Помощь студентам в учебе
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ В КАМЕРНОЙ СУШИЛКЕ
|
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО
ОПТИМИЗАЦИИ 10
1.1 Математические методы исследования реальных объектов 10
1.1.1. Классификация математических моделей 10
1.1.2 Методы экспериментальных исследований 15
1.2 Моделирование физических процессов 17
2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБРАБОТКИ
КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 28
2.1 Разработка математической модели распределения теплоносителя в
камерной сушилке периодического действия 28
2.2 Модификация математической модели термовлажностной обработки
керамической плитки 47
3 РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОГО ПО
БЫСТРОДЕЙСТВИЮ РЕЖИМА СУШКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 79
ПРИЛОЖЕНИЕ А 86
Программа моделирования распределения тепловых потоков в пустой камере 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 92
Результаты моделирования процесса распределения тепловых потоков в пустой камере 92
ПРИЛОЖЕНИЕ В 94
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО
ОПТИМИЗАЦИИ 10
1.1 Математические методы исследования реальных объектов 10
1.1.1. Классификация математических моделей 10
1.1.2 Методы экспериментальных исследований 15
1.2 Моделирование физических процессов 17
2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБРАБОТКИ
КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 28
2.1 Разработка математической модели распределения теплоносителя в
камерной сушилке периодического действия 28
2.2 Модификация математической модели термовлажностной обработки
керамической плитки 47
3 РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОГО ПО
БЫСТРОДЕЙСТВИЮ РЕЖИМА СУШКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 79
ПРИЛОЖЕНИЕ А 86
Программа моделирования распределения тепловых потоков в пустой камере 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 92
Результаты моделирования процесса распределения тепловых потоков в пустой камере 92
ПРИЛОЖЕНИЕ В 94
Актуальность работы. При проектировании различных технологий наряду с опытно-экспериментальными исследованиями часто становится необходимым создание имитационных и математических моделей, позволяющих осуществлять комплексное исследование процесса для определения его технологических возможностей и получения оптимального результата. Известно, что керамические изделия являются экологически чистыми и надежными в эксплуатации материалами. Современное развитие строительной индустрии вызывает необходимость увеличения производства изделий из керамики, которое относится к разряду материалоемких и энергоемких производств [25].
Технологический процесс производства керамических изделий состоит из нескольких последовательных этапов, среди которых этап сушки является наиболее важным: и с точки зрения его энергоемкости (около 30 %), и с точки зрения длительности (до 90 %), и с точки зрения обеспечения качества выпускаемой продукции. Поэтому показатели, соответствующие технологическому этапу сушки, способствуют определению экономической эффективности производства в целом. Используемые режимы сушки керамических изделий зачастую оказываются нерациональными для улучшения показателей, характеризующих эффективность процесса. Затруднения Трудностью при организации процесса сушки является существенная неравномерность протеканий теплофизических процессов, происходящих как внутри отдельных сушильных камер, так и в сушильной установке в целом. Кроме того, проведение стадии сушки изделий нужно осуществлять с учетом климатических условий добычи и предварительной обработки исходного материала, а также его физико-химических характеристик [16, 21, 26, 40, 41, 44, 45, 46, 55, 78].
Осуществление технологического процесса сушки керамических изделий необходимо реализовывать с учетом широкого диапазона изменения входных параметров [6, 42-44, 57]. Поэтому для повышения эффективности функционирования камерных сушилок, используемых для сушки изделий из керамики, нужно определение оптимальных технологических регламентов, действующих в широком диапазоне изменений входных параметров.
Анализ научной литературы показал, что используемые практически методы определения технологических регламентов при керамическом производстве недостаточно учитывают взаимосвязь разных теплофизических процессов, которые протекают в камерных сушилках. К ним относятся: распространение теплоносителя в объеме сушильной камеры; термовлажностная обработка керамических изделий; распределение теплоносителя, поступающего из общего канала, между камерами; распределенность сушильной установки [15, 18, 22, 24, 34, 35, 37, 76, 84]. В работах А.Д. Альтшуля, В.И. Бодрова, А.В. Золотарского, И.С. Кашкаева, В. Каста, Р.Б. Кея, А.В Лыкова, П.Д Лебедева, М.В. Месрова, В.Т. Морозовского, В.В. Перегудова, К.А. Похратяна, В.В. Полякова, О.С. Соболева, А.Ф. Чижекого, А.Д. Цепина, Е.Ш. Шейнмана, Л.А. Щукина, Т.К. Шервуда, Р. Френкса, и др. отдельно исследованы теплофизические и аэродинамические процессы, которые применяются в условиях сушки керамических изделий, однако не решена задача определения оптимальных технологических регламентов на конкретном технологическом оборудовании. Решить данную задачу можно только применяя метод математического моделирования. Для этого необходима разработка математического описания процессов, которые протекают, как в камере сушилки, так и в межкамерном пространстве [29, 69].
Объект исследования - камерная сушилка периодического действия.
Предмет исследования - процесс распределения тепловых потоков в камерной сушилке периодического действия.
Целью работы является математическое моделирование и оптимизация процесса сушки керамических изделий в камерной сушилке.
Задачи магистерской диссертации:
1. Изучить теоретико-методические основы моделирования распределения тепловых потоков.
2. Обосновать выбор средств для моделирования распределения тепловых потоков.
3. Разработать математическую модель распределения теплоносителя в камерной сушилке периодического действия.
4. Произвести расчет параметров оптимального управления режимом обработки керамических изделий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Предложена математическая модель распределения теплоносителя в камерной сушилке периодического действия в процессе термовлажностной обработки керамических изделий.
• Разработан алгоритм поиска оптимального управления технологическим режимом сушки керамических изделий в сушильной камере периодического действия, позволяющий сократить длительность обработки при соблюдении требуемого качества продукции.
Практичная значимость работы заключается в том, что предложенный алгоритм поиска оптимального управления технологическим режимом сушки керамических изделий, разработанный на основе математической модели, позволяет учесть взаимодействие камеры и физическую распределенность параметров объекта, тем самым сократить длительность обработки.
Методы исследования. В работе использовали методы интегрального и дифференциального исчисления, математической физики, гидро- и аэродинамики, теории многосвязных однотипных и оптимальных систем, математического моделирования, линейного программирования, а также методы проектирования аналоговых и цифровых систем автоматического управления.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и 3 приложений, списка литературы из 88 наименований, и содержит 105 страниц, в том числе 85 страниц основного текста, 29 рисунков и 6 таблиц.
Технологический процесс производства керамических изделий состоит из нескольких последовательных этапов, среди которых этап сушки является наиболее важным: и с точки зрения его энергоемкости (около 30 %), и с точки зрения длительности (до 90 %), и с точки зрения обеспечения качества выпускаемой продукции. Поэтому показатели, соответствующие технологическому этапу сушки, способствуют определению экономической эффективности производства в целом. Используемые режимы сушки керамических изделий зачастую оказываются нерациональными для улучшения показателей, характеризующих эффективность процесса. Затруднения Трудностью при организации процесса сушки является существенная неравномерность протеканий теплофизических процессов, происходящих как внутри отдельных сушильных камер, так и в сушильной установке в целом. Кроме того, проведение стадии сушки изделий нужно осуществлять с учетом климатических условий добычи и предварительной обработки исходного материала, а также его физико-химических характеристик [16, 21, 26, 40, 41, 44, 45, 46, 55, 78].
Осуществление технологического процесса сушки керамических изделий необходимо реализовывать с учетом широкого диапазона изменения входных параметров [6, 42-44, 57]. Поэтому для повышения эффективности функционирования камерных сушилок, используемых для сушки изделий из керамики, нужно определение оптимальных технологических регламентов, действующих в широком диапазоне изменений входных параметров.
Анализ научной литературы показал, что используемые практически методы определения технологических регламентов при керамическом производстве недостаточно учитывают взаимосвязь разных теплофизических процессов, которые протекают в камерных сушилках. К ним относятся: распространение теплоносителя в объеме сушильной камеры; термовлажностная обработка керамических изделий; распределение теплоносителя, поступающего из общего канала, между камерами; распределенность сушильной установки [15, 18, 22, 24, 34, 35, 37, 76, 84]. В работах А.Д. Альтшуля, В.И. Бодрова, А.В. Золотарского, И.С. Кашкаева, В. Каста, Р.Б. Кея, А.В Лыкова, П.Д Лебедева, М.В. Месрова, В.Т. Морозовского, В.В. Перегудова, К.А. Похратяна, В.В. Полякова, О.С. Соболева, А.Ф. Чижекого, А.Д. Цепина, Е.Ш. Шейнмана, Л.А. Щукина, Т.К. Шервуда, Р. Френкса, и др. отдельно исследованы теплофизические и аэродинамические процессы, которые применяются в условиях сушки керамических изделий, однако не решена задача определения оптимальных технологических регламентов на конкретном технологическом оборудовании. Решить данную задачу можно только применяя метод математического моделирования. Для этого необходима разработка математического описания процессов, которые протекают, как в камере сушилки, так и в межкамерном пространстве [29, 69].
