（机械设计及理论专业论文）基于ansys石膏墙板养护干燥温度仿真及影响因素研究.pdf

中南大学硬士学位论文 摘要 石膏墙板作为一种新型的绿色建材，正在得到普遍的推广应用。 养护干燥是石膏墙板生产过程中的重要工艺过程。合理的养护干燥设 备设计能提高墙板的生产率，保证石膏墙板的质量。但是，目前国内 外对于石膏墙板养护干燥过程及设备的研究甚少。 本文介绍了课题意义、来源及石膏墙板养护干燥工艺过程的国内 外的研究现状。表明发展石膏养护和干燥技术是目前的迫切要求。 根据石膏制品养护干燥的工艺过程，以长沙归一建材有限公司开 发的石膏墙板生产线中的养护干燥房为原型，建立了以空气为加热流 体的养护房内二维的a n s y s 模型。通过对不同加热方案的讨论，为 养护设备的设计提供了理论支持。 通过数值仿真，得到了石膏墙板在干燥过程中的温度场分布，通 过讨论，为干燥设备的设计提供了理论支持。 研究了石膏墙板的干燥过程，并在此基础上，通过实验测定的数 据，得到了石膏墙板干燥速率曲线。 通过干燥试验，讨论了不同温度、空气流速等因素对干燥过程的 影响。同时，对试验结果进行了比较详细的分析。 关键词p d v s y s ，仿真，养护，干燥，石膏墙板 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l a s t e r b o a r dw h i c hi su s e da san e wk i n do fg r e e nb u i l d i n gm a t e r i a l i sg e t t i n gw i d e s p r e a de x p a n s i o na p p l i c a t i o nn o w m a i n t a i na n dd r y i n gi s a l l i m p o r t a n tt e c h n i q u e mp r o d u c ep r o c e s s u s i n gf e a s i b l em a i n t a i na n d d r y i n gm e t h o dc a l ln o to n l yi n c r e a s ep r o d u c t i v i t y ，b u ta l s oi m p r o v et h e i n t e n s ；i t vo f t h ep l a s t e r b o a r d h o w e v e r ，t h e r ei si i t t l er e s e a r c hi nt h i sf i e l d t h e p a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es o u r c e ，s i g n i f i c a n c ea n d t h er e s e a r c h s t a t u so ft h et h e s i sb o t hh o m ea n da b r o a d i ti n d i c a t e st h a td e v e l o p i n gt h e t e c h n o l o g yo fp l a s t e r b o a r dm a i n t a i na n dd r y i n gm e t h o d i sa nu r g e n tn e e d n o w b a s e do nt h et e c h n i q u e so fm a i n t a i na n dd r y i n g ，a n dt a k et h e m a i n t a i ne q u i p m e n ta sa n t e t y p e ，w h i c hp r o d u c e db yg u i y ic o m p a n yi n c h a n g s h ac i t y , t h ep a p e re s t a b l i s h e sa2 - d i m e n s i o n a lm o d e lw h i c hu s i n g a i ra sh e a t i n gf l u i dmt h em a m t a i nr o o m t h r o u g ht h ed i s c u s s i o no f d i f f e r e n th e a tm e t h o d s ，i tp r o v i d e dt h et h e o r i e ss u p p o r tf o rt h ed e s i g no f t h ee q u i p m e n t n 砖n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e dt og e tt h et e m p e r a t u r ef i e l d o fp l a s t e r b o a r d t h r o u g ht h ed i s c u s s i o n ，i tp r o v i d e dt h et h e o r i e ss l l p p o r t f o rt h ed e s i g no f t h e e q u i p m e n t n et h e s i s g i v e s ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ed r y i n g p r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ed a t ab a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，t h ed r y i n gv e l o c i t y c u r v e si sp r o p o s e d mi n f l u e n c e sm a d eb yd i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r ea n da i r f l o wa r ea l s og i v e ni t lt h ep a p e r m e a n w h i l e ， s p e c i f i ca n a l y s i so f t h e d a t a i s m a d e k e y w o r d sa n s y s ，s i m u l a t i o n ，m a i n t a i n ，d r y i n g ，p l a s t e r b o a r d 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：绍出日期：趔年z 月l 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，1 1 1 学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：茁如导师签名拉日期：缉年月上日 中南大学硕士学位论文 1 1 课题的意义和来源 1 1 1 课题的意义 第一章绪论 石膏墙板作为一种绿色建材，具有诸多优异的性能，发达国家已将石膏墙板 作为建筑墙体材料的主流产品。在我国，石膏墙体材料也得到逐步的推广应用。 目前，石膏墙板的应用还处于起步阶段，但前景非常好，市场潜力巨大。但是， 在石膏墙板生产工艺中还有许多重要的问题没有解决。由于自然养护周期长，所 以工业中一般采用湿热养护“儿妇。湿热养护对石膏墙板强度的发展起着至关重要 的作用，而温度在湿热养护中又是一个极其重要的参数。石膏墙板的湿热养护需 要在一个密闭的空间进行，而密闭空问的体积较大，难以保证其内部温度的均匀 性。因此，如何保证空间内温度的均匀性，判断何时空间内的温度达到稳态，从 而使石膏墙板达到最佳的养护效果就成为非常重要的问题。另外，目前石膏墙板 的干燥理论还不够成熟，石膏养护干燥设备还没有褥到大范围的推广。大部分厂 家还在靠自然晾晒。这种方法受气候影响严重，特别是南方多雨地区更使干燥周 期加长，成型设备不能满负荷运转；另一方面干燥程度不一，含水率差别大，产 品质量不稳定；同时搬运次数增加、碰撞严重，合格率降低。这些都严重影响该 产业的发展。因此，研究石膏墙板的干燥过程，发展石膏墙扳的干燥理论，对干 燥设备的设计具有十分重要的意义。 本课题正是结合石膏制品工业化大生产，立足于石膏墙板的生产和实际应用 需要，以a n s y s 软件为工具，对石膏墙板的相关环节进行仿真研究和试验，主要 工作有对石膏养护干燥设备内部温度场的仿真，对石膏墙板加热过程内部温度场 的仿真，对石膏墙板干燥过程的理论研究，从而得到意义的结论，对养护干燥设 备的设计提出改进措施，以及在此基础上的试验。 1 1 2 课题的来源 本论文研究课题来源于长沙归建材科技有限公司项目，目的是为公司研制 的石膏墙板流水生产线中养护干燥设备的研制提供一些理论及试验的支持。其设 备优势为： 1 生产原料范围广可采用天然石膏及火力发电厂工业废渣一脱硫石膏的 原料进行墙板生产； 2 产量大 中南大学硕士学位论文 3 一机多用，功能多。设备功能优越，可生产多种不同厚度的墙板，满足市 场需求； 4 环保。生产过程中不产生“三废”无有毒有害物质产生； 5 避免了生产过程中因人工因素而引起的产品质量问题。 田i - 1 石膏墙板流水生产线圈 长沙归一建材有限公司专业从事高性能石膏墙板研究和开发，是一家集产、 学、研于一体的民营高新技术企业。公司以国家重点大学为技术支撑，拥有一个 以专家、教授、博士生、研究生为技术骨干的科研开发团队，具有强劲的科研力 量和技术创新能力。 1 2 石膏的性质和应用 1 2 i 石膏的多相性 石膏( c a ：s o , 2 h 2 0 ) ，称二水石膏，和其脱水形态硬石膏( c a s o ) 作为岩石矿 物广泛分布于地球的表面。石膏作为一种有用的工业原料的重要原因，在于将它 加热时能部分或全部地失去结晶水而成为烧石膏，烧石膏遇水又变成原来化学成 分的材料，即所谓凝结硬化的石膏。这些现象分别叫作脱水和水化，是石膏工业 的工艺基础。 