Моделирование и расчет процессов теплопереноса при термической обработке изделий перемещающимися источниками тепловой энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Иванов, Александр Борисович

• Иванов, Александр Борисович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Александр Борисович

Введение

1. Современное состояние проблемы моделирования и расчета 7 технологического прогрева строительных изделий

1.1. Технологические задачи и схемы прогрева. Прогрев распределен- 7 ными и локализованными источниками теплоты

1.2. Математическое моделирование процессов нестационарной 11 теплопроводности в твердых телах

1.3. Ячеечные модели прогрева одно- и двухмерных объектов

1.4. Постановка задачи исследования

2. Математическое моделирование прогрева одномерного объекта 24 (стержня) перемещающимся источником теплоты

2.1. Базовая модель прогрева теплоизолированного стержня

2.2. Теплопередача от движущегося источника

2.3. Учет теплоотдачи в окружающую среду

2.4. Прохождение стержня через тепловой источник

2.4.1. Локализованный источник

2.4.2. Распределенный источник

2.5. Выводы по главе

3. Математическое моделирование прогрева плоской пластины 49 перемещающимся источником теплоты

3.1. Базовая модель прогрева теплоизолированной пластины

3.2. Теплопередача от движущегося источника с учетом теплоотдачи в 59 окружающую среду

3.3. Результаты численных экспериментов по прогреву пластины

3.4. Выводы по главе

4. Применение разработанных моделей к описанию процессов 74 технологического прогрева изделий перемещающимися источниками теплоты.

4.1. К расчету коэффициентов теплоотдачи

4.2. Метод и пример расчета

4.3. Сведения о практической реализации результатов

4.4. Выводы по главе 4 87 Основные результаты диссертации 88 Список использованных источников 89 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и расчет процессов теплопереноса при термической обработке изделий перемещающимися источниками тепловой энергии»

Актуальность темы диссертации. При производстве и монтаже строительных изделий и конструкций, а также в смежных отраслях промышленности широко распространены процессы прогрева изделий и выдержки их при определенной температуре. Достаточно часто на эти процессы сопровождаются довольно жесткими ограничениями на скорость и, главное, на равномерность прогрева. Если характерный размер источника тепловой энергии равен или превосходит характерный размер прогреваемого изделия, то выполнение требования равномерности прогрева не вызывает трудностей. Однако часто это соотношение размеров не может быть выдержано и прогрев осуществляется локальными источниками теплоты, характерный размер которых заметно меньше размера прогреваемого изделия. Здесь требование равномерности выходит на первый план. При прогреве неподвижным локальным источником приходится прибегать к значительному перегреву близких к нему участков изделия, чтобы удаленные участки достигли требуемой температуры. Это может привести к возникновению в изделиях значительных термических напряжений, что, в свою очередь, может вызвать образование трещин или вообще разрушение изделия и (или) нежелательное изменение свойств изделия или среды, с помощью которой изделия соединяются друг с другом, например, при нанесении плиточных покрытий с помощью термоклея. Повышение равномерности прогрева может быть достигнуто путем перемещения источника тепловой энергии по поверхности изделия по некоторой программе. Однако достижение достаточно выраженного технологического результата зависит от траектории и скорости движения локального источника теплоты. Например, длительная задержка источника в некоторой зоне изделия приводит к ее более интенсивному прогреву, но за это время удаленные зоны изделия успевают значительно остыть, и перенос источника в одну из этих зон в целом может не скомпенсировать остывания.

Очевидно, что условия такого прогрева зависят от формы изделия, теплоотдачи от локального источника теплоты к изделию, от теплоотдачи от изделия к окружающей среде и от теплофизических свойств материала, из которого изготовлено изделие. В силу многообразия этих параметров и их комбинаций эмпирический поиск рациональных (или оптимальных) траекторий и скоростей движения локального источника по прогреваемому изделию является трудоемкой и продолжительной задачей. Выбор рациональных условий прогрева может быть значительно упрощен и облегчен с помощью математических моделей этого процесса и его программно-алгоритмического обеспечения, тем более, что современный уровень развития строительной теплофизики уже содержит математические описания отдельных составляющих этого процесса, позволяющие достаточно достоверное их прогнозирование. Все отмеченное и определило 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 разработке мероприятий по повышению скорости и равномерности нагрева изделий и конструкций при их термической обработке локальными источниками тепловой энергии путем поиска рациональных перемещений источника на основе математических моделей. Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.

1. Разработана ячеечная математическая модель прогрева одномерного объекта (стержня) перемещающимся вдоль него локальным источником тепловой энергии с учетом теплоотдачи в окружающую среду.

2. Показано, что переход от неподвижного источника к перемещающемуся позволяет значительно повысить скорость и равномерность прогрева, и выполнены количественные оценки этого повышения при различных программах движения источника и характеристиках теплообмена.

3. Построена математическая модель прогрева одномерного объекта при его проводке через источник тепловой энергии (нагревательную камеру) и выполнена оценка влияния параметров процесса на характеристики прогрева.

4. Разработана математическая модель прогрева пластины перемещающимся источником и исследовано влияние программы и скорости движения источника по поверхности пластины. В частности, показано, что наибольшая скорость и равномерность прогрева достигаются при перемещении источника по прямоугольному контуру с размерами, вдвое меньшими размеров пластины.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета прогрева одномерных и двухмерных изделий перемещающимися локальными источниками тепловой энергии и выбора рациональных программ и скоростей перемещения источника, а также программно-алгоритмическое обеспечение метода.

2. Для ряда конкретных случаев найдены рациональные программы и скорости перемещения источника, обеспечивающие наибольшую скорость и равномерность прогрева.

3. Разработанные методы расчета и их программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию прогрева приняты к внедрению на ОАО Ивановский завод керамических изделий и на ОАО Ивановский силикатный завод.

Автор защищает:

1. Ячеечные математические модели прогрева стержня и пластины перемещающимися локальными источниками тепловой энергии.

2. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния параметров и условий прогрева на его скорость и равномерность.

3. Найденные рациональные программы и скорости перемещения источника, обеспечивающие наибольшую скорость и равномерность прогрева.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на VII Международной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования», Иваново, 2005, а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ИГХТУ и кафедры прикладной математики ИГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы [91-94].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (94 наименования) и приложения.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Иванов, Александр Борисович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана ячеечная математическая модель прогрева однородного одномерного объекта (стержня) перемещающимся по заданной программе локализованным источником теплоты с учетом теплоотдачи в окружающую среду.

2. По разработанной модели выполнены численные эксперименты по исследованию влияния основных характеристик процесса на скорость и равномерность прогрева и показано, что периодический перенос источника в различные точки стержня по его длине приводит к значительному росту скорости и равномерности прогрева по сравнению с прогревом неподвижным источником, причем основной эффект достигается уже при двухточечном прогреве.

3. Установлено, что при заданной программе движения источника наибольшая скорость и равномерность прогрева достигаются при малом времени задержки источника в прогреваемых точках. С ростом задержки скорость и равномерность прогрева снижаются, но остаются большими, чем при прогреве неподвижным источником.

4. Разработана математическая модель прогрева стержня путем проводки через локализованный и распределенный источники теплоты и исследовано влияние условий проводки на изменение температуры точек стержня.

5. Разработана математическая модель прогрева пластины перемещающимся источником теплоты с учетом теплоотдачи с ее поверхности к окружающей среде и исследовано влияние программы и скорости движения источника по поверхности пластины на изменение всего поля температуры, минимальной температуры и степени равномерности прогрева.

6. Показано, что наибольшая скорость и равномерность прогрева достигаются при перемещении источника по угловым точкам прямоугольного контура с размерами, вдвое меньшими размеров нагреваемой пластины.

Разработанная математическая модель и ее программно-алгоритмическое обеспечение нашли практическое применение в ОАО «Ивановский силикатный завод» и ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Александр Борисович, 2006 год

1. Тепловые процессы в технологии силикатов: Учебник/ А.В. Ралко, А.А. Крупа, Н.Н. Племянников, Н.В. Алексеенко, Ю.Д. Зинько. К.: Вища школа, 1986.-232с.

2. Машиностроение. Энциклопедия. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. Т. IV-12/ Под общ. ред. М.Б.Генералова -М.: Машиностроение. 2004 832с.

3. Баранов Д.А., Блиничев В.Н. и др. Процессы и аппараты химической технологии (явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование) в 5 т. Т. 2. Механические и гидромеханические процессы. Под ред. A.M. Кутепова. -М: ЛОГОС, 2001. 600с.

