CC BY
13
По результатам анализа контрольной карты можно сделать вывод, что процесс посола статистически управляем, так как отсутствуют выходы из контролируемого состояния.
Таким образом, статистические методы управления качеством имеют преимущества в сравнении со сплошным контролем продукции, так как позволяют оперативно обнаружить отклонения в технологическом процессе.
Список литературы:
1. Гличев А.В. Основы управления качеством продукции 2-е изд. перер. и допол. М.: РИА Стандарты и качество, 2001 - 424 с.
2. Дунченко Н.И. Управление качеством в отраслях пищевой промышленности: Учебное пособие / Н.И. Дунченко, М.Д. Магомедов, А.В. Рыбин. - М.: Из-дательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2012. - 212 с.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХСВОИСТВ
ТЕПЛО- И ОГНЕЗАЩИТЫ
Страхов Валерий Леонидович
Доктор технических наук, профессор, г. Мытищи, Кузьмин Илья Андреевич
Аспирант кафедры прикладной математики, г. Москва
Теплозащита конструкций ракетно-космической техники [1,2] и огнезащита строительных конструкций [3] изготавливается в основном из композиционных полимерных материалов (КПМ) с минеральным наполнителем типа SiO2 и MgO и т. п.
При работе в горячих казовых потоках теплоогне-защита такого типа испытывает термическое разложение, сопровождающееся поглощением теплоты, выделением газообразных продуктов, а также вспучиванием или усадкой (в зависимости от давления). Под рабочей поверхностью тепоогнезащитного покрытия (ТОЗП) образуется пористый обугленный слой (ОС), каркас которого состоит из углерода и минерального наполнителя. В результате химического взаимодействия углерода ОС с активными компонентами продуктов сгорания (О, О2, СО2, Н2О, N N2) происходит химико-механический унос массы теплоогне-защиты. Кроме того, при повышенных температурах возможно испарение минеральных наполнителей и углерода.
(1 -Ф)р'с
'дГ = д. (X ЭГ)
д t dx z Эх
Очевидно, что для оптимизации рецептур тепло-огнезащитных материалов (ТОЗМ) и расчета требуемых толщин теплоогнезащиты необходима адекватная натуре математическая модель процесса работы теплоогнеза-щиты, позволяющая учитывать перечисленные физико-химические процессы и их влияние на теплофизические свойства ТОЗМ в рабочем диапазоне температур.
Основные положения разработанной ранее математической модели тепломассообмена в ТОЗП с учетом процессов термического разложения, уноса массы и вспучивания-усадки изложены в работах [3 - 6 и др.]. Для расчета температурных полей в ТОЗП используется численное решение методом конечных разностей уравнения нестационарной теплопроводности с краевыми услови-ями2 в виде:
m" c"P
д!_ Ро(1 -K) Qz dx
Э х
1 ±8
V
dt
t > 0; 0 < x < x0;
t хкп
xw (t) = 1 vvdt ± ¡8Vdx;
(1)
(2)
, dT
— ^z — dx
T (x, 0) = T0 = TOnst;
= aZ(Tf — Tw )— m vQy
x =xw +0
dT dx
— 0;
x—x0
(3)
(4)
(5)
В формулах (1) - (5) приняты следующие обозначе-
ния:
Т - температура; t - время; х - поперечная координата; Хе - эффективная (суммарная) теплопроводность; ф - пористость; р - плотность; ро - исходное значение объ-
емной плотности материала; с, ср - теплоемкость; % - степень завершенности процесса термического разложения материала; К - массовая доля конденсированного остатка
в продуктах полного термического разложения; Тп" -массовая скорость фильтрации газообразных продуктов
x
нп
2 Приведен вариант краевой задачи теплопроводности для случая термически толстого покрытия в форме пластины неограниченных размеров.
термического разложения в сообщающихся порах обугленного слоя (ОС); - суммарный тепловой эффект процесса термического разложения; уу - скорость уноса массы с рабочей поверхности ТОЗП; еу- относительная деформация вспучивания (плюс) или усадки (минус); Т/, - температуры газовой среды и поверхности;
а£ = а + ст(т/ + тк )т/ + тw) - суммарный
коэффициент теплообмена между газовым потоком и рабочей поверхностью ТОЗП; а - коэффициент конвектив-
К •, •, Л
ной теплоотдачи;
1 1
+ -
-1
е г
V }
е
- коэффици-
ент лучистого теплообмена; ст - постоянная Стефана-Больцмана; е/ - интегральная излучательная способность газовой среды; е№ - степень черноты нагреваемой поверхности; ТПу, Оу - массовая скорость и тепловой эффект
уноса массы ОС за счет химического взаимодействия углерода с активными компонентами газового потока и (или) сублимации компонентов обугленного слоя; х„ - координата нагреваемой поверхности теплоогнезащиты; хо -координата не нагреваемой поверхности теплоогнеза-щиты.
В последние годы авторами на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований упомянутая модель уточнена и доработана в части определяющих соотношений для входящих в уравнение (1) физико-химических характеристик ТОЗМ в рабочем диапазоне температур.
Входящие в уравнение (1) плотность и теплоемкость каркаса ТОЗМ рассчитываются по формулам аддитивности вида3
Эти формулы получены с учетом испарения при температуре 3100 К не разлагающегося при пиролизе наполнителя.
Входящие в эти формулы характеристики наполнителя, связующего и кокса определяются по методике работы [3].
Для расчета пористости применена формула вида Ро [1 -х(1 - К)] (1 -Фо )
Ф =
1 -
1-
Р'(1 ±еу ) Ро (К-р„ )(1 -Фо ) Рк (1 -Рн )(1 — еу )
при Т — 31оок,
при Т — 31ооК.
(8)
Для учета влияния давления на изменение объема подповерхностного слоя ТОЗП за счет вспучивания или усадки в модель введено условие:
е.
'V
е
8кт
при при
Р < Ркр , Р ^ Ркр •
(9)
где е.™, - относительная деформация вспучивания; глт - относительная деформация усадки; рКр - критическое значение давления, при котором вспучивание сменяется усадкой.
Расчет относительной деформации вспучивания производится по формулам, приведенным в работе [3], а для расчета относительной деформации усадки используется формула вида
е .кт =>
Р
(
^Рн
+ -
1
Р н
\
' .кт
о
Т - Т
нп
Т - Т
кп н тах
е .кт
при при
при
Т < Т„
Т — Т — Т ;(Ю)
нп кп
Т > Т
Рк
Р м у
при
с =
СнРн + См (1
с
-Р н )
при
полученная при допущении о линейном законе из-при Т — 31оо Кменения относительной деформации усадки по ширине зоны пластичности.
В предположении о том, что сжатие пор при Т — 31°°К • усадке происходит в зоне пластичности до начального
(6) уровня, максимальная относительная деформация усадки
при Т 3Юо^ожет быть определена по формуле:
Т — 31оо К •
(7)
е тах = 1 -[1 -Хкп (1 - к)]р%' . (11)
Расчет эффективной теплопроводности разлагающегося при нагреве материала ТОЗП производится по формуле:
МТ ) = Ь'(Т ) (1- ф(Т ))1,5 ИК + Г(Т )ф
0,25
(12)
Очевидно, что входящий в эту формулу параметр контактного сопротивления между частицами наполнителя и разлагающейся при нагреве матрицей Мк зависит от степени разложения, так как в процессе разложения изменяются состав и физические свойства матрицы. Для учета этой зависимости предложено использовать линейную интерполяцию между значениями данного параметра при температурах начала и конца термического разложения:
Мк =
М„
Мкн
Т - Т
+ (Мкк - Мкн )- нр
Т - Т
при
при
Т < Т
нр
Т — Т — Т
нр кр
(13)
кр
нр
М
Т — Т,
кк при кр
где Мкн - начальное значение контактного сопротивления; Мкк - конечное значение контактного сопротивления.
;
3 В приведенных ниже формулах использованы условные обозначения , приятые в работе [3].
Входящие в формулу (12) теплопроводности каркаса и пор определяются по составу ТОЗМ и свойствам компонентов с использованием формул работы [3].
Экспериментальная проверка разработанной модели, проведенная путем сравнения расчетов с имеющимися экспериментальными данными, показала ее достаточную достоверность и возможность практического применения.
В качестве примера на рисунке 1 приведены основные результаты расчета по разработанной методике параметров уноса массы и деструкции ТОЗП из резиноподоб-ного материала плотностью 1060 кг/м3с наполнителем из
6. мм;
диоксида кремния, работающего в потоке продуктов сгорания при температуре 3300 К, давлении 5 МПА и скорости 10 м/с.
Удовлетворительное согласование расчета с экспериментом достигается при: параметре лучистого теплопе-реноса в порах [3] 9 = 0,510-11 Вт/(м4 К) и параметрах контактного сопротивления МКн = 0,865, Мкк = 0,3.
Можно видеть, что до момента времени около 11,8 с происходит деструкция ТОЗП без поверхностного (химического) уноса массы, который начинается после уменьшения массовой скорости вдува газов пиролиза в пограничный слой до критического значения 0,07 кг/м2с. Начиняя с этого момента, зависимость глубины деструкции от времени становится практически линейной.
ш', кг/(м2с)
3,5
1.5
0,5
2 \
1
3 ч
\
10
15
20
t.c
Рисунок 1. Зависимость от времени: толщины унесенного слоя ТОЗП -1; глубины деструкции (8)- 2; массовой скорости вдува газов пиролиза (т') в пограничный слой - 3 при скорости потока продуктов сгорания 10 м/с
Необходимо также отметить, что характер полученных расчетом зависимостей параметров уноса ТОЗП от времени хорошо согласуется с изложенными в монографии [2] представлениями о механизме работы теплозащитного покрытия.
Проведенные параметрические исследования модели, в частности, показали, что при повышенных температурах продуктов сгорания в унос массы обугленного слоя существенный вклад, наряду с известными реакциями углерода с газами O, O2, CO2, H2O, вносят реакции с газами N, N2. Кроме того, в этих условиях начинает играть существенную роль сублимация углерода и окислов, входящих в состав ОС. Эти результаты согласуется с данными работы [2].
Таким образом, указанные физико-химические процессы следует учитывать при проведении расчетов теплоогнезащиты, работающей в высокотемпературных газовых потоках.
Список литературы:
1. 1.Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. -М.: Энергия, 1976. - 392 с.
2. Газодинамические и теплофизические процессы в ракетных двигателях твердого топлива / А.М. Губертов, В.В. Миронов, Д.М. Борисов и др.; Под ред.
А.С. Коротеева. - М.: Машиностроение, 2004. - 435 с.
3. З.Страхов В.Л., Крутов А.М., Давыдкин Н.Ф. Огнезащита строительных конструкций / Под ред. Ю.А. Кошмарова. - М.: ТИМР, 2000. - 433 с.
4. 4.Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. Комплексное моделирование пожара и огнезащиты // Теплообмен при химических превращениях: Труда Первой Российской нац. конф. по тепломассообмену. - М.: Изд-во МЭИ, 1994. - С. 212 - 217.
5. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Каледин В.О., Руд-зинский В.П. Моделирование работы теплоогнеза-щиты с учетом процессов термического разложения, испарения-конденсации, не одномерного тепломассопереноса и вспучивания. - Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. Труды Второй Российской нац. конф. по теплообмену. - М.: Изд-во МЭИ, 1998.
6. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Кузнецов Г.В., Руд-зинский В.П. Численная реализация и апробирование математических моделей тепломассообмена в тепло- и огнезащите с учетом процессов термического разложения, испарения-конденсации, уноса массы и вспучивания-усадки. - Математическое моделирование, 2000, № 5. - С. 22 - 26.
МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ ТЕМПОВ СТРОИТЕЛЬСТВА
Сычев Сергей Анатольевич
к.т.н., докторант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета
Павлова Надежда Алексеевна Архитектор
В настоящее время разработкой методов ускорения темпов строительства занимаются специалисты во всем мире. Способы, позволяющие сократить сроки возведения зданий, положительно влияют на экономическую составляющую проектов, помогают эффективно решать ряд вопросов социального и экологического характеров.
