авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Интенсификация процесса обжига керамического кирпича в туннельных печах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Хусаинов АЛЕКСАНДР НАИЛЕВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА КЕРАМИЧЕСКОГО

КИРПИЧА В ТУННЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре гидравлики, водоснабжения и водоотведения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЕЛИН Николай Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шувалов Сергей Ильич ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет»
доктор технических наук, профессор Волынский Владимир Юльевич ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (национальный исследовательский университет)

Защита состоится « » _____________ 2011 г. в часов на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.060.01 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8-го Марта, д.20, ауд. Г-204 ( http://www.igasu.ru )

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно - строительный университет».

Автореферат разослан « » _____________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент Н.В. Заянчуковская

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В производстве строительных материалов, а также материалов в других отраслях промышленности процессы обжига являются одной из важнейших составляющих, определяющих их качество и экономичность. Понятие обжиг обобщает совокупность сложных физико-химических процессов, происходящих в керамических материалах при нагревании. В результате обжига достигаются требуемые потребительские качества строительных материалов и изделий, формируемые, главным образом, кинетикой нагрева, выдержки и последующего охлаждения. Этот процесс является весьма энергоемким и продолжительным, вследствие чего разработка мероприятий по интенсификации обжига является актуальной для строительной индустрии и смежных отраслей.

Керамический кирпич обжигают в обжиговых печах в виде сырца, специально уложенного в большие блоки – садки. Это позволяет обеспечить высокую производительность обжига и снизить непроизводительные потери теплоты. 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 садки в принципе не может быть однородным, что может приводить к недожогу в одних ее зонах и пережогу в других. Медленное повышение температуры с целью увеличения равномерности прогрева входит в противоречие с обеспечением высокой производительности обжиговых печей.



Поиск путей повышения производительности и качества обжига керамического кирпича методом проб и ошибок вряд ли целесообразен, так как приводит к большим затратам времени на экспериментирование и непроизводительным потерям сырья. Наметить пути проведения модернизации и оценить их потенциальную эффективность помогают математические модели термической обработки садки, построенные для описания неоднородного прогрева ее объема с учетом проходящей в материале всей совокупности тепломассообменных и физико-химических процессов.

Таким образом, потребность в повышении производительности обжиговых печей и качества обжига и в разработке моделей, позволяющих отыскивать рациональные пути решения этой задачи, определила цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 – А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГАСУ.

Цель работы состояла в разработке и апробации мероприятий по повышению производительности туннельных обжиговых печей для обжига керамического кирпича в садках и качества обжига на основе математических моделей нестационарного, нелинейного, сопровождающегося химическими реакциями тепломассопереноса в садках.

______________________________

?Научный консультант: к.т.н., доцент Виноградова Надежда Витальевна


Научная новизна – результатов работы заключается в следующем.

  1. Предложена ячеечная модель процесса тепломассопереноса в плоском поперечном сечении садки произвольной внешней конфигурации, отличающаяся учетом неоднородности параметров греющей среды. Выявлено влияние этой неоднородности на рациональную форму сечения садки с точки зрения скорости и равномерности ее прогрева.
  2. Разработанная модель обобщена на случай разреженной садки с учетом теплоподвода через внутренние каналы в ней. Исследовано влияние параметров разреженной садки на скорость и равномерность ее прогрева. Показано, что при прочих равных условиях максимальная производительность достигается при степени заполнении внешнего сечения садки материалом равном 0,85…0,95.
  3. Получены аналитические зависимости для расчета изменения температуры сплошной и разреженной садки при произвольном кусочно-линейном изменении температуры греющей среды.
  4. Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек садки в процессе обжига в туннельной печи при ее плотной и разреженной укладке и показано удовлетворительное совпадение опытных данных и расчетных прогнозов.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

  1. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.
  2. На основе разработанных моделей предложен компьютерный инженерный метод расчета процесса обжига керамического кирпича в туннельной печи в плотной и разреженной садках, инвариантный к моделям теплообмена между садкой и газом и кинетике протекающих в материале реакций.
  3. Предложена подтвержденная промышленными экспериментами рациональная конфигурация разреженной садки, позволяющая при неизменном качестве обжига повысить производительность туннельной обжиговой печи на 9,7%.
  4. Мероприятия по повышению производительности туннельной обжиговой печи «Малютка» приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий» и в ООО «Инватекс».

Автор защищает:

  1. Разработанные нелинейные математические модели прогрева плоского сечения плотной и разреженной садки произвольной конфигурации неоднородной внешней средой при одновременно происходящих процессах сушки и теплопоглощения эндотермической реакцией
  2. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния параметров процесса на распределение его характеристик по сечению садки, в том числе, по влиянию формы и структуры садки на скорость и равномерность прогрева.
  3. Результаты экспериментального исследования кинетики прогрева различных точек садки при разной укладке кирпичей в промышленной туннельной печи и предложенную рациональную структуру разреженной садки.
  4. Компьютерный инженерный метод расчета обжига кирпича в садках различной конфигурации и структуры в туннельной обжиговой печи.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на XVI и XVII Междунар. конф. Информационная среда вуза Иваново, 2009-2010; XXII и XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (ММТТ-22, Иваново, 2009, ММТТ-23, Саратов, 2010), на IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств», Иваново, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе, 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (103 наименования) 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 выполнен анализ современного состояния проблемы технологии, математического моделирования и расчета обжига керамического кирпича. Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие в сырце при обжиге и требования к температурному режиму обжига, вытекающие из их природы. Подчеркнуто, что эти свойства и требования изучаются и предлагаются по результатам исследования небольших образцов исследуемого материала, а в производственных условиях производится обжиг кирпича, уложенного в большие пакеты – садки, содержащие тысячу кирпичей и более. Чаще всего осуществляется более или менее плотная укладка кирпичей в садку и при ее прогреве возникает значительная температурная неоднородность – разница в температуре кирпичей, находящихся на периферии садки близко к поверхности ее контакта с греющим газом, и кирпичей, удаленных от этой поверхности. Требования производительности не позволяют увеличивать время пребывания садки в печи, дожидаясь ее равномерного прогрева по всему объему, в результате чего для удаленных от периферии кирпичей температурный режим обжига нарушается, что приводит к значительному выходу брака и снижению качества продукции. Обзор технологических схем обжиговых печей выявил, что эта ситуация характерна для печей всех типов, то есть задача повышения равномерности термической обработки кирпича в садке актуальна для его производства вообще.

В связи с этим в работе была поставлена задача поиска и апробации путей повышения производительности и качества обжига кирпича в туннельной печи путем повышения равномерности прогрева садки на основе математического моделирования этого процесса. Принятая стратегия моделирования отталкивается от работ С.В. Федосова, В.А. Зайцева, В.Л. Наумова, которые решали аналогичную задачу на основе ячеечных моделей прогрева садки, однако рассматривали прогрев сплошной садки в нестационарном, но равномерном по ее периферии поле температуры греющего газа. В результате этих работ была найдена подтвержденная экспериментально рациональная конфигурация сечения садки, однако плохо реализуемая в реальном производстве из-за плохой механической устойчивости. В диссертации отрабатываются другие направления решения этой задачи: прогрев садки с разреженной укладкой кирпича в неоднородном поле температуры.

В заключение главы сформулированы детализированные задачи исследования.

Вторая глава посвящена обобщению известный ячеечных моделей на модель прогрева сплошного сечения садки в нестационарном неоднородном поле температуры. Основные операторы модели вводятся на примере одномерного объекта, схематично показанного на рис.1.

Объект (стержень) разбит по длине на m ячеек достаточно малой длины x. Все параметры считаются равномерно распределенными по каждой ячейке, но меняющимися от ячейки к ячейке. Тепловое состояние стержня может быть представлено векторами запасов теплоты в ячейках Q, их температурами t и связывающим их соотношением





, , t=Q./(cSx), (1)

где c – удельная теплоемкость и – плотность материала, S – площадь поперечного сечения.

В нестационарном тепловом процессе ячейки обмениваются теплотой друг с другом и векторы теплового состояния меняются с течением времени. Будем фиксировать тепловое состояние через малые (но конечные) промежутки времени . Тогда текущее время наблюдения за процессом определится как k=(k-1), где k – номер состояния и он же – номер перехода. Величина k может рассматриваться как целочисленный аналог времени.

Эволюция теплоты в теплоизолированном по торцам стержне может быть описана рекуррентным матричным равенством

Qk+1=PQQk, (2)

где PQ – переходная матрица для теплоты, определяемая следующим образом

, (3)

в которой d=a/x2 представляет собой долю теплоты, переносимой за один временной переход из данной ячейки в соседнюю, где a=/c – коэффициент температуропроводности, а – коэффициент теплопроводности материала.

Если торцы стержня контактируют с теплоносителем и через них возможен отвод или подвод теплоты, равенство (2) принимает вид

Qk+1=PQ (Qk + Qsk). (4)

где Qsk – вектор источников теплоты, в котором для данного примера

Qs1k=1S(tgk–t1k), Qsmk=mS(tgk – tmk) ( – коэффициент теплоотдачи от газа к торцу стержня), а все остальные элементы равны нулю.

В диссертации выполнены численные эксперименты с одномерной моделью, продемонстрировавшие ее работоспособность и позволившие количественно оценить влияние длины стержня на неоднородность прогрева, а также погрешность, вносимую моделью термически тонкого тела на изменение средней температуры.

Основной же задачей было моделирование прогрева плоского сечения садки. Схема такой модели показана на рис.2. Сечение садки покрывается сеткой ячеек, дополняемой до прямоугольника размером nxm. Логично и наглядно представить тепловое состояние двухмерной цепи ячеек матрицей, соответствующей расположению ячеек, которые должны быть пронумерованы сквозным образом по столбцам, а затем матрица должна быть преобразована в вектор-столбец размером (nm)x1 (пример показан для сетки 3х3)

, (5)

что по существу превращает двухмерную сетку в одномерную.

Переходная матрица теплопроводности для такой сетки строится по такой же схеме, что и матрица (3) с увеличенным числом возможных переходов. Для сетки 3х3 она имеет вид

, (6)

где выделены меньшие матрицы, позволяющие переписать ее в виде блочной матрицы

, (7)

в которой матрицы на главной диагонали контролируют переходы между строками в столбцах, а выше и ниже нее – переходы между столбцами в строках.

Форму сечения садки удобно представить матрицей формы, которая для сетки рис.2 имеет вид

. (8)

В алгоритме построения модели она контролирует, в какие ячейки возможен перенос теплоты теплопроводностью, а в какие нет.

Кинетика прогрева описывается таким же уравнением (4), но с новой матрицей и векторами состояния. При наличии внешнего теплообмена на том же принципе рассчитывается вектор источников отдельно для каждой стороны ячейки, примыкающей к греющему газу. При этом температура газа может меняться по контуру садки каким угодно образом. Пример расчета прогрева показанного на рис.2 сечения приведен на рис.3. Естественно, что при отсутствии тепловых потерь оно прогревается до температуры газа, здесь считающейся равномерной.

 На рис.4 показаны варианты прогрева-8

На рис.4 показаны варианты прогрева сечения одинаковой площади, но различной конфигурации в однородном и неоднородном полу температуры (показаны на графиках). Форма меняется от вертикального прямоугольника размером 8х4 до горизонтального прямоугольника размером 4х8, проходя две промежуточные формы. Очевидно, что в равномерном поле температуры наиболее быстрый прогрев происходит при сечении в форме вертикального прямоугольника, а наиболее медленный – при горизонтальном прямоугольнике.

Ситуация однако меняется, если температура газа распределена по высоте неравномерно. Справа показаны те же графики для незначительно убывающей по высоте температуре от 1,1 до 0,9 при той же средней условной температуре, равной единице. На начальной стадии прогрева взаимное расположение кривых такое же, как и в предыдущем случае. Однако в конечной стадии вертикальный прямоугольник дает самый медленный прогрев и асимптотическую минимальную температуру меньше единицы. Остальные формы дают примерно одинаковую асимптотическую температуру, но при горизонтальном прямоугольнике она по-прежнему достигается медленнее, чем при двух других сложных формах, различие в скорости прогрева которых несущественно. Этот пример не только демонстрирует возможности описанной выше модели, но и подчеркивает, что рациональная форма сечения садки весьма чувствительна к параметрам процесса.

Кинетика процесса сушки описана на той же, что и выше, алгоритмической основе, а совмещенный процесс представлен двумя рекуррентными равенствами

Uk+1=PU (Uk + Usk), (9)

Qk+1=PQ (Qk + Qsk - Quk), (10)

Равенство (9) описывает диффузию влаги к поверхности, когда распределение содержания влаги представлено вектором U, а ее удаление с поверхности (из периферийных ячеек) – вектором источников (стоков) Us, который для одномерной модели содержит два ненулевых компонента Us1k=u1S(ugk – u1k), Usmk=umS(ugk – umk), где u – коэффициент массоотдачи, u=U/(Sx) – концентрация влаги в ячейках, ug – концентрация водяных паров в греющем газе, соответствующая состоянию насыщения. Переходная матрица диффузии строится по тем же принципам, что и матрица теплопроводности, если величину d в ней заменить на du=D/x2, где D – коэффициент массопроводности. Равенство (10) уточняет равенство (4) учетом уноса теплоты вместе с испаряющейся влагой через дополнительный вектор источников Qu. В диссертации приведены результаты численных экспериментов с моделью и исследовано влияние параметров процесса на прогрев садки с учетом сушки.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.