Теплообмін при калібруванні труб з термопластів

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСемінський, Олександр Олегович
dc.contributor.authorПодиман, Григорій Сергійович
dc.date.accessioned2025-03-27T12:58:07Z
dc.date.available2025-03-27T12:58:07Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractПодиман Г.С. Теплообмін при калібруванні труб з термопластів. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 133 «Галузеве машинобудування». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Процес калібрування є одним з визначальних для якості труб з полімерних матеріалів, які виготовляються методом екструзії, від досконалості калібрувального пристрою залежить продуктивність і питомі енерговитрати при виробництві гладких труб з термопластів, особливо для труб малого діаметра (16…25 мм). Дисертаційну роботу присвячено дослідженню процесу калібрування труб з термопластів, а саме інтенсифікації процесу перенесення тепла та зменшенню напружень в матеріалі труби, яка калібрується для модернізації існуючих конструкцій калібрувальних пристроїв, що дозволить збільшити швидкість калібрування і продуктивність екструзійного обладнання для виробництва труб. Проведено аналітичний огляд сучасного стану досліджень процесів калібрування при екструзії термопластів. Розглянуто основні сучасні технології калібрування та конструкції калібрувальних пристроїв, на основі патентного пошуку проаналізовано основні напрямки вдосконалення їх конструкції. За результатами аналітичного огляду визначено шляхи модернізації калібрувальних пристроїв, сформульовано напрями інтенсифікації перенесення тепла та зменшення механічних навантажень в матеріалі стінки труби, яка калібрується, сформульовано обмеження технологічних параметрів і визначальних геометричних розмірів калібрувального пристрою. При калібруванні труб з термопластів відбувається кілька пов’язаних між собою процесів: перенесення тепла через стінку калібрувальної гільзи, утворення надмолекулярних структур в матеріалі стінки труби, яка калібрується, зі зміною його теплофізичних параметрів, також, виникають напруження від тертя зовнішньої стінки труби по поверхні калібрувальної гільзи. В даній роботі результати сучасних досліджень вдосконалено та поєднано для вирішення наукової задачі підвищення ефективності процесів теплообміну в калібрувальному пристрої при одержанні труб з термопластів із заданими властивостями. Для моделювання процесу перенесення тепла в роботі використано двовимірну математичну модель нестаціонарної теплопровідності з врахуванням теплоти фазового переходу при утворенні надмолекулярних структур. Обґрунтовано використання декартової системи координат для швидкоплинного охолодження при калібруванні, сформульовано граничні умови другого роду – питомий тепловий потік від матеріалу стінки труби яка калібрується до охолоджувальної рідини. Враховано термічний опір між стінкою труби яка калібрується до стінки калібрувальної гільзи. Розрахунок температурних полів в матеріалі стінки труби яка калібрується виконано для поліетилену високої густини: в обчислювальному експерименті з використанням методу скінченних різниць за явною схемою, програмне забезпечення Python 3.7; в симуляційному експерименті з використанням CFD систем. Розбіжність розрахунків оцінено за допомогою критерія Фішера, зроблено висновок щодо можливості використання CFD систем для розрахунку температурних полів при калібруванні труб з термопластів за умови врахування зміни теплофізичних параметрів в широкому діапазоні температур. Також, проведено обчислювальний експеримент для поліпропілену тип 1. При охолодженні труби в розплаві термопласта утворюються надмолекулярні структури (протікає склування), при цьому зміни теплофізичних та механічних властивостей характеризуються ступенем кристалічності. При збільшенні ступеня кристалічності зменшується питомий об’єм матеріалу і виникає усадка. Для запобігання порушення термічного контакту труби, яка калібрується, зі стінкою калібрувальної гільзи необхідно підтримувати тиск у вакуумній ванні. Процес усадки досліджено теоретично, що дозволило розробити модель та алгоритм для розрахунку значення тиску, необхідного для забезпечення термічного контакту. Встановлено, що процес склування термопластів при охолодженні в калібрувальному пристрої відбувається в двох послідовно розташованих умовних зонах – зоні формування твердої плівки та зоні її росту, а процес перенесення тепла для зони формування лімітується зовнішньою задачею, тому інтенсифікація перенесення тепла від зовнішньої стінки калібрувальної гільзи до охолоджувальної