авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Технология прогрева оцилиндрованных брёвен в конвективных сушильных камерах

На правах рукописи

Артеменков Алексей Михайлович ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГРЕВА ОЦИЛИНДРОВАННЫХ БРЁВЕН В КОНВЕКТИВНЫХ СУШИЛЬНЫХ КАМЕРАХ 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2010 Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии лесопиления и сушки древесины Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С. М. Кирова

Научный консультант: Акишенков Савелий Иванович, кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Глухих Владимир Николаевич, доктор технических наук Акулов Фдор Георгиевич, кандидат технических наук

Ведущая организация: ОАО «УралНИИПДрев», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится « 14 » декабря 2010 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 при Санкт Петербургской государственной лесотехнической академии имени С. М. Кирова по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Главное здание, Зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТА.

Автореферат разослан « 11 » ноября 2010 г.

Учный секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор Г. М. Анисимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в России широко развивает ся деревянное домостроение с использованием оцилиндрованных брвен.

В связи с этим происходит модернизация существующих и строительство новых предприятий, ориентированных на промышленное производство го товых комплектов деревянных домов из оцилиндрованных брвен. Кроме домов, оцилиндрованные сортименты применяют для строительства зда ний социально-культурного назначения. Не смотря на относительную до роговизну таких деревянных строений, они пользуются спросом благодаря своему эстетичному внешнему виду и простоте сборки домов, обеспечи вающей высокие темпы их строительства.

Как правило, все оцилиндрованные брвна, используемые в строитель стве, подвергаются атмосферной или искусственной сушке. Производство деталей для домостроения из высушенных оцилиндрованных брвен уве личивает срок службы таких домов, сводит к минимуму осадку дома в процессе его строительства, позволяет производить пропитку деталей дома различными антисептиками и антипиренами, а также отделку фасадов до мов лакокрасочными материалами.

Длительность атмосферной сушки оцилиндрованных брвен составляет примерно 5…7 месяцев, тогда как искусственная сушка сокращает эту продолжительность более чем в три раза, позволяя уменьшить длитель ность производственного цикл, способствуя, тем самым, улучшению ис пользования оборотных средств за счт сокращения запасов брвен в неза вершнном производстве.

Наиболее распространенным в деревоперерабатывающей промышлен ности способом сушки, как пиломатериалов, так и оцилиндрованных бр вен, является сушка в конвективных камерах.

Анализ априорных сведений показал, что ни в литературе, ни в практи ческой деятельности не представлено обоснование организации техноло гического процесса сушки оцилиндрованных брвен и брусьев в конвек тивных камерах, отсутствуют сведения о порядке расчта продолжитель ности прогрева и сушки брвен и брусьев в условиях вынужденной кон векции воздуха. Задачи прогрева решались в основном для цилиндриче ских сортиментов при их прогреве в гидрофобных жидкостях и в среде на сыщенного пара, теплофизические и термодинамические параметры кото рых существенно отличаются от тех же параметров воздуха, используемо го в качестве агента сушки в конвективных лесосушильных камерах. Кро ме того, эти задачи решались для единичных цилиндрических сортиментов и поэтому результаты таких расчтов не могут распространяться на су шильные камеры, в которых цилиндрические сортименты уложены в су шильные штабеля. Методика расчта времени нагрева пиломатериалов не применима для сортиментов цилиндрической формы.

Таким образом, разработка достоверного и эффективного метода рас чта процесса нагрева оцилиндрованных брвен с учтом теплофизических характеристик влажного воздуха и древесины является актуальной зада чей, имеющей большой научный и практический интерес.

Цель работы. Повышение эффективности конвективных сушильных камер путм сокращения времени нагрева оцилиндрованных брвен по разработанным рациональным режимам.

Объектом исследования являются оцилиндрованные брвна из древе сины сосны.

Предметом исследования является процесс нагрева оцилиндрованных брвен, уложенных в сушильный штабель.

Научная гипотеза. Сушильный штабель оцилиндрованных брвен яв ляется аналогом трубного пучка коридорного типа.

Научной новизной обладают:

штабель оцилиндрованных брвен, рассматривающийся, в отличие от сушильного штабеля пиломатериалов, как трубный пучок коридорного ти па с соответствующими характеристиками, что позволило применить раз работанные в теории теплопередачи методы расчта параметров теплооб мена таких пучков к штабелю оцилиндрованных брвен.

