Вакуумно-кондуктивная сушка пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ВАКУУМНО-КОНДУКТИВНАЯ СУШКА ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

С ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Мустафин Зуфар Рафисович

Иваново 2008

1. Общая характеристика работы

В настоящее время на предприятиях деревообрабатывающей промышленности одним из основных технологических процессов, оказывающих влияние на качество, себестоимость продукции и продолжительность производственного цикла является сушка древесины, специфические свойства которой (чувствительность к высоким температурам и развитие существенных сушильных напряжений, приводящих к растрескиванию материала) накладывают ограничения по применению высокоинтенсивных способов.

Актуальность темы. Наиболее перспективными в области сушки древесины являются вакуумные методы, поскольку позволяют значительно сократить продолжительность по сравнению с традиционными способами, а значит, и снизить себестоимость процесса. Кроме того, возможность ведения сушки при более низких температурах позволяет исключить потемнение древесины и снижение её механических характеристик.

Однако при сушке в вакууме возникает проблема теплоподвода. Применяемые при этом в других областях промышленности известные методы не всегда позволяют получить требуемое качество, что особенно важно для пиломатериалов из древесины ценных трудносохнущих лиственных пород, или значительно удорожают стоимость сушильного процесса. При этом наиболее эффективным и простым способом подвода тепловой энергии в вакууме является контактный метод. Однако используемая в настоящее время техника и технология вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов приводит к неравномерному и несимметричному распределению влагосодержания по толщине пиломатериала: 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. Такое распределение влагосодержания в процессе сушки ценных твердолиственных пород древесины зачастую приводит к развитию высоких внутренних напряжений и возникновению трещин. Кроме того, до сих пор отсутствуют технологические регламенты вакуумно-кондуктивной сушки применительно к различным породам древесины. В связи с этим следует считать актуальной задачу исследования вакуумной сушки пиломатериалов при кондуктивном подводе тепла.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР АН РФ по направлению «Теоретические основы химической технологии»; координационным планом НИР ВУЗов по процессам и аппаратам химических производств и кибернетике химико-технологических процессов.

Цель работы состоит в разработке методов расчета и создании наиболее рациональных режимов вакуумно-кондуктивной сушки, позволяющих снизить развитие внутренних напряжений в высушиваемой древесине.

В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

§ анализ процессов, протекающих в древесине, при вакуумно-кондуктивной сушке пиломатериалов;

§ разработка математической модели процессов вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов;

§ разработка расчетных методов определения параметров парогазовой фазы на стадии понижения давления среды;

§ разработка алгоритма расчета и моделирование процессов с целью выявления рациональных режимов вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии;

§ разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов, а также для исследования свойств древесины;

§ разработка аппаратурного оформления вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии;

§ промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна. Впервые предложен и исследован метод вакуумно-кондуктивной сушки древесины путем периодического подвода тепла.

Разработана математическая модель процесса вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии, позволяющая проследить за влиянием изменения поля влажности на развитие внутренних напряжений.

Разработана методика управления процессами вакуумной сушки путем определения необходимой объемной производительности системы удаления пара при известной интенсивности испарения влаги из материала.

По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований установлена целесообразность регулирования давления в аппарате в зависимости от температуры материала при снижении влагосодержания ниже предела гигроскопичности.

Выявлены области рационального использования предложенного метода сушки.

Разработаны новые конструктивные рекомендации, направленные на улучшение качества высушиваемого пиломатериала (положительное решение на выдачу патента РФ по заявке № 2007100542/20).

Практическая ценность. Проведенные исследования позволили:

§ выявить кинетические закономерности процессов вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла;

§ разработать рекомендации по вакуумно-кондуктивной сушки пило-материалов с периодическим подводом тепла;

§ усовершенствовать существующие технологии без существенных конструкторских доработок в направлении улучшения качества сушки пиломатериалов.

Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании методики управления процессами вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла, направленного на улучшение качества сушки древесины.

Разработанный технологический регламент и пилотная установка вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов внедрены на деревообрабатывающем предприятии «Рамус».

Разработанные экспериментальные установки, методики исследований и программные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Гидротермическая обработка и консервирование древесины» и «Методы математического моделирования процессов в деревообработке».

Автор защищает решение задачи, состоящей в разработке методов расчета процессов вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла, и в использовании полученных результатов для создания высокоинтенсивных, ресурсосберегающих технологий сушки, направленных на улучшение качества высушиваемой древесины, а именно:

§ математическую модель вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла;

§ результаты математического моделирования и экспериментального исследования процессов вакуумно-кондуктивной сушки древесины;

§ конструктивные особенности установки для вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов в штабелях и результаты её внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на на Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях - 20, - 21» (Ярославль); на Всероссийских конференциях «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Брянск, 2007); «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов» (Казань, 2006); «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2007); на научных сессиях по технологическим процессам Казанского государственного технологического университета (Казань, 2006-07).

Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены лабораторные установки; выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве печатных работ.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых журналах и 2 положительных решения на выдачу патентов РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации составляет 139 страниц машинописного текста, в котором содержаться 39 рисунков и 4 таблицы.

На всех этапах работы в качестве консультанта активное участие принимал д.т.н., профессор Сафин Р.Г.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан анализ современного состояния процесса удаления влаги из пиломатериалов вакуумными способами, исследованы процессы тепломассопереноса в условиях вакуумных аппаратов и по литературным данным проведен анализ древесины как объекта сушки. Установлено, что наиболее простым и экономически эффективным в области вакуумных методов сушки пиломатериалов является вакуумно-кондуктивный способ. Вместе с тем, анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что древесина достаточно хорошо изучена как объект сушки.

Однако в современных сушильных устройствах при контактном методе распределение влагосодержания по толщине пиломатериала 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. Такое распределение влагосодержания в процессе сушки древесины может привести к нежелательным последствиям (развитие объемно-напряженного состояния). Температура в направлении от контактного слоя к открытой поверхности непрерывно убывает. Перемещение влаги к поверхности материала обусловлено градиентами температуры и давления; градиент влагосодержания оказывает тормозящее действие. Поэтому сушка ценных твердолиственных пород древесины в данных типах сушилок в настоящее время является затруднительной задачей. В тоже время литературный анализ показал, что на рынке сушильной техники в последние годы всё большее распространение находит вакуумно-конвективная технология сушки, при которой сушильный процесс складывается из последовательно чередующихся стадий нагрева и вакуумирования, что позволяет высушивать трудносохнущие пиломатериалы без ущерба качеству.

Вследствие чего была поставлена задача разработать физическую и математическую модель процесса сушки древесины вакуумно-кондуктивным способом с периодическим подводом тепловой энергии к материалу с целью устранения неравномерности и несимметричности распределения влагосодержания по толщине пиломатериала в процессе сушки.

Во второй главе приводятся физическая картина и результаты теоретических исследований предложенного способа сушки древесины.

При формировании штабеля пиломатериалы укладываются между двумя нагревательными элементами, таким образом, чтобы подвод тепловой энергии осуществлялся одновременно к обоим пластам пиломатериала, обеспечивая симметричное распределение температуры и влажности древесины. При этом в качестве нагревательных элементов используются плиты специальной конструкции, представляющие собой две перфорированные металлические пластины с установленными между ними змеевиковыми нагревателями. В качестве змеевикового нагревателя используются электронагревательные элементы, обеспечивающие минимальную инерционность процесса.

Рис 1. Схема ведения вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии.

Схема ведения исследуемого процесса представлена на рис. 1. Процесс сушки начинается с прогрева высушиваемой древесины путем включения в работу нагревательных элементов. Процесс осуществляется при атмосферном давлении среды с целью минимизации удаления влаги с поверхностных слоев материала. После прогрева пиломатериала включением вакуумного насоса и конденсатора начинается стадия вакуумирования, в процессе которой происходит интенсивное удаление влаги из древесины. Стадию вакуумирования также можно подразделить на два периода: период понижения давления и период выдержки нагретого материала при минимальном остаточном давлении.

Согласно блочному принципу построения математической модели процесса, совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ сушки, рассматривается решая внешнюю - тепломассоперенос в парогазовой фазе, и внутреннюю задачи - тепломассоперенос внутри материала.

Для решения задачи тепломассопереноса внутри плоского материала использованы дифференциальные уравнения Лыкова, которые применительно к одномерной симметричной пластине записаны в виде выражений

, (1)

. (2)

Поле общего давления внутри материала зависит от свойств капиллярнопористого коллоидного тела. В частности, для пиломатериалов из древесины может быть использовано уравнение, полученное Г.С. Шубиным

. (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

.

В процессе прогрева древесины при атмосферном давлении среды внутри пластины отсутствуют фазовые превращения (критерий парообразования в уравнении (2) равен нулю) и, как следствие, молярный перенос внутри древесины отсутствует. Тогда, система дифференциальных уравнений (1) - (3) сводится к следующим уравнениям

, (4)

. (5)

Начальные условия для решения представленных дифференциальных уравнений, характеризующие начало всего сушильного процесса

U ( 0; x ) = U₀ , (6)

T_м ( 0; x ) = T_м.0 . (7)

р_м ( 0; x ) = р_атм . (8)

Начальные условия для каждой последующей стадии процесса будут представлять собой поля температур, влажности и давления по сечению материала после предыдущей стадии

Граничные условия для решения дифференциальных уравнений выбираются исходя из условий внешней задачи.

В процессе контактного прогрева древесины температуру поверхности материала в первом приближении можно принять равной температуре нагревательных элементов, а процесс массообмена характеризуется разностью парциальных давлений паров удаляемой влаги в среде и над поверхностью влажного материала. Тогда граничные условия для решения дифференциальных уравнений (4) и (5) могут быть записаны в следующем виде

. (9)

T_м ( ; 0 ) = T_нагр , (10)

Тепломассоперенос в пиломатериале в процессе понижения давления описывается дифференциальными уравнениями (1) - (3) при граничных условиях в виде выражений

,(11)

,(12)

.(13)

Для расчета влажностных напряжений, возникающих в плоском пиломатериале в процессе сушки, предложена формула

.(14)

Математическое описание процесса переноса тепла и массы для парогазовой фазы в условиях непрерывного понижения давления, а также при отсутствии полей скорости, температуры, плотности пара и инертного газа во внешней среде основано на уравнениях материального и теплового балансов. Для нестационарных условий протекания процесса разница между притоком и отводом составит накопление массы и энергии в свободном объеме аппарата

, (15)

, (16)

(17)

Левая часть уравнения (15) характеризует изменение массы пара в парогазовой фазе в единице свободного объема аппарата; первое слагаемое правой части - подвод массы пара в парогазовую фазу, а второе слагаемое - его отвода в вакуумную линию. Соотношение (16) отличается от (15) отсутствием слагаемого, характеризующего подвод массы воздуха в единицу свободного объема вследствие герметичности аппарата. В уравнении переноса энергии (17) левая часть представляет собой изменение теплосодержания парогазовой фазы; первый член правой части уравнения характеризует отвод тепла за счет теплообмена с поверхностью влажного материала; второй член - отвод тепла с удаляемой в вакуумную линию парогазовой смесью; третий - приток тепла с парами влаги, удаляемыми из материала.

После некоторых преобразований выражений (15), (16) и (17) получены уравнения, определяющие скорости изменения парциальных давлений пара и газа и температуры среды

, (18)

, (19)

. (20)

В случае ведения процесса прогрева материала в парах испаряемой влаги общее давление и температура в камере описываются дифференциальными уравнениями, записанными в виде

,(21)

.(22)

Для возможности управления процессами вакуумной сушки определена объемная производительность системы удаления пара при заданной интенсивности испарения жидкости с тепломассообменной поверхности

. (23)

В процессе удаления связанной влаги в режиме идеального смешения в паровой фазе, когда парциальное давление в свободном объеме аппарата зависит от температуры и влагосодержания поверхности материала, требуемая объемная производительность системы удаления пара определяется из выражения

(24)

Для расчета представленной математической модели процессов вакуумно-кондуктивной сушки применительно к пиломатериалам из древесины разработан алгоритма расчета. Алгоритм расчета состоит из двух блоков, связанных между собой операторами управления: I - блока расчета процесса кондуктивного нагрева древесины; II - блок расчета тепломассопереноса в среде и внутри влажного пиломатериала при понижении давления. Каждая из частей алгоритма содержит цикл расчета полей температуры и влагосодержания материала для каждого момента времени в зависимости от выбранного шага. Расчет начинается с активации банка данных, содержащего массивы и функции теплофизических характеристик материала и среды, и ввода исходных данных, представляющих собой начальные условия процесса, параметры технологического оборудования и другие сведения, необходимые для расчета на ЭВМ.

В третьей главе представлено описание экспериментальных установок и методик проведения исследований, а также изложены результаты математического и физического моделирования процессов вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла на примере пиломатериалов из древесины, приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических зависимостей, установлена адекватность разработанной модели реальному процессу.

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экспериментальных исследований кинетики сушки были выбраны три породы древесины с учетом различных групп плотности, наибольшей распространенности в районе средней полосы России и наличия в справочной литературе наиболее полных сведений о теплофизических и физико-механических свойствах: сосна, береза и дуб.

Для проведения экспериментальных исследований по вакуумно-кондуктивной сушке с периодическим подводом тепловой энергии к пиломатериалу была разработана пресс-вакуумная установка, которая состоит из прямоугольной герметичной камеры с крышкой, выполненной из вакуумной резины, закрепленной с провисом на прямоугольном фланце, что позволяет обеспечивать подпрессовку штабеля пиломатериалов в процессе сушки. Камера сообщается с линией вакуумирования, состоящей из кожухо-трубчатого конденсатора и вакуумного насоса. Для подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу используются нагревательные плиты, выполненные из перфорированных металлических листов с навитыми на них нагревательными кабелями.

При проведении экспериментальных исследований, в результате которых требовалось определение послойной влажности древесины или определение текущего влагосодержания материала в процессах, протекающих при отсутствии инертного газа или в разряженной среде, когда отбор проб обрабатываемого материала или использование промышленных влагомеров не представлялось возможным, влагосодержание определялось сушильно-весовым способом. В связи с этим, с целью получения оперативной информации о процессе удаления жидкости, была создана вакуумная установка досушки древесного материала, основанная на также контактном методе подвода тепла. Сущность предложенного способа интенсификации заключается в увеличении поверхности контакта между исследуемым материалом и обогреваемой плитой, а также в уменьшении порозности дисперсного материала, возникающего при определении послойной влажности древесного образца.

Анализ литературы, проведенный в первой главе диссертации показал, что коэффициент молярного переноса влаги, необходимый при расчете поля давления в материале, до сих пор остается недостаточно изученным. В связи с чем, была разработана установка и проведены исследования по определению указанного коэффициента. Для удобства использования результатов исследований получено уравнение, аппроксимирующее экспериментальные данные по коэффициенту молярного переноса заболони сосны при радиальном токе влаги в зависимости от температуры и влагосодержания древесины

.

При разработке режимных параметров процесса сушки древесины одним из основных факторов, ограничивающих ускорение удаления влаги является развитие внутренних сушильных напряжений. Поэтому наличие информации о состоянии пиломатериала во время сушки позволит форсировать процесс за счет перехода на более жесткую ступень режима. В качестве прямого метода оценки внутренних напряжений по величине возникающих деформаций Б.Н. Уголевым рассмотрена возможность контроля за развитием дифференциальной усадки, возникающей вследствие различной усушки доски на разном расстоянии от её поверхности. Вследствие этого, для измерений дифференциальной усадки было разработано экспериментальное устройство, которое состоит из индикаторного приспособления часового типа и рамы.

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной, многие из технических решений, положенных в основу конструкций лабораторных установок, послужили основой для разработки аппаратурного оформления реальных технологических процессов.

Адекватность разработанных математических моделей установлена обработкой результатов измерений, полученных при физическом моделировании, и результатов предсказания модели в идентичных условиях методами математической статистики.

В результате экспериментального и математического моделирования были получены рекомендации по режимным параметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям вакуумно-кондуктивных аппаратов сушки.

Моделирование стадии прогрева пиломатериала показало, что интенсификация данной стадии может осуществляться за счет повышения температуры нагревательной плиты до 120 С без снижения прочностных характеристик древесины.

Моделирование стадии вакуумирования показало, что величина влагосъема в первом периоде сушки зависит от остаточного давления в камере (см. рис. 2), в то время как во втором периоде скорость удаления влаги определяется процессами внутреннего тепломассопереноса. Поэтому, с целью предотвращения разрушения материала или его деформации, скорость понижения давления над поверхностью материала должна быть соразмерна со скоростью релаксации давления в зоне испарения.

вакуумный сушка древесина парогазовый



Проведенные экспериментальные исследования по вакуумно-кондуктивной сушке на установке указали на необходимость регулирования глубины вакуума при влажности материала ниже предела гигроскопичности (30%). Это объясняется невозможностью кипения связанной влаги и, как следствие, отсутствием процесса молярного переноса влаги. Поэтому существенное понижение давления на этой стадии приводит к интенсивному испарению влаги с поверхностных слоев, что при сушке толстых пиломатериалов вызывает большой перепад влажности по толщине и, как следствие, развитие внутренних напряжений выше допустимых пределов. В связи с этим были проведены исследования величины остаточного давления в аппарате в зависимости от толщины и текущей температуры пиломатериала (см. рис. 3).

Как видно из графиков, пиломатериалы с большей толщиной больше подвержены развитию внутренних напряжений, и поэтому регулирование давления в аппарате должно производиться в зависимости от текущей температуры материала.

Продолжительность стадии вакуумирования должна лимитироваться определенной величиной градиента температуры по толщине образца, до которой выдерживается материал при пониженном давлении.

В результате математического моделирования и экспериментальных исследований выявлено снижение перепада влажности по толщине и, как следствие, уменьшение дифференциальной усадки при сушке осциллирующими режимами по сравнению с классической вакуумно-кондуктивной сушкой.

Сопоставительный анализ вакуумных технологий показал целесообразность использования того или иного способа вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов в зависимости от базисной плотности высушиваемой древесины и толщины сортимента (см. рис. 4).

Так, для пиломатериалов небольшой толщины классическая вакуумно-кондуктивная сушка является менее продолжительной по сравнению с осциллирующими технологиями при базисной плотности древесины менее 530 кг/м³. При более высоких плотностях высушиваемой древесины более предпочтительной является вакуумно-кондуктивная сушка с периодическим подводом тепла. Для более толстых пиломатериалов подобная переходная точка составляет порядка 450 кг/м³.

С целью дальнейшего прикладного развития вакуумно-кондуктивных технологий и их более широкого использования в деревообрабатывающей промышленности были проведены исследования по термомодификации древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности получения древесины заданного качества и создают почву для дальнейшего развития и более детального исследования подобных процессов.

Таким образом, проведенные исследования позволили получить рекомендации по режимным параметрам вакуумной сушки древесины при конвективных методах подвода тепла в зависимости от начальной и конечной влажности древесины, её породы и размера сортимента.

В четвертой главе представлены описания конструкций аппаратов и технологических регламентов для реализации процессов вакуумно-кондуктивной сушки древесины с периодическим подводом тепла, разработанных в соответствии с рекомендациями по их аппаратурному оформлению, полученными в результате математического и физического моделирования.

На основе данных, полученных теоретическими и расчетно-экспериментальными исследованиями, спроектирована и внедрена в промышленную эксплуатацию пилотная вакуумно-кондуктивная камера для сушки пиломатериалов. В результате проведенных промышленных испытаний были получены значения энергопотребления вакуумной камеры при сушке березовых и дубовых пиломатериалов в зависимости от начальной влажности древесины. Установлено, что среднее энергопотребление за одни сутки работы вакуумной камеры снижается с увеличением базисной плотности высушиваемого пиломатериала, что объясняется увеличением продолжительности стадии выдержки пиломатериалов более плотных пород. Результаты внедрения данной установки на деревообрабатывающем предприятии позволили получить годовой экономический эффект более 680 тыс. руб.

В результате проведенного технико-экономического анализа выявлена актуальность создания новых вакуумных аппаратов с большим объемом разовой загрузки. Вследствие чего разработана вакуумная сушильная камера железобетонной конструкции.

Результаты исследования вакуумно-кондуктивного способа удаления влаги из древесины позволили разработать и провести промышленное внедрение вакуумной камеры для сушки перги - продукта пчелиной переработки, использующегося при производстве лекарственного средства. Особенностью данной камеры является конденсационная установка, позволяющая осуществлять нагрев капиллярнопористых коллоидных материалов за счет тепловой энергии испаренной влаги, что позволяет существенно снизить энергозатраты на процесс сушки материалов и отказаться от использования массивных емкостей для испарительного охлаждения хладагента конденсатора.

В приложении к работе приведены элементы программ расчета исследуемых процессов на ПЭВМ, результаты статистической обработки полученных данных и акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями.

Основные результаты работы

1. Развитие малых и средних предприятий по производству столярно-строительных изделий и мебели, потребляющих пиломатериалы и заготовки из древесины хвойных, лиственных и, особенно, твердых лиственных пород требует высококачественную относительно недорогую сушку древесины за максимально короткие сроки. Наиболее полно данным требованиям отвечает сушка пиломатериалов чередованием стадий нагрева и вакуумирования.

2. Предложена технология вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии, что позволяет повысить качество высушиваемой древесины по сравнению с классическим вакуумно-кондуктивным способом за счет равномерного и симметричного распределения влажности по толщине высушиваемого материала.

3. На основании анализа разработанной физической картины и формализации рассматриваемого процесса, предложено математическое описание вакуумно-кондуктивного способа сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла. Разработан алгоритм расчета процесса, на основе которого создана моделирующая компьютерная программа.

4. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований предложены рекомендации по режимным параметрам процесса сушки пиломатериалов: установлена целесообразность регулирования давления в аппарате при снижении влагосодержания ниже предела гигроскопичности в зависимости от температуры материала, рассмотрена возможность регулирования процесса по дифференциальной усадке высушиваемого пиломатериала.

5. Созданы экспериментальные установки для исследования указанных процессов. Отдельные решения, положенные в основу лабораторных установок, в дальнейшем нашли использование в аппаратурном оформлении процессов сушки. Экспериментальные установки используются в учебном процессе и позволяют оперативно готовить опытные образцы и осуществлять всестороннее изучение процессов сушки древесины.

6. Создана и внедрена в производство пилотная вакуумно-кондуктивная сушильная камера, на базе которой разработана принципиально новая конструкция вакуумных сушилок с большой производительностью. Разработанные конструкции аппаратов приняты к серийному изготовлению предприятием ЗАО «Ферри Ватт», специализирующимся на производстве вакуумного оборудования.

7. Результаты исследования вакуумно-кондуктивного способа удаления влаги из древесины позволили разработать и провести промышленное внедрение вакуумной камеры для сушки перги.

8. Проведенные исследования могут лечь в основу разработки научного направления по термомодифицированию древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов.

Условные обозначения

Р, р - полное и парциальное давление, Па; Т - температура, К; m - масса, кг; V - объем, м³; - плотность, кг/м³; U - влагосодержание материала, кг/кг; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; - критерий парообразования; а_ф, n - коэффициенты в уравнении изотермы Фрейндлиха; - коэффициент теплопроводности, Дж/(мсК); а_т - коэффициент температуропровод-ности, м²/с; а_m - коэффициент массопроводности, м²/с; - относительный термоградиентный коэффициент, 1/К; - коэффициент массоотдачи, м/с; k_p - коэффициент молярного переноса, с; F - площадь поверхности, м²; Q - объемная производительность, м³/с; V_св - объем аппарата незанятый материалом, м³; Индексы: 0 - начальный; п - пар; м - материал; пов - поверхность; д.в. - древесинное вещество; б - базисная; п.г - предел гигроскопичности; с.п - система удаления пара; с.г - система удаления газа.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Сафин, Р.Р. Совершенствование режимов сушки пиломатериалов в вакуумно-кондуктивных камерах / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин, А.Н. Чернышев // «Деревообрабатывающая промышленность», 2007 г. - № 2. С. 6-7.

2. Мустафин, З.Р. Контроль за развитием внутренних напряжений в процессах сушки древесины / З.Р. Мустафин, Р.Р. Сафин // Материалы научно-практической конференции «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов», Казань, 2006 г., С. 307-309.

3. Мустафин, З.Р. Исследование процессов вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов / З.Р. Мустафин, Р.Г. Сафин // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2007г., С.304.

4. Сафин, Р.Г. Исследование процессов термомодефицирования древесины в среде насыщенного пара / Р.Г. Сафин, З.Р. Мустафин, Л.Р. Юнусов, Р.Р. Гильмиев // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2007г., С.305.

5. Мустафин, З.Р. Анализ эффективности использования вакуумных камер для сушки древесины / З.Р. Мустафин, Р.Г. Сафин // Третья Российская научно-техническая конференция «Вакуумная техника и технология», Казань, 2007, С. 140-142.

6. Сафин, Р.Р. Экспериментальное исследование процесса вакуумной сушки деревянных шпал в гидрофобных жидкостях / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин // Лесной вестник. - 2007 г. - № 1 (50). - С. 81-83.

7. Сафин, Р.Р. Усовершенствование технологии вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин, Л.Р. Юнусов, Д.А. Ахметова // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса», Выпуск 18. Брянск, 2007. С. 141-142.

8. Сафин, Р.Р. Вакуумно-кондуктивная сушка пиломатериалов с «импульсным» подводом тепла / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин, Л.Р. Юнусов, Д.А. Ахметова // Тезисы докладов XX Международной научной конференции «ММТТ-20», Ярославль, 2007г., с.190-192.

9. Мустафин, З.Р. Осциллирующая технология вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов / З.Р. Мустафин, Р.Р. Сафин, Д.А. Ахметова // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2008 г., С.312.

10. Сафин, Р.Р. Установка для исследования материальных и тепловых потоков в конвективных сушильных камерах / Р.Р. Сафин, Л.Р. Юнусов, З.Р. Мустафин // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2008 г., С.314.

11. Сафин, Р.Р. Математическая модель тепломассообмена в условиях вакуумных камер / Р.Р. Сафин, Л.Р. Юнусов, З.Р. Мустафин, А.И. Ахметзянов // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», Вологда, 2008. С. 82-85.

12. Сафин, Р.Р. Математическая модель тепломассообмена в условиях вакуумных камер / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин, А.Н. Чернышев // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», Вологда, 2008. С. 69-71.

13. Положительное решение на выдачу патента РФ по заявке № 2007111612/20 «Установка для сушки древесины» / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, З.Р. Мустафин, Р.Р. Хасаншин и др.

14. Положительное решение на выдачу патента РФ по заявке № 2007100542/20 «Сушильная камера» / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, З.Р. Мустафин и др.

Размещено на Allbest.ru

...