Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов и технологий сушки древесины 7
1.1 Анализ структуры энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов 7
1.2 Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов 11
1.3 Лесосушильные камеры с естественной циркуляцией воздуха 17
1.4 Технология сушки древесины в сушильных камерах периодического действия. Требования к системе стабилизации технологических параметров 33
1.5 Основные типы сушильных камер 39
1.6 Выводы. Задачи исследований 42
2. Метод сушки пиломатериалов в камере с комбинированной циркуляцией 47
2.1 Осциллирующие режимы сушки пиломатериалов при естественной циркуляции агента сушки 47
2.2 Алгоритмы комбинированной сушки древесины 50
2.3 Лесосушильная камера с комбинированной циркуляцией 54
2.4 Выводы 57
3. Математические модели лесосушильных камер 58
3.1 Определение теплового баланса для технологического процесса в лесосушильной камере 58
3.2 Структурные модели лесосушильной камеры с естественной циркуляцией 62
3.2.1 Модель лесосушильной камеры с естественной циркуляцией по температуре 64
3.2.2 Модель лесосушильной камеры с естественной циркуляцией по влажности 67
3.2.3 Комбинированная модель по температуре и влажности с естественной циркуляцией 69
3.3 Структурная модель лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией 72
3.3.1 Модель лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией по температуре 72
3.3.2 Модель лесосушильной камеры с комбинированной циркуляцией по влажности 74
3.3.3 Комбинированная модель по температуре и влажности с комбинированной циркуляцией 77
3.4 Выводы 80
4. Экспериментальные исследования лесосушильных камер 81
4.1 Исследование процессов сушки древесины в камере с естественной циркуляцией 81
4.2 Исследование процессов сушки древесины в камере с комбинированной циркуляцией 86
4.3 Сравнение результатов эксперимента с результатами моделировани 91
4.4 Инженерная методика расчета экспериментальной камеры 96
4.5 Выводы 115
Заключение 116
Библиографический список
- Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов
- Лесосушильная камера с комбинированной циркуляцией
- Модель лесосушильной камеры с естественной циркуляцией по влажности
- Сравнение результатов эксперимента с результатами моделировани
Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов
Многочисленные исследования [39 - 44] также подтвердили отрицательное влияние повышенной температуры на качество высушенной древесины. При этом уменьшается прочность древесины на 6 - 20 % для хвойных пород и до 30 % - для лиственных, увеличивается хрупкость древесины, выплавляется смола, выдавливаются сучки, заметно темнеет цвет древесины, имеется значительная пересортица - переход пиломатериалов из высших сортов в низшие (до 20 % и более). Из-за экономии в 1 - 2 % на высокотемпературных режимах теряется во много раз больше на снижении качества древесины.
И. В. Кречетов, на протяжении многих лет занимавшийся проблемами высокотемпературной сушки [29, 30, 39, 40], в одной из своих последних работ [5] весьма категорично высказался в отношении проблем качества сушки: «Сушка пиломатериалов перегретым паром атмосферного давления есть порча его как материала вследствие перегрева древесины». Значительный интерес представляет направление в разработке режимов сушки пиломатериалов, основанное на явлении термовлагопроводности [45].
В работах [13, 16] в качества путей снижения расхода энергии на камерную сушку пиломатериалов выделяются следующие:
Отказ от распыления воды в период прогрева штабеля пиломатериалов и проводение начальной термообработки при закрытых воздушных каналах. При незначительных изменениях влажности древесины в наружных слоях воздух камеры насыщается влагой, сушка прекращается. В наиболее ответственных случаях сушки можно прибегать к применению устройства [46], состоящего из регулируемой емкости для воды, помещенной в камеру и оснащенной нагревателем.
Применение осциллирующих режимов сушки и совершенной системы автоматического управления [47]. При этом важным является то, что система регулирования управляет процессом сушки [48], а не параметрами влажного воздуха, как в стандартной технологии. В системе есть устройство контроля скорости испарения влаги, с помощью которого можно регулировать состояние воздуха, меняющееся по мере высыхания древесины. При этом уменьшается относительная влажность воздуха, тем самым косвенно отражая уменьшение влажности древесины. Это позволяет автоматизировать процесс контроля влажности древесины без применения специальных датчиков влажности, а также точно фиксировать окончание процесса сушки древесины при достижении древесиной заданной влажности.
Кроме того, при применении данной технологии нет необходимости в оборудовании камер приточными каналами. В необходимые моменты времени влага удаляется через вытяжные каналы за счет разности парциальных давлений.
Самым радикальным способом энергосбережения является отказ от применения в камерах вентиляторных узлов и переход (вернее, возврат) к естественной циркуляции воздуха [49]. Применение оригинальной аэродинамической схемы вместе с нестандартным формированием штабеля позволяет получить скорость циркуляции агента сушки до 1 м/с и выше. Это позволяет надеяться на достаточно высокое качество сушки.
Предлагаемые мероприятия позволяют довести КПД сушки почти до 60 % при одновременном снижении суммарного расхода энергии более чем в 2 раза и снижения ее стоимости более чем в 3 раза.
Камеры с естественной циркуляцией агента сушки были весьма распространены в отечественной промышленности в 30-е - 50-е годы прошлого столетия [4, 50 - 56]. Наибольшее распространение получили камеры системы профессора В. Е. Грум-Гржимайло (периодического и непрерывного действия), «Пекар», «Некар» и некоторые другие.
К преимуществам камер с естественной циркуляцией воздуха можно бесспорно отнести следующее: Простота конструкции (отсутствие вентиляционного оборудования). Относительно более низкую (по сравнению с камерами с принудительной циркуляцией) стоимость самой камеры и, соответственно, более низкий уровень амортизационных затрат.
Согласно сложившемуся мнению [4, 51, 54], причины недостатков камер с естественной циркуляцией воздуха кроются в крайне низкой скорости циркуляции (в пределах 0,2 м/с). Действительно, с увеличением скорости циркуляции воздуха по материалу сокращается продолжительность сушки и увеличивается производительность камер, но возрастают эксплуатационные расходы (см. выше). При малой скорости движения воздуха доски просыхают неравномерно, наблюдается перепад влажности материала, лежащего у входа воздуха в штабель и выхода из него. Проходя через штабель, воздух увлажняется. При малой скорости движения часть пути он проходит в насыщенном состоянии и поэтому не может захватывать с собой влагу из досок, лежащих относительно дальше от входа в штабель. Если скорость воздуха сравнительно большая, то благодаря его большому количеству и быстрому прохождению по материалу, каждое место штабеля равномерно омывается воздухом.
В дальнейшем необходимо разобраться: а какой же величины должна быть скорость циркуляции, чтобы обеспечить необходимую равномерность и скорость сушки пиломатериалов. Вопрос о скорости циркуляции агента сушки являлся предметом многих исследований.
Greenhill [57] исследовал влияние скорости циркуляции воздуха на продолжительность сушки древесины в «узких» штабелях, где различие в условиях режима по обеим сторонам штабеля можно не учитывать. Результаты его опытов показывают, что критическая скорость циркуляции воздуха в штабеле составляет 0,6 м/с. При дальнейшем увеличении ее продолжительность сушки не уменьшается. Если скорость циркуляции меньше критической, то скорость сушки значительно снижается.
Junkins [58] на основе опытных сушек дугласовой пихты установил, что повышение скорости циркуляции воздуха с 0,61 до 1,65 м/с не изменяет скорость сушки. П. С. Серговский [59] также указывает, что «скорость воздуха не оказывает непосредственного влияния на продолжительность сушки пиломатериалов. Исключение могут составлять лишь очень тонкие материалы».
Шлюттер и Фессель [60] отмечают, что для материала с высокой начальной влажностью несомненна значительная роль движения воздуха в первый период сушки (период удаления свободной влаги). Во второй период, когда скорость просыхания материала лимитируется влагопроводностью древесины, значение скорости движения воздуха уменьшается. Авторы высказывают предположение, что на поверхности древесины вследствие ее шероховатости образуется слой покоящегося воздуха, который задерживает переход влаги из древесины в воздух. Для перемещения насыщенного слоя и замены его более сухим необходимо увеличить скорость циркуляции воздуха.
Приводятся также данные, подтверждающие это предположение (срок сушки материала с низкой начальной влажностью был меньше в тех случаях, когда скорость циркуляции воздуха была больше). К аналогичному мнению пришли Geul [61] и Sturany [62], выявившие значительное сокращение срока сушки пиломатериала с увеличением скорости циркуляции воздуха в штабеле. Согласно данным работы [50], исследования, проведенные ВТИ показали, что увеличение скорости циркуляции с 0,5 до 2,0 м/с (т.е. в 4 раза) увеличивает интенсивность испарения приблизительно в 2 раза.
Лесосушильная камера с комбинированной циркуляцией
Для устранения основных недостатков камер с естественной циркуляцией, таких как высокая продолжительность сушки и высокая неравномерность просыхания, предлагается создание автоматизированной установки для сушки древесины с комбинированной циркуляцией [118 - 122].
Алгоритм простейшего комбинированного режима сушки. Комбинированный режим представляет собой совокупность сушки с естественной циркуляцией с циклическим нагревом-охлаждением штабеля и промежуточным открытием выпускного канала (которая является наиболее эффективной для этого типа камер) и принудительной циркуляции. Пример простейшего комбинированного режима приведен на рис. 2.3.
Помимо нагрева до определенной температуры, требуется её поддержание на заданном уровне в течение временных отрезков соответствующих режимов сушки. Для этого предлагается использование автоматики на каждой «ступени» сушки. Пример алгоритма и график такого режима представлены на рис 2.4-2.5. «Верхняя ступень» - нагрев и поддержание температуры штабеля около верхнего температурного предела осцилляции (1:ц.п.), без использования вентилятора. «Нижняя ступень» - охлаждение штабеля и поддержание нижнего температурного предела осцилляции (1:ц.0.), с включенным вентилятором.
С использованием современной автоматики и контроля текущих параметров внутри камеры с помощью датчиков, возможна реализация практически любой последовательности прогрева, охлаждения и продува, согласно требованиям заданной категории качества и скорости сушки.
Для создания более мягкого режима сушки потребуется либо снизить скорость воздуха при продуве, либо уменьшить время продува. Возможно исключить работу вентилятора из «нижней ступени», сделав кратковременный продув камеры непосредственно в заключении каждого цикла (рис. 2.5). Это позволит снизить энергозатраты на привод вентилятора. Начало
В данное время большая часть используемых в промышленности лесосушильных камер с естественной циркуляцией морально и технически устарела. Особенно это сказывается на продолжительности сушки.
Снижение продолжительности сушки возможно осуществить с помощью применения осциллирующих режимов.
Сущность циклового (осциллирующего) прогрева заключается в том, что общее время сушки по ступеням режима делится на циклы прогрева материала и его охлаждения по нормативной их продолжительности. Температурный разрыв между циклами прогрева и охлаждения принят в пределах 10 - 15 С.
Сначала температура в камере повышается, повышая тем самым температуру верхних слоев древесины. При последующем понижении влажности и температуры воздуха в камере наружные слои древесины начинают отдавать влагу, в результате чего их температура становится ниже температуры внутренних слоев. В этом и заключается основной смысл применения осциллирующих режимов, т. к. продвижение влаги происходит от более нагретых слоев к менее нагретым. Таким образом, главное преимущество режима заключается в ускорении сушки. Помимо этого, усушка происходит равномернее, т. к. периодическое увлажнение наружных слоев приводит к устранению опасных напряжений.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является полупромышленная лесосушильная камера в лаборатории сушки ОАО «УралНИИПДрев» [123]. Недостатками известного устройства считают высокую продолжительность, а также сравнительно высокую неравномерность сушки.
Задача, положенная в основу предлагаемой схемы устройства, заключается в ускорении процесса сушки в данной камере и более равномерного распределения конечной влажности в пиломатериале, без потери качества.
Поставленная задача решается следующим образом (рис. 2.6) [124, 125]. В корпус камеры помещен штабель пиломатериала. Нагрев воздуха в камере производится при помощи теплоэлектронагревателей (ТЭНов), управляемых автоматизированной системой управления сушильной камерой (АСУ) по заданной программе.
Периодический продув камеры осуществляется при помощи центробежного вентилятора, приводимого в движение асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя частоты, который управляется АСУ. При этом выведение влажного воздуха, прошедшего через штабель, производится через клапан, оснащенный шибером с электроприводом, управляемым АСУ.
Контроль температуры и влажности в камере и внутри штабеля производится при помощи датчиков температуры и влажности, сигнал от которых передаётся в АСУ, которая через адаптер сети подключена к персональному компьютеру (ПК), посредством которого в систему вносятся программы сушки и ведётся контроль процесса.
Таким образом, организуется периодическая принудительная вентиляция - насыщенный влагой воздух удаляется из камеры. Одновременно с этим происходит более интенсивное охлаждение штабеля, что положительно сказывается на продолжительности процесса сушки. А также, благодаря ускорению прохождения воздуха по штабелю, снижается неравномерность распределения конечной влажности по пиломатериалу.
Модель лесосушильной камеры с естественной циркуляцией по влажности
Для проведения исследований используется следующая экспериментальная модель (рис. 4.5) [124]: в нижней части камеры устанавливается центробежный вентилятор (19), приводимый в движение асинхронным двигателем (18). Питание двигателя осуществляется от преобразователя частоты (IV), управляемого микроконтроллером (автоматической системой контроля и управления камеры).
Данный вентилятор включается на продув камеры согласно заданного режима сушки. Таким образом, организуется периодическая принудительная вентиляция - насыщенный влагой воздух удаляется из камеры. Одновременно с этим происходит более интенсивное охлаждение штабеля, что положительно сказывается на продолжительности процесса сушки. Кроме того, благодаря ускорению прохождения воздуха по штабелю снижается неравномерность распределения конечной влажности по пиломатериалу.
В камере реализован принцип естественной циркуляции агента сушки. Камера состоит из теплоизолирующего корпуса 1, который закрыт теплоизолирующей крышкой 2. Загрузка пиломатериалов производится сверху. Штабель пиломатериалов 3 ребровым способом укладывается на подштабельное основание 4. С двух сторон от штабеля расположены экраны 5. Между стенами камеры и экранами образуются циркуляционные каналы. В нижней части этих каналов расположены нагреватели 6 (ТЭНы). Кроме того, в углублении в дне камеры расположен еще один дополнительный нагреватель 7. При необходимости в ёмкость, образуемую данным углублением, может подаваться вода, которая может нагреваться нагревателем 7. Это находит применение в случаях, когда необходима первичная пропарка древесины перед сушкой, а также когда необходимо дополнительно увлажнять среду камеры.
Камера снабжена вытяжным каналом 8, оснащенным управляющим шибером с электроприводом 10. Контроль температуры и относительной влажности воздуха производится при помощи датчиков температуры 11 и влажности 9. Кроме того, ниже штабеля расположен еще один датчик температуы 12, который позволяет контролировать температуру воздуха в нижней части камеры, что для камер с естественной циркуляцией воздуха является особенно актуальным. Данные со всех датчиков заводятся в автоматическую систему управления (АСУ) работой камеры 13. АСУ при помощи указанных выше датчиков получает информацию о ходе процесса сушки и выдает регулирующие воздействия на включение и выключение нагревателей 6, 7, а также управляет работой вытяжного воздушного канала. Программируемый контролер автоматического регулятора АСУ хранит в памяти заданные режимы сушки. При помощи адаптера сети 14 (интерфейс RS-232/485) АСУ подключена к компьютеру 15, специальное программное обеспечение которого позволяет получить текстовую и графическую информацию о ходе процесса сушки. Контроль израсходованной на сушку пиломатериалов электроэнергии определяется по счетчику 16.
Эксперимент проводится по той же программе, что и в первом случае (рис. 4.4), за исключением того, что вместо этапа естественного проветривания (открытие клапана) вводится этап включения вентилятора для проветривания камеры (5 минут в конце каждого цикла).
Из результатов эксперимента (рис. 4.6) видно, что влажность испытуемых образцов падает более интенсивно, чем в эксперименте №1. В количественном соотношении конечная влажность составила 32,1% и 21,3%, то есть при использовании комбинированной циркуляции при данных параметрах и принятом временном отрезке интенсивность сушки увеличилась в 1,5 раза, что наглядно видно по линиям тренда с полиноминальным приближением 6-ой степени, добавленным на график после обработки результатов эксперимента (рис. 4.7). Следует также отметить, что время сушки при комбинированном способе сократилось на треть, т.е. влажность 32,1% была достигнута за 205 минут против 300 минут при способе естественной сушки (рис. 4.7).
Сравнение результатов эксперимента с результатами моделировани
В зависимости от требований, предъявляемых к качеству сухой древесины, пиломатериалы могут высушиваться режимами различной жесткости. Выбор в каждом конкретном случае режимов той или иной категории производится с учетом характера их воздействия на свойства древесины [128, с. 13—15].
В камерах периодического действия применяются режимы низкотемпературного и высокотемпературного процесса [129].
Режимы низкотемпературного процесса по степени жесткости делятся на три категории: мягкие (М), нормальные (Н) и форсированные (Ф). Для воздушных и паровоздушных камер при сушке пиломатериалов из древесины сосны, ели, пихты и кедра эти режимы можно взять из табл. 10 [130, с. 177]. Для нашего примера мы выбираем III категорию качества сушки и мягкий режим по ГОСТ 19773—84:
По выбранному режиму назначаются расчетная температура ti и относительная влажность воздуха рх со стороны входа в штабель. Для камер периодического действия эти параметры берутся по второй (средней) ступени режима ( W= 35 -20%): tb= 58С, рх =0,59. Влагосодержание di , теплосодержание її плотность рх и приведенный удельный объем Vnp.i определяются по Id-диаграмме. Если точка 1, характеризующая на Id-диаграмме состояние воздуха на входе в штабель, выходит за пределы диаграммы, влагосодержание di, что и произошло в нашем случае, следует вычислять по уравнению: где n — количество штабелей в плоскости, перпендикулярной входу циркулирующего агента сушки (для нашего расчета п=1); 1 и h — длина и высота штабеля, м (по Таблице 4.1: 1 = 0,15 м, h = 0,048 м 4 ряда = 0,192 м);
Расход тепла на сушку складывается из затрат тепла на прогрев материала, испарение влаги из него и на теплопотери через ограждения камеры. Затраты тепла на прогрев ограждений, технологического и транспортного оборудования учитываются введением поправочных коэффициентов. Расчет ведется для зимних и среднегодовых условий. где pw — плотность древесины расчетного материала при заданной начальной влажности WH, кг/м ; ро —базисная плотность древесины расчетного материала, кг/м (для сосны рб =400 кг/м ,WH — начальная влажность расчетного материала, %; W г ж — содержание незамерзшей связанной (гигроскопической) влаги, % (определяется по [127, рис. 2.3], в нашем случае W г ж =14%); у— скрытая теплота плавления льда (335 кДж/кг); с(_)5с(+) — средняя удельная теплоемкость соответственно при отрицательной и положительной температуре, кДж/ (кг С); to — начальная расчетная температура для зимних условий, для Иркутска to=- 38 С; t пр — температура древесины при ее прогреве, С (для нашего расчета t пр =64 С ) [127, табл. 2.4, табл. 2.5].
В камерах периодического действия первой технологической операцией после загрузки штабеля является начальная обработка материала (прогрев). Температуру среды t пр при прогреве пиломатериалов мягких хвойных пород (сосна, ель, кедр, пихта) поддерживают в зависимости от их толщины и категории режима сушки.
При определении удельной теплоемкости древесины, [130, с. 34], средняя температура, С древесины принимается зимой 2 ч на каждый сантиметр толщины материала (в нашем случае, в связи с небольшим размером рассчитываемой установки и материала, загружаемого в неё, примем прогрев равным 0,66 часа - 40 минут). Удельный расход тепла на испарение влаги в лесосушильных камерах с многократной циркуляцией при сушке воздухом, кДж/кг где І2 — теплосодержание воздуха на выходе из штабеля, (из п.п.5 12=264,75 кДж/кг); 10 — теплосодержание свежего (приточного) воздуха, кДж/кг; do — влагосодержание свежего (приточного) воздуха, г/кг (по [127, с.44] принимаем 10 = 46 кДж/кг, do = 10 г/кг); d2 — влагосодержание воздуха на выходе из штабеля, г/кг; tnp — температура нагретой влаги в древесине, С; принимается равной температуре прогрева, св — удельная теплоемкость ев=4,19 кДж/(кг с) воды д„гд= 1000-264,75 46-4,19-64 = 2865,3 ф/с/кг 79,81-10 Далее найдем общий расход тепла на испарение влаги, кВт QHOI = Чисптр = 2865 3 0000288 = 0,083 кВт (4.23) Теплопотери через ограждения камеры в единицу времени, кВт Уог = ог ( с fo)l" /4 24) где For - суммарная поверхность ограждений, (по размерам, указанным в п.п. 4.1, принимаем равным 0,8м ); к — коэффициент теплопередачи соответствующего ограждения камеры (по [127, с.44] принимаем равным k = 0,7 Вт/(м С)) ; t с — температура среды в камере, С (принимается равной средней температуре агента сушки на входе и выходе из штабеля, т.е. в нашем случае tc = (ti+t2)/2 = (58 + 57,2)/2 = 57,6 С) где Сі — коэффициент, учитывающий дополнительный расход тепла на начальный прогрев камер, транспортных средств, оборудования и др.; принимается в зависимости от условий процесса от 1,1 до 1,3 (для нашего расчета принимаем 1,1).
Определение расхода тепла на 1 м расчетного материала, кДж/м, производится для среднегодовых условий по формуле : Расчет мощности и выбор типа электронагревателей Из всего многообразия серийно выпускаемых калориферов (основное название — воздухонагреватель по ГОСТ 27330-87) для лесосушильной техники следует рекомендовать спирально-накатные (биметаллические). Это так, называемые компактные калориферы, которые могут довольно надежно работать в агрессивной среде лесосушильных камер. До настоящего времени используются и чугунные ребристые трубы, недостатком которых является большое количество фланцевых соединений при сборке. Последние могут быть заменены на биметаллические трубы с наружным диаметром 56 мм. Из этих труб в заводских условиях можно легко изготовить требуемый по тепловой мощности и живому сечению калорифер с минимальным количеством фланцевых соединений. Более подробное описание калориферов дано в гл. 3 [112].
Так как размер камеры и объём пиломатериалов, используемых для сушки, сравнительно невелики - для нашей экспериментальной установки целесообразней использовать теплоэлектронагреватель (ТЭН), а не воздухонагреватель (паровой или водяной).
Тепловая мощность калорифера, то есть количество передаваемой им в единицу времени тепловой энергии в кВт, определяется расходом тепла на сушку в единицу времени: 2к=№исп+Щ г с2 =(0,083 + 0,033)-1,3 = 0,15кЯіи (4.28) где с2- коэффициент неучтенного расхода тепла на сушку (сг =1,1 ... 1,3), для нашего расчета принимаем значение 1,3. Согласно полученных данный, устанавливаем в лабораторную модель 2 ТЭНа по 0,25 кВт последовательно. Таким образом суммарная их мощность составит 0,297 кВт. Мощность взята с запасом для возможных экспериментов в будущем.