Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса при сушке электромагнитным излучением

• Автор: Афанасьев, Анатолий Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 300 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯ ИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СУШКИ

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ современного состояния теории электромагнитной сушки

1.2. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА И ВЛАГИ В КАПИЛЛЯРНОПОРИСТОЙ СРЕДЕ

2.1. Уравнение распространения влаги.

2.2. Формула для интенсивности фазового перехода.

2.3. Уравнение распространения тепла.
2.4. Парообмен с воздушной средой по закону Ньютона
2.5. Парообмен по закону Дальтона
2.6. Краевые условия тепло и массообмсиа
2.7. Концепция поверхностных источников тепла
2.8. Начальнокраевая задача для расчета полей температуры и влагосодсржания
2.9. Выводы по главе 2.
ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СУШКИ ПРИ ЗАДАННОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПЛОТНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА.
3.1. Приближенная теория сушки.
3.1.1. Одномерная модель с постоянными коэффициентами переноса тепла и влаги.
3.1.2. Асимптотическое решение начальнокраевой задачи
3.1.3. Расчет основных характеристик
3.1.4. Механические напряжения при сушке
3.1.5. Температура мокрого термометра.
3.1.6. Конвективная сушка.
3.2. Выбор оптимального режима.
3.2.1. Постановка задачи оптимизации
3.2.2. Вывод основного соотношения
3.2.3. Концепция мягких и жестких режимов.
3.2.4. Напряжения массопереноса бу и Сгу
3.2.5. Сушка вида ИК, ВЧ, ИКВЧ.
3.2.6. Сушка вида СВЧ.
3.2.7. Режимы с максимально возможной интенсивностью сушки
3.2.8. Сушка материалов с параметром 1
3.3. Выводы по главе 3.
ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СУШКИ ПРИ ЗАДАН ЮМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ПЛОТНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА.
4.1. Переходные процессы.
4.1.1. О корректных начальных условиях в задачах электромагнитной сушки
4.1.2. Задача о сушке пластины. Безразмерные переменные, сетка, шаблон и сеточные функции.
4.1.3. Схема КранкаНиколсона. Алгоритм для численного решения одномерной задачи в однородной среде.
4.1.4. Тестирование вычислительной программы.
4.1.5. Текущий контроль работы вычислительной программы с помощью законов сохранения
4.1.6. Переходные процессы при сушке электромагнитным излучением.
4.1.7. Переходные процессы при сушке нагретым воздухом
4.2. Среда с переменными коэффициентами переноса тепла и
влаги.
4.2.1. Одномерная модель с переменными коэффициентами тспломассопереноса
4.2.2. Безразмерные переменные и сеточные функции
4.2.3. Интсгроинтерполяционный метод. Алгоритм для численного решения одномерной задачи в неоднородной 8 среде
4.2.4. Численный эксперимент влияние температурных и влажностных изменений коэффициентов переноса тепла и влаги на качество сушки
4.3. Краевые эффекты
4.3.1. Двумерная модель с постоянными коэффициентами тепломассопереноса. Задача для прямоугольной области
4.3.2. Безразмерный вид начальнокраевой задачи и сеточные функции
4.3.3. Метод переменных направлений. Алгоритм для численного решения двумерной задачи в однородной среде
4.3.4. Численный эксперимент краевые эффекты при сушке образца с прямоугольным поперечным сечением.
4.3.5. Обобщение на случай переменных коэффициентов переноса тепла и влаги.
4.4. Выводы по главе 4
ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ЗАДАННОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
5.1. Плоский неоднородный слой
5.1.1. Исходные соотношения электродинамики.
5.1.2. Плоские волны в непоглощающей части пространства
5.1.3. Фундаментальная и характеристическая матрица для плоской волны.
5.1.4. Характеристическая матрица для плоской волны в однородной среде
5.1.5. Характеристическая матрица для плоской волны в неоднородной среде
5.1.6. Отражательная и пропускательная способности плоского слоя.
5.1.7. Плотность тепловых потерь внутри плоского слоя
5.1.8. Уравнение энергетического баланса для плоского слоя
5.2. Цилиндрический неоднородный слой.
5.2.1. Цилиндрические волны в непоглощающей части пространства
5.2.2. Фундаментальная и характеристическая матрица для цилиндрической волны
5.2.3. Характеристическая матрица для цилиндрической
волны в однородной среде.
5.2.4. Характеристическая матрица для цилиндрической
волны в неоднородной среде.
5.2.5. Отражательная и пропускательная способности цилиндрического слоя
5.2.6. Плотность тепловых потерь внутри цилиндрического
5.2.7. Уравнение энергетического баланса для цилиндрического слоя
5.2.8. Асимптотический вид электромагнитных характеристик цилиндрического слоя.
5.3. Выводы по главе 5
ГЛАВА 6. ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМ ДЛЯ СОВМЕСТНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС А
6.1. Диэлектрическая проницаемость влажного материала. Модель Дебая и формула смешения
6.2. Алгоритм для совместного решения уравнений тепломассопереноса и уравнений электромагнитного поля
6.3. Численный эксперимент электромагнитная сушка неоднородного плоского слоя
6.4. Численный эксперимент электромагнитное надевание неоднородного цилиндрического слоя.
6.5. Коэффициенты отражения и пропускания неоднородного плоского слоя при большой глубине проникновения электромагнитной волны.
6.6. Выводы по главе 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


