Проектирование материала шумо-и теплоизоляции корпуса тягодутьевой машины и технологии его изготовления на основе пенополиуретана

Проектирование материала шумои теплоизоляции корпуса тягодутьевой машины и технологии его изготовления на основе пенополиуретана

Реферат

Работа состоит из 6 разделов, соответствующих заданию на дипломный проект, и включает в себя: 142 страницы текста; 30 таблиц; 41 рисунок. В качестве литературных источников использовано 30 изданий, в том числе: справочники, сборники статей, книги отдельных авторов по соответствующей тематике, государственные стандарты.

Ключевые слова: тягодутьевая машина, теплоизоляция, шумоизоляция, пенополиуретан.

Объектом исследования является новый шумои теплоизоляционный материал на основе напыляемого пенополиуретана.

Цель работы: создание материала, обладающий высокими шумои теплоизоляционными характеристиками, способного эксплуатироваться в условиях повышенной температуры и вибрации.

В результате работы была предложена композиция эффективного шумои теплоизоляционного материала на основе жесткого пенополиуретана, исследованы эксплуатационные характеристики оптимальной композиции: у_10% =147,59; л=0,0189; коэффициент снижения шума 29%; кажущаяся плотность 42,85 кг/м³_; коэффициент вспенивания — 27,65. Разработана схема технологического процесса нанесения покрытия на основе предложенной композиции методом напыления и рассчитана себестоимость производства 1 м³ такого материала.

Результаты работы в виде материала и технологии его изготовлении могут быть использованы при проектировании шумои теплозащиты для предлагаемого оборудования (тягодутьевых машин), а также повсеместно при строительстве и теплоизоляции жилых и хозяйственных сооружений.

1. Тягодутьевые машины. Проблема шумои теплоизоляции

1.1 Назначение и краткое описание тягодутьевых машин

1.2 Конструкция тягодутьевых машин

1.3 Проблема шума тягодутьевых машин

1.3.1 Общая характеристика шума и его источники

1.3.2 Методика разработки средств защиты от шума ТДМ

1.3.3 Требования к шумоизоляции

1.4 Проблема теплоизоляции тягодутьевых машин

1.4.1 Требования к теплоизоляционным материалам

1.4.2 Сравнительные характеристики различных видов теплоизоляционных материалов

1.5 Выводы

2. Проектирование шумои теплоизоляционного материала на основе пенополиуретана

2.1 Получение пенополиуретана

2.2 Параметры протекания химических реакций

2.3 Физико-механические характеристики пенополиуретана

2.4 Компонентный состав материала

2.4.1 Полиол

2.4.2 Полиизоцианат

2.5 Общая информация по нанесению пенополиуретана методом напыления

2.6 Подбор оборудования

2.7 Расчёт массы компонентов и толщины изолирующего слоя из ППУ

2.8 Методы определения основных технических показателей теплоизоляционных материалов и изделий

2.8.1 Метод определения плотности

2.8.2 Метод определения влажности

2.8.3 Методы определения водопоглощения при полном погружении образца в воду

2.8.4 Метод определения прочности на сжатие при 10%-ной линейной деформации

2.8.5 Метод определения предела прочности при сжатии

2.9 Определение теплопроводности

2.10 Статическая обработка результатов эксперимента

2.11 Выводы

3. Исследование теплофизических и акустических характеристик пенополиуретана

3.1 Изготовление образцов

3.2 Определение сухого остатка

3.3 Прочность на сжатие при 10%-ной линейной деформации

3.4 Определение коэффициента теплопроводности

3.5 Определение шумоизоляционных характеристик

3.6 Выбор оптимальной композиции пенополиуретана

3.7 Выводы

4. Технология нанесения пенополиуретана методом напыления

4.1 Схема технологического процесса

4.2 Приемка и хранение компонентов

4.3 Выводы

5. Охрана труда

5.1 Этапы технологического процесса

5.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов, действующих в производственном помещении

5.3 Мероприятия по обеспечению охраны труда

5.3.1 Освещение

5.3.2 Электробезопасность

5.3.3 Пожарная безопасность

5.3.4 Средства индивидуальной защиты

5.4 Указание мер безопасности

5.5 Оказание первой помощи

5.6 Требования ТБ при работе на пеногенераторе

5.7 Расчёт защитного заземления

5.8 Выводы

6. Технико-экономические расчеты производства

6.1 Исследование рынка

6.1.1 Пенополиуретан

6.1.2 Пенопласты на основе фенолформальдегидных смол

6.1.3 Карбамидные пенопласты

6.1.4 Полистирольные пенопласты

6.2 Расчет производства

6.2.1 Количество основных производственных рабочих

6.2.2 Затраты на материалы

6.2.3 Затраты на потребление электрической энергии

6.2.4 Расчет заработной платы основных производственных и вспомогательных рабочих

6.2.5 Затраты на оборудование

6.3 Калькуляция себестоимости

6.4 Выводы Заключение Список литературы Приложения

Крупногабаритные тягодутьевые машины (ТДМ) применяются для наддува воздуха и отсоса газа на всех тепловых и энергетических станциях. Несмотря на высокие технические качества, эти машины излучают большой шум в окружающее пространство и газовоздушные трубопроводы. Он достигает рабочих мест обслуживающего персонала станций и прилегающих к ним территории. В связи с тем, что тепловые энергетические станции располагаются, как правило, в черте городов и районных центров, шум машин через дымовые трубы распространяется на территории жилой застройки на глубину 1,5…2 км. Создаваемые машинами уровни шума на рабочих местах и на прилегающей территории существенно превышают нормативные требования, в результате большая часть населения в нашей стране находится под шумовым воздействием тягодутьевых машин, что свидетельствует о недопустимости их эксплуатации без осуществления мероприятий по снижению шума. Эта проблема в городском и сельском строительстве становится все более важной ввиду увеличения мощности энергетических станций и, соответственно, мощности тягодутьевых машин.