выявленная закономерность изменения среднего коэффициента теп лоотдачи штабеля оцилиндрованных брвен в зависимости от их диаметра и скорости обдува штабеля позволяет определять значения коэффициента расчтным путм с учтом параметров влажного воздуха и характер рас пределения температурного поля по сечению брвен;



математическая модель процесса прогрева оцилиндрованных брвен.

Практическая значимость работы. Разработанная методика расчта процесса нагрева оцилиндрованных брвен позволяет:

прогнозировать продолжительность прогрева оцилиндрованных бр вен с учтом теплофизических характеристик древесины и влажного воз духа при разработке режимов сушки;

разрабатывать программное обеспечение для моделирования процес сов тепловой обработки и сушки оцилиндрованных брвен;

используемые в методике принципы расчта создают предпосылки для разработки автоматических систем управления процессом сушки дре весины, исключающих участие человека в проектировании и реализации соответствующих режимов.

Достоверность. Достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций обеспечивается современными методами и средствами на учного проникновения: применением теории расчта трубных пучков для исследования процесса прогрева круглых лесоматериалов;

системами из мерения температуры и влажности древесины, системами измерения пара метров воздуха;

обоснованными упрощениями и корректными допуще ниями при разработке математической модели;

подтверждением адекват ности разработанной модели и использованных методик расчта результа тами испытаний, выполненных в производственных условиях.

Теоретические, методологические и информационные основы ис следования. Теоретическую базу исследования составляют основные по ложения теории теплопроводности и теплообмена, а также теории сушки древесины.

Исследования базировались на принципах системного подхода с ис пользованием обоснованных методов и методик научного поиска, пове ренных оборудования, приборов и средств контроля.

Информационную базу исследования составляют материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, нормативная документация, материалы отечественных и зарубежных периодических из даний.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором.

Научные:

методика аналитического расчта продолжительности прогрева оци линдрованных брвен, учитывающая изменение температурного поля по сечению брвен во времени;

алгоритм аналитического расчта среднего коэффициента теплоотда чи сушильного штабеля оцилиндрованных брвен, представленного в виде трубного пучка коридорного типа;

методика экспериментальных исследований для определения темпе ратурного поля по сечению оцилиндрованных брвен при прогреве.

Практические:

математическая модель процесса начального нагрева брвен, позво ляющая определять температуру древесины на оси оцилиндрованных бр вен для последующего расчта общего времени прогрева брвен перед сушкой.

Место проведения работы.

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С. М. Кирова на кафед ре технологии лесопиления и сушки древесины.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на международных и научно-технических конференциях факультета механической технологии древесины Санкт Петербургской государственной лесотехнической академии имени С. М.

Кирова: «Развитие деревянного домостроения в России», СПб., 2001;

«Первичная обработка древесины: лесопиление и сушка пиломатериалов.





Состояние и перспективы развития», СПб., 2007;

«Первичная обработка древесины: лесопиление и сушка пиломатериалов. Состояние и перспекти вы развития», СПб., 2008;

«Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломате риалы, фанера, деревянные дома заводского изготовления, столярно строительные изделия», СПб., 2009;

«Современные проблемы механиче ской технологии древесины», СПб., 2010.

По итогам двух конкурсов на лучшую научную работу 2009 года среди студентов, аспирантов, молодых учных и специалистов академии две ста тьи заняли первое и второе места.

Основные результаты апробированы в НП «Научно-образовательный центр МТД» в промышленной сушильной камере финской фирмы Tekma Wood, оснащнной системами измерения температуры и влажности древе сины.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 статей, в том числе 2 статьи в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, 5 раз делов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 104 наименований. Содержит 176 страниц основного текста, 32 рисунка, таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта на учная новизна работы, е значимость для теории и практики. Содержатся сведения о структуре и объме диссертации.

Раздел 1. Состояние вопроса и задачи исследования. Подробный анализ способов сушки круглых лесоматериалов с указанием их досто инств и недостатков показал, что наиболее приемлемым способом является сушка в традиционных конвективных лесосушильных камерах. Примене ние камерной сушки позволяет получать равномерно высушенные лесома териалы, уменьшить необработанные запасы лесоматериалов на складе, увеличить гибкость в исполнении заказов за счт устранения погодного фактора и временных затрат, уменьшить объмы древесины, поражнной грибами, не допустить изменения цвета древесины, что позволяет прово дить отделку деревянных домов прозрачными покрытиями, а также ис пользовать те же сушильные камеры, что и для сушки пиломатериалов.

