автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование, численное исследование и разработка энергоэффективных технологий конвективной сушки керамического кирпича

На правах рукописи

КАРПУХИНА ТАМАРА ВЛАДИМИРОВНА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

Специальность: 05.13.18— Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I 3 МАЯ 2013

005059997

Ульяновск-2013

005059997

Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук

Ковалыюгов Владислав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», профессор кафедры «Информационная безопасность и теория управления» Леонтьев Виктор Леонтьевич

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Самарский архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Цынаева Анна Александровна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева»

Защита диссертации состоится 20 июня 2013 г. в 12-00 на заседании диссертационного совела Д 212.278.02 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, 106, корп. 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом — на сайге http://uni.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации - http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан » ЛШЛ-_ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Волков М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Технологический цикл сушки керамических изделий реализуется в основном в сушильных установках конвективного типа и отличается длительностью и энергоемкостью, что связано с необходимостью обеспечения равномерного объемного прогрева и обезвоживания, исключающих появление в изделиях дефектов в виде трещин и сколов1,2.

При освоении новых видов сырья, присадок и внедрении новых технологических приемов технологию сушки отрабатывают, как правило, путем натурных испытаний, дорогостоящих и не всегда гарантирующих оптимальный результат3. Эффективные методы оптимизации технологического процесса сушки должны быть основаны на достоверном и точном прогнозировании кинетики тепловлажностного состояния изделия в процессе сушки с замещением натурных испытаний вычислительным экспериментом4.

Известно также, что до 70 % потерь теплоты в современных сушильных установках приходится на потери с отработанным сушильным агентом5. Поиск условий, в которых содержится резерв повышения энергоэффективности процесса сушки керамического кирпича путем снижения энергозатрат за счет сокращения цикла сушки и рециркуляции сушильного агента при регенерации его состояния, сдерживается отсутствием теории и математических моделей процесса конвективной сушки.

С учетом изложенного, тема настоящей работы, направленная на математическое моделирование, численное исследование и разработку энергоэффективных технологий конвективной сушки керамического кирпича, является актуальной.

Объектом исследования является процесс сушки керамического кирпича, математические модели, описывающие этот процесс.

Предметом исследования является разработка программного комплекса для расчета кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе конвективной сушки.

Цель и задачи работы. Повысить энергоэффективность процесса конвективной сушки керамического кирпича за счет организации рациональных технологических циклов использования сушильного агента, построенных посредством математического моделирования и вычислительного эксперимента.

1 Горгодзе Г.А. Исследование факторов, влияющих на сушильные свойства керамического кирпича // Альманах современной науки и образования. - Тамбов: Грамота, 2009. - № 6. — С. 49-52.

2 Гудков Ю.В. Пути повышения эффективности производства изделий стеновой керамики / Ю.В. Гудков, В.Н. Бурмистров // Строительные материалы. - 2005. - №2. - С. 14-15.

3 Мамбетшаев C.B. Промышленность строительной керамики остро нуждается в перевооружении // Строительные материалы. - 2005. - №2. - С. 9 - 12.

4 Прокопенко М.Н. Постановка и решение задачи оптимизации технологического регламента сушки керамического кирпича // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Т.2. 2006. -№8. - С.146- 153.

Кондратенко В.А. Керамические стеновые материалы: оптимизация их физико-технических свойств и технологических параметров производства. — М.: Композит, 2005. — 512 с.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель и методика численного анализа кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки.

2. Предложен способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича и впервые получены его значения.

3. Разработки по пп. 1 и 2 реализованы в виде проблемно-ориентированного программно-информационного комплекса, подтверждена их адекватность реальным условиям процесса сушки.

4. На основе вычислительного эксперимента разработаны технологические рекомендации по повышению энергоэффективности сушки керамического кирпича рациональным использованием сушильного агента.

Методы исследований. Реализация цели и решение поставленных задач в работе обеспечены применением современных методов исследований, базирующихся на основных положениях теоретической теплофизики, теории тепломассообмена, математического моделирования и численных методов. Достоверность теоретических разработок и эффективность практических рекомендаций подтверждена результатами натурных исследований на оригинальных экспериментальных установках. Научная новизна.

1. Математическая модель и методика численного исследования кинетики тепловлажностного состояния кирпича в процессе сушки, основанные на совместном решении системы дифференциальных уравнений теплопроводности и вла-гопереноса в трехмерной нестационарной постановке.

2. Новый способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле на основе гидротепловой аналогии.

3. Выявленные на основе численного исследования закономерности влияния параметров сушильного агента на тепловлажносгное состояние кирпича, энергоэффективность и продолжительность процесса сушки.

4. Новые технологические решения по рециркуляции и регенерации сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации.

Основные положения, выносимые па защиту.

1. Математическая модель и методика численного исследования кинетики тепловлажностного состояния кирпича в процессе его сушки, с использованием способа определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле.

2. Методика и результаты численного исследования кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки и влияния элементов режима сушки и параметров сушильного агента на энергоэффективность и продолжительность процесса сушки.

3. Проблемно-ориентированный программно-информационный комплекс для моделирования и исследования кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича процесса в процессе конвективной сушки кирпича.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Проблемно-ориентированный программно-информационный комплекс для моделирования процесса конвективной сушки кирпича с учетом технологических условий на основе численного решения системы дифференциальных уравнений теплопроводности и влагопереноса, позволяющий вырабатывать рекомендации по совершенствованию технологического процесса сушки керамического кирпича и выбору оптимальных режимов эксплуатации оборудования.

2. Новый способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле и полученные па его основе значения коэффициентов диффузии для керамического кирпича.

