Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1 Анализ структуры энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов 9
1.2 Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов 13
1.3 Механизм неизотермического влагопереноса в древесине .20
1.4 Режимы сушки древесины, построенные на использовании явления термовлагопроводности 32
1.5 Лесосушильные камеры с естественной циркуляцией воздуха 39
1.6 Выводы. Задачи исследования 58
2. Теоретические исследования 63
2.1 Исследование параметров естественной циркуляции агента сушки в камере 63
2.1.1 Существующие методики определения параметров естественной циркуляции 64
2.1.2 Анализ динамической составляющей напора нагревателя 68
2.1.3 Определение потерь напора при естественной циркуляции воздуха 74
2.1.4 Определение скорости естественной циркуляции агента сушки 77
2.2 Анализ процессов нагрева штабеля пиломатериалов 79
2.3 Осциллирующие режимы сушки пиломатериалов при естественной циркуляции агента сушки 87
2.3.1 Структура режима сушки 87
2.3.2 Ориентировочное определение параметров режима 90
2.4 Выводы 95
3. Общие методические положения 96
3.1 Описание экспериментальной установки 96
3.2 Проведение процесса и контроль показателей качества сушки 99
3.3 Методика математической обработки результатов эксперимента 102
4. Экспериментальные исследования процесса сушки пиломатериалов осциллирующими режимами в камере с естественной циркуляцией 105
4.1 Лабораторные исследования 105
4.1.1 Постановка и проведение эксперимента 105
4.1.2 Постоянные и переменные факторы при проведении эксперимента 105
4.1.3 Выходные параметры при проведении эксперимента .106
4.1.4 Результаты эксперимента и их обработка 109
4.1.5 Построение математических моделей выходных параметров эксперимента 119
4.1.5.1 Продолжительность сушки 119
4.1.5.2 Среднеквадратичное отклонение влажности пиломатериалов 121
4.1.5.3 Расход энергии на сушку 122
4.1.5.4 Решение компромиссной задачи методом условного центра масс 123
4.1.6 Анализ результатов лабораторных исследований 128
4.2 Исследования в производственных условиях 129
4.2.1 Опытно-промышленная камера 129
4.2.2 Проведение опытных сушек 129
4.2.3 Анализ результатов производственных исследований... 135
5. Технико-экономическое обоснование осциллирующих режимов сушки пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией агента сушки 138
Основные выводы и рекомендации 142
Библиографический список
- Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов
- Существующие методики определения параметров естественной циркуляции
- Проведение процесса и контроль показателей качества сушки
- Постоянные и переменные факторы при проведении эксперимента
Введение к работе
В своем послании 2004 г. к Государственной думе президент Российской Федерации В.В. Путин поставил задачу об удвоении ВВП за 10 лет. Однако при существующем уровне технологий это потребует удвоения производства энергии в России, что принципиально невозможно. Кроме того, ожидаемое в ближайшее время вступление России в ВТО приведет как минимум к двукратному увеличению тарифов на энергоносители, в частности на природный газ. Нельзя также не учитывать тенденцию роста цен на энергоносители в последние годы.
Все это вместе взятое требует в кратчайшие сроки решения проблем, связанные со значительным (в несколько раз) снижением энергопотребления самых различных технологий. В деревообработке одним из самых энергозатратных технологических процессов является камерная сушка пиломатериалов. При этом разукрупнение деревообрабатывающей промышленности, произошедшее в период рыночных реформ, потребовало создания простых недорогих, надежных в эксплуатации лесосушильных камер сравнительно небольшой производительности (от 500 до 3000 м3 условного пиломатериала в год). В этой связи разработка энергосберегающей технологии сушки пиломатериалов в камерах малой мощности на основе научно обоснованных решений является актуальной научно-технической проблемой.
Цель работы: повышение эффективности процесса сушки пиломатериалов в камерах малой мощности.
Объектом исследования являются процессы конвективной сушки древесины, экспериментальные лабораторные и опытно-промышленные образцы лесосушильных камер с естественной циркуляцией агента сушки.
