Введение

Промышленность строительных материалов  одна из энергоемких отраслей народнохозяйственного комплекса Республики Беларусь. На ее долю приходится 2,4% потребляемой электроэнергии (18% объема электроэнергии, потребляемой всем промышленным комплексом), 3,6% всей вырабатываемой теплоты. Общее потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) с учетом котельно-печного топлива составляет 2,5 млн. т у. т., или 7,2% от их суммарного потребления в республике. Из общего потребления ТЭР до 80% их расходуется на проведение теплотехнологических процессов. В себестоимости отдельных видов силикатных материалов доля энергетических затрат достигает 75%. Наиболее энергоемкими силикатными материалами являются стекло, известь, цемент, керамические изделия.

Для управления теплотехнологическими процессами в таких высокотеплозатратных технологиях, какими являются технологии силикатных материалов, оптимизации тепловых процессов, решения задач по энергосбережению инженеру-химику-технологу необходимы специальные теплотехнические знания в области тепловых процессов.

Тепловым процессом называют закономерную совокупность стадий теплового воздействия на материал (исходное сырье) с целью придания ему определенных заранее заданных свойств.

Тепловые процессы в тепловых установках (печах, сушилках) охватывают большой комплекс технологических процессов, объединяющих процессы сжигания топлива, аэродинамику газов, теплопередачу и утилизацию теплоты.

Для организации теплового воздействия на материал необходимо обеспечить взаимосвязь термохимических процессов, протекающих в материале, и тепловых процессов в самой установке. Эту взаимосвязь «тепловые процессы в установке – течение процессов в материале» называют тепловой обработкой материала.

При тепловой обработке в материалах происходят тепловые, массообменные и химические процессы, а в установке – тепловые массообменные и гидродинамические. Эти процессы могут протекать при тепловой обработке одновременно или в каком-то определенном сочетании. При некоторых видах тепловой обработки может встречаться только часть указанных процессов.

В технологии силикатных материалов различают следующие виды тепловой обработки: нагрев, сушка, дегидратация, тепловлажностная обработка, обжиг, вспучивание, спекание, плавление, варка, отжиг, закалка.

Взаимосвязь и сложность явлений в установках и материале накладывали на начальных этапах развития технологии эмпирический характер управления тепловыми процессами.

Постепенно накапливались экспериментальные данные, появлялись предпосылки для математического описания тепловых процессов.

Первые попытки анализа тепловых процессов в тепловых установках были сделаны М. В. Ломоносовым и продолжены В. Е. Грум-Гржимайло, создавшими научную теорию, объясняющую работу печей и сушилок.

Дальнейшее развитие теории тепловых установок связано с именами русских ученых Н. А. Львова, А. К. Крупского, Т. К. Дементьева и других.

Теория тепловых установок и тепловых процессов, протекающих в них, интенсивно развивалась в начале XIX ст. благодаря работам В. Е. Грум-Гржимайло, Н. Е. Скаредова, Н. Н. Доброхотова, М. И. Павлова, К. К. Блахера и др. В частности, Н. Е. Скаредов указал пути интенсификации тепловых процессов в тепловых установках, М. И. Павлов заложил основы конструирования промышленных печей, а Н. Н. Доброхотов сформулировал правила и установил закономерности в области механики газов и теплообмена в печных конструкциях, заложил основы расчета состава генераторного газа.

Много сделали для развития теории тепловых процессов, создания и применения печей в технологии силикатных материалов немецкие специалисты Сименсы, Ф. Гофман, Г. Мендгейм, О. Бок.

Особенно обширные научные исследования, связанные с работой тепловых установок, в том числе для силикатных материалов, были проведены советскими учеными М. В. Кирпичевым, Л. С. Эйгенсоном, А. А. Гухманом, М. А. Михеевым. При исследовании тепловых процессов в печах ими впервые применена теория подобия.

Основы теории горения топлива разработаны Н. Н. Семеновым, Д. А. Франк-Каменецким, Г. Ф. Кнорре, А. С. Предводителевым.

Наука о процессах, происходящих в материалах при тепловой обработке, начала развиваться позднее.

Положения о кинетике процесса сушки были выдвинуты П. С. Коссовичем и А. В. Лебедевым только в 20-х гг. ХХ ст.

Представления о формах связи влаги с материалом, определяющие сушку, были сформулированы П. А. Ребиндером.

В 1918 г. Л. К. Рамзин предложил hd-диаграмму влажного воздуха и создал методику расчета сушильных установок.

Наука о сушильных процессах получила развитие в работах советских ученых А. П. Ворошилова, М. И. Лурье, М. Ф. Казанского, П. Г. Романкова, А. В. Лыкова.

Теоретические основы тепловых процессов, происходящих при обжиге, заложены П. П. Будниковым, К. А. Нохратяном, О. П. Мчедлов-Петросяном и рядом других ученых.

Основные положения теории тепловлажностной обработки бетона и автоклавных материалов заложены А. В. Волженским и П. И. Боженовым. Дальнейшее развитие представлений о процессах, происходящих при тепловлажностной обработке, связано с трудами Л. А. Малининой, А. Д. Дмитровича, И. Б. Завседателева, М. Б. Марьямова и других ученых.

Накопленные знания о взаимосвязи тепловых процессов в тепловых установках и материалах, а также проведенные в последнее время обширные экспериментальные исследования послужили основой для создания моделей этих взаимосвязанных процессов и, следовательно, решения конкретных задач по оптимизации тепловой обработки с привлечением ЭВМ.