4. Тепловые процессы и технологии силикатных материалов: Учебник для вузов / И.А. Булавин, И.А. Макаров, А.Я. Рапопорт, В.К. Хохлов. -М.: Стройиздат, 1982.-249с.

5. Федосов С.В., Акулова М.В. Плазменная металлизация бетонов. М: Изд-во АСВ, 2003. - 120с.

6. Баженов Ю.М., Федосов С.В., Щепочкина Ю.А., Акулова М.В. Высвоко-температурная отделка бетона стекловидными покрытиями. М: Изд-во АСВ, 2005.- 128с.

7. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. / Науч. ред. П.Д. Саркисов и М.Д. Ходаковский. Т.2 . -М.: ВИНИТИ, 1989. -175с.

8. Корсак Н.Г. Огнеструйный метод отделки строительных элементов и зданий // Строительные материалы. —1975. №1. -С. 17-18.

9. Румянцев Б.М., Журба В.П. Тепловые установки в производстве строительных материалов и изделий: Учеб. пособие для строит, вузов по спец. «Пр-во строит, изделий и конструкций». М.: Высшая школа, 1991. —160с.

10. Нехорошев А.В. Теоретические основы технологии тепловой обработки неорганических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1978. 232с.

11. Симин Г.Ф. Сушка и обжиг керамических стеновых материалов при повышенных скоростях газового потока. М.: РОСНИИМС, 1959. - 121с.

12. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. М.: Высшая школа, 1986. - 280с.

13. Мухина Т.Г. Производство силикатного кирпича. Уч. пособие. — М.: Профтехизд, 1968. 132с.

14. Воробьев В.А. Строительные материалы. Изд. 5—е перераб. М.: Высшая школа, 1973. - 375с.

15. Кошляк J1.JI. Производство изделий строительной керамики. — М.: Стройиздат, 1990.- 135с.

16. Высокотемпературные процессы химической технологии и перспективы их развития. JL: Наука, 1980. -206с.

17. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. — М.: Химия, 1979.:— 288с.

18. Наумов М.М. Туннельные печи кирпичной промышленности. — М.: Стройиздат, 1953.

19. Федосов С.В., Анисимова Н.К. Тепломассообмен: Учеб. Пособие / Иван, гос. архит.-строит. акад. Иваново, 2004. - 104с.

20. Болгарский А.В. и др. Термодинамика и теплопередача. Учебн. Для вузов. М., «Высшая школа», 1975. -495с.

21. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969.-435с.

22. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества.// АН БССР, — Минск, 1959. 330 с.

23. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. Учебное пособие. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. 464 с.

24. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

25. Лыков А.В. Тепло- и массоперенос. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. -243 с.

26. Лыков А.В. Теплопроводность нестационарных процессов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948.-231 с.

27. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М: Высшая школа, 1967. -599 с.

28. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики.// АН БССР, Минск, 1961.-519 с.

29. Темкин А.Г. Аналитическая теория нестационарного тепло- и массооб-мена в процессе сушки и обратные задачи аналитической теории сушки. — Минск: Наука и техника, 1964. 364с.

30. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы математической физики. М.: Наука, Г.Р.Ф.-М.Л, 1973. 352с.

31. Федосов С.В., Сокольский А.И., Зайцев В.А. Тепловлагоперенос в сферической частице при условии 3-го рода и неравномерном начальном условии. // Изв. вузов: Химия и химическая технология. 1989. т.32, вып. 3. -с. 99—104.

32. Федосов С.В. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. — Диссертация на соискание учёной степени докт. техн. наук. Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

33. Зайцев В.А. Процессы термической обработки сыпучих и листовых материалов в аппаратах интенсивного действия. — Диссертация на соискание учёной степени д. т. н. -Иваново: ИГАСА, 1996. 387с.

34. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1972. - 560 с.

35. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

36. Карташов Э.М., Любов Б.Я. Метод решения обобщенных тепловых задач в области с границей движущейся по параболическому закону. // Журнал техническая физика, 1971, т.61, №1. —с.З—16.

37. Карташов Э.М. Метод интегральных преобразований а аналитической теории теплопроводности твёрдых тел. — Изв. АН РФ. М.: Энергетика. 1993,-№2,-С. 99-127.

