Розробка установки для сушіння деревини

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальністю дипломного проекту обумовлена необхідність розробки системи керування процесом сушіння деревини.

Будівництво з дерева, його переробка, а також художня обробка деревини у всі часи були добре розвинені в Україні. Дослідження кон'юнктури світових ринків впродовж останніх років виявляють стійке зростання попиту на деревину.

Класична технологічна лінія по деревообробці обов'язково має ділянку сушіння деревини. Ця ділянка є найскладнішою у всьому технологічному ланцюзі - від дерева, що росте в лісі, до готового виробу. Навіть дрова, перш ніж спалити, потрібно висушити. Складність полягає, перш за все, в управлінні процесом сушіння. Якщо процеси, що відбуваються в деревині під час сушіння, вивчені достатньо добре, то проблема управління ними залишається актуальною і сьогодні. Із-за неякісної сушки початкової сировини неможливо добитися високої якості, довговічності і надійності готових виробів.

Останнім часом відбулися значні зміни в організації, техніці і технології сушки деревини. Якщо раніше основний об'єм сушки деревини доводився на крупні деревообробні і лісопильні підприємства, де споруджувалися великі сушильні цехи, то зараз основна маса деревини переробляється на малих підприємствах, потреба яких може бути забезпечена одною-двома камерами невеликої завантажувальної місткості. Багато малих фірм намагаються реконструювати застарілі камери або навіть створюють саморобні прості сушильні пристрої, які не можуть забезпечити якісної сушки матеріалу. Разом з тим, ринок пред'являє все більш жорсткі вимоги до якості виробів з деревини.

В даний час результати вивчення ринку сушильних камер показують, що, серед пропонованих камер, 90-95% - класичного типу: конвективні з різними системами припливно-витяжної вентиляції і видами теплоносія. Їх переваги: малі капітальні витрати, простота процесу, зручності технічного обслуговування.

Основними елементами таких сушильних камер є циркуляційне устаткування (вентилятори), система нагріву (калорифери), система управління (регулятори, контролери).

Сушка деревини - тривалий і енергоємний процес. Теплова енергія для сушарок виробляється в котельнях. Тепловим носієм тут є пара або гаряча вода. Для вироблення теплової енергії в основному використовують установки для спалювання деревних відходів (тирса, тріски, кора, стружки).

Низька якість сушки деревини, обумовлена незадовільним технічним станом сушарок і слабкою технологічною підготовкою обслуговуючого персоналу, що призводить до прихованого браку - нерівномірному розподілу кінцевої вологості, який довгий час може залишатися непоміченим і позначитися тоді, коли виріб вже знаходиться в експлуатації.

Сучасні лісосушильні камери як вітчизняного, так і закордонного виробництва дозволяють досягти високої якості сушки деревини. Вони оснащені системою автоматичного управління процесом і є складним комплексом устаткування, що вимагає кваліфікованого обслуговування, і є дорогими для придбання і в обслуговуванні.

Єдиними серйозними недоліками вже існуючих систем автоматизації процесу сушіння деревини є їх велика вартість, і складність, як у виробництві, так і в користуванні.

1. Проблеми сушіння подрібненої деревини та завдання магістерської роботи

Сушіння деревини - процес видалення вологи з деревини шляхом випаровування. Сушка оберігає деревину від поразки різними грибками в період її зберігання і транспортування, попереджає зміну розмірів і форми деревини в процесі виготовлення і експлуатації виробів з неї. Суха деревина на відміну від сирої легко склеюється і обробляється.

Фізична суть процесу сушки полягає в тому, що нагріте повітря прямує до сирого матеріалу, при зіткненні з яким він віддає своє тепло, а сам охолоджується. Волога в деревині за рахунок сприйняття тепла переходить в пароподібний стан.

Мета сушки: перетворення деревини з природної сировини в промисловий матеріал з конкретними покращеними біологічними і фізико-механічними властивостями.

1.1 Фізико-механічні та теплофізичні властивості подрібненої деревини

- Насипна щільність подрібненої деревини (Відношення маси подрібненої деревини до її об'єму);

- Коефіцієнт повнодеревності (Відношення об'єму деревини до об'єму отриманої з неї подрібненої деревини);

- Ущільнення подрібненої деревини (Зменшення первинного об'єму за рахунок механічних впливів);

- Ступінь ущільнення подрібненої деревини (Відношення різниці насипного і ущільненого об'ємів до ущільненого);

- Коефіцієнт ущільнення подрібненої деревини (Відношення насипного об'єму до ущільненого);

- Змерзання подрібненої деревини (Властивість вологих часток утворювати крупні шматки під впливом негативної температури повітря);

- Сипучість подрібненої деревини (Властивість часток подрібненої деревини довільно розсипатися під впливом сил тяжіння);

- Злежування подрібненої деревини (Властивість часток подрібненої деревини втрачати сипучість під впливом вологи, форми часток, маси і тривалості зберігання);

- Утворення склепіння подрібненої деревини (Властивість подрібненої деревини утворювати склепіння при зберіганні);

- Вологість подрібненої деревини (Масова доля води в подрібненій деревині);

- Самозагоряння подрібненої деревини (Властивість подрібненої деревини при визначенні умов самозагоряння).

Встановлено, що фізико-механічні характеристики деревних частинок залежать від багатьох факторів: породи деревини, способу її обробки, моделі верстату, ріжучого інструменту. До основних фізико-механічних характеристик подрібнених деревних відходів належать: розміри частинок та їх форма, ступінь полідисперсності, питома поверхня, кут природного відхилення, швидкість витання. До теплофізичних властивостей подрібненої деревини належить: температура матеріалу; теплопровідність; термічне розширення; термостійкість.

Для виготовлення ДСП використовують деревні частинки різних видів, розміри яких показано в табл. 1.1.

