Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва діє до: 2014
    Журнал: Євразійський Союз Вчених

    Наукова стаття на тему 'МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧЕСКІХСВОЙСТВ ТЕПЛО- І ВОГНЕЗАХИСТУ'

    Текст наукової роботи на тему «МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧЕСКІХСВОЙСТВ ТЕПЛО- І ВОГНЕЗАХИСТУ»

    ?За результатами аналізу контрольної карти можна зробити висновок, що процес посолу статистично керований, так як відсутні виходи з контрольованого стану.

    Таким чином, статистичні методи управління якістю мають переваги в порівнянні з суцільним контролем продукції, так як дозволяють оперативно виявити відхилення в технологічному процесі.

    Список літератури:

    1. Гличев А.В. Основи управління якістю продукції 2-е изд. перер. і додат. М .: РІА Стандарти та якість, 2001 - 424 с.

    2. Дунченко Н.І. Управління якістю в галузях харчової промисловості: Навчальний посібник / Н.І. Дунченко, М.Д. Магомедов, А.В. Рибін. - М .: Вид-дательско-торгова корпорація «Дашков і К», 2012. - 212 с.

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧЕСКІХСВОІСТВ

    ТЕПЛО- І ВОГНЕЗАХИСТУ

    Страхов Валерій Леонідович

    Доктор технічних наук, професор, м Митищі, Кузьмін Ілля Андрійович

    Аспірант кафедри прикладної математики, м Москва

    Теплозахист конструкцій ракетно-космічної техніки [1,2] і вогнезахист будівельних конструкцій [3] виготовляється в основному з композиційних полімерних матеріалів (КПМ) з мінеральним наповнювачем типу SiO2 і MgO і т. П.

    При роботі в гарячих казових потоках теплоогне-захист такого типу відчуває термічний розклад, що супроводжується поглинанням теплоти, виділенням газоподібних продуктів, а також спученням або усадкою (в залежності від тиску). Під робочою поверхнею тепоогнезащітного покриття (ТОЗП) утворюється пористий обвуглений шар (ОС), каркас якого складається з вуглецю і мінерального наповнювача. В результаті хімічної взаємодії вуглецю ОС з активними компонентами продуктів згоряння (О, О2, СО2, Н2О, N N2) відбувається хіміко-механічний винесення маси теплоогне-захисту. Крім того, при підвищених температурах можливо випаровування мінеральних наповнювачів і вуглецю.

    (1-Ф) р'с

    'ДГ = д. (X ЕГ)

    д t dx z Ех

    Очевидно, що для оптимізації рецептур тепло-вогнезахисних матеріалів (ТОЗМ) і розрахунку необхідних товщини теплоогнезащіти необхідна адекватна натурі математична модель процесу роботи теплоогнезащіти, що дозволяє враховувати перераховані фізико-хімічні процеси і їх вплив на теплофізичні властивості ТОЗМ в робочому діапазоні температур.

    Основні положення розробленої раніше математичної моделі тепломасообміну в ТОЗП з урахуванням процесів термічного розкладання, віднесення маси і сполученню-усадки викладені в роботах [3 - 6 і ін.]. Для розрахунку температурних полів в ТОЗП використовується чисельне рішення методом кінцевих різниць рівняння нестаціонарної теплопровідності з крайовими умов-ямі2 у вигляді:

    m "c" P

    д! _ Ро (1 -K) Qz dx

    Е х

    1 ± 8

    V

    dt

    t > 0; 0 < x < x0;

    t ХКП

    xw (t) = 1 vvdt ±? 8Vdx;

    (1)

    (2)

    , dT

    - ^ z - dx

    T (x, 0) = T0 = TOnst;

    = AZ (Tf - Tw) - m vQy

    x = xw +0

    dT dx

    - 0;

    x-x0

    (3)

    (4)

    (5)

    У формулах (1) - (5) прийняті наступні Позначений-

    ня:

    Т - температура; t - час; х - поперечна координата; Хе - ефективна (сумарна) теплопровідність; ф - пористість; р - щільність; ро - початкове значення об'єк-

    емной щільності матеріалу; с, ср - теплоємність; % - ступінь завершеності процесу термічного розкладання матеріалу; К - масова частка конденсованого залишку

    в продуктах повного термічного розкладання; Тп "-масова швидкість фільтрації газоподібних продуктів

    x

    нп

    2 Наведено варіант крайової задачі теплопровідності для випадку термічно товстого покриття у формі пластини необмежених розмірів.