二水石膏在常温下是稳定相，但随着温度的提高和脱水条件不同，可以得到 半水石膏和无水石膏的各种变体。各国学者对石膏各相及各种变体的存在条件及 其相互转化做了大量的研究工作，观点不尽相同，较为认同的看法如图1 - 2 所示 【矧 2 中南大学硕士学位论文 “男夕怒c a 2 s o , ，- 蒜：藤制璐幽 7 大气压下 2 0 0 ) 、 二水石膏 g ( 1 0 0 ) c a 2 s 仉2 聃 无水石膏 ( 不溶性) 蛉。菱沁羔生膏 i 无水石膏 i 稍o g 在气相中，1 在 水相中 田卜2 石膏的多相性 c a a s o , 2 h 2 0 系统有五个相，其中四个相能够在常温常压条件下存在，即二 水石膏、半水石膏、无水石膏i i i 和无水石膏i i ，而第五个相无水石膏1 只能 在1 1 8 0 以上存在。在石膏的工业脱水时，总是希望用最低的能耗和尽可能短 的时间完成，所以石膏工业脱水温度总是比希望获得的石膏相或变体的实验转化 温度高得多，也就不可能产生单一相组成的产品，经常是c a 。s o , - h , o 系统各相多 变体混合物，统称为熟石膏或烧石膏以a 、8 半水石膏为主要组成相的熟石 膏的应用日益广泛，但a 、b 半水石膏在结构和性能上有显著差异，且b 型半 水石膏适用于生产石膏墙板。 1 2 2 石膏的优良使用性能 我国石膏资源丰富，储量占世界第一，产量暂居世界第二。中国是世界上最 早开发利用石膏的国家之一。在敦煌的莫高窟，我们发现了古代中国人利用石膏 的建筑遗迹。在世界上，早在5 0 0 0 多年前的古埃及，人们已经在修建大金字塔 的过程中使用了石膏砂浆，德国、伊朗、埃及、巴比伦、希腊和罗马等国都利用 石膏的可塑性留下了许多不朽的建筑物“ 。 时至今日，石膏的应用更加广泛，经石膏加工制成的石膏制品和石膏胶结料 正愈来愈得到世界各国的重视。我国目前虽比过去几十年有很大进步，但与工业 发达国家相比仍有很大差距。根据了解，工业发达国家如美国的水泥、石膏、石 灰三大胶凝材料的比例是1 0 0 ：2 6 ：2 2 ，而我国仅为1 0 0 ：0 1 4 ：3 2 ，差近2 0 0 倍；发达国家中石膏墙体在整个建筑墙体中占4 0 - 5 0 ( 美国高达7 0 ) “曰，而我 国却不到5 。这固然是因为我国的特殊国情，但关键还在于要充分认识到发展 军 中南大学硕士学位论文绪论 石膏建筑材料的意义。石膏作为与水泥、石灰并列的三大胶凝材料，具有一系列 的技术优越性，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 凝结硬化快。凝结硬化快是石膏最显著的性能。一般说来，半水石膏加水 后1 5 m i n 内已基本水化，可形成高强度的硬化体。如有的高强石膏加水1 h 后即 可获得7 0 m p a 的硬化体强度，在快速成型、填补、抢修工程等方面有其独特的用 途。而水泥、石灰、树脂等材料的固化时间都较长，有的虽可采用快速方法，但 一般只有在较苛刻的条件下才能完成。 ( 2 ) 耐火性好。现代建筑尤其是高层建筑对防火的要求越来越高，这就要求选 用防火性能好的材料。未加入易燃或助燃材料的石膏制品的防火等级为a 。级，石 膏制品是材料防火性能检测的免检产品。石膏之所以具有优良的防火性能，是因 为石膏为不燃体和热的不良导体，同时石膏中含有2 1 左右的结晶水和部分游离 水，遇高温时会以水蒸汽的形式释放出来，在材料表面形成一层“水汽膜”这部 分水蒸汽消耗大量热能“”。这是石膏防火性能优良的重要原因，其它材料一般不 具备此特点。 ( 3 ) 石膏制品的孔隙率较大，不仅具有良好的保温性能，而且吸声，隔声性好 和有一定的调湿作用。石膏材料具有较好的绝热性能。因为石膏硬化体导热系数 较低，表i - i 为几种常用材料的导热系数“日。由表i - i 可知，石膏材料的导热系 数较低，采用石膏作为墙体或粉刷材料等，将大大提高建筑物的保温隔热性能， 使建筑物自身具有“冬暖夏凉”作用，可大大减少空调设备的数量和能耗。 表1 - 1 几种材料的导热系敏 材料 钢普通玻 普通烧结加气混凝建筑石膏硬硬质塑料 材璃砖土化体 导热系数 5 8o 6 9 0 6 o 9o 0 9 o 3o 1 8o 1 1 o 6 9 ( w m k ) o ，9 3 “) 省工、省料、省运输、美观。建筑物的自重限制了建筑物的高度。同时建 筑物的较大自重使地基处理要求提高，使梁，柱等承重结构件的尺寸增大，降低 建筑物的抗震能力。表卜2 是几种常用材料的表观密度比较“”，石膏制品质轻的 特点使其成为我国墙体材料改革的导向产品。同时，石膏制品的表面光滑，具有 良好的装饰性。 中南大学硕士学位论文 表1 - 2 几种常用材料的表现密度 材料钢材花岗岩玻璃混凝土灰砂砖 表观密度 7 8 0 02 7 0 0 2 5 0 02 3 0 0 1 8 5 0 ( k g m 3 ) 材料 普通烧结砖建筑石膏硬化 塑料加气混凝土杉木 体 表观密度1 7 0 01 1 5 09 5 07 0 04 5 0 ( k g m s ) ( 5 ) 加工性能好。石膏料浆的流动性很好，大多数石膏制品可采用浇注成型。 且石膏呈中性，几乎可以在所有的母模上浇注而不产生侵蚀作用，成型制品的表 面几乎可保持母模的原貌。