3. Технология конвективной сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением полученных расчетных данных с экспериментальными и расчетными данными, полученными ранее другими авторами и тщательным тестированием программного комплекса.

Реализация результатов работы. Отдельные исследования работы выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований rio проектам № 11-08-16011-моб_з_рос, 12-08-31383 мол_а и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (проект «Аппаратно-программный комплекс конвективной сушки керамического кирпича»).

Ряд разработок и технических решений, полученных в диссертации, отмечен медалями XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011, молодежного инновационного форума Приволжского федерального округа — 2011 г., дипломом за лучший доклад на XVIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях» под рук. акад. РАН Леонтьева А.И.

Программно-информационный комплекс и методические разработки, связанные с исследованием коэффициента диффузии и моделированием тепло-влажпостного состояния керамического кирпича, внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров rio направлению 14010062 «Теплоэнергетика и теплотехника».

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Леонтьева А.И. (Звенигород, 2011); VII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, Украина, 2011); III Международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновск, 2010); Международной молодежной научной школе-семинаре «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении» (Ульяновск, 2011); XIV Минском международном форуме по геило- и массооб-мену (Минск, Беларусь, 2012); XI Всероссийской выставке научно-

технического творчества молодежи НТТМ (Москва, 2011); Молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (Ульяновск, 2010 и 2011); научно-технических семинарах кафедры «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета в 2010 - 2012 гг.; научно-техническом семинаре кафедры «Информационная безопасность и теории управления» Ульяновского государственного университета, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 1 статья в ведущем рецензируемом издании по списку ВАК, 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его основном участии: постановка задачи, разработка методики решения, проведение расчетов, обработка и обобщение полученных результатов, формирование выводов и заключения.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (124 наименования) и приложений, включает 156 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор научно-технической литературы и анализ состояния проблемы повышения эффективности процесса сушки керамического кирпича, исследований и моделирования его тепловлажностного состояния, возможностей применения газодинамической температурной стратификации для регенерации сушильного агента, определены вопросы, требующие дальнейшего исследования.

Значительный вклад в развитие теории сушки керамических материалов и изделий, технологии сушки, методик расчета оптимального режима, причин возникновения брака на отдельных этапах сушки, способов их устранения внесен трудами A.B. Лыкова, А.Ф. Чижского, П.Д. Лебедева, К.А. Нахратяна, Г.И. Арепьева, С.Н. Осипова, M.II. Прокопенко, И. Тернера, Ф. Роджера, М.А. Стэ-ниша и др. Логическим развитием этих работ стало настоящее исследование. Выводы по результатам анализа научно-технической литературы, патентной информации и производственного опыта по теме диссертации сводятся в основном к следующему:

1. Параметры процесса сушки оказывают определяющее воздействие на качество и эксплуатационные свойства керамического кирпича, сам процесс отличается длительностью и энергоемкостью, внося существенный вклад в себестоимость изделий.

2. До 70 % тепловых потерь при конвективной сушке приходится на потери с отработанным сушильным агентом, поэтому значимый резерв совершенствования технологии конвективной сушки содержится в его рациональном использовании и рециркуляции. Перспективными схемами представляется зонирование сушильных камер с подачей отработанного на начальной стадии сушки и

нового (или регенерированного) агента на заключительных стадиях процесса, а также применение трубы газодинамической температурной стратификации для регенерации сушильного агента. Однако четкие технологические рекомендации по использованию этих схем в литературе отсутствуют.

3. Отработку технологий конвективной сушки в настоящее время проводят преимущественно путем экспериментальных исследований и натурных испытаний, что является дорогостоящим, трудоемким и не всегда гарантирует оптимальный результат. Замещение натурного эксперимента вычислительным сдерживается отсутствием надежных математических моделей для прогнозирования выходных показателей процесса сушки в зависимости от технологических параметров и отсутствием соответствующих проблемно-ориентированных программно-информационных комплексов.

4. Основу такого проблемно-ориентированного комплекса должна составлять математическая модель кинетики тепловлажностного состояния кирпича, построенная на сопряженном решении дифференциальных уравнений теплопроводности и влагопереноса в нестационарной трехмерной постановке, а также базы данных по теплофизическим свойствам и коэффициентам диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича и базы данных по закономерностям теплообменных процессов при конвективной сушке.

5. Данные по коэффициентам диффузии жидкости, а также методики их получения в литературе отсутствуют, что вызывает необходимость выполнения соответствующих разработок и исследований.

Вторая глава посвящена разработке математической модели, определяющей гепловлажностное состояние кирпича, и алгоритма расчета его параметров в процессе сушки. Задача формулируется и решается в нестационарной трехмерной постановке. Технологические параметры (режим!,т) сушки, тип сушильной установки и параметры сушильного агента и изделия в кладке моделируются при расчетах заданием граничных условий на каждой из поверхностей кирпича. Расчетная схема кирпича приведена на рис. 1.

Распределение температуры в кирпиче определяется дифференциальным уравнением теплопроводности:

где х, у, г — координаты декартовой системы, м; т - текущее время, с; Т - температура кирпича, К; р — эффективная плотность кирпича, кг/м3; с — эффективная удельная теплоемкость кирпича, Дж/(кг-К); X - эффективная теплопроводность кирпича, Вт/(м-К).

(1)

агента к поверхности кирпича, Вт/(м2 К); 7}, — температура сушильного агента, К

В капиллярно-пористых телах процесс тепломассообмена и значительной степени усложняется в условиях изменения влагосодержания в поровом пространстве. Поэтому при моделировании тепловлажностного состояния капиллярно-пористого тела учет особенностей материала, таких как размер пор, их форма, расположение выполняли интегрально через определение эффективных свойств р, с, X.

С учетом гидротепловой аналогии дифференциальное уравнение влаго-переноса имеет вид:

дТУ_дГпд1У} эГрдвЛ дГрдУЛ (2)

дх аД дх ) бД ду ) & )'

где IV - влагосодержание, кг/м3; О — коэффициент диффузии жидкости в материале, м2/с.

Начальные условия для уравнения теплопроводности и влагопереноса формулировали в виде:

т = 0; 0<х<с; 0<у<Ь; 0<г<а: Т = Т0, IV = (3)

Граничные условия (при т > 0 ) задавали в виде (в скобках указано обозначение грани на рис. 1):

* = 0; 0 <у<Ь; 0 < - < я (АВРЕ): а, (г/5-Тк = Р,(с„-С„)=-0—?

дх дх

х = 0; 0<у<Ь- 0< = <а(иССН), ^ = „Дг -т^-р= р6(с.-С/6);

дх ОХ

у = 0; 0<х<с-()<2<а (ЛЕН!)): Из(г/3-Тп)-ёг = -Х^- ; Р3(с/3

ду оу

У = Ь ;0<х <с;0 < г < а(БРСС):-Х^- = а4(г/4 - ; = р4(с„-С/4);

ду оу

г = Ъ\0<х<с\0<у<Ь(АВСВ)-.а.,{г^ -Т№)-ёг = ; Р>{сл

2 = а-,0<х<с;0<у<Ь(ЕРаЩ:-^ = а2(тг_-Т„)-8г; - О^- = р,(с„-С/2),

(4)

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

где g — плотность массового потока пара с поверхности кирпича в анализируемой точке, кг/(м2-с); г - скрытая теплота испарения, Дж/кг; ß,- - коэффициент массоотдачи с поверхности кирпича к сушильному агенту, м/с; Cß - концентрация водяного пара в потоке сушильного агента, кг/м3; С„ — концентрация водяного пара на поверхности кирпича, кг/м3.

Коэффициенты тепло- и массоотдачи определяли с использованием эмпирических уравнений подобия, приведенных работах В.К. Щукина, A.B. Болгарского, Г.Л. Мухачева, A.B. Лыкова.

Для практического использования разработанной математической модели (1) — (9) помимо коэффициентов тепло- и массоотдачи необходимо знать значения коэффициента диффузии D жидкости в капиллярно-пористом теле, данные по которому в литературе отсутствуют. Коэффициент диффузии в рассматриваемых условиях является параметром-аналогом коэффициента температуропроводности и его значение определяли экспериментально на основе аналогии с методом регулярного теплового режима по выражению

D=Km, (10)

где К — коэффициент формы тела; т — темп регулярного режима влагопереноса.

Коэффициент формы тела К определяли аналогично методу регулярного теплового режима. Для отыскания темпа регулярного режима влагопереноса т осушенный образец (кирпич) погружали в воду и определяли изменение с течением времени его массы, которая однозначно связана со средним влагосодер-жанием. По результатам эксперимента строили зависимость натурального логарифма избыточной массы (разности максимальной массы и массы в текущий момент времени, отсчитываемый от начала погружения) от времени. На полученной зависимости выделяли стадию регулярного режима влагопереноса, характеризуемую тем, что опытные точки на графике сгруппированы около прямой линии. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс на графике численно равен значению темпа регулярного режима влагопереноса т. Далее по формуле (10) рассчитывали коэффициент диффузии D. Изложенная методика защищена патентом РФ на изобретение № 2469292.

По предложенному способу определены значения коэффициента диффузии D жидкости для красного строительного кирпича. Результаты соответствующего эксперимента для стадии регулярного режима влагопереноса приведены на рис. 2. При обработке полученных результатов были определены значения

К ^=3,191-10-4 м2; т = 4- Ю-4 с"1; £> = 1,28-10~8 м2/с. Относительная погрешность определения коэффициента диффузии, приведенная к доверительной вероятности 0,95, составляет ±5 %.

In (Мтш-ХГ.

-3

-3,25 -3.5

-3.75

0 4000 6000 12000 1 6000 20000 Г. с

Рис. 2. К определению темпа регулярного режима влагопсреноса: о - эксперимент; линия -линейная аппроксимирующая зависимость у = 0,00005л - 2,7759

Аналитическому решению система дифференциальных уравнений теплопроводности и влагопереноса (1), (2) не поддается, поэтому для ее интегрирования применяли численный метод конечных разностей решения системы дифференциальных уравнений теплопроводности и влагопереноса в нестационарной трехмерной постановке. Для этого с использованием явной разностной схемы второго порядка аппроксимации по пространственным переменным и первого порядка по времени строили разностные аналоги уравнений теплопроводности и влагопреноса для типовых (внутренних) и всех особых (расположенных на поверхностях, на ребрах, в углах) расчетных точек кирпича, а также получили выражения для определения устойчивого шага Ат интегрирования по времени. С помощью построенной системы разностных уравнений по заданному начальному тепловлажностному состоянию кирпича последовательно с шагом Дт определяли кинетику тепловлажностного состояния кирпича в процессе ковективной сушки.

Рассмотренная методика численного исследования тепловлажностного состояния реализована в оригинальном программно-информационном комплексе (свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2011613083).

Комплекс предназначен для моделирования процессов термической обработки кирпича с определением следующих параметров: изменение во времени влагосодержания, температуры, градиента температуры во всех расчетных точках, потребное время сушки, тепловой ноток, расходуемый на испарение влаги; количество теплоты, израсходованной на испарение влаги, общее количество теплоты, израсходованной на сушку кирпича, скорость объемной усадки.

Градиенты температуры и влагосодержания в изделии, скорости объемной усадки и некоторые другие параметры определяются с целью прогнозирования и предотвращения технологического брака. Программно-информационный комплекс может применяться для выработки рекомендаций по совершенствованию технологического процесса сушки керамического кирпича и выбору оптимальных режимов эксплуатации оборудования.

Третья глава посвящена тестированию разработанной математической модели, методики численного расчета и проблемно-ориентированного про-

8 °

% о . О \о

о с *

с

граммно-информационного комплекса, а также экспериментальному исследованию процесса сушки керамического кирпича.

Тестирование разработок осуществляли в три этапа. На первом этапе оптимизировали расчетную сетку и анализировали точность получения численного решения задач в зависимости от количества расчетных точек. С этой целью моделировали процесс нестационарной теплопроводности в кирпиче как сплошном теле с постоянными теплофизическими свойствами (для этих условий имеется точное аналитическое решение задачи).

Сопоставление результатов численного и аналитического решений показало, что в рассматриваемых условиях для моментов времени т>300 с относительная погрешность численного расчета температуры не превышает 0,07 % (рис. 3).

На втором этапе моделировали тепловлажностное состояние кирпича в условиях, для которых имеются психрометрические таблицы, предназначенные для определения влажности среды но показаниям «сухого» и «мокрого» термометров. До тех пор, пока происходит испарение жидкости со всей поверхности кирпича (отсутствуют осушенные участки), температура этой поверхности должна совпадать с температурой «мокрого» термометра.

Температура «мокрого» термометра определяется по задаваемым в расчетах значениям параметров (температуры 7} и относительной влажности ср) сушильного агента с помощью психрометрических таблиц.

.г, л/

Рис. 3. Распределение температуры по толщине кирпича на периферии в разные моменты времени после начала сушки: линия — аналитический расчет, о - численный расчет, 1 — т = = 300 с; 2-600; 3 -900; 4- 1200; 5- 1500; 6- 1800; 7-2100; 8 - 2400; 9 - 2700; 10-3000; 11 -3300; 12-3600

Расхождение результатов сопоставления расчетов по предлагаемой модели температуры поверхности кирпича с табличной температурой «мокрого» термометра не превышало 0,6 % (рис. 4).

Рис. 4. Результаты сопоставления температуры «мокрого» термометра, полученного: линия -с помощью расчета по предлагаемой модели; о - по данным психрометрической таблицы

На третьем этапе тестирования сопоставляли полученное расчетом по предлагаемой модели изменение массы кирпича во времени в процессе его сушки с результатами непосредственного измерения, полученными с помощью оригинального экспериментального стенда (рис. 5).

Рис. 5. Схема экспериментального стенда для исследования тепловлажностного состояния кирпича: 1 — вентилятор искусственной тяги; 2 - исследуемый кирпич; 3 — регулируемые опоры; 4 - нагреватель; 5 - труба; І, II, III, IV, V, VI - контрольные точки для регистрации параметров; К — камера конвективной сушки; Т - зона тепловизионпой съемки

Стенд представляет собой вертикальную трубу, внутри которой организована камера конвективной сушки. Регулирование элементов режима сушки обеспечивается нагревателем, расположенным в нижней части трубы, и венти-

лятором искусственной тяги 1, расположенным в верхней части трубы. Камера конвективной сушки оснащена технологическими элементами для размещения датчиков измерения параметров сушильного агента (скорость, давление, влажность, температура) в 6 контрольных точках по высоте камеры, а также окном для выполнения тепловизионной съемки. Исследуемый образец размещается внутри камеры при помощи регулируемых опор. Измерение и регистрацию параметров сушильного агента (воздуха) осуществляли непрерывно в процессе сушки с помощью измерительного комплекса TESTO-435, тепловизионную съемку — тепловизором марки IRISYS 1011, взвешивание кирпича производится на весах настольных электронных ВСП - 6/1-2В.

Экспериментальный стенд экспонировался и удостоен медали за успехи в научно-техническом творчестве XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011.

Некоторые результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных приведены па рис. 6, из которого видно их удовлетворительное согласование (расхождение не превышает 0,9 %).

М, кг 4,2 4 3,8

0 10000 20000 30000 г'с Рис. 6. Результаты тестирования и экспериментальной проверки модели: линия - расчет по предлагаемой методике; о - эксперимент

Таким образом, предлагаемая модель и методика расчета обеспечивают получение достоверных данных.

С использованием разработанных модели и компьютерной программы проведена серия расчетов, позволивших выявить ряд характерных закономерностей особенностей протекания процесса сушки. На рис. 7 показано распределение по толщине кирпича температуры и влагосодержания в разные моменты времени в его центре и на периферии (в окрестности короткого ребра).

Символом х на рис. 7 обозначена относительная координата, отсчитываемая от середины кирпича и отнесенная к половине его толщины. Анализ полученных результатов показывает, что поля температуры и влагосодержания в кирпиче при его сушке являются существенно трехмерными. При этом на стадии прогрева кирпича характер распределения температуры по толщине в центральной его части качественно отличается от распределения на периферии. В центральной части профили температуры и влагосодержания являются выпук-

лыми, а на периферии - профиль температуры становится вогнутым, а профиль влагосодержания по-прежнему остается выпуклым.

Выпуклый профиль температуры на первый взгляд (с позиций одно- и даже двумерной модели расчета) кажется парадоксальным, поскольку отвод теплоты с поверхности сопровождается одновременным увеличением температуры кирпича. Однако анализ данных, полученных для периферийных участков, показывает, что подвод теплоты в кирпич на этой стадии происходит по периферийным участкам, которые осушаются в первую очередь, а далее теплопроводностью в теле кирпича теплота подводится к центральным областям.

В течение достаточно большого промежутка времени (в рассматриваемых условиях около 9 часов) температурное поле в центральной части кирпича остается однородным и практически не изменяется с течением времени (температура поддерживается близкой к температуре «мокрого» термометра). И только после начала осушения периферийной части поверхности кирпича температура в центре начинает повышаться. Наибольшая скорость осушения имеет место в окрестности угловых точек. Именно здесь создаются предпосылки для появления дефектов и брака.

а)

б)

Тк, к 306 302

298

294

290 Т-, , к

310

306 302 298 294 290

і 7

\ 6

V.-

•л

7 "

-Г-

7~ 4

\

\ 3

Ґ1 ?

200 150 100 50 0

Л

/ / \

б, 7

¿А

-1 -0.5 0

0,5

-1 -0,5 0

0.5

Рис. 7. Распределение по толщине кириича температуры и влагосодержания в его центре (а) и на периферии (б) в разные моменты времени после начала сушки: 1 - т = 0 ч; 2 - 2ч; 3-9 ч; 4-14 ч; 5 - 18 ч; 6-21 ч; 7-24 ч

Расчетное исследование показало также, что на продолжительность процесса сушки существенное влияние оказывает начальная температура кирпича (чем выше температура, тем меньше потребное время сушки).

Четвертая глава содержит систематизацию и обобщение результатов численного исследования тепловлажностного состояния кирпича в процессе сушки в виде инженерных зависимостей с учетом рециркуляции сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации. При этом отработанный сушильный агент из сушильной камеры подается в разделительную камеру трубы газодинамической температурной стратификации по патенту РФ № 2334178, где он разделяется на два потока, которые направляются во внешний дозвуковой канал и внутренний сверхзвуковой канал, где происходит его осушение и нагрев (рис. 8).

Конденсат Пыль

СА

3 1 й в ОСА 1

РСАвн^

пг ГЕ:

РСА„„

а)

Г^—Г-

.....

: / /

РСЛ»„

б)

РСА„

Рис. 8. Технологическая схема (а) реализации процесса конвективной сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента и труба газодинамической темперагурной стратификации (б): 1 - сушильная камера, а, б, в - зоны сушильной камеры; 2 - труба газодинамической температурной стратификации; 3 — устройство подг отовки и раздачи сушильного агента по зонам сушильной камеры; 4 - разделительная камера; 5 - сверхзвуковой диффузор; 6 - дозвуковой канал сверхзвуковой диффузор; 7 - устройство для закрутки сверхзвукового дисперсного потока; 8 - сверхзвуковой канал; 9 - дозвуковой канал; 10 - выходной патрубок; СЛ - сушильный агент; РСА,,„дш, РСАв„ут- регенерированный сушильный агент во внешнем дозвуковом канале и во внутреннем сверхзвуковом канале соответственно; ОСА- отработанный сушильный агент

Центрами конденсации являются дисперсные частицы, поданные навстречу потоку сушильного агента. Далее сушильный агент во внутреннем сверхзвуковом канале проходит через сверхзвуковой диффузор и направляется в выходной патрубок внутреннего сверхзвукового канала.

В свою очередь, дозвуковой дисперсный поток, проходя через внешний дозвуковой канал, направляется к выходному патрубку внешнего дозвукового канала. При этом дисперсный поток, проходящий через сверхзвуковое сопло, приобретает скорость, превышающую скорость звука. Далее сверхзвуковой дисперсный поток закручивается, проходя устройство для закрутки сверхзвукового дисперсного потока, расположенное во внутреннем сверхзвуковом канале.

В закрученном дисперсном сверхзвуковом потоке дисперсные частицы под воздействием центробежных сил инерциально выпадают на стенку внутреннего сверхзвукового канала. Осушенный сушильный агент отбирают из внутреннего сверхзвукового канала трубы газодинамической температурной стратификации, пропускают через пыпезолоуловитель, где задерживают влажную дисперсную фазу. Регенерированный таким образом сушильный агент через устройство подготовки и раздачи сушильного агента по зонам сушильной камеры возвращают в сушильную камеру.

С использованием разработанных модели и компьютерной программы проведена серия расчетов, позволивших выявить ряд характерных особенностей протекания процесса сушки в зависимости от состояния регенерированного сушильного агента, некоторые результаты которых показаны на рис. 9 и 10.

320 315 310 305 300

ТУ,

КГМ-700

600

500

«0

300

200

К

ч \ / / Г V

У 7

2 "3

\ I

/ 2

3

/

Г, к

320 315 310 305 300

ТГ, кг ы-700

600 500 400 300 200 100

ч N т

\ /

V у / ?

\ \ / /

ч ¿3

/ 1

?

I

л.. « Ч '5 / Л

а)

-1 Д8-0,6-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 X

6)

.1 -0,8-0,«-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 X

Рис. 9. Распределение температуры и влагосодержания в центральном сечении кирпича в разные моменты времени после начала сушки в зависимости от влажности ср регенерированного сушильного агента: 1, ..., 9- т = 0, 1, 3, 5, 7, 9, 11, 21, 23 чсоответственно; а - ф = 30 %; б - ф = 5 %.

V. Ч 20 15

10

5 10 15 20 25 (рт%

Рис. 10. Влияние температуры 7/ и влажности ф сушильного агента на длительность тс сутки кирпича: 1,2,3- 7} - 373; 333; 323 К

С учетом полученных результатов для предотвращения появления сколов и трещин в керамических изделиях целесообразно на начальной стадии процесса сушки применять сушильный агент с повышенной влажностью 15.. .30 % и пониженной температурой 300...315 К, в заключительной стадии необходимо применять сушильный агент с повышенной температурой 330.. .370 К и пониженной влажностью (до 10 %). Основными критериями выбора параметров сушильного агента служат время и энергозатраты процесса сушки, а также недопустимость возникновения трещин.

Регенерированный в трубе газодинамической температурной стратификации сушильный агент следует подавать в зону начальной стадии сушки, что обеспечивает более «щадящий» режим сушки, минимизирующий возникновение брака изделий. Выбор оптимальных параметров режима сушки осуществляется по результатам серии имитационных расчетов с помощью проблемно-ориентированной программы для расчета тепловлажностного состояния кирпича в процессе сушки с учетом технологических условий на основе численного решения системы дифференциальных уравнений теплопроводности и влагоперепоса в соответствии с разработанной методикой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Впервые предложена математическая модель тепловлажноспюго состояния кирпича в нестационарной трехмерной постановке и разработана методика численного анализа, которые составляют в комплексе теоретическую основу для исследования процесса сушки и разработки энергоэффективных технологических решений.

2. Разработан проблемно-ориентированный программный комплекс для моделирования процесса конвективной сушки кирпича, позволяющий на основе вычислитель-нош эксперимента вырабатывать рекомендации по совершенствованию технологического процесса сушки керамического кирпича и выбору оптимальных режимов эксплуатации оборудования. Установлены адекватность вычислительного эксперимента реальным условиям сушки.

3. Предложена оригинальная методика определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве и получены новые данные по коэффициенту диффузии жидкости для красного строительного кирпича, О - 1,28-10"8 м2/с, относительная погрешность, приведенная к доверительной вероятности 0,95, составляет ±5%.

3

2

■X 1

4. С использованием разработанных модели, численной методики и программного комплекса выявлены характерные закономерности и особенности протекания процесса сушки. Установлены, в частности, существенная трехмерность полей температур и влагосо-держания кирпича в процессе сушки.

5. Разработаны технологические рекомендации по выбору параметров сушильного агента, а также обосновало применение трубы газодинамической температурной стратификации для регенерации сушильного агента.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикация в изданиях из перечня ВАК

1. Ковальногов H.H., Павловичева Т.В. Моделирование тепловлажностного состояния кирпича в процессе его сушки // Известия вузов. Проблемы энергетики, 2011. №7-8. С.12 — 20. Патент и свидетельство о государственной регистрации

2. Программа расчета тепловлажностного состояния кирпича в трехмерной нестационарной постановке: программ, продукт: № 2011613083. / Ковальногов H.H., Павловичева Т.В.; Ульян. гос. тех ун-т. 19.04.2011.

3. Патент РФ 2469292. Способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле / Ковальногов В.Н., Ковальногов H.H., Павловичева ТВ. №2011114023/28. Заявл.08.04.2011. Опубл. 10.12.2012. Бюл. № 34.

Публикации в прочих изданиях

4. Ковальногов В.Н., Павловичева Т.В. Моделирование и экспериментальное исследование энергоэффективной сушки строительного кирпича// Промышленная теплотехника, 2011. № 8. С. 54-57.

5. Ковальногов В.Н., Павловичева Т.В., Фокеева Е.В. Моделирование влияния регенерируемого сушильного агента на тепловлажностное состояние керамического кирпича в технологическом процессе сушки // Тезисы докладов и сообщений XIV Минского международного форума по тепло- и массообмену (10-13 сентября 2012 г.). Институт тепло и массообмена им. A.B. Лыкова HAH Беларуси. Т. 1. С. 504 - 506.

6. Ковальногов В.Н., Павловичева Т.В. К моделированию тепловлажностного состояния инструмента с капиллярно-пористой структурой при механической обработке с применением СОЖ // Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении: материалы Международной молодежной научной школы-семинара. Ульяновск: УлГТУ, 2011. С. 203 - 207.

7. Ковальногов В.Н., Павловичева Т.В. Научные основы и технология энергоэффективной сушки керамического кирпича. Сборник учебно-исследовательских лабораторных работ. -Ульяновск: УлГТУ, 2012. - 54 с.

8. Ковальногов H.H., Павловичева Т.В. К моделированию тепловлажностного состояния кирпича в процессе его сушки // Вестник УлГТУ, 2009. № 4. С. 33 - 39.

9. Павловичева Т.В. Моделирование тепловлажностного состояния керамического изделия при его термической обработке // Материалы 44-й научно-технической конференции «Вузовская наука в современных условиях». Ульяновск, 2010. С. 72.

10. Павловичева Т.В. Экспериментальное исследование коэффициента диффузии влаги в красном строительном кирпиче // Материалы 45-й научно-технической конференции «Вузовская наука в современных условиях». Ульяновск, 2011. С. 27.

11. Павловичева Т.В., Ковальногов H.H. Численный анализ тепловлажностного состояния кирпича в процессе его термической обработки // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях: Тезисы докладов XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (23-27 мая 2011 г., Звенигород). М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С. 303-304.

Подписано в печать 30.04.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 495. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ

КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

Специальность: 05.13.18- Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук Ковальногов В.Н.

КАРПУХИНА ТАМАРА ВЛАДИМИРОВНА

Ульяновск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ

6

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХ- 12 НОЛОГИЙ СУШКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ современных подходов к технологическому обеспечению 12 энергоэффективной бездефектной сушки керамических изделий

1.2. Особенности тепломассообменных процессов при сушке капилляр- 31 но-пористых материалов и их влияние на качество керамических изделий

1.3. Проблематика прогнозирования кинетики тепловлажностного со- 38 стояния керамического изделия в процессе сушки

1.4. Выводы. Цель и задачи исследований 44

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШ- 47 КИ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

2.2. Математическая модель кинетики тепловлажностного состояния ке- 48 рамического кирпича в процессе сушки

2.3. Диффузия жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамиче- 51 ского кирпича

2.4. Методика численного моделирования кинетики тепловлажностного 54 состояния керамического кирпича в процессе сушки

2.5. Проблемно-ориентированный программно-информационный про- 88 дукт для моделирования кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки

2.6. Выводы 91

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА 93 СУШКИ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

2.1. Схема и физическая модель процесса

47

3.1. Исследование эффективных теплофизических свойств керамического 93 кирпича

3.2 Исследование анизотропии коэффициента диффузии жидкости в ка- 96 пиллярно-пористом пространстве керамического кирпича

3.3. Исследование адекватности разработанных математических моделей 101 и расчетных методик реальным условиям

3.4. Выводы 112

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНО- 113 ЛОГИИ СУШКИ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

4.1. Методика численного исследования и поиска оптимальных техноло- 113 гических условий сушки

4.2. Исследование закономерностей кинетики тепловлажностного со- 118 стояния керамического кирпича в процессе сушки

4.3. Разработка и исследование способа конвективной сушки с регенера- 123 цией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации

4.4. Технологические рекомендации по обеспечению энергоэффективной 125 сушки керамического кирпича

4.5. Выводы 127

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЯ

128

130

141

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

а, коэффициент теплоотдачи сушильного агента к /-й поверхности

кирпича, Вт/(м -К); ß, коэффициент массоотдачи с i-й поверхности кирпича к сушиль-

ному агенту, м/с; А, эффективная теплопроводность кирпича, Вт/(м-К);

р эффективная плотность кирпича, кг/м ;

т время, с;

Ат шаг интегрирования по времени, с;

Ах, Ау, Аz шаги интегрирования по пространственным переменным. ф1 относительная влажность греющего агента, %;

с эффективная удельная теплоемкость кирпича, Дж/(кг-К);

Cfi концентрация водяного пара в потоке сушильного агента, кг/м ;

■j

Cw концентрация водяного пара на поверхности кирпича, кг/м ;

D коэффициент диффузии жидкости в материале, м /с;

i,j, к номер расчетной точки;

gк плотность массового потока пара с поверхности кирпича в анали-

-у

зируемой точке, кг/(м -с); Q расходы влаги с каждой поверхности кирпича, кг/с;

gradWtj, к градиент влагосодержания, кг/м4;

gradTtj, к градиент температуры, К/м;

К коэффициент формы тела;

т темп регулярного режима влагопереноса;

Mq масса кирпича до его сушки, кг;

пх, пу, nz количество расчетных точек вдоль осейх,у nz соответственно;

Р пористость капиллярно-пористого тела, %;

р давление сушильного агента в сушильном устройстве, Па;

Я газовая постоянная сушильного агента, Дж/(кг-К);

г скрытая теплота испарения, Дж/кг;

Т температура кирпича, К;

Т температура сушильного агента, К;

То начальная (до сушки) температура кирпича, К;

к влагосодержание, кг/м ; ^шах предельное влагосодержание (максимально возможная масса вла-

ги в единице объема изделия), кг/м3;

•у

Ж0 исходное (до сушки) влагосодержание, кг/м ;

о

¡¥с конечное (после сушки) влагосодержание, кг/м ;

и скорость движения сушильного агента в сушильном устройстве

(направлена вдоль оси г), м/с; х, у, г координаты декартовой системы, м.

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях развитие производства строительных материалов является залогом успешного решения приоритетных социально-экономических задач и одним из направлений роста национальной экономики, что обусловлено ежегодно повышающимися темпами строительства и увеличением потребности в высококачественных строительных материалах [14, 98].

Одним из распространенных строительных материалов, традиционно используемых при возведении зданий и сооружений, является керамический кирпич. Объем производства керамического кирпича в Российской Федерации в 2011 году составил 3476,9 млн. усл. кирпичей в год. Обеспечивая надежную защиту от воздействия внешних факторов, обладая высокой огнестойкостью и сравнительно низкой теплопроводностью, кирпич предопределяет высокий уровень безопасности и комфорта как жилых, так и промышленных зданий и сооружений. Более чем тысячелетняя практика его применения свидетельствует о высоких эксплуатационных свойствах и долговечности керамического кирпича [15, 56].

В производстве керамического кирпича наиболее энергоемкой и ответственной является стадия сушки. Технологический цикл сушки керамических изделий реализуется в основном в сушильных установках конвективного типа и отличается длительностью и энергоемкостью, что связано с необходимостью обеспечения равномерного объемного прогрева и обезвоживания, исключающих появление в изделиях дефектов в виде трещин и сколов [87]. Именно на стадии сушки имеется значительный потенциал энергосбережения, который может быть реализован за счет оптимизации технологических параметров. Такая оптимизация направлена как непосредственно на снижение затрат тепловой энергии при рациональной организации сушки изделий, так и на снижение брака при термической обработке.

Известно также, что до 70 % потерь теплоты в современных сушильных

установках приходится на потери с отработанным сушильным агентом. Поиск условий, в которых содержится резерв повышения энергоэффективности процесса сушки керамического кирпича путем снижения энергозатрат за счет сокращения цикла сушки и рециркуляции сушильного агента при регенерации его состояния, сдерживается отсутствием теории и математических моделей процесса конвективной сушки.

С учетом изложенного, тема настоящей работы, направленная на математическое моделирование, численное исследование и разработку энергоэффективных технологий конвективной сушки керамического кирпича, является актуальной.

Объектом исследования является процесс сушки керамического кирпича, математические модели, описывающие этот процесс.

Предметом исследования является разработка программного комплекса для расчета кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе конвективной сушки.

Цель работы - повышение энергоэффективности процесса конвективной сушки керамического кирпича за счет организации рациональных технологических циклов использования сушильного агента, построенных посредством математического моделирования и вычислительного эксперимента.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель и методика численного анализа кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки.