Предметом исследования является структура и параметры режимов конвективной сушки пиломатериалов.
Научной новизной обладают:
1. Математические модели для определения потери напора в штабеле и скорости естественной циркуляции.
2. Математические модели, позволяющие осуществлять построение осциллирующих режимов сушки пиломатериалов в камере с естественной циркуляцией агента сушки.
3. Математические модели, позволяющие определить ожидаемое значение показателей качества сушки с параметрами осциллирующего режима при естественной циркуляции агента сушки.
4. Рациональные значения параметров осциллирующего режима сушки пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией агента сушки.
Научные гипотезы, выносимые на защиту:
1. Тепловой напор, создающий естественную циркуляцию в камере, характеризуется как статической, так и динамической составляющей, возникающей за счет плоской конвективной струи над нагревателем.
2. Определяющее влияние на скорость естественной циркуляции агента сушки оказывает линейная тепловая мощность нагревателя и конструкция штабеля.
3. Осциллирующий режим сушки пиломатериалов для камер с естественной циркуляцией воздуха характеризуется тремя параметрами: температурой охлаждения штабеля, амплитудой осцилляции температуры и продолжительностью открытия вытяжного воздушного канала камеры.
Достоверность сформулированных в диссертации предложений и выводов подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Выводы теоретического плана базировались на результатах теоретического анализа существа проблемы. Полученные в результате теоретических исследований зависимости согласуются с положениями таких наук как физика и физико-математические основы процессов деревообработки, в частности сушки древесины и древесных материалов.
Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, а их адекватность подтверждается в соответствии с общепринятыми методиками.
Внедрение разработанной технологии сушки в производство подтвердило ее высокую эффективность.
Практическая значимость работы. Разработаны осциллирующие режимы сушки пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией воздуха.
Применение в промышленности указанных режимов позволит:
1. Увеличить производительность сушильных камер с естественной циркуляцией агента сушки.
2. Существенно снизить затраты тепловой и электрической энергии на процесс сушки.
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.
Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:
разработаны математические модели, связывающие параметры естественной циркуляции;
- определена рациональная структура осциллирующего режима сушки пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией агента сушки;
- определены рациональные значения параметров режима сушки пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией.
Место проведения. Работа выполнена в Уральском государственном лесотехническом университете на кафедре механической обработки древесины.
Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах и научно-практических конференциях с международным участием: «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (2003 г.); «Научно-техническая конференция факультета МТД» (2005 г.); «Межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов» (2005 г.) - УГЛТУ, г. Екатеринбург; «Международная научно-техническая конференция, посвященная 75-летию университета» - АГТУ, г. Архангельск.
Реализация работы. Основные результаты работы внедрены на Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 статьей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов и рекомендаций, приложений, библиографического списка, включающего 139 наименований. Общий объем работы 162 страницы, 37 рисунков, 28 таблиц, 5 страниц приложения.
Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов
В приведенных выше работах [4 - 12] даны рекомендации общего характера в отношении экономии тепловой энергии, также как, например повышение герметичности камер, совершенствование конструкции ограждений, совершенствование структуры режимов сушки, создание камер, работающих на вторичных энергоресурсах и нетрадиционных источниках энергии (например, солнце [18,19]).
В то же время в некоторых работах [13, 16, 20, 21, 22] приведены вполне характерные рекомендации. Так, например, Богданов Е.С. и Пировских Е.А. [20] отмечают, что количество циркулирующего по штабелю агента сушки в камерах периодического действия зависит от ряда факторов: породы и толщины пиломатериалов; ширины штабеля; температуры сушки; влажности древесины.
