• RU
  • icon На проверке: 3
Меню

Процессы и аппараты - лекции

  • Добавлен: 11.05.2014
  • Размер: 708 KB
  • Закачек: 1
Узнать, как скачать этот материал

Описание

Процессы и аппараты в технологии строительных изделий - лекции. Формат Pdf. Изложены теоретические основы технологических процессов в производстве строительных материалов и изделий, основы теории подобия, теории моделирования, основные сведения об элементарных процессах в технологии строительных материалов. Предназначен для студентов-заочников специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и специалистов в области производства строительных материалов.

Состав проекта

icon
icon процессы и аппараты лекции.pdf

Дополнительная информация

Контент чертежей

icon процессы и аппараты лекции.pdf

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
В ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ
Редакционно-издательским советом университета
Пермского государственного технического университета
доцент канд. техн. наук С.В. Раскопин
(Пермский государственный технический университет);
д-р техн. наук профессор И.А. Семериков
Процессы и аппараты в технологии строительных материалов: конспект лекций Б.С. Баталин. – Пермь: Изд-во
Перм. гос. техн. ун-та 2008. – 97 с.
ISBN 978-588151-915-5
Изложены теоретические основы технологических процессов в производстве строительных материалов и изделий основы теории подобия
теории моделирования основные сведения об элементарных процессах
в технологии строительных материалов.
Предназначен для студентов-заочников специальности «Производство
строительных материалов изделий и конструкций» и специалистов в области
производства строительных материалов.
ISBN 978-588151-915-5
государственный технический
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССАХ
И АППАРАТАХ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ
1. Классификация основных процессов 8
2. Расчет процессов и аппаратов 10
3. Интенсивность процессов и аппаратов 12
4. Определение основных размеров аппарата 13
ПОДОБИЕ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ 15
1. Теорема подобия 15
2. Метод анализа размерностей 23
3. Моделирование процессов и аппаратов 25
Механические процессы 31
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ 44
1. Элементы системного подхода 44
1.1. Предприятие строительных материалов
1.2. Функциональная модель 49
1.3. Структурная модель 52
2. Технологические операции и элементарные процессы 54
2.2. Перемешивание 55
2.2.1. аппараты с мешалками – смесители 55
2.2.2. Гидродинамика смешивания 56
2.2.4. Методы оценки качества смеси 62
2.3.1. Теоретические основы формования 63
2.3.2. Способы формирования 68
2.4. Тепловая обработка строительных материалов 73
2.4.2. Пропаривание и автоклавирование 77
3. Основные задачи автоматизации технологических
Список рекомендуемой литературы 96
Предмет курса «Процессы и аппараты»
В производстве строительных материалов осуществляются
разнообразные технологические процессы приводящие к глубоким изменениям агрегатного состояния структуры и состава исходных веществ: химические реакции физические (в т.ч. механические) процессы физико-химические превращения. Все это связано
с такими воздействиями на вещество как перемещение жидкостей
и твердых материалов дробление помол классификация (сортировка) нагревание и охлаждение обжиг сушка перемешивание.
Эффективность и рентабельность производства зависит
от способа проведения этих процессов.
Приведем несколько примеров самых общих технологических схем производства наиболее широко применяемых строительных материалов:
Производство цемента: дробление – помол – смешивание – обжиг – помол.
Производство кирпича: дробление – смешивание – формование – обжиг.
Производство бетонных изделий: смешивание – формование –
Производство щебня: дробление – классификация (грохочение).
Производство пластмассовых изделий: смешивание – нагревание – формование.
Производство различных материалов включает однотипные
процессы характеризуемые одинаковыми закономерностями.
Эти процесы проводятся в аналогичных по принципам действия
машинах и аппаратах.
Процессы и аппараты общие для различных отраслей промышленности строительных материалов называют основными
процессами и аппаратами.
Дробилки и мельницы транспортеры пневматические и гидравлические мешалки обжиговые печи и т.п. применяются при
производстве самых различных материалов.
В курсе «Процессы и аппараты» изучают теорию основных процессов принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин.
Задачей курса является выявление аналогий в прохождении
внешне разнородных процессов в устройстве аппаратов независимо от отрасли промышленности стройматериалов в которой они
применяются на основе анализа закономерностей присущих этим
процессам и аппаратам. При этом используются фундаментальные
законы физики химии физхимии термодинамики теории твердого тела теории моделирования и подобия экономики и т.д. и т.п.
В курсе изучаются также закономерности перехода от лабораторных процессов и установок к промышленным. Процессы
изученные в лаборатории не всегда могут быть без изменений
перенесены в промышленные условия. Даже такой технологически простой процесс как твердение бетона в лаборатории отличается от твердения бетона того же состава в теле плотины. Здесь
помимо химической сущности процесса сказываются такие факторы как тепловыделение бетона скорость теплопередачи через
бетон скорость высыхания и т.п. Все эти факторы определяют
макрокинетику процесса.
Именно макрокинетику и изучает курс. При этом используются данные микрокинетики т.е. кинетики процессов протекающих элементарно на молекулярном уровне.
Таким образом курс «Процессы и аппараты» – важный раздел теоретических основ технологии строительных материалов
теоретическая технология.
Курс тесно связан с химической технологией т.к. почти все
процессы технологии строительных материалов на элементарном
уровне могут быть сведены к химическим и физико-химическим
Возникновение и развитие науки
о процессах и аппаратах
В России идея об общности различных процессов и аппаратов
в химической технологии впервые была высказана в 1828 г. профессором Ф.А. Денисовым. Основанная на этой идее дисциплина была
введена в 90-е гг XIX в. В Петербургском технологическом институ
те профессором А.К. Крупским и несколько позднее – профессором
И.А. Тищенко в Московском высшем техническом училище. Они
являются основоположниками курса в нашей стране.
Учебник А.К. Крупского вышел в 1909 г. В США аналогичный труд вышел в 1923 г. (Уокер Льюис Мак-Адамс).
Большой вклад в науку о процессах и аппаратах внесли
Д.П. Коновалов А.Ф. Фокин К.Ф. Павлов. Из зарубежных авторов следует отметить американцев В. Бреджера и В. Мак-Кэба
(книга на русском языке появилась в 1933 г.).
Наука о процессах и аппаратах в течение последних 50 лет интенсивно развивалась. Но ее развитие шло в основном в приложении
к химической технологии и в тесной связи с ней. Однако в последние
годы теория процессов и аппаратов нашла применение и для проектирования производства в технологии строительных материалов.
В наше время значительный вклад в развитие науки о процессах и аппаратах и становление методики преподавания этого курса внесли профессора В.А. Вознесенский Н.Ф. Еремин
Ш.М. Рахимбаев другие ученые-педагоги.
Развитие компьютерной техники возникновение компьютерных технологий позволяет теперь быстро и эффективно решать
задачи связанные с оптимизацией технологических процессов
аппаратов для их осуществления. Компьютерные технологии позволяют применять новые современные методы моделирования
технологических объектов реализовать перенос данных полученных в лабораторных условиях в условия реального производства.
Компьютер становится повседневным орудием труда технолога.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ
ПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ
ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель изучения раздела: Результатом изучения главы должно быть знание классификации процессов и аппаратов умение
составить уравнение материального баланса и кинетическое
уравнение процесса а также умение составить уравнение для вычисления основного размера аппарата.
1. Классификация основных процессов
В зависимости от законов определяющих скорость протекания процессов различают:
Гидромеханические процессы – скорость их определяется
законами гидродинамики.
Тепловые процессы – скорость определяется законами
Массообменные процессы (диффузионные) – скорость их
определяется скоростью переноса одного или нескольких компонентов смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела
фаз (законы массопереноса) (растворение кристаллизация сушка гидратация вяжущих). Массообмен тесно связан с гидродинамическими условиями и теплопереносом.
Химические (реакционные) процессы – протекающие
со скоростью определяемой законами химической кинетики.
Однако химическим реакциям обязательно сопутствует перенос
массы и энергии а следовательно скорость химических реакций
зависит и от гидродинамических условий и теплопередачи.
Механические процессы – описываются законами механики твердых тел (дробление помол сортировка смешивание
твердых компонентов).
Особая группа механических процессов связана с переработкой материалов в изделия – прессование литье экструзия и т.п.
По способу организации процессы делятся на периодические
Периодические процессы проводят в аппаратах в которые
загружают исходные продукты после их обработки выгружают
готовые конечные продукты процесса. Затем весь цикл повторяется сначала. Таким образом в периодическом процессе все его
стадии проходят в одном аппарате (одном месте) но в разное время (смешивание бетонной смеси).
Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах.
Поступление исходных продуктов и выгрузка конечных идет
непрерывно и одновременно. Поэтому в непрерывном процессе
все стадии проходят в одно время но в разных точках пространства (зонах аппарата) (обжиг керамзита).
Существуют еще и комбинированные процессы. Это непрерывные процессы некоторые стадии которых проводятся периодически или периодические процессы ряд стадий в которых
проходят непрерывно.
Непрерывные процессы имеют целый ряд преимуществ перед периодическими:
) нет перерывов в выпуске конечных продуктов (отсутствуют
затраты на загрузку исходных продуктов и выгрузку конечных);
) возможность более полной автоматизации и механизации;
) устойчивость режимов и более стабильное качество конечных продуктов;
) большая компактность оборудования (меньшие производственные площади на единицу продукции т.е. меньше капитальные и эксплуатационные затраты);
) более полное использование подводимого или отводимого
тепла возможность использования (рекуперации) отводимого тепла.
Таким образом непрерывные процессы выгоднее и технологически и экономически. Периодические же сохраняют свое значение в мелкомасштабном производстве или при выпуске небольших партий (серий) продукции.
В зависимости от изменения параметров процессов во времени (скоростей температур концентраций и т.п.) их можно разделить также на установившиеся (стационарные) неустановившиеся (нестационарные) и переходные.
В установившихся процессах значения каждого параметра постоянны во времени; в неустановившихся – переменны т.е. изменяют свои значения и в пространстве и во времени. Неустановившимися являются периодические процессы.
Непрерывные процессы являются стационарными а нестационарны они только в период пуска (короткий промежуток времени).
Непрерывные процессы отличаются от периодических временем пребывания различных частиц в аппарате (реакционной
зоне). В периодических аппаратах все частицы пребывают одно
и то же время. В непрерывных это время может быть сильно отличным для разных частиц.
С этим связано изменение и других факторов влияющих на
процесс (температур концентраций и т.п.). По этим признакам
различают две теоретические модели аппаратов непрерывного
действия: идеального вытеснения и идеального смешения.
В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся
в заданном направлении не перемешиваясь и все время вытесняя движущиеся впереди частицы. Здесь время пребывания всех
частиц в аппарате одинаково они равномерно распределены по
В аппаратах идеального смешения поступающие частицы
сразу смешиваются с уже находящимися в аппарате т.е. равномерно распределяются в объеме аппарата. За счет этого в любой
точке объема параметры характеризующие процесс мгновенно
выравниваются. Время пребывания в аппарате для разных частиц различно.
Реальные аппараты непрерывного действия – аппараты промежуточного типа. В них время пребывания частиц более равномерно чем при идеальном смешении но никогда не выравнивается как при идеальном вытеснении.
2. Расчет процессов и аппаратов
Расчет процессов и аппаратов имеет следующие цели:
Определение условий предельного или равновесного состояния системы.
Вычисление расхода исходных материалов и количества
конечных продуктов а также количества энергии (тепла) и количества теплоносителей.
Определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности (или объема) аппарата.
Вычисление основных размеров аппарата.
Отсюда вытекает содержание расчетов и их последовательность.
Началом расчетов является определение и анализ статики
процесса т.е. рассмотрение данных о равновесном состоянии
системы на основе которых определяют направление протекания
процесса и возможные пределы его существования. По этим данным находят предельные значения параметров процесса необходимые для вычисления его движущей силы.
Затем составляются материальные и энергетические балансы
по законам сохранения массы и энергии. После этого рассчитывают кинетику процесса определяющую скорость его протекания.
По данным о скорости и величине движущей силы процесса
при оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую
поверхность или объем. Затем по этим данным определяют основные размеры аппарата.
М а т е р и а л ь н ы й б а л а н с вычисляют на основании закона сохранения массы. Количество поступающих веществ ΣGн
должно быть равно количеству получаемых в результате процесса веществ ΣGк т.е. без учета потерь
Практически неизбежны необратимые потери ΣGп.
Это и есть уравнение материального баланса.
Материальный баланс составляется для всего процесса или
его стадий; для всех реагирующих веществ или одного вещества
если обрабатываются многокомпонентные смеси. Баланс составляют за единицу времени (1 час 1 смену 1 цикл).
По материальному балансу находят в ы х о д конечного продукта:
Обычно выход конечного продукта расчитывают на единицу
Э н е р г е т и ч е с к и й б а л а н с составляют на основе закона сохранения энергии по которому количество энергии введенной в процесс равно количеству выделившейся энергии т.е.
приход энергии равен ее расходу. Проведение процессов требует
затрат энергии – механической электрической тепловой и т.д.
Частью энергетического баланса является тепловой баланс.
где Q1 – тепло вводимое с исходными веществами;
Q2 – тепло подводимое извне;
Q3 – тепловой эффект процесса (например гидратации цемента) со знаком «плюс» если процесс экзотермичен и со
знаком «минус» если он эндотермичен.
В энергетическом балансе учитывается приход и расход всех
видов энергии – электрической механической и т.п.
3. Интенсивность процессов и аппаратов
Все указанные выше основные процессы могут протекать
только под действием некоторой движущей силы. Для гидромеханических это разность давлений для теплообменных – разность
температур для массообменных – разность концентраций и т.п.
Можно принять что результат процесса выраженный через количество М перенесенного вещества (или тепла) пропорционален движущей силе Δ времени и некоторой величине А
к которой относят интенсивность процесса (рабочая поверхность
рабочий объем и т.п.).
Тогда уравнение любого процесса в общем виде таково:
Коэффициент пропорциональности К характеризует скорость
процесса т.е. представляет собой кинетический коэффициент
или коэффициент скорости процесса (коэффициент теплопередачи коэффициент массопередачи и т.п.). Он отражает влияние
всех факторов не учтенных в правой части уравнения а также
все отклонения реального процесса от теоретического.
Интенсивность процесса – это отношение результата процесса к единице времени и единице величины А (поверхности
объема) т.е. М А (количество массы перешедшей в 1 с через
см2 поверхности из одной фазы в другую).
Зная это можем записать
Отсюда следует что интенсивность процесса пропорциональна его движущей силе. Интенсивность процесса в то же время обратно пропорциаональна сопротивлению его протекания R:
(R – термическое сопротивление гидравлическое диффузионное
Из (1.3) или (1.5) находят рабочую поверхность или объем
аппарата а затем результат процесса.
Объемная интенсивность аппарата – интенсивность отнесенная к общему объему аппарата. Чем больше объемная интенсивность тем меньше размеры аппарата (но до определенного
предела т.к. рост интенсивности процесса с ростом его скорости
также имеет предел). Повышение объемной интенсивности аппарата можно получить за счет повышения интенсивности процесса но не во всех случаях т.к. при этом может резко увеличиться
вспомогательный объем. Оптимален аппарат обеспечивающий
заданный результат процесса с наименьшими затратами материалов и энергии.
4. Определение основных размеров аппарата
По (1.3) вычисляют основные размеры непрерывно действующего аппарата. Если известен объем среды проходящей через
аппарат в единицу времени Vс и задана или принята линейная
скорость среды w то площадь поперечного сечения S находят из
Из S находят один из основных размеров например диаметр
D для цилиндрического аппарата.
Другой основной размер – рабочая длина (высота). Из (1.3)
находят А. Если А например рабочая поверхность то F = aV где
а – удельная поверхность на единицу объема V – объем аппарата.
Отсюда определяют объем аппарата V а из соотношения V = SH
находят рабочую высоту (длину) аппарата.
Для периодического аппарата V находят как произведение
заданной производительности (Vс м3с) и периода процесса состоящую из времени самого процесса и времени загрузки и выгрузки и время других вспомогательных операций.
Изучение процессов на промышленных установках весьма
затруднительно поэтому применяется моделирование процессов
Для проведения подобных исследований необходимо знать
теорию моделирования которая в свою очередь основана на законах подобия.
Краткое содержание главы 1
Элементарные процессы происходящие при осуществлении технологических операций могут быть гидром еха н и ч е с к и м и т е пл ообменными массообменными и м еха н и ч е с к и м и .
По характеру организации все процессы могут быть н е п р е р ы вн ыми или переодиче скими. В зависимости от состояния параметров процессы бывают уст ановивш и м и с я ( с т а ц и о н а р н ыми) или неуст ановившимися (не с т а ц и о н а р н ы м и ) .
Процессы протекают в аппарат ах. Аппараты по способу
протекания процессов в них имеют предельные варианты: и д е а льно е смещ ение и иде а льно е выте с н е н и е . Реальные аппараты представляют собой большее или меньшее приближение
к этим предельным случаям.
Расчет процесса включает определение мат е р и а л ь н о го
б а ланс а основанного на законах сохранения с ко р о с т и вычисляемой по кинетическому уравнению и и н т е н с и в н о с т и
Аппараты характеризуются объемно й и н т е н с и в н о с т ь ю
и о сновными размерами.
Основные термины и понятия
Гидромеханический процесс – процесс скорость которого определяется законами гидродинамики.
Теплообменный процесс – процесс скорость которого определяется законами теплопередачи.
Массообменный процес – процесс скорость которого определяется переносом вещества из одной фазы в другую.
Механический процесс – процесс скорость которого определяется законами механики.
Уравнение материального баланса – уравнение связывающее количество веществ и энергии поступающих в процесс полученных в результате процесса и потерянных в результате несовершенства технологии.
Скорость процесса – количество вещества или энергии преобразованных в ходе процесса в полезный продукт в единицу времени.
ПОДОБИЕ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ
Цель изучения главы: результатом изучения материала главы
должно быть умение получать критерии подобия из дифференицальных уравнений описывающих тот или иной процесс. Умение
вычислять количество возможных критериев подобия на основании анализа размерностей величин описывающих исследуемый
объект составлять критерии подобия и критериальные уравнения
из них. Умение разрабатывать план постановки эксперимента для
определения постоянных критериального уравнения и производить математическую обработку результатов экспериментов.
Процессы технологии строительных материалов сложны.
Математическое описание их приводит к весьма громоздким
и сложным дифференциальным уравнениям которые чаще всего неразрешимы. Возникает необходимость экспериментального
Эксперименты для изучения процессов могут дать необходимые результаты только при наличии теории постановки опытов
и обработки их результатов. Такой теорией является теория подобия. Теория основана на представлении о подобии процессов.
Представления теории подобия дают возможность:
) установить такие условия экспериментов при которых их
число будет минимальным;
) установить минимальное количество величин измерение
которых необходимо при проведении экспериментов;
) правильно обработать результаты экспериментов;
) установить области на которые можно распространить
полученные в экспериментах данные. (Ошибки – в малом масштабе выгоды – в большом.)
Теория подобия строится на основании специальных форм
анализа дифференциальных уравнений описывающих исследованный процесс. Дифференциальное уравнение описывает процесс в элементарном объеме и формулирует математически общий физический закон. Оно описывает течение процесса в любой
точке и в любой момент времени. Дифференциальное уравнение
описывает целый класс процессов т.к. отвлекается от частных
особенностей процесса и следовательно справедливо для всех
процессов описываемых примененными физическими законами.
Таких процессов может быть бесчисленное множество.
Чтобы описать единичный процесс дифференциальное уравнение нужно дополнить данными характеризующими исключительно данный процесс. Эти данные называют условиями однозначности. К ним относятся:
) геометрия пространства в котором протекает процесс;
) физические свойства среды существенные для данного
) граничные условия т.е. характеристика взаимодействия
среды с границами объема в котором процесс протекает;
) начальное состояние системы т.е. ее состояние в момент
начала изучения процесса.
Дифференциальное уравнение в совокупности с условиями однозначности выделяет из целого класса процессов один конкретный
процесс. Если дифференциальное уравнение с численными значениями условий однозначности может быть решено то решение характеризует только данный процесс и не может быть перенесено на
другие процессы. При проведении опыта существуют определенные
условия однозначности – размер и форма аппарата свойства среды
начальные и граничные условия. Поэтому данные опыта справедливы только для этих условий и не могут быть перенесены на другие.
Теория подобия позволяет распространить данные эксперимента на группу подобных процессов путем особого задания условий однозначности. Условия однозначности задаются не в виде
численных значений определенных параметров а в виде ряда
подобных значений параметров. Тогда группу процессов можно
рассматривать как единичный процесс протекающий с изменением только масштаба параметров.
Подобие условий однозначности включает:
) геометрическое подобие систем (аппаратов);
) временное подобие;
) подобие физических величин присущих процессу;
) подобие граничных и начальных условий.
Г е о м е т р и ч е с к о е п о д о б и е . Аппараты (системы) называют подобными если отношение всех их сходственных размеров постоянно.
Рис. 2.1. Геометрическое подобие
В р е м е н н о е п о д о б и е . Интервалы времени называют
подобными если отношение сходственных интервалов времени постоянно. Сходственные интервалы времени – интервалы
в течение которых завершаются одинаковые стадии рассматриваемых процессов.
пример: 1 – загрузка 2 – нагревание 3 – охлаждение.
’’1 + ’’2 + ’’3 = 6.
Временное подобие сохранится если
Подобные во времени процессы называют гомохронными.
Если К = 1 то процессы сихронные (что является частным случаем гомохронности).
П о д о б и е ф и з и ч е с к и х в е л и ч и н характеризующих
процесс. Физические величины подобных процессов подобны
если их отношения в сходственные моменты времени – постоянная величина.
(пример: ρ1 – плотность в момент загрузки; ρ2 – плотность в конце нагревания; ρ3 – плотность в конце охлаждения).
Значение физических величин может быть неодинаково во
всем объеме охваченном процессом. Тогда должно соблюдаться
подобие полей физических величин.
Поле – совокупность мгновенных значений величин во всем
объеме. Поля физических величин подобны когда в сходственных точках в сходственные моменты времени отношения значений этих величин постоянны.
Для векторных величин направления должны совпадать.
Подобие граничных условий – все значения величин характеризующих эти условия для сходственных точек в сходственные
моменты времени находятся в постоянных соотношениях.
П о д о б и е н а ч а л ь н ы х у с л о в и й – в момент начала
изучения процесса соблюдается подобие полей всех физических
величин характеризующих процесс (пример: при определении
сроков схватывания цемента ВЦ должно быть постоянным).
Процессы подобны если они описываются одним и тем же
дифференциальным уравнением (или системой дифференциального уравнения) при подобных условиях однозначности.
В общем виде можно записать:
– для первого процесса:
– для второго подобного процесса:
F(Кl l’ К ’ Кρ ρ’ ) = 0.
Уравнения (2.4) и (2.5) описывают подобные процессы
и не должны отличаться одно от другого.
Для соблюдения подобия нужно найти и выдержать условия
при которых умножение переменных на постоянные не меняет
уравнения. Эти условия легко находятся при анализе конкретных
функциональных зависимостей. Например: 2-й закон механики –
где f – сила; m – масса; w – скорость; – время легко преобразовать в выражения для двух процессов движения масс.
(«одно и то же» или инвариантно).
Это не значит что полученный комплекс есть величина
постоянная для подобных процессов. Но изменения комплекса
в пространстве и времени для подобных процессов таковы что
для любых сходственных точек объема в сходственные моменты
времени комплексы приобретают одни и те же значения.
Комплексы типа (2.7) называются критериями подобия.
Их обозначают двумя первыми буквами фамилий ученых известных своими работами в соответствующей отрасли науки.
Критерий (2.7) – критерий Ньютона (Newton) (критерий механического подобия):
На рассмотренном примере мы можем сформулировать первую теорему подобия (теорему Ньютона) которая гласит: для подобных процессов (систем) всегда могут быть найдены такие
безразмерные комплексы величин которые для сходственных
точек данных процессов одинаковы. Или: подобные процессы характеризуются численно равными критериями подобия.
= 1 = C – индикатор подобия.
У подобных процессов индикаторы подобия равны единице.
Согласно этой теореме мы получаем общую схему вычисления критериев подобия для любых процессов для которых можем составить описывающее их дифференциальное уравнение.
Записываем дифференциальное уравнение.
Делим обе части уравнения на правую или левую часть
(если в дифференциальном уравнении несколько слагаемых –
делим все слагаемые на одно из них) получаем безразмерный
Вычеркиваем символы дифференцирования включая символы порядка дифференцирования (символы степени дифференциала сохраняем).
Применяются также критерии получаемые из условий задачи исследования. Например исследуя движение жидкостей
в змеевике задают диаметр трубы и радиус витка змеевика.
Для подобных змеевиков их отношение должно быть постоянным т.е.
где d и R измеряются в см.
Критерии представляющие отношения двух одноименных
величин полученные непосредственно из условий задачи эксперимента называют параметрическими критериями. Если используют усредненные значения физических величин то из них
составляют усредненные критерии.
Если в выражение критерия входит линейный размер то
выбирают такой размер который наиболее полно характеризует
систему охваченную процессом. Его называют определяющим
размером (диаметр трубы длина (высота) колонны и т.п.).
Критерии составленные только из величин входящих в условия однозначности называют определяющими критериями.
Параметрические критерии – всегда определяющие. Если в состав
критерия входит хотя бы одна величина не входящая в условия однозначности то критерий является определяемым. Если процессы
подобны то их определяющие критерии равны. Но т.к. в подобных
процессах равны все критерии подобия то определяемые критерии тоже должны быть равны.
Это вторая теорема подобия. Она означает что определяемые критерии суть однозначные функции определяющих критериев. Или: дифференциальное уравнение может быть представлено в виде критериального уравнения описывающего функциональную зависимость между критериями подобия (Бэкингем
Федерман и Афанасьева-Эренфест).
В общем виде решение дифференциального уравнения может быть записано в виде
где 1 2 3 n – критерии подобия.
если 1 – определяемый а все остальные определяющие то
Следовательно вторая теорема подобия отвечает на вопрос как
обрабатывать результаты экспериментов. Их надо представить в виде
функциональных зависимостей между критериями подобия.
Вид этой зависимости определяется экспериментально и дается в виде графиков или степенных функций.
Например при исследовании какого-то процесса получили дифференциальное уравнение описывающее этот процесс.
Из дифференциального уравнения и условий однозначности получили критерии характеризующие процесс определяемый Кх
и определяющие К1 и К2 кроме того из условий задачи получили
параметрический критерий Кр.
Представим связь между физическими величинами описывающими процесс критериальным уравнением в виде степенной
где A n m t – постоянные определяемые опытным путем.
Проводят серию экспериментов в которых два определяющих критерия постоянны например К1 и К2. Тогда для первой серии опытов
AК1n К2m = const = B
После логарифмирования
lgКx = lgB + tlgКp (это уравнение прямой).
В экспериментах задают ряд значений Кр и определяют соответствующие им значения Кх. Наносятся точки на график
в координатах lgКx – lgКp. По точкам проводят прямую. Из (2.10)
следует что тангенс наклона этой прямой к оси абцисс равен показателю степени при Кр т.е. t.
В следующей серии находят значения n затем m.
Третья теорема подобия гласит: процессы подобны если их определяющие критерии равны (теорема М.В. Кирпичева и А.А. Гухмана).
Таким образом если для процесса может быть составлено
дифференциальное уравнение описывающее его и определены условия однозначности то исследование процесса сводится
к нахождению постоянных критериального уравнения. Данные
полученные на модели в лабораторных условиях в соответствии
с теорией подобия могут быть распространены на все подобные
процессы в том числе протекающие в промышленных условиях
в исследованных пределах значений определяющих критериев.
2. Метод анализа размерностей
Однако далеко не все промышленные процессы могут быть
описаны при помощи дифференциальных уравнений. Часто их
даже не удается составить или не удается сформулировать условия
однозначности. Тогда применяют метод анализа размерностей.
Условием применения этого метода является предварительное изучение процесса. В результате предварительных экспериментов устанавливают какие физические величины и параметры
существенно влияют на течение процесса.
Например при течении жидкости по трубе перепад давлений
зависит от диаметра трубы d ее длины l плотности ρ вязкости
и скорости w протекающей жидкости т.е.
при этом конкретный вид зависимости неизвестен.
Метод анализа размерностей позволяет из зависимости типа
(2.11) получить критериальное уравнение описывающее процесс. Обязательное условие: единицы измерения всех входящих
в данную функциональную зависимость величин должны быть
выражены в одной системе единиц.
-теорема: Если общая функциональная зависимость связывает n размерных величин при составлении которых использовано m первичных единиц измерения то эта зависимость может
быть представлена в виде критериального уравнения содержащего n–m критериев подобия составленных из физических величин входящих в общую функциональную зависимость.
В примере (2.11) n = 6.
d = [м] = [L]; l = [м] = L.
Здесь использовано три первичных единицы измерения
м (L) с (Т) кгс (F) m = 3.
Следовательно согласно -теореме в критериальное уравнение
составленное на основе (2.11) должно входить n – m = 6 – 3 = 3 критерия подобия.
Представим (2.11) в виде произведения входящих в нее величин в некоторых степенях
Δ р = А da lb ρc e wk .
Заменим величины формулами их размерностей тогда
L–2 F = ALaLb(L–4FT2)c(L–2FT)e(LT–1)k
L-2 F = ALa +b-4c-2e+k Fс+eT2c+e-k.
Приравниваем показатели степеней при одинаковых символах
–2 = а + b – 4с – 2e + k (а)
Для решения этой системы не хватает двух уравнений поэтому выразим все неизвестные через две например е и b. Тогда
Эти значения а с и k подставим в (2.12):
Δр = A d –b–e lb ρ1–e e w 2–e.
Сгруппируем величины по показателям степеней
(2.14) – критериальное уравнение течения жидкости по трубе где
= Eu = – критерий Эйлера;
= Re – критерий Рейнольдса;
= Г – критерий геометрического подобия (гидродинамиd
ческие критерии подобия).
А b и е определяют экспериментально. Здесь однако нельзя
определить условия однозначности а следовательно выделить определяющие и неопределяющие критерии т.е. здесь могут выпасть
величины влияющие на процесс и войти не влияющие на него.
3. Моделирование процессов и аппаратов
Модель должна обеспечивать отражение объективных связей
действительности. Единой классификации моделей в настоящее
время не существует. Различные авторы выделяют типы моделей в зависимости от предъявляемых к таким типам критериев:
способа и средств воспроизведения реальной действительности;
характера объектов воспроизводимых моделью; закономерностей функционирования и т.д.
В зависимости от способа воспроизведения и тех средств
с помощью которых происходит моделирование многие авторы выделяют идеальные и материальные модели. Другие считают такое деление неточным и выделяют вещественные и знаковые модели.
Третьи полагают что в моделировании следует выделять два
пути: конструирование реально функционирующих вещественных агрегатов и построение абстрактных логико-математических
моделей. При этом модели делят на вещественно-технические
и логико-математические.
В.А. Веников выделяет пять групп моделей в зависимости от
полноты и точности воспроизведения изучаемого явления.
Л о г и ч е с к и е модели – воспроизведение определенных физических соотношений при помощи уравнений или аналогий (модель атома программы для вычислительных машин).
Г е о м е т р и ч е с к и е модели – сохраняющие геометрическое подобие машин сооружений устройств и т.п. но не сохраняющие физической сущности явлений (макеты). Их главное
назначение – моделирование пространственных особенностей
Ф и з и ч е с к и е модели – воспроизведение физических
явлений в установке имеющей другой масштаб. Масштабом
в данном случае является не столько соотношение геометрических размеров сколько соотношение физических параметров объекта и модели. В модели воспроизводятся те же по физической
природе процессы но в иных количественных соотношениях.
(Например образцы бетона в лабораторных условиях.)
Физические модели могут быть полными и неполными. Полные
модели строят с соблюдением геометрического временного подобия
подобия полей физических величин и т.д. т.е. с соблюдением равенства всех критериев подобия описывающих процесс. Неполные модели допускают неравенство тех критериев подобия которые в данном
конкретном случае несущественны мало влияют на процесс.
Математические модели основанные на аналогичности дифференциальных уравнений описывающих разные по физической сущности явления. Их разделяют на модели-аналоги
и структурные математические модели. Так электрическая модель
маятника – пример модели-аналога. Здесь используется идентичность соотношений различных параметров неодинаковых по своей
физической сущности. Однако для расчетов такие модели не применяют. В случае необходимости расчетов строят структурные модели. Они могут быть электрическими механическими и смешанными. (Например ЭВЦ и другие вычислительные машины.)
Физические и математические модели взаимно дополняют
друг друга. Физические модели позволяют проводить теоретическое изучение процессов до уровня вывода дифференциальных
уравнений описывающих процесс. Решение полученных уравнений можно проводить с помощью математических моделей.
Ц и ф р о в ы е модели – установки составленные из цифровых вычислительных машин построенные по определенной
программе являющейся логической моделью.
В зависимости от задач познания модели могут выполнять роль
структурных или функциональных динамических или статических.
По воспроизводимым свойствам объекта изучения модели делят
на субстратные структурные и функциональные. Это значит что подобие объекта и модели может быть задано с помощью различных
типов критериев в зависимости от целей и задач исследования.
Воспроизводимым признаком может быть субстрат (материал) изучаемого объекта. Например субстратными моделями
являются образцы строительных материалов полученные в лабораторных условиях. Воспроизводимым признаком может быть
структура объекта например лабораторная модель технологического процесса где отдельные составные части выполнены
в виде установок не являющихся геометрическими и физическими моделями реальных установок. Наконец воспроизводимым
признаком может быть способ функционирования объекта. Тогда
модель может быть построена из иного субстрата (материала)
чем оригинал не быть подобной ему геометрически и физически
но должна выполнять те же функции. (Например плавка металла
с помощью различных способов нагрева измельчение материалов
с одинаковой степенью в разных по конструкции устройствах.)
Модель может быть структурной не являясь субстратной но
обязательно должна быть функциональной. Модель обладающая
cубстратным структурным и функциональным подобием называется комплексной.
Особенно часто при построении различных моделей приходится менять их субстрат т.к. бывает невозможно построить модель из
того же субстрата что и моделируемое явление процесс аппарат.
Структурные модели позволяют менять степень абстракции в широких пределах т.к. эти модели раскрывают внутреннюю организацию объекта. Один и тот же объект может иметь несколько структурных моделей организации на различных уровнях. Структурное
моделирование может быть и материальным и идеальным.
Функциональное моделирование позволяет изучать функции
т.е. поведение изучаемого объекта. Степень абстракции функциональных моделей может меняться еще более широко чем структурных.
Здесь также может быть выделено несколько уровней функционирования. Эти модели также могут быть материальными и идеальными.
Результаты исследований функциональных моделей носят вероятностный характер. Тем не менее функциональные модели находят широкое применение на практике. Идеальное функциональное моделирование называют стохастическим моделированием.
Основные типы моделей процессов и аппаратов представлены на
рис 2.2. Нет необходимости доказывать огромное значение моделирования не только в науке о процессах и аппаратах или вообще в научных исследованиях но и в самых разнообразных отраслях техники.
Рис. 1. Классификация моделей
Недооценка возможностей моделирования приводит к печальным а порой трагическим результатам.
Приведем пример из истории кораблестроения. В 1870 г.
в Англии был построен броненосец «Кэптен». Могучий красавец-корабль еще в проекте был с восторгом принят английским
адмиралтейством на вооружение. Он имел необычный вид – толстую броню низкие борта высокие железные мачты. Известный
английский кораблестроитель Рид взял под сомнение мореходные
качества корабля. Он построил модель броненосца и исследовав
ее заявил адмиралтейству что корабль неизбежно перевернется.
Однако адмиралы не прислушались к мнению ученого корабль
был выпущен в плавание безо всяких исправлений и переделок.
И в сентябре 1870 г. в тихую погоду «Кэптен» опрокинулся вверх
дном. Из 150 человек команды остались в живых 17.
Краткое содержание главы 2
Процессы и аппараты рассматриваются в теории подобия как
объекты обладающие геомет риче ским в р е м е н н ы м ф и з ич е ским подобием условий однозначности. Они могут быть описаны на основании специальных форм анализа дифференциальных уравнений описывающих процессы. Для этого уравнения
дополняются условиями однозначно ст и включающими н а ч а льные и граничные условия. Дифференциальное уравнение
в совокупности с условиями однозначности выделяет из целого
класса процессов один конкретный процесс.
Теоремы подобия устанавливают возможность получения
безразмерных комплексов величин характеризующих процесс.
Эти комплексы могут быть получены подобным преобразованием дифференциальных уравнений описывающих процесс
и называются критериями подобия. Для подобных процессов
критерии подобия равны. Критерии подобия могут быть о п р е д еляющими и определяемыми. Между ними существуют
функциональные зависимости на основании которых могут быть
получены критериа льные уравнения описывающие процессы методами подобия. Параметры этих уравнений находят экспериментально.
При отсутствии описывающих процесс дифференциальных
уравнений критерии подобия могут быть получены методом а н а л из размерно стей. Для определения числа возможных критериев подобия применяют -теорему на основании которой число
критериев подобия равно числу размерных величин характеризующих процесс за вычетом числа первичных единиц измерения
входящих в эти величины.
Эксперименты для нахождения постоянных критериальные
уравнения ставят основываясь на теори и м од е л и р о ва н и я .
модели должны обладать максимально возможным количеством
критериев подобия равных тем же критериям изучаемого объекта.
Модели для таких экспериментов должны быть функциональными или структурными. Наиболее полные данные могут
быть получены при математической обработке результатов экспериментов с помощью ЭВМ (компьютеров).
Условия однозначности – начальные и граничные условия при
которых протекает конкретный процесс выделяющие этот процесс
из большого числа однородных процессов. Они включают:
– начальные условия т.е. условия существовавшие в момент
начала изучения процесса;
– граничные условия – условия существующие на границах
объема (пространства) в котором протекает процесс.
Критерии подобия – безразмерный комплекс величин описывающих процесс.
Определяющий критерий – критерий составленный только
из параметров входящих в условия однозначности.
Определяемый критерий – критерий в который входит хотя
бы один пароаметр не входящий в условия однозначности.
Критериальное уравнение – уравнение составленное из критериев подобия. Обычно зависимость между определямым и определяющими критериями представляют в виде степенной функции. Показатели степени и коэффициент пропорциональности
этого уравнения определяют экспериментально.
Модель – аналог исследуемого объекта обладающий определенными формами подобия с оригиналом.
Функциональная модель – модель воспроизводящая функции
Структурная модель – модель воспроизводящая структуру
Знаковая модель – модель воспроизводящая объект с помощью графических знаков – букв цифр чертежей графиков и т.п.
Физическая модель – модель воспроизводящая физические
Идеальная модель – модель отображающая представления
исследователя об объекте.
Математическая модель – модель отображающая свойства
объекта в виде уравнений формул или численных величин.
Механические процессы
Цель изучения раздела: результатом изучения материала
главы должно быть знание механизма разрушения материала на
атомно-структурном уровне знание закономерностей измельчения гипотез Кика – Кирпичева Реттингера Бонда Ребиндера.
Изучивший материал раздела должен знать определение понятий «степень измельчения» «средний диаметр». Он должен
знать способы организации процесса измельчения уметь выбирать тип измельчительного механизма в зависимости от свойств
измельчаемого материала и требуемой степени измельчения.
Необходимо также знание конструкции измельчительных
аппаратов для различных типов измельчения умение рассчитать
угол захвата требуемую мощность и число оборотов двигателя
для измельчительных механизмов крупного дробления.
Кроме того изучивший главу должен уметь назначить тип
грохота для получения из сыпучей смеси материала с заданным
гранулометрическим составом а также рассчитать состав зернистого заполнителя для бетона и асфальтобетона.
В технологии строительных материалов механические процессы являются основными в технологических оперaциях измельчения твердых материалoв и механической классификации
продуктов измельчения.
Теоретически основы измельчения опираются на теорию
и дефектам реальная прочность твердых кристаллических материалов на несколько порядков ниже теоретически расчетной.
Измельчение связано с деформацией тела и образованием
новых поверхностей раздела. В зависимости от размера измельчаемых кусков материала работа затрачиваемая на измельчение
складывается в большей или меньшей степени из работы деформации и работы образования новых поверхностей. При этом общие затраты энергии на измельчение возрастают при увеличении
степени измельчения материала.
Технология измельчения включает крупное среднее и мелкое
дробление тонкое и сверхтонкое измельчение. Первые три вида
измельчения осуществляют в дробилках различной конструкции.
Тонкое и сверхтонкое измельчение производят в мельницах и потому называют помолом.
При измельчении независимо от степени реализуются четыре вида механических воздействий на материал: раскалывание
раздавливание истирание и удар. Выбор типа механического воздействия зависит от крупности и механических свойств измельчаемого материала: твердости прочности истираемости.
Измельчение может быть организовано следующими способами:
– в открытом цикле когда куски материала проходят каждый
через измельчитель только один раз;
– в замкнутом цикле: от измельченного материала отсевают
крупные куски и возвращают их в тот же измельчитель для повторного измельчения;
– комбинированным когда на первой стадии измельчения материал проходит через открытый цикл а на следующей стадии –
Измельчение может осуществляться в одну или несколько
Для крупного дробления применяют щековые и конусные
дробилки. Основными характеристиками дробилок являются
угол захвата число качаний (оборотов) дробящего органа мощность привода и производительность.
Для среднего и мелкого дробления применяют валковые или
камерные дробилки различных конструкций. Для мелкого дробления используют дезинтеграторы и дисмембраторы.
Помол осуществляют в барабанных шаровых или стержневых
мельницах а также в галечных и мельницах самоизмельчения.
При сверхтонком измельчении применяют вибрационные
струйные маятниково-роликовые струйные мельницы.
В последние годы появились новые конструкции мельниц:
пружинные центробежные.
Классификация зернистых материалов необходима для разделения на классы по крупности с целью получения оптимального гранулометрического состава зернистой смеси.
Классификацию проводят на грохотах и ситах. Используют
два способа организации классификации в зависимости от цели:
от мелкого к крупному или от крупного к мелкому.
Для получения оптимального гранулометрического состава
зернистой смеси производят расчеты или подбирают такой состав экспериментально.
Дислокация – нарушение порядка в кристаллической решетке при котором образуется не заполненная атомами (ионами) часть
плоскости – краевая дислокация – или смещение кристаллических
плоскостей относительно соседних – спиральная дислокация.
Дефект кристаллической решетки – включение в кристаллическую решетку «чужих» узлов – атомов или ионов другого типа чем те
из которых по своей химической природе должен состоять кристалл.
Гипотеза Кика – Кирпичева – теория измельчения согласно
которой работа измельчения пропорциональна деформации измельчаемого куска материала.
Гипотеза Реттингера – теория измельчения связывающая
величину работы измельчения с величиной образующейся новой
Уравнение Бонда – формула связывающая работу измельчения как с деформацией так и с величиной вновь образуемой поверхности.
Теория Ребиндера – положение согласно которому величина
затрачиваемой работы при измельчении изменяется на разных стадиях измельчения: чем выше степень измельчения на каждой последующей стадии тем больше требуется произвести работы для
получения одного и того же количества измельченного материала.
Степень измельчения – отношение исходного размера кусков материала к размеру кусков продукта полученного при измельчении.
Угол захвата – угол между поверхностями рабочего органа
измельчителя обеспечивающий прохождение кусков материала
через измельчитель (захват).
Грохочение – процесс разделения сыпучего материала на
классы по крупности путем просеивания через одно или несколько сит (грохотов).
Модуль набора сит – отношение диаметра отверстий сита
к диаметру отверстий следующего сита в сторону уменьшения.
Просев или подрешеточный продукт – материал прошедший сквозь сито.
Отсев или надрешеточный продукт – материал не прошедший сквозь сито.
Эффективность грохочения – отношение содержания полезного продукта в просеве к теоретическому (т.е. установленному
анализом) содержанию полезного продукта в смеси.
Цель изучения раздела: результатом изучения темы должно
быть знание основ гидростатики и гидродинамики понимание физического смысла уравнений равновесия Эйлера закона Паскаля уравнений гидродинамики; знание практических приложений теоретических положений гидродинамики. Изучивший раздел должен уметь
составлять критериальные уравнения гидродинамических систем в
зависимости от их конкретных характеристик.
Гидромеханические процессы описываются наукой гидравликой которую можно подразделить на две части: гидростатику
описывающую статическое состояние жидкости и гидродинамику описывающую закономерности движения жидкостей.
При этом жидкости рассматривают как реальные так и идеальные. Идеальной жидкостью называют гипотетическую несжимаемую и не имеющую вязкости (т.е. внутреннего трения) жидкость.
Реальные жидкости представлены капельными имеющими
вязкость но практически несжимаемыми и упругими сжимаемыми но имеющими небольшую вязкость которой при скоростях меньших чем скорость звука можно пренебречь. Реальные
упругие жидкости – это газы и пары. Поведение упругих жидкостей при скоростях выше звуковой описывает аэродинамика.
Подавляющее большинство жидкостей применяемых в технологии строительных материалов являются капельными.
Капельные жидкости подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона называют ньютоновскими. Жидкости имеющие другие закономерности внутреннего трения называют неньютоновскими. Многие материалы применяемые в технологии строительных
материалов являются неньютоновскими жидкостями: бетонные
и растворные смеси керамические формовчные массы и т.п.
Одна из основополагающих закономерностей гидростатики
связана с системой уравнений равновесия Эйлера из которой выводится основной закон гидростатики являющийся вариантом
закона сохранения. Из основного закона выводят закон Паскаля
который постулирует что в покоящейся жидкости давление передается по всем направлениям одинаково. Следствиями из закона
Паскаля являются: принцип сообщающихся сосудов принципы
работы гидравлических машин вывод о независимости гидростатического давления от формы сосуда.
Гидродинамика рассматривает закономерности течения жидкости в потоке. Поток может быть стационарным (установившимся) или нестационарным (неустановившимся).
Поток описывается скоростью расходом и субстанциональной производной которая по сути является производной изменяющейся по ходу движения жидкости в потоке; поток характеризуется также режимом движения.
Режим движения жидкости может быть ламинарным или турбулентным. В ламинарном потоке все слои жидкости движутся параллельно хотя и с разными скоростями не перемешиваясь между
собой. В турбулентном потоке слои перемешиваются движение на
некотором удалении от стенки канала (трубы) становится хаотичным. Эта часть потока называется ядром. Часть потока прилежащая к стенке состоит из ламинарного и переходного подслоев.
Жидкость в турбулентном потоке приобретает дополнительную составляющую вязкости называемую турбулентной.
Режим течения жидкости в потоке характеризуется с помощью критерия Рейнольдса. Значения критерия Рейнольдса при
котором происходит срыв потока в турбулентность называют
Распределение скоростей по сечению потока подчиняется закону Стокса и носит параболический характер. При этом средняя
скорость потока в соответствии с уравнением Пуазейля равна половине максимальной скорости имеющей место вдоль оси потока.
Для турбулентного потока таких зависимостей нет. Для такого потока можно получить уравнение неразрывности потока из
которого следует что скорости в разных сечениях потока обратно
пропорциональны величине этих сечений.
Поток жидкости подчиняется закономерностям описываемым системой уравнений движения Эйлера. Эти уравнения однако выведены для идеальной жидкости и не учитывают внутреннее трение. Поведение реальной жидкости обладающей вязкостью описывается системой уравнений Навье – Стокса.
Одним из решений системы уравнений движения Эйлера является уравнение Бернулли устанавливающее постоянство суммы пьезометрического гидравлического и скоростного напора
в различных точках неразрывного потока.
Это уравнение является теоретической основой устройств для
измерения скорости и расхода потоков жидкостей. С его помощью
также решаются задачи связанные с истечением жидкостей.
Реально сумма пьезометрического гидравлического и скоростного напора в достаточно удаленных сечениях потока неодинакова. Разность между этими суммами называют потерями напора.
Потери возникают вследствие гидравлических сопротивлений.
Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводах является важной технической задачей. Для ламинарного потока уравнение связывающее потери давления с гидродинамическими характеристиками потока может быть получено аналитически. Из этого
уравнения находят коэффициент трения. Для турбулентного потока такое уравнение аналитически получить не удается. Однако эта
задача может быть решена путем подобного преобразования системы уравнений Навье – Стокса в результате которого получается
критериальное уравнение связывающее критерий Эйлера с критериями Рейнольдса и Фруда. Коэффициент трения на основании решения критериального уравнения получают как функцию режима
течения потока поэтому он может принимать различные значения
для различных режимов пока не наступает такой режим при котором коэффициент трения уже не зависит от величины критерия
Рейнольдса. Этот режим называют автомодельным.
При выборе оптимального диаметра трубопровода учитывают не только гидродинамические характеристики жидкости
и труб но и экономические показатели: затраты на устройство
и эксплуатацию трубопровода. Первые тем ниже чем меньше
диаметр трубы (меньше расход материала самой трубы изоляционных материалов и пр.); вторые наоборот тем ниже чем
больше диаметр трубы (меньше гидравлические сопротивления
меньше требуемая мощность для транспортировки жидкости).
Оптимальное решение находят как компромисс при котором сумма затрат минимизирована.
Гидромеханика (гидравлика) – совокупность гидростатики
Гидростатика – наука о равновесном состоянии жидкостей
Гидродинамика – наука о течении жидкостей.
Идеальная жидкость – гипотетическая несжимаемая жидкость не имеющая вязкости.
Реальные жидкости – капельные и упругие жидкости.
Капельная жидкость – практически несжимаемая жидкость
обладающая вязкостью.
Упругая жидкость – сжимаемая жидкость обладающая исчезающе малой вязкостью при атмосферном давлении; при скоростях меньше скорости звука это газы и пары.
Ньютоновские жидкости – жидкости подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона; неньютоновские жидкости – не подчиняющиеся этому закону. Последние разделяют на
три группы: вязкие (стационарные) – бингамовские псевдопластичные дилатантные; нестационарные – тиксотропные и репектантные; вязкоупругие – максвелловские.
Гидростатическое давление – давление зависящее только от
Пьезометрическое давление – давление зависящее от высоты уровня жидкости над плоскостью сравнения (для реальных
измерений – над уровнем мирового океана).
Принцип сообщающихся сосудов – принцип устанавливающий обратную пропорциональность уровня и плотности сообщающихся жидкостей.
Объемный расход – объем жидкости прошедшей через сечение потока в единицу времени м3с в СИ.
Массовый расход – масса жидкости прошедшей через сечение потока в единицу времени кгс в СИ.
Гидравлический радиус – отношение площади сечения
некруглого канала к смоченному периметру сечения.
Эквивалентный диаметр – для некруглого сечения – учетверенный гидравлический радиус.
Стационарный или установившийся поток – поток характеристики которого не изменяются во времени.
Нестационарный или неустановившийся поток – поток характеристики которого изменяются во времени.
Субстанциональная производная – полная производная любого свойства жидкости (скорости плотности давления температуры концентрации растворенного вещества и т.п.) по времени
и координатам точки движущейся вместе с потоком.
Ламинарный поток – поток в котором любой слой жидкости
движется параллельно любому другому слою и оси потока без
перемешивания различных слоев.
Турбулентный поток – поток в котором слои жидкости перемешиваются. Такой поток имеет ламинарный слой вдоль стенки
канала (трубы) переходный слой в котором ламинарность уже
нарушена и ядро потока в котором турбулентность развита в той
Турбулентная вязкость – дополнительная составляющая внутреннего трения в жидкости при турбулентном режиме течения появляющаяся за счет непараллельности движения частиц в таком потоке.
Не является физико-химической характеристикой жидкости.
Скоростной напор – составляющая давления возникающая
при движении жидкости.
Потерянный напор – разность скоростных напоров в различных сечениях потока.
Коэффициент сопротивления трения – величина показывающая во сколько раз потерянный напор потока отличается от
Коэффициент трения – множитель обратно пропорциональный критерию Рейнольдса входящий в коэффициент сопротивления
трения; зависит таким образом от режима течения жидкости.
Цели изучения раздела: В результате изучения материала
студенты должны понимать терминологию связанную с теплопереносом физический смысл уравнений законов теплопроводности конвективного и лучистого теплообмена уметь получать из
дифференциальных уравнений тепловые критерии подобия составлять критериальные уравнения теплообменных процессов.
Необходимо также знание закономерностей теплопередачи
при ламинарном и турбулентном течении жидких теплоносителей; знание способов нагревания и видов нагревающих агентов
в различных технологических процессах производства строительных материалов.
Теплообменные процессы происходят под действием разности температур. Они могут осуществляться с помощью лучистого теплообмена за счет теплопроводности и конвекции.
В реальных условиях имеют место все три варианта переноса
тепла. Для расчета тепловых процессов и аппаратов необходи39
мо установить величину теплового потока и размер поверхности
теплообмена. Тепловой поток определяют на основе теплового
баланса который является вариантом закона сохранения энергии.
Поверхность теплообмена определяют из основного уравнения
Перенос тепла теплопроводностью описывается законом
Фурье и дифференциальным уравнением теплопроводности.
Теплопроводность зависит также от формы тела в котором распространяется тепло.
Тепловое излучение является частным случаем электромагнитного излучения и потому подчиняется всем законам такого излучения: прямолинейность распространения закон отражения поглощения и преломления. Основные законы характеризующие лучистый
теплообмен – закон Стефана – Больцмана и закон Кирхгофа.
При конвективном теплообмене перенос тепла связан с гидродинамическими условиями. Теплопроводность движущейся
жидкости зависит не только от ее физико-химической природы
но и от режима ее течений. В турбулентном потоке появляется
дополнительная составляющая теплопроводности – турбулентная теплопроводность.
Описание переноса тепла в турбулентном потоке и решение
задач возникающих при таком способе передачи тепла весьма
сложны. По этой причине для решения подобных задач применяют подобное преобразование уравнений теплопередачи получая
тепловые критерии подобия. Из этих критериев составляют критериальные уравнения включающие условия однозначности для
конкретных процессов. На основе решений критериальных уравнений определяют необходимые параметры реальных тепловых
процессов и аппаратов.
В промышленности строительных материалов в качестве теплоносителей для нагрева используют водяной пар воду топочные газы
и нагревание электрическим током. Нагревание водяным паром применяется в производстве железобетонных конструкций автоклавных
материалов. Топочные газы в основном используются в производстве керамики портландцементного клинкера стекла и т.п.
В некоторых технологических процессах в производстве строительных материалов используют охлаждение водой или воздухом.
Теплоноситель – тело участвующее в теплообмене; более нагретый – горячий менее нагретый – холодный.
Теплопроводность – перенос тепла за счет теплового движения частиц.
Тепловое излучение – электромагнитное излучение в диапазоне 8–40 мм.
Конвекция – перенос тепла за счет движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости (газа). Свободная конвекция – конвекция возникающая за счет разности температур
и плотностей в разных частях объема; вынужденная – конвекция
возникающая за счет принудительного перемешивания.
Тепловой поток – количество тепла переданное в единицу
времени через поверхность теплообмена.
Энтальпия – теплосодержание единицы массы теплоносителя при данной температуре.
Температурный напор – разность температур между горячим
и холодным теплоносителями.
Коэффициент теплопередачи – количество тепла перенесенное от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через поверхность в 1 м2 при тепловом напоре в 1 q.
Температурное поле – совокупность всех значений температуры во всех точках пространства в заданный момент времени.
Изометрическая поверхность – поверхность с равными температурами.
Температурный градиент – производная температуры по
нормали к изотермической поверхности; векторная величина обратная по направлению к тепловому потоку.
Цель изучения раздела: В результате изучения раздела студент должен знать законы массопередачи уметь объяснить что
такое рабочая линия процесса число переноса уметь составить
критериальное уравнение масообмена для конкретного случая.
Массообменные процессы связаны с переносом вещества из
одной фазы в другую через поверхность контакта между этими
фазами. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций. К массообменным процессам относят абсорбцию адсорбцию экстракцию ректификацию сушку
кристаллизацию растворение и плавление. В технологии строительных материалов встречаются (в различных технологических
операциях) сушка растворение кристаллизация из растворов
и расплавов и плавление.
Основное уравнение массопереноса устанавливает взаимосвязь между количеством перенесенного вещества движущей
силой процесса площадью поверхности раздела фаз и временем
протекания процесса.
Перенос вещества через границу раздела происходит до тех
пор пока не установятся равновесные концентрации переносимого
вещества во вмещающих его фазах. При достижении равновесной
концентрации наступает динамическое равновесие т.е. вещество
с равной скоростью переносится из отдающей фазы в воспринимающую и обратно. Разность между равновесной концентрацией и концентрацией текущей (т.е. существующей в каждый данный момент)
и является движущей силой процесса. Движущая сила изменяется по мере приближения к равновесной концентрации. Уравнение
связывающее текущую концентрацию и движущую силу линейно
его график называют рабочей линией процесса. Рабочая линия выражает материальный баланс массообменного процесса.
Величина движущей силы может быть определена также
числом переноса – это число показывающее как изменится текущая концентрация при изменении движущей силы на единицу.
(Концентрация может быть выражена в процентах по массе или
объему в граммах на единицу объема в молях на единицу объема в грамм-эквивалентах или в мольных (молярных) процентах.
В таких же единицах выражают и движущую силу.)
Массообменные процессы описываются законами Фика
Поскольку перенос вещества из одной фазы в другую связан
с диффузией кинетическим коэффициентом в уравнениях этих
законов являются коэффициенты диффузии.
Однако получить точные решения массообменных задач эти
законы могут позволить только после подобного преобразования дифференциальных уравнений выражающих эти законы.
Подобное преобразование дает возможность получить критерии
подобия которые называют диффузионными. Диффузионные
критерии подобия по форме аналогичны тепловым критериям
и часто носят те же названия.
Наиболее сложным для математического описания случаем
массопереноса является массообмен в системах с твердой фазой
когда вещество диффундирует и в жидкой и в твердой средах.
Именно этот случай и является наиболее распространенным
в технологии стройматериалов.
Массоперенос (массообмен) – перенос вещества из одной
фазы в другую через поверхность контакта между фазами.
Отдающая фаза – фаза из которой вещество переходит
Воспринимающая фаза – фаза в которую переходит вещество.
Распределяемая фаза – переносимое вещество.
Равновесная концентрация – такая концентрация вещества при которой количество вещества перешедшее из отдающей
фазы в воспринимающую становится равным количеству его переходящему в обратном направлении.
Рабочая линия процесса – прямая на графике выражающая
взаимосвязь между равновесной и текущей концентрациями.
Число переноса – величина показывающая насколько изменится концентрация вещества при изменении движущей силы
процесса на единицу.
Коэффициент диффузии – число показывающее какое количество вещества продиффундирует через единицу поверхности
в одну секунду при движущей силе равной единице. Он не является постоянной величиной и изменяется с изменением температуры давления концентрации веществ их молекулярной массы
вязкости жидкости в которой происходит массообмен и т.д.
Массопроводность – диффузия молекул вещества внутри
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
Цель изучения раздела: Усвоение представлений о технологическом процессе как системе. Усвоение основ системного подхода к проектированию предприятий строительных материалов.
Получение представлений об описании технологических операций
на основе анализа элементарных процессов и их описание с помощью
критериальных уравнений. Формирование представлений о функциональном подходе к автоматизации технологических процессов и аппаратов. Умение составлять схему-задание на автоматизацию.
1. Элементы системного подхода
1.1. Предприятие строительных материалов как система
Процесс производства строительных материалов представляет
собой производственный комплекс результатом деятельности которого является продукция в виде материалов или изделий строительного
назначения. Этот комплекс есть вероятностная система определенной
сложности. Такая система должна обладать рядом признаков:
– определенной целостностью
– большими размерами
– вероятностно предсказываемым состоянием и поведением
– непрерывным развитием
– большим объемом информации.
Для изучения и анализа связей элементов и явлений системы «предприятие стройматериалов» используется теория систем.
Метод исследования основанный на этой теории называется
При системном подходе любую задачу рассматривают с точки зрения влияния ее объекта на всю систему.
Процессы рассмотренные нами в предыдущих лекциях являются элементарными. Технологический процесс является совокупностью элементарных процессов которые протекают в ходе
отдельных операций. Технологическая операция – часть технологического процесса направленная на изменение свойств сырье44
вых материалов (или их состояния) при помощи ряда воздействий
на эти материалы. Каждое воздействие на сырье осуществляется
с помощью элементарных процессов. Каждая технологическая
операция (передел) имеет вполне определенное назначение – подготовку материала для передачи его на следующую операцию.
Назначение всего технологического процесса в целом – получение из сырьевых материалов готовой продукции.
Технологический процесс должен обеспечить получение
максимального количества готового продукта с наименьшими затратами сырья энергии и финансовых средств.
Эта задача выполняемая технологами предприятия может
быть решена на основе системного подхода.
В каждом технологическом процессе неразрывно связаны
технологические и экономические факторы. Оптимальное соотношение этих факторов обеспечивается правильным выбором отдельных операций и аппаратуры для их осуществления а также
их последовательности. С правильным выбором технологических операций составляющих технологический процесс тесно
связано качество готовой продукции. Качество материала (полуфабриката) полученного в результате каждой операции зависит
от оптимального режима протекания элементарных процессов
имеющих место при осуществлении этих операций.
Управление технологической операцией возможно только
путем воздействия на ход элементарных процессов. В каждой
операции однако могут одновременно происходить элементарные процессы разных типов. Так при смешивании бетонной смеси осуществляется механический гидродинамический массобменный и теплообменный процессы. Однако на качество смеси
последние два в данном случае не влияют поскольку массообмен
за время смешивания еще далеко не завершен а теплообмен незначителен и им здесь можно в большинстве случае пренебречь.
Качество смеси зависит от механического перемещения смеси
и гидродинамических условий ее движения поскольку в процессе
участвует жидкость. В то же время гидродинамический процесс
при смешивании возбуждается механическим перемещением
смешиваемых компонентов. По этим причинам чтобы управлять
операцией смешивания наиболее надежно необходимо воздействовать на механическую составляющую из всех действующих
движущих сил конкретно в случае управления качеством смеси
на действующей технологической линии можно изменять время
перемешивания скорость движения лопастей смесителя последовательность подачи компонентов гранулометрический состав
зернистых компонентов и т.п. Таким образом управляющим элементарным процессом в этой операции является механический.
Рассмотрим для примера технологический процесс получения строительного гипса. После добычи сырья – гипсового
камня – в условиях завода по производству строительного гипса
технологический процесс складывается из следующих операций:
дробление сырья; 2. помол сырья; 3. обжиг (варка) сырья.
При заданной производительности завода дробильное отделение должно обеспечить получение вполне определенного количества гипсового щебня с необходимым средним размером кусков.
Очевидно что добиться этого возможно только выбором соответствующих дробилок. Дробилки должны обеспечить получение щебня в нужном количестве и нужного качества (фракционный состав
щебня) при минимальных затратах энергии и капитальных затратах (т.е. минимальной стоимости самих дробилок). При несоблюдении этих условий либо будет нарушен технологический процесс
либо возрастет стоимость конечной продукции. Так если гипсовый щебень окажется крупнее оптимального увеличится время
его помола следовательно возрастут затраты энергии на помол.
Если же сохранить время помола то изменится тонкость помола
а это приведет к ухудшению качества готового гипса.
При помоле должны быть соблюдены те же требования т.е.
эта операция должна обеспечить получение в единицу времени
заданного количества порошка гипса с заданной тонкостью помола при наименьших энергетических и капитальных затратах.
Любое отклонение режима помола от оптимального приводит
либо к удорожанию продукции либо к ухудшению ее качества
либо к тому и другому сразу.
Следующая операция – обжиг – должна отвечать тем же требованиям что и две предыдущие.
Из сказанного вытекает что высокое качество продукции
и низкая ее стоимость обеспечиваются выбором аппаратуры для
проведения каждой технологической операции оптимальным режимом протекания каждой операции. В совокупности это означает
что технологический процесс в целом должен обеспечить высокую
производительность высокачественной продукции с наименьшими
затратами. Наибольшую производительность получают при непрерывных технологических процессах. Основные технологические
операции при получении строительных материалов: измельчение
сырья – дробление или помол (или то и другое); перемешивание –
приготовление бетонной смеси керамической массы шлама пульпы и т.д.; формование – прессование экструзия виброуплотнение
литье центрифугирование иногда сочетание нескольких видов
формования; тепловая обработка – сушка обжиг пропаривание
автоклавная обработка.
Последовательность операций и их количество различны при
получении разных материалов. Так при получении заполнителей
применяют только измельчение (и классификацию которую также можно рассматривать как отдельную операцию).
При производстве портландцемента используют измельчение перемешивание сушку обжиг (здесь сушка и обжиг совмещены в одном аппарате) снова измельчение. При производстве
бетонных и железобетонных изделий – перемешивание формование тепловую обработку. Кроме того в каждом технологическом
процессе используются вспомогательные операции – дозировка
загрузка выгрузка транспортирование и т.п.
Каждая технологическая операция представляет собой совокупность нескольких элементарных процессов.
Кроме того ряд операций предназначен для поддержания
в оптимальном состоянии оборудования. Например для устойчивой работы ленточного пресса в производстве керамического
кирпича пластическим формованием необходимо периодически
производить наваривание сносившейся кромки шнека. Необходим
периодический ремонт или замена тех или иных деталей различных аппаратов. Такие операции называются обслуживающими.
Вся совокупность основных вспомогательных и обслуживающих технологических операций и составляет систему «предприятие строительных материалов».
Однако все эти операции еще не полностью определяют
такую систему. Для устойчивого функционирования системы
необходима работа еще целого ряда служб подразделений и отдельных работников которые обеспечивают снабжение и сбыт
производят экономическое и финансовое обеспечение работы
предприятия поддерживают оптимальное соотношение и благополучное состояние различных контингентов работающего персонала – рабочих ИТР административных работников и т.п.
Все эти службы и подразделения также составляют неотъемлемую часть системы и от их состояния в немалой степени зависит функционирование технологического процесса.
Вся система работает таким образом что изменения происходящие в любом из ее элементов – возмущения – проявляются
на выходе системы в виде изменения количества качества или
себестоимости готовой продукции – как отклик.
Хорошо известно что даже сезонные изменения погоды вызывают изменение качества многих видов продукции. Элементами
системы являются технологическая и трудовая дисциплина
состояние здоровья персонала своевременная выплата зарплаты
Однако наиболее важной частью системы является технологический процесс. Непосредственная задача технолога состоит
в том чтобы своевременно регистрируя возмущения возникающие в отдельных операциях таким образом изменять элементы
технологического процесса чтобы в целом свойства готовой продукции отвечали нормативным.
Такое воздействие технолога на систему является регулированием системы или управлением системой. Для осуществления
управления необходимо иметь представление о закономерностях
функционирования как технологического процесса в целом так
и отдельных операций его составляющих.
При проектировании технологических процессов также необходим системный подход к планируемому производству. При этом
чтобы представить систему «технологический процесс» проектировщик может построить модель этой системы отражающую те или
иные ее стороны. Весьма целесообразно начинать построение технологической схемы проектируемого производства с его функциональной модели затем перейти к построению структурной модели.
Рассмотрим принципы построения функциональной и структурной моделей на примере технологии производства железобетонных конструкций.
1.2. Функциональная модель
Функциональная схема производства является совокупностью операций необходимых для преобразования сырьевых материалов в конечную продукцию. Она является функциональной
моделью технологии. В то же время это графическая модель следовательно эта схема есть знаковая модель технологии.
Складывается функциональная модель в данном случае на
основе идеальной модели технологии возникающей в представлении проектанта при изучении литературы.
Таким образом чтобы построить функциональную схему
производства нужно представить какие операции и в какой последовательности необходимо осуществить чтобы преобразовать
сырьевые материалы в изделие. При этом изделие должно полностью соответствовать предъявляемым к нему техническим требованиям и иметь возможно меньшую себестоимость. Полный
набор операций составит технологический процесс производства
данного изделия. Чтобы управлять технологическим процессом
нужно воздействовать на ход операций из которых он состоит.
Для этого необходимо знать из каких элементарных процессов
складывается каждая операция. Среди этих процессов нужно выделить управляющие процессы изменяя течение которых можно
воздействовать на ход операций. Поэтому необходим анализ разработанной функциональной схемы с целью поиска возможностей управления технологическим процессом.
В качестве примера рассмотрим производство плит пустотного настила. Сырьевыми материалами для получения таких
плит служат портландцемент крупный и мелкий заполнители
вода арматурная сталь. Кроме того для их производства требуется электрическая и тепловая энергия. Чтобы преобразовать сырьевые материалы в готовое изделие необходимо:
а) изготовить арматурный каркас;
б) перемешать компоненты бетонной смеси;
в) подготовить форму для плиты;
г) установить каркас в проектное положение;
д) уложить бетонную смесь;
е) уплотнить бетонную смесь с учетом необходимости формирования пустот в плите;
ж) произвести тепловлажностную обработку отформованного изделия;
з) извлечь изделие из формы.
Перечисленным действиям соответствуют конкретные технологические операции каждая из которых складывается из элементарных процессов. Изготовление арматурного каркаса предусматривает
заготовку стержней сварку по заданной схеме и транспортировку
готового каркаса к месту укладки бетонной смеси. При этом осуществляется механический теплообменный (нагревание при сварке)
и массообменный (плавление металла при сварке) процессы.
Управляющими являются механический и массообменный
процессы т.к. именно воздействуя на кинетику этих процессов
можно управлять операцией изготовления каркаса.
Действительно от скорости резки арматурной стали скорости перемещения заготовок и от скорости расплавления и последующей кристаллизации металла при сварке зависит производительность этой операции.
Перемешивание компонентов бетонной смеси включает гидродинамический массообменный и теплообменный процессы.
Управляющим является гидродинамический процесс поскольку от его кинетики зависит производительность операции.
Перемешиванию смеси обязательно сопутствуют вспомогательные операции: транспортировка компонентов смеси их дозирование транспортировка готовой смеси к месту ее укладки. В этих
операциях управляющим элементарным процессом является механический т.к. производительность их зависит от скорости перемещения компонентов смеси или готовой смеси в пространстве.
Подготовка формы для плиты – операция включающая ряд
вспомогательных операций: чистку формы ее смазку установку
пуансонов-пустотообразователей и другой бортоснастки.
Скорость этих операций кроме смазки определяется механическими процессами. Смазка же включает кроме механического еще гидродинамический процесс – течение смазывающей
жидкости – которым в значительной степени контролируется
Установка каркаса в проектное положение включает лишь
один элементарный процесс – механический которым и определяется скорость этой операции.
Укладка бетонной смеси складывается из гидродинамического
процесса течения смеси. Однако само по себе течение бетонной
смеси в рассматриваемом случае происходить не может поскольку
для изготовления плит пустотного настила нужна жесткая смесь.
Тиксотропные свойства бетонной смеси обеспечивают ее растекание в форме под воздействием механических колебаний – вибрации. Поэтому управление гидродинамическим процессом течения
осуществляется с помощью механического вибрационного процесса который и следует считать управляющим. Одновременно
осуществляется уплотнение бетонной смеси которая обтекая пуансоны заполняет все свободное пространство формы.
Тепловлажностная обработка изделия включает теплообменный и массообменный процессы. Управляющим является теплообменный процесс.
Извлечение изделия из формы – операция слагающаяся из
механических процессов протекающих последовательно.
В данной операции механический процесс является управляющим.
Анализируя функциональную схему мы не затрагивали вопрос об оборудовании – механизмах аппаратах установках – используемом для осуществления тех или иных операций.
Более того мы даже не рассматривали вопрос о том каким образом мы собираемся осуществлять ту или иную операцию. В то же
время нам известно что каждая операция может быть осуществлена
различными способами. Так для изготовления арматурного каркаса
можно применить несколько различных способов сварки: точечную
сварку сварку под слоем флюса контактную или с помощью электрода и т.п. Смешивание компонентов бетонной смеси можно производить в смесителе периодического и непрерывного действия используя принудительное и гравитационное смешивание. Можно назвать
несколько различных способов формования изделия: вибрационный
вибропрессование штамповка экструзия.
Существует несколько способов тепловлажностной обработки: нагревание глухим или острым паром электропрогрев высокочастотный нагрев «холодный туман» и т.п.
Независимо от выбранного способа осуществления каждой
операции функция ее остается неизменной так же как и ее место
в последовательности операций. Таким образом функциональная
модель отвечает на вопрос «что сделать» для получения заданных
сырьевых материалов изделия с заданными свойствами. Чтобы
ответить на вопрос «как сделать» необходимо разработать структурную модель технологической линии.
1.3. Структурная модель
Для разработки структурной модели производства необходимо определить каким именно способом с помощью какого оборудования и инструмента следует осуществлять разработанный
технологический процесс. Как мы видели практически каждую из
операций можно осуществить различными способами применяя
разное оборудование. Задача проектировщика – определить какой
из способов осуществления каждой операции наиболее целесообразен в конкретных условиях проектирования. Другими словами
проектировщик должен определить наиболее оптимальный вариант осуществления разработанного технологического процесса.
В связи с этим встает вопрос о выборе критерия оптимальности.
В зависимости от цели проектируемого производства критерии
оптимальности могут быть различными. Однако в промышленности
строительных материалов продукция которой в большинстве случаев является массовой а критерии качества ее определены СНиПами
и ГОСТами критерием оптимальности производства чаще всего может служить себестоимость продукции при сохранении заданных
параметров качества. Так обстоит дело при проектировании новых
производств. При решении вопросов реконструкции существующих
производств в качестве критерия оптимальности может выступать
производительность при заданных критериях качества и сохранения
себестоимости. В целом ряде случаев в качестве критерия оптимальности может быть выбрано качество изделий при заданной производительности и возможно себестоимости продукции.
Таким образом выбор критерия оптимальности зависит
от конкретной цели проектирования. Сравнивая различные варианты структуры проектируемого производства по выбранному
критерию оптимальности проектировщик и должен решить вопрос о конкретной структурной схеме производства.
В рассмотренном в предыдущей главе примере целью проектирования является разработка новой технологической линии по
производству плит пустотного настила. Условимся что нам нужно получить плиты одного и того же типоразмера а производительность проектируемой технологической линии должна обеспечить потребности строительных организаций региона в плитах
этого типоразмера. Эта величина составляет несколько десятков
тысяч штук плит в год. Такие условия подсказывают нам что наиболее целесообразным для массового производства однотипных
изделий является конвейерный тип технологии.
Этим определяется и структура производства: все операции
должны быть расчленены в пространстве но выполняться одновременно. Эта структура может иметь несколько вариантов
в зависимости от имеющихся в распоряжении способов осуществления операций. Конвейер может быть вертикально замкнутым
и горизонтально замкнутым. При непрерывном формовании изделий например с помощью экструзии. Появится операция разрезки деталей которая в данном случае заменяет операции включающие распалубку изделий и подготовку форм поскольку при
экструзионном формовании потребность в формах отпадает.
В нашем примере изменение условий задачи может привести
и к изменению схемы производства при тех же критериях оптимальности. Так если будет поставлена задача производить плиты
пустотного настила различных типоразмеров более целесообразной может оказаться не конвейерная а агрегатно-поточная схема
производства. Эта схема более гибкая позволяет при небольшой
переналадке оборудования производить различные изделия на
одной и той же технологической линии. В нашем случае при агрегатно-поточном производстве переход с выпуска плит одного
типоразмера на другой потребует лишь переналадки форм.
В случае производства массивных изделий например длинномерных ферм изготовление которых агрегатно-поточным способом потребовало бы мощного и энергоемкого подъемно-транспортного оборудования оптимальным станет стендовый способ
организации технологического процесса. При этом способе большая часть операций совмещена в пространстве а выполняются
они последовательно одна за другой т.е. расчленены во времени.
Разумеется структурная модель производства может измениться
при изменении способа осуществления любой из операций.
Целесообразность выбора способа осуществления операций
должна определяться теми же критериями оптимальности что
и при решении вопроса о схеме всей технологической линии. Так
независимо от структурной схемы всей технологической линии
могут быть разработаны различные схемы приготовления бетонной смеси. Выбор этой схемы также диктуется соображениями
оптимальности технологии.
2. Технологические операции
и элементарные процессы
Измельчение (дробление и помол) складывается только из механических процессов. Нагреванием за счет трения в большинстве случаев можно пренебречь. Исключением из этого правила
является помол минерального сырья включающего двуводный
гипс последний за счет выделяющегося при помоле тепла может подвергнуться дегидратации с переходом в полуводный гипс.
В производстве портландцемента такая ситуация может привести к ложному схватыванию продукции. Но при различных видах
осуществляются одновременно несколько элементарных механических процессов – удар раскалывание истирание и раздавливание. Эффективность измельчения зависит от правильного выбора совокупности этих элементарных процессов применительно
к свойствам измельчаемого материала.
В настоящее время все большее число исследователей считают
что наиболее производительным аппаратом для тонкого измельчения – помола – являются шаровые мельницы. Они обеспечивают
заданную производительность при сравнительно небольших константах и энергетических затратах обеспечивая одновременно сравнительно высокое качество измельченного продукта. Однако измельчение в шаровых мельницах как и в других существующих ныне
измельчительных аппаратах происходит за счет сжатия материала.
Экспериментально установлено что энергия затрачиваемая на раз54
рушение материала сжимающими усилиями примерно в 1000 раз
больше чем энергия необходимая для разрушения растягивающими
усилиями (Rсж >> Rраст). При этом только 01 % энергии используется
для разрушения материала а 999 % – превращается в тепло. Но пока
не существует никаких предпосылок для конструирования аппаратов которые использовали бы принцип растяжения для разрушения
материалов. Поэтому пока увеличение доли энергии затрачиваемой
непосредственно на разрушение следует искать не в изменении принципа работы аппаратов а в оптимальном режиме измельчения.
Для мельниц наиболее существенными факторами влияющими на производительность являются коэффициент заполнения К
скорость вращения – число оборотов в минуту n и тонкость помола
материала а. В общем виде связь между этими величинами и производительностью аппарата может быть выражена в виде функции:
Относительно конкретного вида этой зависимости имеются немногочисленные и весьма противоречивые данные. Так на одних
предприятиях производительность возрастала с уменьшением числа
оборотов на других – возрастала с увеличением их числа. Важнейшей
задачей является исследование этой зависимости и разработка системы автоматического управления помолом для обеспечения его стабильного оптимального режима. В этой работе наиболее достоверные результаты могут быть получены при моделировании процесса
помола и самих мельниц на основе теории подобия.
2.2.1. аппараты с мешалками – смесители
Перемешивание – это соединение объемов различных веществ с целью получения однородной смеси (гомогенизация).
Для смешивания применяются аппараты с мешалками.
Существуют следующие типы мешалок:
) Турбинные (с прямыми загнутыми наклонными плоскостями);
) Пропеллерные (винт вентилятора);
) Мешалки обеспечивающие высокое напряжение сдвига
(диск диск с зубцами и т.д.);
Кроме того выделяют смесители с отражающими перегородками и без них. Для смешивания зернистых материалов существуют смесители следующих типов:
) смесители с вращающейся камерой:
а) горизонтальные барабанные
б) наклонные барабанные
д) V–образные (непрерывного действия);
) Смесители с неподвижной камерой:
а) с мешалкой шнекового типа
б) с лопастными мешалками
г) с планетарными мешалками
) Смесители с вращающейся камерой и мешалкой.
Выбор смесительного аппарата зависит от свойств смешиваемых материалов.
Смешивание – сложная операция включающая элементарные
процессы механического перемещения материала гидромеханические процессы и процессы массообмена а в ряде случаев – и теплообмена (перемешивание с нагреванием паропрогревом и т.п.).
2.2.2. Гидродинамика смешивания
Скорость жидкости в любой точке можно разложить на три
составляющих: радиальную wr осевую wz и тангенциальную wt
(т.е. в цилиндрической системе координат).
wz изменяется при изменении расстояния от лопастей в вертикальном направлении. wt изменяется при изменении и того
и другого расстояния. Циркуляция жидкости в аппарате с мешалкой может быть охарактеризована окружным (тангенциальным)
и радиально-осевым потоками.
Окружной поток характеризуется объемной производительностью (расходом Vс через радиальное сечение).
где Н – высота жидкости в сосуде R = D2 – внутренний радиус
сосуда drdz – элементарная площадка в радиальном сечении.
Второй вид циркуляции наиболее существенен для смешивания т.к. если эта циркуляция отсутствует смешивание не будет
происходить. Этот вид циркуляции может быть оценен при помощи расхода через горизонтальное сечение мешалки Vс.
где r и φ – координаты в цилиндрической системе координат; r0 – координата точки в которой циркуляции
Множитель 2 характеризует симметрию радиально-осевой циркуляции относительно лопастей мешалки.
Этот вид циркуляции связан с насосным эффектом мешалки который
заключается в перемещении жидкости вдоль оси мешалки и характеризу- Рис. 7. 1. Схема циркуляции
в аппаратах с мешалками
ется расходом Vp через условную контрольную поверхность dF1 и dF2:
где w+ и w– – скорости направленные внутрь объема описываемого мешалкой и наружу от него; α – угол между вектором скорости
и нормалью к контрольной поверхности в рассматриваемом месте. F1 и F2 – контрольные поверхности через которые жидкость
течет внутрь объема и наружу от него.
Установлена зависимость между расходом радиально-осевой
циркуляции и насосным эффектом:
Величина насосного эффекта может быть замерена экспериментально. Для смесей с твердой фазой такие замеры исключительно
сложны поэтому насосный эффект вычисляют. Однако решение дифференциальных уравнений типа (7.2) – (7.4) не может быть получено
аналитически. Поэтому для вычисления насосного эффекта используют метод анализа размерностей. В простейшем случае когда можно
пренебречь вязкостью и силой тяжести справедлива зависимость
В соответствии с принципом анализа размерностей
Подставив размерности получим
Поскольку функция должна быть однородной т.е. иметь одинаковую размерность обеих частей заключаем что а = 1 b = 3 е = 0.
Подставив в (7.6) имеем
Vp = And3 (критерий Стренка).
Безразмерный модуль Vp*nd 3 называется коэффициентом насосного эффекта Lр. Для подобия мешалок необходимо чтобы Lp1
Если учесть силу вязкости и силу тяжести а также некоторые
размеры аппарата (емкости) которые могут оказать влияние на
Vp* = f (n d ρ g l1 l2 ).
После преобразования методом анализа размерностей имеем
(т.к. nd = w – скорость как постоянная величина исключается) а d = l.
L p = f Re Fr 1 2 L .
Таким же способом можной найти зависимости для расчета
времени перемешивания смеси расчитать необходимую скорость
для получения однородной суспензии эмульсии мощности мешалки (и следовательно мощность двигателя).
Мощность N расходуемая на перемешивание – это энергия передаваемая перемешиваемой системой в единицу времени с помощью
мешалки и затрачиваемая на оборудование конвективных потоков
(вихрей). Эта энергия в конечном счете переходит в теплоту.
Из-за потерь в редукторе и других системах передачи мощность двигателя Nд должна быть больше мощности N.
где кпд – кпд редуктора.
Для расчета величины N следует учесть все факторы влияющие на перемешивание:
Подсчитав размерности получим
Выразим все показатели степени через с и е тогда
После подстановки в (7.13) имеем
N = C n3–2e–c3–2e–cρ1–cegd+5–2c–e
Nn3 d5ρ – модифицированный критерий Эйлера; nd2 ρ – модифицированный критерий Рейнольдса; n2dg – модифицированный критерий Фруда.
Поэтому Eu = ARe–cFr–e
Это критериальное уравнение описывающее мощность для
различных групп геометрически подобных мешалок.
В момент пуска необходимо преодолеть силы инерции смеси
и вращающихся частей аппарата (механические характеристики
процесса) и мощность мешалки может превысить рассчитанную
по уравнению (7.17). Эта мощность называется пусковой мощностью. В связи с этим возникает вопрос нужно ли предусматривать резервную мощность чтобы избежать перегрузок двигателя.
На этот счет нет единого мнения. Ряд авторов считают что этот
резерв мощности необходим. Другие полагают что современные
электродвигатели вполне могут выдержать кратковременные перегрузки поэтому резерв мощности не нужен.
Очевидно здесь надо исходить из условий конкретного случая.
Если обозначить время от момента включения двигателя до
момента когда будет достигнута постоянная скорость вращения
мешалки как время пуска то может возникнуть два случая.
Первый случай если допустимое время перегрузки двигателя g больше времени пуска или равно ему g > .
В этом случае резервная мощность не нужна.
Второй случай – когда g .
В этом случае нужен двигатель более мощный чем подобранный по расчету или должен быть установлен дополнительный
2.2.3. Массообменные процессы при смешивании
При смешивании систем с твердой фазой происходят массообменные процессы. Например при получении керамических
масс вода адсорбируется глинистыми материалами что вызывает
набухание глины. При приготовлении бетонной смеси происходит
гидратация цемента вода переходит в твердую фазу – клинкерные минералы а из твердой фазы в жидкую переходит Са(ОН)2.
Иногда какие-либо составные части смеси растворяются в жидкой фазе (бетон с добавками).
Исследование массообменных процессов при смешивании
является очень трудной экспериментальной задачей. Обобщение
результатов экспериментов здесь возможно только методом анализа размерностей.
Для вычисления коэффициента массоотдачи можно получить критериальные уравнения типа
где Sc – критерий Шмидта; Sc = ρD; D – коэффициент диффузии; Sh – критерий Шервуда.
Критерий Рейнольдса может быть подставлен либо в традиционном виде
Если же за определяющий размер принять диаметр элемента
2.2.4. Методы оценки качества смеси
В результате перемешивания происходит взаимное перемещение частиц относительно друг друга. В идеальном случае мы
должны получить такую смесь в любом элементарном объеме которой смешанные компоненты находятся в том же соотношении
в котором они находились раздельно до смешивания. (Если взяты
количества материалов а b с то в любом микрообъеме их отношения должны быть а:b:с). Однако такое соотношение в реальных
условиях никогда не наблюдается т.к. на взаимное перемещение
частиц влияет много факторов. Поэтому в различных микрообъемах смеси соотношение компонентов будет бесконечно разнообразно и соотношение есть величина случайная подчиняющаяся
законам математической статистики. Методы оценки качества
смеси основаны на методах статистического анализа.
Для оценки качества смеси такими методами среди компонентов выделяют некий ключевой компонент (цемент – в бетонной смеси вода – в керамической массе добавка – в любой смеси
и т.д.). Остальные компоненты считают одним обобщающим компонентом и качество смеси определяют по содержанию в любом
объеме смеси ключевого компонента – концентрации его в пробе.
Как случайная дискретная величина концентрация ключевого компонента Х в смеси может быть оценена если известны законы ее распределения математическое ожидание М дисперсия
D и среднее квадратическое отклонение S.
где X m – среднее арифметическое значение концентрации n в пробах; n – число проб.
По величине S определяют коэффициент вариации (неоднородности) V:
Мера рассеяния степень смешивания стандартное отклонение критерий однородности коэффициент изменчивости относительная дисперсия интенсивность сегрегации мера неупорядоченности – это все термины встречающиеся в литературе для
обозначения качества перемешивания.
В большинстве смесителей получают смеси с V = 20 %. Для
достаточно точной оценки качества смеси необходимо некоторое
минимальное количество проб которое находят по формуле
где t – распределение Стьюдента (находят по таблицам); Е – относительная погрешность определения.
В отобранных пробах определяют содержание ключевого
компонента различными методами. Это могут быть гранулометрические методы химические электрохимические оптические
В настоящее время такая оценка качества различных смесей
в технологии строительных материалов организована слабо. Это
является причиной значительной части брака.
2.3.1. Теоретические основы формования
Формование – получение из любого материала не имеющего
формы изделий заданной формы и структуры. Процессы формования различны в зависимости от исходного состояния формуемых масс. Это могут быть порошки суспензии пасты крупнозернистые смеси расплавы.
Формование этих масс подчиняется различным закономерностям.
Известны три способа формования: пластическое мокрое
Пластическое формование применяют для производства изделий из суспензий паст и расплавов. В промышленности строительных материалов это формование керамических изделий изделий из
пластмасс. С помощью мокрого способа формуют бетонные смеси
и древесно-клеевые композиции. Полусухим способом формуют
порошки сыпучие мелкозернистые смеси типа массы для силикатного кирпича. Однако керамические изделия могут быть сформованы всеми тремя способами в зависимости от влажности глины.
По способу организации формование может быть периодическим и непрерывным.
Характеристики формования определяются основными
свойствами исходного материала – его формуемостью т.е. способностью принимать и сохранять заданную форму при заданной
структуре всего объема изделия.
Формуемость материалов зависит от способа формования
от параметров применяемой формовочной аппаратуры. Одним
из наиболее важных свойств дисперсных систем определяющих
их формуемость является величина поверхности раздела компонентов этих систем. Эта величина может быть охарактеризована
с помощью удельной поверхности дисперсной фазы.
Чем выше удельная поверхность материала тем большую
роль играют в его свойставах поверхностные явления локализующиеся на поверхности раздела фаз. Системы с удельной поверхностью порядка 102–103 м2м3 к которым относится большинство
вяжущих веществ глин полимерных пресс-порошков обладают
большим запасом свободной поверхностной энергии. Поэтому
они являются термодинамически неустойчивыми. Они способны
к самопроизвольной коагуляции – слипанию частиц в агрегаты.
Систему считают агрегативно устойчивой если она может долгое
время существовать без заметного слипания частиц. Если же коагуляция происходит быстро то система агрегативно неустойчива.
Большинство формуемых масс в промышленности строительных
материалов являются агрегативно неустойчивыми.
Б. Дерягиным и Л. Ландау разработана теория устойчивости дисперсных систем в основе которой лежат представления
о силах возникающих между частицами любой природы при
их сближении. Это силы межмолекулярного притяжения вызы64
вающие коагуляцию и силы отталкивания препятствующие ей.
Устойчивость системы зависит от степени равновесия этих сил.
Из этой теории следует что формуемость паст улучшается
если они агрегативно устойчивы.
Агрегативная устойчивость системе может быть сообщена
либо образованием двойного ионного слоя вокруг частиц либо
образованием вокруг них адсорбционно-сольватного слоя.
Все частицы твердой фазы заряжены относительно окружающей их жидкости. Заряд возникает из-за адсорбации ионов одного
знака поверхностью частицы из-за диссоциации молекул самой
частицы. Заряд частицы уравновешивается зарядами противоположного знака в окружающей жидкости и в целом система электрически нейтральна. Слой положительных и отрицательных зарядов вокруг частицы – двойной электрический слой (рис. 7.2).
Двойной слой обла-дает определенным эле-ктрическим потенциалом величина которого зависит от
расстояния от поверхности частицы.
На поверхности частицы существует
термодинамический потенциал φ0.
На расстоянии равном (толщина
двойного слоя) потенциал стремится к нулю т.к. его заряды фактически
уравновешены зарядами противоположного знака. Потенциал на поверхрис. 7.2. Дисперсная частица
ности раздела слоев называется -пои
двойной электрический слой
тенциалом. Во внутренней обкладке
двойного слоя падение φ-потенциала
– поверхность раздела фаз;
идет по прямой. В диффузном слое 2 – поверхность раздела слоев;
зависимость φ-потенциала от рассто- 3 – внутренняя обкладка (потенциалообразующая); 4 – внешняя
яния подчиняется уравнению
обкладка (диффузный слой);
– поверхность ионной атмосферы.
где х – расстояние от поверхности
раздела фаз n – величина обратная толщине двойного слоя.
При взаимодействии двух частиц между их поверхностями действует суммарный потенциал характеризующийся определенной энергией. Эта энергия и ее распределение между частицами зависит от
соотношения энергий притяжения и отталкивания между частицами.
На графике рис. 7.3 кривая 1 соответствует преобладанию
сил притяжения на всех расстояниях между частицами. Это агрегативно неустойчивые системы.
Кривая 2 характеризует
такое состояние системы когда на некотором расстоянии
между частицами преобладает отталкивание. Это устойчивые системы. Они будут коагулировать только тогда когда
будет преодолен энергетичесРис. 7.3. Зависимость φ-потенциала кий барьер отталкивания.
от расстояния между частицами
Кривая 3 соответствует такому взаимодействию
между частицами когда при увеличении расстояния между ними
сверх некоторого предела начинает преобладать притяжение. Это структурированные
К образованию структурированных систем приводит изменение концентрации ионов в
формуемой массе или увеличение концентрации дисперсной
фазы в устойчивой системе.
Введение ПАВ приводит Силы действующие между частицами
к образованию на поверхности
частиц системы адсорбционно-сольватного слоя. Этим также можно
добиться создания структурированной системы и улучшения формуемости. Однако количественной теории сольватации пока нет поэтому строгой оценки взаимодействия частиц здесь дать нельзя.
Формуемость различных дисперсных систем зависит от их
реологических свойств.
Реология – наука о деформациях и текучести любой материальной системы под действием внешних сил. Реология связана
с теорией пластичности упругости гидромеханикой молекулярной физикой химией.
Любая деформация связана со смещением частиц тела друг относительно друга. Между смещающимися частицами возникает напряжение сдвига. Для выяснения реологических свойств дисперсной
системы необходимо установить зависимость вязкости от напряжения сдвига и зависимость скорости сдвига от этого напряжения.
Для ньютоновской жидкости эта зависимость такова:
здесь вязкость постоянная при ламинарном течении а градиент
скорости пропорционален напряжению сдвига.
Структурированные дисперсные системы – неньютоновские
(уравнение Бингама).
Здесь 0 – предел текучести т.е. напряжение необходимое
для разрушения структуры и начала течения (рис. 7.5).
Структурированные системы тиксотропны т.е. обладают способностью обратимо восстанавливать разрушенную структуру.
К подобным системам относятся глиняные керамические
массы известковое цементное и
гипсовоетесто.Потерминологии
П.А. Ребиндера такие системы
называются коагуляционно-тиксотропными.
Другой тип структурированных систем возникает при
образовании между частица- Рис. 7.5. Течение структурированной
ми дисперсной фазы кристал- системы (бингамовская жидкость)
лизационных контактов. Так
при твердении минеральных вяжущих после непродолжительного периода когда система обладает тиксотропными свойствами наступает период образования кристаллических продуктов
гидратации начинается срастание кристалликов новообразова67
ний. Возникающая в этот период структура при разрушении не
восстанавливается. Поэтому для таких формуемых масс процесс
формования должен полностью завершиться в тиксотропный период. П.А. Ребиндер называет такие структуры конденсационнокристаллизационными.
Практически все формовочные массы представляют собой
неньютоновские жидкости. Бетонная смесь керамические массы
гипсовое тесто – тиксотронные жидкости. Известково-песчаные
смеси для производства силикатного кирпича проявляют свойства
бингамовской жидкости. Керамическая масса для пластического
формования при определенной влажности и минералогическом
составе глины может вести себя как максвелловская жидкость.
2.3.2. Способы формирования
Операция формования – совокупность механических и гидродинамических элементарных процессов.
Пластическое формование основано на двух основных положениях. Одно из них – уравнение Кулона:
где n – предельное сопротивление сдвигу; – нормальное сжимающее напряжение; tg φ – коэффициент внутреннего трения;
с – сила сцепления – сопротивление сдвигу не зависящее от нормального напряжения.
Второе положение – уравнение Бингама:
где – общее напряжение сдвига при постоянной температуре
и влажности массы; – вязкость характеризующая внутреннее
трение; dwdn – градиент скорости.
До начала формования масса проявляет упругие обратимые
свойства. После предела текучести проявляются одновременно
и пластическое необратимое и упругое состояние. Если рассмотреть зависимость деформации Е такой массы от величины напряжения при возрастании последнего и при его снижении то график этой зависимости образует петлю гистерезиса (рис. 7.6).
При увеличении влажности формуемой массы коэффициент внутреннего трения значительно снижается. Однако
для разных материалов зависимость коэффициента трения от
Таким образом при расчете усилий (мощности аппарата) для пластического
формования необходимо учиРис. 7.6. Зависимость деформации от натывать следующие обстоя- пряжения при пластическом формовании
) затрачиваемая мощность тем больше чем выше коэффициент внутреннего трения;
) при снижении коэффициента внутреннего трения менее
некоторой величины течение массы приближается к течению
ньютоновской жидкости.
Все это может привести к несохранению формы изделия после снятия напряжения что можно проиллюстрировать на примере производства глиняного кирпича методом пластического формования. При экструзии глины через мундштук пресса в случае
низкого значения tgφ глина выходит в виде тела имеющего форму торцевой поверхности близкую к параболе (рис. 7.7).
При увеличении tgφ парабола
возрастает необходимая для формования мощность.
формоваРис. 7.7. Экструзия глины через мундштук пресса
нии вследствие неравномерного движения массы возникают сдвиги приводящие
к появлению S-образных трещин. Это основной порок пластического формования.
Расчет давления необходимого для достижения достаточного уплотнения пластической массы должен учитывать и силы
внутреннего трения и силы трения массы о стенки формующего приспособления. В общем виде критериальное уравнение для
экструзии в изотермических условиях можно записать так:
Г – критерий геометрического подобия.
Виброформование применяют для получения изделий из бетонов различного состава.
Тиксотропные жидкости (бетонная смесь и смеси с другими
вяжущими) проявляют способность к восстановлению структуры
тем лучше чем выше для них коэффициент внутреннего трения tgφ
(или структурная вязкость мюстр). Чтобы сохранить их способность
быстро восстанавливать нарушенную структуру их необходимо использовать с низким содержанием воды. А это приводит к сильному
увеличению tgφ. Для формования таких смесей пластическим методом нужны огромные давления. Поэтому формование в этом случае
производят с помощью вибрации (виброформование).
Этот метод основан на тиксотропном разжижении смеси.
При тиксотропном разжижении смесь теряет внутреннее трение
и переходит в состояние ньютоновской жидкости т.е. ее поведение может быть описано уравнением
Такая смесь ведет себя как жидкость с постоянной вязостью
т.е. принимает форму сосуда в котором она находится. Поэтому
виброформование позволяет получать изделия сложной формы.
Мощность которую необходимо затратить для разрушения
тиксотропной структуры определяется величиной предельного
напряжения сдвига (как в уравнении (7.18)). Зная эту величину
можно рассчитать амплитуду и частоту колебаний при вибрации:
N = А2 2 = 0001А2 n2.
где А – амплитуда – угловая скорость n – частота.
Однако если формуемая смесь очень жесткая виброуплотнение недостаточно для получения необходимой плотности т.к. при
прекращении вибрации структура очень быстро восстанавливается
и смесь не успевает растечься полностью. Поэтому в таких случаях
применяют вибрацию одновременно с уплотнением при помощи
давления – виброштампование вибропрессование вибропрокат.
Недостатки этого способа – необходимость применения
тяжелых форм а следовательно его высокая металлоемкость.
Кроме того при таком способе формования велика вероятность
образования каверн в изделиях.
Формование давлением – прессование – применяют и для получения изделий из порошков. Прочное и плотное изделие можно
получить лишь при прессовании порошков определенного зернового состава обеспечивающего хорошую плотность упаковки частиц.
Эффект уплотнения оценивается с помощью коэффициента сжатия:
где Н – высота засыпки порошка в форму; h – высота изделия
Зависимость между давлением сжатия и Ксж называется компрессионной кривой. Для каждой из порошкообразных масс имеется определенное давление прессования обеспечивающее сохранность формы изделия после снятия этого давления.
Положительное влияние здесь оказывает влажность порошка
(до некоторого предела). Недостатком этого метода является возможность защемления воздуха. Расширяясь после снятия давления воздух вызывает расслаивание изделия.
Давление неодинаково по высоте изделия. По мере удаления
от плиты пресса оно понижается расходуясь на преодоление трения о стенки изделия и внутреннего трения порошка. Поэтому
плотность изделия неоднородна. Для компенсации этого явления
можно применять двустороннее прессование.
Для получения изделий круглого сечения применяют центрифугирование.
При центрифугировании масса уплотняется за счет центробежных сил. Для равномерного распределения смеси по форме
необходимо чтобы центробежная сила была не меньше силы тяжести действующей на частицы смеси.
Выразив центробежную силу через число оборотов n получим уравнение для определения числа оборотов:
где r – радиус формы.
В частности для бетонной смеси из которой формуют трубу
с наружным радиусом r1 и внутренним r2:
где Р – давление необходимое для уплотнения бетонной смеси.
В некоторых случаях для формования изделий применяют
смеси в виде шликеров шламов расплавов (пластмассы) обладающих свойствами ньютоновских жидкостей. В этих случаях
применяют формование литьем т.е. состав заливают в форму
внутренняя поверхность которой представляет негативное изображение формуемого изделия.
Такой способ формования в производстве строительных материалов используют для получения изделий из высоковлажных
керамических масс – шликеров. При этом влажность шликера составляет 38–42 % а текучесть по вискозиметру Энглера – 20–25 с.
При литье керамических изделий используют два способа получения отливок: наливной и сливной. Формы для керамического литья
применяют пористые способные отсасывать воду из шликера.
При наливном способе шликером заполняют форму полость
которой по объему равна объему твердой части изготовляемого
изделия с учетом усадки его при сушке и обжиге. При наливном
способе шликером заполняют форму полностью и выдерживают
в ней до снижения влажности до заданной величины.
Второй вариант – сливной способ – предполагает использование форм объем полости в которых равен объему всего изделия
вместе с полостями которые должны быть сформированы в самом
изделии. Обычно это изделия сложной конфигурации. Например
санитарно-технические: унитаз раковина мойка и т.п.
При сливном способе шликером заполняют форму также
полностью но выдерживают в форме столько времени сколько
необходимо для уплотнения шликера за счет отсоса воды стенкой
формы только из пристеночного слоя шликера. При этом на стенке формируется корка заданной толщины – идет «набор» черепка. Скорость «набора» зависит от вланости шликера дисперсного
состава его твердой части агрегативной устойчивости шликера
водопоглощения формы. Обычно черепок толщиной 5 мм набирается за 15–20 мин. Последующие 5 мм – за 35–40 мин. По достижении нужной толщины черепка оставшийся шликер сливают
через отверстие формы (отсюда и название способа) а отформованное пустотелое изделие оставляют в форме до снижения влажности до необходимой величины.
2.4. Тепловая обработка строительных материалов
Тепловая обработка строительных материалов включает:
) сушку сырья полуфабрикатов или готовых изделий;
) пропаривание бетонов;
) автоклавную обработку бетонов;
) обжиг различных материалов.
Любой из перечисленных видов тепловой обработки представляет совокупность гидродинамических тепловых и массообменных элементарных процессов.
Сушка – процесс удаления влаги из материала.
Влага в твердом состоянии может иметь несколько форм связи с ним.
Ионная влага (молекулярная влага) – химически связанная.
Адсорбционная влага – электростатически связанная.
Структурная влага – захваченная при образовании гелевидных структур.
Влага микрокапилляров удерживаемая за счет капиллярного движения.
Влага смачивания удерживаемая силами поверхностного
В разных материалах существует одна или несколько форм
связи влаги с твердым веществом.
Для сушки необходимо и достаточно чтобы пропорциональное давление водяных паров на
поверхности материала Pm было
больше чем их пропорциональное Рс в окружающей среде.
Если Pm > Pc – влага уходит из
Если Pm Pc – влага адсорбируется материалом.
Отсюда следует важный выРис. 7.8. Изотермы сорбции
вод о существовании равновесной
влажности при которой Pm = Pc.
Исследуя равновесную влажность материала Up при различной
относительной влажности воздуха φ (%) при постоянном давлении
и температуре строят изотремы сорбции (десорбция) (рис. 7.8).
По изотермам определяют влажность до которой нужно сушить
материал. Если после сушки материал будет храниться при температуре t2 и относительной влажности φ1 то его влажность после сушки
не должна быть больше
Зависимость изменения влажности материала от времени сушки называют кривой
материалов кривые сушки имеют одинаковый
Рис. 7.9. Кривая сушки:
* – равновесная влажность.
а–б – период прогрева материала влажность быстро уменьшается температура поверхности и внутренних частей растут
б–в – влажность убывает по линейному закону температура
на поверхности и внутри выравнивается и остается постоянной –
период постоянной скорости сушки;
в–г – влажность убывает медленнее поверхность нагревается
внутренняя часть медленнее. В точке г температуры материала и сушильного агента равны (рис. 7.10).
Многие материалы при
сушке уменьшают свои размеры. Это явление называется усадкой материала при
Зависимость линейных
размеров образца от влажности прямая.
Рис. 7.10. График скорости сушки
В результате усадки в
материале возникают механические напряжения могущие привести к образованию трещин.
Поэтому важен правильный выбор скорости сушки.
При сушке происходит внешний и внутренний тепло- и массообмен.
Уравнение баланса внешнего теплообмена:
где α – коэффициент теплоотдачи нагревающего (сушильного)
агента; tг – его температура; tт – температура материала (поверхности); – теплота испарения; ρ – плотность сухого материала;
R = VS – отношение объема материала к его поверхности;
dUdρ – скорость сушки; dtd – скорость нагрева.
Критериальное уравнение внешнего тепломассобмена полученное из (7.27):
αα(t(tГ г– ttТт)) = rρ
где Gu – критерий Гухмана
; Q – симплекс температуры
Внутренний тепломассообмен – перемешение тепла от поверхности тела вовнутрь осложненное перемещением влаги навстречу тепловому потоку.
где Q – поток тепла; λ – коэффициент теплопроводности; Δt – температурный градиент; – энтальпия
влаги в материале; gm – поток влаги
где – коэффициент массопроводности (в данном случае – влагопроводности); ΔQ – градиент
Рис. 7.11. Зависимость размеров
образца от влажности
потенциала массопереноса.
Потенциал массопереноса
определяют экспериментально по эталонному телу:
где U – влагосодержание данного материала; U – гигроскопическое влагосодержание тела при 25 оС; ΔQ – градиент потенциала
массопереноса зависит от температуры давления и градиента
влажности материала.
ΔQ определяет скорость миграции влаги внутри твердого
тела. Однако аналитически определить скорость влагопереноса
не удается т.к. внутри тела происходит перемещение влаги и по
направлению теплового потока т.е. внутрь тела.
В конечном итоге скорость влагопереноса зависит от скорости нагревания давления и влажности материала.
Для различных материалов эту зависимость устанавливают
2.4.2. Пропаривание и автоклавирование
Этот вид тепловой обработки (тепловлажностная) также сопровождается процессами тепло- и массообмена. Он описывается
сложными дифференциальными уравнениями которые в общем
виде не имеют решения.
Для расчета количества тепла и количества пара для этих
процессов используют критериальное уравнение типа
Nu = A(Pr Ga Rе)a – для теплообмена
Sh = B(Sc Ga Ku)b – для массообмена
где Ga – критерий Галлилея ql3ρ22 (здесь q – количество тепла на
единицу поверхности тела); Ku – критерий Кутателадзе qиспсΔt
(где qисп – теплота испарения с – теплоемкость среды).
Значения А а B и b устанавливают экспериментально на
моделях (т.е. в лабораторных условиях). Их величина зависит от
конструкции (геометрических параметров) теплового аппарата
и свойств обрабатываемого материала. Так для проектирования
пропарочной камеры для бетона необходимо установить:
Скорость подъема температуры в камере от tнач до tиз (или
Температуру изотремического прогрева оптимальную для
данных изделий из данного вида бетона. При этом необходимо
учесть влияние металлических форм и арматуры.
Время выдержки при tиз оптимальное для тех же условий.
Время (или скорость) охлаждения от tиз до tкон.
Влагосодержание среды и бетона на каждом этапе процесса.
Давление оптимальное для данного бетона (изделия).
Все эти величины зависят от энтальпий среды и бетона
(с учетом форм и арматуры) их теплопроводности теплоемкости и температуропроводности геометрических размеров изделий
и аппарата. А в аппаратах непрерывного действия – еще и от скорости движения теплоносителя относительно изделий и его физических свойств ( ρ и т.п.).
Вот простой пример: лабораторный образец бетона имеет толщину b = 01 м коэффициент температуропроводности
а = λСρ = 005 м2с в лабораторной камере его температура поднялась от tнач до tиз за 1 ч. Для этого образца критерий Фурье
В производственной установке изделие из этого же бетона
но с арматурой имеет толщину 1 м а = 025 м2с.
Теория подобия требует чтобы Foлаб = Foпром.
Но для того чтобы это требование было соблюдено надо изменить время прогрева т.к. иначе
Из смысла критерия Фурье следует что
Этот пример ясно показывает что несоблюдение подобия неизбежно приведет либо к браку либо к перерасходу цемента (недобор прочности из-за малого времени прогрева компенсируют
добавлением цемента).
Высокотемпературный нагрев для придания необходимых
свойств материалам используется в производстве изделий из минерального сырья.
Можно выделить следующие области применения высокотемпературной обработки:
– обжиг сырьевых смесей (шихт) – плавление – для получения расплавов с заданными свойствами – получение стекла изделий из шлаков горных пород ситаллов;
– обжиг сырьевых компонентов без образования расплава
с целью придания продукту обжига свойств необходимых для
последующей переработки – получение извести гипса магнезиальных вяжущих;
– обжиг с образованием расплава – спекание – для придания
конечному продукту производства заданных свойств: керамические изделия портландцементный клинкер и т.п.
Однако эта классификация достаточно условна поскольку
спекание может происходить и без образования расплава (твердофазовое спекание).
Операция обжига в производстве строительных материалов
используется либо как одна из промежуточных операций как
в производстве портландцемента извести гипса так и в качестве
завершающей операции после которой изделия должны приобрести окончательную товарную форму – кирпич керамические
плитки керамзит и т.п.
Наиболее широко и по физическому объему продукции по
количеству потребляемых теплоносителей в производстве строительных материалов используется обжиг для спекания.
При спекании материал претерпевает глубокие физико-химические изменения проявляющиеся как изменения физических
гидрофизических теплофизических и механических свойств.
Изменяются фазовый и минералогический состав вещества плотность и прочность материала его пористость водопоглощение
теплопроводность и т.д. Это связано с радикальными изменениями
структуры вещества происходящими под действием высокой температуры. При появлении жидкой фазы – расплава – происходит
смачивание им твердых компонентов смеси. За счет сил поверхностного натяжения частицы сближаются между собой. Это выражается в изменении линейных размеров и объема спекаемого изделия
– происходит усадка. Величина усадки зависит как от свойств спекаемого материала так и от температуры и продолжительности обжига. При охлаждении изделия к усадке связанной с поверхностным
натяжением присоединяется изменение размеров вызванное термическим расширением твердого вещества. Общая суммарная
усадка и определяет плотность спеченного материала.
При охлаждении расплав может закристаллизоваться но может и остаться аморфным образованием – стеклом. От этого во
многом зависят физико-механические свойства спеченного материала поскольку фазовый состав охлажденного затвердевшего
расплава в значительной степени определяет его структуру.
Но помимо фазового состава структура определяется и поровым пространством спека. Поры при спекании возникают как
за счет уже существовавших в сырце пор в значительной степе79
ни изменяющих и размеры и форму при спекании под влиянием
расплава так и за счет газовыделения которое в свою очередь
может быть связано с различными факторами. Это термическая
диссоциация некоторых минералов при обжиге – карбонатов
сульфатов гидроксидов. Это окислительно-восстановительные
процессы связанные с изменением степени окисления переходных металлов в частности железа.
Все эти факторы действуя одновременно в ходе обжига приводят к образованию структуры спека обеспечивающей заданные свойства материала. Задачей технолога является назначение
режима спекания способствующего формированию заданной
структуры материала.
Под режимом обжига (спекания) понимается оптимальное соотношение температуры и времени обжига на различных этапах
операции. Отклонения режима от оптимума могут наступить как
вследствие внешних причин – расход теплоносителя соотношение
теплоносителя и водуха относительная скорость теплоносителя
и обжигаемого материала – так и из-за изменений свойств сырца: минералогический состав влажность плотность и другие параметры.
Сведения о соответствии или несоответствии параметров
режима оптимальным значениям могут быть получены прямыми замерами температуры и времени если отклонения вызваны
только внешними причинами. Отклонения причиной которых
являются изменения свойств сырца наиболее точно могут быть
установлены исследованием структуры спека.
Обычно исследование собственно структуры является довольно сложной экспериментальной задачей поскольку оно требует наличия специального оборудования особой подготовки
образцов и высокой квалификации исследователя. Поэтому для
получения экспрессной информации о ходе формирования структуры спека при обжиге используют параметры являющиеся производными от пористости и фазового состава спека: плотность
водопоглощение усадку при спекании. Экспериментально установленые зависимости между температурой и временем спекания – с одной стороны и перечисленными выше свойствами –
с другой позволяют своевременно установить отклонения режима от оптимального вызванные изменениями свойств сырца.
Параметры режима обжига т.е. температура и время зависят
не только от физико-химических свойств материала но и от размеров и формы изделий от их взаимного положения в аппарате.
Эти характеристики обжигаемой массы определяют геометрию
пространства в котором протекает обжиг и потому оказывают
решающее влияние на гидродинамические параметры потока топочных газов. А это в свою очередь определяет равномерность
прогрева каждого изделия степень однородности условий обжига в различных частях объема печи.
Не менее важным этапом теплового процесса при обжиге является охлаждение уже обожженного материала. При охлаждении
происходит термическое сжатие вызывающее появление напряжений в изделиях. Кроме того при охлаждении возникший ранее расплав переходит в твердое состояние что связано с фазовыми превращениями. В ряде случаев фазовые превращения осуществляются
и в неплавящихся частицах. По этим причинам охлаждение изделий
до комнатной температуры требует поддержания определенного режима обеспечивающего сохранность изделий и минимизацию брака.
Твердофазовое спекание происходит либо без образования жидкой фазы вообще либо при крайне незначительном количестве расплава недостаточном для появления огневой усадки изделий. В этом
случае важную роль играют поверхностные явления на контактах
между частицами связанные с диффузией ионов и атомов в твердой фазе сублимацией вещества твердых частиц их пластической
деформацией при температуре обжига. В этих процессах проявляются особенности реальной структуры кристаллической решетки
твердых частиц а именно наличие в решетке дислокаций и дефектов.
Перемещение дислокаций и заполнение «дырок» (вакансий) приводит к перемещению ионов (атомов) их взаимодействию с другими
элементами структуры образованию новых кристаллических структур на поверхности раздела фаз. Это приводит к образованию кристаллических перемычек между контактирующими частицами; возникают сростки частиц. Постепенно вещество перемещаясь между
частицами образует структуру подобную структуре спека. Внешнее
давление способствует усилению пластических деформаций и ускоряет описанные процессы. При определенных сочетаниях температуры и давления твердофазовое спекание приводит к ускорению
кристаллизационных процессов и образованию большого числа мелких кристаллитов что увеличивает конечную прочность спека. Это
обстоятельсто используется при осуществлении горячего прессования изделий т.е. спекании под давлением.
Обжиг изделий производят в печах. Печи различаются по
назначению принципу действия используемому теплоносителю способу помещения нагреваемого материала в печь способу
транспортировки обжигаемых изделий в печи и т.д.
В производстве строительных материалов используют печи
а) ванные горшковые или ваграночные печи для получения
расплавов в производстве стекла изделий из каменных и шлаковых расплавов;
б) шахтные трубные вращающиеся печи и печи кипящего
слоя для обжига извести керамзита аглопорита термозита магнезиальных гипсовых вяжущих;
в) кольцевые или тунельные печи для обжига кирпича и других керамических изделий.
Для улучшения теплообмена поддержания заданного температурно-временного режима и окислительно-восстановительных
условий среды тунельные печи оборудуют системой принудительной вентиляции.
автоматизации технологических процессов
Автоматизация технологических процессов способствует повышению производительности труда улучшает качество продукции позволяет более точно соблюсти оптимальные технологические режимы сократить расход сырья топлива электроэнергии
снизить износ оборудования. Во многих случаях автоматизация
предотвращает аварии.
Автоматизация – оснащение технологических установок (аппаратов) системами автоматического контроля сигнализации защиты
механизмов системами управления и регулирования процессов.
В ходе переработки материалов изменяется целый ряд параметров характеризующих материалы и воздействующие на них
агенты – теплоносители (топочные газы) растворители и другие
компоненты участвующие в технологических процессах.
Перед технологом встает сложная задача выбора оптимального соотношения этих параметров на всех этапах технологического процесса. При этом часто ситуация меняется так быстро
что технолог (или оператор какого-либо аппарата) не успевает не
только вмешаться в процесс но даже заметить сам факт изменения каких-либо параметров.
В целом ряде технологических операций достаточно быстрое
восстановление оптимального режима может быть осуществлено
только автоматически. Однако для автоматизации процесса (или
аппарата) необходимо знать какие именно параметры могут изменяться в каких пределах они должны поддерживаться для сохранения оптимального режима каково соотношение различных параметров при оптимальном режиме. Кроме того необходимо решить
вопрос о конкретных точках измерения тех или иных параметров
и методах воздействия на процесс с целью их регулирования.
Решение таких задач требует полного и четкого анализа совокупности зависимостей всех изменяющихся параметров технологической операции и их зависимости от свойств самого аппарата.
Поэтому на современном уровне развития промышленности
необходимо рассматривать любой аппарат и все его оснащение
(контрольно-измерительные и регулирующие приборы) как единую систему обеспечивающую установление и поддержание оптимального технологического режима. Такая система – система
автоматического регулирования – состоит из объекта автоматизации (аппарат) и автоматического регулятора (КИП и регулирующие приборы). Температура давление скорости жидкостей газов
и твердых тел масса веществ участвующих в процессе и другие
свойства этих веществ называются параметрами автоматизации.
Параметрами автоматизации могут быть и свойства аппаратов –
скорости вращения углы наклона диаметры отверстий и т.п.
Всякий объект автоматизации характеризуется нагрузкой – количеством веществ или энергии проходящих через него
в единицу времени. Резкое увеличение нагрузки может привести к аварии поэтому еще одной задачей автоматизации является
блокировка – автоматическое отключение подачи вещества или
энергии при превышении нагрузки.
Рассматривая материальные потоки проходящие через аппарат необходимо оценить их при помощи присущих им физических величин – параметров этих потоков на входе в аппарат и на
выходе из него т.е. входных и выходных параметров.
Например при работе любой тепловой установки теплоноситель входит в нее с температурой t1 а выходит – с t2. Значит
для этой установки t1 – входная величина а t2 – выходная.
Влагосодержащие теплоносители – на входе W1 а на выходе W2 –
это тоже входной и выходной параметры.
При работе смесителей входной величиной являются массы
подаваемых в них компонентов (в единицу времени – или за один
цикл смешивания) а выходной величиной может служить и масса
входящей смеси (за то же время) и средняя концентрация ключевого компонента в смеси.
В каждом конкретном случае для оценки процесса выбирают
такие входные и выходные параметры которые для данного процесса являются определяющими.
Однако для поддержания оптимального режима недостаточно указать в каком месте и в каких пределах нужно контролировать те или иные параметры. Процесс регулирования зависит и от
свойств самих объектов автоматизации (т.е. процессов или аппаратов). Так процесс помола необходимо регулировать изменяя
и нагрузку мельницы (т.е. количество входящего и выходящего
из нее измельчаемого вещества) и число оборотов ее в единицу времени (т.е. скорость вращения самой мельницы). Процесс
смешивания регулируется изменением количества поступающих
в смеситель материалов изменением числа оборотов мешалки
изменением времени перемешивания.
Кроме того процесс регулирования зависит от свойств автоматического регулятора – датчиков измеряющих те или иные параметры
приборов управляющих изменением этих параметров и т.д.
Свойства регуляторов изучаются в курсе «Основы автоматизации».
Для выяснения свойств объекта автоматизации с целью установления экономически обоснованной и технологически правильной разработки системы контроля и управления процессом
необходимо решить следующие вопросы:
Установить главную задачу автоматизации.
Определить параметры автоматизации и их возможные
допустимые изменения.
Выбрать входные и выходные параметры автоматизации.
Установить необходимые места контроля и регулирования
Установить взаимосвязь между выбранными параметрами и степень их автоматизации.
Задача автоматизации устанавливается в зависимости от цели
той или иной технологической операции (процесса). Если нам необходимо в единицу времени получить определенное количество
продукта с определенными свойствами то ясно что это условие
может быть выполнено только при оптимальном режиме протекания элементарных процессов.
Так при помоле необходимо поддерживать определенную
нагрузку мельницы чтобы получить заданное количество материала с заданной тонкостью помола т.е. поддерживать постоянную скорость подачи сырьевого материала в мельницу если в нее
поступает материал с определенными свойствами. Если же свойства сырья изменяются во времени то для обеспечения заданной
тонкости помола приходится изменять скорость подачи материала. Таким образом при помоле задачей автоматизации является
регулирование скорости подачи сырья.
Очевидно что в этом случае параметрами автоматизации будут:
– входными – расход сырья и крупность его кусков;
– выходными – выход готового продукта и его удельная поверхность.
При смешивании задачей автоматизации является получение однородной бетонной смеси (т.е. смеси с коэффициентом вариации ее
состава не более 20 %). Здесь параметрами автоматизации служат:
– входными – количество подаваемых компонентов смеси
скорость вращения мешалки время смешивания;
– выходными – концентрация ключевого компонента и осадка конуса (или жесткость с) смеси.
При тепловой обработке задачей автоматизации является получение продукта с необходимой влажностью или степенью спекания или степенью обжига и т.д. в зависимости от назначения
тепловой обработки. Параметры автоматизации здесь: темпера85
тура влажность скорость теплоносителя (или его расход) температура и другие параметры обогреваемого материала – на входе
и на выходе аппарата и т.д.
В зависимости от установленных параметров автоматизации выбирают места их контроля (на входе на выходе внутри аппарата).
Взаимосвязь между различными параметрами автоматизации
устанавливается при изучении процессов с помощью моделирования т.е. в лабораторных условиях.
Так при сушке материалов влажность выходящего из аппарата продукта зависит от влажности сырья температуры теплоносителя относительной скорости сырья и теплоносителя влажности теплоносителя. Чтобы получить постоянную выходную
влажность при переменной входной нужно изменять температуру и (или) скорость теплоносителя.
Степень автоматизации зависит от целого ряда причин. Полная
автоматизация возможна лишь при наличии датчиков способных измерять значения всех параметров автоматизации и при помощи определенных сигналов (передачи информации об измеренных параметрах) воздействовать на управляющие механизмы. Если какие-либо
из звеньев этой цепи отсутствуют то автоматическое управление
невозможно. В этом случае не ограничиваются например автоматическим контролем параметра а регулируют его вручную например
с помощью дистанционного управления. Иногда возможна только
автоматическая блокировка. В ряде же случаев невозможен даже автоматический контроль т.е. измерение нужного параметра производится например только с помощью лабораторного анализа.
В промышленности строительных материалов многие параметры пока еще не могут контролироваться автоматически. Важной задачей является разработка приборов для такого контроля а это возможно лишь при тщательном изучении взаимосвязи между различными
свойствами материалов. Так нет никаких датчиков для автоматического измерения однородности бетонной смеси ее подвижности т.е.
эти параметры не могут быть измерены непосредственно.
Однако не исключено что какие-то свойства бетонной смеси
являются функцией ее подвижности (например диэлектрическая
постоянная электрическая емкость проницаемость для радиоактивных частиц и т.д.). Все это требует подробного изучения.
Подобное положение существует и с другими строительными материалами и полуфабрикатами.
Полученная от датчиков информация должна поступать на пункты управления процессом. Технолог должен решить где будет осуществляться контроль за работой приборов: например из центральной диспетчерской или с местного пульта и т.п. Получив все необходимые сведения составляют схему-задание на автоматизацию.
Рассмотрим пример составления такой схемы (рис. 7.12).
Рис. 7.12. Схема-задание на автоматизацию сушки зернистого материала:
– автоматическое регулирование; 2 – дистанционное управление с автоблокировкой; 3 – дистанционное управление; 4 – дистанционный контроль;
– местный пульт; 6 – центральный пульт
Предположим что нам необходимо автоматизировать сушку
щебня. Сушка происходит в камере где щебень движется на транспортерной ленте навстречу потоку теплого воздуха. Нам необходимо
получить материал с постоянной влажностью W2 тогда как влажность поступающего в камеру щебня меняется. Воздух для сушки
поступает из компрессора 1 проходит через камеру 2 и отсасывается
компрессором 3 возвращаясь к началу процесса для повторного использования. Поступает в камеру он с температурой t1 влажностью
d1. Выходит из нее с температурой и влажностью t2 и d2. Скорость воздуха на входе V1– на выходе – V2. При повышении влажности материала нужно повысить температуру воздуха t2. Но тогда влажность d2
тоже увеличится. Чтобы компенсировать увеличение влажности воздуха нужно повысить скорость его подачи V1. Температура воздуха
может регулироваться автоматически при изменении влажности воздуха. Влажность материала W1 регулироваться не может. Влажность
W2 может регулироваться при изменении влажности воздуха и его
температуры. Скорость воздуха также регулируется автоматически.
Исходя из всего сказанного на схеме технологического процесса сушки устанавливают точки контроля каждого из перечисленных параметров. Над схемой проводят четыре горизонтальные линии соответствующие степеням автоматизации. Ниже схемы – линии соответствующие параметрам автоматизации. Внизу
изображают центральный и местный пульты управления.
Через точки контроля проводят вертикальные линии. Линия
А – контроль входной температуры воздуха. Этот параметр регулируется автоматически и контролируется на местном и центральном пультах. На соответствующих линиях пересекающих
линию А ставят точки. Линия Б – контроль входной влажности
щебня. Регулируется автоматически подлежит контролю с обоих
пультов чему соответствуют точки на нужных горизонтальных
линиях. Линия В – контроль влажности воздуха внутри камеры
и влажности поступающего щебня. Подлежит контролю на обоих
пультах но регулироваться не могут. Линия Г – контроль скорости выходящего из камеры воздуха (регулируется автоматически
контролируется с обоих пультов).
По схеме заданию специалисты по автоматизации устанавливают контролирующие и регулирующие приборы.
Краткое содержание главы 7
Процесс производства строительных материалов представляет собой производственный комплекс результатом деятельности которого является продукция в виде материалов или изделий
строительного назначения. Этот комплекс есть вероятностная
система определенной сложности.
Т е х н о л о г и ч е с к и й п р о ц е с с является совокупностью элементарных процессов которые протекают в ходе отдельных операций. Т е х н о л о г и ч е с к а я о п е р а ц и я – часть
технологического процесса направленная на изменение свойств
сырьевых материалов (или их состояния) при помощи ряда воздействий на эти материалы. Каждое воздействие на сырье осуществляется с помощью элементарных процессов. Каждая технологическая операция (передел) имеет вполне определенное назначение – подготовку материала для передачи его на следующую
Управление технологической операцией возможно только путем воздействия на ход элементарных процессов. В каждой операции однако могут одновременно происходить элементарные
процессы разных типов.
Высокое качество продукции и низкая ее стоимость обеспечиваются выбором аппаратуры для проведения каждой технологической операции оптимальным режимом протекания каждой
операции. Наибольшую производительность получают при непрерывных технологических процессах.
Основные технологические операции при получении строительных материалов: и з м е л ь ч е н и е с ы р ь я – дробление
или помол (или то и другое); п е р е м е ш и в а н и е – приготовление бетонной смеси керамической массы шлама пульпы и т.д.;
ф о р м о в а н и е – прессование экструзия виброуплотнение
формования; т е п л о в а я о б р а б о т к а – сушка обжиг пропаривание автоклавная обработка.
в оптимальном состоянии оборудования.
поддерживают экономическое и финансовое обеспечение работы
предприятия оптимальное соотношение и благополучное состояние различных контингентов работающего персонала – рабочих
ИТР административных работников и т.п.
Вся система работает таким образом что изменения происходящие в любом из ее элементов (возмущения) проявляются на
выходе системы в виде изменений количества качества или себестоимости готовой продукции – отклик.
моделью технологии в то же время это графическая модель следовательно эта схема есть знаковая модель технологии.
технологический процесс.
Проектировщик должен определить наиболее оптимальный
вариант осуществления разработанного технологического про90
цесса. Это может быть сделано на основании выбранного в конкретных условиях к р и т е р и я о п т и м а л ь н о с т и .
В зависимости от цели проектируемого производства критерии оптимальности могут быть различными.
Выбор критерия оптимальности зависит от конкретной цели
проектирования. Сравнивая различные варианты структуры проектируемого производства по выбранному критерию оптимальности проектировщик и должен решить вопрос о конкретной
структурной схеме производства.
Cтруктурная модель производства может измениться при изменении способа осуществления любой из операций.
Измельчение (дробление и помол) – складывается только из
механических процессов. Нагреванием за счет трения в большинстве случаев можно пренебречь. Перемешивание – соединение объемов различных веществ с целью получения однородной
смеси (гомогенизация). Вообще говоря для смешивания применяются аппараты с мешалками.
Смешивание – сложная операция включающая элементарные процессы механического перемещения материала гидромеханические процессы и процессы массообмена а в ряде случаев – и теплообмена.
Элементарные процессы происходящие при смешивании
описываются критериальными уравнениями получаемыми в результате анализа экспериментальных данных или методом анализа размерностей.
Формование – придание сырьевой смеси заданной формы
и структуры. Включает механический гидродинамический теплообменный и массообменный процессы. Осуществляется с помощью литья пластического (экструзионного) сухого (полусухого)
прессования с помощью механической обработки. Формование
описывается критериальными уравнениями получаемыми на основе анализа экспериментальных данных.
Тепловая обработка – пропаривание автоклавирование обжиг.
Слагается из теплообменных массообменных и гидродинамических процессов. В зависимости от температуры и давления в тепловой обработке преобладают теплопроводность конвекционный или
лучистый теплообмен. Процессы протекающие при тепловой обработке описываются критериальными уравнениями получаемыми аналитически эмпирически и методом анализа размерностей.
Важным средством повышения эффективности технологических операций и всего технологического процесса в целом является
автоматизация процессов и аппаратов технологии строительных
материалов. По степени автоматизации различают: дистанционный
контроль с дистанционном автоматическим управлением дистанционный контроль с ручным управлением автоблокировку.
Технологические закономерности имеющие место при осуществлении технологического процесса являются исходными данными
для составления схемы-задания на автоматизацию. В схеме-задании
предусматривается степень автоматизации измеряемые и контролируемые параметры процесса или аппарата точки установки датчиков показывающих приборов обслуживающих приспособлений.
Технологический процесс – совокупность элементарных процессов которые протекают в ходе отдельных операций.
Технологическая операция – часть технологического процесса направленная на изменение свойств сырьевых материалов (или
их состояния) при помощи ряда воздействий на эти материалы.
Основная операция – операция оказывающая воздействие на
состав структуру и свойства предмета производства. В технологии
строительных материалов такими операциями являются измельчение
классификация смешивание формование тепловая обработка и т.д.
Вспомогательные операции – операции предназначенные
для подготовки предмета производства или основных аппаратов
к выполнению основных операций: дозирование транспортировка чистка и смазка форм подготовка арматурных каркасов и т.п.
Обслуживающие операции – операции поддерживающие
в рабочем состоянии аппараты необходимые для осуществления
основных и вспомогательных операций. Таковыми операциями
являются ремонт оборудования доставка сырьевых материалов
обслуживание контрольно-измерительной аппаратуры и т.п.
Функциональная модель – модель технологического процесса отображающая его функции через функции основных и вспомогательных операций – функциональная схема производства.
Структурная модель – модель технологического процесса
отображающая его пространственную структуру и организацию
последовательности основных и вспомогательных операций во
времени – структурная схема производства.
Измельчение – процесс разделения кусков материала на части за
счет деформации и образования новых свободных поверхностей.
Классификация – разделение зернистого сыпучего материала
на классы по крупности.
Смешивание – соединение объемов различных веществ с целью получения однородной смеси (гомогенизация).
Насосный эффект – перемещениe жидкости вдоль оси мешалки при смешивании.
Ключевой компонент – выделенный компонент в составе смеси
экспериментальное определение концентрации которого наиболее
просто и доступно используется для оценки качества смеси.
Коэффициент вариации – статистически значимая величина
однородности концентрации ключевого компонента в различных
пробах смеси. Кроме коэффициента вариации используют другие
статистические характеристики однородности: мера рассеяния степень смешивания стандартное отклонение критерий однородности
коэффициент изменчивости относительная дисперсия интенсивность сегрегации мера неупорядоченности (термины встречающиеся в литературе для обозначения качества перемешивания).
формы изделий заданной формы и структуры.
Мокрое формование – литье – заполнение объема-формы свободно растекающейся жидкой сырьевой смесью которая повторяет форму объема за счет гравитационных сил и поверхностного натяжения жидкости. После заполнения объема в залитой
сырьевой массе самопроизвольно или под влиянием внешних
воздействий (тепла радиации и т.п.) протекают процессы приводящие к затвердеванию смеси. Таким способом формуют бетонные смеси древесно-клеевые композиции керамику пластмассы.
Различают литье свободное и литье под давлением.
Пластическое формование – формование для производства изделий из суспензий паст и расплавов. Основано на пластическом течении формуемой массы представляющей собой чаще всего неньютоновскую жидкость. В промышленности строительных материалов
пластическое формование применяется в производстве керамических
изделий изделий из пластмасс бетонных и растворных смесей и т.п.
Сухое формование – формование из порошков сыпучих мелкозернистых смесей путем одноосного или многостороннего
сжатия в пресс-форме. Таким способом формуют пластмассы
силикатный реже – керамический кирпич керамические плитки
Агрегативная устойчивость – способность дисперсной системы долгое время существовать без заметного слипания – агрерации или коагуляции – частиц. Если агрегация (коагуляция) происходит быстро то система агрегативно неустойчива. Большинство
формуемых масс в промышленности строительных материалов
являются агрегативно неустойчивыми.
Влажность – содержание влаги в материале. Возможны
следующие виды влаги в строительных материалах: ионная влага (молекулярная влага) – химически связанная; адсорбционная
влага – электростатически связанная; структурная влага – захваченная при образовании гелевидных структур; влага микрокапилляров удерживаемая за счет капиллярного движения; влага
смачивания удерживаемая силами поверхностного натяжения;
в разных материалах существует одна или несколько форм связи
влаги с твердым веществом.
Пропаривание – тепловая обработка изделий при атмосферном давлении и высокой влажности окружающего изделие воздуха. Применяется для ускорения твердения изделий из бетонов
и других содержащих портландцемент композиций.
Автоклавирование – тепловая обработка изделий при давлении выше атмосферного в атмосфере насыщенного водяного пара.
Используется для ускорения твердения изделий из известково-силикатных и других композиций. Осуществляется в автоклавах.
Обжиг – высокотемпературное воздействие на сырьевую
смесь или сформованное изделие с целью вызвать глубокие изменения состава и структуры материала.
Плавление – обжиг сырьевых смесей (шихт) для получения
расплавов с заданными свойствами – получение стекла изделий
из шлаков горных пород ситаллов.
Спекание – обжиг с образованием расплава для придания конечному продукту производства заданных свойств: керамические
изделия портландцементный клинкер и т.п.
Твердофазовое спекание – обжиг сырьевых компонентов
без образования расплава с целью придания продукту обжига
свойств необходимых для последующей переработки: получение
извести гипса магнезиальных вяжущих.
Степень автоматизации – степень замены человека-оператора приборами контроля и регулирования. Различают:
Дистанционный контроль – определение значений параметров
процесса или аппарата с помощью датчиков и вывод измеренных параметров на шкалы контрольных (демонстрационных) приборов;
Дистанционное управление – изменение параметров процесса или аппарата в желаемом направлении с помощью сервисных
устройств но с участием управляющего человека-оператора который сам принимает решение о необходимости таких изменений
на основании показаний приборов.
Автоматическое управление – дистанционный контроль
в сочетании с дистанционным управлением но без участия человекаоператора. Принятие решений о необходимости изменения параметров процесса или аппарата и о величине этого изменения осуществляет компьютер или выполняющее его роль другое устройство.
Автоблокировка – автоматическое аварийное отключение аппарата (остановка процесса) при превышении нагрузки аппарата
допустимых значений или при других опасных нарушения режима протекания процесса.
Список рекомендуемой литературы
Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. И.М. Борщ [и др]. – Киев: Вища школа 1981. – 296 с.
Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов Н.Ф. Еремин. – М.: Высшая школа 1986. – 280 с.
Баталин Б.С. Строительные материалы – исследования изобретения Б.С. Баталин. – Пермь: Изд-во Перм. ун-та 1992. – 144 с.
Баталин Б.С. Методические указания к лабораторному исследовательскому практикуму по курсу «Процессы и аппараты
в технологии строительных материалов» Б.С. Баталин; Перм.
гос. пед. ин-т. – Пермь 1984. – 44 с.
Баталин Б.С. Методические указания к решению технологических задач Б.С. Баталин; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь:
Баталин Борис Семенович
в технологии строительных материалов
Редактор и корректор Н.А. Московкина
Подписано в печать 3.06.2008.
Тираж 100 экз. Заказ № 1302008.
Пермского государственного технического университета.
Адрес: 614990 г. Пермь Комсомольский пр. 29 к. 113.

Свободное скачивание на сегодня

Обновление через: 15 часов 15 минут
up Наверх