Математическое моделирование цикла тепловой обработки пеностекольной шихты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи Городов Роман Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИКЛА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПЕНОСТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2009 ■ ' '

003471388

Работа выполнена на кафедре «Атомные и тепловые электрические станции» Теплоэнергетического факультета Томского политехнического

университета

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кузьмин Ариан Валерьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Гаврилов Петр Михайлович

доктор физико-математических наук, Соловьев Сергей Викторович

Ведущая организация: Томский государственный университет

Защита состоится «18» июня 2009 г. в 1430 в ауд. 228 10 учебного корпуса ТГТУ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДС 212.025.01 при Томском политехническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «15» мая 2009 г.

Ученый секретарь совета ДС 212.025.01 кандидат физико-математических наук, доцент О.Ю. Долматов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Вопрос теплоизоляции жилых и промышленных зданий, трубопроводов и прочих строительных объектов в России сегодня стоит довольно остро. В нашей стране на отопление тратится в три раза больше энергии, чем, например, в скандинавских странах. Причиной тому является недостаточная тепловая изоляция агрегатов ТЭЦ, теплопроводов и самих отапливаемых объектов. Сегодня выбор теплоизоляционных материалов велик - пенополиуретан, пенопласт, монтажные быстротвердеющие пены, газобетон, минераловолокнистые плиты, стекловата, керамзит и т.п. Но все они по тем или иным параметрам уступают пеностеклу. Например, минераловатные волокна накапливают влагу и со временем слеживаются; газобетон адсорбирует влагу, обладает худшими, чем у пеностекла плотностными и тепловыми характеристиками.

В настоящее время развитой технологией промышленного производства пеностекла обладают США, Япония, Китай и Беларусь. Россия после распада СССР, утратила собственное промышленное производство пеностекла и до сих пор не имеет восстановленной или запущенной вновь промышленной линии. Изучая вопросы зарубежного применения пеностекла, следует отметить, что в Европейском Союзе оно является признанным и одним из самых эффективных теплозащитных строительных материалов.

Технология получения пеностекла достаточно полно изложена в литературе. Несмотря на это, в настоящее время надежных методов оценки и прогнозирования основных стадий производства пеностекла не предложено. Оптимальный температурный режим является одним из важнейших этапов в рациональной технологии производства пеностекла, так как в зависимости от выбранного режима можно получить пеностекло с широким диапазоном свойств.

Для научно-обоснованного объяснения свойств и структуры пеностекла на различных этапах его возникновения необходимо достаточно полно знать механизм формирования исходной системы, из которой в результате постепенного накопления газообразных продуктов при нагревании формируется пеностекло. При разработке теоретической кривой вспенивания необходимо учитывать взаимосвязь между физическим состоянием смеси на каждом технологическом этапе и динамикой изменения ее теплофизических свойств.

Исходя из этого, возникает научно-техническая задача выбора \ анализа температурных режимов на первой стадии производстве пеностекла - стадии нагрева шихты до температуры спекания, а также анализа влияния теплового состояния пенообразующей смеси не последующие стадии формирования пеностекла - спекание V вспенивание.

Цель работы - теоретическое обоснование технологических параметров цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания е процессе производства пеностекла с учетом основных значимых факторов (режим нагрева, теплофизические свойства шихты, геометрия объекта).

Основные задачи исследования:

1. Создание математической модели процесса нестационарного теплопереноса в системе «греющий газ - металлическая форма -пеностекольная шихта».

2. Математическое моделирование теплового состояния пеностекольной шихты на стадии нагрева до температуры спекания в двумерной постановке, учитывающей реальную геометрию объекта.

3. Экспериментальное определение температурных зависимостей теплофизических характеристик пеностекольной шихты.

4. Анализ влияния режимов нагрева на равномерность прогрева шихты в момент начала спекания.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1.Впервые решена нелинейная нестационарная задача теплопереноса в системе «греющий газ - металлическая форма -пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и зависимостей теплофизических свойств шихты от температуры. В результате решения поставленной задачи определены температурные поля в шихте на стадии нагрева до температуры спекания, значительно влияющие на качество получаемого пеностекла.

2. Экспериментально получены температурные зависимости температуропроводности и теплоемкости шихты, позволяющие выделить основные факторы, влияющие на равномерность прогрева слоя пенообразующей смеси до температуры спекания.

3.Сделана оценка конвективной и радиационной составляющих подвода тепла к шихте и проведено сравнение результатов с данными других авторов, что позволило определить влияние отдельных составляющих теплопереноса в системе «греющий газ - металлическая

форма - пеностекольная шихта» и уточнить существующую модель нагрева.

4.Даны рекомендации по выбору температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты к моменту начала спекания и последующего вспенивания пеномассы.

Практическая значимость. Проведенные численные исследования вносят вклад в развитие представлений о режимах нагрева шихты до температуры спекания в процессе производства пеностекла. В диссертации разработаны теоретические основы выбора эффективных режимов нагрева на основе численного анализа температурных полей в шихте. Полученные новые результаты по математическому моделированию температурных полей в шихте при нагреве до температуры спекания являются основой для создания моделей последующих стадий производства пеностекла - спекания и порообразования, а также могут быть использованы при разработке и усовершенствовании температурных кривых туннельных печей, в которых производится пеностекло.

Достоверность полученных результатов гарантируется использованием корректных математических моделей рассматриваемых процессов теплопереноса и методов их решения, а также подтверждается сравнением результатов с известными экспериментальными данными работ других авторов. Достоверность результатов экспериментов по определению температурных зависимостей теплофизических свойств шихты следует из проведенных поверок работы установок на эталонных образцах и подтверждения результатов другими экспериментальными методами.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель теплопереноса в системе «греющий газ -металлическая форма - пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты от температуры.

2. Экспериментальные данные по температуропроводности и теплоемкости шихты в зависимости от температуры.

3. Результаты численного исследования механизмов теплопереноса от газов печного пространства к металлической форме и пеностекольной шихте.

4. Результаты численного моделирования температурных полей в шихте к началу спекания и факторов, влияющих на подвод тепла к шихте.

Личный вклад автора состоит в планировании и проведении экспериментов по определению зависимостей температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты от температуры, постановке задач о теплопереносе при нагреве пеностекольной шихты в печи с учетом реальной геометрии объекта и при последующем вспенивании пенообразующей смеси, выборе методов и разработке алгоритмов их решения, определении численных значений основных характеристик процессов, проведении теоретических исследований влияния различных факторов на эффективность подвода тепла к шихте, обработке и анализе полученных результатов, формулировке основных выводов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007, 2008 г.); IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». (Анапа, 2007 г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2007 г.); VIII Всероссийском совещании «Энергоэффективность и использование возобновляемых источников энергии - основные резервы энергетической безопасности регионов России» (Томск, 2007 г.); XIV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.); VII Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в трудах вышеуказанных научных мероприятий, а также в журнале «Известия ТПУ». Всего по материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 83 наименования, содержит 21 рисунок, 29 таблиц, 1 приложение, 118 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные решаемые задачи, отражена практическая значимость и новизна полученных численных результатов, представлены защищаемые автором положения.

Обзор современного состояния производства пеностекла в России и за рубежом проведен в первой главе. При этом обозначены основные преимущества и недостатки пеностекла в сравнении с другими теплоизоляционными материалами, рассмотрены существующие способы производства, используемые сырьевые материалы и выделены основные факторы, сдерживающие развитие производства пеностекла в России.

Во второй главе приведены результаты экспериментов по определению зависимостей температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты от температуры, а также обоснована достоверность полученных результатов. Исследуемая шихта представляла собой стекольный порошок с удельной поверхностью Sya~6000 см2/г, что соответствует типичному технологическому процессу производства пеностекла.

Определение зависимости температуропроводности шихты от температуры проводилось по методу, предложенному O.A. Краевым. Суть метода заключается в том, что, осуществляя в опыте нагрев или охлаждение образца в необходимом интервале температур и измеряя при этом температуры в двух точках образца, удается найти температурную зависимость коэффициента температуропроводности, расчетная формула которого имеет вид:

R2 d

а =---

4Аt„ dт

f 1 Л с г>4 1 г>6

1 .

t0+-AtR

R4 d At„ 1 R d3AtR --2..--TT--- (!)

2304 aAtB dz2 18432 alAtB dx

где - температура в центре образца (г=0), °С; А/я - разность температур между точкой на радиусе R и центром. По результатам проведенных опытов максимальное расхождение между значениями температуропроводности, вычисленными по формуле (1) с учетом одного и двух членов ряда, составило 0,015-Ю"7 м2/с. Это подтверждает малость второго и последующих членов ряда по сравнению с первым и позволяет при обработке данных использовать без большой ошибки только первое слагаемое формулы (1).

Расчетная формула (1) получена для бесконечно длинного цилиндра. Для цилиндрического образца конечной длины вследствие торцевых эффектов возможна ошибка, которая составила величину:

Аа

1 ^

2 I1

А/,

— ~---г—=---г--0,54-100% = 0,04%,

240

(2;

где Я, Ь - радиус и высота цилиндра соответственно; Д^ - разноси температур между точками г=0 и г=1 на образующей цилиндра.

Исходя из полученного результата, сделан вывод о том, что в условиях проведенного эксперимента образец можно считать бесконечно длинным и определять зависимость температуропроводности от температуры по формуле (1) с использованием только первого слагаемого.

Рис. 1. Принципиальная схе установки для измерения коэффицие1 температуропроводности:

1-исследуемое вещество;

2-керамическая трубка; 3-нагреватель; термопара (г=0); 5-термопара (г=9)

Печью сопротивления образец нагревался до температуры -600 °С, т.к. при больших температурах происходит спекание шихты. Температура в центре образца /0 измерялась термопарой 4 (рис. 1), разность температур А1ц измерялась дифференциально включенными термопарами 4 и 5. Для нахождения зависимости температуропроводности от температуры была проведена серия из пяти опытов, в которых одновременно измерялись /0 и

Для проверки результатов эксперимента, был проведен опыт по определению температуропроводности шихты другим методом -методом регулярного режима I рода. На рис. 2 сопоставлены результаты определения зависимости температуропроводности от температуры двумя методами. Из сравнения этих результатов видно, что они достаточно хорошо согласуются между собой и в интервале температур 25.. .600 °С аппроксимируются выражением

а(0=(-ЗЛ0-10"7-г2+9,92-10^+2,305)-10"7. (3)

Измерение теплоемкости шихты проводились в интервале температур 50.. .400 С методом монотонного режима. После выполнения градуировки прибора с целью определения постоянных измерительных

ячеек проводилась поверка приборов на эталонных образцах (кварцевом стекле). Предел основной погрешности при измерении теплоемкости эталонных образцов не превышал 10 %. Для образцов шихты при измерении теплоемкости проводилась серия из десяти экспериментов в диапазоне температур 50...400 °С с шагом 25 °С. Результаты измерения теплоемкости шихты приведены на рис. 3. Аппроксимирующая кривая получена в виде:

ЦО—З-Ю^+0,5354-^+738,15. (4)

2,9 |1офирм>.|е(6)

Рис. 2. Экспериментальная зависимость температуропроводности шихты от температуры

1,'С

Рис. 3. Экспериментальная зависимость теплоемкости шихты от температуры

В третьей главе проведен численный анализ механизмов подвода тепла к форме и шихте на стадии нагрева до температуры спекания с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты. Показан принцип выбора оптимальных температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты и последующего вспенивания пенообразующей смеси.

Для оценки механизмов подвода тепла к форме от газов печного пространства рассмотрена двумерная задача нагрева шихты в металлической форме, схематическое изображение которой приведено на рис. 4. Нагрев осуществляется до температуры спекания шихты, которая принимается равной 600 °С.

Подвод тепла к форме в печи осуществляется дымовыми газами, которые омывают ее снаружи. Рассмотрены все возможные механизмы подвода тепла: за счет только конвекции, только радиации и их совместного действия. В стенках формы тепло передается теплопроводностью. К шихте тепло подводится следующим образом (рис. 4): снизу и по бокам - за счет контакта со стенками формы (участки 1-3); сверху - от дымовых газов (участок 6).

При постановке задачи приняты следующие допущения:

1. На границах между стенками формы и шихты выполняется условие идеального теплового контакта.

2. Плотность шихты не зависит от температуры и остается постоянной на всем рассматриваемом интервале температур. Данное допущение объясняется тем, что, согласно экспериментальным данным, до температур спекания объем шихты практически не изменяется и лишь при спекании он уменьшается на 6... 10 %.

Математическая постановка задачи включает уравнения теплопроводности для шихты и днища формы со следующими краевыми условиями: температура шихты и днища формы в начальный момент времени принималась равной 20 °С; на внешних границах системы задавались граничные условия третьего рода; на границах контакта между стенками днища формы и шихты - граничные условия четвертого рода. Решение задачи проведено численно, при этом величины уь х, имели следующие значения в мм: у\=12; >>2-47; уз=75; х;=20; *2=530; х3=550.

Таблица 1. Подведенное к шихте количество теплоты в зависимости от времени, температуры греющего газа и механизма подвода тепла_

Время нагрева, с ^=400 °С /¿,=800 °С

кДж/кг кДж/кг Ок+р Удг ' кДж/кг кДж/кг я. кДж/кг Идг ' кДж/кг

100 8 10 16 16 62 68

600 43 57 81 89 262 280

1800 101 131 172 211 493 524

3600 155 194 241 327 629 644

7200 224 266 297 473 670 671

Для оценки вклада радиационной и конвективной составляющих в общем подводе тепла проведен анализ решения поставленной задачи

нагрева шихты в интервале температур печных газов 400...800 °С, для чего определено количество подведенного к шихте тепла, соответствующего различным моментам времени (табл. 1). Индексы К, Р и К+Р обозначают конвективный, радиационный и конвективно-радиационный подводы тепла к шихте соответственно.

Из табл. 1 видно, что конвективная и радиационная составляющие соизмеримы по величине в исследуемом интервале температур. Поэтому при расчетах процессов нагрева стекольной шихты необходимо учитывать как конвективную, так и радиационную составляющие подвода тепла.

Реальная геометрия рассматриваемого объекта по сравнению с представленной на рис. 4, более сложная. Металлическая крышка формы и газовый объем над шихтой создают дополнительные термические сопротивлениями при передаче тепла от газов печного пространства к шихте. Поэтому для оценки влияния крышки формы на подвод тепла к шихте рассмотрена задача нагрева шихты, схематическое изображение которой приведено на рис. 5.

Подвод тепла к форме в печи осуществляется дымовыми газами, которые омывают ее снаружи, при этом учитываются как конвективная, так и радиационная составляющие подвода тепла. В стенках формы тепло передается за счет теплопроводности. Снизу и по бокам к шихте тепло подводится за счет контакта со стенками формы (участки 1-3). у, им*

У* У*

У}

о

к

А\\\\ \\\\\\б\\\\\\\\\\

газ крышка формы

/V

шихта р . '.•'.',• ' • \ дишце формы

V//» ///»////2////// '/////! ->

Л'2 X} х, мм

Рис. 5. Схема поперечного сечения металлической формы с шихтой

Механизм подвода тепла к верхней поверхности шихты не изучен, поэтому проведен анализ всех возможных процессов - теплопереноса теплопроводностью газа, конвекцией и тепловым излучением от

внутренних поверхностей формы, не испытывающих прямого контакта с шихтой (участки 4-8).

Математическая постановка задачи включает уравнения теплопроводности для шихты, крышки и днища формы, а также для газа, заключенного в полости между шихтой и формой в случае теплопереноса теплопроводностью этого газа с соответствующими краевыми условиями: температура всех элементов системы в начальный момент времени принималась равной 20 °С; на внешних границах днища и крышки формы задавались граничные условия третьего рода; на границах контакта между стенками днища формы и шихты - граничные условия четвертого рода; на внутренних границах крышки и днища формы, не испытывающих непосредственного контакта с шихтой, и верхней поверхности шихты - граничные условия третьего рода в случае теплопереноса конвекцией и излучением или граничные условия четвертого рода в случае теплопереноса теплопроводностью газа. Решение задачи проведено численно, при этом величины у\, X; имели следующие значения в мм: ^4=148; ^5=150.

Таблица 2. Подведенное к шихте количество теплоты в

зависимости от времени, температуры греющего газа и механизма подвода тепла___ _ _ _

Время нагрева, с /¿,.=400 °С /(),=800 °С

О.0, кДж/кг <2т, кДж/кг <2г, кДж/кг Ок, кДж/кг Ов, кДж/кг 0.Т, кДж/кг кДж/кг 0.К, кДж/кг

100 0,3 0,3 0,3 0,3 3,6 3,6 3,9 3,6

600 12 12 15 12 52 53 72 54

1800 54 55 74 56 230 239 357 239

3600 124 128 163 128 463 478 584 478

7200 228 233 259 233 636 644 667 644

Для оценки механизмов теплопереноса к верхней поверхности шихты проведен анализ решения поставленной задачи нагрева в интервале температур печных газов 400...800 °С, для чего определено количество подведенного к шихте тепла, соответствующего различным моментам времени (табл. 2). Полученные результаты сопоставлены с подведенным теплом, полученным при условии тепловой изоляции верхней поверхности шихты, т.е. когда тепло подводится только снизу и по бокам. Индексы 0, Т, Р и К обозначают подведенное к шихте тепло

при условии тепловой изоляции ее верхней поверхности, за счет теплопроводности газа, излучения от внутренних поверхностей формы и конвекции газа, соответственно.

По данным в табл. 2, сделан вывод о том, что подвод тепла к верхней поверхности шихты за счет теплопроводности и конвекции газа намного меньше подвода тепла за счет излучения от внутренней поверхности формы. Исходя из этого, при расчетах процессов нагрева стекольной шихты в форме без большой потери точности можно не учитывать конвективную и кондуктивную составляющие подвода тепла к шихте, а в качестве основного механизма теплопередачи от формы к шихте принять лучистый теплообмен.

Результаты, представленные в табл. 1 и 2 позволили сделать оценку дополнительного термического сопротивления, создаваемого крышкой формы. Из сопоставления Q¿г+P (табл. 1) и ()Р (табл. 2) видно, что крышка формы обладает достаточно большим термическим сопротивлением и при моделировании процесса нагрева шихты должна быть учтена.

По разработанной математической модели (рис. 5) с учетом конвективно-радиационного подвода тепла от дымовых газов к металлической форме и радиационного подвода тепла от внутренних поверхностей формы к верхней поверхности шихты проведен расчет температурных полей в шихте на стадии нагрева до температуры спекания по типовым режимам нагрева, используемым при производстве пеностекла, в которых температура греющих газов на стадии нагрева линейно изменяется от 400 до 800 °С за время 1...2 часа (обозначим их как режимы №1 и №2 ). Получено, что температура спекания достигается на поверхности слоя шихты, при этом температура центра слоя отстает от температуры поверхности на А?=65,45... 130,40 °С, соответственно.

Для оценки эффективности нагрева смеси до температуры спекания проведен анализ температурных полей в смеси на стадии порообразования с точки зрения равномерности вспенивания. Для этого, рассмотрен слой пенообразующей смеси толщиной ¿/2=17,5 мм (рис. 6 а), верхняя граница которого нагрета до температуры начала спекания 600 °С (температурное поле получено по типовым режимам нагрева). В процессе нагрева пенообразующая смесь проходит такие стадии как спекание (рис. 6. б), которое начинается при температуре смеси равной 600 °С и заканчивается при достижении температуры 670 °С, и порообразование (рис. 6 в), которое, в свою очередь, начинается по окончании спекания при 670 °С и продолжается до температуры спека

770 °С. Следует отметить, что спекание протекает с уменьшением объема за счет увеличения плотности, а вспенивание, наоборот, с увеличением объема за счет выделения газа в спеке и, как результат, снижения плотности. В конце процесса должен получиться равномерно вспененный слой пеностекла (рис. 6 г).

х. мм

¿-17,5

а)

X, мм, ,

Л) Л'! XI

О

"о"«' пеностеклЗ с

щч.\пш.

.v, мм i

X: .VI

0

л'. мм 1

0

б)

о о о о

в) г)

Рис. 6. Принципиальная схема структурных преобразований при производстве пеностекла: а) исходное состояние (шихта); б) спекание; в) порообразование; г) готовое пеностекло

Математическая постановка задачи включает уравнения теплопроводности для шихты, спека и пеностекла со следующими краевыми условиями: температурное поле в шихте в начальный момент времени задавалось по результатам расчета задачи нагрева шихты до температуры спекания (рис. 5); на внешней границе шихты задавались граничные условия третьего рода; на границах контакта между слоями шихты, спека и пеностекла - граничные условия четвертого рода, при этом хь х% и Хз - подвижные границы, скорости которых определялись выражениями:

0 < х < х,, х1=Ы2-\1-т, х2 = т > Т[, х, = Ь - V, • х; х2 =

_ \

|_Рщ

СП у

+ (5)

Р СП

/ — Л

1-Ь

Р СП

(6)

х3 =х2 +у2 -(х-х^ — , Рп

где р - средняя плотность, кг/м3; Х1 - время начала процесса вспенивания (достижение температуры 670 °С на поверхности спека).

Данные эксперимента по спеканию пеностекольных шихт показывают, что время спекания составляет тсп =5 мин. Исходя из этого, средняя скорость движения фронта спекания составит

V. = — = — = 0,0583 мм/с=5,83 ■ 10"5 м/с. (7) тс„ 300

Аналогично определена средняя скорость движения границы процесса вспенивания (тВС11ен =60 мин)

= -^- = 0,0039 мм/с=3,90-10~б м/с. (8) 3600

Результаты решения задачи вспенивания для типовых режимов нагрева приведены в табл. 3.

Таблица 3. Температурные поля в пенообразующей смеси в момент времени тк=65 мин. при нагреве до температуры спекания по существующим режимам _____

Координата 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,063

Режим №1 642 643 649 662 682 709 786

Режим №2 672 672 677 688 705 728 789

Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что в центральных слоях пенообразующей смеси по истечении 65 минут процесс вспенивания или только начинается, если нагрев ведется по режиму №2, либо не начинается вообще, если нагрев производится по режиму №1. Это объясняется тем, что температура в центре засыпки ниже температуры порообразования или незначительно превосходит ее. Поэтому поризация ядра смеси происходит на следующем этапе производства пеностекла - отжиге, что негативно сказывается на качестве получаемого пеностекла. Также сделан вывод, что более равномерный прогрев шихты на стадии ее нагрева до температуры спекания позволит получить более равномерное температурное поле в пенообразующей смеси и на этапе вспенивания. Исходя из анализа результатов, изложенных выше, сделано предположение, что выдержка шихты при постоянной температуре дымовых газов на уровне близком к температуре спекания не приведет к превышению температурой поверхности шихты температуры спекания и в то же время позволит получить более равномерный прогрев в целом.

Для оценки этого предположения проведен численный анализ режимов нагрева с линейным увеличением температуры на начальном этапе нагрева с последующей выдержкой при постоянной температуре

дымовых газов до момента начала спекания. При этом скорость увеличения температуры греющих газов на начальном участке принята равной 3,33 и 6,67 °С/мин., что соответствует типовым температурным режимам №1 и 2 (рис. 7).

Рис. 7. Режим нагрева линейным увеличение!

температуры на начально] этапе и последующе выдержкой при постоянно температуре дымовых газо до момента начала спекания

Таблица 4. Результаты численного решения задачи нагрева шихты до температуры спекания по режимам с выдержкой при постоянной температуре дымовых газов в интервале /¿,=620...700 °С (рис. 7)_

Режим нагрева тгя,„ мин т,нД, мин /т,-„, °С Д/, °С 1 . °С

Скорость нагрева на начальном участке 3,33 °С/мин

/.,=620°С 139 72 588 12 592

/„,=640°С 118 46 577 23 584

¿>,=660 °С 108 30 566 34 577

/„,=680 °С 103 18 557 43 571

/,„=700 °С 100 10 553 47 567

Скорость нагрева на начальном участке 6,67 °С/мин

/а,=620 °С 124 91 588 12 592

/„,=640 °С 102 66 575 25 584

/„,=660 °С 90 51 563 37 575

/„,=680 °С 83 41 551 49 568

/„,=700 °С 76 31 538 62 559

Результаты численного решения поставленной задачи представлены в табл. 4, где гспек, теыб - время достижения температуры спекания и время выдержки шихты при постоянной температуре дымовых газов, соответственно, мин; /„,„, Т - минимальная и средняя температуры шихты, °С; Д/=/сяеж- /„„„.

Оценка эффективности нагрева шихты до температуры спекания по предлагаемым режимам (рис. 7) проведена аналогично тому, как это было сделано для типовых режимов (табл. 5).

Таблица 5. Температурные поля в пенообразующей смеси в момент времени тк=65 мин при нагреве до температуры спекания по режимам с выдержкой при постоянной температуре дымовых газов в интервале ^=620...700 °С_

Координата 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,063

Скорость нагрева на начальном участке 3,33 °С/мин

/л .=620 °С 700 700 704 713 727 745 793

/л,=640 °С 695 696 700 709 724 742 792

/„,=660 °С 691 691 696 706 720 740 792

/д.=680 °с 686 687 691 701 717 737 791

/„,=700 °С 683 683 688 698 714 734 791

Скорость нагрева на начальном участке 6,67 °С/мин

/„,=620 °С 700 700 704 713 727 745 793

Г„.=640 °с 694 695 699 709 723 742 79

/„,=660 °С 689 690 694 704 719 739 791

/,„=680 °С 683 684 688 698 714 735 791

/„,=700 °С 677 677 682 693 709 731 790

Полученные результаты свидетельствуют о том, что режимы нагрева шихты с линейным увеличением температуры дымовых газов на начальном этапе и последующей выдержкой при их постоянной температуре, близкой к температуре спекания, позволяют значительно улучшить качество прогрева, и, соответственно, качество получаемого пеностекла.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты и выводы по диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Экспериментально исследованы температурные зависимости температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты в интервале 25...600 °С и предложены функции, их аппроксимирующие:

а(0=(-3,10-10"7-/2+9,92-10ч/+2,305)-10-7;

С( 0= -ЗТ0"4-г2+0,5354-Н-738,15.

Полученные результаты экспериментов подтверждены поверкой работы установки на эталонных образцах и использованием других экспериментальных методов.

2. Разработаны математические модели процессов нестационарного теплопереноса в системах «греющий газ - металлическая форма -пеностекольная шихта» при нагреве шихты до температуры спекания и «шихта - спек - пеностекло» на стадии образования пеностекла,

обеспечивающие теоретическое обоснование выбора эффективных температурных режимов печей, используемых при производстве пеностекла.

3. Обосновано, что при моделировании процессов теплоотдачи от греющих газов печного пространства к поверхности формы в системе «греющий газ - металлическая форма - пеностекольная шихта» необходимо учитывать как конвективную, так и радиационную составляющие подвода тепла, так как их вклад сравним по величине.

4. Установлено, что основным механизмом теплопереноса в газовой полости между шихтой и формой в системе «греющий газ -металлическая форма - пеностекольная шихта» является излучение от внутренней поверхности формы, по сравнению с которым конвективная и кондуктивная составляющие в газе малы.

5. Численным моделированием температурных полей в трехфазной системе «шихта - спек - пеностекло» в процессе образования пеностекла обосновано, что типовые температурные режимы нагрева шихты не являются эффективными с точки зрения равномерности прогрева к моменту начала спекания, так как из-за большой разницы температур между поверхностью и центром, получаемой при этих режимах, начало поризации в ядре пенообразующей смеси значительно отстает по времени от начала вспенивания поверхностных слоев спека.

6. Разработаны рекомендации по изменению параметров технологического режима цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания, основанные на равномерности протекания процесса порообразования в слое пенообразующей смеси на стадии вспенивания при производстве пеностекла, которые могут существенно повысить качество выпускаемой продукции.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Городов Р.В., Кузьмин A.B. Оценка конвективной составляющей при нагреве шихты в печи в процессе производства пеностекла // Известия ТПУ. -2008. -Т313. -№4. - С. 18-22.

2. Городов Р.В. Экспериментальное определение зависимости температуропроводности пеностекольной шихты от температуры // Известия ТПУ. - 2009. - ТЗ14. - №4. - С. 24-30.

3. Городов Р.В., Кузьмин A.B. О некоторых проблемах производства пеностекла // Энергетика: экология, надежность, безопасность:

Материалы докладов XIII Всероссийской научно-тех. конф. - г. Томск, 2007.-С. 104-107.

4. Городов Р.В. Современное состояние производства пеностекла в России // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Материалы докладов IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. - г. Анапа, 2007. - С. 46-48.

5. Городов Р.В. О необходимости разработки математической модели производства пеностекла // Наука, технологии, инновации: Материалы Всерос. научной конф. молодых ученых в 7 частях. - г. Новосибирск,

2007. Часть 1 , с. 76-80.

6. Городов Р.В., Кузьмин A.B. Современное состояние и пути увеличения производства пеностекла // Энергоэффективность и использование возобновляемых источников энергии - основные резервы энергетической безовасности регионов России: Материалы VIII Всерос. совещания. - г. Томск, 2007 .-с.96-100

7. Городов Р.В., Кузьмин A.B. О необходимости разработки математической модели изготовления пеностекла // Современные техника и технологии: Труды XIV Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. - г. Томск, 2008. - Т. 3. - С. 353-356.

8. Городов Р.В., Кузьмин A.B. Математическая модель процесса нагрева шихты при производстве пеностекла // Современные техника и технологии: Труды XIV Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. - г. Томск, 2008. - 2008.-Т.З. - С. 356-359.

9. Городов Р.В., Раков Ю.Я., Шаганов С.А. Экспериментальное определение теплоемкости пеностекольной шихты в зависимости от температуры // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы докладов XIV Всероссийской научно-тех. конф. - г. Томск,

2008.-С. 128-131.

10. Городов Р.В., Кузьмин A.B. Математические модели нагрева шихты в процессе производства пеностекла // Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование: Материалы докладов VII Международной научно-практ. конф. - г. Санкт-Петербург, 2009. - С.

321-322.

11. Городов Р.В., Кузьмин A.B. Анализ существующих режимов нагрева шихты в процессе производства пеностекла // Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование: Материалы докладов VII Международной научно-практ. конф. - г. Санкт-Петербург, 2009. - С.

322-323.

Подписано к печати 14.05.09. Формат 60x84/16. Бумага «Балет».

Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,05. Уч.-изд. л. 0,96. _Заказ 506-09. Тираж 100 экз._

ISO 9001

i.iiiiTiiMi

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000

ИЗДАТЕЛЬСТВО W ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕНОСТЕКЛА.

1.1. История создания и современное состояние производства пеностекла в России.

1.2. Свойства пеностекла.

1.2.1. Пористость.

1.2.2. Объемная масса.

1.2.3. Прочность.

1.2.4. Водопоглощение.

1.2.5. Морозостойкость.

1.2.6. Теплопроводность.

1.2.7. Стойкость к действию высоких температур.

1.2.8. Звукопоглощающие свойства.

1.2.9. Декоративные свойства.

1.2.10. Обрабатываемость пеностекла.

1.3. Способы получения пеностекла и основные факторы, влияющие на его конечные свойства.

1.4. Сырьевые материалы, применяемые для производства пеностекла.

1.4.1. Стекольная шихта.

1.4.2. Газообразователи.

1.5. Основные процессы, происходящие при образовании пеностекла.

1.6. Факторы, сдерживающие развитие производства пеностекла в России.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНОСТЕКОЛЬНОЙ ШИХТЫ.

2.1. Определение фракционного состава пеностекольной шихты.

2.2. Определение зависимости температуропроводности шихты от температуры за один опыт.

2.2.1. Теоретические основы метода.

2.2.2. Описание экспериментальной установки.

2.2.3. Порядок проведения эксперимента.

2.2.4. Обработка результатов эксперимента.

2.3. Определение зависимости температуропроводности шихты от температуры методом регулярного режима первого рода.

2.3.1. Теоретические основы метода.

2.3.2. Описание экспериментальной установки.

2.3.3. Порядок проведения эксперимента.

2.3.4. Обработка результатов.

2.4. Определение зависимости теплоемкости шихты от температуры.

2.4.1. Теоретические основы метода.

2.4.2. Порядок проведения эксперимента.

2.4.3. Обработка результатов.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА НАГРЕВ ШИХТЫ В ПЕЧИ.

3.1. Существующая математическая модель нагрева стекольной шихты.

3.2. Математическая модель нагрева стекольной шихты с учетом радиационной составляющей подвода тепла.

3.2.1. Общая физическая постановка задачи.

3.2.2. Математическая модель нагрева шихты с учетом конвективной и радиационной составляющих подвода тепла.

3.2.3. Расчет горения природного газа.

3.2.3. Определение приведенной степени черноты.

3.2.4. Определение скорости движения дымовых газов и коэффициента теплоотдачи от газов к шихте и поверхности формы в зоне нагрева печи.

3.2.5. Теплофизические характеристики элементов системы.

3.2.6. Численный анализ конвективной и радиационной составляющих подвода тепла к шихте.

3.3. Математическая модель нагрева шихты с учетом реальной геометрии системы.

3.3.1. Общая физическая постановка задачи.

3.3.2. Математическая модель нагрева шихты с учетом подвода тепла к верхней поверхности шихты за счет теплопроводности газа.

3.3.3. Математическая модель нагрева шихты с учетом подвода тепла к верхней поверхности шихты за счет конвекции газа.

3.3.4. Математическая модель нагрева шихты с учетом подвода тепла к верхней поверхности шихты за счет излучения от внутренних поверхностей формы, не испытывающих прямого контакта с шихтой.

3.3.5. Численный анализ механизмов теплопереноса к верхней поверхности шихты.

3.4. Анализ влияния крышки формы на подвод тепла к шихте.

3.5. Численный анализ температурных полей в шихте на стадии нагрева до температуры спекания по типовым режимам [13, 15-24].

3.6. Оценка эффективности нагрева шихты по регламенту [13, 15-24].

3.6.1. Общая физическая постановка задачи.

3.6.2. Математическая модель процессов теплопереноса при образовании пеностекла.

3.6.3. Теплофизические характеристики элементов системы.

3.6.4. Скорости движения границ процессов спекания и вспенивания.

3.6.5. Численный анализ температурных полей в пенообразующей смеси

3.7. Режимы нагрева с выдержкой при постоянной температуре дымовых газов.

3.8. Выводы.

Вопрос теплоизоляции жилых и промышленных зданий, трубопроводов и прочих строительных объектов в России сегодня стоит довольно остро. В нашей стране на отопление тратится в три раза больше энергии, чем, например, в скандинавских странах [1]. Причиной тому является недостаточная тепловая изоляция агрегатов ТЭЦ, теплопроводов и самих отапливаемых объектов. Сегодня выбор теплоизоляционных материалов велик - пенополиуретан, пенопласт, монтажные быстротвердеющие пены, газобетон, минераловолокнистые плиты, стекловата, керамзит и т.п. Но все они по тем или иным параметрам уступают пеностеклу [2, 3]. Например, минераловатные волокна накапливают влагу и со временем слеживаются [4]; газобетон адсорбирует влагу, обладает худшими, чем у пеностекла плотностными и тепловыми характеристиками [5].

Пеностекло, или вспененное стекло, по комплексу свойств - не имеющий аналогов универсальный строительный материал. Он обладает присущими только ему уникальными тепло физическими и эксплуатационными свойствами [6]. Пеностекло химически инертно, обладает высокой коррозионной устойчивостью и влагонепроницаемостью, является негорючим и нетоксичным материалом, не изменяет свои геометрические размеры в процессе эксплуатации, легко подвергается механической обработке и склеиванию [7].

В настоящее время развитой технологией промышленного производства пеностекла обладают США (в том числе на европейских заводах в Бельгии, Чехии и Германии), а также Япония, Китай и Беларусь [8-10]. Россия после распада СССР, утратила собственное промышленное производство пеностекла и до сих пор не имеет восстановленной или запущенной вновь промышленной линии [11]. Изучая вопросы зарубежного применения пеностекла, следует отметить, что в Европейском Союзе оно является признанным и одним из самых эффективных теплозащитных строительных материалов. Параметры пеностекла оговорены в общеевропейском специальном нормативнотехническом документе EN 13167 Thermal insulation for buildings Factory made cellular glass (CG) products. Здесь стоит отметить, что в ЕС существует всего десять подобных документов, касающихся свойств и применения в строительстве различных типов эффективных теплоизоляционных материалов. Причина этого в том, что по всем остальным теплоизоляционным материалам, не имеющим общеевропейских нормативно-технических документов, существуют те или иные ограничения в различных странах Евросоюза [12].

Факторами, сдерживающими производство и внедрение пеностекла в России являются: высокая стоимость; отсутствие надежной технологии, обеспечивающей получение пеностекла с заданными и стабильными свойствами [13]; отсутствие математического описания различных стадий производства; большие удельные затраты труда, электроэнергии и топлива, чем при производстве других теплоизоляционных материалов [14]; небольшие мощности его производства, из-за чего большая часть произведенного пеностекла используется почти исключительно для специальных целей, когда другие виды изоляции оказываются непригодными вследствие высокой температуры, высокой относительной влажности или же воздействия больших постоянных нагрузок [15].

Технология получения пеностекла достаточно полно изложена в литературе [13, 16-24]. Несмотря на это, в настоящее время надежных методов оценки и прогнозирования основных стадий производства пеностекла не предложено [25].

Согласно [13] факторы, от которых зависят конечные свойства пеностекла, обобщенно можно представить четырьмя основными группами:

1) определяемые составом и свойствами исходных компонентов;

2) относящиеся к условиям синтеза пенообразующих систем;

3) определяемые явлениями теплообмена в среде переменного состава и течения силикатного расплава;

4) зависящие от условий стабилизации ячеистой структуры и отжига пеностекла.

Наиболее изучены факторы 1-й и 4-й групп, которые затрагиваются в большинстве работ по технологии пеностекла [13, 16-24]. Работы, посвященные синтезу пенообразующих смесей, явлениям теплообмена и течения силикатного расплава, в литературе практически отсутствуют [19].

Оптимальный температурный режим является одним из важнейших этапов в рациональной технологии производства пеностекла, так как в зависимости от выбранного режима можно получить пеностекло с широким диапазоном свойств.

Для научно-обоснованного объяснения свойств и структуры пеностекла на различных этапах его возникновения необходимо достаточно полно знать механизм формирования исходной системы, из которой в результате постепенного накопления газообразных продуктов при нагревании формируется пеностекло. При разработке теоретической кривой вспенивания необходимо учитывать взаимосвязь между физическим состоянием смеси на каждом технологическом этапе и динамикой изменения ее теплофизических свойств [19].

Исходя из этого, возникает научно-техническая задача выбора и анализа температурных режимов на первой стадии производства пеностекла - стадии нагрева шихты до температуры спекания, а также анализа влияния теплового состояния пенообразующей смеси на последующие стадии формирования пеностекла - спекание и вспенивание.

Цель работы - теоретическое обоснование технологических параметров цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания в процессе производства пеностекла с учетом основных значимых факторов (режим нагрева, теплофизические свойства шихты, геометрия объекта).

Основные задачи исследования:

1. Создание математической модели процесса нестационарного теплопереноса в системе «греющий газ - металлическая форма — пеностекольная шихта».

2. Математическое моделирование теплового состояния пеностекольной шихты на стадии нагрева до температуры спекания в двумерной постановке, учитывающей реальную геометрию объекта.

3. Экспериментальное определение температурных зависимостей теплофизических характеристик пеностекольной шихты.

4. Анализ влияния режимов нагрева на равномерность прогрева шихты в момент начала спекания.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые решена нелинейная нестационарная задача теплопереноса в системе «греющий газ - металлическая форма - пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты.

2. Экспериментально получены зависимости температуропроводности и теплоемкости шихты от температуры.

3. Сделана оценка конвективной и радиационной составляющих подвода тепла к шихте в процессе нагрева и проведено сравнение результатов с данными других авторов.

4. Даны рекомендации по выбору температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты к моменту начала спекания.

Практическая значимость. Проведенные численные исследования вносят вклад в развитие представлений о режимах нагрева шихты до температуры спекания в процессе производства пеностекла. В диссертации разработаны теоретические основы выбора оптимальных режимов нагрева на основе численного анализа температурных полей в шихте.

Полученные новые результаты по математическому моделированию температурных полей в шихте при нагреве до температуры спекания являются основой для создания моделей последующих стадий производства пеностекла -спекания и порообразования, а также могут быть использованы при разработке и усовершенствовании температурных кривых туннельных печей, в которых производится пеностекло.

Достоверность полученных результатов. Достоверность и обоснованность полученных результатов гарантируется использованием корректных математических моделей рассматриваемых процессов теплопереноса и методов их решения, а также подтверждается сравнением результатов с известными экспериментальными данными работ других авторов. Достоверность результатов экспериментов по определению температурных зависимостей тепло физических свойств шихты следует из проведенных поверок работы установок на эталонных образцах и подтверждения результатов другими экспериментальными методами.

На защиту выносятся;

1. Математическая модель теплопереноса в системе «греющий газ -металлическая форма - пеностекольная шихта» с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты от температуры.

2. Экспериментальные данные по температуропроводности и теплоемкости шихты в зависимости от температуры.

3. Результаты численного исследования механизмов теплопереноса от газов печного пространства к металлической форме и пеностекольной шихте;

4. Результаты численного моделирования температурных полей в шихте к началу спекания и факторов, влияющих на подвод тепла к шихте.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007 г.); IV Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». (Анапа, 2007 г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (Новосибирск, 2007 г.); VIII Всероссийском совещании «Энергоэффективность и использование возобновляемых источников энергии -основные резервы энергетической безопасности регионов России» (Томск, 2007 г.); XIV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 г.); XIV Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2008 г.); Седьмой международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в трудах вышеуказанных научных мероприятий, а также в журнале «Известия ТПУ». Всего по материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Содержание работы:

Актуальность темы диссертационной работы, цели и задачи, научная новизна и практическая значимость представлены во введении.

Обзор современного состояния производства пеностекла в России и за рубежом проведен в первой главе. При этом обозначены основные преимущества и недостатки пеностекла в сравнении с другими теплоизоляционными материалами, рассмотрены существующие способы производства, используемые сырьевые материалы и выделены основные факторы, сдерживающие развитие производства пеностекла в России.

В второй главе приведены результаты экспериментов по определению фракционного состава, зависимостей температуропроводности и теплоемкости шихты от температуры, а также обоснована достоверность полученных результатов.

В третьей главе проведен численный анализ составляющих подвода тепла к форме и шихте на стадии нагрева до температуры спекания с учетом реальной геометрии объекта и температурных зависимостей теплофизических свойств шихты. Показан принцип выбора оптимальных температурных режимов нагрева с точки зрения равномерности прогрева шихты и последующего вспенивания пеномассы.

В заключении подведены итоги проведенных исследований и сформулированы выводы по работе.

Основные результаты и выводы по диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Получены экспериментальные данные по зависимостям температуропроводности и теплоемкости пеностекольной шихты от температуры и предложены функции, их аппроксимирующие: а(0=(г3> 10-1 (г7-г2+9,92-10~4-г+2,305)-10-7; с(0= -3 • 104-г+0,53 54-/+738,15.

2. Разработаны математические модели процессов нестационарного теплопереноса в системе «греющий газ - металлическая форма -пеностекольная шихта» при нагреве шихты до температуры спекания и в системе «шихта - спек - пеностекло» на стадии образования пеностекла.

3. Проведен численный анализ процессов теплопереноса:

• в системе «греющий газ - пеностекольная шихта» за счет отдельно конвекции и излучения дымовых газов, а также их совместного действия;

• в газовой полости между шихтой и формой за счет теплопроводности и конвекции газа, находящегося в этой полости, а также за счет теплового излучения от внутренних поверхностей формы;

• в трехфазной системе «шихта - спек — пеностекло» при образования пеностекла.

4. Установлены основные закономерности теплопереноса в условиях нагрева шихты до температуры спекания с учетом реальной геометрии системы в двумерной постановке и поризации пенообразующей смеси при дальнейшем нагреве.

5. Обосновано, что при моделировании процессов теплоотдачи от греющих газов печного пространства к поверхности формы необходимо учитывать как конвективную, так и радиационную составляющие подвода тепла, так как их вклад сравним по величине.

6. Установлено, что основным механизмом теплопереноса в газовой полости между шихтой и формой является излучение от поверхности формы, по сравнению с которым конвективная и кондуктивная составляющие в газе малы.

7. Показано, что типовые температурные режимы нагрева шихты не являются оптимальными с точки зрения равномерности прогрева к моменту начала спекания, так как из-за большой разницы температур между поверхностью и центром, получаемой при этих режимах, начало поризации в ядре пенообразующей смеси значительно отстает по времени от начала вспенивания поверхностных слоев спека.

8. Разработаны рекомендации по изменению параметров технологического режима цикла тепловой обработки шихты до температуры спекания, которые могут существенно повысить качество выпускаемой продукции.

9. Показано, что использование температурных режимов с линейным увеличением температуры дымовых газов на начальном участке нагрева до значений близких к температуре спекания и последующей выдержке при этих температурах позволяет получить более равномерный прогрев шихты по сравнению с существующими режимами на стадии нагрева до температуры спекания, что, в свою очередь, приведет к значительно более равномерному структурообразованию в процессе вспенивания.

10. Разработанная математическая модель позволяет провести анализ температурных полей в шихте на стадии нагрева до температуры спекания при различных температурных режимах, что необходимо для моделирования последующих стадий производства пеностекла - спекания, вспенивания и отжига - и выбрать направления их оптимизации, с точки зрения теплофизики процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Орлов Д. Л. Пеностекло теплоизоляционный материал XXI века // Стекло мира. - 2003. - №2. - с. 69-70

2. Сосунов Е.Е. Комплексный подход в оценке эффективности теплоизоляционных материалов Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.gomelglass.com/upload/pskompodhod.pdf, свободный

3. Сосунов Е.Е. Надежность систем наружного утепления Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.gomelglass.com/upload/pspreiml.pdf, свободный

4. Кетов A.A. О причинах отсутствия конкурентов у пеностекла на рынке теплоизоляции // Стройкомплекс Плюс — приложение к журналу Стройкомплекс Среднего Урала №1.- 2006. - С. 4-11.

5. Сосунов Е.Е. Пеностекло уникальный эффективный теплоизоляционный материал Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.penosteklo.com.ua/statl 0.htm, свободный

6. Сосунов Е.Е. Легко ли быть лучшим Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.penosteklo.com.ua/stat6.htm, свободный

7. Кетов A.A. Теплоизоляция из пеностекла воспоминания о будущем с думой о настоящем // Стройкомплекс Плюс - приложение к журналу Стройкомплекс Среднего Урала - №3.- 2006.- С. 14-21.

8. Кетов A.A. Пеностекло незаслуженно забытый материал будущего // Пермские строительные ведомости.- 1999.'- № 12.- С. 22-24.

9. Сосунов Е.Е. Динамика развития производства и темпы реализации белорусского пеностекла Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.gomelglass.com/upload/psdinamika.pdf, свободный

10. Сосунов Е.Е. Пеностекло. На пути из прошлого в будущее // Архитектура и строительство. -2004. №5.-с. 110-111.

11. Сосунов Е.Е. Зарубежный опыт применения пеностекла Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.gomelglass.com/upload/pszarubopit.pdf, свободный

12. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975. - 247 с.

13. Кетов A.A. Пеностекло: время переходить от слов к делу Электронный ресурс. / A.A. Кетов. Режим доступа: www.penosteklo.com.ua/stat12.htm, свободный

14. Булавин И. А., Макаров И.А., Рапопорт А .Я., Хохлов В.К. Тепловые процессы в технологии силикатных материалов. М.: Стройиздат, 1982. - 249 с.

15. Китайгородский И. И., Кешишян Т. Н. Пеностекло М.: Промстройиздат, 1953.-78 с.

16. Китайцев В. А. Технология теплоизоляционных материалов. 3-е, перераб. и доп. изд. - М.: Стройиздат, 1970. - 384 с.

17. Горяйнов К. Э., Дубенецкий К. Н., Васильков С. Г., Попов JI. Н. Технология минеральных теплоизоляционных материалов и легких бетонов- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1976. - 536 с.

18. Демидович Б. К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1972. - 304 с.

19. Горяйнов К. Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. М.: Стройиздат, 1982. - 376 с.

20. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. М.: Высш. шк., 1989. - 384 с.

21. Горлов Ю.П.-, Меркин А.П., Устенко A.A. Технология теплоизоляционных материалов. М.: Стройиздат, 1980. - 399 с.

22. Китайгородский И.И. Пеностекло // Стекло и керамика. 1959. - №12. с. 20-21.

23. Шилл Ф. Пеностекло (производство и применение). Перев. с чеш. М. : Стройиздат, 1965. — 307 с.

24. Лотов В.А., Кривенкова Е.В. Кинетика процесса вспенивания пеностекла // Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий: Материалы II Всероссийской научной конф. Томск, 2002. - С. 99-101.

25. Кетов A.A., Пузанов И.С., Саулин Д.В. Тенденции развития технологии пеностекла // Строительные материалы.- №9.- 2007.- С.28-31.

26. Сосунов Е.Е. Чтобы исключить неожиданности Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.gomelglass.com/upload/psneozidannosti.pdf, свободный

27. Четвериков H.A. Разработка рациональных способов получения пеностекла из стекольных суспензий Электронный ресурс. / H.A. Четвериков. Режим доступа: www.conf.bstu.ru/conf/docs/0037/0986.doc, свободный

28. Спиридонов Ю.А., Орлова Л.А. Проблемы получения пеностекла // Стекло и керамика. -2003. -№ 10. -С. 10-11.

29. Павлов В.Е. Пеностекло с повышенными конструктивными свойствами на основе эффузивных пород и стеклобоя.: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -Улан-Удэ, 2006. -28 с.

30. Пузанов С.И. Особенности использования материалов на основе стеклобоя как заполнителей портландцементного бетона // Строительные материалы. -№7.-2007.-С. 12-15.

31. Кетов A.A., Пузанов И.С., Саулин Д.В. Опыт производства пеностеклянных материалов из стеклобоя // Строительные материалы. №3. - 2007. - С. 70-72.

32. Шелихов Н.С., Рахимов Р.З. Облицовочные и теплоизоляционные материалы на основе глушеных стекол из минерального сырья РТ // Известия КГАСА. 2003. - №1. - С. 48-50

33. Стекло. Справочник / Аппен A.A., Асланова М.С., Амосов Н.П. и др. Под ред. Павлушкина Н.М. - М.: Стройиздат, 1973. - 487 с.

34. Сосунов Е.Е. Дорогу осилит идущий Электронный ресурс. / Е.Е. Сосунов. Режим доступа: www.kostukovka.com/publ/3-l-0-76, свободный

35. Пилецкий В.И., Демидович Б.К. Реферативная информация, ВНИИЭСМ. Сер. «Стекольная промышленность», вып. I, 1974 г., 15-19.

36. Баранов Е.В. Технология получения теплоизоляционных материалов на основе эффекта вспучивания и поризации обводненного техногенного стекла: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Воронеж, 2006. -24 с.

37. Степанов Ю.С., Белкин Е.А., Кулаков А.Ф., Воронин Р.Н. Математическое моделирование пористых структур пищевых продуктов на основе модульной геометрической модели // Справочник Инженерный журнал. 2003. - №3. - с. 61-64.

38. Щепетева J1.C., Россомагина A.C. Применение гранулированного пеностекла в качестве теплоизоляционного слоя в дорожной одежде // Стройкомплекс Плюс приложение к журналу Стройкомплекс Среднего Урала -№6.-2006.-С. 19-23.

39. Мордасов Д.М., Мордасов М.М. Технические измерения плотности сыпучих материалов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. - 80 с.

40. Гаузнер С.И., Кивилис С.С., Осокина А.П., Павловский А.Н. Измерение массы, объема и плотности. М.: Издательство стандартов, 1972. - 623 с.

41. ГОСТ 5954.2-91 Ситовый анализ класса крупности менее 20 мм.

42. Краев O.A. Метод определения зависимости температуропроводности от температуры за один опыт // Теплоэнергетика. 1956. - №4. - с. 15-18

43. Краев O.A. Простой метод измерения теплопроводности теплоизоляторов // Теплоэнергетика. 1958. - №4. - с. 81-82

44. ГСП. Приборы автоматические следящего уравновешивания. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.9020 171 ТО.

45. ГОСТ Р 8,585-2001 Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования

46. Грановский В.А. Динамические измерения. Основы метрологического обеспечения. JL: Энергоатомиздат, 1984. - 220 с.

47. Численные методы. / Под ред. У.Г. Пирумова. М.: Дрофа, 2007. - 144 с.

48. Сергеев O.A. Метрологические основы теплофизических измерений. М.: Стандарты, 1972. - 143с.

49. Шатунов Е.С., Буравой С.Б., Курепин В.В., Петров Г.С. Теплофизические измерения и приборы. Л.: Машиностроение, 1986. - 256 с

50. Шатунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. М.: Энергия, 1972.- 143 с.

51. Кржижановский P.E., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов. Окислы. JL: Энергия, 1973. -333 с.

52. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. -3-е перераб. и доп. изд. М.: Энергия, 1979. - 320 с.

53. Эксплуатационная документация на измеритель теплоемкости ИТ-С-400, -35 с,

54. Вольтметр цифровой постоянного тока Щ1516. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Машприборинторг, 1984. - 52 с.

55. Китайгородский И.И. Стекло и стекловарение. М.: Гос. изд-во лит-ры по строит, материалам, 1950. -416 с.

56. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

57. Шак. А. Промышленная теплопередача. Перев. с нем. Степанова Е.М. М.: Государственное издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961.524 с.

58. Левченко П.Л. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. М.: Альянс, 2007. - 367 с.

59. Расчет нагревательных и термических печей: Справ, изд. Под ред. Тымчака В.М. и Гусовского В.Л. М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

60. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учебное пособие — 9-е изд., перераб. и доп. — Л. : Химия, 1981. 492 с.

61. Марочник сталей и сплавов. / Под. ред A.C. Зубченко М.: Машиностроение, 2003.-784 с.

62. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен. Минск: Наука и техника, - 1982. - 400 с.

63. Бирюлин Г.В. Теплофизические расчеты в конечно-элементном пакете COMSOL / FEMLAB. СПб.: Изд-во СПбГУИТМО, - 2006. - 78 с.

64. Лотов В.А., Кривенкова Е.В. Кинетика процесса формирования пористой структуры пеностекла // Стекло и керамика. 2002. - №3. - с. 14-17.

65. Лотов В.А. Взаимосвязь изменений линейных размеров и объемного фазового состава керамики при спекании // Стекло и керамика. 2005. - №1. -С. 19-22.

66. Бутусов П.Н., Половко A.M. MATLAB для студента. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-320 с.

67. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 172 с.

68. Самарский A.A., Гулин А.Н. Численные методы математической физики. М.: Научный мир, 2000. 316 с.

69. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. Перев. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

70. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. 656 с.

71. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литератры, 1984. - 288 с.

72. Городов Р.В., Кузьмин A.B. О некоторых проблемах производства пеностекла // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Материалы докладов XIII Всероссийской научно-тех. конф. г. Томск, 2007. - С. 104-107.

73. Городов Р.В. О необходимости разработки математической модели производства пеностекла // Наука, технологии, инновации: Материалы

74. Всерос. научной конф. молодых ученых в 7 частях. г. Новосибирск, 2007. Часть 1 , с. 76-80.

75. Городов Р.В., Кузьмин A.B. О необходимости разработки математической модели изготовления пеностекла // Современные техника и технологии: Труды XIV Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. г. Томск, 2008.-Т.З.-С. 353-356.

76. Городов Р.В., Кузьмин A.B. Математическая модель процесса нагрева шихты при производстве пеностекла // Современные техника и технологии: Труды XIV Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. г. Томск, 2008. - 2008.-Т.З. - С. 356-359.

77. Городов Р.В., Кузьмин A.B. Оценка конвективной составляющей при нагреве шихты в печи в процессе производства пеностекла // Известия ТПУ. -2008. Т313. - №4. - С. 18-22.

78. Городов Р.В. Экспериментальное определение зависимости температуропроводности пеностекольной шихты от температуры // Известия ТПУ. 2009. - ТЗ13. - №4. - С. 24-30.