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(机械电子工程专业论文)新型高分子仿生功能材料反应器的设计与控制.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
y6 5 43 9 2 新型高分子仿生功能材料反应器的设计与控制机械电子工程专业研究生张春德指导教师韩震宇副教授本文基于高分子仿生功能材料制作工艺的特殊过程与严格要求,设计了一种新型的高分子仿生功能材料反应器,并将化学反应的目标函数与机电控制反应参数相结合,实现反应器加热、冷却一体化及数据采集与自动控制功能,为制作高分子仿生功能材料提供了物质与技术保障,实现仿真人体模型的制作产业化要求。高分子仿生功能材料的制作是一项耗资较大,费时、费力的工作,传统的高分子仿生功能材料的制作是以烧瓶作为反应罐,依靠人工观察和控制各反应参数,严重影响了高分子仿生功能材料的等效性要求。作者将所学机电专业知识与生物医学工程专业相关知识相结合,设计出适合制作高分子仿生功能材料的反应器,简化制作过程的大量重复劳动。并通过计算机严格控制反应过程的温度、压力、搅拌速度等参数,以预控反应的过程、生成物的分子聚集程度、质量密度、电子密度及硬段结构与软段结构的相对比例,从而保证高分子仿生功能材料的宏观与微观特性达到预定要求。本文在对课题进行总结的基础上,全面详细地阐述了研制反应器及测控系统的全过程与各部分原理及各硬件的选型依据。从生物材料的角度,了解其结构与功能的相关性;从化学反应角度,认识影响制作高分子仿生功能材料合成过程的相关因素;从自动控制的角度,给出了选择伺服驱动器的理论依据,剖析了他励直流电动机的基本结构,调速方法及特点,阐述了p w m 调制调速系统的原理,提出了控制电路的改进方法;从实践上给出整个系统的方案设计,对每个环节进行了详细的结构介绍及电路分析,实施路径以及相应的参数指标。从软件的角度,介绍了数据采集与处理原理及软件数字滤波在系统中的应用。高分子仿生功能材料的制作是涉及生命、材料和制造技术的一个新兴交叉学科领域,目前围外均采用原子、分子设计理论及化学工程最优化合成过程,然而国内尚无配套的软硬件设施。由于反应混合物料的密度和传热系数与水相当,并考虑制作高分子仿生功能材料的原材料较为昂贵,作者采用水代替反应混合物料进行模拟实验,数据结果表明,反应器己达到控制要求。鉴于反应混合物料有一定的体积,存在着温度场的不均匀性和梯度变化,本文采用了油浴流动和物料非轴向搅拌,并选用铂电阻温度传感器实现测量反应器内物料上、中、下各点温度的平均值,保证了热场的均匀性和测量的可靠性。本文对高分子仿生功能材料反应器设计的探索,并将化学反应的目标函数与机电控制反应参数相结合,实现反应器加热、冷却一体化及数据采集与自动控制功能,不仅可应用于高分子仿生功能材料的自动化生产过程中,而且在药品生产、化学工程等领域具有广泛的应用前景。关键词:高分子仿生功能材料反应器自动控制d e s i g na n dc o n t r o lo fn e wr y p eo fr e a c t o rf o rm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l sm e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n gc a n d i d a t e :z h a n gc h u n d es u p e r v i s o r :h a nz h e n y uan e wt y p eo fr e a c t o rw a sd e s i g n e db a s e do nt h es p e c i a lp r o c e s sa n ds t r i n g e n tr e q u i r e m e n to ff a c t u r ef o rm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf i m c t i o nm a t e r i a l si nt h i sp a p e r i ti sp r a c t i c a lt h a th e a t i n gm a dc o o l i n ga r eo p e r a t e di no n er e a c t o r , d a t a - c o l l e c t i o na n da u t o c o n t r o la r ea c h i e v e d t h i sm a ys a r i s f yt h et e c h n i q u er e q u i r e m e n to ff a c t u r ef o rm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l sa n di n d u s t r i a l i z a t i o nr e q u i r e m e n tf o rp h a n t o m t h ef a c t u r eo fm a c r o n m l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l si saw o r kw h i c hc o s t sl o t so fm o n e y ,t i m e ,a n dl a b o r t r a d i