Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы термической обработки керамзита при обжиге ii их математическое моделирование 7
1.1. Термические процессы при вспучивании глин 7
1.2. Оборудование для обжига глинистого полуфабриката на керамзит 12
1.3. Математическое моделирование термических процессов при обжиге .. 25
1.4. Постановка задачи исследования 30
2. Разработка ячеечной модели теплообмена при обжиге керамзита в противоточной барабанной печи 31
2.1. Стохастическая ячеечная модель движения материала 31
2.2. Математическая модель теплообмена между потоками материала и газа 43
2.3. Некоторые результаты численных экспериментов по моделирова- ty нию теплообмена 48
2.4. Выводы по главе 2 54
3. Моделирование совмещенных процессов ii управление процессами тепло- ii массообмеиа при обжиге 55
3.1. Математическая модель сушки материала в барабане 55
3.2. Влияние изменения плотности материала 62
3.3. Управление процессом нагрева материала по длине барабана 67
3.4. Выводы по главе 3 78
4. Применение разработанных моделей к описанию процессов термической обработки глинистого сырья на керамзит 80
4.1.Идентификация и экспериментальная проверка модели по результатам испытаний промышленной барабанной печи 80
4.2. Практическое использование результатов работы 83
4.3. Выводы по главе 4 89
Основные результаты диссертации 90
Список использованных источников
- Оборудование для обжига глинистого полуфабриката на керамзит
- Математическое моделирование термических процессов при обжиге
- Математическая модель теплообмена между потоками материала и газа
- Управление процессом нагрева материала по длине барабана
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Процессы термической обработки занимают важное место в производстве строительных материалов и других отраслях промышленности. От качества их проведения зависит как энергоемкость производства, так и потребительские свойства производимых продуктов и полуфабрикатов. Термическая обработка строительных материалов сопровождается, как правило, эндо- или экзотермическими процессами, тепло которых само влияет на процесс нагрева материала или его охлаждение, что делает задачу поиска рациональных режимов термообработки весьма сложной, а поиск ее эмпирических решений - трудоемким и дорогостоящим. В значительной степени это относится и к производству керамзита, в котором при термической обрабоїке происходит сложный комплекс физико-химических процессов, протекание которых зависит не только от какой-нибудь одной температуры обработки, но от целой программы температур, включающей и ограничения на скорость нагрева. Свойства глин, из которых производят керамзит, весьма разнообразны от месторождения к месторождению. Поэтому разработать одну универсальную программу термической обработки невозможно. Эта программа для каждого вида глины может быть найдена экспериментально при переработке отдельных ее кусков, например, в муфельной печи. Вслед за этим встает задача реализовать эту программу в условиях многотоннажного производства, например, при обжиге в барабанной печи, где возможности управления тепломассообменом ограничены. Таким, образом, поиск путей максимального приближения программы термической обработки в промышленной печи к требуемой программе, а также поиск путей и возможностей управления тепломассообменом в промышленных обжиговых печах по производству керамзита является актуальной научной и технологической задачей, основой решения которой является математическое моделирование этих процессов. Несмотря на определенные успехи, достигнутые в математическом описании теплообмена между стохастически движущимися потоками сыпучего материала и газа, осложненного массооо-менными процессами, получаемые решения относились в основном к повероч ному расчету, а задача управления процессами нагрева и охлаждения практически не ставилась. Все перечисленное определило цели и методы настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 — Л118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом ІІИР ГОУВПО «ИГХТУ».
Цель работы состояла в повышении качества получаемого в противоточных барабанных обжиговых печах керамзита на основе обеспечения максимального приближения температурной программы обжига к требуемой программе. Средством достижения этой цели является разработка нелинейной математической модели противоточного теплообмена сыпучего материала и газа в барабанной обжиговой печи, осложненного протекающими параллельно с нагревом процессами сушки и вспучивания материала, а поиск путей управления программой термической обработки.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
1. Разработана ячеечная математическая модель противоточного теплообмена сыпучего материала и газа в барабанной обжиговой печи, позволяющая численно моделировать распределение температуры нагреваемого материала по длине барабана, в том числе, при переменной по длине загрузке барабана материалом.