而且石膏凝结硬化快，硬化过程中产生微膨胀( 绝大 多数材料凝结硬化时体积收缩) ，所以采用石膏制造的制品尺寸偏差很小。 石膏制品一般具有可钉、可锯、可刨的性能，便于使用、安装以及制品的再 加工。 另外，石膏还具有较高的经济技术指标，主要体现在以下几点： ( 1 ) 石膏的原材料十分丰富，是我国重点发展的八种矿物之一。截止1 9 9 0 年我 国已探明的天然石膏储量为5 7 0 亿吨，再加上如生产磷、氢氟酸时的各种化 工石膏，形成了我国生产石膏的丰富资源。 ( 2 ) 使用石膏能大大地节约能源、降低成本。能源问题是我国乃至全世界都十分 关注的问题。自7 0 年代能源危机以后，世界各国相继进行了能源的综合利 用与开发应用工作，因建筑能耗在各国的能源消耗中占有相当大的比重，所 以建筑节能是节能工作的一个重点。石膏制品和石膏胶结料的节能效益相当 显著。表卜3 为几种材料的生产能耗比较。 表1 - 3 几种材料的生产能耗 材料名称玻璃水泥建筑石膏 标准煤耗( k g t ) 3 0 0 1 8 9 6 2 0 5 0 0 电耗( k w h t )4 3 0 61 0 2 5 0 ( 3 ) 使用石膏能处理三废，改善环境、保护环境。走经济轨道解决生态问题，是 人类面临的艰巨任务目前，大量工业废渣的排放和积存，不仅占用土地、 农田、污染河流，而且严重破坏生态平衡。例如，生产磷酸时，通常生产1 吨磷酸约捧出4 5 吨左右磷石膏，而处理每吨废渣所需的费用是：捧渣场建 中南大学硕士学位论文 设投资2 0 元左右，管理费用5 元。对于作为农业大国的我国，化学石膏的 产量正逐年增加，仅磷石膏一项，估计“八五”计划完成时，年产量约1 7 0 0 万吨。同时，化学石膏中常含有磷酸、氟化物等不利于环境保护的有害物质。 因此，就地利用化学石膏，不仅可以处理三废，改善环境，还可以降低成本， 有着不可估量的社会效益和经济效益。 1 3 石膏墙板养护技术的国内外研究现状 石膏胶结材制品可以有多种养护制度：自然养护、标准养护，湿热养护以及 干、湿循环养护等。养护主要有两种作用，一是石膏产品的活性激发作用，二是 制品的干燥作用。 ( 1 ) 养护制度的选择 合理的养护制度( 温度、湿度、时间以及升、降温速率) 能够提高石膏制品的 强度和性能。石膏制品如果含有大量的水分，势必影响到产品的性能和后期的正 常使用。大规模工业化生产最好采用强制热养护。 ( 2 ) 养护制度参数的确定 养护参数主要有温度和湿度以及时间三个主要参数。温度的高低是养护的一 个关键参数；它不仅影响到石膏墙板内部成分的水化，而且还影响到水化产物的 性能。随着养护温度的提高，粉煤灰玻璃体表面的溶解速率大大提高嘲，有利于 粉煤灰活性的发挥。粉煤灰的水化产物中的钙矾石在不同的养护条件下具有不同 的形态：在较低温度下形成的胶态钙矾石具有吸水膨胀性，于产品性能不利；在 较高温度下形成的钙矾石是晶态的，具有稳定性。目前，比较公认的看法是这个 胶结材体系适宜采用8 5 c 恒湿养护“1 ，也有资料认为应采用6 0 c 左右的湿热 养护蚴。 湿度的大小对石膏粉煤灰硬化体的性能有很大的影响。如果不考虑湿度对石 膏粉煤灰硬化体性能的影响，高温、低湿养护条件有可能引起二水石膏的脱水， 反而引起硬化体的性能恶化。 石膏粉煤灰硬化体适宜干湿循环养护，但是不符合工业化大生产的需要。通 常采用湿热养护后干燥。热养护有利于石膏粉煤灰硬化体的结构稳定。在高温条 件下，粉煤灰的活性高，反应快，消耗掉更多的c a ( o h ) ：，减少后期的水化产物 生成，提高硬化体的结构稳定性。 1 3 i 几种养护方式与制度的比较 二水石膏墙板与半水石膏、水泥等胶结材相比，其凝结硬化和早期强度发展 较慢，下面列举了几种目前常用的养护方式与制度。 6 中南大学硕士学位论文 ( 1 ) 常温养护 常温养护分为自然养护、标准养护、水养护三种，以自然养护较为常见。自 然养护的方式为；在空气中养护，无任何调温、调压及调湿的措施。自然养护的 优点是养护成本小，但比较明显的缺点就是养护场占地面积大，养护周期过长。 常温养护的胶结材强度见下表“瑚。 表i - 4 常温养护的胶结材强度 养护平均温度平均相对湿度7 天强度( m p a )2 8 天强度 方式 ( )( ) ( m p a ) 抗折抗压抗折抗压 自然 2 28 03 0 11 0 94 8 72 1 9 养护 标准 2 09 5 2 5 5 8 84 0 5 1 9 6 养护 水 1 9 |f|3 5 6 1 8 o 养护 ( 2 ) 常压湿热养护 四种热养护方式( 恒温温度6 5 c ) 硬化体强度与热养时间的比较见图1 - 3 。 r ( i , i p a ) 3 0 郐 48 协t m ， 图1 - 3 四种热# - e 方式比较 二水石膏墙板适于热养护，通过热养护可在短时间内达到较高强度，在相同 养护条件下湿热养护的强度明显高于其他热养护方式，湿热养护为加速水化反 应提供了适宜的温度和湿度条件，并且也有利于后期强度的继续发展， 同时大 7 中南大学硕士学位论文 量水蒸汽的存在，也可抑制在常压热养护下可能发生的二水石膏脱水反应。此外 湿热条件还可提高硬化体的密实度。如自然养护下硬化体表观密度为1 5 6 0 k g m 3 ，而湿热养护的表观密度为1 6 8 0 k g m 3 干热养护也可加速水化，大大缩短养护时间。千热养护的恒温温度为6 5 ( 2 、 恒温时间为1 0 小时较好，但其效果不如湿热养护。这是因为干热养护缺乏胶结 材水化的湿度条件，且使硬化体结构不如湿热养护密实，这种现象在恒温温度超 过6 5 时更为明显。 二水石膏胶结材制品的工业生产宜采用湿热养护。在气温较高时也可利用太 阳能进行干热养护以节约生产能耗。7 0 8 5 c 湿热养护7 小时，硬化体强度相 当于自然养护6 0 天强度，且湿热养护后在空气中强度仍缓慢增长圆。表明7 0 8 5 ，7 小时的湿热养护是适宜的。恒温温度过高或养护时间过长，则可能发生 强度下降。对热养护试样进行x 射线衍射分析，其水化产物与自然养护的水化产 物相同，未见半水石膏生成，即湿热养护作用仅在于加速水化反应并使硬化体密 实度增大。 ( 3 ) 蒸压养护 蒸压养护的过程为在蒸压釜中，升压2 h ，压力0 2 m p a ，恒压4 h ，缓慢降压。 蒸压养护与湿热养护和自然养护的水化产物有较大差别。但是由于在蒸压结束 后，养护过程中形成的半水石膏在水的存在下必然要转化成为二水石膏，固相体 积增加，产生膨胀应力，会对石膏胶结材的结构产生破坏作用，这种作用与加速 水化的结构形成作用并存，在宏观上表现为蒸压养护强度低于常压湿热养护，故 可以推断出石膏胶结材并不适用于蒸压养护。 1 3 2 适宜湿热养护制度研究分析 ( 1 ) 恒温温度 由湿热养护( 恒温温度9 0 1 2 ，恒温时间7 h ) 试验分析可知，恒温温度达到9 5 时，钙矾石特征峰减弱，大量钙矾石分解转化为单硫型水化硫铝酸钙，产生不 利的结构破坏作用。为有效地发挥升温对加速水化和结构形成的作用，抑制钙矾 石的分解作用，二水石膏胶结材湿热养护的恒温温度不应超过8 5 1 2 。 ( 2 ) 恒温时间 由湿热养护不同恒温时间的试验分析可知，恒温时间不同，钙矾石与二水石 膏特征峰强度不同。当恒温温度为8 5 ，恒温时间在7 h 以内，随着恒温时间 的增加，体系中钙矾石特征峰强度增加，同时二水石膏峰高逐渐降低。当恒温时 间超过7 h 达到1 9 h 时，钙矾石特征峰变化不大，表明恒温时间进一步延长，则 有钙矾石分解，这对硬化体结构与强度是不利的。在考虑二水石膏胶结材热养护 8 中南大学硬士学位论文 制度时，要满足热养护制度和缩短养护时间的要求。这一点与水泥混凝土热养护 相同。但在某一恒温温度( 例如8 5 c ) ，过于延长恒温时间，不仅会浪费能源， 延长养护周期，还会较明显地导致结构破坏作用加剧，这是有别于水泥混凝土， 并应避免的。 1 4 石膏墙板的干燥理论 目前石膏墙板的干燥理论还不够成熟。大部分厂家靠自然晾晒自然晾晒受 气候影响严重，特别是南方多雨地区更使干燥周期加长，成型设备不能满负荷运 转；另一方面干燥程度不一，含水率差别大，产品质量不稳定；同时搬运次数增 加、碰撞严重，合格率降低。这些都严重影响该产业的发展。因此，研究发展石 膏墙板的干燥理论，具有十分重要的意义。 1 4 1 石膏墙板的干燥机理 石膏墙板干燥主要是通过干燥介质与石膏墙板的热交换和水分交换而将石 膏墙板中的游离状态的水排出去。在石膏墙板干燥过程中，干燥介贡热空气 使石膏墙板水分蒸发，同时降低石膏墙板表面的水分浓度，从而使石膏墙板表面 水分浓度与内部水分浓度形成一定的湿度差，内部水分就会通过毛细管力作用扩 散到表面来，使已破坏了的水分重新建立浓度平衡。只要干燥介质一直维持不饱 和状态，这个过程就会一直进行下去。在南方地区，当石膏墙板中水分1 2 时，即达到出厂标准蚓。这时，原来游离水在墙板中所占据的空间就变成了毛细 孔，石膏墙板干燥过程即结束。 1 4 2 石膏墙板干燥的目的 在石膏的生产配方中，加入的水分只有少部分参加了水化反应，变成了结晶 水，而大量剩余游离状态的水还留在石膏墙板中，墙板的干燥就是蒸发这些游离 状态的水。养护的目的是发展石膏墙板的强度，而干燥过程则是保持强度，稳定 性能，所以，养护后必须进行干燥。 1 4 3 墙板的干燥过程 石膏墙板的干燥可分为两个阶段，即注模操作时的干燥和墙板存放时的干燥 m 。 ( 1 ) 注模时的干燥 石膏与水以一定比例混合发生化学反应。注入胎型后的石膏浆经2 5 3 0 分 9 中南大学硕士学位论文 钟后达到终凝，并硬化形成固体，石膏墙板内部网络矿物大批量形成。化学反应 放出的热量将石膏墙板中的部分多余水以蒸汽的形式排除，此时石膏墙板表面温 度可达4 0 左右，这就开始了石膏墙板干燥的第一阶段。值得注意的是，用石 膏浇注时，石膏浆体凝固后，若不立即将墙板从模中取出，则散发出的水汽不能 顺利排出，会抑制墙板的第一干燥过程，妨碍强度的提高。 ( 2 ) 墙板存放时的干燥 这一阶段可以采用自然晾干或把墙板置于专门的干燥室内，墙板开始第二阶 段的干燥。该阶段是墙板干燥的主要过程，能排除9 0 左右的水分。通常，干 燥室最高温度控制在8 0 ，湿度要小。墙板干燥速率、干燥效果直接受介质温 度、湿度、风速的影响，同时也与墙板体积、形状、薄厚等有很大关系。一般可 以采用窑炉余热、烟道废气、暖风机交换的热空气为热源，可以保证低湿、高温 环境，有利于墙板的快速干燥。另外，这一过程也是很容易出现破损的环节，若 管理不善，极易产生墙板变形、炸裂、粉化等缺陷，这就要求我们制定合理的干 燥制度，严格执行工艺规定。墙板干燥后( 含水率1 2 ) ，关掉暖风机，开启 排潮风扇，将干燥介质缓慢降至大气环境温度，以防墙板开裂。 1 4 4 墙板干燥的方法 ( 1 ) 自然干燥法 在室内室外均可采用此法干燥，不必添置什么设备，但工作环境比较恶劣。 用这种方式墙板干燥周期长，占地面积大，受气候影响较大，难以保证干燥质量。 大型石膏墙板生产厂家不宜采用此法。 ( 2 ) 室式干燥法 这是最常见的一种于燥方法。通常以热空气、窑炉余热等为热源，室内有暖 风机、排潮风扇、热管等设备，有的还设置地坑、温度自控装置等。干燥温度为 6 0 8 0 ，干燥周期通常为1 天以内。有的生产厂家以此为基础还采用了快速干 燥和快速冷却等新工艺，使石膏墙板干燥效率更高。 1 4 5 干燥过程应注意的问题 干燥时要将石膏墙板码放整齐，确保四角落地平稳，应用卡具格石膏墙板紧 圃后干燥，墙板与墙板之间要留有2 5 5 0 m m 的距离。墙板干燥处要保持洁净， 避免粉尘太多堵塞墙板毛细孔，影响墙板的工作性能。应采取合理的干燥制度， 促使墙板可以在较短时间内尽快排除多余游离状态的水，避免石膏墙板开裂。新 墙板只有在含水率1 2 后才能投入使用。 墙板的干燥过程应成为我们工艺控制的重要内容之一。如果对石膏墙板采取 1 0 中南大学顼士学位论文 合理的干燥制度，将会使墙板的强度，使用寿命大大提高，可达到提质创效的效 果。 石膏墙板干燥设备的设计，要从实用、合理、环保、节能角度，在保证产量 规模、尽量降低投资、符合环保要求原则下进行。 加热过程对于石膏墙板的性能有着重要的影响，而我国目前在对于石膏墙板 加热过程中墙板内部的温度分布情况鲜有研究，本文的任务之一就是建立石膏墙 板加热过程温度场的a n s y s 仿真模型。通过对石膏墙板内部温度场的仿真来确定 合适的加热温度，因此对于石膏干燥设备的设计和生产都具有一定的指导意义。 1 5 本论文研究的内容、方法及章节安排 本项且主要以长沙归一建材科技有限公司研制的石膏墙板流水生产线内的 养护干燥房为研究对象，通过建立a n s y s 模型进行仿真，选取较为合适的参数； 从理论上阐述石膏墙板干燥过程中含水率随时间的变化规律及干燥过程各外部 因素对干燥效果的影响，为生产线的进步改进提供一些理论上的支持。研究分 四个阶段完成，第一阶段的任务包括：建立石膏墙板养护干燥设备的a n s y s 模型， 利用a n s y s 内的f l o t r a n 热分析模块对其内部的温度场进行仿真研究，并确定风 速、吹入空气温度、吹风口位置等参数对于温度分布场的影响；第二阶段的任务 主要是使用a n s y s 中的s o l i d 9 0 热分析单元建立石膏墙板模型，仿真加热过程中 石膏墙板内部的温度场，以确定周围流体温度对石膏墙板内部温度场的影响；第 三阶段是通过对干燥过程的理论分析，阐明各外部因素对石膏干燥效果的石膏墙 板在不同温度下含水率的变化情况；第四阶段是根据前面的分析，提出石膏养护 干燥设备的改进措施；第五阶段是进行石膏墙板的干燥试验，以为理论提供可靠 的依据。 本文的研究方法是以大型工程分析软件a n s y s 为主要仿真工具，结合传热学 的理论原理，并在试验的基础上对影响石膏养护干燥过程温度场的各个参数进行 选择，进而对石膏墙板养护干燥设备的设计提出改进措施。 第一章绪论介绍了课题背景和选题的意义，简述了石膏养护干燥过程及养护 干燥设备的研究现状以及有待进一步完善的内容；第二章石膏养护房流体温度场 及速度场仿真，首先介绍仿真方案的制定，按照不同的流速，通风口位置及温度， 拟定了不同方案。其次介绍了仿真模型的建立和仿真参数的选择，网格的划分， 及边界条件和初始条件的施加，最后根据仿真结果选择较为合适的方案：第三章 石膏墙板加热过程温度场的仿真主要是用a n s y s 中的t h e r m a l 热分析模块，采用 s o l i d 9 0 热分析单元，对石膏墙板加热过程的温度场进行仿真，以确定周围环境 温度对石膏墙板内部温度的影响。第四章对石膏墙板养护干燥设备提出的改进措 中南大学硕士学位论文 施；第五章主要研究了温度等因素对石膏墙板干燥过程的影响；第六章主要是试 验及结果分析；第七章为结论与展望。 中南大学硕士学位论文 石膏墙板养护房内流体仿真模型的建立 第二章石膏墙板养护房内流体仿真模型的建立 养护过程是石膏墙板生产过程中的重要工艺过程，适宜的养护制度有利于激 发石膏墙板内部成分的活性，发展石膏墙板的强度。温度是养护过程的一个关键 参数。实验证明，它不仅影响到石膏墙板内部成分的水化，而且还影响到水化产 物的性能。所以如何使石膏养护房内部尽快地达到所要求的温度，并且使房内温 度分布均匀，以保证所有墙板都能够得到充分的养护就成为一个比较重要的问 题。本章通过a n s y s 内的f l o t r a n c f _ d 流体动力学仿真，通过改变仿真参数，绘 制了不同初始条件下石膏养护干燥房内流体的温度和速度分布云图，对养护干燥 设备的设计具有指导意义。 2 1 数学模型的建立和参数的选择 s y s 内部的流体动力学模块f l o t r a n 提供了流体分析( c f d ) 功能。能够 处理2 d 和3 d 流体的流动与换热的问题。f l o t r a n 流体分析有两种单元，f l u i d l 4 1 ( 2 d 及轴对称问题) 、f l u i d1 4 2 ( 3 d 问题) 。流体单元有其相应的自由度，流体 的自由度包括流体的速度、压力、温度、湍流动能、湍流动能耗散率等。f l o t r a n 流动换热分析可以完成常见的流动换热要求，主要能够处理强迫对流( 包括水冷、 油冷、风冷等各种方式) ，自然对流、共轭传热等问题 在f l o t r a n 中可以进行恒温分析( 即不考虑温度场的变化) ，这是没有激活 温度的计算。也可以考虑温度场的变化，要激活温度求解。除了温度以外，还可 以求得边界上的热通量和对流换热系数等热参数。本章所讨论建立的就是考虑温 度场变化的瞬态模型。 2 1 1 问题描述和数学模型 本文以内腔尺寸为6 m 3 m 3 5 m 的石膏墙板养护房实物为研究模型，上部 ( 或下部) 通过管道送入热空气，下部( 或上部) 通过管道送出空气，管道均沿 长度方向伸展，上边开有小孔在a n s y s 建模中，我们可以简化为上方1 6 个进 气口，下方1 6 个出气口，如图2 - 1 所示，空气的各个参数可以使用f i n s y s 内自 带的a i r - s i 来设置。 系统内流体流动和传热的控制方程为： ，( a u ) i - ! 壁：0( 2 - 1 ) 盘 勿 甜罢+ v 考一去罢+ 叩謦+ z ， 甜瓦 万一i 言叼嘧+ 矿 盱2 中南大学硕士学位论文 石膏墙扳养护房内流体仿真模型的建立 却罢v考一去考+玎c窘+争+咿一to)4- ，r p c z 却v 一_ _ 一一十，7 r + = 1 + l l 一z 一3 ) 良 砂岛勿一苏2 勿”、 “警+ v 雾= 口磐+ 争+ s t ， “一+ v = 口i = - + = _ l + s ( z 一4 ) 苏 勿、缸2却2 7 式中：u 、v 分别为x 、y 方向速度分量；p 、t 为压力和温度；t 3 、g 、n 、a 、p 、 s 分别为热膨胀系数、重力加速度、粘性系数、热扩散系数、密度和内热源项。 2 1 2 模型参数的选择 根据归一公司的石膏墙板流水生产线中的石膏墙板养护干燥房实物，建立了 图2 1 的二维简化模型，表2 - 1 中也给出了模型的各个参数。 表2 - 1 仿真模型参敷确定 石膏墙板厚度 9 0 m m石膏墙板高度6 0 0 l i 吼 养护干燥房长度 6 0 0 0 m m养护干燥房高度3 5 0 0 m 进气口长度 2 4 0 m m 出气口长度2 4 0 m m 进气口之间距离 3 6 0 m m出气口之间距离3 6 0 m r a 图2 - 1 石膏墙板乔护剜羹型 影响石膏墙板养护干燥效果的参数主要包括三个方面：1 ) 通入空气的温度； 2 ) 通入空气的速度；3 ) 通气口位置的选择；通入空气的温度直接决定着养护房 内空气达到稳态时的温度；通入空气的速度直接影响着达到稳态所需要的时间： 而通气口的位置在一定程度上也影响着养护房内达到稳态所需的时间和干燥室 内温度梯度的分布情况。 1 4 中南大学硬士学位论文石膏墙板养护房内流体仿真模型的建立 2 1 3 流体性质参数的选择 ( 1 ) 流体速度的选择： 石膏墙板流水生产线中养护干燥房所使用的风机为广东佛山市南海佳科风 机制造有限公司生产的型号为d 2 3 5 8 3 型风机，最大风量为6 8 0 0 m v h ，实际吹风 孔的直径经实测约为4 5 r a m ，在干燥房内分为4 行，每行为2 1 6 个，所以我们可 以估算出吹风口的总面积为 s = 耐2 x 4 n ( 2 5 ) 其中s 为吹风口总面积，d 为吹风口直径，n 为每排吹风口个数，经计算可 得总面积s = i 3 7 2 m 2 由此我们就可以估算出吹入空气的最大速度： y ：垒 ( 2 6 ) s 其中，q 为风量，由此我们可以得到最大风速为v = 1 3 7 5 m s 。考虑到空气阻力等 影响，在仿真中选择的最大速度为l m s 。 ( 2 ) 流体密度、粘度、热传导、比热均采用a n s y s 内默认的a i r - s i 来设置。 2 2 加热方案的确定 由于温度的高低直接影响养护的效果，进而影响到石膏墙板的性能。所以如 何使养护房内的温度尽可能的达到一致，或者尽可能将石膏墙板布置在合适的温 度区域就成为了比较重要的问题。实践证明，将石膏墙板保持在7 0 ( 3 4 3 k ) 左右进行养护效果最佳( 见第一章) ，如何使养护房内温度尽可能达到一致，并 保持在3 4 3 k 是一个重要的研究内容。同时由于采用强制对流的方式，因此将进 气口布置在不同的位置上会对温度场的分布有很大的影响。这样，就可以通过仿 真对养护房进行优化设计，本文主要讨论以下六种加热方案( 方案中空气速度均 指养护干燥房迸气口处速度) ： ( 1 ) 进气口在下方，通入空气速度为1 皿s ，温度为3 5 3 k 。 ( 2 ) 进气口在上方，通入空气速度为0 5 m s ，温度为3 4 3 k 。 ( 3 ) 迸气口在下方，通入空气速度为0 s m s ，温度为3 4 3 k 。 ( 4 ) 进气口在下方，通入空气速度为0 3 m s ，温度为3 4 3 k 。 ( 5 ) 进气口在下方，通入空气速度为0 i m s ，温度为3 4 3 k 。 ( 6 ) 进气口在下方，通入空气速度为i m s ，温度为3 4 3 k 中南大学硬士学位论文石膏墙板养护房内流体仿真模型的建立 2 3 有限元模型的建立 2 3 1 流体单元模型的选择 a n s y s 中有1 0 0 多种不同的单元形式或类型，产品类型不同，其所对应的单 元类型和特性也不同。a n s y s 中的f l o t r a n 单元，即f l u i d l 4 1 和f l u i d l 4 2 ，用 于解算单相粘性流体的二维和三维流动、压力和温度分布”。对于这些单元， a n s y s 通过质量、动量和能量三个守恒性质来计算流体的速度分量、压力、以及 温度。其单元特性见表2 - 2 。 f l u i d l 4 1 单元可以用于涉及到流体或者非流体区域的瞬态或稳态流体系统 的建模。可以应用f l u i d l 4 1 单元求解某一区域的流动分布和温度分布。对 f l o t r a nc f d 中的单元而言，速度分布通过动量守恒定律的求解获得，压力分布 通过质量守恒定律的求解得到。在本仿真中，我们采用的是f l u i d l 4 1 单元。 表2 - 2f l u i i ) 1 4 1 和f l u i i ) 1 4 2 简介 单元舢1 d 1 4 1舢i d l 4 2 维敷二缝三维 髑萤点四边形嫒三节点三角形 霸节点鼹面体或 节点穴两俸 形状 口圆 速度，赢力、i 臣虞，素流动艟、紊潼缒量耗戢，多达穴种流体的备岛质麓所占的份 自由度 额 2 3 2 网格的划分 网格划分控制能建立用在实体模型划分网格的因素，如单元形状，中间结点 位置，单元大小等，此步骤是整个分析中最重要的因素之一，因为此阶段对模型 的生成将对分析的准确性和经济性有决定性的影响。在对模型进行网格划分以 前，甚至在建立模型以前，对于确立是采用自由网格还是映射网格进行分析是十 分重要的。自由网格对于单元形状无限制，并且没有特定的准则。与自由网格相 比，映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射面网格 只包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。而且映射网格具 有典型规则形状，明显成排的单元。如果想要这种网格类型，必须将模型生成具 有一系列相当规则的体或面才能接受映射网格划分。图2 - 2 显示了自由网格和映 射网格的形式。 1 6 中南大学硕士学位论文石膏墙板养护房内流体仿真模型的建立 a n s y s 程序内没有估计有限元网格的形式准则。但是，在热边界附近，尤其 是热通量边界存在非常大的热梯度。因此，热边界附近的网格通常应加密。由于 流动换热分析一般求解的规模较大，因此为加快计算速度，提高收敛性，并提高 求解精度，尽可能采用映射网格来划分嘲。 习p m 。 ft t|， i 巴仁乒 田2 - 2 自由网格和映射网格 由于石膏墙板养护干燥房模型内部结构复杂，且对于进气口和出气口处，必 须保证一定的网格密度，才能保证求解的准确性。而根据实践，即使采用精度最 高的自由网格划分，仍然不能保证足够高的网格密度。所以在网格划分中，首先 是要将整个流体平面划分为一些较为规则的小平面，再使用映射网格来划分整个 模型。 网格划分后的流体区域如图2 - 3 所示，( 图中的长方形空腔是模拟石膏墙板 的横断面) 图2 - 3 划分罔格后的石膏墙板养护干燥房模型 2 3 3 边界条件和初始条件的施加 a n s y s 载荷既可以施加到实体模型上( 点、线、面、体) ，也可以施加到有限 1 7 中南大学硕士学位论文石膏墙板养护房内流体仿真模型的建立 元模型上( 节点、单元) 。然而在进入求解器时，程序会自动将实体模型载荷传 递到有限元模型上。就效果而言实体模型载荷与有限元模型载荷是等效的。但是 对于具体问题，施加的方便程度是不同的，实体模型与有限元模型载荷各有优缺 点，因此可以根据需要来选择。 实体模型的优点是独立于有限元网格，网格的清除、重新划分、局部细化等 不影响已施加的实体模型载荷，拾取方便。缺点是由于a n s y s 网格划分命令生成 的单元处于当前激活的单元坐标系中，而网格划分命令生成的节点采用的是总体 笛卡尔坐标系。因此，实体模型与有限元模型可能具有不同的坐标系和加载方向， 而且实体模型不方便施加关键点的约束。与之相对应，有限元模型载荷具有可将 载荷直接施加到主节点、不必担心约束扩展等优点。在本分析中，我们主要采用 的是有限元载荷模型，即将载荷直接施加到节点上 a n s y s 的载荷类型有集中载荷、惯性载荷、体积载荷、自由度载荷、表面载 荷等。在本章的分析中主要用到的是自由度的载荷。 利用a n s y s 软件的f l 0 r r 队n c f d 技术模拟整个速度场和温度场。其中旌加的 边界条件、初始条件及求解设置如下：进口箍加速度条件和温度条件，速度温度 根据不同的方案选取不同的数值；出口施加压力条件，压力为0 ( 相对于大气压 强) ；壁面施加表面无滑移条件