик пластических масс

УДК 68.047

ПРИМЕНЕНИЕ ЗОНАЛЬНОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС

НАТАРЕЕВ А.С., асп., СОЗИНОВ В.П., д-р техн. наук

С помощью зонального метода определены теплофизические параметры процессов переноса массы и теплоты при сушке АБС-пластиков различных марок, необходимые для расчета ленточной сушилки.

Ключевые слова: пластическая масса, процесс сушки, зональный метод, коэффициент теплопроводности, коэффициент массопроводности.

ZONAL APPROACH APPLICATION FOR PLASTIC MASS THERMAL CHARACTERISTIC DETERMINING

A.S. NATAREEV, postgraduate, V.P. SOZINOV, Ph.D.

The work represents the zonal approach, with the help of which there were determined thermal characteristic of mass and heat transfer processes during drying ABC-plastics of different types, which are necessary for belt drier calculation.

Key words: plastic mass, drying process, zonal approach, heat-conductivity coefficient, mass-transfer coefficient.

При производстве АБС-пластика методом привитой полимеризации в эмульсии наибольшее потребление тепловой энергии связано с процессом сушки порошкообразного сополимера. Сушку проводят в ленточной сушилке горячим воздухом с температурой 110 оС, нагретым в паровом калорифере. При этом влажность исходного материала снижается с 60-64 до 0,5 % [1]. Количественной основой расчета процесса сушки являются кинетические закономерности удаления влаги из материала. Для этого необходимо иметь надежные сведения о механизме удаления влаги из материала и скорости протекания процессов тепло- и массообмена.

Опытные исследования кинетики процесса сушки сополимеров марок АБС-2020 и 2802 проводились на лабораторной установке (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - образец; 2 - аналитические весы; 3 - термометр; 4 - сушильный шкаф; 5 - термопара; 6 - потенциометр КСП

Внутрь сушильного шкафа помещалось два одинаковых образца сополимера сферической формы. В сушилке поддерживалась постоянная температура воздуха, циркуляция которого осуществлялась с помощью вентиляторов. Один образец был подвешен к весам, с помощью которых измерялось изменение массы образца. Внутрь второго образца помещались термопары для измерения его температуры. Образцы сушили при температурах 80, 90, 100, 110 и 120 оС.

В результате экспериментальных исследований получены кинетические кривые сушки АБС-сополимеров и зависимости изменения температуры данных материалов от времени процесса (рис. 2, 3).

Рис. 2. Зависимость изменения влагосодержания АБС-сополимера марки 2020 от времени процесса: при температуре сушки °С: 1 -80, 2-90, 3- 100, 4- 110, 5- 120

1.°С

но т

Рис. 3. Зависимость изменения температуры образца АБС-сополимера марки 2020 от времени процесса: при температуре сушки 1, 0С: 1 - 80, 2 - 90, 3 - 100, 4 - 110, 5 - 120

© ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Анализ экспериментальных данных позволяет предположить, что процесс термической сушки влажного материала состоит из трех стадий:

1) диффузия влаги из внутренних зон капиллярно-пористого материала к его наружной поверхности;

2) испарение влаги в поверхностном слое жидкости;

3) отвод образовавшихся паров от наружной поверхности материала в поток сушильного агента. Параллельно с транспортом жидкости и парообразной влаги при термической сушке происходит перенос теплоты. Установлены также периоды постоянной и падающей скорости сушки. Анализ полученных зависимостей (рис. 2, 3) показывает, что продолжительность периода постоянной скорости сушки составляет в среднем 30 мин. Продолжительность периода падающей скорости сушки зависит от температуры окружающей среды. При изменении температуры сушильного агента от 80 до 120 оС общее время сушки сокращается с 90 до 60 мин.

На основе экспериментальных данных рассчитаны теплофизические параметры материалов -коэффициенты массопроводности, теплопроводности и температуропроводности.

Для определения эффективных коэффициентов массопроводности был использован зональный метод [2, 3], в основе которого лежат следующие допущения: 1) в пределах некоторого интервала изменения концентрации в твердой фазе (концентрационной зоны) все физические параметры процесса принимают постоянными величинами; 2) концентрационные зоны по величине выбирают такими, что для них справедливы формулы регулярного режима; 3) поскольку целевое назначение метода -расчет кинетики процесса (изменение среднеобъ-емной концентрации твердой фазы рассматриваемой частицы во времени), изменение параметров процесса, зависящих от концентрации, учитывается по этой концентрации. Это приводит к некоторому искажению распределения концентраций в теле, но значительно упрощает кинетический расчет и обеспечивает достаточную для инженерных расчетов точность. Сущность зонального метода заключается в том, что экспериментальная кинетическая кривая разбивается на т концентрационных зон. Для каждой зоны по кривой кинетики сушки определяется значение времени т в интервале изменения концентрации от Сн до Ск и рассчитывается к: по уравнению

k =

R , B

-2- lnE,

п т E

где В = 0,6079 при I = 1; В = 1 при I > 1; Р - радиус частицы; т - время 1-го интервала времени, с;

E :

CK i - Cp

Ch i - Cp

Коэффициент формуле

qR

теплопроводности находится по

FAT

где qi =

micCc At + mBCB Ati + mic ЛцГ

ATi

Дж/с; mc - масса

абсолютно сухого вещества в образце, кг; сс - теплоемкость абсолютно сухого вещества, Дж/(кгК); Д^ = ^ - ^, К; тв - масса влаги в образце, кг; св -

теплоемкость воды, Дж/(кгК); Ли: - влагосодержание, кг/кг; г* - удельная теплота парообразования, Дж/с; Р -поверхность образца, м2; ДT = ^ - ^ , К.

Коэффициент температуропроводности равен

a = -

где с: - теплоемкость материала образца, Дж/(кг К); С = с0 (1 - ц) + свц ; р: - плотность материала образца,

кг/м3; р =Ро (1 - ц) + рвц.

В результате проведенных расчетов показано, что теплофизические параметры материала не являются постоянными величинами и изменяются в процессе сушки. Значение коэффициента к находится в пределах от 9,8-Ю"11 до 1,2-10" м2/с, коэффициента теплопроводности - от 0,15 до 0,7 Вт/(мК), коэффициента температуропроводности - от 210-7 до 510- м2/с.

Аппроксимация экспериментальных данных позволила получить уравнение для расчета коэффициента мас-сопроводности, которое в общем виде записывается как

к = Аив

где А, В, С - постоянные; и - влажность материала; 1 -средняя по объему температура материала.

Зависимость коэффициента теплопроводности описывается эмпирическим уравнением X = Х0 + ^ехр(Ми),

где 1_, М - постоянные; Х0 - коэффициент теплопроводности в начальный момент времени.

Список литературы

1. Николаев А.Ф. Технология пластических масс. - Л.: Химия, 1977.

2. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. - М.: Химия, 1980.

3. Муштаев В.И., Ефимов М.Г., Ульянов В.М. Теория и расчет сушильных процессов: Учеб. пособие / Под ред. А.Н. Плановского. - М.: МИХМ, 1974.

Созинов Владимир Петрович,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-24, e-mail: soz@pte.ispu.ru

Натареев Александр Сергеевич,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант кафедры промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-24, e-mail: nelli@pte.ispu.ru

© ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»