    термічного розкладання в сполучених порах обвуглене шару (ОС); - сумарний тепловий ефект процесу термічного розкладання; уу - швидкість віднесення маси з робочої поверхні ТОЗП; еу- відносна деформація спучування (плюс) або усадки (мінус); Т /, - температури газового середовища і поверхні;

    а? = А + ст (т / + тк) т / + ТW) - сумарний

    коефіцієнт теплообміну між газовим потоком і робочою поверхнею ТОЗП; а - коефіцієнт КОНВЕКТА-

    До •, •, Л

    ної тепловіддачі;

    1 + 1

    + -

    -1

    е г

    V}

    е

    - коеффіці-

    ент променистого теплообміну; ст - постійна Стефана-Больцмана; е / - інтегральна випромінювальна здатність газового середовища; е№ - ступінь чорноти нагрівається поверхні; ТПУ, Оу - масова швидкість і тепловий ефект

    віднесення маси ОС за рахунок хімічної взаємодії вуглецю з активними компонентами газового потоку і (або) сублімації компонентів обвуглене шару; х "- координата нагрівається поверхні теплоогнезащіти; хо -коордіната не нагрівається поверхні теплоогнеза-щити.

    В останні роки авторами на основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень згадана модель уточнена та доопрацьована в частині визначальних співвідношень для входять до рівняння (1) фізико-хімічних характеристик ТОЗМ в робочому діапазоні температур.

    Вхідні в рівняння (1) щільність і теплоємність каркаса ТОЗМ розраховуються за формулами адитивності віда3

    Ці формули отримані з урахуванням випаровування при температурі 3100 К не розкладається при піролізі наповнювача.

    Вхідні в ці формули характеристики наповнювача, пов'язує і коксу визначаються за методикою роботи [3].

    Для розрахунку пористості застосована формула виду Ро [1-х (1 - К)] (1-ФО)

    Ф =

    1 -

    1-

    Р '(1 ± еу) Ро (К-р ") (1-ФО) Рк (1 -Рн) (1 - еу)

    при Т - 31оок,

    при Т - 31ооК.

    (8)

    Для врахування впливу тиску на зміну обсягу подповерхностного шару ТОЗП за рахунок спучування або усадки в модель введено умова:

    е.

    'V

    е

    8кт

    при при

    Р < РКР, Р ^ РКР •

    (9)

    де е. ™, - відносна деформація спучування; ГЛТ - відносна деформація усадки; РКР - критичне значення тиску, при якому спучування змінюється усадкою.

    Розрахунок відносної деформації спучування проводиться за формулами, наведеними в роботі [3], а для розрахунку відносної деформації усадки використовується формула виду

    е .кт =>

    Р

    (

    ^ Рн

    + -

    1

    Р н

    \

    '.кт

    про

    Т - Т

    нп

    Т - Т

    кп н тах

    е .кт

    при при

    при

    Т < Т "

    Т - Т - Т; (Ю)

    нп кп

    Т > Т

    Рк

    Р м у

    при

    з =

    СнРн + См (1

    з

    -Р н)

    при

    отримана при допущенні про лінійному законі через при Т - 31оо Кмененія відносної деформації усадки по ширині зони пластичності.

    У припущенні про те, що стиснення пір при Т - 31 °° К • усадки відбувається в зоні пластичності до початкового

    (6) рівня, максимальна відносна деформація усадки

    при Т 3Юо ^ ожет бути визначена за формулою:

    Т - 31оо К •

    (7)

    е тах = 1 - [1 -Хкп (1 - к)] р% '. (11)

    Розрахунок ефективної теплопровідності розкладається при нагріванні матеріалу ТОЗП здійснюється за формулою:

    МТ) = Ь '(Т) (1 ф (Т)) 1,5 ІК + Г (Т) ф

    0,25

    (12)

    Очевидно, що входить в цю формулу параметр контактного опору між частинками наповнювача і розкладається при нагріванні матрицею Мк залежить від ступеня розкладання, так як в процесі розкладання змінюються склад і фізичні властивості матриці. Для обліку цієї залежності запропоновано використовувати лінійну інтерполяцію між значеннями даного параметра при температурах початку і кінця термічного розкладання:

    Мк =

    М "

    мкн

    Т - Т

    + (МКК - мкн) - нр

    Т - Т

    при

    при

    Т < Т

    нр

    Т - Т - Т

    нр кр

    (13)

    кр

    нр

    М

    Т - Т,

    кк при кр

    де мкн - початкове значення контактного опору; Мкк - кінцеве значення контактного опору.

    ;

    3 В наведених нижче формулах використані умовні позначення, приємний в роботі [3].

    Вхідні у формулу (12) теплопровідності каркаса і пір визначаються за складом ТОЗМ і властивостями компонентів з використанням формул роботи [3].

    Експериментальна перевірка розробленої моделі, проведена шляхом порівняння розрахунків з наявними експериментальними даними, показала її достатню достовірність і можливість практичного застосування.

    Як приклад на малюнку 1 наведені основні результати розрахунку за розробленою методикою параметрів віднесення маси і деструкції ТОЗП з резіноподоб-ного матеріалу щільністю 1060 кг / м3с наповнювачем з

    6. мм;

    діоксиду кремнію, що працює в потоці продуктів згоряння при температурі 3300 К, тиску 5 МПА і швидкості 10 м / с.

    Задовільне узгодження розрахунку з експериментом досягається при: параметрі променистого теплопередачі-реноса в порах [3] 9 = 0,510-11 Вт / (М4 К) і параметрах контактного опору мкн = 0,865, МКК = 0,3.

    Можна бачити, що до моменту часу близько 11,8 с відбувається деструкція ТОЗП без поверхневого (хімічного) віднесення маси, який починається після зменшення масової швидкості вдуву газів піролізу в прикордонний шар до критичної позначки 0,07 кг / м2с. Начиняючи з цього моменту, залежність глибини деструкції від часу стає практично лінійною.

    ш ', кг / (м2с)

    3,5

    1.5

    0,5

    2 \

    1

    3 ч

    \

    10

    15

    20

    t.c

    Малюнок 1. Залежність від часу: товщини якого віднесло шару ТОЗП -1; глибини деструкції (8) - 2; масової швидкості вдуву газів піролізу (т ') в прикордонний шар - 3 при швидкості потоку продуктів згоряння 10 м / с

    Необхідно також відзначити, що характер отриманих розрахунком залежностей параметрів віднесення ТОЗП від часу добре узгоджується з викладеними в монографії [2] уявленнями про механізм роботи теплозахисного покриття.

    Проведені параметричні дослідження моделі, зокрема, показали, що при підвищених температурах продуктів згоряння в винесення маси обвуглене шару істотний внесок, поряд з відомими реакціями вуглецю з газами O, O2, CO2, H2O, вносять реакції з газами N, N2. Крім того, в цих умовах починає відігравати суттєву роль сублімація вуглецю і оксидів, що входять до складу ОС. Ці результати цілком узгоджується з даними роботи [2].

    Таким чином, зазначені фізико-хімічні процеси слід враховувати при проведенні розрахунків теплоогнезащіти, що працює в високотемпературних газових потоках.

    Список літератури:

    1. 1.Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловий захист. -М .: Енергія, 1976. - 392 с.

    2. Газодинамічні і теплофізичні процеси в ракетних двигунах твердого палива / А.М. Губерт, В.В. Миронов, Д.М. Борисов та ін .; під ред.

    А.С. Коротеева. - М .: Машинобудування, 2004. - 435 с.

    3. З.Страхов В.Л., Крутов А.М., Давидкин Н.Ф. Вогнезахист будівельних конструкцій / Под ред. Ю.А. Кошмарова. - М .: Тімре, 2000. - 433 с.

    4. 4.Страх В.Л., Гаращенко О.М. Комплексне моделювання пожежі і вогнезахисту // Теплообмін при хімічних перетвореннях: Праці Першої Російської нац. конф. з тепломасообміну. - М .: Изд-во МЕІ, 1994. - С. 212 - 217.

    5. Страхов В.Л., Гаращенко О.М., Каледін В.О., Руд-зінскій В.П. Моделювання роботи теплоогнеза-щити з урахуванням процесів термічного розкладання, випаровування-конденсації, що не одновимірного тепломассопереноса і сполученню. - Вільна конвекція. Тепломасообмін при хімічних перетвореннях. Праці Другої Російської нац. конф. по теплообміну. - М .: Изд-во МЕІ, 1998..

    6. Страхов В.Л., Гаращенко О.М., Кузнецов Г.В., Руд-зінскій В.П. Чисельна реалізація і апробація математичних моделей тепломассообмена в тепло- і вогнезахисту з урахуванням процесів термічного розкладання, випаровування-конденсації, віднесення маси і сполученню-усадки. - Математичне моделювання, 2000, № 5. - С. 22 - 26.

    МЕТОДИ ПРИСКОРЕННЯ ТЕМПІВ БУДІВНИЦТВА

    Сичов Сергій Анатолійович

    к.т.н., докторант Санкт-Петербурзького державного архітектурно-будівельного університету

    Павлова Надія Олексіївна Архітектор

    В даний час розробкою методів прискорення темпів будівництва займаються фахівці в усьому світі. Способи, що дозволяють скоротити терміни зведення будівель, позитивно впливають на економічну складову проектів, допомагають ефективно вирішувати ряд питань соціального та екологічного характерів.

    Дане вдосконалення будівництва направлено в сторону автоматизації виробництва, уніфікації конструктивних одиниць, зменшення ваги конструкцій, що зводяться, тобто нерозривно пов'язане з підвищенням технологічності.

    Модульний спосіб зведення будівель найбільш відповідає вимогам, що пред'являються до сучасного будівництва. Використання у виробництві, що базується на зрілих технологіях, модульних конструкцій забезпечує істотний виграш в гнучкості цього виробництва і його економічної ефективності.

    Перехід промисловості до конструювання і виробництва з модулів почався досить давно. Одними з перших дані принципи інтегрували скандинавські країни і Північна Америка. Зараз ця практика проектування і будівництва швидко поширюється у Східній Європі і азіатських країнах.

    Під модулем в даному випадку слід розуміти стандартизовану самостійну функціональну конструктивну одиницю, яка повністю виготовляється в заводських умовах із дотриманням існуючих норм і стандартів. Наприклад, це можуть бути як міжповерхові перекриття або стінові панелі, повністю оснащені необхідними комунікаціями і внутрішньою обробкою, так і блок-кімната, також має інженерні комунікації, сантехнічні прилади, обробку. На вибір певного типу модуля впливає конструктивна особливість і функціональне призначення будівлі, а також спосіб доставки елементів на будівельний майданчик.

    Скорочення термінів будівництва модульних будівель досягається за рахунок наступних заходів:

    • виготовлення модулів на заводі відбуватися паралельно з підготовкою будівельного майданчика, земляними роботами і роботами нульового циклу (рис.);

    • бо-90% будівельно-монтажних робіт проводяться в заводських умовах, що скорочує ризик затримок через погодні умови;

    • на стадії архітектурно-конструктивного проектування враховуються фактори, що впливають на темпи будівництва (визначається тип модулів, конструювання ведеться з урахуванням зменшення ваги конструкції).

    Таким чином, будівля зводиться в більш короткі терміни, а отже, зменшуються витрати праці, собівартість процесу і самої будівлі, здійснюється більш швидке повернення інвестицій.

    Незважаючи на те, що модульне будівництво ведеться в стислі терміни, це не робить негативного впливу на якість будівельно-монтажних робіт і виготовляються конструкцій. Будинки, побудовані за даною

    технології, мають високі показники за якісними і міцності, що є результатом низки фактів:

    • конструктивно модульні будівлі зазвичай міцніше, ніж інші, тому що кожен модуль проектується з урахуванням навантажень, які долають під час транспортування і монтажу;

    • виготовлення конструкцій відбуватися в заводських умовах з високою точністю і постійним контролем якості;

    • матеріал, який використовується для виробництва модулів, а також самі конструктивні елементи зберігаються на складах виробника в необхідних умовах;

    • монтаж модулів ведеться з високим ступенем точності і стабільності, що досягається за рахунок заводського виготовлення елементів.

    Одним з переваг модульного будівництва є його відповідність екологічним вимогам, таким як:

    • скорочення викидів СО2, теплових виділень і твердих частинок виробництва в атмосферу;

    • ефективне використання енергетичних і матеріальних ресурсів;

    • можливість повторного використання конструкцій;

    • безпечна утилізація побічних продуктів виробництва.

    Високі показники екологічності процесу будівництва досягаються в такий спосіб:

    • проектування з урахуванням зменшення ваги модулів сприяє скороченню витрат матеріальних і енергетичних ресурсів на їх виготовлення;

    • при виробництві меншої кількості матеріалу, що використовується для виготовлення модулів, скорочується кількість викидається в атмосферу вуглекислого газу;

    • демонтаж модульних будівель з подальшим використанням конструктивних одиниць в нових спорудах дозволяє звести до мінімуму кількість енергії, що витрачається на виробництво нових модулів;

    • можливість повторного використання складових будівлі вирішує питання утилізації будівельних конструкцій;

    • при виробництві модулів на заводі, можлива безпечна утилізація відходів шляхом переробки матеріалів;

    • так як модулі надходять на місце монтажу в повній заводській готовності, це дозволяє звести до мінімуму кількість відходів на будівельному майданчику, а також скоротити забруднення повітря і води на будівельному майданчику.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити