Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной проблемой социального развития России в новых геополитических условиях является существенное повышение эффективности промышленного производства.
Главное средство достижения этой цели - создание принципиально новых наукоемких технологий, обеспечивающих наивысшую производительность и эффективность в условиях рыночных отношений. В связи с этим все большее значение приобретает проблема скорейшего внедрения научных разработок, позволяющих получать высокие экономические показатели, повышать производительность труда и улучшать качество продукции, тесно связанное с научно-техническим прогрессом в промышленности. Решение этой проблемы невозможно без применения системного анализа и методов математического моделирования, позволяющих принципиально по-новому подойти к исследованию и проектированию сложных взаимосвязанных процессов и аппаратов тепловой вулканизации прорезиненных тканей.
Тепловая вулканизация - широко распространенный завершающий процесс в производстве резинотехнических изделий, являющийся одной из наиболее ответственных, трудо- и энергоемких операций. Качество выполнения этой операции в значительной мере определяет эксплуатационные показатели готовых изделий и во многом зависит от степени совершенства используемого оборудования и технологии производства в целом.
Поэтому в настоящее время весьма актуальны исследования, направленные на повышение эффективности процесса тепловой вулканизации, создание непрерывных процессов и многофункционального оборудования с активным гидродинамическим режимом (АГР) для термообработки прорезиненных тканей в целях создания поточных линий производства.
Успешному решению этих задач способствует знание механизмов происходящих явлений, что требует проведения широкомасштабных экспериментальных и теоретических исследований, в том числе с применением методов математического моделирования. Использование расчетных методов при разработке технологических режимов стало возможным благодаря широкому применению вычислительной техники, математическому моделированию и использованию математических методов в научных исследованиях. В то же время они более информативны, так как позволяют проводить анализ и поиск оптимального варианта процесса, широко варьируя его параметры и включая такие режимы, для которых в настоящее время еще не создано технологического оборудования. Это дает возможность не только
Автореферат
Стр. 1
экономить материальные затраты и время в условиях жесткой конкуренции, но и существенно расширять область научных исследований, используя их как для действующих, так и для вновь разрабатываемых процессов и аппаратов.
В диссертационной работе подробно рассмотрены результаты экспериментально-теоретических исследований и разработок по решению крупной научно-технической проблемы создания непрерывного процесса термообработки прорезиненых тканей специального назначения в активном гидродинамическом режиме и его аппаратурного оформления.
Настоящая работа посвящена решению этой проблемы и выполнена в соответствии с постановлением Правительства РФ от 17.08.90 г. о формировании и реализации научно-технических программ по проблеме "Научные основы создания новых материалов и перспективных технологий" (решение от 14.02.91 г., протокол № 1, разд. 1) за № 314, а также на основании решения Совета при Президенте РФ по научно-технической политике от 16.08.95 г. по проблеме реализации технологий двойного назначения при конверсии производства (задание 9.1.1.), письма Комитета обороны при Президенте РФ от 02.03.94 г. за № АГ-3-31 и др.
Яелъработы. Создание и внедрение непрерывного процесса термообработки прорезиненных тканей специального назначения в активном гидродинамическом режиме и его аппаратурное оформление.
Научная новизна. Впервые разработан и изучен непрерывный процесс термообработки прорезиненных тканей и многофункциональный аппарат с активным гидродинамическим режимом, в котором применены вставки-активаторы конвективного теплообмена, обеспечивающие сочетание высокой интенсивности теплоотдачи и относительно низкого гидродинамического сопротивления в каналах общекамерного типа.
Разработаны оригинальные экспериментально-теоретические методы исследования гидродинамики и нестационарного теплообмена, осложненного процессом неизотермической вулканизации в условиях аппарата АГР.
Разработаны теоретические предпосылки и основные принципы создания, моделирования и оптимального проектирования системы процесс-аппарат АГР. Впервые определена стратегия математического моделирования процессов и аппаратов для термообработки прорезиненных тканей в АГР, позволяющая адаптировать математические модели к системным расчетам при проектировании.
Разработаны математические модели основных лимитирующих явлений процесса тепловой вулканизации, которая рассматривается как термокинетическая, протекающая последовательно в несколько стадий: нагрев
Автореферат
Стр. 2
материала до температуры начала вулканизапии; развитие неизотермического структурирования, осложненного продолжающимся нагревом ткани; терморазложение порофора и газонаполнение смеси совместно с продолжающимся нагревом и неизотермическим структурированием и, наконец, изотермическая вулканизация высокополимера. Теоретически и экспериментально доказано, что газонаполнение смесей и терморазложение порофора не лимитируют во времени процесс вулканизации и поэтому вводятся в математическую модель при задании движения границ газовых полостей.
Построена обобщенная физико-математическая модель процесса тепловой вулканизации прорезиненных материалов. Задача решена аналитически и численным методом, позволяющим быстро и с высокой степенью точности определять параметры режимов термообработки. Разработаны алгоритмы и программы для расчета непрерывного процесса термообработки прорезиненных тканей и его аппаратурного оформления.
Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований непрерывного процесса термообработки эластомерных материалов различных типов, тепломассообмена и гидродинамики термореакциошшго оборудования.
Сформулированы и обоснованы основные принципы и методология инженерного расчета оборудования с АГР для тепловой вулканизации рулонных материалов, основанные на сведениях исходной задачи и алгоритмах расчета системы процесс-аппарат. Впервые предложена структура наполняемой информационно-аналитической системы научных исследований АСНИ-АГРинформ, реализованной в рамках государственной корпоративной сети "Росуником" на аппаратно-программной платформе с архитектурой типа клиент-сервер (лицензия № 1306 от 10.06.94), а также алгоритмы и программное обеспечение основных модулей прикладных задач.
Исследован непрерывный процесс термообработки и многофункциональное оборудование с активным гидродинамическим режимом в условиях промышленного производства длинномерных материалов.
Практическая ценность и реализация работы. Результаты работы нашли применение: при создании и внедрении непрерывного процесса термообработки прорезиненных тканей и многофункционального оборудования с активным гидродинамическим режимом; при моделировании основных стадий процесса термообработки; при разработке алгоритмов и программ, что позволило повысить информативность экспериментально-теоретических исследований при разработке режимов вулканизации на основе расчетных методов; при расчетах и моделировании температурных полей в
Автореферат
Стр.3
вулканизуемых изделиях; при оценке степени вулканизации смеси и анализе качественных показателей готовой продукции; при разработке инженерной методики расчета промышленного оборудования и технологических регламентов.
Научное и практическое значение работы заключается в обобщении результатов исследований непрерывного процесса термообработки прорезиненных тканейвАГР, в создании методологии численно-аналитического исследования и прогнозирования новых вариантов теплового процесса. В конечном счете на базе математического описания системы процесс-аппарат АГР, используя расчетные методы, можно осуществлять неразрушающий контроль за качеством изготовления изделия и автоматическое управление процессом.
Отдельные положения и подходы имеют достаточно общий характер и могут быть использованы при решении аналогичных задач в других отраслях науки и техники. Практическая значимость подтверждается соответствующими документами.
Апробация работы. Основные теоретические и прикладные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Первом совещании руководящих работников Мгашефтехимпрома СССР по проблеме "Разработка и внедрение методов интенсификации массо- и теплопереноса при термической обработке материалов специального назначения в активном гидродинамическом режиме, Саранск, 1981; Всесоюзном семинаре ведущих специалистов резинотехнической промышленности по проблемам перспективных технологий, Киев, 1981; II Всесоюзном научно-техническом совещании "Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами", Москва, 1981; II Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии", Сумы, 1982; III Всесоюзной конференции "Современные машины и аппараты химических производств", Навои, 1983; Международной конференции по каучуку и резине, Москва, 1984; II Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности тепломассообменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон", Москва, 198 5; V Всесоюзной конференции "Математические методы в химии, Грозный, 1985; Всесоюзной конференции "Повышение качества продукции и внедрение ресурсосберегающей технологии в резиновой промышленности", Ярославль, 1986; Всероссийском научно-техническом совещании по проблемам информатизации, Чебоксары, 1993;
Автореферат
Стр. 4
IV Международной научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов", Москва, 1994; Российской научной конференции с участием зарубежных ученых "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления с конденсированныхсистемах и других средах", Тверь, 1994; V Всероссийской научной конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии", Ярославль, 1994; III, IV, V Международных конференциях "Региональная информатика", Санкт-Петербург-94, 95, 96; Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в моделировании и управлении", Санкт-Петербург-96; IX, X Международных конференциях "Математические методы в химии и химической технологии", Тверь-95, Тула-96, Новомосковск-97 и др. Результаты работы отмечены Главным комитетом Выставки достижений народного хозяйства СССР, Свидетельство № 28753, 1990 г. и ВВЦ -94, 95 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 печатные работы, в том числе два авторских свидетельства на изобретения, внедренные в промышленности.
Автор защищает. 1) Непрерывный процесс термообработки прорезиненных тканей в активном гидродинамическом режиме. 2) Многофункциональный аппарат АГР. 3) Новый тип вставок-активаторов конвективного теплообмена. 4) Результаты экспериментальных исследований гидродинамики, тепломассообмена и вулканизащюшшх характеристик системы процесс-аппарат АГР. 5) Математические модели процесса термообработки, алгоритмы и программы их численной реализации. 6) Методику инженерного расчета аппарата АГР. 7) Технологические режимы обработки прорезиненных тканей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка использованных источников и приложений, включающих вспомогательные материалы, акты внедрения и экономической обоснование. Текстовая часть состоит из 2-х книг. Кн. 1 -основная часть, содержит 430 стр., 83 рис., 16 табл., 266 источников. Кн. 2 -приложения, содержит 20 прил. на 143 стр., 43 рис., 31 табл.