рідини дозволяє покращити умови калібрування. В зоні росту охолодженої і механічно міцної плівки термопласту інтенсифікація охолодження калібрувальної гільзи мало впливає на процес калібрування. Для перевірки положень фізичної та математичних моделей процесів перенесення тепла в калібраторі із застосуванням контрольованого розрідження проведено натурний експеримент з використанням промислового обладнання. Результати натурного експерименту узагальнено та порівняно з результатами, отриманими з серії обчислювальних експериментів, підтверджено адекватність моделі та коректність алгоритму і програми розрахунку. За результатами натурних та обчислювальних експериментів запропоновано кореляційну залежність min 1 0 ( )k P k для визначення мінімального тиску розрідження, який достатній для протидії ефекту усадки при склуванні розплаву термопласта і дозволяє зберегти термічний контакт труби, яка калібрується з поверхнею калібрувальної гільзи. Експериментально визначено коефіцієнти закономірності для калібрування труби діаметром 25 мм, з поліетилену високої густини та калібрувального пристрою з адаптивним розрідженням по зонам експериментально визначено коефіцієнти для розрахунку величини розрідження: k1=6. 104 Па/с1,25 ; k2=1,25; час формування міцної плівки з розплаву 0=0,2 с. Розрідження вздовж калібрувальної гільзи має відповідати мінімальному тиску для забезпечення термічного контакту труби з поверхнею калібрувальної гільзи, що дозволяє уникнути відриву труби від поверхні калібрувальної гільзи до завершення росту товщини твердого шару, та зменшити зусилля протягування, які викликають напруження в тонкому охолодженому шарі термопласту, який має механічну міцність. Забезпечення поставленої умови дозволяє збільшити швидкість калібрування та, відповідно, продуктивність виробництва без збільшення кількості обривів лінії і втрати якості труби. Запропоновано нові, більш прогресивні відносно сучасних, конструкції вакуумних трубних калібрувальних пристроїв з двома зонами розрідження. Отримано два патенти на корисні моделі калібрувальних пристроїв з контрольованим розрідженням вздовж калібрувальної гільзи. Нові конструкції забезпечують збільшення площі теплообміну калібрувальної гільзи з охолоджувальною рідиною до 50 % та збільшення коефіцієнта тепловіддачі більш ніж вдвічі. Для модернізованих конструкцій калібрувального пристрою запропоновано алгоритм розрахунку визначальних геометричних розмірів елементів модернізації – гвинтового каналу на основі гідравлічного опору та обмежень пристроїв створення розрідження (вакуумного насосу) і складено програму в середовищі Python 3.7. Для модернізованого калібрувального пристрою проведено серію обчислювальних експериментів з використанням циліндричної системи координат та граничних умов третього роду, отримано графіки для інженерного розрахунку довжини зони охолодження після калібрувального пристрою. Наукова новизна одержаних результатів: Вперше: - обґрунтовано умови процесу теплообмінну з контрольованим термічним опором при контакті труби та робочої поверхні калібруючої гільзи при заданій динаміці процесу кристалізації, що дозволить збільшити продуктивність лінії при збереженні якості виробу; - експериментально визначено час формування твердого шару полімеру на зовнішній поверхні труби при контакті з калібратором та визначено мінімальне значення та динаміку зміни розрідження в камері калібратора для забезпечення заданого термічного опору при охолодженні без механічного руйнування новоутвореного твердого шару на трубній заготовці; - обґрунтовано умови мінімального розрідження в зоні калібрувального пристрою для термічного контакту рухомої труби зі стінкою калібрувальної гільзи, що дозволить підвищити якість виробів. Удосконалено: - математичну модель процесу теплообміну при калібруванні з урахуванням зміни фізичного стану та теплофізичних параметрів, термічного опору на межі метал–термопласт; - експериментально визначено технологічні параметри роботи калібрувального пристрою для виробництва труб з поліетилену при різних режимах калібрування. Дістало подальший розвиток: - підходи до проектування інноваційних конструкцій калібрувальних пристроїв для виробництва труб з термопластів із застосуванням методів експериментально-чисельного моделювання. Науково-технічні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес на кафедрі машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Розроблено алгоритм розрахунку модернізованої конструкції калібруючого пристрою, що дозволить збільшити продуктивність на 15% при виробництві труб діаметром 16, 20 та 25мм.
