Тепломассоперенос в кирпичной садке при обжиге керамических изделий в туннельных печах

• Автор: Наумов, Виталий Леонидович
• Шифр специальности: 05.02.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 101 с. : ил.

1. Процессы обжига строительных материалов, их промышленная 7 реализация и методы моделирования и расчета

1.1. Физико-химические задачи процесса обжига строительных материа- 7 лов

1.2. Современные технологические схемы и оборудование для обжига 1

1.3. Математическое моделирование процессов термической обработки

1.4. Постановка задачи исследования

2. Разработка ячеечной математической модели прогрева материала 24 с произвольной конфигурацией сечения

2.1. Ячеечная модель теплоизолированного сечения

2.2. Моделирование внешнего теплообмена

2.3. Результаты численных экспериментов

2.4. Выводы по главе 2 48 Н 3. Модель неоднородного прогрева при протекании сопутствующих

процессов (массоперенос, химические реакции)

3.1. Тепло- и массоперенос в сечении при постоянных свойствах мате- 49 риала (линейная модель)
3.2. Учет зависимости свойств материала от параметров состояния (не- 59 линейная модель)
3.3. Учет протекания в материале химических реакций
3.4. Выводы по главе 3
4. Применение разработанных моделей к описанию процессов тер
мической обработки строительных материалов
4.1. Описание туннельной печи для обжига кирпича
4.2. Применение разработанных моделей к описанию процесса в печи
4.2.1. Модель с однородным прогревом садки
4.2.2. Экспериментальное исследование температур в различных точках садки
4.2.3. Разработка мероприятий по повышению однородности прогрева садки
4.3. Выводы по главе 4
Основные результаты диссертации
Список использованных источников
Приложения

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.
1. 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 теплофизических свойств материала и наличии внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.
2. Разработана ячеечная математическая модель обжига кирпича в садке в тоннельной обжиговой печи, позволяющая рассчитывать распределение всех параметров садки по ее сечению в процессе продвижения садки по длине печи.
3. Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек садки в процессе обжига в туннельной печи.
м,к*'=(1 - с1и )М|к +аим2к,
^ М2к+1=с)11М1к+(1-с111)М2к,

(3.4)
(3.5)
или в матричной форме
где М - вектор-столбец состояния цепи по запасам массы в ячейках, Рм -квадратная матрица переходных вероятностей для массы.
Алгоритм построения этой матрицы полностью аналогичен алгоритму построения матрицы Р(} и имеет те же ограничения на выбор Д1 и Дх, вытекающие и сущности с!и, формирующей элементы матрицы переходных вероятностей.
При одинаковых ячейках и одинаковых свойствах материала в них, когда запас массы прямо пропорционален концентрации, переходная матрица для концентрации также имеет смысл матрицы переходных вероятностей и равна переходной матрице для массы
Однако в общем случае концентрация не является аддитивной характеристикой состояния, и ее переходная матрица не может считаться матрицей переходных вероятностей.
Рассмотрим процесс диффузии на плоскости на примере сечения, показанного на рис.2.3.
Распределение концентрации по ячейкам может быть описано матрицей
(3.7)