CC BY
33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эйкхофф, П. Современные методы идентификации систем / П. Эйкхофф; пер. с англ.; под ред. П. Эйкхоффа. -М.: Мир, 1983. - 400 с.
2. Ладиков, Ю.П. Стабилизация процессов в сплошных средах / Ю.П. Ладиков. - М.: Наука, 1978. - 400 с. - (Сер. «Теоретические основы технической кибернетики»).
3.Дьярмати, И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы / И. Дьярмати. - М.: Мир, 1974. - 303 с.
4. Игонин, В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: моногр. / В.И. Игонин. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - 119 с.
5. Недужий, И.А. Техническая термодинамика и теплопередача / И.А. Недужный, А.Н. Алабовский. - Киев: Высш. шк., 1978. - 224 с.
6. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика: учеб. для вузов / А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, А. П. Иванов. - М.: Стройиздат, 1987. - 414 с.
7. Ухин, Б.В. Гидравлика: учеб. пособие / Б.В. Ухин. -М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009. - 464 с.
Игонин Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 53-60-22; 53-19-49; 8-981-509-74-94; е-mail: [email protected]
Стратунов Олег Владимирович - ассистент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 53-05-89; 53-19-49; 8-921-531-80-07; е-mail: [email protected]
Igonin, Vladimir Ivanovich - Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Heat-Gas Supply and Ventilation, Vologda State Technical University.
Тек: 8 (8172) 53-60-22; 53-19-49; 8-981-509-74-94; е-mail: [email protected]
Stratunov, Oleg Vladimirovich - Assistant, Department of Heat-Gas Supply and Ventilation, Vologda State Technical University.
Те!.: 8 (8172) 53-05-89; 53-19-49; 8-921-531-80-07; е-mail: [email protected]
УДК 691.4. 004. 8/669. 184
Т.Н. Меньшакова, Н.И. Шестаков, Е.Л. Никонова, Н.Н. Синицын
ТЕПЛООБМЕН В ЗАГОТОВКЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА
С ДОБАВКАМИ ШЛАМА
T.N. Menshakova, N.I. Shestakov, E.L. Nikonova, N.N. Sinitzin
HEAT EXCHANGE IN THE PROCESSING OF CRUDE LIME-SAND BRICK WITH
SLIME ADDITIVES
Рассматриваются тепловые процессы, протекающие в заготовке при изготовлении силикатного кирпича с добавками шлама, являющегося отходом кислородно-конвертерного производства металлургических предприятий.
Теплообмен, шлам, утилизация, силикатный кирпич.
The paper investigates heat processes taking place in the processing of crude lime-sand brick with slime additives that are waste products of the basic oxygen steel production.
Heat exchange, slime, waste recycling, lime-sand brick.
В настоящее время утилизация шламов, накопленных в шламохранилищах, производится недостаточно из-за отсутствия промышленных технологий их переработки. С учетом негативного влияния на окружающую природную среду и ограни-
ченных возможностей по расширению объема накопителей, их применение в различных отраслях промышленности является важной экономической и экологической задачей.
Одним из наиболее рациональных и эффектив-
ных путей решения этой задачи является комплексное применение в конструктивных системах жилых зданий материалов различных видов и назначения, получаемых преимущественно на базе продуктов переработки крупнотоннажных техногенных отходов и местных природных материалов. Здесь можно достигнуть значительной экономии энергоресурсов за счет уменьшения объемов работ в карьерах для добычи природного сырья.
Тепловая обработка является одной из составных частей технологического процесса в изготовлении силикатного кирпича. Процесс твердения в производстве занимает до 90 % времени и в значительной мере определяет строительно-прочностные свойства готовых изделий.
Для успешной разработки технологии получения силикатного кирпича с использованием отходов металлургического производства, в частности, необходимо изучить тепловые процессы, протекающие в заготовке в процессе ее обработки.
Исследование проведено методами математического моделирования. Соответствующие тепло-физические параметры получены ранее экспериментальным путем [1].
Заготовка размерами 25х х 2£у х 2Ъг помещена в среду, имеющую температуру Тж. В момент помещения материала в камеру заготовка имеет начальную температуру Т0, °С, которая равномерно распределена по всему объему.
Затем материал начинает прогреваться за счет теплоты газов, имеющих температуру Тс, °С. При достижении поверхностью заготовки температуры реакции Тр, °С, при которой начинается химическая реакция, заканчивается первая стадия прогрева материала.
При достижении поверхностью заготовки температуры химической реакции в материале начинают действовать локальные источники внутренней энергии, распределенные не по всему объему заготовки. Химическая реакция начинает действовать по объему заготовки по мере достижения внутренними слоями температуры химической реакции.
Вторая стадия заканчивается в момент достижения температуры химической реакции центром заготовки. В третьем периоде внутренние источники распределены по всему объему заготовки.
Период устойчивого протекания химических реакций заканчивается при достижении температуры на поверхности заготовки постоянного зна-
чения. Дальнейшее увеличение температуры невозможно. Математическая модель процесса опубликована в [2]. В [3] приведены результаты расчета теплообмена на первой стадии обработки заготовки.
При достижении на поверхности заготовки температуры химической реакции в материале начинают действовать локальные источники внутренней энергии, распределенные не по всему объему заготовки. Химическая реакция начинает действовать по объему заготовки по мере достижения внутренними слоями температуры химической реакции. Вторая стадия заканчивается в момент достижения температуры химической реакции центром заготовки.
Температурное поле заготовки описывается дифференциальным уравнением
дТ Эх
(Э2Т Э2Т д2ТЛ
- = a
Эх2 ду dz
' -1
+
v СР J
So(j - 2):
где Т— температура заготовки; т - время; a - коэффициент температуропроводности материала заготовки; х, у, z - текущие координаты; qv -удельная мощность внутренних источников теплоты; о0(/ - 2) - функция Хевисайда [4]. Индекс j = 1 соответствует области, в которой отсутствуют внутренние источники теплоты, j = 2 относится к области, в которой уже действуют внутренние источники теплоты.
Считаем, что в начале процесса температура в заготовке распределена равномерно, тогда начальные условия:
Т(х, у, z, х = 0) = Т0 = const.
Из условий геометрической и тепловой симметрии следует:
ЭТ(0, у, z, х) дТ (х,0, z, х)
дх
= 0
дТ (х, у,0, х)
дZ
ду
= 0.
= 0;
Теплообмен на поверхности заготовки подчиняется закону Ньютона - Рихмана:
_дТ(±8Х, у, z, х) а
дx
= 1 [Т (±8 х, у, ^ х)-Tж ];
дТ(х, ±8у, z, х) аг , ч -|
т » =1 [Т (* ±8 У х)-Гж];
_ дТ (х, у, ±82, х)
т-дZ-
= 1 [Т (х,у,±82,х)-Тж]:
где а - коэффициент теплоотдачи; X - коэффициент теплопроводности.
Решение данной системы в безразмерном виде можно представить как произведение трех решений для неограниченной пластины, так как заготовка (параллелепипед) образована путем пересечения трех взаимно перпендикулярных неограниченных пластин.
Для заготовок различных размеров продолжительность стадии начала действия химических реакций можно определить из рис. 1.
Анализируя рис. 1, можно сделать вывод, что независимо от значения критерия Био температура в заготовке возрастает только в пределах значения числа Фурье до 0,5.
Проследим зависимость продолжительности данной стадии от размера заготовки (рис. 2).
Анализ графика на рис. 2 показывает, что продолжительность периода начала действия химических реакций увеличивается с увеличением размера заготовки при постоянных значениях критерия Ы от 0,5 мин для заготовок эквивалентным размером 10 мм до 12 мин для заготовок эквивалентным размером 100 мм, но практически мало
1,2 1
а 0,8 й
& 0,6 с
г
н 0,4 0,2 0
Л Р5"
А
// -Б1 = 5 -Б1 = 10 -Б1 = 15 -Б1 = 20
/
г
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Рис. 1. Зависимость безразмерной температуры от числа Бо в центре заготовки
изменяется с изменением критерия Ы. То есть на продолжительность стадии начала действия процессов основное влияние оказывает размер заготовки.
14 12 10 8 6 4 2 0
____;
Б15 - БШ-
-БИ5
Б120
5 8
Размер заготовки, см
10
0,8 Бо
Рис. 2. Зависимость продолжительности стадии начала действия химических реакций от размера заготовки
В третьем периоде внутренние источники распределены по всему объему заготовки. Вводим допущение, что период устойчивого протекания химических реакций заканчивается при достижении температуры на поверхности заготовки постоянного значения.
Распределение температуры в заготовке в период устойчивого действия химических реакций приведено на рис. 3.
На стадии устойчивого протекания процессов температура в центре заготовки значительно выше температуры на поверхности. Заготовка разогревается за счет действия внутренних источников теплоты.
При увеличении критерия Ы для заготовок одного размера температура уменьшается как на поверхности, так и в центре, средняя температура заготовки уменьшается. При постоянном значении критерия Ы средняя температура в заготовке увеличивается с ростом размера заготовки. Для Ы = 5 при изменении эквивалентного размера от 10 до 100 мм средняя температура заготовки увеличивается примерно на 70 %. При увеличении критерия Ы до 20 и том же изменении размеров заготовки средняя температура соответственно увеличивается на 45 %.
На продолжительность стадии устойчивого действия химических реакций решающее влияние оказывает размер заготовки, при изменении кри-
последующих периодах (начала действия химических реакций и устойчивого протекания химических реакций) критерий Ы уже не оказывает существенного влияния. В этих периодах большее значение имеет фракционный состав заготовки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шестаков, Н.И. Технология изготовления силикатного кирпича с добавками шлама кислородно-конвертерного производства / Н.И. Шестаков, Н.Н. Синицын, Т.Н. Меньшакова // Вестник Воронежского гос. техн. унта. - 2010. - Т. 6. - № 2. - С. 77 - 80.
2. Белозор, М.Ю. Математическое моделирование процессов тепломассообмена при тепловлажностной обработке силикатного кирпича с добавками шлама / М.Ю. Белозор, Т.Н. Меньшакова, Е.А. Шестакова, Н.Н. Синицын // Вестник ЧГУ. - 2008. - № 3. - С. 94 - 99.
3. Белозор, М.Ю. Расчетные исследования процессов тепломассообмена при тепловлажностной обработке силикатного кирпича с добавками шлама / М.Ю. Белозор, Т.Н. Меньшакова, Е.А. Шестакова, Н.Н. Синицын Е.Л. Ни-конова // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы 3-й Между-нар. науч.-техн. конф. - Вологда: ВГТУ, 2007. - С. 56 - 59.
4. Джеффрис, Г. Методы математической физики / Г. Джеффрис, Б. Свирл. - М.: Мир, 1969. - 412 с.
Меньшакова Татьяна Николаевна - инженер кафедры промышленной экологии Инженерно-экономического института Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (8202) 29-01-91; e-mail: [email protected]
Шестаков Николай Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики Инженерно-технического института Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (8202) 31-00-96; e-mail: [email protected]
Никонова Елена Леонидовна - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной теплоэнергетики Инженерно-технического института Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (8202) 51-78-29; e-mail: [email protected]
Синицын Николай Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики Инженерно-технического института Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (8202) 51-78-29.
Menshakova, Tatiana Nikolaevna - Engineer, Department of Industrial Ecology, Institute of Engineering and Economics, Cherepovets State University.
Те!.: 8 (8202) 29-01-91; e-mail:[email protected]
Shestakov, Nikolai Ivanovich - Doctor of Sciences (Technology), Professor, Department of Industrial Heat-Power Engineering, Institute of Engineering, Cherepovets State University.
Те1: 8 (8202) 31-00-96; e-mail: [email protected]
Nikonova, Elena Leonidovna - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Industrial Heat-Power Engineering, Institute of Engineering, Cherepovets State University.
Те1: 8 (8202) 51-78-29; e-mail: [email protected]
Sinitsin, Nikolai Nikolayevich - Doctor of Sciences (Technology), Professor, Head of the Department of Industrial Heat-Power Engineering, Institute of Engineering, Cherepovets State University.
Те1: 8 (8202) 51-78-29.
=3 О.
>у
H й О.
С
Я О.
fr
- Bi = 5 = 1 = 1 = 2
Bi 5
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Безразмерная координата
Рис. 3. Динамика изменения температуры для заготовок эквивалентным размером 100 мм на стадии устойчивого действия реакций
терия Ы продолжительность периода изменяется незначительно.
В результате проведенных исследований мы видим, что на продолжительность периода прогрева оказывает значительное влияние критерий Ы. В
1 ,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0
