CC BY
23
ХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЕ
УДК 674.047
В.С. Петровский, А.О. Сафонов
Петровский Владислав Сергеевич родился в 1933 г., окончил в 1956 г. Сибирский технологический институт, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов Воронежской государственной лесотехнической академии, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РАЕН. Имеет более 350 печатных работ в области математического моделирования, оптимизации, компьютеризации, автоматиза - ции технологий и оборудования лесного комплекса.
Сафонов Андрей Олегович родился в 1971 г., окончил в 1993 г. Воронежскую государственную лесотехническую академию, кандидат технических наук, докторант кафедры автоматизации производственных процессов ВГЛТА. Имеет более 40 печатных работ в области математического моделирования и оптимизации конвективных процессов сушки дисперсных материалов.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ В ПРЯМОТОЧНЫХ БАРАБАННЫХ СУШИЛКАХ
Получены математические зависимости, характеризующие изменение влажности древесных частиц в процессе их сушки в барабанных сушилках при производстве древесностружечных плит. Установлено, что учет сезонности работы оборудования при моделировании технологии значительно повышает эффективность сушки.
сушка, древесная частица, прямоточная барабанная сушилка, влажность, обезвоживание, скорость удаления влаги.
Сушка древесных частиц является одной из основных технологических операций в производстве древесностружечных плит. При их изготовлении конечная влажность измельченной древесины перед смешиванием со связующим находится в пределах 2 ... 4 %, что регламентируется требованиями ГОСТ 10632-89 к показателям физико-механических свойств плит. Технология сушки древесных частиц характеризуется значительными расходами энергоносителей. Имеющиеся системы и методы управления приме-
няемым оборудованием в ряде случаев не обеспечивают заданную конечную влажность высушиваемого материала. Колебания температуры отработавшего сушильного агента на выходе из агрегата приводят к возгоранию сухих древесных частиц. При этом недостаточно высокая производительность сушилок делает эту операцию «узким местом» в производстве древесностружечных плит.
Обезвоживание древесной стружки, как правило, осуществляют в сушильных барабанах. В России получили широкое распространение вращающиеся барабанные сушилки типа «Прогресс» с прямоточным движением сушильного агента и высушиваемого материала. Технология сушки древесных частиц достаточно сложная, характеризуется множеством факторов. Измерять влажность обрабатываемого материала в непрерывно вращающемся барабанном агрегате невозможно. Имеющаяся в настоящее время контрольно-измерительная аппаратура, использующая косвенные методы определения влажности древесных частиц в потоке, не отвечает требованиям точности и надежности. Также возникают технические трудности дистанционного измерения влажности древесных частиц внутри вращающейся сушилки. Поэтому необходимость создания математического аппарата, позволяющего достоверно определять влажность древесных частиц в любой момент процесса сушки, очевидна. Знание закономерностей удаления влаги из высушиваемой стружки представляется актуальным для эффективного, качественного, энергосберегающего и безопасного управления технологическими процессами.
Так как влажность частиц в процессе сушки изменяется в течение года, для получения адекватной реальному процессу зависимости были проведены эксперименты с учетом сезонности работы сушильного оборудования. Для этого были выделены следующие сезоны: зимний, весенне-осенний, летний. По результатам наблюдений за процессом сушки древесных частиц колебания начальной влажности высушиваемого материала в зимний сезон составили Wн = 80 ... 100 %, в весенне-осенний - 60 ... 90 %, в летний - 50 ... 70 %. Интервалы изменения начальной влажности стружки обусловлены температурными и влажностными параметрами атмосферного воздуха, характерными для того или иного времени года.
Для использования математических уравнений при моделировании процесс обезвоживания древесных частиц был разделен на два периода: постоянной и падающей скорости сушки. Период постоянной скорости сушки характеризуется удалением из высушиваемого материала свободной влаги, находящейся в полостях клеток и межклеточных пространствах. В период падающей скорости сушки происходит удаление связанной влаги из клеточных стенок [5]. Период удаления свободной влаги в древесине заканчивается при изменении влажности от начального значения до критического Wкр. Этот показатель был определен в зависимости от породного состава и массовой доли сырья, используемого при изготовлении древесностружечных плит, температурного режима внутри барабанного агрегата на основе проведенных опытов по выявлению закономерностей удаления влаги из дре-
весных частиц и анализа исследований [3, 5 - 7]. Установленный уровень Wкр = 30 % с достаточной для технологии сушки в агрегатах барабанного типа точностью можно принять при моделировании процесса изменения влажности древесных частиц. Это подтверждается результатами проведенных экспериментов. Период постоянной скорости сушки от Wн до Wкр можно описать следующим уравнением:
(О
с!т
где т - продолжительность сушки, мин;
к - эмпирический коэффициент, характеризующий скорость уменьшения влагосодержания стружки для зимнего (к = - 2,22 - 0,0479 Wн), весенне-осеннего (к = - 1,56 - 0,0570 Wн) и летнего (к = - 0,15 -- 0,0837Wн) сезонов.
Изменение влажности в единицу времени для периода падающей скорости сушки выражают следующими уравнениями:
^ЪЛЩ; (2,
с/т Т
У] = а0 + а1Х1 + а2Х2 + а3Х3 + а4Х4 + а5Х5 + а6Х6 + а^н + а8^2 + а9^3 + а100р4 + + апХ^ +а12Х 2 + а13Х3 +аыХ% +а15Х52 +а16Х% + аХ1ХХ2 + а\?ХХъ + + а 19X1X4 + а 20X1X5 + а2^-Х^.Хб + а 22X2X3 + а2ХХ4 + а2^^Х5 + а 25X2X6 + + a26XзX4 + a27XзX5 + a2XзX6 + a29X4X5 + aзoX4X6 + aзX5X6 +
+ а32Ж;2 + азуР22 + а34/-;2 + а35/-42, (3)
где 2] - эмпирический коэффициент перехода от установившегося
режима к режиму с изменением влажности стружки во времени;
У] - конечная влажность древесных частиц, %; Т - постоянная времени, мин; а0 ... а35 - эмпирические коэффициенты регрессии;
Х\ - температура сушильного агента на входе в барабан, °С; Х2 - температура топочного газа, °С;
Х3 - количество подаваемой в барабан сырой стружки, кг/ч; Х4 - расход природного газа для нагрева сушильного агента до заданной температуры, м3/ч; Х5 - расход воздуха на горение природного газа, отн. ед.; Х6 - расход воздуха на смешивание с топочным газом, отн. ед.; Р2 - влажность воздуха в сушильном цехе, отн. ед.;
- температура воздуха в сушильном цехе, °С; /'4 - температура атмосферного воздуха, °С.
В таблице представлены коэффициенты регрессии для уравнения (3) по сезонам. Исследования проводили на сушильном барабане длиной 10,0 м и диаметром 2,2 м. Количество газов, циркулирующее через установку, было равно 26 200 кг/ч. Подсосы холодного воздуха в сушилку через течку сырой стружки и фланцевое уплотнение на входе в агрегат составляли 2000 кг/ч.
Коэффициенты регрессии для определения конечной влажности древесных частиц
Коэффициенты Значения коэффициентов для сезонов
регрессии зимнего весеннее-осеннего летнего
ао 259,0739850 407,6174000 -90,3140099
а1 -0,5496779 -0,8987907 0,1002105
а2 -0,0672047 0 0,0589867
а3 0,0165967 -0,0113401 0,0287276
а4 0 -1,6474752 -0,2773579
а5 -40,3246498 79,4284028 29,5994300
а6 249,9056396 85,8111269 13,8594636
а7 -4,0225834 0,1143256 0,3492385
а8 0 0 37,9275054
а9 -0,8109421 0 0
а10 -0,0091065 -0,0552437 -0,0358359
а„ -0,0002123 0,0008706 0,0001535
ai2 0,0003455 0 0,0000677
ai3 0,0000136 0,0000006 0,0000014
а14 0 0,0026402 0
а15 0 -13,3508350 -4,8901238
а16 -19,0909671 -32,9417530 11,9422636
а17 0 0,0000571 -0,0002410
ais 0,0000959 -0,0000238 -0,0000526
а19 0,0028551 0,0001502 0,0002559
а2о -0,0618675 -0,0413657 -0,0309876
а21 -0,1788167 -0,0203917 0,0860672
а22 -0,0001129 0,0000010 -0,0000133
а23 -0,0005649 -0,0001550 0,0001808
а24 0,0478025 0 -0,0177674
а25 -0,2788828 0,0131896 -0,0863890
а26 -0,0003601 0,0001202 0,0000041
а27 0,0121117 -0,0083883 0
a2s 0,0879416 -0,0088542 0
а29 0 0 0
а3о -0,229548 0 0
а31 0 -21,678902 6,9610328
а32 0,0225236 -0,0003335 -0,0025452
а33 2,8283662 -17,377109 0
а34 0,0204190 -0,0021842 0,0022502
а35 0 0 0
Уравнение (3), несмотря на большое количество технологических параметров, дает возможность достаточно точно определять численные значения текущей влажности стружки, о чем свидетельствуют проведенные исследования [4]. Ошибка в серии экспериментов не превышала допустимого в деревообработке значения 5 % [2]. Современный уровень вычислительной техники позволяет достаточно быстро получать численные значения влажности стружки по уравнению (3), поэтому его упрощение представляется нецелесообразным по причине снижения точности У/.
Численные значения режимных управляющих параметров Х1 - Х6, обеспечивающих требуемую конечную влажность высушиваемого материала, минимальные расходы электроэнергии и природного газа, максимальную производительность оборудования, заданную температуру отработанного агента сушки, были определены в входе многокритериальной оптимизации процесса по результатам экспериментальных исследований на действующей промышленной установке [1].
Зависимость изменения влажности древесных частиц с течением времени в зимний сезон представлена на рис. 1.
Как отмечено ранее, весенне-осенний сезон отличается значительными (от 60 до 90 %) колебанииями начальной влажности высушиваемого материала, что обусловлено не только свойствами исходного сырья, из которого получена измельченная древесина, но и климатическими условиями, характерными для этого сезона. Результаты определения закономерностей удаления влаги из древесных частиц для этого сезона приведены на рис. 2.
Летний сезон характеризуется достаточно низкой начальной влажностью высушиваемого материала и сравнительно высокой температурой окружающего барабан воздуха. На рис. 3 представлены кривые скорости сушки древесных частиц в это время года.
Кривые, отражающие изменение скорости сушки древесных частиц в различные сезоны, позволяют вычислять с достаточной для технологии точностью среднюю влажность высушиваемого материала в любой момент времени и обеспечивают необходимую конечную влажность путем определения и реализации требуемых значений управляющих воздействий. Оптимальный выбор режимных параметров Х\ - Х6 минимизирует расходы природного газа для нагрева теплоносителя и электрической энергии для вращения барабана, подачи сырой стружки, работы вентиляторов.
Рис. 1. Изменение влажности W древесных частиц в процессе сушки (зимний сезон): 1 - W = 80 %; 2 - 85; 3 - 90; 4 - 95; 5 - 100 %
Рис. 2. Изменение влажности древес- Рис. 3. Изменение влажности древесных частиц в процессе сушки (весен- ных частиц в процессе сушки (летний нее-осенний сезон): 1 - Ж = 60 %; сезон): 1 - Ж = 50 %; 2 - 55; 3 - 60; 2 - 65; 3 - 70; 4 - 75; 5 - 80; 6 - 85; 4 - 65; 5 - 70 %
7 - 90 %
Наиболее актуально это для зимних условий работы барабана, характеризуемых чрезмерными расходами энергоносителей. Кроме того, исключается вероятность возгорания высушиваемого материала для летних условий проведения процесса сушки. Определение закономерностей сушки в агрегатах барабанного типа для различных интервалов начальной влажности древесных частиц решает проблему колебания их конечной влажности, которое чаще всего имеет место в весенне-осенний сезон.
Таким образом, результаты научно-практических исследований процесса сушки древесных частиц в прямоточных барабанах позволяют с достаточным уровнем адекватности реальной технологии осуществлять контроль и управление текущей влажностью измельченной древесины при исключении опасности ее возгорания и обеспечения заданного качества выпускаемых древесностружечных плит за счет определения и установки требуемых значений режимных параметров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петровский В.С., Сафонов А.О. Статика процесса сушки древесных частиц в барабанных сушилках. - Воронеж: ВГЛТА, 2000. - 114 с.
2. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 232 с.
3. Серговский П.С., Расев А.И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 360 с.
4. Стерлин Д.М. Сушка в производстве фанеры и древесностружечных плит. - М.: Лесн. пром-сть., 1977. - 384 с.
5. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. - М.: МГУЛ, 2001. - 368 с.
6. Чудинов Б.С. Вода в древесине. - Новосибирск: Наука, 1984. - 270 с.
7. Шубин Г.С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 248 с.
Воронежская государственная лесотехническая академия
Поступила 13.06.02
V.S. Petrovsky, A.O. Safonov
Regularities Study of Water Elimination from Wood Particles in Streamline Rotary Driers
Mathematical dependencies have been derived characterizing moisture content of wood particles in the process of drying in rotary driers when producing chipboards. It has been found out that taking into account the seasonal character of equipment operation when simulating technology increases the drying efficiency considerably.
