автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Тепломассоперенос в кирпичной садке при обжиге керамических изделий в туннельных печах

На правах рукописи

НАУМОВ Виталий Леонидович

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В КИРПИЧНОЙ САДКЕ ПРИ ОБЖИГЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ В ТУННЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Иваново 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РАЕН Зайцев Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук,

Жуков Владимир Павлович

доцент

Сокольский Анатолий Иванович

Ведущая организация: Научно-исследовательский экспериментально-

конструкторский машиностроительный институт (НИЭКМИ), г. Иваново.

ционного совета Д 212.060.01 в ГОУ ВПО «Ивановская государственная архитектурно - строительная академия» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20, главный корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ивановская государственная архитектурно - строительная академия».

Защита состоится

часов на заседании диссерта-

Автореферат разослан < 2005 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

Н.М. Ладаев

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Процессы обжига керамических материалов являются одной из важнейших составляющих производства' строительных материалов, а также материалов в других отраслях промышленности. Термин обжиг относится к совокупности сложных физико-химических процессов, происходящих в силикатных материалах при нагревании. В результате обжига достигаются требуемые потребительские качества строительных материалов и изделий, формируемые, главным образом, кинетикой нагрева и последующего охлаждения.

Для того, чтобы обеспечить высокую производительность обжига и снизить непроизводительные потери тепла, керамические изделия (в частности, кирпич) обжигают в обжиговых печах в виде изделий, специально уложенных в большие блоки - садки. Несмотря на то, что некоторые виды садок предусматривают не вполне плотную упаковку изделий в них, в большинстве случаев с точки зрения кинетики прогрева садка может рассматриваться как однородный материал, имеющий, однако, разнообразную форму внешней поверхности. Накопленный опыт по обжигу керамических изделий показывает, что более или менее значительное отклонение программы нагрева и охлаждения от той, которая обеспечивает последовательное протекание процессов в материале, приводит к резкому снижению качества готовых изделий. Вместе с тем, прогрев изделий в большой массе в принципе не может быть однородным. В разных точках садки температуры могут существенно отличаться, что, например, может приводить к недожогу в одних ее зонах и пережогу в других. Равномерность прогрева могла бы быть достигнута путем медленного повышения температуры, но этот подход входит в противоречие с обеспечением высокой производительности обжиговых печей.

Таким образом, решение задачи о рациональном режиме прогрева и охлаждения садки, а также о выборе ее рациональной формы, может быть получено только на основе описания неоднородного прогрева сечения садки с учетом проходящей в материале всей совокупности тепло- и массообменных процессов. Аналитические решения подобной задачи без далеко идущих допущений, почти всегда выхолащивающих сущность большинства моделируемых процессов, невозможно. Естественно, что это существенно снижает универсальность предлагаемых моделей и алгоритмов расчета, которые могут быть использованы в практике инженерного проектирования. Сложившаяся ситуация определила цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГХТУ.

Цель работы состояла в повышении универсальности и достоверности методов расчета и проектирования процессов обжига керамических строительных материалов на основе создания математических моделей, построенных на единых представлениях в общем случае нелинейного тепло- и массопереноса при наличии химических реакции внутри обжигаемых материалов.

Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.

1. Предложена ячеечная модель теплопроводности и массопроводности в плоском сечении произвольной конфигурации, позволяющая численно моделировать распределение температуры и концентрации по сечению при любых граничных условиях протекания процесса, изменении тепло-физических свойств материала и наличии внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.

2. Разработана ячеечная математическая модель обжига кирпича в садке в туннельной обжиговой печи, позволяющая рассчитывать распределение всех параметров садки по ее сечению в процессе продвижения ее по длине печи.

3. Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек садки в процессе обжига в туннельной печи.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета процесса обжига керамических строительных материалов в туннельной печи, инвариантный к моделям теплообмена между садкой и газом и кинетике протекающих в материале реакций.

2. Выполнена идентификация параметров модели для обжига кирпича и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи. Выработаны рекомендации по рациональной форме поперечного сечения садки.

3. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Автор защищает:

1. Разработанную на основе цепей Маркова в общем случае нелинейную математическую модель прогрева плоского сечения произвольной конфигурации при одновременно происходящих процессах сушки и тепло-поглощения эндотермической реакцией

2. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния параметров процесса на распределение его характеристик по сечению садки, в том числе, по влиянию его формы на скорость протекания процессов.

3. Результаты экспериментального исследования кинетики прогрева и охлаждения различных точек садки кирпича в туннельной печи.

4. Метод расчета обжига кирпича в туннельной обжиговой печи и его про-граммно-алгоритмичекое обеспечение.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на 12-й Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития электротехнологий- 12-е

Бенардосовские чтения», Иваново, 2005г., а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ИГХТУ и кафедры прикладной математики ИГЭУ.

