СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВОЗДУШНОГО ОБОГРЕВА И УДАЛЕНИЯ ВОЗДУХА ВНУТРИШАТРОВОГО УКРЫТИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В процессе сушки окрашенных корпусных деталей судов отклонение от рекомендуемых температурных режимов приводит к неравномерному и медленному высыханию поверхностей. Решением проблемы является проведение окрасочных работ и сушки готовых изделий в специально оборудованных тентовых помещениях с искусственно поддерживаемой температурой. При отрицательной температуре наружного воздуха для обогрева воздуха внутри шатра в основном используют тепловые дизельные подогреватели (калориферы), которые подбирают в зависимости от площади шатра и температуры воздуха на улице в день покраски и сушки изделий. На платформе SolidWorks разработана численная модель сушильной камеры с крупногабаритной окрашенной деталью. Целью разработки было исследование полей температур, скорости и траектории текучей среды (воздуха). Рассмотрены два варианта размещения вытяжных отверстий для удаления воздуха из тентового шатра: снизу - на расстоянии 1,5 м от пола - и сверху - на расстоянии 1,5 м от верха шатра. Установлено, что при удалении воздуха снизу формируется четко выраженный восходящий поток, собирающийся в верхней части камеры и формирующий более высокую температуру по объему камеры. При удалении воздуха из верхней части восходящий нагретый поток воздуха удаляется, вследствие чего средняя температура во всем объеме камеры понижается. При сравнении траекторий скоростей отмечается, что при удалении воздуха сверху скорость воздушного потока выше, а наблюдение за траекториями температур текучей среды еще раз подтверждает теорию свободной конвекции: при нижнем удалении воздух интенсивнее перемешивается с холодными потоками, создавая более равномерное распределение температур по всему объему сушильной камеры.

