Отзыв оппонента 2 (Совершенствование тепловой работы печи термостабилизации при производстве углеродных волокон с целью сокращения энергозатрат)

отзыв официального оппонента Морозова Игоря Петровича на диссертацию Исаева Андрея Сергеевича «Совершенствование тепловой работы печи термостабилизации при производстве углеродных волокон с целью сокращения энергозатрат», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.04 — Промышленная теплоэнергетика 1. Актуальность темы диссертационной работы Проблема снижения энергоемкости российского промышленного производства является одной из важнейших, влияющих на эффективность всех сфер экономики.

Одним из основных направлений ее снижения является энергосбережение. Растущее использование углеродных волокон для производства композитных материалов заставляет внимательно посмотреть на технологию их производства с целью улучшения управляемости процесса, повышения качества продукта и снижения его энергоемкости, что, несомненно, приводит к повышению конкурентности этого продукта.

Поэтому выбор диссертационной темы заслуживает одобрения. 2. Содержание работы Диссертационная работа включает введение, пять глав, заключение, список цитируемой литературы, приложение. Общий объем составляет 127 страниц, включая 43 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 118 наименований. В качестве основных задач диссертационной работы автор обозначил: 1. Проведение анализа современного состояния теории и практики процесса термостабилизации ПАН волокон и сбор исходных данных, необходимых для разработки математической модели изучаемого объекта. 2.

Разработка математической модели процесса тепло- и массообмена в рабочем пространстве печи термостабилизации, учитывающей различные механизмы теплообмена волокна с рабочим пространством и позволяющей рассчитывать температурный режим, который обеспечивает монотонное повышение температуры волокна без его пережога, а также остаточное содержание примесей в волокне, как функции координат и времени. 3. Реализация экспериментальных исследований процесса термостабнлизации ПАН волокон с целью уточнения физической модели данного процесса и определения значений физико-химических констант реакций, протекаюших в обрабатываемом волокне.

Разработка при помощи математической модели процесса термостабилизации наиболее рационального техночогического режима с точки зрения минимума энергозатрат. полноты завершенности процесса удаления из сырья посторонних примесей и предотвращения пережога обрабатываемого материала. Во введении дается общая характеристика работы. Автор обосновал актуальность темы, выделил объект исследования, сформулировал цель и задачи работы„ основные выводы, показал достоверность и обоснованность полученных результатов и их практическую значимость.

В главе 1 проводится анализ методов производства углеродных волокон. Подробно описываются необходимые свойства полиакрнлонитрильного (ПАН) сырья и зрехстадийная технология получения углеродных волокон. Наиболее ответственной и энергоемкой стадией является термостабилизация.

Существующие способы осуществления этой стадии являются довольно сложными на практике. Проведение копвективного нагрева ПАН волокон в печах различной конструкции связано с трудностями управления нагревом, исключающим пережог волокон, приводящим к браку.

Решение проблемы автор видит в применении электронагревателей. Они используются в печи ВУЛОН для нагрева воздуха в каналах, который используется для термообработки (ПАН) волокон. Заслугой автора, несомненно, является его предложение, использовать радиационноконвективный теплообмен для термостабилизации, что позволит снизить затраты энергии на процесс. Исследования и разработку соответствующих мероприятий предлагается проводить с помощью математической модели процесса радиационно-конвективного теплообмена в рабочем пространстве печей термостабилизацни. Созданная на ее основе программа для расчета режима работы установленных в печи нагревателей с учетом свойств ПАН волокна является основой для последующей разработки системы автоматического управления технологическим процессом термостабилизации, что повысит качество отечественных углеродных волокон.

В главе 2 приводится описание математической модели процесса термостабилизации. Решается сопрязкенная задача. Модель включает уравнения теплопроводности при наличии внутренних источников теплоты в движущемся волокне, радиационно-конвективного теплообмена внутри канала при симметричном нагреве, интенсивности тепловых потоков экзоэффекта и теплового баланса для воздуха. Для определения экзоэффекта проведены экспериментальные исследования в главе 3. Для решения внутренней задачи используется неявная расчетная схема.

Представляет интерес возможность использования явной расчетной схемы, что упрощает решение. Значения плотностей потоков результирующего излучения найдены из решения задачи радиационноконвективного теплообмена в системе «поверхность жгута — нагреватели — кладка печи» с использованием резольвентного метода. Газовая среда принимается лучепрозрачной. Математическая модель программно реализована на языке программирования С++ в среде Вш!бег б.О. Разработанная модель позволяет осуществлять численное исследование процесса термостабилизации при заданных значениях физико-химических констант (энергия активации и константа скорости реакции) исходного сырья. Для их определения поставлен физический эксперимент.

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям процесса термостабнлнзацин. Для определения массовой плотности тепловыделения необходимо знать кинетические и теплофизические характеристики реакций, протекающих в (ПАН) волокне, Главные проблемы прн разработке режима термостабилизации связаны с подавлением выделения большого количества теплоты — экзоэффекта, возникающего при нагреве ПАН волокна в интервале температур 200 — 300 С. Трудность подавления экзоэффекта заключается, прежде всего, в том, что интервал температур его проявления и максимальная мощность тепловыделения не являются величинами постоянными, зависящими только от химического состава ПАН волокна, но зависят также от других параметров процесса. В связи с этим автором проведены лабораторные исследования процесса термостабилизации на установке ПЯС 404 С Ревазов фирмы НЕТХЯСН. Отмеченная автором аналогия с горением угольной частицы позволила в математической модели процесса термостабнлизации физико-химические превращения в жгуте описать, используя закон Аррениуса.

В процессе обработки экспериментальных результатов получены кинетические константы реакций (энергия активации н константы скорости химической реакции) для всех испытанных жгутов при трех скоростях нагрева. Хотя для получения надежных усредненных данных необходим больший объем результатов экспериментов, автор ограничился полученным для усреднения значений кинетических констант для ПАН жгутов с тремя величинами линейных плотностей.

Эти константы могут быть перенесены в математическую модель тепловой работы печи термостабилизации с последующим уточнением. В главе 4 с помощью разработанной математической модели проводится исследование процесса термостабилизации ПАН жгутов в печи ВУЛОН. В качестве исходных данных приняты ее проектные данные. Выполненные тепловые расчеты по этим данным в предположении нагрева жгутов только за счет теплоотдачн от воздуха показали, что более 90;4 всей расходуемой энергии в печи затрачивается на нагрев воздуха и всего 2 'Ь расходуется непосредственно на нагрев самих жгутов. Данное обстоятельство говорит о неэффективном использовании энергии прн осуществлении термической стабилизации ПАН жгутов, что приводит к удорожанию получаемого продукта н снижению конкурентоспособности отечественного производства.

Учет частичного радиационного нагрева жгутов позволяет сократить в целом затраты энергии по сравнению с проектными более чем в 3,5 раза. Важным результатом исследования является и выявленный недостаток предлагаемого в проекте графика нагрева. Разработанный новый режим нагрева жгутов позволяет почти в 5 раз сократить расход энергии на термостабилизацию.

Это обеспечивается за счет оптимального выбора температуры электронагревателей, резкого сокращения затрат энергии на подогрев воздуха в связи с уменьшением его расхода и отказом от электрокалорифера. Использование воздуха, в том числе и в качестве охладнтеля жгутов, уменьшает возлюжность нх пережога. В главе 5 приводятся результаты проверки свойств образцов, полученных на лабораторной установке по существующей технологии (стандартный режим) и по расчетному режиму. Следует отметить, что печь термостабилизации лабораторной установки мало приспособлена условиям, для которых создавалась математическая модель и разрабатывалась программа расчета режима термостабилизации. Тем не менее, учет возможностей радиационного и конвективного теплообмена позволил без ущерба для качества вырабатываемого волокна в три раза сократить расход воздуха, что привело к существенному сокращению энергозатрат на процесс термостабилизации.

Это лишний раз подчеркивает применимость разработанной модели для определения оптимальных режимов нагрева жгутов, приводящих к снижению энергозатрат на процесс, а, следовательно, и повышению конкурентоспособности получаемого продукта. 3. Научная новизна работы !. Разработана математическая модель процесса обработки ПАН жгутов в печи термостабилизации с электронагревателями, включающая уравнения теплопроводности с внутренними источниками теплоты, радиационно-конвективного теплообмена внутри канала, интенсивности тепловыделения при термической обработке и теплового баланса воздуха.

2. Показано превалирующая роль радиационного теплообмена между электронагревателями и обрабатываемым материалом. 3. Предложен новый режим термостабилнзации, при котором воздух используется для окисления и снятия теплового гютока экзоэффекта. 4. Определены значения энергии активации и константы скорости реакции для ПАН жгутов с различной линейной плотностью.