38. Карташов Э.М. Расчёты температурных полей в твёрдых телах на основе улучшенной сходимости рядов Фурье — Ханкеля. Изв. АН РФ. - М.: Энергетика, 1993.-№3,-С. 106-125.

39. Карташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1985. -480с.

40. Карташов Э.М. Аналитические методы смешанных граничных задач теории теплопроводности. Обзор// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986. №6. —С. 116—129.

41. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1982. в 2-х частях.

42. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. -М.: Энергия, 1971.-407с.

43. Мизонов В.Е. Уравнения математической физики. Курс лекций. Иваново, ИГЭУ, 2001.-60с.

44. Бабенко Ю.И. Тепломассообмен: Метод расчета тепловых и диффузионных потоков. Л.: Химия, 1986. -144с.

45. Зайцев В.А., Федосов С.В. О методе «микропроцессов» и «псевдоисточников» при моделировании тепломассопереноса в процессах сушки. Мат. 2-й Межд. Науч. Конф. «Теоретические иэкспериментальные основы создания нового оборудования». Краков, 1995.-с.275—282.

46. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Высшая школа, 1973. -632с.

47. Никитенко Н.И. Исследование процессов теплообмена методом сеток. — Киев, 1978.

48. Зуева Г.А., Блиничев В.Н., Постникова И.В. Моделирование термического разложения сферической частицы. // Теоретические основы химической технологии, 1999, т.ЗЗ, №3. -с.323-327.

49. Меламед Л.Э. Нагрев массивного тела круговым источником тепла с учетом теплоотдачи с поверхности //Инженерно=физический журнал. -1981.-Т.40.-№3.-С.524-526.

50. Раппопорт Д.А., Буданин О.Н. Расчет нестационарного теплового поля в многослойной плите с неоднородностями при прогреве подвижным источником //Инженерно=физический журнал. -1980.-Т.38.-№1."-С. 163-164.

51. Коляно Ю.М., Горбачев В.А. Нагрев двухступенчатой пластинки движущимся источником тепла//Инженерно-физический журнал. -1984.-Т.42.-№1.-С.129-134.

52. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.2. —М.: Мир, 1984. -738с.

53. Тихонов В.И. и Миронов М.А. Марковские процессы. —М.: Советское радио, 1977.-488с.

54. Анисимов В.В. Случайные процессы с дискретной компонентой. -М.: Наука, 1988.-183с.

55. Ховард Р.А. Динамическое программирование и марковские процессы. Пер. с англ. В.В. Рыкова. Под ред. И.П. Бусленко. -М.: Советское радио, 1964,.-886с.

56. Протодьяконов И.О., Богданов С.Р. Статистическая теория явлений переноса в процессах химической технологии. -Л.: Химия, 1983. -400с.

57. Венцель Е.С. и Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. -М.: Наука, 1988. -664с.

58. Венцель Е.С. и Овчаров JI.A. Прикладные задачи теории вероятностей. -М.: Радио и связь, 1983. -416с.

59. Гихман И.И. и Скороходов А.В. Теория случайных процессов. T.l. -М.: Энергия, 1969. -95с.

60. Андреев В.Н. и Иоффе А.Я. Эти замечательные цепи. -М.: Знание, 1987. -191с.

61. Падохин В.А. Стохастическое моделирование диспергирования и меха-ноактивации гетерогенных систем. Описание и расчет совмещенных процессов. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., — Иваново: ИГ АСА, 2000. -388с.

62. Tamir A. Applications of Markov chains in Chemical Engineering. Elsevier publishers, Amsterdam, 1998, -604 p.

63. Mizonov V., Berthiaux H., Marikh K., Zhukov V. Application of the Theory of Markovian Chains to Processes Analysis and Simulation. Ecole des Mines d'Albi, 2000, -61p.

64. Mizonov V., Berthiaux H., Zhukov V. Application of the Theory of Markov Chains to Simulation and Analysis of Processes with Granular Materials. Ecole des Mines d'Albi, 2002, -64p.

65. Марик К., Баранцева E.A., Мизонов В.Е., Бертье А. Математическая модель процесса непрерывного смешения сыпучих материалов. Изв. Вузов: Химия и хим. технология, т.44, вып.2, 2001, -с.121—123.