Ключевые слова:
шатер, окрашивание, сушка, конвекция, скорость потока, температура воздуха
Текст
Введение Покраска различных частей кораблей проводится в целях защиты корпуса судна от вредных внешних воздействий. Образуя пленку между корпусом и окружающей средой, краска защищает стальные и алюминиевые поверхности от коррозии, стеклопластик от осмоса, дерево от гниения и обветривания, подводную часть от обрастания водорослями и ракушками, а палубу от истирания. Идеальными условиями для покраски считаются температура 10-20 °С, влажность 60-65 % и хорошая вентиляция [1]. Окрасочные работы при отрицательных температурах не предусматриваются производителями лакокрасочных материалов, а в документации указываются лишь допустимые диапазоны температур. Так, например, для судовой эмали марки ЭП-46У, выпускаемой заводом лакокрасочных материалов «СпецЭмаль», рекомендуемый диапазон - 20-30 °С, при этом время высыхания не превышает 18 часов [2]. Отклонение от рекомендуемых температурных режимов приводит к неравномерному и медленному высыханию, что, в свою очередь, ведет к неоднородности цвета и образованию шагрени (шершавой поверхности), на краях краска начнет течь и, как следствие, не затвердеет, что негативно скажется на образовании пленки, адгезии слоев и качестве результата. Напротив, температура выше максимально допустимой негативно влияет на текучесть краски, и могут остаться заметные следы от инструмента. Можно отметить, что производители краски не дают никаких сведений о свойствах лакокрасочного покрытия при отклонении температурных режимов от регламентируемых. Непрерывность производственного цикла судостроительных и судоремонтных предприятий в зимний период связана со значительными финансовыми потерями при любых простоях, в том числе на таком важнейшем этапе судостроительных работ, как окрашивание. Решением проблемы становится проведение окрасочных работ и сушки готовых изделий в специально оборудованных временных или стационарных помещениях с искусственно поддерживаемой температурой. Устройство шатровых укрытий Чаще всего в качестве временных помещений используют шатры из тентов. Материал тента (в основном) - полиэстер PU 190T RipStop, который хорошо отводит воду, не растягивается при намокании, держит форму и не выгорает на солнце. Установка тента не только создает благоприятные условия для сушки лакокрасочных материалов, но и защищает окрашиваемые изделия от пыли, что позволяет краске ложиться естественным способом, и благоприятно сказывается на качестве покрытия. Также необходимо внутри шатра обеспечивать хорошую вентиляцию для испарения растворителя и отвердения краски. Общий вид подобной конструкции представлен на рис. 1. Рис. 1. Сушильная камера на судостроительном заводе «Красные Баррикады» Астраханской области Для обогрева воздуха внутри шатра в основном используют тепловые дизельные подогреватели (калориферы), которые подбирают в зависимости от площади шатра и температуры воздуха на улице в день покраски и сушки изделий. Сами же калориферы установлены за пределами шатра на улице и подают тепло в шатер по воздуховодам. Известна упрощенная методика подбора тепловентиляторов по их мощности для помещений жилого и общественного пользования с учетом высоты помещения до 3 м [3]. На рис. 2 приведены зависимости мощности тепловентилятора от площади обогреваемого помещения. Рис. 2. Номограмма для подбора мощности тепловентилятора Очевидными недостатками методики можно считать то, что неизвестна расчетная температура воздуха в шатре, где именно должен быть установлен тепловентилятор, рабочий диапазон диаграммы существенно меньше параметров сушильных камер судостроительных предприятий. Экспериментальные исследования Для решения задачи подбора калориферов для систем обогрева сушильных камер судостроительных предприятий нами была разработана численная модель сушильной камеры с крупногабаритной окрашенной деталью на платформе SolidWorks. Целью исследования было получение полей температур, скорости и траектории текучей среды (воздуха). Распределение температур на поверхности твердого тела (в нашем случае окрашенной части судна) контролировалось для определения допустимости режимов работы камеры из условия нормируемых параметров сохнущей краски. Экспериментальная установка представляет собой укрытие в виде шатра размером 20 × 30 × 21,5 м, внутри которого на подставках установлена окрашенная часть судна с габаритными размерами 24 × 14 × 10 м. Зазоры между деталью и тентом составляют 3 м. Нагрев воздуха в сушильной камере осуществляется дизельным теплогенератором с вентилятором ВО 06-300-5, размещенным снаружи посередине наибольшей стороны шатрового укрытия. Из условия предельных параметров сушки краски температура воздуха на выходе из вентилятора калорифера задавалась 40 °С. Для удаления загрязненного воздуха в виде паров растворителя, выделяемых при сушке окрашенной детали, предусмотрены два отверстия. Рассматривались два варианта размещения вытяжных отверстий удаления воздуха из тентового шатра: вариант I - отверстия расположены снизу на расстоянии 1,5 м от пола; вариант II - отверстия расположены сверху на расстоянии 1,5 м от верха шатра. При выборе типа задачи учитывались теплопроводность в твердых телах, нестационарность теплового процесса и свободно-конвективное движение воздуха. Температура наружного воздуха принята -10 °С. В качестве текучей среды выбран воздух с температурой 20 °С (по рекомендованным параметрам сушки) и атмосферным давлением. За материал тента принят полистирол, материал окрашенной детали - конструкционная сталь. На внешней стенке рассматривалось граничное условие, заданное коэффициентом теплопередачи, которое, с учетом теплопроводности материала тента, составило 15 Вт/(м2 · К). Параметры окружающей среды, как отмечалось выше, приняты с температурой 263,2 К. На рис. 3, 4 представлены картины распределения температур воздуха внутри сушильной камеры для двух вариантов. Рис. 3. Удаление воздуха снизу (вариант I) Рис. 4. Удаление воздуха сверху (вариант II) Анализ сформировавшихся полей температур показывает, что при удалении воздуха снизу формируется четко выраженный восходящий поток, собирающийся в верхней части камеры и определяющий более высокую температуру по объему камеры. При удалении воздуха из верхней части (как это в настоящее время делается на многих предприятиях) восходящий нагретый поток воздуха удаляется, вследствие чего понижается средняя температура во всем объеме камеры. При очевидных преимуществах нижнего удаления воздуха концентрация паров краски в верхней части шатра неизбежно должна увеличиваться вследствие формирования застойной зоны. Для определения возможности реализации различных схем в отношении удаления паров растворителя из разных частей камеры исследованы траектории и скорости движения воздуха в объеме камеры. Траектории потоков воздуха и параметров потока по скорости и температуре показаны на рис. 5, 6. а б Рис. 5. Траектории потоков воздуха при удалении снизу с изменением скорости (а); температуры (б) а б Рис. 6. Траектории потоков воздуха при удалении сверху с изменением скорости (а); температуры (б) Сравнивая траектории скоростей (позиция а рис. 5, 6) видим, что при удалении воздуха сверху скорость выше. Это связано с тем, что при движении вверх свободная конвекция помогает вентилятору, вниз - мешает. Траектории же температур текучей среды еще раз подтверждают теорию свободной конвекции [4] - теплые потоки воздуха скапливаются сверху, но при нижнем удалении воздух интенсивнее перемешивается с холодными потоками, создавая более равномерное распределение температур по всему объему сушильной камеры. Выводы 1. Нагрев воздуха с помощью теплогенератора с вентилятором ВО 06-300-5 позволяет получить температуру воздуха внутри шатрового укрытия на уровне 20 ± 1 °С. 2. На основании результатов сравнения двух вариантов размещения вытяжных отверстий удаления воздуха из тентового шатра можно утверждать, что при нижнем расположении более эффективно распределяются температуры и скорости воздуха. 3. Аэродинамическое сопротивление камеры и способ отвода воздуха влияет на все ее параметры, что должно учитываться при подборе калориферов.
Список литературы

1. 1. Судовые краски, краска для судов. UPL: spec-emal.ru (дата обращения: 20.12.2016).

2. 2. Эмаль ЭП-46У. ТУ 2312-024-98605321-2007. СПб.: ЗАО «Биохим», 2007. 2 с.

3. 3. Электрические тепловентиляторы. URL: komplektacya.ru (дата обращения: 25.12.2016).

4. 4. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена: учебн. пособие. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.