Табл. 1.1. Характеристика деревних частинок для виготовлення ДСП

№ з/п	Види частинок	Розміри, мм
		товщина	ширина	довжина
Спеціально виготовлені деревинні частинки
1	Стружка плоска	0,15-0,45	до 12	до 40
2	Стружка голчаста	0,15-0,45	до 5	до 40
3	Дрібна стружка	0,10-0,25	до 2	до 5
4	Волокно деревинне технологічне	0,01-0,30	до 1	до 40
5	Частинки волокнисті	0,01-0,25	до 0,25	до 6
Деревинні частинки - відходи деревообробних виробництв
6	Стружка верстатна	0,10-1,45	до 35	до 12
7	Тирса	0,10-2,05	до 2,3	до 5
8	Порох деревинний технологічний	0,01-0,50	до 1	до 1
9	Порох шліфувальний	0,01-0,10	до 1	до 1

За фракційним складом деревинні частинки залежно від розмірів поділяються на такі чотири фракції:

· порохова фракція: товщина частинок 0,01…0,10 мм, ширина - 0,01…0,50 мм, довжина - 0,10…1,0 мм (для формування поверхні шарів плит П-1);

· дрібна фракція: товщина частинок 0,10…0,15 мм, ширина - 0,3…3 мм, довжина - 1…10 мм (для формування зовнішніх шарів з пневматичним або механічним фракціонуванням);

· середня фракція: товщина частинок 0,15…0,25 мм, ширина - 1…3 мм, довжина - 10…20 мм (для формування зовнішніх шарів плит П-2 і П-3);

· велика фракція: товщина частинок більше як 0,25 мм, ширина більше як 3 мм, довжина більше як 20 мм;

Фракційний склад (%) залежить від шару плит:

а) для зовнішніх шарів: 3/2; 2/0,25; 0,25/0;

б) для внутрішнього шару: -/7; 7/0,50; 0,50/0.

Важливою характеристикою деревних частинок є насипна маса, яка залежить від розмірів деревинних частинок (фракційного складу), вологості і породи деревини, із яких вони виготовлені (табл. 1.2.).

Необхідно відзначити, що найбільш поширеними під час сушіння подрібненої деревини є газові і менш поширеними - повітряні сушарки. Невеликі за розмірами, з розвинутою поверхнею частинок подрібненої деревини і малою масою їх при низькій вологості, а також при значному співвідношенні ширини до товщини - все це надає їм значну рухомість, а під дією теплового газового потоку - легкість або парусність. При цьому швидкість польоту подрібненої деревини у самій сушарці значно впливає на сам процес сушіння.

Швидкість кружляння деревинних частинок визначається за формулою Раквіца-Святкова, тобто:

,

де: - густина деревини, кг/м2; - густина повітря, кг/м2; - товщина частинки, мм; - коефіцієнт форми частинок: для частинок з квадратним або заокругленим поперечним перерізом = 1,1; для частинок із прямокутним поперечним перерізом = 0,90.

Табл. 1.2. Залежність насипної маси від виду деревинних частинок

№ з/п	Види деревинних частинок	Насипна маса деревинних частинок, кг/м3
1.	Технологічна тріска хвойних порід при вологості:
	W = 70%	260
	W = 90…100%	300
	W = 120%	360
2.	Різана стружка від перероблення деревини на верстатах із ножовим валом (ДС-6, "Хомбак")
	- сира (W = 80%)	150…200
	- суха (W = 3…4%)	80…120
3.	Різана стружка від перероблення деревини на відцентрованих стружкових верстатах (ДС-5, ДС-7, "Пальман")
	- сира (W = 80%)	110…150
	- суха (W = 3…4%)	80…120
4.	Дрібні деревинні частинки від перероблення деревини на млинах (сухі) W=3…4%	80…120
5.	Дрібні деревинні частинки - мікро-стружка (сухі) W=3…4%	120…180
6.	Технологічний порох від спеціально різаної стружки (сухий) W=3…4%	140…150
7.	Шліфувальний порох (сухий) W=3…4%	150…180
8.	Тирса від перероблення деревини на лісопильних рамах:
	- сира (W = 80%)	150…200
	- суха (W = 3…4%)	100…120
.	Волоконні частинки від спеціальної різаної стружки (сухі)	80…130
10.	Деревинне волокно (сухе)	15…40

Для приблизних розрахунків можна використати формулу Г. Раквіца для товщин частинок h>0,35мм, тобто:

,

де: - густина деревини, кг/м2; - товщина частинки, мм.

На основі експериментальних досліджень, приведених ВНДІДмашем були отримані оптимальні швидкості плоскої стружки при вологості її W =14 %, які вказані в табл. 1.3.

Для оцінки відносної величини проміжків між частинами подрібненої деревини введено параметр, який визначає відношення сумарного об'єму шару частинок, тобто:

Цей параметр залежить від вологості і висоти шару подрібненої деревини. Наприклад, при вологості W = 5% для шару тріски X = 0,55, для шару тирси X =0,80, для шару стружки зовнішнього шару плит X =0,96.

Табл. 1.3. Оптимальні швидкості «кружляння» плоскої стружки

Товщина частинок D, мм	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35
Швидкість "кружляння", м/с	1,37	1,5	1,63	1,71	1,8	1,87

Оскільки, розміри деревинних частинок за формою відрізняються від форми сфери (шару), то для розрахунків теплообмінних пристроїв введемо поняття так званого еквівалентного діаметра, тобто розмір частинки, який є еквівалентним діаметра відповідного шару. Величину еквівалентного діаметра частинки визначають за допомогою ситового аналізу за формулою:

де: - середній діаметр отвору сит, мм; - кількість вихідних фракцій у шарі з розсіювання; - масова частка фракцій.

Середній діаметр отвору сит визначається за формулою:

де: - відповідно діаметри отворів прохідного і непрохідного сит, мм.

При відомих розмірах частинок еквівалентний діаметр деревинних частинок визначається за такою формулою:

де: - коефіцієнт або чинник форми; - діаметр шару, об'єм якого еквівалентний об'єму цієї частини, мм.