t i o n a lf a c t u r ef o rm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf i m c t i o nm a t e r i a l s ,w h i c hd e p e n d so nw o r k e ro b s e r v i n ga n dc o n t r o l l i n gr e a c t i o np a r a m e t e r s ,a f f e c t e d e q u i v a l e n tr e q u i r e m e n to fm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l sb a d l y t h er e a c t o rw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e rw h i c h 丘t sf o rm a n u f a c t u r i n gm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l sa n dc o n t r o l sa u s t e r e l yt h er e a c t i o np a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ,p r e s s u r ea n dw h i s kp a c es oa st oc o n t r o lp r o c e s so fr e a c t i o n ,m o l e c u l ea s s e m b l i n gd e g r e e ,m a s sd e n s i t y , e l e c t r o nd e n s i t ya n dr e l a t i v ep r o p o r t i o no fr i g i d i t ys t r u c t u r ea n ds o f ts t r u c t u r eo fr e s u l t a n tm a t t e rb e f o r e h a n d t h ef o l l o w i n ge x p a t i a t e dw h o l ed e v e l o pp r o c e s so fr e a c t o ra n dm e a s u r e & c o n t r o ls y s t e m ,t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n t ,a p p l i c a t i o n ,c u r r e n tg e n e r a lf a c t u r es i t u a t i o no fm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l sa n de n u c l e a t e dt h es i g n i f i c a n c ea b o u ta p p l y i n gm e c h a t r o n i c st e c h n i q u et ot h er e a c t o rc o n s i d e r i n gt h ec o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no f p h a n t o m b e c a u s eo ft h et r a d i t i o n a lf a c t u r ed e f i c i e n c yo fm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l s ,t h ed e s i g ns c h e m ew a sb r o u g h ta c c o r d i n gt ot h eb a s i cr e q u i r e m e n to fd e s i g no fr e a c t o rf o rm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l s t h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fm e a s u r e & c o n t r o ls y s t e mw a sb r o u g h ta c c o r d i n gt ot h ew o r kp r i n c i p l eo ft h er e a c t o ra n dt h em a i nb a s ef o rs e l e c t i n gt y p eo fh a r d w a r ew a se l u c i d a t e d t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cs t r u c t u r e ,m e t h o do fa d j u s tr o t a t es p e e da n dp e c u l i a r i t yo fd i r e c tc u r r e n te l e c t r o m o t o r , e x p a t i a t e dt h ep r i n c i p l eo fp w ma d j u s tr o t a t es p e e ds y s t e m ,a n db r o u g h tt h em o d i f i c a t i o nm e t h o do fc o n t r o lc i r c u i t t h em o d i f i e dc o n t r o lc i r c u i tc a r ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ea d j u s tr o t a t es p e e ds y s t e mw h i c hh a v et w or o t a t es p e e d s t h ep r i n c i p l eo fd a t ac o l l e c t i o n & d a t ad i s p o s a la n dt h ea p p l i c a t i o no fd a t af i l t e rw e r ed i s c u s s e da n dt h ef u n c t i o no fm a i ns o f t w a r em o d u l ew a si n t r o d u c e d t h ef a c t u r eo fm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l si sa ni n t e r s e c t a n ts u b j e c td o m a i nw h i c hi n v o l v e sa n i m a ,m a t e r i a la n dm a n u f a c t u r e t h eo v e r s e a se x p e r t sa d o p ta t o m ,m o l e c u l ed e s i g nt h e o r ya n dc h e m i s t r ye n g i n e e r i n go p t i m i z ec o m p o s i n gp r o c e s s ,b u tt h e r ei sn o tc o r r e s p o n d i n gd e v i c ei no u rc o u n t r y t h ee x p l o r i n go fr e a c t o rf o rm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l sa n dt h ei n t e g r a t i o no ft a r g e tf l m c t i o no fr e a c t i o na n dp a r a m e t e r sc o n t r o l l e db ym e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n gi nt h i sp a p e rm a k ei tp r a c t i c a lt h a th e a t i n ga n dc o o l i n ga r eo p e r a t e di no n er e a c t o r t h er e a c t o ri nt h i sp a p e rc a r lb ea p p l i e di na u t o m a t i z a t i o nm a n u f a c t u r ef o rm a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l s ,i ta l s oh a sc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ed o m a i no fl e e c h d o mp r o d u c t i o n ,c h e m i s t r ye n g i n e e r i n ge t c k e yw o r d s :m a c r o m o l e c u l eb i o n i c sf u n c t i o nm a t e r i a l s ,r e a c t o r ,a u t o c o n t r o l四川i 大学硕士学位论文1绪论1 1 引言仿真人体模型技术,是上世纪世界医学物理和放射物理学界公认的最新进展之一,是生命、材料、信息交叉学科的产物,在放射防护、放射诊断、放射治疗、辐射标准及医学教育等方面发挥了重要作用,并成功应用于医学工程、安全工程、环境工程、军事工程及其它高新技术领域。然而作为仿真人体模型技术发展的物质基础高分子仿生功能材料( 生物、化学仿生) ,除对原材料的成分及比例有特殊要求外,其制作工艺复杂,条件十分严格,如反应的动态温度、压力、搅拌速度、辅剂的浓度等参数都影响化学反应的过程和最终产物的物性。传统的高分子仿生功能材料的制作大都以烧瓶作为反应罐,依靠人工观察和手动控制反应参数,造成产物的不均匀性,严重影响了高分子仿生功能材料的等效性要求,且不可能实现产业化以满足当今社会对仿真人体模型和高分子仿生功能材料的日益增长的需求【2 】。因此,为解决上述问题又立足于现实条件,按照材料合成的要求实现化学工业工程最优化,用较短的流程、较少的能耗以及容易控制反应过程设计出适合制作高分子仿生功能材料的反应器,以预控反应的过程、生成物的分子聚集程度、质量密度、电子密度及硬段结构与软段结构的相对比例和特殊的活性基团的浓度,保证高分子仿生功能材料的宏观与微观特性达到预期要求。本文在导师指导下,运用所掌握的理论知识及实践技能,通过市场调查、实验、分析整理数据,设计出符合上述要求的反应器,并通过计算机精确控制,提高高分子仿生功能材料的等效性、均匀性和仿真人体模型的高度仿生性及满足社会对仿真人体模型的日益增长的需求。在课题中将机电一体化技术应用于复杂的高分子仿生功能材料的制作,给系统的研制带来了一定的难度,同时从某种程度上而言,也使得系统的研制具有一定的创新和先进性,从某种意义上讲,本文在设计高分子仿生功能材料反应器的过程中所体现的思路对于医药生产、化学工程等领域的反应器的设计也具有一定的借鉴作用。1 2 高分子仿生功能材料概述材料、能源、信息是现代科学技术的三大支柱产业。随着材料科学的发展,巴型查堂婴主堂垡笙苎各种性能优良的新材料不断地出现,并广泛地应用到各个领域“。高分子仿生功能材料即“组织等效材料”( t i s s u ee q u i v a l e n tm a t e r i a l s ) 作为一种复合材料是应现代科学技术发展而涌现出的具有极大生命力的材料,是一种在给定的辐射能量范围内,物质相互作用数据,质量密度和化学元素与某一组织基本相同的材料,或一种以密度和有效原子序数尽可能和生物机体相近似的材料“1 。按照国际要求,高分子仿生功能材料组织等效的误差小于5 为a 级,误差小于2 为r 级,大于1 5 的为b 级,b 级替代材料不允许应用于医学工程领域。1 2 1 发展史从伦琴发现x 射线以后,就有人试图用铝箔,石蜡,高磷硅土等代替人体肌肉,从天然物质中寻找与人体组织相似的材料。6 0 年代,英国s t a c e g 等和美国a l d e r s o n 实验室分别推出了t e m e x 和r a n d o 橡胶体模。1 9 8 1 年慕尼黑医疗照射国际会议后,由于大规模的体模( 仿真人体模型) 实验计划在世界范围实施,体模材料形成了5 大系列( 固体、液体、凝胶、粉末和水) 1 6 0 余种,体模产品的种类已达1 8 类,其中高分子固体材料居多“3 。随着科技进步和新技术的涌现,1 9 9 2 年国际辐射剂量单位与测量委员会( i c r u ) 出版了“放射治疗、放射诊断、放射防护体模及计算机模拟”的专门报告,使等效材料及仿真体模由于其巨大的应用价值而进入一个全新的发展阶段。“。因此,在高分子仿生功能材料制作的方法上经历了由寻找天然的替代物,到寻求人工替代物,到按照仿生学原理设计、合成组织等效材料三个过程。1 22 涉及领域高分子仿生功能材料作为与人体组织对辐射衰减,吸收相似的替代物,并伴随着各类仿真人体模型的出现提出了更高的要求,包括最初的辐射等效材料、微波等效材料、超声等效材料、力学等效材料、复合等效材料,每种材料均有不同元素组成、化学组成和结构与功能相关的物理特征。目前国内外均按照有效原子序数法、辐射参数计算法、元素等效法设计与合成新的高分子仿生功能材料。其研制涉及到生命科学、材料科学、放射物理、测试技术等诸多学科领域,并显示了这些学科的交叉与相互促进的趋势 引。它的性能的提高将为各种仿真人体模型的制造提供更好的物质基础,为国内外各领域专家所关注。然而,四川大学硕士学位论文高分子仿生功能材料反应器的优劣将直接影响其结构和性能。因此,设计新的能够满足高分子仿生功能材料制作特殊要求的反应器具有非常重要的意义。1 ,2 ,3 传统制作流程及缺陷传统的高分子仿生功能材料制作是以烧瓶作为反应罐,在烧瓶的上部用夹钳夹着搅拌电机,瓶口由橡胶塞塞住,并在橡胶塞上钻孔用于安放搅拌轴,温度计及真空孔,用放于烧瓶下面的电热炉作为加热器对其进行加温。其工作流程为:加入一种原材料,待加热反应规定的一段时间,温度达到预先给定值,取下橡胶塞及其它附件,加入其它反应原材料或辅剂,然后盖上橡胶塞,继续加热、搅拌、抽真空,待反应结束后,移开电炉,用手托着湿毛巾在烧瓶外使其降温,期间需多次更换湿毛巾,让其快速冷却。在高分子仿生功能材料制作的过程中,工序较多,反应时间较长,在反应期间要加入多种原材料,给传统高分子仿生功能材料的制作方法带来很多操作上的不便,各反应参数如温度、压力、搅拌速度等都由人工观察和手动控制,误差较大,重复劳动较多。由于高分子仿生功能材料必须在高温环境下制作,存在安全因素,更重要的是反应参数不易控制,严重影响了高分子仿生功能材料的等效性要求。另外,由于烧瓶容量有限,每制造一个仿真人体模型需分几次制作同类材料,严重影响了材料的等效性和均匀性,不可能满足产业化要求。1 ,3 课题的背景、研究意义及主要内容1 3 1 课题的背景、研究的依据及意义当今,医疗照射己成为公众接受人工电离辐射的最大来源,约占人工辐照9 0 以上,“辐射危害”为全球所关注【”。国际辐射防护委员会( i c r u ) 规定了“剂量限值”,并要求“一切照射应保持在可以合理达到的尽可能低的水平”。世界卫生组织( w h o ) 建议,提高放射诊断质量,对x 射线摄片质量严格控制和客观评价。在放射治疗中对正常组织要更多的保护,提高病人的生存质量,提出了质量保证和质量控制( q u a l i t y a s s u r a n c ea n d q u a l i t y c o n t r 0 1 ) 的概念【”。广泛的医学界需求使体模从实验室走向临床,需求的多样性促进了系列化、商品化生产l ij 。调查资料表明,欧美各国的医疗中心,9 8 以上采用商品化仿真体模和组织等效材料,满足不同的临床放射实践的需求【”。随着放射技术的不断婴型查兰堡主兰堡丝苎一一进步、病人自我保护意识加强、法制逐步健全、医疗市场的竞争加剧,医用辐射体模将在我国得到广泛的应用,同时也必将加速中国医学现代化进程。然而由第二节论述可知:作为系列化仿真辐照人体模型的物质基础高分子仿生功能材料,传统的制作装置所导致的制作方法存在安全隐患,工人劳动强度较大,严重影响了高分子仿生功能材料的等效性要求,且不能实现产业化道路,在很大程度上阻碍了上述发展的进程。因此,开展设计适合于高分子仿生功能材料制作的反应器是十分必要的,同时也体现了科技以人为本的思想,符合人类的切身利益。1 3 2 本文研究的主要内容针对仿真人体模型的广泛应用,讨论其物质基础即高分子仿生功能材料的发展、应用及目前的制作概况,阐明将机电一体化技术应用于新型高分子仿生功能材料反应器的重要意义。针对传统高分子仿生功能材料的制作过程,讨论设计高分子仿生功能材料反应器的基本要求,提出反应器的总体方案设计,讨论各部分的实现过程及原理。讨论高分子仿生功能材料反应器的工作原理,提出系统测控部分的实施方案,阐明各硬件选型的主要依据。针对高分子仿生功能材料反应器的搅拌速度的要求,提出调速系统的实施方案,分析他励直流电动机的基本结构,调速方法及特点,阐述p w m 调制调速系统的原理,提出控制电路的改进方法。讨论数据采集与处理原理及软件数字滤波在系统中的应用,基于系统的本身结构,提出其工作的软件流程并介绍软件主要功能模块的功能。四j i l 大学硕士学位论文2 反应器设计2 1 基本要求反应器的设计是该课题设计的第一道工序,也是设计该高分子仿生功能材料制作系统的首要环节,其设计质量的高低,将直接影响系统的技术水平和经济效果,更是控制部分能否易于控制的关键。从这方面来说,设计反应器下的工夫愈多,愈加符合客观实际,则其效果愈好。从另一角度讲,反应器的设计属于机械设计范畴,而机械设计对于国民经济的发展具有重要的意义。产品设计是工业发展的命脉,工业革命也必须以设计为中心【9 。因此,本文在设计高分子仿生功能材料反应器时从实际出发,尽可能从以下几方面满足其设计要求:首先考虑对高分子仿生功能材料反应器提出的功能要求,实现便于加热、冷却及易于控制的要求。在此前提下,同时满足使用方便、安全可靠、经济合理、外形美观等各项要求,并尽可能做到体积小、重量轻、能耗少、效率高。在使用方面,基于高温环境下作业的考虑,注意了反应器的操作安全性,简单重复的劳动尽量不由人工操作,维修方便等。在经济方面,从设备费用、产品制造成本等多种因素中综合衡量,以能获得最大经济效益的方案为最佳方案。功能多、适用范围广、自动化程度高,虽然成本高一些,却可能使产品成本( 包括设备、材料、生产费用) 反而降低。反应器外观造型尽量比例协调、大方,给人以时代感、美感吼因此,本文在设计开始阶段,从不同角度构思,很多地方都采用多种方案,然后经过认真反复分析比较后做出决策,从中选择最佳的设计方案。2 2 方案设计2 2 1 总体结构反应器是高分子仿生功能材料制作系统的关键环节,其结构对温度升降时间的控制具有重要的影响,因此,优化传热条件,确定适合反应的加热、冷却方案并实现易于控制的要求,是评价反应器设计优劣的重要依据2 1 。鉴于反应器在高温环境下工作,防止烫伤人,并满足外型美观的要求,在外面设计有不锈钢丝网防护套。为缩短工艺流程,以较少的能耗和容易控制其反应参数,反应器从整体上设计为内锅与外锅两部分,实现加热、冷却一体化功能。如图2 1四川大学硕士学位论文所示。l 一夹套2 一导热油进口3 一冷凝管4 一冷却水进口5 一叶片6 一法兰7 一微型电机8 一搅拌器9 一出料n1 0 导热油出口1 1 一电加热棒1 2 一冷却水出口1 3 一进料口1 4 一搅拌电机图2 1 高分子仿生功能材料反应器2 22 材料选择高分子仿生功能材料反应器需在高温、耐腐蚀条件下使用,且要求外型美观,便于清洗和观察设备内料位高度,因而反应器内锅内壁要抛光至镜面,其余部分抛光达亚光。因此制作它的材料将不同于普通的一般机械产品。在选择材料时,不仅要考虑上述要求,而且要考虑材料易于加工并尽可能用一般常用的材料代替稀有的贵重金属,以降低成本。随着机械制造业的发展,用于制造机械零件的材料品种繁多,其中常用的材料是钢、铸铁、有色金属及其合金,以及某些非金属材料。碳素钢由于价格低廉、生产和加工容易,并且通过改变碳的含量和采取相应的热处理,可以改善性能以满足使用要求,因而被广泛应用于生产中,但碳钢存在一些缺点,限制了它的使用。首先,碳钢的淬透性低,对于直径大的四j ij 大学硕士学位论文零件,即使水淬也难淬透。因此,在整个截面上的性能分布不均匀,这对于性能要求高的大型构件就限制了碳钢的使用。其次,碳钢的强度比合金钢低。另外,合金钢还具有碳钢不能具备的特殊性能,如耐高温、耐腐蚀、高耐磨性等。由于工业生产的不断发展,要求比碳钢具有更高的强度、能耐高温、耐磨和耐腐蚀的金属材料。合金钢在这种情况下便应运而生,它是为了改善钢的组织与性能,有意识地在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素用以提高材料的机械性能所获得的钢种【8 儿。具有耐腐蚀性的金属材料即日常生活中所说的不锈钢,它是指在空气、碱或盐的水溶液等腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢并不是绝对不腐蚀,只不过腐蚀速度慢一些。在同一介质中,不同种类的不锈钢耐腐蚀能力不同。在不同介质中,同一种不锈钢其腐蚀速度也不一样。耐热钢的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两方面性能。金属零件在高温下的氧化是由于金属表面与燃烧气体中的c 0 2 、h 2 0 、s 0 2 等起作用而形成的。当氧化膜不致密时,金属内的铁离子会穿透氧化膜跑到表面参加氧化,当氧化层变得越来越厚时,零件便失去工作能力。另外,处于高温工作的金属零件在恒定应力作用下,随时间的延长会发生缓慢的塑性变形,这种现象称为“蠕变”。由于蠕变的发生会使零件产生过量的变形,甚至断裂,导致零件失效 1 0 1 。可见,高分子仿生功能材料反应器在高温下工作必须具备一定的抗氧化性和热强性。工业中提高耐热性的途径一般是在钢中加入c r 、a l 、s i 等元素,可形成致密的、连续的氧化膜,如c r 、m o 、w 、n i 等元素,可溶入基体强化固溶体,使再结晶温度提高,从而增强钢在高温下的强度。c r 、m o 、w 、v 等元素还可形成硬度高、热稳定性好的碳化物,分布在基体上起到弥散强化作用。综上所述,满足制作高分子仿生功能材料反应器的材料需选择合金钢而不是价格低廉、生产和加工容易的碳素钢,因为合金钢具有碳素钢所不具备的耐高温、耐腐蚀及耐磨性等特点。根据合金钢中所加合金元素的不同作用和现代工业中常用的合金钢及价格等因素,在制作高分子仿生功能材料反应器时选择1 c r l 8 n i 9 t i 作为基本制作材料,它含化学元素c r ,可提高钢的高温强度和抗氧化性,含n i 量较高,可形成稳定的组织,且价格相对便宜,导热系数高及焊接性能良好。叫川大学硕士学位论文2 2 3 盖顶设计为实现高分子仿生功能材料反应器设计美观、大方,盖顶也采用1 c r l 8 n i 9 y i不锈钢制作,上面安装温度、压力传感器,搅拌电机、观察孔、抽气孔等。并将温度传感器安装在靠近盖顶的中心位置,方便测量物料的平均温度。其余元件分别安装在盖顶的两组同心圆上。为防止水蒸汽和其它腐蚀性气体进入压力传感器,在盖顶上设计了一个过滤器。为保证安全性及使用长久性,将压力传感器用一个弯曲的不锈钢管连接。2 3 加热系统在现代工业中,给物料加热的方式很多,如红外线加热,蒸汽加热,电液加热等。基于传热性能及温度控制等要求的考虑,本文采用电加热棒加热反应器夹套内的导热油,然后将热量传给反应器内锅里的物料。2 31 传热原理凡是有温度差的地方,就有热量自发地从高温物体传向低温物体或从物体的高温部分传向低温部分【” 。本文充分利用这一规律实现对反应物料进行加热与冷却。传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。在能源动力、化工制药、材料冶金、机械制造、电气电信、建筑工程、交通运输、航空航天、纺织印染、农业林业、生物工程、环境保护和气象预报等部门中存在大量的热量传递问题,而且常常起着关键作用“。热量传递存在三种方式,即导热、对流和热辐射,它们在制作高分子仿生功能材料时并不单独出现。这不仅表现在互相串联的几个换热环节中,而且有的同一环节也是如此。2 1 3 t 1 导热物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电予等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热( 或称热传导) 。例如,固体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分,以及温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低的另一固体都是导热现象。四川i 大学硕士学位论文气体中,导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。自由电子的运动在导电固体的导热中起着主要作用。在非导电固体中,导热是通过晶格结构的振动,即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现的。晶格结构的振动的传递在文献中常称为弹性波。至于液体中的导热机理,还存在着不同的观点。有一种观点认为定性上类似于气体,只是情况更复杂,因为液体分子间的距离比较近,分子间的作用力对碰撞过程的影响远比气体大。另一种观点则认为液体的导热机理类似于非导电固体,主要靠弹性波的作用【】”。通过对实践经验的提炼,导热现象的规律已经总结为傅里叶定律。考察如图2 2 所示的两个表面均维持均匀温度的平板的导热。图2 2 通过平板的一维导热这是个一维导热问题。对于x 方向上任意一个厚度为出的微元层来说,根据傅里叶定律,单位时间内通过该层的导热热量与当地的温度变化率及平板面积a 成正比,即西:一从堕( 2 1 )疵式中, 是比例系数,称为热导率,又称为导热系数,负号表示热量传递的方向同温度升高的方向相反。单位时间内通过某一给定面积的热量称为热流量,记为,单位为w 。单9四川大学硕士学位论文位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度( 或称面积热流量) ,记为q ,单位为w m 2 。当物体的温度仅在x 方向发生变化时,按照傅里叶定律,热流密度的表示为口:旦:一 里( 2 ,2 )1ad x傅里叶定律又称导热基本定律。式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 是一维稳态导热时傅里叶定律的表达式。由式( 2 2 ) 可见,当温度r 沿x 方向增加时- 3 - 0 ,而q o ,“说明此时热量沿z 减小的方向传递;反之,当车 o ,此时热量则沿x出增加的方向传递。导热系数是表征材料导热性能优劣的参数,即是一种物理参数,其单位为w ( m k ) 。不同材料的导热系数值不同,即使是同一种材料,导热系数值还与温度等因数有关。一般来说,金属材料的导热系数最高;液体次之;气体最小。231 2 对流对流是指由于流体的宏观运动,从而各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流仅能发生在流体中,而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动,因而对流必然伴随有导热现象【1 3 。工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时的热量传递过程,并称之为对流换热,以区别于一般意义上的对流。就引起流动的原因而论,对流换热可区分为自然对流与强制对流两大类。自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的,暖气片表面附近受热空气的向上流动就是一个例子。如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所引起的,则称为强制对流。表面传热系数的大小与换热过程的许多因数有关。它不仅取决于流体的物性( 五、p 等) 以及换热表面的形状、大小与布置,而且还与流速有密切关系。就介质而言,水的对流换热比空气强烈;就换热方式而言,强制对流高于自然对流。2 3 1 3 热辐射物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射1 0四川i 大学硕士学位论文能,其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。自然界中各个物体都不停地向空间发出辐射能,同时又不断地吸收其他物体发出的辐射能。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递辐射换热 1 3 】。当物体与周围环境处于热平衡时,辐射换热量等于零,但这是动态平衡,辐射与吸收过程仍在不停地进行。导热、对流这两种热量传递方式只在有物质存在的条件下才能实现,而热辐射可以在真空中传递,而且实际上在真空中辐射能的传递最有效。这是热辐射区别于导热、对流换热的基本特点。当两个物体被真空隔开时,例如地球与太阳之间,导热与对流都不发生,只能进行辐射换热。辐射换热区别于导热、对流换热的另一个特点是,它不仅产生能量的转移,而且还伴随着能量形式的转换,即发射时从热能转换为辐射能,而被吸收时又从辐射能转换为热能。物体的辐射能力与温度有关,同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。2 3 2 元件与装置2 3 2 1 电加热棒根据对平时所作实验数据的计算、分析,考虑在不同条件下对材料进行加热,影响因素较多,传热过程( 见2 3 3 节) 复杂,理论上不能作出具体的数值计算,因此本文对加热功率的确定采取了留有余量的方式,可根据具体情况控制加热时间。其型号直接选用市场上普通的电加热棒,易于购买和改造。其长度大致为反应器夹套高度的半,可根据制作材料的多少而放入不同量的导热油,节约能源。在夹套中均匀布置六支8 0 0 w 的电加热棒,下边改用螺纹连接,拆卸维修方便,容易实现密封,防止泄露导热油。其电源连接采用等间隔两支一组的并联方式,以适应接触器的三组主触点的连接要求。2 3 2 1 2 导热油在现有工业领域中,需要2 0 0 。c 一3 0 0 。c 温度热源的用热单元很多,从石油化工行业的分馏、裂解、浓缩、反应;纺织、印染行业的热定型、烘干;筑路、建筑行业的沥青熔化、保温、拌和及汽车行业的油漆烘干等等。实践证明,导热油是最理想的获得2 0 0 c 一3 0 0 温度热源的最佳热载体,因此成为提供高分子婴型盔兰堡主堂堡堡苎仿生功能材料反应器热源的有力保证。经过调查,高分子仿生功能材料反应器的热载体选用常州市常成能源设备有限公司w d 型高温导热油,其性能特点如下:( 1 ) 有良好的抗氧化性,在高温工业环境中热稳定性好,使用寿命长( 2 ) 有较低的凝固点及较高的沸点和闪点,使用安全。( 3 ) 无毒、无味、无刺激性气味、无环境污染。( 4 ) 使用时对运行设备及管道无腐蚀性。( 5 ) 粘度适中,不易结焦、结碳,热传导效果好,热效率高。( 6 ) 可在封闭、低压、高温运行状态下满足众多工业领域的需求。2 3 - 2 3 导热油循环装置导热油属于有机化合物,任何有机传热介质在高温下均会产生裂解现象,当在规定范围内合理使用时,裂解速度极慢,但在用热工艺布局不合理以及使用不当情况下,随温度上升裂解速度加快,严重时会产生局部碳化,裂解后会产生低分子有机物,此时油品的闪点和粘度会下降,而这些低分子有机物在高温下又会重新聚合生成高分子有机物,此时油品的闪点和粘度又会有所上升,但是在裂解和聚合的过程中油品的酸值和残炭均会上升,从而影响其热传导性能,降低电加热棒的使用性能,同时也会对设备造成一定的腐蚀。为防止上述情况发生,除选择符合要求的导热油外,本文在反应器夹套油浴中安装推进式螺旋搅拌器,使导热油形成轴向循环,达到均匀传热的目的。如图2 i 所示,在反应器底部角落处设计一支架圆台,在与夹套外壁相连接之处,打有坡口并留出相应的工艺焊缝,把支架圆台牢固地焊接在夹套外壁上。焊口表面加工须符合其工艺要求,没有焊接缺陷,不致因此而渗漏导热油。支架圆台的坡度与搅拌叶片的升角相同,便于导热油在循环转动时,平稳迅速地流动。圆台的直径根据搅拌叶片的安装工艺确定,使之能装配适宜。圆台的高度根据搅拌叶片的转动平面来确定,否则将影响搅拌效率。圆台的下面焊接一与电机相匹配的法兰,以便安装搅拌器的电机。搅拌器中叶片的选择,直接关系到整体的性能和效率。叶片形式采用朴刀形叶片,因为朴刀形叶片的搅拌效率高于其他形式的叶片。叶片的数量选择,考虑轴的受力情况和整体制造情况,采用3 个叶片。因为三叶式对轴的受力状态最好婴型查兰塑圭兰垡丝茎一一并且在一般的转速时,搅拌效率较高。在叶片与轴套连接处焊接加工时,要求无焊接缺陷且圆滑过渡。因为只有圆滑过渡,才能使旋转的液体平稳迅速地流过,不会因表面的加工粗糙而产生涡流,降低其效率。根据夹套的宽度确定导热油的厚度中心线,调整叶片旋转时的横平面中心,使叶片的旋转上平面与导热油的厚度中心线相重合。便于叶片所推出的导热油有循环流动的空间,借助内锅筒弧面向各个方向传递导热油,达到整体循环流动的目的。根据叶片的位置确定支架圆台的高度,其高度使导热油顺利无阻地流到吸入区【2 1i s 。2 3 3 传热过程以上分别讨论了导热、对流和热辐射三种传递热量的基本方式及高分子仿生功能材料反应器中加热系统的元件及装置。这些基本的传热方式并不单独出现,这不仅表现在互相串联的几个换热环节中,而且同一环节也常是如此。在高分子仿生功能材料反应器中,进行热量交换的冷、热流体分别处于固体壁面的两侧。热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另- - n 流体中去的过程称为传热过程。它包括串联着的三个环节:( 1 ) 从热流体到壁面高温侧的热量传递:( 2 )从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递,亦即穿过固体壁的导热;( 3 ) 从壁面低温侧到冷流体的热量传递。在高分子仿生功能材料反应器中,热量传递过程的各个环节的换热方式( 图2 3 ) 如下:室内环境l 对流换热及辐射换热外锅外壁导热外锅内壁l对撒热圈对流换热旧热棒i 对流撼l 导热油h对流换热- i 内锅外壁l 量垫一内锅内壁l 对流换热j 反应物1图2 , 3 高分子仿生功能材料反应器热量传递过程示意图婴型查兰堡主堂堡笙兰一2 4 冷却系统由第一章论述可知,在高分子仿生功能材料制作结束时,需快速冷却降温否则材料将继续反应,使其功亏一篑。2 4 1 冷却装置由导热基本定律( 见2 3 1 节)一怂罢可知,在传递热量和传热介质的热导率( a ) 一定的情况下,增大传热面积( a ) ,单位时间内通过该面积的热量即热流量( 舻) 将增加,从而使降温的滞后时间减少。为实现加热、冷却一体化并使冷却水和导热油分离,在反应器内锅外壁同问距盘曲冷凝管,采用薄壁无缝钢管,并挤压成椭圆形,从而增大传热面积,提高传热速率,并可简化焊接工艺,另外,可使高分子仿生功能材料反应器整体结构更加紧骤,使夹套体积更小,从而使所用导热油减少,节省能耗并易于控制温度的升降时间。2 4 2 载冷剂要实现对材料的快速冷却,除冷却装置的本身结构外,载冷剂也是影响冷却时间的非常重要的因素。载冷剂是间接传热制冷系统中用以传递冷量的中间介质。一般来说,理想载冷剂应具备以下性质【2 1 1 :( 1 ) 在使用温度范围内不凝固、不气化;( 2 ) 比热容大;( 3 ) 密度小,粘度小;( 4 ) 热导率大;( 5 ) 不腐蚀设备,无毒,化学稳定性好;( 6 ) 价格便宜。在选择载冷剂时,尽可能多的满足上述要求,综合考虑环境、经济、安全等多方面因素后,最终选择水作为本设备的载冷剂。在该系统中可通过冷却水的容积、流量和进出口的温差改变冷却系统的总热导率,调整所需的冷却时间。四川大学硕士学位论文2 4 3 焊接工艺前已述及,高分子仿生功能材料反应器底部角落处设计有一支架圆台,其焊接工艺的好坏将直接影响导热油的整体循环性能,冷凝管及其它部分焊接工艺的优劣程度,也是评价高分子仿生功能材料反应器的重要指标。焊接是现代工业生产中不可缺少的一种金属连接方法。它不同于螺钉连接、铆钉连接那些机械连接的方法,其实质是利用加热或加压( 或者加热和加压) ,使分离的两部分金属靠得足够近,原子互相扩散,形成原子间的结合【l 。焊接方法的种类很多,按焊接过程的特点可分为三大类:1 熔化焊它是利用局部加热的方法,把工件的焊接处加热到熔化状态,形成熔池,然后冷却结晶,形成焊缝,将两部分金属连接成为一个整体。2 压力焊在焊接过程中需要加压的一类焊接方法。3 钎焊利用熔点比母材低的填充金属熔化之后,填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种焊接方法。焊接在现代工业中主要用于制造金属结构,如锅炉、压力容器、管道、船舶、车辆、桥梁、飞机、火箭、起重机、海洋结构、冶金设备等,之所以能得到广泛应用,是因为焊接具有一系列优点:( 1 ) 连接性能好焊缝具有良好的机械性能,能耐高温高压,能耐低温,具有良好的密封性、导电性、耐腐蚀性、耐磨性等。( 2 ) 省料省工成本低采用焊接方法制造金属结构,一般比铆接节省材料1 0 2 0 。焊接加工快,工时少,生产周期短。此外,还可采用焊接方法修复已磨损或损坏的机器零、部件,如汽缸、机座、轴等
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