Проблема борьбы с шумом, защиты человека от него за последние два десятилетия стала одной из актуальных социальных и гигиенических проблем. Шум можно рассматривать теперь как один из факторов загрязнения окружающей среды.

Одной из мер снижения шумового воздействия на обслуживающий персонал является применение противошумных наушников. При использовании индивидуальных средств защиты, шум влияет на вегетативную нервную систему, и её реакция выражается в значительном повышении частоты пульса. Рабочие при ношении наушников допускают значительно больше ошибок в слуховой ориентации, что может явиться причиной несчастного случая.

Снижение шума тягодутьевых машин возможно как в источнике его возникновения, так и на путях распространения.

В то же время в вопросах борьбы с шумом крупногабаритных тягодутьевых машин отсутствует стандартные решения. Поэтому для конкретных типоразмеров, условий эксплуатации машин необходимо определять меры, детально изучив основные источники шума, определив акустические характеристики этих машин. Также необходимо отметить проблему теплоизоляции тягодутьевых машин, так как при работах с нагретыми газами температура корпуса существенно превышает предельно допустимые значения, установленные санитарными нормами.

Таким образом, целью работы является создание материала, обладающий высокими шумои теплоизоляционными характеристиками, способного эксплуатироваться в условиях повышенной температуры и вибрации.

1. Тягодутьевые машины. Проблема шумои теплозоляции

1.1 Назначение и краткое описание тягодутьевых машин

Вентиляторы и дымососы широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Они являются неотъемлемой частью многих технологических установок в металлургической, химической, цементной промышленности и в энергетике. Практически нет такой отрасли народного хозяйства, где бы ни использовались эти машины.

В котельных установках тепловых электростанций вентиляторы и дымососы применяются для перемещения больших объемов воздуха, отсасывания горячих запыленных дымовых газов и транспортировки пылеугольной воздушной смеси. В зависимости от паропроизводительности котельной установки вентиляторы и дымососы выполняются в центробежном или осевом исполнении и имеют рабочие колеса диаметром до 4300 мм, производительность до 2· 10⁶ м³/ч и мощность привода до 5· 10⁶ Вт.

Эти специальные машины, получившие название тягодутьевых машин (ТДМ), относятся к высокоответственным и энергоемким механизмам собственных нужд электростанции, и поэтому к их надежности и эффективности предъявляются высокие требования, которые диктуются особенностями работы котельной установки. На рисунке 1.1 схематически представлена тягодутьевая машина.

Машины должны работать на нагнетание или всасывание (создавать тягу), иметь глубокое регулирование и при этом работать экономично в широком диапазоне режимов, перемещать чистый или запыленный воздух и дымовые газы с температурой до 150 °C, работать длительно и непрерывно.

Рисунок 1.1 — Тягодутьевая машина

1.2 Конструкция тягодутьевых машин

Центробежные машины выполняются одноступенчатыми с односторонним и двухсторонним всасыванием, осевые (отечественные) — только двухступенчатыми. Наибольшее применение имеют центробежные машины, осевые машины используются как дымососы и дутьевые вентиляторы только для крупных установок мощностью 200 МВт и более.

Приводами ТДМ служат электродвигатели. Для малых и средних типоразмеров ТДМ используются общепромышленные электродвигатели. Для крупных ТДМ применяются специально разработанные электродвигатели и, в отдельных случаях, паровые турбины. ТДМ соединяются с двигателями упругими втулочно-пальцевыми или зубчатыми муфтами без промежуточных механизмов (гидромуфт, редукторов и др.).

Тягодутьевые машины вместе с приводом называется вентиляторной или дымососной установкой. Частота вращения ТДМ малых типоразмеров не превышает 1500 об/мин, средних и крупных центробежных машин 1000 об/мин, осевых машин 600 об/мин.

Котлы тепловых электростанций работают непрерывно и значительную часть времени используются при неполной нагрузке. Поэтому тягодутьевые машины должны иметь экономичную систему регулирования производительности.

Основными частями ТДМ являются: рабочее колесо, ходовая часть (вал, подшипники, их опоры и соединительная муфта), направляющие аппараты, корпус, всасывающие карманы, диффузор, опорные элементы.

Ходовые части изготовляются с подшипниками качения, а для некоторых крупных ТДМ с подшипниками скольжения, они имеют картерную (с водяным охлаждением) или принудительную проточную смазку от маслонасосной станции.

На рисунке 1.2 показаны основные исполнения лопаток рабочих колес центробежных ТДМ. Лопатки выполняются цилиндрическими, изогнутыми по дуге окружности и приваренными перпендикулярно к заднему диску колеса. Машины с рабочими колесами, имеющими листовые назад загнутые лопатки с углом выхода в₂ =30…50°, хорошо работают в качестве вентиляторов и дымососов. Колеса с профильными назад загнутыми лопатками используются для создания крупных дутьевых вентиляторов с повышенными КПД и шириной в₂.

Тягодутьевые машины с радиально оканчивающимися лопатками с углом выхода в₂=80…110° создают более высокое давление, чем колеса с назад загнутыми лопатками, но имеют более низкий КПД. Достоинством радиальных лопаток является то, что на них не образуются (или образуются в незначительной степени) отложения золы или пыли. Такие «самоочищающиеся» лопатки используют при создании дымососов рециркуляции, некоторых типоразмеров мельничных вентиляторов, а также для ТДМ, работающих в цементной промышленности.

Рисунок 1.2 — Основные исполнения лопаток рабочих колес центробежных ТДМ, где, а — назад загнутые лопатки, в₂<90° (листовые); б — назад загнутые (профильные) лопатки; в — радиально оканчивающиеся лопатки; г — вперед загнутые лопатки, в₂>90°

Номенклатура ТДМ разбита на группы таким образом, чтобы в пределах каждой группы машины имели одинаковую (или близкую) аэродинамическую схему, конструкцию и исходные материалы. Каждая группа унифицированных машин изготовляется на одном предприятии.

