Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние теории и механики удаления влаги из древесины 9
1.1.Современное состояние техники сушки древесины 9
1.1.1. Анализ способов сушки 9
1.1.2. Анализ исследований конвективного нагрева древесины 16
1.1.3. Анализ современных представлений о процессе сушки материалов понижением давления 19
1.2. Анализ исследований древесины как объекта сушки 21
1.2.1. Структурно-сорбционные характеристики древесины 21
1.2.2. Динамика влаги в древесине 28
1.2.3. Тепловые характеристики древесины 31
Выводы 35
Глава II. Разработка математической модели процесса вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов 37
2.1. Физическая картина процесса вакуум-осциллирующей сушки древесины 37
2.2. Формализация процесса .41
2.3. Математическое описание переноса тепла и массы при вакуум-осциллирующем способе сушки пиломатериалов .43
2.3.1. Математическое описание прогрева пиломатериала при наличии фазовых переходов теплоносителя .43
2.3.2. Математическое описание конвективного прогрева пиломатериала в среде перегретого пара .46
2.3.3. Математическое описание тепломассопереноса при понижении давления .49
2.4. Построение конечно-разностных схем 52
2.5. Алгоритм расчета процесса вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов 56
Выводы 59
Глава III. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процесса вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов .60
3.1. Описание экспериментальной установки для исследования процесса вакуум-осциллирующей сушки древесины 61
3.2. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процесса вакуум-осциллирующей сушки древесины 64
3.2.1. Анализ адекватности математической модели реальному процессу сушки древесины 65
3.2.2. Анализ результатов моделирования стадии прогрева древесины .69
3.2.3. Анализ результатов моделирования стадии вакуумирования 73
Выводы 75
Глава IV. Промышленная реализация вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов 77
4.1. Аппаратурное оформление вакуум-осциллирующего процесса сушки пиломатериалов 77
4.2. Инженерная методика расчета вакуум-осциллирующей сушильной установки 80
4.2.1. Определение основных конструктивных параметров сушильной камеры 81
4.2.2. Тепловой и аэродинамический расчет сушильной камеры 83
4.2.3. Расчет системы вакуумирования 87
4.3. Устройство промышленной установки ВОСК-1 91
4.4. Результаты испытаний сушильной камеры ВОСК-1 94
4.5. Анализ экономической эффективности внедрения промышленной установки ВОСК-1 96
Выводы 97
Заключение 98
Основные обозначения 100
- Анализ современных представлений о процессе сушки материалов понижением давления
- Математическое описание прогрева пиломатериала при наличии фазовых переходов теплоносителя
- Описание экспериментальной установки для исследования процесса вакуум-осциллирующей сушки древесины
- Тепловой и аэродинамический расчет сушильной камеры
Введение к работе
С каждым годом к сушке пиломатериалов на лесопильно- деревообрабатывающих предприятиях предъявляются все более жесткие условия, требующие сокращения энергозатрат и длительности процесса сушки без ущерба качеству высушиваемого материала. В связи с этим камерная сушка становиться одним из важнейших участков предприятий, ответственным звеном общего технологического процесса обработки древесины.
Актуальность темы. В последние годы в России начался рост малых и средних предприятий по производству столярно-строительных изделий и мебели, потребляющих пиломатериалы и заготовки из древесины хвойных, лиственных и, особенно, твердых лиственных пород. Таким производствам, выпускающим изделия по европейским стандартам, потребовалась высококачественная сушка древесины. Кроме того, начали создаваться деревообрабатывающие производства в леспромхозах, которые сокращают вывоз круглых лесоматериалов и увеличивают выпуск пиломатериалов, в том числе высушенных, а также изделий деревообработки.
Получать высокое качество с одновременно низкими энерго- и трудозатратами при организации сушильного процесса позволяет техника сушки ряда древесноволокнистых материалов и веществ, осуществляемая в условиях вакуума. Для вакуумной сушки древесины характерны высокая интенсивность процесса и хорошее качество сушки пиломатериалов. Продолжительность сушки в 4-6 раз меньше, чем при обычном конвективном способе, что особенно важно для пиломатериалов из древесины трудносохнущих лиственных пород. Несмотря на ряд преимуществ, данный способ сушки не имеет расчетной базы, качественно описывающей процесс и способствующей выбору оптимальных режимных параметров.
Вышеописанное подчёркивает актуальность исследования процесса вакуумной сушки древесины.
Работа выполнялась в соответствии с Федеральным законом от 3 апреля 1996 г. № 28-ФЗ «Об энергосбережении» и Постановлением Правительства РФ от 24 января 1998 г. № 80 «О федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998 - 2005 годы»».
Цель работы состоит в разработке методов расчета и аппаратурном оформлении вакуум-осциллирующего процесса сушки с учетом свойств высушиваемого материала.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
Разработка и экспериментальная проверка математической модели процесса вакуум-осциллирующей сушки древесины.
Математическое моделирование вакуум-осциллирующего процесса сушки.
Разработка аппаратурного оформления предлагаемого способа сушки пиломатериалов.
Промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна. Разработано новое перспективное направление сушки пиломатериалов - вакуум-осциллирующая сушка в среде перегретого пара. Новизна способа подтверждена патентом.
Исследованы закономерности сушки древесины с использованием системы «тепловая труба».
Разработана математическая модель процесса сушки пиломатериалов вакуум-осциллирующим способом, на стадии прогрева которого используется перегретый пар при отсутствии воздуха в сушильной камере. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены пути интенсификации процесса и повышения качества высушиваемого пиломатериала.
Разработаны новые конструкции сушильного оборудования, а также конструктивные рекомендации, направленные на улучшение качества высушиваемого материала. Новизна конструкции подтверждена патентом.
Практическая ценность. Разработанные модели могут быть использованы при проектировочных и технологических расчетах вакуум- осциллируюш;ей сушки древесины в среде перегретого пара.
На базе полученных аналитических решений разработана и реализована компьютерная методика расчета процесса сушки, позволяющая выработать рекомендации по повышению качества, интенсификации и снижению себестоимости процесса.
Инженерная методика расчета позволяет выбрать наиболее рациональный вариант конструкции установки для сушки пиломатериалов в штабелях.
Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании метода расчета сушки пиломатериалов вакуум- осциллирующим способом, а также при проектировании сушильного аппарата ВОСК-1.
Методика расчета и аппарат ВОСК-1 внедрены на Муромском приборостроительном заводе.
Конструкция разработанного аппарата защищена патентом и решением о выдаче патента на изобретение.
Автор защищает:
Вакуум-осциллирующий способ сушки пиломатериалов в среде перефётого пара.
Математическую модель процесса вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов.
Результаты математического моделирования и экспериментального исследования процесса сушки древесины предложенным способом.
Методику расчета вакуум-осциллирующей сушильной камеры.
Конструкцию установки для сушки пиломатериалов в штабелях и результаты её внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях по технологическим процессам КГТУ (Казань, 2000-02) и на Международных конференциях «Производство, наука и образование» (Казань, 1998), «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Казань, 1999), «Лес-2000» (Брянск), «ММТТ-2000» (С.-Петербург), «Химико- лесной комплекс. Проблемы и решения» (Красноярск, 2000), «ММТТ-14» (С.Петербург, 2001), на Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины» (Петрозаводск, 2000), на Всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2000),
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе патент и положительное решение по заявке на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
В первой главе рассмотрены существующие способы сушки древесины, дан анализ современного состояния теории тепломассопереноса на стадии прогрева пиломатериалов и представлена характеристика древесины как объекта сушки. Во второй главе приведено математическое описание процесса вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов в среде перегретого пара, блок- схема алгоритма моделирования исследуемого процесса. В третьей главе дано описание экспериментальной установки, при помощи которой проводилась проверка разработанной математической модели на адекватность. Приведены результаты математического моделирования процесса с помощью ЭВМ и экспериментальных исследований. Четвертая глава посвящена промышленной реализации результатов исследований процесса вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов: представлена разработанная на базе проведенных исследований инженерная методика расчета промышленных аппаратов для вакуум-осциллирующей сушки древесины и дан анализ эффективности результатов разработки.
Анализ современных представлений о процессе сушки материалов понижением давления
Одним из наиболее широко применяемых сушилок являются конвективные сушильные камеры, в которых наблюдается омывание материала потоком нагретого газа. Процесс протекает при атмосферном давлении. При этом температура в центре материала в процессе сушки ниже, чем на поверхности, а влажность выше, поэтому перемещение влаги к поверхности материала обусловлено фадиентом влажности, градиент температуры оказывает тормозящее действие. По данным H.A. Першанова [78] отрицательный температурный градиент снижает общий поток влаги, создаваемый градиентом влажности, до 30%.
Данный принцип подвода тепловой энергии к материалу используется также в аэродинамических сушильных камерах, где нагрев воздуха осуществляют путем сильной турбулизации потока воздуха на лопатках ротора центробежного вентилятора специальной конструкции [14]. Кроме того, работают единичные экземпляры сушильных камер, использующих в качестве энергоносителя древесные отходы [79]. Тепло, полученное при сжигании отходов, через стенки топки передается циркулирующему внутри камеры сушильному агенту.
Общие недостатки конвективного способа сушки: высокая продолжительность цикла (5 - 45 дней в зависимости от сортамента пиломатериала) и низкая эффективность теплоподвода, влекущие большие энергозатраты; неравномерность высушивания штабеля; сравнительно низкое качество конечного продукта - из-за наличия микротрещин, обусловленных применением теплоносителя с высокой температурой.
Менее распространенным методом является кондуктивная сушка, когда тепло высушиваемому материалу передается теплопроводностью от нагретой поверхности [5]. При контактном методе подвода тепла распределение влагосодержания неравномерно и несимметрично: в контактном слое у греющей поверхности влагосодержание на протяжении всего процесса минимально, в центральных слоях - максимально. У открытой поверхности влагосодержание ниже, чем в центральных слоях, но выше, чем в контактном слое. Температура в направлении от контактного слоя к открытой поверхности непрерывно убывает. Перемещение влаги к поверхности материала обусловлено градиентом температуры; градиент влагосодержания оказывает тормозящее действие [89], в то время как именно влагопроводность является одной из основных движущих сил для продвижения влаги изнутри древесины.
Обычно в качестве нагревательных элементов используются металлические плиты, нагреваемые паром, водой или электричеством. В случае использования простой и компактной конструкции нагревателя [35] довольно трудно обеспечить равномерный нагрев древесины, а большая трудоемкость погрузочно-разгрузочных работ существенно снижает эффективность эксплуатации таких камер.
Для обеспечения качественной сушки пиломатериалов без использования водяного пара в МГУЛ разработаны «импульсные» режимы [72]. Сущность этих режимов состоит в следующем. Сушка материала проводится циклами, каждый из которых соЛстоит из двух стадий. На первой стадии цикла сушка пиломатериалов проходит в воздухе повышенной температуры и низкой влажности. В камере осуществляется интенсивная циркуляция сушильного агента и воздухообмен с окружающей средой. Этот период характеризуется аккумулированием древесиной тепла и высокой интенсивностью процесса сушки за счет большого градиента влажности. В древесине в поверхностных зонах развиваются растягивающие напряжения. На второй стадии прекращается работа систем циркуляции, теплоснабжения и воздухообмена. Для этого периода характерно следующее: 1) продолжается процесс испарения из древесины влаги, за счет тепла, аккумулированного материалом на первой стадии; 2) повышается степень насыщенности воздуха за счет влаги, поступаемой из материала; 3) увеличивается его влажность на поверхности, поскольку возрастает величина равновесной влажности. Происходит выравнивание влажности по толщине материала, и уменьшаются сушильные напряжения, вплоть до полного их исчезновения; 4) понижается температура на поверхности материала, что связано с затратами энергии на испарение воды; появляется положительный градиент температуры, вызывающий интенсивное движение влаги к поверхности, что компенсирует некоторое снижение интенсивности процесса при уменьшении градиента влажности. Как показывает производственный опыт, сушка «импульсными» режимами при соответствующем соотношении продолжительности стадий процесса происходит практически без развития остаточных деформаций, а следовательно, и без остаточных напряжений, при малых перепадах влажности по толщине материала. Выбор сроков выдержки на стадии аккумулирования тепловой энергии определяется тем, что возникающие сушильные напряжения не превышали Предела упругости. Продолжительность второй стадии устанавливается из условия выравнивания температуры центра и поверхности и прекращения движения влаги за счет градиента температуры. При этом влажность в поверхностной зоне, в зависимости от уровня средней влажности материала, может быть повышена на 2 - 6 % по сравнению с влажностью на первой стадии. Число циклов устанавливается в зависимости от породы и толщины пиломатериалов, их начальной и конечной влажности. Например, при сушке необрезных пиломатериалов толщиной 50 мм из древесины дуба от начальной влажности 50 % до конечной 7 % длительности циклов составляли от 1 до 4 ч. Температура сушильного агента на стадии прогрева изменялась в зависимости от текущей влажности материала от 50 до 80 С. Число циклов равно 144, что составляет общую продолжительность сушки 30 суток [80].
Применение «импульсных» режимов для конвективных сушильных камер позволяет не только отказаться от использования водяного пара, но и осуществить экономию электроэнергии за счет отключения циркуляционных вентиляторов на стадии выдержки пиломатериалов и существенно упростить систему автоматического регулирования процесса сушки. Технология сушки на базе «импульсных» режимов оказалась достаточно универсальной и эффективной. Она может быть рекомендована и для паровых лесосушильных камер, что помимо снижения затрат электроэнергии даст 30 % экономии водяного пара, поскольку отпадает необходимость проведения конечной и промежуточных влаготеплообработок, а также кондиционирования.
В последние годы ведутся исследования по акустической сушке древесины. В работе [19] представлены результаты по акустической сушке образцов сосны: за 30 минут сушки изменение влажности составило 33%. С помощью томографа получено распределение влаги в поперечном сечении образца до акустического воздействия и после него. Установлено, что в направлении нормали к годичным слоям оно не монотонно, а изменяется периодически. Под действием акустического поля влага интенсивно перетекает из ранней зоны годичного слоя в позднюю.
Математическое описание прогрева пиломатериала при наличии фазовых переходов теплоносителя
В странах с высокоразвитой деревообрабатывающей промышленностью получила широкое распространение вакуумная сушка [5]. Сушка под вакуумом является одним из способов получения положительного температурного градиента. Исследования явлений термодиффузии влаги в древесине, проведенные В.П. Мироновым [65] показали, что 1% градиента влажности дает иногда в 5 - 7 раз меньшую скорость сушки, чем 1% градиента температуры. Если направить поток влаги, возникающий под действием термовлагопроводности, в требуемом направлении, то можно повысить интенсивность процесса сушки без создания значительных перепадов влажности по толщине материала. Результаты экспериментальных данных ряда исследователей [47, 79, 92] свидетельствуют, что сушка древесины за счет положительного градиента температуры получается не только более быстрой, чем конвективная, но и более качественной. При рабочем давлении в камере 10 - 13 кПа температура кипения воды не превышает 45 - 50С - при этом реализуется легкий режим сушки, не повреждающий органику древесины. Это обеспечивает практически полное отсутствие микротрещин, т.е. высокое качество конечного продукта, недостижимое в процессе сушки при атмосферном давлении.
В настоящее время налажен выпуск вакуумных камер для сушки пиломатериалов с использованием различных способов подвода тепла к древесине: СВЧ-нагрев [46, 5]; нагрев с помощью газообразного теплоносителя 82]; нагрев с помощью контактных нагревателей [35].
СВЧ-нагрев осуществляется СВЧ-полем, создаваемым в объёме штабеля соответствующими генераторами. Несмотря на известные преимущества СВЧ- энергии для сушки пиломатериалов (наибольшая скорость сушки, благодаря выделению тепла во всем объёме древесины) данная технология еще не нашла широкого применения, вследствие дороговизны как самих установок, так и их эксплуатации и необходимости привлечения квалифицированного персонала для их обслуживания. КПД такой установки невелик: в СВЧ-генераторе эффективность преобразования электроэнергии в энергию СВЧ-поля составляет только 20 - 30 %, а показатель эффективности преобразования СВЧ-энергии в тепловую внутри штабеля (как и показатель полезного использования последней) также ощутимо меньше 100 % [5]. Поэтому неизбежен большой удельный расход электроэнергии. Эксплуатация СВЧ- оборудования требует соблюдения жестких требований техники безопасности. Кроме того, при этом способе сушки не всегда удается обеспечить удовлетворительную однородность пиломатериалов по конечной влажности и довольно сложно локально контролировать текущую влажность и температуру древесины, что необходимо для управления процессом.
Перспективными остаются вакзЛмно-диэлектрические сушильные камеры [15, 17], основанные на нагревании высушиваемого материала, обладающего диэлектрическими свойствами, в электрическом поле высокой частоты. Тем самым должен осуществляться равномерный по толщине прогрев материала. Однако при сушке толстых пиломатериалов (толщиной более 60 мм) и пиломатериалов из древесины твердых пород (дуб, лиственница и др.) кипение воды проходит не по всему объему материала, а только в поверхностных слоях. В центральных зонах кипения не происходит, а вода движется к границе фазового превращения за счет градиента температуры. При таком механизме процесса непрерывный подвод высокочастотной энергии материалу приводит к большим перепадам влажности по толщине материала и сушильным напряжениям, которые вызывают растрескивание древесины [80]. Кроме этого, большой расход электроэнергии и высокая стоимость оборудования сдерживают широкое распространение вакуумно- диэлектрических сушилок.
По результатам проведенных Расевым А.И. исследований [80] высокое качество сушки обеспечивают вакуумно-конвективные сушильные камеры.
В основу технологии заложен принцип «импульсных» режимов. Процесс сушки складывается из последовательно чередующихся стадий нагрева древесины и ее вакуумирования. На стадии нагрева материал обдувается горячим воздухом при атмосферном давлении. В этот период температура древесины повышается, что сопровождается испарением влаги с ее поверхности. Влажность несколько снижается. Движение влаги внутри материала проходит под действием градиента влажности. Древесину нагревают до определенной температуры, после чего начинается стадия вакуумирования, которая характеризуется интенсивным испарением влаги с поверхности материала. Температура поверхности снижается. В полостях клеток происходит вскипание воды, образовавшийся водяной пар движется к поверхности под избыточным давлением. При этом часть пара удаляется из древесины, а часть, при контакте с охлажденными поверхностными зонами конденсируется. Водяной пар, покинувший древесину, образует вокруг нее среду практически чистого насыщенного или перегретого пара. В результате этого, влага удаляется при достаточно высокой влажности поверхности и, следовательно, малом ее перепаде по толщине материала, это позволяет избежать значительных сушильных напряжений и больших остаточных деформаций [82].
В период выдержки досок в вакууме при удалении свободной влаги ее движение проходит под действием градиентов давления, влажности и температуры, а при влажности древесины ниже предела насыщения - градиентов влажности и температуры. Этим и обеспечивается высокая интенсивность конвективно-вакуумной сушки. Вакуумирование прекращается после падения температуры в центре материала ниже температуры кипения воды при данной глубине вакуума. Число стадий «прогрев-вакуум» зависит от требуемой конечной влажности высушиваемых досок.
Описание экспериментальной установки для исследования процесса вакуум-осциллирующей сушки древесины
Микроскопический перенос влаги в структурных элементах гигроскопического тела происходит в зависимости от природы и структуры тела, его влажности и условий влагопереноса. В качестве движущей силы переноса влаги рассматриваются градиенты капиллярного, осмотического и расклинивающего давления, градиенты давления пара, газа и набухания, концентрации влаги (влажности), химического потенциала и температуры.
О том, что движение не во всех случаях связано с наличием градиента влагосодержания, имеются указания у ряда авторов [47, 97]. Пример, приведенный Н.Я. Любимовым [60], демонстрирует, что различие во влагосодержании заболонной и ядровой древесины хвойных пород не обусловливает выравнивания влажности этих зон, хотя в стволе растущего дерева они находятся в непосредственном соприкосновении в течение многих десятилетий. Опытами П. С. Серговского [97] с плотно прижатыми друг к другу образцами древесины с высокой (и 30 %), но различной влажностью было установлено отсутствие перемещения влаги из более сырой в менее сырую древесину.
Таким образом, при влажности древесины выше точки насыщения волокон наличие градиента влагосодержания не вызывает движения влаги [106].
Основной движущей силой процесса является градиент парциального давления водяного пара. В начале процесса сушки наружные слои материала быстро обсыхают и влажность здесь становится ниже точки насыщения волокна, и, как следствие, давление водяного пара ниже, чем давление внутри древесины, где есть свободная влага. Исследуя процесс сушки древесины с применением тока высокой частоты, H.A. Першанов [77] нашел, что повышение температуры в толще древесины на 1,5 против температуры окружающей ее среды ускоряет сушку в 2,5 раза по сравнению с обычной конвекционной, при которой температура в толще древесины была на 1,5 ниже, чем вне ее. А.И.Фоломин [106], развивая мысль и предполагая, что сушка производилась при температуре окружающего воздуха 80 С, а в толще древесины температура была равна 81,5 С - в первом случае и 78,5 С - во втором, получил отношение разностей парциальных давлений пара внутри и вне древесины в первом и во втором случаях равное 2,34, то есть практически то же самое, которое получил Н. А. Першанов.
Вторым фактором, способным вызывать движение влаги в древесине, является градиент статического давления. В общеизвестном методе пропитки, вода или растворы солей фильтруются по древесине под действием градиента гидростатического давления. Если погрузить в горячую воду кусок дерева с влажностью, значительно превышающей точку насыщения волокон, то уже через короткое время можно обнаружить заметное уменьшение веса образца за счет удаления части свободной воды из полостей клеток [106].
Аналогично этому более значительный нагрев одной части образца по сравнению с другой сопровождается проталкиванием пробок свободной воды в менее нагретую часть образца.
В обоих последних случаях движение влаги возникает под действием избытка или градиента суммарного давления паровоздушной смеси (или чистого пара) в толще образца. Под действием градиента давления газовой фазы в древесине может происходить движение влаги также в парообразном состоянии, но количественно размер этого вида переноса относительно невелик.
Общепризнано, что при влажности в пределах гигроскопичности перенос влаги в нем происходит в соответствии с законами молекулярной диффузии Фика, а движущей силой переноса диффундирующего вещества является градиент его концентрации. Однако неоднократно высказывались сомнения пригодности законов Фика для описания диффузии влаги в древесине и других капиллярно- пористых телах. Прямой движущей силой переноса связанной воды считают градиент расклинивающего давления, обусловленный градиентом толщины пленок адсорбционной воды по длине капилляра. Так как существует градиент толщины пленок воды по длине капилляров, то они должны приобрести коническую форму. Стремление пленочной воды к равновесию ведет к её перемещению вдоль пленок в ту сторону, где их толщина меньше. При этом движется не вся вода, а только слои, наиболее удаленные от стенок капилляра. Коэффициент ащ в уравнении (1.12) — коэффициент влагопроводности, являющийся основным показателем, характеризующим интенсивность потока влаги внутри древесины. Определением этого коэффициента занимались многие исследователи [3, 4, 59, 94, 97]. Наиболее обстоятельное экспериментальное исследование было выполнено П.С. Серговским [94, 97] на древесине сосны, бука и дуба при температурах 20 - 90 С. Было показано, что основное влияние на величину коэффициента влагопроводности оказывают температура древесины, базисная плотность (чем плотнее древесина, тем ниже влагопроводность), направление потока влаги (в радиальном направлении больше, чем в тангенциальном), местоположение в стволе дерева (влагопроводность ядра и спелой древесины ниже, чем заболони). В работе [3] было проведено дальнейшее исследование влагопроводности в области положительных температур. Для производственных расчетов в этой работе построена диаграмма (рис. 1.6.) средних коэффициентов влагопроводности древесины поперек волокон для основных пород.
Тепловой и аэродинамический расчет сушильной камеры
На основании анализа физической картины и формализации рассматриваемого процесса, разработано математическое описание вакуум- осциллирующего способа сушки пиломатериалов, при котором прогрев материала осуществляется с помощью перегретого пара при отсутствии инертного газа в объеме аппарата. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений тепломассопереноса, решение которых позволит провести теоретическое исследование и расчет всех стадий данного способа сушки.
Несмотря на отличие процессов, протекающих на различных стадиях сушки, система уравнений решается в комплексе как единое целое, поскольку распределение температуры и влагосодержания по сечению пиломатериала в конце каждого периода является начальным условием для следующего периода процесса. С этой целью был разработан алгоритм расчета процесса, на основе которого создана моделирующая программа в среде Q-basic. Математическое моделирование позволяет проводить исследование реального процесса сушки пиломатериала с помощью модели, представленной в виде системы уравнений. Целью экспериментальных исследований при этом, является установление адекватности разработанного математического описания изучаемому процессу и уточнение режимных параметров ведения вакуум- осциллирующего способа сушки. Модель, верно отражающая физическую сущность явления, дает возможность с помощью ЭВМ всесторонне проанализировать влияние отдельных параметров на сушку пиломатериалов, а анализ результатов моделирования - определить рациональные пути её интенсификации.
В настоящей главе представлена схема экспериментальной установки, на которой исследовались процессы прогрева и вакуумирования образцов из различных пород древесины. В ходе экспериментов снимались кинетические кривые (изменение давления и температуры среды, температуры и влагосодержания материала). В процессе эксперимента менялись: давление в камере после I периода прогрева (от 20 до 100 кПа); температура среды во II периоде прогрева (от 373 до 403 К); остаточное давление в камере на стадии вакуумирования (от 50 до 2 кПа).
На основании анализа экспериментальных и расчетных данных определены рациональные режимные параметры процесса и данные для разработки аппаратурного оформления. Для изучения процесса вакуум-осциллирующего способа сушки пиломатериалов была создана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 3.1. Установка состоит из вакуумной камеры - 1, на крышке - 2 которой установлен манометр - 3 для контроля абсолютного давления. Внутри камеры - 1 смонтирован электровентилятор - 4.
Камера - 1 помещена в теплоизолированный нагревательный кожух - 5, внутри которого установлена электрическая плитка - 6. Регистрация температуры среды и материала в ходе эксперимента осуществлялась с помощью трех хромель-копелевых термопар - 7, введенных в камеру - 1 через штуцер - 8 и подключенных к электронному потенциометру КСП-4 - 9. Камера - 1 через штуцер с краном - 10 сообщается с парогенератором - 11 и системой вакуумирования, включающей вакуум-насос - 15, конденсатор - 16 и сборник конденсата - 17. Значение давления в парогенераторе - И определяется дифманометром - 12.
Порядок проведения эксперимента состоит в следующем. Первоначально проверяется работа всех отдельных частей сушильной установки. В конденсатор - 16 подается охлаждающий агент при заданном температурном режиме. Исследуемый влажный пиломатериал - 13 с определенным начальным влагосодержанием в целях чистоты эксперимента с торцов закрашивается эмалью и устанавливается на специальный штатив - 14, исключающий контактный подвод тепла. Для регистрации температуры в центре материала в него вводят одну из хромель-копелевых термопар, две другие регистрируют температуру среды и температуру поверхности материала. Значения указанных температур автоматически записываются потенциометром КСП-4 - 9. Затем вакуумную камеру - 1 закрывают крышкой - и при закрытом кране - 20 и открытых - 10 и 21 включают вакуум-насос - 15 с целью удаления из камеры неконденсирующегося газа - воздуха.
После понижения давления до 2 - 5 кПа перекрывают кран - 21 и открывают кран - 20 для впуска из парогенератора - 11 пара в камеру - 1. Подключением к электросети плитки - 6 производят её предварительный прогрев. После повышения давления до заданного значения подача пара в камеру - I прекращается закрытием крана - 10. Далее прогрев материала происходит в условиях перегретого пара, приводимого в движение электровентилятором - 4 и нагреваемого с помощью электроплитки - 6. Прогрев материала продолжается до тех пор, пока температура в центре пиломатериала не достигнет заданного значения. При этом фиксируют время прогрева образца. Полученные таким образом данные используются для анализа кинетики прогрева пиломатериала при вакуум-осциллирующем способе сушки древесины.
После завершения стадии прогрева древесины, что определяется повышением температуры, начинается стадия вакуумирования. Процесс понижения давления производится выключением вентилятора - 4, открытием кранов 10 и 21, подачей хладагента в конденсатор - 16 и включением вакуум- насоса - 15. Скорость понижения давления в камере - 1 регулируется температурой хладагента в конденсаторе - 16 и вентилем - 21. После падения давления до определенного остаточного уровня происходит выдержка пиломатериала в условиях вакуума до момента охлаждения древесины в центре до определенного заданного значения. Таким образом можно получить экспериментальные данные для анализа стадии вакуумирования при вакуум- осциллирующем режиме сушки древесины.
Для получения кинетических кривых сушки после стадий прогрева и вакуумирования образец взвешивается с помощью на лабораторных весах МУ/1200 с точностью измерения 0,1 г. После чего влагосодержание материала определяется методом досушки.
Циклы «прогрев - вакуумирование» проводятся до момента получения конечного влагосодержания икон материала в пределах 8 - 12%.