Наиболее полные обобщения о процессах сушки древесины различны ми способами, об особенностях механизма перемещения влаги в древесине и прогрева и сушки крупных сортиментов и пиломатериалов представлены в трудах Н. С. Селюгина, Б. С. Чудинова, Г. С. Шубина, П. С. Серговского, А. И. Расева, И. В. Кречетова, П. В. Соколова, Н. М.

Кириллова, А. Н. Чернышева.

Анализ литературных источников показал, что сушке сортиментов круглого сечения внимания почти не уделялось и режимов сушки их не существует.

Для расчтов продолжительности процессов нагрева и определения по ля температуры по уравнениям в критериальном виде необходимо знать коэффициент теплоотдачи, на который оказывает влияние множество факторов. Коэффициент теплоотдачи определяется, как правило, для кон кретных условий теплообмена. Б. С. Чудинов предлагает эмпирические формулы для расчта коэффициента при нагревании древесины в газо образной среде в условиях естественной и вынужденной конвекции. Ана лиз показал, что для условий сушки цилиндрических сортиментов в кон вективных камерах, то есть при вынужденной конвекции от газа к шерохо ватой цилиндрической поверхности, Б. С. Чудинов не приводит формул для определения коэффициента теплоотдачи. Кроме того, для имею щихся эмпирических формул определения коэффициента теплообмена при вынужденной конвекции не указывается диапазон изменения температуры среды, что затрудняет использование формул в практических расчтах.

Анализ методов расчта продолжительности сушки круглых лесомате риалов, предложенных П. С. Серговским, Г. С. Шубиным, показал сле дующее:

для сортиментов цилиндрической формы метод расчта продолжи тельности сушки, подобный укрупннному методу проф. П. С. Серговского для пиломатериалов, не разработан;

формулы для расчта продолжительности сушки цилиндрических сортиментов, рекомендуемые П. С. Серговским и Г. С. Шубиным, требуют проверки в производственных условиях и уточнения.

Анализ состояния исследуемого вопроса позволил сформулировать следующие задачи исследования:

1. Обосновать параметры сушильного штабеля из оцилиндрованных брвен по аналогии с трубным пучком коридорного типа;

2. Обосновать скорости воздуха в сушильном штабеле из оцилиндро ванных брвен в период начального прогрева;

3. Определить средний коэффициент теплоотдачи сушильного штабеля из оцилиндрованных брвен;

4. Определить продолжительность нагрева и прогрева оцилиндрован ных брвен, уложенных в сушильный штабель;

5. Разработать математическую модель процесса начального нагрева брвен, позволяющую определять температуру на оси оцилиндрованных брвен.

6. Определить экономическую эффективность внедрения результатов исследований.

Раздел 2. Теоретическое обоснование процесса нагрева круглых ле соматериалов. Цикл сушки в конвективных лесосушильных камерах под разделяется на шесть фаз, имеющих определнное назначение. Схема цик ла сушки представлена на рис. 1.

В фазе 1 происходит нагревание агента сушки от начальной температу ры 0 до температуры, при которой брвна будут прогреваться до центра.

В фазе 2 происходит прогрев брвен до центра при постоянной температу ре 1. После прогрева брвен наступает фаза 3 сушка брвен до заданной конечной влажности. После сушки проводится фаза 3' 4' 1 2 3 e' d' c d e Температура, 0С b f ;

t a1 2 3 4 5 Время, ч Температура древесины t, 0С Температура среды С Рис. 1. Схема цикла сушки в конвективных лесосушильных камерах кондиционирование, назначаемая при необходимости выравнивания влаж ности по сечению брвен. После кондиционирования наступает 5-ая фаза – охлаждение агента сушки в камере и заканчивается цикл фазой 6 – оконча тельным охлаждением брвен в камере.

При решении задачи нагрева брвен в условиях начального нагрева агента сушки, а именно влажного воздуха, используется дифференциаль ное уравнение теплопроводности, которое для цилиндра бесконечной дли ны в цилиндрической системе координат записывается следующим обра зом t (r, ) t (r, ) 1 t (r, ) a (1) r2 r r при начальном условии: t t0 ;

(2) t t и граничных условиях: 0 b;

( tr R ) ;

0. (3) rr R rr Тепловая схема фазы нагрева (фазы 1) представлена на рис. 2.

r = +b R t=0 = t t R = +b r Рис. 2. Тепловая схема фазы нагрева Решением дифференциального уравнения теплопроводности (1) для бесконечного цилиндра при краевых условиях (2) и (3) может быть пред ставлено в следующем виде (4) 1 1 An )exp(- 2 Fo).

Fo J( (4) 20n n 4 2Bi 4 n 1 n Задача решается в критериальном виде. Для определения распределе ния температуры в цилиндре в любой момент времени необходимо знать как функцию критериев Fo, Bi и безраз безразмерную температуру мерной координаты r R, а температура тела определяется по формуле bR t t0. (5) a Критерий Fo определяется по формуле: Fo (a 1 ) R 2, (6) где 1 – время нагревания среды от начальной температуры 0 до темпе ратуры прогрева пр, с.

Исходя из граничных условий (3) время нагревания агента сушки определяется по формуле: 1 ( пр 0) b, (7) где b постоянная, пропорциональная скорости изменения температуры агента сушки, 0С/с.

Неизвестной величиной, подлежащей определению, является коэффи циент теплоотдачи, определяемый из соотношения (8) d Nu, (8) в где в – коэффициент теплопроводности агента сушки при заданной тем пературе, Вт/(м 0С).

Штабель оцилиндрованных брвен, в соответствии с выдвинутой гипо тезой, представляет собой коридорный сжатый пучок труб (рис. 3). По аналогии с трубным пучком, характеристиками штабеля оцилиндрованных брвен являются поперечный шаг S1, который зависит от толщины приме няемых сушильных прокладок и продольный шаг S 2 расстояние между осями двух соседних рядов брвен, расположенных один за другим в на правлении течения потока агента сушки. Кроме того, штабель также ха рактеризуется диаметром брвен и количеством рядов брвен по ходу по тока. На рис. 3 показано пять рядов брвен.

Тогда средний коэффициент теплоотдачи для сортиментов третьего и последующих рядов можно определять по следующим соотношениям:

– при при Re 1 10 3 Nu 0,49Re0,5 ;

(9) 3 0, – при Re 1 10 Nu 0,194 Re. (10) Коэффициенты теплоотдачи сортиментов первого и второго рядов штабеля определяются путм умножения среднего коэффициента теплоот дачи для сортиментов третьего ряда на поправочные коэффициенты 0,6 и 0,9 соответственно.

1 2 3 4 S Г S В S Б S А Рис. 3. Схема расположения цилиндрических сортиментов в сушильном штабеле в виде коридорного сжатого пучка труб Средний коэффициент теплоотдачи всего штабеля в целом шт опре деляется по формуле 1F1 2 F2... n Fn, (11) шт F1 F2... Fn где 1, 2,…, n – средние коэффициенты теплоотдачи по рядам, Вт/(м2 0С);

F1, F2,…, Fn – площади поверхности теплообмена всех сор тиментов в ряду, м2.

Отличием выполненного нами расчта критерия Рейнольдса Re явля ется учт кинематической вязкости влажного воздуха вл.в : Re ( d ) вл.в, который является агентом сушки в традиционных конвективных лесосу шильных камерах.

После того, как температура агента сушки в камере достигла заданного значения температуры при прогреве пр, начинается 2-я фаза – нагрев оцилиндрованных брвен до заданной температуры в центре. Тепловая схема новой задачи представлена на рис. 4.

Начальное и граничные условия записываются следующим образом r = const R t=0 = t t R = const r Рис. 4. Тепловая схема фазы прогрева начальное условие: t t1, (12) t t граничные условия: const;

( пр t r R ) ;

0. (13) rr R rr Решением дифференциального уравнения теплопроводности (1) для цилиндра при краевых условиях (12) и (13) является уравнение n Fo). (14) 1 An J 0 ( )exp( n n В условиях прогрева известной температуре на оси сортимента t1 соот ветствует безразмерная температура 1 (t t0 ) ( t0 ), а ей соответствует критерий Fo AJ ( ) ln 1 0 1. (15) Fo1 2 Температуре сортимента в конце фазы прогрева соответствуют пара метры 2 и Fo 2. Время 2, которое необходимо затратить на нагревание сортимента в центре от достигнутой температуры до требуемой темпера туры, равно Fo R, (16) a где в качестве критерия Fo выступает разность критериев в конце фазы прогрева Fo 2 и в конце фазы нагрева Fo1 : Fo Fo 2 Fo1. Искомая про должительность начального прогрева цилиндрических сортиментов равна сумме времени нагрева 1 и прогрева 2 : 12 2.

Таким образом, обоснован метод расчта продолжительности нагрева круглых лесоматериалов уложенных в штабель в условиях вынужденного конвективного теплообмена, базирующийся на двухэтапном решении в критериальном виде дифференциального уравнения теплопроводности, за писанного для цилиндра бесконечной длины в цилиндрической системе координат при различных начальных и граничных условиях. Обоснован метод аналитического расчта величины критерия Рейнольдса с учтом свойств влажного воздуха при определении среднего коэффициента тепло отдачи штабеля круглых лесоматериалов.

Раздел 3. Аналитические исследования процесса прогрева древес ных сортиментов цилиндрической формы. В разделе приведены резуль таты аналитического расчта направленные:

на определение параметров теплообмена круглых лесоматериалов в начальный период прогрева при сушке;

на исследование характера изменения величины среднего коэффици ента теплоотдачи штабеля в зависимости от диаметра брвен и скорости обдува штабеля влажным воздухом;

на исследование характера изменения полей температуры сортимен тов цилиндрической формы в конце фазы начального нагрева воздуха в за висимости от диаметра брвен и скорости обдува штабеля влажным возду хом;

на определение общего времени прогрева сортиментов в зависимости от их диаметра и скорости обдува штабеля влажным воздухом;

Исходными данными для аналитического расчта являются: порода древесины;

геометрическая форма сортиментов;

диаметр сортиментов;

ба зисная плотность древесины;

начальная влажность древесины;

начальная температура древесины;

температура по сухому термометру и относитель ная влажность воздуха;

скорость повышения температуры воздуха, прини маемая постоянной. Геометрическая форма сортиментов представляет со бой круглый цилиндр, форму которого принимают брвна после их оци линдровки.

В численных расчтах используется три диаметра оцилиндрованных брвен: 0,20;

0,25 и 0,30 м, как наиболее употребляемые в строительстве деревянных домов. Длина сортиментов 1,5 м и более обусловливается тем, что она в 5…6 раз превышает наибольший из принятых в расчтах диамет ров, что позволяет пренебречь влиянием теплопередачи с торцов брвен и, следовательно, рассматривать их как безразмерные цилиндры.

Выходными параметрами являются: расчтные значения среднего ко эффициента теплоотдачи штабеля;

температура древесины на оси сорти мента;

общее время прогрева сортиментов.

В разделе представлены все необходимые уравнения для определения плотности древесины при данной влажности и плотности древесины в аб солютно сухом состоянии.

Первой решнной задачей, является определение среднего коэффици ента теплоотдачи штабеля шт для диаметров сортиментов 0,20;

0,25 и 0,30 м при изменении скорости воздуха в штабеле в пределах от 0,5 до 2, м/с с шагом расчта 0,5 м/с в фазе начального нагрева воздуха и в фазе прогрева.

В результате расчтов установлено, что все точки, характеризующие расчтные значения коэффициента теплоотдачи при различных условиях обдува штабеля, располагаются на одной прямой, показывающей зависи мость числа Нуссельта Nu от критерия Рейнольдса Re в периоды началь ного нагрева воздуха и прогрева сортиментов, что позволяет применять формулу (10) к расчтам параметров теплообмена круглых лесоматериа лов.

Зависимость числа Nu от числа Re при принятых в расчтах диамет рах цилиндрических сортиментов и скоростях агента сушки представлена на рис. 5.

По приведнному графику определены постоянные безразмерные ко эффициенты и записана зависимость (17): Nu 0,1646 Re0,656. (17) 2, 2, lg Nu 1, 1, 3,60 3,80 4,00 4,20 4,40 4,60 4, lg Re 0,20 м (Нагрев) 0,25 м (Нагрев) 0,30 м (Нагрев) 0,20 м (Прогрев) 0,25 м (Прогрев) 0,30 м (Прогрев) Рис. 5. Зависимость числа Нуссельта от критерия Рейнольдса в периоды начального нагрева воздуха и прогрева круглых лесоматериалов Выражение (17) позволяет определять средний коэффициент теплоот дачи пятирядного штабеля оцилиндрованных брвен при изменении их диаметров от 0,20 до 0,30 м при скоростях агента сушки в пределах от 0, до 2,5 м/с как на этапе начального нагрева воздуха в камере, так и на этапе прогрева оцилиндрованных брвен.

На рис. 6 показан характер изменения среднего коэффициента теплоот дачи штабеля от скорости агента сушки и диаметра сортиментов на тех же этапах.

23, 22, Средний коэффициент теплоотдачи 21, 20, 19, 18, штабеля, Вт/(м2 0С) 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2, Скорость агента сушки, м/с 0,20 м (Нагрев) 0,25 м (Нагрев) 0,30 м (Нагрев) 0,20 м (Прогрев) Рис. 6. Характер изменения среднего коэффициента теплоотдачи штабеля в периоды начального нагрева воздуха и прогрева круглых лесоматериалов Аналитически определены распределение температуры в цилиндриче ских сортиментах заданных диаметров в конце фазы начального нагрева воздуха, время, необходимое на нагревание сортиментов до требуемой температуры в центре, и общее время прогрева сортиментов при различ ных скоростях воздуха в штабеле.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что расчт продолжи тельности прогрева сортиментов необходимо проводить, учитывая повы шенную температуру сортиментов в конце фазы начального нагрева воз духа в камере, что позволяет уменьшить общее время прогрева и тем са мым уменьшить продолжительность цикла сушки. С увеличением диамет ра сортименты нагреваются медленнее, а следовательно, увеличивается и общее время нагрева сортиментов, но с увеличением скорости обдува шта беля интенсивность прогрева сортиментов увеличивается, что ведт к уменьшению времени их прогрева. Анализ результатов расчта также по зволяет утверждать, что увеличение скорости обдува штабеля выше 2,0 м/с не влияет на увеличение интенсивности прогрева сортиментов.

На рис. 7 представлен алгоритм аналитического расчта общего коэф фициента теплоотдачи штабеля круглых сортиментов.

Исходные данные пр;

t0 p0;

p;

0;

T0 ;

T0 пр ;

t0 d n T 0 pн в вл.в вл Re Nu шт Рис. 7. Алгоритм аналитического расчта общего коэффициента теплоотдачи штабеля круглых сортиментов Раздел 4. Экспериментальные исследования процесса прогрева древесных сортиментов цилиндрической формы. Экспериментальные исследования направлены на проверку адекватности результатов аналити ческого расчта продолжительности начального прогрева оцилиндрован ных брвен при сушке в конвективной камере.

Экспериментальные исследования процесса прогрева цилиндрических сортиментов проводились в полупромышленной конвективной лесосу шильной камере периодического действия с поперечно-горизонтальным кольцом циркуляции и автоматизированной системой контроля и управле ния климатом финской фирмы Jartek Group Oy.

Для определения температурного поля по сечению оцилиндрованных брвен уложенных в штабель, камера дополнительно оснащена системой измерения температуры на базе измерителя Термодат 22М1 с интерфей сом, обеспечивающим передачу данных от термометра сопротивления Pt100 в компьютер.

Измерение влажности древесины проводилось электровлагомером кон дуктометрического типа марки Brookhuis с использованием изолирован ных зондов различной длины.

Скорость потока воздуха в штабеле измерялась анемометром AV- со специально изготовленной насадкой.

Конструкция штабеля для проведения эксперимента представлена на рис. 3, контрольными сортиментами в котором являются брвна с коорди натами Б3 и В3. После выпиловки из центра контрольных сортиментов об разцов для определения влажности древесины сушильно-весовым мето дом, в торцы сортиментов устанавливаются датчики температуры Pt100 с длиной рабочей части 100 мм и диаметром гильзы 3 мм продольно оси сортиментов по схемам, представленным на рис. 8.

