Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1 Способы удаления влаги из древесины 15
1.2. Анализ структуры энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов .22
1.3. Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов .29
1.4. Режимы сушки древесины, построенные на использовании явления термовлагопроводности 35
1.5. Лесосушильные камеры с естественной циркуляцией воздуха 41
1.6. Технология сушки пиломатериалов 49
1.7. Выводы. Задачи исследований 55
2. Теоретическое исследование общих закономерностей неизотермического влагопереноса в древесине 60
2.1. Анализ процессов тепломассообмена при конвективной сушке древесины 60
2.2. Особенности влагопереноса при сушке древесины 73
2.3. Влагопроводность древесины 79
2.4. Оценка влияния неизотермичности тепломассообмена на процесс сушки 94
2.4.1. Анализ существующих подходов 94
2.4.2. Исследование неизотермического влагопереноса на модели коллоидного капиллярно-пористого тела 97
2.5. Управление влагообменом при сушке 111
2.6. Выводы 114
3. Общие методические положения .117
3.1. Методика проведения вычислительного эксперимента .117
3.1.1. Решение системы дифференциальных уравнений в частных производных тепломассообмена (ДУЧП ТМО) 117
3.1.2. Моделирование параметров внешнего и внутреннего ТМО при сушке 121
3.1.2.1. Коэффициент влагопроводности древесины .121
3.1.2.2. Температура агента сушки (обрабатывающей среды) 123
3.1.2.3. Равновесная влажность древесины .124
3.1.2.4. Коэффициент влагообмена 125
3.1.2.5. Моделирование реологических характеристик древесины и процесса развития внутренних напряжений в древесине 132
3.2. Методика экспериментальных исследований 135
3.2.1. Сушка с естественной циркуляцией 135
3.2.1.1. Описание экспериментальной сушильной камеры с естественной циркуляцией .135
3.2.1.2. Проведение процесса и контроль показателей качества сушки 137
3.2.2. Сушка с принудительной циркуляцией 139
3.2.2.1. Описание экспериментальной установки 139
3.2.2.2. Проведение процесса и контроль показателей качества сушки 141
3.3. Методика математической обработки результатов эксперимента 143
3.4. Математическое моделирование по результатам многофакторных экспериментов 145
3.4.1. План В3 145
3.4.2. План Хартли
3.5. Оптимизация 149
3.6. Методика определения затрат энергии на сушку .
3.6.1. Определение затрат тепловой энергии на сушку .152
3.6.2. Определение затрат электрической энергии на сушку .157
3.6.3. Определение общих затрат энергии на сушку 158
3.6.4. Определение стоимости энергии 158
4. Технология сушки пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией агента сушки .159
4.1. Вычислительный эксперимент 159
4.1.1. Особенности вычислительного эксперимента 159
4.1.2. Входные и выходные параметры вычислительного эксперимента 160
4.1.3. Результаты вычислительного эксперимента и их анализ .161
4.2. Лабораторные исследования .169
4.2.1. Постановка и проведение эксперимента .169
4.2.2. Постоянные и переменные факторы при проведении эксперимента 169
4.2.3. Выходные параметры при проведении эксперимента 170
4.2.4. Построение математических моделей выходных параметров эксперимента 178
4.2.4.1. Продолжительность сушки 178
4.2.4.2. Среднеквадратическое отклонение влажности пиломатериалов 180
4.2.4.3. Расход энергии на сушку 181
4.2.4.4. Решение компромиссной задачи методом условного центра масс .183
4.2.5. Анализ результатов лабораторных исследований 186
4.3. Исследование в производственных условиях 187
4.3.1. Опытно-промышленная камера 187
4.3.2. Проведение опытных сушек 189
4.3.3. Анализ результатов производственных исследований 195
5. Технология сушки пиломатериалов бесступечатыми режимами .197
5.1. Моделирование процессов сушки пиломатериалов режимами различной структуры .197
5.2. Аналитическое обоснование эффективности бесступенчатых режимов сушки пиломатериалов 225
5.2.1. Постоянные и переменные факторы при проведении вычислительного эксперимента. Выходные параметры 225
5.2.2. План проведения вычислительного эксперимента и его реализация .227
5.2.3. Постановка комплекса задач оптимизации и их решение .231
5.2.4. Особенности тепломассообмена при сушке бесступенчатыми режимами 236
5.3. Экспериментальное исследование .242
5.3.1. Постановка и проведение эксперимента 242
5.3.2. Результаты эксперимента и их обработка 245
5.3.3. Построение математических моделей выходных параметров эксперимента. Оптимизация .251
5.3.3.1. Продолжительность сушки 251
