Поиск в базе сайта:
Математическое моделирование цикла тепловой обработки пеностекольной шихты 01. 04. 14 icon

Математическое моделирование цикла тепловой обработки пеностекольной шихты 01. 04. 14




Скачать 303.41 Kb.
НазваниеМатематическое моделирование цикла тепловой обработки пеностекольной шихты 01. 04. 14
Городов Роман Владимирович
Дата конвертации02.12.2012
Вес303.41 Kb.
КатегорияАвтореферат


На правах рукописи




Городов Роман Владимирович


МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИКЛА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПЕНОСТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ


01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук


Томск 2009

Работа выполнена на кафедре «Атомные и тепловые электрические станции» Теплоэнергетического факультета Томского политехнического университета



^ Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Кузьмин Ариан Валерьевич



Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Гаврилов Петр Михайлович





доктор физико-математических наук, Ильин Александр Петрович





^ Ведущая организация: Томский государственный университет


Защита состоится «22» декабря 2009 г. в 1430 в ауд. 228 10 учебного корпуса ТПУ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДС 212.025.01 при Томском политехническом университете.


С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.


Автореферат разослан «___» ноября 2009 г.


Ученый секретарь совета ДС 212.025.01

кандидат физико-математических

наук, доцент О.Ю. Долматов

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы.

Вопрос теплоизоляции жилых и промышленных зданий, трубопроводов и прочих строительных объектов в России сегодня стоит довольно остро. В нашей стране на отопление тратится в три раза больше энергии, чем, например, в скандинавских странах. Причиной тому является недостаточная тепловая изоляция агрегатов ТЭЦ, теплопроводов и самих отапливаемых объектов. Сегодня выбор теплоизоляционных материалов велик – пенополиуретан, пенопласт, монтажные быстротвердеющие пены, газобетон, минераловолокнистые плиты, стекловата, керамзит и т.п. Но все они по тем или иным параметрам уступают пеностеклу. Например, минераловатные волокна накапливают влагу и со временем слеживаются; газобетон адсорбирует влагу, обладает худшими, чем у пеностекла плотностными и тепловыми характеристиками.

В настоящее время развитой технологией промышленного производства пеностекла обладают США, Япония, Китай и Беларусь. Россия после распада СССР, утратила собственное промышленное производство пеностекла и до сих пор не имеет восстановленной или запущенной вновь промышленной линии. Изучая вопросы зарубежного применения пеностекла, следует отметить, что в Европейском Союзе оно является признанным и одним из самых эффективных теплозащитных строительных материалов.

Технология получения пеностекла достаточно полно изложена в литературе. Несмотря на это, в настоящее время надежных методов оценки и прогнозирования основных стадий производства пеностекла не предложено. Оптимальный температурный режим является одним из важнейших этапов в рациональной технологии производства пеностекла, так как в зависимости от выбранного режима можно получить пеностекло с широким диапазоном свойств.

Для научно-обоснованного объяснения свойств и структуры пеностекла на различных этапах его возникновения необходимо достаточно полно знать механизм формирования исходной системы, из которой в результате постепенного накопления газообразных продуктов при нагревании формируется пеностекло. При разработке теоретической кривой вспенивания необходимо учитывать взаимосвязь между физическим состоянием смеси на каждом технологическом этапе и динамикой изменения ее теплофизических свойств.

Исходя из этого, возникает научно-техническая задача выбора и анализа температурных режимов на первой стадии производства пеностекла – стадии нагрева шихты до температуры спекания, а также анализа влияния теплового состояния пенообразующей смеси на последующие стадии формирования пеностекла – спекание и вспенивание.

Цель работы – теоретическое обоснование технологических параметров цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания в процессе производства пеностекла с учетом основных значимых факторов (режим нагрева, теплофизические свойства шихты, геометрия объекта).

Основные задачи исследования:

1. Создание математической модели процесса нестационарного теплопереноса в системе «греющий газ – металлическая форма – пеностекольная шихта».

