книги из ГПНТБ / Степнов И.Е. Конструирование форм для стеклянных изделий

стекломассы измеряли путем помещения термопар в порцию стек­ ломассы. Прессование осуществляли без прессового кольца. Зна­ чения температуры взяты как средние из шести измерений. По­ грешности вследствие инерции термопар и милливольтметров не

образом, можно предположить, что фактическое изменение темпе­ ратуры происходит более резко.

На I этапе времени температура стекломассы в центре (рис. 42,

(кривая 3). По внешней поверхности матрицы изменение темпера­ туры за цикл прессования весьма незначительное (кривая 4). Тем­ пература формующей поверхности пуансона (кривая 5) за цикл прессования изменяется более интенсивно и с большей амплитудой, чем температура в соответствующих точках матрицы. Последнее обстоятельство является следствием более плотного контакта глад­ кой поверхности тщательно отполированного пуансона с прессуе­ мой стекломассой.

Значительная разница температур поверхностей изделия и мат­ рицы может быть следствием неплотного контакта между ними и возникновением зазора при выдержке изделия в форме. Учитывая погрешности измерений, все же следует считать, что в данном слу­ чае между матрицей и изделием контакт не идеальный.

Примерно такая же закономерность наблюдается в темпера­ турных полях при прессовании других стеклянных изделий. Общей закономерностью является более резкое и интенсивное изменение температур в случае прессования тонкостенных изделий и сглажи­ вание их с увеличением толщин их стенок. При изготовлении тон­

70

костенных изделий контакт стекломассы и формующих поверхно­ стей оказывается более плотным.

В отношении температурного поля по всему объему деталей форм следует отметить, что при установившемся режиме наблю­ дается его выравнивание и по высоте деталей. Конструктивные

промахи влекут за собой резкие перепады по отдельным частям форм.

Из изложенного следует, что практическое осуществление теп­ ловых расчетов становится возможным лишь после определения тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи по контактирую­ щим средам. .

На рис. 43 показана схема теплового баланса пресс-формы конфетницы арт. 2215, изготовленной из серого чугуна СЧ 21-40

X Ю3Вт/м2-°С. Время кон­

такта со стекломассой для матрицы при Ком = 0,65, а для пуансона при Коп = 0,25.

Количество тепла, отдаваемого изделием (см. рис. 43, кривая/), особенно большое на этапах формообразования и фиксации формы. На этапе выдержки в матрице без давления теплоотдача значительно понижается.

Теплоотдача пресс-формы (кривая 2) линейно возрастает во времени.

Аккумуляция тепла деталями пресс-формы наиболее интен­ сивна на этапах формообразования и фиксации формы (кривая 3).

6. Определение коэффициента теплоотдачи

Для определения коэффициента теплоотдачи си от стекло­ массы в стенк'и формы на основании общей теории теплоотдачи можно получить несколько формул.

71

При большей интенсивности теплообмена, т. е. при Ві^>\, ус­ ловный коэффициент теплоотдачи выразится формулой

щей со стекломассой; т — время контакта со стекломассой, с.

Вполне удовлетворительные результаты для практических рас­ четов подучаются при определении коэффициента теплоотдачи из

где Xu Ci, р! — соответственно" глубина проникания тепла, удель­ ная теплоемкость и плотность стекломассы.

Формула получена на основе анализа свойств направляющей точки и условий равенства тепловых потоков для поверхности кон­ такта:

аі ihn hn)---- b ^

Величина коэффициента теплоотдачи гиперболически убывает по мере увеличения времени контакта формующих поверхностей со стекломассой. В расчетах принимают среднее значение коэф­ фициента теплоотдачи за время цикла, определяемое как средне­

ХЮ3 кг/м3. При этих значениях параметров стекломассы и раз­ личных материалах основных деталей форм значения коэффици­ ента аі приведены в табл. 5.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от времени контакта

72

Кривая 2 дает результаты, близкие к фактическим при прес­ совании. Отклонения не превышают ±10%.

С уменьшением толщин стенок изделия теплонапряженность матриц и пуансонов возрастает, что при гиперболическом законе изменения теплоотдачи си и постоянном аз вполне закономерно.

73

При идеальном контакте между поверхностями изделия и фор­ мы тепловой расчет удобно выполнять по удельному тепловому потоку [24], который определяется из выражения

4н — средняя начальная температура формы.

