Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Система требований к качеству сушки пиломатериалов. Нормализация качества 9
1.2. Свойства древесины как материала, подвергаемого сушке 28
1.3. Режимы сушки пиломатериалов 30
1.4. Контроль параметров качества сушки .37
1.5. Эффективность сушки пиломатериалов 37
1.6. Выводы 38
1.7. Задачи исследований 40
2. Исследование влияния разброса влажности сухих пиломатериалов на качество продукции деревообработки 41
2.1. Определение величины допусков на размеры деталей мебели и столярно-строительных изделий 46
2.2. Определение допускаемых изменений влажности древесины .48
2.3. Определение рациональных значений влажности древесины в изделиях .63
2.4. Выводы .80
3. Общие методические положения 81
3.1. Методика проведения вычислительного эксперимента 81
3.1.1. Решение системы дифференциальных уравнений в частных производных тепломассообмена (ДУЧП ТМО) 81
3.1.2. Моделирование параметров внешнего и внутреннего ТМО при сушке 86
3.2. Методика экспериментальных исследований 87
3.2.1. Описание экспериментальной установки 87
3.2.2. Проведение процесса и контроль показателей качества сушки 89
3.3. Методика математической обработки результатов эксперимента 91
3.4. Математическое моделирование по результатам многофакторных экспериментов 93
3.4.1. План В3 93
3.4.2. План Хартли 96
3.5. Оптимизация 97
4. Разработка технологии сушки пиломатериалов бесступечатыми режимами оптимизированной структуры (БОС-режимами) 100
4.1. Компьютерное моделирование процессов сушки пиломатериалов режимами различной структуры 100
4.2. Аналитическое обоснование эффективности БОС-режимов .116
4.2.1. Постоянные и переменные факторы при проведении вычислительного эксперимента. Выходные параметры 116
4.2.2. План проведения вычислительного эксперимента и его реализация 117
4.2.3. Постановка комплекса задач оптимизации и их решение 121
4.3. Экспериментальное исследование 125
4.3.1. Постановка и проведение эксперимента 125
4.3.2. Результаты эксперимента и их обработка .131
4.3.3. Сравнительный анализ результатов эксперимента с данными теоретических исследований .133
4.4. Оценка технико-экономической эффективности использования результатов работы 134
4.5. Выводы .135
Общие выводы и рекомендации 137
Библиографический список 139
Приложения 160
- Система требований к качеству сушки пиломатериалов. Нормализация качества
- Определение допускаемых изменений влажности древесины
- Компьютерное моделирование процессов сушки пиломатериалов режимами различной структуры
- Постановка и проведение эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Сушка пиломатериалов для всей деревообработки является основополагающим процессом. 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 массообменом, изменением размеров и формы сортиментов древесины, а также всего комплекса параметров, определяющих е качество.
Определяющим звеном при этом является технология сушки, развитие которой в настоящее время идт по двум направлениям:
-
Совершенствование оборудования для сушки.
-
Совершенствование режимов сушки на основе современных методов компьютерного моделирования и оптимизации процессов; Применяемая в отечественной практике сушки система трхступенчатых
режимов далека от совершенства и требует существенной корректировки. Особо важным это становится в связи с постоянно повышающимися требованиями к качеству продукции.
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 технологии сушки древесины, позволяющей получать высококачественную продукцию, является актуальной задачей, имеющей большой научный и практический интерес.
Степень разработанности темы исследования.
Исследованиями процессов сушки древесины занимались такие известные российские ученые как Пейч Н.Н., Соколов П.В., Кречетов И.В., Лыков А.В., Серговский П.С., Базаров С.М., Глухих В.Н., Патякин В.И., Акишенков С.И., Федяев А.А., Богданов Е.С., Петровский А.М., Шубин Г.С., Мингазов М.Г., Мазяк З.Ю., Скуратов Н.В., Пухов А.К., Уголев Б.Н., Кротов Л.Н., Сергеев В.В., Мелехов В.И., Гороховский А.Г., Зарипов Ш.Г. и др.
Выполненные исследования позволили определить требования к режимным параметрам и обосновать основные направления совершенствования технологии сушки пиломатериалов.
Наиболее перспективным направлением является совершенствование режимов сушки, особенно, в направлении повышения качества продукции.
Цель работы. Повышение качества сушки пиломатериалов.
Объектами исследования являются процессы тепломассообмена
древесины при ее сушке.
Предметом исследования являются технологические режимы сушки пиломатериалов.
Научной новизной обладают:
-
Обоснование требований к качеству сушки пиломатериалов.
-
Методика построения режимов сушки пиломатериалов с заранее заданным качеством.
-
Модели процесса сушки пиломатериалов бесступенчатыми режимами оптимизированной структуры (БОС-режимами).
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Качественные показатели высушенной древесины в значительной степени определяются параметрами режима сушки, которые могут быть оптимизированы.
-
Бесступенчатые режимы оптимизированной структуры (БОС-режимы) позволяют эффективно управлять процессом влагоудаления из древесины.
-
Приведение значений влажности древесины в изделиях в соответствие с температурно-влажностными условиями эксплуатации позволяет существенно (в 10 – 15 раз) снизить количество брака мебели и столярно-строительных изделий.
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, подтвержднной 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.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новой
информации, установлении закономерностей и формулировании требований к
рациональным значениям величины влажности древесины в изделиях в
зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации, а также
формирование структуры и величины технологических параметров,
характеризующих БОС-режимы сушки пиломатериалов.
Практическое значение имеют:
1. Технологические параметры БОС-режимов сушки пиломатериалов.
2. Программное обеспечение для компьютерного моделирования процессов сушки пиломатериалов.
Внедрение разработанной технологии в производство позволит:
исключить операции по проведению влаготеплообработки пиломатериалов;
снизить расход тепловой энергии на сушку;
обеспечить высокое качество сушки пиломатериалов.
Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:
-
Численные значения параметров режимов для различных категорий качества сушки пиломатериалов.
-
Модели процесса сушки пиломатериалов БОС-режимами.
Место проведения работы.Работа выполнена на кафедре «Автоматизации производственных процессов» Уральского государственного лесотехнического университета, промышленная апробация проведена в лаборатории сушки ОАО «УралНИИПДрев».
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты
исследований докладывались на Всероссийской научно-технической
конференции «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России». –
Екатеринбург: УГЛТУ, 2013, 2015, 2017; Международной научно-технической
конференции «Лесотехнические университеты в реализации концепции
возрождения инженерного образования: социально-экономические и
экологические проблемы лесного комплекса» - Екатеринбург: УГЛТУ, 2015; Международной научно-технической конференции «Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и экологические проблемы лесного сектора экономики» – Екатеринбург: УГЛТУ, 2017.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ.
Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов,
выводов и рекомендаций, приложений, библиографического списка,
включающего 234 наименования. Общий объем работы 163 страницы, в том числе 3 страницы приложения, 21 рисунок, 65 таблиц.
Система требований к качеству сушки пиломатериалов. Нормализация качества
Сушка пиломатериалов – это важнейшая операция облагораживания древесины. В процессе сушки изменяются физико-механические, технологические, эксплуатационные свойства древесины. Ни одна операция в деревообработке не приводит к столь масштабному изменению этих свойств, в то же время целью сушки является их коренное улучшение.
Существует множество различных способов сушки пиломатериалов (адсорбционная и конденсационная сушки, ротационное обезвоживание, вакуумно-диэлектрическая сушка, ТВЧ и СВЧ, сушка в гидрофобных жидкостях и т. п.), однако наиболее распространенной является конвективная сушка. Поэтому в дальнейшем, говоря о сушке пиломатериалов, мы будем иметь в виду конвективную сушку.
Анализируя мнение основоположников отечественной науки о сушке древесины Н.С. Селюгина [158], П.С. Серговского [167] и И.В. Кречетова [95], можно выделить следующие основные факторы, определяющие качество сушки пиломатериалов:
1) требования к качеству сушки пиломатериалов;
2) свойства древесины как материала, подвергаемого сушке;
3) технология сушки;
4) контроль качества сушки.
Минлеспром СССР вместе с отраслевыми НИИ, находящимися в его структуре, много занимался внедрением нормативно-технической документации (НТД) по самым различным направлениям деревообработки, в том числе сушке. В советский период последними по времени появления были «Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины», изданные в 1985 г. [153] (далее РТМ – 85). В 2000 г. ОАО «Научдревпром – ЦНИИМОД» издал «Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки пиломатериалов» [154], которые, впрочем, полностью повторили РТМ – 85.
Согласно последним [153] в зависимости от назначения высушиваемых пиломатериалов (заготовок) устанавливается четыре категории качества сушки.
I, II, III категории качества предусматривают сушку пиломатериалов (заготовок) до средней эксплуатационной влажности готовых изделий, при этом они должны обеспечивать:
I категория – возможность механической обработки и сборки деталей по ГОСТ 6449.1 – 82 для высокоточных составных частей изделий (некоторые соединения механики клавишных инструментов, точное машиностроение и приборостроение, деревянные строительные несущие конструкции, производство моделей, лыж и т. п.);
II категория – механическую обработку и сборку деталей по ГОСТ 6449.1 – 82 для ответственных составных частей изделий (мебельное производство, футляры для радио- и телеаппаратуры, корпуса клавишных инструментов, столярно-строительные изделия, деревянные строительные ограждающие конструкции, пассажирское вагоно- и автостроение и т. п.);
III категория – механическую обработку и сборку деталей по ГОСТ 6449.1 – 82 для менее ответственных составных частей изделий (погонажные столярно-строительные изделия, товарное вагоностроение, сельхозмашиностроение, рядовая тара и т. п.).
По нулевой категории качества предусматривается сушка пиломатериалов (заготовок), в том числе экспортных, до транспортной влажности. К показателям качества сушки относятся:
а) соответствие средней влажности высушенных пиломатериалов в штабеле заданной конечной влажности;
б) величина отклонений влажности отдельных досок или заготовок от средней влажности пиломатериалов в штабеле;
в) перепад влажности по толщине пиломатериалов (заготовок);
г) остаточные напряжения в высушенных пиломатериалах (заготовках). Показатели качества сушки пиломатериалов (заготовок) подлежат нормированию. Нормы устанавливаются в зависимости от категории качества сушки и условий эксплуатации изделий (таблица 1.1).
Конкретные значения средней конечной влажности допускается назначать в соответствии с техническими условиями на изделия и продукцию.
Для пиломатериалов, высушиваемых по 0 категории качества до транспортной влажности, конечная влажность назначается в зависимости от толщины пиломатериалов, с тем чтобы с вероятностью 95 % влажность отдельных досок не превысила 22 – 23 %.
Помимо указанных выше показателей, в разделе «Категории режимов сушки» РТМ – 85 как бы мимоходом говорится о неких специфических требованиях к качеству сушки, а именно: о сохранении естественных физико-механических свойств древесины, в том числе ее прочности, цвета и состояния в ней смолы. При этом для различных категорий режимов сушки допускаются (и в некоторых случаях весьма существенные) негативные изменения свойств древесины.
Далее в РТМ – 85 приводится типовая методика определения показателей качества сушки пиломатериалов, при этом для определения средней влажности партии пиломатериалов из различных зон контролируемого штабеля отбирают не менее 9 досок (заготовок).
Таким образом, РТМ – 85 дает простые, понятные, исчерпывающие определения категорий и показателей качества сушки пиломатериалов, а также методику их определения. Однако при ближайшем рассмотрении проблемы не все так однозначно, как может показаться на первый взгляд. Для формирования наиболее полного и объективного мнения рассмотрим, как менялись представления о качестве сушки древесины во времени.
Первые научно обоснованные данные о качестве сушки можно найти в довоенных изданиях. Так, например, В.Н. Михайлов [121] и С.В. Ванин [18] приводят (таблицы 1.2 и 1.3) данные о рекомендуемой эксплуатационной влажности древесины для различных изделий, ориентируясь на которые можно говорить о необходимом качестве сушки в каждом конкретном случае.
Определение допускаемых изменений влажности древесины
В таблице 2.5 – 2.14 приведены данные к расчетам, а также их результаты, по определению допускаемых колебаний влажности в деталях мебели и столярно-строительных изделий. При этом виды допусков определялись согласно [70], а их величина согласно [50].
Для определения допускаемых величин влажности древесины и ее отклонений необходимо определить реальный диапазон изменения равновесной влажности древесины при эксплуатации изделий (таблица 2.15), в которой величины равновесной влажности определены по диаграмме Н.Н. Чулицкого [160, 198].
Для определения допустимых значений величин среднеквадратического отклонения влажности древесины необходимо найти диапазоны, в которых вероятные изменения влажности может превышать допускаемое для данного вида изделий.
На рисунке 2.1 приведены диапазоны изменения равновесной влажности древесины для различных условий эксплуатации изделий.
