Процессы теплопередачи в строительных изделиях с внутренними полостями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Фоминский, Сергей Николаевич

• Фоминский, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фоминский, Сергей Николаевич

Введение

1. Современное состояние проблемы моделирования и расчета те- 7 плоизоляционных свойств ограждающих конструкций

1.1. Технологические задачи теплоизоляции и подходы к ее конструк- 7 тивному оформлению

1.2. Математическое моделирование процессов теплопроводности в 19 твердых телах

1.3. Ячеечные модели теплопередачи в двухмерных объектах

1.4. Постановка задачи исследования

2. Математическое моделирование теплопроводности в плоской 29 составной стенке

2.1.0 соотношении теплоизоляционных и прочностных характери- 30 стик плоской составной стенки

2.2. Одномерная ячеечная модель теплопроводности через составную 34 плоскую стенку

2.3. Одномерная ячеечная модель теплопередачи через составную 40 плоскую стенку

2.4. Выводы по главе 2

3. Математическое моделирование теплопроводности в плоской 49 стенке с внутренними полостями

3.1. Ячеечная модель теплопроводности в плоском сечении с внутрен- 49 ними полостями

3.2. Расчетное исследование влияния формы и размеров полости на 56 тепломеханические характеристики стенки

3.3. Обобщение результатов по эффективности применения прямо- 74 угольных полостей

3.4. Выводы по главе

4. Применение разработанных моделей к определению рацио- 81 нальных параметров внутренних полостей в пустотелом строительном кирпиче

4.1. Уточнение ячеечной модели и метод расчета

4.2. Расчетное исследование рациональных форм полостей в пустоте- 87 лом красном кирпиче

4.3. Выводы по главе 4 91 Основные результаты диссертации 92 Список использованных источников 93 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы теплопередачи в строительных изделиях с внутренними полостями»

Актуальность темы диссертации. Современное состояние развития народного хозяйства характеризуется все возрастающей ролью задач энергосбережения. В строительной и смежных отраслях промышленности одним из основных направлений решения этой задачи является повышение теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций. Это достигается применением теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью. Однако, большинство подобных материалов имеет низкие прочностные характеристики. Поэтому одним из решений этой задачи является создание составных стенок или стенок с внутренними полостями, где основной материал, обладающий, как правило, относительно высокой теплопроводностью, несет силовую нагрузку, а среда в полости, имеющая более низкую теплопроводность, обеспечивает теплоизоляцию. В частности, этот принцип реализуется в производстве строительного кирпича с внутренними пустотами.

В силу многообразия параметров задачи и их комбинаций эмпирический поиск рациональных (или оптимальных) форм и размеров внутренних полостей является трудоемкой и продолжительной задачей. Выбор рациональных параметров стенок с внутренними полостями 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 его составляющих, позволяющие достаточно достоверное их прогнозирование. Эти модели должны базироваться на расчетах теплового потока через стенку с полостями, то есть на решении как минимум двухмерной задачи теплопроводности через плоскую стенку с внутренними полостями, имеющими в общем случае произвольную конфигурацию. Аналитические методы решения подобных задач, как правило, не существуют, а численные методы - громоздки и плохо поддаются инженерной интерпретации.

Таким образом, разработка математических моделей и базирующихся на них методов инженерного расчета, позволяющих анализировать и оптимизировать форму и размеры внутренних полостей, обеспечивающих компромисс между теплоизоляционными и прочностными свойствами, является актуальной научной и практической задачей.

Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - AI 18 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и тематическим планом НИР ИГХТУ.

Цель работы состояла в разработке методов расчета и научно обоснованных рекомендаций по проектированию строительных изделий и конструкций с внутренними полостями, обеспечивающими повышение их теплоизоляционных характеристик и компромисс между снижением теплового потока и прочностных свойств.

Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.

1. Предложен комбинированный критерий эффективности стенки с внутренними полостями, являющийся отношением коэффициента ослабления теплового потока и коэффициента ослабления сечения стенки.

2. Разработана одномерная ячеечная модель теплопередачи через составную плоскую стенку, состоящую из слоев с разной температуропроводностью, позволяющая описывать как нестационарные, так и установившиеся тепловые процессы в ней.

3. Показано, что при постоянной толщине всей стенки комбинированный критерий ее эффективности имеет оптимум по толщине слоев, зависящий от соотношения их температуропроводностей.

4. Разработана двухмерная ячеечная математическая модель теплопередачи через стенку с внутренними полостями, позволяющая рассчитывать распределение температуры и тепловые потоки через нее как в нестационарном, так и в установившемся состоянии. Показано, что рациональная форма и размеры полости с точки зрения комбинированного критерия зависят от того, из какого механического условия рассчитывается коэффициент ослабления сечения.

5. Выполнены численные эксперименты по исследованию влияния на характеристики стенки прямоугольной полости и предложены рекомендации по рациональным (оптимальным) размерам полости.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета тепловых потоков через стенки с внутренними полостями, позволяющий рассчитывать распределение температуры и тепловые потоки через нее как в нестационарном, так и в установившемся состоянии, а также программно-алгоритмическое обеспечение метода.

2. Исследовано влияние формы и размеров полостей на ослабление теплового потока через стенку и на ухудшение ее механических характер ристик и предложены рациональные формы и размеры полостей, обеспечивающие компромисс между этими характеристиками.

3. Разработанные методы расчета и их программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по проектированию внутренних полостей приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Автор защищает:

1. Одномерные и двухмерные ячеечные математические модели теплопроводности в среде со скачкообразным изменением теплофизических свойств, позволяющие описывать переходные и установившиеся тепловые процессы в стенках с внутренними полостями произвольной конфигурации.

2. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния формы и размера полости на ослабление теплового потока через стенку и ее механических свойств.

3. Найденные рациональные размеры полостей, обеспечивающие компромисс между повышением теплоизоляционных и снижением механических характеристик стенки.

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 [93-96].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (96 наименований) и приложения.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Фоминский, Сергей Николаевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложен комбинированный критерий для оценки эффективности стенки с внутренними полостями, являющийся отношением коэффициента ослабления теплового потока и коэффициента ослабления сечения стенки.

2. Разработана одномерная ячеечная модель теплопередачи через составную плоскую стенку, состоящую из слоев с разной температуропроводностью, позволяющая описывать как нестационарные, так и установившиеся тепловые процессы в ней. Показано, что при постоянной толщине всей стенки комбинированный критерий ее эффективности имеет оптимум по толщине слоев, зависящий от соотношения их температуропроводностей.

3. Разработана двухмерная ячеечная математическая модель теплопередачи через стенку с внутренними полостями, позволяющая рассчитывать распределение температуры и тепловые потоки через нее как в нестационарном, так и в установившемся состоянии. Показано, что рациональная форма и размеры полости с точки зрения комбинированного критерия зависят от того, из какого механического условия рассчитывается коэффициент ослабления сечения.

4. Выполнены численные эксперименты по исследованию влияния на характеристики стенки прямоугольной полости и предложены рекомендации по рациональным (оптимальным) размерам полости. Показано, что наибольшее ослабление теплового потока достигается при щелевых перпендикулярных его направлению полостях, размещенных в шахматном порядке.

5. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета тепловых потоков через стенки с внутренними полостями, позволяющий рассчитывать распределение температуры и тепловые потоки через нее как в нестационарном, так и в установившемся состоянии, а также программно-алгоритмическое обеспечение метода.

6. Разработанные методы расчета и их программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по проектированию внутренних полостей приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фоминский, Сергей Николаевич, 2006 год

1. Тепловые процессы в технологии силикатов: Учебник/ A.B. Ралко, A.A. Крупа, H.H. 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.: Стройиз-дат, 1982.-249с.

5. Технология строительных производств. / Под. ред. H.H. Данилова. -М.: Стройиздат, 1977. ^440с.

6. Касаткин Л.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1973. 752с.

7. Тепловые расчеты печей и сушилок промышленности / Под. Ред. Д.Б. Гинзбурга и В.Н. Зимина. Изд. 2-е перер. И доп. -М.: Стройиздат, 1964. -496с.

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

9. Фиалко М.Б. Неизотермическая кинетика в термическом анализе. -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1980. -106с.

10. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко Л.М. Технология производства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1990. -195с.

11. 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.

12. Нехорошев A.B. Теоретические основы технологии тепловой обработки не-1\ органических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1978. 232с.

13. Хавкин JT.M. Технология силикатного кирпича. — М.: Стройиздат, 1982. -384с.

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

15. Мукосов И.Г. Скоростной обжиг кирпича в кольцевых печах. -М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1953. — 24с.

16. Тихи О. Обжиг керамики / Пер. с чеш. В.П. Поддубного. Под ред. JT.B. Соколовой. М.: Стройиздат, 1988. - 344с.

17. М. Lorant. "Cement, Lime and Gravel", 41, n.8, 1966.

18. Чернявский E.B. Производство глиняного кирпича. Изд. 2—е, доп. и пере-раб. -М.: Стройиздат, 1974. -142с.

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

20. Мухина Т.Г. Производство силикатного кирпича. Уч. пособие. М.: Проф-техизд, 1968.- 132с.

