Моделирование, расчет и оптимизация процессов нелинейного влагопереноса в пористых материалах в поле массовых сил

• Автор: Лезнов, Владимир Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 115 с. : ил.

РЕФЕРАТ
Диссертация ] 11 стр., 49 рис., 153 библ.
Ключевые слова: влагоперенос, распределение влаги, математическая модель, тепловлажностная обработка, пористо-капиллярный материал, идентификация параметров модели, нестационарная массовая сила, перекосы содержания влаги.
Цель работы - выявление закономерностей эволюции содержания влаги в пористо-капиллярных изделиях при действии массовой силы, разработка их математического описания и методов расчета и повышение на их основе эффективности соответствующих технологических процессов.
Разработана одномерная ячеечная математическая модель, описывающая эволюцию содержания влаги в пористо-капиллярном материале в поле массовой силы, включающая описание выхода капельной влаги через открытый край материала и ее сушку с боковой поверхности.
Выполнены экспериментальные исследования эволюции содержания влаги в пористо-капиллярном материале с выходом капельной влаги через открытый край материала и на их основе проведена параметрическая идентификация и проверка математической модели.
Предложен новый подход к экспериментальному определению коэффициента массопроводности, отличающийся конструктивной простотой используемого оборудования и меньшим временем обработки результатов измерений, описано его аппаратурное оформление и методика выполнения экспериментов.
Предложен компьютерный метод инженерного расчета изменения локального влагосодержания и выхода капельной влаги при сушке пористокапиллярных длинномерных изделий при существенном влиянии массовой силы.
Разработанный метод расчета, его программно-алгоритмическое обеспечение и полученные на его основе рекомендации по совершенствованию процесса влажностной обработки тканей приняты к внедрению в ЗАО «Традиции текстиля».
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА
1.1. Проявление особенностей влагопереноса в поле массовой силы.
1.2. Основные подходы к математическому моделированию процессов влагопереноса в пористых материалах
1.3. Моделирование массопереноса на основе теории цепей Маркова
1.4. Постановка задачи исследования
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПОЛЕ МАССОВОЙ СИЛЫ
2.1. Базовая ячеечная модель влагопроводности в изолированном капиллярно-
пористом стержне
2.2. Учет предельного содержания влаги в ячейках
2.3. Учет эвакуации влаги с конца стержня
2.4. Испарение влаги с поверхности стержня
2.5. Влагоперенос при совместном действии силы тяжести и центробежной силы
2.5.1. Расчетная схема процесса и основные операторы модели
2.5.2. Влияние параметров процесса на эволюцию распределения содержания влаги
2.5.3. Минимизация перекоса распределения содержания влаги
2.6. Выводы по главе 2
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПОЛЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов
3.2. Исследование влагопроводности в изолированном образце
3.2.1. Чистая влагопроводность
3.2.2. Об одном способе определения коэффициента влагопроводности
3.2.3. Конвективная составляющая влагопроводности '
3.2.4. Удаление капельной влаги через нижний торец
3.3. Исследование влагопроводности и внешнего массообмена в открытом образце
3.3.1. Кинетика внешнего массообмена
3.3.2. Кинетика совмещенного процесса
3.4. Выводы по главе 3
4. МЕТОД РАСЧЕТА ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПОЛЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
4.1. Дополнительные сведения об определении параметров процесса
4.2. Последовательность инженерного расчета влагопереноса в поле массовой силы
4.3. Пример практического использования результатов работы
4.4. Выводы по главе 4
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ -
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. Широко распространенные в текстильной, химической, строительной и других отраслях промышленности процессы тепловлажностной обработки материалов продолжают оставаться одними из наиболее энергоемких составляющих их производства. В значительной степени они определяют и качество этих материалов или полуфабрикатов. Многообразие аппаратурного оформления этих процессов, вытекающее как из условий конкретного производства, так и из технологических требований к их организации, приводит к тому, что специфика их протекания также весьма разнообразна. При обработке пористо-капиллярных материалов массовые силы, например, сила тяжести или центробежная сила, оказывают существенное влияние на кинетику процесса. Под их действием происходит перераспределение содержания влаги, смещение ее в сторону действия массовой силы. Образующиеся перекосы содержания влаги в процессе сушки могут оказать отрицательное влияние на качество готовых изделий, особенно если сушка проводится при повышенной температуре и в материале формируются градиенты температуры, приводящие к термическим напряжениям. Аналогичная ситуация возникает при обработке тканей в рулонах, когда желательно равномерное распределение химического реагента по рулону в течение длительного времени.
Из сказанного следует, что математическое моделирование влагопереноса в поле массовых сил представляет собой актуальную научную и технологическую задачу. Однако аналитические решения уравнений влагопроводности в пористокапиллярном материале, на которых строятся математические модели, возможны только при весьма далеко идущих упрощениях, таких как предположение о линейности процесса и постоянстве массовой силы. Эти допущения часто входят в противоречие с важными реальными особенностями моделируемого процесса, что не позволяет адекватно прогнозировать его характеристики и выбирать ра-

циональные режимы его реализации. Требуются другие подходы, так или иначе связанные с численной процедурой решения. Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2
Выше был рассмотрен случай постоянной скорости конвективного переноса, соответствующий постоянной массовой силе, например, силе тяжести. В рассматриваемую ячеечную модель относительно легко ввести переменную скорость. Рассмотрим это на примере центробежной массовой силы. Пусть стержень вращается с угловой скоростью ш относительно одного из концов (рис.2.8).
Рис.2.8. Конвективный перенос в поле центробежной силы: к расчету скорости переноса
При квазистационарных движениях, когда пренебрегается инерцией относительного движения (а только такие модели движения и совместимы с уравнением (2.1); в противном случае процесс моделируется уравнением Фоккера-Планка) скорость движения пропорциональна ускорению массовой силы, то есть величине ш2Г]. С учетом этого можно записать, что
^=кусо2(р0,5),
где ку - коэффициент пропорциональности.
Считая, что при переменной конвективной скорости коэффициент массо-проводности остается постоянным, переходную матрицу можно записать в следующем виде

Х2.20)