Исследование влияния термообработки на структурно-механические свойства листовой фибры

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВОЙ ФИБРЫ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Гусев Евгений Валентинович

Иваново 2006

Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» и ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: д.т.н., чл.-корр. РААСН, Федосов Сергей Викторович

Официальные оппоненты: д.т.н., проф., Авдюнин Евгений Геннадьевич

к.т.н., доц., Святов Владимир Михайлович

Ведущая организация: Ярославский государственный технический университет, г. Ярославль.

Защита состоится « 4 » декабря 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153460, г. Иваново, ул.Ф.Энгельса, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Ивановского государственного химико-технологического университета и Ивановского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан « 28 » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф-м. н. Зуева Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В производстве листовых материалов (фибра, картон, шпон и др.) сушка - является заключительной стадией, определяющей в основном формирование качества и количество выпускаемой продукции. Сушильное оборудование, используемое на отечественных предприятиях, не отвечает предъявляемым к нему требованиям, как по свойствам конечного продукта, так и по энергоемкости и трудоемкости технологического процесса.

Сложное поведение листовых материалов (усадка, коробление, расслоение) в процессе тепловой обработки при отсутствии силовых нагрузок свидетельствует о наличии в них существенных по величине внутренних влаготермических напряжений. Эти неоднородные структурно-механические изменения являются одним из основных препятствий интенсификации процесса сушки, способствуют ухудшению свойств материала. В связи с указанными недостатками, изучение кинетических закономерностей возникающих и развивающихся структурно-механических (деформационно-прочностных) изменений в материале с одновременно протекающих в нем тепломассообменных процессов является актуальной задачей.

Разработанное в настоящее время сушильное оборудование для листовой фибры с комбинированным подводом теплоты, основано на применении различных способов сушки с учетом переменных теплофизических и массопроводных свойств материала. При этом лишь косвенно учитываются изменения технологических свойств материала и не используются их закономерности для интенсификации внутреннего тепломассопереноса.

Исследование напряженно-деформированного состояния листовых изделий в кинетике сушки, определение влаготермических напряжений и деформационно-прочностных характеристик материала при их взаимном влиянии на тепломассоперенос открывает пути для интенсификации технологических процессов, протекающих в сушильной установке по параметрам прочностных изменений и разработке на их основе научно-обоснованных методов расчета.

Цель работы. Основной целью диссертации являлось исследование взаимосвязи механизмов тепломассопереноса и развития напряженно-деформированного состояния листовой фибры в процессе сушки для нахождения путей управления структурно-механическими изменениями материала.

Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи: сушка листовой фибра теплообработка

- разработка математического описания процессов тепломассопереноса при сушке листовых материалов с целью определения влаготермических напряжений в высушиваемом теле и соответствующего алгоритмического и программного обеспечения;

- разработка инженерного метода расчета сушильных установок с конвективным подводом теплоты с учетом структурно-механических изменений в материале;

- экспериментально-теоретическое исследование структурных, массо-проводных, теплофизических свойств листовой фибры в процессе сушки;

- экспериментально-теоретическое исследование кинетики сушки и деформирования (усадки и коробления) листовой фибры с применением силовой нагрузки и без нее при различных условиях теплообработки;

- разработка математического описания процессов деформирования листового материала в процессе сушки;

- выработка рекомендаций для промышленного использования результатов исследования.

Научная новизна работы:

- предложена математическая модель процессов тепломассопереноса при сушке листовых материалов, состоящая из пяти краевых задач для периодов постоянной и падающей скорости. Предложенные задачи решены комбинированным методом, особенностью которого является аналитическое решение краевой задачи тепломассопереноса с последующим привлечением численных методов, позволяющих учитывать изменение коэффициентов тепловлагопереноса и теплофизических характеристик сушильного агента и материала в течение процесса сушки;

- предложено решение задачи взаимосвязанного переноса с граничными условиями первого, второго и третьего рода посредством разделения ее на самостоятельные задачи по определению распределения температуры, концентраций жидкости, пара, воздуха, парогазовой смеси, а также давлений паровоздушной смеси по толщине пластины;

- предложено математическое описание процесса деформирования (усадки и коробления) анизотропного (ортотропного) пластинчатого тела с учетом его изменяющихся в процессе сушки прочностных и деформационных свойств;

