Введение к работе
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.
-
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.
-
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.
-
Получены аналитические зависимости для расчета изменения температуры сплошной и разреженной садки при произвольном кусочно-линейном изменении температуры греющей среды.
-
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.
-
Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.
-
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.
-
Предложена подтвержденная промышленными экспериментами рациональная конфигурация разреженной садки, позволяющая при неизменном качестве обжига повысить производительность туннельной обжиговой печи на 9,7%.
-
Мероприятия по повышению производительности туннельной обжиговой печи «Малютка» приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий» и в ООО «Инватекс».
Автор защищает:
-
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
-
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.
-
Результаты экспериментального исследования кинетики прогрева различных точек садки при разной укладке кирпичей в промышленной туннельной печи и предложенную рациональную структуру разреженной садки.
-
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.
