Надеин Валерий Феодосиевич ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННОГО УРОВНЯ СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

На правах рукописи
Надеин Валерий Феодосиевич
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННОГО УРОВНЯ
ПРОЦЕССА СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ
СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА
05.21.05. – Древесиноведение, технология
и оборудование деревообработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск
2009
Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете.
Научные руководители:
доктор технических наук
профессор
Шепель Г.А.
доктор технических наук
профессор Мелехов В.И.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
Любарский Д.Р.
кандидат технических наук,
доцент
Поромов В.Н.
Ведущая организация:
ОАО «Соломбальский ЛДК»
163012, г. Архангельск,
ул. Добролюбова, 1/1
Защита состоится 02 декабря 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при Архангельском государственном техническом университете (163002, Россия, г.Архангельск, наб. Северной Двины, 17, главный корпус, ауд.228).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.
Автореферат разослан 30 октября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
.
Земцовский А.Е
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Улучшение качества изделий из древесины непосредственно связано
с повышением уровня технологии сушки пиломатериалов, который может
быть достигнут путем совершенствования конструкций лесосушильных
камер и технологического процесса сушки, обеспеченного точным поддержанием нормативных режимов сушки.
Основными характеристиками режима сушки древесины являются
температура, степень насыщенности агента сушки, психрометрическая
разность. Даже незначительное отклонение от заданных параметров агента сушки оказывает существенное влияние на процесс и качество высушиваемой древесины.
В современных лесосушильных камерах (ЛСК) поддержание параметров сушильного агента осуществляется с помощью сложных систем автоматического контроля и управления. Определяющим параметром агента
сушки, требующим постоянного контроля и поддержания заданной величины в процессе является температура агента сушки, которая зависит от
стабильности температурного поля на поверхности теплообменного
устройства лесосушильной камеры. Существующие системы регулирования параметров агента сушки достаточно сложные и не обеспечивают
надежного и точного температурного уровня процесса.
Альтернативным решением задачи поддержания стабильной температуры агента сушки может быть синергетический подход к формированию температурной характеристики агента с помощью устойчивого температурного поля на поверхности калорифера лесосушильной камеры, что
позволит исключить дополнительное регулирование параметров агента, и
упрощает систему управления процессом. Поэтому проведение исследований в этом направлении является актуальным.
Цель диссертационной работы – повышение качественного уровня
ведения процесса сушки древесины путем создания устойчивого темпера-
турного поля на поверхности теплообмена калориферной установки
ЛСК.
Для достижения цели определены задачи:
3
1. На основе анализа состояния вопроса по формированию режимных параметров агента сушки обосновать выбор способа поддержания стабильной температуры процесса сушки древесины в ЛСК.
2. Исследовать процесс изменения температурно-влажностных параметров агента сушки в зависимости от вида и качества теплоносителя в калорифере.
3. Определить граничные условия температурного поля на поверхности
калорифера ЛСК.
4. Обосновать возможность применения синергетического подхода к решению задачи стабилизации параметров агента сушки.
5. Уточнить требования к характеристикам рабочего тела применительно
к созданию стабильного температурного поля на поверхности теплообменной установки ЛСК.
6. Обосновать выбор теплоаккумулирующего материала для обеспечения
постоянной температуры рабочего тела.
7. Разработать методику расчета системы термостабилизации теплоносителя в теплообменнике лесосушильной камеры.
8. Разработать технические решения и рекомендации по совершенствованию системы теплоснабжения лесосушильной камеры с использованием аккумуляции тепловой энергии.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовали теорию тепломассопереноса в процессе сушки древесины, применяли
методики измерения параметров агента сушки, расчета параметров теплоаккумулирующих систем и теплоемкости материалов, статистические методы обработки опытных данных с применением теории вероятности.
Обработка опытных данных проводились с применением программ
Microsoft Excel, MathCad.
Научная новизна работы:
 Научно обоснована возможность качественного повышения уровня
поддержания параметров агента сушки путем стабилизации температурного поля на теплопередающей поверхности калориферной установки лесосушильной камеры.
 Впервые в практике сушки древесины предложены и применены для
стабилизации температуры теплоносителя – рабочего тела материалы с
фазовым переходом первого рода.
4
 Экспериментально определены характеристики и осуществлен выбор
рабочего тела, обеспечивающего поддержание температурных параметров теплоносителя.
 Разработана технологическая схема лесосушильной установки с термостабилизацией рабочего тела с применением теплоаккумулирующих
материалов.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований по стабилизации параметров агента в технологическом процессе сушки пиломатериалов.
2. Результаты исследований свойств теплоаккумулирующих материалов
для системы теплоснабжения лесосушильной камеры.
3. Технические решения с применением синергетического подхода для совершенствования теплоснабжающих устройств лесосушильной камеры,
позволяющие поддерживать нормативные параметры агента сушки за
счет аккумуляции дополнительной тепловой энергии в системе и повысить качественную эффективность процесса сушки пиломатериалов.
4. Методика расчета теплоаккумулирующей системы энергоснабжения
лесосушильной камеры.
Практическая значимость. На основании результатов исследований обоснована возможность повышения качества сушки пиломатериалов
путем стабилизации параметров агента сушки в лесосушильных камерах с
помощью применения в системе теплоснабжения лесосушильной камеры
накопителя тепловой энергии с устойчивыми температурными характеристиками, что позволяет повысить надежность и упростить систему функционального контроля и управления процессом без сложных систем автоматического регулирования процесса сушки.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены
на Международной научно-технической конференции «Проблемы энергетики Европейского Севера» (Архангельск, 1996); Международной научнотехнической конференции «Современная наука и образование в решении
проблем экономики европейского Севера» (Архангельск, 1999, 2001. 2007),
научно-практической конференции «Сушка древесины. Проблемы и перспективные решения» ( Москва, 2003), Всероссийской научно-технической
конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, ВоГТУ, 2003, 2004, 2007, 2009), научно-технических конференциях
5
профессорско-преподавательского состава Архангельского технического
университета 1996 -2009 гг.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ,
в том числе 2 в изданиях по перечню ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит
из введения, пяти глав, заключения. Общий объем работы 135 страниц,
включает 33 рисунка, 23 таблицы, список литературы из 169 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведено обоснование темы исследования и краткая
аннотация работы.
В первой главе приведен анализ состояния вопроса и определены
цели и задачи исследования.
Качество обработки древесины, получение высококачественных пиломатериалов невозможно без основной технологической операции - сушки древесины. Процессы сушки древесины исследовали известные ученые:
И.В. Кречетов, П.В. Соколов, Г.Н. Харитонов, П.С. Серговский, Г.С. Шубин, Б.С. Чудинов, С.В. Добрынин, А.И. Расев, В.И. Мелехов, Е.С. Богданов, А.В. Лыков, В.Б. Кунтыш, Е.А. Пировских и др.
Качество сушки пиломатериалов оценивается по величине отклонений значений влажности от средней влажности в сушильном штабеле, которая не должна превышать 1-3%; по перепаду влажности по сечению высушенных пиломатериалов различных качественных категорий до 1-2%;
по соответствию средней влажности высушенных пиломатериалов в штабеле заданной конечной влажности.
Качество сушки может быть обеспечено безусловным соблюдением
режимов сушки - регулированием температуры и влажности агента сушки
и равномерным распределением агента сушки по штабелю (Руководящие
технические материалы - РТМ). Определяющими параметрами сушильного агента являются температура tс., степень насыщенности , психрометрическая разность Δt.
Режимы сушки по числу ступеней повышения температуры были
обобщены И. В. Кречетовым. В зависимости от предъявляемых к пиломатериалам требований, они могут высушиваться режимами различных категорий по температурному уровню и подразделяются на одноступенча6
тые, двухступенчатые, многоступенчатые. Наиболее часто применяемые
режимы низкотемпературного процесса предусматривают использование в
качестве сушильного агента воздуха с температурой до 100 ºС.
Отклонения параметров агента сушки от заданных по режиму непосредственно отражаются на качестве высушиваемых пиломатериалов. Для
компенсации возникающих в процессе сушки пиломатериалов напряжений
проводят промежуточную и конечную термовлагообработку, где определяющим фактором также является температура обрабатывающего агента.
И.В. Андрашек аналитически и экспериментально исследовал остаточные
деформации с целью определения оптимального момента назначения промежуточной влаготеплообработки и разработке режимных параметров этого процесса в зависимости от размерно-качественной характеристики высушиваемого пиломатериала и подтвердил важность поддержания стабильной температуры в этих процессах.
Регулирование температуры агента в лесосушильной камере является определяющим фактором ведения режима. Температура сушильного
агента в основном определяется параметрами теплообменной поверхности
калорифера.
Расход тепла в процессе сушки зависит от ряда других факторовфлуктуаций: теплопотерь в лесосушильной камере через элементы конструкции, поступления воздуха с неорганизованным воздухообменом,
введения пара в сушильный агент во время промежуточной термовлагообработки , сорбировании влаги материалом, конденсации влаги на элементах конструкций камеры и др. (рисунок 1).
Рисунок 1 - Факторы, влияющие на расход тепла в ЛСК
7
Увеличение или уменьшение температуры сушильного агента в процессе сушки неизбежно вызывает отклонения от заданного режима (рисунок 2) и требует непрерывной корректировки его проведения, что осуществляется с помощью сложных дорогостоящих систем автоматического
регулирования.
Рисунок 2 - Изменение параметров агента сушки на ID
диаграмме при отклонениях температуры
агента сушки: т. 1 – заданные параметры агента сушки по режиму; 1 и 1 - изменения параметров агента сушки разной температуре
агента сушки
Во многих рассмотренных работах отмечено, что изменение температуры сушильного агента связывается, в первую очередь, непосредственно с влиянием факторов, относящихся к сушильному пространству установки, и что основные мероприятия для поддержания необходимых параметров режимов сушки были направлены на совершенствование конструкций лесосушильных камер, способов управления процессом.
Совершенствованием конструкций ЛСК занимались: И.В. Кречетов,
В.Б. Кунтыш, В.И. Мелехов, П.С. Серговский, Б.С. Чудинов, Е.С. Богданов, Н.П. Толкачева и др. В то же время отмечено, что системы регулирования процесса сушки исследованы и разработаны недостаточно. Одно из
направлений создания устойчивого температурного режима было предложено В.И. Кречетовым, в работах которого частично рассматривался вопрос использования безкалориферных установок и использования продуктов сгорания в качестве сушильного агента. В работах Микита Э.А. и др.
предлагалось для стабилизации температуры агента сушки введение в сушильное пространство перегретого пара. Однако на практике эффектив8
ность предложенных технических решений не подтвердилась и они не
нашли широкого применения из-за невозможности поддержания постоянной температуры агента и снижения качества высушиваемой древесины.
В качестве рабочего тела теплоносителя энергоснабжения лесосушильных камер в современной мировой практике наряду с паровым теплоносителем применяется нагретая вода, имеющая большую энтальпию на
1 м3 объема, более низкую температуру, не требующая для подготовки
сложного оборудования.
Процесс регулирования и поддержания параметров агента сушки системами контроля и управления оборудованием ЛСК достаточно сложный
и обладает рядом практических существенных недостатков. Неправильная
настройка регулятора (например, повышенная чувствительность системы)
может привести к возникновению автоколебаний параметров агента сушки, близких к синусоиде. Чтобы избежать этого, ограничивают точность
датчиков до 1,5% измеряемого параметра и вводят задержку времени на
организацию управляющих воздействий исполнительных механизмов. Необходимый баланс параметров иногда удается найти только в определенных пределах, которые не вписываются в рамки нормативных режимов
сушки и не позволяют поддерживать температуру агента сушки с требуемой точностью.
При постоянной скорости движения сушильного агента через калорифер, температура агента определяется интенсивностью и стабильностью
процессов теплообмена в калорифере и температурой теплоносителя на
входе в калорифер (рисунок 3).

tT100
теплоноситель
90
tT
80
70
tT 60
 50
t1 40
30
сушильный
агент

t1 10
20
tа.с.
0
50
60
70
80
90
100
Рисунок 3 - Зависимость параметров сушильного агента от температуры на поверхности калориферной установки (tТ – температура теплоносителя, tа.с. – температура агента сушки)
9
Таким образом, только устойчивая температура поверхности теплообмена калорифера может обеспечить режимные параметры агента сушки
без промежуточного непрерывного регулирования температуры рабочего
тела. Эта задача может быть комплексно решена на основе синергетического подхода с адаптацией известных решений смежных научнотехнических направлений.
На основании результатов проведенного анализа определена цель и
сформулированы задачи исследований.
Во второй главе теоретически рассмотрен вопрос влияния температуры и необходимости регулирования параметров агента сушки на участке
подготовки агента.
Для определения влияния температуры агента сушки рассмотрена
система уравнений изменения потенциалов влагосодержания U , температуры Т, и давления Р высушиваемого материала в процессе сушки. В общем виде система предложена Шубиным Г.С. и Мироновым В.П.:
T /   k11 2T  k12 2U  k13 2 P ;
U /   k 21 2T  k 22 2U  k 23 2 P ;
(1)
P /   k 31 T  k 32 U  k 33 P ,
2
2
2
где:
ki,j – кинетические коэффициенты, равные:
k11   
rф a
k31  a (
C
Prф
CT
; k12 
 
rф a

Cв
C
; k13 
) ; k32  a(
rф a p
C
rф P
CT
; k21  a ; k22  a ; k 23  a p ;
 

Cв
) ; k33  ap  a p (
rф P
CT
 

Cв
).
α, a - коэффициенты температуро и влагопроводности, м2/с;
rф – теплота фазового перехода, Дж/кг;
ε – критерий фазового перехода;
δ – термоградиентный коэффициент, %/К;
β – коэффициент, зависящий от пористости и влагосодержания;
С – удельная темлоемкость условного пиломатериала, Дж/кг К;
Св – удельная емкость парообразной влаги;
δр- относительный коэффициент молярного потока парообразной
влаги
Однако, данная система уравнений в аналитической форме решений
не имеет из-за сложности взаимосвязей значений эмпирических
коэффициентов.
10
Поэтому в работе предложено систему трех уравнений (1) при
допущении, что давление пара Р есть однозначная функция температуры,
свести к системе двух уравнений:
T /    э 2T  jT 2 ;
U /   a2  2U  a2 эT 2 ,
(2)
где:
αэ , βэ – эквивалентные эффективные коэффициенты:
э   
rф K p P
K p P
K p P
( ) ; э  2 
( ); j 
( );
C o T
 o a2 T
C o T
ρо - плотность сухой древесины, равная 500 кг/м3;
Кр – коэффициент, учитывающий реальную плотность древесины.
Градиент температуры Т определяется как разность средней
температуры высушиваемого пиломатериала и температурой агента сушки
и является заданной для данного этапа сушки величиной в соответсвии с
режимом. При случайных изменениях температуры агента скорость
изменения
температуры
и
влагосодержания
высушиваемого
пиломатериала прямо пропорциональна квадрату градиента температуры,
что существенно проявляется в процессе.
Скорость изменения параметров высушиваемого материала T и U
определяет допустимые напряжения σпр , которые возникают в
пиломатериале в процессе сушки. Задачу развития внутренних напряжений
в древесине при сушке с учетом температурных и влажностных
параметров рассмотрел Н.В. Скуратов. Значения пределов прочности σпр
апроксимируются функциями типа:
 пр (U , T )  A TU  B U  C T  D ,
(3)
где: A , B , C , D - коэффициенты, зависящие от сорта
пиломатериала.
В процессе тепловой обработки древесины первостепенное значение
имеет не столько абсолютное значение возникшего напряжение в
пиломатериале, сколько скорость его нарастания. В соотвествии с
уравнением (1) и (2) скорость нарастания пропорциоанальна квадрату
градиента температуры.
Выдерживание величины градиента температуры Т постоянной и
соответствующей заданному этапу режима сушки, приводит к
11
равномерному изменению скорости нагрева пиломатериала, при этом
скорость изменения влагосодержания пиломатериала будет зависеть
только от градиента U .
Для определения количественной оценки допустимого диапазона
температурного
регулирования
калорифера
сушильной
камеры
рассмотрим зависимости параметров агента сушки в ЛСК . Изменения
равновесной влажности в зависимости от температуры сушильного агента
при различных степенях φ насыщенности поступающего воздуха определяем аналитически по формуле:
(4)
wp  10.6 (0.0327  0.00015T ) *100 , %
При температуре агента сушки в пределах 50÷100 ºС и степени
насыщенности φ = 0,5 – 0,9 по формуле (4) на каждые 10 ºС изменение
равновесной влажности ∆wр = 0,49 – 1,26 %.
Согласно Руководящим техническим материалам (РТМ) ступень
изменения равновесной влажности на каждом этапе сушки составляет 3 – 5
% с допустимой точностью 2% (0,06 – 0,1 % wр).
Из уравнения (4) допустимые колебания температуры сушильно
агента при условии постоянства φ = Const составляют 1 – 1,2 ºС.
Данный результат хорошо коррелируется с требованиями к параметрам агента сушки, определяемыми РТМ и ГОСТ18867, ГОСТ 19773.
В третьей главе приведены методики проведения экспериментальных исследований.
В первой части представлена методика измерений параметров агента
сушки в лесосушильной камере. Для оценки характера изменения параметров агента сушки и соответствия их заданным по температуре и влажности были проведены опыты в современной, хорошо зарекомендовавшей
себя ЛСК «SECEA». Мощность калориферов– 2,3 ГДж/час. Теплоноситель
–вода с t = 90 Сº. Калориферы выполнены из биметаллических оребренных
труб, что обеспечивает высокий термический обмен и коррозионную стойкость. Процесс сушки автоматизирован.
Измерение равновесной влажности осуществляется с помощью целлюлозной пластинки. Состояние влажности пластинок в камере быстро
меняется, позволяя сопоставить значения текущей влажности в древесине
и сушильного агента. Текущий контроль влажности пиломатериала производится с помощью датчиков, помещенных в древесину. В зависимости от
12
фазы сушки пиломатериала определяют градиент влажности и устанавливают необходимый уровень равновесной влажности в камере с помощью
исполнительных элементов.
На рисунке 4 приведена схема экспериментальной лесосушильной
установки.
Рисунок 4 – Экспериментальная лесосушильная
установка: 1 – штабель, 2 – приточновытяжные каналы, 3 – вентилятор, 4 –
клапан калорифера, 5 – клапан системы
увлажнения
Было проведено десять опытных сушек. Пиломатериал – сосна. Режим сушки: первая ступень прогрева с температурой в камере t=64 ˚С и
равновесной заданной влажностью wр=18÷16%, вторая стадия прогрева t=57 ˚С и равновесной заданной влажностью агента wр =13÷11%, третья
ступень - t=61 ˚С и равновесной влажностью wр =10%, четвертая ступень t=70 ˚С и равновесной влажностью wр =7÷6,5%, окончание процесса сушки – кондиционирование в течение 2 часов, которое не оказывает непосредственно влияние на режим сушки нами не рассматривалось.
Результаты наблюдения статистически обработаны. По каждой фазе
процесса сушки строили вариационный ряд из n значений температур tn и
гистограмму выборки. По таблицам распределения Стьюдента находили
95% доверительный интервал температуры агента сушки относительно заданного значения температуры по режиму t .
Во второй части главы приведена методика определения теплоемкости теплоаккумулирующих материалов методом С-калориметрии прибором ИТ-с-400, позволяющего измерить удельную теплоемкость твердых
13
тел, сыпучих, волокнистых материалов и жидкостей с плотностью не менее 800 кг/м3. Диапазон измерения объемной теплоемкости 1*106 Дж/(м3
К). Температурный диапазон измерения от +50С÷ +400С.
Исходные данные для подбора исследуемых образцов теплоаккумулирующего материала приняты исходя из начальных условий: температурный диапазон сушильного агента - 50 ÷100 Сº; температура теплоносителя
на входе в калорифер лесосушильной установки - 90 °С (для нормальных и
мягких режимов сушки); теплоноситель – вода; объем запасаемой энергии
должен обеспечить требуемую температуру теплоносителя на входе в калорифер лесосушильной установки на весь цикловой период разрядки теплоаккумулятора (ТА).
Анализ результатов подбора аккумулирующих материалов и методов
аккумулирования теплоты показал, что в исследуемом диапазоне температур из известных методов аккумулирования энергии для лесосушильной
установки интерес представляет теплоемкостное аккумулирование и аккумулирование теплоты фазовых переходов. Из теплоаккумулирующих материалов выделены твердые и жидкие. Твердые вещества имеют относительно малую удельную теплоемкость при высокой удельной плотности
материала. Жидкостные имеют высокую удельную теплоемкость, но
меньшую удельную плотность.
При выборе материалов с высокой плотностью материала рассматривали бетон, кирпич, щебень. Из жидких материалов, имеющих относительно высокую удельную теплоемкость - вода, глицерин, минеральное
масло.
В справочной литературе удельная теплоемкость твердых материалов указана начиная с температуры 100 Сº. Поэтому в соответствии с задачами исследований были определены значения теплоемкости в диапазоне
50 – 100 Сº для каждого вида материала.
Измеряли теплоемкость образца исследуемого материала при температуре 50, 75, 100 Сº. Точность измерений 6%. Для каждого значения температуры строили выборку величин теплоемкости и для получения вероятности р менее 0,05 определяли по критерию Стьюдента количество серий в опыте. По F-критерию (дисперсионному отношению) подтвердили
корректность полученных результатов.
14
16
65
60
10
8
55
6
4
50
Влажность,%
12
t, град.С.
Влажность,%,
14
13
65
12
11
60
55
10
50
9
45
8
7
40
35
6
2
0
45
1
6
11
16
21
26
31
Wр измеренная,%
t заданная,град. С.
t измеренная, град.С.
30
1
6
11
16
21
26
Время сушки, час.
36
Время сушки, час
Wр заданная,%
t,град.С.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных
исследований.
Приведены результаты измерений параметров сушильного агента в
лесосушильной камере при проведении сушки (рисунки 5 – 7).
Скорость нарастания температуры в среднем составила 2,3 ˚С/час.
Количество обработанных значений температур – 550 точек. Дисперсия s = 7,016.
На рисунке 6 и рисунке 7 приведены зависимости изменения равновесной влажности и температуры сушильного агента в камере во время
непосредственно начальной и заключительной стадии сушки пиломатериала.
Как видно из рисунков 5 - 7 диапазон колебаний температуры достигает 5-8 С, что выходит за границы, установленные РТМ.
Рисунок 5 - Изменение равновесной
влажности и температуры
сушильного агента в камере во время фазы прогрева
Wр измеренная,%
t заданная,град. С.
t измеренная, град.С.
Полиномиальный (Wр заданная,%)
Рисунок 6 - Изменение равновесной
влажности и температуры
сушильного агента в камере в
процессе сушки
Нестабильные параметры сушильного агента на входе в сушильную
камеру зависят во многом от стабильности температуры теплоносителя. По
данным, полученным в результате наблюдений за температурой сетевой
воды, построен график изменения температуры теплоносителя от времени
показанный на рисунке 8.
Как видно, процесс регулирования температуры теплоносителя t°
плохо управляем.
В главе представлены результаты экспериментальных исследований
по определению теплоемкости материалов, расчетов объема накопителя
15
100
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
t сетевой воды, град.C
8
7,8
7,6
7,4
7,2
7
6,8
6,6
t,град.С.
Влажность,%
тепловой энергии и параметров теплообменной поверхности его калорифера.
Время сушки, час.
Wр заданная,%
Wр измеренная,%
t заданная,град. С.
t измеренная, град.С.
98
96
94
92
90
88
86
84
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24
Время, час
Рисунок 7 - Изменение равновесной влаж- Рисунок 8 - Характер изменения темпераности и температуры сушильтуры теплоносителя на входе в
ного агента в камере во время
калорифер ЛСК
фазы сушки
4,5
4
3,5
0,9
3
2,5
2
1,5
0,85
0,8
1
0,5
0
0,75
0,7
50
75
Q уд, ГДж/куб.м..
С тв, кДж/кг*К..
0,95
С воды, кДж/кг*К..
На рисунке 9 приведены сравнительные результаты выполненных
измерений теплоемкости твердых тел и жидкости (вода): бетона, красного
кирпича, щебня.
Установлено, что по соотношению запасаемой удельной энергии на 1
м3 вещества в диапазоне температур от 50 до 100 Сº лучшие показатели
имеет рабочее тело – нагретая вода.
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
50
100
щебень
кирпич
70
80
90
100
Температура, град.С
Температура, град. С
бетон
60
вода
бетон
щебень
кирпич
вода
а)
б)
Рисунок 9 - Изменения теплоемкости (а); теплосодержания воды и твердых
веществ (б) в зависимости от температуры нагрева
Теплоаккумулятор с водной рабочей средой имеет большой объем
накопителя-аккумулятора. Для устранения этого недостатка рассмотрен
вариант с аккумулирующим веществом с фазовым переходом первого рода
– гидратом сульфата алюминия. Под аккумулированием на основе теплоты
фазового перехода подразумевается аккумулирование теплоты плавления
16
при переходе теплоаккумулирующего вещества из твердого в жидкое состояние. При этом аккумулируется большое количество тепла в узком
диапазоне температур и незначительном изменении объема вещества. За
основу выбран гидрат Al2(S04)312H20 с температурой плавления 89 ˚С,
плотностью 1,56 г/см3.
Была определена удельная теплота плавления, удельная теплоемкость (таблица 1) и произведен сравнительный расчет аккумуляторных емкостей с двумя видами аккумулирующего вещества - гидратом и водной
рабочей средой.
Таблица 1 - Свойства гидрата Al2(S04)312H20
Гидраты
Температура
плавления,
˚С
Al2(S04)312H20 89
Теплота
плавления,
кДж/кг
260
Удельная
теплоем- Плотность,
кость, кДж/(кг ˚С)
г/см3.
Твердая
Жидкая
фаза
фаза
0,46
0,03
1,56
В период отдачи энергии таким накопителем температура нагреваемого теплоносителя на входе в калорифер лесосушильной установки стабильна и в нашем случае равна 89 ˚С. При этом температура агента сушки
будет точно поддерживаться в требуемом режиме без дополнительного автоматического регулирования и, следовательно, не требует сложной системы контроля и управления.
В пятой главе приведено принципиально-техническое решение,
позволяющее обеспечить стабильную температуру агента сушки на разных
стадиях процесса с применением теплоаккумуляции в системе подготовки
рабочего тела (воды) в ЛСК. Технологическая схема приведена на рисунке
10.
При запуске системы (прогрев материла) нагреватель НГР1 работает
на калорифер ЛСК. Мощность нагревателя регулируется в соответствии с
температурным режимом ЛСК. В это же время нагреватели НГР1 и НГР2
работают на нагрев гидрата Al2(S04)312H20 для аккумуляции энергии, которая далее обеспечивает тепловую нагрузку на теплообменной поверхности калорифера ЛСК.
17
Рисунок 10 - Схема лесосушильной установки пиломатериалов с применением ТА: ТА – теплоаккумулятор, НГР1 – НГР3 – нагреватели; К –калорифер; Н1, Н2 – насос; В1 - В13 - вентили
1.
2.
3.
4.
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
В современных лесосушильных камерах сложные системы автоматического контроля и управления поддержания параметров сушильного
агента не обеспечивают надежного и точного температурного уровня
процесса.
Альтернативным решением задачи поддержания стабильной температуры агента сушки может быть синергетический подход к формированию температурной характеристики агента сушки с помощью устойчивого температурного поля на поверхности калорифера лесосушильной
камеры, что исключит дополнительное регулирование и упрощает систему управления.
На основе анализа проведенных исследований обоснован выбор способа поддержания стабильной температуры агента в процессе сушки путем аккумулирования тепловой энергии в системе энергообеспечения
лесосушильной камере.
Впервые в практике сушки древесины разработан способ поддержания
стабильной температуры процесса в теплообменнике ЛСК и формирования температурного поля калорифера с устойчивыми температурными характеристиками на основе свойств теплоаккумулирующих веществ при изменении их фазового состояния с постоянной температу18
5.
6.
7.
8.
9.
рой перехода. Экспериментально определены характеристики материалов в диапазоне 50÷100 °С, обеспечивающих поддержание параметров
теплоносителя.
Установлено, что процесс изменения температурно-влажностных параметров агента сушки не зависит от вида теплоносителя в лесосушильных камерах и не всегда соответствует требованиям РТМ. Отклонения от заданной величины температуры достигают 5÷8 °С.
Определены граничные условия диапазона допустимого отклонения
температуры на поверхности теплообмена калорифера в 1÷1,2 °С.
Разработана методика расчета системы термостабилизации теплоносителя в теплообменнике лесосушильных камер периодического действия
емкостью от 15 до 65 м3 с применением термостабилизирующих систем.
Обоснован и рекомендован выбор теплоаккумулирующего материала гидрата сульфата алюминия Al2(S04)312H20 с температурой плавления
89 ˚С.
Разработано принципиальное техническое решение лесосушильной
установки с термостабилизацией рабочего тела без промежуточного непрерывного регулирования температуры рабочего тела.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ:
1. Возможности электротопления и электрообогрева в часы минимума
нагрузки энерогосистемы [Текст]/Г.А. Шепель, В.Ф. Надеин//Научнотехническая политика и развитие новых отраслей экономики Архангельской области: тез.докл.науч.-практ.конф.-Архангельск,1998.- с. 84.
2. Индукционная сушка древесины [Текст]/В.Ф. Надеин, Н.С. Кабеева,
С.В. Махов.//Актуальные проблемы развития лесного комплекса. Материалы Всероссийской научно-технической конференции, 2-4 декабря
2003, г.Вологда, с.25-26.
3. Использование теплоаккумуляторов в процессе гидротермообработки
пиломатериалов [Текст]/Шепель Г.А., Надеин В.Ф.//Оптимизация и интенсификация технологических процессов в энергетике и промышленности. Сб.науч. трудов. К 75-летию АГТУ, г.Архангельск, 2004,
стр.155-156.
19
4. К вопросу об электроотоплении в Архангельской области [Текст]/Г.А.
Шепель, В.Ф. Надеин,//Повышение эффективности энергетических систем и обрудования: сб.науч.тр./АГТУ.- Архангельск,1999. –с.169-174
5. О коэффициенте температуропроводности древесины [Текст]/Шепель
Г.А., Надеин В.Ф., Баланцева Н.Б.//ИВУЗ, «Лесной журнал» , 2007, №2,
стр. 132 – 134.
6. О влиянии коэффициента температуропроводности древесины [Текст]
/В.Ф.Надеин, Н.С. Кабеева.//Актуальные проблемы развития лесного
комплекса:Материалы Всероссийской научно-технической конференции./Вологда:ВоГТУ, 2004.-141 с.
7. Применение электроэнергии как источника тепла [Текст]/Шепель Г.А.,
Надеин В.Ф., //Совершенствование энергетических систем и технологического оборудования:сб.науч.тр./АГТУ.-Архангельск,2002.-с.160-164.
8. Рациональное использование электрической энергии [Текст]/Г.А. Шепель, В.Ф. Надеин и др., //Проблемы энергетики европейского Севера: к
35-летию факультета промышленной энергетики/ АГТУ. – Архангельск,
1996. –с.48-56.
9. Термостабилизация теплоносителя на входе в калорифер лесосушильных установок [Текст]/Шепель Г.А., Надеин В.Ф., Кабеева Н.С.// ИВУЗ,
«Лесной журнал» , 2006, №6, стр. 132 – 135.
10.Энергообеспечение электротермических технологий сушки древесины
[Текст]/Шепель Г.А., Надеин В.Ф..//Проблемы и перспективные решения. Тезисы докладов научно-практической конференции «Сушка древесины. Проблемы и перспективные решения» - Москва, 2003.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями
просим направлять по адресу:163002, Россия,г.Архангельск, наб. Северной Двины,17, Архангельский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д212.008.01
Земцовскому А.Е.
20