Из анализа величин равновесной влажности (согласно рисунку 2.1) следует, что:
реальные диапазоны изменения равновесной влажности с учетом гистерезиса сорбции составляют:
1) для отапливаемых помещений:
- при высыхании Wp = 9,4 - 6,1 %
- при увлажнении Wp = 6,1 - 6,9 %
2) для условий повышенных колебаний температуры и влажности:
- при высыхании Wp = 13,5 - 9,0 %
- при увлажнении Wp = 9,0 - 11,0 %
вероятность того или иного значения равновесной влажности в произвольный момент времени одинакова.
На рисунках 2.2 и 2.3 приведены взаимные расположения кривых нормального распределения влажности деталей изделий и равновесной влажности в условиях эксплуатации.
Анализируя рисунки 2.2 и 2.3 можно сделать следующие выводы:
рекомендуемые стандартами на мебель и столярно-строительные изделия влажность древесины, соответственно равная 8 ± 2 % и 9 ± 3 % не соответствует условиям эксплуатации, так как большая часть деталей будет подвергнута существенной усушке (рисунок 2.2 а, в);
рекомендуемая РТМ [153] Wср = 7,0 % с различными величинами среднеквадратического отклонения в значительно большей степени соответствует условиям эксплуатации (рисунок 2.2 б) для отапливаемых помещений;
максимально соответствует условиям эксплуатации (для отапливаемых помещений) детали изделий со средней влажностью Wср = 6,5 % (рисунок 2.2 г, д), однако в данном случае необходимо определить допускаемые значения среднеквадратического отклонения;
рекомендуемая стандартами на столярно-строительные изделия Wср =12 ± 3 % (для условий эксплуатации с повышенными колебаниями температуры и относительной влажности воздуха) также мало соответствует условиям эксплуатации (рисунок 2.3 а);
рекомендуемая РТМ [153] Wср=10 % максимально подходит для изделий эксплуатирующихся в условиях повышенных колебаний температуры и относительной влажности воздуха, однако необходимо определить допустимые значения среднеквадратического отклонения влажности.
Компьютерное моделирование процессов сушки пиломатериалов режимами различной структуры
В настоящее время в российской промышленности применяется, в основном, система 3-ступенчатых режимов сушки, разработанная в СССР ещ в 70-е – 80-е годы прошлого века [41, 42, 153]. Разработка этой системы шла в несколько этапов: 10-ступенчатые режимы [144, 200, 201], 8-ступенчатые режимы [95, 130], 6-ступенчатые [131] и, наконец, 3-ступенчатые [152].
Последние являются компромиссом: среднее качество сушки при достаточно высокой интенсификации процесса. В то же время многоступенчатые (6 – 10 ступенчатые) режимы, применявшиеся в СССР для сушки древесины в 30-е – 60-е годы имеют несколько большую продолжительность сушки при лучших качественных показателях.
Кроме того, в настоящее время, при использовании импортных сушильных камер часто используют различные системы режимов, в основе которых лежит система режимов Мэдисоновской лаборатории лесоматериалов, г. Мэдисон, США, более известной как ForestProductsLaboratoryInc [10, 85]. Данная система была разработана в 1920-е годы и затем в 1940-е – 1950-е была усовершенствована в Германии [58, 223].
Согласно последней, все используемые в промышленности породы древесины разбиты на 7 групп в соответствии со сложностью процесса сушки.
Расписание параметров режимов сушки приведено в таблице 4.1.
Анализ данной таблицы показывает, что:
1. Количество ступеней режимов – 13, что больше, чем в любой другой системе режимов и позволяет считать данную систему практически бесступенчатой.
2. При практическом использовании точность регулирования и температуры и психрометрической разности должна быть очень высокой (менее 0,5 0С), что требует достаточно сложной и дорогой системы управления камерой. В противном случае преимущества данной системы режимов будут сведены на нет.
В дальнейшем, для проведения анализа пригодности режимов сушки различных систем для сушки условного пиломатериала [153] путм моделирования ранее описанными методами следующих режимов:
1. 13 ступенчатых режимов (2 варианта), таблица 4.2;
2. 10 ступенчатого режима А-10, таблица 4.3;
3. 8 ступенчатого режима № 4, таблица 4.4;
4. 6 ступенчатых режимов (2 варианта), таблица 4.5;
5. 3 ступенчатых режимов (3 варианта: М – мягкий, Н – нормальный, Ф – форсированный), таблица 4.6.
Результаты вычислительного эксперимента представлены в таблице 4.7, а графическая интерпретация некоторых из них, соответственно, на рисунках 4.1 – 4.6.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что 3-х, 6-и и даже 8-и ступенчатые режимы, предлагаемые РТМ различных лет издания, к сожалению, не могут обеспечить качество сушки выше III категории качества по разбросу конечной влажности досок в штабеле, характеризуемым средним квадратическим отклонением влажности. Кроме того, для трхступенчатых режимов характерно относительно невысокое значение критерия безопасности режима (В 1,3). А форсированный трхступенчатый режим при своей высокой интенсивности сушки приводит к возникновению в поверхностных слоях напряжений, вдвое превышающих предел прочности, что неизбежно приведт к нарушению целостности древесины и возникновению трещин.
Единственный режим, который обеспечивает качество сушки даже существенно выше I категории качества, это разработанный еще в 30-е годы десятиступенчатый режим сушки авиационной древесины А – 10. Однако сушка данным режимом имеет весьма значительную продолжительность – более 16 суток (до 8 % влажности). Это позволяет рекомендовать данный режим только в случаях, когда требуется действительно высокое качество сушки.
13-ступенчатый режим (вариант 1), разработанный в те же годы немецкими специалистами в области сушки так же обеспечивает высочайшее качество сушки, причм с очень высоким критерием безопасности (Вmin = 2,267), имея при этом продолжительности сушки до влажности равной 8 % почти на двое суток меньше, чем режим А – 10. Единственный параметр, характеризующий качество сушки – перепад влажности по толщине (SТ) – у него составляет 3,3 %, то есть соответствует только третьей категории качества.
Вероятно, что качество сушки можно повысить проведением конечной влаготеплообработки (ВТО). Проанализируем результаты моделирования конечной влаготеплообработки для пиломатериалов, высушиваемых нормальным трхступенчатым режимом, рекомендованным РТМ – 85 [153].
На рисунке 4.7 показано изменение влажности сортимента условного пиломатериала при влаготеплообработке стандартным режимом [153] от продолжительности его проведения. На рисунке 4.8 показан характер изменения влажностных напряжений в поверхностном слое доски при проведении данной влаготеплообработки.
Анализ данных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:
1. Влаготеплообработка существенно повышает среднюю влажность пиломатериала (в данном случае на 2 % за 5 часов). Это свидетельствует о том, что высушенный до требуемой конечной (средней) влажности пиломатериал после проведения влаготеплообработки недопустимо повысит е. Следовательно, для того, чтобы проведение влаготеплообработки стало целесообразным, необходимо несколько пересушивать пиломатериал, а уже затем проводить влаготеплообработку, так, чтобы средняя влажность достигла требуемой.
2. Проведение конечной влаготеплообработки очень несущественно снижает перепад влажности по толщине пиломатериала (в данном случае с 5,5 до 4,6 %).
3. Проведение влаготеплообработки действительно существенно снижает напряжения в поверхностных слоях древесины (в данном случае, приблизительно на 43 %).
На рисунках 4.9 – 4.10 даны зависимости аналогичные ранее приведнным на рисунках 4.7 – 4.8, лишь с той разницей, что подвергаемый влаготеплообработке пиломатериал высушивался до средней конечной влажности 6 %.
Постановка и проведение эксперимента
Эксперимент проводился на полупромышленной камере, установленной в ОАО “УралНИИПДрев” и описанной в главе 3.
При выборе постоянных и переменных факторов учитывались результаты исследований, проведенных ранее на данной камере.
Цель эксперимента – определение рациональных значений управляющих факторов при реализации БОС-режимов сушки.
В качестве основного эксперимента был реализован план типа В3.
Постоянные факторы при проведении экспериментов, а также их значения приведены в таблице 4.14.
Переменные факторы при проведении эксперимента, их значения в явном и кодированном виде, а также диапазоны варьирования приведены в таблице 4.16.
Из схемы, изображенной на рисунке 4.13, следует, что в результате проведения эксперимента будут получены зависимости каждого (первых 3-х) выходного параметра от всех входных 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, а затем определить рациональные значения параметров режима сушки в результате решения компромиссной задачи методом условного центра масс.
- Что же касается четвертого выходного параметра – внутренних напряжений при сушке, то он определяется качественно по стандартной методике, рекомендованной РТМ [153].
Методическая сетка проведения эксперимента приведена в таблице 4.17.