dc.description.abstractotherPodyman H. Heat exchange during calibration of thermoplastic pipes. - Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. PhD thesis in the field of knowledge 13 Mechanical engineering 133 Branch mechanical engineering. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The calibration process is one of the determinants of the quality of pipes made of polymeric materials, which are made by extrusion, from the perfection of the calibration device depends on the productivity and specific energy consumption in the production of small diameter pipes (16 25 mm). The dissertation is devoted to the investigation of the calibration process of thermoplastic pipes, namely, the intensification of the heat transfer process and the reduction of stresses in the material of the tube being calibrated for the modernization of existing designs of calibration devices, which will increase the speed of calibration and the productivity of extrusion equipment for the production of pipes. An analytical review of the current state of research on calibration processes during the extrusion of thermoplastics was carried out. The leading modern technologies of calibration and the design of calibration devices are considered, based on a patent search, and the main areas of improvement of their design are analyzed. Based on the results of the analytical review, the ways to modernize the calibration devices were determined, directions for heat transfer intensification and reduction of mechanical loads in the material of the pipe wall being calibrated were formulated, limitations of technological parameters and defining geometric dimensions of the calibration device were formulated. When calibrating thermoplastic pipes, several interconnected processes occur: heat transfer through the wall of the calibration sleeve, the formation of supramolecular structures in the material of the pipe wall, which is calibrated with a change in its thermophysical parameters, and stresses arise from the friction of the outer wall of the pipe on the surface of the calibration sleeve. In the work, the results of modern research are improved and combined to solve the scientific problem - of modeling the heat exchange process during the calibration of thermoplastic pipes. A two-dimensional mathematical model of non-stationary thermal conductivity, taking into account the heat of the phase transition during the formation of supramolecular structures, was used to simulate the process of heat transfer to work. The use of the Cartesian coordinate system for rapid cooling during calibration is substantiated, and the boundary conditions of the second kind are formulated - the specific heat flow from the material of the pipe wall, which is calibrated to the coolant. The thermal resistance between the pipe wall, which is calibrated to the wall of the calibration sleeve, is taken into account. Calculation of temperature fields in the material of the pipe wall to be calibrated, performed for high-density polyethylene: in a numerical experiment using the finite-difference method according to the explicit scheme, Python 3.7 software; in a simulation, experiment using a CFD system. The calculation discrepancy was assessed using Fisher's test, a conclusion was drawn regarding the possibility of using the CFD system to calculate temperature fields during the calibration of thermoplastic pipes, provided that changes in thermophysical parameters in a wide temperature range are taken into account. A numerical experiment was also carried out for polypropylene type 1. When the pipe is cooled, supramolecular structures are formed in the thermoplastic melt, while changes in thermophysical and mechanical properties are characterized by the degree of crystallinity, and the process itself is called "vitrification". When the degree of crystallinity increases, the specific volume of the material decreases and shrinkage occurs. To preserve the thermal contact of the pipe being calibrated with the wall of the calibration sleeve, the minimum necessary pressure in the vacuum bath was analytically determined according to the calculated temperature fields. Models of elastic and plastic deformations were used. The results of the natural experiment were summarized and compared with the results obtained from a series of numerical experiments, and the adequacy of the model and the correctness of the algorithm and the calculation program were confirmed. It was established that the vitrification process of thermoplastics during cooling in the calibration device takes place in two sequentially located conditional zones - the zone of formation of a solid film and the zone of its growth, and the process of heat transfer for the zone of formation is limited by an external task, therefore, the intensification of heat transfer from the outer wall of the calibration sleeve to the cooling liquid allows to improve the calibration conditions. In the growth zone of the cooled and mechanically strong thermoplastic film, the intensification of the calibration sleeve cooling has little effect on the calibration process. Based on a series of field and numerical experiments, the 