- проведены экспериментальные исследования по кинетике сушки и деформированию (усадка и коробление) листовой фибры в сушильной установке с конвективным подводом теплоты, на основании которых определены параметры математических моделей тепломассопереноса (гигротермические, структурные и теплофизические свойства материала, коэффициенты внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса) и напряженно-деформированного состояния (прочностные и деформационные характеристики) пластинчатого тела;

- разработан инженерный метод расчета сушильной установки с конвективным подводом теплоты;

- разработано математическое описание усадочных изменений и цилиндрического прогиба листовой фибры в процессе сушки под действием силовой компенсируюшей нагрузки и без нее.

Практическая ценность работы:

- на основе изученных гигротермических, структурных, теплофизических, массопроводных и деформационно-прочностных свойств листовой фибры, изменяющихся в процессе сушки и предложенной математической модели, разработан и доведен до конечной компьютерной реализации инженерный метод расчета процесса термообработки листовых материалов в конвективной сушилке;

- на базе проведенных исследований разработаны практические рекомендации для выбора режимных параметров ведения процесса сушки листовой фибры, позволяющие снизить удельные энергозатраты, продолжительность сушки и коробление листовых материалов;

- предложена методика определения деформационно-прочностных характеристик влажного листового материала в процессе сушки;

- на базе проведенных исследований предложен способ устранения коробления листовой фибры в процессе конвективной сушки под действием силовой нагрузки;

- результаты экспериментально-теоретического исследования внедрены на ОАО “Фибровая фабрика”, г.Заволжск.

На защиту выносится:

- математическая модель взаимосвязанного тепломассопереноса при сушке листовых материалов, состоящая из четырех краевых задач для периодов постоянной и падающей скорости процесса;

- математическое описание процесса деформирования (усадки и коробления) анизотропного (ортотропного) пластинчатого тела при его сушке;

- результаты экспериментальных исследований и эмпирические уравнения по кинетике сушке и деформированию (усадки и коробления) в процессе термообработки листовой фибры в сушилке с конвективным подводом теплоты;

- результаты экспериментальных исследований и эмпирические выражения для определения основных параметров математической модели (гигротермических, структурных и теплофизических свойств листовой фибры, коэффициентов тепло- и массопроводности);

- результаты экспериментальных исследований и эмпирические выражения для определения основных прочностных и деформационных свойств листовой фибры.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзном научно-техническом совещании “Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии” (Сумы, 1989); Международной научной конференции “Математические методы в химии и химической технологии” (Тверь, 1995); Международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы химии и химической технологии” (Иваново, 1999); Х, ХIII Международной научно-технической конференции “Информационная среда вузов” (Иваново, 2003, 2006).

Публикации.

Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 16-ти опубликованных печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Объем работы - 158 страниц основного текста, включая 63 иллюстраций и 4 таблиц, библиографический список, содержащий 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных источников рассмотрены наиболее распространенные способы интенсификации термообработки и подходы математического описания напряженно-деформированного состояния влажного листового материала в процессе сушки, и основные закономерности изменения структурно-механических свойств высушиваемого тела. Установлено, что повышение интенсивности влагоудаления из материала в процессе сушки связано как с внешним, так и с внутренним тепломассообменном, взаимообусловленность которых в основном определяется интегральными балансовыми соотношениями теплоты и массы. Одним из основных препятствий при интенсификации процесса сушки листовых материалов являются их структурно-механические изменения, которые в основном и определяют напряженно-деформированное состояние высушиваемого тела и формирование технологического качества продукции. Выяснено, что в процессе тепловой обработки коллоидных капиллярно-пористых тел, основными причинами возникновения и развития в них значительных по величине внутренних напряжений и деформаций является неравномерное распределение влагосодержания и температуры в толще материала, наличие в нем больших градиентов влагосодержания, температуры и избыточного давления. Несмотря на значительные достижения, достигнутые в математическом моделировании процесса конвективной сушки листовых материалов, его описание основывается на системе дифференциальных уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса, впервые полученной академиком А.В.Лыковым. Математическое описание напряженно-деформированного состояния влажного пластинчатого тела в процессе его тепловой обработки можно представить на основе системы дифференциальных уравнений теплопроводности, диффузионно-конвективной массопроводности, дополнив их уравнениями деформации высушиваемого тела. Решение данной системы уравнений для определения внутренних влаготермических напряжений в пластинчатом теле получено в основном для влажных изотропных материалов с зернистой структурой. Уравнения движения основываются на закономерностях структурно-механических (деформационно-прочностных) изменений тела, протекающих в процессе сушки, и в большинстве случаев, в виду их сложности определяются эмпирическими выражениями. Взаимосвязь между деформациями (усадка и коробление) пластины и протекающими в ней тепломассообменными процессами, как в отсутствии силовых нагрузок, так и при них, имеет сложный характер и определяется изменением структуры высушиваемого тела, его массопроводностью и внутренним распределением влаги.

В заключение главы сформулированы конкретные задачи теоретического и экспериментального исследования диссертационной работы, заключающиеся в разработке математической модели процесса сушки листовых материалов при конвективном подводе теплоты, учитывающей изменение не только теплофизических и массопереносных характеристик высушиваемого материала, но и его изменяющиеся структурно-механические свойства.

Во второй главе излагается физическая картина процессов, протекающих в сушильной установке, сформулированы краевые задачи для моделирования процессов тепломассопереноса в неограниченной пластине и приводятся решения поставленных задач при граничных условиях первого, второго, третьего рода.

С целью получения полной картины динамики полей температур, концентраций жидкости, пара, воздуха, паровоздушной смеси и ее давления при сушке материала был использован комбинированный метод расчета, сущность которого заключается в следующем. Время всего процесса сушки представляется непрерывной цепью достаточно малых промежутков времени (“микропроцессов”). Теплофизические коэффициенты переноса внутри тела и на его поверхности полагаются постоянными в пределах “микропроцесса”, но ступенчато-изменяющимися при переходе от одного “микропроцесса” к другому. В этих условиях для каждого “микропроцесса” система уравнений тепло- и массопереноса и движения может рассматриваться как линейная, решение которой может быть получено аналитическими методами математической физики. При этом поля температур, концентраций жидкости, пара, воздуха, паровоздушной смеси и давления, рассчитанные для предыдущего “микропроцесса” могут являться начальными условиями для решения задач тепломассопереноса и движения на последующем этапе. Особенностью комбинированного метода является то, что в нем могут сочетаться аналитические методы решения краевых задач для произвольного “микропроцесса” с применением численных методов для расчета процесса термообработки в сушильном аппарате.

При постановке краевых задач приняты следующие допущения:

- обрабатываемый материал имеет форму неограниченной пластины;

- условия тепломассообмена на обеих поверхностях пластины одинаковы;

- периоды постоянной и падающей скорости сушки рассматриваются раздельно, причем первый период продолжается до достижения поверхностью материала равновесного влагосодержания, а второй - до требуемой конечной влажности продукта;

- процесс сушки осуществляется при отсутствии каких-либо силовых нагрузок на высушиваемый материал.

В этих условиях предложен метод решения задачи взаимосвязанного переноса с граничными условиями первого, второго и третьего рода посредством разделения ее на самостоятельные подзадачи, но взаимосвязанные между собой, по определению распределения температуры и концентраций жидкости, пара, воздуха, паровоздушной смеси и давлений паровоздушной смеси по толщине пластины.

Краевая задача для i-го микропроцесса по определению распределения температуры в первом и во втором периодах сушки состоит из следующих дифференциальных уравнений:

; (1)

; (2)

; (3)

. (4)

В уравнении теплопроводности (1) влияние влагопереноса на теплоперенос учитывается вторым слагаемым правой части, характеризующим поток влаги испаряемой внутри материала, и определяется выражением:

, (5)

где m_ж - масса испарившейся жидкости за промежуток времени ; - разность концентраций пара в материале в точке (x) за промежуток времени ; V_св - свободная часть объема тела от жидкости, образующаяся за временной интервал и определяемая уравнением:

. (6)

Условие (2) показывает распределение потенциалов переноса температуры по толщине материала в начальный момент времени, соответственно, для первого периода равномерное распределение, для второго неравномерное. Выражение (3) является условием симметрии. Уравнение (4) представляет собой условие баланса тепла на поверхности пластины. Первое слагаемое этого уравнения отражает поток тепла от газа к поверхности материала. Второе слагаемое характеризует поток тепла в толщу пластины посредством теплопроводности. Последнее слагаемое выражения (4) отражает поток тепла, затраченный на испарение поверхностной влаги, и определяется выражением:

- для первого периода сушки:

; (7)

- для второго периода сушки:

. (8)

Для решения данной краевой задачи использовался метод интегральных преобразования Лапласа. В результате получено следующее решение краевой задачи теплопроводности неограниченной пластины

(9)

Краевая задача для i-го микропроцесса по определению распределения концентраций жидкости и пара, воздуха и паровоздушной смеси в пластине при граничных условиях второго и первого рода в процессе сушки состоит из следующих дифференциальных уравнений массопроводности:

; ; (10)

С_ж(х,0)=С_ож(х); С_j(х,0)=С_оj(х); (11) ; ; (12)

; ; (13) ; , (14)

где j - индекс, обозначающий вид переносимой фазы (жидкости j=ж, пара j=п, воздуха j=в, паровоздушной смеси j=см).

Уравнения (13) определяют граничные условия второго рода для первого периода сушки и характеризуют баланс массы влаги в виде жидкости и пара вблизи поверхности материала.

Уравнения (14) характеризуют граничные условия первого рода для второго периода сушки. Для расчета динамики распределения концентраций воздуха и парогазовой смеси в толще материала применяются как условие (13), так и выражение (14).

Основываясь на известных решениях дифференциальных уравнений массопроводности, были получены общие выражения, позволяющие проследить за изменением потенциалов переноса в процессе сушки:

- при граничных условиях второго рода:

(15)

- при граничных условиях первого рода:

. (16)

Для определения полей абсолютных давлений пара, воздуха и паровоздушной смеси по толщине пластины для любого момента времени сушки были использованы выражения (15) и (16), уравнение состояния газовой фазы и закон Дальтона с учетом доли свободного объема материала от жидкости. Давление насыщенного пара внутри материала определялось по его температуре, а на его поверхности во втором периоде сушки для листовой фибры с учетом ее кинетики сушки при условии, что .

Результаты расчета краевых задач представлены на рис.1.

Рис. 1 Распределения температуры, влагосодержания, концентрации газовой смеси, абсолютных давлений пара, воздуха и газовой смеси по безразмерной полутолщине (х) пластины от времени сушки для периода падающей скорости при температуре сушильного агента 110^оС

В третьей главе излагаются основные закономерности напряженно-деформированного состояния анизотропной (ортотропной) пластины, устанавливающие взаимосвязь между внутренними влаготермическими напряжениями и деформациями (усадка и коробление) в процессе сушки. Приводится постановка и решение краевой задачи по определению цилиндрического прогиба ортотропной пластины при условии свободного опирания ее краев.

Краевая задача прогиба пластинчатого ортотропного тела выражается следующим дифференциальным уравнением четвертого порядка:

. (17)

В процессе сушки листовой фибры в текущий (мгновенный) момент времени (при отсутствии линейных деформаций) в поровом пространстве тела по его толщине устанавливается равновесие между упругостью парогазовой смеси и сопротивлением скелета влажного материала.

Решение данной краевой задачи для равномерно распределенной нагрузки q(x) и при условии свободного опирания краев фибровой пластины в процессе сушки, получено методом интегрирования и имеет вид:

. (18)

Результаты расчета по уравнению (18) и опытные данные при отсутствии силовой нагрузки (q_изг=0) приведены на рис.2. Для устранения коробления по выражению (18) можно рассчитать распределение силовой нагрузки на пластину вдоль направления ее волокон.



Рис. 2 Кривые коробления листовой фибры при различных температурах воздуха

Четвертая глава посвящена экспериментально-теоретическому исследованию параметров математических моделей тепломассопереноса (гигротермических, структурных и теплофизических свойств исследуемого материала, коэффициентов внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса) и напряженно-деформированного состояния (прочностных и деформационных характеристик) пластинчатого тела.

В результате проведенного анализа теплофизических свойств (плотности, теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности) листовой фибры, установлено, что данные свойства можно выразить по правилу аддитивности через пористость влажного материала, определяются кинетикой сушки.