Объект исследования - камерная сушилка периодического действия.
Предмет исследования - процесс распределения тепловых потоков в камерной сушилке периодического действия.
Целью работы является математическое моделирование и оптимизация процесса сушки керамических изделий в камерной сушилке.
Задачи магистерской диссертации:
1. Изучить теоретико-методические основы моделирования распределения тепловых потоков.
2. Обосновать выбор средств для моделирования распределения тепловых потоков.
3. Разработать математическую модель распределения теплоносителя в камерной сушилке периодического действия.
4. Произвести расчет параметров оптимального управления режимом обработки керамических изделий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Предложена математическая модель распределения теплоносителя в камерной сушилке периодического действия в процессе термовлажностной обработки керамических изделий.
• Разработан алгоритм поиска оптимального управления технологическим режимом сушки керамических изделий в сушильной камере периодического действия, позволяющий сократить длительность обработки при соблюдении требуемого качества продукции.
Практичная значимость работы заключается в том, что предложенный алгоритм поиска оптимального управления технологическим режимом сушки керамических изделий, разработанный на основе математической модели, позволяет учесть взаимодействие камеры и физическую распределенность параметров объекта, тем самым сократить длительность обработки.
Методы исследования. В работе использовали методы интегрального и дифференциального исчисления, математической физики, гидро- и аэродинамики, теории многосвязных однотипных и оптимальных систем, математического моделирования, линейного программирования, а также методы проектирования аналоговых и цифровых систем автоматического управления.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и 3 приложений, списка литературы из 88 наименований, и содержит 105 страниц, в том числе 85 страниц основного текста, 29 рисунков и 6 таблиц.
При выполнении научно-исследовательской работы нами получены следующие результаты:
1. Произведен анализ возможности использования методов теории многосвязных однотипных систем для исследования камерных сушилок периодического действия на стадии сушки керамической плитки.
2. Результаты моделирования распространения теплоносителя в сушильной камере показали, что теплоноситель имеет существенно неравномерное распределение по объему как пустой, так и заполненной изделиями камеры.
3. Расчеты по математической модели термовлажностной обработки керамической плитки позволило определить, что для анализа качества процесса сушки в камере достаточно проанализировать характеристики небольшого количества отдельно взятых образцов.
4. Исследованы возможные варианты режимных параметров процесса сушки керамической плитки, и с учетом оптимальности по быстродействию при поддержании требуемого качества изделий найден их наилучший набор.
5. Разработан алгоритм поиска оптимального управления технологическим режимом сушки керамических изделий в сушильной камере периодического действия, позволяющий сократить длительность обработки при соблюдении требуемого качества продукции.
6. Разработан алгоритм оптимизации регламента работы связанной однотипной системы управления сушильных камер, позволяющей учесть взаимодействие камеры и физическую распределенность параметров объекта.
Разработанная система управления технологическим процессом сушки керамической плитки в камерных сушилках периодического действия на основе математической модели, при внедрении в производственный процесс будет способствовать повышению эффективности работы действующего оборудования на предприятиях, а также увеличению объема выпуска продукции в условиях соблюдения требований государственного основного стандарта.
1. Произведен анализ возможности использования методов теории многосвязных однотипных систем для исследования камерных сушилок периодического действия на стадии сушки керамической плитки.
2. Результаты моделирования распространения теплоносителя в сушильной камере показали, что теплоноситель имеет существенно неравномерное распределение по объему как пустой, так и заполненной изделиями камеры.
3. Расчеты по математической модели термовлажностной обработки керамической плитки позволило определить, что для анализа качества процесса сушки в камере достаточно проанализировать характеристики небольшого количества отдельно взятых образцов.
4. Исследованы возможные варианты режимных параметров процесса сушки керамической плитки, и с учетом оптимальности по быстродействию при поддержании требуемого качества изделий найден их наилучший набор.
5. Разработан алгоритм поиска оптимального управления технологическим режимом сушки керамических изделий в сушильной камере периодического действия, позволяющий сократить длительность обработки при соблюдении требуемого качества продукции.
6. Разработан алгоритм оптимизации регламента работы связанной однотипной системы управления сушильных камер, позволяющей учесть взаимодействие камеры и физическую распределенность параметров объекта.
Разработанная система управления технологическим процессом сушки керамической плитки в камерных сушилках периодического действия на основе математической модели, при внедрении в производственный процесс будет способствовать повышению эффективности работы действующего оборудования на предприятиях, а также увеличению объема выпуска продукции в условиях соблюдения требований государственного основного стандарта.