Расчет тепломассопереноса в процессе сушки волокнистых материалов на основе аналитических методов в теории теплопроводности

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Расчет тепломассопереноса в процессе сушки волокнистых материалов на основе аналитических методов в теории теплопроводности

Кокурина Галина Николаевна

Иваново 2010

Работа выполнена на кафедре прикладной математики

Ивановского государственного химико-технологического университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Зуева Галина Альбертовна

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук,

профессор Карташов Эдуард Михайлович

Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук «Институт химии растворов РАН», г. Иваново

Защита состоится « 1» ноября 2010 года в 10 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.063.05 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000,

г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, д.7.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке

Ивановского государственного химико-технологического университета.

Автореферат разослан « »___________2010 года.

Учёный секретарь совета Д 212.063.05

д.ф.-м.н. Зуева Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важным составляющим элементом исследования такого широко распространенного процесса, как сушка, является описание кинетики тепломассообмена применительно к единичному телу, например, волокну.

Нагрев и сушка волокна составляют основу многих технологий переработки волокнистых материалов, технологий композитов, биокомпозитов, материалов медицинского назначения, текстильной и пищевой промышленности. Сушка является энергоемким процессом. Необходимость сохранения качества высушиваемых материалов приводит к увеличению длительности процесса, следовательно, к значительному потреблению тепловой и электроэнергии.

Таким образом, актуальной является задача по интенсификации процесса сушки волокна, разработке и созданию нового высокопроизводительного сушильного оборудования комбинированного действия, в котором могут быть задействованы разные по своей физической природе механизмы ускорения явлений переноса, а это возможно только на базе современных научно обоснованных методов математического моделирования тепломассообменных процессов. По своим физико-химическим свойствам большинство волокнистых материалов можно отнести к коллоидным капиллярно-пористым материалам, к гидрофобным материалам с плохо смачиваемыми стенками пор, в которых затруднен капиллярный перенос жидкофазной влаги. Поэтому в соответствии со стратегией системного анализа, при описании процесса сушки на микроуровне (отдельное волокно), следует остановиться на модели с углублением поверхности испарения.

Современный подход к моделированию явлений тепломассопереноса в твердых телах базируется на последовательном применении аналитических методов в теории теплопроводности. Принципиальной стороной аналитической теории теплопроводности является возможность варьирования классическими методами решения дифференциальных уравнений математической физики при решении конкретной краевой задачи. Это объясняется тем, что решение одной и той же тепловой задачи можно искать в различных классах функций. Наряду с развитием аналитических методов классической теплопроводности требует дальнейшего развития подход к моделированию тепломассопереноса на базе более широкого привлечения аналитических методов неклассической теории теплопроводности. В данной работе развит метод дифференциальных рядов, позволяющий находить распределение температур в теле цилиндрической формы, а также определять закон перемещения границы испарения (задача Стефана).

Довольно часто аналогичные задачи решаются численными методами. Однако их недостатком является необходимость выполнения очень большого количества вычислительных операций и ограниченные возможности для аналитического исследования. Отдаем предпочтение аналитическим методам решения еще и потому, что необходимо соблюсти «принцип общности» при математическом описании процессов термообработки, а зональный метод расчета, применяемый нами, предполагает, что на уровне микропроцесса (отдельного волокна) краевая задача должна быть решена аналитически. Представление решения в аналитической форме имеет большую теоретическую ценность и практическую значимость. Аналитическое, в том числе и приближенное решение задачи, ориентированное на использование вычислительной техники, открывает более широкие возможности для моделирования, оптимизации и управления тепло - и массообменными процессами.

Целью работы является развитие теоретических основ и разработка научно обоснованного метода расчета процесса сушки волокнистого материала на основе аналитических решений задач нестационарной теплопроводности для тел цилиндрической формы, в том числе и с движущейся границей фазового перехода, с учетом интенсифицирующего влияния внутренних источников теплоты различной физической природы.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:

Провести анализ аналитических методов в теории теплопроводности тел цилиндрической формы, в том числе с движущейся границей, для решения краевых задач, моделирующих явления тепломассопереноса в процессе сушки волокнистых материалов.

Сформулировать и решить аналитически задачу о прогреве цилиндра с интенсифицирующими теплообмен факторами, в качестве которых могут выступать внутренние источники теплоты, инициированные импульсным ударным нагружением материала и потоком лучистой энергии.

