Введение к работе
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
-
Теоретические исследования по моделированию внутреннего и внешнего влагопереноса в древесине.
-
Теоретические исследования развития полей влагосодержания и внутренних напряжений в древесине для естественной и принудительной циркуляции агента сушки.
-
Уточнение методики контроля влажности древесины.
-
Разработка метода оперативного контроля интегральной влажности штабеля пиломатериалов.
-
Определение диапазонов параметров режимов сушки для проведения экспериментальной оптимизации.
-
Экспериментальное построение математических моделей показателей эффективности и качества от параметров режима сушки.
-
Моно- и поликритериальная оптимизация режимов сушки на основе моделей показателей эффективности и качества.
-
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:
-
-
В процессах сушки древесину необходимо рассматривать как коллоидное капиллярно-пористое тело, при котором жидкая и твердая фаза древесины находятся в газовой среде.
-
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.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов и рекомендаций, приложений, библиографического списка, включающего 261 наименований. Общий объем работы 262 страниц, 78 рисунков, 46 таблиц, 30 страниц приложения.
Похожие диссертации на Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизации процессов тепломассопереноса в древесине
-
