Введение
Процессы сборки металлических конструкций осуществляются по непрерывному циклу, и, когда температура окружающей среды имеет отрицательные значения, останавливать работу неэкономично и нецелесообразно. Для решения проблемы непрерывности производства для каждого из производственных процессов решается задача его реализации путём создания необходимых условий или адаптации оборудования к работе в неблагоприятных климатических условиях.
Одним из этапов металлосборки является окрашивание металлических конструкций с их последующей сушкой, при этом необходимо поддержание температуры, определяемой особенностями краски. Параметры процесса окрашивания и сушки должны соответствовать технологическим требованиям, и их поддержание является необходимым [1].
Длительность процесса сушки и высокая стоимость строительства специальных зданий для окрашивания и сушки краски, в которые необходимо транспортировать металлические модули, имеющие значительные размеры и массу (причём использование этих зданий необходимо только в зимний период), делают нерентабельным такой способ организации окрашивания. Решением этой проблемы стало применение временных укрытий тентового типа, размещаемых на монтажной площадке рядом с местом сборки металлических конструкций.
Анализ технологического сопровождения работы сушильных камер и литературных источников показал отсутствие готовых методов расчётов температурных режимов сушильных камер. Существующие эмпирические зависимости преимущественно описывают теплообмен в щелях неограниченного размера, что не соответствует поставленной задаче [2–5].
Технологический контроль обычно сводится к измерению температур воздуха на входе и выходе из камеры без определения диапазона изменения температур самой камеры и окрашенной детали.
Особенностями временного укрытия являются его большие размеры, малое термическое сопротивление тканевых или полимерных оболочек тента и использование воздушного отопления в виде мобильных калориферов. Кроме подвода теплоты система подачи воздуха решает задачу удаления испарившегося с окрашенной поверхности растворителя. Воздушное отопление характеризуется значительными изменениями температуры теплоносителя (воздуха) из-за его малой плотности и теплоёмкости. В сочетании со значительными потерями теплоты через тонкостенную оболочку проблема стабилизации температурного поля внутри шатра становится особенно сложной.
Управлять процессом сушки возможно изменением мест размещения калорифера и вытяжной вентиляции, тщательным подбором производительности вентилятора калорифера и температуры подаваемого воздуха. Решение этой технологической задачи и стало целью настоящего исследования.
1. Методы исследования. В ходе исследования применялись экспериментальный метод и метод численного моделирования. Численное моделирование позволило исследовать влияние на температурное поле в шатровом укрытии большого числа параметров в их широком диапазоне. Проверка адекватности полученных результатов выполнялась на экспериментальной установке сравнением полученных расчётных данных с измеренными температурами и скоростями движения воздуха в контрольных точках.
2.3D-модель и граничные условия тентового укрытия. Создать необходимые условия для улучшения и ускорения окрашенных металлических изделий можно применив тентовые укрытия с каркасно-тентовой конструкцией. Модель окрасочной камеры тентового типа представляет собой металлический каркас с настилом, выполненным из полиэстера (например, PU 190T RipStop), имеющим устойчивость к солнечным лучам и неблагоприятным метеорологическим условиям (поверхность ткани хорошо отталкивает воду). Положительная температура внутри тентового укрытия поддерживается тепловентилятором, расположенным снаружи и через нагнетательный патрубок подающим тёплый воздух непосредственно в укрытие (рис. 1).
Рис. 1. Схема распределения потоков воздуха в сушильной камере (1 — сушильная камера; 2 — тепловентилятор; 3 — окрашенное изделие; 4 — вытяжное отверстие)
Размеры тентовых укрытий напрямую зависят от размеров окрашиваемых секций судов. Диапазон определяющих параметров шатра обычно составляет 25×25×15 м, а помещаемый модуль имеет размеры в диапазоне 20×20×10 м [6].
При решении задачи формирования температурных полей в тентовом укрытии задавались следующие начальные и граничные условия:
1. Температура внутренней поверхности тента определяется граничными условиями третьего рода, и она ниже температуры воздуха в тентовом укрытии, вследствие чего около ограждающей конструкции возникает свободная конвекция, при которой охлаждаемый стенкой воздух опускается вниз, а подаваемый в пространство между дном модуля корпуса судна и полом тёплый воздух поднимается вверх. Таким образом, в зазоре между боковой стенкой шатра и стенкой корпуса судна формируются два потока воздуха, движущиеся навстречу друг другу.
2. Тепловентилятор, нагревающий воздух, создаёт в тентовом укрытии вынужденное движение воздуха снизу вверх. Причём подача вентилятора калорифера зависит от аэродинамического сопротивления сушильной камеры. Поскольку скорость на входе определяется потерями давления в воздуховоде, на границе может быть задана только главная характеристика самого вентилятора.
3. За материал тента принят полистирол, материал окрашенной детали — конструкционная сталь.
4. Температура воздуха, поступающего из калорифера, задаётся граничными условиями первого рода и составляет по рекомендациям технологии сушки 20°C [7], в выпускных отверстиях воздух имеет атмосферное давление.
5. В тентовом укрытии присутствует сложный теплообмен, который возможно описать граничным условием третьего рода — заданием коэффициентом теплопередачи с учётом теплопроводности материала тента. Коэффициент теплопередачи принят равным 15 Вт/( м²·К).
6. При обтекании окрашенной детали потоком воздуха передача тепла от воздуха к твёрдому телу происходит только на начальном этапе нагрева, а затем при установившемся стационарном режиме теплообмена принимается как граничное условие 4-го рода с равенством температур воздуха и модуля корпуса судна.
7. Выбор схемы подвода и отвода воздуха.
На продолжительность и равномерность сушки оказывает большое влияние система распределения поступающего в камеру нагретого воздуха. По всей камере температура воздуха должна быть достаточно равномерной, только в этом случае высушенные покрытия приобретают необходимые свойства.
Пример тента для индустриального применения на металлическом каркасе
Для выбора оптимальной схемы выполнен сравнительный анализ различных схем сушки детали с одинаковыми параметрами укрытия.
Рассматривались четыре варианта размещения вытяжных отверстий удаления воздуха из тентового укрытия:
- вариант №1 — отверстия расположены сверху на расстоянии 1,5 м от верха тента на стенке приточного отверстия;
- вариант №2 — отверстия расположены сверху на расстоянии 1,5 м от верха тента на противоположной стенке;
- вариант №3 — отверстия расположены снизу на расстоянии 1,5 м от пола на стенке приточного отверстия;
- вариант №4 — отверстия расположены снизу на расстоянии 1,5 м от пола на противоположной стенке.
При удалении воздуха снизу (вариант №4) тёплый воздух поднимается и собирается в верхней части сушильной камеры, тем самым определяя более высокую температуру по всему объёму камеры. При удалении воздуха из верхней части (вариант №2) поднимающийся нагретый поток воздуха удаляется, в результате чего уменьшается среднее значение температуры по всему объёму камеры. Влияющими факторами являются вынужденное движение воздуха от вентилятора калорифера и свободная конвекция, возникающая в результате охлаждения воздуха вблизи внешних стенок шатра. На эти процессы существенное влияние оказывают размеры высушиваемого модуля и самого тентового укрытия.
Несмотря на то, что при нижнем удалении достигается наибольшая температура воздуха, в верхней части тентового укрытия образовывается застойная зона, вследствие чего увеличивается концентрация паров краски. Об интенсивности удаления паров растворителя в разных частях камеры можно судить по характеру распределения скоростей распространения воздуха (рис. 2).
Рис. 2. Распределение скоростей распространения воздуха внутри тентового укрытия
Сравнивая поля скоростей и траектории движения, можно видеть, что при верхнем удалении воздуха скорость выше. Объясняется это тем, что при движении горячего воздуха вверх архимедова сила помогает вентилятору, а вниз — мешает. Траектории же температур воздушной среды ещё раз подтверждают влияние свободной конвекции [8] — тёплые потоки воздуха собираются вверху. При нижнем удалении воздух лучше смешивается с холодными потоками, создавая более равномерное распределение температур по всему объёму сушильной камеры.
8. Энергосбережение в сушильной камере тентового типа. Для снижения мощности тепловентилятора применяется энергосберегающее тентовое укрытие [9].
Стенки тентового укрытия состоят из трёх слоёв: наружного и внутреннего с высоким термическим сопротивлением и среднего с низким термическим сопротивлением, позволяющего утилизировать теплоту вытяжного воздуха в зимний период года (рис. 3).
Рис. 3. Энергосберегающее тентовое укрытие (1 — внутренняя стенка шатра; 2 — внешняя стенка шатра; 3 — средняя стенка шатра; 4 — проём из сушильной камеры; 5 — проём из окружающей среды; 6 — проём к калориферу; 7 — проём в окружающую среду; 8 и 9 — воздушные зазоры; 10 — кровельное покрытие)
Холодный наружный воздух из окружающей среды поступает через проём 5 и направляется через воздушный зазор 8 сверху вниз к проёму 6, получая тепло через стенку шатра 3 с малым термическим сопротивлением. Затем нагретый воздух направляется к тепловентилятору через проём 6, где доводится до требуемой температуры. Одновременно отдавший тепло через стенку 3 воздушный поток из сушильной камеры выбрасывается в окружающую среду через проём 7.
Таким образом, энергосберегающее шатровое укрытие обеспечивает в зимнее время утилизацию внутреннего воздуха окрасочной камеры, уменьшая тем самым мощность тепловентилятора.
В результате численных и экспериментальных исследований получено критериальное уравнение для определения диапазона изменения температур изделия:
где Tmax — максимальная температура изделия; Tmin — минимальная температура изделия; Tкал — температура воздуха из калорифера; Токр.ср — температура окружающей среды;
безразмерный коэффициент; Твн, Тнар и Твент — температуры внутреннего, наружного воздуха и воздуха на выходе из тепловентилятора, соответственно; Ra — критерий подобия Релея; Re — критерий подобия Рейнольдса; H — высота шатрового укрытия; e — зазор между окрашиваемым модулем и полом.
Заключение
В работе исследовано распределение температур по всему объёму сушильной камеры. Нагрев воздуха с помощью теплогенератора позволяет получить температуру воздуха внутри тентового укрытия на уровне 20±1°C. Наряду с этим аэродинамическое сопротивление камеры и способ отвода воздуха влияет на все её параметры, что также требует учёта при подборе калориферов.
Получено критериальное уравнение, позволяющее определить понижение температуры относительно температуры воздуха на выходе из калорифера. Для автоматизации расчёта по полученному уравнению предложена программа для определения параметров воздуха внутри сушильной камеры тентового типа [10].
Экспериментальная проверка полученных зависимостей показала сходимость результатов расчётов с измеренными значениями температур. Погрешность величины температурного напора не превышает 15%.