2. Математическое моделирование теплового состояния пеностекольной шихты на стадии нагрева до температуры спекания в двумерной постановке, учитывающей реальную геометрию объекта.

3. Экспериментальное определение температурных зависимостей теплофизических характеристик пеностекольной шихты.

4. Анализ влияния режимов нагрева на равномерность прогрева шихты в момент начала спекания.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

  1. Впервые решена нелинейная нестационарная задача теплопереноса в системе «греющий газ – металлическая форма – пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и зависимостей теплофизических свойств шихты от температуры. В результате решения поставленной задачи определены температурные поля в шихте на стадии нагрева до температуры спекания, значительно влияющие на качество получаемого пеностекла.

  2. Экспериментально получены температурные зависимости температуропроводности и теплоемкости шихты, позволяющие выделить основные факторы, влияющие на равномерность прогрева слоя пенообразующей смеси до температуры спекания.

  3. Сделана оценка конвективной и радиационной составляющих подвода тепла к шихте и проведено сравнение результатов с данными других авторов, что позволило определить влияние отдельных составляющих теплопереноса в системе «греющий газ – металлическая форма – пеностекольная шихта» и уточнить существующую модель нагрева.

  4. Даны рекомендации по выбору температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты к моменту начала спекания и последующего вспенивания пеномассы.

Практическая значимость. Проведенные численные исследования вносят вклад в развитие представлений о режимах нагрева шихты до температуры спекания в процессе производства пеностекла. В диссертации разработаны теоретические основы выбора эффективных режимов нагрева на основе численного анализа температурных полей в шихте. Полученные новые результаты по математическому моделированию температурных полей в шихте при нагреве до температуры спекания являются основой для создания моделей последующих стадий производства пеностекла – спекания и порообразования, а также могут быть использованы при разработке и усовершенствовании температурных кривых туннельных печей, в которых производится пеностекло.

Достоверность полученных результатов гарантируется использованием корректных математических моделей рассматриваемых процессов теплопереноса и методов их решения, а также подтверждается сравнением результатов с известными экспериментальными данными работ других авторов. Достоверность результатов экспериментов по определению температурных зависимостей теплофизических свойств шихты следует из проведенных поверок работы установок на эталонных образцах и подтверждения результатов другими экспериментальными методами.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель теплопереноса в системе «греющий газ – металлическая форма – пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты от температуры.

2. Экспериментальные данные по температуропроводности и теплоемкости шихты в зависимости от температуры.

3. Результаты численного исследования механизмов теплопереноса от газов печного пространства к металлической форме и пеностекольной шихте.

4. Результаты численного моделирования температурных полей в шихте к началу спекания и факторов, влияющих на подвод тепла к шихте.

Личный вклад автора состоит в планировании и проведении экспериментов по определению зависимостей температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты от температуры, постановке задач о теплопереносе при нагреве пеностекольной шихты в печи с учетом реальной геометрии объекта и при последующем вспенивании пенообразующей смеси, выборе методов и разработке алгоритмов их решения, определении численных значений основных характеристик процессов, проведении теоретических исследований влияния различных факторов на эффективность подвода тепла к шихте, обработке и анализе полученных результатов, формулировке основных выводов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007, 2008 г.); IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». (Анапа, 2007 г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2007 г.); VIII Всероссийском совещании «Энергоэффективность и использование возобновляемых источников энергии – основные резервы энергетической безопасности регионов России» (Томск, 2007 г.); XIV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.); VII Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование» (Санкт-Петербург, 2009); региональной научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в трудах вышеуказанных научных мероприятий, а также в журнале «Известия ТПУ». Всего по материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 83 наименования, содержит 21 рисунок, 29 таблиц, 1 приложение, 118 страниц.


^ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные решаемые задачи, отражена практическая значимость и новизна полученных численных результатов, представлены защищаемые автором положения.

Обзор современного состояния производства пеностекла в России и за рубежом проведен в первой главе. При этом обозначены основные преимущества и недостатки пеностекла в сравнении с другими теплоизоляционными материалами, рассмотрены существующие способы производства, используемые сырьевые материалы и выделены основные факторы, сдерживающие развитие производства пеностекла в России.

Во второй главе приведены результаты экспериментов по определению зависимостей температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты от температуры, а также обоснована достоверность полученных результатов. Исследуемая шихта представляла собой стекольный порошок с удельной поверхностью Sуд≈6000 см2/г, что соответствует типичному технологическому процессу производства пеностекла.

Определение зависимости температуропроводности шихты от температуры проводилось по методу, предложенному О.А. Краевым. Суть метода заключается в том, что, осуществляя в опыте нагрев или охлаждение образца в необходимом интервале температур и измеряя при этом температуры в двух точках образца, удается найти температурную зависимость коэффициента температуропроводности, расчетная формула которого имеет вид:

(1)

где t0 – температура в центре образца (r=0), °С; ∆tRразность температур между точкой на радиусе R и центром. По результатам проведенных опытов максимальное расхождение между значениями температуропроводности, вычисленными по формуле (1) с учетом одного и двух членов ряда, составило 0,015∙10-7 м2/с. Это подтверждает малость второго и последующих членов ряда по сравнению с первым и позволяет при обработке данных использовать без большой ошибки только первое слагаемое формулы (1).

Расчетная формула (1) получена для бесконечно длинного цилиндра. Для цилиндрического образца конечной длины вследствие торцевых эффектов возможна ошибка, которая составила величину:

, (2)

где R, L – радиус и высота цилиндра соответственно; ∆tL – разность температур между точками z=0 и z=L на образующей цилиндра.

Исходя из полученного результата, сделан вывод о том, что в условиях проведенного эксперимента образец можно считать бесконечно длинным и определять зависимость температуропроводности от температуры по формуле (1) с использованием только первого слагаемого.




Рис. 1. Принципиальная схема установки для измерения коэффициента температуропроводности:

1–исследуемое вещество;

2–керамическая трубка; 3–нагреватель; 4–термопара (r=0); 5–термопара (r=9)

Печью сопротивления образец нагревался до температуры ≈600 °С, т.к. при больших температурах происходит спекание шихты. Температура в центре образца t0 измерялась термопарой 4 (рис. 1), разность температур ∆tR измерялась дифференциально включенными термопарами 4 и 5. Для нахождения зависимости температуропроводности от температуры была проведена серия из пяти опытов, в которых одновременно измерялись t0 и ∆tR.

Для проверки результатов эксперимента, был проведен опыт по определению температуропроводности шихты другим методом – методом регулярного режима I рода. На рис. 2 сопоставлены результаты определения зависимости температуропроводности от температуры двумя методами. Из сравнения этих результатов видно, что они достаточно хорошо согласуются между собой и в интервале температур 25…600 ºС аппроксимируются выражением

a(t)=(–3,10∙10–7t2+9,92∙10–4t+2,305)∙10–7. (3)

Измерение теплоемкости шихты проводились в интервале температур 50…400 °С методом монотонного режима. После выполнения градуировки прибора с целью определения постоянных измерительных ячеек проводилась поверка приборов на эталонных образцах (кварцевом стекле). Предел основной погрешности при измерении теплоемкости эталонных образцов не превышал 10 %. Для образцов шихты при измерении теплоемкости проводилась серия из десяти экспериментов в диапазоне температур 50…400 °С с шагом 25 °С. Результаты измерения теплоемкости шихты приведены на рис. 3. Аппроксимирующая кривая получена в виде:

C(t)= –3∙10-4t2+0,5354∙t+738,15. (4)



Рис. 2. Экспериментальная зависимость температуропровод-

ности шихты от температуры

Рис. 3. Экспериментальная зависимость теплоемкости шихты от температуры


В третьей главе проведен численный анализ механизмов подвода тепла к форме и шихте на стадии нагрева до температуры спекания с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты. Показан принцип выбора оптимальных температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты и последующего вспенивания пенообразующей смеси.

Для оценки механизмов подвода тепла к форме от газов печного пространства рассмотрена двумерная задача нагрева шихты в металлической форме, схематическое изображение которой приведено на рис. 4. Нагрев осуществляется до температуры спекания шихты, которая принимается равной 600 °С.



Рис. 4. Схема подвода тепла к шихте за счет конвекции и радиации


Подвод тепла к форме в печи осуществляется дымовыми газами, которые омывают ее снаружи. Рассмотрены все возможные механизмы подвода тепла: за счет только конвекции, только радиации и их совместного действия. В стенках формы тепло передается теплопроводностью. К шихте тепло подводится следующим образом (рис. 4): снизу и по бокам – за счет контакта со стенками формы (участки 1–3); сверху – от дымовых газов (участок 6).

При постановке задачи приняты следующие допущения:

1. На границах между стенками формы и шихты выполняется условие идеального теплового контакта.

2. Плотность шихты не зависит от температуры и остается постоянной на всем рассматриваемом интервале температур. Данное допущение объясняется тем, что, согласно экспериментальным данным, до температур спекания объем шихты практически не изменяется и лишь при спекании он уменьшается на 6…10 %.

Математическая постановка задачи включает уравнения теплопроводности для шихты и днища формы со следующими краевыми условиями: температура шихты и днища формы в начальный момент времени принималась равной 20 °С; на внешних границах системы задавались граничные условия третьего рода; на границах контакта между стенками днища формы и шихты – граничные условия четвертого рода. Решение задачи проведено численно, при этом величины yi, xi имели следующие значения в мм: y1=12; y2=47; y3=75; x1=20; x2=530; x3=550.


Таблица 1. Подведенное к шихте количество теплоты в зависимости от времени, температуры греющего газа и механизма подвода тепла

Время

нагрева, с

tдг=400 °С

tдг=800 °С

,

кДж/кг

,

кДж/кг

,

кДж/кг

,

кДж/кг

,

кДж/кг

,

кДж/кг

100

8

10

16

16

62

68

600

43

57

81

89

262

280

1800

101

131

172

211

493

524

3600

155

194

241

327

629

644

7200

224

266

297

473

670

671

Для оценки вклада радиационной и конвективной составляющих в общем подводе тепла проведен анализ решения поставленной задачи нагрева шихты в интервале температур печных газов 400…800 °С, для чего определено количество подведенного к шихте тепла, соответствующего различным моментам времени (табл. 1). Индексы К, Р и К+Р обозначают конвективный, радиационный и конвективно-радиационный подводы тепла к шихте соответственно.

Из табл. 1 видно, что конвективная и радиационная составляющие соизмеримы по величине в исследуемом интервале температур. Поэтому при расчетах процессов нагрева стекольной шихты необходимо учитывать как конвективную, так и радиационную составляющие подвода тепла.

Реальная геометрия рассматриваемого объекта по сравнению с представленной на рис. 4, более сложная. Металлическая крышка формы и газовый объем над шихтой создают дополнительные термические сопротивлениями при передаче тепла от газов печного пространства к шихте. Поэтому для оценки влияния крышки формы на подвод тепла к шихте рассмотрена задача нагрева шихты, схематическое изображение которой приведено на рис. 5.

Подвод тепла к форме в печи осуществляется дымовыми газами, которые омывают ее снаружи, при этом учитываются как конвективная, так и радиационная составляющие подвода тепла. В стенках формы тепло передается за счет теплопроводности. Снизу и по бокам к шихте тепло подводится за счет контакта со стенками формы (участки 1–3).



