Введение к работе
Актуальность темы диссертации. При производстве и монтаже строительных изделий и конструкций, а также в смежных отраслях промышленности широко распространены процессы прогрева изделий и выдержки их при определенной температуре. Достаточно часто на эти процессы сопровождаются довольно жесткими ограничениями на скорость и, главное, на равномерность прогрева. Если характерный размер источника тепловой энергии равен или превосходит характерный размер прогреваемого изделия, то выполнение требования равномерности прогрева не вызывает трудностей. Однако часто это соотношение размеров не может быть выдержано и прогрев осуществляется локальными источниками теплоты, характерный размер которых заметно меньше размера прогреваемого изделия. Здесь требование равномерности выходит на первый план. При прогреве неподвижным локальным источником приходится прибегать к значительному перегреву близких к нему участков изделия, чтобы удаленные участки достигли требуемой температуры. Это может привести к возникновению в изделиях значительных термических напряжений, что, в свою очередь, может вызвать образование трещин или вообще разрушение изделия и (или) нежелательное изменение свойств изделия или среды, с помощью которой изделия соединяются друг с другом, например, при нанесении плиточных покрытий с помощью термоклея.
Повышение равномерности прогрева может быть достигнуто путем перемещения источника тепловой энергии по поверхности изделия по некоторой программе. Однако достижение достаточно выраженного технологического результата зависит от траектории и скорости движения локального источника теплоты. Например, длительная задержка источника в некоторой зоне изделия приводит к ее более интенсивному прогреву, но за это время удаленные зоны изделия успевают значительно остыть, и перенос источника в одну из этих зон в целом может не скомпенсировать остывания.
Очевидно, что условия такого прогрева зависят от формы изделия, теплоотдачи от локального источника теплоты к изделию, от теплоотдачи от изделия к окружающей среде и от теплофизических свойств материала, из которого изготовлено изделие. В силу многообразия этих параметров и их комбинаций эмпирический поиск рациональных (или оптимальных) траекторий и скоростей движения локального источника по прогреваемому изделию является трудоемкой и продолжительной задачей. Выбор рациональных условий прогрева может быть значительно упрощен и облегчен с помощью математических моделей этого процесса и его программно-алгоритмического обеспечения, тем более, что современный уровень развития строительной теплофизики уже содержит математические описания отдельных составляющих этого процесса, позволяющие достаточно достоверное их прогнозирование.
Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - АН8 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР
Цель работы состояла в разработке мероприятий по повышению скорости и равномерности нагрева изделий и конструкций при их термической обработке локальными источниками тепловой энергии путем поиска рациональных перемещений источника на основе математических моделей.
Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.
-
Разработана ячеечная математическая модель прогрева одномерного объекта (стержня) перемещающимся вдоль него локальным источником тепловой энергии с учетом теплоотдачи в окружающую среду.
-
Показано, что переход от неподвижного источника к перемещающемуся позволяет значительно повысить скорость и равномерность прогрева, и выполнены количественные оценки этого повышения при различных программах движения источника и характеристиках теплообмена.
-
Построена математическая модель прогрева одномерного объекта при его проводке через источник тепловой энергии (нагревательную камеру) и выполнена оценка влияния параметров процесса на характеристики прогрева.
-
Разработана математическая модель прогрева пластины перемещающимся источником и исследовано влияние программы и скорости движения источника по поверхности пластины. В частности, показано, что наибольшая скорость и равномерность прогрева достигаются при перемещении источника по прямоугольному контуру с размерами, вдвое меньшими размеров пластины.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.
-
На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета прогрева одномерных и двухмерных изделий перемещающимися локальными источниками тепловой энергии и выбора рациональных программ и скоростей перемещения источника, а также программно-алгоритмическое обеспечение метода.
-
Для ряда конкретных случаев найдены рациональные программы и скорости перемещения источника, обеспечивающие наибольшую скорость и равномерность прогрева.
-
Разработанные методы расчета и их программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию прогрева приняты к внедрению на ОАО Ивановский завод керамических изделий и на ОАО Ивановский силикатный завод.
Автор защищает:
-
Ячеечные математические модели прогрева стержня и пластины перемещающимися локальными источниками тепловой энергии.
-
Результаты численных экспериментов по исследованию влияния параметров и условий прогрева на его скорость и равномерность.
-
Найденные рациональные программы и скорости перемещения источника, обеспечивающие наибольшую скорость и равномерность прогрева.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на VII Международной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования», Иваново, 2005, а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ИГХТУ и кафедры прикладной математики ИГЭУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (94 наименования) и приложения.
