Содержание к диссертации
Введение
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
1.2. Особенности тепломассообменных процессов при сушке капиллярно-пористых материалов и их влияние на качество керамических изделий
1.3. Проблематика прогнозирования кинетики тепловлажностного состояния керамического изделия в процессе сушки
1.4. Выводы. Цель и задачи исследований 44
ГЛАВА 2. Моделирование процесса конвективной сушки керамического кирпича
2.1. Схема и физическая модель процесса 47
2.2. Математическая модель кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
2.3. Диффузия жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича
2.4. Методика численного моделирования кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
2.5. Проблемно-ориентированный программно-информационный про- 88
дукт для моделирования кинетики тепловлажностного состояния ке
рамического кирпича в процессе сушки
2.6. Выводы 91
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса сушки керамического кирпича
3.1. Исследование эффективных теплофизических свойств керамического кирпича
3.2 Исследование анизотропии коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича
3.3. Исследование адекватности разработанных математических моделей и расчетных методик реальным условиям
3.4. Выводы 112
ГЛАВА 4. Численное исследование и разработка технологии сушки керамического кирпича
4.1. Методика численного исследования и поиска оптимальных технологических условий сушки
4.2. Исследование закономерностей кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
4.3. Разработка и исследование способа конвективной сушки с регенерацией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации
4.4. Технологические рекомендации по обеспечению энергоэффективной сушки керамического кирпича
4.5. Выводы 127
Общие выводы и заключение 128
Библиографический список
- Особенности тепломассообменных процессов при сушке капиллярно-пористых материалов и их влияние на качество керамических изделий
- Математическая модель кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
- Исследование анизотропии коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича
- Исследование закономерностей кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
Введение к работе
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 сколов'.
При освоении новых видов сырья, присадок и внедрении новых технологических приемов технологию сушки отрабатывают, как правило, путем натурных испытаний, дорогостоящих и не всегда гарантирующих
-э
оптимальный результат . 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 экспериментом.
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 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.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
Разработана математическая модель и методика численного анализа кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки.
-
Предложен способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича и впервые получены его значения.
-
Разработки по пп. 1 и 2 реализованы в виде проблемно-ориентированного программно-информационного комплекса, подтверждена их адекватность реальным условиям процесса сушки.
-
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.
-
-
Математическая модель и методика численного исследования кинетики теп- ловлажностного состояния кирпича в процессе сушки, основанные на совместном решении системы дифференциальных уравнений теплопроводности и вла- гопереноса в трехмерной нестационарной постановке.
-
Новый способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно- пористом теле на основе гидротепловой аналогии.
-
Выявленные на основе численного исследования закономерности влияния параметров сушильного агента на тепловлажностное состояние кирпича, энергоэффективность и продолжительность процесса сушки.
-
Новые технологические решения по рециркуляции и регенерации сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
-
-
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.
-
Методика и результаты численного исследования кинетики тепловлаж- ностного состояния керамического кирпича в процессе сушки и влияния элементов режима сушки и параметров сушильного агента на энергоэффективность и продолжительность процесса сушки.
-
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.
-
-
-
-
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.
-
Новый способ определения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно- пористом теле и полученные на его основе значения коэффициентов диффузии для керамического кирпича.
-
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 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 Х! 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- влажностного состояния керамического кирпича, внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по 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 тепло- 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 объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (124 наименования) и приложений, включает 156 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 6 таблиц.
Особенности тепломассообменных процессов при сушке капиллярно-пористых материалов и их влияние на качество керамических изделий
Другим способом производства кирпича является метод полусухого формования. Данный метод предусматривает подсушку глины в сушильном барабане в течение 10-15 минут, после чего глина измельчается стержневым смесителем в порошок с фракцией 0,5-5 мм и формуется в кирпич колено-рычажными прессами. Поскольку формование происходит при влажности порошка 8-10%, то отформованный кирпич не требует сушки и подается сразу после формовки в печь. Следовательно, не требуются затраты на энергоносители для сушки, ввод в глину добавок для улучшения сушильных свойств кирпича; технологическое оборудование применяется более простое и потребляет значительно меньше электроэнергии [37, 59].
Однако роль сушки однозначно важна при обеих технологиях. Поэтому пренебрежение этим фактором при разработке схемы полусухого прессования может привести к неудовлетворительным результатам. Известно [37], что производимый по существующей традиционной технологии полусухого прессования кирпич как по прочностным показателям, так и по морозостойкости намного уступает кирпичу пластического формования.
Сушка изделий является весьма важным и ответственным этапом технологического процесса, поскольку из изделия должна удалиться вся влага, как полученная им с сырьем, так и специально введенная при формовании. Однако вся формовочная влага практически никогда не удаляется. Затраты на частичное удаление влаги при сушке кирпича по сравнению с затратами на весь обжиг очень велики: расход условного топлива на сушку 1000 шт. кирпича составляет 60 - 100 кг, при сушке удаляется в среднем 85% влаги, а при обжиге - остальные 15% [17].
При пластическом формовании сырца главная задача процесса сушки состоит не только в том, чтобы удалить влагу, введенную в массу для придания ей формовочных свойств, но еще и в том, чтобы при удалении этой влаги сохранить целостность изделия. Для этого очень важно создать в процессе сушки такие условия, при которых удаление влаги происходило бы в полном соответствии с усадочными свойствами изделия, т.е. с уменьшением его объема по мере высыхания.
Иными словами, при сушке изделия нужно обеспечить равномерное его высыхание без значительных перепадов влажности в отдельных участках не только на его поверхности, но и по толщине. А это требует создания таких условий сушки, при которых количество влаги, удаляемое с поверхности изделия, было бы близким к количеству влаги, поступающей к ней из внутренних слоев за тот же период времени.
Согласно [91] применение глиняного кирпича полусухого прессования допускается для наружных стен помещений с влажным режимом при условии нанесения на их внутренние поверхности пароизоляционного покрытия. Применение для стен помещений с мокрым режимом, а также для наружных стен подвалов и цоколей не допускается. Эта особенность связана с высоким влаго-поглощением кирпича, изготовленного методом полусухого прессования. Упрощенная схема производства не позволяет ему достичь характеристик пластического формования, он впитывает больше влаги, а это напрямую сказывается на морозостойкости и, следовательно, на долговечности. Пластическое формование позволяет получать широкий ассортимент кирпича и керамических блоков с высокой пустотностью — до 30% и 50% соответственно. Пустотность кирпича полусухого прессования, как правило, не превышает 13%, что сказывается и на теплопроводности кладки и на ее избыточном давлении на фундамент.
Сложность процесса сушки керамических изделий объясняется тем, что при удалении влаги происходит усадка этих изделий, т.е. изменение их объема, вследствие чего может произойти деформация изделий или могут появиться трещины, ухудшающие внешний вид изделий и их технические показатели [37]. Это обстоятельство требует подбора рационального режима сушки.
Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения сушильного агента.
Для каждого вида изделий предельно бездефектный режим сушки зависит от свойств массы, способа формования, переработки масс, размеров изделия и способа сушки [5, 6, 26]. Режим сушки обычно определяют и проверяют в лабораторных условиях на специальных установках. Сушка же в промышленных сушилках требует, как правило, некоторой корректировки полученного режима.
Изменение режима сушки вызывает изменение интенсивности влагоотдачи изделия, которая определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого изделия в единицу времени. Режим сушки регулируют, изменяя параметры (температура, влажность, скорость) и количество сушильного агента, подаваемого в сушилку, а также изменение параметров сушильного агента в зависимости от периода сушки. Сушка зависит от параметров окружающей среды, формы связи влаги с материалом, состава, структуры, влажности и температуры полуфабриката [1].
В процессе сушки вода переходит из капиллярного или гигроскопического состояния в парообразное. При этом испарение происходит при условии, когда парциальное давление или концентрация водяных паров в окружающей среде меньше давления водяных паров у поверхности высушиваемого тела. И чем больше эта разница давлений, тем интенсивнее идет сушка [39, 64].
Сушка исходных материалов и изделий в керамической промышленности является одной из важных технологических операций, которая нужна отформованным изделиям для придания механической прочности и снижения влажности, позволяющих укладывать изделия в штабеля при последующем обжиге или непосредственно перейти к интенсивному обжигу изделий без опасения возникновения трещин.
Процесс сушки влажных материалов является процессом не только теплотехническим, связанным с тепло- и массопереносом и видами связи влаги с материалом, но и технологическим, учитывающим поведение материала в процессе сушки. Для каждого материала и изделия устанавливается определенный режим сушки, т.е. ее допустимая интенсивность, наибольшая температура нагрева материала, параметры агента сушки (температура, относительная влажность и скорость) и изменение их в различные периоды сушки. Эти параметры индивидуальны для каждой технологии, будь то производство, обработка кирпича, силиката или изготовление строительной керамики. Только комплексное рассмотрение вопросов теории и технологии сушки позволяет правильно устанавливать оптимальные режимы сушки, при которых изделия будут высыхать в кратчайшие сроки и иметь высокое качество.