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

22. Федосов C.B., Акулова М.В. Плазменная металлизация бетонов. М: Изд-во АСВ, 2003.- 120с.

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

24. Кошляк Л.Л. Производство изделий строительной керамики. — М.: Стройиздат, 1990.- 135с.

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

26. Машины и оборудование для производства керамических и силикатных изделий: Каталог—справочник. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982. -311с.

27. Исламов М.Ш. Печи химической промышленности. 2-е изд. перер. и доп. — Л.: Химия, 1975. ^32с.

28. Теплотехнические расчеты печей химической промышленности: Учеб. пособие. Дементьев А.И., Смирнов В.А.- М.:МХТИ, 1985. -58с.

29. Левченко П.В. Расчеты печей и сушилок силикатной промышленности. Уч. пособ. -М.:Высшая школа, 1968. -367с.

30. Комов В.М., Васильев М.В. Керамика материал наружных ограждающих стен. //http:\www.knaufpobeda.ru.

31. Сайбулатов С.Ж. Производство керамического кирпича. — М.: Стройиздат, 1989.-278с.

32. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества.// АН БССР, — Минск, 1959. 330 с.

33. Лыков A.B. Тепло и массообмен в процессах сушки. Учебное пособие. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. -464 с.

34. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло — и массопереноса. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 535 с.

35. Лыков A.B. Тепло-и массоперенос. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. -243 с.

36. Лыков A.B. Теплопроводность нестационарных процессов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948.-231 с.

37. Лыков A.B. Теория теплопроводности. — М: Высшая школа, 1967. 599 с.

38. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофизики.// АН БССР, Минск, 1961.-519 с.

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

40. Федосов C.B., 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.

41. Федосов C.B. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. Диссертация на соискание учёной степени докт. техн. наук. - JL, ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

42. 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.

43. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1972. - 560 с.

44. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

45. 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.

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

47. 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.

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

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

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

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

52. Ладыженская O.A. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973.-407с.

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

54. Фролов В.П. Моделирование сушки дисперсных материалов. Л.: Химия, 1987.-208с.

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

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

57. Калиткин H.H. Численные методыю -М: Наука, 1978. -512с.

58. 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.

59. Зуева Г.А. Моделирование совмещенных процессов термообработки гетерогенных систем, интенсифицированных комбинированным подводом энергии. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., —Иваново: ИГХТУ, 2002.-300с.

60. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.1: М.: Мир, 1984. -528с.

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

62. Тихонов В.И. и Миронов М.А. Марковские процессы. —М.: Советское радио, 1977. ^88с.

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

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

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

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

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

68. Гихман И.И. и Скороходов A.B. Теория случайных процессов. Т.1. -М.: Энергия, 1969.-95с.

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

70. Романков П.Г. и Фролов В.Ф. Массотеплообмен реагирующих частиц с потоком. -М.: Наука, 1985. —336с.

71. Падохин В.А. Стохастическое моделирование диспергирования и механо-активации гетерогенных систем. Описание и расчет совмещенных процессов. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., —Иваново: ИГАСА, 2000.-388с.

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

73. 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.

74. 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.

75. 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.

76. Marikh К., Mizonov V., Berthiaux H., Barantseva E., Zhukov V. Algorithme de construction de modeles markoviens multidimensinnels pour le melagne des poudres. Récents Progrès en Génie des Procédés. V15(2001)No.82. -pp.41—48.

77. 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.

78. Berthiaux H., Mizonov V., Zhukov V. Application of the theory of Markov chains to model different processes in particle technology. Powder Technology 157 (2005) 128-137.

79. Berthiaux H., Mizonov V. Applications of Markov Chains in Particulate Process Engineering: A Review. The Canadian Journal of Chemical Engineering. V.85, No.6, 2004, pp.1143-1168.

80. Berthiaux H., Marikh K., Mizonov V., Ponomarev D., Barantzeva E. Modelling Continuous Powder Mixing by Means of the Theory of Markov Chains. Particulate Science and Technology, 22 (2004), No.4, pp.379-389.

81. 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.

82. Mizonov V.E., Berthiaux H., Zhukov V.P., Bernotat S. Application of multi— 0 dimensional Markov chains to model kinetics of grinding with internal classification.1.ternational Journal of Mineral Processing, 2004 (4).

83. 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.

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

85. Макаров Б.Н., Волынский В.Ю., Зайцев В.А. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки керамических изделий в обжиговых печах. Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2005. 56с.

86. Наумов B.JI., 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. ?

87. Фоминский С.Н., Зайцев В.А., Мизонов В.Е., Федосов C.B. Теплоизоляционные свойства стеновых конструкций с внутренними полостями: Монография/ Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2006. 56с.