Тепломассоперенос в кирпичной садке при обжиге керамических изделий в туннельных печах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Наумов, Виталий Леонидович

• Наумов, Виталий Леонидович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Наумов, Виталий Леонидович

Введение

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

1.1. Физико-химические задачи процесса обжига строительных материалов

1.2. Современные технологические схемы и оборудование для обжига

1.3. Математическое моделирование процессов термической обработки

1.4. Постановка задачи исследования

2. Разработка ячеечной математической модели прогрева материала 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

3. Модель неоднородного прогрева при протекании сопутствующих процессов (массоперенос, химические реакции)

3.1. Тепло- и массоперенос в сечении при постоянных свойствах материала (линейная модель)

3.2. Учет зависимости свойств материала от параметров состояния (нелинейная модель)

3.3. Учет протекания в материале химических реакций

3.4. Выводы по главе

4. Применение разработанных моделей к описанию процессов термической 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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепломассоперенос в кирпичной садке при обжиге керамических изделий в туннельных печах»

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 - AI 18 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 тепло-физических 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.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

Ч' 1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета процесса обжига керамических строительных материалов в туннельной печи, инвариантный к моделям теплообмена между садкой и газом и кинетике протекающих в материале реакций.

2. Выполнена идентификация параметров модели для обжига кирпича и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи. Выработаны рекомендации по рациональной форме поперечного сечения садки.

3. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Автор защищает:

1. Разработанную на основе цепей Маркова в общем случае нелинейную математическую модель прогрева плоского сечения произвольной конфигурации при одновременно происходящих процессах сушки и тепло-поглощения эндотермической реакцией

2. Результаты численных экспериментов по исследованию влияния параметров процесса на распределение его характеристик по сечению садки, в том числе, по влиянию его формы на скорость протекания процессов.

3. Результаты экспериментального исследования кинетики прогрева и охлаждения различных точек садки кирпича в туннельной печи.

4. Метод расчета обжига кирпича в туннельной обжиговой печи и его про-граммно-алгоритмичекое обеспечение.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на 12-й Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития электротехнологий - 12-е т*

Бенардосовские чтения», Иваново, 2005г., а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ИГХТУ и кафедры прикладной математики ИГЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (107 наименований) и приложения. .

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Наумов, Виталий Леонидович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

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 тепло-физических свойств материала и наличии внутренних источников тепла, вызванных химическими реакциями. Выявлено влияние формы сечения на скорость прогрева и протекания реакции в различных его точках.

2. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.

3. Выполнены экспериментальные исследования кинетики прогрева различных точек пакетной садки в процессе обжига в туннельной печи, результаты которых свидетельствуют, что в пакетной садке нижние ряды кирпичей не обжигаются при надлежащей температуре и имеют пониженное качество.

4. Выполнена идентификация параметров модели для обжига кирпича и на ее основе предложен метод моделирования и расчета процесса в туннельной обжиговой печи, обеспечивающий удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.

5. Выработаны рекомендации по рациональной форме поперечного сечения садки, повышающей равномерность ее прогрева и обжига.

6. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а чакже конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Наумов, Виталий Леонидович, 2005 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 / H.A. Булавин, И.А. Макаров, А.Я. Рапопорт, В.К. Хохлов. -М.: Стройиздат, 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. Ю.Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. -384с.

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

12. 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.

13. Нехорошее A.B. Теоретические основы технологии тепловой обработки неорганических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1978. 232с.

14. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. М.: Стройиздат, 1982. -384с.

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

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

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

18. Ахундов A.A. и др. Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1975. - 248с.

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

20. Чернявский E.B. Производство глиняного кирпича. Изд. 2—е, доп. и пе-рераб. М.: Стройиздат, 1974. -142с.

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

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

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

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

25. Высокотемпературные процессы химической технологии и перспективы их развития. Л.: 11аука, 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.-432с.

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

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

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

33. Муштаев В.И. и Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. — М.: Химия, 1988. —352с.

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

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

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

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

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

39. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М: Высшая школа, 1967. - 599

40. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофи шкн.7 АН БССР, Минск, 1961.-519 с.

41. Темкин А.Г. Аналитическая теория нестационарного тепло- и массооб-мена в процессе сушки и обратные задачи аналитической теории сушки. -Минск: 11аука и техника, 1964. 364с.

42. 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.

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

44. 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.

45. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. M.: Энергия, 1972. - 560 с.

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

47. 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.

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

49. 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.

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

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

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

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

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

55. Горшков B.C. Термография строительных материалов. М.: Стройиздат, 1968.-238с.

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

57. Фролов B.II. Моделирование сушки дисперсных материалов. JI.: Химия, 1987. -208с.

58. Бахвалов U.C. Численные методы. М.: Высшая школа, 1973.-632с.

59. Никитенко 11.И. Исследование процессов теплообмена методом сеток. -Киев, 1978.

60. 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.

61. 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.

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

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

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

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

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

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

68. Венцель Е.С. и Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения.-М.: Наука, 1988.-664с.

69. Венцель Е.С. и Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей. -М.: Радио и связь, 1983. -416с.

70. Гихман И.И. и Скороходов А.В. Теория случайных процессов. Т. 1. -М.: Энергия, 1969.-95с.

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

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

73. 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: ИГАСА, 2000. -388с.

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

75. 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, -61 p.

76. Mizonov V., Berthiaux П., 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.

77. 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.

78. Marikh К., Mizonov V., Berthiaux II., Barantseva Е., Zhukov V. Algorithme de construction de modeles markoviens multidimensinnels pour le melagne despoudres. Récents Progrès en Génie des Procédés. V15(200 l)No.82. -pp.41 — i 48.

79. 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).

80. 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.

81. 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,h с.157—159.

82. Marikh К., Berthiaux H., 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.

83. 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.

84. Огурцов Л.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.

85. 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.

86. 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).

87. 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.-е. 145—147.

88. 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.

89. 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.

90. 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.

91. 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. Научное издание. -Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ». 2005. 56с.