Математическое моделирование цикла тепловой обработки пеностекольной шихты

Вопрос теплоизоляции жилых и промышленных зданий, трубопроводов и прочих строительных объектов в России сегодня стоит довольно остро. В нашей стране на отопление тратится в три раза больше энергии, чем, например, в скандинавских странах [1]. Причиной тому является недостаточная тепловая изоляция агрегатов ТЭЦ, теплопроводов и самих отапливаемых объектов. Сегодня выбор теплоизоляционных материалов велик — пенополиуретан, пенопласт, монтажные быстротвердеющие пены, газобетон, минераловолокнистые плиты, стекловата, керамзит и т. п. Но все они по тем или иным параметрам уступают пеностеклу [2, 3]. Например, минераловатные волокна накапливают влагу и со временем слеживаются [4]- газобетон адсорбирует влагу, обладает худшими, чем у пеностекла плотностными и тепловыми характеристиками [5].

Пеностекло, или вспененное стекло, по комплексу свойств — не имеющий аналогов универсальный строительный материал. Он обладает присущими только ему уникальными тепло физическими и эксплуатационными свойствами [6]. Пеностекло химически инертно, обладает высокой коррозионной устойчивостью и влагонепроницаемостью, является негорючим и нетоксичным материалом, не изменяет свои геометрические размеры в процессе эксплуатации, легко подвергается механической обработке и склеиванию [7].

В настоящее время развитой технологией промышленного производства пеностекла обладают США (в том числе на европейских заводах в Бельгии, Чехии и Германии), а также Япония, Китай и Беларусь [8−10]. Россия после распада СССР, утратила собственное промышленное производство пеностекла и до сих пор не имеет восстановленной или запущенной вновь промышленной линии [11]. Изучая вопросы зарубежного применения пеностекла, следует отметить, что в Европейском Союзе оно является признанным и одним из самых эффективных теплозащитных строительных материалов. Параметры пеностекла оговорены в общеевропейском специальном нормативнотехническом документе EN 13 167 Thermal insulation for buildings Factory made cellular glass (CG) products. Здесь стоит отметить, что в ЕС существует всего десять подобных документов, касающихся свойств и применения в строительстве различных типов эффективных теплоизоляционных материалов. Причина этого в том, что по всем остальным теплоизоляционным материалам, не имеющим общеевропейских нормативно-технических документов, существуют те или иные ограничения в различных странах Евросоюза [12].

Факторами, сдерживающими производство и внедрение пеностекла в России являются: высокая стоимостьотсутствие надежной технологии, обеспечивающей получение пеностекла с заданными и стабильными свойствами [13]- отсутствие математического описания различных стадий производствабольшие удельные затраты труда, электроэнергии и топлива, чем при производстве других теплоизоляционных материалов [14]- небольшие мощности его производства, из-за чего большая часть произведенного пеностекла используется почти исключительно для специальных целей, когда другие виды изоляции оказываются непригодными вследствие высокой температуры, высокой относительной влажности или же воздействия больших постоянных нагрузок [15].

Технология получения пеностекла достаточно полно изложена в литературе [13, 16−24]. Несмотря на это, в настоящее время надежных методов оценки и прогнозирования основных стадий производства пеностекла не предложено [25].

Согласно [13] факторы, от которых зависят конечные свойства пеностекла, обобщенно можно представить четырьмя основными группами:

1) определяемые составом и свойствами исходных компонентов;

2) относящиеся к условиям синтеза пенообразующих систем;

3) определяемые явлениями теплообмена в среде переменного состава и течения силикатного расплава;

4) зависящие от условий стабилизации ячеистой структуры и отжига пеностекла.

Наиболее изучены факторы 1-й и 4-й групп, которые затрагиваются в большинстве работ по технологии пеностекла [13, 16−24]. Работы, посвященные синтезу пенообразующих смесей, явлениям теплообмена и течения силикатного расплава, в литературе практически отсутствуют [19].

Оптимальный температурный режим является одним из важнейших этапов в рациональной технологии производства пеностекла, так как в зависимости от выбранного режима можно получить пеностекло с широким диапазоном свойств.

Для научно-обоснованного объяснения свойств и структуры пеностекла на различных этапах его возникновения необходимо достаточно полно знать механизм формирования исходной системы, из которой в результате постепенного накопления газообразных продуктов при нагревании формируется пеностекло. При разработке теоретической кривой вспенивания необходимо учитывать взаимосвязь между физическим состоянием смеси на каждом технологическом этапе и динамикой изменения ее теплофизических свойств [19].

Исходя из этого, возникает научно-техническая задача выбора и анализа температурных режимов на первой стадии производства пеностекла — стадии нагрева шихты до температуры спекания, а также анализа влияния теплового состояния пенообразующей смеси на последующие стадии формирования пеностекла — спекание и вспенивание.

Цель работы — теоретическое обоснование технологических параметров цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания в процессе производства пеностекла с учетом основных значимых факторов (режим нагрева, теплофизические свойства шихты, геометрия объекта).

Основные задачи исследования:

1. Создание математической модели процесса нестационарного теплопереноса в системе «греющий газ — металлическая форма — пеностекольная шихта».

2. Математическое моделирование теплового состояния пеностекольной шихты на стадии нагрева до температуры спекания в двумерной постановке, учитывающей реальную геометрию объекта.

3. Экспериментальное определение температурных зависимостей теплофизических характеристик пеностекольной шихты.

4. Анализ влияния режимов нагрева на равномерность прогрева шихты в момент начала спекания.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые решена нелинейная нестационарная задача теплопереноса в системе «греющий газ — металлическая форма — пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты.

2. Экспериментально получены зависимости температуропроводности и теплоемкости шихты от температуры.

3. Сделана оценка конвективной и радиационной составляющих подвода тепла к шихте в процессе нагрева и проведено сравнение результатов с данными других авторов.

4. Даны рекомендации по выбору температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты к моменту начала спекания.

Практическая значимость. Проведенные численные исследования вносят вклад в развитие представлений о режимах нагрева шихты до температуры спекания в процессе производства пеностекла. В диссертации разработаны теоретические основы выбора оптимальных режимов нагрева на основе численного анализа температурных полей в шихте.

Полученные новые результаты по математическому моделированию температурных полей в шихте при нагреве до температуры спекания являются основой для создания моделей последующих стадий производства пеностекласпекания и порообразования, а также могут быть использованы при разработке и усовершенствовании температурных кривых туннельных печей, в которых производится пеностекло.

Достоверность полученных результатов. Достоверность и обоснованность полученных результатов гарантируется использованием корректных математических моделей рассматриваемых процессов теплопереноса и методов их решения, а также подтверждается сравнением результатов с известными экспериментальными данными работ других авторов. Достоверность результатов экспериментов по определению температурных зависимостей тепло физических свойств шихты следует из проведенных поверок работы установок на эталонных образцах и подтверждения результатов другими экспериментальными методами.

На защиту выносятся;

1. Математическая модель теплопереноса в системе «греющий газметаллическая форма — пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты от температуры.

2. Экспериментальные данные по температуропроводности и теплоемкости шихты в зависимости от температуры.

3. Результаты численного исследования механизмов теплопереноса от газов печного пространства к металлической форме и пеностекольной шихте;

4. Результаты численного моделирования температурных полей в шихте к началу спекания и факторов, влияющих на подвод тепла к шихте.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007 г.) — IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». (Анапа, 2007 г.) — Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2007 г.) — VIII Всероссийском совещании «Энергоэффективность и использование возобновляемых источников энергииосновные резервы энергетической безопасности регионов России» (Томск, 2007 г.) — XIV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.) — XIV Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2008 г.) — Седьмой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в трудах вышеуказанных научных мероприятий, а также в журнале «Известия ТПУ». Всего по материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Содержание работы:

Актуальность темы

диссертационной работы, цели и задачи, научная новизна и практическая значимость представлены во введении.

Обзор современного состояния производства пеностекла в России и за рубежом проведен в первой главе. При этом обозначены основные преимущества и недостатки пеностекла в сравнении с другими теплоизоляционными материалами, рассмотрены существующие способы производства, используемые сырьевые материалы и выделены основные факторы, сдерживающие развитие производства пеностекла в России.

В второй главе приведены результаты экспериментов по определению фракционного состава, зависимостей температуропроводности и теплоемкости шихты от температуры, а также обоснована достоверность полученных результатов.

В третьей главе проведен численный анализ составляющих подвода тепла к форме и шихте на стадии нагрева до температуры спекания с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты. Показан принцип выбора оптимальных температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты и последующего вспенивания пеномассы.

В заключении подведены итоги проведенных исследований и сформулированы выводы по работе.

Основные результаты и выводы по диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Получены экспериментальные данные по зависимостям температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты от температуры и предложены функции, их аппроксимирующие: а (0=(г3> 10−1 (г7-г2+9,92−10~4-г+2,305)-10−7- с (0= -3 • 104-г+0,53 54-/+738,15.

2. Разработаны математические модели процессов нестационарного теплопереноса в системе «греющий газ — металлическая формапеностекольная шихта» при нагреве шихты до температуры спекания и в системе «шихта — спек — пеностекло» на стадии образования пеностекла.

3. Проведен численный анализ процессов теплопереноса:

• в системе «греющий газ — пеностекольная шихта» за счет отдельно конвекции и излучения дымовых газов, а также их совместного действия;

• в газовой полости между шихтой и формой за счет теплопроводности и конвекции газа, находящегося в этой полости, а также за счет теплового излучения от внутренних поверхностей формы;

• в трехфазной системе «шихта — спек — пеностекло» при образования пеностекла.

4. Установлены основные закономерности теплопереноса в условиях нагрева шихты до температуры спекания с учетом реальной геометрии системы в двумерной постановке и поризации пенообразующей смеси при дальнейшем нагреве.

5. Обосновано, что при моделировании процессов теплоотдачи от греющих газов печного пространства к поверхности формы необходимо учитывать как конвективную, так и радиационную составляющие подвода тепла, так как их вклад сравним по величине.

6. Установлено, что основным механизмом теплопереноса в газовой полости между шихтой и формой является излучение от поверхности формы, по сравнению с которым конвективная и кондуктивная составляющие в газе малы.

7. Показано, что типовые температурные режимы нагрева шихты не являются оптимальными с точки зрения равномерности прогрева к моменту начала спекания, так как из-за большой разницы температур между поверхностью и центром, получаемой при этих режимах, начало поризации в ядре пенообразующей смеси значительно отстает по времени от начала вспенивания поверхностных слоев спека.

8. Разработаны рекомендации по изменению параметров технологического режима цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания, которые могут существенно повысить качество выпускаемой продукции.

9. Показано, что использование температурных режимов с линейным увеличением температуры дымовых газов на начальном участке нагрева до значений близких к температуре спекания и последующей выдержке при этих температурах позволяет получить более равномерный прогрев шихты по сравнению с существующими режимами на стадии нагрева до температуры спекания, что, в свою очередь, приведет к значительно более равномерному структурообразованию в процессе вспенивания.

10. Разработанная математическая модель позволяет провести анализ температурных полей в шихте на стадии нагрева до температуры спекания при различных температурных режимах, что необходимо для моделирования последующих стадий производства пеностекла — спекания, вспенивания и отжига — и выбрать направления их оптимизации, с точки зрения теплофизики процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.