Исследование влияния термообработки на структурно-механические свойства листовой фибры

На правах рукописи

Гусев Евгений Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ

НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ЛИСТОВОЙ ФИБРЫ

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2006

Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» и ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: д.т.н., чл.-корр. РААСН,

Федосов Сергей Викторович

Официальные оппоненты: д.т.н., проф.,

Авдюнин Евгений Геннадьевич

к.т.н., доц.,

Святов Владимир Михайлович

Ведущая организация: Ярославский государственный технический

университет, г. Ярославль.

Защита состоится « 4 » декабря 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153460, г. Иваново, ул.Ф.Энгельса, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Ивановского государственного химико-технологического университета и Ивановского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан « 28 » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф-м. н. Зуева Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе на основе литературных источников рассмотрены наиболее распространенные способы интенсификации термообработки и подходы математического описания напряженно-деформированного состояния влажного листового материала в процессе сушки, и основные закономерности изменения структурно-механических свойств высушиваемого тела. Установлено, что повышение интенсивности влагоудаления из материала в процессе сушки связано как с внешним, так и с внутренним тепломассообменном, взаимообусловленность которых в основном определяется интегральными балансовыми соотношениями теплоты и массы. Одним из основных препятствий при интенсификации процесса сушки листовых материалов являются их структурно-механические изменения, которые в основном и определяют напряженно-деформированное состояние высушиваемого тела и формирование технологического качества продукции. Выяснено, что в процессе тепловой обработки коллоидных капиллярно-пористых тел, основными причинами возникновения и развития в них значительных по величине внутренних напряжений и деформаций является неравномерное распределение влагосодержания и температуры в толще материала, наличие в нем больших градиентов влагосодержания, температуры и избыточного давления. Несмотря на значительные достижения, достигнутые в математическом моделировании процесса конвективной сушки листовых материалов, его описание основывается на системе дифференциальных уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса, впервые полученной академиком А.В.Лыковым. Математическое описание напряженно-деформированного состояния влажного пластинчатого тела в процессе его тепловой обработки можно представить на основе системы дифференциальных уравнений теплопроводности, диффузионно-конвективной массопроводности, дополнив их уравнениями деформации высушиваемого тела. Решение данной системы уравнений для определения внутренних влаготермических напряжений в пластинчатом теле получено в основном для влажных изотропных материалов с зернистой структурой. Уравнения движения основываются на закономерностях структурно-механических (деформационно-прочностных) изменений тела, протекающих в процессе сушки, и в большинстве случаев, в виду их сложности определяются эмпирическими выражениями. Взаимосвязь между деформациями (усадка и коробление) пластины и протекающими в ней тепломассообменными процессами, как в отсутствии силовых нагрузок, так и при них, имеет сложный характер и определяется изменением структуры высушиваемого тела, его массопроводностью и внутренним распределением влаги.

В заключение главы сформулированы конкретные задачи теоретического и экспериментального исследования диссертационной работы, заключающиеся в разработке математической модели процесса сушки листовых материалов при конвективном подводе теплоты, учитывающей изменение не только теплофизических и массопереносных характеристик высушиваемого материала, но и его изменяющиеся структурно-механические свойства.

Во второй главе излагается физическая картина процессов, протекающих в сушильной установке, сформулированы краевые задачи для моделирования процессов тепломассопереноса в неограниченной пластине и приводятся решения поставленных задач при граничных условиях первого, второго, третьего рода.

С целью получения полной картины динамики полей температур, концентраций жидкости, пара, воздуха, паровоздушной смеси и ее давления при сушке материала был использован комбинированный метод расчета, сущность которого заключается в следующем. Время всего процесса сушки представляется непрерывной цепью достаточно малых промежутков времени (“микропроцессов”). Теплофизические коэффициенты переноса внутри тела и на его поверхности полагаются постоянными в пределах “микропроцесса”, но ступенчато-изменяющимися при переходе от одного “микропроцесса” к другому. В этих условиях для каждого “микропроцесса” система уравнений тепло- и массопереноса и движения может рассматриваться как линейная, решение которой может быть получено аналитическими методами математической физики. При этом поля температур, концентраций жидкости, пара, воздуха, паровоздушной смеси и давления, рассчитанные для предыдущего “микропроцесса” могут являться начальными условиями для решения задач тепломассопереноса и движения на последующем этапе. Особенностью комбинированного метода является то, что в нем могут сочетаться аналитические методы решения краевых задач для произвольного “микропроцесса” с применением численных методов для расчета процесса термообработки в сушильном аппарате.

При постановке краевых задач приняты следующие допущения:

• обрабатываемый материал имеет форму неограниченной пластины;
• условия тепломассообмена на обеих поверхностях пластины одинаковы;
• периоды постоянной и падающей скорости сушки рассматриваются раздельно, причем первый период продолжается до достижения поверхностью материала равновесного влагосодержания, а второй – до требуемой конечной влажности продукта;
• процесс сушки осуществляется при отсутствии каких-либо силовых нагрузок на высушиваемый материал.

В этих условиях предложен метод решения задачи взаимосвязанного переноса с граничными условиями первого, второго и третьего рода посредством разделения ее на самостоятельные подзадачи, но взаимосвязанные между собой, по определению распределения температуры и концентраций жидкости, пара, воздуха, паровоздушной смеси и давлений паровоздушной смеси по толщине пластины.

Краевая задача для i–го микропроцесса по определению распределения температуры в первом и во втором периодах сушки состоит из следующих дифференциальных уравнений:

; (1)

; (2)

; (3)

. (4)

В уравнении теплопроводности (1) влияние влагопереноса на теплоперенос учитывается вторым слагаемым правой части, характеризующим поток влаги испаряемой внутри материала, и определяется выражением:

, (5)

где mж – масса испарившейся жидкости за промежуток времени ; - разность концентраций пара в материале в точке (x) за промежуток времени ; Vсв - свободная часть объема тела от жидкости, образующаяся за временной интервал и определяемая уравнением:

. (6)

Условие (2) показывает распределение потенциалов переноса температуры по толщине материала в начальный момент времени, соответственно, для первого периода равномерное распределение, для второго неравномерное. Выражение (3) является условием симметрии. Уравнение (4) представляет собой условие баланса тепла на поверхности пластины. Первое слагаемое этого уравнения отражает поток тепла от газа к поверхности материала. Второе слагаемое характеризует поток тепла в толщу пластины посредством теплопроводности. Последнее слагаемое выражения (4) отражает поток тепла, затраченный на испарение поверхностной влаги, и определяется выражением:

- для первого периода сушки:

; (7)

- для второго периода сушки:

. (8)

Для решения данной краевой задачи использовался метод интегральных преобразования Лапласа. В результате получено следующее решение краевой задачи теплопроводности неограниченной пластины

(9)

Краевая задача для i–го микропроцесса по определению распределения концентраций жидкости и пара, воздуха и паровоздушной смеси в пластине при граничных условиях второго и первого рода в процессе сушки состоит из следующих дифференциальных уравнений массопроводности:

; ; (10)

Сж(х,0)=Сож(х); Сj(х,0)=Соj(х); (11) ; ; (12)

; ; (13) ; , (14)

где j – индекс, обозначающий вид переносимой фазы (жидкости j=ж, пара j=п, воздуха j=в, паровоздушной смеси j=см).

Уравнения (13) определяют граничные условия второго рода для первого периода сушки и характеризуют баланс массы влаги в виде жидкости и пара вблизи поверхности материала.

Уравнения (14) характеризуют граничные условия первого рода для второго периода сушки. Для расчета динамики распределения концентраций воздуха и парогазовой смеси в толще материала применяются как условие (13), так и выражение (14).

Основываясь на известных решениях дифференциальных уравнений массопроводности, были получены общие выражения, позволяющие проследить за изменением потенциалов переноса в процессе сушки:

- при граничных условиях второго рода:

(15)

- при граничных условиях первого рода:

.

(16)