автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика и моделирование процессов сушки растворителей, покрытий, дисперсий, растворов и волокнистых материалов: единый подход

На правах рукописи

ГАТАПОВА Наталья Цибиковна

КИНЕТИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ, ПОКРЫТИЙ, ДИСПЕРСИЙ, РАСТВОРОВ И ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ: ЕДИНЫЙ ПОДХОД

Специальность 05.17.08 -Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тамбов 2005

Работа выполнена на кафедре «Химическая инженерия (Процессы и аппараты химической технологии)» Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ).

Научный консультант

Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор КОНОВАЛОВ Виктор Иванович

(ТГТУ).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ФРОЛОВ Владимир Федорович

(Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет));

Заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент Российской академии архитектуры и строительных наук,

доктор технических наук, профессор ФЕДОСОВ Сергей Викторович

(Ивановская государственная архитектурно-строительная академия);

доктор технических наук, профессор БЕЛЯЕВ Павел Серафимович

(ТТТУ).

Ведущая организация Московский государственный университет

инженерной экологии (МГУ ИЭ).

Защита диссертации состоится « 10 » июня 2005 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ. Эл. почта: kvidep@cen.tstu.ru Факс: (8-0752) 72-20-24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2005 г.

Ученый секретарь J VJ 1\

диссертационного совета, доцент И Ч 11 Нечаев Василий Михайлович

g OOS-У

2-0 £60

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Процессы, включающие испарение растворителей, сушку покрытий, сушку дисперсий, кристаллообразующих растворов и их смесей на подложках или без них, сушку пропитанных волокнистых материалов, тепловую обработку полимер-волокнистых и других композиций, в том числе их многооперационные и циклические разновидности, весьма разнообразны и многочисленны. Они составляют более половины номенклатуры всех высушиваемых и термообрабатываемых материалов.

Общими чертами таких материалов являются: гетеропористая структура продуктов; схожесть кинетики изменения температуры материалов в процессе их тепловой обработки; сильная зависимость качества продуктов от температурной кинетики. Для этих процессов кинетика нагрева имеет такое же значение, как кинетика собственно сушки, т.е. термического удаления влаги. Такие материалы, высушиваемые обычно до умеренных влагосодержаний, можно называть материалами с существенной температурной кинетикой, в отличие от сушки монолитных продуктов и процессов глубокой сушки, в которых время прогрева мало по сравнению с временем последующей сушки.

В области кинетики и моделирования процессов сушки широко известны труды A.B. Лыкова, О. Кришера, П.Г. Романкова, А.Н. Плановского, В.В. Ка-фарова, A.A. Долинского, В.Ф. Фролова, Б.С. Сажина, C.B. Федосова, В.И. Коновалова, С.П. Рудобашты, В.И. Муштаева, Р.Б. Кия, Ч.К. Струмилло, А. Муджумдара, Т. Кудры и других ученых, в которых развиты как общие, так и ряд конкретных подходов к теории и практике сушки.

Общие особенности рассматриваемых процессов создают возможность единого подхода к их анализу, исследованию и проектированию. Единые подход и методология, в свою очередь, позволяют получать результаты, имеющие повышенную познавательную ценность и, соответственно, более надежные для инженерной практики. Поэтому исследования в данном направлении, проводимые в настоящей диссертационной работе, представляются весьма актуальными как в научно-познавательном, так и в прикладном отношении.

Работа выполнялась в соответствии с Координационным планом АН России по теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12, 19912000 гг.), планом НИР I I ТУ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ (Координационный план «Черноземье», тема Зг/1997, 1997-2000 гг.) и хоздоговорными планами НИР ТГТУ (1990-2005 гг.).

Цель работы. Дальнейшее расширение теоретических и экспериментальных исследований процессов и аппаратов сушки и тепловой обработки материалов с существенной температурной кинетикой, обобщение результатов и разработка методологии их комплексного анализа и моделирования, создание инженерных методов расчета и проектирования, разработка новых, более эффективных конструктивно-технологических решений.

Объекты и диапазон исследований. Для обеспечения надежности ре-

зультатов по сушке и тепловой обработке ел nirtir пг^т^^^и^дэтериалов

и

процессов с недостаточно изученным механизмом принципиально важно выбирать достаточно представительные комплексы объектов исследований. Поэтому в работе исследовались: 1) материалы с широким диапазоном свойств: 35 органических растворителей из 18 гомологических рядов и групп, клеевые и латексные покрытия; 20 видов дисперсий и кристаллообразующих растворов разной природы; 27 видов технических тканей, шнуров и пластин из 8 видов волокон и ряд модельных материалов; 2) основные способы теплоподвода и сушки (конвективный, инфракрасный, кондуктивный, индукционный; на подложках и без них); 3) широкие диапазоны изменения режимных параметров обработки (напр., температуры 40...180 °С, скорости обдува 0,3... 15 м/с, концентрации дисперсий 10...50 % масс.). Кроме того, исследовались циклические и многооперационные разновидности процессов. В обработку были включены также результаты ранее выполненных исследований.

Научная новизна. Впервые разработан единый подход к кинетике и моделированию процессов сушки и тепловой обработки основных видов материалов с существенной температурной кинетикой на базе температурно-влажностных зависимостей. Получены новые физические результаты по кинетике процессов испарения растворителей и сушки покрытий, сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов, кондуктивно-барабанной сушки, сушки и термообработки волокнистых материалов, в том числе, по механизму тепло- и массопереноса при образовании и вырождении температурных площадок на кинетических кривых при сушке этих видов материалов. Предложены новые критериальные уравнения испарения. Выполнено обобщение результатов, разработана общая методология изучения и описания взаимосвязанных процессов сушки и нагрева, предложена кинетическая классификация рассматриваемых материалов. Разработана и рекомендована общая методология расчетов сушки на базе аналитических решений задач теплопроводности и диффузии, предложены методы эквивалентизации граничных условий и аппроксимации других характеристик тепло- и массопереноса. Для циклических и многооперационных процессов впервые разработан метод сведения динамической задачи к квазикинетической с расчетом температур и влагосодержаний материалов на каждом условном цикле.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны методики и программы инженерных расчетов для всех исследованных процессов, продуктов и изделий. Выданы практические рекомендации по моделированию и совершенствованию рассмотренных процессов и оборудования. Результаты работ по растворителям и покрытиям, дисперсиям и растворам, энерго-ресурсосберегающим процессам сушки приняты для реализации на Тамбовские ОАО «Пигмент», «АРТИ» и на ряд других предприятий. Запатентованы, экспериментально проверены и реализованы в ТГТУ универсальный психро-эвапорометр и способ сушки в кипящем слое на бинарном инертном носителе. Результаты работ по волокнистым, полимерным, композиционным материалам и изделиям реализованы в металле в промышленных протекторных, камерных линиях и, линиях для производства транспортерных лент в

Тамбовских ОАО «НИИРТмаш» и «Полимермаш» и успешно эксплуатируются на ряде шинных заводов и заводов РТИ. Результаты работ по роторно-конвейерным линиям реализованы в металле в промышленных образцах линий РКЛП и РКЛВ на Заводе опытных машин ОАО «НИИРТмаш» и включены в официальный каталог резинотехнического оборудования.

Апробация работы. Настоящая работа является законченной самостоятельной частью исследований, проведенных при научных консультациях профессора В.И. Коновалова. Она обобщает комплекс работ, выполненных при участии коллег и аспирантов кафедры, в том числе аспирантов, выполнявших исследования под руководством или соруководством автора: С.С. Хануни (1997), А.Н. Пахомов (2000), Е.А. Сергеева (2000), А.Н. Колиух (2001), И.Л. Коробова (2001), А.Н. Шикунов (2004), Д.В. Козлов (2005 - план).

Основные результаты работы были доложены и получили положительную оценку на Минских международных форумах по тепло- и массообмену (ММФ - 1996, 2000, 2004); Международных семинарах по сушке (IDS - 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004); I Международной конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2002), XV Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002), V Международной теплофизической школе (Тамбов, 2004) и на ряде других конференций и семинаров 1988 - 2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 41 работа в изданиях, учитываемых ВАК. Выпущен препринт. Сделано 19 докладов с их публикацией на международных конференциях, в том числе 5 проблемных, пленарных или ключевых лекций; получены 2 патента и 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура работы. Диссертация содержит: введение; 7 основных глав; выводы из 9 пунктов; список литературы, включающий 599 источников, в том числе 333 зарубежных и опубликованных после 1990 г.; приложения из 7 разделов, включающие результаты исследований, фрагменты программ, примеры расчетов, материалы реализации, каталожные и патентные материалы. Всего в работе 273 страницы основного текста, 163 рисунка и 41 таблица.

Автор благодарен всем коллегам и сотрудникам, принимавшим участие в представляемых исследованиях или при их обсуждении на разных этапах работы Особая признательность Т. Кудре (Канада), А С Муджумдару (Сингапур), А.Н. Пахомову, ЕА Сергеевой, А Н Колиуху, А.Н Шикунову, Д.В. Козлову, ИЛ. Коробовой, А Б. Мозжухину, A.A. Фролову, Ю А. Брусенцову, В.Н. Затоне, В.В Косых, А Г Двойнину. Особая благодарность В.М. Нечаеву, создававшему базовую кафедральную экспериментальную технику, и Е Н Туголуко-ву, разрабатывавшему на кафедре основы применяемых аналитических методов. Автор признателен также руководству ТГТУ, ОАО «Пигмент», ОАО «НИИРТмаш», ОАО «Полимермаш», коллективу кафедры «Химическая инженерия (ПАХТ)» ТГТУ и всем коллегам, оказывавшим помощь в этой работе

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дана аннотация диссертационной работы в целом: сформулированы направление и цель, отмечена актуальность работы, показаны основные результаты, научная новизна и практическая значимость, достоверность, приведен перечень рекомендаций по реализации результатов.

1 Современное состояние и направления развития теории и техники сушки растворителей, покрытий, дисперсий, растворов и волокнистых материалов в химической, резиновой, пищевой, легкой и других родственных отраслях промышленности.

Выполнен сопоставительный обзор сушильно-термического оборудования по опубликованным, патентным и фирменным материалам, включая разработки последних лет, как по отечественным, так и по зарубежным источникам. Рассмотрены традиционные, альтернативные и перспективные процессы и оборудование для обработки для пяти указанных групп продуктов.

Отмечены достоинства, недостатки и области целесообразного применения сушильной аппаратуры различных типов и перспективы их совершенствования. Выделены актуальные вопросы обеспечения качественных показателей продуктов, вопросы энерго- и ресурсосбережения и экологии.

Выполнен сопоставительный обзор традиционных и перспективных инженерных и научно-теоретических методов исследования, расчета и проектирования сушильных процессов и оборудования, включая последние отечественные и зарубежные монографии, публикации и диссертации. Отмечены общие методологические подходы, включая инженерно-физические методы, статистические описания, методы нейронных сетей и нечетких множеств.

2 Единый подход к кинетике и моделированию сушки растворителей, покрытий, жидких дисперсий, кристаллообразующих растворов и волокнистых материалов.

Поскольку многие особенности рассматриваемых процессов сушки являются общими с другими процессами химической технологии, было выполнено их сравнительное рассмотрение.

2.1 Явления переноса и кинетика промышленных процессов сушки и термообработки и других процессов химической технологии. Промышленные технологические процессы состоят обычно из десятков составляющих их «первичных» явлений переноса и еще более многочисленных «осложняющих» физико-химических превращений и структурно-реологических изменений в обрабатываемых веществах. Например, для процессов сушки рассматриваемых материалов базовой является кинетика сушки одиночной частицы (слоя, нити, профиля, изделия), включающая: 1) «элементарные» явления собственно сушки, как процесса внешнего и внутреннего теплоподвода и переноса тепла и влага: внешний теплоподвод, напр., конвекцией, кондукцией и излучением; внутренний теплоподвод, например, при микроволновой сушке; теплопроводность по твердому скелету и поровой влаге; капиллярный и пленочный перенос жидкости; внешнее и внутреннее испарение жидкости; диффузионный и фильтрационный перенос жидкости и пара; натекание, защемление и расширение воздуха; углубление поверхности или зоны испарения; а также стефа-новский поток, термодиффузия, эффузия и пр.; всего можно насчитать более 30 «первичных» явлений; 2) сопровождающие их «осложняющие» явления:

усадка, коробление, трещинообразование, разрушение; миграция и кристаллизация растворенных веществ; пленко- и коркообразование; внутреннее и поверхностное поро- и пузыреобразование; отверждение, полимеризация, реакции активных групп покрытий с материалом, окисление, деструкция и другие химические превращения; формообразование, термомеханические вытяжка и усадка, перестройка поровой структуры продукта, аморфной, кристаллической, ориентационной и надмолекулярной структуры вещества и другие деформационно-реологические превращения; таких «сопровождающих» явлений еще более 50. Осложняющие явления могут быть желательными или нежелательными, целевыми или побочными. Однако их учет всегда необходим из-за возможного существенного, а часто «лимитирующего» влияния как на кинетику процесса, так и на качественные показатели обрабатываемых материалов.

При изучении таких процессов возникают типичные затруднения, связанные с многочисленностью явлений и кинетических характеристик, необходимых для их описания. В конкретных условиях лимитирующими могут быть разные наборы явлений. В работе рассматриваются причины неадекватности ряда существующих моделей макрокинетики реальным процессам: из-за «переупрощения» моделей, вследствие их «переусложнения», из-за сопутствующего этому возрастания погрешностей, а также из-за недостаточной изученности механизма явлений и процессов. Другие иерархические уровни (микрокинетики, аппарата, производства) специально не выделяются. Приводятся 11 примеров сопоставления «модель - реальность» для основных групп процессов химической технологии: гидромеханических, тепловых, диффузионных (жидкофазных, твердофазных, мембранных), химических, деформационно-реологических и комплексных взаимосвязанных процессов. Отмечены проблемы, остающиеся открытыми. Показаны приемы эффективного исследования и моделирования, которые могут быть полезными в различных процессах химической и родственных технологий.

2.2 Физическое и математическое моделирование процессов сушки и термообработки: единый подход для материалов с существенной температурной кинетикой.

2.2.1 Методология экспериментальных исследований комплексных процессов сушки и тепловой обработки. В работе показано и подтверждено примерами, что для надежности результатов по тепло-массопереносу и сушке для сложных процессов с недостаточно изученным механизмом решающим является широкий диапазон исследуемых продуктов, способов и режимов обработки. Разработана и описана методология их выбора.

Разрабатываемая методология включает комплекс серий экспериментальных исследований, идентифицированных по назначению: 1) «первичные» (пробные) эксперименты; 2) «модельные» эксперименты, проводимые в возможно более «чистых» условиях; 3) «классификационные» эксперименты, в которых ведется поиск условий, соответствующих возможным типам кинетических кривых; 4) «кинетические» эксперименты, по возможности с варьированием одной переменной; 5) «диапазонные» эксперименты для расширения диапазона варьирования параметров; 6) «сравнительные» эксперименты в измененных условиях, на других экспериментальных установках, с другими материалами для выяснения обнаруженных особенностей; 7) «отсеивающие» эксперименты в условиях, исключающих проверяемый эффект; 8) визуальные

(в том числе микроскопические) наблюдения за исследуемым материалом; 9) эксперименты для изучения химических и деформационно-реологических процессов; 10) «технологические» эксперименты; 11) промышленные эксперименты.

Конкретные планы экспериментов, составленные для каждой рассматриваемой группы процессов и материалов с учетом их индивидуальных особенностей, приведены в соответствующих разделах диссертации.

В комплекс необходимых, впервые созданных или модернизированных экспериментальных установок входят: 1) «большая» циркуляционная конвективная сушилка (БЦС) с возможностью дополнительного инфракрасного теплоподвода; 2) «щелевая» установка (ЩУ) для промазанных образцов, в том числе для сушки в перегретом паре; 3) «сопловая» двухрежимная конвективно-радиационная сушильно-термическая установка (2СТУ); 4) кондуктивная двухбарабанная сушильная установка (2БСУ); 5) «реокинетическая» установка (РКУ); 6) «визуальные» установки (ВУ);7) модифицированная для конвективной сушки камера дериватографа (ДГ); 8) установка для сушки в кипящем слое на инертном носителе (УКСИН, получен патент); 9) универсальная псих-ро-эвапорометрическая установка (ПЭУ, получен патент); 10) стенд роторно-конвейерной линии для вкладышей подшипников (РКЛП, получено авторское свидетельство на устройство для измерения температур пресс-форм); 11) стенд роторно-конвейерной линии для автокамерных вентилей (РКЛВ). Схемы установок 1, 3,4, 8, 9 представлены для примера на рис. 1-5.

Рис. 1 Большая циркуляционная конвективная сушилка (БЦС)

Рис. 2 Универсальная психро-эвапорометрическая установка (ПЭУ)

Рис. 3 Сопловая двух режимная конвективно-радиационная сушильно-термическая установка (2СТУ)

1

ТрубшПкта р>«»««»

||1 / фильтр

АЦП

Вкы

Рис.4 Установка кипящего слоя Рис. 5 Двухбарабанная сушильно-

с инертным носителем (УКСИН) термическая установка (2БСУ)

В обработке использовались также данные, полученные на других установках во ВНИИРТмаше и в опытно-промышленных условиях.

2.2.2 Методология анализа температурно-влажностных кривых и кинетическая классификация материалов как объектов сушки. В продолжение и развитие работ В.И. Коновалова, впервые для всех рассматриваемых групп процессов и материалов разработана общая методология изучения и описания взаимосвязанных процессов сушки и нагрева на базе температурных Т{х) и температурно-влажностных Т\и) зависимостей (ТВЗ).

Температурные кривые 1\х) и 7\и) обычно имеют выраженные «температурные площадки» («рЫеаи») или изменения знака кривизны (перегибы) и являются поэтому более информативными для анализа механизма сушки и явлений переноса, чем близкие к монотонным кривые убыли влагосодержания и(т). При этом они более надежны, чем нестабильные, получаемые дифференцированием, традиционные кривые скорости сушки #(к), (ТУ = -йи1й\). Поэтому для рассматриваемых материалов с существенной температурной кинети-

кой их целесообразно применять как для анализа процессов, так и для кинетической классификации материалов как объектов сушки.

Температурные площадки при сушке соответствуют стабилизации температуры материала и временному динамическому равновесию в результате равенства подводимого и расходуемого на испарение потоков тепла. Их окончание или вырождение свидетельствуют об изменении механизмов переноса.

На рис. 6 приведен классификационный комплект типов кинетических кривых рассматриваемых продуктов на примере сушки водных дисперсий дис-пергатора НФ. Типы кривых характеризуются по наличию или вырождению температурных площадок при мягких и жестких режимах сушки: (а) - две площадки вблизи температуры мокрого термометра Тш и вблизи температуры кипения жидкости Т^; (ff), (в) - одна площадка вблизи Тш при температурах воздуха ниже и выше 100 °С; (г) - одна площадка вблизи (д), (ё) - вырождение обеих площадок при температуре воздуха ниже и выше 100 °С соответственно.

Рис. 6 Классификационный комплект из 6 типов экспериментальных температурных и влажностных кривых сушки (на примере дисперсий диспергатора НФ)

Площадки вблизи Тш соответствуют поверхностному испарению влаги и миграции растворенных веществ к поверхности, вблизи - объемному «псевдокипению» без миграции и возможному возникновению внутреннего избыточного давления в материале.

Существование всех 6 типов ТВЗ является общей закономерностью для дисперсий, для которых возможно изменение их начального влагосодержания и структуры от текучей жидкости до реологически сложной пасты.

Для растворов, у которых растворимость существенно зависит от температуры, а давление паров - от концентрации, площадки в процессе кристаллообразования должны становиться наклонными.

Для растворителей, в отличие от воды, характерны большие отличия Тш от температуры адиабатического насыщения Гад, а наличие площадки Т^ зависит от летучести растворителей и от структуры продукта.

У большинства волокнистых материалов структура является фиксированной, и набор кинетических типов определяется маркой материала, но зависит также от вида пропиточного состава и от натяжения ткани или шнура. Сушка может идти с углублением поверхности испарения и с перемещением вглубь площадок псевдомокрого термометра Т„ш или псевдокипения Тпт„.

При сушке в среде перегретого водяного пара часто существует площадка предконденсации при прогреве материала с последующим испарением конденсата и первичной влаги, а при испарении растворителей - площадка псевдокипения азеотропной смеси Т^^.

Вид и размеры температурных площадок характеризуют также изменения в механизме переноса при инфракрасном, кондуктивном, индукционном, ТВЧ или СВЧ теплоподводе и при других способах сушки.

Разрабатываемая методология вполне отрабатывает эти изменения в механизме переноса и, соответственно, в кинетических и технологических особенностях сушки рассматриваемых материалов. Предлагаемая на этой основе классификация является обобщающей («единой») и существенно дополняет и развивает известные классификации материалов как объектов сушки A.B. Лыкова, П.А. Ре-биндера, A.A. Долинского, Б.С. Сажина, В.И. Коновалова, С.П. Рудобашты, а также исследования в области кинетического анализа ряда особенностей и способов сушки М.Ф. Казанского, В.В. Красникова, Ю.А. Михайлова, П.С. Куца, Г.С. Шубина, А.Х. Ниссона, Д. Ван Брейкеля и других ученых. Недавно крупная работа в классификационно-технологическом плане, в основном применительно к распылительной сушке, была выполнена К.Д. Малецкой в школе A.A. Долинского.

Такой подход позволяет также выявлять, моделировать и учитывать другие вышеуказанные явления переноса, часто лимитирующие не только скорость процесса, но и качество продукта.

Наконец, если экспериментально не удается изучать непосредственно кинетику сушки, то можно получать зависимости и(т) пересчетом их из 7(т) по кривым ТХц), полученным в более простых модельных условиях.

2.23 Постановка задач теплопроводности и диффузии и математического моделирования комплексных процессов сушки. В работе показано и подтверждено примерами, что главные трудности описания и моделирования рассматриваемых процессов состоят не столько в математических, сколько в физико-химических проблемах анализа механизма и кинетики тепло- и массо-

переноса. При этом основной проблемой для построения методов расчета взаимосвязанных процессов сушки и нагрева остается учет взаимовлияния тепло-, влаго- и баропереноса. В настоящее время наибольшее распространение как в России, так и за рубежом для теоретического описания таких процессов имеет система дифференциальных уравнений A.B. Лыкова, учитывающая «перекрестные эффекты» на базе линейной термодинамики необратимых процессов. Предложены также еще более общие описания, а в последние годы другие фундаментальные подходы, в том числе, в интенсивно развивающейся нелинейной термодинамике необратимых процессов. Эти прогнозируемые физической теорией взаимосвязи и особенности нужно иметь в виду, однако непосредственное применение сложных систем взаимосвязанных дифференциальных уравнений с многочисленными необходимыми коэффициентами для конкретных рассматриваемых процессов по вышеуказанным причинам является затруднительным.

Поэтому такие задачи целесообразно ставить в «развязанном» виде. Тогда в упомянутой исходной системе остаются хорошо изученные дифференциальные уравнения теплопроводности и диффузии, а взаимосвязи процессов переноса, стоки тепла и влаги и другие существенные особенности предлагается учитывать заданием температурно-влажностных зависимостей, эквивалентных граничных условий и эффективных кинетических коэффициентов. Таким образом, ТВЗ становятся своеобразной дополнительной характеристикой, гибко отрабатывающей разнообразные особенности конкретных взаимосвязанных процессов. При этом решение уравнений теплопроводности и диффузии выполняется итерациями с корректировкой в процессе счета наименее надежных характеристик так, чтобы расчетные температуры и влагосодержания материала в процессе сушки с достаточной точностью соответствовали установленной температурно-влажностной зависимости. При этом ТВЗ выбирается локальной для лимитирующего сечения Т^и^) (чаще всего, для поверхности испарения), среднемассовой Т^и^) или даже приближенно в виде Т^и^).

2.2.4 Эквивалентнзация граничных условий и эффективные характеристики тепло-массопереноса в комплексных процессах сушки. Типичными для процессов сушки являются граничные условия 3-го рода (ГУ-3) как для задач теплопроводности, так и для задач диффузии. Описание процессов производится в данной работе в линейной постановке, по периодам и зонам, зависящим от условий конкретного процесса, а расчет - по достаточно малым временным интервалам Ат в пределах зон. Соответственно нелинейные потоки и переменные источниковые члены учитываются приведением ГУ-3 к эквивалентному кусочно-линейному виду, а характеристики тепло- и массопереноса, входящие как в ГУ-3, так и в основные уравнения переноса, приводятся к кусочно-ступенчатому виду и являются «эффективными», комплексно учитывающими вклад всех существенных для данной расчетной зоны явлений.

При этом эквивалентные ГУ-3 получаются в традиционной форме:

- для теплопереноса как в 1 -м, так и во 2-м периоде сушки

Хэ^1)=аэи,[Гсэ-7'(/,т)]; (1)

Ol

- для массопереноса, соответственно, в 1-м периоде сушки (при межфазном равновесии на поверхности тела) и во 2-м периоде сушки (когда прини-

маются условные коэффициенты массоотдачи р*, отнесенные к перепаду фактических и квазиравновесных концентраций влаги на поверхности материала):

(2)

= -<£(/. 4 (3)

Стоки тепла на испарение учитываются в зависимости от механизма испарения влаги, оцениваемого критерием фазового превращения е. При чисто поверхностном испарении (е = 0) в 1-м периоде сток учитывается в ГУ-3 введением в (1) коэффициента массоотдачи р^п по соотношениям:

аэкв ~ аэф

\ , Рис/А Л аэф

(4)

7* | Чтя Риспгая

Г аэф аэф

сэ В га

аэф

Здесь аэф = оют + а,,,,, учигьшает теплоподвод конвекцией и излучением; а„, Ъ„ -коэффициенты линеаризуемого по интервалам Ат уравнения для концентрации насыщенного пара у поверхности Снас(7) = а„ + Ь„Т; Снас= Сигс(Ряас(Т(1, т))), где Рнгс(Т) аппроксимируется уравнением Антуана.

Чисто объемный сток тепла (е = 1) во 2-м периоде сушки войдет в уравнение теплопроводности в виде эквивалентной теплоемкости

и

Сэкв =Ст+Схи-Г — Ьт, (6)

ат

где ¿>т - угловой коэффициент линеаризованной ТВЗ.

Аналогично вводятся стоки на кондуктивное испарение на стенке, а также при распределенном поверхностно-объемном испарении, напр,, при кусочно-ступенчатом задании е = 0,25; 0,5; 0,75.

Для учета излучения в ГУ-3 (1) предложена и используется уточненная методика расчета эффективного коэффициента теплоотдачи

а,ф=аконв+анзл (7)

по соотношениям:

д=а^(Тт-Т(Я,х)); (8)

аизл^ЧЧивС^ + ^+Гизл^+Т-3). (9)

Здесь предельная температура материала Т„ находится итерациями из очевидного баланса дк0,т= Ч™ при конечном термическом равновесии

акош>(^с-Тт) + СоЧ,прт(Т4^-Т*)=0. (10)

Аналогично могут учитываться теплота концентрирования (дегидратации) qw, кристаллизации гкр и теплота испарения связанной влаги гсмз. Их локализация и ввод в ГУ-3 или в объемные стоки соответствуют месту испарения влаги и образования кристаллов.

В работе приводятся также предложенные и апробированные выражения для эффективных коэффициентов теплоемкости с3, теплопроводности Хэ, плотности рэ с учетом порозности и влагонасыщения материалов, а также для грубой оценки коэффициентов диффузии Д и массоотдачи (3*.

2.2.5 Аналитические решения задач теплопроводности и диффузии в процессах сушки. В работе используются аналитические решения многослойных линейных задач теплопроводности (диффузии), с эквивалентными ГУ-3, с расчетом на малых временных интервалах, с кусочно-ступенчатой аппроксимацией тепло-массопереносных характеристик и толщин слоев, с функционально заданными начальными условиями по этим интервалам (НУ 1-й зоны = = КУ(1-1)-й зоны).

Приведем для примера постановку и общий вид решения и-слойной задачи переноса (теплопроводности, диффузии) для пластины.

Постановка задачи:

дг ' дх

Щ(0,

(Р,(0,т)-Рс1) = 0; дР"(уКи2 (/>„(/„,т)-Рс2)=0; (12)

дх дх

ЗД.-0 = РМ0,х); Ду^^-Нчг ^ ; (13)

Р^х,0) = \|/,(х); /=1,2,..,и; 1,2,..., л-1. (И)

В приведенной общей постановке переносные характеристики:

- для задач теплопроводности

Р=Т;а = Щср); В = X ; = ах/Хь А2 = а2/Х2;

= а, (Г,(0,т) - Гс1); = - «2 (№) - Га); (15)

- для задач диффузии

Р=С; И-, В = 0; ку в Р,/Д; /»2 = Р2/£2;

£,««,= Р,(С(0, т) - Се1); Е2=т2 = - р2(С(/, т) - Сс2). (16)

Общий вид решения, полученного методом Фурье, представляется суммой двух решений - стационарной задачи при неоднородных ГУ и нестационарной задачи при однородных ГУ и неоднородных НУ

и=1

( \ ц»*

ехр(-^т). (17)

Соотношения, необходимые для определения собственных чисел и функций, входящих в общее решение (17), даны в диссертации.

В диссертации приводятся также полученные решения: для однослойной пластины - как характеризующие порядок и смысл решений; для и-слойной пластины - как типичные в общем случае. В приложениях к диссертации даны также: наиболее часто используемое в данной работе решение задачи для двухслойной пластины при несимметричных ГУ-3 и решения для четырех-слойных пластины, цилиндра и шара. Они необходимы для материалов значительной толщины и при сильных изменениях переносных свойств и толщин.

В ранее выполненных на кафедре работах получены решения ряда других задач. Отмечено, что возможны постановка и аналитические решения более сложных задач, в том числе полученных, например, в работах E.H. Туголуко-ва. Возможно также использование численных методов, с современными пакетами программ и с отработанными формальными процедурами.

2.3 Возможности использования методов аналогии процессов тепло-и массопереноса. В связи с общенаучной важностью рассмотрены возможности использования методов аналогии, в частности, тепло-диффузионной аналогии для описания процессов испарения. Показано, что для растворителей аналогия в этих процессах нарушается и наблюдаемые отклонения Тт от Тад до 15...20 °С не могут бьггь объяснены влиянием излучения. Дан анализ возможных причин. Предложены способы описания.

2.4 Методы инженерно-кинетической аппроксимации характеристик тепло- и массопереноса. В связи с практической значимостью проанализированы возможные методы инженерно-кинетической аппроксимации характеристик тепло- и массопереноса. Дана сводка основных разновидностей разработанных и применяемых аппроксимационных схем: простейшие кусочно-ступенчатая и кусочно-линейная, в том числе лучевая; степенная; экспоненциальная, логарифмическая; гиперболическая дробно-линейная зависимость (эффективная для переменных ТВЗ без изменений знака кривизны); двухдуговая симметричная схема (удобная, в частности, для простейшей аппроксимации зависимостей 71[и) с вырождающимися площадками, для коэффициентов теплоотдачи а(и) и массоотдачи ß(i/)); две разновидности несимметричных двухдуговых аппроксимаций с большими возможностями.

2.5 Возможности методов инженерно-физического описания процессов, статистических полиномиальных методов и методов с применением аппарата нейронных сетей и нечетких множеств. В заключение инженерно-теоретического раздела рассмотрены возможности этих трех подходов к описанию сложных процессов. Показано и подтверждено конкретными примерами, что модели, основанные на физико-химическом описании механизма и кинетики комплексных процессов сушки и термообработки, имеют наибольшую познавательную и практическую ценность, но сложность их разработки существенно больше. Стандартные полиномиальные процедуры вполне применимы для выбора оптимальных технологических режимов. Методы нейронных сетей и нечетких множеств могут быть предпочтительней, чем полиномиальные зависимости, напр., при оптимизации в условиях переменных и нестационарных режимов; этими методами могут быть получены также новые познавательные результаты, если сами исследуемые процессы имеют внутреннюю, присущую им физическую неопределенность, i

3 Теоретические и экспериментальные исследования процессов испарения растворителей и сушки покрытий. Опыты проводились на следующих экспериментальных установках: 1) БСУ (рис. 1); 2) ЩУ; 3) 2СТУ (рис. 3); 4) ДГ; 5) ПЭУ (рис. 2). Использовались также результаты, полученные ранее М.Е. Улановым, В.Ф. Рожковым, В.В. Косых, E.H. Туголуковым под руководством В.И. Коновалова, в том числе на других установках.

В работе показано, что существующие расчетные зависимости для тепло-массоотдачи при испарении основаны на обработке экспериментов с ограниченными наборами растворителей и их использование для других растворителей приводит к неприемлемым погрешностям. Непригодны для этого и методы тепло-диффузионной аналогии. Это объясняется сложностью и недостаточной изученностью физики процесса.

Поэтому главнейшей задачей был подбор комплекса растворителей, представляющих практический и научный интерес, с целью максимально охватить диапазоны изменения их свойств. Выбор производился на основе выполненного анализа и прогноза, с включением всех свойств и явлений, возможно влияющих на кинетику испарения, в том числе «нетрадиционных»: параметры межмолекулярного взаимодействия, полярность, температуры кипения, температуры плавления и их разности (Тт„, Т„лтю АТтп!та„) и др. В результате был подобран комплекс из 35 индивидуальных органических растворителей из 18 гомологических рядов и групп, а также смесевые растворители, клеи, вода и водные растворы. Впервые включен ряд новых растворителей, представляющих интерес для новой техники.

В качестве подложек были подобраны основные материалы, представляющие практический и научный интерес - пористые и монолитные, диффузионно-проницаемые и непроницаемые, с высокими и низкими теплопроводными свойствами: технические ткани (хлопчатобумажные и анидная), фильтровальная бумага (как эталон), листовая целлюлоза, алюминий, фторопласт, сырая и вулканизованная шинная резины.

Эксперименты проводились по планам, включающим опыты из 11 вышеперечисленных серий, с варьированием основных переменных. Примеры кинетических кривых даны на рис. 7.

На получаемых кривых всегда выражен 1-й период сушки, определяемый по температурной площадке вблизи Тш и по постоянной скорости сушки N{. По этим участкам наиболее достоверно определяются базовые аисп и ß„cn для «чистого испарения» для основного времени сушки. После окончания сушки образец охлаждается, и с ним производится опыт по нагреву в тех же условиях. Отсюда определяются базовые асух для «чистого нагрева» на конечной стадии сушки. Порядок расположения экспериментальных кинетических кривых по Гит и /V] (рис. 7 а, в) определяет порядок расположения веществ по их относительной летучести и подтверждается расчетами во всем диапазоне. Показано, что скорость сушки в 1-м периоде может зависеть от вида и начального увлажнения пористых материалов (рис. 7, б), что объясняется различными условиями испарения (рельеф, капиллярная структура, набухание и пр.). Это не согласуется с обычными моделями сушки и тем более с тепло-диффузионной аналогией. В работе предложены инженерно-физические схемы механизмов и соответствующие формулы для учета этих явлений.

о 25 50 75 ЮО

х, с

20 т> с 40

60

Рис. 7 Кинетика испарения растворителей и сушки материалов:

ЩУ: а - растворитель = уаг; б - начальное влагонасыщение ткани е = уаг. Неварьируемые параметры: ткань анид ТА-100; Тс= 120 "С; и>с= 1,5 м/с. ПЭУ: в - растворитель = уаг; фильтровальная бумага средней пористости;

Тс= 100 "С; у;с = 5 м/с

Для выяснения природы и вида корреляционных связей тепло- и мас-соотдачи при испарении был выполнен анализ возможных прогнозируемых вариантов. За базу принимались экспериментальные Тмт и /V, (или т, г/м2с). Критерием пригодности расчетных зависимостей считалось полное отсутствие «выбросов». Выбросом по Гмт считались отклонения больше ± 3 °С, по /и -больше ± 12 %. Был опробован 21 вариант введения поправок к традиционным критериальным соотношениям: на Стефановский поток Д й, на термодиффузию Д я, на фазовые превращения Гухмана Ои и Кутателадзе Ки; аналоги Ве-бера We, волнообразования Капицы Ка, спонтанной конвекции Марангони Ма; межмолекулярного и поверхностного влияния Янга Уа, содержащие диэлектрическую постоянную и пр. Однако ни поодиночке, ни в разных сочетаниях они корреляции не улучшают. В результате анализа были предложены комплексы, включающие Г^,, и Г™. Наименьшую погрешность при отсутствии выбросов дало использование комплекса /Гкп («кипения/плавления»)

08)

кип ^ пл

Он является также наиболее «физичным», так как величина Д7'гип/гипаял характеризует разность энергетических уровней двух основных фазовых превращений, и допускает также расширительное толкование, в том числе для процессов сублимационной сушки.

В результате рекомендуются следующие универсальные расчетные уравнения для массоотдачи и теплоотдачи при испарении:

[Nup=0,77Re°'4Sc0'333^33; 1 Nua =l,06Re°'375Pr0'333Ä"

(20)

Критерий Рейиольдса входит в полученные расчетные уравнения в степени 0,4 для массоотдачи и в степени 0,375 для теплоотдачи, что соответствует учету влияния скорости в психрометрических поправках и также подтверждает отсутствие тепло-диффузионной аналогии. Входящая в эти соотношения температура адиабатического насыщения Тш рассчитывается по балансным зависимостям с выражением давления паров по Антуану. Температура площадки Тш находится совместно с аисп и рисп итерациями из баланса тепла для площадки

<7 = «эф (Тя

-r„)=rm = rß(CK

(21)

Средняя погрешность составляет по температуре площадки Тш около 1,5 "С и по скорости испарения - около 9 % при отсутствии выбросов.

Однако физический механизм переноса при испарении подлежит дальнейшему изучению. Основными пока являются гипотеза A.B. Лыкова о «суб-микродиспергировании» и влияние межмолекулярных взаимодействий. Для «сухого нагрева» получено расчетное критериальное уравнение

Nu™ = 0,87 Re0'5 Pr0'33,

(22)

которое приемлемо для всех экспериментальных установок при погрешности около 10 %.

На этой основе разработаны инженерные методы расчета испарения растворителей и сушки покрытий с использованием полученных решений уравнений теплопроводности и диффузии и аппроксимаций ТВЗ и ТМПХ.

Примеры сравнения расчетных и экспериментальных данных показаны на рис. 8 (Гс = 60.. .160 °С; м>с = 0,1...5 м/с).

и,у.- I I--т,°с

; щУа

aPi_____1___ m i i i

m

Рис. 8 Сравнение расчетных и экспериментальных кинетических кривых испарения растворителей и сушки пористых материалов (а, б) и корреляция расчетных и экспериментальных данных по температуре

площадки Гит (в) и интенсивности испарения и (г)

Погрешность расчетов составляет = 10... 15 %, что для таких сложных процессов в инженерной практике вполне приемлемо.

4 Теоретические и экспериментальные исследования процессов сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов синтетического, минерального, растительного и животного происхождения. Основные опыты проводились на БЦС (см. рис. 1). Они являются базовыми для промышленных процессов сушки материалов на различных подложках и модельными для ряда других процессов: для распылительной сушки; для кондуктивной сушки; для сушки и грануляции в кипящем слое, в том числе на инертном носителе и др.

Подбор комплекса продуктов для исследований здесь также был главнейшей задачей. Были выбраны 20 видов продуктов основных групп по химическому составу, происхождению и назначению, включая модельные, и с варьируемыми начальными концентрациями 10.„50 %: 1) дисперсии, включая пасты: а) синтетического происхождения: водные латексно-резорцино-формальдегидные (ЛРФ) составы резинотехники (ВНИИРТмаш, НИИШП); продукты органического синтеза (Гамма-кислота, Р-соль, диспергатор НФ, белофоры КД-2 и КД-93 (ОАО «Пигмент»); б) животного происхождения: мясо-костная жидкость мясопереработки («Meet processing sludge», Канада); желатин; в) растительного происхождения: тяжелая кукурузная жидкость крахмального производства («Heavy com steep water», Канада); крахмал; 2) кри-сталлообразующие растворы: а) органических веществ: сахар; мочевина; б) неорганических веществ: NaCl; СаС12; NH4N03; NaOH; 3) органические пигменты и красители, основных рядов (анилинового, нафталинового, антрахиноно-вого и с комбинацией бензольного и нафталинового колец), с разными хромофорными системами: Пигмент желтый светопрочный (С^Н^^); Совелан черный М (C4oH2oN6S2014CrNa3); Дисперсный синий 2 пэф (C^H^O^r]^';,); Пигмент рубиновый ВКС/2 (C]8Hi206SN2Ca).

Подложки были вышеуказанные, в том числе «холодные» и «горячие». Планы экспериментов включали опыты из вышеуказанных серий.

Получаемые наборы кривых сушки и нагрева были охарактеризованы и представлены комплектом из 6 кинетических типов на рис. 6. Характерные примеры кинетических кривых при разных условиях приведены на рис. 9.

Температурно-влажностные зависимости Т\и) строятся с помощью вышеперечисленных аппроксимационных схем. Прогнозирование ТВЗ по свойствам продуктов и режимам сушки является задачей на будущее. Пока для оценки критического влагосодержания соответствующего 1-й смене механизма переноса - прекращению поверхностного испарения и окончанию или вырождению 1-й площадки, используется модельное соображение о начале структурирования и потере текучести дисперсии при касании частиц, дающее

где П^ « 0,4; - коэффициент фракционного состава и формы частиц; симплекс ц учитывает изменение вязкости от температуры.

(23)

¿>120 §

5 «о

I

ЛФР-слстм; 12 */* т°С,5 м/с Апюшшпй

0.8 к.

0,4

Время, с

Рис. 9 Кинетика сушки и йагрева дисперсий и растворов:

на поле указаны продукт; начальная концентрация; температура воздуха; скорость воздуха; подложка; — концентрация насыщения раствора; — текущая концентрация смеси

Для оценки критического влагосодержания икр2, соответствующего 2-й смене механизма переноса (объемного псевдокипения и окончанию или вырождению 2-й площадки), возможные модели учитывают сопротивление поверхностного слоя и сохранение внутреннего влагосодержания, достаточного для псевдокипения. Эмпирическая оценка дает мкрфед и 6...8 %.

Для молекулярных растворов, в отличие от суспензий, температурные площадки по своей природе должны быгь наклонными, но проявляется это для веществ с большим температурным изменением растворимости хнас(7) и депрессией АГд = Т1Ш> разора - Г^п ркпю^л»- Достижению концентрации насыщения и началу кристаллообразования соответствует пересечение вторичных расчетных кинетических кривых текущей концентрации смеси х(х) и концентрации насыщения раствора ^(т) (рис. 9, г).

Для аппроксимации хшс(7) использовались линейные или степенные зависимости. Для описания и расчета Тккп расгвора применялись как известные методики, так и предложенная полутеоретическая зависимость, базирующаяся на определении термодинамических коэффициентов активности а и на уравнении Антуана для />„ас(7). При этом одновременно учитывается зависимость Рнас и от температуры Т, и от концентрации х.

Например, для поваренной соли: *кас1:7 0,0003 Т + 0,2572, кг/кг р-ра;

Рнас= (2,49 - 1,501ехр(0,5х))ехр(23,274 - 3878,6/(Г + 230,15)), Па; (24) Тшп 3878,6/(23,274 - 1п(/>/(2,49 - 1,501ехр(0,5х)))) - 230,15, °С. Здесь Т- в °С. Погрешность для 7'кип не превышает 0,5 °С.

В диссертации приведены последние литературные экспериментальные и расчетные данные по теплотам концентрирования (дегидратации) и кристаллизации г,р для рассмотренных продуктов.

Предложены также соотношения для расчета аисп, асух, р„с„, а также для теплопроводных характеристик X, а, с, р с учетом порозности П и влагонасы-щения 6(и) и их аппроксимации в процессе сушки Для оценки массоперенос-ных характеристик О.,, П*.3, р* предложены модельные соотношения, причем полученные начальные приближения в процессе итерационных расчетов корректируются для обеспечения найденной ТВЗ.

На этой базе разработана методика и компьютерные программы для инженерных расчетов процессов сушки дисперсий и растворов. Примеры сравнения расчетных и экспериментальных данных показаны на рис. 10.

Погрешность расчетов по времени сушки и нагрева обычно не превышает 10... 12 %. Видно, что предложенная методология отрабатывает все типы кинетических кривых, что является принципиально важным как для науки о сушке, так и для сушильной практики.

НО 279 --- —

т, с г) ~ т,с

Рис. 10 Сравнение расчетных и экспериментальных кинетических кривых сушки дисперсий и растворов: на поле рисунков указаны: продукт; начальная концентрация; температура и скорость воздуха; подложка

600 700

5 Теоретические и экспериментальные исследования процессов сушки технических волокнистых материалов. Для опытов использовались экспериментальные установки: 1) БЦС (рис. 1); 2) ЩУ; 3) 2СТУ (рис. 3); 4) 2БСУ (рис. 5); 5) РКУ; 6) ВУ. Для обобщения использовались также данные, полученные ранее В.Б. Михайловым, М.Е. Улановьм, А.П. Пасько, В.М. Нечаевым, В.Б. Коробовым, Л.С. Дудаковой, В.В. Затоной, А.Г. Двойниным, E.H. Туголуковым под руководством В.И. Коновалова.

Был выбран комплекс волокнистых материалов из 20 марок тканей, шнуров и пластин из 8 видов волокон (полиамидные, полиэфирные, вискозные, хлопковые, целлюлозные, асбестовые) и 7 видов модельных материалов.

Типичные температурно-влажностные зависимости для волокнистых материалов (рис. 11) аналогичны приведенным на рис. 6, но для каждой марки ткани или шнура диапазон варьирования механизмов переноса существенно меньше, и все 6 типов ТВЗ не наблюдаются, что объясняется фиксированной начальной структурой материала. Примеры кинетических кривых и сравнение расчетных и экспериментальных данных для разных исследованных способов сушки, материалов и условий приведены на рис. 12 и 13.

Для толстых материалов характерно углубление зоны испарения с продвижением площадки Тшп внутрь образца (рис. 11,6). Для кондуктивно-бара-

а) б) в)

Рис. 11 ТВЗ для конвективной и конвективно-радиационной сушки волокнистых материалов, пропитанных ЛРФ-составами:

а - нити, кордшнуры и шинный корд; б - толстые ткани и модельные цилиндры 0 30 мм разной пористости (данные В.И. Коновалова и В.Б. Коробова); в - тонкие ткани

Рис. 12 Примеры кинетических кривых конвективной (а) и кондуктивной (б) сушки и нагрева волокнистых материалов

I"» >«

■

| 40

ЩУ; Вода; Палатка; 20 °С; 1,5 м/с - I—

? 1

б)

1000 Т. с

БЦС; Веда; Ткани: о - анид ТА-100; Д ■ чефер х/б

80

— Г

1 V. ■'экс т 1 внешн

-'«'ймк Краен 2БСУ! Авял ТА-ННИ те-«а*с

1,5

д)

х,с

10* 1П1 1Я*

г)

Рис. 13 Сравнение расчетных и экспериментальных данных по сушке я нагреву волокнистых материалов на щелевой, циркуляционной и барабанной установках (а, б, д) и корреляции для теплоотдачи снаружи и внутри барабана (в, г)

банной сушки (рис. 12, б; рис. 13, д) вид температурных площадок также аналогичен, но механизм их образования имеет особенности, связанные с односторонним теплоподводом при испарении с другой стороны материала.

Для сушки двухслойных материалов, для кондуктивной сушки, для сушки тонких слоев дисперсий на подложках компьютерные расчеты базируются на аналитических решениях двухслойных задач теплопроводности и диффузии. Так, решение задачи теплопроводности имеет вид

л=1

+ф«>

ехр!

Ш-

(25)

Здесь вид и параметры функций Щ(х) определяются для стационарного распределения температур;

г \

Ф1и = ап^

И»

л/дГ К

Ч>2 п = "аГС1ё

ч

У-пк

•ЙГ

+ Ф1»

¿Г

Ж

(26) 21

уравнения (26) позволяют определить и последовательных значений <р,„, ц„; остальные вспомогательные функции находятся из следующих уравнений:

Для реализации счета решение записывается сначала для 1-го интервала, например, при безградиентных НУ, а затем для к-х последующих, в которых НУ для начала к-го интервала равны конечному распределению в конце предыдущего (Л - 1)-го интервала.

Для задачи диффузии решение будет то же самое с заменой:

Г=С; а = Д Л,гр,//)„ й2=р2/1>2;

(Г1(0,т)-Гс1) = (С1(0,х)-Сс1); (Т2(1, т) - Тс2) = (С2(1, т) - Сс2). (28)

В работе выполнен анализ и впервые дана сводка особенностей внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса (18 видов), которые отличают их от обычно используемых упрощенных модельных схем. Для их учета предложены зависимости: для дополнительных видов конвекции; для геометрии рельефа; для излучения от стенок аппаратов; для расчета эквивалентной толщины материалов со сложным поверхностным рельефом; для выбора определяющих размеров, температур среды и пр.

Влияние начального влагосодержания материала на скорость сушки (рис. 12, 6) объяснено неполным заполнением поверхностных пор, особенно при дозированном нанесении составов, и учитывается введением симплекса £зап— к,,/ мНасс показателем степени 0,5...0,25.

Для нагрева гигроскопичных материалов, сопровождающегося их подсушкой, учитывается теплота испарения гигроскопической влаги.

Специальная работа была поставлена по описанию качества (физико-механических показателей и адгезии) высушиваемых и термообрабатываемых кордных материалов. Показано, что рекомендуемые модели, основанные на физико-химическом описании механизма, имеют наибольшую познавательную и практическую ценность, хотя сложнее в разработке и решении.

При сушке двухслойных материалов (например, в производстве фильтровальных и стерилизующих пластин на тканевой подложке после отливки или формования) учитывается межслоевой влагообмен и испарение через пористую подсушенную подложку.

Выполнены экспериментальные и теоретические исследования по кон-дуктивно-барабанной тепловой обработке волокнистых и листовых материалов. Получены критериальные соотношения для внешней тепло-массоотдачи при свободной конвекции (рис. 13, в)

Nuc«=0,90(GrxPr)0,25 (29)

и для внутренней теплоодачи в барабане с учетом диссипации энергии при перемешивании (рис. 13, г):

при ReM<sm = 200... 10ОО NuMeul = 2,53 ReMe„°'33 Рг = 2,53 Ре °33, (30) при ReMeul= 1000...1000 ООО NuMeul = 0,8 ReMem®'5 Pr °'33. (31)

Разработанные на этой основе методы и программы инженерного расчета сушки и термообработки волокнистых материалов приведены в диссертации. Погрешность обычно не превышает 12 %.

6 Теоретические и экспериментальные исследования циклических и многооперационных процессов сушки и тепловой обработки. Выполнен анализ процессов обработки материалов на поточных линиях с полузамкнутыми циклами операций сушки, нагрева/охлаждения, вулканизации, каландрова-ния, непрерывного прессования и других видов тепловой обработки, а также процессов с двумя и более последовательными технологическими операциями или режимами. Впервые дана их классификация по группе признаков.

Условия тепло-массообмена по участкам линий с полузамкнутыми контурами барабанов, транспортерных лент, прижимных устройств, подложек и пр. (рис. 14) являются несимметричными и переменными по участкам. Поля температур и концентраций по ходу участков многократно перестраиваются. После пуска линии все температуры изменяются, пока режим не станет стационарным. Какие при стационарном режиме установятся начальные температуры и концентрации на входе участков, неизвестно. Основой разработанных автором совместно с В.И. Коноваловым и E.H. Туголуковым методов расчета таких процессов и устройств является сведение динамической задачи переноса к квазикинетической.

Выюд мтеряш »V иш/х):1

Рис. 14 Схема участков сушки/нагрева/охлаждения движущихся ленточных материалов на многобарабанной установке поточной линии (полузамкнутый цикл)

Разработанная методика заключается в последовательном счете условных циклов от пуска установки до выхода ее на стационарный режим: для 1-го оборота барабана и далее до конца линии; для 2-го оборота 1-го барабана и так далее, пока температурно-влажностные распределения перестанут изменяться. Используются приведенные аналитические решения. Общее время до достижения стационарного состояния дает время выхода линии на рабочий режим, которое также имеет принципиальное значение.

Эксперименты проводились на установках: 1) 2СТУ (см. рис. 3); 2) 2БСУ (см. рис. 5); 3) натурный стенд РКЛП; 4) стенд РКЛВ. Характерные кинетические кривые и циклограммы приведены для примера на рис. 15.

Рис. 15 Кинетика циклических и многооперационных процессов:

а - сушка клея (10 % НК+БР+ЭАц) на резине при одно- и двухрежимной обработке: 2СТУ; \ис = 3 м/с; 6 - многобарабанная сушка: 2БСУ; ткань ТА-100; Т5 = 80 "С; время пребывания образца на воздухе т„ид = Уаг при = 15 с; в - расчетные и экспериментальные циклограммы нагрева-охлаждения пресс-форм с вкладышами подшипников качения: стенд РКЛП (1,2,3- поверхность, основание, крышка пресс-формы)

Для роторно-конвейрных линий впервые исследованы и рекомендованы способы и режимы комбинированного теплоподвода: конвективные; ра-диационно-конвективные с ИК-теплоподводом; с индукционным ТВЧ-наг-ревом. Для измерения температур поверхностей ПФ спроектировано устройство, на которое получено авторское свидетельство.

При индукционном теплоподводе ТВЧ, сопровождаемом конвекцией и

излучением, ГУ-Зэкв будут

= а(Тс" г(л'т)) • (32)

Величина поверхностного тепловыделения днт может быть определена электрофизическими расчетами только для простых модельных схем. Для промышленных условий рекомендовано соотношение, учитывающее реальный коэффициент связи «индуктор-загрузка» Ки.3

<7^=4,2-10-'^РЙГ^и/г)2^, (33)

где р - омическое сопротивление материала ПФ; ц - магнитная проницаемость; / - частота; 1УУ1/„ - ампер-витки катушки индуктора на единицу длины загрузки; К„.} для исследованного индуктора и пресс-форм равен 0,84.

Рекомендованы двухрежимные процессы конвективно-радиационной сушки клеевых покрытий (рис. 15, а) и кондуктивной сушки рулонных материалов на многобарабанных установках (рис. 15, б). Показаны возможности повышения качества продуктов и интенсивности путем использования комбинаций «жестких» и «мягких» режимов.

Разработаны методики и программы инженерного расчета таких процессов. Точность расчетов определяется, в основном, погрешностями описания тепло-массоотдачи. Например, при конструктивно неизбежном неравномерном обогреве пресс-форм (рис. 15, в) для расчета нужно находить усредненные эффективные тепловые потоки. Результирующие погрешности - 10...15 %. Какие-либо корректные альтернативы предложенным расчетам в настоящее время неизвестны.

7 Общие результаты работы и рекомендации по моделированию и совершенствованию сушильно-термических процессов, оборудования и устройств для испарения растворителей, сушки покрытий, дисперсий, растворов и волокнистых материалов. Вышеизложенные материалы подтверждают корректность выполненного физического анализа и объяснения механизма исследованных процессов и перспективность использования сформулированных единого подхода и методологии для исследования сложных процессов сушки и тепловой обработки. Дадим краткую сводку результатов работы, рекомендаций и сведений о реализации.

Растворители и покрытия. Волокнистые материалы.

Запатентованный психро-эвапорометр (см. рис. 2) реализован в виде рабочей установки и используется в научных исследованиях и в учебном процессе. Планируется его изготовление по заказам заинтересованных организаций.

Выполненные исследования сушки клеевых покрытий при разных условиях (рис. 16, а) и при двухрежимных процессах (рис. 15, а) подтвердили возможность существенного выигрыша во времени сушки, увеличения скорости проводки и снижения габаритов клеепромазочных машин. В этих исследованиях реализовано использование температурно-влажностной зависимости вместо измерения убыли влагосодержания.

Выбор менее гигроскопичной подложки при производстве целлюлозно-асбестовых стерилизующих и фильтрующих пластин также существенно снижает время сушки (рис. 16, б).

Эти результаты могут быть использованы в резино-асбестовой, бумажной, текстильной и легкой промышленности и приняты для расчета сушилок и выбора режимов в Тамбовских ОАО «НИНРТмаш» и «АРТИ».

8

I;

а)

ид 100

1

—60'С ии— I

-1 — 120-С

ЙЗЛ 400*С .

т,с

1 2

-

^-

100

б)

50 Т, |

Рис. 16 Кинетика сушки покрытий и волокнистых материалов:

а ~ сушка клея (10 % НК + БР + ЭАц) на резине в мягких, средних и жестких условиях: 2СТУ;

мъ = 3 м/с; б - сушка стерилизующих пластин СФ-3 (55 % целлюлозы, 45 % асбеста) на подложках: У - на чефере х/б; 2-на аниде ТА-100; БЦС;

80 °С; 3 м/с

Методы расчета процессов сушки и термообработки технических тканей, шинного корда, кордшнуров и нитей, разработанные ранее в школе В.И. Коновалова и усовершенствованные в настоящей рабоге, используются при проектировании поточных линий и агрегатов ОАО «Полимермаш» и «НИИРТмаш».

Дисперсии и растворы. Полупродукты, пигменты и красители. Выданы рекомендации по обоснованному выбору рационального типа сушилок, режимных параметров и расчету размеров сушилок для ряда полупродуктов синтеза органических пигментов и красителей (Р-соль, Гамма-кислота, бело-форы КД-2 и КД-93, диспергатор НФ). Результаты приняты и для ряда продуктов реализованы на ОАО «Пигмент».

Выполнены работы по механизму и кинетике сушки типичных органических пигментов и красителей. Показаны возможности альтернативных способов сушки, в частности, кондуктивно-барабанной сушки и сушки в псевдо-ожиженном слое на разработанном и запатентованном «бинарном инерте» из смеси фторопластовых и алюминиевых частиц. Примеры кинетических кривых даны на рис. 17. При сушке на бинарном инерте устраняется налипание, улучшается скол продукта с частиц, снимается статическое электричество и соответственно снижается пожаро-взрывоопасность. Время сушки на смеси частиц меньше, чем на фторопласте, примерно на 20...30 %.

Рис. 17 Кинетические кривые кондуктивной сушки пигмента рубинового ВКС/2:

а - 2БСУ; Г&р = 80,100,120 °С; х0 = 35 %; бея = 2 мм и сушки в кипящем слое на инерте суспензии Р-соли, б - УКСИН; лмч = 25 %; 3 м/с, Тс - 80 °С; 0 - фторопласт; х - алюминий, о - бинарный инерт 50/50 %

Эти способы дают также большую экономию в энергозатратах благодаря возможности использования повышенных начальных концентраций дисперсий по сравнению с распылительной сушкой и повышение качества по сравнению с вальцеленточными сушилками. Планируется их реализация в промышленном масштабе на ОАО «Пигмент».

Полученные результаты по сушке дисперсий и растворов рекомендуются также отечественным и зарубежным предприятиям для совершенствования процессов сушки ряда других продуктов: мясо-костной жидкости, желатина -в мясной и мясо-молочной промышленности; тяжелой кукурузной жидкости, крахмала - в крахмало-паточной промышленности; сахара - в сахарной промышленности; различных солей и других неорганических продуктов - в промышленности минеральных удобрений и солей.

Предложенную методологию можно использовать не только для тонких слоев дисперсий, но и для толстых слоев, в том числе при жестких режимах

сушки. Результаты, получаемые для плоских материалов, могут использоваться для подложек цилиндрической формы (напр., эмалируемой проволоки), для сферических подложек (напр., при сушке на инерте или для растущей гранулы) с учетом отличий во внешних условиях. Все это расширяет возможности реализации научно-инженерных результатов, полученных в диссертации.

Циклические и многооперационные процессы и оборудование. Энер-го-ресурсосбережение. Результаты работ по циклическим процессам нагрева/охлаждения/сушки при обработке РТИ реализованы в металле в промышленных каландровых, протекторных, камерных линиях, линиях для производства транспортерных лент, слоистых композитных материалов в ОАО «НИ-ИРТмаш» и «Полимермаш» и успешно эксплуатируются на ряде шинных заводов и заводов РТИ.

На основе разработанной методологии по заказу ОАО «Пигмент» проведены работы по энерго-ресурсосберегающим процессам производства органических пигментов в осваиваемых производствах цеха № 15 с сушкой в замкнутом цикле продуктов сгорания природного газа с распылительной сушилкой. Выполнены также работы в других цехах. Разработаны решения для процессов сушки пигментов, превосходящие по эффективности мировой уровень, достигнутый отечественными и ведущими зарубежными фирмами. Предложены схемы с поверхностным теплообменником вместо промывной колонны, с теп-лоутилизацией и с теплотрансформацией. Это позволит снизить расходы воды после внедрения схем на 1 млн куб. метров в год, уменьшить на 20 % расход природного газа и снизить количество стоков на закачку.

Результаты работ по роторно-конвейерным линиям реализованы в металле в двух промышленных образцах линий РКЛП и РКЛВ на Заводе опытных машин ОАО «НИИРТмаш». Линии помещены в официальный каталог резинотехнического оборудования.

ВЫВОДЫ

1 Общим результатом работы являются научно-обоснованные решения проблем сушки и тепловой обработки материалов с существенной температурной кинетикой. При этом разработан единый подход и методология исследований процессов сушки и нагрева на базе температурно-влажностных зависимостей для большой группы процессов, включающих: испарение растворителей, сушку покрытий, дисперсий, кристаллообразующих растворов, волокнистых материалов, тепловую обработку полимер-волокнистых композиций, в том числе их циклические и многооперационные разновидности.

2 Выполнен анализ современного состояния теории и техники процессов сушки и тепловой обработки исследуемых групп материалов. Показано, что такие материалы составляют более половины всей номенклатуры высушиваемых и термообрабатываемых материалов. Проанализированы их общие черты, отмечены тенденции развития и определены задачи совершенствования таких сушильных процессов и оборудования, в том числе решаемые в настоящей работе.

3 Выполнен комплекс экспериментально-аналитических работ по сушке исследуемых материалов, а также сопоставительный анализ ранее проведенных исследований. Анализ показал, что для надежности результатов по тепло-массопереносу для сложных по природе процессов с недостаточно изученным механизмом решающим является широкий диапазон исследуемых материалов и условий сушки. Поэтому первостепенной задачей был обоснованный анали-

зом подбор представительных комплексов продуктов, экспериментальных установок и серий экспериментов.

Были подобраны и исследованы следующие комплексы материалов: 35 растворителей из 18 гомологических рядов и групп, ряд клеев и латексных составов; 20 видов дисперсий и растворов синтетического, минерального, растительного и животного происхождения, пигментов и красителей и 10 видов подложек; 27 разновидностей тканей, пластин и других волокнистых материалов из 8 видов волокон и ряд модельных материалов.

Использовался комплекс из 11 экспериментальных установок, модернизированных или впервые созданных: большая циркуляционная конвективная сушилка; щелевая конвективная установка; сопловая двухрежимная конвективно-радиационная установка; барабанная двухрежимная кондукгивная установка; реокинетическая установка; визуальные установки; модифицированная камера дериватографа; установка для сушки в кипящем слое на инертном носителе; универсальная психро-эвапорометрическая установка; натурные стенды роторно-конвейерных линий для вкладышей подшипников и для автокамерных вентилей, в том числе с инфракрасным и индукционным теплоподводом.

Экспериментальные исследования включают комплекс из 11 серий, идентифицированных по назначению: пробные эксперименты; модельные; классификационные; кинетические; диапазонные; сравнительные; отсеивающие; визуальные; эксперименты для изучения химических и деформационно-реологических процессов; технологические; промышленные.

4 Впервые разработана единая кинетическая классификация рассматриваемых процессов и материалов как объектов сушки, включающая 6 групп по наличию, вырождению или отсутствию характерных температурных площадок (вблизи температур мокрого термометра Тт, кипения Ткип и других). Эти классификационные особенности определяют механизм тепломассопереноса, время сушки и качественные показатели высушиваемых материалов.

5 Получены и используются аналитические решения многослойных линейных задач теплопроводности (диффузии) с функционально заданными начальными условиями, с кусочно-ступенчатой аппроксимацией тепло-массо-переносных характеристик и толщин слоев по зонам, с расчетом на малых временных интервалах. Предложены методы эквивалентизации граничных условий для комбинированного тепло- и массопереноса, со сведением их к эквивалентным ГУ 3-го рода, и методы аппроксимации других характеристик тепло-массопереноса. Разработаны расчетные компьютерные программы.

6 В связи с общенаучной важностью рассмотрены возможности использования тепло-диффузионной аналогии в процессах испарения растворителей. Показано, что аналогия в этих процессах нарушается. Дан анализ причин. Впервые предложены безразмерные коррелирующие комплексы, включающие базовые характеристики растворителей - температуры кипения и плавления.

7 В связи с практической значимостью проанализированы методы инженерно-кинетической аппроксимации характеристик переноса. Разработана группа эффективных применяемых аппроксимационных схем, в том числе для температурно-влажностных зависимостей 71(м), для коэффициентов тепло- и массоотдачи а(и), Р(и) и других.

8 Получены новые физические результаты по кинетике процессов испарения растворителей и сушки покрытий, сушки дисперсий и кристаллообра-зующих растворов, кондуктивно-барабанной сушки, сушки и термообработки

волокнистых материалов, в том числе по механизму тепло- и массопереноса при образовании и вырождении температурных площадок на кинетических кривых при сушке всех этих видов материалов. Получен ряд новых расчетных соотношений и разработаны инженерные методы расчета для всех изучаемых групп процессов, в том числе: уточненные критериальные уравнения тепло-массоотдачи при испарении; полутеоретические зависимости для давления насыщенных паров Рилс растворов одновременно от концентрации и температуры; способы учета дополнительных видов конвекции, излучения стенок, геометрии рельефа, начального влагосодержания, выбора определяющих размеров и температур; критериальные соотношения для внешней тепло- и мас-соотдачи и для внутренней теплоодачи при кондуктивно-барабанной сушке, с учетом диссипации энергии при перемешивании теплоносителя в барабане; методы оценки критических влагосодержаний икр1, мкр2 и коэффициентов диффузии Дф, Дф*; для полузамкнутых циклических и многооперационных процессов сушки и тепловой обработки впервые предложен эффективный метод расчета, основанный на сведении динамической задачи к квазикинетической, с расчетом температур и влагосодержаний на каждом условном цикле; методики расчета комбинированного теплоподвода (конвективный, кондуктивный, инфракрасный, индукционный).

9 Выданы практические рекомендации по совершенствованию и выполнены работы по реализации рассмотренных сушильно-термических процессов и оборудования, в том числе: 1) научные результаты исследований реализованы в виде публикаций в ведущей мировой печати и доложены на основных международных конференциях и форумах по сушке и тепло-массопереносу и используются в учебном процессе в курсах ПАХТ, явлений переноса, инженерной оптимизации, энерго-ресурсосбережения, инженерной экологии; 2) результаты работ по двухрежимной сушке покрытий и по сушке целлюлозо-асбестовых пластин на легкой подложке приняты для реализации на Тамбовское ОАО «АРТИ»; 3) получено положительное решение о выдаче патента на универсальный психро-эвапорометр, который реализован в виде рабочей установки и используется в научных исследованиях; предлагается его изготовление по заказам заинтересованных организаций; 4) результаты работ по дисперсиям и растворам приняты для реализации на Тамбовское ОАО «Пигмент»; получен патент № 2245348 на способ сушки на бинарном инерте, который реализован в виде лабораторной установки, используется в научных исследованиях и запланирован к промышленной реализаци на ОАО «Пигмент»; 5) работы по энерго-ресурсосберегающим и экологичным процессам сушки пигментов с замкнутым циклом сушильного агента находятся в стадии исследования и реализации на ОАО «Пигмент» с расчетной экономией около 1 млн. м3 охлаждающей воды в год, 20 % природного газа и значительным сокращением стоков на закачку; 6) результаты работ по волокнистым и рулонным материалам реализованы в металле в промышленных протекторных, камерных линиях, линиях для производства транспортерных лент в ОАО «НИИРТмаш» и «По-лимермаш» и успешно эксплуатируются на ряде шинных заводов и заводов РТИ; 7) результаты работ по роторно-конвейерным линиям реализованы в металле в двух промышленных образцах линий РКЛП и РКЛВ на Заводе опытных машин ОАО «НИИРТмаш» (в том числе с устройством для измерения температур по полученному авторскому свидетельству № 1478054) и включены в официальный каталог резинотехнического оборудования.

Основные обозначения (неуказанные размерности в системе СИ)

а - температуропроводность; с - теплоемкость; С - концентрация, D - коэффициент диффузии; F,f- поверхность; g - убыль веса; L, ! - длина; N - скорость сушки; р, II - давление, общее давление; Р - потенциал переноса; R - газовая постоянная; г - теплота испарения, Г - температура, К или °С; и - влагосодержание материала, кг вл/кг сух; w -скорость, а, ß - коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи; 6 - толщина; б - порозность; X - теплопроводность; р - плотность; ц - динамическая вязкость; т - время; Nua = а/Л.; Nup = ßZ/Д Pr = via; Re = w l/v; Sc == v/D.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

(в журналах по перечню ВАК и в других изданиях, учитываемых ВАКу.

Препринт

1 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И. Единый подход к кинетике и моделированию сушки растворителей, покрытий, жидких дисперсий, кристаллообразующих растворов и волокнистых материалов II Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2004. Препринт № 09. Т. 10 - Юбилейный. № 1. 64 с.

Публикации в журналах, трудах конференций и в других изданиях.

2 Коновалов В И, Гатапова Н.Ц. Макрокинетика промышленных процессов // Теоретические основы химической технологии. 2004 Т. 38. № 2. С. 123 - 132.

3 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Кудра Т. Кинетические особенности, классификация и методология расчетов процессов сушки суспензий и кристаллообразующих растворов // Известия вузов Химия и химическая технология 2005. Т. 48. Вып. 4. С. 119 -125

4 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И., Туголуков E.H. Расчет и оптимизация циклических и многооперационных тепловых режимов обработки изделий в поточных, роторно-конвейерных и роторных линиях // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005. № 5. С.3-6.

5 Гатапова Н.Ц. Коновалов В И. Методологические основы комплексных тепло-физических измерений и экспериментальных исследований процессов сушки материалов с существенной температурной кинетикой // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2005. Т. 11.№1.С. 133-150.

6 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И, Колиух А.Н, Пахомов А.Н, О температурных площадках при низко- и высокотемпературной контактно-барабанной сушке влажных материалов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2004. Т. 10 - Юбилейный. № 4. С. 968 - 977.

7 Гатапова H Ц., Коновалов В.И. Методология комплексных теплофизических измерений и экспериментальных исследований процессов сушки материалов с существенной температурной кинетикой (пленарный доклад) // Материалы V Междунар. теплофизиче-ской школы (МТФШ-5). Тамбов, 20 - 24 сент. 2004 г. ТГТУ. 2004. Ч. 1. С. 19 - 34.

8 Konovalov V.l., Gatapova N.Z., Koliuch A.N., Pachomov A.N., Shikimov A.N., Utrobm A.N. Kinetics of conductive drying and heat-transfer on contact cylinders // Proc. of the 14th Intern. Drying Symp. (IDS'2004). Brazil, Aug. 22-25, 2004. Vol. A. Pp. 247 - 253.

9 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Шикунов A.H., Утробин А.Н. Кинетика сушки дисперсий на бинарном инертном носителе И Докл. V Междунар. форума по тепло- и массообмену (ММФ-2004). 24 - 28 мая 2004 г Минск: ИТМО, 2004. Секция 7. Докл. №7-16. 11с.

10 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И. Единый подход к кинетике и моделированию сушки растворителей, покрытий, жидких дисперсий, кристаллообразующих растворов и волокнистых материалов (реферат препринта) II Вестник Тамбовского государственного техническо! о университета 2004. Т. 10-Юбилейный № 1. С. 80-82

11 Konovalov VI, Gatapova N Z, Kudra T. Drying of liquid dispersions - a unified approach to kinetics and modeling // Drying Technology - An Intern. Journal (New York). 2003. Vol. 21. No. 6. Pp. 1029 - 1047.

12 Гатапова Н.Ц., Коновалов В И., Шикунов А H, Козлов Д В., Пахомов А.Н. Те-плофизические и кинетические особенности сушки кристаллообразующих растворов И

Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2003. Т. 9. № 2. С. 210-229.

13 Konovalov V.I., Gatapova N.Z., Kudra Т. Drying of liquid dispersions: unified approach to kinetics and modeling // Proc. of the 13th Intern. Drying Symp (IDS'2002). Beijing, China, Aug. 28-31, 2002. Vol. A. Pp 218 - 225

14 Shikunov A.N., Utrobin A.N , Konovalov V.I., Gatapova N.Z., Pachomov A.N., Le-ontyeva A.I. Drying kinetics of liquid dispersions from thin organic syntheses on various substrates // Proc. of the 13th Intern. Drying Symp. (IDS'2002). Beijing, China, Aug. 28 - 31, 2002. Vol. A. Pp 226-231.

15 Коновалов В.И., Гатапова H Ц., Кудра Т. Кинетика сушки и качество обрабатываемых материалов (проблемный доклад) // Труды 1 Междунар. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ-2002)». М.: МГАУ, 2002. Т. 3. С. 14-18.

16 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц. Математическое моделирование взаимосвязанных процессов сушки и нагрева Явления переноса и их модели // Труды XV Междунар. конф «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-15)». Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. Т. 3. Секция 3. С. 166- 170.

17 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Пахомов А.Н. Математическое моделирование взаимосвязанных процессов сушки и нагрева. Материалы с близкими диффузионными и термическими сопротивлениями: единый подход // Труды XV Междунар. конф. «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-15)» Тамбов- Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. Т. 3. Секция 3. С. 170 - 176.

18 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И., Колиух А.Н., Савельев А.А. Особенности кинетики теплопередачи и сушки на контактных барабанах // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2001 Т. 7. № 3 С. 399 - 406.

19 Промтов М А., Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц Анализ условий и разработка методики интенсификации химико-технологических процессов в гетерогенных жидкостях при энергетических воздействиях // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2001. Т. 7. № 3 С. 407 - 421.

20 Кутепов A.M., Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц Новое американское издание «Справочник инженера-химика Перри» // Химическое и нефтегазовое машиностроение 2000. № 3. С. 50 - 52.

21 Konovalov V.I., Pakhomov A N., Gatapova N.Z., Kudra Т Modeling of drying of dispersed systems held on solid supports // Докл. IV Междунар форума по тепло- и массо-обмену (ММФ-2000). 22 - 26 мая, 2000 г. Минск- ИТМО, 2000. Т 9. С. 20 - 29.

22 Gatapova N.Z., Sergeeva Е.А., Konovalov VI, Kudra Т., Mozzhukhin A.B. Heat and mass transfer analogy for evaporation of solvents // Докл. IV Междунар. форума по тепло- и массообмену (ММФ-2000). 22 - 26 мая, 2000 г. Минск: ИТМО. 2000. Т. 9. С. 94 - 100.

23 Konovalov V.I., Netchaev V.M., Gatapova N.Z., Shmurak IL., Korobova I.L. Adequacy of kinetic and quality indices for drying and thermal treatment of tire cord // Proc. of the 12th Intern. Drying Symp. (IDS'2000). Netherland, Aug. 28 - 31, 2000. Amsterdam: Elsevier, 2000. Report No. 401,6 p.

24 Konovalov V.I., Pakhomov A.N., Gatapova N.Z., Kudra T. Drying of dispersed systems in thin layers - process mechanism and kinetics // Proc of the 12th Intern Drying Symp. (IDS'2000) Netherland, Aug. 28 - 31. 2000 Amsterdam- Elsevier, 2000 Report No. 397, 6 p

25 Korobova I.L., Gatapova N.Z., Konovalov V.I., Kudra T. Opportunities for using fuzzy systems and neural networks to optimaze quality of dried matenals with complex Theology // Proc. of the 12th Intern. Drying Symp. (IDS'2000). Netherland, Aug. 28 - 31, 2000. Amsterdam- Elsevier, 2000. Report No 400,10 p.

26 Коновалов В.И, Коробова И.Л., Гатапова Н.Ц., Нечаев В.М. Использование нейронных сетей и нечетких множеств в химической технологии (на примере прогнозирования качества высушиваемых материалов) // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2000. Т. 6. № 4. С. 590 - 610.

27 Konovalov V I, Gatapova N.Z External heat- and mass transfer during the convec-tive drying and heating of strips materials (Keynote Lecture) H Proc of the 11 th Intern. Drying Symp. (IDS'98). Halkidiki, Greece, Aug. 19 - 22,1998 Vol. A. Pp 23 - 34.

28 Konovalov VI., Gatapova NZ. Peculiarities of external heat- and mass transfer during industrial convective drying and heating // Вестник Тамбовского государственного технического университета 1998. Т. 4. № 4 С. 444 - 461

29 Коновалов В И, Хануни С.С., Туголуков Е.Н., Гаталова Н.Ц, Коробова И Л., Михайлов Б Н, Сергеева Е.А. К расчету внешнего тепло- и массообмена при сушке и нагреве волокнистых материалов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 1997. Т. 3. № 1-2. С. 47 - 60.

30 Коновалов В.И., Туголуков Е.Н., Гаталова Н.Ц,. Хануни С.С. Коробова И.Л., Пахомов А.Н., Сергеева Е.А. К расчету внутреннего тепло- и массопереноса и кинетики нагрева волокнистых материалов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 1997 Т 3. №3 С. 224-236

31 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Туголуков Е.Н. Физические особенности и кинетика процессов тепло- массообмена при сушке материалов от органических растворителей (Проблемный доклад). // Докл. III Междунар. форума по тепло- и массообмену (ММФ-96). 20 - 24 мая, 1996 г Минск: ИТМО, 1996. Т. VIII. С 37-44.

32 Коновалов В.И, Гатапова Н.Ц, Туголуков Е.Н. Циклические тегоюмассооб-менные процессы в химико-технологических устройствах (Проблемный доклад) // Докл. III Междунар. форума по тепло- и массообмену (ММФ-96). 20 - 24 мая, 1996 г. Минск: ИТМО, 1996. Т. XI. С. 50 - 54.

33 Konovalov V I., Tugolukov Е N., Gatapova N.Z. Interdependent Heat and Mass Transfer in Drying // Proc of the 10th Intern Drying Symp (IDS'96). Poland, Krakow, July 30-Aug. 2,1996. Vol B. P. 1517.

34 Коновалов В И., Туголуков Е.Н., Гатапова Н.Ц О возможностях использования точных, интервальных и приближенных аналигических методов в задачах тепло- и массопереноса в твердых телах // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 1995. Т. 1. № 1-2. С. 75 - 90.

35 Коновалов В.И., Гатапова Н Ц., Туголуков Е.Н О возможностях использования циклических тепловых и взаимосвязанных тепло-диффузионных процессов в химических и других производствах // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 1995. Т. 1. № 3-4. С. 273 - 288.

36 Konovalov V.I., Tugolukov E.N., Gatapova N.Z., Netchaev V.M. Modeling of drying with the application of temperature-tune and temperature-moisture relationship // Proc of the 9th Intern. Drying Symp. (IDS'1994) Brisbane, Australia, Aug 1 - 4.1994. Vol. A. Pp. 291 - 305.

37 Konovalov V I, Gatapova N.Z , Tugolukov E.N , Nemtchenko G.L. Cyclic heating processes for the modern equipment for rubber and plastic articles production // 11 Intern. Congress of Chem.Eng., Chem. Equip. Design and Automation (CHISA'93). Praga, Aug. 29 -Sept. 3,1993. Abstracts. Vol.G. P. 44.

38 Konovalov V.I., Gatapova N.Z., Tugolukov E.N., Nemtchenko G.L. Cyclic heating processes for the modern equipment for rubber and plastic articles production/11 Intern. Congress of Chem. Eng., Chem. Equip. Design and Automation (CHISA'93) Praga, Aug 29 -Sept 3,1993. Preprint G8. 25. 11 pp.

Авт. свидетельства и патенты

39 Патент РФ № 2245348. Инертный носитель для сушки продуктов в псевдоожи-женном слое («бинарный инерт») / В.И. Коновалов, Н.Ц Гатапова, А.Н. Шикунов, А.Н. Утробин, А.И. Леонтьева; Заявл. 18.08.2003 г.

40 Устройство для измерения скорости испарения и температуры испарения растворителей («психро-эвапорометр») / В И. Коновалов, Н.Ц Гатапова, Д.В. Козлов, А.Н. Утробин, А А. Фролов // Решение ФИПС РФ о выдаче патента на изобретение от 21 12.2004 г. по заявке № 2003125681 (027448) от 20.08 2003 г

41 А.с. СССР № 1478054. Устройство для измерения температуры движущихся пресс-форм / Г.Л. Немченко. Е.Н. Кривенко, A.M. Жмулюкин, Н.Ц. Гатапова, Ю.П. Григорьев; Опубл 07.05.89 Бюл. № 17.

Подписано к печати 26.04.2005. Гарнитура Times New Roman. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1,86 усл. печ. л.; 2,2 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. С. 292

Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

¥-8 6 5 1

РНБ Русский фонд

2006-4 20860

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ. Ю

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ СУШКИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ, ПОКРЫТИЙ, ДИСПЕРСИЙ, РАСТВОРОВ И ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В ХИМИЧЕСКОЙ, РЕЗИНОВОЙ, ПИЩЕВОЙ, ЛЕГКОЙ И ДРУГИХ РОДСТВЕННЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

1.1 Традиционные, альтернативные и перспективные процессы и оборудование для сушки и тепловой обработки.

1.1.1 Процессы и оборудование для сушки растворителей и покрытий.

1.1.2 Процессы и оборудование для сушки дисперсий и кристал-лообразующих растворов.

1.1.3 Процессы и оборудование для сушки и тепловой обработки волокнистых материалов.

1.1.4 Кондуктивно-барабанные сушилки и нагревающие / охлаждающие устройства.

1.1.5 Процессы и оборудование для многооперационных и циклических процессов сушки и тепловой обработки.

1.1.6 Общие особенности рассматриваемых процессов и оборудования.

1.1.7 Общие вопросы инженерной оптимизации рассматриваемых процессов и оборудования. Качество. Энерго- и ресурсосбережение. Экология.

1.2 Традиционные и перспективные инженерные и научно-теоретические методы исследования, расчета и проектирования сушильных процессов и оборудования.

1.2.1 Процессы испарения (теория).

1.2.2 Процессы испарения (эксперимент).

1.2.3 Моделирование процессов сушки.

1.2.4 Особенности сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов.

1.2.5 Особенности кондуктивной обработки материалов.

1.2.6 Физико-теоретические особенности циклической обработки материалов.

1.2.7 Общий методологический подход и его особенности.

2 ЕДИНЫЙ ПОДХОД К КИНЕТИКЕ И МОДЕЛИРОВАНИЮ СУШКИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ, ПОКРЫТИЙ, ЖИДКИХ ДИСПЕРСИЙ, КРИ

СТАЛЛООБРАЗУЮЩИХ РАСТВОРОВ И ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1 Явления переноса и кинетика промышленных процессов сушки и термообработки и других процессов химической технологии

2.1.1 "Элементарные" явления и "комплексные" процессы.

2.1.2 Историческая справка.

2.1.3 Подходы к описанию явлений и процессов.

2.1.4 Типичные трудности, встречающиеся при математическом моделировании комплексных процессов.

2.1.5 Промышленные процессы: модели и реальность (примеры)

2.2 Физическое и математическое моделирование процессов сушки и термообработки: единый подход для материалов с существенной температурной кинетикой.

2.2.1 Методология экспериментальных исследований комплексных процессов сушки и кинетическая классификация материалов как объектов сушки.

2.2.2 Методология анализа температурно-влажностных кривых

2.2.3 Постановка задач теплопроводности и диффузии и математическое моделирование комплексных процессов сушки.

2.2.4 Эквивалентизация граничных условий и эффективные характеристики тепло-массопереноса в комплексных процессах сушки.

2.2.5 Аналитические решения задач теплопроводности и диффузии в процессах сушки при функционально заданных начальных условиях.

2.3 Возможности использования методов аналогии процессов тепло- и массопереноса.

2.4 Методы инженерно-кинетической аппроксимации характеристик тепло- и массопереноса.

2.5 Сопоставление используемых методов инженерно-физического описания процессов, статистических методов активного планирования экспериментов и современных математических методов нечетких множеств и нейронных сетей.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ И СУШКИ ПОКРЫТИЙ.

3.1 Экспериментальные исследования.

3.1.1 Экспериментальные установки и техника экспериментов

3.1.2 Растворители, клеи и промазочные составы.

3.1.3 Подложки, пористые и монолитные материалы

3.2 Кинетические особенности и моделирование процессов.

3.2.1 Влияние режимных параметров на кинетику.

3.2.2 Сопоставительный анализ результатов.

3.2.3 Моделирование кинетики на психро-эвапорометре.

3.3 Инженерные методы расчета и вопросы совершенствования процессов и оборудования.

3.3.1 Базовые характеристики и корреляционный анализ

3.3.2 Расчетные уравнения тепло-массоотдачи.

3.3.3 Влияние начального влагосодержания материала.

3.3.4 Влияние Стефанова потока, термодиффузии и влажности воздуха.

3.3.5 Особенности расчета тепло- и массоотдачи при испарении

3.3.6 Вопросы тепло-диффузионной аналогии при испарении

3.3.7 Инженерные расчеты испарения и сушки покрытий

3.3.8 Моделирование процессов испарения и сушки.

3.3.9 Вопросы моделирования, связанные с совершенствованием оборудования для сушки и обработки покрытий.

4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ДИСПЕРСИЙ И КРИСТАЛЛООБРАЗУЮЩИХ РАСТВОРОВ СИНТЕТИЧЕСКОГО, МИНЕРАЛЬНОГО, РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.

4.1 Экспериментальные исследования.

4.1.1 Экспериментальные установки и техника экспериментов

4.1.2 Дисперсии и кристаллообразующие растворы продуктов оргсинтеза, технических и пищевых продуктов.

4.1.3 Кристаллообразующие растворы, текучие дисперсии и пасты органических красителей.

4.1.4 Тепло-массопереносные свойства дисперсий и растворов

4.1.5 Характеристики использованных подложек и рамок для сушки дисперсий и растворов.

4.2 Кинетические особенности и моделирование процессов.

4.2.1 Задачи изучения особенностей механизма и кинетики сушки дисперсий и растворов.

4.2.2 Механизм переноса и единая кинетическая классификация материалов с существенной температурной кинетикой.

4.2.3 Моделирование сушки дисперсий и растворов.

4.3 Инженерные методы расчета и вопросы совершенствования процессов и оборудования.

4.3.1 Расчетные соотношения и порядок инженерных расчетов процессов сушки дисперсий и растворов.

4.3.2 Моделирование полей концентраций, температур и толщин слоя продукта при усадке.

4.3.3 Возможности применения конвективных и конвективно-радиационных сушилок, сушки в кипящем слое на инерте и кондуктивно-барабанной сушки.

5 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ СУШКИ ТЕХНИЧЕСКИХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ.

5.1 Экспериментальные исследования.

5.1.1 Экспериментальные установки и техника экспериментов.

5.1.2 Тепло-массопереносные свойства и технические характеристики волокнистых и модельных рулонных материалов.

5.1.3 Материалы, теплоносители и хладоагенты в экспериментах на кондуктивно-барабанной сушильно-термической установке.

5.1.4 Пропиточные составы и кордшнуры в экспериментах на рео-кинетической сушильно-термической установке.

5.2 Кинетические особенности и моделирование процессов.

5.2.1 Особенности механизма и кинетики сушки и тепловой обработки волокнистых материалов.

5.2.2 Моделирование внешнего и внутреннего тепло- и массопе-реноса при конвективной сушке волокнистых материалов.

5.2.3 Моделирование тепло- и массопереноса при кондуктивно-барабанной тепловой обработке рулонных материалов.

5.3 Инженерные методы расчета и вопросы совершенствования процессов и оборудования.

5.3 Л Расчетные соотношения и порядок инженерных расчетов процессов конвективной сушки волокнистых материалов.

5.3.2 Расчетные соотношения и порядок инженерных расчетов процессов кондуктивной тепловой обработки рулонных материалов.

5.3.3 Вопросы моделирования, связанные с совершенствованием пропиточно-сушильного оборудования и повышением качества волокнистых и дисперсных обрабатываемых материалов.

6 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГООПЕРАЦИОННЫХ И ЦИКЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ.

6.1 Общие особенности кинетики и методология моделирования многооперационных и циклических процессов.

6.2 Процессы обработки резинотехнических изделий на роторных и роторно-конвейерных линиях.

6.3 Циклические и многооперационные процессы сушки клеев, покрытий, пигментов и красителей.

6.4 Многооперационные процессы кондуктивно-барабанной обработки.

6.5 Тепло-массообменные процессы обработки шприцованных и ка-ландрованных заготовок и изделий.

7 ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СУШИЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ОБОРУДОВАНИЯ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИСПАРЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ, СУШКИ ПОКРЫТИЙ, ДИСПЕРСИЙ, РАСТВОРОВ И ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ.

7.1 Растворители и покрытия.

7.2 Дисперсии, растворы, пигменты и красители. Качество продуктов.

7.3 Волокнистые материалы.

7.4 Кондуктивно-барабанные процессы и оборудование.

7.5 Циклические и многооперационные процессы и оборудование. Энерго- и ресурсосбережение. Экология.

ВЫВОДЫ.

Многочисленные разновидности процессов, включающих испарение растворителей, сушку покрытий на пористых или монолитных материалах-подложках, сушку жидких дисперсий и кристаллообразующих растворов и их смесей на подложках или без них, сушку влажных, пропитанных или импрегни-рованных волокнистых материалов, тепловую обработку волокнистых и смешанных композиционных материалов, в том числе их многооперационные и циклические разновидности, охватывают почти все виды человеческой деятельности, от древнейших искусств до новейших технологий, а также широко распространены в природе [103, 143, 422, 499, 500]. Они составляют более половины номенклатуры всех высушиваемых и термообрабатываемых материалов.

Общими чертами таких материалов являются: гетеропористая структура продуктов; схожесть кинетики изменения температуры материалов в процессе их тепловой обработки; сильная зависимость качества продуктов от температурной кинетики. Для этих процессов кинетика нагрева имеет такое же значение, как кинетика собственно сушки, т.е. термического удаления влаги. Такие материалы, высушиваемые обычно до умеренных влагосодержаний, можно называть материалами с существенной температурной кинетикой, в отличие от сушки монолитных продуктов и процессов глубокой сушки, в которых время прогрева мало по сравнению со временем последующей сушки.

В области кинетики и моделирования процессов сушки широко известны труды А.В. Лыкова, О. Кришера, П.Г. Романкова, А.Н. Плановского, В.В. Кафа-рова, А.А. Долинского, В.Ф. Фролова, Б.С. Сажина, С.В. Федосова, В.И. Коновалова, С.П. Рудобашты, В.И. Муштаева, Р.Б. Кия, Ч.К. Струмилло, А. Муд-жумдара, Т. Кудры и других ученых [109, 110, 150, 175, 177, 195, 200, 231, 262, 263, 265, 294, 330, 361 - 363, 369, 374, 375, 433, 435, 436, 445, 507, 508, 531, 538, 539, 556, 557, 580], в которых развиты как общие, так и ряд конкретных подходов к теории и практике сушки.

Общие особенности рассматриваемых процессов создают возможность единого подхода к их анализу, исследованию и проектированию. Единые подход и методология, в свою очередь, позволяют получать результаты, имеющие повышенную познавательную ценность и, соответственно, более надежные для инженерной практики. Поэтому исследования в данном направлении, проводимые в настоящей диссертационной работе, представляются весьма актуальными как в научно-познавательном, так и в прикладном отношении.

Все выполненные работы связаны с государственными и академическими программами, в том.числе в соответствии и в продолжение Координационного плана ЛН России по Теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12 Плана на 1991-2000 гг.), в соответствии с Планом НИР ТГТУ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ (Координационный план «Черноземье» на 1997-2000 г.; тема ЗГ/1997 «Разработка теоретических основ расчета и проектирования оптимальных энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования химических и микробиологических производств») и хоздоговорными планами НИР ТГТУ (1990-2005 гг.).

Цель работы. Дальнейшее расширение теоретических и экспериментальных исследований процессов и аппаратов сушки и тепловой обработки материалов с существенной температурной кинетикой, обобщение результатов и разработка методологии их комплексного анализа и моделирования, создание инженерных методов расчета и проектирования, разработка новых, более эффективных конструктивно-технологических решений.

Объекты и диапазон исследований. Для обеспечения надежности результатов по сушке и тепловой обработке сложных по природе материалов и процессов с недостаточно изученным механизмом принципиально важно выбирать достаточно представительные комплексы объектов исследований. Поэтому в работе исследовались: 1) материалы с широким диапазоном свойств: 35 органических растворителей из 18 гомологических рядов и групп, клеевые и ла-тексные покрытия; 20 видов дисперсий и кристаллообразующих растворов разной природы; 27 видов технических тканей, шнуров и пластин из 8 видов волокон и ряд модельных материалов; всего около 300 разновидностей материалов; 2) основные способы теплоподвода и сушки (конвективный, инфракрасный, кондуктивный, индукционный; на подложках и без них); 3) широкие диапазоны изменения режимных параметров обработки (например, температуры 40. 180 °С, скорости обдува 0,3. 15 м/с, концентрации дисперсий 10.50 % масс.). Кроме того, исследовались циклические и многооперационные разновидности процессов. В обработку были включены также результаты ранее выполненных исследований. Всего работа охватывает около 5000 экспериментов.

Общим результатом работы являются научно-обоснованные решения проблем сушки и тепловой обработки на базе единого подхода к кинетике и моделированию комплексных процессов тепло- и массопереноса, которые (процессы) включают многие составляющие первичные явления, а часто сопровождаются также осложняющими физико-химическими превращениями.

При решении поставленных проблем выполнен комплекс работ, в которых получены следующие основные результаты:

1. Выполнен обзор и анализ современного состояния теории и техники сушки растворителей, покрытий, дисперсий, растворов и волокнистых материалов в химической, резиновой, пищевой, легкой и других родственных отраслях промышленности. Отмечены тенденции развития и определены задачи совершенствования сушильных процессов и оборудования, методов их исследования, расчета и проектирования, в том числе решаемые в данной работе.

2. Выполнены экспериментально-теоретические работы по испарению растворителей, сушке покрытий, сушке дисперсий и кристаллообразующих растворов, сушке и термообработке волокнистых полимерных, асбесто-целлю-лозных и других рулонных материалов, а также сопоставительный анализ ранее проведенных исследований. На этой базе выполнено обобщение результатов и сформулирован единый инженерно-физический подход к анализу кинетики процессов, к кинетической классификации материалов как объектов сушки, к созданию единой комплексной методологии физического и математического моделирования обширной группы тепло-массообменных процессов для рассматриваемых материалов, составляющих более половины всей номенклатуры высушиваемых и термообрабатываемых материалов.

Для этих материалов с близкими диффузионным и термическим сопротивлениями время, необходимое для удаления влаги до требуемого конечного влагосодержания, и время их прогрева до конечной температуры среды - одного порядка, то есть, можно сказать, что здесь «температурная кинетика существенна».

3. Для рассматриваемых процессов и материалов, в продолжение и развитие ранее выполненных работ, впервые разработана общая методология изучения и описания взаимосвязанных процессов сушки и нагрева на базе температурных Г(т) и температурно-влажностных Т(и) зависимостей. Основой этой методологии является система методик и методов физического и математического моделирования, включающих экспериментальные исследования, классификационный и кинетический анализ, обработку полученных данных и необходимые составляющие математического моделирования, обеспечивающие получение "физичных" качественных и надежных конечных количественных результатов.

4. Впервые показаны преимущества и возможности такого изучения температурной кинетики, а также даны конкретные примеры реализации этих преимуществ и возможностей: 1) кинетика нагрева часто становится «более важной», чем собственно удаление влаги, так как именно она определяет качество получаемых продуктов; 2) температурные кривые Г(т) и Т(и) часто имеют выраженные «температурные площадки» и являются поэтому более информативными для анализа механизма сушки и явлений переноса в целом, чем близкие к монотонным кривые м(т); при этом они более надежны чем получаемые дифференцированием кривые скорости сушки N(u)', 3) это позволяет выявлять, моделировать и учитывать другие специфичные явления переноса, часто лимитирующие скорость процесса или качество продукта (миграцию, пленкообразо-вание, выпадение кристаллов, структурирование, усадку, образование внутренних пор или пузырьков, влияние сушки на внешний тепло-массообмен и др.); 4) использование температурных кривых позволяет выполнить классификацию процессов и режимов сушки по кинетическим признакам, что является важным для математического моделирования и инженерного проектирования; 5) если в экспериментальных или промышленных условиях не удается изучать непосредственно кинетику сушки, то можно получать зависимости й(т) пересчетом из кривых Т(и), полученных в более простых модельных условиях.

5. Впервые рассмотрен на базе разработанного подхода комплекс первичных и сопутствующих явлений переноса и превращения для основных процессов химической технологии. Показаны причины неадекватности многих существующих моделей реальным процессам. Приведены 11 примеров сопоставления «модель-реальность» для основных групп процессов химической технологии: гидромеханических, тепловых, диффузионных (жидкофазных, твердофазных, мембранных), химических, деформационно-реологических и комплексных взаимосвязанных. Отмечены проблемы, остающиеся в этих примерах открытыми. Рекомендованы приемы эффективного исследования и моделирования этих явлений и процессов.

6. Систематизирована методология экспериментальных исследований комплексных процессов сушки и тепловой обработки. В работе показано и подтверждено примерами, что для надежности результатов по тепло-массо-переносу и сушке для сложных процессов с недостаточно изученным механизмом решающим является широкий диапазон исследуемых продуктов, способов и режимов обработки. Разработана и описана методология их выбора.

Разрабатываемая методология включает комплекс серий экспериментальных исследований, идентифицированных по назначению: 1) «первичные» пробные) эксперименты; 2) «модельные» эксперименты, проводимые в возможно более «чистых» условиях; 3) «классификационные» эксперименты, в которых ведется поиск условий, соответствующих возможным типам кинетических кривых; 4) «кинетические» эксперименты, по возможности с варьированием одной переменной; 5) «диапазонные» эксперименты для расширения диапазона варьирования параметров; 6) «сравнительные» эксперименты в измененных условиях, на других экспериментальных установках, с другими материалами для выяснения обнаруженных особенностей; 7) «отсеивающие» эксперименты в условиях, исключающих проверяемый эффект; 8) визуальные (в том числе микроскопические) наблюдения за исследуемым материалом; 9) эксперименты для изучения^ химических и деформационно-реологических процессов; 10) «технологические» эксперименты; 11) промышленные эксперименты.

Конкретные планы экспериментов, составленные для каждой рассматриваемой группы процессов и материалов с учетом их индивидуальных особенностей, приведены в соответствующих разделах диссертации.

В комплекс необходимых, впервые созданных или модернизированных экспериментальных установок входят: 1) «большая» циркуляционная конвективная сушилка (БЦС) с возможностью дополнительного инфракрасного теп-лоподвода; 2) «щелевая» установка (ЩУ) для промазанных образцов, в том числе для сушки в перегретом паре; 3) «сопловая» двухрежимная конвективно-радиационная сушильно-термическая установка (2СТУ); 4) кондуктивная двух-барабанная сушильная установка (2БСУ); 5) «реокинетическая» установка (РКУ); 6) «визуальные» установки (ВУ);7) модифицированная для конвективной сушки камера дериватографа (ДГ); 8) установка для сушки в кипящем слое на инертном носителе (УКСИН, получен патент); 9) универсальная психро-эвапорометрическая установка (ПЭУ, получен патент); 10) стенд роторно-конвейерной линии для вкладышей подшипников (РКЛП, получено авторское свидетельство на устройство для измерения температур пресс-форм); 11) стенд роторно-конвейерной линии для автокамерных вентилей (PKJIB). В обработке использовались также данные экспериментов, полученных на «проходной» установке для шнуров и на «петлевой» многорежимной установке для тканей и шнуров во ВНИИРТмаше. Ряд экспериментов проводился на опытно-промышленных установках и в промышленных условиях.

7. Впервые разработана методология анализа температурно-вре-менных и температурно-влажностных кривых сушки для всего комплекса выделенных материалов и единая кинетическая классификация процессов и материалов как объектов сушки, включающая 6 групп по наличию, вырождению или отсутствию температурных площадок вблизи температур мокрого термометра Гмт и кипения Гкип. Они определяют механизм и время сушки и непосредственно влияют на качественные показатели высушиваемых материалов.

8. В работе получены и используются аналитические решения многослойных линейных задач теплопроводности и диффузии с расчетом на малых временных интервалах, с функционально заданными начальными условиями (НУ /-й зоны = КУ (/-1)-й зоны), с кусочно-линейной аппроксимацией теп-ло-массопереносных характеристик и толщин слоев по зонам.

Показано, что главные трудности описания и математического моделирования рассматриваемых и других сложных, недостаточно изученных процессов состоят не столько в собственно математических, сколько в физико-химических проблемах. Приводятся многочисленные примеры, подтверждающие этот вывод.

В диссертации приводятся полученные решения для одно- и я-слойной пластины, в приложениях - для 4-х слойных пластины, цилиндра и шара. В конкретных рассмотренных примерах часто достаточно 2-3 слоев.

Отмечено, что возможны также постановка и аналитическое решение более сложных задач. В инженерной практике возможно также использование численных методов с отработанными формальными процедурами, что не является принципиальным.

Важными для моделирования являются предложенные методы эквива-лентизации граничных условий, со сведением их к эквивалентным граничным условиям 3-го рода, и методы аппроксимации емкостных, кинетических и других характеристик тепло-массопереноса.

9. В связи с общенаучной важностью рассмотрены возможности использования методов аналогии процессов тепло- и массопереноса, в частности, соблюдения тепло-диффузионной аналогии в процессах испарения. Показано, что аналогия в этих процессах нарушается. Дан анализ причин. Для учета этого впервые предложены безразмерные «кинетические» комплексы в критериальных уравнениях тепло- и массоотдачи при испарении, включающие базовые характеристики растворителей - температуры кипения и плавления.

10. В связи с практической значимостью проанализированы методы инженерно-кинетической аппроксимации характеристик тепло- и массопереноса. Дана сводка основных разновидностей разработанных и применяемых аппроксимационных схем, в том числе, кусочно-ступенчатая; кусочно-линейная, в т.ч. лучевая; степенная; экспоненциальная, логарифмическая; гиперболическая дробно-линейная; простейшая однопараметрическая двухдуговая симметричная аппроксимация (удобная, в частности, для аппроксимации равномерно изменяющихся в зонах 2-го периода сушки зависимостей Т(и) или коэффициентов тепло-массоотдачи а(г/); две разновидности несимметричных двухдуговых аппроксимаций.

Невыполненный качественный физический анализ и количественное объяснение механизма исследованных процессов методами математического моделирования подтвердили корректность изложенной методологии. Сравнение расчетных результатов с экспериментальными данными во всех исследованных группах процессов и материалов также подтверждает перспективность использования сформулированного единого подхода для исследования сложных процессов сушки и тепловой обработки, для описания процессов тепло-массопереноса, для их инженерных расчетов, для математического моделирования и вариантной инженерной оптимизации процессов и оборудования.

12. Для полноты инженерно-теоретического анализа рассмотрены, разработаны и проверены на практике возможности трех групп методов математического моделирования сложных процессов: I) инженерно-физического описания, базирующегося на механизме и кинетике реальных процессов; 2) статистических методов активного планирования экспериментов («черного ящика»); 3) современных методов описания с применением аппарата нейронных сетей и нечетких множеств. Конкретное сравнение проведено на примере прогнозирования комплекса качественных показателей кордных материалов рези-нотехники с учетом экспериментально изученных процессов тепло-массообмена при сушке, химических превращений в адгезиве и деформационно-реологических процессов в материале при термообработке. Показаны достоинства и недостатки этих подходов. Рекомендованы расчетные инженерные методики. Обсуждены перспективы их дальнейшего развития.

13. На базе изложенной методологии выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов испарения растворителей и сушки покрытий. Для получения надежных результатов диапазон исследуемых растворителей был максимально расширен: эксперименты проводились с 35-ю индивидуальными органическими (включая один кремний-органический) растворителями из 18 гомологических рядов и групп, охватывающих практически весь диапазон, представляющий промышленный или научный интерес, а также со смесевыми растворителями, с резиновыми клеями и с водными растворами летучих и нелетучих соединений; включен также ряд новых, ранее не исследованных и представляющих существенный интерес для новой техники растворителей (фурфурол, формамид, тетраэтоксисилан). Для анализа физики процесса использовались также полученные ранее данные по испарению растворителей в среде перегретого водяного пара, что дает разные типы смесей водяного конденсата с растворителями. Для возможности массовой компьютерной обработки экспериментов данные по тепло-массопереносным и физико-химическим свойствам исследованных растворителей во всем диапазоне использованных температур были аппроксимированы и представлены в виде компьютерной базы данных, представляющей самостоятельный интерес в связи с необходимой для этого неформализуемой и трудоемкой работой. Всего обработано более 900 опытов.

Для выяснения природы и вида корреляционных связей тепло- и массо-отдачи при испарении был выполнен многоуровневый многопараметрический перебор. Получены и рекомендованы для всех исследованных групп процессов и материалов (при необходимости с небольшими коррективами коэффициентов) расчетные уравнения тепло-массоотдачи.

Критерий Рейнольдса входит в полученные расчетные уравнения в степени 0,4 для массоотдачи и в степени 0,375 для теплоотдачи, что впервые обеспечивает учет влияния скорости в психрометрических уравнениях и что также подтверждает отсутствие тепло-диффузионной аналогии.

Для рельефных материалов впервые введены модельные коэффициенты, учитывающие геометрию поверхности.

Впервые показано и объяснено влияние на скорость сушки начального влагоеодержания материала, что учитывается симплексом степени заполнения пор в уравнении е^, (может быть меньше для хорошо смачиваемых материалов).

В полученных уравнениях для аисп и рисп необходим итерационный расчет, что, однако, соответствует кинетике процесса и легко реализуется в компьютерных инженерных методиках.

На этой основе разработаны инженерные методы расчета испарения растворителей (в том числе воды и растворов) и сушки покрытий.

14. Следующая обширная группа исследованных процессов и материалов - дисперсии и кристаллооиразующие растворы. Для охвата наибольшего диапазона были выбраны и получены, в том числе по зарубежным контактам, 20 видов продуктов основных групп по химическому составу, происхождению и назначению, включая модельные, с варьируемыми начальными концентрациями 10.50 %: 1) дисперсии, включая пасты: а) синтетического происхождения: водные латексно-резорцино-формальдегидные (ЛРФ) составы резино-техники (ВНИИРТмаш, НИИШП); продукты органического синтеза (Гамма-кислота, Р-соль, диспергатор НФ, белофоры КД-2 и КД-93 (ОАО «Пигмент»); б) животного происхождения: мясо-костная жидкость мясопереработки («Meet processing sludge», Канада); желатин; в) растительного происхождения: тяжелая кукурузная жидкость крахмального производства («Heavy corn steep water», Канада); крахмал; 2) кристаллообразующие растворы: а) органических веществ: сахар; мочевина; б) неорганических веществ: NaCl; СаС12; NH4NO3; NaOH; 3) органические пигменты и красители, основных рядов (анилинового, нафталинового, антрахинонового и с комбинацией бензольного и нафталинового колец), с разными хромофорными системами: Пигмент желтый светопрочный (Ci7Hi5N405); Совелан черный М (C4oH2oN6S2Oi4CrNa3); Дисперсный синий 2 пэф (C14H9(8)04Br1(2)N2); Пигмент рубиновый ВКС/2 (C18H1206SN2Ca).

Необходимый и использованный комплект подложек включал: диффузионно-проницаемые (пористые или/и набухающие) и непроницаемые материалы; редкие, не сорбирующие сетки, которые не препятствуют испарению жидкости; высоко- и низкотеплопроводные материалы; холодные и горячие подложки. Использовались резина, ткани и пластины из волокнистых материалов, фторопласт, алюминий, капроновые сетки. Всего проведено около 700 опытов.

Свойства дисперсий и молекулярных растворов аппроксимированы и сведены в компьютерную базу данных. Для аппроксимации концентрации насыщения дгнас использованы полиномы. Для аппроксимации давления насыщенных паров растворителя Рнас и связанной с ними температуры кипения растворов Гкип впервые предложен полутеоретический метод, базирующийся на уравнении Антуана с концентрационным множителем Дг, который эквивалентен коэффициентам активности воды Ах ~ аводы. Для аппроксимации Аг использовали одно-, двух- или трехпараметрическую линейную, степенную полиномиальную или экспоненциальную форму в зависимости от имеющихся данных.

Текущая концентрация раствора .х, а также .v„ac, Рпас и 7*к„„ изменяются во всем диапазоне температур при сушке раствора. Соответственно изменяются механизм тепло-массопереноса и характер кинетических кривых, происходит образование и выпадение кристаллов, а концентрация раствора приближенно сохраняется равной хшс, которая непрерывно изменяется с ростом температуры высушиваемого раствора, в результате температурные площадки становятся наклонными. Впервые разработанная методика итерационного расчета Т(/, т) % Гмт отрабатывает эти особенности вполне надежно. Представляется, что такой подход, сочетающий исходную теоретическую базу и использующий все имеющиеся экспериментальные данные, в настоящее время наиболее целесообразен.

На базе выполненных экспериментов и описанной методологии получены расчетные соотношения и разработан порядок инженерных расчетов процессов сушки дисперсий и растворов.

При этом впервые показано, что использование поверхностных темпера-турно-влажностных зависимостей обеспечивает возможность расчетов и моделирования процессов сушки и гранулирования при грубой оценке коэффициентов диффузии Дф.

В модельных опытах на подложках впервые прогнозированы также возможности применения для сушки красителей конвективно-радиационных сушилок, сушки в кипящем слое на инерте и контактно-барабанной сушки. Это было подтверждено затем прямыми экспериментами на специальных вышеуказанных установках.

15. Выполнен также комплекс теоретических и экспериментальных исследований процессов сушки технических волокнистых материалов. Получены, обработаны и сведены в базы данных необходимые тепло-массопереносные свойства и технически характеристики волокнистых и модельных рулонных материалов. В них входят 8 видов волокон (полиамидные, полиэфирные, вискозные, хлопковые, асбестовые, целлюлозные), 20 видов тканей, шнуров и пластин из них, а также 7 разновидностей модельных материалов (фторопласт, оргстекло, 5 видов резин). Всего к обработке привлекалось около 900 опытов.

16. Выполнен анализ и впервые дана сводка особенностей реального внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса (18 видов), которые отличают их от обычно используемых упрощенных модельных схем. Выделены наиболее существенные явления, которые необходимо учитывать при инженерном моделировании комплексных процессов, и даны соответствующие рекомендации по учету дополнительного излучения, дополнительных видов конвекции, определяющиим размеру и температуре, геометрии рельефа и пр.

17. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования по кондуктивно-барабанной сушке и тепловой обработке волокнистых и рулонных материалов. Получены критериальные соотношения для внешней тепло-массоотдачи и для внутренней теплоодачи, с учетом диссипации энергии при перемешивании. Впервые обнаружено и объяснено явление временной стабилизации температуры материала на уровне существенно выше Гмт. Даны необходимые соотношения для инженерных расчетов и моделирования.

18. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования многооперационных и циклических процессов сушки и тепловой обработки. Проанализированы общие особенности кинетики и методологии их моделирования. Впервые дана их классификация.

Условия теплообмена по участкам наиболее распространенных многооперационных линий с полузамкнутыми контурами являются несимметричными и переменными. Температурные поля по ходу участков многократно перестраиваются. После пуска установки все температуры изменяются, пока режим охлаждения не станет стационарным. Какие при этом установятся температуры по участкам, то есть начальные условия заранее неизвестны. Такие, внешне простые задачи, не удается даже корректно формализовать.

Основными частями впервые разработанной методологии инженерного моделирования циклических и многооперационных процессов и задач являются:

1) выдвинутая совместно с В.И. Коноваловым и Е.Н. Туголуковым идея и разработанная процедура сведения динамической задачи к квазикинетической;

2) усреднение переносных характеристик и эквивалентизация граничных условий; 3) получение этих характеристик в модельных экспериментах или расчет-но-аналитически; 4) приближенные интервальные аналитические решения для расчетов, хотя могут использоваться и более сложные решения или численные методы (что, как говорилось выше, не принципиально); 5) вариантное оптимизационное моделирование режимных параметров процессов и конструктивных схем оборудования.

Разработанные метод и процедура заключаются в последовательном счете условных циклов от пуска установки до выхода ее на квазистационарный режим: для первого оборота барабана и далее до конца линии; для второго оборота первого барабана и так далее, пока температурные условия перестанут изменяться. Общее время до достижения такого состояния заодно дает время выхода линии на режим, которое имеет также принципиальное значение.

19. Были впервые исследованы и выполнены разработки для 5 групп таких процессов: 1) процессы обработки резинотехнических изделий на роторных и роторно-конвейерных линиях для производства резино-металлических уплотнителей подшипников качения РКЛП и для производства обрезиненных автокамерных вентилей PKJIB; впервые исследованы и рекомендованы способы и режимы комбинированного теплоподвода: конвективные; радиационно-конвек-тивные с ИК-теплоподводом лампами типа ГЛН; радиационно-конвективные с ИК-электронагревателями сопротивления типа ЭОИ; с прямым индукционным нагревом движущихся пресс-форм в камере, оснащенной ТВЧ-индуктором; был разработан, изготовлен и отлажен комплекс модельных пресс-форм; для измерения температур поверхностей было спроектировано специальное устройство, на которое получено авторское свидетельство; 2) многооперационные процессы сушки и термообработки клеевых покрытий при двух режимах; 3) то же - в двух средах (использовались также ранее выполненные работы по сушке последовательно в перегретом паре и в воздухе); 4) то же для рулонных материалов на многобарабанных установках; 5) процессы нагрева-охлаждения, сушки покрытий и осушки шприцованных и каландрованных заготовок (протекторные линии, камерные линии, линии для производства ободных лент, линии для сборки и обработки транспортерных лент, слоистых композитных рулонных материалов и пр.).

Методики и программы счета могут быть рекомендованы для использования на рабочем месте операторов линий.

Результаты полностью подтверждают эффективность разрабатываемой методологии. Точность выполняемых расчетов вполне удовлетворительна. Каких-либо другие альтернативы для расчета процессов такого уровня кинетической сложности неизвестны.

Научная новизна (краткая сводка). Впервые разработан единый подход к кинетике и моделированию процессов сушки и тепловой обработки всех основных видов материалов с существенной температурной кинетикой на базе температурно-влажностных зависимостей.

Получены новые физические результаты по кинетике процессов испарения растворителей и сушки покрытий, сушки дисперсий и кристаллообра-зующих растворов, кондуктивно-барабанной сушки, сушки и термообработки волокнистых материалов, в том числе, по механизму тепло- и массопереноса при образовании и вырождении температурных площадок на кинетических кривых при сушке этих видов материалов.

Предложены новые критериальные уравнения испарения.

Выполнено обобщение результатов, разработана общая методология изучения и описания взаимосвязанных процессов сушки и нагрева, предложена кинетическая классификация рассматриваемых материалов.

Разработана и рекомендована общая методология расчетов сушки на базе аналитических решений задач теплопроводности и диффузии, предложены методы эквивалентизации граничных условий и аппроксимации других характеристик тепло- и массопереноса.

Для циклических и многооперационных процессов впервые разработан метод сведения динамической задачи к квазикинетической с расчетом температур и влагосодержаний материалов на каждом условном цикле.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Научные результаты исследований реализованы в виде публикаций в ведущей мировой печати и доложены на главных международных конференциях и форумах по сушке и тепло-массопереносу, в том числе совместно с зарубежными учеными.

Разработаны методики и программы инженерных расчетов для всех исследованных процессов, продуктов и изделий.

Выданы практические рекомендации по совершенствованию рассмотренных процессов и оборудования.

Результаты работ по растворителям и покрытиям, дисперсиям и растворам, энерго-ресурсосберегающим процессам сушки приняты для реализации на Тамбовские ОАО «Пигмент», «АРТИ» и на ряд других предприятий.

Запатентованы, экспериментально проверены и реализованы универсальный психро-эвапорометр и способ сушки в кипящем слое на бинарном инертном носителе.

Результаты работ по волокнистым, полимерным, композиционным материалам и изделиям реализованы в металле в промышленных протекторных, камерных линиях и линиях для производства транспортерных лент в Тамбовских ОАО «НИИРТмаш» (организация-проектировщик) и «Тамбовполимер-маш» (организация-изготовитель) и успешно эксплуатируются на ряде шинных заводов и заводов РТИ.

Результаты работ по роторно-конвейерным линиям реализованы в металле (в том числе по полученному авторскому свидетельству на изобретение) в промышленных образцах линий РКЛП и РКЛВ на Заводе опытных машин ОАО «НИИРТмаш». Линии включены в официальный каталог резинотехнического оборудования.

Достоверность результатов (в пределах, допускаемых самим процессом - по Аристотелю) обеспечивается: представительностью и широким диапазоном выбранных исследуемых материалов и условий сушки; большим числом и логичностью следования серий и воспроизводимостью проведенных экспериментов; результатами сопоставительного анализа собственных и литературных расчетных и экспериментальных данных; современной расчетной компьютерно-аналитической методикой, позволявшей быстро обрабатывать большие массивы данных и вносить необходимые коррективы.

Апробация работы. Настоящая работа является законченной самостоятельной частью исследований, проведенных при научных консультациях профессора В:И. Коновалова. Она обобщает комплекс работ, начиная с собственной кандидатской диссертации автора [57] (в настоящей докторской работе эти исследования продолжены, принципиально расширены и обобщены), других работ, выполненных в школе профессора В.И. Коновалова при участии коллег и аспирантов [61, 62, 66, 69, 182, 185, 186, 188, 191, 192, 209 - 212, 513 -517, 524, 526], в том числе аспирантов, выполнявших исследования под руководством или соруководством автора: С.С. Хану ни (1997) [447] , А.Н. Пахомов (2000) [320], Е.А. Сергеева (2000) [382], А.Н. Колиух (2001) [166], ИЛ. Коробова (2001) [218], А.Н. Шикунов (2004) [469], Д.В. Козлов (2005 - план) [69, 470.

Основные результаты работы и создания единого подхода получили международное признание. Они были доложены и получили положительную оценку на Минских международных форумах по тепло- и массообмену (ММФ -1996, 2000, 2004) [191, 192, 524]; Международных семинарах по сушке (IDS -1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004) [513, 515, 517, 522, 525, 526, 529, 575]; I Международной конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2002), XV Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002), V Международной теп-лофизической школе (Тамбов, 2004) и на ряде других конференций и семинаров 1988 - 2004 гг. [63, 184 - 186]. Они опубликованы в ведущих журналах: по сушке «Drying Technology» (издательство Dekker, Нью-Йорк) [516], по процессам и аппаратам химической технологии журнал РАН «Теоретические основы химической технологии» [182] (выпуск, посвященный 100-летию П.Г. Романкова), «Известия вузов. Химия и химическая технология» [183] и других. Об этом говорит также присуждение данным работам награды «За выдающиеся достижения в исследованиях сушки» Французского общества инженеров-сушильщиков на Международном семинаре по сушке IDS'96 [526], заказные ключевые лекции и статьи на IDS'98 [513], на Минских международных форумах по тепломассообмену ММФ ТМО-1996, ММФ ТМО-2000, ММФ ТМО-2004 [191, 192, 524].

Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 печатных работ, из них 41 работа в изданиях, учитываемых ВАК. Выпущен препринт. Сделано 19 докладов (с их публикацией) на международных конференциях, в том числе 5 проблемных, пленарных или ключевых лекций. Получены 2 патента и 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура работы. Диссертация содержит: введение; 7 основных глав; выводы из 9 пунктов; список литературы, включающий 599 источников, в том числе 333 зарубежных и опубликованных после 1990 г.; приложения из 7 разделов, включающие результаты исследований, фрагменты программ, примеры расчетов, материалы реализации, патентные и каталожные материалы. Всего в работе 273 страницы основного текста, 163 рисунка и 41 таблица.

ВЫВОДЫ

1 Общим результатом работы являются научно-обоснованные решения проблем сушки и тепловой обработки материалов с существенной температурной кинетикой. При этом разработан единый подход и методология исследований процессов сушки и нагрева на базе температурно-влажностных зависимостей для большой группы процессов, включающих: испарение растворителей, сушку покрытий, дисперсий, кристаллообразующих растворов, волокнистых материалов, тепловую обработку полимер-волокнистых композиций, в том числе их циклические и многооперационные разновидности.

2 Выполнен анализ современного состояния теории и техники процессов сушки и тепловой обработки исследуемых групп материалов. Показано, что такие материалы составляют более половины всей номенклатуры высушиваемых и термообрабатываемых материалов. Проанализированы их общие черты, отмечены тенденции развития и определены задачи совершенствования таких сушильных процессов и оборудования, в том числе решаемые в настоящей работе.

3 Выполнен комплекс экспериментально-аналитических работ по сушке исследуемых материалов, а также сопоставительный анализ ранее проведенных исследований. Анализ показал, что для надежности результатов по тепло-массопереносу для сложных по природе процессов с недостаточно изученным механизмом решающим является широкий диапазон исследуемых материалов и условий сушки. Поэтому первостепенной задачей был обоснованный анализом подбор представительных комплексов продуктов, экспериментальных установок и серий экспериментов.

Были подобраны и исследованы следующие комплексы материалов: 35 растворителей из 18 гомологических рядов и групп, ряд клеев и латексных составов; 20 видов дисперсий и растворов синтетического, минерального, растительного и животного происхождения, пигментов и красителей и 10 видов подложек; 27 разновидностей тканей, пластин и других волокнистых материалов из 8 видов волокон и ряд модельных материалов.

Использовался комплекс из 11 экспериментальных установок, модернизированных или впервые созданных: большая циркуляционная конвективная сушилка; щелевая конвективная установка; сопловая двухрежимная конвективно-радиационная установка; барабанная двухрежимная кондуктивная установка; реокинетическая установка; визуальные установки; модифицированная камера де-риватографа; установка для сушки в кипящем слое на инертном носителе; универсальная психро-эвапорометрическая установка; натурные стенды роторно-конвейерных линий для вкладышей подшипников и для автокамерных вентилей, в том числе с инфракрасным и индукционным теплоподводом.

Экспериментальные исследования включают комплекс из 11 серий, идентифицированных по назначению: пробные эксперименты; модельные; классификационные; кинетические; диапазонные; сравнительные; отсеивающие; визуальные; эксперименты для изучения химических и деформационно-реологических процессов; технологические; промышленные.

4 Впервые разработана единая кинетическая классификация рассматриваемых процессов и материалов как объектов сушки, включающая 6 групп по наличию, вырождению или отсутствию характерных температурных площадок (вблизи температур мокрого термометра Гмт, кипения Т^кип и других). Эти классификационные особенности определяют механизм тепломассопереноса, время сушки и качественные показатели высушиваемых материалов.

5 Получены и используются аналитические решения многослойных линейных задач теплопроводности (диффузии) с функционально заданными начальными условиями, с кусочно-ступенчатой аппроксимацией тепло-массо-переносных характеристик и толщин слоев по зонам, с расчетом на малых временных интервалах. Предложены методы эквивалентизации граничных условий для комбинированного тепло- и массопереноса, со сведением их к эквивалентным ГУ 3-го рода, и методы аппроксимации других характеристик тепло-массопереноса. Разработаны расчетные компьютерные программы.

6 В связи с общенаучной важностью рассмотрены возможности использования тепло-диффузионной аналогии в процессах испарения растворителей. Показано, что аналогия в этих процессах нарушается. Дан анализ причин. Впервые предложены безразмерные коррелирующие комплексы, включающие базовые характеристики растворителей - температуры кипения и плавления.

7 В связи с практической значимостью проанализированы методы инженерно-кинетической аппроксимации характеристик переноса. Разработана группа эффективных применяемых аппроксимационных схем, в том числе для температурно-влажностных зависимостей Т(и), для коэффициентов тепло- и массоотдачи а(м), (3(м) и других.

8 Получены новые физические результаты по кинетике процессов испарения растворителей и сушки покрытий, сушки дисперсий и кристаллообра-зующих растворов, кондуктивно-барабанной сушки, сушки и термообработки волокнистых материалов, в том числе по механизму тепло- и массопереноса при образовании и вырождении температурных площадок на кинетических кривых при сушке всех этих видов материалов. Получен ряд новых расчетных соотношений и разработаны инженерные методы расчета для всех изучаемых групп процессов, в том числе: уточненные критериальные уравнения тепло-массо-отдачи при испарении; полутеоретические зависимости для давления насыщенных паров /'нас растворов одновременно от концентрации и температуры; способы учета дополнительных видов конвекции, излучения стенок, геометрии рельефа, начального влагосодержания, выбора определяющих размеров и температур; критериальные соотношения для внешней тепло- и массоотдачи и для внутренней теплоодачи при кондуктивно-барабанной сушке, с учетом диссипации энергии при перемешивании теплоносителя в барабане; методы оценки критических влагосодержаний мкрЬ икрi и коэффициентов диффузии Д,ф, £>Эф*; для полузамкнутых циклических и многооперационных процессов сушки и тепловой обработки впервые предложен эффективный метод расчета, основанный на сведении динамической задачи к квазикинетической, с расчетом температур и влагосодержаний на каждом условном цикле; методики расчета комбинированного теплоподвода (конвективный, кондуктивный, инфракрасный, индукционный).

9 Выданы практические рекомендации по совершенствованию и выполнены работы по реализации рассмотренных сушильно-термических процессов и оборудования, в том числе:

1) научные результаты исследований реализованы в виде публикаций в ведущей мировой печати и доложены на основных международных конференциях и форумах по сушке и тепло-массопереносу и используются в учебном процессе в курсах ПАХТ, явлений переноса, инженерной оптимизации, энергоресурсосбережения, инженернойэкологии;

2) результаты работ по двухрежимной сушке покрытий и по сушке цел-люлозо-асбестовых пластин на легкой подложке приняты для реализации на Тамбовское ОАО «АРТИ»;

3) получено положительное решение о выдаче патента на универсальный психро-эвапорометр (решение ФИПС РФ от 20.08.03. № 027448 по заявке № 2003125681), который реализован в виде рабочей установки и используется в научных исследованиях; предполагается его изготовление по заказам заинтересованных организаций;

4) результаты работ по дисперсиям и растворам приняты для реализации на Тамбовское ОАО «Пигмент»; получен патент № 2245348 на способ сушки на бинарном инерте, который реализован в виде лабораторной установки, используется в научных исследованиях и запланирован к промышленной реализаци на ОАО «Пигмент»;

5) работы по энерго-ресурсосберегающим и экологичным процессам сушки пигментов с замкнутым циклом сушильного агента находятся в стадии исследования и реализации на ОАО «Пигмент» с расчетной экономией около 1 млн. м3 охлаждающей воды в год, 20 % природного газа и значительным сокращением стоков на закачку;

6) результаты работ по волокнистым и рулонным материалам реализованы в металле в промышленных протекторных, камерных линиях, линиях для производства транспортерных лент в ОАО «НИИРТмаш» и «Полимермаш» и успешно эксплуатируются на ряде шинных заводов и заводов РТИ;

7) результаты работ по роторно-конвейерным линиям реализованы в металле в двух промышленных образцах линий РКЛП и PKJIB на Заводе опытных машин ОАО «НИИРТмаш» (в том числе, с устройством для измерения температур по полученному авторскому свидетельству № 1478054) и включены в официальный каталог резинотехнического оборудования. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

1. Абраменко Т.Н., Золотухина А.Ф., Шашков Е.А. Термическая диффузия в газах.- Минск: Наука и техника, 1982.- 191 с.

2. Автоматические линии роторного типа (Конструкции, расчет, проектиро-вание)/Л.Н. Кошкин, И.А. Клусов, В.Ф. Прейс, Е.Н. Фролович.- Тула: ЦБТИ, 1961.-198 с.

3. Анискевич А.Н., Иванов Ю.В. Расчет полей концентрации влаги в многослойной пластине // Механика композит, материалов.- 1994.- Т. 30, № 4.-С. 502-511.

4. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений. 2-е изд. -М.: Химия, 1971.-364 с.

5. Баранов Д.А., Кутепов A.M. Процессы и аппараты: Учебник.- М.: ИЦ "Академия", 2004- 304 с.

6. Басс Ю.П., Ионов В.А. Опыт освоения и эксплуатации в промышленности многопозиционных вулканизаторов покрышек: Тематич. обзор.- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1984.-68 с.

7. Берг Л.Г. и пр. Практическое руководство по термографии- Казань: КГУ, 1967.

8. Бергман Э.Д., Колодко А .Я., Никифоровский B.C., Серяков В.М. О модели процессатермошелушения//ДАН СССР. 1990. Т. 315, № 5. С. 1120-1123. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды.- М.-Л.: ГЭИ, 1957.- 320 с.

9. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса.- Л.: Химия, 1974.688 с. (1-е амер. изд. 1960 г. Перевод с 5-го изд. 1965 г.). Берлинер М.А. Измерения влажности/Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1973.-400 с.23