2. Модель обобщена на случай одновременно протекающих в материале температурозависимых массообменных и других физико-химических процессов.
3. Предложено управлять программой нагрева материала путем изменения времени его пребывания в различных участках барабана по его длине.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем. , 1. Разработанная математическая модель и ее программно-алгоритмическое обеспечение позволяет выбирать режимные параметры обжига керамзита в барабанной печи, обеспечивающие максимальное соответствие программы термообработки требуемой программе, то есть обеспечивать наилучшее качество готового продукта.
2. Разработанные пути управления программой термической обработки могут найти применение при модернизации и проектировании обжиговых печей, в частности путем перехода к многоступенчатым барабанам.
3. Рекомендации по совершенствованию процесса обжига керамзита, метод его расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение приняты к V внедрению ОАО «Ивановский завод керамических изделий».
Автор защищает:
1. Разработанную стохастическую ячеечную математическую модель про-тивоточного теплообмена между сыпучим материалам и газом.
2. Обобщение модели на случай одновременно происходящих с теплообменом массообменных и других физико-химических процессов.
Подход к управлению программой нагрева путем изменения времени пребывания материала в различных участках барабана, в частности, пу •ф тем перехода к многоступенчатым барабанам.
4. Метод расчета обжига керамзита в противоточной барабанной обжиговой печи и его программно-алгоритмичекое обеспечение. •
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на 12-й Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития электротехнологий -12-е Бенардосовские чтения», Иваново, 2005г., а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ГОУВПО «ИГХТУ» и кафедры прикладной математики ГОУВПО «ИГЭУ».
Публикации. По теме диссертации опуоликовано 4 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных результатов диссертации, списка использованных источников (97 наименований) и приложения.
Оборудование для обжига глинистого полуфабриката на керамзит
В технологии строительных материалов тепловые установки для получения керамзита занимают важное место, т.к. процесс обжига является основной операцией, позволяющей получать этот продукт различной марки. Основными производственными факторами вспучивания являются температура и газовый режим, а также скорость нагревания в различные периоды обжига. Их регулирование в значительной степени обуславливается конструктивными особенностями печей. Рассмотрим основные типы печей используемых для вспучивания глинистых пород на керамзит и выявим их основные достоинства и недостатки.
Основное внимание в работе будет уделено вращающимся барабанным печам, т.к. они выбраны в качестве объекта исследования, остановимся на их конструкциях подробнее.
Печные агрегаты с вращающимися печами используются для производства не только керамзита, но и цементного клинкера и др. материалов. К вращающимся печам относятся и печи, в которых обжигают дисперсные и кусковые строительные и химические материалы [1-25]. В зависимости от конструктивных особенностей вращающиеся печи, для производства керамзита, подразделяются на однобарабанные, двухбарабанпые, однобарабанные с расширенными зонами вспучивания и сушки.
Конструкция однобарабанной вращающейся печи показан на рис. 1.3 [1].
Рассмотрим принцип ее работы. Благодаря уклону печи и ее вращению, обжигаемый материал перемещается вдоль печи к ее нижнему разгрузочному концу, куда при помощи форсунки подается пылевидное/жидкое или газообразное топливо. Сырьевая смесь, продвигаясь в печи, обжигается и через ее горячую зону поступает на охлаждение в теплообменник - холодильник. От 15 до 35 % потребляемого для горения топлива воздуха, нагретого в теплообменнике, подается через форсунку, остальной воздух поступает непосредственно в печь [1,2]. Отходящие из печи газы проходят через пылеосадительные устройства и отводятся в атмосферу. Опыт эксплуатации однобарабанных печей показал, что создать в них требуемый режим обжига керамзита, отвечающий процессу оптимального вспучивания, не представляется возможным, т.к. материал во всех технологических зонах движется с одинаковой скоростью, нагревается постепенно, без необходимого теплового удара. По этим причинам в таких печах в основном выпускают тяжелый заполнитель и с меньшим выходом в единицу времени несмотря на большую потерю производительности 20ч-30%. Но все же наиболее эффективные считаются конструкции вращающихся печей - двухбарабанные (рис. 1.5) [1,2,7,11], которые состоят из двух отдельных барабанов с самостоятельными приводами: короткого большого диаметра, для вспучивания, и более длинного с меньшим диаметром, для предварительной тепловой обработки перед вспучиванием.
