Введение к работе
Актуальность работы. В производстве листовых материалов (фибра, картон, шпон и др.) сушка - является заключительной стадией, определяющей в основном формирование качества и количество выпускаемой продукции. Сушильное оборудование, используемое на отечественных предприятиях, не отвечает предъявляемым к нему требованиям, как по свойствам конечного продукта, так и по энергоемкости и трудоемкости технологического процесса.
Сложное поведение листовых материалов (усадка, коробление, расслоение) в процессе тепловой обработки при отсутствии силовых нагрузок свидетельствует о наличии в них существенных по величине внутренних влаготермических напряжений. Эти неоднородные структурно-механические изменения являются одним из основных препятствий интенсификации процесса сушки, способствуют ухудшению свойств материала. В связи с указанными недостатками, изучение кинетических закономерностей возникающих и развивающихся структурно-механических (деформационно-прочностных) изменений в материале с одновременно протекающих в нем тепломассообменных процессов является актуальной задачей.
Разработанное в настоящее время сушильное оборудование для листовой фибры с комбинированным подводом теплоты, основано на применении различных способов сушки с учетом переменных теплофизических и массопроводных свойств материала. При этом лишь косвенно учитываются изменения технологических свойств материала и не используются их закономерности для интенсификации внутреннего тепломассопереноса.
Исследование напряженно-деформированного состояния листовых изделий в кинетике сушки, определение влаготермических напряжений и деформационно-прочностных характеристик материала при их взаимном влиянии на тепломассоперенос открывает пути для интенсификации технологических процессов, протекающих в сушильной установке по параметрам прочностных изменений и разработке на их основе научно-обоснованных методов расчета.
Цель работы. Основной целью диссертации являлось исследование взаимосвязи механизмов тепломассопереноса и развития напряженно-деформированного состояния листовой фибры в процессе сушки для нахождения путей управления структурно-механическими изменениями материала.
Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
- разработка математического описания процессов тепломассопереноса при сушке листовых материалов с целью определения влаготермических напряжений в высушиваемом теле и соответствующего алгоритмического и программного обеспечения;
- разработка инженерного метода расчета сушильных установок с конвективным подводом теплоты с учетом структурно-механических изменений в материале;
- экспериментально-теоретическое исследование структурных, массо-проводных, теплофизических свойств листовой фибры в процессе сушки;
- экспериментально-теоретическое исследование кинетики сушки и деформирования (усадки и коробления) листовой фибры с применением силовой нагрузки и без нее при различных условиях теплообработки;
- разработка математического описания процессов деформирования листового материала в процессе сушки;
- выработка рекомендаций для промышленного использования результатов исследования.
Научная новизна работы:
- предложена математическая модель процессов тепломассопереноса при сушке листовых материалов, состоящая из пяти краевых задач для периодов постоянной и падающей скорости. Предложенные задачи решены комбинированным методом, особенностью которого является аналитическое решение краевой задачи тепломассопереноса с последующим привлечением численных методов, позволяющих учитывать изменение коэффициентов тепловлагопереноса и теплофизических характеристик сушильного агента и материала в течение процесса сушки;
- предложено решение задачи взаимосвязанного переноса с граничными условиями первого, второго и третьего рода посредством разделения ее на самостоятельные задачи по определению распределения температуры, концентраций жидкости, пара, воздуха, парогазовой смеси, а также давлений паровоздушной смеси по толщине пластины;
- предложено математическое описание процесса деформирования (усадки и коробления) анизотропного (ортотропного) пластинчатого тела с учетом его изменяющихся в процессе сушки прочностных и деформационных свойств;
- проведены экспериментальные исследования по кинетике сушки и деформированию (усадка и коробление) листовой фибры в сушильной установке с конвективным подводом теплоты, на основании которых определены параметры математических моделей тепломассопереноса (гигротермические, структурные и теплофизические свойства материала, коэффициенты внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса) и напряженно-деформированного состояния (прочностные и деформационные характеристики) пластинчатого тела;
- разработан инженерный метод расчета сушильной установки с конвективным подводом теплоты;
- разработано математическое описание усадочных изменений и цилиндрического прогиба листовой фибры в процессе сушки под действием силовой компенсируюшей нагрузки и без нее.
Практическая ценность работы:
- на основе изученных гигротермических, структурных, теплофизических, массопроводных и деформационно-прочностных свойств листовой фибры, изменяющихся в процессе сушки и предложенной математической модели, разработан и доведен до конечной компьютерной реализации инженерный метод расчета процесса термообработки листовых материалов в конвективной сушилке;
- на базе проведенных исследований разработаны практические рекомендации для выбора режимных параметров ведения процесса сушки листовой фибры, позволяющие снизить удельные энергозатраты, продолжительность сушки и коробление листовых материалов;
- предложена методика определения деформационно-прочностных характеристик влажного листового материала в процессе сушки;
- на базе проведенных исследований предложен способ устранения коробления листовой фибры в процессе конвективной сушки под действием силовой нагрузки;
- результаты экспериментально-теоретического исследования внедрены на ОАО “Фибровая фабрика”, г.Заволжск.
На защиту выносится:
- математическая модель взаимосвязанного тепломассопереноса при сушке листовых материалов, состоящая из четырех краевых задач для периодов постоянной и падающей скорости процесса;
- математическое описание процесса деформирования (усадки и коробления) анизотропного (ортотропного) пластинчатого тела при его сушке;
- результаты экспериментальных исследований и эмпирические уравнения по кинетике сушке и деформированию (усадки и коробления) в процессе термообработки листовой фибры в сушилке с конвективным подводом теплоты;
- результаты экспериментальных исследований и эмпирические выражения для определения основных параметров математической модели (гигротермических, структурных и теплофизических свойств листовой фибры, коэффициентов тепло- и массопроводности);
- результаты экспериментальных исследований и эмпирические выражения для определения основных прочностных и деформационных свойств листовой фибры.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзном научно-техническом совещании “Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии” (Сумы, 1989); Международной научной конференции “Математические методы в химии и химической технологии” (Тверь, 1995); Международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы химии и химической технологии” (Иваново, 1999); Х, ХIII Международной научно-технической конференции “Информационная среда вузов” (Иваново, 2003, 2006).
Публикации.
Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 16-ти опубликованных печатных работах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Объем работы – 158 страниц основного текста, включая 63 иллюстраций и 4 таблиц, библиографический список, содержащий 115 наименований.