Сформулировать и решить аналитически методом дифференциальных рядов задачу теплопроводности для тела цилиндрической формы с движущейся границей фазового перехода на примере процесса сушки волокна.

Осуществить расчетно-экспериментальное исследование процесса сушки различных видов волокон с использованием полученного математического описания и разработанной лабораторной установки.

Проверить адекватность разработанной математической модели сушки волокнистого материала. теплопроводность сушка волокно

Выработать рекомендации по интенсификации процесса сушки тел цилиндрической формы.

Выработать рекомендации по внедрению результатов работы в практику инженерных расчетов сушильного оборудования и в дидактическую практику ряда учебных курсов.

Объект исследования: тепломассоперенос в процессе конвективной сушки волокнистых материалов. Предмет исследования: математическое описание процесса конвективной сушки отдельного волокна.

Научная новизна диссертации

С помощью развитых в работе аналитических методов теории теплопроводности сформулирована и аналитически решена задача нестационарной теплопроводности неограниченного цилиндра при граничном условии третьего рода, неравномерном начальном распределении температуры и внутренних источниках теплоты, порожденных ударным нагружением материала и потоком лучистой энергии. На основании найденного решения построено математическое описание периода прогрева волокнистого материала с учетом комбинированного подвода энергии. С помощью численного эксперимента выявлено интенсифицирующее влияние ударного нагружения и подвода лучистой энергии на прогрев материала.

Построена математическая модель первого периода сушки волокнистого материала, учитывающая переменность температуры среды во времени, т.е. представлено математическое описание внешнедиффузионного кинетического режима сушки тела цилиндрической формы.

Методом дифференциальных рядов аналитически решена сформулированная сопряженная задача теплопроводности для неограниченного цилиндра с движущейся границей испарения в нем (задача Стефана) при граничном условии третьего рода, произвольном начальном распределении температур и переменной температуре среды. Анализ полученного решения в среде MаthCAD позволил выявить динамику изменения положения границы испарения влаги из волокон различных типов.

Получена расчетная формула для нахождения текущего влагосодержания материала по найденному закону перемещения границы испарения y(t), если известно исходное значение влагосодержания.

Практическая ценность работы:

1. Расширен банк математических моделей тепломассообменных процессов химической технологии, необходимый для построения современных информационных технологий моделирования, расчета и автоматического проектирования нового сушильного оборудования.

2. Разработан моделирующий алгоритм, позволяющий рассчитать непрерывный вариант процесса конвективной сушки волокна и узнать его продолжительность, что является необходимым для проектирования нового сушильного оборудования.

3. Осуществлено расчетно-экспериментальное исследование процесса сушки различных видов волокон с использованием построенных моделей и разработанной лабораторной установки.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований рекомендуются к использованию при разработке и проектировании сушильного оборудования для конвективной сушки волокнистых материалов, а также в практике преподавания ряда учебных курсов.

Автор защищает:

1. Формулировку и решение краевой задачи нестационарной теплопроводности для бесконечного однородного цилиндра, с учетом действия внутренних источников теплоты, порожденных механическим, радиационно-конвективным и комбинированным способами подвода энергии извне.

2. Математическое описание внешнедиффузионного кинетического режима сушки.

3. Формулировку и решение с использованием метода дифференциальных рядов сопряженной задачи теплопроводности для неограниченного цилиндра при граничном условии третьего рода с перемещающейся границей испарения в нем.

4. Методику расчета для нахождения текущего влагосодержания материала по известному закону перемещения границ испарения y(t), если известно исходное значение влагосодержания в период падающей скорости сушки.

5. Моделирующий алгоритм для расчета непрерывного варианта процесса конвективной сушки волокна.

6. Результаты расчетно-экспериментального исследования процесса сушки различных видов волокон с использованием разработанных моделей и лабораторной установки.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» - «ММТТ-19», (Воронеж, 2006); «ММТТ-20», (Ярославль, 2007); «ММТТ-21» (Саратов, 2008); International School-Seminar "Renewable Energy Sources for Sustainable Development of Historical Cities" (Poland. 2006); Летней школе молодых ученых «ММТТ-22», (Иваново, 2009); III Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2008); Международном научно -техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, предусмотренных перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка литературы и 5 приложений. Работа содержит 131 страницу основного текста, 33 рисунка и 6 таблиц. Библиографический список включает 102 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, степень разработанности проблемы, обоснование выбранных методов решения задач, ставятся цели и задачи исследования.