Рис. 5. Схема поперечного сечения металлической формы с шихтой


Механизм подвода тепла к верхней поверхности шихты не изучен, поэтому проведен анализ всех возможных процессов – теплопереноса теплопроводностью газа, конвекцией и тепловым излучением от внутренних поверхностей формы, не испытывающих прямого контакта с шихтой (участки 4–8).

Математическая постановка задачи включает уравнения теплопроводности для шихты, крышки и днища формы, а также для газа, заключенного в полости между шихтой и формой в случае теплопереноса теплопроводностью этого газа с соответствующими краевыми условиями: температура всех элементов системы в начальный момент времени принималась равной 20 °С; на внешних границах днища и крышки формы задавались граничные условия третьего рода; на границах контакта между стенками днища формы и шихты – граничные условия четвертого рода; на внутренних границах крышки и днища формы, не испытывающих непосредственного контакта с шихтой, и верхней поверхности шихты – граничные условия третьего рода в случае теплопереноса конвекцией и излучением или граничные условия четвертого рода в случае теплопереноса теплопроводностью газа. Решение задачи проведено численно, при этом величины yi, xi имели следующие значения в мм: y4=148; y5=150.


Таблица 2. Подведенное к шихте количество теплоты в зависимости от времени, температуры греющего газа и механизма подвода тепла

Время

нагрева, с

tдг=400 °С

tдг=800 °С

Q0,

кДж/кг

QТ,

кДж/кг

QР,

кДж/кг

QК,

кДж/кг

Q0,

кДж/кг

QТ,

кДж/кг

QР,

кДж/кг

QК,

кДж/кг

100

0,3

0,3

0,3

0,3

3,6

3,6

3,9

3,6

600

12

12

15

12

52

53

72

54

1800

54

55

74

56

230

239

357

239

3600

124

128

163

128

463

478

584

478

7200

228

233

259

233

636

644

667

644

Для оценки механизмов теплопереноса к верхней поверхности шихты проведен анализ решения поставленной задачи нагрева в интервале температур печных газов 400…800 °С, для чего определено количество подведенного к шихте тепла, соответствующего различным моментам времени (табл. 2). Полученные результаты сопоставлены с подведенным теплом, полученным при условии тепловой изоляции верхней поверхности шихты, т.е. когда тепло подводится только снизу и по бокам. Индексы 0, Т, Р и К обозначают подведенное к шихте тепло при условии тепловой изоляции ее верхней поверхности, за счет теплопроводности газа, излучения от внутренних поверхностей формы и конвекции газа, соответственно.

По данным в табл. 2, сделан вывод о том, что подвод тепла к верхней поверхности шихты за счет теплопроводности и конвекции газа намного меньше подвода тепла за счет излучения от внутренней поверхности формы. Исходя из этого, при расчетах процессов нагрева стекольной шихты в форме без большой потери точности можно не учитывать конвективную и кондуктивную составляющие подвода тепла к шихте, а в качестве основного механизма теплопередачи от формы к шихте принять лучистый теплообмен.

Результаты, представленные в табл. 1 и 2 позволили сделать оценку дополнительного термического сопротивления, создаваемого крышкой формы. Из сопоставления (табл. 1) и QР (табл. 2) видно, что крышка формы обладает достаточно большим термическим сопротивлением и при моделировании процесса нагрева шихты должна быть учтена.

По разработанной математической модели (рис. 5) с учетом конвективно-радиационного подвода тепла от дымовых газов к металлической форме и радиационного подвода тепла от внутренних поверхностей формы к верхней поверхности шихты проведен расчет температурных полей в шихте на стадии нагрева до температуры спекания по типовым режимам нагрева, используемым при производстве пеностекла, в которых температура греющих газов на стадии нагрева линейно изменяется от 400 до 800 °C за время 1…2 часа (обозначим их как режимы №1 и №2 ). Получено, что температура спекания достигается на поверхности слоя шихты, при этом температура центра слоя отстает от температуры поверхности на ∆t=65,45…130,40 °С, соответственно.