5.3.3.2. Среднеквадратическое отклонение влажности пиломатериалов 252
5.3.3.3. Расход энергии на сушку 253
5.3.3.4. Решение компромиссной задачи методом условного центра масс .254
5.3.3.5. Сравнительный анализ результатов эксперимента с данными теоретических исследований 258
5.4. Выводы .260
6. Оценка технико-экономической эффективности использования результатов работы .262
Основные выводы и рекомендации .267
Библиографический список
- Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов
- Исследование неизотермического влагопереноса на модели коллоидного капиллярно-пористого тела
- Моделирование реологических характеристик древесины и процесса развития внутренних напряжений в древесине
- Построение математических моделей выходных параметров эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы: Одним из основных приоритетов стратегии развития России до 2020 г. является повышение энергоэффективности экономики. Согласно данной стратегии почти три четверти необходимого прироста энергопотребления должно обеспечиваться за счет проведения энергосберегающих мероприятий. Для этого необходимо в кратчайшие сроки решить проблемы, связанные со значительным (в несколько раз) снижением энергопотребления самых различных технологий.
В этом отношении лесопромышленный комплекс России в целом и деревообрабатывающая промышленность в частности не является исключением. В деревообработке одним из самых энергозатратных технологических процессов является камерная сушка пиломатериалов. С одной стороны она в значительной степени определяет качество продукции из древесины, с другой стороны затраты на сушку могут составлять до 30 % стоимости сухих пиломатериалов.
Удаление влаги из древесины в процессе сушки представляет собой достаточно сложный физико-химический процесс, сопровождающийся тепло- и мас-сообменом, изменением размеров и формы сортиментов древесины, а также всего комплекса параметров, определяющих её качество.
Важнейшим звеном при этом является технология сушки, развитие которой в настоящее время идёт в основном путем совершенствования режимов сушки на основе современных методов компьютерного моделирования и оптимизации процессов.
Применяемая в отечественной практике сушки система трёхступенчатых режимов далека от совершенства и требует существенной корректировки. Особо важным это становится в связи с постоянно повышающимися требованиями к качеству продукции и внедрением энергосберегающих технологий.
Поэтому одним из возможных направлений совершенствования технологии сушки является применение таких режимов сушки, которые с одной стороны, были бы лишены недостатков существующих режимов, а с другой стороны могли быть сравнительно просто реализованы с помощью современных технических средств автоматизированного управления лесосушильными камерами.
Таким образом, создание технологий сушки древесины, позволяющих получить высококачественную продукцию при минимальных затратах энергии является важной народнохозяйственной проблемой.
Степень разработанности темы исследования.
Исследованиями процессов сушки древесины занимались известные российские ученые: Грум-Гржимайло В.Е., Соколов П.В., Кречетов И.В., Лыков А.В., Серговский П.С., Базаров СМ., Глухих В.Н., Патякин В.И., Акишенков СИ., Федяев А.А., Богданов Е.С, Петровский A.M., Морозов В.М., Шубин Г.С, Мингазов М.Г., Мазяк З.Ю., Скуратов Н.В., Пухов А.К., Кротов Л.Н., Сергеев В.В., Мелехов В.И., Сафин Р.Г., Сафин P.P., Гороховский А.Г. и др.
Выполненные исследования позволили определить требования к качеству сушки пиломатериалов и эффективности процесса, требования к режимным па-
раметрам, обосновать основные направления совершенствования технологии сушки пиломатериалов.
Перспективным направлением является совершенствование режимов сушки, особенно, в части их энергоэффективности и обеспечения требуемого потребителем качества продукции.
Результаты исследований внедрены на деревообрабатывающих предприятиях в виде разработанных нормативных документов, а также используются в учебном процессе.
Цель работы: повышение энергоэффективности процесса сушки и качества пиломатериалов.
Объектами исследования являются пиломатериалы и лесосушильные камеры.
Предметом исследования являются процессы тепломассопереноса при сушке древесины.
Научной новизной обладают:
1. Теоретическое обоснование механизма влагопереноса в древесине, учи-
тывающее, в отличие от известных подходов, направление градиента температуры в сохнущем сортименте.