Публикации По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных результатов диссертации, списка использованных источников (107 наименований) и приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе на основе литературных источников проанализировано современное состояние проблемы обжига строительного кирпича, типы обжиговых печей и тепловые процессы в них, а также отмечено, что одной из ключевых причин, приводящих к снижению качества кирпича, является неравномерность прогрева садки. В результате этого в ее нижних слоях температурный режим обжига не выдерживается. Подчеркнуто, что эмпирический поиск путей решения этой задачи является трудоемким и продолжительным процессом, что обуславливает прогрессивную роль применения адекватных математических моделей прогрева садки. С технологической точки зрения процесс обжига представляет собой прогрев массивного тела (садки) с весьма произвольной конфигурацией поперечного сечения, в котором одновременно с прогревом идут массо-обменные процессы (сушка) и химические реакции, связанные с поглощением или выделением тепла, а свойства материала меняются в процессе нагрева. Обзор современных математических моделей подобных процессов показал, что аналитические решения уравнения теплопроводности для таких условий невозможны без далеко идущих упрощений, выхолащивающих сущность процесса. Применение полуаналитических методов, развитых в работах СВ. Федосова и В.А. Зайцева, в которых используется аналитическое распределение температуры по координате и дискретное распределение по времени с корректировкой свойств и других параметров в зависимости от температуры и концентрации влаги, также не является приемлемым, из-за сложной конфигурации сечения. Поэтому в основу построения указанных моделей была положена теория многомерных цепей Маркова и связанное с ней ячеечное представление объекта. Общая методика применения таких моделей к задачам переноса была развита в работах В Е. Мизонова и Н. ВегШиах с сотрудниками, а их эффективность в моделировании одномерных процессов тепломассообмена с химическими реакциями продемонстрирована в работах В .А. Зайцева и В.А. Ванюшкина. В заключении главы сформулированы детализированные задачи работы.

Во второй главе приведено описание построения на основе теории цепей Маркова математической модели теплопроводности в плоском сечении произвольной конфигурации при наличии внешнего теплообмена.

Базовой является модель теплоизолированного сечения, для которого и строится матрица переходных вероятностей. Процедура построения ячеечной модели сечения и матрицы переходных вероятностей для него (матрицы теплопроводности) показана на рис.1. Выделенное сечение дополняется до прямоугольника и разбивается на сетку квадратных ячеек. Между ячейками, принадлежащими к сечению, устанавливаются направления возможного потока тепла. Тепловое состояние сечения представлено матрицей температур, которая для данного сечения имеет вид

которая, однако, для описания кинетики изменения температуры должна быть переформирована в вектор-столбец

Т=[0 О Т„ Iо Та Т32 |Т|з Т23 Т33 IО Т24 Т34 ]',

(2)

где столбцы матрицы расположены последовательно друг под другом Считая справедливым закон теплопроводности Фурье, тепловой поток между двумя любыми соседними ячейками 1 и 2 в заданном направлении можно записать как

Материал

Сечение материала

j=l

¡=1

Ячеечная модель

2 3

Рис. 1. Переход от объекта к ячеечной модели сечения и процедура построения матрицы переходных вероятностей.

размерный коэффициенты температуропроводности, где \ с И р - теплопроводность, теплоемкость и плотность материала, соответственно. В выражении для - размер стороны ячейки, а - продолжительность перехода между

двумя соседними состояниями по времени. Таким образом, в направлении каждой стрелки в ячеечной модели рис.1 переходит доля с1 тепла. Это определяет правило построения переходной матрицы которая является блочной матрицей размером блоков или строк и столбцов, где - число строк и столбцов в сетке ячеек, соответственно. На ее главной диагонали расположены трехдиагональные матрицы переходов в столбцах, а к ним по вертикали примыкают диагональные матрицы переходов между столбцами в строках. На главной диагонали матрицы Р, записанной в числах оказываются вероятности остаться в ячейках за один переход, которые определяются из условия нормировки по столбцам как единица минус сумма всех остальных вероятностей, имеющихся в столбце. При однородном изотропном линейном процессе все вероятности покинуть ячейку равны а остаться - единица минус сумма всех й в столбце. Поскольку наибольшее возможное число переходов из ячейки равно 4, то наименьшее значение вероятности остаться равно 1 - 4ё, откуда следует, что ё не должно превышать 0,25.

Необходимо отметить, что матрица Р изначально строится для переходов теплоты. При одинаковых объемах ячеек и одинаковых и постоянных теплофизи-ческих свойствах материала она совпадает с матрицей для «перехода» температур. Во всех иных случаях матрицы различны и матрица для температуры должна выводиться из матрицы для теплоты.

При известной матрице изменение распределения температуры по ячейкам описывается рекуррентным матричным равенством

где к - номер состояния. Расчет начинается с заданного начального распределения температуры

Важной особенностью процедуры (6) является то, что ее элементы, зависящие от <1, а через нее - от теплофизических свойств материала (4),(5), могут корректироваться на каждом переходе в зависимости от температуры в ячейках. Это позволяет на той же алгоритмической основе описывать нелинейные процессы, когда В диссертации приведены примеры расчетов эволюции поля

температур для сечений теплоизолированных различной формы как в линейной, так и нелинейной постановке задачи.

Для введения в модель внешнего теплообмена использован метод источников, когда в периферийные ячейки, контактирующие с греющей средой, на каждом переходе добавляется количество теплоты, переданное за время перехода через их контуры. Расчетная схема этого представления показана на рис.2. Для упрощения алгоритма описания тепловой поток разбит на составляющие по вертикали (сверху и снизу) и по горизонтали (слева и справа). Увеличение

Рис.2. К построению модели внешнего теплообмена.

температуры из-за теплового потока по одному из направлений (например, по х), на к-м переходе составит

где а - коэффициент теплоотдачи, Тв — температура окружающей среды, в общем случае разная для различных ячеек и от перехода к переходу (прогрев в нестационарном и неоднородном поле температуры среды). Полное увеличение температуры в ячейке рассчитывается как сумма увеличений, вызванных отдельными потоками.

Расчетное матричное уравнение для описания процесса приобретает вид

где - вектор прироста температуры в периферийных ячейках за счет внешнего теплообмена.

На рис.3,4 приведены примеры расчетов по разработанной модели и возможные формы представления результатов. Рис.3 иллюстрирует прогрев сечения с теплоизолированным основанием при постоянной внешней температуре. Нижний график показывает кинетику прогрева наиболее удаленной от поверхности точки, по существу лимитирующей прогрев. Рис.4 показывает кинетику прогрева этой точки при различных формах сечения одинаковой площади с одинаковым основанием. Переход от прямоугольного сечения к трапециидальному и далее к треугольному ускоряет прогрев, что может служить основанием для выбора рациональной формы сечения садки.

В третьей главе разработанная модель обобщена на случаи одновременного протекания тепло- и массообмена (сушки), в том числе, и сопряженных, протекания в материале химических реакций, связанных с выделением или поглощением тепла, а также на случай переменных, зависящих от температуры и концентраций теплофизических свойств материала.

Описание массообмена по форме и алгоритмизации полностью совпадает с описанием теплообмена. Матричное уравнение кинетики процесса имеет вид

где вектор концентраций диффундирующего вещества (влаги), то есть ее

распределение по ячейкам, Р„ - матрица переходных вероятностей для процесса диффузии, строящаяся по тому же принципу, что и матрица Рт, в которой величина определяется как

безразмерный, а Б - размерный коэффициент диффузии. Источниковый член икм, определяемый внешним массообменом, рассчитывается аналогично (7), где

_ а„,А1

аСи - "

Дх

(12)

безразмерный коэффициент, характеризующий массоотдачу, 0(;и - коэффициент массоотдачи с поверхности.

Пример расчета кинетики изменения влагосодержания в наиболее удаленной от свободной поверхности ячейке основания показан на рис.5, где кривая 1 соответствует прямоугольному сечению, а кривая 2 - сечению 3 на рис.4. Так же, как и в случае теплообмена, переход от формы 1 к форме 3 (рис.4) позволяет заметно интенсифицировать процесс. Для отработки нелинейных моделей был рассмотрен случай тепломассообмена с меняющимися с изменением влагосодержания теплофизическими свойствами материала. Пример расчета показан на рис.6, где жирной линией нанесена нелинейная кинетика прогрева

» ° — .

V 4 / .........../.А.. .Л...

/ //1 /

/// у2

Л?, . 1

50

100 к

150

Рис.6. Кинетика прогрева ячейки А при постоянных (2,3,4) и переменных (1) теплофи-зических свойствах среды: 2 - <1,=0.05, 3 -<ИМ,4-<И).075.

200

удаленной точки, а тонкими — линейные приближения при различных постоянных свойствах по начальному, конечному и среднему влагосодержанию. Из графиков видно, что даже при среднем значении с1, (кривая 4) линейное приближение заметно отличается от нелинейного, хотя выход на асимптотическое значение температуры может быть удовлетворительно спрогнозирован и линейной моделью.

При моделировании процесса с протеканием химической реакции описание кинетики реакции и тепловыделения при ее протекании заимствовано из работ В.А. Ванюшкина и В.А. Зайцева. Изменение массы реагирующего вещества А в ячейке следует из уравнения кинетики п-го порядка

< -<Л(тг)Р,т'"То' м, (13)

а изменение температуры в ячейке, вызванное ее тепловым эффектом (реакция считается эндотермической), формирующее еще один вектор источников, рассчитывается следующим образом

'УУ,,

4.0'г'4' • (Н)

где т, Шд и с, Сд - начальная и текущая масса и концентрация реагирующего вещества в ячейке, То - температура начала реакции, кд(Т8) - постоянная скорости реакции при температуре окружающей среды, - температурный фактор скорости реакции, - ее приведенный (к продолжительности перехода) тепловой эффект.

Соотношение (14) формирует дополнительную матрицу источников (стоков) к тепловому балансу при переходах. Расчетное соотношение для эволюции поля температур становится следующим

а изменение концентрации (массы) реагирующего вещества в каждой ячейке может быть рассчитано непосредственно по уравнению (13). Пример расчета прогрева удаленной точки прямоугольного сечения при протекании эндотермической реакции для различных величин ее приведенного теплового эффекта показан на рис.7. С увеличением теплового эффекта на графике прогрева появляется все более пологий участок, сам прогрев замедляется, как и кинетика разложения реагирующего вещества.

На рис.8 показано влияние формы сечения на кинетику прогрева и протекания реакции. Эти результаты опять демонстрируют возможности модели для отыскания рациональной формы сечения для эффективной организации процесса.

Рис.7. Кинетика прогрева (1) и разложения вещества А (2) в ячейке А при различных тепловых эффектах реакции (^=0.1, Я(=0.2, йа=0.2, аи=0.2, /3=0.5, То=0.5,гА=0.1,1-4™г=0, 2-Чтг=0.5; 3-Чтг=1; 4-Чтг=1.5)

Рис.8. Кинетика прогрева и разложения вещества А в ячейке А при различных формах поперечного сечения (с!,=0.1, а,=0.2, Ла=0.2, а^О.2, (3=0.5, Т0=0.5, гА=0Л, Ятг=2)

Таким образом, разработанные модели позволяют описывать все составляющие процесса обжига кирпича в садке.