В приложениях даны тексты вычислительных программ, с помощью которых проводились численные эксперименты, свидетельства о государственной регистрации вычислительных программ и акты внедрения в производство результатов диссертационного исследования. Согласно общему плану изложения, плотность электромагнитных потерь в главах 3 и 4 является заданной электромагнитная задача не решается, а в главах 5 и 6 она вместе с функциями Т и входит в число неизвестных теперь заданной считается интенсивность падающей волны . Публикации. Материалы диссертации опубликованы в работах, из них статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. Сипливого Б, д. Колесникова Э. В., д. Гринчика , д. Яцышена В. В., д. Захарченко В. Д., д. Игнатьева В. К., д. Подгорного В. В., к. Шашлову Л. Е., ст. ВолГУ. ГЛАВА 1. Принципиальная возможность использования электромагнитного излучения для термообработки различных объектов заключается в способности материалов поглощать энергию электромагнитных волн. Поглощение электромагнитной энергии влажными материалами в диапазоне длин волн примерно от 1 мкм до см обусловлено присутствием в них молекул воды. При инфракрасной ИК сушке длина волны 0, мкм возбуждаются внутренние степени свободы молекул, а при сверхвысокочастотной СВЧ сушке длина волны НЮ см поглощение вызывается переориентацией молекул как диполей. Поглощательную способность материала принято характеризовать тангенсом угла потерь 5 или глубиной проникновения электромагнитного поля в материал А . Для целей настоящего исследования удобнее пользоваться глубиной проникновения. Если Ас с1 толщина слоя материала, то поглощение практически отсутствует если А с, то выделение тепловой энергии происходит в основном на поверхности материала, т. Таким образом, особенности электромагнитного способа сушки проявляются лишь при Ас1. Глубина проникновения излучения для сушки вида ИК и сушки вида СВЧ последнюю называют также микроволновой сушкой имеет порядок 1 и см соответственно. В общем случае поглощательная способность материала, т. А и 8, зависят от температуры, влагосодержания и частоты электромагнитного поля. Для термообработки в диапазоне СВЧ наиболее часто используют частоты 3, 5 и МГ ц. Сведения об электрофизических характеристиках различных материалов на этих частотах приведены в табл. Таблица 1. Таблица 1. Таблица 1. Таблица 1. Электрофизические Таблица 1. Основными характеристиками любого вида сушки с точки зрения производственных задач являются качество выходного продукта, интенсивность сушки и ее энергоемкость. Качество выходного продукта тем выше, чем ближе поле остаточного влагосодержания к однородному. Интенсивность сушки, от которой зависит ее продолжительность, определяется давлением паров воды вблизи поверхности материала и монотонно возрастает с ростом температуры этой поверхности. Например, для пищевых продуктов температура в любом месте, в том числе и на поверхности, не должна превышать С при этих условиях сушка вида НК или СВЧ будет продолжаться часа, а продолжительность конвективной сушки будет примерно в три раза больше. Энергоемкость сушки есть затраты энергии на удаление из материала 1 кг воды. Поскольку вода удаляется в виде пара, то физическим пределом для энергоемкости является удельная теплота парообразования воды 2, МДжкг0,8 кВтчкг. Характерные значения энергоемкости для сушки вида ИК, СВЧ и конвективной сушки есть 1, 1,5 и 3 кВт. Основные задачи, которые ставятся при организации сушки электромагнитным излучением, состоят в снижении энергоемкости сушки, повышении ее интенсивности и минимизации перепадов влагосодержания и температуры по объему образца. Большой перепад влагосодержания говорит о низком качестве выходного продукта, а рост температурного перепада, который обычно сопутствует рост интенсивности сушки, может привести к пере реву материала. Независимо от области ее применения, любая технологическая установка для электротермической обработки материалов имеет в своем составе следующие основные части рис.