В первой главе проведен обзор современного состояния проблемы моделирования сушки волокнистого материала. Дана характеристика процесса сушки волокнистых материалов как объекта математического моделирования. Рассмотрены работы по методам математического моделирования процессов тепло- и массопереноса в телах канонической формы. Выполнен анализ математических моделей сушки капиллярно-пористых материалов. Особое внимание уделено аналитическим методам решения задач тепло - и массопереноса для областей с подвижными границами и аналитической теории переноса применительно к сушке. Изложены цели и задачи исследования.

Обзор литературных данных позволил сделать вывод о том, что в настоящее время актуальной остается задача по разработке математического описания процесса сушки твердых материалов, в частности, волокон. Создание нового сушильного оборудования комбинированного действия, в котором могут быть задействованы разные по своей физической природе механизмы ускорения явлений переноса, возможно только на базе развития научно обоснованных методов математического моделирования совмещенных процессов.

Основой для моделирования совмещенных процессов термообработки материалов является современная теория тепломассопереноса. В связи с этим требуют дальнейшего развития аналитические методы математического описания тепломассопереноса, осложненного фазовыми переходами. Перспективным методом аналитического решения задач теплопроводности с движущейся границей (задач Стефана) является метод дифференциальных рядов.

Во второй главе, которая состоит из пяти разделов, представлены основные результаты теоретического исследования тепло- и массопереноса в процессе сушки тел цилиндрической формы. При конвективной сушке волокна за счёт передачи теплоты от нагретого воздуха к его поверхности посредством конвекции последовательно протекают следующие стадии процесса: прогрев волокна; испарение влаги с поверхности волокна; углубление локализованного фронта испарения. В соответствии с физической моделью строили математическую модель для каждой стадии сушки.

В первом разделе рассмотрена стадия прогрева волокна. Cформулирована и решена задача теплопроводности цилиндра при граничном условии третьего рода, неравномерном начальном распределении температуры, с учетом интенсифицирующих теплообмен факторов, таких как внутренние источники теплоты, порожденные импульсным нагружением материала и подводом лучистой энергии.

Выявим структуру нестационарного переноса теплоты в теле цилиндрической формы с неравномерным начальным распределением температуры f(r). Предположим, что цилиндр, радиус R которого значительно меньше его длины, помещается в среду с переменной температурой и(t). Между поверхностью цилиндра и несущей средой происходит теплообмен по закону Ньютона, а также осуществляется лучистый теплообмен. Анализ природы внутренних источников теплоты при ударном нагружении твердых тел позволяет сделать вывод о возможности аппроксимации их с помощью импульсной д- функции Дирака. Будем полагать, что в моменты нагружения ti (i=) внутри цилиндра действуют импульсные источники теплоты удельной мощности Ai, Дж/(м3 с), распространенные по радиусу цилиндра равномерно.

Поглощение веществом цилиндрического тела лучистой энергии по закону Бугера порождает в нем объемные источники теплоты интенсивность которых уменьшается вдоль направления распространения излучения. Здесь r - текущий радиус цилиндра, м; Е(0) - плотность потока лучистой энергии, падающей на поверхность цилиндра, Дж/(м2 •с); м - коэффициент ослабления; щ - коэффициент отражения.

Математическая формулировка задачи:

(1)

(2)

(3)

(4)

Находим Т(r,t) при t>0, 0rR.

Здесь Т(r,t) - поле температур цилиндра, K; л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м2 •K), а - коэффициент температуропроводности, м2/с; с - удельная массовая теплоемкость твердой фазы, Дж/(кг•K); г - плотность, кг/м3; б - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 •K); д(t) - дельта-функция Дирака.

Решение краевой задачи (1-4) с помощью преобразование Лапласа получено в виде:

(5)

Здесь , - безразмерные переменные; - функции Бесселя первого и второго рода нулевого порядка соответственно;

, ,

,,

мm - корни уравнения .

С целью проведения численного эксперимента представленная модель была проанализирована в среде MаthCAD. Необходимыe данные о параметрах волокна были взяты из литературы. На рис. 1 представлены кривые распределения температуры Т(о,ф) по времени ф при заданном значении о=0,7 и различных интенсифицирующих теплообмен факторах. Исходя из полученных зависимостей, можно сделать вывод о том, что наиболее эффективно цилиндр прогревается при комбинированном воздействии лучистой энергии и импульсного ударного нагружения материала.