При проектировании камер периодического действия расчет ведется на максимальное количество циркулирующего агента сушки для самого быстросохнущего материала. Для материала, сохнущего более медленно, это количество уже не будет оптимальным и затраты электроэнергии не будут оправданными. Влияние перечисленных выше факторов таково, что необходимое расчетное количество воздуха для камер периодического действия может изменяться в несколько раз. В то же время затраты электроэнергии на привод вентиляторов пропорциональны скорости циркуляции (а значит и объему циркулирующего воздуха) в третьей степени. В качестве регулятора, изменяющего частоту вращения асинхронных электродвигателей привода вентиляторов, авторы [20] рекомендуют тиристорный привод ЭКТ. В зависимости от характеристики пиломатериалов это позволяет сократить расход электроэнергии при сушке условного пиломатериала на 25 %.
Следует отметить, что для эффективной реализации указанной выше идеи необходима довольно сложная система автоматического контроля и управления работой камеры, позволяющая взвешивать штабель в процессе сушки и определять необходимый объем циркулирующего воздуха.
А. М. Петровский [21] отмечает, что проведенные УкрНИИМОД аэродинамические исследования подтвердили возможность создания высокоэффективных сушильных камер. В настоящее время только 80 % перемещаемого вентиляторами сушильного агента подается в штабель. За счет рациональных размеров циркуляционных каналов и коробчатых прижимных экранов коэффициент использования воздушного потока может быть доведен до 0,9 - 0,95, что позволит уменьшить мощность электродвигателей привода вентиляторов в 1,5-2 раза. В данной работе также указываются следующие пути экономии тепловой энергии при сушке пиломатериалов: внедрение двухэтапной сушки (с атмосферной подсушкой пиломатериалов); использование рекуперации тепла, отходящего из камеры при воздухообмене с окружающей средой, а также использование этого тепла для предварительной подсушки пиломатериалов.
И. В. Кречетов [5, 22] отмечает, что наиболее экономичным для процессов сушки является применение дискретной (прерывистой) циркуляции сушильного агента. Продолжительность циклов циркуляции и пауз в работе вентиляторов зависит от породы древесины, геометрических размеров сечений и влажности пиломатериалов. При этом переменному тепло- и массообменному воздействию подвергается лишь тонкий, поверхностный слой материала. Возникают затухающие тепловые волны, совершающие гармонические колебания от поверхности внутрь материала. Чем труднее просыхает материал (толще сортимент, плотнее древесина, ниже текущая влажность) и выше скорость воздуха, тем больше относительное двух- четырехкратного сокращения расхода электроэнергии при сушке большинства сортиментов (больше для трудносохнущих сортиментов и материалов, при повышенных требованиях к качеству сушки, до более низкой конечной влажности, а также в теплое время года); гибкого регулирования приведенной средней скорости воздуха в штабеле в продолжении всего процесса сушки. время пауз. Процесс миграции влаги из средних зон материала продолжается непрерывно и при периодически отключенных вентиляторах. Это позволяет достичь:
двух- четырехкратного сокращения расхода электроэнергии при сушке большинства сортиментов (больше для трудносохнущих сортиментов и материалов, при повышенных требованиях к качеству сушки, до более низкой конечной влажности, а также в теплое время года); гибкого регулирования приведенной средней скорости воздуха в штабеле в продолжении всего процесса сушки. В условиях применения трехскоростных электродвигателей (1500 - 1000 - 750 об/мин) потребляемая мощность изменяется как 8; 3,4; 1; более равномерного просыхания древесины по объему штабеля, т. е. повышения качества сушки за счет высоких абсолютных скоростей воздуха по материалу с прерывистой циркуляцией по сравнению с линейными скоростями при непрерывной циркуляции при сравнимых удельных расходах энергии;
Существующие методики определения параметров естественной циркуляции
Динамическая составляющая напора появляется в результате возникновения над источником тепла (калорифером) свободной плоской конвективной струи (см. рис. 2.3). Автором теории свободных конвективных струй является Г. Н. Абрамович [115, 116, 117].
От нагретой поверхности воздух поднимается вертикально вверх и образует струю с искривленными границами ABCD и EFGH.
В конвективной струе различают три участка: разгонный ABFE, переходный BCGF и основной DCGH. Сечение BF называют сжатым сечением, а сечение CG - переходным.
На разгонном участке в основном проявляются архимедовы силы, под действием которых скорость движения непрерывно нарастает. На переходном участке происходит перестройка полей скоростей и температур в поля этих же величин основного участка. Границы основного и переходного участка FGH и BCD при их продолжении пересекаются в некоторой точке М, называемой полюсом конвективной струи. Угол бокового расширения 6 переходного и основного участков струи так же, как и для изотермических струй равен 12 25 . где Q - избыточное количество тепла, проходящего через сечение, удаленное на расстоянии S от источника тепла в единицу времени, кВт; Qo - количество конвективного тепла, выделяемого источником тепла в единицу времени, кВт.
Если выделить в струе на расстоянии S от источника тепла элементарный слой толщиной dS, то применительно к этому объему можно написать уравнение количества движения в проекциях на оси струи: dK = -dRa, (2.11) где К - количество движения, проходящего через сечение, удаленное на расстояние S от источника тепла; Ra - архимедова сила. Количество избыточного тепла по длине струи сохраняется постоянным: Q = Qo, (2.12)
Начало координат поместим посередине верхней границы источника тепла, а ось абсцисс S направим вверх по оси струи. Полуширину струи определим по формуле В = (S-S0)tgO = 0,22(5-). (2.13) где So = - 2 Во - абсцисса полюса струи. Среднюю скорость в поперечном сечении струи находим, используя уравнение количества движения, приходящегося на единицу длины источника тепла: K = fip2BVc2p (2.14) отсюда = V T M/C (2Л5) где р - коэффициент Буссинеска, м-с; р = pi - плотность окружающего струю воздуха, кг/м3. Заменяя В согласно (2.13), получим Кч,_-\о,44ф,(5-50) м/с (2 ,6) Входящее в эту зависимость количество движения определяем из уравнения (2.11), которое применительно к плоской среде примет вид dK ={Pl-PcpA)g2BdS , где Pcp.i - средняя по площади поперечного сечения струи плотность воздуха, кг/м3. Разность плотностей представим в виде выражения [118] 1- .,= 7- , (2.17) где pAt - температурный аналог коэффициента Буссинеска, с"1; Atcp - средняя избыточная температура, С. Подставляя эту разность плотностей в уравнение количества движения и заменяя В согласно (2.13), получим: ВЫ тх Среднюю избыточную температуру определим из уравнения (2.12), которое применительно к плоской струе примет вид [117]: где с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг С; Qo - количество конвективного тепла, выделенного единицей длины источника тепла в секунду, кВт. При р = pi имеем:
Проведение процесса и контроль показателей качества сушки
Проведенное теоретическое исследование позволяет сделать следующие выводы:
1. При расчете скорости естественной циркуляции в лесосушильных камерах необходимо помимо статической составляющей теплового напора учитывать динамическую составляющую в плоской струе над нагревателем.
2. Применение ребровой укладки пиломатериалов позволяет существенно снизить коэффициент аэродинамического сопротивления штабеля и, соответственно повысить скорость естественной циркуляции. 3. Сопротивление штабеля воздушному напору зависит с одной стороны от квадрата скорости циркуляции, а с другой от геометрических параметров штабеля, в первую очередь от соотношения толщины досок и прокладок
4. Скорость естественной циркуляции главным образом определяется линейной тепловой мощностью нагревателя и толщиной высушиваемых пиломатериалов и может достигать 1 м/с
5. Проведенный анализ методов расчета процессов нагрева древесины при сушке показали, что методики, предлагаемые РТМ и Г.С. Шубиным дают сопоставимые результаты. При этом расчет РТМ в области низких скоростей циркуляции дает несколько заниженные результаты, а в области высоких скоростей - несколько завышенные по сравнению с методикой Г.С. Шубина.
6. Влияние скорости циркуляции на интенсивность прогрева не является определяющим. Так, увеличение скорости циркуляции в 20 раз (с 0,2 м/с до 4,0 м/с) приводит к сокращению времени прогрева максимум в 1,6 - 1,8 раза.
7. Для лесосушильных камер с естественной циркуляцией эффективной оказывается структура режима с циклическим нагревом-охлаждением штабеля и промежуточным открытием выпускного канала.
8. Предлагаемая структура режима позволяет существенно сократить продолжительность сушки пиломатериалов по сравнению с нормативными режимами с естественной и слабой принудительной (Vu=l м/с) циркуляцией. 3 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 3.1 Описание экспериментальной установки
Экспериментальная часть данной работы выполнена на лесосушильной камере в лаборатории сушки ОАО «УралНИИПДрев». один дополнительный нагреватель 7. При необходимости в емкость, образуемую данным углублением может подаваться вода, которая может нагреваться нагревателем 7. Это находит применение в случаях, когда необходима первичная пропарка древесины перед сушкой, а также когда необходимо дополнительно увлажнять среду камеры.
Камера оснащена вытяжным каналом 8, оснащенным управляющим шибером с электроприводом 9. Контроль температуры и относительной влажности воздуха производится при помощи электрического психрометра, расположенного в верхней части камеры и состоящего из сухого 10 и смоченного 11 термометров сопротивления. Кроме того, ниже штабеля расположен еще один сухой термометр 12, который позволяет контролировать температуру воздуха в нижней части камеры, что для камер с естественной циркуляцией воздуха является особенно актуальным. Данные со всех датчиков заводятся в автоматическую систему контроля и управления (АСКУ) работой камеры 13. АСКУ при помощи указанных выше датчиков получает информацию о ходе процесса сушки и выдает регулирующие
воздействия на включение и выключение нагревателей 6, 7, а также управляет работой вытяжного воздушного канала 9. Программируемый контролер автоматического регулятора АСКУ хранит в памяти до 60 режимов сушки. При помощи адаптера сети 14 АСКУ подключена к компьютеру 15, специальное программное обеспечение которого позволяет получить текстовую и графическую информацию о ходе процесса сушки. Контроль израсходованной на сушку пиломатериалов электроэнергии определяется по счетчику 16.
Обрезные пиломатериалы одной толщины, длины и породы древесины укладываются на ребро на подштабельное основание. Ряды отделяются друг от друга прокладками толщиной 25 мм. Количество прокладок при длине штабеля Зм составляет 4-5. Для обеспечения устойчивости штабеля подштабельное основание имеет угол наклона 6 .
Сушка производится осциллирующим режимом, описанном в разделе 2 структуры. Значение психрометрической разности, при которой производится сушка пиломатериалов и сопутствующие ей операции приведены в табл. 3.1. Подобный подход к проведению процесса сушки имеет следующие преимущества: 1. Поверхность древесины не подвергается излишнему пересушиванию на последней стадии сушки. 2. Отпадает необходимость в конечной влаготеплообработке.
Постоянные и переменные факторы при проведении эксперимента
Если Х 0, матрица Гессе положительно определена, в искомой точке пространства, подозреваемой на экстремум имеем минимум. Соответственно если \ 0, имеем в искомой точке максимум.
Решение задачи оптимизации проводим с применением встроенной процедуры Given - Minimize ППП «MathCAD-11» Рациональные значения параметров режима сушки находим путем решения компромиссной задачи методом условного центра масс [136,137,138,139].
Пусть последовательно найдены значения экстремумов для каждой функции отклика: что соответствует точкам в пространстве параметров: (4.26) Введем понятие условной массы точки: т, = 2 / м J у (4.27) Будем полагать, что компромиссному решению будет удовлетворять набор параметров, соответствующих точке с координатами «условного центра масс» X, = н з ЇХ (4.28) гдеі = 1,2,3.
В результате получается вектор рациональных значений параметров: Найденные по этому методу средневзвешенные значения параметров Xj учитывают не только интересы всех показателей качества, но и чувствительность каждого по отношению к данному параметру. По результатам эксперимента, а именно по значениям выходного параметра (Уц,Уі2,У1з)определяем его средние построчные значения (см. таб. 4.4), а также вычисляем построчные дисперсии, соответственно по формуле (4.1) и (4.2). Выборочные оценки S2{yu} можно считать однородными, поскольку выполняется неравенство (4.3). = 0,142 G0 05(2;13) = 0,39 Далее последовательно, по формулам (4.4) - (4.14) вычисляем: S2{y} = \0,5; S2{y} = 3,5; /,=28; в0 =133,3; в, =-5,3; в2 =-0,9; вг =-7,5; в„ =3,7; в22 =19,7; вп =7,7; вп =3,38; вп =-2,38; e2i =-6,38.
Табличное значение t - критерия Стьюдента равно t o.os(28) = 2,05. Согласно (4.15) все коэффициенты модели оказываются значимыми за исключением в2, поэтому уравнение регрессии имеет вид: Y\ = 133,3-5,3 , -7,5 ,+3,7 +19,7 +7,7 +3,38 -2,38X,JC3 -6,38 (4.30) Воспользовавшись (4.16) и (4.17) найдем: при этом Рад F0,o5(13;4) = 5,88 , поэтому полученное уравнение регрессии (4.30) можно считать статистически эффективным. Определим по (4.21) градиент функции (4.30), после преобразований получим следующую систему уравнений: 7,4 , +3,38х, -2,38х3 = 5,3 3,38х,+39,4х2-6,38х3 =0 (4 3П -2,38.x, -6,38х2 +15,4х3 = 7,5 Решая данную систему с применением процедуры lsolve (А, Ь) из ППП «MathCad-11» получим следующий вектор оптимальных значений параметров режима: 0,91 0,025 0,638 х (4.32) Применение процедуры Given - Minimize дает точно такой же результат. При этом минимальное значение выходного параметра (время сушки) составляет: л Y =Ш,5час (4.33) Натуральные значения параметров режима обеспечивающие минимум целевой функции составляют: /0 =79,1С Д/ = 11,07 С т0 = 36,38лш/.
Для перевода выражения (4.30) в зависимость от натуральных переменных необходимо сделать подстановку, согласно рекомендациям [129,132].
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: Yi = 0,5 + 0,06Л:, + 0,0 Ьс2 + 0,02 + 0,25л:,2 + 0,2л-2 + 0,3 52 + 0,03 &с,х2 + + 0,038 + 0,038 (4.36) Модель адекватности и эффективности определяется по критерию Фишера согласно (4.17) и (4.20). Применение процедур lsolve (А, Ь) и Given - Minimize из MathCad-11 дает следующий вектор оптимальных значений параметров режима -0,117 х = -0,012 (4.37) -0,022
Минимальное значение выходного параметра процесса (S) при этом составляет: Y2 = 0,496% (4.38) Оптимальные значения параметров режима в натуральном выражении составляют: t0= 68,33 С Д/ = 10,96 С г0 = 29,78лш/ после подстановки (4.34) в (4.36) функция отклика по второму выходному параметру приобретает вид: = 168,49-14,505/0-2,75А/-2,27г0+0,025/02+0,06бА/2+0,035г02+0,013/0А/ + + 0,00038/0г0+0,0013Д/г0 (4.39) Расход энергии на сушку
Построение математической модели в виде функции отклика для данного выходного параметра производилось аналогично описанным выше. Уравнение регрессии данного выходного параметра имеет вид: (4.40) Гз =1,15-+- 0,043Л;, + 0,02 Ъс2 + 0,012х3 - 0,02л;,2 + 0,05х22 + + 0,04х2 - 0,00&с,х2 - 0,003X2X3 Модель адекватна и эффективна по критерию Фишера согласно (4.17) и (4.20). Применение процедуры Isolve (А, Ь) дало следующий вектор оптимальных параметров: -U 0,127 0,155 Этот вектор не может быть признан решением задачи оптимизации, т.к. X; Применение процедуры Given - Minimize привело к следующему оптимальному решению:
