Визначення впливу технологічних факторів на тепломасоперенесення у процесі пресування деревностружкових плит Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

2. Полоз В.1., Шостак В.В. Обладнання для тдготовлення технолопчно'1 стружки як об'ект надiйностi// Наук. вiсник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: УкрДЛТУ. - 2003, вип. 13.2 - С. 252-256.

3. Кокс Д., Смит В. Теория восстановления. - М.: Сов. радио, 1967. - 250 с.

УДК 674.047 Проф. Я.1. Соколовський, д-р техн. наук;

ст. викл. О.М. nempie - УкрДЛТУ

ВИЗНАЧЕННЯ ВПЛИВУ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ФАКТОР1В НА ТЕПЛОМАСОПЕРЕНЕСЕННЯ У ПРОЦЕС1 ПРЕСУВАННЯ ДЕРЕВНОСТРУЖКОВИХ ПЛИТ

Наведено фiзико-математичну модель розрахунку динамши температурно-во-лопсних полiв у процес пресування деревностружкового пакету для змшно'1 дп пре-су. Здiйснено чисельну реалiзацiю моделi та проаналiзовано вплив основних техно-логiчних факторiв на динамiку температурно-волопсних полiв, тиску парогазово'1 су-M^i пiд час пресування.

Prof. Ya.I. Sokolowskyy; senior teacher O.M. Petriv - USUFWT

Determining of technological factors influence on heat and mass transfer under pressing process of particle boards

The physical-mathematical model for calculation of the dynamics of thermal and moisture fields during pressing process of particle board is presented for variable action of presser. The numerical realisation of the model has been done and an influence of the main technological factors on dynamics of thermal and moisture fields and on pressure of gas-vapour mixture under pressing have been analysed.

Актуальшсть дослщжень

Дефщит енергоносив на Укра1'ш зумовлюе вдосконалення технолопч-них процеЫв, зокрема в деревнообробнш галузь Детальне дослщження та мо-делювання процеЫв тепломасоперенесення шд час пресування деревнос-тружкових плит (ДСП) дасть змогу виявити шляхи подальшоi штенсифжаци та вдосконалити даний процес.

Анал1з вщомих результат1в

Проблемнi виявлення впливу рiзних технологiчних факторiв, зокрема початковоi вологостi, густини, фракцiйного складу на процеси тепломасоперенесення шд час пресування деревностружкових плит присвячено значну кшьюсть наукових дослiджень теоретичного та експериментального характеру [1-7, 9, 10]. Розроблено шженерш методи розрахунку та встановлеш зако-номiрностi динамiки змiни температурно-вологiсних полiв, тиску парогазово1' сумiшi залежно вiд деяких технолопчних факторiв в основному у рамках од-новимiрноi задачi. У [8] наведена просторова фiзико-математична модель змши нестацiонарних полiв тепломасоперенесення, тиску парогазово!" сумiшi з врахуванням ашзотропп теплофiзичних властивостей матерiалу. Розробле-ний алгоритм, програмне забезпечення реалiзацii моделi дають змогу кшьюс-но описати вплив основних технолопчних факторiв на величину i характер змiни нерiвномiрно розподiлених гiдробаротермiчних полiв в об,емi дерев-

ностружкового пакету. Поряд з тим, математичне та програмне забезпечення е складовою частиною створення проблемно-орiентованих iнформацiйних технологш проектування для пiдвищення ефективностi технолопчних проце-сiв виготовлення деревних композицшних матерiалiв. Саме така мета ставиться у данш роботi, яка е продовженням дослщжень [8].

Постановка задач1 та ф1зико-математична модель

Для визначення динамши температурного Т(х, у, г, т) i вологiсного и(х, у, г, т) полiв, тиску парогазово! сумiшi Р(х, у, г, т), ступет твердiння клею 0(х, у, г, т) у процесi пресування деревностружкового пакету, розгляне-мо його елементарний об'ем V={0 < х < Ь, 0 < у < l, 0 < z < к]. На зовнiшнiх площинах, що паралельнi площинi пресування XOY, дiе прес з температурою Тпр i змiнним зусиллям Рпр

0,021294 е°'091691т; т< 60;

2 ; 60 <т< 120; (1)

21,289266 е-°,°1809т ; т> 120.

Р пр

Вважаемо, що ос ашзотропи пакету збiгаються з геометричними осями координат (рис. 1). Зазначимо, що в [8] тиск пресування Рпр вважався сталим.