Найденное решение имеет самостоятельное значение при описании термообработки материала с учетом интенсифицирующих теплообмен факторов. При описании периода прогрева конвективной сушки волокна используется решение данной задачи, когда внутренние источники теплоты отсутствуют.

Второй раздел этой главы посвящен моделированию первого периода сушки волокна.

Физическая модель. Когда температура поверхности r=R волокна в процессе его прогрева - после начала сушки - достигает температуры адиабатического насыщения воздуха (температуры мокрого термометра), начинается первый период

Рис.1. Изменение во времени температуры T(о,ф) цилиндра (о=0,7, и1=333 К):

1 - T1(о)=и1; 2 - с учетом подвода лучистой энергии; 3 - с учетом импульсного нагружения; 4 - с учетом подвода лучистой энергии и импульсного нагружения.

сушки, в котором воздух у поверхности волокна насыщен водяными парами, а скорость процесса лимитируется скоростью их отвода от поверхности испарения в ядро потока сушильного агента. Обозначим момент начала первого периода сушки t0. Считаем, что поле температур волокна (цилиндра) имеет распределение Т(r,t)=f1(r), t?t0. Вся теплота, подведенная к материалу конвективно от нагретого воздуха с температурой и(t), затрачивается на испарение влаги с поверхности волокна. Перенос теплоты внутри слоев теплопроводностью отсутствует. В данном периоде влага под действием перепада влагосодержания в материале перемещается из внутренних его слоев к поверхности. Недостаток влаги на поверхности мгновенно пополняется из внутренних слоев материала. Внутренняя диффузия не тормозит процесс сушки. Движения границы испарения влаги не происходит.

Математическая модель:

Уравнение, задающее скорость испарения влаги:

, (6)

где r* - теплота парообразования, кДж/кг; Vc - объем цилиндра, м3; w(t) - концентрация влаги в материале, кг влаги/м3 материала; S - поверхность цилиндра, м2.

Искомое решение имеет следующий вид:

(7)

Переходя от w(t) к u(t) - влагосодержанию материала, кг влаги/ кг сухого материала, получаем в случае и=const:

, (8)

заметим, что , где с0 - плотность абсолютно сухого материала, кг/м3. Данный период сушки продолжается до тех пор, пока содержание влаги в материале не достигнет критического значения u(t)=u*.

Третий раздел второй главы посвящен моделированию периода с падающей скоростью сушки (второго периода сушки). Когда влагосодержание материала достигает критического значения, происходит углубление локализованного фронта испарения влаги.

Математическая модель:

Поместим начало координат на центральной оси цилиндра и будем считать распределение температур четной функцией r (рис.2). Математическая постановка задачи о сушке волокна во втором периоде сводится к сопряженной задаче теплопроводности для неограниченного цилиндра с подвижной границей фазового перехода, при соответствующих краевых условиях:

, (9)

(10)

(11)

(12)

; (13)

(14)

(15)

Требуется найти у(t), Ф(r,t), при t>0, у(t)<r<R.

Здесь Ф(r,t) - поле температур высушенного слоя, K; T(r,t) - поле температур влажного слоя, K; P(t) - парциальное давление водяного пара в воздухе, Па; f1(r) - симметричное относительно центральной оси цилиндра, распределение температуры во влажном материале, сформированное к моменту начала второго периода сушки; с - плотность воды, кг/м3; е - пористость материала, м3/м3; , - общее сопротивление массопередаче (с/м); - коэффициент массопередачи по газовой фазе, отнесённый к разности парциальных давлений пара, кг/(м2 с Па); K - коэффициент массопередачи, выраженный по газовой фазе и отнесённый к разности концентраций пара, кг/(м2 скг/м3); - газовая постоянная водяного пара; - средняя температура водяного пара на интервале от T(y(t),t) до и; в - коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности концентраций пара, кг/м3; Dэ - эффективный коэффициент диффузии пара в пористой среде (высохшем слое), м2/с.

