автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование процесса сушки золокерамического кирпича и совершенствование технологии его производства

На правах рукописи

Алоян Срап Мишаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗОЛОКЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА

05.02.13 -Машины, агрегаты и процессы (строительство)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2004

Работа выполнена в ГОУВПО "Ивановская государственная архитектурно-строительная академия".

Научный руководитель — д.т.н., чл.-корр. РААСН, Федосов Сергей Викторович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зайцев Виктор Александрович доктор технических наук, профессор Богданов Василий Степанович

Ведущая организация - Ивановский завод керамических изделий

Защита состоится " 25 " июня_2004 г. в 14 часов

на заседании диссертационного совета

ГОУВПО "Ивановская государственная архитектурно-строительная академия" 153002, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан" 25 и мая 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Изменившиеся в последние годы экономические условия, резкий рост стоимости энергоносителей и сырья, истощение наиболее крупных и легкодоступных месторождений сырья для производства строительных материалов выдвигают на первый план проблему разработки новых ресурсо- и энергосберегающих технологий и использование вторичных минерально-сырьевых ресурсов. В связи с этим возникает необходимость поиска новых дешевых сырьевых источников для производства стеновых керамических изделий. Для этих целей наибольший интерес представляют золошлаковые смеси и зола гидроудаления теплоэлектростанций. Минеральная их часть по химическому и минералогическому составу близка к глинистому сырью, а органическая — позволяет использовать их в качестве топливного компонента шихты, что значительно сокращает расход топлива на обжиг изделий, уменьшает расход исходного сырья и оздоровляет экологическую обстановку в районах золоотвалов.

По существующей технологии получения керамического кирпича в строительной промышленности одной из наиболее важных стадий, определяющих качество продукции и технико-экономические показатели процесса в целом, является сушка.

При возрастающих объемах производства строительных материалов возрастает и роль сушки как технологического процесса. Большинство отечественных предприятий на стадии термообработки использует конвективные сушильные установки, в которых теплота к высушиваемому материалу подводится от нагретого воздуха, циркулирующего внутри установки. Чаще всего сушила работают неэкономично, с высокими значениями удельных расходов теплоты и воздуха. В связи с этим возникает необходимость усовершенствования технологии получения керамических изделий, позволяющей выпускать продукцию необходимого качества в требуемом количестве. Такая

разработка требует теоретического и явлений

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

Л»'

тепло- и массопереноса при сушке керамических изделий, в которых часть глинистого сырья заменена золой ТЭЦ.

Методика расчета сушилок строительной отрасли базируется на тепловых и материальных балансах и применении Y - X диаграммы. - Они дают приближенные результаты и не позволяют решать* проблемы выбора оптимальных режимных параметров процесса сушки.' Методика расчета таких процессов должна базироваться на теории тепломассопереноса, учитывающей не только различие граничных условий, а также изменение теплофизи-ческих и массоиереносных характеристик как сушильного агента, так и высушиваемого материала. На решение этих вопросов и направлена теоретическая часть работы.

Научная новизна диссертации. Предложена математическая модель процесса тепломассопереноса при сушке тел конечных размеров, решенной комбинированным методом, особенностью которого является аналитическое решение краевой задачи тепломассопереноса с последующим привлечением численных методов, позволяющих учитывать изменения коэффициентов переноса и теплофизических характеристик сушильного агента и высушиваемого материала в течение процесса сушки.

Изучены гигротермические и физико-химические свойства золокера-мической шихты при различном содержании золы ТЭЦ в смеси.

, Зональным методом определены коэффициенты тепло- и влагопровод-ности золокерамической шихты, которые представлены в виде эмпирических выражений в зависимости от влагосодержания и температуры материала, количества и гранулометрического состава золы гидроудаления.

Получены критериальные уравнения для расчета коэффициентов внешнего тепломассопереноса. Разработан инженерный метод расчета процесса сушки золокерамического кирпича в туннельной сушилке.

Практическая значимость. На основе изученных гигротермических и физико-химических свойств золокерамической шихты, использовании эмпи-

рических уравнений для расчета тепло- и влагопроводных характеристик, изменяющихся в процессе сушки, и предложенной математической модели разработан метод расчета туннельной сушилки. Выработаны конкретные рекомендации по выбору оптимальных режимных параметров ведения процесса сушки золокерамического кирпича в зависимости от его состава, что позволяет получать изделия с заданными свойствами. Автор защищает:

1. Результаты экспериментальных исследований по сушке золокерамического кирпича в туннельной сушилке с конвективным подводом теплоты.

2. Эмпирические выражения для расчета коэффициентов тепломассоперено-са, полученных зональным методом.

3. Результаты исследований по внешнему тепломассопереносу: критериальные уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи.

4. Математическое • описание взаимосвязанного тепломассопереноса - при сушке тел конечных размеров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: I MHTK "Актуальные проблемы химии и химической технологии - Химия-97" (Иваново, 1997); I MHTK "Экология человека и природы" (Иваново, 1997); НТК ИГАСА (Иваново, 1997, 1999); МНТК IX Бенардосовские чтения "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1999); X МНТК "Информационная среда вуза" (Иваново, 2003).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 4-х опубликованных печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Объем работы - 155 страниц основного текста, включая 60 иллюстраций. Библиография содержит 104 наименования. Кроме того, в приложении содержится 73 таблицы.

Содержание работы

Во введении показана актуальность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ современного состояния теории и практики термической обработки керамических изделий в конвективных сушилах стройиндустрии.

Наибольшее применение в. сушильной технике имеет конвективный метод сушки. Использование нагретого газа в качестве сушильного агента, который одновременно является теплоносителем и влагоносителем, обуславливает сравнительную простоту конвективных сушилок. Обычно для обезвоживания пластинчатых материалов в строительной индустрии используют туннельные сушила. Сушила работают по принципу противотока: вагонетки движутся в одном направлении, а воздух - навстречу. Методики расчета таких устройств базируются в основном на тепловых и материальных балансах с применением У - X диаграммы влажного воздуха, дающих приближенные результаты, и не позволяют решать проблемы выбора оптимальных режимных параметров процесса сушки. Используемые для расчетов математические модели описывают кинетику удаления свободной влаги или, в лучшем случае, учитывают влияние теплопереноса в теплоносителе на скорость удаления влаги из материала. Без учета реального распределения влаги и температур в высушиваемом теле невозможно проводит точные расчеты процессов сушки.

На основании анализа опубликованных данных сформулированы конкретные задачи диссертационной работы, заключающиеся в изучении гигро-термических и физико-химических свойств золокерамической шихты, определении коэффициентов внутреннего и внешнего переноса теплоты и массы вещества, экспериментальной проверке математической модели процесса

сушки тел конечных размеров, учитывающей реальные распределения влаги и температуры внутри высушиваемого тела.

Во второй главе излагаются экспериментальные данные по изучению внутренней пористой структуры золокерамической шихты различного состава.

Наиболее рациональным для исследования внутреннего пористого строения влажного материала является адсорбционный метод. Этот метод по экспериментально полученным изотермам сорбции-десорбции позволяет определить влагосодержание тела, находящегося в термодинамическом равновесии с газом. Характер изотерм дает возможность оценить особенности строения тела с учетом связи влаги с материалом, влияние пористой структуры на протекание внутренней диффузии влаги и пара. Золокерамиче-ская смесь состоит из распределенных частиц золы с фиксированной капиллярно-пористой внутренней структурой и чисто коллоидных телом — глиной. Перенос влаги в таком теле происходит как через микропоры, образующиеся в самой глине, так и по системам пор в частицах золы, поэтому кривая десорбции такой смеси на диаграмме в координатах ф — Ц располагается между изотермами десорбции глины и золы. Т.е. тело обладает свойствами капиллярно-пористых и коллоидных тел. При сушке коллоидных капиллярно-пористых тел, эластичных тел явление усадки приобретает большое значение в анализе формы кривой сушки. Если стенки капилляров эластичны, то при увлажнении размеры капилляров увеличиваются, а при сушке - уменьшаются. В этом случае, благодаря большей усадке поверхностных слоев, капилляры тела становятся кони-

ческими, обращенными узкими концами к поверхности тела. Жидкость по такому коническому капилляру будет перемещаться к поверхности тела. В таких телах влага в основном связана капиллярными и осмотическими силами. По существующей классификации влажных тел зологлиняную шихту можно отнести к материалам с микрокапиллярной структурой (г < 10*7 м).

Количественными характеристиками процессов сушки являются коэффициенты переноса теплоты и массы вещества в теле влажного материала. Эффективные коэффициенты переноса массы и теплоты определяли зональным методом. Для этого были экспериментально сняты кривые кинетики сушкии = 1Т(т)и 1„ = £(т).

Весь диапазон изменения

влагосодержания и температуры разбивался на "m" зон, в которых предполагалось постоянство коэффициентов переноса. Эффективный коэффициент массопроводности рассчитывался по известным выражениям, и эффективный коэффициент теплопроводности определялся из теплового баланса ьтой зоны на кривой кинетике сушки с использованием температурных кривых. Аппроксимация результатов эксперимента позволила получить следующую зависимость для расчета эффективного коэффициента массопроводности:

О —I—'—' ■ ' '—■ ■ ■ ' О 1 23436789 10

т, МИН

Рис. 2. Кинетика сушки зологлиняной шихты. Содержание золы 7,5 % масс.

Для расчета эффективного коэффициента теплопроводности

К=А+В-(и-1)2 +с-[1п((У-*)]2, (2)

где А, В, С — величины, зависящие от температуры газа, количества и эквивалентного диаметра золы в шихте.

Учитывая, что удельная теплоемкость и плотность влажных материалов линейно зависят от влагосодержания, эффективный коэффициент температуропроводности определяли по известной формуле: X

а = -

с-р

Третья глава посвящена исследованию процесса сушки золокерамического кирпича в туннельной сушилке.

При сушке капиллярно-пористых тел наблюдается постепенное углубление золы испарения внутрь тела. Температура поверхностей золокерамиче-ского кирпича непрерывно возрастает. При этом постоянно уменьшается доля свободной поверхности испарения. Возрастает влияние внутридиффузи-онного сопротивления переносу влаги внутри материала. После прогрева материала лобовая часть образца и его верхняя грань обезвоживаются. Влажность этих поверхностей становится меньше гигроскопической, и интенсивность сушки падает. Толщина высохшей части поверхностей различна: на ло-

бовой части толщина высохшего черепка больше, чем в кормовой и боковых гранях, что свидетельствует о более интенсивном росте температуры лобовой грани кирпича. Углубление золы испарения рассчитывают по выражению

(3)

где и» и, - наличное и текущее значения влагосодержания образца; Ь = У/Б - приведенная толщина тела; V — объем параллелепипеда; Б - поверхность тела.

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к высушиваемому об-

разцу рассчитывали из теплового баланса ьтой зоны кривой сушки и температурной кривой, считая, что теплота, подведенная конвенцией к поверхности тела, расходуется на нагрев материала и испарение влаги.

Экспериментальные данные обработаны в виде критериального уравнения с учетом углубления зоны испарения:

Л/и = 0,65 • Ле0'5 Й +1,55 -КГ-Яе

(4)

коэффициента массоотдаяи представлены уравнением:

Полученные значения

БЬ = 0,722 • Ке0,5 (1 +1,43 • 10-4 -Ке^'25

0,845

(5)

Исследование процесса сушки золокерамического кирпича проводилось в лабораторной туннельной сушилке, схема которой представлена на рис.8.

Анализ результатов эксперимента показывает, что температура по-верхпости образца различна. Максимальное значение имеет лобовая поверхность, в то время как боковые и кормовая грани имеют температуру несколько ниже. Это свидетельствует о том, что теплоотдача от теплоносителя к поверхности образца изменяется в зависимости от того, как расположена по отношению к потоку теплоносителя.

Рис. 8. Схема экспериментальной установки а) вид сверху; б) вид сбоку:

1 -туннельная сушилка; 2 - образцы в форме параллелепипеда; 3 - весовое устройство; 4 - потенциометр; 5 - термопары

Анализ кривых кинетики сушки золокерамического кирпича показывает, что для достижения необходимого конечного влагосодержания необхо-

димо различное время сушки. Чем меньше золы содержится в шихте, тем продолжительнее процесс удаления влаги. Уменьшение эквивалентного размера золы с одновременным увеличением ее количества приводит к сокращению времени сушки. При этом увеличение количества золы в шихте уменьшает усадку образцов, при сушке которых не происходит закупорива-

Если при сушке чистой глины линейная усадка образцов составляет 15%, то при введении в шихту золы этот показатель уменьшается на 5 - 10%. Уменьшается также и объемная усадка образцов при увеличении количества золы в шихте. Так, например, для шихты с золой d3KB. = 325 мкм объемная усадка уменьшается с 25% до 2%, при увеличении золы в шихте с 7,5% до 30%.

Основным критерием качества кирпича является его прочность на сжатие и изгиб.

7,5 15

22,5 30

Рис. 11. Линейная усадка образцов

Испытаниям подвергались образцы, обожженные при температуре 950°С. Опыты показывают, что прочность образцов снижается с увеличением эквивалентного размера золы и ее количества в шихте. Наибольшей прочностью обладают образцы, в которых присутствует зола с эквивалентным размером 28 и 90 мкм.

В этой же главе приводятся выражения для расчетов коэффициентов тепло- и температуропроводности обоженных образцов, определенные нестационарным методом, в зависимости от содержания золы в шихте и температуры. Так, для образцов с введенной в них золой с с^ци, =28 мкм получены следующие уравнения:

а.=(0,3036-1,56 -ю

<)4

(6)

а = (8,25• Ю-6 -1,863• ИГ11 • х)+ \5Д9• 10"14 + 0,53Ы0~14 -х)-1Л. (7)

Результаты экспериментальных исследований по сушке золокерамиче-ского кирпича с различным составом показали, что наиболее рациональным

технологическим режимом ведения процесса является: скорость теплоносителя - 2 - 2,5 м/с; температура теплоносителя - 150 200°С.

п-8

п.—1 1

•м

14

При этих режимах образцы не подвергаются короблению и растрескиванию.

В четвертой главе излагается математическая формулировка и решение задачи тепловлагопереноса для тела конечных размеров при граничных условиях третьего рода. Математическая формулировка задачи состоит из дифференциальных уравнений теплопроводности:

и массопроводности:

Необходимо найти распределение температуры и влагосодержания в

теле:

I = ^х,у,гд); и = ф(х,удт).

(20) (21)

Искомую функцию можно представить как произведение трех функций, каждую из которых можно написать на основании решения уравнения для неограниченной стенки, если считать параллелепипед как пересечение трех стенок. Искомая гЬункттия имеет вил:

"тМ"

т =

0 =

[тМ] Гт(у,х)1

1. Т0 ] 1 То ] 1.

Г®М" р

1. ©О ] 1 ©о .

о . ®

о .

(22) (23)

В этих условиях для создания математической модели и разработки на ее основе инженерного метода расчета воспользуемся комбинированным методом, сущность которого заключается в следующем.

Время всего процесса сушки разбивается на ряд элементарных микропроцессов ДТ|. Тогда в пределах ьтого микропроцесса коэффициенты переноса и теплофизические свойства материала можно считать неизменными. Для каждого микропроцесса распределение полей влагосодержаний и температур будет подчиняться уравнениям взаимосвязанного тепломассопереноса с постоянными коэффициентами и неизменными граничными условиями. При этом в качестве начальных условий к задаче в ьтом микропроцессе следует брать конечные распределения влагосодержаний и температур, полученные в результате решения задачи для @ - 1)-го микропроцесса. Таким образом, зная из экспериментальных исследований зависимость теплофизиче-ских свойств материала от температуры и влагосодержания, можно проследить изменение полей влагосодержания и температур материала по длине сушила.

В соответствии с этими представлениями перенос теплоты и влаги на шаге расчета может быть охарактеризован следующей системой уравнений:

сН(х,г)_ Э^х/с) --" — &--—, '

дт дх

1(х,0) = 1о (25)

0йх<к (24)

^ = 0 (26) дх

а[1с-^,т)]=^%) + р.ДР.г (27)

ох

= 0йхйК (28)

9и(х,т) __ 82и(х,т) — К~ 11 *

дт дх

и (х,0) = ио (29)

5иМ = ()

дх

(30)

р[ис-и(К,х)]=-К^1) (31)

их

Решая краевые задачи методом интегральных преобразований Лапласа, получены решения теплообменной и массообменной задач для больших и малых чисел Фурье:

е(%>р0)=1^М = Р(1 + 2В1(1-Рс1).£ Соз(цп-х)-ехр(-цп2-Ро) 0(х,Ро)=1 - (1 - Р<1)- егй^Л - ехрЬ(1 Т х)+В^ • Бо]х

г Л ™

е(х,Тоа)=2Вга ■ £ Соз(ци-х).ехр(-ци2.Еот)

1Тх

0(х,РОш)=-1-ейС -exp[Bim(lTx)+Bim.FOm]>

хеШБ1ш>/Рл +

1Тх

2^)

(36)

Р-ДРт а(^-1)

Пятая глава посвящена разработке алгоритма расчета процесса сушки тел конечных размеров в туннельной сушилке, проверке адекватности математического описания реальным физическим процессам, протекающим в аппарате, выдаче рекомендаций к промышленному освоению результатов исследований.

В диссертации приведена блок-схема математической модели. Решение модели дает полную информацию об изменениях температур, влагосо-держаний и других параметров взаимодействующих фаз. В качестве примера на рис. 14 приведены результаты расчета, характеризующие изменение средней температуры образца в процессе сушки. Здесь же представлены экспериментальные данные.

Совпадение результатов расчета температуры материала с опытными данными подтверждает адекватность математической модели реальным физическим процессам. Таким образом, результаты научных исследований по сушке золокерамического кирпича в лабораторных условиях и разработанное математическое описание процесса обезвоживания могут быть рекомендованы на предприятия строительной ин-

дустрии для практического использования.

19

Заключение

1. Проведенные исследования по изучению внутренней пористой структуры зологлиняной шихты различного состава адсорбционным методом позволяют констатировать, что на процесс удаления влаги значительное влияние оказывают количество и гранулометрический состав введенной в шихту золы.

2. Получены эмпирические выражения для расчета эффективных коэффициентов тепло- и массопроводности, учитывающих количество, эквивалентный размер золы в шихте, влагосодержшше и температуру материала.

3. Экспериментальные исследования по сушке золокерамического кирпича позволили получить эмпирические уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи.

4. При исследовании процесса сушки золокерамического кирпича в туннельной сушилке выявлены наиболее рациональные режимные параметры ведения процесса: температура теплоносителя на. входе в сушило t = 150 -=- 200°С, скорость движения теплоносителя 2 2,5 м/с.

5. Испытания высушенных обожженных образцов на прочность при изгибе и сжатии показали, что наибольшими показателями обладают изделия, имеющие в своем составе золу с эквивалентным размером 28 мкм.

6. Определены теплоизоляционные характеристики "получаемых изделий.

7. Приведенное математическое описание процессов тепло- и массопе-реноса в телах конечных размеров позволяет проследить изменение полей влагосодержаний и температур в теле по мере продвижения изделия по длине сушила. Это дает возможность оптимизировать весь процесс сушки, учитывая изменяющиеся условия, и получить полнотелый облегченный кирпич с улучшенными теплоизоляционными свойствами.

\{х,у,2.,т)\ и(х,у,г,т) - функции, определяющие поля температур и вла-госодержаний в теле конечных размеров; а, к - коэфбщшеАпфгемпературо-и массопроводности, м/с; а,\ ¡3-коэффиц^ЯЫ ^1ш>отдачи, теплопроводности и массоотдачи, Вт/м2-к, Вт/мк; м/с; Р0 = а-т/К2 — теплообменный критерий Фурье; Р0т - массообменный критерий Фурье; В; =

В] = - теплообменный и массообменный критерий Био.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Федосов СВ., Сокольский А.И., Алоян СМ. Разработка технологического оборудования и исследование новых композиционных строительных материалов // Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы в дисперсных средах".- Иваново, 2002. - С. 82-85.

2. Алоян СМ. Изучение внутренней пористой структуры золокерамиче-ской шихты // Материалы X МНТК "Информационная среда вуза". - Иваново, 2003.- С.358-361.

3. Федосов СВ., Сокольский А.И., Алоян СМ. Тепломассопереносные характеристики зологлиняной шихты // Материалы X МНТК "Информационная среда вуза". - Иваново, 2003. - С 349-353.

4. Федосов СВ., Сокольский А.И., Алоян СМ. Внешний тепломассообмен при сушке золокерамического кирпича // Материалы X МНТК "Информационная среда вуза". - Иваново, 2003. - С. 353-358.

Формат бумаги 60x84 1/16. Печать плоская. Печл. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 687

153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20. Тираж отпечатан на мини-типографии филиала СЗАГС в г. Иваново

И ПРАКТИКИ и расчета

Введение

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ СУШКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

1.1. Технология сушки керамического кирпича;

1.2. Закономерности переноса влаги в твердой фазе.

1.3. Методы математического моделирования тепломассопереноса в процессах сушки;

1.3.1. Экспериментально - теоретические методы анализа процессов сушки.

1.3:2;. Дифференциальные уравнения сопряженного; тепловлагопереноса.

1.3.3. Методы решения задач тепломассопереноса.

1.4. Зональный) метод определения тепломассопереносных характеристик влажных тел в строительной индустрии;

1.5. Некоторые аспекты использования * золы гидроудаления в строительной индустрии,

1.6. Постановкам задач теоретического и эксперементального исследований процессов сушки тел конечных размеров на основе глина-зола.

Глава 2 ГИГРОТЕРМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗОЛОКЕРАМИЧЕСКОЙ ШИХТЫ;

2.1. Определение внутренней пористой структуры золокерамическойj шихты.

2.2. Определение теплофизических и массопереносных 52 характеристик влажной зологлиняной шихты.

ГлаваЗ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ

ЗОЛОКЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА.

3; 1. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при: сушке * 78 керамического кирпича.

3.2. Исследование процесса: сушки: золокерамического кирпича в лабораторной туннельной сушилке.

3.3; Обсуждение результатов исследования.

3.4. Прочностные и усадочные характеристики высушенного материала;

3.5. Определение коэффициентов тепло- и температуропроводности готовых изделий.

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВЗАИМОСВЯЗАННОГО ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ТЕЛЕ КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ,

4;1. Общие физические представления.

4.2. Решение краевой задачи тепловлагопереноса в неограниченной пластине.

4.3. Анализ полученных решений.

Глава 5. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА 135 ПРОЦЕССА СУШКИ ЗОЛОКЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА.

5.1. Задачи расчета.

5.2. Блок - схема алгоритма математического описания процесса 136 термообработки золокерамического кирпича в туннельной сушилке.

5.3. Численный эксперимент процесса сушки тел конечных размеров 139 в конвейерно-поточной сушилке и проверка адекватности математического описания.

5.4. Рекомендации для практического использования результатов 142 исследований.

Изменившиеся в последние годы экономические условия, резкий рост стоимости энергоносителей и сырья, истощение наиболее крупных и легко доступных месторождений сырья, истощение наиболее крупных и легко доступных месторождений сырья для производства строительных материалов выдвигает на первый план проблему разработки новых ресурсо- и энергосберегающих технологий: и использование вторичных минерально-сырьевых ресурсов. В связи с этим возникает необходимость поиска новых дешёвых сырьевых источников для производства стеновых керамических изделий. Для этих целей наибольший интерес представляют золошлаковые смеси и зола гидроудаления теплоэлектростанций. Минеральная их часть по химическому и минералогическому составу близки к глинистому сырью, а органическая - позволяет использовать их в качестве топливного компонента шихты, что значительно сокращает расход топлива на обжиг изделий, уменьшает расход исходного сырья и оздоровляет экологическую обстановку в районах золоотвалов /1/.

По существующей технологии получения керамического кирпича в строительной промышленности одной из наиболее важных стадий, определяющих качество продукции и технико-экономические показатели процесса в целом, является сушка /2-4/.

При возрастающих объемах производства строительных материалов возрастает и роль сушки, как технологического процесса. Большинство отечественных предприятий на стадии термообработки используют конвективные сушильные установки, в которых теплота к высушиваемому материалу подводится от нагретого воздуха, циркулирующего внутри установки. Чаще всего сушила работают неэкономично, с высокими значениями удельных расходов теплоты и воздуха. В связи с этим, возникает необходимость усовершенствования технологии получения керамических изделий, позволяющей выпускать продукцию необходимого качества в требуемом количестве. Такая разработка требует теоретического и экспериментального изучения явлений тепло- и массопереноса при сушке керамических изделий, в которых часть глинистого сырья заменена золой ТЭЦ.

Методика расчета сушилок строительной отрасли базируется на тепловых и материальных балансах и применении у - х диаграммы. Они дают приближённые результаты и не позволяют решать проблемы выбора оптимальных режимных параметров процесса сушки. Методика расчёта таких процессов должна базироваться на теории тепломассопереноса, учитывающей не только различие граничных; условий, а также изменение теплофизи-ческих и массопереносных характеристик, как сушильного агента, так и высушиваемого материала. На решение этих вопросов и направлена теоретическая часть диссертации.

Целью данной работы являлось: разработка математической модели процесса взаимосвязанного тепло - и массопереноса при сушке золокерами-ческого кирпича в туннельной сушилке; определение наиболее приемлемого количественного соотношения глина - зола; исследование влияния гранулометрического состава золы, введённой в шихту; нахождение рациональных параметров ведения процесса; экспериментальное определение коэффициентов, характеризующих внутренний и внешний перенос теплоты и массы; выдача рекомендаций к промышленному использованию результатов исследования.

Исследования проводились в соответствии с координационным планом НИР по направлению 2.27 «Теоретические основы химической технологии » на 2001-2005 гг. Раздел 2.27 2.8.6. «Исследование гидродинамики и тепломассообмена в комбинированных агрегатах для сушки органических и неорганических продуктов».

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложена математическая модель процесса тепломассопереноса при сушке тел конечных размеров, решённой комбинированным методом, особенностью которого является аналитическое решение краевой задачи тепломассопереноса с последующим привлечением численных методов, позволяющих учитывать изменения коэффициентов переноса и теплофизических характеристик сушильного агента и высушиваемого материала в течении процесса сушки.

2. Изучены гигротермические и физико - химические свойства золокерамической шихты при различном содержании золы ТЭЦ в

3. Зинаиьным методом определены коэффициенты теплопроводности и влагопроводности золокерамической шихты, которые представлены в виде эмпирических выражений в зависимости от влагосодержания и температуры материала, количества и гранулометрического состава золы гидроудаления.

4. Получены критериальные уравнения для расчета коэффициентов внешнего тепломассопереноса.

5. Разработан инженерный метод расчёта процесса сушки золокерамиче-ского кирпича в туннельной сушилке.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментальных исследований по сушке золокерамиче-ского кирпича в туннельной сушилке с конвективным подводом теплоты.

2. Эмпирические выражения для расчета коэффициентов тепломассопереноса.

Результаты исследований по внешнему тепломассопереносу; критериальные уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи. Математическое описание взаимосвязанного тепломассопереноса при сушке тел конечных размеров.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенные исследования по изучению внутренней пористой структуры зологлиняной шихты различного состава адсорбционным методом позволяют констатировать, что на процесс удаления влаги значительную роль играет количество и гранулометрический состав введенной в шихту золы.

2. Получены эмпирические выражения для расчета эффективных коэффициентов тепло- и массопроводности, учитывающих количество, эквивалентный размер золы в шихте, влагосодержание и температуру материала.

3. Экспериментальные исследования по сушке золокерамического кирпича позволили получить эмпирические уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи.

4. При исследовании процесса сушки золокерамического кирпича в туннельной сушилке выявлены наиболее рациональные режимные параметры ведения процесса: температура теплоносителя на входе в сушило t = 150 200°С, скорость движения теплоносителя 2 2,5 м/с.

5. Испытания высушенных образцов на прочность при изгибе и сжатии показали, что наибольшими показателями обладают изделия, имеющие в своем составе золу с эквивалентным размером 28 мкм.

6. Определены теплоизоляционные характеристики получаемых изделий.

Приведенное математическое описание процессов тепло - массопереноса в телах конечных размеров позволяет проследить изменение полей влагосодержаний и температур в теле по мере продвижения изделия по длине сушила. Это дает возможность оптимизировать весь процесс сушки, учитывая изменяющиеся условия, и получить полнотелый облегченный кирпич с улучшенными теплоизоляционными свойствами.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ u(r,Fojt©(r,Fo) - безразмерные функции, определяющие поля влагосодержаний и температур в теле; х - время, е.;

110 - начальное влагосодержание материала, кг/кг; и - среднеинтегральное влагосодержание материала, кг/кг; Up - равновесное влагосодержание материала, кг/кг; р - плотность влажного материала, кг/м3; л

Ро - плотность абсолютного сухого материала, кг/м ; с - теплоёмкость влажного материала, Дж/кг К; г - теплота парообразования, Дж/кг; л а - коэффициент температуропроводности материала, м /с; к - коэффициент влагопроводности материала, м /с; X - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м К; а,Р - коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи, Вт/м , м/с; 2

V - оператор Лапласа.

1. Физико - химические аспекты комплексного использования золошлако-вых смесей тепловых электростанций /В.Н. Макаров, А.А. Боброва, О.Н. Крашенинников, А.А. Пак, М.Ю. Трупиков. - Апатиты: изд. КНЦ АН СССР, 1991. -118с.

2. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970.-432с.

3. Данилов О.А., Леончик Б.И. Экономия энергии при тепловой сушке. — М!: Энергоатомиздат, 1986. 136с.

4. Данилов О.А., Власенко С.А., Коновальцев С.И. Энергосбережение в сушильных установках // Промышленная энергетика. 1990, №10. - с.45 -47.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1973.-752с.

6. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. - 472с.

7. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. — М.: Химия, 1987. 496с.

8. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. - 320с.

9. Лебедев П.Д. Теплообменные сушильные и холодильные установки. -М.: Энергия, 1966. 476с.

10. Ю.Жучков П.А. Процессы сушки в целлюлозно-бумажном производстве. — М.: Лесная промышленность, 1965. 252с.

11. Скоростная сушка /О.А. Кремнев, В.Р; Боровский, А.А. Долинский. Гос. изд. техн. литературы УССР, Киев, 1963. - 382с.

12. Лыков А.В., Ауэрман Л.Я. Теория сушки коллоидных капиллярно-пористых тел в пищевой промышленности, 1946.

13. Романков П.Г. и др. Массообменные процессы химической технологии / Романков П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Л.: Химия, 1975. - 336с.

14. Красников В. В. Закономерности кинетики сушки влажных материалов // ИФЖ- 1970.-т- 19, № 1-е 34- 41.

15. Ольшанский А. К. Приближенные методы расчета кривой скорости сушки // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах: Сб. статей Минск, 1971-е 200- 211.

16. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. — М.: Пищевая промышленность, 1973. — 534с.

17. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массоопереноса. —Mi Л.: Госэнергоиздат, 1963.-534с.

18. Кисельников В.Н., Таланов Н.М. Исследование сушки листовой фибры электроконтактным способом // Изв. вузов. Химия и хим. технология. -1966. т.9, №4. - с.663 - 668.

19. Куц П.С., Шкляр В.Я., Ольшанский А.К. Метод расчета процесса конвективной сушки влажных материалов // ИФЖ. 1986. — т.51, №1. - с.99 -104.

20. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. — М. Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 464с.

21. Лыков А.В. О системе дифференциальных уравнений тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах // ИФЖ. 1974, Т.26, №1. - с.18 - 25.

22. Федосов С.В., Кисельников В.Н., Шертаев Т.У. Применение методов теории теплопроводности для моделирования процессов конвективной сушки. Алма-Ата: Гылым, 1992. - 167с.

23. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1967. — 559с.

24. Богдяж А.В. Грануляция фосфатов аммония из растворов слабой фосфорной кислоты: Дисс.канд. техн. наук. Иваново, 1981.

25. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М.: Гос-техиздат, 1954.-296с.

26. Карташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. -М;: Высшая школа, 1979.-415с.

27. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. — М.: Энергия, 1971.-384с.

28. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. М.: Высшая школа, 1982, в 2-х частях.

29. Ладыженская О.А. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973. -407с.

30. Гаврилова Р.И. Исследование кинетики процесса сушки с переменными коэффициентами тепло- и массопереноса // ИФЖ. 1964, т.7, №8. - с. 37 -42.

31. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. -М.: Наука, 1975.-227с.

32. Лыков А.В. Методы решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1970, №5. -с. 109- 150.

33. Кузьмин М.П. Электрическое моделирование нестационарных процессов теплообмена. М.: Энергия, 1974. - 416с.

34. Исаков Г.Н., Касьянов Г.С. Моделирование процессов радиационно-конвективной сушки материалов при периодическом нагреве // Избр. доклады. Тепломассообмен ММФ. Минск, 1988. - с. 203 - 207.

35. Goodman T.R. Application of integral methods to transient nonlinear heat transfer. Adv. Heat Transfer, v.l, p.p. 51 122 (1964)/

36. Stanish M.A., Schajer G.S., Kayihan F.A. mathematical madel of drying for hydroscopic porous media. AlChE Yournal, 1986, 32, №8, p.p. 185-192.

37. Никитенко Н.И. Исследование процессов теплообмена методом сеток. Киев, 1978.

38. Chen P., Pei Д.С.Т. A mathematical model of drying processes. Yut. У. Heat Mass Transfer, vol. 32, No. 2, p.p. 297-310 (1989).

39. Рудобашта С.П., Очнев Э.Н., Плановский A.H. Зональный метод расчета кинетики процеса сушки // ТОХТ. 1975, т.9, №2. - с.185-192.

40. Рудобашта С.П., Плановский А.Н., Очнев Э.Н. Зональный метод расчета непрерывно действующих массообменных аппаратов для систем с твердой фазой // ТОХТ. 1974, т.8, №1. - с.22 - 29.

41. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980.-248с.

42. Рудобашта С.П. Исследование процессов сушки, адсорбции, экстрагирования: Дисс. докт. наук. М., МИХМ, 1977.

43. Расчет кинетики и динамики процессов конвективной сушки /Рудобашта С.П., Карташов Э.М., Воробьев A.M., Кормильцын Г.С., Горелов А.А.//ТОХТ. 1991, т.25,№1. - с. 25 - 31.

44. Федосов С.В. Аналитическое описание тепловлагопереноса в процессе сушки дисперсных материалов при наличии термодиффузии и внутреннего испарения влаги // ЖПХ. 1986, т.59, №9. - с.2033-2038.

45. Федосов С.В., Кисельников В.Н. Тепловлагоперенос в сферической частице при конвективной сушке во взвешенном состоянии // Изв. вузов. — 1985,т.28, №2.-с.111 115.

46. Рудобашта С.П., Плановский А.Н., Долгунин В.Н. Зональный метод расчета кинетики сушки гранулированного материала в плотном продуваемом слое на основе решений уравнений массо- и теплопереноса //ТОХТ. 1978, т. 12, №2. - с. 173 - 183.

47. Федосов С.В., Лебедев В.Я., Барулин Е.П. Математическое:описание кинетики сушки дисперсных материалов в циклонной камере 7/ Изв. вузов. Энергетика. 1982, №10. - с.61 - 65.

48. Зайцев В.А. Сушка сульфата аммония с одновременной утилизацией маточного раствора его производства в комбинированной установке: Дисс. канд. наук. Ярославль, ЯПИ, 1984.

49. Сокольский А.И. Сушка дисперсных материалов в аппарате с активной гидродинамикой двухфазного потока: Дисс. канд. техн. наук. Иваново, 1988.

50. Температурное поле сферической частицы при квазистационарном режиме сушки в аппарате интенсивного действия /Федосов С.В., Лебедев В .Я:, Барулин Е.П., Кисельников В.Н.//ИФЖ. 1981, т.41, №2. - с.260 -264:

51. Температурное поле частицы в; процессе конвективной сушки при высокоинтенсивном подводе тепла /Федосов С.В., Лебедев В.Я., Барулин Е.П:, Кисельников В.Н. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1981, t.24v №3. - с.385 - 387.

52. Ким А.П. Интенсификация прроцесса термической агломерации фосфоритов: Дисс. канд.техн. наук. Иваново, 1986.

53. Математическое моделирование тепломассообмена в центробежно-ударной мельнице /Яшков В.В., Клочков Н.В., Федосов С.В;, Блиничев В:Н. // Гидродинамика, тепло- и массообмен в зернистых средах: Межвуз. сб. Иваново, 1983. - с. 57 - 60.

54. Рудобашта С.Щ Очнев Э.Н. Труды МИХМ: 1974; вып. 51. -c.8 - 11.

55. Зональный метод определения зависимости коэффициента массопровод-ности от концентрации /Очнев Э.Н., Рудобашта С.П., Плановский А.Н., Дмитриев В.М. //ТОХТ. 1975. - т.9. - с.491 - 495.

56. Рудобашта С.П., Плановский А.Н. К расчету кинетики изотермической-и неизотермической адсорбции // ЖПХ. 1977. т.50. - с.804 - 808.

57. Рудобашта С.П., Плановский А.Н. Кинетика процессов сорбции десорбции водяного пара: на зернах технических адсорбентов // ТОХТ. — 1976.-т. 10.-с. 521 -530.

58. Волженский А.В., Гольденберг Л.Б. Активизация отвальных смесей для производства золоцементных изделий // Строительные материалы. -1974, №4. - с.32 - 33.

59. Иванов И.А. Легкие бетоны на основе зол электростанций. — М.: Строй-издат, 1972.-127с.

60. Ионин С.Н., Михайлова С.И. Комплексное использование золошлаковых отходов Новочеркасской ГРЭС в малотоннажном строительстве // Изв. Сев. Кавк. науч. центра высш. шк. техн. науки. — 1980. №4. - с.6 - 7.

61. Козлова В.К. Использование зол тепловых электростанций в производстве строительных материалов. — Барнаул: Алт. Кн. изд-во, 1975. 144с.

62. Медведев В.М:, Романов Ю.М., Кузнецов Ю.Б. Использование зол и золошлаковой смеси, получаемой при сжигании угля на ТЭС, в бетонах и растворах.7/ Комплекс, использ. минерал, сырья. 1978. - №6. - с. 74 -77.

63. Рекитар Я.А., Гладких К.В., Берлин Э.И. Эффективность производства и применения строительных изделий на основе топливно-энергетических шлаков и зол // Строит, материалы и конструкции. — 1968. №12. - с. 15 -16.

64. Сергеев A.M. Использование в строительстве отходов энергетической промышленности. К.: Буд1вельник, 1984: - 120с:

65. Рыбьев И.А. Закон конгруэнции. Фундаментальные исследования и новые, технологии в строительном материаловедении: В 4ч. ч.4 Теория искусственных строительных конгломератов и ее практическое применение. - Белгород: изд. БТИ СМ, 1989. - с.З - 4.

66. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников B.C. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1973,477с.

67. Бетон на зольном вяжущем. / Юхневский П.И. и др. // Арх. и стр. Беларуси.-1993. №4. - с.22 - 23.

68. Костин В.В. Изв. вузов. Строительство. 1993. - №7 - 8. - с.54 - 57.

69. Ямханицкий Т.Я. Стеновые блоки из неавтоклавного ячеистого бетона на основе золошлаковых отходов ТЭС // Энергетическое строительство. -80с, 1993.-№9.-с.54-57.

70. Каталог паспортов «Научно-технические достижения > и изобретения, рекомендуемые для использования в строительстве». — М.: 1990, вып. 8. — с.105- 106.

71. Чудновский С.М. Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Днепропетровск. - 1992. - 16с.

72. Сперанская О.Б. Воздушная классификация золошлаковых отходов тепловых электростанций; для производства строительных материалов: Дисс. канд. техн. наук: 05.17.08 и 05.23.05. Иваново, 1995. - 177с.: ил.

73. Алоян С.М. Изучение внутренней пористой структуры золокерамиче-ской шихты. Материалы X МНТК "Информационная среда ВУЗа". ИГА-СА, Иваново,-2003. с.358-361

74. Федосов С.В., Козлов А.В., Сокольский А.И. Исследование теплофизиче-ских свойств золокерамических смесей. Ученые записки инж.-технол. ф-та ИГАСА, Иваново, 1999. -с.121 - 123.

75. Федосов С.В., Козлов А.В., Сокольский А.И., Павлов АЛ. Внешний теплообмен при сушке тел конечных размеров в туннельной сушильной установке. Материалы Между нар. НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии». Иваново, 1999. — с.353.

76. Федосов С.В., Сокольский А.И., Алоян С.М. Разработка технологического оборудования и исследование новых композиционных строительных материалов. Межвуз. сб. науч. трудов. «Процессы в дисперсных средах». -Иваново, 2002г. стр.82 - 85.

77. Алоян С.М., Федосов С.В., Сокольский А.И. Внешний тепломассообмен при сушке золокерамического кирпича. Материалы X МНТК "Информационная среда ВУЗа", ИГАСА, Иваново,-2003. с.353-358.

78. ГОСТ 8462-85. Методы определения пределов прочности при сжатииизгибе. Материалы стеновые.

79. Бокинов Д.В., Федосов С.В., Козлов А.В., Сокольский А.И. Новый метод определения теплофизических характеристик материалов в процессе сушки. Материалы международной конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии", Иваново, 1997г.

80. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. -М. Гос. научно-техн. издательство машиностроительной литературы, 1962г. -с.246.

81. Барский Ю.П. Метод и прибор для измерения теплофизических свойств керамических материалов. Строительная керамика. Сборник НИИ Строй-керамика, № 2, 1960г.

82. Краев О.А. Простой метод измерения теплопроводности теплоизолято-ров. Теплоэнергетика, № 4, 1958г.