Modelovanje i optimizacija procesa sušenja opekarskih proizvoda

Abstract

Izučavanje procesa sušenja, zbog svoje kompleksnosti, i danas privlači pažnju istraživača širom sveta. Objašnjenje procesa sušenja svodi se na: uspostavljanje niza teorijskih i empirijskih modela koji pokazuju slaganja, u većem ili manjem stepenu sa eksperimentalnim podacima. Složeni procesi istovremenog prenosa mase i energije, koji su često nestacionarnarnog karaktera, kao i različita priroda i osobine materijala (higroskopnost, kapilarnost, distribucija i veličina pora, pojava skupljanja uz mogućnost nastanaka prslina prilikom sušenja oblikovanih keramičkih materijala...) još više komplikuju opisivanje procesa sušenja. Upravo to su razlozi zbog kojih jedinstveno teorijsko objašnjenje sušenja, koje bi univerzalno opisalo ovaj proces, za različite tipove glinenih materijala još uvek nije razvijeno. Modelovanje procesa konvektivnog sušenja sastoji se u rešavanju skupa parcijalnih diferencijalnih jednačina sastavljenih od jednačina kinetike procesa i jednačina bilansa mase i energije. S obzirom da se proces sušenja karakteriše nizom jednačina, koje izražavaju osnovne zakone fizike sušenja, a koje su izrazito ne linearne, uz napomenu da se vlažnost materijala menja na unapred nepoznat način (stohastički) i da ga karakteriše znatno vremensko kašnjenje, jasno se uočava da je izučavanje procesa sušenja, a pogotovu matematičko modelovanje kinetike sušenja, izuzetno složeno. Otuda postoji i potreba da se multidisciplinarnim pristupom i primenom savremenih postavki: fizike, hemije, nauke o materijalima, fenomena prenosa mase, teorije sušenja i računarskih tehnologija, prošire postojeća saznanja o procesu sušenja opekarskih proizvoda. Mehanizmi prenosa vlage za vreme sušenja u periodu konstantne, a naročito periodu opadajuće brzine sušenja, su vrlo kompleksni i do sada u literaturi nije postojalo opšte prihvaćeno objašnjenje koje bi moglo da identifikuje tačan prelaz i redosled delovanja svih potencijalno mogućih mehanizama sušenja. Predmet istraživanja ove doktorske disertacije usmeren je na definisanje sveobuhvatnog objašnjenja procesa prenosa vlage tokom izotermskog procesa sušenja opekarskih proizvoda uz definisanje tačnog redosleda i rasporeda međusobne interakcije svih potencijalno mogućih mehanizama sušenja. U radu je pored literaturnog osvrta na savremena istraživanja procesa sušenja dat i prikaz novorazvijenih načina modelovanja procesa sušenja i određivanja efektivnog koeficijenta difuzije. Ocena modela je izvršena na osnovu poređenja vrednosti promene sadržaja vlage u materijalu predviđene modelom i promena sadržaja vlage određenih eksperimentalnim putem ili preuzetih u izvornom obliku iz literature. Ostvaren doprinos ove doktorske disertacije, u definisanju sveobuhvatnijeg objašnjenja procesa prenosa vlage tokom izotermskog procesa sušenja, određivanju efektivnog koeficijenta difuzije, kao i modelovanju i optimizaciji procesa sušenja opekarskih proizvoda, se ogleda u definisanju i izradi: tačnog redosleda i rasporeda uzajamnog delovanja svih potencijalno mogućih mehanizama sušenja. • matematičkih modela i softvera za određivanje efektivnog koeficijenta difuzije. predloga za sprečavanje pojave nastanka pukotina prilikom sušenja, skraćenje vremena sušenja i optimizaciju istog.

The drying process is characterized by a series of equations, such as the drying process kinetic, mass and energy balance equations, which express the basic laws of drying physics. Additionally, it must be noted that during drying the moisture within the drying material is changing stochastically. Complex processes of simultaneous mass and energy transfer, which are often non-stationary and the distinct nature of the properties of the material (hygroscope, capillarity, pores size distribution, shrinkage effect, etc.) complicate even more the description of the drying process. Despite all these facts, which are indicating that the study of drying process and especially the mathematical modeling of drying kinetics is extremely complex, the drying process explanation still attracts the attention of the researchers around the world. That is a reason why only a multidisciplinary approach and the use of contemporary theoretical and practical knowledge from: physics, chemistry, materials science, mass transfer phenomenon, drying theory and computer technology, can lead to proper explanation of the drying process of porous materials. The mechanisms of moisture movement during drying in the constant and especially in the falling drying period are rather complex, and hitherto, there have been no generally accepted explanations that could identify the exact transition between possible drying mechanisms. The explanation of the drying process was reduced to the establishment of a series of theoretical and empirical drying models which show agreement, to a greater or lesser extent, with the experimental data. The goal of this thesis was to find a way to better understand the different drying mechanisms, to identify the exact transition between them and to estimate the time dependent effective diffusivity. In this work it is presented a literature review of available studies related to the determination of the effective diffusion coefficient, as well as a presentation of newly developed methodology for determination of previously mentioned coefficient. The models validation was carried out through a comparison between predicted variable values of moisture content (MR) in time with those obtained experimentally or those taken from literature sources. The main objectives of this thesis have included: - defining a new calculation methodology for determination of effective diffusion coefficient during draying of heavy clay samples - development of the mathematical models and computer software for effective diffusion coefficient determination. - presentation of the comprehensive theoretical explanation of the isotermal drying process, along with the identification of the precise transition points between all possible drying mechanisms - definig the fast drying process of heavy clay samples and its optimisation.