Данные печи позволяют обжигать керамзит на оптимальном уровне по ступенчатой схеме в соответствии с требованиями технологии вспучивания глинистых материалов. Конструкции этих печей позволяют вести тепловую обработку материала при относительно низких температурах и вспучивание при высоких температурах обеспечивая тепловой удар. Причем процесс вспучивания материала совпадает с зоной горения форсуночного топлива и длиной факела его горения, что позволяет резко повысить эффективность короткого барабана как теплового аппарата.
Математическое моделирование термических процессов при обжиге
Выполненный анализ литературных источников показал, что развитие технологии и качества производства керамзита может быть основано на решении следующих укрупнено сформулированных задач.
1. Разработать ячеечную математическую модель тепломассообмена между стохастическими потоками материала и газа в противоточной барабанной обжиговой печи и выявить степень влияния параметров процесса на распределение температуры материала, то есть на программу нагрева.
Поставить задачу оптимального управления процессом с целью максимального приближения реальной программы нагрева к требуемой и найти технически осуществимые ее решения. 3. Проверить адекватность описания моделью распределений параметров процесса в промышленной печи, а также разработать конкретные рекомендации по совершенствованию процесса и внедрить модель и ее программно-алгоритмическое обеспечение в производственную практику. 2. РАЗРАБОТКА ЯЧЕЕЧНОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОБЖИГЕ КЕРАМЗИТА В ПРОТИВОТОЧНОЙ БАРАБАННОЙ ПЕЧИ
Для построения модели движения сыпучего материала и газа рассмотрим следующую схематизацию их противоточного движения в барабане (рис.2.1). Сыпучий материал (глина) подается в барабан слева, и, благодаря незначительному уклону барабана в направлении движения, а также большему диаметру разгрузочной горловины, обеспечивающему наклон свободной поверхности материала в сторону движения, перемещается в сторону разгрузочной горловины. Обычно скорости вращения барабана далеки от критической [1,2], вследствие чего в поперечном сечении материал движется не в водопадном, а каскадном режиме. Это позволяет предположить, что его свободная поверхность не имеет
Ячеечная модель движения материала вдоль барабанной печи. разрывов, материал перемещается как бы в потоке заданного поперечного сечения (в общем случае- не постоянного), вся поперечная циркуляция происходит внутри этого сечения и не оказывает заметного влияния на продольное движение. Из этого допущения вытекает возможность предположить в первом приближении, что движение материала может быть описано одномерной моделью. Разобьем длину барабана на m секций одинаковой длины. Если число этих секций достаточно велико, то можно предположить, что каждая из секций может быть представлена ячейкой идеального смешения.
Если материал движется сквозь отведенный ему канал в режиме идеально вытеснения, то его массовый расход через каждую ячейку равен расходу подачи. Однако при наличии стохастической составляющей движения образуются дополнительные потоки массы между ячейками, показанные стрелками на ячеечной модели поток на рис.2.1.
Введя коэффициент рециркуляции г потока массы, вызванного стохастично-стью движения, можно рассчитать средние времена пребывания материала в каждой ячейке. Для крайних ячеек, где дополнительный стохастический поток направлен только в одну сторону, получим где Gm - массовый расход материала, mmj - масса материала в j-ой ячейке, индекс «in» всегда относится к сыпучему материалу. Предположим, что все ячейки заполнены материалом и на вход подана незначительная порция трассера - материала по физико-механическим свойствам на отличающегося от основного материала, но допускающего анализ содержания трассера в материале (например, другой цвет, искусственная радиоактивность и т.д.). С течением времени содержание трассера в ячейках будет изменяться и в конце концов он полностью покинет барабан. Именно на описании поведения трассера и строится модель движения материала.
Пусть общая масса трассера равна единице, а его содержание по ячейкам в некоторый момент времени представлено вектором-столбцом где Sj - доля трассера, находящаяся в этот момент в j-ой ячейке. С течением времени содержание трассера по ячейкам меняется. Разобьем весь интервал времени наблюдения за процессом на малые конечные промежутки времени At, такие, что в течение этого времени возможны только переходы между соседними ячейками, но не далее. Используя At, выразим текущее время процесса как
Математическая модель теплообмена между потоками материала и газа
При построении модели теплообмена будем исходить из того, что в течение времени перехода материал в ячейке для материала и газ в соответствующей ячейке для газа находятся друг против друга и контактируют между собой. При теплообмене от ячейки к соседней ячейке передается тепло, но сам поток тепла пропорционален разности температур. Тепло также движется вдоль цепи ячеек вместе с транспортирующим его теплоносителем: сыпучим материалом или газом. Движение тепла вдоль цепи подчинено закону сохранения для отдельной цепи ячеек. При теплообмене же между ячейками закон сохранения выполняется только для обеих цепей в целом. Для каждой отдельной цепи приходящее или уходящее тепло является внешним источником или стоком, соответственно. Поэтому рационально заложить в модель подход, при котором тепло движется вдоль цепи вместе с соответствующим теплоносителем (то есть с его матрицей переходных вероятностей), а на каждом переходе в ячейки пода ется дополнительное тепло, пришедшее из соседней цепи (функция источников). Схема потоков тепла в течение одного перехода показана на рис.2.7.
Последовательность перехода тепла между ячейками при одном полном переходе состояния процесса.
Рассмотрим последовательно ЭЕЮЛЮЦИЮ тепла и температуры теплоносителей на одном полно переходе в паре ячеек газ-твердое, опуская номер ячейки. Пусть в некоторый момент времени известно распределение температур по ячейкам цепи для обоих компонентов процесса и температуры выделенных ячеек соответственно равны Tgk и Tmk. Тогда запасы тепла в ячейках могут быть рассчитаны как Qgk =Tgkmgkcg\ (2.19) Qmk =Tmkmmkcm\ (2.20) где cg и cmk - теплоемкости газа и материала в k-ом состоянии, соответственно. В течение перехода от ячейки с газом к ячейке с материалом будет передано следующее количество тепла AQk=akS(Tgk - Tmk)At, (2.21) где ak и S - коэффициент теплоотдачи от газа к материалу и поверхность теплообмена в ячейке, соответственно.
После этого запасы тепла в ячейках станут: (Qgk - AQk) для газа и (Qmk + AQk) для материала. Затем эти количества теплоты преобразуются в результате продольных перемещений в соответствие с матрицами переходных вероятностей Pg и Рт для газа и материала, так как продольное перемещение теплоты происходит именно с переносом компонентов (продольной теплопроводностью в данной модели пренебрегается). В результате получатся новые запасы теплоты в ячейках после k-го перехода Qgk+I и Qmk+I, по которым можно рассчитать новые температуры T,k+ =Q"+1/mukV+1, (2.22) 1m -Qm /mm cm . (2.23)
На каждом переходе в первую ячейку цепи для материала должно быть добавлена масса G„,At, поступающая с массовым расходом подачи материала G„„ а в последнюю ячейку - масса GgAt, поступающая с массовым расходом подачи газа Gg. Соответственно в ячейки, отслеживающие эволюцию теплоты, следует добавить Qm0= Tm0cm GmAt и Qg0= Tg0cg GgAt, где Tm0 и Tg() - температуры поступающего в барабан материала и газа, соответственно.
Соотношения, описывающие теплообмен по всем ячейкам цепей, удобно представить в матричной форме. Тогда расчетные соотношения приобретут следующий вид: где все, выделенные жирным шрифтом величины, являются векторами-столбцами размером mxl (кроме Р,„ и Pg , которые являются матрицами), в которых размещены значения обозначенных величин для всех ячеек. Операторы . и ./ означают поэлементное умножение и деление векторов и, естественно, могут относиться только к векторам одинакового размера. Векторы подачи выглядят следующим образом
Записанные выше соотношения (2.24)-(2.33) представляют собой математическую модель противоточного теплообмена между стохастически движущимися одномерными потоками сыпучего материала и газа, записанную в матричной форме, которая удобна для численной реализации на компьютере и по существу представляет собой одновременно алгоритм численной процедуры. Модель позволяет решать любые нелинейные задачи, в которых свойства сред не являются постоянными, а зависят, например, от температуры или других характеристик состояния системы.
В целом предложенная модель близка по своему подходу к модели, разработанной в [84-89], но отличается от нее, во-первых, совершенно другим описанием продольного движения (переходных вероятностей), а, во-вторых, принципиально ориентирована на исследование переменных по длине параметров, влияющих на состояние системы. 2.3. Некоторые результаты численных экспериментов по моделированию теплообмена
Главной целью моделирования в настоящей работе является описание комплексных тепломассообменных процессов при переменных свойствах теплоносителей. Она достигается последовательной разработкой моделей отдельных составляющих этого комплексного процесса. Для каждой разработанной подмодели будут приводиться результаты численных экспериментов, показывающих, во-первых, ее работоспособность, а, во-вторых, влияние основных параметров процесса на распределение вдоль барабан его важнейших характеристик. 11а этом этапе моделирования параметры и характеристики будут задаваться безразмерными относительными величинами без специальных комментариев того, какие величины были выбраны в качестве масштабов. При моделировании теплообмена предварительными расчетами было выявлено, что получаемые распределения температур практически перестают зависеть от безразмерного временного шага при At =0,01. Необходимое количество переходов до установления установившегося режима определялось из условия, что поток массы материала из последней ячейки за один переход становится равным 0,995 от массы, подаваемой в первую ячейку за один переход (обычно для газа это условие наступает гораздо раньше). Параметры модели, при которых рассчитывались установившиеся распределения температур, приведены в подписях к рисункам. иллюстрирует влияние соотношения расходов газа и материала на установившиеся распределения температур газа и твердого. Принятая здесь модель движения не предполагает обратных переходов компонентов между ячейками, то есть их движение является детерминированным. Полученные распределения полностью укладываются в обычные представления о характере противоточно-го теплообмена.
Управление процессом нагрева материала по длине барабана
При этом на решение задачи могут быть наложены дополнительные ограничения в виде, например, ограничения на скорость нагрева (или на градиент температуры после пересчета на номер ячейки). Кроме того, достижение минимума (3.27) также не всегда полностью говорит о качестве процесса, так как роль отклонений реальной программы от требуемой на разных участках кривой нагрева может быть разной. Последнее может быть учтено введением в слагаемые в (2.37) ценностных коэффициентов.
Строгое решение поставленной оптимизационной задачи достаточно сложно и вряд ли всегда имеет технологический смысл, поскольку возможности управления самим вектором mm ограничены. Они связаны с изменением диаметра барабана по его длине или с установкой внутрибарабанных перегородок с горловинами (последний метод опробовали в экспериментах на промышленных печах [1]), что не всегда допускает более или менее простую промышленную реализацию. Поэтому в данной работе мы ограничимся оценкой степени влияния на распределение температуры распределенных управляющих воздействий. Некоторые расчетные результаты управления распределением температуры через перераспределение по длине барабана массы материала в ячейках показаны на рис.3.7-3.9.
На рис.3.7 показано влияние линейного распределения массы материала в ячейках при одинаковой полной массе материала на установившиеся распределения температур. Перекос распределения массы в сторону выходной горловины приводит к все более выпуклым распределениям температур, что хорошо для стадии завершения процесса, но плохо для его начала, когда скорость нагрева должна быть небольшой. Распределение, убывающее в сторону выходной гор ловимы, наоборот, дает медленный нагрев в начале, но быстрый в конце, что также мало приемлемо для обжига. Кроме того, сама организация подобных распределений требует конического барабана, что вряд ли возможно для практической реализации.
Вместе с тем, необходимо подчеркнуть, что традиционное обсуждение обжига в терминах распределения температуры по длине барабана приемлемо только при постоянной по длине загрузке, когда времена пребывания материала в ячейках одинаковы и речь идет об обсуждении кинетики нагрева просто в других единицах времени. При неравномерном распределении загрузки время пребывания в ячейках уже разное, и распределение температуры по длине не отражает однозначно кинетики нагрева.
Рассмотрим данные, представленные на рис.3.8, где на верхней паре графиков показано распределение температур материала и газа по длине барабана при различных распределениях загрузки: постоянной и возрастающей. І Іесмотря на некоторое различие, кривые нагрева по длине выглядят весьма подобными, и создается впечатление, что существенной разница в кинетике нагрева нет. На нижней паре графиков показаны скорости нагрева как функции времени. Скорость нагрева рассчитывалась как разность температур материала в соседних ячейках (последующей и текущей), деленная на среднее время пребывания материала в текущей ячейке. Текущее время определялось как кумулятивная сумма средних времен пребывания материала в ячейках. В терминах операторов MATLAB это выглядит следующим образом: текущее время нагрева t=cumsum(tm); текущая скорость нагрева diff(Tm)./tm.
При равномерной загрузке временная кинетика практически воспроизводит продольную (верхние графики в парах). Однако, при неравномерной загрузке, когда времена пребывания в ячейках разные, эти графики существенно отличаются. Это необходимо иметь в виду, поскольку исходная опытная информация об оптимальной программе нагрева приходит в виде T,„l(t), а не Tml(j).
На рис.3.9 показаны более реалистичные программы управления при дискретном одноступенчатом изменении загрузки барабана. Для вариантов 2 и 3 общая масса загрузки не остается постоянной: в варианте 2 она увеличена, а в варианте 3 - уменьшена. По видимому, с точки зрения технологии обжига наиболее приемлемым является последний вариант, когда в начале барабана загрузка уменьшена, а в конце- повышена. В ячейке при скачке загрузки температура материала повышается более резко, а зоне вспучивания остается примерно постоянной. Технически такое управление может быть осуществлено в двухступенчатом барабане со ступенями разного (большего у второй ступени) диаметра или в двух независимых последовательно установленных барабанах также с большим диаметром второго барабана.
Представленные здесь результаты расчетов количественно подтверждают идею СП. Онацкого [1] о предпочтительности ведения процесса в многоступенчатом обжиговом барабане, высказанную им еще в 60-х годах.
К управлению процессом через перераспределение массы материала по его длине примыкает и идея управления их через изменение степени заполнения барабана материалом ф, которая во всех предыдущих расчетах считалась одинаковым для всех ячеек. Теперь зафиксируем постоянной массу по ячейкам, а ф представим вектором ц (]), j=l,2,...m или ф. Вариация ф независимо от массы технически может достигаться изменением диаметра барабана при изменении диаметра выходной горловины таким образом, чтобы масса оставалась постоянной. Изменение диаметра выходной горловины при постоянном диаметре барабана ведет к одновременному изменению и ф и mm, что, естественно, необходимо учитывать в модели.