Для оценки эффективности нагрева смеси до температуры спекания проведен анализ температурных полей в смеси на стадии порообразования с точки зрения равномерности вспенивания. Для этого, рассмотрен слой пенообразующей смеси толщиной L/2=17,5 мм (рис. 6 а), верхняя граница которого нагрета до температуры начала спекания 600 °С (температурное поле получено по типовым режимам нагрева). В процессе нагрева пенообразующая смесь проходит такие стадии как спекание (рис. 6. б), которое начинается при температуре смеси равной 600 °С и заканчивается при достижении температуры 670 °С, и порообразование (рис. 6 в), которое, в свою очередь, начинается по окончании спекания при 670 °С и продолжается до температуры спека 770 °С. Следует отметить, что спекание протекает с уменьшением объема за счет увеличения плотности, а вспенивание, наоборот, с увеличением объема за счет выделения газа в спеке и, как результат, снижения плотности. В конце процесса должен получиться равномерно вспененный слой пеностекла (рис. 6 г).



Рис. 6. Принципиальная схема структурных преобразований при производстве пеностекла: а) исходное состояние (шихта); б) спекание; в) порообразование; г) готовое пеностекло


Математическая постановка задачи включает уравнения теплопроводности для шихты, спека и пеностекла со следующими краевыми условиями: температурное поле в шихте в начальный момент времени задавалось по результатам расчета задачи нагрева шихты до температуры спекания (рис. 5); на внешней границе шихты задавались граничные условия третьего рода; на границах контакта между слоями шихты, спека и пеностекла – граничные условия четвертого рода, при этом x1, x2 и x3 – подвижные границы, скорости которых определялись выражениями:

, ; (5)

; ,

, (6)

где – средняя плотность, кг/м3; τ1 – время начала процесса вспенивания (достижение температуры 670 °С на поверхности спека).

Данные эксперимента по спеканию пеностекольных шихт показывают, что время спекания составляет τсп =5 мин. Исходя из этого, средняя скорость движения фронта спекания составит

мм/с=5,83∙10-5 м/с. (7)

Аналогично определена средняя скорость движения границы процесса вспенивания (τвспен =60 мин)

мм/с=3,90∙10-6 м/с. (8)

Результаты решения задачи вспенивания для типовых режимов нагрева приведены в табл. 3.


Таблица 3. Температурные поля в пенообразующей смеси в момент времени τк=65 мин. при нагреве до температуры спекания по существующим режимам

Координата

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,063

Режим №1

642

643

649

662

682

709

786

Режим №2

672

672

677

688

705

728

789

Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что в центральных слоях пенообразующей смеси по истечении 65 минут процесс вспенивания или только начинается, если нагрев ведется по режиму №2, либо не начинается вообще, если нагрев производится по режиму №1. Это объясняется тем, что температура в центре засыпки ниже температуры порообразования или незначительно превосходит ее. Поэтому поризация ядра смеси происходит на следующем этапе производства пеностекла – отжиге, что негативно сказывается на качестве получаемого пеностекла. Также сделан вывод, что более равномерный прогрев шихты на стадии ее нагрева до температуры спекания позволит получить более равномерное температурное поле в пенообразующей смеси и на этапе вспенивания. Исходя из анализа результатов, изложенных выше, сделано предположение, что выдержка шихты при постоянной температуре дымовых газов на уровне близком к температуре спекания не приведет к превышению температурой поверхности шихты температуры спекания и в то же время позволит получить более равномерный прогрев в целом.

Для оценки этого предположения проведен численный анализ режимов нагрева с линейным увеличением температуры на начальном этапе нагрева с последующей выдержкой при постоянной температуре дымовых газов до момента начала спекания. При этом скорость увеличения температуры греющих газов на начальном участке принята равной 3,33 и 6,67 °С/мин., что соответствует типовым температурным режимам №1 и 2 (рис. 7).




Рис. 7. Режим нагрева с линейным увеличением температуры на начальном этапе и последующей выдержкой при постоянной температуре дымовых газов до момента начала спекания


Таблица 4. Результаты численного решения задачи нагрева шихты до температуры спекания по режимам с выдержкой при постоянной температуре дымовых газов в интервале tдг=620…700 °С (рис. 7)

^ Режим нагрева

τспек, мин

τвыд, мин

tmin, °С

t, °С

, °С

^ Скорость нагрева на начальном участке 3,33 °С/мин

tдг=620 °С

139

72

588

12

592

tдг=640 °С

118

46

577

23

584

tдг=660 °С

108

30

566

34

577

tдг=680 °С

103

18

557

43

571

tдг=700 °С

100

10

553

47

567

^ Скорость нагрева на начальном участке 6,67 °С/мин

tдг=620 °С

124

91

588

12

592

tдг=640 °С

102

66

575

25

584

tдг=660 °С

90

51

563

37

575

tдг=680 °С

83

41

551

49

568

tдг=700 °С

76

31

538

62

559


Результаты численного решения поставленной задачи представлены в табл. 4, где τспек, τвыд – время достижения температуры спекания и время выдержки шихты при постоянной температуре дымовых газов, соответственно, мин; tmin, – минимальная и средняя температуры шихты, °С; ∆t=tспек– tmin.

Оценка эффективности нагрева шихты до температуры спекания по предлагаемым режимам (рис. 7) проведена аналогично тому, как это было сделано для типовых режимов (табл. 5).


Таблица 5. Температурные поля в пенообразующей смеси в момент времени τк=65 мин при нагреве до температуры спекания по режимам с выдержкой при постоянной температуре дымовых газов в интервале tдг=620…700 °С

Координата

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,063

Скорость нагрева на начальном участке 3,33 °С/мин

tдг=620 °С

700

700

704

713

727

745

793

tдг=640 °С

695

696

700

709

724

742

792

tдг=660 °С

691

691

696

706

720

740

792

tдг=680 °С

686

687

691

701

717

737

791

tдг=700 °С

683

683

688

698

714

734

791

^ Скорость нагрева на начальном участке 6,67 °С/мин

tдг=620 °С

700

700

704

713

727

745

793

tдг=640 °С

694

695

699

709

723

742

79

tдг=660 °С

689

690

694

704

719

739

791

tдг=680 °С

683

684

688

698

714

735

791

tдг=700 °С

677

677

682

693

709

731

790

Полученные результаты свидетельствуют о том, что режимы нагрева шихты с линейным увеличением температуры дымовых газов на начальном этапе и последующей выдержкой при их постоянной температуре, близкой к температуре спекания, позволяют значительно улучшить качество прогрева, и, соответственно, качество получаемого пеностекла.


^ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ


Основные результаты и выводы по диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Экспериментально исследованы температурные зависимости температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты в интервале 25…600 °С и предложены функции, их аппроксимирующие:

a(t)=(–3,10∙10–7t2+9,92∙10–4t+2,305)∙10–7;

C(t)= –3∙10-4t2+0,5354∙t+738,15.

Полученные результаты экспериментов подтверждены поверкой работы установки на эталонных образцах и использованием других экспериментальных методов.

2. Разработаны математические модели процессов нестационарного теплопереноса в системах «греющий газ – металлическая форма – пеностекольная шихта» при нагреве шихты до температуры спекания и «шихта – спек – пеностекло» на стадии образования пеностекла, обеспечивающие теоретическое обоснование выбора эффективных температурных режимов печей, используемых при производстве пеностекла.

3. Обосновано, что при моделировании процессов теплоотдачи от греющих газов печного пространства к поверхности формы в системе «греющий газ – металлическая форма – пеностекольная шихта» необходимо учитывать как конвективную, так и радиационную составляющие подвода тепла, так как их вклад сравним по величине.