В настоящее время при производстве строительного керамического кирпича внимание технологов и исследователей сосредоточено на совершенствовании технологии и улучшении эксплуатационных свойств выпускаемой продукции [23].
Математическая модель кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
Для построения математической модели кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки необходимо рассмотреть теплофизический процесс, протекающий в сушильной установке.
Для выбранного из кладки в сушильной камере одного «представительного» экземпляра кирпича рассчитывается изменение во времени влагосо-держания, wi,j,k; температуры ij.k; градиента влагосодержания grad Wj}j9k ; градиента температуры grad Tt ; к во всех расчетных точках /, j, к, (количество расчетных точек определяется потребной точностью вычислений), а также потребное время сушки (до достижения заданного влагосодержания во всех точках); общий расход влаги с поверхности кирпича; массу испарившейся влаги в процессе сушки; тепловой поток, расходуемый на испарение влаги; количество теплоты, израсходованной на испарение влаги; тепловой поток, расходуемый на нагрев кирпича; количество теплоты, израсходованной на нагрев кирпича; общий тепловой поток к поверхности кирпича; общее количество теплоты, израсходованной на сушку кирпича; максимальные значения параметров Zra i,j,kb radTjj,k; местоположение точек с максимальными значениями указанных параметров и моменты времени, отсчитываемые от начала сушки, в которые достигаются эти максимальные значения. Расчетная схема кирпича приведена на рис. 2.1.
Поверхности кирпича обозначены цифрами от 1 до 6 следующим образом: 1, 2 - поверхности ложков (ABCD и EFGH соответственно, см. рис.2.1); 3, 4 — поверхности тычков (AEHD и BFGC соответственно); 5, 6 - поверхности постели (ABFE и DCGH соответственно). Каждая расчетная точка имеет тройной номер i,j, к, где / изменяется в диапазоне от 1 до nx;j - от 1 до nv; к — от 1 до nz, где пх, пу, п2 - количество расчетных точек вдоль осей х, у и z соот ветственно.
Градиенты температуры и влагосодержания в изделии и другие параметры определяются с целью прогнозирования и предотвращения технологического брака.
Технологические параметры (режимы) сушки, тип сушильной установки и индивидуальные особенности выбранного изделия в кладке моделируются при расчетах заданием индивидуальных параметров сушильного агента (и их изменения во времени), а также других граничных условий отдельно на каждой поверхности кирпича [28, 31].
Математическая модель кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
В соответствии с выводами к первой главе моделирование проводим средством сопряженного решения задач теплопроводности и влагопереноса в представительном кирпиче. Задача теплопроводности
Распределение температуры в кирпиче определяется дифференциальным уравнением теплопроводности: где х, _у, z - координаты декартовой системы, м; т - текущее время, с; Т — температура кирпича, К; р - эффективная плотность кирпича, кг/м"1; с - эффективная удельная теплоемкость кирпича, Дж/(кг-К); X — эффективная теплопроводность кирпича, Вт/(м-К). Теплофизические свойства кирпича р, с, X выбираются с учетом определяемой в процессе расчета его влажности (в каждой расчетной точке в каждый расчетный момент времени) и с учетом их зависимости от температуры. где 3,- коэффициент массоотдачи с г -й поверхности кирпича к сушильному агенту, м/с; Сд - концентрация водяного пара в потоке сушильного агента около /-й поверхности, кг/м ; Cw — концентрация водяного пара на поверхно-сти кирпича, кг/м .
Нижний цифровой индекс у параметров Р и С/ определяет их принадлежность к одной из шести поверхностей кирпича. Для практического использования разработанной математической модели (2.1) - (2.16) необходимо знать значения коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом теле.
Диффузия - взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Коэффициент диффузии - количество вещества (в массовых единицах), проходящего в единицу времени через участок единичной площади. Коэффициент диффузии отражает скорость диффузии и определяется свойствами среды и типом диффундирующих частиц.
В капиллярно-пористых телах процесс тепломассообмена в значительной степени усложняется в условиях изменения влагосодержания в поровом пространстве. При моделировании тепловлажностного состояния капиллярно-пористого тела учет особенностей материала, таких как размер пор, их форма, расположение выполняют интегрально через определение эффективных свойств [47, 51]. Таким образом, необходимо располагать достоверными сведениями о значениях коэффициента диффузии D жидкости в капиллярно-пористом пространстве кирпича, которые в литературе отсутствуют. Отсутствуют также и методики аналитического или экспериментального получения этих сведений.
