CC BY
31
УДК 004.94 Д.А. ЕЛОВЕНКО
ББК 32.816 аспирант Байкальского государственного университета
экономики и права, г. Иркутск e-mail: [email protected] П.Г. ПИМШТЕЙН доктор технических наук, профессор Иркутского государственного университета путей сообщения
e-mail: [email protected] О.В. РЕПЕЦКИЙ
проректор по международной деятельности Байкальского государственного университета экономики и права, доктор технических наук, профессор, г. Иркутск
e-mail: [email protected] А.Д. ТАТАРИНОВ
аспирант Иркутского государственного университета путей сообщения
e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТЕНОК АВТОКЛАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Описаны экспериментальные исследования упругих свойств теплоизоляционных материалов разных видов, которые могут применяться в сосудах высокого давления. Определены модули упругости материалов при упругом нагружении давлением.
Ключевые слова: деформация, теплоизоляционный материал, давление, модуль упругости, упругое нагружение.
D.A. ELOVENKO
post-graduate student, Baikal State University of Economics and Law, Irkutsk
e-mail: [email protected] P.G. PIMSHTEIN Doctor of Engineering Science, Professor, Irkutsk State University of Railway Engineering
e-mail: [email protected] O.V. REPETSKIY
Vice Rector for International Relations, Doctor of Engineering Science, Professor,
Baikal State University of Economics and Law, Irkutsk
e-mail: [email protected] A.D. TATARINOV
post-graduate student, Irkutsk State University of Railway Engineering
e-mail: [email protected]
STUDY OF ELASTIC CHARACTERISTICS OF HEAT INSULATION MATERIALS FOR CYLINDRICAL WALLS IN HIGH-PRESSURE AUTOCLAVES
This paper describes the experimental researches of elastic properties of heat insulation materials of various types which can be used in high-pressure vessels. The Young's modulus of materials was calculated with elastic loading of pressure.
Keywords: deformation, heat insulation material, pressure, Young's modulus, elastic loading.
© ДА. Еловенко, П.Г. Пимштейн, О.В. Репецкий, А.Д. Татаринов, 2012
Для создания новой конструкции автоклава высокого давления, обеспечивающей повышенные технологические режимы (температура рабочей среды и давление), необходимо устранить явление нежелательного нагрева несущей стенки, понижающего ее механические характеристики. Конструктивным решением этой проблемы является размещение теплоизоляционного слоя между стенкой над нагревательными элементами и несущей частью стенки сосуда (рис. 1). При таком расположении теплоизоляционный слой передает усилие от центральной обечайки на несущий корпус и должен обладать определенными механическими характеристиками (модулем упругости при сжатии).
цилиндрической части сосуда:
1 — центральная обечайка;
2 — нагревательные элементы;
3 — дистанционные планки; 4 — кожух;
5 — теплоизоляционный слой;
6 — несущая часть корпуса
Выбор материала следует делать с учетом диаграмм сжатия. В качестве предполагаемых материалов были исследованы асбокартон и шамотный порошок (традиционные тепло-изоляторы), а также корундовый порошок и микросферы из шлака. Исследование податливости материала проводилось на специально спроектированной и изготовленной установке (рис. 2), состоящей из основания 8, которое устанавливается на горизонтальной поверхности. К основанию приварены боковые панели 9, на которые сверху приварена опорная пластина 10. На опорной пластине размещен центральный стержень 1, закрепленный прижимной пластиной 11 с болтами 12, которые притягивают ее к опорной пластине. На центральный стержень установлен стакан 5 и поршень 6 для сжатия теплоизоляционного материала 7 в замкнутом пространстве. Сила сжатия порошкообразного вещества измеряется специальным устройством 2, которое расположено между переходными шайбами 13. Свободный конец центрального стержня установлен на опору 14. Сжатие исследуемого материала в приспособлении осуществляется посредством наворачивания на центральный стержень 1 нажимной гайки 3, которая перемещается вдоль резьбового участка на центральном стержне. Одновременно с нажимной гайкой перемещается втулка 15, которая передает силовое воздействие на измерительный прибор 2 и приспособление. Упорный подшипник 16 передает осевое усилие без крутящего момента на подвижную пластину 17, перемещение которой соответствует деформации исследуемого материала, и фиксируется индикатором 4. Прижимное
Рис. 2. Установка для определения податливости теплоизоляционных материалов
кольцо 18 приводит в движение поршень 6, который перемещается вдоль стенок цилиндра 5 с гарантированным зазором по наружному и внутреннему диаметрам и сжимает исследуемый материал 7.
Специальный динамометр (рис. 3) отта-рирован на поверенной разрывной машине с шагом изменения нагрузки 50 кг. Тариро-вочные кривые при нагружении и разгрузке представлены на графике (рис. 4).
Рис. 3. Специальный динамометр для определения силы сжатия теплоизоляционных материалов
F, кг
F, кг
Рис. 4. Поверочные графики специального динамометра: а — нагружение; б — разгрузка
б
а
Чтобы приблизить условия испытания к условиям работы теплоизолирующего слоя, исследуемые материалы предварительно обрабатываются температурой 500 °С и в горячем состоянии при этой температуре опрессовываются давлением 105 МПа.
Исходная толщина исследуемого в приспособлении (рис. 5) материала I = 100 - (80 - х).
Нагружение и разгрузка теплоизоляционных материалов производится шагом 5 МПа. Значения действующей нагрузки фиксируется на индикаторе специального динамометра (см. рис. 3) с точностью +0,01 мм; а деформации исследуемого материала Д! — на индикаторе 4 (см. рис. 2) с такой же точностью. Величина сжатия определяется индикаторами с точностью +0,01 мм.
Для расчета модулей упругости теплоизоляционных материалов была использована методика, описанная в [1].
Значение модуля упругости на каждом шаге нагружения находится по формуле
_ _
где Р1 + 1 и РI — значение нагрузки на последующем шаге и в текущей точке определения модуля упругости, МПа; Д11 + 1 и Д1| — соответственно значения упругой деформации от нагрузки, мм.
Нормативное значение модуля упругости
.
і
(1)
Среднеквадратическое отклонение этой характеристики
:
■
а коэффициент вариации
.
1
По формуле (1) вычисляется показатель точности среднего значения
■
л/
где для односторонней доверительной вероятности 0,85 было принято значение коэффициента /а = 1,16.
Коэффициент надежности вычисляется по формуле
1
-—■
Ра
тогда расчетное значение модуля упругости образца
Е =Е-.
Р У
На рис. 6 показаны диаграммы сжатия шамотного порошка при первичном и упругом нагружении и разгрузке. Его деформация после первичного цикла составила 0,7%. Начиная с третьего цикла нагружения, материал ведет себя упруго, имея значительно меньшие деформации. Модуль упругости шамотного порошка в упругом рабочем цикле до 5 МПа равен
3 369 МПа, а при разгрузке — 2 702 МПа. При нагрузке выше 5 МПа модуль упругости составляет 21 738 МПа, а при разгрузке — 36 775 МПа.
Рис. 5. Приспособление для определения податливости теплоизоляционных материалов: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — направляющая втулка; 4 — исследуемый материал
Деформация асбеста уже на первичном цикле нагружения носит практически упругий характер (рис. 7). Его остаточная деформация составила 0,04%. После третьего цикла нагружения упругая деформация материала идет по более монотонной кривой, также наблюдается ее значительное уменьшение. Модуль упругости асбеста в упругом рабо-
----Нагружение -----Разгрузка
Рис. 6. Диаграммы сжатия шамотного порошка:
1 — первичное нагружение;
2 — упругое нагружение
чем цикле до 5 МПа равен 4 459 МПа, а при разгрузке — 4 361 МПа; при нагрузке выше 5 МПа — 19 833 МПа, а при разгрузке — 46 848 МПа.
У корундового порошка остаточная деформация на первичном цикле нагружения равна 0,21% (рис. 8). Как и в первых двух случаях, после третьего цикла корундовый
в, %
----Нагружение ------Разгрузка
Рис. 7. Диаграммы сжатия асбеста:
1 — первичное нагружение;
2 — упругое нагружение
---Нагружение ------Разгрузка
Рис. 8. Диаграммы сжатия корундового порошка:
1 — первичное нагружение;
2 — упругое нагружение
Рис. 9. Диаграммы сжатия шлаковых микросфер:
1 — первичное нагружение;
2 — упругое нагружение
MATEMATИЧECKOE MOДEЛИPOBAHИE, ^CTEMHbІЙ АНАЛИЗ
порошок имеет упругий характер деформирования. Модуль упругости корундового порошка в упругом рабочем цикле равен 57 965 МПа, при разгрузке до 5 МПа — 59 177 МПа, а ниже 5 МПа его значение становится 13 746 МПа.
Подобно описанным материалам работают микросферы из шлака (рис. 9). Их остаточная деформация после первого цикла нагружения составила 0,15%. Модуль упругости шлаковых микросфер в упругом рабочем цикле до 1 5 МПа равен 6 777 МПа, а при разгрузке — 5 464 МПа. При нагрузке выше 15 МПа модуль упругости — 32 205 МПа, а при разгрузке — 81 506 МПа.
В результате эксперимента было установлено, что значительные остаточные деформации наблюдаются у шамотного
порошка — 0,7%. Начиная с третьего цикла нагружения, материалы ведут себя упруго, причем, происходит значительное уменьшение деформаций при тех же давлениях.
Следует отметить, что модули упругости при нагрузках более 5 МПа для шамотного порошка и асбеста, а так же до 17 МПа для шлаковых микросфер значительно возрастают. Это значит, что после сборки сосуда и вставки в его цилиндрическую стенку одного из указанных теплоизолирующих материалов его необходимо подготовить к рабочим нагрузкам путем механического воздействия. Оно может быть реализовано в конструкции путем предварительного сжатия теплоизоляционного слоя при монтаже и технологической опрессовке, давление которой создает остаточное контактное давление.
Список использованной литературы 1. Пшеничникова Е.С., Гавриленко О.В., Ульянов A.H. Отчет о НИР «Экспериментальное определение модуля упругости экструдированного пенополистирола "ТЕЛЕКС”». Балашиха, 2GG7.
Referenses
1. Pshenichnikova E.S., Gavrilenko O.V., Ul'yanov A.N. Otchet o NIR «Eksperimental'noe opredelenie modulya uprugosti ekstrudirovannogo penopolistirola "TELEKS”». Balashikha, 2GG7.