66. Marikh К., Mizonov V., Berthiaux Н., Barantseva Е., Zhukov V. Algorithme de construction de modeles markoviens multidimensinnels pour le melagne des poudres. Recents Progres en Genie des Procedes. V15(200l)No.82. -pp.41— 48.

67. Berthiaux H., Espitalir F., Kiefer J.C., Niel M., Mizonov V.E. A Markov chain model to describe the residence time distribution in a stirred bead mill. Powder

68. Technology Handbook. Volume 10: Handbook on Conveying and Handling of Particulate Solids. Elsevier, 2001.

69. V. E. Mizonov, H Brthiaux, V. P. Zhukov, S. Bernotat. Application of Multi— Dimensional Markov Chains to Model kinetics of Grinding with Internal Classification. Proc. of the 10—th symposium on Comminution Heidelberg 2002 -14 p. (on CD).

70. M. Aoun—Habbache, M. Aoun, H. Berthiaux, V. E. Mizonov. An experimental method and a Markov chain model to describe axial and radial mixing in a hoop mixer. Powder Technology, 2002, vol. 128 / 2—3, -pp. 159—167.

71. K. Marikh, E. Barantzeva, D. Ponomarev, H. Berthiaux, V. Mizonov. Modelling Continuous Powder Mixing by Means of the Theory of Markov Chains.th

72. Proc. Of the 4 International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, v.2. Budapest, Hungary, May 2003, -pp.12.27—12.31.

73. Пономарев Д.А., Мизонов B.E., Berthiaux H., Баранцева E.A. Нелинейная математическая модель транспорта сыпучего материала в лопастном смесителе. Изв. вузов: Химия и хим. технология, т.46, вып.5, 2003, -с.157—159.

74. Marikh К., Berthiaux Н., Mizonov V. Residence Time Distribution Experiments and Modeling in a Continuous Mixer. Program of the 4—th European Congress of Chemical Engineering "A Tool for Progress". Granada, Spain, Sept.21—25,2003.

75. Zhukov V.P., Mizonov V.E., Otwinowski H. Modelling of Classification Process. Powder Handling and Processing, vol.15, No 3, May/June 2003, -pp.184—188.

76. Огурцов А.В. Жуков В.П. Мизонов В.Е. Овчинников JI.H. Моделирование истирания частиц в кипящем слое на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2003, т.46, вып. 7, -с.64—66.

77. Жуков В.П., Мизонов В.Е., Berthiaux Н., Otwiniwski Н., Urbaniak D., Zbronski D. Математическая модель гравитационной классификации на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2004, т.47, вып. 1, -с. 125—127.

78. Mizonov V.E., Berthiaux Н., Zhukov V.P., Bernotat S. Application of multi—dimensional Markov chains to model kinetics of grinding with internal classification. International Journal of Mineral Processing, 2004 (4).

79. Тальянов Ю.Е. Моделирование процесса конвективной сушки при переменной начальной влажности материала. // Сб. тезисов международной научно—практической конференции: Актуальные проблемы развития экономики. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003. — с. 145—147.

80. Тальянов Ю.Е., Волынский В.Ю. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки строительных дисперсных материалов в барабанных аппаратах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003. — 16 с.

81. Тальянов Ю.Е. Моделирование теплообмена потоками сыпучего материала и газа. Сб. науч. трудов вузов России / Проблемы экономики, финансов и управления производством. 15 вып. / Отв. ред. В.А. Зайцев-Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ»,2004.-с.510—513.

82. Тальянов Ю.Е. Тепломассоперенос в барабанных аппаратах для термической обработки дисперсных строительных материалов. Диссертация на соискание учёной степени канд. техн. наук., -Иваново: ИГАСА, 2004. 99с.

83. В.А. Ванюшкин, В.А. Зайцев, В.Е. Мизонов, В.Ю. Волынский. Состояние вопроса и перспективы математического моделированиятермической переработки строительных материалов в шахтных печах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2004. — 52 с.

84. Наумов В.Л., Волынский В.Ю., Зайцев В.А., Мизонов В.Е. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки керамических изделий в обжиговых печах. Иван. гос. хим,-технол. ун-т. Иваново, 2005. 56с.

85. Иванов А.Б., Зайцев В.А., Мизонов В.Е., Федосов С.В. Моделирование и расчет нагрева твердых тел перемещающимися источниками теплоты: Монография/ Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2005. 64с.