Тепло- и массоперенос при адсорбционно-контактной сушке керамических материалов

Аль Сарраджи Салах Хусейн Мела

Тепло- и массоперенос при адсорбционно-контактной сушке керамических материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Аль Сарраджи Салах Хусейн Мела АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Воронеж МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Тепло- и массоперенос при адсорбционно-контактной сушке керамических материалов»

Автореферат диссертации на тему "Тепло- и массоперенос при адсорбционно-контактной сушке керамических материалов"

На правах рукописи

АЛЬ САРРАДЖИ Салах Хусейн Мела

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОС ПРИ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКЕ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2014

005550617

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ФГБОУ ВПО ВГЛТА)

Научный руководитель доктор технических наук, старший научный сотрудник Дорняк Ольга Роальдовна

Официальные оппоненты:

Слюсарев Михаил Иванович, доктор технических наук, доцент, кафедра технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», профессор

Туголуков Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, кафедра «Техника и технологии производств нанопродуктов» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», профессор

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «19» июня 2014 г. в 14.00

на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», http://vorstu.ru/.

Автореферат разослан «28» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дахин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для сушки термолабильных материалов используются мягкие режимы с целью предотвращения растрескивания готовых изделий вследствие неравномерной усадки. Выбор энергоэффективных режимов возможен на основе научных исследований процессов тепло- и массопереноса для выбранных методов обезвоживания. Адсорбционно-контактная сушка (АКС) является основой перспективных технологий в химической промышленности, сельском хозяйстве, а также в строительной индустрии.

Научные исследования Г.К. Борескова, А.Д. Симонова, В.Б. Фенелонова, Н.В. Чураева, H.A. Языкова и других послужили созданию и развитию этого метода. Реализация и опытное исследование метода адсорбционно-контактной сушки применительно к строительной керамике выполнено впервые в работах Е.И.Шмитько и A.M. Усачева. Отформованный сырец (донор) помещается на подложку из пористого материала с высокой влагоемкостью (акцептор) и накрывается сверху влагонепроницаемым колпаком. Подложка с тыльной стороны подвергается высушиванию теплоносителем. Тем самым осуществляется диффузия влаги из сырца в подложку, а уже за счет подачи и отбора сушильного агента происходит интенсивная конвективная сушка самой подложки. Ад-сорбционно-контактный метод позволяет снизить нежелательную тепловую нагрузку на материал и одновременно усилить эффективность сушки. Поиск эффективных режимов адсорбционно-контактной сушки требует решения задач тепло- и массопереноса в капиллярно-пористых телах с учетом особенностей технологического процесса и структурных свойств материалов. Задачи данного типа исследуются методами математического моделирования, при этом известны различные подходы к созданию моделей. Подход, наиболее известный среди инженеров, связан с именем A.B. Лыкова. Широко используется теория многофазной фильтрации, получившая развитие в трудах П.В. Акулича, H.H. Гринчи-ка, Г.Н. Исакова, П.С. Куца, Н.В. Павлюкевича, В.И. Терехова. Работы по механике многофазных систем, прежде всего Р.И. Нигматулина, позволили создать математические модели сушки дисперсных систем с учетом специфики механизмов переноса и взаимодействия отдельных фаз.

Экспериментальный и теоретический анализ процессов тепломассопере-носа при адсорбционно-контактной сушке затруднен по объективным причинам. В их числе сложность проведения теплофизических измерений, в том числе, в зоне контакта, а также необходимость описания закономерностей процессов с учетом взаимодействия фаз и сложной неоднородной структуры материалов. Поэтому представляется актуальной задача исследования адсорбционно-контактной сушки методом математического моделирования.

Диссертация выполнялась в соответствии с планом научно-технических работ Воронежской государственной лесотехнической академии по теме «Механическая и термовлажностная обработка материалов» (№ г.р. 01201168720).

Цель работы - определение рациональных режимов адсорбционно-контактной сушки керамического кирпича пластического формования.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- разработать метод инженерного анализа процессов тепло- массопереноса при адсорбционно-контактной сушке глиняного сырца;

- выявить особенности развития профилей температуры, влагосодержания, давления парогазовой смеси и концентрации паровой компоненты при адсорб-ционно-контактной сушке глиняного кирпича;

- провести сравнительный анализ нестационарных локальных и среднеобъем-ных коэффициентов диффузии влаги;

- разработать методику расчета кинетических коэффициентов влагопереноса и апробировать ее для ассортимента строительных материалов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической основой исследования является теория связанных процессов переноса в гетерофазных системах. Теоретической и эмпирической базой исследования явились методы теории и эксперимента в области тепломассопере-носа, теории сушки, физической химии, химической технологии, материаловедения.

Научные результаты, выносимые на защиту.

- Инженерный метод расчета нестационарных связанных процессов тепло- и массопереноса в системе контактирующих капиллярно-пористых материалов с различными структурными свойствами.

- Результаты численного исследования нестационарных профилей теплофи-зических переменных при различных режимных параметрах сушильного агента.

- Обоснование существенно нестационарной динамики локальных коэффициентов массопроводности в образцах донора и акцептора.

- Методика и результаты расчетов коэффициента диффузии влаги в керамических материалах на основе стандартных опытов по сорбционному увлажнению.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- Впервые для технологического процесса адсорбционно-контактной сушки глиняного сырца предложен метод инженерного анализа на основе исследования сопряженной нестационарной задачи взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса, отличающейся тем, что помимо традиционных уравнений тепло- и влагопроводности постановка задачи включает модифицированное уравнение для давления парогазовой смеси в образцах, а также уравнение для концентрации паровой компоненты.

- Для процесса адсорбционно-контактной сушки глиняного сырца на подложке из цементного камня впервые получены расчетные зависимости влагосодержания, температуры, давления парогазовой смеси в зависимости от режимных параметров, которые позволяют, в том числе, выбрать наиболее эффективные и безопасные режимы обезвоживания.

- Впервые на основе предложенного подхода показано, что в исследуемом

процессе изменение локальных коэффициентов влагопроводности донора и акцептора имеет нестационарный и нелинейный характер, что связано с изменением вклада жидкофазного переноса в общем транспорте влаги в данной точке.

- Разработана методика расчета коэффициента влагопроводности как функции влагосодержания, температуры, сорбционных свойств капиллярно-пористого материала.

Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием фундаментальных законов тепло- и массопереноса; апробированных численных методов; проведением тестовых расчетов на базе известных экспериментов и аналитических решений; совпадением выводов с данными практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке метода прогнозирования нестационарных распределений влагосодержания, температуры, давления газообразной фазы и концентрации паровой компоненты в зависимости от теплофизических параметров донора и акцептора, а также свойств сушильного агента, что создает основу для выбора режимных и конструкционных параметров адсорбционно-контактной сушки керамического кирпича.

Материалы диссертации применяются в учебном процессе при постановке учебно-исследовательских задач перед бакалаврами и магистрантами, обучающимися в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, по курсам дисциплин «Теплотехническое оборудование в технологии строительных материалов», «Процессы и аппараты в технологии строительных материалов», «Технология строительной керамики», «Технология изоляционных строительных материалов и изделий».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 6. «Экспериментальные исследования, физическое и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях» и п. 9. «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты» из паспорта специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника.

Апробация и реализация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ -2011» (Москва, 2011); Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2011); на II Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ» (г. Санкт-Петербург, 2012); Всероссийской научно-технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии (АКТ-2012)»: 1 и 2 тур (г. Воронеж и г. Москва, 2012); на Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (г. Воронеж, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 работах, из них 3 в реферируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1,2, 7-9] - разработка математической модели, [1, 2] - разработка вычислительного алгоритма; [1, 2, 9] - выполнение расчетов и обработка их результатов; [4, 6] - обработка известных экспериментальных данных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 148 страниц текста, 35 рисунков и приложения. Библиографический список содержит 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрена физическая модель адсорбционно-контактной сушки, представлены особенности технологии АКС применительно к сушке строительной керамики, выполнен обзор научных исследований, связанных с процессами сушки капиллярно-пористых тел. Сформулированы цель и основные задачи диссертационного исследования.

Во второй главе для изучения развития полей теплофизических переменных в пористой системе глиняного сырца и подложки при различных темпера-турно-влажностных воздействиях, выбора рациональных режимов АКС, а также исследования работы отдельных механизмов влагопереноса на основе механики многофазных систем синтезирована сопряженная математическая модель теп-ломассопереноса в составном теле донор-акцептор. Эта трехтемпературная математическая модель представляется весьма сложной для анализа. Для прогнозирования характеристик процессов тепло- и массопереноса при сушке предложено построить более простую, с точки зрения численной реализации модель, которая при этом отражала бы вклад наиболее важных механизмов переноса в динамику потери влаги материалом.

Эта задача решена в третьей главе, где получена математическая модель диффузионно-фильтрационного типа, с новыми элементами, уточняющими, по сравнению с известными моделями (например, A.B. Лыкова), развитие полей давления парогазовой смеси и концентрации ее компонент в материале при сушке.

Предельная форма общей модели получена при следующих предположениях. Значения температуры всех фаз - жидкой, твердой и газообразной равны -Г1=Г2=Гз. Вкладом термодиффузии в величину потока влаги можно пренебречь, по сравнению с диффузионным переносом, тогда 5=атт=0. Масса пара в образце много меньше массы воды и массы твердой фазы. Схема фазовых переходов является равновесной. Влияние конвективного переноса тепла в парогазовой фазе несущественно. Используя эти ограничения и тождественные преобразования, получены уравнения новой математической модели, которая относится к

диффузионному типу, с усреднением тепло физических переменных по объемам образцов и содержит четыре уравнения в частных производных, а именно: уравнение влагопроводности, теплопроводности, давления газообразной фазы и концентрации газовой компоненты в парогазовой смеси.

Рассмотрим часть плиты посредника из тонкопористого материала, на которую уложена заготовка глиняного кирпича (рисунок 1). Сверху кирпич прикрыт влагозащитным колпаком. Система находится в конвективной сушильной камере при атмосферном давлении с заданными характеристиками сушильного агента - температурой Тс и относительной влажностью фс.

Предположим, что перенос массы и энергии происходит преимущественно в направлении, перпендикулярном плоскости основания посредника, т.е. вдоль оси х. Для изучения процессов переноса в этом случае достаточно рассмотреть задачу АКС в одномерном приближении. При этом поля влагосодержания, температуры, общего давления парогазовой смеси и концентрации однородны в направлении осей у иг, так что и=и((,х), Т=Т(1,х), р^р^.х), х=х(1>х)-

Запишем одномерные нестационарные уравнения тепло- и массопереноса в объеме у\ А'в, для гомогенной модели АКС. Уравнение влагопроводности в рассматриваемой области

Vе н=нл

УА На

Рисунок 1 - Расчетная схема адсорбционно-контактной сушки глиняного сырца.

имеет вид:

ди о , Зич — = —(ат—)-д1 8х 8х

аъРъ

аА,хеУА .

Рз

= А

,хеУА

О г,Б

Рг ,хеУ

(1)

где коэффициент диффузии ат зависит от изменяющихся значений влагосодержания, температуры, проницаемости и вычисляется по формуле:

К,-.

К^,х е V К°,х е V '

(2)

Ка ЯТи \_дср_.

ат ~ - >

Цг v (р ои

Из (2) видно, что для описания кинетики влагопереноса необходимы

уравнения политерм сорбции и для донора и для акцептора, т.е.

и=/А{Т,<рУ,и=/п(Т,ф). (3)

Уравнение теплопроводности представляется следующим образом

дТ 8 ., дТ. ди 0 0 . , , , .

ср— = — (А— ) + Ьер —; ср = ср^рх а, + ср2р2а2 + ср3р3а3, А = а,^ + а2Л2 + а3Л3,

й дх [сА„х еУА

дх д1

с°,хеУ

о '

Рг =

о" Х/О '

Рз ,хеУ

а, ,х е V

о' Я'

г <еУА

; /=1,2,3.

Объемная концентрация отдельных фаз вычисляется по формулам

иаЗр±

"2 ~ о

Рг

а, = 1-а,

(4)

(5)

Коэффициент фазовых переходов зависит от влажности, температуры и давления пара:

с^^-[Т-Т!а,(рХУ)]. (6)

Ь \ + и

Уравнение давления парогазовой смеси имеет вид

ЗР. = д2р, , Р, д дТ 8 си | р, ЭД, р, За, |

5/ 1 ах2 Тдх дх Т с дх " дх Д, dt от, dt

(7)

5,2ут; в, р, ¿g ^

а, Г с а3р, ' 13 ¡^.isF0' Отметим, что уравнение для давления газовой смеси имеет дополнительные слагаемые, а уравнения для влагосодержания и температуры полностью аналогичны соответствующим уравнениям диффузионно-фильтрационной модели А. В. Лыкова.

Для вычисления полей концентраций паровой и газовой компонент в газообразной фазе

Pik , Pijr Pi Pi

(8)

служит следующее уравнение:

5[Р,Ч0-*)] flPfo0-*)("? w =£Ld?Ä. v fm

öf &j ' 18 ex; 1 А ас '

Уравнения состояния идеального газа для смеси и ее компонент имеют вид

л = р1г = р,;гв,г; PIF =Pr,TS„.;ß1 = *д1Г = + рГг• (Ю)

Интенсивность фазовых переходов, определяемая в многофазной модели с помощью соотношения Герца-Кнудсена-Ленгмюра, после предельного перехода к однотемпературной модели теряет свой физический смысл, превращаясь в аналог формулы Дальтона:

■ )~Р,у(Т )] (И)

42лВ\УТ.Ш(.Рхг)

Для определения давления насыщенного пара при данной температуре используется известная формула Антуана

Psal=eAs~Bs'(T*Cs)- (12)

Термическое сопротивление зоны контакта не учитывается. Начальные условия задают произвольное распределение зависимых переменных:

[и0\хеУ

(13)

и(0, *) = »„(*); *„=•{. Т(0,х) = Т0(х); р,(0,х) = р10(х);

Х(0,х) = хЛх)1 Хв=\ D „в-

Отметим, что функция %0(х) не является независимой функцией. Концентрация пара в образце однозначно определяется величиной относительной влажности воздуха, которая в равновесных условиях связана с влажностью материала уравнениями политермы сорбции (3).

Влагосодержание на границах донора и акцептора соответствует своим равновесным значениям при соответствующих значениях температуры и относительной влажности сушильного агента и паровоздушной смеси под влагоизо-лирующим колпаком:

»|ж.„ =/"(?>,); (14)

Для температуры на внешних границах составного образца ставятся условия Ньютона-Рихмана

= -«г*(7-|^-:Г4). (15)

Граничные значения давления парогазовой смеси и концентрации каждой из компонент в капиллярно-пористом образце полагаем равными соответствующим значениям в соседнем объеме, т.е. в сушильной камере для акцептора (подложки), а также в пространстве под колпаком для донора (высушиваемого образца) имеем

х и = хс; л|1=0 = рс; х |1=„ = хк; л|1=н = л • (16)

Теплофизические параметры парогазовой смеси под влагоизолирующим колпаком 7ь р^, /к отличаются от соответствующих величин в объеме сушильной камеры. Очевидно, что уточнение этих параметров имеет большое значение для расчета тепловых и массообменных процессов в высушиваемом образце. В третьей главе предложена газодинамическая модель для области Ук, которая замыкает сформулированную выше начально-краевую задачу для системы донор-акцептор.

Система уравнений материального и теплового баланса построена в рамках следующих допущений. Вода, пар и воздух находятся в термодинамическом равновесии; пар и воздух равномерно распределены по всему объему; вода полностью отсепарирована от газовой фазы; для газовой смеси справедлив закон Дальтона.

Уравнения сохранения массы записаны для воды, паровой и газовой компонент. При этом учтено, что масса воды и масса пара изменяются за счет процессов испарения или конденсации на поверхностях, ограничивающих паровоздушный слой. Масса пара и воздуха изменяются также за счет массовых потоков на границе с капиллярно-пористыми телами донора и акцептора и вследствие массообмена через зазор между плитой посредника и колпаком.

—Г- = Щу+Щу IV 2 > ~Т lg ^Ве ' 2 ' 2 ] • V1')

Ш Ш Ш

Балансовое уравнение для температуры в паровоздушном слое между образцом и защитной поверхностью получено в виде:

хл —

Эх

° ' дх

(mwcvw + M]gcVlg + M2cpi= (i° -cnvTk) + (fi -cnTk) + +m?v(ft-crwTk)+ ^

+ KK -cvlgTt)~mivShK -cvwTt)~m-су1еТк) + Щ(ср2-Cp^Tk+q^+ql+q^',

~-c T

p 1С li =H

"Is

;D _ J- Г =c Г -С T \

= С T

LPIV1 с >

= -«4 (7;-rc)st

Начальные условия приняты в виде

ГД0) = Гс, М2(0) = М20; Mls(0) = (\-%c)Mt(0)- M„(0) = ^Af,(0);

Рс

M,(0) = FPc;

ад

; 5с = й1г(1-/с)+в|К*с.

(19)

Система обыкновенных дифференциальных уравнений (17-18) и начальных условий, определяемых соотношениями (19), описывают динамику состояния паровоздушной смеси в объеме, ограниченном непроницаемыми поверхностями влагозащитного колпака, а также пористыми поверхностями глиняного сырца (донора) и подложки (акцептора).

Исследование модели требует использования широкого круга тепло-физических параметров для жидкой, твердой и газообразной фазы, а также аналитического представления политерм сорбции для материалов донора и акцептора. В четвертой главе на основе известных опытных данных получены коэффициенты уравнения политермы сорбции JI.-X. Б. Цимерманиса для глиняного кирпича, пеношамотного легковеса и цементного камня. Это уравнение имеет вид:

и = иж<Р° > а = а,к%иш=и0-ат{Т-293), (20) где ао и к - безразмерные постоянные, и0 - максимальное гигроскопическое влагосодержание при Т=293 К. На рисунке 2 представлены изотермы сорбции для трех изучаемых материалов.

