CC BY
49
Деревопереработка. Химические технологии
Никулин Сергей Саввович - профессор кафедры инженерной экологии, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: Nikulin_sergey48@mail.ru.
Information about authors
Dmitrenkov Alexander Ivanovich - Associate Professor Chemistry Department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», PhD in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: chem@vglta.vrn.ru.
Nikulina Nadezhda Sergeevna - Lecturer, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Voronezh Institute of the State Fire Department of Emercom of Russia», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: Nikulin_sergey48@mail.ru.
Filimonova Olga Nikolaevna - Professor Department of industrial ecology, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Voronezh State University of the Engineering Technologies», DSc in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: olga270757@rambler.ru.
Vostrikova Galina Yurievna - Senior Lecturer, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Voronezh State University Architecture and Civil Engineering», PhD in Chemistry, Voronezh, Russian Federation; e-mail: vostr76-08@live.ru.
Nikulin Sergey Savvovich - Professor Department of industrial ecology, Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Voronezh State University of Engineering Technologies», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: Niku-lin_sergey48@mail.ru.
DOI: 10.12737/111987 УДК 674.047.3: 697.92
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АЭРОДИНАМИКИ СУШИЛЬНЫХ КАМЕР С ВЕРТИКАЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
кандидат технических наук, доцент А. Е. Земцовский1 доктор технических наук, доцент А. Ю. Мануковский2 1 - ФЕАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», г. Архангельск, Российская Федерация 2 - ФЕБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Е.Ф. Морозова», Воронеж, Российская Федерация
В статье с позиций аэродинамики рассмотрена концепция построения математической модели циркуляционных каналов лесосушильных камер переменного поперечного сечения с вертикально-поперечной циркуляцией. Выявлены факторы, влияющие на равномерность распределения
Лесотехнический журнал 2/2015
131
Деревопереработка. Химические технологии
воздушного потока в штабеле пиломатериалов. Разработана аналитическая математическая модель движения агента сушки по боковому каналу переменного поперечного сечения. В качестве основных допущений принята замкнутость системы циркуляции, что для камерной сушки является обязательным условием, постоянство коэффициента расхода агента сушки и коэффициента трения, равномерность полей скоростей в поперечных сечениях каналов. Выявлено, что параметры бокового канала сушильной камеры переменного поперечного сечения не зависят от температуры и влажности циркулирующего воздуха, а значит, и от «жесткости» режимов сушки. Они также не зависят ни от скорости движения агента сушки, ни от длины штабеля пиломатериалов. Основными факторами, влияющими на геометрические параметры боковых циркуляционных каналов, являются толщина высушиваемых пиломатериалов, толщина межрядных прокладок, высота сушильного штабеля и показатель неравномерности распределения агента сушки через штабель пиломатериалов. Последний фактор задаётся исследователем по аналогии с точностью получения результатов эксперимента при определении минимально необходимого объема выборки
Ключевые слова: сушка древесины, лесосушильная камера, нагнетательный канал.
A MATHEMATICAL MODEL OF THE AERODYNAMICS OF DRYING CHAMBERS WITH VERTICAL TRANSVERSE CIRCULATION
PhD in Engineering, Associate Professor A. E. Zemtsovsky1 DSc in Engineering, Associate Professor A. Y. Manukovsky2 1 - Federal state Autonomous educational institution of higher professional education «Northern (Arctic) Federal University n.a. M.V. Lomonosov», Arkhangelsk, Russian Federation 2 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation
Abstract
In the article, from the standpoint of aerodynamics considered the concept of a mathematical model of the circulation channels marketing chambers of variable cross section with a vertically transverse circulation. Factors affecting the uniformity of the air flow in the pile of lumber. Developed analytical mathematical model of the motion of drying agent on the side channel of variable cross section. The main assumptions adopted a closed circulation system that drying chamber is a requirement of the constancy of the coefficient of discharge of drying agent and friction coefficient, the uniformity of the velocity field in the cross sections of the channels Revealed that the parameters of the lateral channel of the drying chamber of variable cross section does not depend on the temperature and humidity of the circulating air, and hence from the "rigidity" of the drying mode. They also do not depend on the speed of drying agent, or the length of the stack of lumber. The main factors affecting the geometric parameters of the lateral circulation channels are the thickness of the dried lumber, the thickness of nagradnyh spacers, the height of the clothes pile and the indicator of the uneven distribution of drying agent through the stack of lumber. The last factor is set by the researcher by analogy with the accuracy of the experimental results when determining the minimum required sample size.
Keywords: wood drying, drying kiln, the air flow channel.
132
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Процесс производства изделий из древесины может быть представлен как многостадийный со сложной системой прямых и обратных связей. На этапе сушки формируется значительное количество потребительских свойств будущей готовой продукции. Высокое качество сушки пиломатериалов в лесосушильных камерах может быть обеспечено целым комплексом технологических и технических факторов. Сюда относятся физические свойства древесины, правильный выбор технологии лесопиления и сушки и другие факторы. Следует отметить, что равномерность просыхания материала по объему штабеля во многом определяется равномерностью скоростей циркуляции агента сушки, которая, в свою очередь, зависит от геометрических параметров боковых циркуляционных каналов. В программу исследований включена конструкция камер с вертикально-поперечной циркуляцией агента сушки, имеющих верхний рециркуляционный канал, в котором расположены вентиляторы, с боковым нагнетательным каналом переменного сечения.
При разработке аналитической модели нами использованы следующие ограничения и допущения:
•система циркуляции замкнута, т.е. вентилятор отсасывает воздух из одной части сети, перекачивая его в другую;
•коэффициент расхода по всей высоте штабеля пиломатериалов и во всех межрядных промежутках постоянный;
•поля скоростей в поперечных сечениях канала приняты равномерными (коэффициенты Кориолиса и Буссинекса равны единице);
•коэффициент сопротивления трения по всей длине канала постоянный;
•боковой канал переменного поперечного сечения сушильной камеры можно рас-
сматривать как клиновидный воздухораспределитель с отверстиями одинаковой площади.
В качестве основного принято уравнение сохранения энергии Бернулли применительно к i-му и i-1-му сечениям, имеющее следующий вид
А Р 2 А Р 2
Apt + —а>1 = АРг-1 + “«Vi +
f Я P0>f_р { ^2 ^
+\------—dx + //-(©,. ,
О Ui-\,x А А
где Эр - давление воздуха, Па;
10 - расстояние между двумя смежными сечениями, м;
77 - коэффициент смягчения удара (потери на проход воздуха мимо отверстия приняты как смягченные потери при внезапном расширении канала), ц = 0,4; р- плотность воздуха, кг/м3; di-ijX - эквивалентный диаметр воздухораспределителя в сечении, удаленном на расстояние х от i-1 -го сечения, м;
a>i - скорость воздуха в i-том сечении, м/с;
C0i-ix - скорость агента сушки внутри воздухораспределителя в сечении с эквивалентным диаметром di_i;X, м/с;
Я - коэффициент сопротивления трения. Эквивалентный диаметр вычисляется по формуле
di-U =
аМ,х +b
(2)
где b - высота воздухораспределителя, м;
аир - ширина воздухораспределителя, м:
аг-1,х=аг-1+2х-*8в, (3)
где х - расстояние от сечения i-1 до сечения х, м;
в- боковой угол раскрытия клина, град.
Решая преобразованное уравнение
(1) относительно расхода воздуха в i-м сечении (tUi, м3/с), будем иметь:
Лесотехнический журнал 2/2015
133
Деревопереработка. Химические технологии
( - \ 2 /*2
х V f *7
n2FrFr-1
ЙТ, +
й7, =-
(4)
' '
< < '"ь V 1, U 1 1
2 j—*2 п F,-i 2 1-а0 Ь If,
1 V )
Л
1
Frj
+ -
1 1
F2 V z-i
г /
+ 77 h®7!2-! - 2Я7г._1Я7г._2 +Й7г2_2
2 j—*2
и F
1
2
где / =f/FH = no/FH ; /■' = F,/FH; l = l /d3H; ct0 = ctc/ctH;
f - площадь всех межрядных проме-
2
жутков, м ;
а - площадь каждого промежутка (отверстия), м2;
F„ - площадь поперечного сечения в начале бокового канала, м2;
Fj - площадь поперечного сечения бокового канала в i-м сечении, м2;
ан, ао - ширина бокового канала в начале и конце, м.
Величину fxf называют параметром отверстия, а величину М - параметром воздухораспределителя. При малой ширине бокового канала скорость агента сушки в нижней части штабеля окажется больше, чем в верхней. Для анализа этой неравномерности удобно использовать величину относительной скорости циркуляции агента сушки через штабель, которая определяется путем преобразования уравнения расхода агента сушки, по формуле
4=VrIVcV={™r-™r-l)-F (5)
где i - порядковый номер межрядного
промежутка; i = 1, 2, ..., п;
\’ср - средняя скорость воздуха по всем отверстиям, м/с.
В расчетах удобно пользоваться величиной относительного отклонения скорости циркуляции агента сушки через штабель, которая определяется
v - v -
гг=----^ = v,-l. (6)
Vcp
Задавая ее, определялась минимальная ширина бокового канала. Кроме того, разработанная методика позволяет определять аэродинамическое сопротивление бокового нагнетательного канала (Па)
ДР = Др„+р©2/2. (7)
или в преобразованном виде
ЬР = 4.^, (8)
где - коэффициент местного сопротивления бокового канала, который вычислен по формуле
_(1 + Д
^2/2
В качестве исходных данных для
- + 1.
(9)
134
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
аналитических исследований принимались следующие:
•высота сушильного штабеля - Н, м; •длина сушильного штабеля - L, м; •ширина сушильного штабеля - В, м; •толщина пиломатериалов - S, мм; •ширина пиломатериалов - Ь, мм; •толщина межрядной прокладки -Snp, мм,
•угол наклона двери - 9, град.; •скорость агента сушки по штабелю - со, м/с;
•аэродинамический коэффициент (эквивалентная шероховатость) - к, мм; •температура агента сушки -1, °С; •плотность агента сушки - р, кг/м3; •коэффициент давления вентилятора - х; •максимальное относительное отклонение фактической скорости циркуляции в межрядных промежутках от средней - rmax.
Значения промежуточных величин рассчитаны по следующим формулам:
•динамическая вязкость по формуле Шимана
д =1,71-10ч5-(Л/1+0,0367-^-[1+0,0008-г]. (10)
•кинематический коэффициент вязкости
Д
v = —; Р
•число Рейнольдса
co,d„
Re =
v
(П)
(12)
•параметр бокового канала:
Л1 = Л—; (13)
d’
•динамический напор:
Рд =
рсо,
2
(14)
Анализ результатов функционирования математической модели позволил сделать следующие выводы:
1. Минимальная ширина бокового нагнетательного канала зависит от толщины пиломатериалов, толщины межрядных прокладок, высоты сушильного штабеля, и относительной неравномерности распределения воздуха по высоте штабеля.
2. При увеличении толщины пиломатериалов минимальная ширина канала уменьшается. Эта же тенденция наблюдается при возрастании относительной неравномерности распределения агента сушки по высоте штабеля. При увеличении толщины прокладок минимальная ширина канала уменьшается, а при увеличении высоты штабеля - увеличивается.
3. Минимальная ширина бокового нагнетательного канала не зависит от температуры и плотности агента сушки, а, следовательно, и от режима сушки пиломатериалов. Она также не зависит от средней скорости циркуляции воздуха через штабель и длины штабеля.
Библиографический список
1. Музалевский, В. И. Технологические измерения и приборы в лесной и деревообрабатывающей промышленности [Текст] : учебник для вузов / В. И. Музалевский, Л. В. Леонов. -М. : Лесная промышленность, 1991.
2. Нестеренко, А. В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондициони-
Лесотехнический журнал 2/2015
135
Деревопереработка. Химические технологии
рования воздуха [Текст] / А. В. Нестеренко. -М. : Высш.школа, 1971. - 319 с.
3. Расев, А. И. Тепловая обработка и сушка древесины [Текст] : учебник для вузов / А. И. Расев. - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2009.
4. Расев, А. И. Проведение камерной сушки пиломатериалов [Текст] : учеб, пособие для вузов / А. И. Расев. - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2008.
5. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины [Текст]. - Архангельск : ЦНИИМОД, 1985.
6. Талиев, В. Н. Аэродинамика вентиляции [Текст] : учеб, пособие для вузов / В. Н. Та-лиев. -М. : Стройиздат, 1979. -295 с.
7. Уголев, Б. Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке [Текст] / Б. Н. Уголев. -М. : Лесная промышленность, 1971.
8. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины [Текст] / Г. С. Шубин. - М. : Лесная промышленность, 1990.
9. Bjorn, Esping Trokhandboken [Text] / Bjorn, Esping. - Stockholm: Traforskningsinstitutet, 1977.
10. Cech, M. Y. Manuel de operateur de sechoir a bois pour IEst du Canada [Text] / M. Y. Cech, F. PfafF. - Ottava: Forintek Canada Corp., 1980.
References
1. Muzalevskiy V.I., Leonov L.V. Technologiheskie izmereniya Ipribory v lesnoj i derevoo-brabativayshej promyshlennosti [Technological measurements and devices in the timber and woodworking industry: textbook for universities], Moscow, 1991. (In Russian).
2. Nesterenko A.V. Osnovy termodinamicheskih raschetov ventdlyatsii i konditsionirovaniya vozducha [Basis of thermodynamic calculations of ventilation and air-conditioning], Moscow, 1971, 319 p. (In Russian).
3. Rusev A.I. Teplovaya obrabotka I sushka drevesiny [Heat treatment and drying of wood: the textbook for high schools], Moscow, 2009 (In Russian).
4. Rusev A.I. Provedenie kamernoj sushki pdomaterialov [Holding chamber drying of lumber: textbook, manual for high schools], Moscow, 2008. (In Russian).
5. Rukovodyashie technologiheskie materialy po technologii kamernoj sushki drevesiny [Senior engineering materials technology chamber of drying wood], Arkhangelsk, 1985. (In Russian).
6. Taliev V.N. Aerodinamika ventilyatsii [Aerodynamics ventilation], Moscow, 1979, 295 p. (In Russian).
7. Ugolev B.N. Deformativnost’ drevesiny i napryazheniya pri sushke [The dimensional instability of wood and tension during drying], Moscow, 1971. (In Russian)
8. Shubin S. Sushka i teplovaya obrabotka drevesiny [Drying and heat treatment of wood], Moscow, 1990. (In Russian).
9. Bjorn Esping Trokhandboken. Stockholm: Traforskningsinstitutet, 1977.
10. Cech M.Y., PfafF F. Manuel de operateur de sechoir a bois pour FEst du Canada. Ottava: Forintek Canada Corp., 1980.
136
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Сведения об авторах
Земцовский Алексей Екимович - профессор кафедры древесиноведения и тепловой обработки древесины, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет
им. М.В. Ломоносова», кандидат технических наук, доцент, г. Архангельск, Российская Федерация; e-mail: a.zemtsovsky@narfu.ru.
Мануковский Андрей Юрьевич - профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии, ФГЪОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: kafedra_prom_transporta@list.ru.
Information about authors
Zemtsovsky Alexey Ecimovic - Professor of Wood science and heat treatment of wood, Federal state Autonomous educational institution of higher professional education «Northern (Arctic) Federal University n.a. M.V. Lomonosov», PhD in Engineering, Associate Professor, Arkhangelsk, Russian Federation; e-mail: a.zemtsovsky@narfu.ru.
Manukovsky Audrey Yurievich - Professor of the Department of Industrial transport, construction and geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: kafedra_prom_transporta@list.ru
DOI: 10.12737/111988 УДК 624.072.221
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВОКЛЕЕНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УСИЛЕНИЕМ ПРИОПОРНЫХ ЗОН
М. С. Лисятников
ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир, Российская Федерация
Статья посвящена конструкции и технологии изготовления высоких деревоклееных балок с определением границ усиления предельно-напряженных зон клеевым олигомером на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Применение высоких деревянных клееных балок с соотношением h/b>6 в строительстве в районах с большими снеговыми и технологическими нагрузками получило новое развитие, связанное с освоением северных территорий. Одним из направлений повышения эксплуатационной надежности деревоклееных балочных конструкций является усиление опорных участков, что обеспечивает повышение прочностных показателей и сопротивления скалывающим и растягивающим напряжениям. Статья написана по результатам диссертационного исследования на соискание ученой степени кандидата технических наук, в рамках которого: разработана расчетная математическая модель усиленного олигомером приопорного участка балки, адекватно отражающая транс-
Лесотехнический журнал 2/2015
137