4. Установлено, что основным механизмом теплопереноса в газовой полости между шихтой и формой в системе «греющий газ – металлическая форма – пеностекольная шихта» является излучение от внутренней поверхности формы, по сравнению с которым конвективная и кондуктивная составляющие в газе малы.

5. Численным моделированием температурных полей в трехфазной системе «шихта – спек – пеностекло» в процессе образования пеностекла обосновано, что типовые температурные режимы нагрева шихты не являются эффективными с точки зрения равномерности прогрева к моменту начала спекания, так как из-за большой разницы температур между поверхностью и центром, получаемой при этих режимах, начало поризации в ядре пенообразующей смеси значительно отстает по времени от начала вспенивания поверхностных слоев спека.

6. Разработаны рекомендации по изменению параметров технологического режима цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания, основанные на равномерности протекания процесса порообразования в слое пенообразующей смеси на стадии вспенивания при производстве пеностекла, которые могут существенно повысить качество выпускаемой продукции.


^ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ


1. Городов Р.В., Кузьмин А.В. Оценка конвективной составляющей при нагреве шихты в печи в процессе производства пеностекла // Известия ТПУ. – 2008. – Т313. – №4. – С. 18-22.

2. Городов Р.В. Экспериментальное определение зависимости температуропроводности пеностекольной шихты от температуры // Известия ТПУ. – 2009. – Т314. – №4. – С. 24-30.

3. Городов Р.В., Кузьмин А.В. О некоторых проблемах производства пеностекла // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы докладов XIII Всероссийской научно-тех. конф. – г. Томск, 2007. – С. 104-107.

4. Городов Р.В. Современное состояние производства пеностекла в России // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Материалы докладов IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. – г. Анапа, 2007. – С. 46-48.

5. Городов Р.В. О необходимости разработки математической модели производства пеностекла // Наука, технологии, инновации: Материалы Всерос. научной конф. молодых ученых в 7 частях. – г. Новосибирск, 2007. Часть 1 , с. 76–80.

6. Городов Р.В., Кузьмин А.В. Современное состояние и пути увеличения производства пеностекла // Энергоэффективность и использование возобновляемых источников энергии – основные резервы энергетической безовасности регионов России: Материалы VIII Всерос. совещания. – г. Томск, 2007 . – с.96-100

7. Городов Р.В., Кузьмин А.В. О необходимости разработки математической модели изготовления пеностекла // Современные техника и технологии: Труды XIV Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. – г. Томск, 2008. – Т. 3. – С. 353–356.

8. Городов Р.В., Кузьмин А.В. Математическая модель процесса нагрева шихты при производстве пеностекла // Современные техника и технологии: Труды XIV Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. – г. Томск, 2008. – 2008.-Т.3. – С. 356-359.

9. Городов Р.В., Раков Ю.Я., Шаганов С.А. Экспериментальное определение теплоемкости пеностекольной шихты в зависимости от температуры // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы докладов XIV Всероссийской научно-тех. конф. – г. Томск, 2008. – С. 128-131.

10. Городов Р.В., Кузьмин А.В. Математические модели нагрева шихты в процессе производства пеностекла // Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование: Материалы докладов VII Международной научно-практ. конф. – г. Санкт-Петербург, 2009. – С. 321-322.

11. Городов Р.В., Кузьмин А.В. Анализ существующих режимов нагрева шихты в процессе производства пеностекла // Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование: Материалы докладов VII Международной научно-практ. конф. – г. Санкт-Петербург, 2009. – С. 322-323.

12. Городов Р.В., Кузьмин А.В., Раков Ю.Я. Расчет коэффициента теплопроводности пеностекольной шихты // Теплофизические основы энергетических технологий: Материалы докладов региональной научно-практ. конф. – г. Томск, 2009. – С. 85-92.


Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией