close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101675

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГАТАПОВА Наталья Цибиковна
КИНЕТИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ С У Ш К И
РАСТВОРИТЕЛЕЙ, П О К Р Ы Т И Й , ДИСПЕРСИЙ, РАСТВОРОВ И
В О Л О К Н И С Т Ы Х М А Т Е Р И А Л О В : Е Д И Н Ы Й ПОДХОД
Специальность 05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Тамбов 2005
Работа выполнена на кафедре «Химическая инженерия (Процессы и ап­
параты химической технологии)» Тамбовского государственного техническо­
го университета ( Т Г Т У ) .
Научный консультант
Заслуженный деятель науки и техники Р Ф ,
доктор технических наук, профессор
К О Н О В А Л О В Виктор Иванович
(ТГТУ).
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Ф Р О Л О В Владимир Федорович
(Санкт-Петербургский государственный
технологический институт
(технический университет));
Заслуженный деятель науки Р Ф ,
член-корреспондент Российской академии
архитектуры и строительных наук,
доктор технических наук, профессор
Ф Е Д О С О В Сергей Викторович
(Ивановская государственная
архитектурно-строительная академия);
доктор технических наук, профессор
Б Е Л Я Е В Павел Серафимович
(ТГТУ).
Ведущая организация
Московский государственный университет
инженерной экологии ( М Г У ИЭ).
Защита диссертации состоится « 10 » июня 2005 г. в 14.30 часов на засе­
дании диссертационного совета Д 212.260.02 Тамбовского государственного тех­
нического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.
Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим на­
правлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ.
Эл. почта: kvidep@cen.tstu.ru
Факс: (8-0752) 72-20-24
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан ((S(/>'> ^ / ^ Л ^ . у 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, доцент В *! \1
Нечаев Василий Михайлович
Щ^
^£^3ff^g
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Процессы, включающие испарение растворителей, сушку
покрьггий, сушку дисперсий, кристаллообразующих растворов и их смесей на
подложках или без них, сушку пропитанных волокнистых материалов, тепло­
вую обрабагку полимер-волокнистых и других композиций, в том числе их
многооперационные и циклические разновидности, весьма разнообразны и
многочисленны. Они составляют более половины номенклатуры всех высуши­
ваемых и термообрабатываемых материалов.
Общими чертами таких материалов являются: гетеропористая структура
продуктов; схожесть кинетики изменения температуры материалов в процессе
их тепловой обработки; сильная зависимость качества продуктов от темпера­
турной кинетики. Для этих процессов кинетика нагрева имеет такое же значе­
ние, как кинетика собственно сушки, т.е. термического удаления влаги. Такие
материалы, высушиваемые обычно до умеренных влагосодержаний, можно
называть материалами с существенной температурной кинетикой, в отли­
чие от сушки монолитных продуктов и процессов глубокой сушки, в которых
время прогрева мало по сравнению с временем последующей сушки.
В области кинетики и моделирования процессов сушки широко известны
труды А.В. Лыкова, О. Кришера, П.Г. Романкова, А.Н. Плановского, В.В. Кафарова, А.А. Долинского, В.Ф. Фролова, Б.С. Сажина, С В . Федосова,
В.И. Коновалова, С П . Рудобашты, В.И. Муштаева, Р.Б. Кия, Ч.К. Струмилло,
А. Муджумдара, Т. Кудры и других ученых, в которых развиты как общие, так
и ряд конкретных подходов к теории и практике сушки.
Общие особенности рассматриваемых процессов создают возможность
единого подхода к их анализу, исследованию и проектированию. Единые под­
ход и методология, в свою очертдь, позволяют получать результаты, имеющие
повышенную познавательную ценность и, соответственно, более надежные
для инженерной практики. Поэтому исследования в данном направлении, про­
водимые в настоящей диссертационной работе, представляются весьма акту­
альными как в научно-познавательном, так и в прикладном отношении.
Работа выполнялась в соответствии с Координационным планом АН Рос­
сии по теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12, 19912000 гг.), планом НИР 11 гУ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ
(Координационный план «Черноземье», тема Зг/1997, 1997-2000 гг.) и хоздо­
говорными планами НИР ТГТУ (1990-2005 гг.).
Цель работы. Дальнейшее расширение теоретических и эксперимен­
тальных исследований процессов и аппаратов сушки и тепловой обработки
материалов с существенной температурной кинетикой, обобщение результатов
и разработка методологии их комплексного анализа и моделирования, созда­
ние инженерных методов расчета и проектирования, разработка новых, более
эффективных конструктивно-технологических решений.
Объекты и диапазон исследований. Для обеспечения надежности ре­
зультатов по сушке и тепловой обработке cjyniiiHbiw но н11111иит^1атериалов и
УДП^Ш
процессов с недостаточно изученным механизмом принципиально важно вы­
бирать достаточно представительные комплексы объектов исследований. По­
этому в работе исследовались: 1) материалы с широким диапазоном свойств:
35 органических растворителей из 18 гомологических рядов и фупп, клеевые
и латексные покрытия; 20 видов дисперсий и кристаллообразующих растворов
разной природы; 27 видов технических тканей, шнуров и пластин из 8 видов
волокон и ряд модельных материалов; 2) основные способы теплоподвода и
сушки (конвективный, инфракрасный, кондуктивный, индукционный; на под­
ложках и без них); 3) широкие диапазоны изменения режимных параметров
обработки (напр., температуры 40... 180 "С, скорости обдува 0,3... 15 м/с, кон­
центрации дисперсий 10...50 % масс). Кроме того, исследовались цикличе­
ские и многооперационные разновидности процессов. В обработку были
включены также результаты ранее вьшолненных исследований.
Научная новизна. Впервые разработан единый подход к кинетике и мо­
делированию процессов сушки и тепловой обработки основных видов мате­
риалов с существенной температурной кинетикой на базе температурновлажностных зависимостей. Получены новые физические результаты по кине­
тике процессов испарения растворителей и сушки покрытий, сушки дисперсий
и кристаллообразующих растворов, кондуктивно-барабанной сушки, сушки и
термообработки волокнистых материалов, в том числе, по механизму тепло- и
массопереноса при образовании и вырождении температурных площадок на
кинетических кривых при сушке этих видов материалов. Предложены новые
критериальные уравнения испарения. Выполнено обобщение результатов, раз­
работана общая методология изучения и описания взаимосвязанных процессов
сушки и нагрева, предложена кинетическая классификация рассматриваемых
материалов. Разработана и рекомендована общая методология расчетов сушки
на базе аналитических решений задач теплопроводности и диффузии, предло­
жены методы эквивалентизации фаничных условий и аппроксимации других
характеристик тепло- и массопереноса. Для циклических и многооперацион­
ных процессов впервые разработан метод сведения динамической задачи к
квазикинетической с расчетом температур и влагосодержаний материалов на
каждом условном цикле.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разра­
ботаны методики и профаммы инженерных расчетов для всех исследованных
процессов, продуктов и изделий. Выданы практические рекомендации по мо­
делированию и совершенствованию рассмотренных процессов и оборудова­
ния. Результаты работ по растворителям и покрытиям, дисперсиям и раство­
рам, энерго-ресурсосберегающим процессам сушки приняты для реализации
на Тамбовские ОАО «Пигмент», «АРТИ» и на ряд других предприятий. Запа­
тентованы, экспериментально проверены и реализованы в ТГТУ универсаль­
ный психро-эвапорометр и способ сушки в кипящем слое на бинарном инерт­
ном носителе. Результаты работ по волокнистым, полимерным, композицион­
ным материалам и изделиям реализованы в металле в промышленных протек­
торных, камерных лнвиях'и, линиях для производства транспортерных лент в
Тамбовских ОАО «НИИРТмаш» и «Полимермаш» и успешно эксплуатируются
на ряде шинных заводов и заводов Р Т И . Результаты работ по роторноконвейерным линиям реализованы в металле в промышленных образцах линий
Р К Л П и Р К Л В на Заводе опытных машин ОАО «НИИРТмаш» и включены в
официальный каталог резинотехнического оборудования.
Апробация работы. Настоящая работа является законченной самостоя­
тельной частью исследований, проведенных при научных консультациях про­
фессора В.И. Коновалова. Она обобщает комплекс работ, выполненных при
участии коллег и аспирантов кафедры, в том числе аспирантов, выполнявших
исследования под руководством или соруководством автора: С.С. Хануни
(1997), А . Н . Пахомов (2000), Е.А. Сергеева (2000), А.Н. Колиух (2001),
И.Л. Коробова (2001), А.Н. Шикунов (2004), Д.В. Козлов (2005 - план).
Основные результаты работы были доложены и получили положитель­
ную оценку на Минских международных форумах по тепло- и массообмену
( М М Ф - 1996, 2000, 2004); Международных семинарах по сушке (IDS - 1994,
1996, 1998, 2000, 2002, 2004); I Международной конференции «Современные
энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2002), X V Международ­
ной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Там­
бов, 2002), V Международной теплофизической школе (Тамбов, 2004) и на
ряде других конференций и семинаров 1988 - 2004 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 41 ра­
бота в изданиях, учитываемых В А К . Выпущен препринт. Сделано 19 докладов
с их публикацией на международных конференциях, в том числе 5 проблем­
ных, пленарных или ключевых лекций; получены 2 патента и 1 авторское сви­
детельство на изобретение.
Структура работы. Диссертация содержит: введение; 7 основньк глав;
выводы из 9 пунктов; список литературы, включающий 599 источников, в том
числе 333 зарубежных и опубликованных после 1990 г.; приложения из 7 раз­
делов, включающие результаты исследований, фрагменты программ, примеры
расчетов, материалы реализации, каталожные и патентные материалы. Всего в
работе 273 страницы основного текста, 163 рисунка и 41 таблица.
Автор благодарен всем коллегам и сотрудникам, принимавшим участие в
представляемых исследованиях или при их обсуждении на разных этапах ра­
боты Особая признательность Т. Кудре (Канада), А С Муджумдару {Синга­
пур), А.Н. Пахомову, ЕА Сергеевой, А Н Колиуху, А.Н Шикунову, Д.В. Козло­
ву, ИЛ. Коробовой, А Б. Мозжухину, А.А. Фролову, ЮА. Брусенцову, В.Н. За­
тоне, В.В Косых, А Г Двойнину. Особая благодарность В.М. Нечаеву, созда­
вавшему базовую кафедральную экспериментальную технику, и Е Н Туголукову, разрабатывавшему на кафедре основы применяемых аналитических мето­
дов. Автор признателен также руководству ТГТУ, ОАО «Пигмент», ОАО
«НИИРТмаш», ОАО «Полимермаш», коллективу кафедры «Химическая инже­
нерия {ПАХТ)» ТГТУ и всем коллегам, оказывавшим помощь в этой работе
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Введение. Дана аннотация диссертационной работы в целом: сформули­
рованы направление и цель, отмечена актуальность работы, показаны основ­
ные результаты, научная новизна и практическая значимость, достоверность,
приведен перечень рекомендаций по реализации результатов.
1 Современное состояние и направления развития теории и техники
с у ш к и растворителей, покрытий, дисперсий, растворов и волокнистых
материалов в химической, резиновой, пишевой, легкой и других родст­
венных отраслях промышленности.
Выполнен сопоставительный обзор сушильно-термического оборудова­
ния по опубликованным, патентным и фирменным материалам, включая раз­
работки последних лет, как по отечественным, так и по зарубежным источни­
кам. Рассмотрены традиционные, альтернативные и перспективные процессы
и оборудование для обработки для пяти указанных групп продуктов.
Отмечены достоинства, недостатки и области целесообразного примене­
ния сушильной аппаратуры различных типов и перспективы их совершенство­
вания. Выделены актуальные вопросы обеспечения качественных показателей
продуктов, вопросы энерго- и ресурсосбережения и экологии.
Выполнен сопоставительный обзор традиционных и перспективных ин­
женерных и научно-теоретических методов исследования, расчета и проекти­
рования сушильных процессов и оборудования, включая последние отечест­
венные и зарубежные монографии, публикации и диссертации. Отмечены об­
щие методологические подходы, включая инженерно-физические методы, ста­
тистические описания, методы нейронных сетей и нечетких множеств.
2 Е д и н ы й подход к кинетике и моделированию сушки растворите­
лей, покрытий, жидких дисперсий, кристаллообразующих растворов и
волокнистых материалов.
Поскольку многие особенности рассматриваемых процессов сушки яв­
ляются общими с другими процессами химической технологии, было выпол­
нено их сравнительное рассмотрение.
2.1 Я в л е н и я переноса и кинетика промышленных процессов сушки и
термообработки и других процессов химической технологии. Промышлен­
ные технологические процессы состоят обычно из десятков составляющих их
«первичных» явлений переноса и еще более многочисленных «осложняющих»
физико-химических превращений и структурно-реологических изменений в
обрабатываемых веществах. Например, для процессов сушки рассматривае­
мых материалов базовой является кинетика сушки одиночной частицы (слоя,
нити, профиля, изделия), включающая; 1) «элементарные» явления собственно
сушки, как процесса внешнего и внутреннего теплоподвода и переноса тепла и
влага: внешний теплоподвод, напр., конвекцией, кондукцией и излучением;
внутренний теплоподвод, например, при микроволновой сушке; теплопровод­
ность по твердому скелету и поровой влаге; капиллярный и пленочный пере­
нос жидкости; внешнее и внутреннее испарение жидкости; диффузионный и
фильтрационный перенос жидкости и пара; натекание, защемление и расши­
рение воздуха; углубление поверхности или зоны испарения; а также стефановский поток, термодиффузия, эффузия и пр.; всего можно насчитать более
30 «первичных» явлений; 2) сопровождающие их «осложняющие» явления:
4
усадка, коробление, трещинообразование, разрушение; миграция и кристалли­
зация растворенных веществ; пленко- и коркообразование; внутреннее и по­
верхностное поро- и пузьфеобразование; отверждение, полимеризация, реак­
ции активных фупп покрыгий с материалом, окисление, деструкция и другие
химические превращения; формообразование, термомеханические вьггяжка и
усадка, перестройка поровой структуры продукта, аморфной, кристалличе­
ской, ориентационной и надмолекулярной структуры вещества и другие де­
формационно-реологические превращения; таких «сопровождающих» явлений
еще более 50. Осложняющие явления могут был. желательными или нежела­
тельными, целевыми или побочными. Однако их учет всегда необходим из-за
возможного существенного, а часто «лимитирующего» влияния как на кинети­
ку процесса, так и на качественные показатели обрабатываемых материалов.
При изучении таких процессов возникают типичные затруднения, свя­
занные с многочисленностью явлений и кинетических характеристик, необхо­
димых для их описания. В конкретных условиях лимитирующими могут бьпъ
разные наборы явлений. В работе рассматриваются причины неадекватности
ряда существующих моделей макрокинетики реальным процессам: из-за «пе­
реупрощения» моделей, вследствие их «переусложнения», из-за сопутствую­
щего этому возрастания погрешностей, а также из-за недостаточной изученно­
сти механизма явлений и процессов. Другие иерархические уровни (микроки­
нетики, аппарата, производства) специально не вьщеляются. Приводятся 11
примеров сопоставления «модель - реальность» для основных групп процес­
сов химической технологии: гидромеханических, тепловых, диффузионных
(жидкофазных, твердофазных, мембранных), химических, деформационнореологических и комплексных взаимосвязанных процессов. Отмечены про­
блемы, остающиеся открытыми. Показаны приемы эффективного исследова­
ния и моделирования, которые могут быть полезш.ши в различных процессах
химической и родственных технологий.
2.2 Физическое и математическое моделирование процессов сушки и
термообработки: единый подход для материалов с сушественной темпера­
турной кинетикой.
2.2.1 Методология экспериментальных исследований комплексных
процессов сушки и тепловой обработки. В работе показано и подтверждено
примерами, что для надежности результатов по тепло-массопереносу и сушке
Д.ПЯ сложных процессов с недостаточно изученным механизмом решающим
является широкий диапазон исследуемых продуктов, способов и режимов
обработки. Разработана и описана методология их выбора.
Разрабатываемая методология включает комплекс серий эксперимен­
тальных исследований, идентифицированных по назначению: 1) «первич­
ные» (пробные) эксперименты; 2) «модельные» эксперименты, проводимые в
возможно более «чистьвс» условиях; 3) «классификационные» эксперименты,
в которых ведется поиск условий, соответствующих возможным типам кине­
тических кривых; 4) «кинетические» эксперименты, по возможности с варьи­
рованием одной переменной; 5) «диапазонные» эксперименты для расширения
диапазона варьирования параметров; 6) «сравнительные» эксперименты в из­
мененных условиях, на других экспериментальных установках, с другими ма­
териалами для выяснения обнаруженных особенностей; 7) «отсеивающие»
эксперименты в условиях, исключающих проверяемый эффект; 8) визуальные
(в том числе микроскопические) наблюдения за исследуемым материалом;
9) эксперимешы для изучения химических и деформационно-реологических про­
цессов; 10) «технологические» эксперименты; 11) промышленные эксперименты.
Конкретные планы экспериментов, составленные для каждой рассматри­
ваемой группы процессов и материалов с учетом их индивидуальных особен­
ностей, приведены в соответствующих разделах диссертации.
В комплекс необходимых, впервые созданных или модернизированных
экспериментальных установок входят: 1) «большая» циркуляционная кон­
вективная сушилка ( Б Ц С ) с возможностью дополнительного инфракрасного
теплоподвода; 2) «щелевая» установка ( Щ У ) для промазанных образцов, в том
числе для сушки в перегретом паре; 3) «сопловая» двзгхрежимная конвектив­
но-радиационная сушильно-термическая установка ( 2 С Т У ) ; 4) кондуктивная
двухбарабанная сушильная установка ( 2 Б С У ) ; 5) «реокинетическая» установ­
ка ( Р К У ) ; 6) «визуальные» установки (ВУ);7) модифицированная для конвек­
тивной сушки камера дериватографа ( Д Г ) ; 8) установка для сушки в кипящем
слое на инертном носителе ( У К С И Н , получен патент); 9) универсальная психро-эвапорометрическая установка ( П Э У , получен патент); 10) стенд роторноконвейерной линии для вкладышей подшипников ( Р К Л П , получено авторское
свидетельство на устройство для измерения температур пресс-форм); 11) стенд
роторно-конвейерной линии для автокамерных вентилей ( P K J I B ) . Схемы ус­
тановок 1, 3,4, 8,9 представлены для примера на рис. 1 - 5 .
Рис. 1 Большая
циркуляционная
конвективная сушилка (БЦС)
Рис. 2 Универсальная психро-эвапорометрическая установка (ПЭУ)
Рис. 3 Сопловая двухрежимная конвективно-радиационная
сушильно-термическая установка (2СТУ)
да:
S
ir
Весы
Р'ТО
*(Ыт)
Ipyju
Рис.4 Установка кипящего слоя
р„^ g Двухбарабанная сушильно-
с инертным носителем (УКСИН)
термическая установка (2БСУ)
В обработке использовались также данные, полученные на других уста­
новках во ВНИИРТмаше и в опытно-промышленных условиях.
2.2.2 Методология анализа температурно-влажностных кривых и ки­
нетическая классификация материалов как объектов сушки. В продолже­
ние и развитие работ В.И. Коновалова, впервые для всех рассматриваемых
групп процессов и материалов разработана общая методология изучения и
описания взаимосвязанных процессов сушки и нагрева на базе температурных
Дт) и температурно-влажностных"Ци)зависимостей (ТВЗ).
Температурные кривые Т\т) и 1\yi) обычно имеют выраженные «темпера­
турные площадки» (<ф1а1еаи») или изменения знака кривизны (перегибы) и
являются поэтому более информативными для анализа механизма сушки и
явлений переноса, чем близкие к монотонным кривые убыли влагосодержания
м(т). При этом они более надежны, чем нестабильные, получаемые дифферен­
цированием, традиционные кривые скорости сушки Л^(м), (Л^ = -duldx). Поэто­
му для рассматриваемых материалов с существенной температурной кинети-
кой их целесообразно применять как для анализа процессов, так и для кинети­
ческой классификации материалов как объектов сушки.
Температурные площадки при сушке соответствуют стабилизации тем­
пературы материала и временному динамическому равновесию в результате
равенства подводимого и расходуемого на испарение потоков тепла. Их окон­
чание или вырождение свидетельствуют об изменении механизмов переноса.
На рис 6 приведен классификационный комплект типов кинетических
кривых рассматриваемых продуктов на примере сушки водных дисперсий диспергатора НФ. Типы кривых характеризуются по наличию или вырождению тем­
пературных площадок при мягких и жестких режимах сушки: (а) - две площадки
вблизи температуры мокрого термометра Т^„ и вблизи температуры кипения жид­
кости Т^, (б), (в) - одна площадка вблизи Т„ при темпераггурах воздуха ниже и
выше 100 °С; [г) - одна площадка вблизи Т,^, (д), (е) - вырождение обеих площа­
док при температуре воздуха ниже и вьш1е 100 °С соответстаенно.
200
эАв 4вО
Вреня^с
0(4
SO «Л
U»"C;SM/C
Спк* кавротвм
«дг
Рис. 6 Классификационный комплект из 6 типов экспериментальных
температурных и влажностных кривых сушки
(на примере дисперсий диспергатора НФ)
Площадки вблизи 7"„ соответствуют поверхностному испарению влаги и
мигращ1и растворенных веществ к поверхности, вблизи Т,^ - объемному
«псевдокипению» без миграции и возможному возникновению внутреннего
избыточного давления в материале.
Существование всех 6 типов Т В З является общей закономерностью для
дисперсий, для которых возможно изменение их начального влагосодержания
и структуры от текучей жидкости до реологически сложной пасты.
Для растворов, у которых растворимость существенно зависит от темпе­
ратуры, а давление паров - от концентрации, площадки в процессе кристалло­
образования должны становиться наклонными.
Для растворителей, в отличие от воды, характерны большие отличия Т^
от температуры адиабатического насьпдения Г^д, а наличие площадки Г^ип за­
висит от летучести растворителей и от структуры продукта.
У больщинства волокнистых материалов структура является фиксиро­
ванной, и набор кинетических типов определяется маркой материала, но зави­
сит также от вида пропиточного состава и от натяжения ткани или шнура.
Сушка может идти с углублением поверхности испарения и с перемещением
вглубь площадок псевдомокрого термометра Г „ „ и л и псевдокипения Т^,^.
При сушке в среде перегретого водяного пара часто существует площад­
ка предконденсации при прогреве материала с последующим испарением кон­
денсата и первичной влаги, а при испарении растворителей - площадка псев­
докипения азеотропной смеси Гщ^п.
Вид и размеры температурных площадок характеризуют также измене­
ния в механизме переноса при инфракрасном, кондукгивном, индукционном,
Т В Ч или С В Ч теплоподводе и при других способах сушки.
Разрабатываемая методология вполне отрабатывает эти изменения в меха­
низме переноса и, соответственно, в кинетических и технологических особенно­
стях сушки рассматриваемых материалов. Предлагаемая на этой основе классифи­
кация является обобщающей («единой») и существенно дополняет и развивает
известные классификащш материалов как объектов сушки А.В. Лыкова, П.А. Ребиндера, А.А. Долинского, Б.С. Сажина, В.И. Коновалова, С П . Рудобашты, а так­
же исследования в области кинетического анализа рада особенностей и способов
сушки М.Ф. Казанского, В.В. Красникова, Ю.А. Михайлова, П.С. Куца, Г.С. Ш у ­
бина, А.Х. Ниссона, Д. Ван Брейкеля и других ученых. Недавно крупная работа в
классификационно-технологическом плане, в основном применительно к распы­
лительной сушке, была вьшолненаК.Д. Малецкой в школе А.А. Долинского.
Такой подход позволяет также выявлять, моделировать и учитывать дру­
гие вышеуказанные явления переноса, часто лимитирующие не только ско­
рость процесса, но и качество продукта.
Наконец, если экспериментально не удается изучать непосредственно ки­
нетику сушки, то можно получать зависимости и(т) пересчетом их из 7(т) по
кривым Т{и), полученным в более простых модельных условиях.
2.13 Постановка задач теплопроводности и диффузии и математиче­
ского моделирования комплексных процессов сушки. В работе показано и
подтверждено примерами, что главные трудности описания и моделирования
рассматриваемых процессов состоят не столько в математических, сколько в
физико-химических проблемах анализа механизма и кинетики тепло- и массо-
переноса. При этом основной проблемой для построения методов расчета
взаимосвязанных процессов CJTUKH и нафева остается учет взаимовлияния тепло-,
влаго- и баропереноса. В настоящее время наибольшее распространение как в Рос­
сии, так и за рубежом для теоретического описания таких процессов имеет систе­
ма дифференциальных уравнений А.В. Лыкова, учитывающая «перекрестные эф­
фекты» на базе линейной термодинамики необратимых процессов. Предложены
также еще более общие описания, а в последние годы другие фундаментальные
подходы, в том числе, в интенсивно развивающейся нелинейной термодинамике
необратимых процессов. Эти прогнозируемые физической теорией взаимосвязи и
особенности нужно иметь в виду, однако непосредственное применение сложных
систем взаимосвязанных дифференциальных уравнений с многочисленными необходимьши коэффициентами для конкретных рассматриваемьк процессов по
вьпиеуказанным причинам является затруднительным.
Поэтому такие задачи целесообразно ставить в «развязанном» виде. То­
гда в упомянутой исходной системе остаются хорошо изученные дифференци­
альные уравнения теплопроводности и диффузии, а взаимосвязи процессов
переноса, стоки тепла и влаги и другие существенные особенности предлага­
ется учитывать заданием температурно-влажностных зависимостей, эквива­
лентных граничных условий и эффективных кинетических коэффициентов.
Таким образом, Т В З становятся своеобразной дополнительной характеристи­
кой, гибко отрабатывающей разнообразные особенности конкретных взаимо­
связанных процессов. При этом решение уравнений теплопроводности и диф­
фузии выполняется итерациями с корректировкой в процессе счета наименее
надежных характеристик так, чтобы расчетные температуры и влагосодержания
материала в процессе сушки с достаточной точностью соответствовали установ­
ленной температурно-влажностной зависимости. При этом Т В З выбирается ло­
кальной для лимитирующего сечения Tj„J[u^ (чаще всего, для поверхности испа­
рения), среднемассовой T^i^ или даже приближенно в виде 7]юк{"ср)2.2.4 Эквивалентизация граничных условий и эффективные харак­
теристики тепло-массопереноса в комплексных процессах сушки. Типичны­
ми для процессов сушки являются граничные условия 3-го рода (ГУ-3) как для
задач теплопроводности, так и для задач диффузии. Описание процессов про­
изводится в данной работе в линейной постановке, по периодам и зонам, зави­
сящим от условий конкретного процесса, а расчет - по достаточно малым вре­
менным интервалам Лт в пределах зон. Соответственно нелинейные потоки и
переменные источниковые члены учитываются приведением ГУ-3 к эквива­
лентному кусочно-линейному виду, а характеристики тепло- и массопереноса,
входящие как в ГУ-3, так и в основные уравнения переноса, приводятся к ку­
сочно-ступенчатому виду и являются «эффективными», комплексно учиты­
вающими вклад всех существенных для данной расчетной зоны явлений.
При этом эквивалентные ГУ-3 получаются в традиционной форме:
- для теплопереноса как в 1 -м, так и во 2-м периоде сушки
у^^^1Ш^а,^[Т,,-П1,^)У,
(1)
- для массопереноса, соответственно, в 1-м периоде сушки (при межфаз­
ном равновесии на поверхности тела) и во 2-м периоде сушки (когда прини10
маются условные коэффициенты массоотдачи р*, отнесенные к перепаду фак­
тических и квазиравновесных концентраций влаги на поверхности материала):
^ > , ^ ^ ^ = Рисп[Снас(П^.-с))-^];
(2)
/ ? , ^ ^ = Р*Ь(^,Т)-С;(/.Т)].
(3)
Стоки тепла на испарение учитываются в зависимости от механизма ис­
парения влаги, оцениваемого критерием фазового превращения Е. При чисто
поверхностном испарении (е = 0) в 1-м периоде сток учитывается в ГУ-3 вве­
дением в (1) коэффициента массоотдачи р^„ по соотношениям:
'^экв ~ '^эф
Т
l^Paci/^
"эф
(4)
J
I ^изл
Рисп^^я
О'эф
<^эф
I I Кисп'"д
"эф
Здесь Сэф = a^iHB + «км учигьшает теплоподвод конвекцией и излучением; а„, Ъ„ коэффициенты линеаризуемого по интервалам Лт уравнения для концентрации
насыщенного пара у поверхности С^Т) = а„ + Ь„Т; С„,^= С„^^{Р^Ц1, т))), где
P«J.T) аппроксимируется уравнением Антуана.
Чисто объемный сток тепла (Е = 1) во 2-м периоде сушки войдет в урав­
нение теплопроводности в виде эквивалентной теплоемкости
Сэкв=Ст+Сж"-''-Г^т.
(6)
ах
где Ь^ - угловой коэффициент линеаризованной ТВЗ.
Аналогично вводятся стоки на кондуктивное испарение на стенке, а
также при распределенном поверхностно-объемном испарении, напр,, при
кусочно-ступенчатом задании е = 0,25; 0,5; 0,75.
Для учета излучения в ГУ-3 (1) предложена и используется уточненная
методика расчета эффективного коэффициента теплоотдачи
а,ф=а,о„,+ а„з„
(7)
по соотношениям:
9=азф(7;-Г(Л,т));
(8)
^«^-C^^.,.ATL + Tlj+T^r-+T').
(9)
Здесь предельная температура материала Т„ находится итерациями из
очевидного баланса 9KOHB=?IIM при конечном термическом равновесии
«конвС^с - 7 ' ™ ) + Q V n p H . ( 7 ' l -Т1)
=0 .
(10)
и
Аналогично могут учитываться теплота концентрирования (дегидрата­
ции) ^дг, кристаллизации г,р и теплота испарения связанной влаги Гс„з- Их ло­
кализация и ввод в ГУ-3 или в объемные стоки соответствуют месту испаре­
ния влаги и образования кристаллов.
В работе приводятся также предложенные и апробированные выражения
для эффективных коэффициентов теплоемкости с,, теплопроводности X,, плот­
ности рэ с учетом порозности и влагонасыщения материалов, а также для гру­
бой оценки коэффициентов диффузии Д и массоотдачи Р*.
2.2.5 Аналитические решения задач теплопроводности и диффузии в
процессах сушки. В работе используются аналитические решения многослой­
ных линейных задач теплопроводности (диффузии), с эквивалентными ГУ-3, с
расчетом на малых временных интервалах, с кусочно-ступенчатой аппрокси­
мацией тепло-массопереносных характеристик и толщин слоев, с функцио­
нально заданными начальными условиями по этим интервалам (НУ г-й зоны =
= КУ(1-1)-йзоны).
Приведем для примера постановку и общий вид решения н-слойной за­
дачи перенося (теплопроводности, диффузии) для пластины.
Постановка задачи:
di
^-^-h,
дх
^а,-^-^^^,
' дх
( P . ( 0 , . ) - P j = 0; ^ % ^
ах
(И)
+ А, ( P „ ( / „ , t ) - P , , ) = 0 ; (12)
5Р,(/,-,т)
ЭЯ+ДО,-!)
/';(/;,t) = P,.,,(0,x); В , - ^ ^ - Д , ч г
/^.(х,0) = ч/,.(х);
^^^ '
;
/=1,2,...,и; У= 1,2, . . . , п - 1 .
(13)
(И)
В приведенной общей постановке переносные характеристики:
- для задач теплопроводности
Р = Г ; а = Х/(ср); В = А.; A, = a,/Xi;
hi^ajl.^
Ex^q, = а, (Г,(0,т)- ПО; Ег^ 92 = -«2 {UUi)-
Т^У,
(15)
- для задач диффузии
PsC;asD;B
= D; Л1 s р,/Д; Лг s P j / ^ ;
£,^w, = р,(С(0,т)-СеО; Е2^т2--р2(С(/,т)-Q^).
(16)
'U^)
(17)
Общий вид решения, полученного методом Фурье, представляется сум­
мой двух решений - стационарной задачи при неоднородньпс ГУ и нестацио­
нарной задачи при однородных Г У и неоднородных НУ
Pi{x,i) = W,{x) + J^A„sm
12
ЦпХ
i ^ +Ф
а.
expl-ti^tl.
Соотношения, необходимые для определения собственных чисел и функ­
ций, входящих в общее решение (17), даны в диссертации.
В диссертации приводятся также полученные решения: для однослойной
пластины - как характеризующие порядок и смысл решений; для и-слойной
пластины - как типичные в общем случае. В приложениях к диссертации даны
также: наиболее часто используемое в данной работе решение задачи для
двухслойной пластины при несимметричных ГУ-3 и решения для четырехслойных пластины, цилиндра и шара. Они необходимы для материалов значи­
тельной толщины и при сильных изменениях переносных свойств и толщин.
В ранее выполненных на кафедре работах получены решения ряда других
задач. Отмечено, что возможны постановка и аналитические решения более
сложных задач, в том числе полученных, например, в работах Е.Н. Туголукова. Возможно также использование численных методов, с современными паке­
тами программ и с отработанными формальными процедурами.
2.3 Возможности использования методов аналогии процессов теплои массопереноса. В связи с общенаучной важностью рассмотрены возможно­
сти использования методов аналогии, в частности, тепло-диффузионной ана­
логии для описания процессов испарения. Показано, что для растворителей
аналогия в этих процессах нарушается и наблюдаемые отклонения Т„ от Гад
до 15...20 "С не могут бьпъ объяснены влиянием излучения. Дан анализ воз­
можных причин. Предложены способы описания.
2.4 Методы инженерно-кинетической аппроксимации характери­
стик тепло- и массопереноса. В связи с практической значимостью проанали­
зированы возможные методы инженерно-кинетической аппроксимации харак­
теристик тепло- и массопереноса. Дана сводка основных разновидностей раз­
работанных и применяемых аппроксимационных схем: простейшие кусочноступенчатая и кусочно-линейная, в том числе лучевая; степенная; экспоненци­
альная, логарифмическая; гиперболическая дробно-линейная зависимость
(эффективная для переменных ТВЗ без изменений знака кривизны); двухдуго­
вая симметричная схема (удобная, в частности, для простейшей аппроксима­
ции зависимостей 71[и) с вырождающимися площадками, для коэффициентов
теплоотдачи а(и) и массоотдачи р(м)); две разновидности несимметричных
двухдуговых апнроксимаций с большими возможностями.
2.5 Возможности методов инженерно-физического описания процес­
сов, статистических полиномиальных методов и методов с применением
аппарата нейронных сетей и нечетких множеств. В заключение инженернотеоретического раздела рассмотрены возможности этих трех подходов к опи­
санию сложных процессов. Показано и подтверждено конкретными примера­
ми, что модели, основанные на физико-химическом описании механизма и
кинетики комплексных процессов сушки и термообработки, имеют наиболь­
шую познавательную и практическую ценность, но сложность их разработки
существенно больше. Стандартные полиномиальные процедуры вполне при­
менимы для выбора оптимальных технологических режимов. Методы нейрон­
ных сетей и нечетких множеств могут быть предпочтительней, чем полиноми­
альные зависимости, напр., при оптимизации в условиях переменных и неста­
ционарных режимов; этими методами могут быть получены также новые по­
знавательные результаты, если сами исследуемые процессы имеют внутрен­
нюю, присущую им физическую неопределенность. ;
13
3 Теоретические и экспериментальные исследования процессов ис­
парения растворителей и сушки покрытий. Опыты проводились на сле­
дующих экспериментальных установках: 1) БСУ (рис. 1); 2) ЩУ; 3) 2СТУ
(рис. 3); 4) ДГ; 5) ПЭУ (рис. 2). Использовались также результаты, получен­
ные ранее М.Е. Улановым, В.Ф. Рожковым, В.В. Косых, Е.Н. Туголуковым под
руководством В.И. Коновалова, в том числе на других установках.
В работе показано, что существующие расчетные зависимости для тепломассоотдачи при испарении основаны на обработке экспериментов с Офаниченными наборами растворителей и их использование для других растворите­
лей приводит к неприемлемым погрешностям. Непригодны для этого и методы
тепло-диффузионной аналогии. Это объясняется сложностью и недостаточной
изученностью физики процесса.
Поэтому главнейшей задачей был подбор комплекса растворителей,
представляющих практический и научный интерес, с целью максимально ох­
ватить диапазоны изменения их свойств. Выбор производился на основе вы­
полненного анализа и прогноза, с включением всех свойств и явлений, воз­
можно влияющих на кинетику испарения, в том числе «нетрадиционных»: па­
раметры межмолекулярного взаимодействия, полярность, температуры кипе­
ния, температуры плавления и их разности (Т^„„, Т^^^, АГ^п/плмл) и др. В ре­
зультате бьш подобран комплекс из 35 индивидуальных органических раство­
рителей из 18 гомологических рядов и групп, а также смесевые растворители,
клеи, вода и водные растворы. Впервые включен ряд новых растворителей,
представляющих интерес для новой техники.
В качестве подложек были подобраны основные материалы, представ­
ляющие практический и научный интерес - пористые и монолитные, диффу­
зионно-проницаемые и непроницаемые, с высокими и низкими теплопровод­
ными свойствами: технические ткани (хлопчатобумажные и анидная), фильт­
ровальная бумага (как эталон), листовая целлюлоза, алюминий, фторопласт,
сырая и вулканизованная шинная резины.
Эксперименты проводились по планам, включающим опыты из 11 вы­
шеперечисленных серий, с варьированием основных переменных. Примеры
кинетических кривых даны на рис. 7.
На получаемых кривых всегда вьфажен 1-й период сушки, определяемый
по температурной площадке вблизи Г „ и по постоянной скорости сушки Ni.
По этим участкам наиболее достоверно определяются базовые а„(.п и Р„сп для
«чистого испарения» для основного времени сушки. После окончания сушки
образец охлаждается, и с ним производится опыт по нагреву в тех же услови­
ях. Отсюда определяются базовые а^ух для «чистого нагрева» на конечной ста­
дии сушки. Порядок расположения экспериментальных кинетических кривых
по Г „ и Л^1 (рис. 7 а, в) определяет порядок расположения веществ по их отно­
сительной летучести и подтверждается расчетами во всем диапазоне. Показа­
но, что скорость сушки в 1-м периоде может зависеть от вида и начального
увлажнения пористых материалов (рис. 7, б), что объясняется различными ус­
ловиями испарения (рельеф, капиллярная структура, набухание и пр.). Это не
согласуется с обычными моделями сушки и тем более с тепло-диффузионной
аналогией. В работе предложены инженерно-физические схемы механизмов и
соответствующие формулы для учета этих явлений.
14
т.-с
(g - Я Р — Н ) . г
ФоркАаммд - . 20
фурфурол - ■
т
I
Рис. 7 Кинетика испарения растворите­
лей и сушки материалов:
ЩУ: а - растворитель = var; б - начальное
влагонасьицение ткани е = var.
Неварьируемые параметры: ткань анид
ТА-100; Гс=120''С; WC=1,5M/C. П Э У :
в - растворитель = var; фильтровальная
бумага средней пористости;
е)
300
7;=100°C;WC = 5M/C
600
900
Т, с
1200
1500
Для выяснения природы и вида корреляционных связей тепло- и массоотдачи при испарении был выполнен анализ возможных прогнозируемых
вариантов. За базу принимались экспериментальные Т^ и ЛГ, (или т, г/м^с).
Критерием пригодности расчетных зависимостей считалось полное отсутствие
«выбросов». Выбросом по Т„ считались отклонения больше + 3 °С, по m больше ± 12 %. Был опробован 21 вариант введения поправок к традиционным
критериальным соотношениям: на Стефановский поток Д » , на термодиффу­
зию Д и, на фазовые превращения Гухмана Gu и Кутателадзе Ки; аналоги Вебера We, волнообразования Капицы Ка, спонтанной конвекции Марангони
Ма; межмолекулярного и поверхностного влияния Янга Ya, содержащие ди­
электрическую постоянную и пр. Однако ни поодиночке, ни в разных сочета­
ниях они корреляции не улучшают. В результате анализа были предложены
комплексы, включающие Т^„„ и Т„„. Наименьшую погрешность при отсутствии
выбросов дало использование комплекса К^„ («кипения/плавления»)
-^«1=1-
Т
-Т
кип
(18)
^ пл
Он является также наиболее «физичным», так как величина АТ^^пяыч ^^рактеризует разность энергетических уровней двух основных фазовых пре­
вращений, и flonycKaet также расширительное толкование, в том числе для
процессов сублимационной сушки.
В результате рекомендуются следующие универсальные расчетные
уравнения для массоотдачи и теплоотдачи при испарении:
15
fNup=0,77Re0'4Sc0^33j^U33.
(19)
[ N u a =l,06Re°'3'^5pr"'3^3^^^ ^
(20)
Критерий Рейнольдса входит в полученные расчетные уравнения в сте­
пени 0,4 для массоотдачи и в степени 0^75 для теплоотдачи, что соответст­
вует учету влияния скорости в психрометрических поправках и также под­
тверждает отсутствие тепло-диффузионной аналогии. Входящая в эти соотно­
шения температура адиабатического насыщения Т„ рассчитывается по ба­
лансным зависимостям с выражением давления паров по Антуану. Температу­
ра площадки Т„ находится совместно с a„cn и р„сп итеращмми из баланса тепла
для площадки
9 = азф(Г„-Г„)=гт = г|3(С^ДГ„)-С,).
(21)
Средняя погрешность составляет по температуре площадки 7"„, около
1,5 °С и по скорости испарения - около 9 % при отсутствии выбросов.
Однако физический механизм переноса при испарении подлежит даль­
нейшему изучению. Основными пока являются гипотеза А.В. Лыкова о «субмикродиспергировании» и влияние межмолекулярных взаимодействий.
Для «сухого нагрева» получено расчетное критериальное уравнение
Nuey. = 0,87 Re"'* Pr"-"',
(22)
которое приемлемо для всех экспериментальных установок при пофешности
около 10 %.
На этой основе разработаны инженерные методы расчета испарения
растворителей и сушки покрытий с использованием полученных решений
уравнений теплопроводности и диффузии и аппроксимаций ТВЗ и ТМПХ.
Примеры сравнения расчетных и экспериментальных данных показа­
ны на рис. 8 (Гс = 60...160 °С; w, = 0,1...5 м/с).
и,%
т,°с
ЧХУ
пйлятка
100
к
^ >-^^
,-е~«>-в^
[
б)
50
е)
16
А
/
50
)i
•лг
:
т„
ЩУА
m
^ч
too
Т"
■г)
Wi...X
1
1
1
100
■С. с
_
Дг
80°С
0,07 м/с
50
-150
4—
Рис 8 Сравнение расчетных
и экспериментальных
кинетических кривых
испарения растворителей и
сушки пористых материалов
(а, б) и корреляция расчетных
и экспериментальных
данных по температуре
площадки Гит (в) и
интенсивности испарения
и (г)
Погрешность расчетов составляет ~ 10... 15 % , что для таких сложных
процессов в инженерной практике вполне приемлемо.
4 Теоретические и экспериментальные исследования процессов суш­
ки дисперсий и кристаллообразующнх растворов синтетического, мине­
рального, растительного и животного происхоз1зде1П1Я. Основные опыты
проводились на БЦС (см. рис. 1). Они являются базовыми для промышленных
процессов сушки материалов на различных подложках и модельными для ряда
других процессов: для распылительной сушки; для кондуктивной сушки; для
сушки и фануляции в кипящем слое, в том числе на инертном носителе и др.
Подбор комплекса продуктов для исследований здесь также был глав­
нейшей задачей. Бьши выбраны 20 видов продутстов основных групп по хими­
ческому составу, происхождению и назначению, включая модельные, и с
варьируемыми начальными концентрациями 10...50 % : 1) дисперсии, вклю­
чая пасты: а) синтетического происхождения: водные латексно-резорциноформальдегидные (ЛРФ) составы резинотехники (ВНИИРТмаш, НИИШП);
продукты органического синтеза (Гамма-кислота, Р-соль, диспергатор НФ,
белофоры КД-2 и КД-93 (ОАО «Пигмент»); б) животного происхождения:
мясо-костная жидкость мясопереработки («Meet processing sludge», Канада);
желатин; в) растительного происхождения: тяжелая кукурузная жидкость
крахмального производства («Heavy com steep water», Канада); 1чихмал; 2) 1фисталлообразуюпше растворы: а) органических веществ: сахар; мочевина;
б) неорганических веществ: NaCl; СаПг; NH4NO3; NaOH; 3) органичеасие пиг­
менты и красители, основных рядов (анилинового, нафталинового, антрахинонового и с комбинацией бензольного и нафталинового колец), с разными хромофор­
ными системами: Пигмент желтый светопрочный (C17H15N4O5); Совелан черный
М (СдоНгоНбЗгОнСгКаз); Дисперсный синий 2 пэф (CI4H<)(8)04BTI(2)N2); Пигмент
рубиновый ВКС/2 (CgHijOeSNzCa).
Подложки были вышеуказанные, в том числе «холодные» и «горя­
чие». Планы экспериментов включали опыты из вышеуказанных серий.
Получаемые наборы кривых сушки и нагрева были охарактеризованы и
представлены комплектом из 6 кинетических типов на рис. 6. Характерные
примеры кинетических кривых при разных условиях приведены на ряс 9.
Температурно-влажностные зависимости Ци) строятся с помощью вы­
шеперечисленных аппроксимационных схем. Прогнозирование ТВЗ по свой­
ствам продуктов и режимам сушки является задачей на будущее. Пока для
оценки критического влагосодержания и^,, соответствующего 1-й смене ме­
ханизма переноса - прекращению поверхностного испарения и окончанию или
вьфождению 1-й площадки, используется модельное соображение о начале
структурирования и потере текучести дисперсии при касании частиц, дающее
„
-К Р« ^^ (ЛТт,)] '
"кр.пов - Л-ф
—
,
.„ч
(2.i)
Р™1-Пкр1, Цбаз )
где П^р « 0,4; ^ф - коэффициент фракционного состава и формы частиц; сим­
плекс ц учитывает изменение вязкости от температуры.
17
16
u
u
Б«лофорКД-2; * * S
25%
S
160"QSм/с a4
ФТОрОпЛАСГ
6)
0 ' ' 'lio'
' 'zoo
300
Время, с
400
see
0
(ам~р)'
!
-4.™
70
-,""""я»
»|
60
1
Ot^
"Ч 1 1 дкс1СТЬ
'^У'ТР}'^'**"'"
x=v«r:8e»C;5We;
=■50
04 g
гi
Фгарвялаег
0%
1
s^i^
0%
-а» 1
Время, с
Рис. 9 Кинетика сушки и йагрева
дисперсий и растворов:
на поле указаны продукт; начальная кон­
центрация; температура воздуха; скорость
воздуха; подложка; -■— концентршдая
насыщения раствора;-■— текущая
концентрация смеси
Для оценки критического влагосодержания и^2, соответствующего
2-й смене механизма переноса (объемного псевдокипения и окончанию или
вырождению 2-й площадки), возможные модели учитывают сопротивление
поверхностного слоя и сохранение внутреннего влагосодержания, достаточно­
го для псевдокипения. Эмпирическая оценка дает «крсрел » 6...8 % .
Для молекулярных растворов, в отличие от суспензий, температурные
площадки по своей природе должны быгь наклонными, но проявляется это для
веществ с большим температурным изменением растворимости х„^{Т) и де­
прессией АГд = Г.™ раслюра- Г^п ркпюрител.- Достижвнию концентрации нзсьпцения и началу кристаллообразования соответствует пересечение вторичных
расчетных кинетических кривых текущей конценфации смеси х(х) и концен­
трации насыщения раствора ^«„(т) (рис. 9, г).
Для аппроксимации Хшс(7) использовались линейные или степенные за­
висимости. Для описания и расчета Т^„ расгюра применялись как известные ме­
тодики, так и предложенная полутеоретическая зависимость, базирующаяся на
определении термодинамических коэффициентов активности а и на уравнении
Антуана для P^JJ)- При этом одновременно учитывается зависимость Рнас и
от температуры Т, и от концентрации х.
18
Например, для поваренной соли:
л:„ас = 0,0003 г + 0,2572, кг/кг р-ра;
^"„30= (2,49-1,501ехр(0,5х))ехр(23,274-3878,6/(Г+230,15)), Па;
(24)
Г,„„- 3878,6/(23,274 - 1п(/'/(2,49 - 1,501ехр(0,5х)))) - 230,15, "С.
Здесь Т-в°С. Погрешность для Т„а„ не превьииает 0,5 °С.
В диссертации приведены последние литературные экспериментальные и
расчетные данные по теплотам концентрирования (дегидратации) q^ и кри­
сталлизации г^ для рассмотренных продуктов.
Предложены также соотношения для расчета а„сп, а.^, р^с„, а также для
теплопроводных характеристик X, а,с,р с учетом порозности П и влагонасыщения 8(м) и их аппроксимации в процессе сушки Для оценки массопереносных характеристик D „ D*^, (3* предложены модельные соотношения, причем
полученные начальные приближения в процессе итерационных расчетов кор­
ректируются для обеспечения найденной ТВЗ.
На этой базе разработана методика и компьютерные программы для ин­
женерных расчетов процессов сушки дисперсий и растворов. Примеры срав­
нения расчетных и экспериментальных данных показаны на рис. 10.
Погрешность расчетов по времени сушки и нагрева обычно не превышает
10,.. 12 %. Видно, что предложенная методология отрабатывает все типы кине­
тических кривых, что является принципиально важным как для науки о сушке,
так и для сушильной практики.
ice '
1211 '
\
ю ■
/
т
в)
о
^
Диспгргйтор НФ;
5в%:1«Ч';5м/г
V.
)
0
.---^^-^''^
>N.
\с ■ '
z'
N.
1
W
1
1«0
Алшминмй
1
Т.С
Г-^'
279
'И ■
3»
45«
600
700
Рис. 10 Сравнение расчетных и экспериментальных кинетических
кривых сушки дисперсий и растворов:
на no.ie рисунков указаны: продукт; начальная концентрация;
температура и скорость воздуха; подложка
19
5 Теоретические и экспериментальные исследования процессов сушки
технических волокнистых материалов. Для опьпх)в использовались экспери­
ментальные установки: 1) БЦС (рис 1); 2) ЩУ; 3) 2СТУ (рис. 3); 4) 2БСУ (рис.
5); 5) РКУ; 6) ВУ. Для обобщения использовались также данные, полученные ра­
нее В.Б. Михайловым, М.Е. Улановым, А.П. Пасько, В.М. Нечаевым, В.Б. Ко­
робовым, Л.С. Дудаковой, В.В. Затоной, А.Г. Двойниным, Е.Н. Туголуковым
под руководством В.И. Коновалова.
Был выбран комплекс волокнистых материалов из 20 марок тканей,
шнуров и пластин из 8 видов волокон (полиамидные, полиэфирные, вискоз­
ные, хлопковые, целлюлозные, асбестовые) и 7 видов модельных материалов.
Типичные температурно-влажностные зависимости для волокнистых
материалов (рис. 11) аналогичны приведенным на рис. 6, но для каждой марки
ткани или шнура диапазон варьирования механизмов переноса существенно
меньше, и все 6 типов ТВЗ не наблюдаются, что объясняется фиксированной
начальной структурой материала. Примеры кинетических кривых и сравнение
расчетных и экспериментальных данных для разных исследованных способов
суипси, материалов и условий приведены на рис. 12 и 13.
Для толстых материалов характерно углубление зоны испарения с про­
движением площадки Ги,п внутрь образца (рис. 11,6). Для кондуктивно-бара-
fi
'ml
"и
"f
6)
Рис. 11 ТВЗ для конвективной и конвешивно-раднациояной сушки волокнистых
материалов, пропитанных ЛРФ-составамн:
а - нити, кордшнуры и шинный корд; б - толстые ткани и модельные щшиндры 0 30 мм
разной пористости (данные В.И. Коновалова и В.Б. Коробова); в - тонкие ткани
\
^—
xNК.
\,
:>
■-L
\,
аУ
'А- 1
[У
Г 1.N>NVчЧ
^i,'-
=«—
У^^"
V.
/
/
БЦС;
,
•SyJ
2*
иелдмжпа IHTT
1>-S
ыщп \м
^"^P^i:
Рис. 12 Примеры кинетических кривых конвективной (а) и кондуктивной (б)
сушки и нагрева волокнистых материалов
20
1000
1
""•
Б Ц С ; Веда; Ткани:
б)
СвЫК кмюеюнм;
о - анид ТА-100; Д - чефер х/б
Ik• » ■ 22» мм
20
410"
в)
10'
80
У
Y?=
ж""
= Нс1>еткшивш111е; 1
11 1
10"
S
т. с
\
1,3
a
IIIH 1
J 1
^fffj
"У
к' т т'^
''внешн
in»
111IIIin«
III1«»
Щи
t#
RePHC. 13 Сравнение расчетных и
^расч ^ ^
экспериментальных данных по сушке я
нагреву волокнистых материалов на
щелевой, циркуляционной и
160
барабанной установках (о, б, д) и
d)
корреляции для теплоотдачи снаружи
и внутри барабана (в, г)
банной сушки (рис. 12, б; рис. 13, д) вид температурных площадок также ана­
логичен, но механизм их образования имеет особенности, связанные с одно­
сторонним теплоподводом при испарении с другой стороны материала.
Для сушки двухслойных материалов, для кондуктивной сушки, для суш­
ки тонких слоев дисперсий на подложках компьютерные расчеты базируются
на аиалитических решениях двухслойных задач теплопроводности и диф­
фузии. Так, решение задачи теплопроводности имеет вид
1
*я
V.
■'экс
^^^мкс
г)
■fl
1ft»
2БСУ!
Л>К| TA-IM;
Тв-«9*С
Ti(x,x) = Wiix) + ^Ai„sm
Г.. „
^
^
,
\
+ (Pi„ехр(-ц^).
(25)
-.=1
vV«.J
Здесь вид и параметры функций W,{x) определяются для стационарного рас­
пределения температур;
Г
Фи = arctg
\
^iVfli ^
X,
tg
4>2n = - a r c t g
Ц./.
+ <Pln
Г
\ Kh
Аг^оГ^ la^
tg(92«).
(26)
21
уравнения (26) позволяют определить и последовательных значений ф,„, ц„;
остальные вспомогательные функции находятся из следующих уравнений:
ii^ +c
sm ^-рг -Ф1«
^2/i = ^ i « - A ^ « ;
^
а, i
fei(A:)sin
Ы.
W^i
^п
+ Ф1Я dx + ^M„
a-»
8ш(ф2„)
•
'>
Z'.
f92(x)sin ^l«^ + 4>2« J x
f
^л
+Ф1,.
J
«2
(n |sin=
^ln*
+ Ф2«
(27)
«fa
ei{x) = Wiix)-Wiix).
Для реализации счета решение записывается сначала для 1-го интервала,
например, при безградиентных Н У , а затем для к-х последующих, в которых
Н У для начала к-го интервала равны конечному распределению в конце пре­
дыдущего (к- 1)-го интервала.
Для задачи диффузии решение будет то же самое с заменой:
Г=С;
а =Д
Л,гр,//)„
hj^^lDi,
(Г,(0, т) - Т;,) = (С,(0, г) - С „ ) ; {Uh х) - Г^) = {CjQ, т) - С^гУ (28)
В работе выполнен анализ и впервые дана сводка особенностей внешне­
го и внутреннего тепло- и массопереноса (18 видов), которые отличают их от
обычно используемых упрощенных модельных схем. Для их учета предложе­
н ы зависимости: для дополнительных видов конвекции; для геометрии рель­
ефа; для излучения от стенок аппаратов; для расчета эквивалентной толщины
материалов со сложным поверхностным рельефом; для выбора определяющих
размеров, температур среды и пр.
Влияние начального влагосодержания материала на скорость сушки
(рис. 12, б) объяснено неполным заполнением поверхностных пор, особенно
при дозированном нанесении составов, и учитывается введением симплекса
езш1= И(/ «нас с показателем степени 0,5...0,25.
Для нагрева гигроскопичных материалов, сопровождающегося их под­
сушкой, учитывается теплота испарения гигроскопической влаги.
Специальная работа была поставлена по описанию качества (физикомеханических показателей и адгезии) высушиваемых и термообрабатываемых
кордных материалов. Показано, что рекомендуемые модели, основанные на
физико-химическом описании механизма, имеют наибольшую познавательную
и практическую ценность, хотя сложнее в разработке и решении.
При сушке двухслойных материалов (например, в производстве фильт­
ровальных и стерилизующих пластин на тканевой подложке после отливки
или формования) учитывается межслоевой влагообмен и испарение через по­
ристую подсушенную подложку.
Выполнены экспериментальные и теоретические исследования по кондуктивно-барабанной тепловой обработке волокнистых и листовых материа­
лов. Получены критериальные соотношения для внешней тепло-массоотдачи
при свободной конвекции (рис. 13, в)
11
Nu„=0,90(GrxPrf"
(29)
и для внутренней теплоодачи в барабане с учетом диссипации энергии при
перемешивании (рис. 13, г):
при Re„,^ = 200... 1000
Nu„,, = 2,53 Rt„^"•" Pr "'" = 2,53 Ре °^\ (30)
'"8J
0,33
0,8 Re„
при Re„em= 1000... 1000 000 Nu„
Pr
(31)
Разработанные на этой основе методы и программы инженерного рас­
чета сушки и термообработки волокнистых материалов приведены в диссер­
тации. Погрешность обычно не превышает 12 %.
6 Теоретические и экспериментальные исследования циклических и
многооперационных процессов сушки и тепловой обработки. Выполнен
анализ процессов обработки материалов на поточных линиях с полузамкнуты­
ми циклами операций сушки, нагрева/охлаждения, вулканизации, каландрования, непрерьтного прессования и других видов тепловой обработки, а также
процессов с двумя и более последовательными технологическими операциями
или режимами. Впервые дана их классификация по группе признаков.
Условия тепло-массообмена по участкам линий с полузамкнутыми кон­
турами барабанов, транспортерных лент, прижимных устройств, подложек и
пр. (рис. 14) являются несимметричными и переменными по участкам. Поля тем­
ператур и концеиграций по ходу участков многократно перестраиваются. После
пуска линии все температуры изменяются, пока режим не станет стационарным.
Какие при стационарном режиме установятся начальныетемпературыи концен­
трации на входе участков, неизвестно. Основой разработанных автором совместно
с В.И. Коноваловым и Е.Н. Туголуковым методов расчета таких процессов и уст­
ройств является сведение динамической задачи переноса к квазикинегической.
Рис. 14 Схема участков
сушкн/нагрева/охлажденвя
движущихся ленточных
материалов на
многобарабанной
установке поточной линии
(полузамкнутый цикл)
Разработанная методика заключается в последовательном счете условных
циклов от пуска установки до выхода ее на стационарный режим: для 1-го
оборота барабана и далее до конца линии; для 2-го оборота 1-го барабана и так
далее, пока температурно-влажностные распределения перестанут изменяться.
Используются приведенные аналитические решения. Общее время до дости­
жения стационарного состояния дает время выхода линии на рабочий режим,
которое также имеет принципиальное значение.
Эксперименты проводились на установках: 1) 2СТУ (см. рис. 3); 2) 2БСУ
(см. рис. 5); 3) натурный стенд РКЛП; 4) стенд РКЛВ. Характерные кине­
тические кривые и циклограммы приведены для примера на рис. 15.
23
s»
i
a)-
J
—
J ^ ^
—
*-—
-A-T» — 5 ^
/T'P'
Л-*^
t/^^
—BO//1204;
1
-«^-«)//120'С*1ВЛ<М*С
1
-*-120'С*И1Я.*)(ГС//вО'С 1
1
Рис. I S Кинетика циклических и многооперационных процессов:
а - сушка клея (10 % НК+БР+ЭАц) на резине при одно- и двухрежимной обработке:
2СТУ; vfc = 3 м/с; б - многобарабанная сушка: 2БСУ; ткань ТА-100; Гб = 80 °С; время
пребывания образца на воздухе Тщид = var при Тбар = 15 с; в - расчетные и эксперимен­
тальные циклограммы нагрева-охлаждения пресс-форм с вкладышами подшипников
качения: стенд РКЛП (1,2,3- поверхность, основание, крышка пресс-формы)
Для роторно-конвейрных линий впервые исследованы и рекомендованы
способы и режимы комбинированного теплоподвода; конвективные; рядиационно-конвективные с ИК-теплоподводом; с индукционным ТВЧ-нагревом. Для измерения температур поверхностей П Ф спроектировано устрой­
ство, на которое получено авторское свидетельство.
При индукционном теплоподводе Т В Ч , сопровождаемом конвекцией и
излучением, ГУ-Зэкв будут
^дт^
дх
= а(2; -г(л,т)) +с„^(т^^ -{nR,^)T)+<}«^ ■
(32)
Величина поверхностного тепловыделения q„^ может быть определена
электрофизическими расчетами только для простых модельных схем. Для
промышленных условий рекомендовано соотношение, учитывающее реальный
коэффициент связи «индуктор-загрузка» К„.,
q^=4,2-lO-'^{WJJ2fK,
(33)
где р - омическое сопротивление материала П Ф ; ц - магнитная проницае­
м о с т ь ; / - частота; WJ„ - ампер-витки катушки индуктора на единицу длины
загрузки; К,,., для исследованного индуктора и пресс-форм равен 0,84.
Рекомендованы двухрежимные процессы конвективно-радиационной
сушки клеевых покрытий (рис. 15, а) и кондуктивной сушки рулонных мате­
риалов на многобарабанных установках (рис. 15, б). Показаны возможности
повышения качества продуктов и интенсивности путем использования комби­
наций «жестких» и «мягких» режимов.
24
Разработаны методики и программы инженерного расчета таких процес­
сов. Точность расчетов определяется, в основном, погрешностями описания тепломассоотдачи. Например, при конструктивно неизбежном неравномерном обогреве
пресс-форм (рис. 15, в) для расчета нужно находить усредненные эффективные
тепловые потоки. Результирующие погрешности - 10... 15 % . Какие-либо кор­
ректные альтернативы предложенным расчетам в настоящее время неизвестны.
7 Общие результаты работы и рекомендации по моделированию и
совершенствованию сушильно-термических процессов, оборудования и
устройств для испарения растворителей, сушки покрытий, дисперсий,
растворов и волокнистых материалов. Вышеизложенные материалы под­
тверждают корректность выполненного физического анализа и объяснения
механизма исследованных процессов и перспективность использования сфор­
мулированных единого подхода и методологии для исследования сложных
процессов сушки и тепловой обработки. Дадим краткую сводку результатов
работы, рекомендаций и сведений о реализации.
Растворители и покрытия. Волокнистые материалы.
Запатентованный псюфо-эвапорометр (см. рис. 2) реализован в виде рабочей
установки и используется в научных исследованиях и в учебном процессе. Плани­
руется его изготовление по заказам заинтересованных организаций.
Выполненные исследования сушки клеевых покрытий при разных усло­
виях (рис. 16, а) и при двухрежимных процессах (рис. 15, а) подтвердили воз­
можность существенного выигрыша во времени сушки, увеличения скорости
проводки и снижения габаритов клеепромазочньтх машин. В этих исследова­
ниях реализовано использование температурно-влажностной зависимости
вместо измерения убыли влагосодержания.
Выбор менее гигроскопичной подложки при производстве целлюлозноасбестовых стерилизующих и фильтр)тощих пластин также существенно сни­
жает время сушки (рис. 16, б).
Эги результаты могут быть использованы в резино-асбестовой, бумаж­
ной, текстильной и легкой промышленности и приняты для расчета сушилок и
выбора режимов в Тамбовских ОАО «НИИРТмаш» и «АРТИ».
У
л
J>*"^
^ - • « - " ""
а£/ — ^^
F
г f——*
Л,.---
-.-Ю'С
,
1
i
Р
_ -^120■C-^tlJЛ40(l•C'
Рис. 16 Кинетика сушки
покрытий и волокнистых
материалов:
а - сушка клея
( 1 0 % Н К + БР + ЭЛц)на
резине в мягких, средних и
жестких условиях: 2СТУ;
Wc = 3 м/с; б-сушка
стерилизующих пластин
СФ-3 (55 % целлюлозы,
45 % асбеста) на подлож­
ках: 7 - на чефере х/б;
2 - на аниде ТА-100; БЦС;
80 "С; 3 м/с
25
Методы расчета процессов сушки и термообработки технических тканей,
шинного корда, кордшнуров и нитей, разработанные ранее в школе В.И. Коно­
валова и усовершенствованные в настоящей рабоге, используются при проек­
тировании поточных линий и агрегатов ОАО «Полимермаш» и «НИИРТмаш».
Дисперсии и растворы. Полупродукты, пигменты и красители. В ы ­
даны рекомендации по обоснованному выбору рационального типа сушилок,
режимных параметров и расчету размеров сушилок для ряда полупродуктов
синтеза органических пигментов и красителей (Р-соль, Гамма-кислота, белофоры КД-2 и КД-93, диспергатор Н Ф ) . Результаты приняты и для ряда продук­
тов реализованы на О А О «Пигмент».
Выполнены работы по механизму и кинетике сушки типичных органиче­
ских пигментов и красителей. Показаны возможности альтернативных спо­
собов сушки, в частности, кондуктивно-барабанной сушки и сушки в псевдоожиженном слое на разработанном и запатентованном «бинарном инерте» из
смеси фторопластовых и алюминиевых частиц. Примеры кинетических кри­
вых даны на рис. 17. При сушке на бинарном инерте устраняется налипание,
улучшается скол продукта с частиц, снимается статическое электричество и
соответственно снижается пожаро-взрывоопасность. Время сушки на смеси
частиц меньше, чем на фторопласте, примерно на 20...30 % .
120
,100
i"
f„
=80 °С
!
Тбар
I"
—.
•
1
.— - и —
120
а)
^ ^ ^ fe4=i fe5=J Ь а м h^-H
150
1Ю
210
240
270
300
ЯО
I-.-I
ЗеО
б)
Рис. 17 Кинетические кривые кондуктивной сушки пигмента рубинового ВКС/2:
а - 2БСУ; Гбар = 80,100,120 °С; Лс = 35 %; бея = 2 мм и сушки в кипящем слое на инерте
суспензии Р-соли, б - УКСИН; Лм, = 25 % ; 3 м/с, Ti = 80 °С; О - фторопласт;
X - атюминий, о - бинарный инерт 50/50 %
Эти способы дают также большую экономию в энергозатратах благодаря
возможности использования повышенных начальных концентраций дисперсий
по сравнению с распылительной сушкой и повышение качества по сравнению
с вальцеленточными сушилками. Планируется их реализация в промышленном
масштабе на ОАО «Пигмент».
Полученные результаты по сушке дисперсий и растворов рекомендуются
также отечественным и зарубежным предприятиям для совершенствования
процессов сушки ряда других продуктов: мясо-костной жидкости, желатина ~
в мясной и мясо-молочной промышленности; тяжелой кукурузной жидкости,
крахмала - в крахмало-паточной промышленности; сахара - в сахарной про­
мышленности; различных солей и других неорганических продуктов - в про­
мышленности минеральных удобрений и солей.
Предложенную методологию можно использовать не только для тонких
слоев дисперсий, но и для толстых слоев, в том числе при жестких режимах
26
сушки. Результаты, получаемые для плоских материалов, могут использовать­
ся для подложек цилиндрической формы (напр., эмалируемой проволоки), для
сферических подложек (напр., при сушке на инерте или для растущей грану­
лы) с учетом отличий во внешних условиях. Все это расширяет возможности
реализации научно-инженерных результатов, полученных в диссертации.
Циклические и многооперационные процессы и оборудование. Энерго-ресурсосбережение. Результаты работ по циклическим процессам нагре­
ва/охлаждения/сушки при обработке Р Т И реализованы в металле в промыш­
ленных каландровых, протекторных, камерных линиях, линиях для производ­
ства транспортерных лент, слоистых композитных материалов в ОАО «НИИРТмаш» и «Полимермаш» и успешно эксплуатируются на ряде шинных за­
водов и заводов Р Т И .
На основе разработанной методологии по заказу ОАО «Пигмент» прове­
дены работы по энерго-ресурсосберегающим процессам производства органи­
ческих пигментов в осваиваемых производствах цеха № 15 с сушкой в замкну­
том цикле продуктов сгорания природного газа с распьшительной сушилкой.
Выполнены также работы в других цехах. Разработаны решения для процессов
сушки пигментов, превосходящие по эффективности мировой уровень, дос­
тигнутый отечественными и ведущими зарубежными фирмами. Предложены
схемы с поверхностным теплообменником вместо промывной колонны, с теплоутилизацией и с теплотрансформацией. Это позволит снизить расходы воды
после внедрения схем на 1 млн куб. метров в год, уменьшить на 20 % расход
природного газа и снизить количество стоков на закачку.
Результаты работ по роторно-конвейерным линиям реализованы в метал­
ле в двух промышленных образцах линий Р К Л П и Р К Л В на Заводе опытных
машин ОАО «НИИРТмаш». Линии помещены в официальный каталог резино­
технического оборудования.
ВЫВОДЫ
1 Общим результатом работы являются научно-обоснованные решения
проблем сушки и тепловой обработки материалов с существенной темпера­
турной кинетикой. При этом разработан единый подход и методология иссле­
дований процессов сушки и нагрева на базе температурно-влажностных зави­
симостей для большой группы процессов, включающих: испарение раствори­
телей, сушку покрьггий, дисперсий, кристаллообразующих растворов, волок­
нистых материалов, тепловую обработку полимер-волокнистых композиций, в
том числе их циклические и многооперационные разновидности.
2 Выполнен анализ современного состояния теории и техники процессов
сушки и тепловой обработки исследуемых групп материалов. Показано, что
такие материалы составляют более половины всей номенклатуры высушиваемых
и термообрабатьшаемых материалов. Проанализированы их общие черты, отмече­
ны тенденции развития и определены задачи совершенствования таких сушиль­
ных процессов и оборудования, в том числе решаемые в настоящей работе.
3 Выполнен комплекс экспериментально-аналитических работ по сушке
исследуемых материалов, а также сопоставительный анализ ранее проведен­
ных исследований. Анализ показал, что для надежности результатов по тепломассопереносу для сложных по природе процессов с недостаточно изученным
механизмом решающим является широкий диапазон исследуемых материалов
и условий сушки. Поэтому первостепенной задачей был обоснованный анали27
зом подбор представительных комплексов продуктов, экспериментальных ус­
тановок и серий экспериментов.
Бьши подобраны и исследованы следующие комплексы материалов:
35 растворителей из 18 гомологических рядов и групп, ряд клеев и латексных
составов; 20 видов дисперсий и растворов синтетического, минерального, рас­
тительного и животного происхождения, пигментов и красителей и 10 видов
подложек; 27 разновидностей тканей, пластин и других волокнистых материа­
лов из 8 видов волокон и ряд модельных материалов.
Использовался комплекс из 11 экспериментальных установок, модерни­
зированных или впервые созданных: большая циркуляционная конвективная
сушилка; щелевая конвективная установка; сопловая двухрежимная конвек­
тивно-радиационная установка; барабанная двухрежимная кондукгивная установ­
ка; реокинеггическая установка; визуальные установки; модифицированная камера
дериватографа; установка для сушки в кипящем слое на инертном носителе; уни­
версальная психро-эвапорометрическая установка; натурные стенды роторноконвейерных линий для вю1адьш1ей подшипников и для автокамерных вентилей, в
том числе с инфракрасным и индукционным теплоподводом.
Экспериментальные исследования включают комплекс из 11 серий, иден­
тифицированных по назначению: пробные эксперименты; модельные; класси­
фикационные; кинетические; диапазонные; сравнительные; отч;еивающие; ви­
зуальные; эксперименты для изучения химических и деформационно-реологи­
ческих процессов; технологические; промышленные.
4 Впервые разработана единая кинетическая классификация рассматри­
ваемых процессов и материалов как объектов сушки, включающая 6 групп по
наличию, вырождению или отсутствию характерных температурных площадок
(вблизи TeMnepaTjT) мокрого термометра Т^, кипения 7^„„ и других). Эти клас­
сификационные особенности определяют механизм тепломассопереноса, вре­
мя сушки и качественные показатели высушиваемых материалов.
5 Получены и используются аналитические решения многослойных ли­
нейных задач теплопроводности (диффузии) с функционально заданными на­
чальными условиями, с кусочно-ступенчатой аппроксимацией тепло-массопереносных характеристик и толщин слоев по зонам, с расчетом на малых
временных интервалах. Предложены методы эквивалентизации граничных
условий для комбинированного тепло- и массопереноса, со сведением их к
эквивалентным ГУ 3-го рода, и методы аппроксимации других характеристик
тепло-массопереноса. Разработаны расчетные компьютерные программы.
6 В связи с общенаучной важностью рассмотрены возможности исполь­
зования тепло-диффузионной аналогии в процессах испарения растворителей.
Показано, что аналогия в этих процессах нарушается. Дан анализ причин.
Впервые предложены безразмерные коррелирующие комплексы, включающие
базовые характеристики растворителей - температуры кипения и плавления.
7 В связи с практической значимостью проанализированы методы инже­
нерно-кинетической аппроксимации характеристик переноса. Разработана
группа эффективных применяемых аппроксимационных схем, в том числе для
температурно-влажностных зависимостей 7T(w), для коэффициентов тепло- и
массоотдачи а(и), Р(м) и других.
8 Получены новые физические результаты по кинетике процессов испа­
рения растворителей и сушки покрытий, сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов, кондуктивно-барабанной сушки, сушки и термообработки
28
волокнистых материалов, в том числе по механизму тепло- и массопереноса
при образовании и вырождении температурных площадок на кинетических
кривых при сушке всех этих видов материалов. Получен ряд новых расчетных
соотношений и разработаны инженерные методы расчета для всех изучаемых
групп процессов, в том числе: уточненные критериальные уравнения тепломассоотдачи при испарении; полутеоретические зависимости для давления
насыщенных паров Р^ растворов одновременно от концентрации и темпера­
туры; способы учета дополнительных видов конвекции, излучения стенок,
геометрии рельефа, начального влагосодержания, выбора определяющих раз­
меров и температур; критериальные соотношения для внешней тепло- и массоотдачи и для внутренней теплоодачи при кондуктивно-барабанной сушке, с
учетом диссипации энергии при перемешивании теплоносителя в барабане;
методы оценки критических влагосодержаний u^pi, M,p2 и коэффициентов диф­
фузии Дф, Дф*; для полузамкнутых циклических и многооперационных про­
цессов сушки и тепловой обработки впервые предложен эффективный метод
расчета, основанный на сведении динамической задачи к квазикинетической, с
расчетом температур и влагосодержаний на каждом условном цикле; методики
расчета комбинированного теплоподвода (конвективный, кондуктивный, ин­
фракрасный, индукционный).
9 Выданы практические рекомендации по совершенствованию и вьтолнены работы по реализации рассмотренных сушильно-термических процессов
и оборудования, в том числе: 1) научные результаты исследований реализова­
ны в виде публикаций в ведущей мировой печати и доложены на основньрс
международных конференциях и форумах по сушке и тепло-массопереносу и
используются в учебном процессе в курсах П А Х Т , явлений переноса, инже­
нерной оптимизации, энерго-ресурсосбережения, инженерной экологии;
2) результаты работ по двухрежимной сушке покрьггий и по сушке целлюлозоасбестовых пластин на легкой подложке приняты для реализации на Тамбов­
ское О А О «АРТИ»; 3) получено положительное решение о выдаче патента на
универсальный психро-эвапорометр, который реализован в виде рабочей уста­
новки и используется в научных исследованиях; предлагается его изготовле­
ние по заказам заинтересованных организаций; 4) результаты работ по диспер­
сиям и растворам приняты для реализации на Тамбовское ОАО «Пигмент»;
получен патент № 2245348 на способ сушки на бинарном инерте, который
реализован в виде лабораторной установки, используется в научных исследо­
ваниях и запланирован к промьшшенной реализаци на ОАО «Пигмент»;
5) работы по энерго-ресурсосберегающим и экологичным процессам сушки
пигментов с замкнутым циклом сушильного агента находятся в стадии иссле­
дования и реализации на ОАО «Пигмент» с расчетной экономией около 1 млн. м*
охлаждающей воды в год, 20 % природного газа и значительным сокращением
стоков на закачку; 6) результаты работ по волокнистым и рулонным материа­
лам реализованы в металле в промышленных протекторных, камерных линиях,
линиях для производства транспортерных лент в ОАО «НИИРТмаш» и «Полимермаш» и успешно эксплуатируются на ряде шинных заводов и заводов
Р Т И ; 7) результаты работ по роторно-конвейерным линиям реализованы в ме­
талле в двух промышленных образцах линий Р К Л П и Р К Л В на Заводе опыт­
ных машин ОАО «НИИРТмаш» (в том числе с устройством для измерения
температур по полученному авторскому свидетельству № 1478054) и включе­
ны в официальный каталог резинотехнического оборудования.
29
Основные обозначения (неуказанные размерности в системе СИ)
а - температуропроводность; с - теплоемкость; С - концентрация, D - коэффици­
ент диффузии; F, f- поверхность; g - убыль веса; L, I - длина; N - скорость сушки;
р, П - давлаше, общее давление; Р - потенциал переноса; R - газовая постоянная; г - тепло­
та испарения, Г- температура, К или °С; и - влагосодержание материала, кг вл/кг сух; w скорость, а, р - коэффициенты теплоотдачи, массоотдачи; 5 - толщина; б - порозность;
X - теплопроводность; р - плотность; ц - динамическая вязкость; т - время; Nua = al/X;
Nup = PZ/A Pr = v/a; Re = w //v; Sc = v/D.
Основное содержание днссертаиин изложено в следующих публикациях
(в журналах по перечню ВАК и в других изданиях, учитываемых ВАКу.
Препринт
1 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И. Единый подход к кинетике и моделированию
сушки растворителей, покрытий, жидких дисперсий, кристаллообразующих растворов и
волокнистых материалов // Вестник Тамбовского государственного технического уни­
верситета. 2004. Препринт Ха 09. Т. 10 - Юбилейный. № 1. 64 с.
Публикации в журналах, трудах конференций и в других изданиях.
2 Коновалов В И , Гатапова Н.Ц. Макрокинетика промышленных процессов //
Теоретические основы химической технологии. 2004 Т. 38. № 2. С. 123 - 132.
3 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Кудра Т. Кинетические особенности, классифи­
кация и методология расчетов процессов сушки суспензий и кристаллообразующих раство­
ров // Известия вузов Химия и химическая технология 2005. Т. 48. Вьш. 4. С. 119 -125
4 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И., Туголуков Е.Н. Расчет и оптимизация цикличе­
ских и многооперащюнньгх тепловых режимов обработки изделий в поточных, роторноконвейерных и роторных линиях // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005.
Х»5.С.З-6.
5 Гатапова Н.Ц. Коновалов В И. Методологические основы комплексных теплофизических измерений и эксперимяггальных исследований процессов сушки материа­
лов с существенной температурной кинетикой // Вестник Тамбовского государственно­
го технического университета. 2005. Т. 11.№1.С. 133-150.
6 Гата1юва Н.Ц., Коновалов В.И, Колиух А . Н , Пахомов А.Н, О температурных
площадках при низко- и высокотемпературной контактно-барабанной сушке влажных
материалов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2004.
Т. 10 - Юбилейный. № 4. С. 968 - 977.
7 Гатапова Н Ц., Коновалов В.И. Методология комплексных теплофизических из­
мерений и экспериментальных исследований процессов сушки материалов с существен­
ной температурной кинетикой (пленарный доклад) // Материалы V Междунар. теплофизической школы (МТФШ-5). Тамбов, 20 - 24 сенг, 2004 г. П Т У . 2004. Ч. 1. С. 19 - 34.
8 Konovalov V.I., Gatapova N.Z., Kohuch A.N., Pachomov A.N., Shikimov A.N.,
Utrobm A.N. Kinetics of conductive drying and heat-transfer on contact cylinders // Proc. of
the 14th Intern. Drying Symp. (IDS'2004). Brazil, Aug. 22-25, 2004. Vol. A. Pp. 247 - 253.
9 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Шикунов A.H., Утробин А.Н. Кинетика сушки
дисперсий на бинарном инертном носителе // Докл. V Междунар. форума по тепло- и
массообмену (ММФ-2004). 24 - 28 мая 2004 г Минск: ИТМО, 2004. Секция 7. Докл.
№7-16. Н е .
10 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И. Единый подход к кинетике и моделированию
сушки растворителей, покрытий, жидких дисперсий, кристаллообразующих растворов и
волокнистых материалов феферат препринта) // Вестник Тамбовского государственного
техническо! о университета 2004. Т. 10-Юбилейный № 1. С. 80-82
11 Konovalov V I , Gatapova N Z , Kudra Т. Drymg of liquid dispersions - a unified
approach to kinetics and modeling // Drying Technology - An Intern. Journal (New York).
2003. Vol. 21. No. 6. Pp. 1029 - 1047.
12 Гатапова Н.Ц., Коновалов В И., Шикунов А Н , Козлов Д В., Пахомов А.Н. Теплофизические и кинетические особенности сушки кристаллообразующих растворов //
30
Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2003. Т. 9. № 2.
С. 210-229.
13 Konovalov V.I., Gatapova N.Z., Kudra Т. Drying of liquid dispersions: unified ap­
proach to kinetics and modeling // Proc. of the 13th Intern. Drying Symp (ГО8'2002). Beijing,
China, Aug. 28-31, 2002. Vol. A. Pp 218 - 225
14 Shikunov A.N., Utrobin A.N , Konovalov V.I., Gatapova N.Z., Pachomov A.N., Leontyeva A.I. Drying kinetics of liquid dispersionsfromthin organic syntheses on various sub­
strates // Proc. of the 13th Intern. Drying Syntp. (Ш8'2002). Beijmg, China, Aug. 28 - 31,
2002. Vol. A. Pp 226-231.
15 Коновалов В.И., Гатапова Н Ц., Кудра Т. Кинетика сушки и качество обраба­
тываемых материалов (гфоблемный доклад) // Труды 1 Междунгф. конф. «Современные
энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ-2002)». М.: МГАУ, 2002. Т. 3. С. 14-18.
16 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц. Математическое моделирование взаимосвязан­
ных процессов сушки и нагрева Явления переноса и их модели // Труды XV Междунар.
конф «Математические методы в технике и технологиях {ММТТ-15)». Тамбов: Изд-во
Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. Т. 3. Секция 3. С. 166- 170.
17 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Пахомов А.Н. Математическое моделирование
взаимосвязанных процессов сушки и нагрева. Материалы с близкими диффузионными и
термическими сопротивлениями: единый подход // Труды X V Междунар. конф. «Мате­
матические методы в технике и технологиях (ММТТ-15)» Тамбов- Изд-во Тамб. гос.
техн. ун-та, 2002. Т. 3. Секция 3. С. 170 - 176.
18 Гатапова Н.Ц., Коновалов В.И., Колиух А.Н., Савельев А.А. Особенности ки­
нетики теплопередачи и сушки на контактных барабанах // Вестник Тамбовского госу­
дарственного технического университета. 2001 Т. 7. № 3 С. 399 - 406.
19 Промтов М А., Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц Анализ условий и разработка
методики интенсификации химико-технологических процессов в гетерогенных жидко­
стях гфи энергетических воздействиях // Вестник Тамбовского государственного техни­
ческого университета. 2001. Т. 7. № 3 С. 407 - 421.
20 Кутепов A.M., Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц Новое американское издание
«Справочник инженера-химика Перри» // Химическое и нефтегазовое машиностроение
2000. № 3. С. 50 - 52.
21 Konovalov V.I., Pakhomov А N., Gatapova N.Z., Kudra Т Modeling of drying of
dispersed systems held on solid supports // Докл. IV Междунар форума по тепло- и массообмену {ММФ-2000). 22 - 26 мая, 2000 г. Минск- ИТМО, 2000. Т 9. С. 20 - 29.
22 Gatapova N.Z., Sergeeva Е.А., Konovalov V I , Kudra Т., Mozzhukhin A.B. Heat
and mass transfer analogy for evaporation of solvents // Докл. IV Междун^. ффума по тегшо- и
массообмену (ММФ-2000). 22 - 26 мая, 2000 г. Минск: ИТМО. 2000. Т. 9. С. 94 - 100.
23 Konovalov V.I., Netchaev V.M., Gatapova N.Z., Shmurak I L . , Korobova I.L. Ade­
quacy of kinetic and quality indices for drying and thermal treatment of tire cord // Proc. of the
12th Intern. Drying Symp. (IDS'2000). Netherland, Aug. 28-31, 2000. Amsterdam: Elsevier,
2000. Report No. 401,6 p.
24 Konovalov V.I., Pakhomov A.N., Gatapova N.Z., Kudra T. Drying of dispersed sys­
tems in thin layers - process mechanism and kinetics // Proc of the 12th Intern Drying Symp.
(roS'2000) Netherland, Aug. 28 - 31. 2000 Amsterdam- Elsevier, 2000 Report No. 397, 6 p
25 Korobova I.L., Gatapova N.Z., Konovalov V.I., Kudra T. Opportunities for using
fuzzy systems and neural networks to optimaze quality of dried matenals with complex rheology // Proc. of the 12th Intern. Drying Symp. (IDS'2000). Netherland, Aug. 28 - 31, 2000.
Amsterdam- Elsevier, 2000. Report No 400,10 p.
26 Коновалов В.И, Коробова И.Л., Гатапова Н.Ц., Нечаев В.М. Использование
нейронных сетей и нечетких множеств в химической технологии (на примере прогнози­
рования качества высушиваемых материалов) // Вестник Тамбовского госуд^ственного
технического университета. 2000. Т. 6. № 4. С. 590 - 610.
27 Konovalov V I , Gatapova N.Z External heat- and mass transfer during the convecti ve drying and heating of strips materials (Keynote Lecture) // Proc of the 1! th Intern. Drying
Symp. (roS'98). Halkidiki, Greece, Aug. 19 - 22,1998 Vol. A. Pp 23 - 34.
31
28 Konovalov V I., Gatapova N Z. Peculiarities of external heat- and mass transfer
during indtistnal convective drying and heating // Вестник Тамбовского государственного
технического >'ниверситета 1998. Т. 4. № 4 С. 444-461
29 Коновалов В И , Хануни С . С , Туголуков Е.Н., Гатапова Н . Ц , Коробова И Л . ,
Михайлов Б Н , Сергеева Е.А. К расчету внешнего тепло- и массообмена при cjTUKe и
нагреве волоигастых материалов // Вестник Тамбовского государственного техническо­
го университета. 1997. Т. 3. № 1-2. С. 47 - 60.
30 Коновалов В.И., Туголуков Е.Н., Гатапова Н.Ц,. Хануни С.С, Коробова И.Л.,
Пахомов А.Н., Сергеева Е.А. К расчету внутреннего тепло- и массопереноса и кинетики
нагрева волокнистых материалов // Вестник Тамбовского государственного техническо­
го университета. 1997 Т 3. № 3 С. 224 - 236
31 Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Туголуков Е.Н. Физические особенности и к и ­
нетика процессов тепло- массообмена при сушке материалов от органических раствори­
телей (Проблемный доклад). // Докл. I I I Междунар. форума по тепло- и массообмену
(ММФ-96). 20 - 24 мая, 1996 г Минск: И Т М О , 1996. Т. У Ш . С 3 7 - 4 4 .
32 Коновалов В . И , Гатапова Н.Ц., Туголуков Е.Н. Циклические тегшомассообменные процессы в химико-технологических устройствах (Проблемный доклад) // Докл.
I I I Междунар. форума по тепло- и массообмену (ММФ-96). 20 - 24 мая, 1996 г. Минск:
И Т М О , 1996. Т. X I . С. 50 - 54.
33 Konovalov V I., Tugolukov Е N.. Gatapova N.Z. Interdependent Heat and Mass
Transfer in Drying A' Proc of the 10th Intern Drying Symp (ГО8'96). Poland, Krakow, July
30-Aug. 2,1996. Vol B. P. 1517.
34 Коновалов В И., Туголуков Е.Н., Гатапова Н.Ц О возможностях использования
точных, интервальных и приближенных аналигических методов в задачах тетшо- и мас­
сопереноса в твердых телах // Вестник Тамбовского государственного технического
университета. 1995. Т. 1. Х» 1-2. С. 75 - 90.
35 Коновалов В.И., Гатапова Н Ц., Туголуков Е.Н О возможностях использования
циклических тепловых и взаимосвязанных тепло-диффузионных процессов в химиче­
ских и других производствах // Вестник Тамбовского государственного технического
университета. 1995. Т. 1. № 3-4. С. 273 - 288.
36 Konovalov V.I., Tugolukov E.N., Gatapova N.Z., Netchaev V . M . Modchng of drying
vvith the application of temperature-tmie and tenqierature-moisture relationship // Proc of the 9th
Intern. Drying Symp. (IDS'1994) Brisbane, Australia, Aug 1 - 4.1994. Vol. A. Pp. 291 - 305.
37 Konovalov V I , Gatapova N.Z , Tugolukov E.N , Nemtchenko G.L. Cyclic heating
processes for the modem equipment for rubber and plastic articles production // 11 Intern.
Congress of Chera.Eng., Chem. Equip. Design and Automation (CHISA'93). Ptaga, Aug. 29 Sept. 3,1993. Abstracts. Vol.G. P. 44.
38 Konovalov V . I . , Gatapova N.Z., Tugolukov E.N., Nemtchenko G.L. Cyclic heating
processes for the modem equipment for rubber and plastic articles production/ 11 Intern. Con­
gress of Chem. Eng., Chem. Equip. Design and Automation ( C H I S A ' 9 3 ) Praga, Aug 29 Sept 3,1993. Preprint G8. 25. 11 pp.
Авт. свидетельства
и патенты
39 Патент Р Ф № 2245348. Инертный носитель для сушки продуктов в псевдоожиженном слое («бинарный инерт») / В.И. Коновалов, Н.Ц Гатапова, А . Н . Шикунов,
А.Н. Утробин, А . И . Леонтьева; Заявл. 18.08.2003 г.
40 Устройство для измерения скорости испарения и температуры испарения рас­
творителей («психро-эвапорометр») / В И . Коновалов, Н.Ц Гатапова, Д.В. Козлов,
А . Н . Утробин, А А. Фролов // Решение Ф И П С Р Ф о выдаче патента на изобретение от
21 12.2004 г. по заявке № 2003125681 (027448) от 20.08 2003 г
41 А.с. С С С Р Ks 1478054. Устройство для измерения температуры движущихся
пресс-форм / Г.Л. Немченко. Е.Н. Кривенко, A . M . Жмулюкин, Н.Ц. Гатапова,
Ю . П Григорьев; Опубл 07.05.89 Бюл. № 17.
32
Подписано к печати 26.04.2005.
Гарнитура Times New Roman. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Объем: 1,86 усл. печ. л.; 2,2 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. С. 292
Издательско-полиграфический центр ТГТУ
392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14
V
»-865l
РНБ Русский фонд
2006-4
20860
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 971 Кб
Теги
bd000101675
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа