Введение к работе
Актуальность темы. Лесопильная промышленность Российской Федерации ежегодно производит около 22,9 млн. м 3 пиломатериалов, камерной сушке подвергается 17 млн. м 3. Дефицит сушильных мощностей составляет почти 30 %. В результате этого сотни тысяч кубометров пиломатериалов используются в сыром виде, сокращая сроки службы изделий, вызывая необходимость дополнительных рубок и, следовательно, затрат человеческих и энергетических ресурсов.
Переход всех лесозаготовительных предприятий лесного комплекса к рыночной экономике побудил руководство предприятий к созданию внутри холдинговых компаний лесопильно-деревообрабатывающих цехов с высокой степенью переработки заготавливаемой древесины, что в свою очередь вызвало дополнительный дефицит сухих пиломатериалов. Вопросы сушки вырабатываемых пиломатериалов в соответствии с требованиями технических условий на изделия деревообработки, потребовали ввода в эксплуатацию разнообразного лесосушильного оборудования (в основном - камер периодического действия малой мощности).
Использование электрических лесосушильных камер в условиях леспромхозов, лесхозов и небольших предприятий местной промышленности, как базовой единицы, оказалось нерентабельным. Электрическая энергия, как покупная, так и вырабатываемая самими предприятиями, становится весьма дорогой. Так, у предприятий, имеющих собственные электростанции (их мощность 52 млн. кВт) она в 3,5 раза дороже покупной. Себестоимость сушки при использовании покупной электроэнергии достигает 300 руб./ м 3 усл. (по двум элементам затрат: стоимость электроэнергии и амортизационные затраты), полная себестоимость превышает 600 руб./ м 3 усл.
Однако, данный тип установок, наряду с водогрейными, остаётся для указанных предприятий преобладающим. На отдельных предприятиях, в основном в посёлках городского типа, получают распространение паровые, вакуумные, вакуумно -диэлектрические сушильные установки, но их процент незначительный. Типовое оборудование (лесосушильные камеры УЛ - 1, СПЛК - 1 и СПМ - 2к) и нормативные режимы предусматривают для ведения процесса сушки наличие технологического пара, что не всегда выполнимо.
Поэтому увеличение количества деревообрабатывающих мини - предприятий и вовлечение в переработку практически всех пород древесины, вызвало необходимость создания новых технических решений по конвективным камерам с альтернативными источниками тепла и квалитетной трансформации традиционной технологии сушки. Разработка эффективной технологии сушки древесины и лесосушильной техники для предприятий с небольшими объёмами переработки (3-5 тыс. м усл. / год) на основе научно - обоснованных решений является актуальной научно-технической проблемой.
Цель работы - получение качественных пиломатериалов в камерах малой мощности на основе интенсифицированных процессов тепловлагообмена.
Объекты исследований: процессы конвективной сушки древесины; экспериментальные лабораторные и опытно -промышленные образцы лесосушильных камер.
Научная новизна работы. Научную новизну имеют:
- закономерности изменения обрабатывающей среды в камерах, установленные в условиях её экспоненциального роста и оказывающие влияние на качество высушиваемых пиломатериалов;
-результаты теоретических исследований теплофизических процессов кинетики совмещенной сушки, позволяющие использовать критерии испарения и Предводителева в качестве определяющих при обосновании новой структуры ускоренных технологических режимов сушки древесины;
-методика расчета безопасного режима сушки древесины при отсутствии технологического пара на увлажнение воздуха в камере;
-определение по специально разработанной методике коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи от воздуха внутренним поверхностям ограждений камеры и через них окружающей среде;
-математические модели, позволяющие решать задачи по анализу кинетики и динамики процессов сушки древесины при нестационарных условиях обрабатывающей среды и управлять этими процессами с целью достижения расчетной производительности камер и требуемого качества материала;
-комплексная оценка влияния технологических и конструктивных параметров установок на их производительность с любым типом источников тепла и увлажнения.
Значимость для теории и практики. Для теории имеют
значение:
-математические модели позволяющие осуществлять анализ кинетики и динамики сушки древесины при нестационарном тепловлагопереносе в малогабаритных лесосушильных камерах;
-теоретические зависимости определяющие влияние технологических и конструктивных параметров установок с различными типами источников тепла на величину внутренних напряжений в древесине в этих условиях;
-расчетные зависимости для определения температурно-влажностных полей в высушиваемых сортиментах, безопасных значений параметров закона изменения равновесной влажности древесины в камере.
Для практики имеют значение:
рекомендации для повышения показателей качества сушки пиломатериалов без искусственного увлажнения обрабатывающей среды, увеличение производительности камер и снижение энергоемкости процесса сушки в этих условиях;
эффективная технология на основе применения новых методов ведения процесса и технических средств;
технические решения на новые лесосушильные камеры с различными источниками тепла; нормативно - техническая документация промышленной серии лесосушильных камер с улучшенными характеристиками для конкретных условий ведения процесса;
-экспериментальные зависимости (уравнения,
аппроксимирующие криволинейно - сопряженный воздуховод с постоянным статическим давлением по длине; уравнение регрессии - математическая модель корпуса центробежного вентилятора).
Научные положения, выносимые на защиту:
-математические модели для расчета развития температурного поля в лесосушильной камере, как в тепловом объекте с сосредоточенными параметрами; перепада температуры по сечению высушиваемых пиломатериалов, безопасного уровня температур в конвективных установках с различными типами источников тепла;
-теоретические зависимости и модели, позволяющие управлять тепловыми процессами в лесосушильных камерах при экспоненциальном изменении температурно-влажностных параметров обрабатывающей среды во времени и обеспечивать качественное ведение процесса при выполнении предъявляемых технологических требований к производительности и качеству
высушенных пиломатериалов;
-математические модели для определения характера распределения влагосодержания и внутренних напряжений по сечению сортимента при значении критерия фазового превращения близким к единице с оценкой влияния на характер этого распределения в высушиваемых сортиментах;
-уравнения регрессии для определения конструктивных и энергетических параметров основных элементов камер с продольно-поперечной циркуляцией агента сушки и с торцовым расположением побудителя циркуляции с прогнозированием максимально достижимых уровней температур в установках в зависимости от сечения и породы древесины; -
-оценка степени безопасности растягивающих напряжений в поверхностной зоне высушиваемых пиломатериалов при нестационарном тепловлагопереносе и влияния на этот процесс выявленного закона изменения равновесной влажности древесины; -математические модели для установления связи частоты вращения ротора побудителя циркуляции в камере и размеров его прямоугольного корпуса - с коэффициентом полезного действия, установления формы и размеров раздаточного воздуховода близкого к оптимальному - с секундным расходом воздуха в камере.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные её разделы были заслушаны и получили одобрение на:
-Всесоюзно - технических и региональных конференциях 8 Москве, Архангельске, Ленинграде, Киеве в 1969, 1973,1975,1977,1980,1985, 1989г.г.;
-научно-технических конференциях ЦНИИМОДа,
УкрНИИММОДа в 1973-87г.г.;
-сессии совета по современным проблемам древесиноведения в 1997г.;
-ежегодных научно-технических конференциях Уральской государственной лесотехнической академии в г. Екатеринбурге в1987-1998г.г.
Реализация работы. Основные результаты работы внедрены на предприятиях лесного комплекса, местной промышленности и в других отраслях промышленности, имеющих сушильные хозяйства.
Общее количество лесосушильных камер малой мощности, изготовленных механическими заводами -изготовителями превысило 1700 единиц.
Публикации. Материалы диссертации изложены в подготовленных 66 публикациях, в том числе 56 - з соавторстве. В общем списке - 32 статьи, 11 изобретений и свидетельств на полезные модели , 23 тезиса докладов.
Приведенные в диссертации данные нашли отражение в 44 научных отчетах, которые были выполнены в рамках:
Государственных заказов 1970-75 гг. (приказы № 8 от 09.10.70, № 45 от 02.02.72 и № 77 1975 г. Минлесдревпрош СССР);- координационных планов с ЦНИИМОДои 1970-87 гг.;
заказов предприятий и организаций лесной отрасли 1987-97гг.
Разработки по созданию новых лесосушильных камер, автоматизации процессов сушки и дистанционному контролю текущей влажности древесины в процессе сушки были удостоены одной серебряной и трех бронзовых медалей ВДНХ СССР, а также диплома Международной выставки "Автоматизация - 69".
Комплекс работ (в том числе технология и интенсифицированные режимы сушки с разработками автора диссертации) по созданию ездовой дорожки Олимпийского велотрека в п. Крылатском из древесины лиственницы был удостоен Государственной ппемми СССР 1980 г
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы 202 наименований и 12 приложений. Общий объем работы - 239 страниц, в том числе - 215 страниц машинописного текста, 74 рисунка и 28 таблиц.