1.3 Проблема шума тягодутьевых машин

Несмотря на высокие технические качества, тягодутьевые машины излучают большой шум в окружающее пространство и газовоздушные трубопроводы. Он достигает рабочих мест обслуживающего персонала станций и прилегающих к ним территории. В связи с тем, что тепловые энергетические станции, где используются ТДМ, располагаются зачастую в черте городов и районных центров, шум машин через дымовые трубы распространяется на территории жилой застройки на глубину от 1,5 до 2 км. Создаваемые машинами уровни шума на рабочих местах и на прилегающей территории значительно превышают предельно допустимые величины, установленные по СН 2.2.4/2.1.8.562−96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».

Эта проблема в городском и сельском строительстве становится все более важной ввиду увеличения мощности энергетических станций и, соответственно, мощности тягодутьевых машин.

На электростанциях тягодутьевые машины устанавливаются либо на открытых площадках, либо в специально предназначенных для них помещениях. Возможны варианты, когда дутьевые вентиляторы устанавливаются в помещении котельного цеха, а дымососы — снаружи на открытом воздухе. На территории электростанции наиболее вредным фактором является шум, передаваемый в окружающее пространство корпусами ТДМ, а также шум, исходящий из всасывающих отверстий воздухозаборных шахт, которые обычно находятся на уровне верхних ярусов котлоагрегата в помещении котельного цеха. Шум, исходящий из устья дымовой трубы, с учетом ее высоты до 250 м и направленности шума, на территории электростанции оказывается ниже допустимых нормативных значений, поэтому его можно не учитывать.

1.3.1 Общая характеристика шума и его источники

По своей природе шум ТДМ подразделяется на аэродинамический и механический. Причиной возникновения аэродинамического шума являются колебательные процессы аэродинамического происхождения, которыми сопровождается движение среды в проточной части машины (рабочем колесе, входных и выходных устройствах, направляющем и спрямляющем аппаратах). Составляющие аэродинамического шума могут иметь как непрерывный, так и дискретный спектры. К составляющим аэродинамического шума, имеющим непрерывный спектр в широком диапазоне частот, относятся: вихревой шум; шум пограничного слоя; турбулентный шум; шум отрыва потока. Дискретный спектр имеют периодические пульсации параметров среды, вызванные неоднородностью потока в рабочем колесе по периметру решетки лопаток.

Составляющими механического шума ТДМ являются: шум подшипников; шум дисбаланса ротора; шум соединительной муфты; шум, возникающий вследствие колебаний стенок корпуса под действием пульсаций давления в проточной части. Из составляющих механического шума ярко выраженный дискретный спектр имеет шум дисбаланса.

Шум привода, в котором могут содержаться шумы механического, аэродинамического и электромагнитного происхождения, непосредственно к шуму ТДМ не относится и в каждом конкретном случае должен рассматриваться отдельно.

В трубопроводы, присоединенные к ТДМ на всасывание или нагнетание, передается в основном шум, имеющий аэродинамическое происхождение. Этот шум распространяется в окружающее пространство через воздухозаборную шахту или дымовую трубу. В необходимых случаях для его снижения на стороне всасывания дутьевых вентиляторов и на стороне нагнетания дымососов устанавливаются шумоглушители.

Непосредственно в окружающее пространство от ТДМ передается аэродинамический шум, проникающий через стенки корпуса ТДМ и присоединенных трубопроводов, и механический шум. Снижение аэродинамического шума в данном случае достигается звукоизоляцией машины в соответствии с рекомендациями ее изготовителя. Механический шум хорошо сбалансированной машины, имеющей достаточно жесткий корпус, покрытый теплоили звукоизоляцией, по своей интенсивности оказывается ниже аэродинамического шума.

Необходимый перечень шумовых характеристик ТДМ устанавливает ГОСТ 29 310–92. Эти характеристики, приводимые в технических условиях на конкретные машины, в их эксплуатационной документации, в каталогах и справочниках, можно условно разделить на три типа:

1) Характеристики, представляющие собой исходные данные для расчета уровней звукового давления на территории электростанций и прилегающих к ней территориях (производственные и жилые зоны) при проектировании систем шумоглушения и звукоизоляции.

Эти характеристики выражены в виде октавных уровней звуковой мощности шума, передаваемого:

· во всасывающий трубопровод машины L_PВi;

· в нагнетательный трубопровод машины L_PНi;

· в окружающее пространство (корпусом машины) L_ki

Октавные уровни звуковой мощности на шумовой характеристике машины (рисунок 1.3) приводятся, как правило, для режима максимального КПД. Исключение составляют регулируемые ТДМ осевого типа, у которых шумовая характеристика содержит октавные уровни звуковой мощности не на режиме максимального КПД, а на номинальном режиме.

Рисунок 1.3 — Шумовая характеристика центробежного дымососа ДН_19М при частоте вращения n = 985 об/мин и плотности перемещаемой среды у=0,942 кг/м³

L_pi -октавные уровни звуковой мощности; L_KA, L_(KA) — уровни звука на расстоянии 1 м от корпуса, непокрытого и покрытого теплозвукоизоляцией; 1 — шум нагнетания; 2 — шум всасывания; 3 — корпусной шум

2) Характеристика, предназначенная для интегральной оценки шума, передаваемого корпусом машины в окружающее пространство, при его сопоставлении с санитарными нормами.

Эту характеристику, выраженную уровнем звука L_KA на расстоянии 1 м от корпуса, покрытого теплозвукоизоляцией, получают непосредственными измерениями.

3. Безразмерные характеристики, предназначенные для сравнения шума ТДМ, спроектированных на базе различных аэродинамических схем, при оценке их технического уровня.

Эти характеристики имеют вид суммарных критериев шума L_Ув и L_Ун, передаваемого во всасывающий и нагнетательный трубопроводы.