X

Рис. 1. Схематичне зображення деревностружкового пакету:

I - довжина, Ь - ширина, к - товщина

/ у

На основi [8], фiзико-математична модель може бути представлена наступними рiвняннями. Рiвняння нерозривност для парогазово! сумiшi

фп д ( дР(х, у, г, т)

П1Ш -л.

дт дх

дх

д ду

^у

дР(х, у, г, т) ду

д дг

дР(х, у, г, т) дг

+ Рв £_ 0. (2)

дт

Рiвняння перенесення теплово! енерги теплопровiднiстю i конвектив-ним шляхом iз врахуванням фазових переходiв i твердiння клею

с(и,Т )р дг

дТ(x, y, г, т) _ д (^ (и Т) дТ(х y, г, т)

дт

Xг (и,Т)

дх

дТ (х, у, г, т) дг

+ 1 С

дх с

кх

д + —

у ду

X у (и,Т)

дТ(х, у, г, т) ду

+

I _1

дР( х, у, г, т)

д

х(

дТ (х, у, г, т)

д

+

(3)

х(

+ Р г ди(х,У,г,т) + гМрск (1 - П) д©(х,у,г,т)

дт

дт

х

Рiвняння для визначення вологовмюту iз врахуванням змшно! за часом границi фазових переходiв, одночасного врахування фiльтрацiйного i ди-фузiйного перенесення

ди _ 100 дт р

д0( х, у, 2, т) дт

Ш1( р пн - р)2; Р > Рпн;

-Ру (рпн - р)х; Рпн - Рг < Р ^ Рпн; (4)

- Ш2 (((н - Р - Рг )2 + Ру Рг^ Рпн > Рг + Р,

де: х_аге1ап((/ШЕ); РУ _ 1,8-10-4Л(Т)• (£0ц/р)0'265 ц0,49(дР/дх)0,43;

Л(Т) _ 21,9 40-6(Т/273)1'5.

Рiвняння твердiння клею

Г(1 -©( х, у, 2, т)) / (Т, Сет); ©<© гс; (0, (Г) - ©)/(Т,СетУ; ©гс ^ © ^ (г); (5)

0; 0 > 0,(Г),

де /(Т,Се,т) _- 1п0,4/тгс(Т,Сет) описуе швидкiсть твердiння клею i визна-чаеться за допомогою величини часу досягнення гелеподiбного стану.

Початковi умови для визначення Т(х, у, г, т), и(х, у, г, т), Р(х, у, г, т) задаються рiвномiрно розподшеними величинами за товщиною пакету на початку пресування:

Т (х, у, 2,0) _ Т 0( х, у, 2,0) ; (6)

и (х, у, 2,0) _ и 0( х, у, 2,0); (7)

0(х,у,2,0) _00(х,у,2,0). (8)

Граничнi умови теплообмiну на площинах, паралельних до пресу ма-тимуть наступний вигляд:

Т(х, у,0, т) _ Тпр - А г"^; (9)

Т(х, у,И, т) _ Тпр - А г". (10)

Граничнi умови теплообмшу на бокових поверхнях характеризують теплообмш iз середовищем:

Xх дТ(0,х ^ т) + ах(Тс - Т(0, у, 2, т)) _ 0; (11)

дх

Xх агс^у^ + ах(Тс - Т(Ь, у, 2, т)) _ 0; (12)

дх

дТ (хД 2, т) ду

дТ (х, 1, 2, т) ду

X у '' + а у (Тс - Т (х,0,2, т)) _ 0; (13)

X/ ' У + ау (Тс - Т(х, 1, 2, т)) _ 0. (14)

rpanuHui умови масоперенесення на площинах, паралельних до пресу, визначаються гiдродинамiчними коефщентами контактного шару мiж шддо-ном i деревностружковим пакетом:

- k'dP{^ Т) + ß' (Pa - P(x, y,0, T)) = 0; (15)

dz

- k'+ ß 'p(Pa - P(x, y,h,T)) = 0. (16)

Граничш умови масоперенесення на бокових поверхнях мають такий вигляд:

- kp^^0^ + ßp(Pa - P(0,y,z,t)) = 0; (17)

- k p^y z T) + ßp ( Pa - P(b, y, z, t)) = 0; (18)

- kp v dy ' y + ßp (Pa - P(x,0, z, T)) = 0; (19)

- kp^d^l + ßp(Pa - P(x,b,z,T)) = 0. (20)

'p dx ^ a

dP( xA z, t) dy

dP( xj^z, t) dy

Для чисельно! реалiзацiï моделi (1)-(20) необхiдно задати теплофiзичнi характеристики, як отримуються експериментальним шляхом. Деякi з них наведено в [3-7, 9, 10].

У данш фiзико-математичнiй моделi введено наступи позначення: c(u, t) - питома теплоемшсть пакету, Дж/кг-°С; спг - питома теплоемшсть па-рогазовоï сумiшi, Дж/кг-°С; Xx, Xy Xz - коефщент теплопровiдностi в нап-

рямку осей, Вт/кг-°С; kx, ky, kz - коефщент фiльтрацiï в напрямку осей;

kp - коефщент фшьтраци на бокових поверхнях; k'p - коефщент фiльтрацiï

3 3

на площинах пресування; pe - густина води, кг/м ; p„ - густина пару, кг/м ; p

33

- густина пакету, кг/м ; pCK - густина скелету, кг/м ; r - питома теплота фазового переходу, Дж/кг; вщношення клею в абсолютно сухому сташ до маси стружки; П - пористють; Т - температура, °С; P - тиск, МПа; W - воло-псть, %; U - вологовмют; 0 - твердшня клею; ßp - коефщент масоперене-сення на боковш площиш, 1/м ; ß'p - коефщент масоперенесення на площи-нах пресування, 1/м ; PnH - тиск насиченоï пари, МПа; Pnp - тиск пресу (МПа);

(Xx, (Xy, Œz

- коефщенти теплообмiну вздовж вщповщних осей, Вт/м°С; 0гс -стешнь отвердiння в'яжучого до гелеподiбного стану; тгс - час переходу до гелеподiбного стану, с; 0к - максимальна ступiнь твердiння клею; Сс - кон-центрацiя клею; m - кшьюсть затверджувача, %; d - дiаметр пори (м); Тпр-температура пресу, °С; TC - температура зовшшнього середовища, °С, ц - ко-

ефщент динамiчноï в,язкостi, Па-с; v - коефщент кiнематичноï в,язкостi,

2 1 *2 м -с" ; k0 - коефщент проникливост^ м ; а, ß - коефщенти опору в,язкостi та

шерци контактного шару; K1, K2 - коефщенти пропорцiйностi; 0, s - експе-

риментально визначеш константи, що характеризують пдродинам1чнии ошр матер1алу; R - ушверсальна газова стала, Дж/кг-1-К-1; r01, r02, r03 - вщповщно максимальш розм1ри частинок, м; М - вщношення клею в абсолютно сухому сташ до маси абсолютно сухо! стружки; Ш^, Ш2, Ш8 - параметри функцп штрафу; Р^ - об'емниИ коефщент масообмшу, вщнесениИ до р1зниц1 масових концентрацш, с/м ; Ра - атмосферниИ тиск; А0, к - константи для визначення температури пакету на площиш пресування.

Чисельна реал1защя ф1зико-математичноТ' модел1

Для розрахунку тепломасообмшних пол1в у процес пресування дерев-ностружкових плит використано, розроблениИ авторами, алгоритм та прог-рамну реал1защю дано! модел1 (1)-(4) з початковими умовами (6)-(8) та гра-ничними умовами (9)-(20) на об'ектно-ор1ентован1И мов1 Visual Basic [8]. Вхщш данi е такими: /=20, мм; b=20, мм; h=16 мм, Tc=20, °С; Тпр=160, °С; А0=28, °С; k=0,072; р=700, кг/м3; Ра=0,0165 МПа; Cc=0,54; Р0=0,0165МПа; 0гс=0,6; 0к=0,9; 00=0,4; Рпр=2,7; ¿=0,005 м; Г01=Г02=оз=0,003; ^=2850, Дж/кг-°С; рв=1, кг/м3; r=2250000, Дж/кг; П=0,7; ц=0,11 Па с; v=0,02, м2-с-1; k0=0,098 м2; ^=88, K2=12,42; е=1,5; 0=0,871; m=0,01; М=0,00047; Ш1=20; Ш2=5; Ш8=0,2; W0=12 %; Т0=20, °С.

На рис. 2-5 показано розподш температури, волопсних полiв i тиску па-рогазово! сумiшi у процесi пресування для рiзних точок деревностружкового пакету.

Рис. 2. Розподш вологосmiу процеЫ пресування

Рис. 3. Розподш температури в процеЫ пресування

Рис. 4. Розподш тиску на поверхт пакету, паралельтй плитам пресу

Рис. 5. Розподш тиску у середиш i на торц пакету

На еташ зростання тиску пресування проходить ущшьнення пакету до товщини 16 мм i досягаеться максимальна дiя пресу. Враховуючи, що пресування ДСП е високотемпературним процесом, про^вання взiрця здшсню-еться на перших секундах пресування [5] i завершуеться в першш половинi даного етапу (рис. 3, 9). На початку пресування, на промiжку 0-30 с, значш потоки нагр^о!' парогазово!" сумiшi проникають у середину пакету, де температура пакету е трохи нижчою, i спричиняють пiдвищення тиску (рис. 5). Незначне шдвищення тиску спостершаеться i на зовнiшнiх площинах, пара-лельних до плит пресу, оскшьки ущiльнення пакету спричиняе витюнення повiтря. Всерединi взiрця вiдбуваеться штенсивне випаровування (рис. 2), тиск досягае точки насичення вже на t ~ 30 с. Насичена парогазова сумш по-вертаеться на поверхню, збшьшуючи вологiсть та тиск взiрця. На даному ета-пi стан клею наближуеться до гелеподiбного (рис. 7).

На еташ сталоï змши тиску пресування товщина взiрця залишаеться незмiнною, тиск пресу досягае максимального значення, а плити пресу зава-жають вшьному обмiну парогазовоï сумiшi iз зовнiшнiм середовищем. Це спричиняе зростання тиску як на поверхш, паралельнш плитам пресу, так i на бокових поверхнях взiрця (рис. 5), оскшьки частина парогазовоï сумiшi через торцi потрапляе в атмосферу. К^м того, на поверхнях збшьшуеться воло-гiсть, що приводить до "шдсихання" взiрця зсередини (рис. 2). На цьому ета-пi (t ~ 100 с) вiдбуваеться кшцеве твердiння клею (рис. 7).

На еташ зменшення тиску пресування парогазова сумш вiльно потрапляе в атмосферу, що призводить до рiзкого зниження i стабшзаци тиску на поверхш та всередиш взiрця. Волопсть поверхнi пакету iстотно змен-шуеться, а самi приповерхневi шари виступають як провщник мiж внутршш-ми шарами та атмосферою. Деяке, незначне збшьшення тиску на поверхш спричинене накопиченням парогазовоï сумiшi в середиш пакету (рис. 5). Оскшьки пакет стае малопроникливим, що зв'язане з твердiнням клею (рис. 7), в середиш пакету вщбуваеться деяке накопичення парогазовоï сумiшi, що сприяе збшьшенню вологостi (рис. 2). Розподш тиску (рис. 6) та вологост (рис. 8) за товщиною пакету в час пiдтверджують правильнiсть проведеного аналiзу графiчних залежностей (рис. 2-5, 7). Характер змши вологост у про-цесi пресування для рiзних точок пакету залежно вiд змши його густини i по-чатковоï вологостi показано на рис. 10-11. Графiчнi залежностi на рис. 10 вщ-повiдають розподiлу вологостi у точщ (0,10,0). Вiдповiдно крива 1 вщповщае p=600 кг/м3, W0=10 %; крива 2 - p=600 кг/м3, W0=12 %, а крива 3 -p=600 кг/м , Wo=14 %. 3i збiльшенням густини i початковоï вологостi тиск па-рогазовоï сумiшi у центрi деревностружкового пакету збшьшуеться. Особливо збшьшення P(b, l, h/2) спостерiгаеться для W=10^12 %, яка е перехiдною вщ зв,язаноï вологи до вiльноï у приповерхневих шарах пакету для даних умов. Збшьшення температури пресування зумовлюе зростання тиску парога-зовоï сумiшi у ^rnpi пакету.

Вологiснi ^mi нестацiонарного вологiсного поля наведено на торщ пакету у точцi (0,0,2) на рис. 11. ^rni 1, 2, 3 отримаш для значення густини

3

p=600 кг/м i рiзних початкових вологостей, аналопчних для попереднього ви-падку. У процес чисельного експерименту вивчалась також змша густини для рiзних значень початковоï вологостi та розподiл волопсного поля.

Необхiдно зазначити, що яюсний характер змiни вологостi окремих шарiв е подiбним, незалежно вiд мюця розташування за площиною стружко-вого пакету. Максимального значення волопсне поле досягае у середшх шарах, шж на торцях. Це опосередковано свщчить про те, що у процес пресування iснуе градiент тиску, направлений до середини пакету. Саме вш сприяе молекулярному вологоперенесенню у напрям^ паралельному площинi пакету. Шсля початку пресування волопсть поверхневих i приповерхневих шарiв на торцевих зонах пакету е бшьшою шж для середнього шару. Але для внут-рiшнього шару волопсть у середиш пакети е бшьш вищою, шж на торцевих зонах. Це зумовлено тим, що залишковий тиск у середшх шарах деревностружкового пакету з про^ванням ix до температури 100-105 °С спричиняе пе-ремiщення водяноï пари як у середиш пакету, так i у напрямi вщ середини до торцевих зон.

Рис. 6. Розподт тиску за товщиною пакету

Рис. 7. Динамька твердтня клею

Рис. 8. Розподт вологост1 за товщиною пакету

Рис. 9. Розподт температури за товщиною пакету

Рис. 10. Розподл вологостiу процеЫ Рис. 11. Розподт вологостiу процеЫ пресування (точка (0,10,0)) пресування (точка (0,0,2))

На 0CH0Bi синтезовано! фiзико-математичноl моделi та розробленого програмного забезпечення з використанням сюнчено^зницевого методу про-аналiзовано вплив основних технолопчних факторiв на розподiл температур-но-волопсних полiв i тиску парогазово! сумiшi у деревностружковому пакетi в процес пресування. Кривi розподiлу тиску парогазово! сумiшi характеризу-ються максимальними значеннями як на площиш, так i в серединi пресовано-го пакету. Збшьшення початково! вологостi пакету зумовлюе швидше прогрь вання як приповерхневих, так i внутрiшнiх шарiв, що збiльшуе теплопровщ-нiсть пакету. Але iз досягненням температури пакету значення температури фазового переходу у силу витрати теплово! енерги на випаровування вологи вплив мехашзму теплопровiдностi сповшьнюеться. Характер змiни вологостi спричинюе градiент тиску, який скерований до середнього шару пакету, що зумовлюе молярне перенесення паралельно площиш пакету.

Лггература

1. Бехта П.А. Технолопчт розрахунки у виробницта ДСП. - К: 1СДО, 1994. - 156 с.

2. Ганцюк В.М. 1нтенсифшащя процесу пресування ДСП в установках безперервно! дл/ Автореф. ... дис. канд. техн. наук. - Л: УкрДЛТУ. - 1996. - С. 18.

3. Лавриченко И.А. Исследование процесса пресования ДСП/ Автореф. ... дис. канд. техн. наук. - М: МЛТИ. - 1971. - С. 19.

4. Отлев И.А., Жуков Н.И. Оптимальная диаграмма пресования ДСП при// Деревообрабатывающая пром-сть. - 1988, № 6. - С. 8-10.

5. Обливин А.Н. Тепло- и массоперенос в производстве древесностружечных плит. -М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 191 с.

6. Пожиток А.И., Шевляков А.А. Гидродинамика контактного слоя стружечного пакета//В сб. научн. тр. МЛТИ. - М.: МЛТИ. - 1987, вып. 196. - С. 80-88.

7. Сагаль С.З. Исследование гидродинамических характеристик древесно-стружеч-ного пакета/ Автореф. ... дис. канд. техн. наук. - М: МЛТИ. - 1981. - С. 4- 21.

8. Соколовський Я.1., Петр1в О.М. Чисельне моделювання нестацюнарних пол1в тепломасоперенесення в процеа пресування деревностружкових плит// Наук. вюник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. - Льв1в: УкрДЛТУ. - 2004, вип. 14.4. - С. 57-59.

9. Humphrey P.F., Bolton A.J. The hot pressing of dry-formed Wood-based composites. A simulation model for heat and moisture transfer// Holzforschung 43 № 3, 1989 P. 199-206.

10. Frünwald A., Steffen A., Humphrey P.E., Haas G.V. Entwicklung und Überprüfung eines Modells des thermodznamischen und des rheologischen Verhaltens von Fassermatten für MDF während der Heispressung in Taktpressen und Ansätze zur modelirung von Endlosrpessen. - Univer-sitat Hamburg, 1999. _