Методика экспериментального и аналитического определения температуры и времени прогрева оцилиндрованных бревен Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 674.047

А. М. Артеменков,

старший преподаватель

a-artemenkov@mail.ru

Санкт-Петербургская государственная

лесотехническая академия

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО И АНАЛИТИЧЕСКОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВРЕМЕНИ ПРОГРЕВА ОЦИЛИНДРОВАННЫХ БРЕВЕН

Оцилиндрованное бревно, конвективная сушка, начальный прогрев древесины, температура на оси цилиндра, влажный воздух, метод расчета времени прогрева.

Log, convectional drying, preheating of wood, humid air, procedure of estimation of heating duration.

Введение. В связи с развитием деревянного домостроения из оцилин-дрованных бревен одной из актуальных задач организации технологии их производства является промышленная сушка в конвективных лесосушиль-ных камерах. Для обеспечения качественной сушки необходимо прогреть бревна до центра таким образом, чтобы перепад температур внешней среды и в центре сортимента составлял 3...5 °С. При наличии системы измерения температуры древесины задача определения времени нагрева сортиментов не ставилась бы и начало периода сушки определялось бы только по показаниям датчиков температуры древесины.

В современных системах контроля и управления лесосушильными камерами зачастую не предусмотрена возможность непосредственного измерения температуры древесины, и поэтому для определения времени нагрева сортиментов в камере рекомендуется использовать аналитические методы расчета. Для пиломатериалов такие методы разработаны и представлены в Руководящих технических материалах по технологии камерной сушки древесины и ряде других литературных источников [1; 2; 3; 4]. Для сортиментов цилиндрической формы известны методы расчета времени их нагрева при пропаривании, проваривании или при сушке в гидрофобных

жидкостях, которые неприменимы в условиях конвективной сушки в среде влажного воздуха.

В предлагаемом методе расчета времени прогрева оцилиндрованных бревен в конвективных лесосушильных камерах учитываются теплофизи-ческие показатели влажного воздуха, скорость потока воздуха в штабеле и теплофизические показатели древесины в зависимости от ее температуры. Метод расчета позволяет определить температуру в центре цилиндрического сортимента в конце периода начального нагрева воздуха в камере и уже с учетом достигнутой температуры определить время нагрева бревен. Для оценки точности аналитического метода расчета проведен эксперимент, цель которого состоит в получении данных о фактическом распределении температуры по сечению оцилиндрованного бревна при нагреве в процессе сушки. Результаты эксперимента сравниваются с результатами, полученными аналитически.

Методика проведения эксперимента. В качестве экспериментальной установки использовалась полупромышленная лесосушильная камера периодического действия с поперечно-горизонтальной циркуляцией воздуха и автоматизированной системой контроля и управления климатом в камере финской фирмы Jartek Termo Oy. Камера оснащена системой дистанционного измерения температуры древесины на базе измерителя Термодат 22М с возможностью передачи данных в компьютер.

Нагреву в камере подвергались сосновые оцилиндрованные бревна диаметром 0,20 м длиной 3,0 м. Датчиками температуры служат термометры сопротивления Pt100 с длиной рабочей части 100 мм и диаметром гильзы 3 мм, которые устанавливались вдоль оси сортимента.

Варьируемым управляемым фактором в эксперименте является скорость воздуха в штабеле и, м/с. Область значений скорости воздуха составляет 1,0; 1,5; 2,0 м/с, диапазон варьирования 1,0...2,0 м/с.

Постоянными факторами являются диаметр оцилиндрованных бревен d, м, который фиксируется на уровне 0,20 м и скорость повышения температуры воздуха b, °С/ч, которая фиксируется на уровне 5 °С/ч. Постоянными регистрируемыми факторами являются начальная температура древесины t0, °С; относительная влажность воздуха в камере j, % и начальная влажность древесины W0, %.

Выходными контролируемыми параметрами являются температура на оси цилиндрического сортимента tn, °С и общее время прогрева t12, ч.

Последовательность проведения эксперимента

1. Из оцилиндрованных бревен формируется штабель шириной 1,0 м, высотой 1,04 м и длиной равной длине бревен 3,0 м. Схема укладки штабеля показана на рис. 1.

2. В контрольный сортимент, на середине его длины, устанавливаются датчики температуры. Местоположение контрольного сортимента в штабеле и точки установки датчиков температуры показаны на рис. 1.

© © © ® ©

0 200

Точки установки термометров

Рис. 1. Схема укладки круглых сортиментов в штабель

3. Регулированием частоты вращения ротора вентилятора в зоне установки датчиков температуры подбирается скорость воздуха в соответствии с требуемым уровнем варьирования.

4. Температура воздуха при прогреве задается на уровне 50 °С. В диапазоне варьирования скорости воздуха 1,0...2,0 м/с, с интервалом варьирования 0,5 м/с последовательно проводится процесс прогрева штабеля с регистрацией значений температуры и относительной влажности воздуха в камере.

Температура древесины регистрируется датчиками автоматически во время каждого опыта. Опыт считается законченным при достижении температуры древесины на оси сортимента ^ = 45 °С. По результатам опыта регистрируются фактическое время периода начального нагрева воздуха и общее время прогрева сортиментов.

Последовательность аналитического расчета. С учетом фактических условий, при которых проводился каждый опыт и соответствующих теплофизических показателей древесины, аналитически определяется средний коэффициент теплоотдачи а как для периода начального нагрева воздуха, так и для периода прогрева бревен по соответствующей методике [5].

Температура на оси цилиндрического сортимента °С, рассчитывается по следующей методике:

1. Определяется критерий Фурье Бо1 по формуле

Бо1 = (а ■т1)/ Я2, (1)

где а - коэффициент температуропроводности древесины, м2/с; т1 - время нагревания воздуха в камере от начальной температуры до температуры прогрева во время опыта, с; Я - радиус сортимента, м.

В качестве определяющей температуры, при которой рассчитывается коэффициент температуропроводности древесины, принимается средняя температура между начальной температурой древесины ¿0 и температурой древесины в центре сортимента в конце периода начального нагрева воздуха по данным опыта.

2. Определяется критерий Био Ы1 по формуле

Ы1 = (а ■ й) / 21, (2)

где а - средний коэффициент теплоотдачи на этапе начального нагрева воздуха, м2/с; й - диаметр оцилиндрованного бревна, м; 1 - коэффициент теплопроводности древесины, Вт/(м • °С).

Коэффициент теплопроводности древесины рассчитывается при той же определяющей температуре, при которой рассчитывается и коэффициент температуропроводности древесины.

3. По найденным критериям Бо1 и В; определяется параметр температуры 01 по формуле [6]

л2 1 1 ^ А

01=Р01+--—- -+2 АЛ (т«л)ехр( - т2Б01), (3)

4 2Ы1 4 п = 1 тп

где А =—--т-1- - постоянные коэффициенты (начальные тепло-

(т2+б;;2) зо(^п)

вые амплитуды), зависящие от критерия Б11; т - корни функции Бесселя, при которых 30(т п) = 0; 30(т п) - функция Бесселя нулевого порядка первого рода; л = г / Я - безразмерная координата, определяющая местоположение точки в поперечном сечении цилиндрического сортимента, в которой рассчитывается температура древесины.

4. Температура древесины в конце периода начального нагрева воздуха ?ь °С, определяется по формуле

п ЬЯ2

гх = ^ +01—, (4)

а

где ^ - начальная температура древесины, °С; Ь - скорость повышения температуры воздуха в камере, °С/ч; Я - радиус сортимента, м; а - коэффициент температуропроводности древесины, м2/с.

5. Новому тепловому состоянию сортиментов при тех же значениях критерия Б11 соответствует безразмерная температура 01, определяемая по формуле

П' t1 t0

^1=JГ-Г > (5)

ипр 10

где Фпр - температура прогрева, °С.

6. Найденной безразмерной температуре 01 соответствует критерий Бо^, определяемый по формуле при значениях критерия Б11 для периода начального нагрева воздуха в камере

Бо1 = —т1п

Г АЗ0(^1Л)Л 1-01

(6)

7. Рассчитываются коэффициенты теплопроводности 1, Вт/(м • °С), и температуропроводности а, м2/с, древесины для условий прогрева бревен при определяющей температуре равной средней температуре между температурой в центре сортимента в конце первого периода t1 и заданной температурой древесины в центре

8. Для периода прогрева сортиментов до центра определяется критерий Б12 по формуле (2). При расчете Б12 в формулу (2) подставляются со-

ответствующие средний коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопроводности древесины.

9. Определяется безразмерная температура 62 для условий прогрева сортиментов в камере при постоянной температуре

К - ^

& = йЛ-Г, (7)

где ^ - заданная температура древесины в центре сортимента, °С; ^ - температура древесины в центре сортимента в конце периода начального нагрева воздуха, °С.

10. Найденной безразмерной температуре 62 соответствует критерий Бо2, определяемый по формуле (6), при значениях критерия Ы2 для периода прогрева. При расчете Бо2 в формулу (6) подставляется безразмерная температура 62.

11. Определяется время т2, которое необходимо затратить на нагревание сортимента в центре от достигнутой температуры t1 до требуемой температуры ^

АБо•Я2

^ =-, (8)

а

где АБо = Бо2 - Бо|; а - коэффициент температуропроводности древесины, м2/с, рассчитанный для условий прогрева бревен.

12. Общее время прогрева оцилиндрованных бревен до центра т12, с, определяется по формуле

^12 =^1 +Т2, (9)

где т1 - время начального нагрева воздуха в камере, с; т2 - время прогрева сортимента до центра, с.

Результаты исследований и их анализ. Данные о распределении температуры по сечению сортимента, полученные из опыта и в результате аналитического расчета, представлены в табл. 1, а также на рис. 2 при скорости воздуха 1,5 м/с.

Таблица 1

Опытное и вычисленное распределение температуры по сечению сортимента

Скорость воздуха в штабеле и, м/с Температура д эевесины °С

опытная вычисленная

л = 0 Л = 0,5 ,0 II Л = 0 Л = 0,5 ,0 II Л

1,0 28,8 32,0 41,2 23,6 28,0 41,7

1,5 30,9 33,8 41,4 27,2 31,6 45,3

2,0 30,1 32,7 41,2 26,0 30,5 44,9

1

0,5

«

н -: Я

П

0

1 0

к я в

Е я а

а>

и

-0,5

-1

Температура I, °С

— —по расчету, — - по опыту

Рис. 2. Распределение температуры при скорости воздуха 1,5 м/с

Анализ температурных кривых показывает, что характер распределения температуры в цилиндрическом сортименте, полученный в результате аналитического расчета, совпадет с характером распределения температуры, определенным опытным путем. Это позволяет утверждать, что предлагаемая методика расчета температуры и времени прогрева согласуется с физическими закономерностями процесса нагрева цилиндрических тел при вынужденном обтекании конвективными средами. Увеличение скорости воздуха в штабеле приводит к более высокой скорости прогрева цилиндрических сортиментов, что также согласуется с теорией теплообмена. Пересечение расчетных и опытных кривых объясняется тем, что в опыте измерялась температура не поверхности бревна, как учитывается в методике, а температура древесины на расстоянии 2.. .3 мм от поверхности бревна, что связано с техникой установки датчиков температуры. Поэтому температура на поверхности бревна в опыте меньше той же расчетной температуры, так как к тепловому сопротивлению пограничного слоя добавляется

✓ У ^ У ✓ у ✓

/ / / / Р /

5 1 б 1 7 1 3 1 Р 2 3 2 1 2 > 2 3 2 4 2 5 2 5 2 Л 2 3 2 9 3 3 3 1 3 V \ \ 2 3 ч \ 3 3 4 V 4 3 5 3 б 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 А

N Ч V». N ч ч ■ч »т—

тепловое сопротивление тонкого слоя древесины, отделяющего датчик температуры от внешней среды.

Сравнение расчетных и экспериментальных значений температуры и времени, полученных при проведении эксперимента, представлено в табл. 2 и 3. Разница между ними берется со знаком плюс, если вычисленная аналитическим методом величина больше полученной из опыта, и со знаком минус, если она меньше. Разница между данными опыта и данными, полученными аналитически, выражается в абсолютных величинах и в процентах.

Т а б лиц а 2

Сравнение температуры древесины на оси сортимента

Скорость воздуха в штабеле и, м/с Температура древесины на оси сортимента ^, °С Разница А

опытная вычисленная абсолютная в процентах

1,0 28,8 23,6 -5,2 -18,1

1,5 30,9 27,2 -3,7 -12,0

2,0 30,1 26,0 -4,1 -13,6

Средняя разница -4,3 -14,6

Т а б лиц а 3

Сравнение времени прогрева сортиментов

Скорость воздуха в штабеле и, м/с Общее время прогрева сортиментов Т12, ч Разница А

опытная вычисленная абсолютная в процентах

1,0 17,55 14,70 -2,85 -16,2

1,5 16,30 12,84 -3,46 -21,2

2,0 15,02 12,15 -2,87 -19,1

Средняя разница -3,06 -18,8

Выводы

Анализ полученных экспериментальных и расчетных данных позволяет сделать следующие выводы:

1. Вычисленные значения температуры на оси оцилиндрованного бревна в конце периода начального нагрева воздуха меньше значений температуры, полученных экспериментально в среднем на 4,3 °С или на 14,6 %.

2. Общее расчетное время прогрева оцилиндрованных бревен меньше экспериментального времени в среднем на 3 ч или на 18 %.

3. Аналитический метод можно рекомендовать для приближенного расчета времени прогрева оцилиндрованных бревен диаметром 0,20 м в диапазоне скорости воздуха в штабеле 1,0.. .2,0 м/с.

Библиографический список

1. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины. - Архангельск: ЦНИИМОД, 1985. - 143 с.

2. Серговский, П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины [Текст] / П. С. Серговский, А. И. Расев : учебник для вузов. - 4-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 360 с.

3. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины [Текст] / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с.

4. Чудинов, Б. С. Теория тепловой обработки древесины [Текст] / Б. С. Чуди-нов. - М.: Наука, 1968. - 256 с.

5. Артеменков, А. М. Параметры теплообмена круглых лесоматериалов в начальный период прогрева при сушке [Текст] / А. М. Артеменков // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. - СПб.: СПбГЛТА, 2009. Вып. 188. - С. 187-198.

6. Пехович, А. И. Расчеты теплового режима твердых тел [Текст] / А. И. Пехович, В. М. Жидких. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1976. -352 с.

Приведены результаты расчета и экспериментального определения температуры древесины на оси оцилиндрованных бревен в конце периода начального нагрева воздуха в сушильной камере. Проведено сравнение общего расчетного

времени прогрева оцилиндрованных бревен с тем же временем, вычисленным аналитическим методом.

* * *

The procedure of experimental and analytical temperature and duration of log heating determination are given. The experimental results show the possibility of preliminary estimation of log heating duration.