Данное усовершенствование строительства направлено в сторону автоматизации производства, унификации конструктивных единиц, уменьшения веса возводимых конструкций, то есть неразрывно связано с повышением технологичности.
Модульный способ возведения зданий наиболее соответствует требованиям, предъявляемым к современному строительству. Использование в производстве, базирующемся на зрелых технологиях, модульных конструкций обеспечивает существенный выигрыш в гибкости этого производства и его экономической эффективности.
Переход промышленности к конструированию и производству из модулей начался достаточно давно. Одними из первых данные принципы интегрировали скандинавские страны и Северная Америка. Сейчас эта практика проектирования и строительства быстро распространяется в Восточной Европе и азиатских странах.
Под модулем в данном случае следует понимать стандартизированную самостоятельную функциональную конструктивную единицу, которая полностью изготавливается в заводских условиях с соблюдением существующих норм и стандартов. Например, это могут быть как междуэтажные перекрытия или стеновые панели, полностью оснащенные необходимыми коммуникациями и внутренней отделкой, так и блок-комната, также имеющая инженерные коммуникации, сантехнические приборы, отделку. На выбор определенного типа модуля влияет конструктивная особенность и функциональное назначение здания, а также способ доставки элементов на строительную площадку.
Сокращение сроков строительства модульных зданий достигается за счет следующих мероприятий:
• изготовление модулей на заводе происходить параллельно с подготовкой строительной площадки, земляными работами и работами нулевого цикла (рис. );
• бо-90% строительно-монтажных работ производятся в заводских условиях, что сокращает риск задержек из-за погодных условий;
• на стадии архитектурно-конструктивного проектирования учитываются факторы, влияющие на темпы строительства (определяется тип модулей, конструирование ведется с учетом уменьшение веса конструкции).
Таким образом, здание возводится в более короткие сроки, а следовательно, уменьшаются затраты труда, себестоимость процесса и самого здания, осуществляется более быстрый возврат инвестиций.
Несмотря на то, что модульное строительство ведется в сжатые сроки, это не оказывает негативного влияния на качество строительно-монтажных работ и изготавливаемых конструкций. Здания, построенные по данной
технологии, имеют высокие показатели по качественным и прочностным характеристикам, что является результатом ряда фактов:
• конструктивно модульные здания обычно прочнее, чем другие, так как каждый модуль проектируется с учетом нагрузок, испытываемых во время транспортировки и монтажа;
• изготовление конструкций происходить в заводских условиях с высокой точностью и постоянным контролем качества;
• материал, используемый для производства модулей, а также сами конструктивные элементы хранятся на складах производителя в требуемых условиях;
• монтаж модулей ведется с высокой степенью точности и стабильности, что достигается за счет заводского изготовления элементов.
Одним из преимуществ модульного строительства является его соответствие экологическим требованиям, таким как:
• сокращение выбросов СО2, тепловых выделений и твердых частиц производства в атмосферу;
• эффективное использование энергетических и материальных ресурсов;
• возможность повторного использования конструкций;
• безопасная утилизация побочных продуктов производства.
Высокие показатели экологичности процесса строительства достигаются следующим образом:
• проектирование с учетом уменьшения веса модулей способствует сокращению затрат материальных и энергетических ресурсов на их изготовление;
• при производстве меньшего количества материала, используемого для изготовления модулей, сокращается количество выбрасываемого в атмосферу углекислого газа;
• демонтаж модульных зданий с последующим использованием конструктивных единиц в новых сооружениях позволяет свести к минимуму количество энергии, затрачиваемой на производство новых модулей;
• возможность повторного использования составляющих здания решает вопрос утилизации строительных конструкций;
• при производстве модулей на заводе, возможна безопасная утилизация отходов путем переработки материалов;
• так как модули поступают на место монтажа в полной заводской готовности, это позволяет свести к минимуму количество отходов на строительной площадке, а также сократить загрязнение воздуха и воды на строительной площадке.