Якщо об'єм цієї частинки дорівнює Vr , то при Vш =Vr діаметр шару буде дорівнювати:

де: S1, S2, S3 - відповідно товщина, ширина, довжина частинки, мм.

Для шароподібних частинок коефіцієнт ц = 1, для кутових ц = 0,66, для продовгуватих ц = 0,58, для пластинчастих ц = 0,43. Деревинна сировина, яку переробляють на стружку, має високу вологість (60…120%) залежно від виду, способів постачання, тривалості і умов зберігання на складі і т. д.

Вологість деревини визначають за відношенням до маси абсолютно сухої деревини, тобто:

де: m - початкова маса вологої подрібненої деревини, г; mсух. - маса подрібненої деревини (стружки) в абсолютно сухому стані, г.

Табл. 1.4. Кінцева вологість подрібненої деревини

№ з/п	Призначення	Вид сортименту подрібненої деревини	Вологість, %
1	Упакування скляного або легкого пресованого товару	Пакувальна стружка	7…18
2	Для зовнішнього шару ДСП	Плоска стружка	4…6
3	Для внутрішнього шару ДСП	Плоска стружка	2…4
4	Пресовані вироби	Тирса	5…6
5	Брикети	Стружка (відходи і тирса)	10…12
6	ДВП (сухий спосіб виготовлення)	Деревоволокниста маса
	1 ступінь		20…25
	2 ступінь		10
7	Фенопласти	Деревинна мука	3…5

Необхідно зазначити, що кінцева вологість подрібненої деревини залежить від її сортименту і кінцевого призначення (табл. 1.4.). Іноді вологість деревини визначають за відношенням до початкової маси.



1.2 Способи сушіння подрібненої деревини

Класифікація способів сушіння базується на особливостях передачі тепла до висушуваного матеріалу. За цією ознакою розрізняють чотири способи сушіння: конвективний, кондуктивний (контактний), радіаційний, електричний. Кожний із цих способів можна розділити на види і підвиди. Найбільше видів та підвидів має конвективний спосіб сушіння. Можлива комбінація різних видів, підвидів та способів сушіння, якщо використовуються одночасно різні види передачі тепла або суміщаються інші ознаки способів сушіння.

Конвективний спосіб сушіння. Конвективний спосіб сушіння розділяють на два основні види: конвективно-атмосферний та конвективно-тепловий. Різні комбінації цих видів можуть інтенсифікувати процес або його штучно сповільнити, досягти високої якості матеріалу і забезпечити збереження його природних властивостей, зменшити витрати енергії на процес. Атмосферно-конвективне сушіння проводиться на відкритих складах або у закритих приміщеннях з використанням теплоти атмосферного повітря.

Конвективно-теплове сушіння можна розділити на такі підвиди:

- пароповітряне, при якому тепло передається до матеріалу конвективним способом від нагрітого вологого повітря (пароповітряна суміш);

- газове, з використанням агента обробки - топкових газів;

- парове, з використанням агента обробки - перегрітої пари або пари органічних речовин;

- рідинне, з використанням агента обробки - розчинів гідрофільних рідин або розплавів гідрофобних рідин;

- ротаційне, при якому додатково використовується відцентровий ефект при обертанні матеріалу;

- вакуумне, при застосуванні різних способів нагрівання матеріалу;

- адсорбційне, при використанні для висушування агента обробки різних адсорбентів (солей, спиртів…);

- конденсаційне, при якому використовуються різного типу кондиціонери, які висушують агент обробки.

Кондуктивний (контактний) спосіб сушіння. Кондуктивний (контактний) спосіб сушіння відбувається пароповітряному (газовому) середовищі з передачею теплоти до висушуваного матеріалу при його контакті з нагрітими поверхнями.

Радіаційний спосіб сушіння. Радіаційний спосіб сушіння відбувається в пароповітряному (газовому) середовищі при передачі тепла до висушуваного матеріалу тепловим випромінюванням нагрітих поверхонь.

Електричний спосіб сушіння. Електричний спосіб сушіння можна розділити на два основних підвиди: індукційний та діелектричний. Індукційне сушіння відбувається в пароповітряному середовищі, матеріал розміщено в електромагнітному полі промислової частоти, а передача теплоти до матеріалу здійснюється від феромагнітних прокладок, які нагріваються індукційними струмами. Діелектричне сушіння відбувається в пароповітряному середовищі, матеріал розміщено в електромагнітному полі струмів високої та надвисокої частоти, де тепло акумулюється в матеріалі за рахунок діелектричних втрат.

Специфічні властивості подрібненої деревини (малі розміри частинок, мала насипна маса, рухомість, парусність та інше) дають змогу застосовувати досить різноманітні техніки сушіння: сушіння в щільному, кип'ячому, розрихленому шарі, контактне сушіння. У вітчизняній та зарубіжній практиці відомо досить багато конструкцій сушильних апаратів для сушіння подрібненої деревини.

При контактному сушінні подрібнена деревина безпосередньо торкається з поверхнею нагрівання (шнекові, трубчасті, тарілчасті сушильні апарати). При цьому в таких контактно-сушильних апаратах (наприклад із внутрішнім ротором - калорифером або шнеком) кондуктивним шляхом передається близько 70% тепла, а решта - терморадіаційним і конвективним шляхом. У стрічкових сушарках агент сушіння проникає вертикально у насипний шар подрібненої деревини без переміщення частинок одних відносно інших. У шнекових контактних, роторних, тарілчастих сушильних установках подрібнена деревина, переміщуючись в шарі, одночасно висушується у ході свого переміщення (переміщування подрібненого матеріалу здійснюється за допомогою ротора із лопатками).

У барабанних, як і у каскадних, тарілчастих агрегатах агент сушіння проникає через частинки подрібненої деревини, які падають у поперечному напрямку до потоку агента сушіння, утворюючи при цьому завіси.

Пневмосушіння буває двох видів: прямотечій не і аерофонтанне. При першому виді (сушіння проходить у трубах-сушарках) подрібнена деревина у процесі сушіння рухається постійно в одному напрямку з агентом сушіння. При аерофонтанному сушінні частинки подрібненої деревини під час руху з потоком сушильного агента затримуються у сушильному просторі, переміщуючись при цьому вгору-вниз доки, поки втрати маси у процесі сушіння не дадуть змогу їм покинути сушильний апарат із потоком відпрацьованого агента сушіння. Найчастіше аерофонтанне сушіння здійснюється у конусоподібних сушильних апаратах із вузьким кінцем внизу, куди і надходить аеросуміш сушильного агента і подрібненої деревини.

Сушіння у кип'ячому шарі полягає в тому, що через шар частинок подрібненої деревини пропускають знизу потік сушильного агента. При швидкості цього потоку сила тертя газу об поверхню частинок врівноважує їх масу; при цьому частинки переходять в легко рухомий стан (висять) і віддаль між ними збільшується. У такому стані шар має властивості тікання. У середині шару подрібненої деревини проходять струмки газу (сушильного агента), а частинки подрібненої деревини здійснюють складні вихрові рухи, які надають зовнішності подібність з кип'ячою рідиною.

Незважаючи на велику кількість сушильних апаратів, найбільше застосовуються конвективні стрічкові сушарки із механічним переміщенням подрібненої деревини, барабанні конвективні сушарки із пневмомеханічним переміщенням об'єкта сушіння і пневматичні сушарки із пневматичним переміщенням подрібненої деревини.

1.3 Завдання магістерської роботи

Сушіння подрібнених частинок являє собою комплексний процес, в якому технологічні і теплофізичні параметри взаємопов'язані. Визначення числових значень та характеру зміни цих параметрів є важливим питанням на стадії проектування і розробки конструкції сушарок. У зв'язку з цим було поставлено завдання магістерської роботи: дослідити процес зневоднення подрібнених частинок деревини у вертикально-протитечійних сушарках та визначити вологість частинок деревини на виході, розподіл температур теплоносія по висоті сушильного апарату, тривалість сушіння, тощо.

Експериментальний шлях має певні труднощі обумовлені складністю стабілізації окремих параметрів експерименту. Тому найбільш раціональним є аналітичний шлях за допомогою математичних моделей на ПЕОМ.

2. Установки для сушіння подрібненої деревини

На підприємствах лісової та деревообробної промисловості для сушіння подрібненої деревини використовують в основному сушарки з конвективним підведенням тепла. Найбільшого поширення набули барабанні сушарки типу «Прогрес». До їхніх недоліків слід віднести: виніс деревних частинок в процесі сушіння, значна нерівномірність кінцевої вологи висушуваного матеріалу, громісткість і енергоємність конструкції сушарки.

Останнім часом у вітчизняній промисловості налагоджено випуск класу установок типу «труба-сушарка», де обезволоження подрібненої деревини відбувається у підвішеному стані. Основними недоліками даних типів сушарок є низька урегульованість процесу сушіння, велика енергоємність і металоємність.

Для видалення вільної вологи використовуються сушарки з конусними стволами, основною конструктивною особливістю яких є наявність дифузора, який має форму пологого зрізаного вертикально-направленого конуса, що створює фонтануючий потік, завдяки якому висушуваний матеріал знаходиться в кип'ячому стані. Такі сушарки достатньо прості в експлуатації і економічні, але отримання кінцевої вологості забезпечується тільки в умовах невисокої початкової вологи (40 - 50%). При великій початковій волозі потрібна значна довжина горизонтальної дільниці газоходу порядку 70...100 м.

Одним із різновидів пневматичних сушарок є установки з сітчастим піддоном, призначені для сушіння незначної маси подрібненої деревини (порядку 300-600 кг/ч). Однак, при сушінні великих мас різко зростає площа підтримуючої решітки, у зв'язку з чим не вдається усунути відповідного виносу частинок із сушарки, що робить їх малоефективними.

За кордоном в основному використовують газові сушарки типу «Бютнер» із сопловим дуттям. Вони достатньо економічні, їх продуктивність досягає 6-7 т сухої стружки за годину. Економічність процесу сушіння в сушильному барабані «Бютнер» досягається за рахунок роботи з рециркуляцією відпрацьованого агента. Однак, це і одночасно підвищує пожежонебезпечність агрегатів, оскільки, з рецеркулюючими газами в топку барабана попадають легкозаймисті частинки деревного пилу, що висуває підвищені вимоги до контролю режимів сушіння.

Найбільш поширеними агрегатами для сушіння подрібненої деревини в деревообробній галузі є такі типи сушарок:

- Барабанна сушарка «Прогрес»;

- Пневмосушарка «труба-сушарка»;

- Пневмосушарка з внутрішними молотками;

- Пневмосушарка (барабанна) «Прогрес»;

- Вихрова сушильна установка (барабанна);

- Сушарка з кип'ячим шаром;

- Вертикально-протитокова сушарка.

2.1 Класифікація апаратів для сушіння подрібненої деревини

Сушильні апарати для подрібненої деревини класифікуються за рядом істотних ознак:

а) за принципом дії - можуть бути періодичної (коли процес сушіння розділено на операції: завантаження - чисте сушіння - розвантаження) і безперервної ( вологий матеріал поступово завантажується в один кінець сушарки, а сухий - вивантажується із другого кінця);

б) за способом передачі тепла - розрізняють конвективні (тепло передається від джерела тепла за допомогою повітря або топкового газу, які обмивають матеріал) і кондуктивні або контактні (тепло передається матеріалу, що сушиться, шляхом безпосереднього доторкання - контакту з нагрітими поверхнями);

- кондуктивні (контактні) сушарки;

- конвективні сушарки з механічним пресуванням матеріалу;

- конвективні сушарки з пневматичним пресуванням матеріалу;

- конвективні сушарки з пневмомеханічним пресуванням матеріалу;

в) за характером агента сушіння - сушильні агрегати діляться на повітряні і газові;

г) за способом переміщення подрібненої деревини - конвективні сушарки з механічним, пневмомеханічним, пневматичним переміщенням об'єкта сушіння;

д) за способом обігрівання - апарати з прямим (коли тепло безпосередньо подається із введеними у камеру топкових газів) і непрямим обігріванням (де нагріваються калорифери, спочатку парою або перегрітою водою, а потім калорифери нагрівають вже подрібнену деревину);

ж) за етапністю сушіння (залежно від кількості проходів).

Необхідно зазначити, що у сушильних апаратах, окрім конвективної і кондуктивної передачі тепла, є і терморадіаційна передача тепла, тобто інфрачервоним випромінюванням.

Барабанні конвективні сушильні установки досить широко використовуються для сушіння стружки та інших дрібно кускових і зернових матеріалів у хімічній та силікатній промисловості, а також для сушіння палива на електростанціях та вуглезбагачувальних підприємствах.

Таблиця 2.1. Технічна характеристика барабанних сушарок та сушильних агрегатів

№ з/п	Показник	Тип одноступеневих барабанних сушарок	Сушильні агрегати
		"Прогрес" діаметром 2,2 м	"Прогрес" діаметром 2,8 м	"Бютнер" діаметром 3,2 м	Триходовий барабан "Бізон" діаметром 3,4 м	ЦНДІФ (ТСА із барабаном діаметром 2,2 м)	ВВSН (труба з барабаном "Бютнер" діаметром 3,6 м)
						I ступінь (ТСА)	II ступінь (барабан)	I ступінь (труба)	II ступінь (барабан)
1.	Вологість стружки: %:
	- початкова	90	90	90	90	90	20	110	65
	- кінцева	2	2	2	2	20	2	65	2
2.	Продуктивність, т сухої струж./год.	3,5	6	7,5	9,1	5	5	12	12
3.	Температура газу: 0С
	- на вході	400	400	400	650	630	220	480	350
	- на виході	120	120	145	125	220	120	350	150
4.	Обсяг циркуляційного повітря, т/год	30	48	50	48	30	30	30,4	88
5.	Витрати електроенергії, кВт год./м випар.вологи	27	27	27	17	34	34	48	48
6.	Діаметр (барабана, ТСА, труби)	2,2	2,8	3,2	3,4	3,5	10	1	3,6
7.	Довжина (барабана, ТСА)	10	14	12	10	9	-	-	12
8.	Висота (труби)	-	-	-	-	-	-	26	-

2.2 Основні фактори, що впливають на процес сушіння подрібненої деревини

Насипна щільність стружки, її зміна в процесі сушки робить істотний вплив на гідродинаміку усередині барабана. Видалення вологи з деревних часток є причиною зміни їх фізико-механічних властивостей, що визначають міру зносу внутрішніх елементів агрегату. Також підвищення щільності стружки при переміщенні по сушарці приводить до зміни її фракційного складу в результаті стирання деревних часток від лопатей і стінок барабана.

Відомо, що порівняно невеликі розміри частинок сипучої деревини і невелика насипна маса при низькій вологості самого матеріалу надають їм значну рухомість, а під дією газового потоку - ще й леткість, де швидкості кружляння частинок сипучої деревини будуть значно впливати на інтенсивність сушіння при конвективному підведенні теплоти.

У процесі конвективного сушіння впливову роль відіграє тепло- і масообмін між сушильним агентом (газом) і об'єктом сушіння, а також перенесення тепла і маси (вологи) у середині матеріалу. При цьому процес сушіння значно інтенсифіковується за рахунок зменшення дифузійних і термічних опорів біля межі розділу фаз, що досягається безперервним поновленням поверхні матеріалу, яка контактує із газовим середовищем. При сушінні подріблених (сипучих) матеріалів у підвішеному або псевдопідвішеному стані поновлення контактної поверхні значно інтенсифіковується.

2.3 Розробка конструкції сушарки для зневоднення подрібненої деревини

Барабанна сушарка вертикально-протитокова.

Рис. 1. Схема вертикально-протитокової сушарки 1 - шестерня; 2 - пружина; 3 - жолоб видалення теплоносія; 4 - пустотілий вал; 5 - вертикальний циліндр; 6 - обичайки; 7 - отвори; 8 - кулачки; 9 - відбійні елементи; 10 - шарніри; 11 - гвинт; 12 - шнеки вивантаження висушеного матеріалу; 13 - реверсивний двигун; 14 - гайка; 15 - жолоб подавання теплоносія; 16 - отвори надходження топкових газів; 17 - кільця; 18 - трос; 19 - фільтр; 20 - навантажувальний бункер

Матеріал для сушіння подається у верхній частині і рухається вниз з відповідною швидкістю (0,7-0,8м/с). Назустріч йому рухається теплоносій - димові гази з швидкістю 1,0 - 2,0 м/с і температурою 200 -400С.

Сушарка складається із вертикального циліндра 5, на внутрішній поверхні якого розміщені обичайки у вигляді зрізаних конусів,частина поверхні яких перфорована отворами 7. Менша основа обичайок спрямована назустріч потоку теплоносія (топкових газів). У середині корпусу 5 по центру розміщений пустотілий вал 4, на якому закріплені відбійні елементи 9, виконані у вигляді окремих пелюсток, які змінюють кут нахилу за допомогою шарнірів 10.

У верхній частині корпусу встановлений навантажувальний бункер 20, а у його нижній частині закріплений жолоб подавання теплоносія 15 і виконані отвори 16. Видаляється теплоносій у верхній частині сушарки жолобом 3 із чотирма фільтрами 19 для запобігання витягування деревинних частинок. На валу 4 розміщений трос 18, верхній кінець якого прикріплений до пружини 2, а нижній - до індивідуального приводу 13, який складається із гайки 14 і гвинта 11. Гвинт жорстко з'єднаний із тросом 18, на якому закріплені кільця 17, що взаємодіють із кулачками 8. Кулачки прикріплені до пелюсток вібраційних елементів. У бункерній частині сушарки встановлені шнеки 12 для видалення висушеного матеріалу. Жолоб подавання теплоносія 15 виконаний у вигляді зрізаного конуса для забезпечення рівномірного подавання теплоносія за об'ємом сушарки.

Сушарка для дрібних відходів деревини працює таким чином: Здрібнені відходи надходять до бункера 20, а звідти вниз до обичайок 6 і на відбивні елементи 9, із яких завдяки обертанню вала 4 від шестерні 1, під дією відцентрової сили, а також кута нахилу, відходи пресуються вниз на наступну обичайку 6 і т.д. до нижньої частини сушарки, де шнеками видаляються із сушарки.

Теплоносій у вигляді топкових газів надходить до жолоба 15 із відповідним нахилом, де створюється тиск, різний по висоті. До сушильної камери топкові гази надходять крізь отвори 16. Відповідно до температури топкових газів, вологості відходів, а також їх фракційного складу відбійні елементи 9 змінюють кут нахилу. Це відбувається за заданою програмою: вмикається реверсивний двигун 13 і гвинт 11, яків взаємодіють із гайкою 14, і переміщують трос 18 разом із кільцями 17 вниз або вгору, при цьому кулачки 8, спираючись на шарніри 10, опускають або підіймають пелюстки відбійного елемента на потрібний кут.

При крупніших фракціях і вищій вологості частинок деревини кут нахилу мінімальний, через це відходи триваліший час знаходяться на пелюстках і таким чином висушуються. Ефективність підвищення теплообмінних процесів забезпечується подовженням шляху і часу перебування висушуваного матеріалу у зоні сушіння. Через наявність отворів 7 на обичайках 6 знижується аеродинамічний опір, забезпечується підсушування крупних частинок деревних відходів, що затримуються в отворах. Закріплення фільтра 19 на валу 4 та їх спільне обертання виключають попадання дрібних фракцій деревини до труби 3 видалення відпрацьованих топкових газів.

В установці передбачено два канали регулювання її продуктивності: величиною нахилу направляючих щитків 21 і зміною частоти обертання центрального валу 4. Встановлено, що кут направляючих щитків суттєво впливає на швидкість протікання процесів сушіння. При куті більше 450, відбувається вільне переміщення під дією сили тяжіння висушуваного матеріалу вниз. В цих умовах процес сушіння протікає тільки за рахунок однієї конвективної складової, кондуктивні ж не бере при цьому участь, оскільки відсутній контакт між нагрітою поверхнею направляючих щитків і висушуваним матеріалом. В свою чергу горизонтальне розміщення направляючих (ц=0) призведе до відповідній затримці рухомого висушуваного матеріалу вниз і переміщені його відбувається лише на поверхні щитків. При цьому чим більший термін перебування висушуваного матеріалу на поверхні щитків, тим значиміша частина участі в процесі кондуктивної складової в загальному балансі підводу тепла.

3. Моделювання процесу сушіння подрібненої деревини

В сучасних умовах організації паливно-енергетичних ресурсів важливого значення набуває розробка методів зниження енерговитрат пов'язаних з процесом сушіння. При цьому, особливо зріс інтерес до проблеми оптимізації процесів сушіння деревних матеріалів.

Однією з причин, що утрудняють розробку ефективних систем керування, є недостатність знань про статичні й динамічні властивості сушильних установок як об'єктів регулювання. Для виконання завдання - складання опису динамічних властивостей процесу сушіння як об'єкта регулювання слід враховувати всі другорядні деталі, і, лише підібравши відповідні механізми його ходу, одержуємо математичну модель, адекватну процесу за точністю, достатньою для розв'язку задач керування.

Головні вимоги, що ставляться до розроблюваних моделей - відбиття тих особливостей процесу, відомості про які потрібні для керування ними. При цьому спостерігається тенденція до розробки оптимальних щодо споживання енергії алгоритмів керування. Складність протікання процесів, значна кількість параметрів, що їх характеризують, стали причиною виникнення цілого ряду аспектів постановки завдань оптимізації процесів сушіння.

Один із напрямків інтенсифікації сушіння подрібненої деревини - реалізація процесу сушіння у режимі, близькому до оптимального. Вирішення цього завдання можливе лише при застосуванні ефективних систем автоматичного керування з використанням засобів мікропроцесорної техніки і мікро-ЕОМ. Для ефективного використання ЕОМ необхідні оптимізаційні моделі, досить точні, що описують процеси, які відбуваються в сушильній установці. Завдання розробки науково-обгрунтованих оптимізаційних математичних моделей, що описують динаміку протікаючих тепло- і масообмінних процесів, служить тим фундаментом, на якому ґрунтується побудова всього комплексу, пов'язаного з розробкою автоматичної системи управління. У загальному вигляді до складу завдання керування входять розробка конкретних математичних моделей керованих процесів і формування на їх основі оптимальних керуючих впливів відповідно до підібраних критеріїв оптимізації.

3.1 Аналіз теоретичних досліджень процесу сушіння подрібненої деревини

На сьогодні загальні питання тепло- і масообміну процесів сушіння колоїдних капілярно-пористих матеріалів достатньо глибоко розроблені й широко висвітлені у вітчизняній і закордонній літературі. Найбільш вагомий внесок у дослідження кінетики й динаміки процесів сушіння матеріалів внесли роботи А.В. Ликова, И.М. Федорова, М.Ю. Лур'є, О.П. Каліновскої, П.С. Серговського, П.Д. Лебедєва, Г.С. Шубіна й ін. При цьому запропоновані математичні моделі, які коректно описують процес зневоднення колоїдних капілярно-пористих матеріалів.

.

Показано, що з достатньої для рішення практичних завдань точністю математичну модель можна представити у вигляді системи рівнянь:

,

загальне рішення якої в критеріальній формі наведено в роботах:

.

Великий обсяг досліджень містять роботи присвячені моделюванню топології просторово-часового розподілу параметричних температурних і вологістних полів колоїдного капілярно-пористого матеріалу, який сушиться:

,

- при граничних умовах виду:

;

Тут, модель процесу представлена системою диференціальних рівнянь у частинних похідних типу:

,

шукане рішення якої виконано методом послідовних наближень функції T=f(y,ф):

де:

; .

Слід зазначити, що функція Тх табульована лише при значеннях змінних у межах з, у = 0...40, із-за чого розраховувати температуру матеріалу, що сушиться, по вищенаведеному виразу можливо тільки в шарі товщиною, яка не перевищує 0,25 м.

Для робіт останніх років характерний інтерес до математичного моделювання тепломассообмінних процесів сушіння колоїдних капілярно-пористих матеріалів, представлених у вигляді систем з розподіленими параметрами, дослідження яких вдається провести з використанням мікропроцесорних обчислювальних систем. У зв'язку із цим особливе значення має використання чисельних методів для створення ефективних алгоритмів, що дають можливість працювати зі складними математичними моделями.

З'явився ряд робіт, у яких використовуються різні наближені методи аналізу тепло- і масообмінних процесів, які базуються на апроксимації складних трансцендентних функцій виразами більш простого виду. Це роботи, присвячені дослідженню топології просторового розподілу температурно-вологістних параметрів матеріалу, що сушиться, у яких для оцінки допустимої похибки апроксимації еквівалентних функцій використовуються різні методи, що базуються на аналізі дробів Паде, функцій Лягера та ін. Однак у ряді випадків математичні подання важко піддаються зіставленню й узагальненню, що значно ускладнює їхнє використання при рішенні практичних завдань математичного моделювання.

Останнім часом одержали поширення методи, основані на сполученні моделювання й оптимізації процесів тепломасообміну під час сушіння деревних матеріалів. Ця тенденція особливо проявляється при дослідженні сушіння пиломатеріалів, що характеризується яскраво вираженою просторовою топологією розподілу температурно-вологістних полів.

Великий обсяг досліджень по математичному моделюванню процесів сушіння подрібненої деревини містяться в роботах И.М. Федорова, Д.М. Стерліна, Куцакової та ін. У них на базі класичної теорії тепломасообміну отримані основні розрахункові співвідношення по визначенню кінетики сушіння даного класу матеріалу. Стосовно до умов сушіння подрібненої деревини в барабанних сушарках запропоновані математичні моделі з обліком :

- кількості руху:

.

- нерозривності

.

- теплообміну, ускладненого випаровуванням:

.

- з такими граничними умовами:

.

Стосовно сушарок протипоточних течій з використанням кондуктивно-конвективного способу підведення тепла запропонована математична модель динаміки процесу сушіння полідисперсних фракцій деревини, представлена системою диференціальних рівнянь зі змінними коефіцієнтами вологопровідності й відсутністю градієнта загального тиску:

.

- при граничних умовах виду:

.

Приведені розрахункові співвідношення придатні не тільки для умов ламінарного руху потоку, але й турбулентного ізотропного потоку, однак при цьому локальні значення шуканих функцій варто розглядати як усереднені в часі величини.

Встановлено, що з використанням теорії прикордонного шару представлена система істотно спрощується, однак і в цьому випадку теоретично вдається вирішити лише декілька найбільш простих завдань тепломасообміну для ізотермічних умов гідродинамічного обтікання тіл порівняно малої кривизни.

Значний інтерес представляють дослідження, присвячені моделюванню процесів сушіння полідисперсного матеріалу у висхідному потоці. Узагальнена модель динаміки процесу в критеріальній формі представлена у вигляді:

,

,

де: U - рівноважний вологовміст матеріалу.

В цьому випадку приймають, що значення градієнтів вологовмісту й температури всередині частинок є малі, тому лімітною стадією процесу сушіння є тільки зовнішній теплообмін. Відзначимо, що практичне звернення до розрахункових співвідношень вимагають знання великого обсягу апріорної інформації про протікаючи тепло- й масообмінні процеси, а прийняті спрощення, у ряді випадків не приводять до бажаних результатів.

Проведений аналіз дозволяє зробити висновок, що на сьогодні як в нас в країні, так і за кордоном широко ведуться дослідження з інтенсифікації та моделювання тепло- і масообмінних процесів сушіння подрібненої деревини. Розроблені математичні моделі процесів сушіння подрібненої деревини стосуються в основному установок безперервної дії. У вітчизняній і закордонній літературі відсутні вичерпні дані по обґрунтуванню й розробці режимів сушіння подрібненої деревини в установках колонного типу, які є досить перспективними в енергетичному відношенні.

Наявні в літературі дослідження з даної тематики носять, як правило, приватний характер, отримані при цьому результати найчастіше важко піддаються узагальненню, що ускладнює їхнє практичне використання. Для вирішення практичних завдань необхідно провести комплекс досліджень, зв'язаних з вивченням основних закономірностей кінетики сушіння, моделюванням процесів тепломасообміну з урахуванням реальних умов їхнього протікання й на їхній основі розробити раціональні режими зневоднювання даного класу матеріалів в установках колонного типу.

3.2 Функціональна схема базової САК об'єктом

Структурна модель сушарки як об'єкта керування.

Вихідними регульованими величинами є кінцева вологість висушеної стружки WС.К.; кінцева температура топкових газів иГ.К.; температура стружки на виході иС.Вих.. На ці величини впливає кількість (витрата) газів GГ.; початкова температура топкових газів иГ.П. і початкова вологість вхідної стружки WС.П..

Структурна модель сушарки як об'єкта керування виглядає наступним чином:



Рис. 2

Вхідні фактори:

GГ. - об'єм газу;

WС.П. - початкова вологість вхідної стружки;

иГ.П. - початкова температура топкових газів;

n - частота обертання барабану;

VГ. - швидкість циркуляції газів.

Вихідні фактори:

WС.К. - кінцева вологість висушеної стружки;

иГ.К. - кінцева температура топкових газів;

иС.Вих. - температура стружки на виході.

За всіма каналами динамічні властивості сушарки подібні властивостям аперіодичної ланки з запізненням Сушарка володіє перехресними взаємозв'язками і по всіх каналах є інерційним об'єктом із значним запізненням.

Вихідна вологість сухої стружки для зовнішніх шарів ДСП становить 2 - 7%, а для внутрішніх шарів 2 - 5%. Вихідна вологість стружки коливається в межах від 5 до 120%.

3.3 Визначення типового закону регулювання та розрахунок його параметрів

Структурно-математична модель сушарки за каналом регулювання: “Температура топкових газів на вході иГ.П. - температура топкових газів на виході иГ.К.”.

Рис. 3. Структурно-математична модель сушарки

За всіма каналами регулювання сушарку можна представити у вигляді послідовно з'єднаних ланок запізнення та аперіодичних ланок першого порядку.

;

.

Одноконтурна САР працює наступним чином. Виміряне початкове значення вхідного параметру через деякий час впливає на вихідний параметр. Відхилення від заданого значення призводить до появи сигналу помилки на вході регулятора, який почне корегувати вхідний параметр, проте ця зміна вплине на кінцевий параметр тільки через деякий час.

3.4 Дослідження синтезованої САР на стійкість та якість

Дослідження і аналіз якості регулювання САР:

Під якістю слід розуміти динамічні показники системи: тривалість перехідного процесу, величина перерегулювання та інші, специфічні для окремих видів перехідних процесів.

Реакцією системи автоматичного керування на одиничний стрибкоподібний сигнал є перехідна функція системи коливного характеру, яка отримана за допомогою програми SIAM.

На підставі перехідної функції визначаємо основні показники якості:

1. Час перехідного процесу, що характеризує швидкодію системи - tП.

Для визначення tП вверх і вниз від усталеного значення ДXВИХ.УСТ, відкладається 5% ДXВИХ.УСТ і тим самим виділяється зона допустимих відхилень. Точка, в якій крива увійшла в зону допустимих відхилень і з неї вже не виходить, визначає час перехідного процесу, або час регулювання.

2. Величина перерегулювання:

,

де a - максимальне відхилення від усталеного значення.

3. Час, коли крива коливного характеру вперше перетинає рівень усталеної величини.

4. Час, коли крива коливного характеру досягає максимального значення.

Аналіз технологічного процесу на дільниці його автоматизації.

Процес сушіння деревини дуже складний. При ньому проходять фізичні явища, які відносяться до складу процесів переносу. Головні з них:поглинання тепла поверхнею матеріалу (теплообмін); переміщення тепла по матеріалу (теплопровідність); випаровування вологи з поверхні матеріалу (вологообмін); переміщення вологи по матеріалу (вологоперенос).

Для отримання високоякісних плит необхідно, щоб вологість стружки була стабілізована. Автоматичне регулювання вологості пов'язано з ускладненнями, які викликані великими збурюючими діями (вологість сирої стружки коливається в діапазоні 30 - 100%) і особливостями сушильних агрегатів. Стружку сушать в барабанних і пневматичних сушарках.

Вологість стружки має вирішальний вплив на процес пресування деревостружкових плит. Зайва вологість викликає підвищену витрату тепла на перетворення в пару вологи, що знаходиться в деревині, що пов'язане із збільшенням тривалості пресування. Крім того, підвищена вологість стружки приводить до утворення порожнин в плитах.

При недостатній вологості стружка як капілярно-пористе тіло поглинає значну кількість в'яжучого, що приводить до зменшення його на поверхні стружки і зниженню міцності плит. Через невисоку пластичність дуже сухої стружки ускладнюється процес пресування, внаслідок чого необхідно підвищувати тиск при пресуванні і утворюється пориста структура плит.

Неоднакова вологість стружки приводить до отримання плит нерівномірної товщини і густини. Як показали дослідження, коливання вологості стружки всього лише 2% спричиняють за собою нерівномірність товщини готових плит 0,1 мм.

Більшість смол вимагає певної вологості для швидкого і високоякісного склеювання плит.

На підставі проведених досліджень рекомендуються наступні нормативи вологості стружок при виробництві деревостружкових плит на піддонах (%):

Для тришарових плит:

- зовнішніх шарів 4-6%;

- внутрішнього шару 2-4%.

Для одношарових плит 3-5%.

При пресуванні деревостружкових плит безпіддонним способом для підвищення міцності брикетів рекомендується знижувати вологість стружки на 1-2% в порівнянні з вологістю при пресуванні на піддонах.

При сушці деревних частинок, товщина яких невелика, можна застосовувати високотемпературні теплоносії і залежно від конструкції сушильних агрегатів температуру сушки доводити до 700-800° С і навіть більш.

деревинний фракційний барабанний сушильний

Література

1. Архангельский В.Д . Аппараты для сушки сыпучей древесины. - М: Лесн. пром-сть, 1970. - 126с.

2. П.В. Ползик, Л.Г. Молчанов, В.К. Вороницын "Автоматика и автоматизация производственных процессов деревообрабатывающих предприятий" Москва, Лесная промышленность, 1987.

3. Лыков А.В., Михайлов Ю.А.Теория тепло- и массопереноса. - М.: Енергія,1963. - 536с.

4. Тодес О.М., Себалло В.А., Гльцикер А.Д. Масовая кристаллизация из растворов. - Л.: Химия, 1984. - 232с.

4. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдосжиженом слое. - М.-Л.: Госэнерго, 1963. - 488с.

5. Бекетов В.Д. Характеристика древесных частиц как обьекта сушки: Обзор информации. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1985, 32с.

6. Бакластов А.М., Горбенко В.А., Удьема Р.Г. Проэктирование, монтаж и эксплуатация тепломасообменных установок, М.: Энергоиздат, 1981, 336с.

Размещено на Allbest.ru

...