В работе приведены существующие подходы к моделированию тепловых процессов при производстве пеностекла.

Ключевые слова: математические модели, тепловые процессы, производство пеностекла

Основное содержание исследования

пеностекольная шихта порошковый способ

Изучению поведения исходного сырья при производстве строительных материалов в условиях переменных температурных полей посвящено значительное количество работ, но сложность этой проблемы, обусловленная наличием множества влияющих факторов, не позволяет получить однозначного решения, и поэтому в настоящее время нет еще надежных универсальных критериев оценки термической стойкости материалов, в том числе пеностекла.

Пеностекло - один из наиболее эффективных материалов, применяемых для теплоизоляции зданий. Однако технология производства пеностекла связана с термообработкой, потребляющей большое количество энергоресурсов. На мировом рынке теплоизоляционных материалов неорганического происхождения монополистом в производстве пеностекла является американская компания "Pittsburgh Coming Corp." с широкой европейской дилерской сетью. Высокая цена определяется большими затратами на сырьевые материалы и термическую обработку. В связи с этим актуальным вопросом является совершенствование процессов термообработки пеностекла. Знание особенностей процессов нагрева, вспенивания и отжига пеностекольной шихты позволяет регулировать качество материала, расход энергии и производственных площадей путем коррекции режимов термообработки и размеров технологического оборудования. Главное при изготовлении пеностекла заключается в получении материала, равномерно пронизанного порами одинакового диаметра.

Наиболее распространен порошковый способ производства пеностекла. При нагревании тонкоизмельченной смеси стекла и газообразователя до температуры 700 - 850°С газы [9,10], образующиеся в результате сгорания или диссоциации или химической реакции между газообразователем и некоторыми компонентами стекла, вспенивают размягченное стекло. После быстрого охлаждения изделия ячеистая структура материала стабилизируется. Затвердевшее стекло медленно отжигают и подвергают механической обработке.

Существует несколько разновидностей порошкового способа производства пеностекла [3].

1. Двустадийный способ - вспенивание и отжиг производится в разных печах в жаростойких формах.

2. Одностадийный способ - вспенивание и отжиг производится в одной печи с объединенными зонами.

3. Непрерывный способ - вспенивание происходит на открытых жаростойких поддонах, материал выходит непрерывной лентой либо с последующей порезкой и отжигом в другой печи, либо сразу идет на отжиг и лишь за тем режется.

Двустадийный способ производства пеностекла является наиболее эффективным. После предварительного дробления и дозирования сырьевые материалы (стекло и газообразователь) поступают на помол, в процессе которого происходит перемешивание компонентов шихты. Готовая шихта отправляется на склад временного хранения. После взвешивания производится загрузка шихты в заранее обработанные формы и отправка их в печь вспенивания. В печи производится нагрев формы до температуры вспенивания, а затем резкое охлаждение с целью закрепления полученной пористой структуры. Далее, при выходе из печи готовые блоки пеностекла извлекаются из формы и отправляются на отжиг для стабилизации структуры. После механической обработки отожженные блоки отправляются на склад.

Рассматривая всю технологию производства пеностекла, наиболее энергоемкими стадиями являются процессы, связанные с термической обработкой, а именно нагрев, вспенивание и отжиг. Поэтому, при разработке направлений совершенствования технологии производства пеностекла с применением высокотемпературных источников, необходимо разработать математическую модель теплопереноса [4], рассчитать динамику полей температур с целью определения необходимого времени термообработки.

Теоретической базой для моделирования процессов термообработки, создания инженерных методов их расчета и оптимизации является теория тепломассопереноса, учитывающая взаимосвязь и взаимозависимость между тепловыми характеристиками обрабатываемого материала и источником высокой температуры.

В производстве строительных материалов, изделий и конструкций существует множество процессов, связанных с нестационарным теплопереносом как на стадии их изготовления, так и на стадии эксплуатации. Потребность проведения расчетов таких режимов обуславливает, в свою очередь, необходимость разработки методов расчета, которые должны быть просты в физическом понимании и удобны в инженерном обращении. Методика теплотехнических расчетов ограждающих конструкций предполагает стационарность процесса передачи тепла через ограждение, в реальных же условиях теплоперенос в конструкциях является нестационарным, поэтому знание о распределении температурного поля в теле конструкции при нестационарном теплопереносе является неотъемлемым фактором при рациональном проектировании технологического цикла.

Достаточно полный анализ существующих подходов к моделированию тепловых процессов при производстве пеностекла на различных стадиях представлен в работах [6-8]. При анализе работ тоже прослеживается недостаточность разработки проблемы нестационарного теплопереноса при термической обработке пеностекла. Что в свою очередь не способствует в полной мере адекватно описать тепловой процесс, учитывая все его особенности.

Учитывая интенсивное использование вычислительной техники все большее применение, получают численные методы, основанные на решении дифференциальных уравнений в частных производных с помощью ЭВМ. При решении нелинейных задач точные методы решения наталкиваются на большие трудности, поэтому применяются численные методы решения. Использование компьютерных разработок позволяет свести нелинейную задачу к линейной. Например метод "микропроцессов", предложенный С.В. Федосовым [11] предполагает разделить весь процесс на n элементарных микропроцессов, в пределах каждого из которых теплофизические параметры фаз могут считаться постоянными, то нелинейную задачу тепломассопереноса можно свести к совокупности n линейных задач. Необходимо отметить, что метод дает хорошие результаты в случае, если численное решение осуществляется в совокупности с методом интегрального преобразования Лапаласа [1,5]. Это обусловлено тем, что в области больших чисел Фурье достаточно точные результаты получаются при использовании всего лишь нескольких первых членов ряда. С уменьшением числа Фурье (времени процесса) число членов ряда, которые надо учитывать для обеспечения заданной точности расчетов возрастает. Однако современная вычислительная техника в состоянии справиться с этой задачей. Кроме того, преобразование Лапласа дает возможность получить решение в двух формах: при Fo>0,1 и Fo<<0,1, в этом и заключается преимущество использования этого преобразования.

В виду необходимости проведения большого объема математических выкладок при использовании метода интегральных преобразований, в литературе практически отсутствуют решения краевых задач нестационарного переноса с неравномерными начальными условиями, полученные для малых значений чисел Фурье.

Предложенные классические методы применяются для решения уравнений с постоянными коэффициентами. Для тел с переменными теплофизическими свойствами решения краевых задач теплопроводности с достаточной точностью могут быть получены на базе вариационных или численных методов. Однако, и в этих случаях сходимость ухудшается с уменьшением числа Фурье.

Исходя из вышеизложенного наиболее перспективным представляется использование зонального метода расчета [2]. Сущность метода заключается в следующем [11].

Время всего процесса термообработки представляется непрерывной цепью достаточно малых промежутков времени "микропроцессов" таким образом, что . Теплофизические параметры фаз и коэффициенты межфазного переноса можно полагать постоянными в i-ом "микропроцессе", но скачкообразно изменяющимися при переходе от одного "микропроцесса" решается линейная краевая задача теплопереноса. Сопрягая последовательно решения для всех "микропроцессов" на каждом временном интервале, можно получить полную картину динамики полей температур при термической обработке пеностекла с переменными теплофизическими характеристиками шихты в процессе с произвольно меняющимися параметрами среды.

Особенности комбинированного (зонального) метода является аналитическое решение краевой задачи теплопереноса для i-ого "микропроцесса" с последующим привлечением численных методов для описания процесса в целом. Точность решения общей задачи во многом будет определяться количеством "микропроцессов" n. Очевидно, что с увеличением n (уменьшением ) точность расчетов будет возрастать.

Таким образом, метод "микропроцессов" позволит свести нелинейную задачу к задаче с постоянными коэффициентами в пределах выбранного "микропроцесса". Разработка математических моделей, способных описать динамику распределения температур в материале на всех этапах термической обработки позволит всесторонне подойти к процессу производства пеностекла с учетом всех особенностей теплопереноса в материале.

Список литературы

1. Беляев, Н.М. Методы теории теплопроводности: Учебное пособие для вузов. Ч2/Н.М. Беляев, А.А. Рядно - М.: Высш. шк. 1982. - 304 с.;

2. Бухмиров, В.В. Зональные методы расчета радиационного и сложного теплообмена / В.В. Бухмиров, Солнышкова Ю.С. - ФГБОУ ВПО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина". - Иваново, 2012. - 96 с.

3. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975, - 248 с.

4. Лыков, А.В. Теория тепло - и массопереноса / А.В. Лыков, Ю.А. Михайлов. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 536 с.

5. Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. - М.: Высш. шк., 1967. - 600 с.

6. Федосов С.В. Пеностекло: особенности производства, моделирование процессов теплопереноса и газообразования / С.В. Федосов, М.О. Баканов // Academia. Архитектура и строительство. №1.2015. С.108-113

7. Федосов С.В., Баканов М.О., Волков А.В., Сокольский А.И., Щепочкина Ю.А. Математическая модель динамики процесса порообразования при термической обработке пеностекольной шихты // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2014. - Т.57. № 3. - С.73-78.;

8. Федосов С.В., Баканов М.О., Никишов С.Н. Основные принципы технологии получения теплоизоляционного пеностекла, подходы к моделированию // Эффективные строительные композиты Научно-практическая конференция к 85-летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук Баженова Юрия Михайловича. - Белгород: Белгородский государственный технологический университет им.В.Г. Шухова, 2015. - С.690-699.;

9. Федосов С.В., Щепочкина Ю.А., Баканов М.О. Особенности получения композиционного строительного материала на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием // Строительство и реконструкция. - 2013. - № 3 (47). - С.77-81.

10. Федосов С.В., Щепочкина Ю.А., Баканов М.О. Композиционный материал на основе пеностекла с защитно-декоративным покрытием // Строительство и реконструкция. - 2012. - №6 (44). - С.109-113.;

11. Федосов, С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии / С.В. Федосов. - Иваново: ИПК "ПресСто", 2010. - 364 с.

Размещено на Allbest.ru