Исследование характеристик пористой структуры (общая пористость, эффективный радиус пор, дифференциальная и интегральная функции распределения пор по радиусам и удельная поверхность пор) влажной листовой фибры основывалось на расчетно-экспериментальных данных по изотермам десорбции, полученных адсорбционным способом и методом Пасса. По данным исследования пористой структуры тела выяснено, что фибра является материалом с нежесткой набухающей структурой, формирующейся в зависимости от интенсивности удаляемой влаги.

Коэффициенты внутреннего влагопереноса определялись по двум методикам проф. Рудобашты С.П.. По первой методике эффективный коэффициент массопереноса в области капиллярно-связанной влаги рассчитывался на основе кривых сушки фибры снятых в условиях исключающих внешнее диффузионное сопротивление сушильного агента (Bi_m) и решения дифференциального уравнения массопроводности. По второй методике коэффициенты массопереноса в виде жидкости и пара в области адсорбционно-связанной влаги определялись по дифференциальной функции распределения пор по их радиусам. В результате сопоставления результатов по обоим способам выяснено, что удаление влаги в процессе сушки фибры в виде жидкости в основном происходит в области капиллярно-связанной влаги, а в виде пара в области адсорбционно-связанной влаги и увеличивается с повышением температуры сушильного агента.

На основании экспериментальных исследований по кинетике сушки листовой фибре, проведенных на лабораторной сушильной установке с конвективным поводом теплоты, получены критериальные уравнения для расчета внешнего теплообмена:

- для первого периода сушки: ; (19)

- для второго периода сушки: , (20)

где показатель степени m изменяется в интервале {0,41,1} и определяется следующим выражением:

. (21)

Для расчета коэффициента массообмена использовалось соотношение интенсивности влагообмена между поверхностью материала и потоком сушильного агента, которое определяется уравнением:

. (22)

Для второго периода сушки, на основании полученных кривых сушки и температурных кривых при различных параметрах сушильного агента для листовой фибры получено следующее обобщающее выражение:

. (23)

В данной главе приведены результаты исследования усадочных деформаций листовой фибры в процессе конвективной сушки при отсутствии силовой нагрузки на высушиваемый материал и с ее применением. В обоих вариантах усадка фибры протекает с разной интенсивностью по ее линейных размерам, т.е. фибра обладает анизотропными (ортотропными) свойствами. В первом варианте, при конвективной сушке, свободной от какой-либо силовой нагрузки, усадочные изменения тела зависят от интенсивности тепловой обработки, в основном от температуры сушильного агента. Во втором варианте, при сушке фибровой пластины с приложением к ней компенсирующей нагрузки (при полном отсутствии коробления) как в продольном, так и в поперечном направлениях волокон материала, усадочные изменения по линейным размерам тела не зависят от режимных параметров сушки. Процесс усадки исследуемого материала в обоих периодах сушки в основном протекает по линейным законам с разной интенсивностью и с плавным переходом между периодами. На основании экспериментальных данных по усадке, определены в обоих вариантах для каждого линейного размера соотношения между коэффициентами объемной и линейной усадки для листовой фибры, которые в процессе сушки являются постоянными величинами и имеют вид:

. (24)

Полученные экспериментальные данные в процессе сушки фибры с приложенной компенсирующей нагрузкой на материал в направлениях продольного и поперечного расположения волокон, позволили рассчитать деформационно-прочностные характеристики тела (рис.3 и рис.4). Наблюдаемый гистерезис в значениях модуля упругости (рис.4,а) в продольном и поперечном направлениях волокон листовой фибры в интервале ее влагосодержаний (кг/кг) свидетельствует об анизотропности (ортотропности) свойств высушиваемого материала. При достижении влагосодержания фибры 0,3 (кг/кг) гистерезис отсутствует. Это можно объяснить тем, что произошло формирование жесткого скелета материала, способного противостоять упругости диффузионного потока паровоздушной смеси.

В этой главе также представлены результаты исследования предельных прочностных характеристик (напряжения, модуля упругости) листовой фибры, полученных при испытании на растяжение образцов различной влажности и направлений волокон (вдоль - 0^о, поперек - 90 ^о, и под 45 ^о) на разрывной машине типа Р-5, используемой для пластмасс.



а) б)

Рис. 3 Зависимости компенсирующего нормального напряжения от относительной деформации (а) и влагосодержания (б) листовой фибры при различных температурах сушильного агента и направления волокон тела

а) б)

Рис. 4 Зависимости коэффициентов модуля упругости (а) и поперечной деформации (б) от влагосодержания и направления волокон листовой фибры

Исследование процесса коробления листовой фибры в процессе сушки проводилось в лабораторной сушильной установке при двух вариантах:

- в первом варианте - высота цилиндрического прогиба Н определялась при термообработке нагретым воздухом вдоль обеих противоположных поверхностей высушиваемой пластины при различных параметрах сушильного агента,

- во втором варианте: при искусственном создании различных перепадов температур между противоположными поверхностями пластины, изготовленной из фибры и картона.

Полученные экспериментальные данные для обоих вариантов показывают, что в первом случае - коробление (прогиб) увеличивается с повышением температуры и скорости сушильного агента (рис.2), во втором - коробление (прогиб) и его продолжительность уменьшаются при повышении перепада температур. Во втором варианте сушки по сравнению с первым величина коробления (прогиб) снижается в 4-5 раз, что объясняется перераспределением влаги в толще материала.

В результате обработки экспериментальных данных по обоим вариантам для определения цилиндрического прогиба пластины получено уравнение обобщенной кривой коробления, которое имеет вид:

. (25)

С помощью тригонометрических соотношений и экспериментальных данных по прогибу пластины определена зависимость суммарной степени удлинения (сжатия) поверхностных слоев материала от степени кривизны H/L, которая не зависит от режимных параметров сушки, и определятся только влагосодержанием слоев высушиваемого материала (рис.5).

Рис. 5 Зависимость суммарной степени удлинения (сжатия) поверхностных слоев листовой фибры от степени кривизны Н/L пластины при различных условиях сушки

Данная зависимость определяется следующим выражением:

. (26)

Для снижения влияния коробления в процессе термообработки листовой фибры, как показывают экспериментальные данные, необходимо проводить сушку в условиях неодинакового теплообмена на поверхностях влажного материала.

Решение дифференциального уравнения (17) для цилиндрического прогиба высушиваемой ортотропной пластины от действия разности температур ее нижней и верхней поверхностей при отсутствии воздействия внешних нагрузок имеет вид:

. (27)

В результате обработки экспериментальных данных и использования выражения (27) была получена зависимость модифицированного коэффициента температурной жесткости _Т для листовой фибры от ее влагосодержания.

. (28)

В пятой главе представлены методика инженерного расчета сушильной установки для обезвоживания листовой фибры и обоснования использования результатов исследований по снижению и устранению коробления материала в процессе конвективной сушки.

В основу методики инженерного расчета положены решения краевых задач тепломассопереноса при конвективной сушке листовых материалов, дополненные сведениями о параметрах математической модели, уравнениями материального и теплового балансов и данными о структурно-механических характеристиках высушиваемого материала.

В диссертации приведена блок-схема расчета процесса сушки листовой фибры и показана адекватность численных расчетов экспериментальным данным по кинетике сушки и деформированию (изгибу) листовой фибры.

Основные результаты и выводы

1. На основе выполненного глубокого патентного поиска и анализа литературных источников выявлены узкие места технологической линии производства листовой фибры. Установлено, что основными препятствиями улучшения качества конечной продукции являются неравномерная усадка и коробление, причинами, возникновения которых являются нерациональные режимные параметры проведения процесса сушки.

2. В результате проведенных исследований по кинетике сушки и внутрипористой структуре листовой фибры при различных режимных условиях (t_c=70120^oC; _г=13,5 м/c; =45%) были получены обобщающие характеристики внутреннего и внешнего тепломассопереноса.

3. По результатам проведенных исследований сформулированы физическая и математическая модели процессов переноса теплоты, влаги, пара, воздуха и паровоздушной смеси в процессе термообработки листового материала. Основу модели составили дифференциальные уравнения параболического типа с граничными условиями I, II, III родов.

4. Разработан алгоритм расчета процесса тепломассопереноса, на основе которого с использованием экспериментальных данных по кинетике сушки решена обратная задача определения коэффициентов переноса.

5. Проведены расчеты кинетики процесса сушки и показана адекватность их результатам экспериментальных исследований. В целом наблюдается удовлетворительное совпадение результатов расчета и эксперимента (до 5-6%).

6. На основании экспериментальных данных по исследованию неоднородных структурно-механических (усадке и изгибу) изменений в процессе термообработки при различных режимных условиях (t_c=70120^oC; _г=13,5м/c; =45%) были получены зависимости, устанавливающие взаимосвязь кинетики сушки и деформаций листовой фибры.

7. По результатам проведенных исследований сформулировано математическое описание цилиндрического прогиба листовой фибры в процессе сушки и показана адекватность его экспериментальным результатам.

8. В результате выполненных экспериментальных исследований процесса сушки листовой фибры под действием компенсирующей силовой нагрузки определены нормальные напряжения и усадочные относительные деформации , с помощью которых получены зависимости деформационно-прочностных характеристик (коэффициентов поперечной деформации и модулей упругости от среднего влагосодержания и направления волокон материала.

9. На основе математического описания процесса сушки разработаны алгоритмическое и программное обеспечение, построена научно-обоснованная методика инженерного расчета сушильной установки.

10. На основании проведенного экспериментально-теоретического обоснования выданы рекомендации по снижению и устранению коробления высушиваемой листовой фибры на действующем сушильном оборудовании за счет организации процесса сушки и приложения силовой нагрузки, способствующие повышению качества продукции и уменьшению энергозатрат.

11. Разработанная модель, ее программное обеспечение и результаты экспериментально-теоретического исследования приняты к практическому использованию для оптимизации технологических параметров сушильной части линии производства листовой фибры на ОАО “Фибровая фабрика”, г.Заволжск.

Основные обозначения

, с, - плотность, кг/м³, теплоемкость, Dж/(кг^.К) и теплопроводность, Bm/(м^.К) материала, соответственно; а, К_эф - коэффициенты температуро-проводности и влагопроводности, м²/с; - коэффициент теплоотдачи, Bm/(м^2.К,

^* - модифицированный коэффициент массоотдачи, ; - критерий Нуссельта; - критерий Рейнольдса; , - тепловой и диффузионный критерий Био; , - тепловой и диффузионный критерии Фурье, - тепловой критерий Померанцева; - тепловой критерий Кирпичева; t_c - температура

среды; j - индекс, обозначающий вид переносимой фазы (жидкости j=ж, пара j=п, воздуха j=в, паровоздушной смеси j=см); Р_пм - давление пара на поверхности тела, Па; Р_пв -парциальное давление пара в сушильном агенте, Па; R - половина толщины пластины, м; L, В, h, V_м - длина, ширина, толщина и объем пластины, м³; r* - скрытая теплота парообразования, Dж/кг; t(x,) - температура в точке х в момент времени , ^оС; С_ж(x,), С_п(x,), С_в(x,), С_см(x,), U(x,) - концентрации жидкости, пара, воздуха, газовой смеси и влаго-содержание в точке х в момент времени , кг/кг; , U_н, U_кр, U_р - среднее, начальное, критическое, равновесное влагосодержание материала, кг/кг; - средняя температура материала, ^оС; Р_п(x,), Р_в(x,), Р_см(x,) - давления пара, воздуха и газовой смеси в точке х в момент времени , Па; - среднее давление газовой смеси по толщине материала, Па; Н - высота цилиндрического прогиба пластины, м; _v, _L, _B, _h - коэффициенты относительной усадки материала по объему, длине, ширине и толщине; _х, _у, Е_х, Е_у, _ух, _ху - нормальные напряжения, н/м², модули упругости, Мн/м² и коэффициенты поперечной деформации вдоль и поперек волокон материала.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Павлов, А. Л. Основные параметры математической модели процесса сушки листовой фибры /А. Л. Павлов, С. В. Федосов, В. А. Круглов, Е. В. Гусев //Известия ВУЗов “Химия и химическая технология”. 1994. т.37. вып.9. С. 155-161.

2. Гусев, Е. В. Исследование внутренней пористой структуры листовой фибры как объекта сушки / Е. В. Гусев, А. Л. Павлов, С. В. Федосов, О. П. Акаев //Известия ВУЗов “Химия и химическая технология”. 1999. т.42. вып.4. С. 81-83.

3. Гусев, Е. В. Оценка влияния условий сушки на процесс коробления листовых материалов /Е. В. Гусев, А. Л. Павлов, С. В. Федосов //Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы в дисперсных средах". Иваново. 2002. С. 61-67.

4. Гусев, Е. В. Исследование деформационных свойств листовых материалов в процессе сушки при силовой нагрузке /Е. В. Гусев, А. Л. Павлов, С. В. Федосов, Д. В. Кириллов //Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы в дисперсных средах". Иваново. 2002. С. 68-71.

5. Гусев, Е. В. Массопроводность листовых материалов как объектов сушки /Е. В. Гусев, С. В. Федосов, А. Л. Павлов //Материалы X МНТК "Информационная среда вуза". Иваново. 2003. С. 324-329.

6. Павлов, А. Л. Инженерный метод расчета сушильной установки для термо-обработки листовых материалов /А. Л. Павлов, С. В. Федосов, М. И. Кручинин, Е. В. Гусев //Материалы X МНТК "Информационная среда вуза". Иваново. 2003. С. 334-336.

7. Таланов, Н. М. Исследование влияния основных параметров сушки на процесс коробления листовой фибры /Н. М. Таланов, С. В. Федосов, Е. В. Гусев; Иван, хим.-технол. ин-т. Иваново, 1988. 7 с.- Деп. в ОНИИТЭХИМ. Черкассы, № 67-88.

8. Федосов, С. В. Математическое описание взаимосвязанного тепло-массопереноса при сушке листовых материалов /С. В. Федосов, А. Л. Павлов, Е. В. Гусев //Тезисы докладов всесоюзного совещания “Повышение эффектив-ности и надежности машин и аппаратов в основной химии”. Сумы. 1989.

9. Кручинин, М. И. Кинетика сушки фибровых трубок /М. И. Кручинин, Н. М. Таланов, А. Л. Павлов, Е. В. Гусев //Межвуз. сборник “Гетерогенные процессы химической технологии. Кинетика, динамика, явления переноса”. Иваново. 1990. С. 79-82.

10. Федосов, С. В. Моделирование напряженно-деформированного состояния материала в процессе сушки /С. В. Федосов, В. А. Круглов, Е. В. Гусев //Тезисы докладов международной конференции “Математические методы в химии и химической технологии”. Тверь. 1995.

11. Гусев, Е. В. Исследование процессов влагопереноса при сушке листовой фибры /Е. В. Гусев, С. В. Федосов, Н. М. Таланов, А. Л. Павлов; Иван, хим.-технол. ин-т. Иваново, 1987. 8 с. Деп. в ВИНИТИ. Москва, 18.01.97, № 144-В97.

12. Гусев, Е. В. Сорбционно-структурные характеристики листовой фибры /Е. В. Гусев, С. В. Федосов, А. Л. Павлов //Тезисы докладов МНТК “Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности”. Иваново. 1998.

13. Гусев, Е. В. Закономерности массопереноса при сушке листовых материалов /Е. В. Гусев, С. В. Федосов, А. Л. Павлов, О. П. Акаев //Тезисы докладов МНТК “Актуальные проблемы химии и химической технологии”. Иваново. 1999.

14. Павлов, А. Л. Внешний тепломассообмен при сушке пластинчатых тел в сопловой сушильной установке /А. Л. Павлов, М. И. Кручинин, Е. В. Гусев //Тезисы докладов МНТК “Актуальные проблемы химии и химической технологии”. Иваново. 1999.

15. Федосов, С. В. Моделирование процесса сушки деформируемых листовых материалов /С. В. Федосов, Е. В. Гусев //Материалы XIII МНТК "Информационная среда вуза". Иваново.2006. С. 155-161.

16. Гусев, Е. В. Закономерности изменения структурно-механических свойств листовой фибры в процессе сушки /Е. В. Гусев, С. В. Федосов //Материалы XIII МНТК "Информационная среда вуза". Иваново. 2006. С. 162-167.

Размещено на Allbest.ru

...