На рис. 45 приведены кривые зависимости величины удельного теплового потока, поступающего в стенки чугунных форм, от вре­

При малых значениях времени контакта величина удельного теплового потока весьма большая, но за несколько секунд резко

324-ІО3 Вт/м2 (280-ІО3 ккал/м2-ч). Для соответствующего времени контакта при прессовании стекла БС-8-17 в чугунную форму имеем расчетное значение 326ІО3 Вт/м2.

В реальных условиях прессования следует учитывать влияние пограничного слоя введением поправочного коэффициента.

При нанесении на формующие поверхности теплоизоляцион­ ных, защитных и смазывающих покрытий в формулу вносится величина термического сопротивления этого покрытия:

1

аі = — = ------------------------- ,

У^___ 2т___^ бпок

b2 КАРі ^ПОК

где блок — толщина слоя покрытия, м; А'ПОК коэффициент теплопроводности покрытия, Вт/м-°С

(ккал/м • ч •°С).

Из формулы видно, что чем толще слой покрытия, тем меньше условный коэффициент теплоотдачи зависит от времени. Кроме того, при окрашенной рабочей поверхности формы а'і не стремится к бесконечности в первый момент, а имеет вполне конечную вели­ чину, равную Япок : бпок-

С помощью формулы можно также учитывать влияние зазора при изготовлении изделий методом выдувания.

74

Определение коэффициентов теплоотдачи со вспомогательных поверхностей форм. Как известно, теплоотдача с поверхности на­ гретого тела происходит конвекцией и лучеиспусканием. Поэтому суммарный коэффициент теплоотдачи определяется как сумма:

а = ас -{- а л,

где ас —коэффициент теплоотдачи соприкосновением; ал —коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием.

Величина а зависит от расположения поверхностей, отдающих тепло, от их вида и температуры.

Коэффициент теплоотдачи ас для свободного движения воздуха или газа обычно определяют по формуле М. А. Михеева [27]

Nu = С (Gr ■Рг)п

где Nu — критерий Нуссельта; Gr — критерий Грасгофа; Яг — критерий Прандтля.

Значения коэффициента С и показателя п выбираются в зави­ симости от произведения СгРг. В рассматриваемых нами случаях значение этого произведения находится в пределах

1013> (G rP r)> 2 - ІО7,

поэтому берется С= 0,135; п =

3

При этих значениях, формула будет иметь вид:

_і_

Nu = 0,135 (GrPrf ,

или

а с = 0,135- у У GrPr,

где %— коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м-°С;

d — определяющий размер детали (для цилиндрических и ша­ ровых поверхностей — диаметр, для плит — высота), м.

С изменением температурного напора коэффициент теплоотдачи соприкосновением изменяется незначительно. Так, например, при

4ов = 200° Сссс~ 10 Вт/м2-°С,

а при tnoB = 400°С etc~ 12,5 Вт/м2-°С.

Формула применима для вертикальных поверхностей. Для верх­ них горизонтальных поверхностей рекомендуется брать значения коэффициента теплоотдачи ас на 30% больше, а нижних (но не контактирующих со столом машины)— на 30% меньше получен­ ного по формуле [27].

В условиях вынужденного турбулентного движения жидкости или газа учитывают характер их движения.

75

Для случая поперечного обтекания одиночных труб воздухом при числе Рейнольдса больше ІО3 можно применить формулу:

0,221 I wd -ф.б

или газа в трубах коэффициент теплоотдачи соприкосновением определяется по формуле:

„,0,8

а = ß —— Вт/м2 • °С. d0-2

В формуле обозначения прежние. Для воздуха с температурой 20, 100, 200, 300, 400, 500 и 600° С значения коэффициента В будут равны соответственно 3,8; 3,26; 2,9; 2,6; 2,4; 2,2 и 2. Для воды с температурой 20, 40, 80 и 100° С значения коэффициента В будут равны соответственно 1940, 2330, 3060 и 3340.

Коэффициент теплоотдачи излучением подсчитывают по фор­ муле теплообмена между двумя серыми телами, из которых одно

риментально суммарный коэффициент теплоотдачи определяется по формуле

а _ C m (t— tn)

F x(t3 — tB)

Величина Cm(t—tH) представляет собой теплосодержание на­ гретого тела. В условиях производства экспериментальное опре­ деление коэффициента теплоотдачи не представляет затруднений и позволяет внести поправки, учитывающие конструктивные осо­ бенности формы, в тепловой расчет,

76

При охлаждении поверхностей деталей пресс-форм водой теп­ лоотдача происходит лишь за счет конвекции, так как тепло­ отдача лучеиспусканием отсутствует.

