Автореферат (Совершенствование тепловой работы печи термостабилизации при производстве углеродных волокон с целью сокращения энергозатрат), страница 2

По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3статьи в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, пять глав,заключение, список цитируемой литературы, приложение. Общий объем составляет 127страниц, включая 43 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 118 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачиисследования, представлены научная новизна и практическая значимость работы, приведеныположения, выносимые на защиту.В первой главе обсуждается технология производства УВ. Подробно рассмотренатехнология термообработки исходного ПАН волокна.

В интервале температур 200–300 0С вобъеме волокна может возникнуть экзоэффект, в результате которого материал сгорает. Дляпредотвращения сгорания необходимо обеспечить оперативное управление процессомтермостабилизации. В современных печах термостабилизации это возможно либо за счетизменения скорости воздуха в рабочем пространстве печи, либо за счет изменения еготемпературы на входе в печь.

Возможности первого способа крайне ограничены максимальнодопустимой скоростью воздуха в рабочем пространстве печи (не более 5 м/с).Проанализированы существующие и предлагаемые конструктивные и технологическиерешения, направленные на повышение степени управляемости процесса термостабилизации.Наиболееперспективнойсэтойточкизренияпредставляетсяразработкапечитермостабилизации нового поколения «ВУЛОН», схема которой показана на рисунке 1.Проектом предусмотрены две схемы подачи воздуха в рабочее пространство печи. Одна изних, для осуществления которой конструкция печи выглядит, как показано на рисунке 1,предусматриваетподачунагретоговоздухавовторойканалидальнейшееего7последовательное продвижение по всем каналам. По второй схеме воздух подается во второй итретий каналы, при выходе из которых поток газовоздушной смеси (ГВС) соединяется и,поворачивая на 180°, поступает в четвертый канал, затем в пятый и т.д.1,2, …, 8, 9 – номера каналов; 10 – жгут; 11 – нагреватель; 12 – шлюзовая камера; 13 – отверстие для выхода ГВСРисунок 1 – Продольный разрез печи термостабилизации ВУЛОНРабочее пространство печи состоит из девяти расположенных друг над другомгоризонтальных каналов прямоугольного сечения 600×200 мм и длиной 6000 мм, соединенныхмежду собой последовательно по ходу обрабатываемого волокна.

Для обеспеченияоперативного регулирования температуры воздуха по ходу волокна в каждом канале на своде иподе установлено по шесть электронагревателей, размер каждого 1000х550 мм. В мировойпрактике производства УВ считается, что на стадии термостабилизации нагрев волокна за счетрадиационного теплообмена невозможен в связи с низкими значениями температурнагревателей и относительно высокой скоростью обдувающего волокно воздуха. В настоящейработе высказано предположение, что в печи ВУЛОН имеет место радиационно-конвективныйрежим нагрева жгута, при этом радиационный теплообмен имеет решающее значение, а завоздухом остаются функции поставки кислорода и отвода избыточной теплоты от жгута. Приэтомпоявляетсявозможностьуправлятьпроцессомтермостабилизации,изменяятемпературное поле в рабочем пространстве печи с любой наперед заданной точностью, путемизменения мощности электронагревателей.Сформулирована цель и задачи исследования для случая переработки ПАН волокна.8Во второй главе описана математическая модель процесса термической стабилизацииПАН жгутов в печи ВУЛОН.Каждый канал рабочего пространства печи ВУЛОН представляет собой параллелепипед,ширина и высота которого более чем в 10 раз меньше длины.

Жгуты нагреваемого волокнадвижутся по оси канала и делят его на верхнюю и нижнюю части. Количество обрабатываемыхжгутов в печи составляет от 3 до 45 штук в зависимости от их линейной плотности. Жгутпротягивается по каналу со скоростью от 20 до 100 м/ч. Воздух в канале движется соскоростью не более 5 м/с. На своде и поде канала установлены электронагреватели в видеотдельных секций. Напряжение подается на каждую секцию отдельно. При этом в каждойсекции на своде и поде напряжение одинаковое, что позволяет считать нагрев жгутовсимметричным.При построении математической модели приняты следующие допущения: жгутыобразуют сплошную плоскую ленту, представленную на рисунке 2, толщиной, равной толщинежгута; нагреватели каждой секции канала образуют сплошную плоскую поверхность; влияниеестественной конвекции не учитываем; предполагаем равномерное распределение внутреннихисточников теплоты по объему жгута; коэффициент теплопроводности жгута, его удельнаятеплоемкость и плотность принимаем величинами постоянными.Рисунок 2 – Раскладка жгутовТаким образом, решению подлежит сопряженная задача теплообмена, включающая всебя задачу теплопроводности при наличии внутренних источников теплоты в движущемсяжгуте и задачу радиационно-конвективного теплообмена внутри канала при симметричномнагреве жгутов.

Задача теплопроводности решается для верхней половины жгутов. С учетомпринятых допущений уравнение энергии имеет вид:uж∂Tж∂x= aж∂ 2Tж∂y2+Σqicж, 0<y< δ ,(1)9где a ж =λж, м2/с – коэффициент температуропроводности в поперечном направленииρ ж сжполосы, составленной из жгутов; λж – коэффициент теплопроводности жгута (в поперечномнаправлении), Вт/(м·К); ρж – плотность материала жгута, кг/м3; cж – удельная теплоемкостьматериала жгута, Дж/(кг·К); δ – половина толщины жгута, м; q i = Qi k i e−EiRT– массоваяплотность тепловыделения i -ой реакции, Вт/кг; Qi – тепловой эффект i -ой реакции, Дж/кг; k –константа скорости i -ой реакции, с −1 ; E i – энергия активации i -ой реакции, Дж/моль; R –универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль·К); Tж = Tж ( x, y) – температура жгута,К; uж – скорость движения жгута, м/с; x, y – соответственно, продольная и поперечнаякоординаты, м.Записав уравнение (1) в системе координат, движущейся вместе со жгутом, и отсчитываявремя нагрева от момента поступления полосы в расчетную зону канала t = x / u ж , получимнестационарное одномерное уравнение теплопроводности с внутренними источникамитеплоты относительно Tж = Tж ( y, t ) :∂Tж∂ 2Tж Σqi= aж+, 0<y< δ∂tcж∂y 2(2)Для определения массовой плотности тепловыделения необходимо знать кинетические итеплофизические характеристики реакций, протекающих в жгуте ПАН волокна в ходе еготермостабилизации.Тепловойэффектикинетическиеконстантыопределеныэкспериментально по рекомендации д.т.н., главного научного сотрудника «Центра Келдыша»Л.И.

Волковой.Граничное условие на поверхности теплообмена заключается в задании плотностисуммарного теплового потока, представляющей собой сумму плотности результирующегопотока излучения q жр (t ) и конвективного потока от обдувающего воздуха и имеет вид:− λж∂T ж∂y= q жр (t ) + α ж (t )(T в (t ) − T ж (δ , t )) ,(3)y =δгде α ж (t ) – коэффициент теплоотдачи конвекцией на поверхности жгута, Вт/(м2⋅К); Tж (δ , t ) –температура поверхности жгута, К; Tв (t ) – температура воздуха, обдувающего жгут, К.Граничное условие в плоскости симметрии жгута имеет вид:− λж∂Tж∂y= 0.y =0(4)10Значения плотностей потоков результирующего излучения найдены из решения задачирадиационно-конвективного теплообмена в системе «поверхность жгута – нагреватели –кладка печи». С этой целью используется резольвентный зональный метод.

Зоны наповерхности жгута рассматриваются как зоны первого рода (их температура находится изрешения внутренней задачи); зоны на поверхности кладки и замыкающие боковые поверхностив начале и конце каждого канала – как зоны второго рода (задано условие адиабатности), азоны нагревателей, в зависимости от постановки задачи и сделанных допущений, можнорассматривать либо как зоны первого рода (если задана температура, а вычисляется требуемаядля нее мощность), либо как зоны второго рода (если задана мощность).Балансовое уравнение для зон второго рода (нагревателей и стен печи) имеет вид:Q i р + Q iи = 0 ,(5)где Q i р – поток результирующего излучения для i -ой зоны, Вт; Q iи – источниковое слагаемоедля i -ой зоны, Вт.Поток результирующего излучения выражается в виде явной функции зональныхтемператур:nQiр = ∑ a ki Tk4 ,(6)k =1где aki – коэффициенты радиационного обмена; Tk – температура k -ой зоны.Источниковые слагаемые выражаются как явная функция соответствующей зональнойтемпературы:Q iи = S i0 + S iT ⋅ T i ,(7)где S i0 – часть источникового слагаемого, не зависящая от зональных температур, Вт; S iT –коэффициент линейной части источникового слагаемого для i-ой зоны, Вт/К.Коэффициентытеплоотдачиконвекциейнаповерхностижгутаопределялиизэмпирических зависимостей, справедливых для движения газа вдоль плоской пластины:Nu = 0,332 Re 0 ,5 Pr 0 , 33 при Re p 10 5 ,Nu = 0,0291 Re 0 ,8 при 10 5 p Re p 10 7 (8)где Nu – число Нуссельта; Pr – критерий Прандтля; Re – число Рейнольдса.В числе Re в качестве скорости фигурирует относительная скорость жгута и воздуха, а вкачестве характерного размера – продольная координата для движущегося воздуха,отсчитанная от начала расчетной зоны канала печи.

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией наповерхностях нагревателей рассчитываются по формулам (8). При этом в качестве11определяющей скорости принята абсолютная скорость воздуха в канале печи, посколькунагреватели неподвижны.Замыкание системы уравнений для решения сопряженной задачи теплообменаобеспечивается уравнением теплового баланса для воздуха.Математическая модель программно реализована на языке программирования С++ всреде Builder 6.0. Разработанная модель позволяет осуществлять численное исследованиепроцесса термостабилизации при заданных значениях физико-химических констант (энергияактивации и константа скорости реакции) исходного сырья.

С целью определения данныхконстант поставлен физический эксперимент.В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследованийпроцесса термостабилизации ПАН волокна при его нагреве до 330 0С в атмосфере воздуха.В качестве исходных материалов использовались жгуты ПАН волокна с линейнойплотностью элементарных волокон 0,08; 0,10 и 0,12 текс, предоставленные холдинговойкомпанией «Композит». Исследования проводились на установке DSC 404 C Pegasus фирмыNETZSCH методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).В ходе экспериментов жгуты нагревали до 330 °С со скоростями 2; 3,5 и 5 К/мин.

Приэтом фиксировали изменение массы жгута, интенсивность тепловыделения. Затем определялимаксимальные значения тепловыделения и температуры, при которых они возникали.В ходе экспериментов установлено, что относительная потеря массы жгута в процессетермостабилизации не зависит от линейной плотности элементарных волокон, но зависит отскорости нагрева.При повышении скорости нагрева резко возрастает удельная мощность тепловыделенияв интервале температур, соответствующих экзоэффекту.

Для жгута с линейной плотностьюэлементарных волокон 0,08 текс ее пиковое значение изменялось от 2,078 мВт/мг при скоростинагрева 2 К/мин до 11,86 мВт/мг при скорости нагрева 5 К/мин. В ходе экспериментовустановлено также, что температура, при которой имело место максимальное тепловыделение,не зависела от линейной плотности элементарных волокон.

После завершения экзоэффектапроцесс химического реформирования волокон переходил на новую стадию, протекающую спрактически постоянным тепловыделением.Экспериментальные данные показывают идентичность поведения ПАН волокна впроцессе термостабилизации поведению частички угля при ее сжигании. Весь процесс нагреваможно разделить на три стадии. На первой, при начальных температурах, химическоереагирование незаметно. Этот период можно назвать индукционным. Затем возникаетинтенсивное реагирование, протекающее по закону Аррениуса, с большой, но конечнойскоростью, по характеру напоминающее горение летучих компонентов угля. После завершения12этого периода скорость химического реагирования резко падает, и реагирование продолжаетсяс постоянной невысокой скоростью. Скорость удаления примесей в жгуте ПАН волокнапредставили в виде уравнения:−dm= ( m0 − m ) ke − E a / RTж ,dt(9)где m 0 – относительная доля реагирующего вещества в жгуте; m – доля прореагировавшеговещества в жгуте; t – время, с; k – константа скорости реакции, с −1 ; E a – энергия активацииреакции, Дж/моль; Т ж – температура жгута, К; R – универсальная газовая постоянная,Дж/(моль·К).Тепловыделение 1 кг жгута за 1 секунду определяли по формуле:q = Qэкз(m0 − m) − Ekem0a/ RTж,Вткг(10)где Q экз – тепловой эффект реакции, Дж/кг.Втаблице1представленырезультатыобработкиэкспериментальныхданных,использованных в математической модели.Таблица 1 – Значения энергии активации и константы скорости реакции в зависимости отскорости нагрева и линейной плотности элементарных волоконСкоростьЕа, (Дж/моль)·10-3k, с-1нагрева, К/мин:0,08 текс0,10 текс0,12 текс0,08 текс0,10 текс0,12 текс2 и 3,5351,16211,78211,611,24·10338,08·10187,29·10183,5 и 5211,23254,00154,627,46·10181,61·10231,16·10132и5279,73226,49185,276,32·10252,65·10201,51·1016В четвертой главе при помощи разработанной математической модели проведеноисследование тепловой работы печи ВУЛОН.