На рисунке 1.4 приведено сопоставление зависимостей октавных критериев шума L_Hi от относительной частоты октавных полос для ТДМ, представляющих различные аэродинамические схемы.

Рисунок 1.4 — Зависимость октавных критериев шума L_Hi от безразмерной частоты октавных полос f для тягодутьевых машин различного типа:

1 — дымосос ГД-20; 2 — мельничный вентилятор ВВР-18; 3 — дымосос ДН-19М; 4 — дутьевой вентилятор ВДН-18; 5 — двухступенчатый осевой дымосос ДОД-31,5

Из этого сопоставления следует, что шум ТДМ в целом можно характеризовать как широкополосный. При этом следует отметить, что шум осевых ТДМ более часто, чем шум центробежных ТДМ, включает в себя тональные составляющие.

1.3.2 Методика разработки средств защиты от шума ТДМ

Исходными материалами для разработки средств защиты от шума ТДМ являются их шумовые и аэродинамические характеристики, шумовые характеристики приводных электродвигателей, компоновочные схемы ТДМ в тракте котельного агрегата, проект застройки электростанции и прилегающих к ней территорий.

Разработка средств защиты от шума ТДМ должна включать в себя следующие этапы:

выбор расчетных точек, расположенных в зоне воздействия шума ТДМ, и определение в них допустимых уровней звукового давления;

расчет ожидаемых уровней звукового давления в расчетных точках;

определение требуемого снижения уровней звукового давления в расчетных точках;

выбор конструкции и акустический расчет звукоизолирующих покрытий;

5) выбор конструкции, акустический и аэродинамический расчеты глушителей шума.

Выбор расчетных точек, расположенных в зоне воздействия корпусного шума ТДМ на территории электростанции, должен производиться с учетом компоновочной схемы установки и общего количества источников шума, включая приводные электродвигатели. Определение допустимых уровней звукового давления в расчетных точках производят в соответствии с ГОСТ 12.1.003−83 «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности». При этом следует учитывать, что установки ТДМ тепловых электростанций не имеют постоянных рабочих мест, расположенных на расстоянии 1 м от корпуса, принятом для оценки уровня звука при его сопоставлении с санитарными нормами. Нахождение дежурного персонала электростанции на расстоянии 1 м от корпуса ТДМ оказывается необходимым лишь на короткие промежутки времени для периодического контроля их работы. Это позволяет оценивать шум ТДМ, воздействующий на дежурный персонал электростанции, как непостоянный и в качестве его характеристики использовать дозу шума или относительную дозу шума в соответствии с ГОСТ 12.1.003−83.

Основным нормативным документом, устанавливающим порядок проведения акустических расчетов, являются СНиП П-12−77 «Защита от шума».

1.3.3 Требования к шумоизоляции

Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562−96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы» установлены предельно допустимые уровни звукового давления при выполнении работы на рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятий (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 — Предельно допустимый уровень звукового давления (L, дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами (f, Гц)

Предельно допустимый эквивалентный уровень звукового давления составляет 80 дБа.

Таким образов, установим основные требования к шумоизоляционному материалу:

1) материал должен быть технологичен, легко монтироваться на поверхность корпуса ТДМ;

2) слой изоляционного материала должен наноситься таким образом, чтобы обеспечивать свободный доступ обслуживающего персонала к корпусу ТДМ;

3) материал должен обладать высокой адгезией к изолируемой поверхности для исключения отслоения из-за вибрации при работе ТДМ;

4) шумопоглощающая способность материала должна быть выше, чем у используемых сейчас материалов (прошитые маты из минеральной ваты), чтобы обеспечивать требуемые условия труда при меньших затратах изоляционных материалов.

1.4 Проблема теплоизоляции тягодутьевых машин

Осевые дымососы и тягодутьевые машины, как правило, перекачивают горячий воздух, и температура на их поверхности может достигать 150 °C.

Согласно гигиеническим требованиям к микроклимату производственных помещений по СанПиН 2.2.4.548−96, допустимая температура рабочих поверхностей не должна превышать 29 °C. Поэтому помимо шумоизоляции требуется и снижение температуры рабочей поверхности до допустимого уровня.

Следует заметить, что требования, предъявляемые к изоляционному материалу по критерию теплоизоляционных свойств более жёсткие, чем по критерию шумоизоляции. Поэтому целесообразно подбирать материал, обеспечивающий достаточную теплоизоляцию рабочей поверхности. При необходимости, уровень шумоизоляции всегда может быть достигнут увеличением толщины изолирующего покрытия.

1.4.1 Требования к теплоизоляционным материалам

Материалы, применяемые для теплоизоляции, не должны взаимодействовать с поверхностями, с которыми они соприкасаются, и не должны загрязняться токсичными химическими продуктами, должны быть стойкими к вибрации, химически и атмосферостойкими.

При разработке методики исследования теплоизоляционных свойств защитного материала, нужно учитывать, что теплопередача осуществляется за счет следующих факторов: активной проводимости материала ячеек, активной проводимости воздуха или газа, заполняющего ячейки пенопласта, излучения тепловой энергии от одного твердого вещества к другому через пространство, конвективного потока тепла.

Влага в теплоизоляции не только способствует коррозии, но и приводит к существенному снижению термической проводимости. Выбор материала для теплоизоляционных и комбинированных покрытий нужно осуществлять с учетом рабочей и окружающей температур. Несоблюдение этого требования может привести к пожару или разрушению основного материала.

Для снижения действия солнечной радиации на поверхность покрытия следует наносить материал с высоким коэффициентом отражения видимых тепловых лучей. Хорошо отражает солнечные лучи белая глянцевая краска и алюминий, но последний окисляется на воздухе.

Теплоизоляция должна быть стойкой к воздействию сил как наружных (механические силы, ветер), так и внутренних (воздействие температурных деформаций, вибрация, абразивные воздействия).

Для правильного выбора типа теплоизоляционного материала при конструировании нужны следующие данные об их свойствах:

· для жесткой изоляции — предел прочности при растяжении и сжатии, допустимый прогиб, плотность, жесткость, ударная прочность, склонность к растрескиванию, температурный коэффициент линейного расширения, стойкость к истиранию, удару и вибрации, усадка, стойкость к термическому удару;

· для эластичной изоляции — то же и, кроме того, величина сжатия под нагрузкой и процент восстановления после снятия нагрузки;

· для изоляции, наносимой напылением, то же и дополнительно, адгезия во влажном и сухом состоянии, усадка и линейное расширение при высыхании.

При нанесении теплоизоляции нужно строго соблюдать требования техники безопасности. Если имеется опасность загорания, к изоляционным материалам предъявляют дополнительные требования в отношении коэффициента поглощения, капиллярности, температуры плавления, гигроскопичности, загораемости и воспламеняемости.

Таким образом, обобщая вышесказанное, можно установить следующие требования к разрабатываемому материалу:

1) теплостойкость материала должна быть не менее 150 °C,

2) материал должен обладать высокой адгезией к изолируемой поверхности,

3) материал должен обладать минимальной гигроскопичностью,

4) коэффициент теплопроводности материала должен быть минимальным, позволяющим достигнуть допустимых условий труда при минимальной толщине материала.

1.4.2 Сравнительные характеристики различных видов теплоизоляционных материалов

В настоящее время для тепло-, звукоизоляции тягодутьевых машин используются прошитые базальтовые минерально-волокнистые маты, имеющие низкие теплои шумоизоляционные характеристики и короткий срок службы.

В таблице 1.1 приведены сравнительные характеристики различных теплоизоляционных материалов [5, 6].

Таблица 1.1 — Сравнительные характеристики материалов

Минеральная вата в качестве теплои шумоизоляции тягодутьевых машин обладает следующими недостатками: процесс ее монтажа на корпус ТДМ трудоёмок, его автоматизация или механизация невозможна; минеральная вала обладает коротким сроком службы (5 лет), но при вибрации разрушается гораздо быстрее, образуя в воздухе пыль в виде мелких волокон, вызывающих хронические болезни органов дыхания рабочих. Помимо этого, минеральная вата чрезвычайно гигроскопична. Влага также способствует резкому сокращению срока службы этого материала. И помимо всего вышесказанного, процесс демонтажа такого утеплителя с поверхности ТДМ крайне неудобен вследствие того, что минеральная вата рассыпания на мелкие волокна, вызывающие раздражение слизистых оболочек, кожи и органов зрения рабочих.

Теплои шумоизоляция из пенобетона предполагает строительство вокруг тягодутьевой машины отдельного изолированного помещения. Но это недопустимо, так как обязательным требованием при проектировании материала является обеспечение свободного доступа к корпусу ТДМ в процессе её эксплуатации.

Пенополистирол, как и вспененный полиэтилен, не смотря на то, что он обладает высокими теплоизоляционными характеристиками, продолжительным сроком службы, низкой гигроскопичностью, не могут быть использованы в работах по теплои шумоизоляции тягодутьевых машин, так как они не обладают достаточной теплостойкостью, которая должна составлять не менее 150 °C.

Из представленных материалов наиболее высокими теплоизоляционными характеристиками обладает пенополиуретан (ППУ). Он удовлетворяет требованиям по теплостойкости: диапазон его рабочих температур от минус 180 до плюс 180 °C. Он технологичен, может наноситься на поверхность любой формы и сложности непосредственно на месте монтажа оборудования. Это единственный теплоизоляционный материал, который может наноситься методом напыления. Тип газовых ячеек ППУ — закрытый, исходя из чего можно предположить, что материал будет обладать и высокими звукоизоляционными характеристиками. Пенополиуретан изготавливается на основе многокомпонентных полиэфирных смол, куда при необходимости может быть введён пластификатор, придающий стенкам газовых ячеек дополнительную эластичность, что также может привести к снижению уровня звукопоглощения. В таблице 1.2 приведены сравнительные характеристики традиционного материала, используемого сейчас при изоляции ТДМ — минеральной ваты и пенополиуретана.

Таблица 1.2 — Сравнительные характеристики пенополиуретана и минеральной ваты

Как видно из приведённой таблицы, пенополиуретан отличается высокими теплоизоляционными свойствами, широким интервалом рабочих температур, малой водои паропроницаемостью (это связано с закрыто-пористой структурой материала), широкими технологическими возможностями получения, стойкость к коррозии, воздействию атмосферных факторов, химических сред, радиации.

Рассмотрим некоторые наиболее важные свойства поподробнее.

1) Теплоизоляционные характеристики зависят от геометрических размеров ячеек и свойств заполняющего их газа. Теплоизоляционные характеристики у мелкоячеистых пенопластов выше. Коэффициент теплопроводности ППУ, вспененного фреоном низкий, но в течение 30 лет эксплуатации он увеличивается (вследствие постепенной диффузии фреона) с 0,018 до 0,025 Вт/(м· К), теплоизоляционные характеристики его становятся сравнимы с характеристиками ППУ вспененного углекислым газом. Параметры ячеистой структуры оказывают существенное влияние и на механические свойства ППУ. Способность ППУ выдерживать без существенного ухудшения эксплуатационных свойств повышенную температуру называется теплостойкостью, а пониженную — морозостойкостью. Интервал между этими характеристиками называется диапазоном рабочих температур. В зависимости от необходимости можно изменять диапазон рабочих температур в ту или иную сторону. Это осуществляется, например введением модифицированного полиизоцианата (полиметилен-полифенилизоцианата), таким образом, теплостойкость как жестких, так и эластичных ППУ можно повысить до 320 °C при сохранении 45…65% первоначальной прочности. Ячеистая структура сохраняется до еще более высокой температуры, обугливание начинается при температурах 480…540 °С, после чего начинается сублимация материала. ППУ плотностью 30…650 кг/м³ используются для тепловой изоляции. При нагреве все ППУ начинают деформироваться при определенной для данной марки температуре и теряют теплоизоляционные свойства при отсутствии воздуха или горят в его присутствии.

