Введение к работе
Актуальность темы диссертации. При производстве и хранении строительных материалов достаточно часто в них идут процессы, связанные с локальным выделением или поглощением теплоты. Источником этой теплоты в первую очередь являются проходящие в материале эндо- и экзотермические реакции. При экзотермических реакциях происходит выделение теплоты, приводящее к неравномерному повышению температуры материала. Возникающие при этом перепады температуры могут приводить к нежелательным термомеханическим процессам (например, к образованию трещин) при производстве материалов, а общее повышение температуры - к их возгоранию при хранении (например, при окислении масел в промасленных рулонированных материалах). Осуществление эндотермических реакций чаще всего является целью тепловой обработки материала. При этом при больших габаритах прогреваемого объекта его более или менее однородный прогрев тепловым источником размером, соизмеримым с размером этого объекта технически невозможен и термическая обработка осуществляется перемещающимися локальными источниками теплоты (например, газовыми горелками, плазменными струями). Перемещение источника теплоты позволяет значительно снизить температурные перекосы и повысить равномерность и скорость прогрева и протекания реакции по сравнению с неподвижным локальным источником. Однако достижение достаточно выраженного технологического результата зависит от траектории и скорости движения локального источника теплоты.
При тепловой обработке традиционных строительных материалов в традиционных же технологиях учет дополнительной теплоты химических реакций достигается введением интегральных оценок (главным образом, чисто эмпирических), основанных на длительном опыте эксплуатации. Переход к новым материалам и технологиям не оставляет времени на длительную экспериментальную доводку используемых тепловых процессов. Поэтому возрастает роль математических моделей, позволяющих прогнозировать нестационарное тепловое состояние строительных материалов и изделий при протекании в них химических реакций.
Несмотря на то, что физические основы таких процессов хорошо разработаны и описаны в терминах дифференциальных уравнений в частных производных, между этими описаниями и методами практического расчета существует глубокий разрыв, обусловленный, главным образом, невозможностью аналитических решений этих уравнений без далеко идущих упрощений, зачастую выхолащивающих физическую сущность процессов. Поэтому актуальной, на наш взгляд, является разработка математических моделей этих процессов, практически совпадающих с компьютерными методами их расчета и не требующих значительных упрощений описываемых явлений.
Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполня
лась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 -АН 8 Математическое моделирование
ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР
ИГАСУ.
Научный консультант: Виноградова Н.В.
Цель работы состоит в повышении эффективности, качества и безопасности процессов тепловой обработки строительных материалов, сопровождающихся эндо- и экзотермическими реакциями путем разработки математических моделей, позволяющих достоверно прогнозировать распределение температуры и концентрации реагирующих веществ в материале. Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
Разработана ячеечная математическая модель, описывающая тепловое состояние одномерных (плоский слой), двухмерных (плоская пластина) и цилиндрических (рулон) тел при их тепловой обработке с протеканием внутри них эндо- и экзотермических химических реакций при постоянных тепловых параметрах окружающей среды.
Исследовано влияние теплоты реакций на изменение распределения температуры и концентрации реагирующего вещества в зависимости от условий протекания процесса и габаритов материала, в том числе, предельных температур при экзотермических реакциях, определяющих безопасность хранения материалов.
Разработана математическая модель прогрева одномерных и двухмерных изделий при наличии химических реакций перемещающимся источником теплоты и исследовано влияние программы и скорости движения источника на скорость протекания реакции и температурные перекосы по изделию.
Выявлены рациональные программы движения теплового источника по поверхности обрабатываемого тела, обеспечивающие наиболее быстрое протекание реакции и наименьшие температурные перекосы.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.
На основе разработанных моделей предложены компьютерные инженерные методы расчета теплового состояния строительных материалов при протекании в них химических реакций при тепловой обработке и хранении, позволяющие прогнозировать изменение температурных и концентрационных полей в материале и выбирать рациональные режимы их тепловой обработки и хранения.
Предложен инженерный компьютерный метод расчета проведения реакций в телах и температурных полей с учетом их протекания путем их прогрева локальными перемещающимися источниками теплоты, а также рациональные программы и скорости перемещения источника по поверхности обрабатываемых тел.
Разработанные методы расчета и их программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию обжига известняка приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий»
Автор защищает: 1. Ячеечные математические модели теплового состояния одномерных, двухмерных и цилиндрических тел при протекании в них химических реакций.
2. Ячеечные математические модели теплового состояния одномерных и
двухмерных тел при протекании в них химических реакций при их про
греве перемещающимися локальными источниками теплоты.
3. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния пара
метров и условий тепловых процессов на скорость протекания реакций и
неравномерность распределите температуры в обрабатываемых телах.
4. Найденные рациональные программы и скорости перемещения источни
ка, обеспечивающие наибольшую скорость протекания реакций и равно
мерность прогрева.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на 14-ой МНТК «Состояние и перспективы развития энерготехнологии -14-ые Бенардосовские чтения», Иваново, 2007, VIII Международной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием», Иваново, 2007, на 11-ой МНТК «Информационная среда вуза», Иваново, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале, включенном в Перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и основных выводов, ігзложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 3 таблицы, список использованной литературы из 100 наименований и 1 приложение на 1 странице .