Величина коэффициент^ теплоотдачи ас для воды в сотни и тысячи раз больше, чем для воздуха, например, при охлаждении

в тяжелых температурных условиях. Обычно их охлаждают водой, подаваемой по специальным каналам.

Представляет большой практический интерес установление за­ висимости коэффициента теплоотдачи от разности температур

охлаждающей среды.

Максимальное значение коэффициента теплоотдачи бывает при пузырьчатом (ядерном) режиме кипения.

Для воды при атмосферном давлении критическое значение коэффициента теплоотдачи а к = 46 500 Вт/м2 К при АГК = 23—27 К.

Критическая тепловая нагрузка

<7к = а кАГк = 1,16-10° Вт/м2.

Наиболее интенсивное охлаждение деталей прес-форм будет происходить в области докритических температурных напоров и тепловых нагрузок [27]. При небольшой скорости движения воды коэффициент теплоотдачи при кипении значительно выше коэф­ фициента теплоотдачи без кипения и практически не зависит от скорости.

Сочетание процесса ядерного кипения с вынужденным движе­

нием воды дает еще большее возрастание коэффициента тепло­ отдачи.

77

Пресс-формы рационально охлаждать горячей водой с паро­ образованием. При этом охлаждение осуществляется более плавно, не вызывая резких перепадов температур по толщине стенок, а следовательно, и резких колебаний напряжений в деталях форм.

При этом способе охлаждения пресс-форм расход воды значи­ тельно сокращается за счет расхода тепла на парообразование

2,25ІО3 кДж/кг (539 ккал/кг).

Количество воды, потребной на охлаждение

_____ С*изб_____ кг, Сі (100-0 + с,

где QII36 — избыточное количество тепла, Дж;

С1 — удельная теплоемкость воды, Дж/кг-°С; Сг — удельная теплота парообразования, Дж/кг-°С.

Весьма эффективным является также охлаждение пресс-форм распыленной водой.

Контактный теплообмен. Детали пресс-форм контактируют между собой, а также с другими деталями стеклоформующих ма­ шин. Как правило, температуры этих деталей различны, а следо­ вательно, между ними происходит теплообмен. Температуры со­ прикасающихся поверхностей двух тел, через которые проходит тепловой поток, будут одинаковы только в случае идеального кон­ такта между ними. В действительности контакт происходит по отдельным точкам (пятнам). В некоторых случаях между контак­ тирующими поверхностями оказывается довольно значительный воздушный зазор, который существенно влияет на термическое сопротивление и величину теплового потока через зону контакта.

Термическое сопротивление фактического контакта зависит от физико-механических свойств контактирующих материалов и ве­ личины давления в зоне контакта. Проводимость контакта ухуд­ шается при увеличении высоты микронеровностей соприкасаю­ щихся поверхностей.

. При малых давлениях сжатия (менее 0,1 Па) и дискретном характере контакта основная часть теплового потока передается через газовую прослойку контактной зоны. При более высоком давлении сжатия основная часть тепла передается через места непосредственного соприкосновения.

Величину термического сопротивления фактического контакта можно ориентировочно оценить выражением

78

(хк — общая термическая проводимость контакта.

Общую термическую проводимость контакта определяют сум­ мированием термической проводимости фактического контакта и термической проводимости воздушной среды ас= Тс :Rz-

При отсутствии контакта металлических поверхностей терми­ ческим сопротивлением микронеровностей пренебрегают и рас­ считывают лишь термическую проводимость (или термическое со­ противление) воздушной прослойки.

Тепловой поток, проходящий через газовую прослойку, обра­ зуется за счет теплоизлучения qR и теплопроводности qT:

q = qn + q-r-

Недооценка влияния контактного теплообмена при проектиро­ вании форм приводит к серьезным нарушениям теплового режима при выработке стеклянных изделий.

7. Тепловой расчет основных деталей форм

Тепловой расчет матриц. Тепловой расчет матриц состоит в сле­ дующем.

1. Определяют толщину стенок и донной части из условий ак­ кумуляции тепла, поступающего от изделия.

2.Определяют время контакта со стекломассой и продолжи­ тельность цикла прессования.

3.Проверяют выбранные размеры по тепловому балансу или

тепловому потоку в трех характерных точках: дно, стенка—-низ

истенка—верх.

4.Определяют коэффициент теплоотдачи аз и устанавливают

способ охлаждения.

5. Определяют необходимую площадь вспомогательных холод­ ных поверхностей по отношению к формующим.

6. Рассчитывают оребрение по формуле

где аПр — приведенный коэффициент теплоотдачи; рс площадь оребренной поверхности.

79