CC BY
11
УДК 625.731.811:691.31.001.5
ЕФИМЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, svefimenko_80@mall. ru
ЧАРЫКОВ ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
ПУТЯТИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ, канд. физ.-мат. наук, доцент, [email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ «ГАЗОВАЯ СРЕДА - ЧАСТИЦА ГРУНТА» ПРИ ОБОСНОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИТА
Для обоснования технологических параметров производства термоукреплённого грунта (керамита) приведены результаты моделирования процесса конвективного нагрева дисперсных частиц глинистого грунта. Определены оптимальные параметры технологического процесса, такие как размер частиц грунта, минимальная температура, время тепловой обработки.
Ключевые слова: технологические параметры; низкотемпературная плазма; конвективный нагрев; глинистые грунты; керамит.
EFIMENKO, VLADIMIR NIKOLAYEVICH, Dr. of tech. sc., prof, svefimenko_80@mall. ru
CHARYKOV, JURIY MIKHAILOVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., [email protected]
PUTYATIN, SERGEI MIKHAILOVICH, Cand. of phys.-mat. sc., assoc. prof., Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russla
RESULTS OF THE CONVECTIVE HEAT EXCHANGE IN «GAS ENVIRONMENT - SOIL PARTICLE» SYSTEM AT THE SUBSTANTIATION OF THE TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF CERAMITE PRODUCTION
To substantiate the technological parameters of the thermo-strengthened ground (ceramite) production the modeling technique of the convective heating process of the disperse particles of the clayey soil is presented. The optimal parameters of the technological process such as soil particle size, minimum temperature, and thermal treatment time are determined.
Keywords: technological parameters; low-temperature plasma; convective heating; clayey soil; ceramite.
Определение технологических параметров обработки гранул глинистого сырья низкотемпературной плазмой осуществлено численным способом,
© В.Н. Ефименко, Ю.М. Чарыков, С.М. Путятин, 2012
идеология которого изложена в работах [1, 2]. При адаптации его к условиям тепловой обработки сферических гранул размером 5-20 мм исходили из того, что при имеющихся недостатках, например, недоучёте резкого изменения теплообмена частицы со средой в результате плакирования поверхности, способ позволяет оперативно осуществлять расчёты и учитывать многообразие случаев, возникающих при обработке материалов в плазменных потоках. Математическая формулировка рассматриваемой задачи класса «частица в горячем газе» учитывает конвективный теплоперенос и заключается в следующем: сферическая частица, имеющая в начальный момент времени т = 0, радиус Rp, температуру Т и нулевую скорость, помещается в точку Х = 0 высокотемпературного, неоднородного по скорости и температуре (в направлении оси X) потока газа, где начинает двигаться и нагреваться. Нагрев частицы осуществляется сферически симметрично.
Опыт практического применения рассмотренного численного метода при моделировании поведения дисперсной компоненты в высокотемпературных потоках газа свидетельствует о достаточной его эффективности. Это даёт основание принять его за основу при оптимизации исходных режимных параметров термоукрепления гранулированных связных грунтов в потоках низкотемпературной плазмы.
При моделировании процесса плазменного укрепления грунтов исходили из условия противоточной конструкции реактора. Высокотемпературную струю газа генерирует электродуговой подогреватель (ЭДП) мощностью 100 кВт конструкции Института теплофизики СО РАН. К расчёту приняты следующие характеристики ЭДП: рабочий газ - воздух; расход воздуха 5 -10-3-6,7-10-3 м3, ток дуги 500-550 А; среднемассовая температура воздуха на выходе из плазмотрона 2000-5000 °С; диаметр сопла 22 мм. В расчётах рассмотрена возможность высокотемпературной обработки частиц грунта размерами 5; 10; 15; 20 мм. Необходимые теплофизические параметры грунта определены с учётом его теплопроводности. Параметры потока рабочего газа - воздуха приведены в таблице.
Параметры потока газа на выходе из электродугового подогревателя
Температура воздуха на срезе сопла ЭДП, °С Энтальпия, Дж/кг Плотность, кг/м3 Среднемассовая скорость на срезе сопла ЭДП, м/с Тепловая мощность ЭДП, кВт
2000 2,279 0,177 100,0 15
3000 4,069 0.115 152.6 27
4000 7,667 0,077 228,7 51
5000 10,246 0,058 501,6 69
В качестве критерия окончания теплового воздействия на укрепляемый грунт в расчётах принят нагрев центральной точки сферы до температуры 900 °С. Указанный температурный режим тепловой обработки обеспечивает необратимые изменения состава и свойств связных грунтов и способствует приобретению ими требуемых потребительских качеств.