В конструкциях, работающих при низкой температуре, прочность ППУ зависит от размера и ориентации ячеек. По мере уменьшения температуры ниже мину 160 °C прочность жестких ППУ несколько уменьшается, а эластичных возрастает. Например, существует ППУ рабочий диапазон температур которого находится в приделе от минус 200 до плюс 200 °C и имеет более высокий температурный коэффициент и коэффициент линейного расширения, чем металлы. Для компенсации этой разницы и предотвращение возникновения температурных напряжений в конструкции, изготавливаемые с применением жестких ППУ, вводят швы из эластичных ППУ. Если при нормальной температуре эластичный ППУ будет находится в сжатом состоянии, то при пониженной температуре он будет расширятся, все время заполняя зазор.

2) Звукопоглощение ППУ зависит от демпфирующих свойств, степени эластичности, толщины изоляционного слоя, воздухопроницаемостью и т. д. Звукопоглощательная способность определяется степенью поглощения звуковой энергии частицами воздуха внутри ячеек и работой трения при движении частиц между сообщающимися ячейками, а также жесткостью ячеистого каркаса или частотой возбужденных колебаний. Для устранения отражения воздуха от слоя поропласта нужно его импеданс сделать равным импедансу воздуха. В этом отношении лучшими свойствами обладают поропласты малой плотности.

Для увеличения звукопоглощения также используют собственные колебания конструкции при правильном расположении составляющих элементов. Экспериментально установлено, что наибольшее поглощение обеспечивают полуэластичные ППУ. Подобрать рецептуру с требуемой степенью эластичности легче всего среди ППУ, которые выпускают с различной степенью эластичности. ППУ на основе сложных полиэфиров имеют лучшие шумопоглощающие свойства по сравнению с ППУ на основе простых полиэфиров, так как вибродемпфирующая способность и коэффициент внутреннего трения у первых выше. Практически звукопоглощающие свойства ППУ повышают различными способами:

· в зоне низких частот — подбором величины воздушного промежутка между слоем пенопласта и вибрирующей конструкцией.

· в зоне средних частот — подбором рецептур с таким расчетом, чтобы резонансные частоты полимерных перегородок находились за приделами рабочего диапазона частот звуковых колебаний.

· в зоне высоких частот — перфорированием пленочных покрытий.

3) Водопоглащение ППУ не превышает 3% по объему за 24 часа и зависит от особенности используемой рецептуры и плотности ППУ. С увеличением плотности снижается водопоглощение, также водопоглощение некоторых ППУ снижают введением в рецептуру касторового масла, при этом водопоглощение, например ППУ-307, снижается на 4%. С этой целью также можно использовать гидрофобизирующие добавки. Стойкость ППУ к длительному воздействию воды особенно актуальна для судостроения. Водопоглощение ППУ значительно меньше за счет медленного диффундирования влаги через стенки ячеек. Согласно имеющимся данным, за 3 года испытаний водопоглощение ППУ вспененного фреоном не превысило 0,95 кг/м², вспененного углекислым газом — 1,1 кг/м².

Зависимость водопоглощения от длительности воздействия воды можно выразить формулой

, (1.1)

где W — водопоглощение за время ф; W₀ — водопоглощение за 1 час испытания; В — коэффициент (для пенопластов В=0,22).

По этой формуле можно определить водопоглощение ППУ при длительной выдержке по результатам кратковременных испытаний. Во время испытаний установлено, что ППУ отличается хорошей формоустойчивостью при длительном воздействии воды. После месячной выдержке объем образцов ППУ-3 увеличился всего на 2,5%, затем началась усадка, которая через 3 года составила 1% по объему или 0,3% по линейным размерам.

4) Термостойкость ППУ можно повысить, регулируя процесс их деструкции физическими, энергетическими и химическими факторами. Практически повышение огнестойкости ППУ, как и других пенопластов, обеспечивают в основном двумя способами: химической модификацией рецептуры и введением наполнителей. Первый из них более дорогой и трудоемкий, второй применяют чаще. В качестве наполнителей используют галоген, фосфорсодержащие соединения сурьмы, азот, а также дешевые инертные наполнители (например речной песок). Существенное снижение горючести при введении наполнителей приводит иногда к увеличению массы и теплопроводности ППУ. В связи с этим в ряде случаев целесообразно наполненный ППУ наносить на поверхность ранее вспененного ППУ в виде тонкого слоя. В этом случае повышение огнестойкости не будет сопровождаться заметным ухудшением других свойств. Такие двухслойные покрытия можно использовать в тех отраслях народного хозяйства, где к покрытиям предъявляют повышенные требования к огнестойкости. Не следует вводить пламегасящие добавки в заливочные рецептуры, предназначенные для заполнения закрытых конструкций из негорючих материалов, к которым нет доступа воздуха, так как при горении ППУ выделяет настолько мало тепла, что возникшие очаги пламени быстро локализуются [13, 14].

Для определения степени пожароопасности ППУ испытывают на загорание и огнеи теплостойкость, а также находят скорость распространения пламени по поверхности. Огнестойкость ППУ можно обеспечить нанесением на их поверхность специальных покрытий. В США фирмой «Карболине» разработали покрытие «Пайрокрит Л/Д» на основе оксихлорида магния. В его состав не входят токсичные и воспламеняющиеся вещества. Плотность покрытия 0,55 кг/м³, придел прочности при сжатии 14 МПа.

5) Старение свойственно ППУ так же, как и всем органическим веществам, которые с течением времени изменяют свои свойства под воздействием окружающей среды. Эксплуатационный срок различных материалов определяется стойкостью их к старению, т. е. способностью сохранять свои свойства при эксплуатации на уровне требований технических условий. В связи с этим были проведены и испытания ППУ в различных климатических районах: умерено холодном, сухом жарком, теплом влажном, очень холодном, жарком влажном. Эти испытания вели в целях рационального использования ППУ в различных условиях эксплуатации, определения их гарантийных сроков службы, улучшения эксплуатационных свойств. В результате испытаний выявлено влияние на эксплуатационные характеристики химической природы полимеров, ячеистой структуры, видов вспенивающего агента. Установлено, что за указанный срок изменение указанных характеристик было практически невелико и сохранялось на допустимом уровне. Испытания проводились как на открытых стендах, где образцы подвергались воздействию дождя, ветра, пыли, солнечной радиации, различных температур, так и в складских условиях. Отмечено некоторое деформирование образцов вследствие расширения ППУ, вспененных фреоном, или усадки ППУ, вспененных СО₂.

Поскольку в реальных условиях эксплуатации ППУ, получаемых заливкой, чаще всего защищены от воздействия окружающей среды, то эксплуатационные условия лучше всего имитировать при складском хранении. Все исследованные рецептуры ППУ в этих условиях обладали удовлетворительной устойчивостью, стабильностью формы и размеров, а основные физико-механические показатели их практически не изменялись. Например ППУ_3н на протяжении 15-летнего срока эксплуатации практически не изменил своих свойств. Он был напылен на стенки нефтехранилища. Окраска внутри практически не изменилась, цвет наружной поверхности от светло-желтой перешел в темно-коричневый. В местах контакта с металлом было отмечено пожелтение слоя ППУ толщиной 5…10 мм. Ударная вязкость внутренних слоев увеличилась в 1,5 раза. Коэффициент теплопроводности изменился с 0,033 до0,041 Вт/(м· К). Температура размягчения практически не изменилась (98 °С) за исключением участков, которые систематически подвергались воздействию нефтепродуктов; на этих участков температура снизилась до 65 °C, а коэффициент теплопроводности увеличился до 0,046 Вт/(м· К). Водопоглощение ППУ не превышало 0,15 кг/м². Диэлектрические характеристики практически не изменились. Изменение цвета ППУ (пожелтение) обуславливается наличием свободных аминогрупп в полимере и воздействием света. Интенсивность этого процесса удается снизить изменением рецептур.

Основным фактором, вызывающим разрушение образцов при старении, является ультрафиолетовая радиация. Жесткие ППУ в процессе старения делаются более хрупкими, эластичные — более жесткими. Выявлено, что свойства ППУ при старении изменяются главным образом в поверхностном слое при относительной стабильности свойств внутренних слоев. Эластичные ППУ на основе простых полиэфиров при старении на открытом воздухе подвергаются значительной эрозии с поверхности, которая затем распространяется в глубь образца. При удалении поверхностной пленки жестких ППУ в процессе старения заметно изменяются форма и размеры образцов вследствие релаксации под воздействием разности давления воздуха внутри ячеек и наружного.

6) Токсичность ППУ. В процессе получения ППУ в той, или иной степени бывают токсичными, так как этим свойством обладают некоторые из их исходных компонентов, поэтому при получении ППУ нужно строго руководствоваться инструкциями по технике безопасности. После завершения процесса отверждения ППУ нетоксичны. В результате проведенных исследований выявлено, что при сгорании ППУ выделяются следующие токсичные газы: цианистый водород НСN, угарный газ СО, углекислый газ СО₂. При отсутствии воздуха заметное количество этих газов выделяется при температуре 500 °C, причем HCN адсорбируется частицами дыма. При продувке воздуха через поры ППУ резко возрастает выделение и последующее окисление HCN, ускоряются разложение полимера и вывод газообразных продуктов из зоны реакции. При свободном горении HCN образуется в меньшем количестве. По данным исследования с точки зрения выделения HCN по сравнению с азотсодержащими соединениями, включая шерсть и шелк, ППУ являются менее токсичными. Причина этого в том, что при размягчении ППУ образуется жидковязкая масса, удерживающая HCN в зоне реакции, благодаря чему он успевает разложится, а это ведет к снижению токсичности продуктов сгорания ППУ.

Испытания, проведенные на мышах, показали, что токсичность продуктов разложения ППУ значительно ниже токсичности продуктов разложения древесины и каучука в тех же условиях. При сгорании эластичных ППУ выделяется от 0,7 до 1,6% изоцианата, имеющегося в полимочевине и золе, а концентрация его мало зависит от температуры. В общем случае токсичность продуктов сгорания ППУ зависит от степени насыщенности данного объема изделия или конструкции пенополиуретанами (в кг/м³) и особенностей используемой марки ППУ. Наличие одновременно и других полимерных материалов, подверженных горению, усиливает степень токсичности, наличие вентиляции снижает ее.

1.5 Выводы

В данной главе дипломной работы были рассмотрены особенности конструкции тягодутьевых машин, рассмотрены такие вредные факторы как шум и нагрев поверхности тягодутьевых машин. Выявлено, что минерально-волокнистые плиты используемые в настоящее время в качестве теплои шумоизоляционного материала не удовлетворяют всем предъявляемым к ним требованиям: эти материалы недолговечны, имеют короткий срок службы (менее 5 лет), гигроскопичны, при намокании и последующем высыхании не восстанавливают своих свойств, при эксплуатации разрушаются, образуя мелкую пыль в виде волокон, вызывающих хронические болезни органов дыхания.

После анализа имеющихся на данный момент времени теплоизоляционных материалов, были выявлены наиболее интересные классы, не обладающие недостатками минеральной ваты, и представлены в таблице 1.1. Из найдённых материалов, превосходящих минеральную вату по эксплуатационным характеристикам, требованию теплостойкости удовлетворяет лишь жёсткий пенополиуретан, диапазон температур эксплуатации которого лежит в пределах от минус 180 до плюс 180 °C, но при введении модифицированного полиизоцианата может быть расширен до плюс 320 °C.

Закрыто-пористая структура и возможность введения в компоненты пенополиуретана пластификаторов, позволяют прогнозировать высокие шумоизоляционные характеристики, которые планируется определить при лабораторных испытаниях образцов ППУ. Возможность нанесения пенополиуретана методом напыления на поверхность сложной конфигурации также является существенными преимуществом данного класса материалов.

Из всего вышесказанного был сделан вывод о целесообразности применения напыляемого пенополиуретана в качестве шумои теплоизоляционного материала корпусов тягодутьевых машин.

Для разработки шумои теплоизоляционного материала на основе пенополиуретана необходимо решить следующие задачи:

· Подготовить методологическую базу для проведения экспериментов, определить необходимые методы, оборудование и материалы для проведения исследовательской работы.

· Изготовить образцы с варьированием компонентного состава.

· Произвести исследования физико-механических и эксплуатационных характеристик образцов.

· По полученным данным выбрать оптимальный компонентный состав и разработать технологию для нанесения шумои теплоизоляционного покрытия на его основе.

2. Проектирование шумои теплоизоляционного материала на основе пенополиуретана

2.1 Получение пенополиуретана

Пенопласты на основе вспененных полиуретанов (пенополиуретаны) получают в результате сложных реакций, протекающих при смешивании полиэфира, диизоцианата или полиизоцианата, вспенивающего агента в присутствии катализатора, эмульгатора и добавок. Изменяя состав смеси, можно получать пенополиуретаны с различными свойствами.

Полиэфиры применяют простые и сложные. По виду полиэфира получают жесткие или эластичные пенополиуретаны. Диизоцианат — вещество, содержащее уретан. Катализаторы регулируют реакцию образования полиуретана, его вспенивание и отверждение. Эмульгаторы — поверхностно активные вещества, позволяющие получить равномерную структуру пенополиуретана, однородного по свойствам. В качестве добавок при изготовлении пенополиуретана применяют газообразователи — вещества, обеспечивающие пористость материала, антипирены, повышающие его огнестойкость, и красители. Жесткие пенополиуретаны получают методом заливки или методом напыления. В предшествующем разделе было обосновано использование напыляемого пенополиуретана ввиду возможности нанесения его на поверхности сложной формы непосредственно на месте монтажа тягодутьевой машины.

2.2 Параметры протекания химических реакций

Пенополиуретан образуется в результате реакции NCOи OH-групп.

В общем виде реакция образования полиуретана может быть записана так:

Рисунок 2.1 — Реакция образования пенополиуретана

Носителями NCO-групп являются изоцианаты, носителями OH-групп — полиэфиры (полиолы). Химическая реакция начинается при смешении изоцианатов и полиэфиров. Данная химическая реакция проходит с выделением тепла. Одновременно с протеканием реакции происходит вспенивание материала за счет интенсивного испарения низкокипящих соединений, заранее введенных в систему. Качественным и количественным подбором каталитических добавок достигается оптимальное протекание процесса.

Процесс образования пенополиуретана описывается профилем вспенивания — зависимостью высоты вспенивающейся массы от времени. При этом фиксируются следующие ключевые точки:

1) Время старта Т_ст — время от начала перемешивания до начала вспенивания;

2) Время гелеобразования Т_гель — время, за которое вспенивающаяся масса становится гелеобразной и теряет текучесть;

3) Время подъема Т_под — время от начала перемешивания до прекращения увеличения объема вспенивающейся массы (рисунок 2.2).

Напыляемые системы характеризуются быстрым стартом и коротким промежутком времени, за которое система теряет текучесть. Такая кинетика реакции в сочетании с хорошей адгезией не позволяют вспенивающейся массе стекать даже с вертикальной поверхности, обеспечивая ровный и однородный слой пены после затвердевания.

В смесительной камере пистолета распылителя при смешении компонентов происходит образование мелкодисперсного коллоидного раствора. Из-за протекающих в растворе экзотермических реакций происходит нарастание вязкости и повышение температуры. При достижении температуры более 25…28^_C начинается интенсивное испарение вспенивающего агента, начинается подъем композиции, который фиксируется как время старта.

Рисунок 2.2 — Профиль вспенивания для напыляемой системы [9]

Рост вязкости системы и наличие в ней кремнийорганического пеностабилизатора стабилизирует газовые пузырьки. Дополнительный рост пузырьков вызывает также реакция полиизоцианата с водой. Протекающие химические реакции ведут к образованию трехмерной полимерной структуры. Начало образования единой полимерной структуры фиксируется как время гелеобразования. В этот момент в слабосшитой полимерной системе имеется большое количество непрореагировавших функциональных групп. Дальнейшая полимеризация фиксируется как время отлипа (потеря липкости поверхностью пенопласта) и время подъема пенопласта (время окончания подъема пенопласта).

Отмеченные процессы протекают на начальной стадии формования жесткой пены. Основной параметр (время гелеобразования) определяется в основном количеством вводимого катализатора. Основные параметры зависят от типа и количества катализатора, а также качества исходных компонентов. С точки зрения химии, процессы отверждения в теплоизоляционных элементах завершаются через несколько часов после смешивания компонентов. Механические релаксационные процессы завершаются через несколько суток.

Для получения качественной пены необходимо, чтобы время старта используемых систем не превышало 10 секунд, а по возможности было даже меньше.

2.3 Физико-механические характеристики пенополиуретана

В таблице 2.1 приведены физико-механические характеристики напыляемого пенополиуретана марки ППУ 308Н по ТУ 6−05−221−204.

Таблица 2.1 — Физико-механические свойства пенопласта ППУ 308Н

Эти данные могут быть использованы при проектировании защитных оболочек из пенополиуретана и определения соответствия физико-механических параметров полученных образцов заданным параметрам.

2.4 Компонентный состав материала