Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Процессы обжига керамических материалов являются одной из важнейших составляющих производства' строительных материалов, а также материалов в других отраслях промышленности. Термин обжиг относится к совокупности сложных физико-химических процессов, происходящих в силикатных материалах при нагревании. В результате обжига достигаются требуемые потребительские качества строительных материалов и изделий, формируемые, главным образом, кинетикой нагрева и последующего охлаждения.
Для того, чтобы обеспечить высокую производительность обжига и снизить непроизводительные потери тепла, керамические изделия (в частности, кирпич) обжигают в обжиговых печах в виде изделий, специально уложенных в большие блоки - садки. Несмотря на то, что некоторые виды садок предусматривают не вполне плотную упаковку изделий в них, в большинстве случаев с точки зрения кинетики прогрева садка может рассматриваться как однородный материал, имеющий, однако, разнообразную форму внешней поверхности. 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 в принципе не может быть однородным. В разных точках садки температуры могут существенно отличаться, что, например, может приводить к недожогу в одних ее зонах и пережогу в других. Равномерность прогрева могла бы быть достигнута путем медленного повышения температуры, но этот подход входит в противоречие с обеспечением высокой производительности обжиговых печей.
Таким образом, решение задачи о рациональном режиме прогрева и охлаждения садки, а также о выборе ее рациональной формы, может быть получено только на основе описания неоднородного прогрева сечения садки с учетом проходящей в материале всей совокупности тепло- и массообменных процессов. Аналитические решения подобной задачи без далеко идущих допущений, почти всегда выхолащивающих сущность большинства моделируемых процессов, невозможно. Естественно, что это существенно снижает универсальность предлагаемых моделей и алгоритмов расчета, которые могут быть использованы в практике инженерного проектирования. Сложившаяся ситуация определила цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГХТУ.
Цель работы состояла в повышении универсальности и достоверности методов расчета и проектирования процессов обжига керамических строительных материалов на основе создания математических моделей, построенных на единых представлениях в общем случае нелинейного тепло- и массопереноса при наличии химических реакции внутри обжигаемых материалов.
Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.
-
Предложена ячеечная модель теплопроводности и массопроводности в плоском сечении произвольной конфигурации, позволяющая численно моделировать распределение температуры и концентрации по сечению при любых граничных условиях протекания процесса, изменении тепло-физических свойств материала и наличии внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.
-
Разработана ячеечная математическая модель обжига кирпича в садке в туннельной обжиговой печи, позволяющая рассчитывать распределение всех параметров садки по ее сечению в процессе продвижения ее по длине печи.
-
Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек садки в процессе обжига в туннельной печи.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.
-
На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета процесса обжига керамических строительных материалов в туннельной печи, инвариантный к моделям теплообмена между садкой и газом и кинетике протекающих в материале реакций.
-
Выполнена идентификация параметров модели для обжига кирпича и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи. Выработаны рекомендации по рациональной форме поперечного сечения садки.
-
Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».
Автор защищает:
1. Разработанную на основе цепей Маркова в общем случае нелинейную
математическую модель прогрева плоского сечения произвольной кон
фигурации при одновременно происходящих процессах сушки и тепло-
поглощения эндотермической реакцией
2. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния пара
метров процесса на распределение его характеристик по сечению садки, в
том числе, по влиянию его формы на скорость протекания процессов.
-
Результаты экспериментального исследования кинетики прогрева и охлаждения различных точек садки кирпича в туннельной печи.
-
Метод расчета обжига кирпича в туннельной обжиговой печи и его про-граммно-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 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 результатов диссертации, списка использованных источников (107 наименований) и приложения.