2. Теоретическое обоснование методики определения термоградиентного
коэффициента и критерия фазового перехода.
3. Теоретическое и экспериментальное обоснование системы построения
режимов сушки пиломатериалов с использованием явления термовла-
гопроводности в камерах с естественной циркуляцией.
4. Теоретическое и экспериментальное обоснование системы построения
бесступенчатых режимов сушки пиломатериалов.
5. Обоснование процесса непрерывного управления влагообменом при
сушке пиломатериалов.
6. Методика обоснования параметров осциллирующей и бесступенчатой
сушки пиломатериалов, отвечающей заданным требованиям потребителей. Научные положения, выносимые на защиту:
-
Эффективное управление процессом влагоудаления возможно за счет регулирования параметров режима в функции влажности древесины и градиента температуры в сохнущем сортименте на основе оптимизации соотношения между внутренним и внешним влагообменом.
-
Определение коэффициента влагообмена при сушке древесины необходимо проводить при условии равенства потенциалов влагопереноса на границе раздела древесина - агент сушки. Потенциал влагопереноса на границе раздела фаз может быть оценен величиной работы десорбции с учетом коэффициента снижения относительного давления пара над мениском древесного капилляра, определяемого по закону Томпсона.
-
Анализ процессов тепломассообмена при сушке древесины необходимо проводить с учетом асимметричности величины потоков влаги при изменении направления вектора градиента температуры.
4. Затраты тепловой энергии на сушку, а также качественные показатели высушенной древесины определяются параметрами режима, которые могут быть оптимизированы.
Достоверность сформулированных в диссертации теоретических положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов и средств научного поиска: применением теории тепломассообмена капиллярно-пористого тела, системам автоматизированного контроля температуры и влажности древесины и агента сушки; информационных технологий с использованием вычислительной среды высокого уровня; обоснованным упрощением и корректными допущениями при разработке математических моделей; адекватностью регрессионных моделей, подтверждённой в соответствии с общепринятыми методиками; результатами производственных испытаний.
Теоретические, методологические и информационные основы исследования. Информационную базу исследования составили материалы научных исследований специалистов, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, сведения из сети Интернет.
Исследования проводились с использованием принципов системного подхода, включающего методы теории сушки, термодинамики, теории вероятностей и математической статистики. Инструменты и приборы, выбранные для экспериментов, соответствовали по точности современным требованиям.
Значимость для теории и практики:
Теоретическая значимость:
Теоретическая значимость исследования заключается в развитии теории тепломассообмена при сушке древесины как капиллярно-пористого тела в части уточнения методики определения параметров тепловлагообмена при переменном направлении градиента температуры в сохнущем сортименте.
Обоснована возможность осуществления управляемого влагообмена при сушке пиломатериалов неизотермическими режимами (осциллирующими, бесступенчатыми) .
Обоснована методика формирования структуры и определения величины параметров режима для сушки пиломатериалов, отвечающей заданным требованиям потребителей.
Математико-статистические модели процессов, включающие основные влияющие факторы, являются основой для оптимизации режимов сушки по показателям энергоэффективности и качества.
Практическая ценность:
Полученные результаты исследований могут быть использованы в работе специалистов деревообрабатывающих производств для управления технологическими процессами сушки пиломатериалов.
Разработанные режимы сушки пиломатериалов позволяют:
интенсифицировать процесс сушки;
исключить операции по проведению влаготеплообработки и кондиционирующей обработки пиломатериалов;
снизить расход тепловой и электрической энергии на сушку;
обеспечить заданное качество сушки пиломатериалов.
Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах и научно-практических конференциях с международным участием: Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (2005 г., 2008 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2015 г.) -УГЛТУ, г. Екатеринбург; Международная научно-техническая конференция, «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения»», г. Красноярск (2005 г.); на научно-технических советах ОАО "УралНИИПДрев" (г. Екатеринбург, 2003 - 2014 гг.); Всероссийская конференция «Актуальные проблемы лесного комплекса», г. Брянск, (2006 г., 2008 г.); Международная научно-техническая интернет-конференция «Лес-2007». г. Брянск (2007 г.); Международный евразийский симпозиум «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века», г. Екатеринбург (2007 - 2015 гг.); Международная научно-практической конференция «Первичная обработка древесины», СПб: СПбЛТА (2008 г., 2009 г., 2010 г.); Международная научно-техническая интернет-конференция «Лесной комплекс: Состояние и перспективы развития», г.Брянск (2009 г., 2010 г., 2012 г.); Международная научно-техническая конференция «Современные технологические процессы получения материалов и изделий из древесины», г. Воронеж: ВГЛТА (2010 г.); Международная научно-техническая конференция «Лесотехнические университеты в реализации концепции возрождения инженерного образования: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса». Екатеринбург: УГЛТУ (2015 г.); научно - практическая конференция «Современные проблемы переработки древесины», СПб: СПбГЛТУ (2015 г.); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса», г. Кострома: КГТУ (2015 г.).
Место проведения. Работа выполнена в Уральском государственном лесотехническом университете на кафедре Автоматизации производственных процессов.
Реализация работы. Основные результаты работы внедрены на Верхне-
Салдинском металлургическом производственном объединении
(г. В. Салда, Свердловской области), прошли промышленные испытания в ООО "Оверлее" (Кормовищенский ЛПХ, Пермская обл.), Кыновском ЛПХ (п. Кын, Пермская обл.), ОАО "УралНИИПДрев" (г. Екатеринбург) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 57 работ, в том числе 3 монографии, 2 учебных пособия, статей в изданиях, рекомендуемых ВАК - 12. Результаты исследований отражены в 5 научно-технических отчетах по НИР (ОАО «УралНИИПДрев»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов и рекомендаций, приложений, библиографического списка, включающего 277 наименований. Общий объем работы 336 страниц, 78 рисунков, 55 таблиц, 38 страниц приложения.
Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов
Кондуктивный (контактный) способ сушки заключается в передаче тепла древесине от нагретых поверхностей (чаще металлических). В качестве примера можно привести сушку шпона в, так называемых, дыхательных прессах [141], достаточно широко применявшуюся в промышленности в 30 – 50 –е годы ХХ века.
При сушке пиломатериалов контактный нагрев применяется в индукционных камерах током промышленной частоты [146]. Достоинством способа является относительно меньший расход энергии (1,25 … 1,45 кВтчас на 1 кг удаляемой влаги). Основной недостаток способа – это длительность сушки.
Сушка бревен в гидрофобных жидкостях (расплавах) применяется в строительстве деревянных конструкций (мостов, ферм, арок и т.п.), а также при изготовлении столбов, шпал и других сортиментов, предназначенных для эксплуатации в атмосферных условиях. Процесс сушки протекает при температуре выше 100 0С и характеризуется высокой интенсивностью. К недостаткам способа относятся [164, 224, 225, 209]: - большой расход гидрофобной жидкости; - снижение технологических качеств древесины (в первую очередь цвет); - пожароопасность производства. Сушка токами высокой частоты (ТВЧ) заключается в том, что влажная древесина как несовершенный слоистый диэлектрик, помещенный в переменное электрическое поле, нагревается вследствие колебательного движения полярных молекул, непрерывно ориентирующихся в направлении меняющегося поля (молекулярное трение) [22, 33, 40, 75].
Испарение влаги при высокочастотном способе сушки древесины происходит в результате ее нагрева, причем температура, давление, а иногда и влажность во внутренних слоях выше, чем на поверхности, что способствует движению влаги к поверхностным слоям.
Срок сушки древесины ТВЧ в 10 … 20 раз ниже, а качество выше, чем при конвективной сушке. Большой расход энергии (4 кВтчас и более на 1 кг удаляемой влаги) и сложность оборудования сдерживает широкое применение данного способа.
Инфракрасная сушка [114]. ИК-нагрев поверхности сохнущего материала мало способствует прогреву материала по сечению, что практически исключает применение данного вида нагрева, например, при сушке пиломатериалов.
Вакуумная сушка основана на том, что с понижением давления среды интенсифицируется внешний влагообмен в связи с увеличением коэффициента диффузии и внутренний влагоперенос в результате возникновения избыточного давления в древесине [75]. Установлено, что в диапазоне низкого вакуума (6 – 8 кПа) скорость сушки древесины увеличивается в 4,68 раза. В области среднего вакуума (Р = 100 – 0,1 Па) сушка носит сублимационный характер и происходит при отрицательных температурах. При этом замерзшая в материале влага превращается в пар, минуя жидкую фазу.
Механические способы обезвоживания.
Прямое удаление влаги. Замечено [105], что в очень сырых лесоматериалах некоторых древесных пород (бук, сосна) при вертикальном положении в летнее время часть влаги внутри древесины перетекает вниз и даже вытекает наружу из нижнего их конца. При нагревании древесины этот эффект возрастает. В жидком виде влага вытекает также из торцев сжигаемых сырых дров. Пневматический способ обезвоживания основан на создании перепада давления сжатого воздуха по торцам сортимента. Результаты исследований показали [181], что удаление влаги возможно при давлении 0,8 МПа и более. В целом, эффективность метода невысока.
Механическое обезвоживание в прессфильтрах, шнеках и центрифугах возможно для таких материалов как древесная кора, стружка, опилки [181]. Частично выдавливается и вытекает влага из фанерного шпона во время его лущения.
Вибрационный способ. Установлено [181], что количество влаги в капиллярах зависит от интенсивности колебания. Расчеты показывают, что интенсивность колебаний, при которой начинается обезвоживание березовых образцов, составляет 80g, а существенного обезвоживания можно достичь при интенсивности колебаний, превышающей 200g. Из механических способов обезвоживания вибрационный способ пока наиболее энергоемкий, так как большая доля энергии затрачивается на разгон и торможение всей массы древесины в процессе вибрации.
Центробежный способ. Известно [112, 136, 164, 181], что для удаления из древесины влаги в жидком состоянии нужно преодолеть силы сцепления. Большинство авторов считают, что получить центробежную силу, которая бы дала возможность преодолеть силы сцепления, практически невозможно, поэтому для устранения связанной влаги в любом случае, по их мнению, нужна тепловая энергия. Исходя из этого, считают, что вращение можно применять в основном для удаления свободной влаги, связанной капиллярными силами.
Электрокинетическое обезвоживание древесины. В основе способа лежит электроосмос – перемещение жидкости относительно твердого скелета (древесины) под действием электрического поля в направлении, определяемом знаком электрокинетического потенциала.
Современное представление о механизме электрокинетических явлений основывается на идее о существовании двойного электрического слоя ориентированных диполей на межфазной границе. Этот слой не являясь диффузионным, может индуцировать вторичные диффузионные слои, распространяясь вглубь обеих фаз по обе стороны от поверхности раздела. Движение ионов диффузионного слоя под действием электрического поля увлекает за счет внутреннего трения (вязкости) всю массу жидкости, заполняющую капилляры.
Известны работы [56, 226] в которых отмечается значительная эффективность применения электроосмоса: сушка стен зданий, кварцевого песка, торфа и т.п., а также древесины [30]. В последнем случае авторы пришли к выводу о малой эффективности способа при достаточно высоких энергозатратах.
Вибрационно-конвективный способ заключается в том, что при вибрировании материала у его поверхности возникает разрежение, пульсирующее с частотой вибратора. Это происходит в результате быстро меняющихся циклов сжатия и расширения среды у поверхности при ее вибрировании. Создаваемая дополнительная конвекция ускоряет процесс сушки и позволяет уменьшить интенсивность колебаний [164]. Центробежно-конвективный способ состоит в использовании центробежных сил и конвекции. В результате действия центробежных сил происходит подача свободной влаги к поверхности и ее удаление. Удаление связанной влаги происходит в результате испарения, в качестве сушильного агента используется нагретый воздух [164]. Центробежно-высокочастотный способ состоит в том, что лесоматериалы предварительно обезвоживают центробежным способом, а затем помещают в электрическое поле высокой частоты. Экспериментально показана высокая эффективность этого способа.
Вакуумно-высокочастотный способ сушки. В данном случае все преимущества высокочастотной сушки усиливаются за счет высокой эффективности сушки в вакууме. Кроме того, в случае применения вакуума кроме диэлектрического нагрева сложно предложить какой-либо другой [75].
Следует отметить, что, несмотря на многообразие способов обезвоживания древесины, наибольшее распространение для сушки пиломатериалов, шпона, измельченной древесины преимущественно нашла тепловая сушка, в подавляющем большинстве случаев конвективная.
Исследование неизотермического влагопереноса на модели коллоидного капиллярно-пористого тела
Однако для численного решения систем дифференциальных уравнений в частных производных тепломассообмена (ДУЧП ТМО) необходимо знать достаточно точные зависимости тепло- и массообменных параметров от температуры и влажности, что требует огромного объема экспериментальных работ. Справедливости ради надо отметить, что значительная работа в данном направлении проделана советскими и российскими учеными [47, 83, 84, 91, 92, 242, 251, 256, 272].
Для наиболее простого случая, когда градиенты общего давления отсутствуют (процессы ТМО при низкотемпературной конвективной сушке) А.В. Лыков [128, 129] и М.С. Смирнов [207, 208] дают следующую систему дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП): Г.С. Шубин в [244] отмечал, что различные процессы сушки и тепловой обработки древесины можно отнести к двум категориям: 1) процессы, при которых фазовый переход происходит по всему объему одновременно или вообще отсутствует; 2) процессы, при которых границы фазовых переходов неподвижны. Однако, несмотря на различия в процессах, имеется возможность описать их единой системой уравнений, которая является модификацией уравнений А.В. Лыкова [127] для процесса сушки тела в виде пластины при углублении зоны испарения, при этом Г.С. Шубин распространил эту систему на случай переменных по объему материала условий среды [250].
При одинаковых условиях среды для каждой стороны материала (например, доски) исключаются уравнения (2.35), (2.37), (2.43), (2.45), а в выражениях (2.34), (2.36), (2.42) и (2.44) - индекс 1. Из уравнений (2.38) и (2.39) следует, что система записана для случая постоянного значения параметров фазового перехода (Ц и ип.н.). Эта система предусматривает несимметричные граничные условия на внешних поверхностях, включает конвективный член свM2ql2 — (который учитывает перенос тепла влагой) и позволяет, как частный случай, получать записи уравнений переноса и краевых условий для процессов с подвижными границами (применительно к древесине - оттаивание и промерзание, низко- и высокотемпературная сушка при W Wп.н.) и для процессов, не сопровождаемых движением границы фазовых переходов.
В [253] Г.С. Шубин отмечает, что процессы высоко- и низкотемпературной сушки могут быть рассмотрены как на основе уравнений с подвижными границами, так и без них. Для низкотемпературной сушки это возможно по стадиям с принятием на них коэффициентов влагопроводности по усредненным температурам или по уравнению теплопереноса, что, впрочем, требует знания величины критерия фазового перехода .
Система (2.30) – (2.45), по мнению Г.С. Шубина, не имеет аналитического решения в случае с подвижными границами фазовых переходов.
Г.С. Шубин решил ее [248] сеточными методами (или методами конечных разностей) [15, 150, 163] с помощью неявной схемы [116, 229].
Из определения, данного Г.С. Шубиным [253] следует, что коэффициент влагопроводности характеризует количество влаги, перемещаемой в единицу времени через единицу на поверхности при разности концентрации влаги в 1 кг/м3 на 1 м толщины. Выше уже отмечалось, что изучением влагопроводности занимались многие ученые, однако полученные данные носят несколько противоречивый характер.
Если проанализировать относительно ранние исследования, то по данным А.В. Лыкова [123, 124] аm не зависит от влажности, по данным Н.В. Арциховской [18], K. Ludvig [269] и A.J. Stamm [274] – имеет максимум при W = 14 – 18 %, а по данным И. Мартлея [134] и K. Egner [261] – непрерывно и весьма заметно (в несколько раз) возрастает при повышении влажности от 0 до Wп.г.. Следует отметить, что в перечисленных исследованиях и, например, в работе [19] эксперименты ставились на древесине хвойных пород, а влагопроводность лиственных пород не изучалась.
Наиболее обстоятельные экспериментальные исследования были выполнены П.С. Серговским [194, 195, 197, 198] и его учениками [11, 12] для древесины важнейших отечественных пород. Было показано, что основное влияние на величину аm оказывает температура древесины, базисная плотность б (чем плотнее древесина, независимо от породы, тем ниже влагопроводность), направление потока влаги (в радиальном направлении ат больше, чем в тангентально м), местоположением в стволе дерева (влагопроводность ядра и спелой древесины ниже, чем заболони). В результате П. С. Серго вс кий рекомендует следующие уравнения для определения среднего коэффициента влагопроводности в тангенциальном направлении (при W от 7 - 8 % до Wп.г.):
Моделирование реологических характеристик древесины и процесса развития внутренних напряжений в древесине
Затраты тепловой энергии на сушку пиломатериалов складываются из затрат на прогрев камеры и древесины, испарение влаги из древесины, потерь тепла через ограждения камеры и потерь, связанных с воздухообменом [49]. Для расчетов всех составляющих затрат необходимо установить режимные параметры воздуха на входе и выходе из штабеля: температуру (t, 0С), психрометрическую разность (t, 0С), степень насыщенности (), влагосодержание (d, г/кг сух. воздуха), теплосодержание (энтальпию) воздуха (I, кДж/кг), плотность (, кг/м3) и приведнный удельный объм (Vпр1, м3/кг сух. воздуха). Такие параметры как температура, психрометрическая разность и степень насыщенности воздуха определяются режимом сушки, а остальные определяются по формулам.
Кроме того, для определения затрат тепла, связанных с воздухообменом необходимо установить параметры свежего приточного воздуха согласно климатологическим данным местности, в которой будет установлена сушильная камера [49].
Далее для камер периодического действия расчет проводится следующим образом.
Количество влаги, испаряемой из древесины, устанавливают на единицу объема высушиваемого материала за период оборота камеры и в единицу времени. Массу влаги, испаряемой из 1 м3 расчтного пиломатериала за весь цикл сушки, кг/м3, рассчитывают как М (Wн-Wк) Mw = Рбаз , (3 97) где баз - базисная плотность расчтного материала, кг/м3; Wн, Wк - соответственно, начальная и конечная влажность древесины, %. Количество влаги, кг, испаряемой за время одного оборота камеры, определяют по формуле
Далее рассчитываем параметры воздухообмена в камере. Расчет системы воздухообмена производится в следующей последовательности. Определяется масса свежего и отработавшего воздуха, приходящегося на 1 кг испаряемой влаги, кг/кг (3.108) 1000 0 d2-d0 где d2 - влагосодержание агента сушки на выходе из штабеля, г/кгсух.возд; d0 - влагосодержание свежего воздуха, г/кгсух.возд. Массовый расход свежего и отработавшего воздуха, кг/ч где Мр - расчетное количество влаги, испаряемой в единицу времени в камере, кг/ч. Объем отработавшего воздуха определяется как, м3/ч Kотр=G0vпр2. (3.110) Объем свежего воздуха составляет, м3/ч Kв в=G0Kпрo- (3.111) Расход тепла на прогрев 1 м3 замороженной древесины Qпр , кДж/м3, определяют по формуле 0пр=Жи(- о)+Ч+и]+Р н гжг, (3.112) где - плотность древесины при Wн, кг/м3; t0 - начальная отрицательная температура древесины, загруженной в камеру, С; tпр - температура, до которой прогревается древесина в камере, С; \Уг.ж - количество связанной незамерзшей влаги, содержащейся в древесине, %; г - теплота плавления льда, кДж/кг; с(_), с(+) - соответственно, удельные теплоемкости замороженной и прогретой до положительной температуры древесины, кДж/(кгград). Расход тепла на прогрев древесины, имеющей положительную начальную температуру ( .1м3, кДж/м3, определяют по формуле Qпр м =Pсwkпр0), (зліз) где to - начальная температура древесины, С; с(+) - удельная теплоемкость древесины, кДж/(кгград). Удельный расход тепла на испарение влаги с учетом затрат на подогрев свежего воздуха Qисп, кДж/м3, определяют по формуле где I2, d2 - соответственно, теплосодержание, кДж/кг, и влагосодержание, г/кг, отработавшего, удаляемого из камеры агента сушки; I0, d0 - соответственно, теплосодержание, кДж/кг, и влагосодержание, г/кг, свежего, поступающего в камеру воздуха; св - удельная теплоемкость воды, кДж/(кгград); tм - температура смоченного термометра, С. Для расчета потерь тепла через ограждения камер Qогр, кДж/м3, рекомендуется формула Qогр = 3 М Мlмs, (3.115) где qогр - потери тепла через ограждения камеры, кВт. догр =1,5 Д(Х -Інар)Ю-3 , (3.116) где Fj,kj - площадь, м 2 , и коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 град), j-го элемента ограждения; tк, їнар - температура среды внутри и снаружи камеры около j-го элемента ограждения, С. Потери тепла на подогрев свежего воздуха Qпод, кДж/м3: Qпод=!!bот&сушl. (3.117) Тогда общий расход тепловой энергии на сушку равен Qт = Qпр + Qисп + Qогр + Qпод. (3.118)
В соответствии с определенными нами задачами исследований основным направлением повышения энергоэффективности процесса сушки является использование осциллирующих режимов в камерах с естественной циркуляцией.
На первом этапе был проведен вычислительный эксперимент по сушке пиломатериалов осциллирующим режимом в камере с естественной циркуляцией агента сушки и сравнительный анализ с процессом сушки мягким режимом РТМ.
Построение математических моделей выходных параметров эксперимента
Эксперимент проводился на лабораторной полуэкспериментальной камере установленной в ОАО «УралНИИПДрев» и описанной выше (см. главу 3).
При выборе постоянных и переменных факторов учитывались результаты исследований, проведенных ранее, а также результаты поисковых исследований, проведенных на данной экспериментальной установке.
В качестве основного эксперимента был реализован трехфакторный план типа В3, включающий 14 опытов. Данный план при сравнительно небольшом числе опытов и простоте реализации, обладает хорошими статистическими характеристиками [8, 31, 41, 42, 55, 159], а также хорошо зарекомендовал себя при проведении исследований именно на предприятиях лесопромышленного комплекса [42].
Примечания – Расход тепла на сушку определяется по электрическому счетчику, а затем пересчитывается в ГДж/м3 высушенных пиломатериалов Величина внутренних напряжений определяется качественно, по отклонению зубцов силовой секции [187].
Из схемы, изображенной на рисунке 4.9, следует, что в результате проведения эксперимента будут получены зависимости каждого (первых трех) выходного параметра от всех выходных в виде полинома второго порядка. Каждый из этих полиномов представляет собой математическую модель процесса сушки по конкретному выходному параметру.
Наличие таких моделей позволяет провести оптимизацию процесса для каждого выходного параметра в отдельности. Затем проводится определение рациональных значений параметров режима сушки в результате решения компромиссной задачи при помощи метода условного центра масс.
Что же касается четвертого выходного параметра – внутренних напряжений при сушке, то он определяется качественно по стандартной методике, рекомендованной РТМ [187]. Методическая сетка проведения эксперимента приведена в таблице 4.5. Результаты реализации эксперимента согласно матрице плана В3 представлены в таблицах 4.6 – 4.9, соответственно для выходных параметров Y1 –Y4 (см. таблицу 4.4). Методическая сетка проведения экспериментов по определению рациональных значений управляющих факторов при бесступенчатом режиме сушки пиломатериалов в камере с принудительной циркуляцией агента сушки
Исследуемый параметр Постоянные факторы Переменные факторы Выходной параметр наименование значение наименование значение 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Порода древесиныРазмеры доски, (ТШД), ммВид пиломатериалаОбъм загрузки камеры, м3Влажность древесины начальная, %Влажность древесины конечная, % Сосна 401506000Обрезной 15,860-7012 Начальное значениеравновеснойвлажности агентасушкиКонечное значениеравновеснойвлажности агентасушкиНачальное значениетемпературы агентасушки, 0С 0,1; 0,12; 0,140,03;0,035;0,0470; 75; 80 1. Продолжительность сушкипиломатериалов;2. Среднеквадратичное отклонениевлажностипиломатериалов;3. Расход энергии насушку;4. Внутренниенапряжения впиломатериалахпосле сушки 14 14 14 14 3 3 3 3 118 1 18 42 756 42 756 2 3 4 5 6 7 8 9 Конечное 95 значение температуры агента сушки, 0С Переходные влажности 0,1 0,35 древесины для кривой равновесной влажности агента сушки Таблица 4.6 – Результаты реализации плана В3
Табличное значение t - критерия Стьюдента равно t 0.05(28) = 2,05. Согласно (3.73) все коэффициенты модели оказываются значимыми за исключением в2, поэтому уравнение регрессии имеет вид:
Построение математической модели в виде функции отклика для данного выходного параметра проводилось аналогично описанному выше.
Статистический анализ подтвердил однородность дисперсии значимость всех коэффициентов уравнения регрессии, которое при этом приобретает вид: Построение математической модели в виде функции отклика для данного выходного параметра производилось аналогично описанным выше. Уравнение регрессии данного выходного параметра имеет вид: На рисунках 4.10, 4.11 и 4.12 приведены зависимости выходных параметров процесса сушки пиломатериалов осциллирующими режимами в камере с естественной циркуляцией агента сушки. На всех графиках прослеживается наличие четко выраженного минимума поверхностей отклика.