Результаты расчётов показывают, что эффект теплового укрепления частиц грунта, имеющих диаметр D = 5 мм, можно достичь через 0,81 с при наличии ЭДП с температурой газа на срезе сопла плазмотрона 5000 °С. В этих же условиях продолжительность нагрева частицы D = 20 мм составляет около 10 с, т. е. почти в 15 раз больше, чем в первом случае. При обеспечении электроду-говым плазмотроном температуры рабочего газа на срезе сопла 3000 °С прогрев частицы грунта D = 5 мм заканчивается через 1,5 с, а при D = 20 мм - в течение 14 с после начала теплового воздействия. Очевидно, что обработка частиц грунта D = 20 мм в принятых к исследованию условиях малоэффективна (рисунок). Кроме того, применение ЭДП с тепловой мощностью (15 кВт) требует значительного времени пребывания укрепляемого грунта в реакторе, что может привести к увеличению энергозатрат. Наиболее интенсивно процесс тепловой обработки грунта протекает при работе плазмотрона с тепловой мощностью 69 кВт. При этом, если прогрев частицы D = 5 мм продолжается 0,81 с, то с увеличением диаметра частицы в два раза, продолжительность её тепловой обработки достигает 2,58 с. Для сравнения отметим, что при ЭДП, обеспечивающем температуру рабочего газа на срезе сопла 5000 °С, продолжительность термоукрепления грунта D = 5 мм составляет 1,5 с, а при D = 10 мм соответственно 5,2 с. То есть с увеличением мощности плазмотрона в 2,5 раза (см. таблицу) имеется возможность в 2 раза сократить время термообработки частиц грунта диаметром до 10 мм. Однако при укреплении более крупных частиц грунта D = 15 мм увеличение тепловой мощности плазмотрона менее эффективно, чем в вышеописанном случае, и обеспечивает сокращение времени термоукрепления грунта всего на 0,7 с. Можно предположить, что увеличение тепловой мощности плазмотрона будет способствовать росту производительности установки для получения искусственного материла, но применительно к ограниченному диапазону размеров частиц грунта.
Н
Я
&
е
еЗ
V
«
я
я
а
И
Величина радиуса частицы грунта, укрепляемой в газовом потоке г, мм
Продолжительность тепловой обработки частиц связного грунта в зависимости от их размера и температуры рабочего газа
Для принятых к рассмотрению условий независимо от размера укрепляемых частиц характерны два этапа прогрева гранул грунта. На первом этапе взаимодействия грунта с газовой средой температура центральной точки (Гц) в ядре частицы статична. По мере роста температуры периферии сферы (Гп) значение отношения Тц/Тп снижается. По истечении некоторого времени (в зависимости от тепловой мощности ЭДП и размера укрепляемой частицы грунта) температура центральной точки сферы (вектор радиуса равен 0) начинает увеличиваться. При этом наступает второй этап прогрева грунта, продолжительность которого для частиц диаметром D = 10 мм составляет около 3,0 с. При отношении Тц/Тп, достигающем значений 0,3-0,5, центральная часть сферы прогревается до температуры 900 °С, что позволяет грунту приобрести необходимые потребительские свойства. Характерно, что в течение 2,0 с контакта частицы грунта с высокотемпературным газовым потоком прогревается лишь поверхностный слой толщиной около 0,3 величины радиуса. Для прогревания внутреннего объёма частицы грунта до контрольной температуры требуется ещё около 5 с пребывания её в реакторе. Однако суммарное время тепловой обработки грунта в потоках газа, генерируемого ЭДП, можно сократить, предусмотрев оборудование электроплазменной установки закалочной камерой. При этом можно повысить эффективность работы установки за счёт сокращения расхода электроэнергии на производство единицы объёма термоукреплённого грунта.
Теоретическое моделирование процесса конвективного теплообмена в системе «газовая среда - частица грунта» позволяет сделать следующие выводы.
Оптимальный размер частиц грунта при плазменном укреплении имеет пределы D = 5-15 мм. Минимальная температура, обеспечивающая эффективный нагрев грунта, составляет 5000 °С. При температуре газа на срезе сопла плазматрона 3000 °С время тепловой обработки сферической частицы грунта в зависимости от её диаметра может измениться от 2 до 10 с.
Время пребывания частиц укрепляемого глинистого грунта в электро-дуговом реакторе можно ограничить 2-3 с, обеспечив изотермические условия протекания конвективного теплопереноса в бункере-накопителе, оборудованном стенками со слоем теплоизоляционного материала. При этом можно значительно снизить удельный расход электрической энергии на производство единицы объёма готового продукта.
Библиографический список
1. Метод расчёта оптимальных технологических параметров в реакторе противоточного типа при сушке и обжиге слоя гранулированного материала / В.Н. Ефименко, С.М. Путятин, Е.Н. Путятина [и др.] // Техника и технологии дорожного хозяйства. -Кемерово, 1998. - № 2. - С. 61-73.
2. К вопросу расчёта технологических параметров плазменного укрепления грунтов применительно к дорожному строительству / В.Н. Ефименко, С.М. Путятин, Е.Н. Путятина [и др.] // Актуальные проблемы строительного материаловедения: материалы всероссийской научно-технической конференции. - Томск, 1998. - С. 127, 128.
