МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИЛОВ

2.1. АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ

НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Анализ воздействующих факторов на технолги-ческий процесс изготовления теплоизоляционных материалов и интеллектуальную информационно-измерительную систему допускового контроля их теплопроводности

Одно из основных свойств, от которого зависят качественные характеристики материалов для теплоизоляции, это теплопроводность. В теплоизоляционных материалах проводимость тепла зависит непосредственно от характеристик и объёма структуры пор. Сквозь слой воздуха теплота перемещается с помощью конвекции, излучения и теплопроводности. Обмен тепла конвекцией усиливается в случае увеличения размера пор и прослоек воздуха, которые соединяют эти поры. На обмен тепла посредством излучения главным образом влияют эксплуатационные условия (например, температура окружающей среды). В теплоизоляционных материалах обеспечивается при изготовлении мелкий объём пор, который будет усложнять конвекционную и лучевую отдачу тепла. Немаловажно обеспечить и равное расположение пор в структуре материала. Теплоизолирующую роль воздух лучшего всего осуществляет в случае, когда поры закрыты. Указанные свойства теплоизоляционных материалов, влияющие на их теплопроводность, необходимо учитывать при оценке качества выпускаемой продукции и соответствующей модернизации технологического процесса изготовления теплоизоляционных материалов.

Все теплоизоляционные материалы можно разделить по их теплопроводности на три класса: низкой теплопроводности - до 0,06 Вт/(м-К), средней - 0,061.. .0,115 Вт/(м К), высокой - 0,116.. .0,200 Вт/(м К).

Для теплоизоляционных материалов важна зависимость теплопроводности от степени кристаллизации и химического состава материала. Насколько сложен химический состав и насколько близка структура материала к «рыхлой», настолько и меньше значение теплопроводности. У кварца, к примеру, теплопроводность равна 7.. .8 Вт/(м-К), в то время как у обычного стекла, кроме кремнезёма, содержащего множество иных оксидов и структура которого очень близка к «рыхлой», теплопроводность равняется 0,75 Вт/(м К). В материалах с кристаллической структурой теплопроводность зависит от объёма кристаллов, их расположения и дефективности решётки. С увеличением числа кристаллов и в случае движения потока тепла вдоль оси теплопроводность возрастает, причём в данном случае она будет существенно больше, нежели при направленности теплового потока перпендикулярно оси. Также значение теплопроводности снижается с ростом массы молекул и увеличивается при возрастании температуры плавления.

В случае с кристаллическими телами теплопроводность снижается с возрастанием числа атомов в молекулярной структуре. Обратная зависимость наблюдается у жидкостей и газов. Для основного количества теплоизоляционных материалов имеет место линейная зависимость теплопроводности от температуры. Например, теплопроводность неорганических материалов под влиянием положительных температур меняется на 0,0025 Вт/(м-К) при каждом изменении температуры на градус, под влиянием отрицательных температур - на 0,005 Вт/(мК). Для органических материалов в аналогичной ситуации: при положительных температурах на 0,0035 Вт/(м-К), при отрицательных - на 0,005 Вт/(м-К). Обычно в любых нормативных материалах значение теплопроводности указывается обычно при температуре (25 ± 5) °C.

Критично допускать возможность намокания (увлажнения) материалов для теплоизоляции, так как значение теплопроводности воды почти в 25 раз выше, нежели теплопроводность воздуха. В целях уменьшения сорбционного влияния влажности теплоизоляционные материалы подвергаются гидрофобизации по всему объёму, также положительный эффект оказывает уменьшение размера пор, это объясняется тем, что именно в них конденсируется влага. Поглощение воды зависит в первую очередь от структуры теплоизоляционного материала. Например, если поры закрыты (пенопласт, пеностекло), водо-поглощение относительно мало, если же пористость открыта, то оно может равняться 400.. .600%.

Важнейшим условием получения требуемой точности определения теплопроводности (X) является использование ИИИС для контроля измеряемых параметров и мониторинга технологического процесса производства теплоизоляционных материалов. Точный контроль и измерение X теплоизоляционных материалов, а именно минераловатных плит, в узком интервале значений (X = [0,028...0,047] Вт/(м-К)) значительно затруднён, потому как требуется обеспечение высокого метрологического уровня системы, точного процесса производства материалов для теплоизоляции, снижение влияния дестабилизирующих факторов на работу измерительной системы и технологического процесса, так как эти факторы оказывают большое влияние на погрешность результатов измерения X [25].

Для большей наглядности приведены данные различных технических характеристик некоторых теплоизоляционных материалов (минераловатных плит) (табл. 2.1).

Теплофизические и физико-механические свойства теплоизоляционных материалов находятся в зависимости от обширного комплекса условий, таких как: состав исходного сырья, способ вытягивания волокна, размеры и объёмы волокон, фазовый и химический состав волокон, структурные конфигурации материала, концентрации связующего компонента [26].

Показатели качества материалов для теплоизоляции, которые производятся многочисленными фирмами, варьируются в широком диапазоне. При всех равных условиях теплопроводность теплоизоляционных материалов находится в зависимости от структуры волокна, в частности от его диаметра и присутствия в составе неволокнистых частиц.

Показатели теплопроводности, важные для сравнения материалов с одинаковой плотностью, определяются в основном диаметром волокна, направлением волокон в микроструктуре и идентичностью волокон по диаметру.

Для материалов с малым диаметром волокон значения теплопроводности существенно ниже, как и значения проницаемости тепла, а, следовательно, они обладают более высоким уровнем теплотехнической эффективности.

Свойства минеральной ваты находятся в прямой зависимости от концентрации сырьевой смеси и концентрации добавок, например при повышении содержания кремнезёма повышается температура её размягчения и температуроустойчивость. Коэффициент теплопроводности зависит от средней толщины волокон, объёмного веса и пористости. Оптимальной является пористость 90%. Толщина волокна может колебаться от 2 до 40 мкм.

Следует учесть также, что для теплоизоляционных материалов ещё одним аспектом, влияющим на снижение качества изделия, считается содержание в составе материала неволокнистых частиц -«корольков». В случае одинаковой плотности и равном диаметре волокон увеличение чтсла «корольков» ведёт к увеличению проницаемости и теплопроводности, что в конечном итоге приводит к ухудшению теплотехнической эффективности.

2.1. Технические характеристики минераловатных плит

Теплоизоляционные материалы

Плиты

Маты

Цилиндры

Показатели (ед. изм.)

ИЗО-ЛАЙТ

изо-

ВЕНТ

изо-РУФ-В

изо-

ФАС-

160

изо-

ФАС-лм

  • 1111-
  • 75С

пп-125С

ММ1-

100

ММ2-

100

ММЗ-

100

ИЗОШЕЛЛ, ИЗОШЕЛЛ-Л, ИЗОШЕЛЛ-ЛМ

Плотность, кг/м3

550

990

1175

1160

990

  • 550...
  • 70
  • 990...
  • 100
  • 990...
  • 100
  • 990...
  • 100
  • 990...
  • 100

100

Сжимаемость, %, не более

7

-

-

-

-

7

4

26,0

26,0

26,0

-

Упругость, %, не менее

-

-

-

-

-

-

-

86

91

91

-

Т еплопроводность

при (283 ± 5) К, Вт/(м К) х Ю’2

03,2

03,2

03,5

03,4

03,9

03,3

03,3

-

-

-

3,9

Т еплопроводность

при (298 ± 5) К, Вт/(мК) х Ю’2

03,5

03,5

03,8

03,8

04,3

03,6

03,7

03,9

03,9

03,9

4,5

Теплопроводность в условиях эксплуатации А, Вт/(м-К) х 10 2

04,2

04,2

04,5

04,5

04,7

04,3

04,4

-

-

-

-

Теплопроводность в условиях эксплуатации Б, Вт/(мК) х 10 2

04,4

04,5

04,8

04,8

05,1

04,5

04,6

-

-

-

-

Содержание органических веществ по массе, %, не более

2,5

3,5

4,0

4,0

3,5

3,0

4,0

3,5

4,0

4,0

4,0

Технологический процесс производства минераловатных плит очень сложен, он включает в себя большое количество разнообразных операций (подготовка сырья, плавка компонентов, получение волокна, обработка, распределение, получение формы волокна, резка и т.д.).

Особенности технологии производства минераловатных плит заключаются в следующем. При подборе сырьевых компонентов задаются главные потребительские свойства минеральной ваты. Основное сырьё - горные породы габбро-базальтового типа и их аналоги. Здесь важно точное соблюдение пропорций, химического, фракционного состава и влажности сырья. Производство качественных минераловатных утеплителей невозможно без многоуровневой подготовки сырья. Исходные компоненты обрабатываются до получения нужного минерального, фракционного состава, влажности и подаются в плавильный агрегат.

Функциональная схема технологического процесса изготовления минераловатных плит представлена на рис. 2.1.

Компьютерный контроль десятков параметров формирует расплав нужного химического состава и вязкости. Плавка компонентов происходит в печах при температуре 1500 °C. Расплав осуществляется в ванной печи или коксовой вагранке. Получение волокна происходит на многовалковой центрифуге со скоростью вращения валков до 7000 об/мин.

Функциональная схема технологического процесса изготовления минераловатных плит

Рис. 2.1. Функциональная схема технологического процесса изготовления минераловатных плит

Полученное волокно осаждается в камере барабанного типа и обрабатывается водоотталкивающими и обеспыливающими добавками. Распределение волокна в минераловатном «ковре» надлежащим образом задаёт маятниковый раскладчик, который укладывает «ковёр» в несколько слоёв с разнонаправленной ориентацией волокон.

Таким образом, к управляемым параметрам на этапе технологического производства теплоизоляционных материалов относятся: влажность, фракционный и химический состав сырья; концентрация модифицирующих добавок; компонента; концентрация исходных компонентов; концентрация связующего; скорость вращения валков центрифуги; уровень термообработки. Неуправляемыми параметрами являются температура окружающей среды и относительная влажность в помещении.

При производстве материалов необходимо обеспечить равномерность распределения добавок с использованием электромагнитного смесителя и взаимодействие компонентов на молекулярном уровне с использованием технологий изготовления под давлением.

Довольно важным аспектом в вопросе решения проблемы улучшения качества изготавливаемой теплоизоляционной продукции считается использование информационно-измерительных систем контроля и управления технологическим процессом производства. Одной из наиболее ключевых операций при производстве является весовое дозирование (ВД) материалов, особенно материалов очень мелкой структуры. Эта операция крайне важна, так как точность дозирования сказывается во многом на качестве и себестоимости итогового продукта [27].

Главными устройствами измерения для процесса ВД считаются весовые дозаторы непрерывного действия (ГОСТ 30124—94) [28]. Минимальное значение допустимого расхода материала равняется 0,4 кг/ч при допустимой погрешности не выше ±2% с учётом времени отбора проб, равным 6 мин. На современном производстве, особенно с началом активного применения наноматериалов в виде добавок при изготовлении новейших композитных материалов, предполагают осуществление ВД при погрешности не больше 1% со временем про-боотбора 5... 10 с.

В случае производства теплоизоляционных материалов предлагается применять существующую систему мониторинга процесса ВД, которая отличается от имеющихся специализированным измерительным каналом. Применение данной системы даёт возможность для измерения расхода сыпучих составляющих материалов в интервале с верхней границей производственной мощности примерно несколько единиц грамм в секунду.

Предложенные способы и системы улучшения ВД, значительно увеличивающие точность дозирования с помощью аналитической процедуры анализа источников погрешностей и возможностей её снижения (например, применение оптического датчика расхода материалов) и алгоритмических выкладок функционирования, защищены значительным числом патентов [29 - 34] и вполне способны к конкуренции.

Факторами, оказывающими наибольшее дестабилизирующее влияние на ИИИС ещё на этапе технологического процесса производства, являются колебания температуры и влажности окружающей среды, контактное сопротивление в месте контакта измерительного зонда и контролируемого материала, изменение ёмкости нагревателя, отдача тепла в месте измерения, изменение позиции элементов приёмника тепла в зонде, а также воздействие шероховатости поверхности материала.

Для обеспечения точности X необходимо учитывать погрешности ИИИС и её составных частей, оказывающих влияние на процедуру контроля параметров технологического процесса. Основным блоком ИИИС, который вносит большую составляющую в погрешность измерения, является усилитель сигналов с измерительных датчиков, в котором присутствует нестабильность выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды, поэтому необходима термостабилизация усилителя.

При эксплуатации ИИИС устанавливают в производственных цехах и для них рекомендуется применять термостатированные кабины, работающие в автоматическом режиме. Причём исследуемые материалы при испытаниях устанавливаются на специальные паллеты на части территории этих кабин. Также возникает необходимость в создании термоконстантных кабин с поддерживанием требуемой температуры. Это достигается за счёт кондиционеров и специальной вентиляции.

ИИИС не должна подвергаться воздействию прямого солнечного света или других источников лучистой энергии. Прочие источники лучистой энергии (например, люминесцентные лампы) по возможности должны быть удалены на некоторое расстояние. Если эти требования по какой-либо причине не приемлемы с практической точки зрения, следует применять не прямые источники света, а пользоваться рассеянным, отражённым светом.

Если в помещении относительная влажность ниже 48%, а температура окружающей среды выходит за рамки диапазона 18...21 °C, то наблюдается резкое ухудшение качества производства минераловатных плит на 10... 15%.

Наружный воздух при низких температурах содержит низкое количество влаги, что является главной причиной понижения относительной влажности воздуха в производственных помещениях в зимний период. Таким образом, влага начнёт интенсивно испаряться из всех компонентов технологического процесса до достижения состояния равновесной влажности, если в помещении не будет установлена специальная система увлажнения воздуха. Это приведёт к несоответствию относительной влажности допустимому значению при производстве минераловатных плит.

Такое явление, как помеха, подразумевает также и внутренние источники шумов, которые появляются из-за термоэффекта и взаимодействия гальванических элементов в местах соединения на участках цепи, из-за теплового шума от разных элементов цепи, из-за своих собственных шумов возникающих среди источников полезных сигналов. Функционирующая ИИИС подвергается воздействию вредного излучения от внешних источников помех. Все описанные выше помехи синтезируют магнитные и электрические поля, которые оказывают влияние (из-за содержания индуктивных, ёмкостных и резистивных связей) на возникновение в разных местах преобразования сигнала паразитной разности потенциалов и просачиванию токов по элементам цепей информационной системы.

Оказываемое действие помех на измерительные преобразователи и итоговые результаты контроля теплофизических свойств теплопроводности теплоизоляционных материалов можно нивелировать с помощью специализированных инструментов и алгоритмов функционирования. Инструментами являются: применение экранирования, заземления, изоляции, настройка показателей суммарного сопротивления схемы, подбор кабеля и т.д. К алгоритмическим способам снижения влияния помех относят: линейную и нелинейную фильтрацию, анализ и тщательный отбор измерений с аномальными показаниями и др.

Для снижения общей составляющей погрешности итоговых показаний измерений при действии температуры окружающей среды применяется автокоррекция результатов измерений с помощью анализа термограмм, полученных экспериментально (при низких и высоких температурах окружающей среды). Коррекция осуществляется автоматически с использованием программных и аппаратных средств ИИИС ДК ТТМ.

Проведён анализ воздействующих факторов на технологический процесс изготовления и контроль теплопроводности теплоизоляционных материалов информационно-измерительной системой допускового контроля теплопроводности теплоизоляционных материалов, в ходе которого были выяснены следующие особенности теплоизоляционных материалов:

  • 1. Для теплоизоляционных материалов важна зависимость теплопроводности от степени кристаллизации и от химического состава материала.
  • 2. Теплопроводность теплоизоляционных материалов находится в зависимости от структуры волокна, в частности от его диаметра и присутствия в составе неволокнистых частиц.
  • 3. Для теплоизоляционных материалов ещё одним аспектом, влияющим на снижение качества изделия, считается содержание в составе материала неволокнистых частиц - «корольков».
  • 4. К управляемым параметрам на этапе технологического производства теплоизоляционных материалов относятся: концентрация исходных компонентов (С), влажность, фракционный и химический состав сырья (FFBCC), концентрация модифицирующих добавок (Сд) (водоотталкивающие и обеспыливающие), концентрация связующего компонента (Сск) (для придания волокну требуемых плотности, прочности и толщины), параметр термообработки (Рт), скорость вращения валков центрифуги (?,,). Неуправляемыми параметрами являются температура окружающей среды ос) и относительная влажность (Гос) в помещении.
  • 5. При производстве материалов необходимо обеспечить равномерность распределения добавок с использованием электромагнитного смесителя и взаимодействие компонентов на молекулярном уровне с использованием технологий изготовления под давлением.
  • 6. Решающее влияние на качество продукции оказывают три фактора - это температура окружающей среды (Гос), концентрация сырьевой смеси (Q и параметр термообработки (Рт) в помещении. Подобный вывод был сделан в результате анализа факторов, влияющих на качество производимых минераловатных плит при использовании современных производственных аппаратов и машин в технологическом процессе, качественных сырьевых материалов и наличии высококвалифицированного персонала.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >