IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Актуальность темы исследования.

Процессы сушки строительных материалов остаются одними из наиболее энергозатратных и времяемких процессов строительной индустрии. Более того, их организация существенно влияет на качество высушенных материалов и изделий, в том числе на их физико-механические характеристики. Именно поэтому регулярно предлагаются различные варианты модернизации процесса сушки и сушильного оборудования. Решение об инвестициях в модернизацию процесса напрямую зависит от достоверности прогноза технического эффекта, ожидаемого в результате модернизации. Однако получение информации о достоверном прогнозе само по себе является затратным мероприятием. Одним из наиболее экономичных средств достижения этой цели может быть математическое моделирование интересующих процессов. Часто достоверность таких модельных прогнозов связана с уровнем декомпозиции процесса при построении модели (аппарат в целом, его отдельная секция, малый локальный объем и т.д.). Обычно переход от одного уровня декомпозиции к другому сопровождается изменением математического аппарата, используемого при моделировании. Именно это и порождает большое разнообразие моделей, которые плохо «сшиваются» друг с другом или плохо переносятся на описание смежных однотипных процессов. На наш взгляд, одним из эффективных подходов к моделированию, позволяющим избежать смены математического аппарата при изменении уровня декомпозиции, является подход, основанный на ячеечных моделях, использующих математический аппарат теории цепей Маркова.

Применительно к процессам сушки можно отметить, что нуль-мерный уровень декомпозиции, когда весь материал рассматривается как однородное тело с равномерным распределением температуры и влагосодержания по его объему, мало информативен. Большинство строительных материалов, особенно древесина, имеют сильную анизотропность коэффициентов тепло и влагопроводности, а также их сильную зависимости от температуры и влажности. Все это приводит к значительной неравномерности распределения влагосодержания и температуры по объему материала, что, в свою очередь, приводит к его термомеханическим повреждениям: короблению, образованию трещин и т.д. Нуль-мерная декомпозиция не может учесть неоднородности в принципе.

Таким образом, построение математических моделей и базирующихся на них компьютерных методов инженерного расчета, позволяющих прогнозировать реальное протекание процессов сушки с учетом неравномерного распределения температуры и влагосодержания высушиваемых материалов, является, на наш взгляд, актуальной научной и практической задачей. Ее решение позволит выбирать при проектировании и модернизации параметры процессов сушки и потоков сушильного агента, снижающих продолжительность, а, главное, неравномерность сушки, приводящей к образованию термомеханических повреждений материала.

Степень разработанности проблемы.

Настоящая работа логически продолжает цикл теоретических и экспериментальных исследований по приложению теории цепей Маркова и ячеечных моделей к описанию и совершенствованию процессов переноса в различных областях строительной индустрии, который разрабатывается под общим руководством профессоров С.В. Федосова, Р.М. Алояна,В.Е. Мизонова и Н.Н. Елина. Спецификой разработанных моделей является универсальность их математического аппарата и алгоритмизации. Эти модели подтвердили возможность адекватного описания и достоверность расчетных прогнозов в исследованных процессах. Однако применение данного подхода к описанию процессов сушки с учетом распределения теплофизических параметров по объему высушиваемых тел не проводилось.

В соответствии с изложенным, целью выпускной работы являетсяповышение информативности, точности и достоверности расчетов распределения температуры и влагосодержания в материале в процессе сушки для рационально управления потоком сушильного агента, обеспечивающего снижение неравномерности высушивания и сокращение времени сушки. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. разработка двухмерной нелинейной ячеечной модели сушки длинномерного листового строительного материала, учитывающей продольную (в направлении движения сушильного агента) и поперечную (вглубь материала) неравномерность теплофизических параметров материала;

2. анализ влияния параметров процесса на степень этой неравномерности и условий возможности сведения модели к одномерному описанию процесса, учитывающему только продольную неравномерность;

3. разработка модели реверсивной сушки материала и анализ влияния параметров реверса сушильного агента на неравномерность продольного распределения влагосодержания;

4. разработка компьютерного инженерного метода расчета неравномерной сушки материала и его программно-алгоритмического обеспечения;

5. верификация модели в стендовых и промышленных условиях и доведение результатов работы до практического использования.

Предметом выпускной работы является моделирование исследования тепловлажностного состояния листовых строительных материалов в процессе сушки.

Объектом исследованияявляется установки для сушки листовых строительных материалов.

Теоретической и методологической базой исследованияявляются научные труды:

- в области тепловлагопереноса при сушке, научные труды Б.С. Сажина, А.В. Лыкова:

- в области разработки ячеечной модели, работы С.В. Федосова, Р.М. Алояна, В.Е. Мизонова, Н.Н. Елина.

Так же исследование влияния внешних и внутренних условий протекания процесса на его кинетику и теоретическое исследование влияния реверса сушильного агента на неравномерность сушки проведено путем вычислительных экспериментов в среде MATLAB.

Информационной базой исследования послужили работы д.т.н., проф. Н.Н. Елина, акад. РААСН д.т.н., проф. С.В. Фелосова, д.т.н., проф. Мизонова В.Е. и их соавторов.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:

1. Разработана двухмерная нелинейная ячеечная модель сушки длинномерного листового строительного материала, учитывающая продольную (в направлении движения сушильного агента) и поперечную (вглубь материала) неравномерность его теплофизических параметров. В численных экспериментах выявлены условия редукции модели к одномерному представлению материала при учете только продольной неравномерности его теплофизических параметров.

2. В численных экспериментах выявлено влияние параметров процесса сушки на степень неравномерности влагосодержания в материале в процессе сушки.

3. Разработана модель реверсивной сушки длинномерного листового материала и с ее помощью определены рациональные параметры реверса сушильного агента, минимизирующие продольную неравномерность влагосодержания.

4. Выполнена экспериментальная проверка модели, подтвердившая приемлемую для проектирования точность расчетных прогнозов.

Практическая значимостьдиссертационнойработы состоит в том, что разработан компьютерный инженерный метод расчета распределения теплофизических параметров обрабатываемого материала в процессе его сушки; выполнена оценка влияния на неравномерность распределения влагосодержания одно- и многократного реверса сушильного агента и определены рациональные моменты реверса, минимизирующие неравномерность влагосодержания.

Код для цитирования: Скопировать