2 min 1 0 ( )k P k regularity is proposed to determine the minimum vacuum pressure, which is sufficient to counteract the shrinkage effect during glazing of the thermoplastic melt and maintain thermal contact pipe being calibrated with the surface of the calibration sleeve. The coefficients of regularity for a pipe with a diameter of 25 mm, made of highdensity polyethylene and the design of the calibration device which was used in the field experiment were determined: k1=6E+4 Pa/s; k2=1,25; the time of formation of a mechanically strong film from the melt 0=0,2 s. The vacuum along the calibration sleeve must correspond to the minimum pressure to ensure thermal contact of the pipe with the surface of the calibration sleeve, which allows to avoid separation of the pipe from the surface of the calibration sleeve before its growth is complete and reduces the drawing forces that cause stress in the thin cooled layer of thermoplastic, which has a mechanical strength. Ensuring the given condition allows you to increase the speed of calibration and, accordingly, production productivity without increasing the number of line breaks and losing the pipe quality. New designs are proposed that are more advanced than current vacuum tube calibration devices with two rarefaction zones. Two patents have been received for useful models of calibration devices with controlled rarefaction along the calibration sleeve. The new designs provide an increase in the heat exchange area of the calibration sleeve with the coolant by up to 50% and an increase in the heat transfer coefficient by more than 2 times. pump), the program was compiled in the Python 3.7 environment. For the modernized calibration device and the condition of increasing the calibration speed, a series of numerical experiments were conducted using a cylindrical coordinate system and boundary conditions of the third kind, graphs were obtained for the engineering calculation of the length of the cooling zone after the calibration device. The scientific novelty of the obtained results. For the first time: - experimentally determined the time of the formation of the pipe blank and obtained regularities for determining the minimum rarefaction necessary to ensure the given thermal resistance when calibrating thermoplastic pipes, as well as substantiate the conditions of minimum rarefaction in the area of the calibration device for thermal contact of the moving pipe with the wall of the calibration sleeve, which will improve the quality products; - the conditions of the heat exchange process with controlled thermal resistance at the contact of the pipe and the working surface of the calibrating sleeve with the specified vitrification dynamics of the thermoplastic are justified, which will allow for increased productivity while maintaining the quality of the product; Improved: - a mathematical model of the heat exchange process during calibration, taking into account phase transitions with changes in thermophysical parameters, thermal resistance at the metal–thermoplastic interface; - the technological parameters of the calibration device for the production of polyethylene pipes under different rarefaction regimes were determined experimentally. Received further development: - approaches to the design of effective designs of calibration devices for the production of thermoplastic pipes using experimental and numerical modeling methods. The scientific and technical results of the dissertation work were implemented in the educational process of the Department of Machines and Apparatus of Chemical and Oil Refining Industries of the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”. An algorithm for calculating the modernized design of the calibration device has been developed, which will increase productivity by 15% in producing pipes with a diameter of 16, 20, and 25 mm.
dc.format.extent211 с.
dc.identifier.citationПодиман, Г. С. Теплообмін при калібруванні труб з термопластів : дис. … д-ра філософії : 133 Галузеве машинобудування / Подиман Григорій Сергійович. – Київ, 2024. – 211 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/73129
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectмоделювання
dc.subjectекструзія
dc.subjectекструдер
dc.subjectкалібратор
dc.subjectтеплопередача
dc.subjectнагрівання
dc.subjectтеплові процеси
dc.subjectтемпературні поля
dc.subjectфізичні властивості
dc.subjectтеплофізичні властивості
dc.subjectмеханічні властивості
dc.subjectполімер
dc.subjectтертя
dc.subjectтермічний опір
dc.subjectфазовий перехід
dc.subjectsimulation
dc.subjectextrusion
dc.subjectextruder
dc.subjectcalibrator
dc.subjectheat transfer
dc.subjectheating
dc.subjectthermal processes
dc.subjecttemperature fields
dc.subjectphysical properties
dc.subjectthermophysical properties
dc.subjectmechanical properties
dc.subjectpolymer
dc.subjectfriction
dc.subjectthermal resistance
dc.subjectphase transition
dc.subject.udc678.05:66.021.4
dc.titleТеплообмін при калібруванні труб з термопластів
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Podyman_dys.pdf
Розмір:
3.6 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (МАХНВ)
Дисертації (вільний доступ)