Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и механики сушки древесины при конвективном подводе тепловой энергии 11
1.1. Анализ способов сушки древесины, основанных на конвективном методе подвода тепловой энергии 11
1.2. Анализ конвективного тепло- и массообмена в процессе сушки древесины 17
1.3. Анализ исследований древесины как объекта сушки 27
Выводы 39
Глава II. Разработка методов расчета процессов конвективного тепломассообмена в условиях вакуумно- конвективной сушильной камеры 41
2.1. Физическая картина процесса 41
2.2. Формализация процесса 44
2.3. Математическое описание процессов сушки пиломатериалов при конвективных способах подвода тепла 45
2.5. Алгоритм расчета процесса конвективной сушки пиломатериалов 54
2.6. Инженерная методика расчета вакуумно-конвективной сушильной камеры 57
Выводы 64
Глава III. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов сушки пиломатериалов при конвективном теплоподводе 66
3.1. Экспериментальная установка для исследования материальных и тепловых потоков в конвективных сушильных камерах 67
2.2. Установка для исследования кинетики вакуумной сушки материала с подводом тепла от газообразного теплоносителя 71
2.3. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при сушке древесины
в вакуумно-конвективных камерах 74
Выводы 88
Глава IV. Промышленная реализация результатов исследований процессов, протекающих при вакуумно-конвективнои сушке пиломатериалов 91
4.1. Разработка вакуумно-конвективной сушильной камеры с продольной циркуляцией теплоносителя 92
4.2. Разработка вакуумно-конвективной камеры с поперечной циркуляцией 100
4.3. Результаты испытаний вакуумно-конвективных сушильных камер ВОСК-1 и ВОСК-2 103
4.4. Разработка аппарата вакуумно-конвективной сушки, реализующей энергосберегающую технологию 114
4.5. Модернизация существующих конвективных камер 116
Выводы 120
Заключение 122
Основные обозначения 125
Литература
- Анализ конвективного тепло- и массообмена в процессе сушки древесины
- Математическое описание процессов сушки пиломатериалов при конвективных способах подвода тепла
- Установка для исследования кинетики вакуумной сушки материала с подводом тепла от газообразного теплоносителя
- Разработка вакуумно-конвективной камеры с поперечной циркуляцией
Введение к работе
С каждым годом к сушке пиломатериалов на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях предъявляются все более жесткие условия, требующие сокращения энергозатрат и длительности процесса сушки без ущерба качеству высушиваемого материала. В связи с этим камерная сушка становиться одним из важнейших участков предприятий, ответственным звеном общего технологического процесса обработки древесины.
Актуальность темы. В современных условиях при наблюдаемой тенденции роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственно-хозяйственной деятельности предприятий. По оценкам специалистов в ближайшие годы государство перестанет регулировать цены на электроэнергию, и они будут определяться законами спроса и предложения. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий является одним из важных направлений повышения эффективности производства и умелого ведения технологических процессов в рыночных условиях хозяйствования предприятий.
При этом одним из самых энергоемких процессов на многих предприятиях является сушка. Особенное значение данный технологический процесс приобретает в условиях, когда необходимо сохранение определенных свойств высушиваемого материала. В частности, продолжительность сушки массивной древесины, занимает от двух недель до двух месяцев в зависимости от сортамента высушиваемого пиломатериала, что обусловлено развитием внутренних сушильных напряжений, приводящих к нарушению целостности и снижению качества сушки. Подобная длительность процесса приводит к значительному потреблению тепло- и электроэнергии. Но даже при высоких издержках рассматриваемого процесса не удается избежать низкого качества высушиваемого пиломатериала, поскольку на предприятиях зачастую работают морально и физически устаревшие конструкции сушильных камер. В то время как в рыноч-
5 ных условиях, становясь объектом товарно-денежных отношений, обладающим экономической самостоятельностью и полностью отвечающим за результаты своей хозяйственной деятельности, предприятие должно особое внимание уделить сокращению производственного цикла и повышению качества конечного продукта, что обеспечит его высокую конкурентоспособность и устойчивость положения на рынке.
Значительно сократить продолжительность процесса, а значит, и снизить её себестоимость позволяют вакуумные технологии сушки материалов. Кроме того, возможность ведения процесса при более низких температурах позволяет исключить снижение качественных характеристик капиллярнопори-стых коллоидных тел, что особенно важно при сушке пиломатериалов из древесины ценных трудносохнущих лиственных пород или термолабильных материалов.
Однако при сушке в вакууме возникает проблема подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу. Такие известные методы подвода теплоты, как контактное, диэлектрическое нагревание или нагрев в СВЧ-поле не всегда позволяют получить требуемое качество или приводят к значительному удорожанию стоимости сушильного процесса. Поэтому наиболее перспективным направлением, как с позиций себестоимости процесса, так и с позиций качества получаемой продукции, считаются вакуумные технологии сушки с подводом тепла конвекцией, которые можно осуществлять путем чередования стадий нагрева и вакуумирования (осциллирующие технологии) или конвективной сушкой в разреженной среде. При этом в качестве теплоносителя могут быть использованы влажный горячий воздух или перегретый пар.
Несмотря на все преимущества вакуумных технологий на этапе их аппаратурного оформления возникают серьезные затруднения, связанные с выбором рациональной конструкции аппаратов и режимов их работы. Поскольку разработанные ранее применительно к традиционными атмосферным конвективным камерам технологические решения по созданию равномерного подвода
тепловой энергии конвекцией в условиях вакуумных аппаратов вызывают значительные затруднения, вследствие необходимости экономии дорогостоящего вакуумного пространства. Поэтому существующие в настоящее время на рынке сушильной техники вакуумно-конвективные камеры в большинстве своем не удовлетворяют требованиям по равномерности конечной влажности высушенного штабеля.
Поэтому разработка методов расчета процессов, протекающих при ва-куумно-конвективной сушке пиломатериалов, совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных вакуумных аппаратов, позволяющих получать равномерную по штабелю конечную влажность, а также разработка новых ресурсо- и энергосберегающих технологий и их аппаратурного оформления является актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 24 января 1998 г. № 80 «О федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998 - 2005 годы»»; координационным планом НИР ВУЗов по процессам и аппаратам химических производств и кибернетике химико-технологических процессов.
Цель работы состоит в разработке метода расчета и аппаратурного оформления процессов вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов.
В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие задачи:
разработка математической модели для процессов вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов, отражающей особенности подвода тепла конвекцией в условиях вакуумных аппаратов;
разработка инженерной методики расчета, позволяющей рассчитать оборудование и конструктивные особенности вакуумно-конвективной сушильной камеры;
разработка алгоритма расчета и моделирование процессов, с целью рекомендации режимных параметров исследуемых процессов и конструктив-
7 ных особенностей вакуумно-конвективных аппаратов сушки;
разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов;
разработка аппаратурного оформления технологических процессов вакуумной сушки древесины при конвективных методах теплоподвода;
промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок;
реализация результатов исследований применительно к традиционным конвективным сушильным камерам.
Научная новизна. Впервые исследованы закономерности конвективного теплоподвода к пиломатериалам в условиях вакуумных аппаратов сушки:
создано математическое описание технологических процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке древесных пиломатериалов, отражающее особенности подвода тепла конвекцией в условиях вакуумных аппаратов;
по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены пути интенсификации процессов и повышения качества высушиваемого пиломатериала;
разработана энергосберегающая технология вакуум-осциллирующей сушки древесины и конструкция комплекса вакуумной сушки для её реализации.
Практическая ценность. В результате исследования технологических процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке пиломатериалов:
разработаны новые конструкции сушильного оборудования, а также конструктивные рекомендации, направленные на улучшение качества высушиваемого материала;
разработана инженерная методика расчета вакуумно-конвективной камеры;
предложены режимные рекомендации для проведения вакуумно-
8 конвективной сушки пиломатериалов;
разработаны и реализованы рекомендации по усовершенствованию существующих конвективных камер для сушки пиломатериалов;
разработаны экспериментальные установки и методики исследований, позволяющие определить недостающие для моделирования характеристики.
Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации, паспортов и инструкций по эксплуатации.
Внедрение вакуумных аппаратов для сушки массивной древесины на деревообрабатывающих предприятиях «Искра» и «Айлант» осуществлено с общим экономическим эффектом свыше 800 тыс. руб.
Деревообрабатывающим предприятиям «Карпентер» и «Вельд» передана конструкторская документация по усовершенствованию конвективных камер периодического действия с целью снижения продолжительности и повышения качества сушки. Экономический эффект от внедрения данных технических решений составил более 1,6 млн. руб.
Разработанные конструкции аппаратов приняты к серийному изготовлению предприятием ЗАО «Ферри Ватт», специализирующемся на производстве вакуумного оборудования.
Разработанные экспериментальные установки, методики исследований и программные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Гидротермическая обработка и консервирование древесины» и «Методы математического моделирования процессов в деревообработке».
Основные положения, выносимые на защиту. Решение проблемы, состоящей в создании ресурсо- и энергосберегающих технологий и аппаратурного оформления процессов вакуумно-конвективной сушки древесины, на основе режимных параметров и конструктивных характеристик, полученных в результате расчета математического описания, а именно:
математическое описание технологических процессов, протекающих
9 при вакуумно-конвективной сушке древесных пиломатериалов, отражающее особенности подвода тепла конвекцией в условиях вакуумных аппаратов;
результаты математического моделирования и экспериментальных исследований вышеуказанных процессов;
методику расчета вакуумно-конвективной сушильной камеры;
способы и конструкции установок вакуумной сушки с подводом тепла от газообразного теплоносителя;
усовершенствованные схемы конвективных камер периодического действия для сушки пиломатериалов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Брянск, 2007); «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов» (Казань, 2006); «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2007), а также на научных сессиях по технологическим процессам Казанского государственного технологического университета (Казань, 2006-07).
Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены лабораторные установки; разработаны, спроектированы и изготовлены опытно-промышленные образцы вакуумных сушильных установок, выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания; разработаны и реализованы мероприятия по усовершенствованию ряда существующих технологических процессов. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале и 2 положительных решения на выдачу патентов РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
10 В первой главе рассмотрены существующие способы сушки древесины, дан анализ современного состояния теории тепломассопереноса при конвективном обтекании пиломатериалов и представлена характеристика древесины как объекта сушки. Во второй главе рассмотрена физическая картина и разработана математическая модель процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке пиломатериалов, инженерная методика расчета вакуумно-конвективной сушильной камеры, блок-схема алгоритма моделирования исследуемого процесса. В третьей главе представлено описание экспериментальных установок и методики проведения исследований, а также изложены результаты математического и физического моделирования процессов вакуумной сушки древесины с конвективными способами подвода тепла, приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических зависимостей, установлена адекватность разработанной модели реальному процессу. В четвертой главе приводится описание конструкций аппаратов для реализации процессов вакуумной сушки древесины с конвективными методами подвода тепла, разработанных в соответствии с рекомендациями по их аппаратурному оформлению, полученными в результате математического моделирования. Представлены результаты промышленного внедрения новых вакуумных аппаратов для сушки древесины и усовершенствование существующих промышленных сушилок. В приложении к работе приведены элементы программ расчета исследуемых процессов на ПЭВМ, результаты статистической обработки полученных данных, акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями и паспорта созданных установок.
На всех этапах работы в качестве консультанта активное участие принимал д.т.н., профессор Сафин P.P.
Анализ конвективного тепло- и массообмена в процессе сушки древесины
В качестве агентов тепловой обработки древесины могут быть использованы различные газообразные (горячий воздух, насыщенный и перегретый пар, паровоздушная смесь, топочные газы) и жидкие (горячая вода, гидрофобные и гидрофильные жидкости) теплоносители, каждый из которых имеет свои преимущества и используется в зависимости от поставленных целей.
Влияние теплоносителей в их различных „состояниях на процесс прогрева и непосредственно сушки было изучено рядом авторов [53, 64, 113]. Исследования сушки предварительно непрогретых пиломатериалов горячим воздухом свидетельствуют о возможности нарушения целостности поверхностных слоев, поэтому древесина должна быть быстро прогрета без испарения из нее влаги, для чего в камере сушки должна быть создана высокая степень насыщенности среды. Для этого в неё подают насыщенный пар через увлажнительные трубы. Степень насыщенности при влажности древесины выше 25 % устанавливают в интервале 0,98 - 1, при влажности ниже 25 % - 0,90 - 0,92 [187]. Таким образом, использование горячего воздуха на стадии прогрева древесины возможно лишь в комбинации с насыщенным паром. В противном случае может наблюдаться снижение качества пиломатериала.
Прогрев материала в среде перегретого пара, благодаря своей специфике: конденсации пара на поверхности высушиваемого материала -исключает регулирование влагосодержания среды, что, в конечном счете, упрощает автоматизацию сушильной установки. Кроме того, значения коэффициентов тепло- и массообмена между паром и влажным материалом более высокие, чем в случае, когда теплоносителем является воздух [113].
Продолжительность периода прогрева (начальной обработки) древесины независимо от типа теплоносителя рассчитывается на основе теории тепло- и массопереноса. Дифференциальное уравнение переноса тепла во влажном теле в общем случае имеет вид [92]
Вследствие того, что прогрев древесины не должен сопровождаться испарением влаги с поверхности и существенным изменением влажности внутри материала таковы граничное условие для уравнения (1.1) можно представить в следующем виде [77], а(Тсрелы - Тпов J = - . (1.2) .dx
Уравнение (1.2) - граничное условие 3-го рода, обеспечивается практически при любой интенсивности конвективного теплообмена. Оно включает в себя, как частный случай прогрев в насыщенном паре: а — со. Тогда граничное условие приобретает вид А нов- А среды V
Решение уравнения (1.1) при условии (1.2) имеет вид бесконечного ряда Фурье [177]. Из этого решения получаются безразмерные величины. При этом задача определения времени т, необходимого для нагревания материала в какой-либо точке X до температуры Тх сводится к зависимостям а) для газовой среды Fo=f(0;Bi;x/R) (1.4) б) для насыщенного пара Fo=f(0; x/R) (1.5)
Удобство использования функциональных зависимостей (1.4) и (1.5) состоит в том, что они могут быть представлены графически в виде номограмм, нашедших применение в литературе по гидротермической обработке древесины [177].
Как показывают экспериментальные и расчетные данные [77] применение к реальным условиям прогрева древесины дифференциального уравнения переноса тепла для одномерного тела дает вполне удовлетворительные результаты. Этот метод может служить основой для производственных расчетов продолжительности прогрева в штабеле. Однако в этом случае необходимо учитывать, что прогрев лимитируется количеством тепла, поступающим в камеру (при рассмотрении прогрева одиночного образца предполагается, что тепло подводится в неограниченном количестве) и расчет существенно усложняется.
Сушильными агентами также могут служить гидрофобные (жидкости не смешивающиеся с водой и не растворяющиеся в ней) и гидрофильные (концентрированные водные растворы гигроскопических веществ) жидкости. При сушке в гидрофобных жидкостях влагообмен между жидкостью и древесиной отсутствует, поэтому удаление влаги из материала возможно только при температуре жидкости выше точки кипения воды при данном давлении. Основным видом влагопереноса в данном случае является молярное перемещение пара под действием градиента избыточного давления. По мере удаления влаги влажность древесины стремиться к равновесному значению, по достижении которой температура материала равна температуре среды, при этом в полостях клеток содержится чистый перегретый пар. Это дает основание считать, что равновесная влажность древесины в гидрофобной жидкости равна её равновесной влажности в чистом перегретом паре, имеющем такие же значения по температуре и давлению. Сушка в гидрофобных жидкостях как средство снижения влажности древесины перед её пропиткой получила некоторое распространение после того как А.И. Фоломиным было предложено использовать в качестве сушильного агента расплавленный петролатум при температуре 120 - 130 С. Однако низкое качество сушки, обусловленное значительным перепадом влажности по толщине и действием высоких температур ограничивает применение петролатумной сушки.
Математическое описание процессов сушки пиломатериалов при конвективных способах подвода тепла
Анализ физической картины процессов сушки пиломатериалов при конвективном способе подвода тепла показал, что совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ сушки, согласно блочному принципу построения математического описания процесса [49], следует рассматривать, решая внешнюю - тепломассоперенос в среде теплоносителя и его тепломассообмен с материалом; и внутреннюю задачи -тепломассоперенос внутри материала.
При решении внешней задачи вначале исследуют гидродинамическую обстановку в аппарате, а затем переходят к изучению кинетики массо- и теплопередачи с учетом выявленных гидродинамических условий модели. Для выявленной структуры потоков в процессах сушки пиломатериалов при конвективных методах теплоподвода (рис. 2.1), основными характеристиками являются разность парциальных давлений паров удаляемой влаги над поверхностью влажного материала и в окружающей среде и интенсивность подвода тепла конвекцией. При этом парциальное -давление—компонента—и—температурное—поле—окружающей—среды определяются системой дифференциальных уравнений переноса массы и энергии [36] с объемными источниками массы и тепла
Для случаев вакуумно-конвективной сушки древесины, когда теплоносителем являются паровоздушная смесь или перегретый пар характерен период неустановившегося теплообмена, когда происходит прогрев самого теплоносителя. Вследствие чего необходимо задаться функцией повышения температуры среды в камере.
При прохождении газообразного теплоносителя над высушиваемым материалом, вследствие теплообмена, среда охлаждается. Для движущейся парогазовой среды дифференциальное уравнение переноса энергии в прямоугольных координатах с учетом стока тепла к материалу и замены субстанциональной производной её выражением согласно [36] уравнение (2.2) принимает вид Функция стока тепла в этом случае может быть определена выражением YT=[r-jnoB-oc-(TMnOB)]-F (2.4) где F - удельная поверхность материала - характеризует поверхность прогреваемых пиломатериалов, приходящуюся на 1 м3 теплоносителя, который находится в сушильной камере.
Так как поток полностью заполняет пространство сушильной камеры, то можно считать,зто_теплоноситель-одновременно-обтекает-все-отдельные элементы штабеля. Тогда, рассматривая одномерную модель обтекания материала и пренебрегая молекулярной теплопроводностью теплоносителя, выражение (2.3) с учетом уравнения (2.2) запишем в виде
Учитывая конструктивные особенности вакуумно-конвективных сушильных камер, циркуляция сушильного агента в которых в основном носит горизонтальный характер, в уравнении (2.6) определяющим геометрическим размером является расстояние вдоль пласти пиломатериала.
Учитывая необходимость экономии вакуумного пространства аппарата, конвективный нагрев материала в нем является сложной задачей, решение которой должно обеспечить как максимальное заполнение камеры высушиваемой древесиной, так и создание равномерного подвода тепловой энергии к штабелю во всем пространстве сушильной камеры.
Наиболее рациональной формой вакуумных аппаратов является цилиндрическая обечайка, поэтому движение теплоносителя относительно штабеля пиломатериалов в процессе конвективного нагрева может осуществляться как в продольном, так и в поперечном направлении с формированием гидродинамического тракта в сегментных зазорах, образованных корпусом аппарата и боковыми перегородками. При этом сегментные зазоры используются для расположения в них калориферов для нагрева среды (рис. 2.2).
При создании поперечной циркуляции основной задачей является обеспечение равномерного распределения сушильного агента относительно штабеля пиломатериалов. Решение данной проблемы совпадает с гидравлической задачей о течении газа (жидкости) по каналам с путевым расходом. На практике создание равномерности потока происходит путем установки выравнивающих устройств: сеток, решеток, жалюзийных направляющих с целью выравнивания скоростей потока" в различных точках штабеля.
Для определения температуры среды на входе в штабель воспользуемся дифференциальным уравнением переноса энергии (2.3), в котором приток тепла от калорифера представлен выражением
Установка для исследования кинетики вакуумной сушки материала с подводом тепла от газообразного теплоносителя
Для исследования кинетики вакуумной сушки древесины, когда в качестве агента сушки используется газообразная среда (горячий воздух или перегретый пар), была создана экспериментальная установка, которая представлена на рис. 2.4.
Установка представляет собой герметичную цилиндрическую обечайку 1 с прозрачной крышкой 2, выполненной из органического стекла, усиленной металлическим фланцем и ребрами жесткости. Для формирования направленного потока агента сушки к материалу внутри корпуса 1 установлены экраны 3, которые образуют камеру сушки 4 для размещения высушиваемых образцов 5 и сегментные зазоры 6 для установки теплового оборудования 7, в качестве которых используются трубчатые электронагреватели.-Для-принудительной-циркуляции-агента-сушки-вдоль образца с нагревом от калориферов 7 в корпусе 1 установлен вентилятор 8.
Регистрация температуры среды и материала в ходе эксперимента осуществлялась с помощью хромель-копелевых термопар 9, введенных в камеру 1 через штуцер 10 и подключенных к электронному регулятору температуры ТРМ-ОВЕН1 (поз. 11). Изменение текущей массы влажных материалов в процессе проведения опытов фиксировалось с помощью весов 12, непосредственно установленных в вакуумной камере. По весу абсолютно сухих образцов, полученных в результате досушки после эксперимента, и зафиксированным в ходе исследования текущим значениям массы влажных пиломатериалов определялось текущее влагосодержание.
Внутреннее пространство корпуса 1 через патрубок 13 и вентиль 14 сообщено с вакуумной линией, состоящей из конденсатора 15 и вакуумного насосам 16; с парогенератором 17 - через патрубок 18 с помощью вентиля 19, а с атмосферой - через вентиль 20.
Для осуществления работы установки в автоматическом режиме и проверки работоспособности всех электроприемников в ручном режиме используется щит управления 21.
Экспериментальная установка работает следующим образом. Исследуемые образцы древесины 5 укладываются в камере сушки 4 на электронные весы 12 в виде штабеля с прокладками 22. При этом с целью предотвращения интенсивного удаления влаги с торцов древесины последние закрашиваются быстросохнущей краской.
Для регистрации температуры материала в центре и на её поверхности горячие спаи хромель-копелевых термопар устанавливаются соответственно в заранее подготовленное отверстие в центре образца и у поверхности широкой пласти. Горячий спай третьей термопары погружается в алюминиевую бюксу с водой для фиксации температуры «мокрого термометра», - четвертая -свободная - термопара служит- для - контроля температуры среды (температура «сухого термометра»). Далее камера
Процесс понижения давления в аппарате осуществляется закрытием вентиля 19, открытием вентиля 14, подачей хладагента в конденсатор 15 и включением вакуум-насоса 16. Давление в аппарате фиксируется с помощью вакуумметра 23.
Подвод тепловой энергии к влажному материалу происходит путем включения в работу калориферов 7 и вентилятора 8. Температура среды в камере сушки 4 автоматически поддерживается на заданном в приборе ТРМ ОВЕН1 значении. В случае, когда по плану эксперимента теплоносителем является перегретый пар, после удаления воздуха из аппарата в камеру 1 открытием вентиля 19 подается насыщенный водяной пар из парогенератора 17. При проведении экспериментов в среде горячего воздуха по показаниям сухого и мокрого термометров определяется значение относительной влажности воздуха. В случае повышения относительной влажности воздуха выше заданного значения в камеру 1 через открытый вентиль 20 всасывается порция сухого воздуха из помещения путем включения в работу вакуумного насоса 16. При понижении влажности среды ниже заданного значения открытием вентиля 19 в камеру нагнетается насыщенный пар из парогенератора 17.
Режимные параметры процессов вакуумной сушки пиломатериалов на представленной установке варьировались в следующих пределах: остаточное давление в аппарате изменялось с 20 кПа до атмосферного; температура среды в камере сушки задавалась в пределах 328 - 383 К; значение относительной влажности воздуха в процессе сушки задавалось согласно регламенту [167] для проведения мягких и нормальных режимов конвективной сушки в камерах периодического действия.
Разработка вакуумно-конвективной камеры с поперечной циркуляцией
В ходе испытаний аппараты ВОСК-1 и ВОСК-2 наработали на предприятиях в сумме около 3200 часов. За это время до требуемой влажности было высушено 96 м разных пород пиломатериалов.
Регулирование процессов сушки происходило по режимным параметрам, полученным в результате моделирования, анализа литературы и априорной информации.
При проведении испытаний вакуумных аппаратов были использованы как серийно выпускаемые промышленностью, так и специально разработанные приборы и устройства для измерения текущих параметров.
Для определения текущего влагосодержания контрольного образца пиломатериала был использован весовой метод. Для этого было создано устройство, осуществляющее измерение массы контрольного образца при помощи тензометрического датчика марки SCAIME AG и выводящего информацию на расположенный вне камеры персональный компьютер. Тензодатчик обеспечивает измерение веса от 1 грамма до 100 кг с суммарной погрешностью 0,017%.
Общий вид и схема устройства для определения текущей массы контрольного образца представлены на рис. 4.13. Устройство состоит из корпуса 1 и консольно закрепленного к нему тензометрического датчика 2. Контрольный образец укладывается на платформу 3 и через шток 4 оказывает давление на тензодатчик 2. Сигнал от тензодатчика проходит через аналогово-цифровой преобразователь (ADAM-4013) 5, преобразователь интерфейса RS-485 в USB (ADAM-4561) 6 и поступает в компьютер 7. Для защиты от перегрева тензометрического датчика корпус 1 теплоизолирован минеральной ватой 8 с теплоотражающим покрытием из фольги. Вся информация о ходе процесса собирается в базе данных компьютера и обрабатываются в режиме реального времени.
Кроме того, для определения текущей влажности пиломатериалов в различных точках штабеля были использованы устанавливаемые в процессе формирования штабеля шесть игольчатых датчиков, выводящих показания на влагомер SH-0453, расположенный на щите управления вакуумной камеры сушки.
Определение температуры среды, а также температуры поверхности и центра высушиваемой древесины производилось с помощью хромель-копелевых термопар, соединенных с электронно-измерительным устройством марки DT9208A. Температура масляного теплоносителя определялась по показаниям манометрического термометра, термобаллон которого установлен непосредственно на выходе из элетронагревательного устройства сушильной камеры. Для измерения скорости движения сушильного агента относительно штабеля пиломатериалов был использован анемометр марки АТТ-1002.
При разработке режимных параметров процесса сушки древесины одним из основных факторов, ограничивающих ускорение удаления влаги является развитие внутренних сушильных напряжений. Поэтому наличие информации о состоянии пиломатериала во время сушки позволит форсировать процесс за счет перехода на более жесткую ступень режима. В качестве прямого метода оценки внутренних напряжений по величине возникающих деформаций Б.Н. Уголевым рассмотрена возможность контроля за развитием дифференциальной усадки [328], возникающей вследствие различной усушки доски на разном расстоянии от её поверхности. С возрастанием напряжений разница между усушкой поверхностной и внутренней зон увеличивается. Поэтому измерение дифференциальной усадки позволит определить её максимально возможное значение для конкретного сортамента, не приводящее к растрескиванию материала, а также установить момент начала разгрузки поверхностной зоны доски, характеризующийся возможностью ужесточения режима сушки.
Рис. 4.14. Опытно-промышленное устройство для измерения дифференциальной усадки пиломатериалов в процессе сушки: а - принципиальная схема; б - внешний вид.
Для измерений дифференциальной усадки было разработано экспериментальное устройство, представленное на рис. 4.14, которое состоит из индикаторного приспособления 1 часового типа и специальной крепежной конструкции, включающее верхнюю 2 и нижнюю 3 опоры, соединенные между собой пружинами 4. При проведении измерений опоры фиксируются в поверхностной зоне обрезного пиломатериала, а индикаторное приспособление 1 устанавливается в гнездо верхней опоры 2, таким образом, чтобы шток индикатора был расположен в центральной зоне образца.
После подготовки прибора к работе на шкале индикатора выставляется ноль, и образец с установленным прибором помещается в сушильную камеру таким образом, чтобы индикаторное приспособление было обращено к смотровому окну вакуумной камеры. Контроль за изменением дифференциальной усадки происходит через смотровое окно (рис. 4.15). При Рис. 4.15. Установка контрольно-измерительной достижении максимально аппаратуры в вакуумной камере. допустимых значении дифусадки с целью предупреждения трещинообразования проводится выдержка пиломатериалов или влаготеплообработка; при снижении дифференциальной усадки режим сушки древесины может быть ужесточен.
Кроме контроля за развитием дифференциальной усадки необходимо периодическое определение внутренних напряжений методом силовых секций.
В ходе проведенных опытно-промышленных испытаний вакуумных сушильных камер был получен ряд кривых. На рис. 4.16 представлены кинетические кривые изменения температур теплоносителя в калорифере, сушильного агента, а также температуры поверхности и центра пиломатериала в процессе конвективной сушки соснового пиломатериала толщиной 40 мм в разреженной среде. Для предварительного прогрева камеры затрачивается около 1 ч при температуре масла в калорифере 108 С.
