вается технологическим комплексом, использующим АСУТП.

Для любого процесса регулирования, которым осна­ щена система АСУТП, создается своя программа, ко­ торая предусматривает ввод полученной информации об изменении управляемых параметров в процессоре 5. Вы­ числительный комплекс сравнивает информацию с соот­ ветствующей программой, вызывая ее из запоминающе­ го устройства 6, называемого памятью. УВК находит со­ ответствующее решение и в виде команд передает его на исполнительные механизмы, которые регулируют про­ цесс.

4.9.2. Обеспечение применения ЭВМ

Для эксплуатации современной тепловой установки, оснащенной УВК, необходимы полные знания о техно­ логическом процессе, проходящем в этой установке. Лю­ бой технологический или тепло- и массообменный про­ цесс при современном подходе осуществляется, основы­ ваясь на принципах системного анализа. Обработка ма­ териала в тепловой установке рассматривается как сложный процесс, состоящий из элементов различных уровней от молекулярного до процесса в целом с уче­ том взаимодействия всех происходящих связей.

Применительно к тепловой обработке за начальный уровень можно принять (для взаимодействия теплоно­ сителя с материалом) процессы внешней передачи теп­ лоты и массы, передачу теплоты и массы внутри мате­ риала, напряженное состояние материала, химические реакции, протекающие в материале, и др.

Для представления о работе системы тепловой обра­ ботки материала составляют структурную блок-схему с учетом всех единичных процессов, принцип составле­ ния которой заключается в следующем. Представим си­ стему в виде прямоугольника (рис. 4.19). Внешние воз­ действия на систему, называемые «входами» или «пара­ метрами», обозначим Ну Ху 2. Примем, что из внешних воздействий воздействия Н_ можно контролировать и ре­ гулировать; воздействия X можно только контролиро­ вать (эти воздействия получены, например, в результа­ те деятельности предыдущей технологической системы)) воздействия Z — неконтролируемые и нерегулируемые,

В результате всех внешних воздействий на систему

н

А

' {Jl

' У2

>у

■ Уп

1

Рис. 4.19. Структурная блок-схема тепловой обработки

’ #, X, Z) получают после тепловой обработки требуе­ мые свойства продукции, обозначаемые Y. Тогда в об­ щем виде математическое описание функционирования такой системы можно представить как систему урав­ нений

Рассматривая по этой схеме систему тепловой обра­ ботки материала, отметим, что_У определяют свойства материала после обработки; X — свойства материала, поступающего на тепловую обработку; П — воздействия теплоносителя на материал (температуру Т, влагосодержание d, скорость движения v и др.); Z — свойства теп­ ловой установки и системы автоматического регулирова­ ния, например тепловая инерция, подсосы и выбивание воздуха и теплоносителя, запаздывание систем регули­ рования и т. д.

Если исключить из (4.58) параметр Z (в системе регулирования его называют параметром «шума», счи­ тая его для данной системы постоянным), то с некото-

рым приближением система уравнений (4.58) может быть записана

Это уравнение называют характеристической функцией системы.

4.9.3. Принципы моделирования

Для выявления зависимости, выраженной уравнени­ ем (4.59), можно исследовать не только собственно си­ стему, но и ее имитацию, например, выполнить модель и подвергнуть исследованию не саму систему, а ее мо­ дель. Моделирование— не только один из инструментов познания, но и средство экономии значительных матери­ альных и энергетических ресурсов как при проведении исследований, так и при разработке новой техники.

Моделирование базируется на теории подобия. Эта теория отвечает на вопросы, как поставить эксперимент и обработать экспериментальные данные, чтобы иметь возможность распространить их на все подобные явления.

Подобными называют геометрически подобные систе­ мы, в которых протекают процессы одинаковой приро­ ды, а отношение одноименных величин, характеризую­ щих явления (например, hi и х\ первой системы к hi и Xi второй системы), может быть записано постоянны­ ми числами. Предположим, система, используемая в ка­ честве тепловой установки, состоит из металлического барабана, длина которого Li и диаметр Db Модель

димы зависимости L2= CLI и D2 = cDь Следовательно, для геометрического подобия тепловой установки и ее модели необходимо, чтобы величина масштабного мно­ жителя с была постоянной; c=const.

Для подобия тепловых процессов необходимо осуще­ ствить в модели физическое подобие, т. е. подобие всех физических величин. В отличие от геометрического по­ добия при физическом подобии существует свой множи­ тель, посредством которого можно выразить физические величины основного процесса, например (скорости теп­ лоносителя vu теплоемкости Си температуры Гь вре­ мени /1) через одноименные величины v2l съ Т2у t2 мо­

передачей теплоты внутри материала, теплопровод­ ностью К и теплоотдачей а на поверхности тела. В кри­ териальную зависимость входит характерный линейный размер / в направлении теплопередачи.

Естественно, что При описании этих процессов для их подобия необходимо, чтобы критерии Fo и Ш для иссле­ дуемой и для модельной системы были равны.

4.9.4. Методы исследования процессов тепловой обработки

Для исследования применяются два метода. Первый называют структурным. Такой метод заключается в ис­ следовании всех процессов, проходящих в установке для тепловой обработки и в самом материале. Сюда входят все процессы тепло- и массообмена, возникновения на­ пряженного состояния, структурообразования материала й т. д. Такой сбор полных знаний о тепловой обработке требует исключительно длительных исследований.

Второй метод называют кибернетическим (или мето­ дом черного ящика). Этот метод позволяет абстрагиро­ ваться от всех сложных внутренних процессов, в том числе и от процессов, проходящих в материале. По это­ му методу, при известных входных параметрах мате­ риала xi (параметрах материала, загружаемого в теп­ ловую установку) и задаваемых параметрах изделия, Выходящего из тепловой установки yi, находят необхо­ димые параметры управления процессом тепловой обра­ ботки hi.

Сначала на модельной установке проводят сплани­ рованные с помощью методов математической статисти­ ки исследования, в результате которых выявляют значе­ ния yi= f(xi, hi) в виде снятых с натуры графиков, таб­ лиц, номограмм и т. п. Эти зависимости и закладывают в основу построения математической модели системы.

Для получения из математической модели конкрет­ ного решения необходимо выбрать то, которое соответ­ ствует исследуемому явлению. С этой целью в модель вводят дополнительные граничные условия однозначно­ сти (краевые условия). В краевые условия входят све­ дения о геометрических свойствах системы; физические свойства и свойства взаимодействия системы с окру­ жающей средой; данные о состоянии системы в началь-

ный и конечный момент времени; пределы, в которых исследуется влияние параметров.

При построении математической модели наиболее сложным является выбор связи между переменными по* лученных соотношений yi= f(xi, Ы), ибо каждое из этих уравнений определяет зависимость t-го выхода от всех входных параметров. Выбирая математическую модель, ищут уравнение, решение которого известно и можеФ быть положено в основу решения поставленной задачи. Одним из возможных вариантов решения этой задачи выбирают, например, ряд Тейлора, который преобра­ зуется в степенной ряд и отражает непрерывную функ­ цию у. Если выбранная математическая модель — сте­ пенной ряд — отображает реальное решение задачи, что определяется проверкой (принцип показан далее на при­ мере), то по этой модели определяются все необходимы^ условия тепловой обработки и переносятся на реальную установку.

Основным недостатком кибернетического метода яв­ ляется возрастающий процент ошибочных суждений, получаемый при числе параметров более 5. Поэтому при использовании данного метода параметры, определяю­ щие ход процесса, подвергают ранжированию. Под ран­ жированием понимают деление параметров на значи­ мые и малозначимые. Последние при исследовании от­ брасывают.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Расскажите о классификации способов тепловой обработки строительных изделий.

2. Какие тела применяют для моделирования влажного материа­ ла? Дайте их характеристику.

3.Расскажите о принципах составления тепловых и материаль­ ных балансов тепловых установок.

4.Какие виды теплообмена существуют?

6. Дайте характеристику процессов массоотдачи и массопередачи.

6. Расскажите о внешнем тепло- и массообмене при сушке строительных изделий.

у. Объясните внешний тепло- и массообмен при тепловлажност­ ной обработке.

8. Дайте характеристику внутреннего тепло- и массоообмена при ^ушке. Какие градиенты определяют движение массы внутри ма­ териала?

9. В чем заключается внутренний тепло- и массообмен при теп­

ловлажностной обработке? Его отличие от аналогичного процесса при сушке.

10.Почему возникает напряженное состояние в материале при тепловой обработке, и как оно влияет на качество изделий?

11.В чем заключаются принципы оптимизации тепловой обра­

ботки строительных изделий, и как они решаются с помощью ЭВМ?

РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ АЭРО- И ГИДРОДИНАМИКИ

Гидродинамика — наука о движении жидкости. Под словом «жидкость» в гидродинамике принято понимать собственно жидкость, а также газы и пар, ибо для рас­ чета их движения с достаточной точностью используют­ ся одинаковые формулы. В промышленности строитель­ ных материалов движение газов в печах и сушилках принято относить к аэродинамическим процессам, а дви­ жение пара по каналам и трубопроводам к гидроди­ намическим.

ГЛАВА 5. ОСНОВЫ АЭРО- И ГИДРОДИНАМИКИ ТЕПЛОВЫХ УСТАНОВОК

Ранее указывалось, что газы, нагретый воздух, пар используются как теплоносители для тепловой обработ­ ки строительных материалов. Условия движения тепло­ носителей по тепловым установкам определяют условия внешнего тепло- и массообмена, а потому имеют важное значение в технологии указанных материалов.

5.1. Основные понятия о движении жидкости

Различают два вида движения жидкости: установив­ шееся и неустановившееся. Установившимся называют такое, при котором скорость жидкости в любой точке занятого ею пространства не изменяется во времени. Неустановившимся называют движение жидкости, ско­ рость и направление которой изменяются с течением времени.

Если жидкость движется по трубе (или каналу) и за­ нимает все ее поперечное сечение, то в различных точ­ ках сечения наблюдается неодинаковая скорость ее дви­ жения. Обычно в центре потока — самая высокая ско­

рость, которая уменьшается по мере приближения к стенкам. Поэтому в инженерных расчетах используют среднюю скорость v, представляющую собой отношение объема расходуемой в единицу времени жидкости V к площади свободного сечения (открытого для течения)

(в кг или м3), протекающее через поперечное сечение канала, трубопровода в единицу времени

Расход, выраженный в кубических метрах за секун­ ду, называют объемным, а в килограммах за секунду — массовым. Жидкость при течении может занимать все поперечное сечение канала, трубопровода. В этом слу­ чае ее поток называют напорным. Если движущаяся жидкость (поток) имеет свободную поверхность (зани­ мает не все поперечное сечение канала, трубопровода), такой поток называют безнапорным.

Поперечное сечение канала, трубопровода, заполнен­ ное жидкостью, называют живым сечением потока. Обычно в каналах, трубопроводах используется для дви­ жения жидкости все поперечное сечение. В этом слу­ чае поперечное сечение канала, трубопровода будет рав­ но живому сечению потока жидкости.

Изделия, подвергаемые тепловой обработке, зани­ мают большую часть поперечного сечения тепловой уста­ новки; жидкость занимает меньшую часть. Поэтому жи­ вое сечение потока в тепловой установке не равно по­ перечному сечению тепловой установки, оно значитель­ но меньше. Живое сечение потока жидкости определяют по формуле

Каналы, трубопроводы, по которым перемещается жидкость, могут иметь как круглое, так и другой фор­ мы сечение, поэтому для характеристики движения жид­ кости по ним вводятся понятия гидравлический радиус Ят и эквивалентный диаметр d0.

Гидравлический радиус — отношение площади живо­ го сечения потока SH, к периметру канала, трубопрово­ да U, по которому движется жидкость

(5.4)

Отсюда площадь живого сечения потока Sm опреде­ ляют через гидравлический радиус /?г или через экви­ валентный диаметр

Отсюда

Тогда эквивалентный диаметр,выраженный через гидравлический радиус,

<*э=4Яг. (5.7)

Подставив в (5.7) вместо Rv его значение из (5.4), получим окончательное значение

площади этого канала к его параметру. Для каналов круглого сечения с1э равен диаметру канала d.

Установлено, что в природе существует два вида те­ чения жидкости — ламинарное (слоистое), упорядочен­ ное, при котором отдельные очень тонкие слои потока скользят параллельно, и турбулентное — вихреобразное, при котором частицы жидкости движутся по беспорядоч­ ным траекториям.

Двигаясь в турбулентном режиме, отдельные части­ цы жидкости лучше перемешиваются, поэтому и темпе­ ратура тепловой обработки более равномерна.

Рейнольдсом установлено, что режим течения жидко­ сти зависит от скорости потока и> плотности жидкости р, диаметра трубопровода d3 и сил внутреннего трения слоев, вызываемых динамической вязкостью жидкости т]. Математическая зависимость этих параметров названа критерием Рейнольдса (Re); он равен

размер изделия, вдоль которого движется теплоноситель). Тогда кри­ терий Рейнольдса Re = y//v.