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

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 °С.

Согласно гигиеническим требованиям к микроклимату производственных помещений по СанПиН 2.2.4.548-96, допустимая температура рабочих поверхностей не должна превышать 29 °С. 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 °С,

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 тепло- и 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 тепло- и 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.

Тепло- и 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 тепло- и шумоизоляции тягодутьевых машин, так как они не обладают достаточной теплостойкостью, которая должна составлять не менее 150 °С.

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 °С. 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 водо- и 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 °С 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 °С прочность жестких ППУ несколько уменьшается, а эластичных возрастает. Например, существует ППУ рабочий диапазон температур которого находится в приделе от минус 200 до плюс 200 °С 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 [6].

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 огне- и 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 [7].

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 °С, 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 [8].

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 °С, 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 [8].

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 тепло- и 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 °С, но при введении модифицированного полиизоцианата может быть расширен до плюс 320 °С.

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 шумо- и теплоизоляционного материала корпусов тягодутьевых машин.

Для разработки шумо- и 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 шумо- и теплоизоляционного покрытия на его основе.

2. Проектирование шумо- и теплоизоляционного материала на основе пенополиуретана