Предложена расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента влагопроводности керамических материалов, как нелинейной функции влажности и температуры. Разработан алгоритм и программа, позволяющие исследовать изотермический процесс массопереноса в строительных материалах с учетом переменного коэффициента влагопроводности, определяемого согласно выражению

Рисунок 2 - Аппроксимация изотерм сорбции при 7"=273К для цементного камня В/Ц=0,4 - 1, глиняного кирпича - 2, пено-шамота — 3. Маркерами отмечены данные эксперимента [А. М. Усачев, 2006] для цементного камня - Д, глиняного кирпича -А, пеношамота - *.

К2]Ч2(в2) RT и dtp . иа,р°, , „ а,

V (р ди рг аг +а3

Расчеты, проведенные для глиняного кирпича, цементного камня и пено-шамота показали, что применение функций am=am(u, Т), полученных по предлагаемой методике, позволяет удовлетворительно описать кинетику сорбционного увлажнения при различных значениях относительной влажности и температуры воздуха в эксикаторе.

В пятой главе проведена дискретизация математической модели, описана конечно-разностная схема, результаты ее апробации. Вычислительный эксперимент проведен для процесса обезвоживания глиняного сырца на подложке из цементного камня.

б)

Рисунок 3 - Изменение коэффициента влагопроводности в различных точках образца акцептора - а) и донора - б) со временем при фс= 0,45, 7"с=323 К, ус=0.37 м/с: х/1х,р=0.00бб - 1а, 0.3317 - 2а, 0.6633 - За; хЛ^г 1.6567- Ы, 1.1692 - 26, 0.6716 - 3(1; пунктирная линия соответствует коэффициенту влагопроводности, усредненному по объему образца. Величина ато=1-4920'Ю'7 м2/с.

Построенная математическая модель учитывает, что коэффициент влагопроводности материала изменяется во времени и в пространстве, что, с одной стороны, уточняет расчеты режимов сушки, а с другой стороны, позволяет оценить возможность адекватного использования коэффициента ят, как константы. Расчеты коэффициента влагопроводности в характерном режиме адсорбционно-контактной сушки показывают существенную разницу значений ат в различных точках образца и посредника (рисунок 3). Кривые За и 3(1 относятся к точкам в области, принадлежащей акцептору и донору вблизи зоны контакта, 2а и 2й - в центре, и 1а и Ы - рядом с внешними границами этих тел. Особенности изменения ат связаны с динамикой развития профиля влагосодержания (рисунок 4).

Пористая структура донора практически весь расчетный период заполнена свободной водой, которая в отсутствие массовых сил неподвижна. Обезвоживание донора происходит за счет испарения в объеме и жидкофазного переноса на границе с акцептором за счет капиллярных эффектов 1 и 2 рода. В ма-

териале акцептора работают те же механизмы обезвоживания, что и в доноре, а при уменьшении влажности ниже предельного гигроскопического значения добавляется механизм влагопереноса за счет градиента расклинивающего давления в смачивающих пленках. Кинетика сушки в доноре и акцепторе различна по интенсивности, поэтому жидкофазный контакт между ними имеет динамический характер. Изменение влагосодержания в акцепторе в зоне контакта может привести к полному отсутствию контакта с донором по жидкому кластеру или резкому снижению его интенсивности. Именно такое положение иллюстрируют немонотонные зависимости коэффициента влагопроводности от времени - кривые 2а, За на рисунке За. Замедлившийся жидкофазный перенос через границу тел может активизироваться вновь, когда концентрация жидкой фазы вырастет за счет капиллярных течений на границе, при этом коэффициент влагопроводности вновь возрастает. Этот результат согласуется с экспериментами теоретическими выводами А. Д Симонова, Н. А. Языкова, В. Н. Пармона (2001), полученными для адсорбционно-контактной сушки гранул гидроксида алюминия.

0.35

0.25 0.2 0.15

0.1 ____

0.05 У

°0 0.5 I 15

а)

0.3 0.25

ц 0.2 ____

0.15 ■ 0.1

0.05_

°0 0.5 1 1.5

хЛыр

г)

Рисунок 4 - Распределение влагосодержания по сечению комплекса донор-акцептор при фс-0,45, Тс=323 К, гс=0.37 м/с для г/гхар=0.005 - а); 0.025 - б); 0.05 - в); 0.15 - г); 0.20 - д) 0.25 -е).

Отметим, что усредненное по объему значение коэффициента влагопроводности для акцептора в рассматриваемом процессе наиболее близко к локальным значениям в центре подложки, но характер этого изменения и его диапазон не позволяют рекомендовать к использованию какое-то постоянное значение ат акцептора для расчетов динамики АКС. Что касается влагопереноса в доноре при влагосодержании большем, чем максимальное гигроскопическое, как видно из рисунка 36, усредненное значение коэффициента диффузии и его

значение в центре образца практически постоянны и близки по значению. Однако, вблизи границ постепенно, причем на внутренней существенно раньше, из-за более интенсивного обезвоживания, чем на границе с парогазовой фазой

под колпаком, коэффициент влагопроводно-сти существенно возрастает, вследствие снижения влажности и вклада движения связанной влаги в граничных слоях.

На рисунке 5 приведены кривые кинетики адсорбционно-контактной сушки при различных значениях относительной влажности сушильного агента. Здесь и далее кривые относятся к тем же точкам образца, что и на рисунке 2. Как видно из графиков, влияние данного фактора на скорость обезвоживания, как и при других видах сушки, весьма существенно. Если акцептор высушивается недостаточно интенсивно, то влажность донора также снижается медленно. При <рс=0.45 акцептор приобретает равновесную влажность, соответствующую температуре окружающей среды, существенно быстрее (почти в 2 раза), чем при фс=0.6. Для паровоздушной смеси с фс=0.8 средняя влажность акцептора в течение расчетного периода практически не снижается. Важно, что результаты расчета по предлагаемой математической модели АКС удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными А. М. Усачева (2006).

Рисунок 6 - Изменение среднего влагосо- Рисунок 7 - Зависимости влагосодержания

держания ит (кг/кг) в доноре ((1) и акцеп- и (кг/кг) от времени в разных точках образцов

торе (а) со временем при фс= 0,45, ус=0,37 донора (<3) и акцептора (а) при <рс=0,45, Тс=323

м/с для 7>353 К - 1; 323 - 2; 293 - 3. К, ус=0.37 м/с.

Графики на рисунке 6 иллюстрируют влияние температуры сушильного агента на кинетику АКС. Повышение температуры на 30 градусов приводит к значительной интенсификации процесса обезвоживания донора. Например, в

___ за + -

и >>>;

. За +4,

1а

Рисунок 5 - Изменение среднего влагосодержания маУ (кг/кг) в доноре (с!) и акцепторе (а) со временем при Гс=323 К, ус=0,37 м/с для фс= 0,45 - 1; 0,60 - 2; 0,80 - 3. Маркером + отмечены данные эксперимента [А. М. Усачев, 2006].

жестком режиме (Гс=353 К, фс= 0,45,) заданная конечная средняя влажность высушиваемого материала сырца достигается в 5 раз быстрее, чем при Гс=323 К, фс=0,45. Переходный процесс влагопереноса по длительности существенно меньше в акцепторе, чем в доноре. При этом наиболее влагонасыщенной точкой акцептора остается точка вблизи внутренней границы контакта, а наиболее влагонасыщенной точкой донора точка в его центральной зоне (рисунок 7).

Развитие температуры по сечению образцов происходит существенно быстрее, чем профиля влажности. Длительность переходного температурного процесса в характерном режиме сушки в 25 раз меньше, чем время процесса. Ввиду близких значений теплофизических параметров для выбранных материалов донора и посредника температурное поле в них развивается практически одинаково.

Рост избыточного давления в пористой структуре донора происходит быстрее, чем в акцепторе, что связано большим сопротивлением материала сырца фильтрационному переносу и меньшей скоростью обезвоживания пор и капилляров. Графики, изображенные на рисунке 8, показывают, что локальные значения избыточного давления паровоздушной смеси в образце донора и акцептора различны, а вектор градиента давления у внешних границ направлен внутрь образцов - к общей поверхности контакта. Рядом с общей границей избыточное давление в акцепторе и в доноре близки по значению. Градиент давления в парогазовой смеси, заполняющей поры акцептора, имеется во все время процесса обезвоживания, что обеспечивает отток в сушильную камеру влаги из образца в виде пара. В установившемся режиме максимум давления в акцепторе наблюдается вблизи границы контакта, а в доноре в его внутренней зоне.

Рисунок 8 - Зависимости давления парогазо- Рисунок 9 - Зависимости концентрации пара вой фазы от времени в различных точках об- в парогазовой смеси от времени в различных

разцов донора (с!) и акцептора (а) при (рс= 0,45, Гс=323 К, ус=0.37 м/с.

точках образцов донора (с!) и акцептора (а) при фс= 0,45, Тс=323 К, ус=0.37 м/с.

Концентрация паровой компоненты снижается в течение процесса сушки, как в высушиваемом образце, так и в посреднике (рисунок 9). Скорость снижения определяется диффузионным числом Пекле (Рео=8,1'10"6) и числом Дарси. На внешних границах донора и акцептора концентрация пара не одинакова, т. к. в среде сушильного агента, содержание пара существенно ниже, чем под колпа-

ком, где воздух постепенно приближается к состоянию насыщения (при данной температуре). Выравнивание концентрации пара в объеме V* происходит быстрее, чем в V0, поскольку при заданных параметрах условия сопротивление переносу газообразной фазы в доноре выше, чем в акцепторе. Для донора число Дарси Оап имеет в несколько раз меньшее значение, чем для акцептора.

Были проведены расчеты процессов АКС при различных скоростях сушильного агента 0.01, 0.37 и 3 м/с. Значительного влияния данного фактора из указанного диапазона значений на интенсивность процесса сушки не выявлено.

Основной проблемой, которую решает использование АКС при высушивании сырца из высокочувствительной глины, является проблема снижения трещинообразования. Для прогноза трещиностойкости выбрано число Кирпичева Ю с оценкой градиента влагосодержания как разности влагосодер-жаний между центральным и поверхностным слоем:

Ю = 2(иц -ип)/и0. Ранее экспериментально установлено, что при АГг'<0.58 растрескивания высушиваемого глиняного сырца не происходит. На рисунке 10 показано изменение числа Кирпичева, вычисленного на основе рассматриваемой математической модели для режима адсорбционно-контактной сушки, с параметрами сушильного агента <рс= 0,45, 7^=323 К, ус=0.37 м/с. Результаты вычислительного и натурного эксперимента полностью согласуются.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработан новый подход к исследованию процессов тепло-и массопе-реноса при адсорбционно-контактной сушке глиняного сырца. Показано, что данный подход может быть использован для инженерного анализа нестационарных полей теплофизических переменных кирпича и подложки (донора и акцептора) и выбора рациональных режимов обезвоживания.

2. Установлено, что в характерном режиме адсорбционно-контактной сушки глиняного сырца на подложке из цементного камня значения нестационарных локальных коэффициентов влагопроводности для акцептора существенно отличаются от средних по объему в течение всего процесса, а для донора на том этапе, когда влажность становится ниже максимальной гигроскопической. Использование в расчетах постоянных значений коэффициента влагопроводности для акцептора не рекомендуется, для донора допустимо в первом периоде сушки.

Рисунок 10 - Изменение со временем критерия Кирпичева в образце донора (1) и акцептора (2) со временем при <рс= 0,45, 7^=323 К, ус=0.37 м/с.

3. В результате численного исследования процесса адсорбционно-контактной сушки подтверждена возможность многократной потери и возобновления переноса жидкой фазы через поверхность контакта между донором и акцептором.

3. Показано, что рост избыточного давления в пористой структуре донора происходит быстрее, чем в акцепторе, что связано большим сопротивлением материала сырца фильтрационному переносу и меньшей скоростью обезвоживания пор и капилляров.

4. Выявлено, что длительность переходного температурного процесса в характерном режиме сушки в 25 раз меньше, чем время процесса. Ввиду близких значений теплофизических параметров для выбранных материалов донора и посредника температурное поле в них развивается практически с одинаковой скоростью.

5. Установлено, что скорость адсорбционно-контактной сушки существенно зависит от относительной влажности сушильного агента. Если акцептор высушивается недостаточно интенсивно, то влажность донора также снижается медленно. При фс=0.45 акцептор приобретает равновесную влажность, соответствующую температуре окружающей среды, существенно быстрее (почти в 2 раза), чем при фс=0.6. В паровоздушной смеси с фс=0.8 средняя влажность акцептора в течение расчетного периода практически не снижается.

6. Изучено влияние температуры сушильного агента на кинетику адсорбционно-контактной сушки. Повышение температуры на 30 градусов приводит к значительной интенсификации процесса обезвоживания донора. Например, в жестком режиме (Гс=353 К, фс= 0,45,) заданная конечная средняя влажность высушиваемого материала сырца достигается в 5 раз быстрее, чем при Тс=323 К, фс=0,45.

7. Разработана расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента влагопроводности капиллярно-пористого материала. Методика реализована на примере глиняного сырца, цементного камня и пеношамотного легковеса.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Дорняк, О. Р. Математическое моделирование тепло- и массопереноса при адсорбционно-контактной сушке керамических материалов (математическая модель) / О. Р. Дорняк, С. М. Усачев, Е. И. Шмитько, Салах X. Мела аль Сарраджи // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2013. - № 89 (05). С. 257-277.

2. Дорняк, О. Р. Математическое моделирование тепло- и массопереноса при адсорбционно-контактной сушке керамических материалов (вычислительный эксперимент) / О. Р. Дорняк, Салах X. Мела аль Сарраджи, С. М. Усачев, Е. И. Шмитько // Политематический сетевой электронный научный журнал Ку-

банского государственного аграрного университета. - 2013. - № 89 (05). С. 278304.

3. Дорняк, О. Р. Математическая модель температурно-влажностного состояния парогазовой смеси в негерметичной камере с границами различной степени проницаемости J О. Р. Дорняк, Салах X. Мела аль Сарраджи // Лесотехнический журнал. - 2012. - № 4 (8), - С. 7-14.

статьи и материалы конференций

4. Дорняк, О. Р. Динамика сорбционного увлажнения цементного камня / О. Р. Дорняк, Салах X. Мела аль Сарраджи, С. М. Усачев // Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ : сборник трудов 2 Международной научно-практической конференции, 28-30 ноября 2012 г. / ред. колл. А. В. Бараненко [и др.]. - СПб., 2012. - С. 401-402.

5. Дорняк, О. Р. Математическое моделирование адсорбционно-контактной сушки керамического кирпича / О. Р. Дорняк, Салах X. Мела аль Сарраджи, A.M. Усачев, Е.И. Шмитько // Труды 4 международ, науч. практич. конф. "Современные энергосберегающие тепловые технологии (Сушка и тепловые процессы СЭТТ-2011)". Т.1. М.: 2011. - С.150-157.

6. Дорняк, O.P. Динамика сорбционного увлажнения глиняного сырца / О. Р. Дорняк, Салах X. Мела аль Сарраджи, А. М. Усачев, Е. И. Шмитько // Композиционные строительные материалы. Теория и практика : сборник статей Международной научно-технической конференции, май 2011 / под. ред. В. И. Калашникова. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2011. - С. 28-31.

7. Салах X. Мела Аль Сарраджи. Кинетика увлажнения глинистого материала [Текст] / Салах X. Мела Аль Сарраджи ; Салах X. Мела Аль Сарраджи ; науч. рук. О. Р. Дорняк // Авиакосмические технологии (АКТ-2012) : тезисы 1 тура 13 Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов, г. Воронеж, 4-5 июня 2012 г., г. Москва, 4 июня 2012 г. - Воронеж, 2012. - С. 101-103.

8. Салах X. Мела Аль Сарраджи. Кинетика увлажнения строительных материалов [Текст] / Салах X. Мела Аль Сарраджи, О. Р. Дорняк // Авиакосмические технологии (АКТ-2012) : труды 13 Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов, г. Москва, 17 октября 2012 г., г. Таруса, 18-19 октября 2012 г. - Воронеж, 2012. - С. 225-231.

9. Дорняк, О. Р.Математическое моделирование изотермического массо-переноса в керамических материалах [Текст] / О. Р. Дорняк, С. М. Усачев, Салах X. Мела аль Сарраджи // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сборник трудов Международной конференции, Воронеж, 26-28 ноября 2012 г. - Воронеж, 2012. - Ч. 2. - С. 102-108.

Основные обозначения: ат - коэффициент влагопроводности, м2/с; а - коэффициент температуропроводности, л(2/с; с - теплоемкость, Дж/(кгК'); D - коэффициент бинарной диффузии, м2/с; i - энтальпия, Дж/кг; j -поток массы пара, обусловленный фазовыми переходами, отнесенный к единице времени и единице площади, кг/(м2сj; На -высота акцептора, м; Hd - высота донора, л»; Kj3 - коэффициент проницаемости j-ой фазы при полном насыщении пористой системы, м2; L - удельная теплота фазовых переходов Дж/кг; М - масса, кг; т - массовый расход, кг/с; р - давление, Па; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль'К); - удельная поверхность раздела фаз / и j, м'1; q -тепловой поток, Дж/с; V - объем, л/3; v - скорость, м/с; v - объем моля воды; и - влагосодержание, кг/кг; w - диффузионная скорость, м/с; а - объемное содержание фазы; аг" аг" - коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2К); а\аА,а° - коэффициент теплоотдачи от паровоздушной среды под колпаком к сушильному агенту, акцептору и донору соответственно, Вт/(м2К); ц - вязкость, Па с; с - критерий фазовых переходов; % - концентрация пара; X -коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); 9 - насыщенность; р- плотность, кг/и3; - относительная фазовая проницаемость; <р - относительная влажность воздуха. Dan=Knll2xap- число Дарси; PeD =1гхар!txapD- число Пекле.

Нижние индексы относятся: 1,2,3 - к газообразной, жидкой и твердой фазам; с - сушильный агент; g -газовая компонента; к - паровоздушная среда под вла-гоизолирующим колпаком; v -пар; sat - состояние насыщения; Г - принадлежность к внешним границам образца; 0 -начальное значение; хар - характерное значение параметра; atm - атмосферное. Верхние индексы-. ° - истинное значение физической величины; А - акцептор; D - донор.

Подписано к печати 14.04.2014 г. Формат 60х 90 1/16. Объем 1.0 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 224 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Аль Сарраджи Салах Хусейн Мела, Воронеж

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

На правах рукописи

АЛЬ САРРАДЖИ Салах Хусейн Мела

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОС ПРИ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКЕ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, с.н.с. Дорняк О.Р.

Воронеж - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 8

1. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ПРОЦЕССАХ СУШКИ 14

1.1. Метод адсорбционно-контактной сушки 14

1.2. Структурные свойства глинистых систем 18

1.3. Экспериментальные и теоретические исследования 21 процессов тепломассопереноса при адсорбционно-контактной сушке ненасыщенных капиллярно-пористых материалов

1.4. Математическое моделирование тепло- и массопереноса в 25 процессах сушки капиллярно-пористых тел

1.4.1. Тепло- и массоперенос в процессах сушки 25 строительной керамики

1.4.2. Тепло- и массоперенос в процессах сушки 31 различных капиллярно-пористых материалов

1.4.3. Сорбционные свойства капиллярно-пористых 36 материалов и кинетические коэффициенты массопереноса

Выводы по 1 главе 41

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛО- И 42 МАССОПЕРЕНОСА ПРИ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКЕ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В РАМКАХ

МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ

2.1. Основные гипотезы 43

2.2. Уравнения переноса и состояния газообразной фазы. 45

2.3. Уравнения переноса и состояния жидкой фазы 48

2.4. Уравнение теплопереноса твердой фазы 53

2.5. Уравнения сохранения на межфазных поверхностях

2.6. Краевые условия на внешних границах

2.7. Начальные условия

2.8. Предварительные оценки интенсивности контактного 57 массообмена

3. ДИФФУЗИОННО-ФИЛЬТРАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛО- 61 И МАССОПЕРЕНОСА ПРИ АДСОРБЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СУШКЕ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Диффузионно-фильтрационная модель тепловлагопереноса 61 A.B. Лыкова

3.2. Основные предположения 63

3.3 Математическая модель тепло- и массопереноса при сушке 64 адсорбционно-контактным методом в одномерном приближении

3.4 Температурно-влажностное состояние парогазовой смеси в 68 негерметичной камере (под влагоизолирующим колпаком)

3.5. Безразмерная форма начально-краевой задачи 75

Выводы по 3 главе 78

4. КИНЕТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ МАССОПЕРЕНОСА 79 КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Постановка задачи об увлажнении материала в 79 изотермических условиях

4.2. Аппроксимация политермы сорбции для цементного камня, 81 глиняного сырца и пеношамотного легковеса

4.3. Динамика полей влагосодержания в цементном камне при 83 сорбционном увлажнении для различных значений температуры и относительной влажности воздуха

Выводы по 2 главе

4.4. Математическое моделирование изотермического 89 массопереноса в керамических материалах

5. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ 97 ТЕПЛО И МАССОПЕРЕНОСА В ПРОЦЕССАХ СУШКИ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Численная реализация нестационарной сопряженной задачи 97 тепло- и массопереноса при адсорбционно-контактной сушке

5.2. Теплофизические параметры жидкой, газообразной и 109 твердой фаз

5.3 Результаты вычислительного эксперимента адсорбционно- 110 контактной сушки керамического кирпича на подложке из цементного камня

Выводы по 5 главе 126

Выводы по 4 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

129

134

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2

149

151

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ат - коэффициент влагопроводности, м /с;

а — коэффициент температуропроводности, м/с; а = —;

ср

В - индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кгК); с - теплоемкость, Дж/(кг'К); £) - коэффициент бинарной диффузии, м /с; / - энтальпия, Дж/кг;

] -поток массы пара, обусловленный фазовыми переходами, отнесенный к единице времени и единице площади, кг/(м с); Н= На+Н<1 - координата верхней границы донора, м; На - высота акцептора, м; На - высота донора, м;

Щз - коэффициент проницаемости ^ой фазы при полном насыщении пористой системы, м ;

Ь - удельная теплота фазовых переходов, Дж/кг\

I — длина, м;

М— масса, кг;

т — массовый расход, кг/с;

п — внешняя нормаль к поверхности;

р — давление, Па;

Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);

- удельная поверхность раздела фаз / и у, мЛ; Б - площадь поверхности, м2; Т— температура, К; t - время, с;

q -тепловой поток, Дж/с;

V- объем, м ; V - скорость, м/с;

V - объем моля воды, мъ!молъ\ и — влагосодержание, кг/кг;

■и? - диффузионная скорость, м/с; х,у, г- декартовы координаты, м; а - объемное содержание фазы;

аТл - коэффициент теплоотдачи от акцептора к сушильному агенту, Вт/(м2К)\

аТг> - коэффициент теплоотдачи от донора к газообразной фазе под влагонепроницаемым колпаком, Вт/(м К);

ак,ал,а° - коэффициент теплоотдачи от паровоздушной среды под колпаком

к сушильному агенту, акцептору и донору соответственно, Вт/(м К); ¡1 - вязкость, Па'с\ с - критерий фазовых переходов; к - коэффициент аккомодации; К1, к2 - коэффициенты; % - концентрация пара;

X -коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); 0 - насыщенность; р- плотность, кг/м ;

- относительная фазовая проницаемость; Ф - относительная влажность воздуха.

Нижние индексы: 1,2,3 - газообразная, жидкая и твердая фазы; с - сушильный агент; g -газовая компонента;

к - паровоздушная среда под влагоизолирующм колпаком;

V -пар;

sat - состояние насыщения;

Г - принадлежность к внешним границам образца;

О -начальное значение;

хар - характерное значение параметра;

atm — атмосферное.

Верхние индексы:

° - истинное значение физической величины;

* - безразмерное значение;

А - акцептор;

D - донор.

Безразмерные комплексы

I2 I2 I2

Рет=-^-9 Pem= шр ,PeD= хар

-т--- ?

I хар^ хар

'харатХар

txapD

числа Пекле: тепловое,

массообменное и диффузионное; L

Ки = -

Т с

хар хар

- число Кутателадзе;

Ко =-—— число Коссовича;

с Т

хар* хар

' V2

хар

Rew Jj^ElSL . ЧИСЛо Рейнольдса;

Da;3 = - число Дарси;

^ хар

К12 = хар - число Кельвина;

VPxap

all

Nu = хар - числа Нуссельта; i= D, А, к;

Лхар

В.ГА = аТА1хар

ЯА

BfD = аТ°1хар

числа

Био.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Научные исследования Г.К. Борескова, А.Д. Симонова, В.Б. Фенелонова, Н.В. Чураева, H.A. Языкова и других послужили созданию и развитию этого метода. Реализация и опытное исследование метода адсорбционно-контактной сушки применительно к строительной керамике выполнено впервые в работах Е.И.Шмитько и A.M. Усачева. Отформованный сырец (донор) помещается на подложку из пористого материала с высокой влагоемкостью (акцептор) и накрывается сверху влагонепроницаемым колпаком. Подложка с тыльной стороны подвергается высушиванию теплоносителем. Тем самым осуществляется диффузия влаги из сырца в подложку, а уже за счет подачи и отбора сушильного агента происходит интенсивная конвективная сушка самой подложки. Адсорбционно-контактный метод позволяет снизить нежелательную тепловую нагрузку на материал и одновременно усилить эффективность сушки. Поиск эффективных режимов адсорбционно-контактной сушки требует решения задач тепло- и массопереноса в капиллярно-пористых телах с учетом особенностей технологического процесса и структурных свойств материалов. Задачи данного типа исследуются методами математического моделирования, при этом известны различные подходы к созданию моделей. Подход, наиболее известный среди инженеров, связан с именем A.B. Лыкова. Широко используется теория многофазной фильтрации, получившая развитие в трудах

П.В. Акулича, H.H. Гринчика, Г.Н. Исакова, П.С. Куца, Н.В. Павлюкевича, В.И. Терехова. Работы по механике многофазных систем, прежде всего Р.И. Нигматулина, позволили создать математические модели сушки дисперсных систем с учетом специфики механизмов переноса и взаимодействия отдельных фаз.

Экспериментальный и теоретический анализ процессов тепломассопереноса при адсорбционно-контактной сушке затруднен по объективным причинам. В их числе сложность проведения теплофизических измерений, в том числе, в зоне контакта, а также необходимость описания закономерностей процессов с учетом взаимодействия фаз и сложной неоднородной структуры материалов. Поэтому представляется актуальной задача исследования адсорбционно-контактной сушки методом математического моделирования.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- выявить особенности развития профилей температуры, влагосодержания, давления парогазовой смеси и концентрации паровой компоненты при адсорбционно-контактной сушке глиняного кирпича;

провести сравнительный анализ нестационарных локальных и среднеобъемных коэффициентов диффузии влаги;

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической основой исследования является теория связанных процессов переноса в гетерофазных системах. Теоретической и эмпирической базой исследования явились методы теории и эксперимента в области тепломассопереноса, теории сушки, физической химии, химической технологии, материаловедения.

Научные результаты, выносимые на защиту.

Результаты численного исследования нестационарных профилей теплофизических переменных при различных режимных параметрах сушильного агента.

Обоснование существенно нестационарной динамики локальных коэффициентов массопроводности в образцах донора и акцептора.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

режимных параметров, которые позволяют, в том числе, выбрать наиболее эффективные и безопасные режимы обезвоживания.

- Впервые на основе предложенного подхода показано, что в исследуемом процессе изменение локальных коэффициентов влагопроводности донора и акцептора имеет нестационарный и нелинейный характер, что связано с изменением вклада жидкофазного переноса в общем транспорте влаги в данной точке.

материалов и изделий».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 6. «Экспериментальные исследования, физическое и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях» и п. 9. «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты» из паспорта специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника.

Апробация и реализация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, 2011); Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2011); на II Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ» (г. Санкт-Петербург, 2012); Всероссийской научно-технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии (АКТ-2012)»: 1 и 2 тур (г. Воронеж и г. Москва, 2012); на Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (г. Воронеж, 2012).

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1,2, 7-9] - разработка математической модели, [1,2]- разработка вычислительного алгоритма; [1, 2, 9] - выполнение расчетов и обработка их результатов; [4,6] - обработка известных экспериментальных данных.

1. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ПРОЦЕССАХ СУШКИ

1.1 Метод адсорбционно-контактной сушки

Процесс сушки материала - это сложный комплекс теплофизических процессов, приводящих к уменьшению его влагосодержания. Более 50000 известных материалов нуждаются в сушке. И хотя на сегодняшний день известно более 100 видов сушилок, однако необходимо продолжать развитие техники и технологий сушки, которое направлено, прежде всего, на экономию ресурсов и безопасность производства [А. Б. Миушпёаг, 2010]. Прогресс в теории и практике сушки требует дальнейшего изучения фундаментальных закономерностей тепло- и массообмена, гидродинамики, технологии процесса на базе современных методов анализа, исследования методов физического и математического моделирования, компьютерной и измерительной техники [С. П. Рудобашта, 2005].

Наиболее широко известны следующие виды сушки [С. И. Лежнин, В. И. Жуков, Г. Г. Кувшинов, 2005]:

1. Контактная (кондуктивная) сушка. Реализуется путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку.

2. Конвективная (газовая, воздушная) сушка. Проводится путем непосредственного контакта материала и сушильного агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой (воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива).

3. Радиационная сушка. Передача теплоты происходит инфракрасным излучением.

4. Диэлектрическая сушка. Материал высушивается токами высокой частоты.

5. Сублимационная сушка. Влага удаляется из материала в замороженном состоянии под вакуумом.

Особо следует остановиться на методе адсорбционно-контактной сушки (АКС), который был разработан в Институте катализа имени Г. К. Борескова СО РАН [Г. К. Боресков, 1986]. Метод был разработан применитель