Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизации процессов тепломассопереноса в древесине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ТЕХНОЛОГИЯ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ДРЕВЕСИНЕ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

Гороховский Александр Григорьевич

Санкт-Петербург 2008

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Перед отечественной экономикой стоит грандиозная по своей сути задача: удвоение ВВП за 10 лет. Однако, при существующем уровне технологий это потребует двухкратного увеличения производства энергии в России, что принципиально невозможно. В этой связи технология переработки сырья в продукцию должны базироваться на минимально энергоемких процессах.

Лесопромышленный комплекс России обладает не меньшим потенциалом, чем признанные флагманы Российской промышленности - нефтегазовый сектор и металлургический комплекс. Особенно велики потенциальные возможности российской деревообработки в ткой традиционной отрасли как лесопиление, которое перерабатывает более половины заготавливаемой деловой древесины. К 2010 году выпуск пиломатериалов в России может составить до 40 млн. м³.

Однако, создание низкоэнергоемких процессов невозможно без научного обоснования технологий деревообработки в первую очередь сушки пиломатериалов как важнейшей операции облагораживания древесины.

Во многом, на 70-80 % определяя качество продукции деревообработки, сушка является энергоемким процессом, затраты на который составляют до 30 % от стоимости сухих пиломатериалов. В то же время объемы сушки пиломатериалов в России достаточно велики: в 2000 г. они составили около 12,8 млн м³ при неудовлетворенном спросе на сухие пиломатериалы, составлящем 25 - 30 %. Поэтому повышение энергетической эффективности сушки представляется актуальной проблемой.

В то же время удаление влаги из древесины в процессе конвективной сушки представляет собой достаточно сложный физико-химический процесс, сопровождающийся тепло- и массообменном, изменением размеров и формы сортиментов древесины, а также всего комплекса параметров, определяющих ее качество. В современных условиях исследование подобных процессов возможно только с применением их моделирования и оптимизации.

Таким образом, создание технологий обработки древесины, позволяющих получить высококачественную продукцию при минимальных затратах энергии является важной народнохозяйственной проблемой.

Цель работы: снижение энергоемкости процесса сушки и повышение качества пиломатериалов.

Задачи исследований

1. Теоретические исследования по моделированию внутреннего и внешнего влагопереноса в древесине.

2. Теоретические исследования развития полей влагосодержания и внутренних напряжений в древесине для естественной и принудительной циркуляции агента сушки.

3. Уточнение методики контроля влажности древесины.

4. Разработка метода оперативного контроля интегральной влажности штабеля пиломатериалов.

5. Определение диапазонов параметров режимов сушки для проведения экспериментальной оптимизации.

6. Экспериментальное построение математических моделей показателей эффективности и качества от параметров режима сушки.

7. Моно- и поликритериальная оптимизация режимов сушки на основе моделей показателей эффективности и качества.

8. Промышленная апробация предложенных технических решений и их технико-экономическое обоснование.

Объектами исследования являются пиломатериалы и лесосушильные камеры.

Предметом исследования являются процессы тепломассопереноса при сушке древесины.

Научной новизной обладают:

· модель коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины, учитывающей движение жидкой и твердой фаз в газообразной среде;

· уравнения для нормированного коэффициента влагопроводности, критерия фазового превращения и коэффициента влагообмена при конвективной сушке;

· методика математического анализа кинетики и динамики низкотемпературного процесса сушки древесины, близкого к естественным процессам высыхания древесины;

· теоретическое и экспериментальное обоснование метода непрерывного контроля влажности древесины по перепаду температур на штабеле;

· математические модели процесса сушки пиломатериалов в камерах с естественной и принудительной циркуляцией по режимам различной структуры, основанные на расчетных данных по кинетике и динамике сушки пиломатериалов, содержащих в различных соотношениях заболонную и ядровую древесину, а также рациональные значения параметров режимов, полученные на основе оптимизационных процедур.

Научные гипотезы, выносимые на защиту:

1. В процессах сушки древесину необходимо рассматривать как коллоидное капиллярно-пористое тело, при котором жидкая и твердая фаза древесины находятся в газовой среде.

2. Сухие пиломатериалы как конструкционный материал менее энергоемки для производства по сравнению с иными материалами из древесины.

Достоверность научных гипотез, выводов и рекомендаций обеспечивается: корректными допущениями при замене реальных процессов их математическими моделями; современными средствами научного исследования; использованием положений теории тепло- и массообмена для капиллярно-пористых тел; концепциями теории конвективных струй и гидравлической теории движения газов; оценкой адекватности разработанных моделей реальным процессам; приемлемым совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными; положительными результатами промышленной апробации.

Значимость для теории и практики

Для теории имеет значение:

· развитие теории тепломассопереноса для коллоидных капиллярно-пористых тел при естественной циркуляции агента сушки.

· модель коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины;

· методика анализа кинетики и динамики сушки пиломатериалов при низкотемпературном процессе;

· методика анализа процессов естественной циркуляции в лесосушильной камере;

· метрологический анализ метода непрерывного контроля влажности древесины по перепаду температур на штабеле;

· математические модели процессов сушки пиломатериалов для камер с естественной и принудительной циркуляцией.

Для практики имеют значение:

· эффективная структура режимов конвективной сушки пиломатериалов;

· экспериментальные зависимости (уравнения регрессии) показателей качества сушки и технологических параметров процесса;

· программное обеспечение для расчета процессов сушки древесины;

· оригинальные технические решения, защищенные патентами;

· положительные результаты промышленных испытаний технологии сушки.

Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических советах ОАО “УралНИИПДрев” (г. Екатеринбург, 2001 - 2007 г.г.), областной научно-технической конференции УГЛТА (г. Екатеринбург, 1989, 1995), научно-практической конференции “Лесной комплекс Среднего Урала” (2001 - 2007 г.г.), конференции “Оборудование и модернизации лесопильных и деревообрабатывающих предприятий” (СПб, 2001 г.), Всероссийской конференции “Лесной и химический комплексы - проблемы и решения” (г. Красноярск, 2005), Всероссийской конференции “Актуальные проблемы лесного комплекса” (г. Брянск, 2006 г.), XII Российский экономический форум “Развитие экономического сотрудничества в рамках ЕврАзЭС” (г. Екатеринбург, 2007).

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены на Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении (г. В. Салда, Свердловской области), прошли промышленные испытания в ООО “Эверлес” (Кормовищенский ЛПХ, Пермская обл.), Кыновском ЛПХ (п. Кын, Пермская обл.), УПМ УГЛТУ (г. Екатеринбург), ОАО “УралНИИПДрев” (г. Екатеринбург) и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 2 монографии, статей в изданиях, рекомендуемых ВАК - 7, 6 патентов. Результаты исследований отражены в 8 научно-технических отчетах по НИР.

2. Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель, научная новизна, научные гипотезы, выносимые на защиту, структура и объем работы, а также ее реализация и апробация.

В первом разделе “Состояние вопроса и задачи исследований” проведен аналитический обзор факторов, определяющих эффективность и качество сушки пиломатериалов.

В современных условиях эффективность сушки может быть однозначно оценена суммарным расходом энергии на 1 м³ пиломатериалов. При этом ощутимое снижение энергозатрат на камерную конвективную сушку пиломатериалов возможно по следующим направлениям:

1. Затраты на испарение увлажняющей воды;

2. Общие затраты энергии за счет ее экономии и рекуперации, а также оптимизации режимов сушки;

3. Затраты электроэнергии на привод вентиляторов. При этом радикальным способом устранения расхода электроэнергии при сушке является использование камер с естественной циркуляцией, интерес к которым, в связи с существенным подорожанием электроэнергии в последние годы, также вырос.

Основными факторами, определяющими качество сушки пиломатериалов являются :

1. Требования к качеству сушки пиломатериалов;

2. Контроль качества сушки;

3. Свойства древесины, как материала, подвергаемого сушке;

4. Технология сушки.

РТМ Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины // ЦНИИМОД. Архангельск, 1985 нормируют требования к качеству сушки, устанавливая при этом:

· категории качества сушки;

· перечень показателей качества сушки;

· значение показателей и условия их определения.

Анализ проблемы контроля качества сушки показал, что вопрос о точности определения влажности при ее контроле в процессе и по окончании сушки решен не полностью и требует дополнительных исследований.

Исследованиями свойств древесины, имеющими значение при сушке, а также вопросами, связанными с решением практических задач сушки пиломатериалов, в частности разработкой режимов сушки в различные годы занимались большое число как отечественных (П.С. Серговский, Б.С. Шубин, И.В. Кречетов, Л.Н. Кротов, С.И. Акишенков, П.И. Ананьин, Н.Н. Чулицкий, И.В. Куликов, Б.С. Чудинов, А.П. Комиссаров и др.), так и зарубежных ученых (F. Kollmann, T. Maku, A.J. Stamm, K. Egner и др.).

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

· применяемые на практике и изложенные в РТМ параметры режимов сушки обоснованы экспериментальным путем без учета коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины. В качестве теоретической базы использована, в основном, теория подобия с применением критериев Нуссельта (Nu), Рейнольдса (Re), Био (Bi) и др.

· применяемая трехступенчатая структура режимов сушки не является оптимальной с точки зрения продолжительности процесса и качества высушиваемого материала;

· современные технические средства позволяют реализовать бесступенчатую структуру режима с плавным изменением параметров во времени;

· повышение температуры агента (t_c) значительно интенсифицирует процесс сушки, но крайне отрицательно влияет на физико-механические свойства высушиваемой древесины; экономия тепловой энергии при этом невелика (около 2 %);

· скорость циркуляции (V_ц) агента непосредственного влияния на продолжительность сушки не оказывает, однако ее увеличение повышает равномерность сушки; значение скорости циркуляции может быть оптимизировано (например, по критерию минимальной себестоимости);

· степень насыщенности среды (ц) определяет скорость сушки, а также максимальный период влажности по сечению, который, в свою очередь определяет характер развития и величину внутренних напряжений в древесине.

Таким образом, совокупность параметров режима определяет эффективность сушки и качество высушиваемой древесины. Следовательно, задача о повышении значений данных показателей может рассматриваться как оптимизационная (рис. 1).

При этом изменение параметров режима в процессе сушки должно производиться в зависимости от значений текущей влажности древесины. В то же время, анализ литературных данных не выявил простого и надежного метода оперативного контроля интегральной влажности штабеля пиломатериалов, следовательно необходимость его разработки очевидна.

Рис. 1. Постановка задачи оптимизации процесса сушки древесины: х - вектор управляющих факторов (t_c, V_ц, ц); Y₁ - вектор параметров эффективности; Y₂ - вектор параметров качества

Теоретический анализ процессов тепло- массообмена при сушке обычно проводят решением для различных условий системы дифференциальных уравнений, предложенных академиком А.В. Лыковым. При этом для ее решения необходимо иметь значения следующих параметров, характеризующих массоперенос:

· коэффициент влагопроводности, а_m;

· коэффициент влагообмена, б_m;

· критерий фазового превращения, е;

· термоградиентный коэффициент, д.

Анализ литературы не выявил наличия данных о связи вышеуказанных параметров со строением древесины, а также с параметрами режима сушки (за исключением температуры). В то же время попытки усреднения значений данных коэффициентов приводят к существенным ошибкам при расчете полей влагосодержания, продолжительности сушки, а также величины внутренних напряжений.

Во втором разделе “Модели массопереноса в коллоидной капиллярно-пористой структуре древесины” рассматриваются cвойства древесины и ее взаимодействие с водой на уровне химического состава древесинного вещества, тонкой структуры клеточных стенок, а также отдельных анатомических элементов, из которых построена древесина и их совокупностей, а также связью между ними.

Физическое моделирование коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины базировалось на гипотезе о том, что основным носителем сорбционных свойств древесины является система, так называемых, “непостоянных” капилляров клеточных стенок, обладающая во много раз большей удельной поверхностью, чем постоянные капилляры. При увлажнении их размеры увеличиваются, приобретая максимальную величину при влажности вблизи предела насыщения клеточных стенок. При десорбции воды непостоянные капилляры в клеточных стенках не опустошаются, а постепенно суживаются до их полного исчезновения в абсолютно сухом состоянии.

В основу модели коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины положены следующие принципы:

1. Свободная влага располагается в системе макрокапилляров, а связанная - в системе микрокапилляров.

2. Система макрокапилляров древесины моделируется следующими анатомическими элементами (табл. 1, 2; рис. 2, 3):

Таблица 1 Содержание анатомических элементов в древесине некоторых хвойных пород

Порода	Трахеиды	Сердцевинные лучи, %	Вертикальные смоляные ходы, %	Пористость, %
	ранние, %	поздние, %
Сосна	59 (55-65)	25 (20-30)	12	4	68,6
Лиственница	48 (45-55)	40 (35-45)	10	2	58,5

Рис. 2. Модели трахеид хвойных пород а - ранняя трахеида; б - поздняя трахеида; 1 - капилляр; 2 - клеточная стенка ( все размеры даны в мкм)

Таблица 2 Содержание анатомических элементов в древесине некоторых лиственных пород

Порода	Сосуды, %	Древесные волокна	Древесная паренхима, %	Сердцевинные лучи, %	Пористость, %
		Сосудистые трахеиды, %	Волокнистые трахеиды, %	Волокна либриформа, %
Береза (рассеяно-сосудистая)	25 (20-30)	12	7	39	2,0	15 (10-20)	59,5
Дуб (кольцесо-судистая)	25	5	28	15	2	25	57,2

Рис. 3. Модели анатомических элементов лиственных пород а - волокна; б - сосуды; 1 - капилляр; 2 - клеточная стенка (все размеры даны в мкм)

· хвойные породы - ранние и поздние трахеиды;

· лиственные породы - сосуды (с учетом сердцевинных лучей) и древесные волокна.

3. Система непостоянных микрокапилляров представляет собой совокупность отверстий цилиндрической формы в клеточных стенках древесины, радиус которых функционально зависит от влажности древесины в гигроскопической области:

нм (1)

где W - влажность древесины, %.

4. К допущениям при моделировании относится то, пористость клеточной стенки непропорциональна базисной плотности древесины.

Результатами расчета является определение следующих параметров модели для четырех пород древесины (сосна, лиственница, береза, дуб):

· внутренняя поверхность (для систем макро- и микрокапилляров);

· объем капилляров (для каждой из систем и суммарный);

· пористость;

· максимальная влажность.

Анализ расчетных параметров моделей позволяет сделать следующие выводы:

1. Структура моделей позволяет охватывать широкий диапазон влажности древесины, от 5 до 120 - 160 %.

2. Пористость древесины на моделях на 7 - 11 % меньше, чем по различным экспериментальным данным, приводимым в литературе, однако это не снижает достоверность моделирования.

3. Модели пригодны для аналитического определения параметров массопереноса для древесины различных пород.

Для капиллярно-пористых тел, каким является древесина, массообмен со средой происходит за счет удаления жидкости из капилляров, выходящих на поверхность.

При равновесии жидкости в капилляре над ее мениском на стенке образуется полимолекулярная пленка с толщиной, уменьшающейся вверх по определенному закону, который может быть найден, если известно расклинивающее давление П или насыщенность пара ц пленки в функции ее толщины h (рис. 4).

Если парциальное давление паров жидкости отличается от того, которое отвечает равновесию жидкости с мениском в капилляре, то будет идти либо испарение, либо конденсация на мениске.

Если радиус капилляра не более 10^-5 м, то скорость этого процесса определяется не только диффузионным потоком пара, но и потоком, переносимым пленкой влаги, при ее течении под влиянием градиента толщины h. Для оценки вклада пленочного механизма было использовано уравнение Дерягина - Нерпина.

Рис. 4. Физическая модель распределения жидкой фазы в древесном капилляре

Для случая течения происходящего параллельно оси y:

(2)

где з - вязкость жидкости;

П - расклинивающее давление, являющееся функцией толщины слоя;

V_ц - скорость перемещения слоя жидкости по оси у;

с - плотность жидкости в слое;

g - ускорение силы тяжести;

в - угол наклона оси у к горизонту.

Из условия стационарности процесса следует, что суммарная скорость испарения G равна

 (3)

где G_п - поток пара;

G_ж - поток жидкости в пленке.

Используя преобразования Н.В. Чураева были получены расчетные формулы для определения G_п и G_ж для случая полного смачивания стенок капилляра водой и без учета возможного влияния термовлагопроводности.

Для гигроскопической зоны плотность потока влаги на поверхности материала определяется как

, кг/(м² •с) (4)

где n - количество капилляров, м^-2.

Для случая, когда влажность древесины больше предела гигроскопичности, i должен определяться как средневзвешенная величина с учетом количества капилляров каждого типа на единице площади.

В результате было получено уравнение для определения коэффициента влагопроводности

(5)

Вычисление величины а_m по (5) сопряжено с проблемой точного определения численного значения производной . Для исключения влияния данной погрешности на результат, определялось нормированное значение коэффициента влагопроводности.

(6)

где а_{m п.г.} - значение коэффициента влагопроводности при W = W_п.г.

Значения критерия фазового превращения определялись как

(7)

На рис. 5 приведены значения нормированного коэффициента влагопроводности для различных пород древесины в функции влажности, описываемые следующими уравнениями регрессии:

Рис. 5. Зависимость нормированного коэффициента влагопроводности от влажности древесины 1 - лиственница; 2 - дуб; 3 - береза; 4 - сосна

Сосна

(8)

Лиственница

(9)

Береза

(10)

Дуб

(11)

Общий характер зависимостей соответствует виду экспериментальных кривых, полученных W. Wissman и H. Shauss. Кроме того, зависимость влагопроводности от влажности соответствует уравнению проницаемости для древесины с непрерывно меняющейся влажностью, предложенному Б.Д. Руденко

(12)

где I₀ - номинальная проницаемость древесины;

б₀ - коэффициент проницаемости;

u - влажность;

l - толщина слоя.

Что касается расчетной величины критерия фазового превращения (рис. 6), то она также существенно зависит от влажности. Математическая обработка результатов вычислений позволила получить следующие уравнения регрессии для определения величины е.

Сосна

(13)

Лиственница

(14)

Береза

(15)

Дуб

(16)

Рис.6. Зависимость критерия фазового превращения от влажности древесины: 1 - дуб; 2 - дуб; 3 - лиственница; 4 - сосна; а - данные W. Wissmann [75]; б - данные В.В. Сергеева [91]; в - данные А.В. Лыкова и Ю.А. Михайлова [151]

В дальнейшем, используя полученные выше соотношения для G_п и i, а также известное соотношение А.В. Лыкова

 кг/(м²•с) (17)

где - коэффициент влагообмена, м/с;

- плотность пара, кг/м³;

u_n - влажность испаряющей поверхности;

u_p - равновесная влажность среды

было получено выражение для определения коэффициента влагообмена древесины

м/час (18)

При этом выражение (18) справедливо для случая турбулентного обтекания сохнущего тела средой. Для случая ламинарного обтекания, которое, например, имеет место при естественной циркуляции агента, выражение (18) приобретает вид

м/час (19)

где V_ц - скорость циркуляции, м/с;

V_ц.кр - критическое значение скорости циркуляции при Re = 2320.

Химический потенциал агента сушки может быть определен по формуле

(20)

где ц - относительная влажность;

R - универсальная газовая постоянная (R = 8,31 Дж/(моль • К));

Т - абсолютная температура, К.

Для того, чтобы гигроскопическая влага была удалена из древесины, агент сушки должен обладать величиной химического потенциала не меньшей, чем работа сорбции влаги древесиной, т.е.

(21)

где А_сорб - работа сорбции влаги древесиной.

Известно также, что в капиллярах достаточно малого радиуса (порядка 10^-7 см) над мениском жидкости происходит снижение относительного давления пара ц. Данное явление описывается хорошо известной формулой Томпсона.

На рис. 7 приведены расчетные значения химического потенциала, соответствующие различным значениям температуры и равновесной влажности среды. Можно отметить, что полученные результаты соответствуют экспериментальным данным A. Stamm по теплоте сорбции древесины сосны, причем значения химического потенциала несколько превышают значения работы сорбции, что отвечает (21). Исключение составляет зона экстремально низкой влажности древесины (менее 5 %), для которой значения химического потенциала оказалось ниже работы сорбции.

Возможно, это связано с неточностью определения ц для малых u_р, а также с неопределенностью точного значения коэффициента понижения ц для низких значений равновесной влажности.

Таким образом, величина химического потенциала может служить косвенной оценкой равновесной влажности среды, а, с другой стороны, можно заключить, что в приведенном диапазоне температур агент обладает достаточным химическим, а, значит, и влагопереносным потенциалом для сушки древесины до требуемых практическими нуждами значений влажности.

Рис.7. Химический потенциал среды и равновесная влажность древесины (1 - 4) - теплота сорбции (по графику A. Stamm, рис. 2.14) Химический потенциал, К: - 303; - 333; - 363.

В третьем разделе “Теоретические исследования кинетики и динамики сушки пиломатериалов в конвективных камерах” определена практическая пригодность разработанных моделей массопереноса в древесине для анализа процессов сушки.

Для проведения данного исследования была разработана эффективная методика анализа кинетики и динамики сушки пиломатериалов, которая включает в себя следующие частные методики:

1. Методика исследования полей влагосодержания в древесных сортиментах во времени.

2. Методика исследования развития влажностных напряжений в древесине.

3. Методика теоретических исследований процессов сушки при естественной циркуляции агента.

4. Методика анализа кинетики и динамики сушки отдельных сортиментов в зависимости от их положения в сечении бревна.

В общем случае для низкотемпературной сушки процессы тепломассообмена описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных (с соответствующими начальными и граничными условиями) предложенной академиком А.В. Лыковым. Однако в установившемся процессе тепло- и массообмен становятся практически несвязанными. Это позволяет решать более простую задачу

(22)

при начальном условии: (23)

и граничном условии: (24)

Для решения (22) - (24) была реализована конечно-разностная схема на сетке, для чего была разработана специальная программа в вычислительной среде Mathcad - 12 в операционной системе Windows XP.

Исходными данными для расчета во времени полей влагосодержания для данной программы являются:

· порода древесины;

· толщина доски;

· параметры закона изменения равновесной влажности в функции средней влажности пиломатериалов;

· шаг по времени;

· температура агента сушки;

· характеристики массопереноса (a_m, б_m).

Выходными параметрами программы являются:

· расчетные значения влажности древесины в каждой из n-точек по сечению доски в любой интересующий нас момент времени;

· средняя влажность по сечению доски;

· равновесная влажность агента сушки в заданный момент времени.

В основу расчета величины внутренних напряжений положена многостержневая модель доски, предложенная Б.Н. Уголевым.

Алгоритм вычислений величины внутренних напряжений для данной структуры модели следующий:

Величина напряжений в данный момент времени равна:

(25)

где у^* - напряжения на предшествующем этапе сушки;

Ду - приращение напряжений на данном этапе сушки.

Приращение напряжений в любом стержне многостержневой модели можно определить по формуле:

(26)

где n - число стержней (j = 1, 2, …, i = 1, 2, …, n, - номер стержня);

б - коэффициент усушки;

u, u^* - влажность древесины на данном и предшествующем этапе сушки;

Е - модуль упругости;

h - толщина стержня.

Таким образом, приращение напряжений в каком-либо i-ом стержне зависит как от его собственных параметров, так и от параметров каждого j-го из остальных стержней, причем на данном этапе, по сравнению с предшествующим у любого стержня может изменяться только величина модуля упругости, а толщина стержня должна оставаться неизменной, чтобы не нарушить условия равновесия напряжений в модели.

При проведении исследований была реализована специальная программа в среде Mathcad - 12, предназначенная для определения величины напряжений в функции времени.

Эта программа имеет следующую структуру:

1. Ввод исходных данных;

2. Вычисление значений влажности в каждом стержне многостержневой модели в заданные моменты времени;

3. Вычисление значений модуля упругости и величины допускаемых напряжений в стержнях в заданные моменты времени;

4. Вычисление величин внутренних влажностных напряжений в каждом из стержней многостержневой модели в заданные моменты времени;

5. Построение графиков.

Структура нормативных режимов принята трехступенчатой. Величина режимных параметров полностью соответствует РТМ. Категории режимов - нормальные. Для режимов сушки, реализующих принцип бесступенчатости использована структура режимов, рекомендованная Л.Н. Кротовым со следующими изменениями:

- температура по сухому термометру агента сушки выбирается равной температуре второй ступени нормативного режима. Дальнейшее ее увеличение приводит к возникновению недопустимых напряжений в древесине;

- степень насыщенности обрабатывающей среды изменяется не ступенчато, а плавно, что в большей степени соответствует современным принципам управления сушкой. Кроме того, для такого инерционного объекта как лесосушильная камера ступенчатое изменение какого-либо параметра возможно лишь чисто теоретически, т.к. на месте гипотетической ступени возникает масштабный переходный процесс, продолжающийся, как правило, несколько часов;

- закон изменения равновесной влажности агента сушки от влажности древесины:

, (27)

где W_рк - равновесная влажность среды в конце сушки (соответствует III ступени нормативного режима);

W_рн - равновесная влажность в начале сушки (соответствует I ступени нормативного режима);

b₀, b₁ - коэффициенты уравнения.

Выражение (27) представляет собой уравнение функции желательности, связывающей равновесную влажность с текущей влажностью сохнущей древесины. На рис. 8. приведен общий вид зависимости

, (28)

которая и является функцией желательности.

Рис. 8. График функции желательности

Следует отметить, что при выборе характера зависимости между равновесной и текущей влажностью древесины нами были опробованы различные виды уравнений (линейное, экспоненциальное и др.). Однако выражение (27) показало лучшие результаты как в отношении продолжительности сушки, так и процесса развития влажностных напряжений.

Использование моделей внешнего влагообмена при ламинарном обтекании сортиментов возможно лишь при достаточно точном знании скорости циркуляции. Кроме того, для повышения эффективности процесса сушки пиломатериалов при естественной циркуляции агента возможно применение так называемых осциллирующих режимов, предусматривающих изменение (увеличение и уменьшение) температуры во времени. Все это накладывает существенную специфику на методику подобных исследований.

В отличии от традиционного подхода к определению параметров естественной циркуляции воздуха в лесосушильных камерах нами учтены новые представления об аэродинамике:

1. Наличие помимо статического напора столба нагретого воздуха динамического напора в плоской струе над нагревателем;

2. Существенная зависимость коэффициента сопротивления штабеля от квадрата скорости циркуляции, а также от конструкции штабеля.

На основе теории свободных конвективных струй, автором которой является академик Г.Н. Абрамович, в диссертации разработана методика анализа процессов естественной циркуляции с учетом динамической составляющей напора. В результате получено следующее выражение для скорости циркуляции V_ц.

, м/с (29)

где S_k - площадь нагнетательных каналов, м²;

S_шт - суммарная площадь воздушных каналов штабеля, м²;

Н - высота бокового воздушного канала, м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Q₀ - линейная мощность нагревателя, кВт/м;

с_1, с₂ - плотность воздуха, соответственно, на входе в штабель и выходе из него, кг/м³;

в - коэффициент Буссинеска, м•с;

в_?t - температурный аналог коэффициента Буссинеска, с^-1;

с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг•⁰С;

Т₁ - абсолютное значение температуры воздуха на входе в штабель, К;

h_шт - высота штабеля, м;

л - коэффициент сопротивления трения (воздух - древесина);

d_экв - эквивалентный диаметр воздушного канала, м.

Полученные в результате расчета значения скорости циркуляции приведены в табл. 3.

Таблица 3 Скорость естественной циркуляции агента сушки в штабеле пиломатериалов

Толщина доски, мм	19	22	25	32	40	50	60	75
Скорость циркуляции, м/с	0,717	0,742	0,761	0,813	0,878	0,926	1,004	1,076

Данные табл. 3 показывают, что скорость циркуляции определяется, главным образом, толщиной пиломатериалов, подвергающихся сушке (при постоянной толщине прокладок и линейной мощности нагревателя).

Для лесосушильных камер с естественной циркуляцией эффективной оказывается структура режима с циклическим нагревом-охлаждением штабеля и промежуточным открытием выпускного канала (рис. 9).

Значительный интерес с точки зрения развития полей влагосодержания и, особо, внутренних напряжений вызывают доски, содержащие заболонь и ядро.

Разработанная методика анализа полей влагосодержания и влажностных напряжений позволяет делать это и для досок, содержащих заболонь и ядро одновременно (в дальнейшем будем называть такие сортименты заболонно-ядровые).

Рис. 9. Структура осциллирующего режима сушки в камере с естественной циркуляцией: t_н - начальная температура, ⁰С; t_ц.о. - температура циклового охлаждения, ⁰С; t_ц.н. - температура циклового нагрева, ⁰С; ф_пр. - продолжительность первоначального прогрева, час; ф_ц. - продолжительность циклового прогрева, час; ф_ц.о. - продолжительность циклового охлаждения, час; ф_о - продолжительность открытия вытяжного канала, час; ф_охл. - продолжительность конечного охлаждения, час; Д t_ц - амплитуда осциллирования температуры, ⁰С.

На основе разработанной методики был проведен масштабный вычислительный эксперимент (рис. 10 - 13), результаты которого позволяют сделать следующие выводы.

1. Исследования показали пригодность разработанной методики для анализа полей влагосодержания и динамики внутренних (влажностных) напряжений в древесине. Сопоставимость получаемых результатов с известными ранее также подтверждает правомерность применения предложенных моделей массопереноса в древесине.

2. Скорость протекания тепловых процессов при ламинарном и турбулентном обтекании доски оказывается близкой. Это позволяет говорить о том, что влияние скорости циркуляции на прогрев штабеля не является определяющим. При ламинарном обтекании доски температура агента сушки весьма существенно влияет на ее продолжительность. Это является следствием существенной зависимости влагопроводности древесины от температуры.

3. Коэффициент безопасности (Б) служит исчерпывающей характеристикой применения того или иного режима сушки. Однако применение режимов с Б близким к 1,0 недопустимо, т.к. при этом не обеспечивается необходимый запас прочности древесины. Для гарантированного сохранения целостности древесины необходимо, чтобы Б ? 1,3.

4. Применение осциллирующих режимов сушки при естественной циркуляции позволяет проводить сушку при минимальной величине коэффициента безопасности режима сушки в пределах 1,4 - 1,8, что полностью обеспечивает сохранение целостности древесины при сушке.

5. Расчетная величина диапазонов значений параметров режима сушки для целей оптимизации соответствует существующим представлениям.

6. Нормативные режимы вследствие их достаточно высокой жесткости не могут обеспечить приемлемое значение величины коэффициента безопасности.

7. Бесступенчатая структура режима позволяет получать сухие пиломатериалы требуемого качества при приемлемой продолжительности процесса.

8. Сушка трудносохнущих пород должна проводиться с применением специальных режимов, иначе невозможно обеспечить целостность древесины после ее сушки.

9. Сушка заболонно-ядровых досок должна проводиться с применением мягких режимов с повышенной начальной и конечной равновесной влажностью. Особо “трудносохнущими” оказываются доски с содержанием заболони 75 % и выше. Однако количество таких досок оказывается статистически незначимым, что позволяет избежать разработки специальных режимов для их сушки.

В четвертом разделе “Общие методические положения” обоснованы конструкции и характеристики экспериментальных лесосушильных камер, рассматриваются основные методические положения проведения опытов и обработки их результатов.

Сформулированы требования к точности метода контроля высушенной древесины.

Рис. 10. Кинетика и динамика сушки пиломатериалов: естественная циркуляция; температура - 80 ⁰С; равновесная влажность - 10 %; а) Изменение влажности древесины во времени: 1 - средняя влажность; 2 - внутренние слои; 3 - наружные слои; б) Внутренние напряжения в поверхностных слоях древесины: 1 - влажностные; 2 - допускаемые: в) Распределение влажности по толщине доски в различные моменты времени сушки

На основании требований РТМ и согласно теории ошибок получены уравнения для оценки диапазонов методов.

1. Определения средней конечной влажности:

, (30)

Рис. 11. Кинетика и динамика сушки пиломатериалов: порода древесины - сосна; толщина доски - 40 мм; режим сушки - 4-Н; а) Изменение влажности древесины во времени: 1 - средняя влажность; 2 - внутренние слои; 3 - наружные слои: б) Внутренние напряжения в поверхностных слоях древесины: 1 - влажностные; 2 - допускаемые: в) Распределение влажности по толщине доски в различные моменты времени сушки



Рис. 12. Кинетика и динамика сушки пиломатериалов: порода древесины - сосна; толщина доски - 40 мм; температура - 80 ⁰С; равновесная влажность: начальная - 15 %; конечная - 8%: а) Изменение влажности древесины во времени: 1 - средняя влажность; 2 - внутренние слои; 3 - наружные слои; б) Внутренние напряжения в поверхностных слоях древесины: 1 - влажностные; 2 - допускаемые; в) Распределение влажности по толщине доски в различные моменты времени сушки

2. Определения послойной влажности:

, (31)

, (32)

где дW_пд - допустимое отклонение конечной влажности в партии от среднего;

Рис. 13. Кинетика и динамика сушки заболонно-ядровых досок: S_з/S_я = 0,75 (равновесная влажность: W_рн = 18 %; W_рк = 10 %); а) Кинетика средней влажности: 1 - заболонь; 2 - ядро; б) Кинетика влажности на границе заболонь - ядро: 1 - заболонь; 2 - ядро; в) Внутренние напряжения (при ф = 150 час): 1 - влажностные; 2 - допускаемые

дW_т - допустимый перепад влажности по толщине.

Расчетные значения параметров метода контроля влажности древесины приведены в табл. 4.

Таблица 4 Общие требования к методу контроля влажности древесины при сушке пиломатериалов

Допустимая погрешность определения влажности, SW, %	Диапазон определения влажности, %
0,125	1,8 - 22,75

Определены требования к точности взвешивания, при реализации сушильно-весового метода контроля получено уравнение:

, (33)

где S_m - допустимая погрешность определения массы влаги и массы сухого древесного вещества;

S_w - допустимая погрешность определения влажности W образца древесины массой m_w.

Произведенные далее расчеты позволяют констатировать следующее:

· точность взвешивания 0,1 г, которая регламентирована ГОСТ 16588 - 91 позволяет получить в какой-то степени приемлемую точность определения влажности древесины только для секций влажности крупных сечений пиломатериалов. При этом точность оказывается приемлемой только для II - III категории качества сушки;

· точность взвешивания 0,01 г, которая была регламентирована ГОСТ 16588 - 79, позволяет получить требуемую I категорией качества сушки точность определения влажности для большинства сечений пиломатериалов. Исключение составляют достаточно мелкие сечения при толщинах пиломатериалов 16, 19 и 22 мм;

· точность определения влажности для пиломатериалов мелких сечений возможна за счет повышения массы секций влажности указанных сечений.

Подтверждено, что рекомендуемое РТМ количество секций влажности (для ее определения сушильно-весовым методом) при метрологических характеристиках применяемых методов является достаточным.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили достаточность точности взвешивания 0,01 г.

Разработан метод контроля влажности древесины в процессе ее сушки.

В качестве метода контроля выбран метод, основанный на определении разности температур агента сушки на входе в штабель и выходе из него.

В основе практической реализации метода лежит выведенное В.П. Агаповым выражение:

, (34)

где с_б - базисная плотность древесины, кг/м³;

S₂ - ширина сортимента, м;

S₁ - толщина сортимента, м;

Т - толщина прокладки, м;

с₁ - плотность сушильного агента на входе в штабель, кг/м³;

щ_ц - скорость циркуляции сушильного агента, м/с;

а_m - коэффициент влагопроводности древесины, м²/с;

б_m - коэффициент влагообмена, м/с;

d - влагосодержание сушильного агента на входе в штабель, г/кг;

Д t - разность температуры сушильного агента на входе и выходе из штабеля, ⁰С;

В - коэффициент.

В табл. 5 приведены данные метрологической оценки данного метода контроля влажности древесины.

Таблица 5 Погрешность определения влажности древесины по перепаду температур на штабеле

Влажность древесины, %	, %
8	1,36	0,66
25	2,49	1,22
35	4,97	2,29

Примечание: Д W - предельная, а Д W* - среднеквадратическая погрешность определения влажности древесины.

Проведенная экспериментальная проверка подтвердила данные теоретических исследований (см. рис. 14) в отношении достаточной точности определения влажности древесины при сушке пиломатериалов.

В пятом разделе “Исследование процессов сушки пиломатериалов” приведены данные экспериментальных исследований процессов сушки осциллирующими режимами при естественной циркуляции агента и, соответственно, бесступенчатыми режимами в камерах с принудительной циркуляцией.

Рис. 14. Метрологические характеристики методов контроля влажности древесины: - сушильно-весовой метод; - метод по перепаду температур на штабеле; - доверительный интервал для сушильно-весового метода.

По первому направлению исследований после проведения предварительных экспериментов был реализован трехфакторный В-план.

Переменными факторами при проведении эксперимента являлись:

t₀ - температура охлаждения штабеля, ⁰С;

_Дt - амплитуда осциллирования температуры, ⁰С;

ф₀ - продолжительность открытия шибера воздушной заслонки, мин.

Выходными параметрами являлись:

Т_суш - продолжительность сушки, час;

S - среднеквадратическое отклонение влажности пиломатериалов, %;

N - расход энергии на сушку, ГДж/м³;

у - внутренние напряжения в пиломатериалах после сушки (определялись качественно, по отклонению зубцов силовой секции).

В явном виде функции отклика имеют вид:

 (35)

(36)

(37)

Затем при помощи процедур в Mathcad - 12 была проведена частная оптимизация по каждому выходному параметру, а затем определены рациональные значения параметров режима сушки методом условного центра масс:

.

При этом значения выходных параметров процесса сушки составляют:

T_суш = 136 час, S = 0,52 %, N = 1,13 ГДж/м³.

На рис. 15 представлены зависимости выходных параметров эксперимента от входных (при ф₀=30 мин). На всех графиках прослеживается наличие четко выраженного минимума поверхностей отклика.

Рис. 15. Зависимость выходных параметров процесса сушки от входных (камера с естественной циркуляцией, режим осциллирующий): а) Продолжительность сушки; б) Среднеквадратическое отклонение; в) Расход энергии на сушку.

Таким образом, проведенный эксперимент полностью подтвердил высокую эффективность выбранной структуры режима при качестве пиломатериалов, соответствующем I категории качества сушки.

В 2003 году на мебельно-обрабатывающем комплексе ОАО «ВСМПО» была смонтирована и запущена опытно-промышленная камера с естественной циркуляцией агента сушки, на которой были проведены опытные сушки осциллирующими режимами, с последующим внедрением опытной технологии. Анализ результатов производственных исследований позволяет заключить следующее:

· В исследованном диапазоне изменения управляющих факторов качество сушки пиломатериалов высокое, в основном соответствует I категории качества по неравномерности конечной влажности;

· Подтвердились результаты лабораторных исследований в части влияния температуры на внутренние напряжения. При этом I категория качества сушки достигается при температуре 62 ⁰С и ниже.

По второму направлению при экспериментальных исследованиях также был реализован план В₃. Переменные факторы при проведении эксперимента:

ц_н - степень насыщенности среды в начале сушки;

ц_к - степень насыщенности среды в конце сушки;

t_с - температура агента сушки по сухому термометру, ⁰С.

Структура режима соответствовала описанным ранее требованиям при оптимальном управлении процессом.

Выходные параметры эксперимента были такими же, как и в исследовании по первому направлению функции отклика в данном случае имели вид (рис. 16):

, (38)

, (39)

(40)

Рис. 16. Зависимости выходных параметров процесса сушки бесступенчатым режимом от входных: а) Продолжительность сушки; б) Среднеквадратическое отклонение влажности; в) Энергозатраты на сушку

Натуральные значения переменных, соответствующих решению компромиссной задачи:

.

При этом

T_суш = 137,73 час, S = 0,835 %, N = 1,876 ГДж/м³.

Для проведения сравнительного анализа полученных результатов эксперимента был проведен ряд контрольных сушек пиломатериалов по нормативным режимам. Результаты данной серии опытов приведены в таб. 6.

Таблица 6 Результаты опытных сушек нормативными режимами

Режим сушек	Кол-во сушек	Выходные параметры процесса
		Продолжительность сушки	Среднеквадратическое отклонение	Расход энергии на сушку
		Тср, час	SТ	Sср, %	Ss, %	Ncp, ГДж/м3	SN, ГДж/м3
5 - Н	8	144	17,2	1,35	0,12	2,24	0,18

Примечание. Внутренние напряжения во всех сушках соответствовали II категории качества сушки

Результаты проведенных исследований позволяют заключить, что:

· Сушка пиломатериалов бесступенчатыми режимами при рациональном значении параметров позволяет, по сравнению с нормативными режимами, существенно повысить значения показателей эффективности (продолжительность сушки и затраты энергии на сушку).

· Качественные показатели сушки в случае применения бесступенчатого режима также существенно выше: в 1,6 раза меньше значения среднеквадратического отклонения влажности, а величина внутренних напряжений соответствует I категории качества. В то же время при сушке нормативными режимами величина внутренних напряжений соответствует второй категории качества.

В дальнейшем были проведены производственные испытания предложенной нами технологии сушки, которые подтверждены актами испытаний на ряде предприятий и также подтвердили высокую эффективность сушки пиломатериалов бесступенчатыми режимами.

В шестом разделе “Оценка технико-экономической эффективности использования результатов работы” изложена методика расчета экономического эффекта от внедрения разработанной технологии сушки за счет экономии энергии и снижения брака. Годовой экономический эффект при объеме сушки 5,0 тыс. м³ составляет 721 тыс. руб. в ценах 2004 года.

коллоидный древесина сушка пиломатериал

Основные выводы и рекомендации

Изучение принципиальных вопросов конвективной сушки пиломатериалов позволяет сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. В современных условиях эффективность сушки может быть оценена величиной суммарного расхода энергии на сушку 1 м³ пиломатериалов. При этом существенное снижение энергозатрат при конвективной сушке возможно по следующим направлениям:

· использование камер с естественной циркуляцией при полном исключении расхода электроэнергии на привод вентиляторов.

· интенсификация процесса.

2. Совокупность параметров режима определяет эффективность и качество высушиваемой древесины, следовательно, задача о повышении значений данных показателей является оптимизационной и многокритериальной.

3. Капиллярная влагопроводность древесины существенно зависит от ее температуры. При положительных температурах сушка в области ниже гигроскопической происходит в основном по закономерностям диффузии, которые описываются законом Стефана. При этом попытки усреднения значений коэффициента влагопроводности древесины приводят к существенным ошибкам при расчете полей влагосодержания, продолжительности сушки, а также величины внутренних напряжений в древесине.

4. Коллоидная капиллярно-пористая структура древесины может быть представлена физической моделью в виде системы макрокапилляров, представляющих собой части анатомических элементов древесины и непостоянных микрокапилляров, радиус которых функционально зависит от влажности древесины в гигроскопической области.

5. Для капиллярно-пористых тел, каким является древесина, влагообмен с внешней средой происходит за счет удаления влаги из капилляров, выходящих на поверхность. При равновесии жидкости в капилляре над ее мениском на стенке образуется полимолекулярная пленка, с толщиной, уменьшающейся по определенному закону. Если радиус капилляра составляет не более 10^-5 м, то скорость испарения определяется не только диффузионным потоком пара, но и потоком, переносимым пленкой при ее течении под влиянием градиента толщины. Подтверждена возможность использования уравнения Дерягина-Нерпина для определения вклада пленочного механизма. Полученные в результате анализа моделей капиллярного испарения уравнения для определения нормированного коэффициента влагопроводности показали его существенную зависимость от влажности древесины. В результате анализа соотношения между капиллярным испарением и пленочным переносом влаги получены зависимости коэффициента фазового превращения е в функции влажности сохнущей древесины.

6. В полученных аналитически уравнениях значения коэффициента влагообмена древесины зависят от абсолютной температуры, равновесной влажности среды и критерия фазового превращения, а при ламинарном характере потока газа, обтекающего сохнущее тело, еще и от скорости циркуляции.

7. Для полного удаления гигроскопической влаги из древесины агент сушки должен обладать химическим потенциалом не меньшим, чем работа сорбции влаги древесиной. При этом значение химического потенциала агента сушки может служить косвенной оценкой равновесной влажности среды.

8. Теоретические исследования кинетики и динамики сушки пиломатериалов в камерах с естественной и принудительной циркуляцией показали практическую пригодность моделей массопереноса в древесине для анализа процессов развития полей влагосодержания и влажностных напряжений в древесине.

9. Контроль влажности древесины непосредственно в процессе ее сушки по разности температур на штабеле является наиболее эффективным за счет простоты технической реализации. Полная ошибка определения влажности при этом зависит от свойств древесины, геометрических параметров высушиваемых сортиментов и параметров агента сушки. Метрологические характеристики метода достаточно высоки (2 - 5 %), что позволяет рекомендовать метод для практического использования.

10. Для лесосушильных камер с естественной циркуляцией эффективной оказывается структура режима с циклическим нагревом-охлаждением штабеля, что позволяет существенно сократить продолжительность сушки пиломатериалов и повысить их качество. Бесступенчатая структура режима в камерах с принудительной циркуляцией позволяет получать сухие пиломатериалы требуемого качества с минимальными затратами энергии. Построенные по результатам эксперимента математические модели, представляющие собой зависимости эффективности и качества сушки пиломатериалов от параметров режима, позволяют решать задачи оптимизации, в том числе компромиссную задачу, после решения которой получены рациональные значения параметров режима.

11. При выполнении работы было разработано и использовалось следующее программное обеспечение:

...