WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Поле общего давления внутри материала зависит от свойств капиллярнопористого коллоидного тела. В частности, для пиломатериалов из древесины может быть использовано уравнение, полученное Г.С. Шубиным

. (3)

где пористость древесного материала можно определить из выражения

.

В процессе прогрева древесины при атмосферном давлении среды внутри пластины отсутствуют фазовые превращения (критерий парообразования в уравнении (2) равен нулю) и, как следствие, молярный перенос внутри древесины отсутствует. Тогда, система дифференциальных уравнений (1) – (3) сводится к следующим уравнениям

, (4)

. (5)

Начальные условия для решения представленных дифференциальных уравнений, характеризующие начало всего сушильного процесса

U ( 0; x ) = U0, (6)

Tм ( 0; x ) = Tм.0. (7)

рм ( 0; x ) = ратм. (8)

Начальные условия для каждой последующей стадии процесса будут представлять собой поля температур, влажности и давления по сечению материала после предыдущей стадии

Граничные условия для решения дифференциальных уравнений выбираются исходя из условий внешней задачи.

В процессе контактного прогрева древесины температуру поверхности материала в первом приближении можно принять равной температуре нагревательных элементов, а процесс массообмена характеризуется разностью парциальных давлений паров удаляемой влаги в среде и над поверхностью влажного материала. Тогда граничные условия для решения дифференциальных уравнений (4) и (5) могут быть записаны в следующем виде

. (9)

Tм ( ; 0 ) = Tнагр, (10)

Тепломассоперенос в пиломатериале в процессе понижения давления описывается дифференциальными уравнениями (1) – (3) при граничных условиях в виде выражений

, (11)

, (12)

. (13)

Для расчета влажностных напряжений, возникающих в плоском пиломатериале в процессе сушки, предложена формула

. (14)

Математическое описание процесса переноса тепла и массы для парогазовой фазы в условиях непрерывного понижения давления, а также при отсут­ствии полей скорости, температуры, плотности пара и инертного газа во внешней среде основано на уравнениях материального и теплового балансов. Для нестационарных условий протекания процесса разница между притоком и отводом составит накопление массы и энергии в свободном объеме аппарата

, (15)

, (16)

(17)

Левая часть уравнения (15) характеризует изменение массы пара в парогазовой фазе в единице свободного объема аппарата; первое слагаемое правой части – подвод массы пара в парогазовую фазу, а второе слагаемое – его отвода в вакуумную ли­нию. Соотношение (16) отличается от (15) отсутствием слагаемого, характери­зующего подвод массы воздуха в единицу свободного объема вследствие гер­метичности аппарата. В уравнении переноса энергии (17) левая часть представляет собой изменение теплосодержания парогазовой фазы; первый член правой части уравнения характеризует отвод тепла за счет теплообмена с поверхностью влажного материала; второй член – отвод тепла с удаляемой в вакуумную линию парогазовой смесью; третий – приток тепла с парами влаги, удаляемыми из материала.

После некоторых преобразований выражений (15), (16) и (17) получены уравнения, определяющие скорости изменения парциальных давлений пара и газа и температуры среды

, (18)

, (19)

. (20)

В случае ведения процесса прогрева материала в парах испаряемой влаги общее давление и температура в камере описы­ваются дифференциальными уравнениями, записанными в виде

, (21)

. (22)

Для возможности управления процессами вакуумной сушки определена объемная производительность системы удаления пара при заданной интенсивности испарения жидкости с тепломассообменной поверхности

. (23)

В процессе удаления связанной влаги в режиме идеального смешения в паровой фазе, когда парциальное давление в свободном объеме аппарата зависит от температуры и влагосодержания поверхности материала, требуемая объемная производительность системы удаления пара определяется из выражения

(24)

Для расчета представленной математической модели процессов вакуумно-кондуктивной сушки применительно к пиломатериалам из древесины разработан алгоритма расчета. Алгоритм расчета состоит из двух блоков, связанных между собой операторами управления: I – блока расчета процесса кондуктивного нагрева древесины; II – блок расчета тепломассопереноса в среде и внутри влажного пиломатериала при понижении давления. Каждая из частей алгоритма содержит цикл расчета полей температуры и влагосодержания материала для каждого момента времени в зависимости от выбранного шага. Расчет начинается с активации банка данных, содержащего массивы и функции теплофизических характеристик материала и среды, и ввода исходных данных, представляющих собой начальные условия процесса, параметры технологического оборудования и другие сведения, необходимые для расчета на ЭВМ.

В третьей главе представлено описание экспериментальных установок и методик проведения исследований, а также изложены результаты математического и физического моделирования процессов вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла на примере пиломатериалов из древесины, приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических зависимостей, установлена адекватность разработанной модели реальному процессу.

В качестве модельных материалов для математических расчетов и экспериментальных исследований кинетики сушки были выбраны три породы древесины с учетом различных групп плотности, наибольшей распространенности в районе средней полосы России и наличия в справочной литературе наиболее полных сведений о теплофизических и физико-механических свойствах: сосна, береза и дуб.

Для проведения экспериментальных исследований по вакуумно-кондуктивной сушке с периодическим подводом тепловой энергии к пиломатериалу была разработана пресс-вакуумная установка, которая состоит из прямоугольной герметичной камеры с крышкой, выполненной из вакуумной резины, закрепленной с провисом на прямоугольном фланце, что позволяет обеспечивать подпрессовку штабеля пиломатериалов в процессе сушки. Камера сообщается с линией вакуумирования, состоящей из кожухо-трубчатого конденсатора и вакуумного насоса. Для подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу используются нагревательные плиты, выполненные из перфорированных металлических листов с навитыми на них нагревательными кабелями.

При проведении экспериментальных исследований, в результате которых требовалось определение послойной влажности древесины или определение текущего влагосодержания материала в процессах, протекающих при отсутствии инертного газа или в разряженной среде, когда отбор проб обрабатываемого материала или использование промышленных влагомеров не представлялось возможным, влагосодержание определялось сушильно-весовым способом. В связи с этим, с целью получения оперативной информации о процессе удаления жидкости, была создана вакуумная установка досушки древесного материала, основанная на также контактном методе подвода тепла. Сущность предложенного способа интенсификации заключается в увеличении поверхности контакта между исследуемым материалом и обогреваемой плитой, а также в уменьшении порозности дисперсного материала, возникающего при определении послойной влажности древесного образца.

Анализ литературы, проведенный в первой главе диссертации показал, что коэффициент молярного переноса влаги, необходимый при расчете поля давления в материале, до сих пор остается недостаточно изученным. В связи с чем, была разработана установка и проведены исследования по определению указанного коэффициента. Для удобства использования результатов исследований получено уравнение, аппроксимирующее экспериментальные данные по коэффициенту молярного переноса заболони сосны при радиальном токе влаги в зависимости от температуры и влагосодержания древесины

.

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, возникающей вследствие различной усушки доски на разном расстоянии от её поверхности. Вследствие этого, для измерений дифференциальной усадки было разработано экспериментальное устройство, которое состоит из индикаторного приспособления часового типа и рамы.

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной, многие из технических решений, положенных в основу конструкций лабораторных установок, послужили основой для разработки аппаратурного оформления реальных технологических процессов.

Адекватность разработанных математических моделей установлена обработкой результатов измерений, полученных при физическом моделировании, и результатов предсказания модели в идентичных условиях методами математической статистики.

В результате экспериментального и математического моделирования были получены рекомендации по режимным параметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям вакуумно-кондуктивных аппаратов сушки.

Моделирование стадии прогрева пиломатериала показало, что интенсификация данной стадии может осуществляться за счет повышения температуры нагревательной плиты до 120 °С без снижения прочностных характеристик древесины.

Моделирование стадии вакуумирования показало, что величина влагосъема в первом периоде сушки зависит от остаточного давления в камере (см. рис. 2), в то время как во втором периоде скорость удаления влаги определяется процессами внутреннего тепломассопереноса. Поэтому, с целью предотвраще­ния разрушения материала или его деформации, скорость понижения давления над поверхностью материала должна быть соразмерна со скоростью релаксации давления в зоне испарения.

Проведенные экспериментальные исследования по вакуумно-кондуктивной сушке на установке указали на необходимость регулирования глубины вакуума при влажности материала ниже предела гигроскопичности (30%). Это объясняется невозможностью кипения связанной влаги и, как следствие, отсутствием процесса молярного переноса влаги. Поэтому существенное понижение давления на этой стадии приводит к интенсивному испарению влаги с поверхностных слоев, что при сушке толстых пиломатериалов вызывает большой перепад влажности по толщине и, как следствие, развитие внутренних напряжений выше допустимых пределов. В связи с этим были проведены исследования величины остаточного давления в аппарате в зависимости от толщины и текущей температуры пиломатериала (см. рис. 3).

Как видно из графиков, пиломатериалы с большей толщиной больше подвержены развитию внутренних напряжений, и поэтому регулирование давления в аппарате должно производиться в зависимости от текущей температуры материала.

Продолжительность стадии вакуумирования должна лимитироваться определенной величиной градиента температуры по толщине образца, до которой выдерживается материал при пониженном давлении.

В результате математического моделирования и экспериментальных исследований выявлено снижение перепада влажности по толщине и, как следствие, уменьшение дифференциальной усадки при сушке осциллирующими режимами по сравнению с классической вакуумно-кондуктивной сушкой.

Сопоставительный анализ вакуумных технологий показал целесообразность использования того или иного способа вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов в зависимости от базисной плотности высушиваемой древесины и толщины сортимента (см. рис. 4). Так, для пиломатериалов небольшой толщины классическая вакуумно-кондуктивная сушка является менее продолжительной по сравнению с осциллирующими технологиями при базисной плотности древесины менее 530 кг/м3. При более высоких плотностях высушиваемой древесины более предпочтительной является вакуумно-кондуктивная сушка с периодическим подводом тепла. Для более толстых пиломатериалов подобная переходная точка составляет порядка 450 кг/м3.

С целью дальнейшего прикладного развития вакуумно-кондуктивных технологий и их более широкого использования в деревообрабатывающей промышленности были проведены исследования по термомодификации древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности получения древесины заданного качества и создают почву для дальнейшего развития и более детального исследования подобных процессов.

Таким образом, проведенные исследования позволили получить рекомендации по режимным параметрам вакуумной сушки древесины при конвективных методах подвода тепла в зависимости от начальной и конечной влажности древесины, её породы и размера сортимента.

В четвертой главе представлены описания конструкций аппаратов и технологических регламентов для реализации процессов вакуумно-кондуктивной сушки древесины с периодическим подводом тепла, разработанных в соответствии с рекомендациями по их аппаратурному оформлению, полученными в результате математического и физического моделирования.

На основе данных, полученных теоретическими и расчетно-экспериментальными исследованиями, спроектирована и внедрена в промышленную эксплуатацию пилотная вакуумно-кондуктивная камера для сушки пиломатериалов. В результате проведенных промышленных испытаний были получены значения энергопотребления вакуумной камеры при сушке березовых и дубовых пиломатериалов в зависимости от начальной влажности древесины. Установлено, что среднее энергопотребление за одни сутки работы вакуумной камеры снижается с увеличением базисной плотности высушиваемого пиломатериала, что объясняется увеличением продолжительности стадии выдержки пиломатериалов более плотных пород. Результаты внедрения данной установки на деревообрабатывающем предприятии позволили получить годовой экономический эффект более 680 тыс. руб.

В результате проведенного технико-экономического анализа выявлена актуальность создания новых вакуумных аппаратов с большим объемом разовой загрузки. Вследствие чего разработана вакуумная сушильная камера железобетонной конструкции.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»