авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Исследование влияния термообработки на структурно-механические свойства листовой фибры

-- [ Страница 2 ] --

Для определения полей абсолютных давлений пара, воздуха и паровоздушной смеси по толщине пластины для любого момента времени сушки были использованы выражения (15) и (16), уравнение состояния газовой фазы и закон Дальтона с учетом доли свободного объема материала от жидкости. Давление насыщенного пара внутри материала определялось по его температуре, а на его поверхности во втором периоде сушки для листовой фибры с учетом ее кинетики сушки при условии, что .

Результаты расчета краевых задач представлены на рис.1.

 Распределения температуры,-25

 Распределения температуры,-26

 Распределения температуры,-28

Рис. 1. Распределения температуры, влагосодержания, концентрации газовой смеси, абсолютных давлений пара, воздуха и газовой смеси по безразмерной полутолщине (х) пластины от времени сушки для периода падающей скорости при температуре сушильного агента 110оС.

В третьей главе излагаются основные закономерности напряженно-деформированного состояния анизотропной (ортотропной) пластины, устанавливающие взаимосвязь между внутренними влаготермическими напряжениями и деформациями (усадка и коробление) в процессе сушки. Приводится постановка и решение краевой задачи по определению цилиндрического прогиба ортотропной пластины при условии свободного опирания ее краев.

Краевая задача прогиба пластинчатого ортотропного тела выражается следующим дифференциальным уравнением четвертого порядка:

.

(17)

В процессе сушки листовой фибры в текущий (мгновенный) момент времени (при отсутствии линейных деформаций) в поровом пространстве тела по его толщине устанавливается равновесие между упругостью парогазовой смеси и сопротивлением скелета влажного материала.

Решение данной краевой задачи для равномерно распределенной нагрузки q(x) и при условии свободного опирания краев фибровой пластины в процессе сушки, получено методом интегрирования и имеет вид:

. (18)

Результаты расчета по уравнению (18) и опытные данные при отсутствии силовой нагрузки (qизг=0) приведены на рис.2. Для устранения коробления по выражению (18) можно рассчитать распределение силовой нагрузки на пластину вдоль направления ее волокон.

Рис.2. Кривые коробления листовой фибры при различных температурах воздуха.

Четвертая глава посвящена экспериментально-теоретическому исследованию параметров математических моделей тепломассопереноса (гигротермических, структурных и теплофизических свойств исследуемого материала, коэффициентов внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса) и напряженно-деформированного состояния (прочностных и деформационных характеристик) пластинчатого тела.

В результате проведенного анализа теплофизических свойств (плотности, теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности) листовой фибры, установлено, что данные свойства можно выразить по правилу аддитивности через пористость влажного материала, определяются кинетикой сушки.

Исследование характеристик пористой структуры (общая пористость, эффективный радиус пор, дифференциальная и интегральная функции распределения пор по радиусам и удельная поверхность пор) влажной листовой фибры основывалось на расчетно-экспериментальных данных по изотермам десорбции, полученных адсорбционным способом и методом Пасса. По данным исследования пористой структуры тела выяснено, что фибра является материалом с нежесткой набухающей структурой, формирующейся в зависимости от интенсивности удаляемой влаги.

Коэффициенты внутреннего влагопереноса определялись по двум методикам проф. Рудобашты С.П.. По первой методике эффективный коэффициент массопереноса в области капиллярно-связанной влаги рассчитывался на основе кривых сушки фибры снятых в условиях исключающих внешнее диффузионное сопротивление сушильного агента (Bim) и решения дифференциального уравнения массопроводности. По второй методике коэффициенты массопереноса в виде жидкости и пара в области адсорбционно-связанной влаги определялись по дифференциальной функции распределения пор по их радиусам. В результате сопоставления результатов по обоим способам выяснено, что удаление влаги в процессе сушки фибры в виде жидкости в основном происходит в области капиллярно-связанной влаги, а в виде пара в области адсорбционно-связанной влаги и увеличивается с повышением температуры сушильного агента.

На основании экспериментальных исследований по кинетике сушки листовой фибре, проведенных на лабораторной сушильной установке с конвективным поводом теплоты, получены критериальные уравнения для расчета внешнего теплообмена:

- для первого периода сушки: ; (19)

- для второго периода сушки: , (20)

где показатель степени m изменяется в интервале {0,41,1} и определяется следующим выражением:

. (21)

Для расчета коэффициента массообмена использовалось соотношение интенсивности влагообмена между поверхностью материала и потоком сушильного агента, которое определяется уравнением:

. (22)

Для второго периода сушки, на основании полученных кривых сушки и температурных кривых при различных параметрах сушильного агента для листовой фибры получено следующее обобщающее выражение:

. (23)

В данной главе приведены результаты исследования усадочных деформаций листовой фибры в процессе конвективной сушки при отсутствии силовой нагрузки на высушиваемый материал и с ее применением. В обоих вариантах усадка фибры протекает с разной интенсивностью по ее линейных размерам, т.е. фибра обладает анизотропными (ортотропными) свойствами. В первом варианте, при конвективной сушке, свободной от какой-либо силовой нагрузки, усадочные изменения тела зависят от интенсивности тепловой обработки, в основном от температуры сушильного агента. Во втором варианте, при сушке фибровой пластины с приложением к ней компенсирующей нагрузки (при полном отсутствии коробления) как в продольном, так и в поперечном направлениях волокон материала, усадочные изменения по линейным размерам тела не зависят от режимных параметров сушки. Процесс усадки исследуемого материала в обоих периодах сушки в основном протекает по линейным законам с разной интенсивностью и с плавным переходом между периодами. На основании экспериментальных данных по усадке, определены в обоих вариантах для каждого линейного размера соотношения между коэффициентами объемной и линейной усадки для листовой фибры, которые в процессе сушки являются постоянными величинами и имеют вид:

. (24)

Полученные экспериментальные данные в процессе сушки фибры с приложенной компенсирующей нагрузкой на материал в направлениях продольного и поперечного расположения волокон, позволили рассчитать деформационно-прочностные характеристики тела (рис.3 и рис.4). Наблюдаемый гистерезис в значениях модуля упругости (рис.4,а) в продольном и поперечном направлениях волокон листовой фибры в интервале ее влагосодержаний (кг/кг) свидетельствует об анизотропности (ортотропности) свойств высушиваемого материала. При достижении влагосодержания фибры 0,3 (кг/кг) гистерезис отсутствует. Это можно объяснить тем, что произошло формирование жесткого скелета материала, способного противостоять упругости диффузионного потока паровоздушной смеси.

В этой главе также представлены результаты исследования предельных прочностных характеристик (напряжения, модуля упругости) листовой фибры, полученных при испытании на растяжение образцов различной влажности и направлений волокон (вдоль - 0о, поперек - 90 о, и под 45 о) на разрывной машине типа Р-5, используемой для пластмасс.

 а) б) Зависимости компенсирующего-39

 а) б) Зависимости компенсирующего-40

а) б)

Рис.3. Зависимости компенсирующего нормального напряжения от относительной деформации (а) и влагосодержания (б) листовой фибры при различных температурах сушильного агента и направления волокон тела.

 а) б) Зависимости коэффициентов-41

а) б)

Рис.4. Зависимости коэффициентов модуля упругости (а) и поперечной деформации (б) от влагосодержания и направления волокон листовой фибры.

Исследование процесса коробления листовой фибры в процессе сушки проводилось в лабораторной сушильной установке при двух вариантах:

- в первом варианте - высота цилиндрического прогиба Н определялась при термообработке нагретым воздухом вдоль обеих противоположных поверхностей высушиваемой пластины при различных параметрах сушильного агента,

- во втором варианте: при искусственном создании различных перепадов температур между противоположными поверхностями пластины, изготовленной из фибры и картона.

Полученные экспериментальные данные для обоих вариантов показывают, что в первом случае - коробление (прогиб) увеличивается с повышением температуры и скорости сушильного агента (рис.2), во втором - коробление (прогиб) и его продолжительность уменьшаются при повышении перепада температур. Во втором варианте сушки по сравнению с первым величина коробления (прогиб) снижается в 4-5 раз, что объясняется перераспределением влаги в толще материала.

В результате обработки экспериментальных данных по обоим вариантам для определения цилиндрического прогиба пластины получено уравнение обобщенной кривой коробления, которое имеет вид:

. (25)

С помощью тригонометрических соотношений и экспериментальных данных по прогибу пластины определена зависимость суммарной степени удлинения (сжатия) поверхностных слоев материала от степени кривизны H/L, которая не зависит от режимных параметров сушки, и определятся только влагосодержанием слоев высушиваемого материала (рис.5).

Рис.5. Зависимость суммарной степени удлинения (сжатия) поверхностных слоев листовой фибры от степени кривизны Н/L пластины при различных условиях сушки.

Данная зависимость определяется следующим выражением:

. (26)

Для снижения влияния коробления в процессе термообработки листовой фибры, как показывают экспериментальные данные, необходимо проводить сушку в условиях неодинакового теплообмена на поверхностях влажного материала.

Решение дифференциального уравнения (17) для цилиндрического прогиба высушиваемой ортотропной пластины от действия разности температур ее нижней и верхней поверхностей при отсутствии воздействия внешних нагрузок имеет вид:

. (27)

В результате обработки экспериментальных данных и использования выражения (27) была получена зависимость модифицированного коэффициента температурной жесткости Т для листовой фибры от ее влагосодержания.

. (28)

В пятой главе представлены методика инженерного расчета сушильной установки для обезвоживания листовой фибры и обоснования использования результатов исследований по снижению и устранению коробления материала в процессе конвективной сушки.

В основу методики инженерного расчета положены решения краевых задач тепломассопереноса при конвективной сушке листовых материалов, дополненные сведениями о параметрах математической модели, уравнениями материального и теплового балансов и данными о структурно-механических характеристиках высушиваемого материала.

В диссертации приведена блок-схема расчета процесса сушки листовой фибры и показана адекватность численных расчетов экспериментальным данным по кинетике сушки и деформированию (изгибу) листовой фибры.

Основные результаты и выводы

  1. На основе выполненного глубокого патентного поиска и анализа литературных источников выявлены узкие места технологической линии производства листовой фибры. Установлено, что основными препятствиями улучшения качества конечной продукции являются неравномерная усадка и коробление, причинами, возникновения которых являются нерациональные режимные параметры проведения процесса сушки.
  2. В результате проведенных исследований по кинетике сушки и внутрипористой структуре листовой фибры при различных режимных условиях (tc=70120oC; г=13,5 м/c; =45%) были получены обобщающие характеристики внутреннего и внешнего тепломассопереноса.
  3. По результатам проведенных исследований сформулированы физическая и математическая модели процессов переноса теплоты, влаги, пара, воздуха и паровоздушной смеси в процессе термообработки листового материала. Основу модели составили дифференциальные уравнения параболического типа с граничными условиями I, II, III родов.
  4. Разработан алгоритм расчета процесса тепломассопереноса, на основе которого с использованием экспериментальных данных по кинетике сушки решена обратная задача определения коэффициентов переноса.
  5. Проведены расчеты кинетики процесса сушки и показана адекватность их результатам экспериментальных исследований. В целом наблюдается удовлетворительное совпадение результатов расчета и эксперимента (до 5-6%).
  6. На основании экспериментальных данных по исследованию неоднородных структурно-механических (усадке и изгибу) изменений в процессе термообработки при различных режимных условиях (tc=70120oC; г=13,5м/c; =45%) были получены зависимости, устанавливающие взаимосвязь кинетики сушки и деформаций листовой фибры.
  7. По результатам проведенных исследований сформулировано математическое описание цилиндрического прогиба листовой фибры в процессе сушки и показана адекватность его экспериментальным результатам.
  8. В результате выполненных экспериментальных исследований процесса сушки листовой фибры под действием компенсирующей силовой

нагрузки определены нормальные напряжения и усадочные относительные деформации , с помощью которых получены зависимости деформационно-прочностных характеристик (коэффициентов поперечной деформации и модулей упругости от среднего влагосодержания и направления волокон материала.

  1. На основе математического описания процесса сушки разработаны алгоритмическое и программное обеспечение, построена научно-обоснованная методика инженерного расчета сушильной установки.
  2. На основании проведенного экспериментально-теоретического обоснования выданы рекомендации по снижению и устранению коробления высушиваемой листовой фибры на действующем сушильном оборудовании за счет организации процесса сушки и приложения силовой нагрузки, способствующие повышению качества продукции и уменьшению энергозатрат.
  3. Разработанная модель, ее программное обеспечение и результаты экспериментально-теоретического исследования приняты к практическому использованию для оптимизации технологических параметров сушильной части линии производства листовой фибры на ОАО “Фибровая фабрика”, г.Заволжск.

Основные обозначения

, с, - плотность, кг/м3, теплоемкость, Dж/(кг.К) и теплопроводность, Bm/(м.К) материала, соответственно; а, Кэф - коэффициенты температуро-проводности и влагопроводности, м2/с; - коэффициент теплоотдачи, Bm/(м2.К,

* - модифицированный коэффициент массоотдачи, ; - критерий Нуссельта; - критерий Рейнольдса; , – тепловой и диффузионный критерий Био; , - тепловой и диффузионный критерии Фурье, - тепловой критерий Померанцева; - тепловой критерий Кирпичева; tc - температура

среды; j – индекс, обозначающий вид переносимой фазы (жидкости j=ж, пара j=п, воздуха j=в, паровоздушной смеси j=см); Рпм - дав­ление пара на поверхности тела, Па; Рпв -парциальное дав­ление пара в сушильном агенте, Па; R – половина толщины пластины, м; L, В, h, Vм – длина, ширина, толщина и объем пластины, м3; r* - скрытая теп­лота парообразования, Dж/кг; t(x,) - температура в точке х в момент времени , оС; Сж(x,), Сп(x,), Св(x,), Ссм(x,), U(x,) – концентрации жидкости, пара, воздуха, газовой смеси и влаго-содержание в точке х в момент времени , кг/кг; , Uн, Uкр, Uр – среднее, начальное, критическое, равновесное влагосодержание материала, кг/кг; - средняя температура материала, оС; Рп(x,), Рв(x,), Рсм(x,) – давления пара, воздуха и газовой смеси в точке х в момент времени , Па; – среднее давление газовой смеси по толщине материала, Па; Н – высота цилиндрического прогиба пластины, м; v, L, B, h – коэффициенты относительной усадки материала по объему, длине, ширине и толщине; х, у, Ех, Еу, ух, ху - нормальные напряжения, н/м2, модули упругости, Мн/м2 и коэффициенты поперечной деформации вдоль и поперек волокон материала.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Павлов, А. Л. Основные параметры математической модели процесса сушки листовой фибры /А. Л. Павлов, С. В. Федосов, В. А. Круглов, Е. В. Гусев //Известия ВУЗов “Химия и химическая технология”. – 1994. - т.37. - вып.9. – С. 155–161.

2. Гусев, Е. В. Исследование внутренней пористой структуры листовой фибры как объекта сушки / Е. В. Гусев, А. Л. Павлов, С. В. Федосов, О. П. Акаев //Известия ВУЗов “Химия и химическая технология”. – 1999. - т.42. - вып.4. – С. 81–83.

3. Гусев, Е. В. Оценка влияния условий сушки на процесс коробления листовых материалов /Е. В. Гусев, А. Л. Павлов, С. В. Федосов //Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы в дисперсных средах". – Иваново. – 2002. – С. 61–67.

4. Гусев, Е. В. Исследование деформационных свойств листовых материалов в процессе сушки при силовой нагрузке /Е. В. Гусев, А. Л. Павлов, С. В. Федосов, Д. В. Кириллов //Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы в дисперсных средах". – Иваново. – 2002. – С. 68–71.

5. Гусев, Е. В. Массопроводность листовых материалов как объектов сушки /Е. В. Гусев, С. В. Федосов, А. Л. Павлов //Материалы X МНТК "Информационная среда вуза". – Иваново. – 2003. – С. 324–329.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.