В четвертой главе эти модели были применены к описанию процесса обжига кирпича в туннельной печи типа «Малютка» ОАО «Ивановский завод керамических изделий» Кроме расчетных исследований для проверки адекватности

модели и выявления реальной картины распределения температуры в садке были проведены экспериментальные исследования распределения температуры по длине печи и в ряде точек садки при ее перемещении вдоль печи Расположение точек замера в садке, имевшей практически форму прямоугольного параллелепипеда, показано на рис.9. Наибольший интерес представляли показания замурованных в кирпичи термопар, расположенных непосредственно на поверхности нагрева и в самой удаленной от нее точке. К сожалению, по условиям опытов провода могли сопровождать оснащенную садку только до середины длины печи, то есть до зоны начала обжига Кроме того, была возможность подключения термопар на выходе из печи, то есть в самом конце зоны охлаждения. Результаты расчетных и экспериментальных исследований показаны на рис 10 Ступенчатой линией на графике показана экспериментально замеренная температура газа в печи, которая обычно считается совпадающей с постоянной по объему температурой садки Штриховой линией показана средняя температура садки в различных ее положениях по длине печи. Расчет выполнен для представления садки термически тонким телом, когда считается, что температура садки заведомо равномерно распределена по ее объему. (По существу это соответствует ячеечной модели с одной ячейкой ) Этот расчет показывает, что температура садки запаздывает за температурой газа, но протяженность зоны обжига в расчете остается приемлемой Кружками показаны результаты замеров температуры в верхней и нижней точках садки Они свидетельствуют о том, что прогрев садки по ее высоте остается неравномерным, несмотря на длительное пребывание ее в каждой позиции в печи, равное одному часу Кроме того, для нижних рядов кирпичей режим обжига не выдерживается, что приводит к их пониженному качеству, и что было зафиксировано заводской лабораторией

Жирными линиями на графике показаны температурные кривые, рассчитанные по разработанной модели. Данные по теплофизическим свойствам материала и коэффициентам переноса были взяты из справочной литературы. При расчете были приняты значения Дх=0,111м и Д1=36сек. Последнее значение соответствовало завершению процесса за 3000 переходов. Эти величины выбирались близко к предельным значениям, при которых нарушается устойчивость вычислительной процедуры в матричных уравнениях. Сравнение расчетных данных с опытными в тех участках, где опытные данные имеются, показывает хорошую точность прогноза температурных кривых моделью и позволяет оценить расчетные кривые на участках, где нет их прямого опытного подтверждения, тоже как достоверные.

1100 1000 900 800 700

^ 600

500 400 300 200 100 0'

1 ! 1 1 1 1

М/\ \

л гг у 4 1 1 ^^ <

........ Ш / ' \\ \......... 1-ЛЛ \________

\у/ \/ П/У / ________ — А.... Ч\ \

7/у

гш/

¿Г/У В

\

о

10 15 20

Позиция в печи

25

30

Рис.10. Результаты расчетно-экспериментального исследования температур точек садки в печи:

-- температура среды;

------ средняя температура садки (расчет);

температура верхней точки Т| (— расчет; О - эксперимент); температура нижней точки Тз ( расчет; •-эксперимент)

На рис. 11 показаны расчетные результаты по разработке мероприятий, повышающих равномерность прогрева садки и соответственно, качество кирпичей.

1100

О 5 10 15 20 25 30

Позиция в печи

Рис.11. Влияние формы сечения садки на температурный режим обжига.

Путем перебора вариантов организации поперечного сечения при данных ограничениях по разработанной модели были выполнены расчеты прогрева сечения при различных его формах. Наиболее благоприятные с технологической точки зрения результаты показаны на рис.11. Садка 1 соответствует существующей форме, экспериментальное исследование и расчет которой были выполнены ранее Эти данные воспроизведены на графике тонкими сплошными линиями. Данные по прогреву соответствующих точек для садки 2 показаны жирными сплошными линиями. Из графика видно, что при новой форме садки прогрев верхней ее точки практически не меняется и полностью удовлетворяет условиям обжига. Прогрев же нижней точки в зоне обжига значительно приближается к прогреву верхней точки, и ее температурный режим практически соответствует технологическим условиям обжига.

В диссертации также приведены расчетные и экспериментальные данные по скорости прогрева ячеек садки, на которую также накладываются технологические ограничения, разные в разных зонах печи. Показано, что расчетные и экс-

периментальные данные находятся в удовлетворительном соответствии и во всех рассмотренных случаях удовлетворяют этим ограничениям. Описание модели и метода расчета, их программно-алгоритмическое обеспечение и рекомендации по рациональной форме садки переданы ОАО «Ивановский завод керамических изделий», где используются при разработке проекта по модернизации обжиговой печи и процесса обжига кирпича.

Основные результаты диссертации

1. Предложена ячеечная модель теплопроводности и массопроводности в плоском сечении произвольной конфигурации, позволяющая численно моделировать распределение температуры и концентрации по сечению при любых граничных условиях протекания процесса, изменении тепло-физических свойств материала и наличии внутренних источников тепла, вызванных химическими реакциями. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.

2. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.

3. Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек пакетной садки в процессе обжига в туннельной печи, результаты которых свидетельствуют, что в пакетной садке нижние ряды кирпичей не обжигаются при надлежащей температуре и имеют пониженное качество.

4. Выполнена идентификация параметров модели для обжига кирпича и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи, обеспечивающий удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными

5. Выработаны рекомендации по рациональной форме поперечного сечения садки, повышающей равномерность ее прогрева и обжига.

6. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах автора

1. Наумов В.Л., Волынский В.Ю , Зайцев В.А., Мизонов В.Е. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки керамических изделий в обжиговых печах. Научное издание. -Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ». 2005. - 56с.

2. Наумов В.Л, Зайцев В.А., Волынский В.Ю. Ячеечная модель тепло- и массообмена в плоском сечении произвольной конфигурации. Сб. науч. трудов ВУЗов России / Проблемы экономики, финансов и управления

производством. 16 вып. / отв. Ред. В А. Зайцев. - Иваново: ГОУВПО «ИГ-ХТУ»,2004. - с.336-338.

3. Наумов В.Л., Волынский В.Ю. О рациональной форме поперечного сечения садки при обжиге керамических изделий. Сб. науч. трудов ВУЗов России / Проблемы экономики, финансов и управления производством. 17 вып. / отв. Ред В.А. Зайцев. - Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ»,2005. -с.290-293.

4. Наумов В.Л., Баранцева В.А., Лезнова Н Р. Применение теории цепей Маркова к решению плоских задач тепломассообмена в сечении произвольной формы. Тезисы 12-ой Международной НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (12-е Бенардосовские чтения). Иваново, 2005, с. 109.

Подписано в печать 25 05 2005 Уел п л !./? . Уч изд л /.г9 Бумага писчая Формат 60*84 1/16 Тираж 100 экз Заказ 6 Т Государственное образовательное учрежаение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет 153000 г. Иваново, пр-т Ф Энгельса, 7 Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУВПО «ИГХТУ»

1148

к J »A1 -i

if лчв^^я а

Введение

1. Процессы обжига строительных материалов, их промышленная реализация и методы моделирования и расчета

1.1. Физико-химические задачи процесса обжига строительных материалов

1.2. Современные технологические схемы и оборудование для обжига

1.3. Математическое моделирование процессов термической обработки

1.4. Постановка задачи исследования

2. Разработка ячеечной математической модели прогрева материала с произвольной конфигурацией сечения

2.1. Ячеечная модель теплоизолированного сечения

2.2. Моделирование внешнего теплообмена

2.3. Результаты численных экспериментов

2.4. Выводы по главе

3. Модель неоднородного прогрева при протекании сопутствующих процессов (массоперенос, химические реакции)

3.1. Тепло- и массоперенос в сечении при постоянных свойствах материала (линейная модель)

3.2. Учет зависимости свойств материала от параметров состояния (нелинейная модель)

3.3. Учет протекания в материале химических реакций

3.4. Выводы по главе

4. Применение разработанных моделей к описанию процессов термической обработки строительных материалов

4.1. Описание туннельной печи для обжига кирпича

4.2. Применение разработанных моделей к описанию процесса в печи

4.2.1. Модель с однородным прогревом садки

4.2.2. Экспериментальное исследование температур в различных точках садки

4.2.3. Разработка мероприятий по повышению однородности прогрева садки

4.3. Выводы по главе 4 Основные результаты диссертации Список использованных источников Приложения

Актуальность темы диссертации. Процессы обжига керамических материалов являются одной из важнейших составляющих производства строительных материалов, а также материалов в других отраслях промышленности. Термин обжиг относится к совокупности сложных физико-химических процессов, происходящих в силикатных материалах при нагревании. В результате обжига достигаются требуемые потребительские качества строительных материалов и изделий, формируемые, главным образом, кинетикой нагрева и последующего охлаждения.

Для того, чтобы обеспечить высокую производительность обжига и снизить непроизводительные потери тепла, керамические изделия (в частности, кирпич) обжигают в обжиговых печах в виде изделий, специально уложенных в большие блоки - садки. Несмотря на то, что некоторые виды садок предусматривают не вполне плотную упаковку изделий в них, в большинстве случаев с точки зрения кинетики прогрева садка может рассматриваться как однородный материал, имеющий, однако, разнообразную форму внешней поверхности. Накопленный опыт по обжигу керамических изделий показывает, что более или менее значительное отклонение программы нагрева и охлаждения от той, которая обеспечивает последовательное протекание процессов в материале, приводит к резкому снижению качества готовых изделий. Вместе с тем, прогрев изделий в большой массе в принципе не может быть однородным. В разных точках садки температуры могут существенно отличаться, что, например, может приводить к недожогу в одних ее зонах и пережогу в других. Равномерность прогрева могла бы быть достигнута путем медленного повышения температуры, но этот подход входит в противоречие с обеспечением высокой производительности обжиговых печей.

Таким образом, решение задачи о рациональном режиме прогрева и охлаждения садки, а также о выборе ее рациональной формы, может быть получено только на основе описания неоднородного прогрева сечения садки с учетом проходящей в материале всей совокупности тепло- и массообменных процессов. Аналитические решения подобной задачи без далеко идущих допущений, почти всегда выхолащивающих сущность большинства моделируемых процессов, невозможно. Естественно, что это существенно снижает универсальность предлагаемых моделей и алгоритмов расчета, которые могут быть использованы в практике инженерного проектирования. Сложившаяся ситуация определила цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - AI 18 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГХТУ.

Цель работы состояла в повышении универсальности и достоверности методов расчета и проектирования процессов обжига керамических строительных материалов на основе создания математических моделей, построенных на единых представлениях в общем случае нелинейного тепло- и массопереноса при наличии химических реакции внутри обжигаемых материалов. Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.

1. Предложена ячеечная модель теплопроводности и массопроводности в плоском сечении произвольной конфигурации, позволяющая численно моделировать распределение температуры и концентрации по сечению при любых граничных условиях протекания процесса, изменении тепло-физических свойств материала и наличии внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.

2. Разработана ячеечная математическая модель обжига кирпича в садке в тоннельной обжиговой печи, позволяющая рассчитывать распределение всех параметров садки по ее сечению в процессе продвижения садки по длине печи.

3. Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек садки в процессе обжига в туннельной печи.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

Ч' 1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета процесса обжига керамических строительных материалов в туннельной печи, инвариантный к моделям теплообмена между садкой и газом и кинетике протекающих в материале реакций.

2. Выполнена идентификация параметров модели для обжига кирпича и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи. Выработаны рекомендации по рациональной форме поперечного сечения садки.

3. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Автор защищает:

1. Разработанную на основе цепей Маркова в общем случае нелинейную математическую модель прогрева плоского сечения произвольной конфигурации при одновременно происходящих процессах сушки и тепло-поглощения эндотермической реакцией

2. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния параметров процесса на распределение его характеристик по сечению садки, в том числе, по влиянию его формы на скорость протекания процессов.

3. Результаты экспериментального исследования кинетики прогрева и охлаждения различных точек садки кирпича в туннельной печи.

4. Метод расчета обжига кирпича в туннельной обжиговой печи и его про-граммно-алгоритмичекое обеспечение.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на 12-й Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития электротехнологий - 12-е т*

Бенардосовские чтения», Иваново, 2005г., а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ИГХТУ и кафедры прикладной математики ИГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (107 наименований) и приложения. .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложена ячеечная модель теплопроводности и массопроводности в плоском сечении произвольной конфигурации, позволяющая численно моделировать распределение температуры и концентрации по сечению при любых граничных условиях протекания процесса, изменении тепло-физических свойств материала и наличии внутренних источников тепла, вызванных химическими реакциями. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.

2. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.

3. Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек пакетной садки в процессе обжига в туннельной печи, результаты которых свидетельствуют, что в пакетной садке нижние ряды кирпичей не обжигаются при надлежащей температуре и имеют пониженное качество.

4. Выполнена идентификация параметров модели для обжига кирпича и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи, обеспечивающий удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.

5. Выработаны рекомендации по рациональной форме поперечного сечения садки, повышающей равномерность ее прогрева и обжига.

6. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а чакже конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

1. Тепловые процессы в технологии силикатов: Учебник/ A.B. Ралко, A.A. Крупа, H.H. Племянников, Н.В. Алексеенко, Ю.Д. Зинько. К.: Вища школа, 1986. - 232с.

2. Машиностроение. Энциклопедия. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. Т. IV-12/ Под общ. ред. М.Б. Генералова -М.: Машиностроение. 2004 832с.

3. Баранов Д.А., Блиничев В.Н. и др. Процессы и аппараты химической технологии (явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование) в 5 т. Т. 2. Механические и гидромеханические процессы. Под ред. A.M. Кутепова. -М: ЛОГОС, 2001. 600с.

4. Тепловые процессы и технологии силикатных материалов: Учебник для вузов / H.A. Булавин, И.А. Макаров, А.Я. Рапопорт, В.К. Хохлов. -М.: Стройиздат, 1982.-249с.

5. Технология строительных производств. / Под. ред. H.H. Данилова. -М.: Стройиздат, 1977.-440с.

6. Касаткин Л.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1973.- 752с.

7. Тепловые расчеты печей и сушилок промышленности / Под. Ред. Д.Б. Гинзбурга и В.Н. Зимина. Изд. 2-е перер. И доп. -М.: Стройиздат, 1964. -496с.

8. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. / Науч. ред. П.Д. Саркисов и М.Д. Ходаковский. Т.2 . -М.: ВИНИТИ, 1989. -175с.

9. Фиалко М.Б. Неизотермическая кинетика в термическом анализе. -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1980. -106с.

10. Ю.Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. -384с.

11. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко Л.М. Технология производства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1990. -195с.

12. Румянцев Б.М., Журба В.П. Тепловые установки в производстве строительных материалов и изделий: Учеб. пособие для строит, вузов по спец. «Пр-во строит, изделий и конструкций». М.: Высшая школа, 1991. —160с.

13. Нехорошее A.B. Теоретические основы технологии тепловой обработки неорганических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1978. 232с.

14. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. М.: Стройиздат, 1982. -384с.

15. Симин Г.Ф. Сушка и обжиг керамических стеновых материалов при повышенных скоростях газового потока. М.: РОСНИИМС, 1959. - 121с.

16. Мукосов И.Г. Скоростной обжиг кирпича в кольцевых печах. -М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1953. —24с.

17. Тихи О. Обжиг керамики / Пер. с чеш. В.П. Поддубного. Под ред. Л.В. Соколовой. М.: Стройиздат, 1988. - 344с.

18. Ахундов A.A. и др. Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1975. - 248с.

19. М. Lorant. "Cement, Lime and Gravel", 41, n.8, 1966.

20. Чернявский E.B. Производство глиняного кирпича. Изд. 2—е, доп. и пе-рераб. М.: Стройиздат, 1974. -142с.

21. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. М.: Высшая школа, 1986. - 280с.

22. Мухина Т.Г. Производство силикатного кирпича. Уч. пособие. М.: Профтехизд, 1968.- 132с.

23. Воробьев В.А. Строительные материалы. Изд. 5— е перераб. М.: Высшая школа, 1973. 375с.

24. Кошляк Л.Л. Производство изделий строительной керамики. — М. Стройиздат, 1990.- 135с.

25. Высокотемпературные процессы химической технологии и перспективы их развития. Л.: 11аука, 1980. -206с.

26. Машины и оборудование для производства керамических и силикатных изделий: Каталог—справочник. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982. -311с.

27. Исламов М.Ш. Печи химической промышленности. 2-е изд. перер. и доп. -Л.: Химия, 1975.-432с.

28. Теплотехнические расчеты печей химической промышленности: Учеб. пособие. Дементьев А.И., Смирнов В.А.- М.:МХТИ, 1985. -58с.

29. Левченко П.В. Расчеты печей и сушилок силикатной промышленности. Уч. пособ. -М.: Высшая школа, 1968. -367с.

30. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. — М.: Химия, 1979. 288с.

31. Наумов М.М. Туннельные печи кирпичной промышленности. — М.: Стройиздат, 1953.

32. Сайбулатов С.Ж. Производство керамического кирпича. — М.: Стройиздат, 1989.- 278с.

33. Муштаев В.И. и Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. — М.: Химия, 1988. —352с.

34. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества.// АН БССР, — Минск, 1959. 330 с.

35. Лыков A.B. Тепло и массообмен в процессах сушки. Учебное пособие. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 464 с.

36. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло — и массопереноса. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

37. Лыков A.B. Тепло- и массоперенос. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. -243 с.

38. Лыков A.B. Теплопроводность нестационарных процессов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. - 231 с.

39. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М: Высшая школа, 1967. - 599

40. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофи шкн.7 АН БССР, Минск, 1961.-519 с.

41. Темкин А.Г. Аналитическая теория нестационарного тепло- и массооб-мена в процессе сушки и обратные задачи аналитической теории сушки. -Минск: 11аука и техника, 1964. 364с.

42. Федосов C.B., Сокольский А.И., Зайцев В.А. Тепловлагоперенос в сферической частице при условии 3-го рода и неравномерном начальном условии. // Изв. вузов: Химия и химическая технология. 1989. т.32, вып. 3. -с. 99—104.

43. Федосов C.B. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. Диссертация на соискание учёной степени докт. техн. наук. - Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

44. Зайцев В.А. Процессы термической обработки сыпучих и листовых материалов в аппаратах интенсивного действия. Диссертация на соискание учёной степени д. т. н. -Иваново: ИГАСА, 1996. - 387с.

45. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. M.: Энергия, 1972. - 560 с.

46. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

47. Карташов Э.М., Любов Б.Я. Метод решения обобщенных тепловых задач в области с границей движущейся по параболическому закону. // Журнал техническая физика, 1971, т.61, №1. —с.З—16.

48. Карташов Э.М. Метод интегральных преобразований а аналитической теории теплопроводности твёрдых тел. Изв. АН РФ. - М.: Энергетика. 1993,-№2,-С. 99-127.

49. Карташов Э.М. Расчёты температурных полей в твёрдых телах на основе улучшенной сходимости рядов Фурье Ханкеля. - Изв. АН РФ. - М.: Энергетика, 1993.-№3,-С. 106-125.

50. Карташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1985.-480с.

51. Карташов Э.М. Аналитические методы смешанных граничных задач теории теплопроводности. Обзор// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986. №6. —С. 116—129.

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

53. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. -М.: Энергия, 1971.-407с.

54. Ладыженская O.A. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973.-407с.

55. Горшков B.C. Термография строительных материалов. М.: Стройиздат, 1968.-238с.

56. Бабенко Ю.И. Тепломассообмен: Метод расчета тепловых и диффузионных потоков. Л.: Химия, 1986. -144с.

57. Фролов B.II. Моделирование сушки дисперсных материалов. JI.: Химия, 1987. -208с.

58. Бахвалов U.C. Численные методы. М.: Высшая школа, 1973.-632с.

59. Никитенко 11.И. Исследование процессов теплообмена методом сеток. -Киев, 1978.

60. Зуева Г.А., Блиничев В.Н., Постникова И.В. Моделирование термического разложения сферической частицы. // Теоретические основы химической технологии, 1999, т.ЗЗ, №3. -с.323-327.

61. Зуева Г.А. Моделирование совмещенных процессов термообработки гетерогенных систем, интенсифицированных комбинированным подводом энергии. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., — Иваново: ИГХТУ, 2002. 300с.

62. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.1 : М.: Мир, 1984. 528с.

63. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.2. —М.: Мир, 1984. -738с.

64. Тихонов В.И. и Миронов М.А. Марковские процессы. —М.: Советское радио, 1977.-488с.

65. Анисимов В.В. Случайные процессы с дискретной компонентой. -М.: Наука, 1988.-183с.

66. Ховард P.A. Динамическое программирование и марковские процессы. Пер. с англ. В.В. Рыкова. Под ред. И.П. Бусленко. -М.: Советское радио, 1964,.-886с.

67. Протодьяконов И.О., Богданов С.Р. Статистическая теория явлений переноса в процессах химической технологии. -Л.: Химия, 1983. -400с.

68. Венцель Е.С. и Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения.-М.: Наука, 1988.-664с.

69. Венцель Е.С. и Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей. -М.: Радио и связь, 1983. -416с.

70. Гихман И.И. и Скороходов А.В. Теория случайных процессов. Т. 1. -М.: Энергия, 1969.-95с.

71. Андреев В.Н. и Иоффе А.Я. Эти замечательные цепи. -М.: Знание, 1987. -191с.

72. Романков П.Г. и Фролов В.Ф. Массотеплообмен реагирующих частиц с потоком. -М.: Наука, 1985. —336с.

73. Падохин В.А. Стохастическое моделирование диспергирования и меха-ноактивации гетерогенных систем. Описание и расчет совмещенных процессов. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., — Иваново: ИГАСА, 2000. -388с.

74. Tamir A. Applications of Markov chains in Chemical Engineering. Elsevier publishers, Amsterdam, 1998, -604 p.

75. Mizonov V., Berthiaux H., Marikh K., Zhukov V. Application of the Theory of Markovian Chains to Processes Analysis and Simulation. Ecole des Mines d'Albi, 2000, -61 p.

76. Mizonov V., Berthiaux П., Zhukov V. Application of the Theory of Markov Chains to Simulation and Analysis of Processes with Granular Materials. Ecole des Mines d'Albi, 2002, -64p.

77. Марик К., Баранцева E.A., Мизонов В.Е., Бертье А. Математическая модель процесса непрерывного смешения сыпучих материалов. Изв. Вузов: Химия и хим. технология, т.44, вып.2, 2001, -с.121 —123.

78. Marikh К., Mizonov V., Berthiaux II., Barantseva Е., Zhukov V. Algorithme de construction de modeles markoviens multidimensinnels pour le melagne despoudres. Récents Progrès en Génie des Procédés. V15(200 l)No.82. -pp.41 — i 48.

79. V. E. Mizonov, H Brthiaux, V. P. Zhukov, S. Bernotat. Application of Multi— Dimensional Markov Chains to Model kinetics of Grinding with Internal Classification. Proc. of the 10—th symposium on Comminution Heidelberg 2002 -14 p. (on CD).

80. M. Aoun—Habbache, M. Aoun, H. Berthiaux, V. E. Mizonov. An experimental method and a Markov chain model to describe axial and radial mixing in a hoop mixer. Powder Technology, 2002, vol. 128 / 2—3, -pp. 159—167.

81. Пономарев Д.А., Мизонов B.E., Berthiaux H., Баранцева E.A. Нелинейная математическая модель транспорта сыпучего материала в лопастном смесителе. Изв. вузов: Химия и хим. технология, т.46, вып.5, 2003,h с.157—159.

82. Marikh К., Berthiaux H., Mizonov V. Residence Time Distribution Experiments and Modeling in a Continuous Mixer. Program of the 4—th European Congress of Chemical Engineering "A Tool for Progress". Granada, Spain, Sept.21—25,2003.

83. Zhukov V.P., Mizonov V.E., Otwinowski H. Modelling of Classification Process. Powder Handling and Processing, vol.15, No 3, May/June 2003, -pp.184—188.

84. Огурцов Л.В. Жуков В.П. Мизонов В.Е. Овчинников JI.H. Моделирование истирания частиц в кипящем слое на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2003, т.46, вып. 7, -с.64—66.

85. Жуков В.П., Мизонов В.Е., Berthiaux Н., Otwiniwski Н., Urbaniak D., Zbronski D. Математическая модель гравитационной классификации на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2004, т.47, вып. 1, -с. 125—127.

86. Mizonov V.E., Berthiaux Н., Zhukov V.P., Bernotat S. Application of multi—dimensional Markov chains to model kinetics of grinding with internal classification. International Journal of Mineral Processing, 2004 (4).

87. Тальянов Ю.Е. Моделирование процесса конвективной сушки при переменной начальной влажности материала. // Сб. тезисов международной научно—практической конференции: Актуальные проблемы развития экономики. —Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003.-е. 145—147.

88. Тальянов Ю.Е., Волынский В.Ю. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки строительных дисперсных материалов в барабанных аппаратах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003. — 16 с.

89. Тальянов Ю.Е. Тепломассоперенос в барабанных аппаратах для термической обработки дисперсных строительных материалов. Диссертация на соискание учёной степени канд. техн. наук., -Иваново: ИГАСА, 2004. -99с.

90. В.А. Ванюшкин, В.А. Зайцев, В.Е. Мизонов, В.Ю. Волынский. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической переработки строительных материалов в шахтных печах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2004. — 52 с.

91. Наумов В.Л., Волынский В.Ю., Зайцев В.А., Мизонов В.Е. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки керамических изделий в обжиговых печах. Научное издание. -Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ». 2005. 56с.