2. Предложен способ определения и впервые получены значения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича.

3. Разработки по пп. 1 и 2 реализованы в виде проблемно-ориентированного программно-информационного комплекса, подтверждена их адекватность реальным условиям процесса сушки.

4. На основе вычислительного эксперимента разработаны технологические рекомендации по повышению энергоэффективности сушки керамического кирпича рациональным использованием сушильного агента.

Методы исследований. Реализация цели и решение поставленных задач в работе обеспечены применением современных методов исследований, базирующихся на основных положениях теоретической теплофизики, теории тепломассообмена, математического моделирования и численных методов. Достоверность теоретических разработок и эффективность практических рекомендаций подтверждена результатами натурных исследований на оригинальных экспериментальных установках.

Научную новизну содержат:

1. Математическая модель и методика численного исследования кинетики тепловлажностного состояния кирпича в процессе сушки, основанные на совместном решении системы дифференциальных уравнений теплопроводности и влаго-переноса в трехмерной нестационарной постановке.

2. Новый способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле на основе гидротепловой аналогии.

3. Выявленные на основе численного исследования закономерности влияния параметров сушильного агента на тепловлажностное состояние кирпича, энергоэффективность и продолжительность процесса сушки.

4. Новые технологические решения по рециркуляции и регенерации сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации.

»

Практическую ценность представляют:

1. Проблемно-ориентированный программно-информационный комплекс для моделирования процесса конвективной сушки кирпича с учетом технологических условий на основе численного решения системы дифференциальных уравне-

ний теплопроводности и влагопереноса, позволяющий вырабатывать рекомендации по совершенствованию технологического процесса сушки керамического кирпича и выбору оптимальных режимов эксплуатации оборудования.

2. Новый способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле и полученные на его основе значения коэффициентов диффузии для керамического кирпича.

3. Технология конвективной сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации.

Реализация результатов работы. Отдельные исследования работы выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проектам № 11-08-16011-моб_з_рос, № 12-08-31383-мол_а и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (проект «Аппаратно-программный комплекс конвективной сушки керамического кирпича»).

Ряд разработок и технических решений, полученных в диссертации, отмечен медалями XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011, молодежного инновационного форума Приволжского федерального округа - 2011 г., дипломом за лучший доклад на XVIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях» под рук. акад. РАН Леонтьева А.И. (приложение 6).

Программно-информационный комплекс и методические разработки, связанные с исследованием коэффициента диффузии и моделированием тепловлажност-ного состояния керамического кирпича, внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 14010062 «Теплоэнергетика и теплотехника».

На защиту выносятся:

1. Математическая модель и методика численного исследования кинетики тепловлажностного состояния кирпича в процессе его сушки, с использованием

способа определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле.

2. Методика и результаты численного исследования кинетики тепловлажно-стного состояния керамического кирпича в процессе сушки и влияния элементов режима сушки и параметров сушильного агента на энергоэффективность и продолжительность процесса сушки.

3. Проблемно-ориентированный программно-информационный комплекс для моделирования и исследования кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича процесса в процессе конвективной сушки кирпича.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Леонтьева А.И. (Звенигород, 2011); VII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, Украина, 2011); III Международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновск, 2010); Международной молодежной научной школе-семинаре «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении» (Ульяновск, 2011); XIV Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, Беларусь, 2012); XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ (Москва, 2011); Молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (Ульяновск, 2010 и 2011); научно-технических семинарах кафедры «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета в 2010-2012 гг.; научно-техническом семинаре кафедры «Информационная безопасность и теории управления» Ульяновского государственного университета, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 1 статья в ведущем рецензируемом издании по списку ВАК, 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его основном участии: постановка задачи, разработка методики решения, проведение расчетов, обработка и обобщение полученных результатов, формирование выводов и заключения.

Структура и объем диссертации.

В первой главе приведен обзор научно-технической литературы и анализ состояния проблемы повышения эффективности процесса сушки керамического кирпича, исследований и моделирования его тепловлажностного состояния, возможностей применения газодинамической температурной стратификации для регенерации сушильного агента, определены вопросы, требующие дальнейшего исследования. Сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке математической модели, определяющей тепловлажностное состояние кирпича, и алгоритма расчета его параметров в процессе сушки. Задача формулируется и решается в нестационарной трехмерной постановке. Выполнен анализ обеспечения устойчивости численного решения и получены зависимости для расчета устойчивых шагов интегрирования. Рассмотренная методика численного исследования тепловлажностного состояния реализована в оригинальном программно-информационном комплексе (свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2011613083).

Третья глава посвящена тестированию разработанной математической модели, методики численного расчета и проблемно-ориентированного программно-информационного комплекса, а также экспериментальному исследованию процесса сушки керамического кирпича.

Четвертая глава содержит систематизацию и обобщение результатов численного исследования тепловлажностного состояния кирпича в процессе сушки в виде инженерных зависимостей с учетом рециркуляции сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации.

Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СУШКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ современных подходов к технологическому обеспечению энергоэффективной бездефектной сушки керамических изделий

Керамические изделия, в частности кирпич, изготавливают различными методами: пластическим формованием, полусухим прессованием, литьем и др. [27]. Во всех случаях полуфабрикаты изделия содержат определенное количество влаги, которая должна быть удалена в процессе сушки. Сушка кирпича является одной из наиболее ответственных технологических операций, которая также вносит существенный вклад в себестоимость изделий.

Для исключения растрескивания кирпича необходимо, чтобы процесс сушки происходил достаточно медленно. В результате сушка может занять от 3-х дней до нескольких недель, и, несмотря на то, что многие заводы вводят в глину целый комплекс добавок для уменьшения рас