Рис. 2. Схема тепловых потоков в периоде падающей скорости сушки

Данная задача Стефана (9 - 15) решена нами аналитически с использованием метода дифференциальных рядов. Решение позволяет установить поле температур высушенного слоя и закон перемещения границы испарения, т.е. рассчитать кинетику и динамику процесса сушки волокна. Метод дает возможность найти решение при любом начальном распределении температур. Для определенности полагали, что имеет место квадратичное начальное распределение температур в цилиндре, симметричное относительно центральной его оси:

f1(r)= D0 + D1r2, где D0, D1 - постоянные величины. Тогда распределение температур внутри высушенного слоя в любой момент времени можно представить выражением (дифференциальным рядом), удовлетворяющим уравнению (9):

, (16)

где B(t) - произвольная функция, вид которой должен обеспечить сходимость ряда (16). В выражении (16) отражена указанная выше симметрия тепловых полей в нашей задаче. В диссертации представлено нулевое приближение решения задачи.

Закон перемещения границы испарения имеет вид:

. (17)

Температура просушенного слоя материала

, (18)

где (19)

Здесь ; ; .

Расчет по модели и сопоставление его результатов с экспериментальными данными показали, что при малых значениях ф (ф <0,1) следует использовать нижнее выражение в (19). Анализ полученного решения в среде MаthCAD позволил выявить динамику изменения положения границы испарения влаги из волокон различных типов.

Изложенный метод решения задачи об испарении более эффективен, чем описанные в литературе инженерные и численные методы, так как он позволяет: описать процесс на протяжении всего его течения; решать задачу при произвольном распределении температуры в теле перед сушкой; учесть влияние начального теплосодержания на динамику изменения границы фазового перехода и температуры тела и т.п.

В следующем четвертом разделе главы 2 получена расчетная формула для нахождения текущего влагосодержания материала uнов в период падающей скорости по известному закону перемещения границ испарения y(t), если известно исходное значение влагосодержания uc:

. (20)

В последнем пятом разделе данной главы очерчена область применимости предложенной модели сушки.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию конвективной сушки волокнистых материалов. С целью проверки адекватности предложенной математической модели были проведены экспериментальные исследования процесса сушки ряда волокнистых материалов: вискозы; хлопкового волокна; льняного волокна, изготовленного в ИХР РАН; хлопковой нити; льняной нити; полиамида; нитрона на лабораторной экспериментальной установке. Получены экспериментальные кривые сушки и нагрева отдельных волокон указанных материалов в условиях конвективной сушки -- при трёх температурах сушильного агента (воздуха) в интервале от 400 до 60 оС. В качестве примера на рис. 3, 4 представлены кривые нагрева и сушки льняного волокна. Проведен анализ полученных экспериментальных данных с целью выделения первого и второго периодов сушки их длительности. Полученные кривые сушки были продифференцированы с целью определения скорости сушки. Для каждого из материалов получены экспериментальные зависимости критического влагосодержания от температуры сушильного агента: в пределах исследованных температур критическое влагосодержание может быть описано линейной функцией от температуры, например, для хлопкового волокна ыкр = 0,0105и+ + 0,2513; для хлопковой нити ыкр = 0,00495и + 0,3268; для льняной нити ыкр = 0,00195и + 1,1085; для вискозы ыкр = 0,0523и + 0,611. Экспериментально определены значения пористости исследуемых волокон и их плотности в абсолютно сухом состоянии; по экспериментальным данным получены коэффициенты тепло- и массоотдачи, которые используются нами в математическом описании процесса сушки (табл. 1 ).

Рис. 3. Кинетика нагрева льняного волокна. Температура теплоносителя 400, 500, 60 0 С

Рис. 4. Кинетика сушки льняного волокна.

Образец цилиндрической формы (длина - 30 мм, диаметр - 3 мм, сухой вес - 28,9 мг). Поперечный обдув теплоносителем со скоростью 5 м/с.(uкр =1,2 кг/кг с.м. при и= 40 0С; uкр =1,69 кг/кг с.м. при и= 50 0С; uкр =1,81кг/кг с.м. при и= 60 0С)

Четвертая глава посвящена проверке адекватности разработанной математической модели. Проведено сопоставление параметров, характеризующих кинетику процесса конвективной сушки волокнистых материалов, рассчитанных по модели и полученных экспериментально, как для каждого периода в отдельности, так и для всего процесса в целом.

В качестве примера на рис. 5, 6, 7, 8 приведены расчетные и экспериментальные кривые соответственно для периода прогрева, а также первого и второго периодов сушки льняного волокна. Как видно из рисунков, наблюдается удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных данных. Рассчитанные среднеквадратические отклонения полученных кривых не превышают 15%.

Таблица 1

Результаты расчётов коэффициентов тепло- и массоотдачи

№ п/п	Материал	Диаметр волокна d,мм	Температура воздуха И, °С	Скорость воздуха хс, м/с	Коэффициент массоотдачи вс, м/с	Коэффициент теплоотдачи б, Вт/м2·К
1	Вискозное волокно	1,95	40	1,1	0,21	280
			50	1,3	0,22	320
			60	1,5	0,23	330
2	Лен (ИХР РАН)	3	40	5	0,09	147
			50	5	0,09	177
			60	5	0,09	228
3	Нитрон (полиакрило-нитрил) ПАН)	2,82	40	0,8	0,005	106
			50	1,1	0,007	142
			60	1,5	0,005	169
4	Хлопковое волокно	2,1	40	0,8	0,07	120
			50	1,2	0,08	110
			60	1,5	0,09	140
5	Хлопковая нить	1	40	0,8	0,11	140
			50	1,2	0,15	160
			60	1,5	0,13	180
6	Льняная нить	0,65	40	0,8	0,06	100
			50	1,2	0,07	100
			60	1,5	0,07	100
7	Полиамид	0,85	40	0,8	0,05	16,1
			50	1,2	0,06	17,8
			60	1,5	0,05	20,6

Рис. 9 показывает случайный характер остатков от абсолютного значения измеряемой величины. Это говорит об отсутствии систематической составляющей в модели, т.е. об удовлетворительном математическом описании процесса в среднем, что позволяет сделать вывод об адекватности предложенной математической модели конвективной сушки волокнистых материалов и рекомендовать ее для использования при расчёте сушильного оборудования с целью повышения его достоверности.

Данная глава содержит также алгоритм расчета непрерывного варианта процесса конвективной сушки волокнистого материала, построенный на основе полученного математического описания. Результатом расчета является продолжительность процесса сушки, необходимая для достижения заданного значения влагосодержания материала при определенных теплофизических параметрах материала и сушильного агента. Это позволяет определить время пребывания материала в аппарате, и, следовательно, рассчитать габариты сушильного оборудования.

В приложениях приведены данные и графики, дополняющие общую картину результатов экспериментов, а также приведен подробный анализ полученного решения в среде MаthCAD.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 5. Теоретические (-) и экспериментальные (---) кривые нагрева волокна льна (d=3 мм) при температуре воздуха 1: и = 60⁰C; 2: и = 50⁰C; 3: и = 40⁰C

Рис. 6. Теоретические (-) и экспериментальные (---) кривые сушки льняного волокна при температуре воздуха 1: и = 60⁰C; 2: и = 50⁰C; 3: и = 40⁰C

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 7. Закон перемещения границы испарения в льняном волокне при температуре среды 1:и = 40⁰ С; 2: и = 50⁰ С; 3: и =60⁰ С). (P=3000 Па, d=3 мм)

Рис. 8. Изменение влагосодержания в льняном волокне во втором периоде, рассчитанного по модели и экспериментально определенного при температуре среды 1: и= 40⁰ С ; 2: и=50⁰ С;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведен анализ аналитических методов в теории теплопроводности тел цилиндрической формы.

Сформулирована и аналитически решена задача о прогреве цилиндра с интенсифицирующими теплообмен факторами, в качестве которых выступают внутренние источники теплоты, инициированные импульсным ударным нагружением материала и потоком лучистой энергии.

Сформулирована и аналитически решена методом дифференциальных рядов задача теплопроводности для тела цилиндрической формы с движущейся границей фазового перехода на примере процесса сушки волокна.

Проведено расчетно-экспериментальное исследование процесса сушки различных видов волокон с использованием полученных математических моделей, разработанной экспериментальной установки.

Выполнена проверка адекватности разработанной математической модели сушки волокна.

Полученные результаты моделирования хорошо согласуются с известными из литературы аналитическими решениями и экспериментальными данными, и позволяет усовершенствовать и повысить достоверность расчетного прогнозирования процессов сушки волокнистых материалов.

Результаты теоретического и экспериментального исследования рекомендованы к использованию при разработке новых технологических и технических решений в практике инженерных расчетов сушильного оборудования, а также в дидактическую практику ряда учебных курсов.

Исследование проводилось в рамках аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)». Мероприятие 2. «Теоретические основы высокоинтенсивных энерго- и ресурсосберегающих гетерогенных процессов, реакторных систем в нанотехнологиях получения новых материалов и веществ»

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Кокурина, Г.Н. Теплопроводность цилиндра при комбинированном подводе энергии с целью интенсификации процесса переработки волокнистых материалов / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, Н.В. Лукьянчикова // Известия высших учебных заведений: Химия и химическая технология, Вып. 1, Иваново, 2009. С. 119-121.

Кокурина, Г.Н. Математическое моделирование сушки волокна / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, Н.А. Зуев // Известия высших учебных заведений: Химия и химическая технология, Вып. 9, Иваново, 2009. С. 102-105.

Кокурина, Г.Н. Системно-структурный поход к описанию теплообмена в полом цилиндре / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, Н.В. Лукьянчикова // Сб тр. XIX Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-19, Воронеж, 2006. т. 9, С. 59-61.

Кокурина, Г.Н. Математическое моделирование теплообмена в цилиндре для технологии переработки волокнистых материалов / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, В.В. Воронов // Сб. тр. ХХ Междунар. научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ - 20», Ярославль, 2007. т.3. С. 101 -102.

Кокурина, Г.Н. Моделирование тепломассообмена в процессе сушки волокнистого материала / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, Н.В. Лукьянчикова // Сб. тезисов VI Минского междунар. форума по тепломассообмену, ММФ-2008, Минск.- 2008. С. 202-203.

Кокурина, Г.Н. Моделирование процесса сушки волокнистого материала // Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, Н.А. Зуев // Сб. тр. Межд. научн. конф. «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресуросберегающими процессами и оборудованием», Иваново, 2007. т. II, С. 35 -37.

Кокурина, Г.Н. Математическое моделирование процессов термообработки волокна / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, Е.Р. Волков // Сборник тр. ХХI Междунар. научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ -21», г. Саратов, 2008. т.5. С. 125-126.

Кокурина, Г.Н. Задача Стефана при моделировании термообработки тела цилиндрической формы / Г.А. Зуева, Г.Н. Кокурина, С.В. Кулакова // Сб. тезисов V Междунар. научн. конф. «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины», Иваново . 2008. С. 280.

Кокурина, Г.Н. Математическая модель процесса термообработки волокна / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина, Н.В. Лукьянчикова //3-я Междунар. научно-практич. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008», Москва, 2008. С. 102-104.

Кокурина, Г.Н. Интенсификация теплопереноса в волокнистом материале / Г.А. Зуева, В.А. Падохин, Г.Н. Кокурина // Czasopismo Techniczne. Mechanica. z. 2-M/2008 (ROK 100) ISSN 0011-4561. Materialy VIII Mitdzynarodowa Konferencja Naukowa “Teoretyczne i Eksperymentalne Podstawy Budowy Aparatury, Польша, Краков, 2008. С. 415-420.

Кокурина, Г.Н. Аналитический расчет процесса сушки волокна / Г.А. Зуева, В.А., Г.Н. Кокурина, В.Д. Жуков // Сб. трудов ХХII Междунар. научной конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22», Летняя школа молодых ученых, Иваново, 2009. т.5. С. 125-126.

Кокурина, Г.Н. Расчет влажности волокнистого материала в период падающей скорости сушки / Г.А. Зуева, Г.Н. Кокурина, З.Н. Жукова, Е.А. Петрова // Сб. тр. XXII Междун. научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-22., Псков, т.3., 2009. С. 92-95.

Кокурина, Г.Н. Задача Стефана при моделировании фазового и химического превращения в твердом теле / Г.А. Зуева, Г.Н. Кокурина, А.Н. Лабутин, С.А. Долгих // Труды Междунар. научно-технич. семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» г. Воронеж, 2010. С. 79-86.

Кокурина, Г.Н. Исследование конвективной сушки волокнистых материалов / Г.А. Зуева, Г.Н. Кокурина, В.А. Падохин, С.В. Кулакова // Сб. тр. XXIII Междун. научн. конф. «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-23, Саратов, 2010. т.8. С. 117-119.

Размещено на Allbest.ru

...