Для отыскания темпа регулярного режима влагопереноса т использовалась установка, представляющая из себя бак, оснащенный решеткой для размещения кирпичей и нагревателем, с помощью которого можно варьировать температуру воды. Осушенное капиллярно-пористое тело погружали в бак, наполненный водой, таким образом, чтобы над поверхностью кирпича расстояние в 7-10 см оставалось заполненным водой, и определяли изменение с те 53 чением 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 [71- 73]. Далее по формуле (2.17) рассчитывали коэффициент диффузии D. Изложенная методика защищена патентом РФ на изобретение № 2469292 [75, приложение 5]. По предлагаемому способу определен коэффициент диффузии D жидкости для красного строительного кирпича. Результаты эксперимента с пятью экземплярами кирпича для стадии регулярного режима влагопереноса приведены на рис. 2.2.
Исследование анизотропии коэффициента диффузии жидкости в капиллярно-пористом пространстве керамического кирпича
Разработанная математическая модель и методика численного моделирования были реализованы на языке программирования Си. Соответствующий программный код «Программа расчета тепловлажностного состояния кирпича в трехмерной нестационарной постановке» зарегестрирован в Реестре программ для ЭВМ под № 2011613083 от 19.04.2011 (приложение 1). Программа не имеет пользовательского интерфейса. Для ввода исходных данных необходимо вносить изменения в тело программы.
Работа с программой сводится к подготовке и вводу изменений в базовый комплект исходных данных и выполнения соответствующих расчетов. Внося изменения в базовый комплект данных, можно смоделировать различные условия процесса конвективной сушки керамического кирпича.
Организуется ввод исходных данных, перечень которых приведен в табл. 2.1. После нажатия кнопки «начать расчет» выполняются вычисления в соответствии с блок-схемой, представленной на рис. 2.3. Таблица 2.1 Наименование исходных данных 1. Размеры кирпича: длина (д), ширина (ш), толщина (in), и 2. Количество расчетных точек пх, пу, nz в направлении осей х, , z. 3. Ориентация кирпича в пространстве сушильного устройства. Задается путем определения размеров а, Ь, с (их выбора из заданных значений д, ш, т). Продолжение табл. 2.1 4. Масса кирпича до его сушки MQ, КГ. 5. Предельное влагосо держание (максимально возможная масса влаги в единице объема изделия) Wmax, кг/м . 6. Исходное (до сушки) влагосодержание Wo, кг/м . 7. Конечное (после сушки) влагосодержание Wc кг/м 8. Начальная (до сушки) температура кирпича То, К. 9. Плотность воды (средняя в диапазоне температур от начальной То до конечной в процес-се сушки Тс) рв, кг/м . 10. Скрытая теплота испарения воды (средняя в диапазоне температур от начальной Го до конечной в процессе сушки Гс) г, Дж/кг. 11. Константы Ав, Вт/(мК) и Вв, Вт/(м-К2) линейной зависимости коэффициента теплопроводности воды кв от температуры ( кв = А„ + ВвТ). 12. Константы Cg, Дж/(кг-К) и D„, Дж/(кг-К ) линейной зависимости удельной теплоемкости воды св от температуры ( св = С„ + DeT). 13. Константы Ев, м2/с и Fe, м2/(с-К) линейной зависимости коэффициента диффузии (фильтрации) жидкости в пористой среде D от температуры (D = E„+FeT). 14. Константы АК, Вт/(м-К), и Вк, Вт/(м-К ) линейной зависимости коэффициента теплопроводности материала сухого кирпича kh от температуры (\к = Ак + ВКТ). 15. Константы Ск, Дж/(кг-К) и DK , Дж/(кг-К ) линейной зависимости удельной теплоемкости материала сухого кирпича ск от температуры {ск-Ск+ DKT). 16. Константы по и Dcs, м /с] степенной зависимости коэффициента бинарной диффузии паров воды в греющий агент Dc от температуры ( Dc = DCS(T/TS)"D). 17. Константы иц и ц5 , Пас степенной зависимости динамического коэффициента вязкости греющего агента р. от температуры (ц = y.s(T/Ts)"»). 18. Константы п\ и Хгз, Вт/(м-К) степенной зависимости коэффициента теплопроводности греющего агента Хг от температуры (кг = k,,(T/Ts)" - ). 19. Константы пс и cps, Дж/(кг-К) степенной зависимости удельной изобарной теплоемкости греющего агента ср от температуры (с =ср!(т/Т)"с). 20. Базовая температура Ts, К в п. 16-19. 21. Давление р, Па греющего агента в сушильном устройстве. 22. Газовая постоянная R, Дж/(кгК) греющего агента. QO Окончание табл. 2.1 23. Относительная (по отношению к кирпичу) скорость движения греющего агента и, м/с в сушильном устройстве. 24. Отдельно для каждой поверхности кирпича / (/ = 1 - 6) задаются: 24.1. Зависимость температуры греющего агента TJJ, К от времени т, с в виде таблицы или функции. 24.2. Зависимость относительной влажности греющего агента (pi, % от времени х, с в виде таблицы или функции. 25. Период времени х„, с, через который производится отображение результатов расчета.
Через выбранный (заданный в исходных данных) интервал времени все исходные данные расчета, а также рассчитанные массивы данных записываются в файл data_output.txt.
Программа позволяет выполнять оптимизационные расчеты процессов конвективной сушки кирпича с определением следующих параметров: изменения во времени влагосодержания, температуры, градиента температуры во всех расчетных точках, потребного времени сушки, теплового потока, расхо 91 дуемого на испарение влаги; количества теплоты, израсходованного на испарение влаги, общего количества теплоты, израсходованного на сушку кирпича, скорости объемной усадки. Градиенты температуры и влагосо держания 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.
Исследование закономерностей кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича в процессе сушки
Выбор оптимальных параметров сушки во многом зависит от исходных условий, в которых протекает процесс сушки: параметров сушильного агента, типа сушильной установки, индивидуальных особенностей выбранного изделия в кладке и т.д. Поэтому для поиска наилучших условий в каждом конкретном случае целесообразно выполнить анализ кинетики тепловлажностного состояния керамического кирпича с применением разработанной математической модели и методики.
Разработка и исследование способа конвективной сушки с регенерацией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации
Для повышения энергоэффективности процесса конвективной сушки предлагается применять регенерацию сушильного агента с использованием трубы газодинамической температурной стратификации. Газодинамический метод и устройство температурной стратификации в сверхзвуковом потоке предложены академиком РАН Леонтьевым А.И. [46, 47]. Способ конвективной сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента в трубе газодинамической температурной стратификации представлен на рис. 4.10. Применение трубы газодинамической температурной стратификации для регенерации сушильного агента заключается в том, что отработанный сушильный агент из сушильной камеры подается в разделительную камеру трубы газодинамической температурной стратификации по [74], где он разделяется на два потока, которые направляются во внешний дозвуковой канал и внутренний сверхзвуковой канал, где происходит его осушение и нагрев. Конденсат Пыль
Технологическая схема (а) реализации процесса конвективной сушки керамических изделий с регенерацией сушильного агента и труба газодинамической температурной стратификации (б): 1 - сушильная камера, а, б, в - зоны сушильной камеры; 2 - труба газодинамической температурной стратификации; 3 - устройство подготовки 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; СА - сушильный агент; РСАВНЄш, РСАвнуг -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 пылезолоуловитель, 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.
Весь процесс сушки состоит из трех периодов: прогрева, постоянной скорости сушки и падающей скорости сушки. Наиболее опасным является период постоянной скорости сушки (усадочный), так как происходит усадка материала, большая неравномерность которого может вызвать усадочные напряжения и появление трещин. Заканчивается период в момент, когда среднее содержание влаги приблизится до критической, которая представляет собой среднюю по всему изделию слажность, при которой усадка поверхностных слоев изделия прекращается и дальнейшая сушка вызывает лишь пористость изделия. В заключительной стадии сушки есть возможность ужесточить режим сушки, не опасаясь появления дефектов (коробление, деформация, растрескивание).
Для строительной керамики при влажности в 10-12 % возникает возможность уменьшить срок сушки.
Целесообразно для предотвращения появления сколов и трещин в керамических изделиях на начальной стадии процесса сушки применять сушильный агент с повышенной влажностью и пониженной температурой, в заключительной стадии необходимо применять сушильный агент с повышенной температурой и пониженной влажностью. Выбор оптимальных параметров сушки осуществляется 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 влагопереноса.
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 влагопереноса в соответствии с разработанной методикой.
Основными исходными данными для выработки оптимального режима сушки служат теплофизические и физико-химические параметры кирпича-сырца, загружаемого в каждую сушильную камеру, которые могут варьироваться в широком диапазоне.
Похожие диссертации на Математическое моделирование, численное исследование и разработка энергоэффективных технологий конвективной сушки керамического кирпича
-
-
-
-
-
-
