Размещено на http://www.allbest.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ

• Введение
• Глава 1. Технология производства базальтового картона
• 1.1 Технологический процесс получения базальтового картона с использованием горячих газов и воздуха
• 1.1.1 Процесс получения базальтового картона
• 1.1.2 Установка для сушки базальтового картона
• 1.2 Недостатки существующей технологии
• Глава 2. Производство базальтового картона СВЧ способом
• 2.1 Экспериментальные исследования
• 2.1.1 Исследование сушки базальтового картона, пропитанного связующим веществом - ПВА
• 2.1.2 Исследование сушки базальтового картона, пропитанного связующим веществом - глиной
• 2.2 Проект СВЧ установки для изготовления базальтового картона
• 2.2.1 Принцип получения базальтового картона СВЧ методом
• 2.2.2 Проект СВЧ устройства для сушки базальтового картона
• Заключение
• Список использованной литературы

• ВВЕДЕНИЕ
• Современное развитие авиастроения, ракетостроения, строительства и т.д. требует применения новых материалов, отвечающих современным требованиям. Это также касается новых теплоизоляционных и шумоизоляционных материалов. Одним из таких материалов является базальтовый картон. Базальт - это наиболее распространённый природный камень, порода вулканического происхождения, которую можно обнаружить в виде межпластовых тел или потоков лавы, возникших после извержения вулкана. Изготавливают картон из базальтового штапельного (длина, как правило, не более 40 - 45 мм) супертонкого (диаметр 1 - 3 микрона) волокна со связующим веществом.[1,2]
• базальтовый картон сушка свч
• Рис 1. Базальтовый картон, изготовленный при помощи СВЧ сушки
• Картон базальтовый теплоизоляционный используется при обработке участков термического оборудования, чувствительных к высоким температурам, в частности для изоляции печей, общей изоляции трубопроводов, изоляции котлов, заслонок, дверей, котлов-утилизаторов. Листы базальта используются в качестве жаростойкой прослойки между полом и печкой, крышей и трубой, то есть в таких местах, где другие материалы, такие как пенополистирол, пеноплэкс, пенополиуретан недопустимы. Также применяется для изоляции ковшей, миксеров, термобоксов, для накопителей всех видов. Это эффективный теплоизолятор для машиностроения и судостроения. Базальтовый картон используется в составе многослойной конструкции, такой как «сэндвич», собранный из картона и слоев бетона. Может применяться для изоляции стыков в строительных конструкциях разного назначения. Базальтовый картон имеет как достоинства, так и недостатки.[1]
• Таблица 1. Достоинства и недостатки базальтового картона.[3]

Плюсы	Минусы
Очень низкая теплопроводность	Высокая стоимость
Способность выдерживать более 2 тыс. Циклов нагрева/охлаждения	Риск появления щелей между листами картона
Прочность
Простота в раскрое
Долговечность
Биологическая стойкость
Виброустойчивость
Стойкость к термоударам
Паропроницаемость
Высокие огнеупорные качества
Высокая тепло- и шумоизоляция
Удобный и лёгкий монтаж
Защищён от вредителей, таких как грызуны

Рассмотрим на примере технические характеристики распространенного вида базальтового картона БВТМ-К.



Таблица 2. Технические характеристики распространенного вида базальтового картона БВТМ-К.[3]

Свойство	Показатель
Толщина	6 мм.
Длина	1200 мм.
Ширина	600 мм.
Допустимая температура эксплуатации	от - 200? до +1000?C
Плотность	?60 кг/мі
Сжимаемость	20%
Масса органических веществ	5-10%
Влажность по массе	?1%
Горючесть	НГ (негорючий материал)
Коэффициент теплопроводности (25?C)	0,03 Вт/(мхК)
Коэффициент теплопроводности (100?C)	0,04 Вт/(мхК)
Коэффициент теплопроводности (300?C)	0,09 Вт/(мхК)
Коэффициент поглощения звуков низких частот	0,1
Коэффициент поглощения звуков средних частот	0,45

Картон на основе базальта для утепления стен также обладает повышенной устойчивостью к механическим повреждениям. Но, несмотря на это, он довольно эластичный и податливый. Его легко разрезать даже не заточенным ножом, а листам просто придавать нужную форму.[3]

Таким образом, базальтовый картон необходим, как при строительстве объектов, так и в бытовых целях. Но для того, чтобы базальтовый картон обладал рядом преимуществ, которые были выше указаны, необходимо его правильное изготовление.[1]



ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА БАЗАЛЬТОВОГО КАРТОНА

В настоящее время существует множество технологий производства теплоизоляционных и шумоизоляционных материалов. Но многие технологии производства являются не самыми энергоэффективными и экологичными, однако такими технологиями производства до сих пор пользуются. Они не обновляются в силу отсутствия научных знаний человечества, и методы, которые используются, до сих пор приносят вред не только для окружающей среды, но и для людей, которые работают на этом производстве. Следовательно, требования к технологиям производства все более и более ужесточаются, и ученые вынуждены находить новые решения для получения материалов.[4]

Для примера рассмотрим технологию производства базальтового картона с использованием горячих газов и воздуха.

1.1 Технологический процесс получения базальтового картона с использованием горячих газов и воздуха

На сегодняшний день технология получения базальтового картона с использованием горячих газов и воздуха очень устарела и требует модернизации. Производство базальтового картона довольно сложно и имеет ряд критериев, которые необходимо выполнить. Главными из них являются это впитывание связующего вещества базальтовым волокном и его сушка.

1.1.1 Процесс получения базальтового картона

Изготавливают базальтовый картон примерно по той же технологии, что и минеральную вату. На решетчатый ленточный конвейер в зону загрузки рабочие равномерно раскладывают базальтовое волокно. Затем это волокно попадает под валик, который смачивает связующим веществом и прессует для придания меньшего веса. Далее это волокно попадает на определенное время в сушильную камеру, где подвергается термообработке с помощью потоков горячих газов и воздуха, которые идут с камеры раздува и выходят через вентиляционную установку. По окончании сушки базальтовый картон выезжает на конвейере из сушильной камеры в зону разгрузки. В конце этот картон разрезают и упаковывают в полиэтилен.

1.1.2 Установка для сушки базальтового картона

Для сушки базальтового картона требуется установка, включающая в себя решетчатый ленточный конвейер, систему пропитки связующим веществом в базальтовое волокно, газовую горелку, камеру раздува, сушильную камеру, датчики температуры, термометр, манометр, вентиляционную установку.

Каждый компонент этой установки выполняет свои определенные функции. Невозможно обойтись без какого-либо одного компонента, иначе результат получения базальтового картона не получится ожидаемым.

Решетчатый ленточный конвейер выполняет грузонесущую функцию. Как и любой другой конвейер, он имеет зону загрузки, транспортирующую часть и зону разгрузки. Главной особенностью этого конвейера является его температуроустойчивость.



Рис. 2. Решетчатый ленточный конвейер

Система введения связующего вещества в базальтовое волокно представляет собой большой валик, над которым установлена рампа, имеющая на определенном расстоянии небольшие отверстия, так чтобы связующее вещество попадало на этот валик. Одновременно этот валик вращается и пропускает базальтовое волокно путем прессования и смачивания связующим веществом.



Рис. 3. Система введения связующего вещества в базальтовое волокно

Газовая горелка - это устройство для смешения кислорода с природным газом, с целью подачи смеси к выходному отверстию и сжигания её с образованием устойчивого факела. В газовой горелке природный газ, подаваемый под давлением, смешивается в смесительном устройстве с воздухом (кислородом воздуха) и образовавшаяся смесь поджигается на выходе из смесительного устройства с образованием устойчивого постоянного пламени. Газовая горелка выполняет функцию создания постоянного факела.[5]

Рис. 4. Газовая горелка

1 - диффузор; 2 - смеситель; 3 - конфузор; 4 - заслонка; 5 - гайка; 6 - штуцер; 7 - манометр; 8 - сетевая газовая труба;

Камера раздува состоит из металлического каркаса, футерованного огнеупорным кирпичом. В камере происходит сгорание смеси природного газа и сжатого воздуха. Смесь поступает в сушильную камеру, в которой под действием высокой температуры, раскаленной внутренней поверхности стенок камеры и сильной турбулентности газовоздушных струй создается скоростной высокотемпературный поток. Во избежание проскока пламени, задняя стенка камеры представляет собой перфорированную пластину.

Рис. 5. Камера раздува

Сушильная камера представляет собой длинный короб, в котором движется конвейер с базальтовым волокном, пропитанным связующим веществом. Также через эту камеру от камеры раздува до дымоходной трубы идут потоки горячих газов и воздуха. На определенном друг от друга расстоянии установлены датчики температуры, а также установлен манометр.



Рис. 6. Сушильная камера

1 - камера раздува; 2 - сушильная камера; 3 - датчик температуры; 4 - термометр

Термометр - это устройство, которое показывает температуру горячих газов и воздуха, находящихся в сушильной камере. Термометр имеет возможность с помощью переключателя определить температуру горячих газов и воздуха в определенной зоне сушильной камеры при помощи датчиков температуры.

Рис. 7. Термометр

Манометр - устройство, которое показывает давление горячих газов и воздуха, находящихся в сушильной камере. Давление может иметь как положительное, так и отрицательное значение.

Рис. 8. Манометр

Вентиляционная установка предназначена для выхода горячих газов через дымоходную трубу в атмосферу. Чтобы горячие газы уходили только в атмосферу, в вентиляционной установке стоят специальные двигатели. Двигатели пропускают через себя горячие газы, не давая им выйти вместе с базальтовым картоном во внутреннее помещение.



Рис. 9. Вентиляционная установка

1.2 Недостатки существующей технологии

В ходе детального изучения технологического процесса получения базальтового картона с использованием горячих газов и воздуха, были выявлены недостатки существующей технологии.

Одним из главных недостатков можно отнести то, что горячие газы выделяются в атмосферу, тем самым загрязняют окружающую среду. Эти газы приносят вред не только людям, но и природе. В последующем тратится много средств и сил для очистки этих газов из воздуха.

Следующим недостатком является шум на производстве, так как со временем человек, работающий на этом производстве, будет постепенно терять свои слуховые способности.

Кроме того, при сжигании природного газа образуется оксид углерода (СО), который очень вреден для организма человека. Существует специальная установка, которая преобразует оксид углерода (СО) в углекислый газ (СО₂). Однако углекислый газ в меньшей степени вреден для человеческого организма.

Таким образом, можно сделать вывод, что процесс получения базальтового картона с использованием горячих газов и воздуха очень трудоемкий и приносит вред людям и окружающей среде. Следовательно, такой процесс необходимо модернизировать, например, получать базальтовый картон с помощью СВЧ энергии.



ГЛАВА 2. ПРОИЗВОДСТВО БАЗАЛЬТОВОГО КАРТОНА СВЧ СПОСОБОМ

В настоящее время технологический процесс получения базальтового картона включает в себя изготовление полотна картона из базальтовых волокон, пропитку сформованного полотна связующим веществом с помощью водной эмульсии и последующее удаление влаги из полотна. Традиционно сушка базальтового картона производится потоком горячих газов, получаемых от газовой горелки высокой эффективности. Такой способ сушки, подходящий для толщины картона в пределах 4…6 мм, получился, совершенно невозможен для сушки толщин от 15 мм и выше. По этой причине был предложен метод сушки базальтового картона с помощью СВЧ энергии.[6]

2.1 Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования по удалению влаги из базальтового картона, который пропитан водной эмульсией связующего вещества, проводились на образцах картона размерами 140Х140 мм и толщиной 24 мм. Каждый из образцов был набран из шести отдельных листов картона толщиной 4 мм каждый. Начальная масса в среднем каждого из образцов была немногим более 500 г, а масса после сушки - около 0,1-0,2 от начальной массы образца.[6]

Проводились экспериментальные испытания на камерной СВЧ установке лучевого типа мощностью 540 Вт при частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Использовался для равномерности нагрева вращающийся стол с расположенной на нем подставкой из радиопрозрачного диэлектрика. Выбиралась высота подставки, исходя из условия расположения нагреваемого материала напротив излучающего волновода камеры. Схематично установка представлена на рис.10.[6]

Рис 10. Схема установки для экспериментального исследования процесса СВЧ сушки базальтового теплоизолятора.

1 - излучающий волновод; 2 - образец исследуемого материала; 3 - диэлектрическая подставка; 4 - вращающийся стол.

В период проведения эксперимента через одинаковые промежутки времени отслеживались следующие параметры: масса образца, температура внутри и на поверхности образца. Так как отклонение температуры от точки к точке на поверхности картона было малым, в расчет принималась температура в центре площади образца.[6]

Нужно отметить, что исследованиям подвергались образцы, которые пропитаны различными связующими веществами - на основе ПВА и глины.[6]

2.1.1 Исследование сушки базальтового картона, пропитанного связующим веществом - ПВА

Рассмотрим итоги исследования сушки базальтового картона, который пропитан связующим веществом - ПВА. На рис.11 представлены результаты измерений для образца базальтового картона, который пропитан эмульсией связующего вещества на основе ПВА.[6]

Рис. 11. Экспериментальные зависимости изменения температуры и массы образца от времени нагрева (связующее вещество - ПВА):

1 - кривая изменения массы; 2 - кривая температуры в объеме образца; 3 - кривая температуры на поверхности образца.

Можно увидеть из полученных графиков, что образец картона, полностью высушен за 55 мин. При этом его масса изменилась с начальных 570г до конечных 68 г. Поведение температуры образца до 45-й минуты нагрева примерно линейно. И её небольшой спад объяснить можно постепенным выходом воды из объёма, то есть снижением количества основного поглотителя СВЧ энергии в мокром картоне, как раз ответственного за преобразование энергии СВЧ в тепло. Однако, при почти полном обезвоживании образца можно сделать предположение, что основным объектом нагрева становится именно связующее вещество картона, поскольку сами волокна базальта являются радиопрозрачными. Этим объяснить можно резкий скачок температуры после 50-й минуты нагрева. Дальнейший спад строго объяснить не представляется пока возможным, но, предположительно, он связан с преобразованиями связующего вещества, после которых оно перестаёт поглощать СВЧ энергию.[6]

2.1.2 Исследование сушки базальтового картона, пропитанного связующим веществом - глиной

Рассмотрим итоги исследования сушки базальтового картона, который пропитан связующим веществом - глиной. На Рис.12. представлены результаты измерений для образца базальтового картона, который пропитан эмульсией связующего вещества на основе глины.[6]

Рис.12. Экспериментальные зависимости изменения температуры и веса образца от времени нагрева (связующее вещество - глина).

1 - кривая изменения веса; 2 - кривая температуры в объёме образца; 3 - кривая температуры на поверхности образца.

Данные графики показывают изменение веса образца с 510 до 50 г за 40 минут. В данном случае поведение температуры, в отличие от предыдущего образца, имеет иной характер, что, конечно, объясняется наличием другого связующего вещества, а именно, на основе глины. Этим же можно и объяснить и преобладание высокой температуры на поверхности картона по сравнению с температурой внутри объёма после получаса нагрева, то есть после почти полного ухода из образца влаги. Перераспределение максимальной температуры из объёма на поверхность образца связано предположительно с преимущественным поглощением СВЧ энергии приповерхностным слоем картона, пропитанного глиной. Скорее всего, происходит это из-за того, что поток СВЧ энергии встречает сначала на своём пути поверхность образца, а затем проникает в ослабленном виде в объём. Обеднение образца водой, который охлаждает поверхность при своём испарении, как раз могло и проявить такую ситуацию.

Проведённые эксперименты показали довольно высокую эффективность процесса сушки базальтового картона с использованием нагрева в полях СВЧ. Кроме этого, показана допустимость сушки толстых образцов базальтового картона, что невозможно при обычной технологии с применением горячих газов и воздуха. В ходе проведения исследований, однако, было установлено, что скорость потока воздуха, который обдувает поверхность высушиваемого образца, была, безусловно, недостаточной для наиболее эффективного отвода испаряющейся с поверхности воды.[6]

Следовательно, существует возможность существенного улучшения показателей сушки, например, сокращения времени изготовления, что приведёт и к понижению энергетических затрат.[6]

2.2 Проект СВЧ установки для изготовления базальтового картона

Как видно из исследований, СВЧ нагрев имеет ряд преимуществ перед традиционными методами термообработки изделий из базальтового волокна, использующими сжигаемое топливо, а именно:

· Объёмный характер нагрева

· Высокий КПД

· Экологичность

· Безынерционность

· Равномерность

· Высокий темп нагрева

· Минимум коммуникаций

Поэтому, необходимо создать проект СВЧ устройства для сушки базальтового картона.

2.2.1 Принцип получения базальтового картона СВЧ методом

Принцип получения базальтового картона СВЧ устройством похож с принципом получения горячими газами и воздухом. В обоих случаях происходит сушка, но разными способами. Перед тем, как сушить базальтовое волокно в обоих случаях необходимо его спрессовать и смочить связующим веществом. После того, как базальтовое волокно спрессовали и смочили связующим веществом, оно попадает на конвейере в шлюз, и в дальнейшем попадает в СВЧ камеру.

В камере происходит СВЧ нагрев: источник СВЧ испускает энергию, которая попадает в камеру, а затем попадает в материал. Камера изготовлена так, что, если излучение не было поглощено материалом, то оно многократно отражается от стенок и всё же достигает своей цели. Для того чтобы был равномерный нагрев, необходимо генераторы СВЧ расположить в строгом порядке.



Рис. 13. Излучение энергии СВЧ источником

Сушка должна происходить определенное время. После этого базальтовый картон выезжает на конвейере через второй шлюз.

2.2.2 Проект СВЧ устройства для сушки базальтового картона

СВЧ установка содержит 10 СВЧ генераторов, 10 излучателей, металлическую прямоугольную камеру нагрева, два шлюза, в передней и задней стенках камеры выполнены окна приточной и вытяжной вентиляции, закрытые СВЧ фильтрами. Рабочая часть конвейера находится в СВЧ установке.



Рис. 14. Проект СВЧ устройства для сушки базальтового картона;

1- отверстия для СВЧ источников; 2 - камера нагрева; 3 - шлюзы; 4 - окна приточной и вытяжной вентиляции; 5 - фланцы; 6 - материал; 7 - лента конвейера.

Входы линий передачи соединены с выходами СВЧ генераторов, а их выходы - с входами излучателей.

Выходное окно одного из шлюзов соединено с входным окном камеры нагрева, а ее выходное окно соединено с входом второго шлюза.

СВЧ генератор частотой 2450 МГЦ и мощностью 600 Вт выполнен на магнетроне.

Излучатель выполнен в виде открытого конца волновода.



Рис. 15. Источник СВЧ энергии частотой 2450 МГц и мощностью 600 Вт;

1 - волновод; 2 - магнетрон; 3 - высоковольтный выпрямитель; 4 - трансформатор; 5 - предохранитель.

Камера нагрева выполняется из металла, например, из нержавеющей стали. Внутренние размеры камеры должны быть больше габаритных размеров базальтового картона. Картон размещается в горизонтальной плоскости.

Фланец находится между камерой нагрева и шлюзами. Фланец служит для их прочного соединения.

Шлюз выполняется из металла с водяным поглотителем.

Рис. 16. Шлюз и фланец

Ребра замедляющей структуры шлюза могут быть выполнены из металла или диэлектрика.

Трубки с водой для поглощения СВЧ энергии в шлюзах могут быть выполнены из стекла или другого диэлектрика.

Подвижные заслонки шлюза выполняются из металла и крепятся подвижно на горизонтальных осях внутри шлюза.

Вентиляционные окна камеры нагрева выполняются в передней и задней частях камеры нагрева.

СВЧ фильтр вентиляционных окон может быть выполнен в виде металлической сетки, с размерами ячеек много меньше длины волны СВЧ генераторов, или решетки запредельных волноводов.

Лента конвейера выполнена в виде металлической решетки.

Таким образом, представлен проект СВЧ установки для сушки базальтового картона.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, мы выяснили, что базальтовый картон является новым материалом в развитии авиастроения, ракетостроения и строительства.

Базальтовый картон характеризуется наличием высоких тепло- и звукоизоляционных качеств. Он не горит и не отличается способностью поддерживать горение. Базальтовый картон обладает одним из важнейших качеств, присущих для любого эффективного теплоизолятора, он не впитывает в себя влагу из атмосферного воздуха, а значит, не теряет своих свойств даже при эксплуатации в условиях повышенной влажности.[7]

Базальтовый картон можно эксплуатировать в условиях температуры окружающего воздуха до +500°С, при этом, материал без потери своих основных характеристик способен кратковременно выдержать нагрев до температуры +700°С.[7]

Обшивка стен здания базальтовым картоном не снижает величину характеристик паропроницаемости. Материал не подвержен гниению, в нем никогда не заведутся грибки, гнилостные микроорганизмы, грызуны. Базальтовый картон обладает высокой степенью устойчивости к вибрациям и прочим воздействиям механического характера. Также, следует отметить, что данный материал, в сравнении с другими разновидностями утеплителей, обладает весьма солидным сроком эксплуатации.[7]

В этой дипломной работе полученные данные экспериментов позволили создать проект промышленной СВЧ установки лучевого типа для изготовления базальтового картона.

Использование СВЧ установки для сушки базальтового картона обладает рядом преимуществ, по сравнению с использованием горячих газов и воздуха.

Проведенные экспериментальные исследования позволяют утверждать, что СВЧ нагрев является перспективной областью для дальнейших исследований. Решение ряда задач, связанных с обеспечением равномерного нагрева, позволит совершить качественный скачок технологии термообработки, а также найти новые возможности применения СВЧ излучения для нагрева диэлектрических материалов.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Интернет-журнал «Камни!» - 2016 [Электронный ресурс] http://kamni.ws/?p=687.

2. Интернет-журнал «Камни!» - 2016 [Электронный ресурс] http://kamni.ws/?p=40.

3. Область применения базальтового картона - 2017 [Электронный ресурс] https://bazaltovaya-vata.ru/vidy-utepliteley/bazaltovyiy-karton-folgirovanyiy-teploizolyatsionnyiy.html.

4. Лазько Н. Базальтовый картон: применение, характеристики, цена - 2015 [Электронный ресурс] https://www.syl.ru/article/211289/new_bazaltovyiy-karton-primenenie-harakteristiki-tsena.

5. Студенческая библиотека онлайн - 2010 [Электронный ресурс] http://mobile.studbooks.net/1911477/matematika_himiya_fizika/gazovye_gorelki.

6. Мамонтов А.В., Нефедов В.Н. Термообработка теплоизоляционного материала из базальтового волокна с помощью СВЧ-энергии // «Электронная техника» - 2013 - Часть 2 - С.218-223.

7. Области применения базальтового картона - 2017 [Электронный ресурс] http://superarch.ru/materialy/bazaltovyij-karton-primenenie.

Размещено на Allbest.ru

...