Для оценки равномерности обдува штабеля заданной конструкции про ведено измерение скорости воздушного потока в точках замера, показан ных на рис. 9.

r R 0,5R R 0,5R 3 2 1 r r 7 0 0,5R R 9 0,5R R r а) б) Рис. 8. Схема установки датчиков температуры:

а) в сортимент В3;

б) в сортимент Б 7 4 8 5 9 6 450 270 Рис. 9. Схема измерения скорости воздушного потока по боковой площади штабеля Нагреву в камере подвергались сосновые оцилиндрованные брвна диаметром 0,20 м длиной 3,0 м. Варьируемым управляемым фактором в эксперименте является скорость воздуха в штабеле, область значений которого составляет 1,0;

1,5;

2,0 м/с с диапазоном варьирования (1,0…2,0) м/с. Постоянными факторами являются диаметр оцилиндрованных брвен d, который фиксируется на уровне 0,20 м и скорость повышения темпера туры воздуха b, которая фиксируется на уровне 5 0С/ч. Постоянными ре гистрируемыми факторами являются: начальная температура древесины t относительная влажность воздуха в камере и начальная влажность дре весины W0. Выходными контролируемыми параметрами являются темпе ратура на оси цилиндрического сортимента tц и общее время прогрева 12.

Данные о распределении температуры по сечению сортимента, полу ченные из опыта и в результате аналитического расчта, представлены в табл. 1, также на рис. 10 при скорости воздуха 1,5 м/с.

Таблица Опытное и вычисленное распределение температуры по сечению сортимента Скорость Температура древесины t1, 0С воздуха в опытная вычисленная штабеле 0 0,5 1,0 0 0,5 1,, м/с 1,0 28,8 32,0 41,2 23,6 28,0 41, 1,5 30,9 33,8 41,4 27,2 31,6 45, 2,0 30,1 32,7 41,2 26,0 30,5 44, Рис. 10. Распределение температуры при скорости воздуха 1,5 м/с Анализ температурных кривых показывает, что характер распределе ния температуры в цилиндрическом сортименте, полученный в результате аналитического расчта, совпадет с характером распределения температу ры, определнным опытным путм. Это позволяет утверждать, что предла гаемая методика расчта 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 цилинд рических сортиментов, что также согласуется с теорией теплообмена. Пе ресечение расчтных и опытных кривых объясняется тем, что в опыте из мерялась 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 темпе ратура на поверхности бревна в опыте меньше той же расчтной темпера туры, так как к тепловому сопротивлению пограничного слоя добавляется тепловое сопротивление тонкого слоя древесины, отделяющего датчик температуры от внешней среды.

В результате эксперимента получена регрессионная математическая модель в нормализованных переменных y 18,6 0,7 x1 5,45 x2 0,25 x1x2 (18) и в натуральных переменных tц 40 3,9 94d 10 d, (19) при 1,0 2,0 м/с;

0,20 d 0,30 м.

позволяющая определять температуру на оси цилиндрических сортимен тов, уложенных в пятирядный штабель при скорости воздуха от 1,0 до 2, м/с и диаметре сортиментов от 0,20 до 0,30 м с целью сокращения расчтов по определению продолжительности их нагревания в традиционных кон вективных камерах.

Полученные в результате расчта данные (табл. 2) подтверждают, что общее расчтное время прогрева оцилиндрованных брвен, полученное без учта изменения температуры древесины на оси сортиментов во время на чального нагрева в камере, больше того же времени, полученного с учтом изменения температуры древесины на оси сортиментов в среднем на 6,15 ч или на 31,8 %.

Таблица Сравнение общего времени нагрева сортиментов Общее время нагрева 12, ч Разница Скорость Номер с учтом без учта воздуха, опыта абсолютная в процентах м/с температуры t ц температуры t ц 1 1,0 14,70 21,21 6,51 30, 2 1,5 12,84 18,89 6,05 32, 3 2,0 12,15 18,04 5,89 32, Средняя разница 6,15 31, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Сушильный штабель оцилиндрованных брвен является аналогом трубного пучка коридорного типа, характеризующегося диаметром брвен, количеством рядов брвен по ходу потока, продольным шагом брвен – расстоянием между осями двух соседних рядов брвен, распложенных один за другим в направлении течения потока агента сушки и поперечным шагом, который зависит от толщины применяемых сушильных прокладок.

2. Теоретически обоснован и экспериментально подтверждн метод расчта процесса прогрева круглых лесоматериалов уложенных в штабель в условиях вынужденного конвективного теплообмена при различных на чальных и граничных условиях с учтом свойств влажного воздуха.

3. Применение аналитического метода расчта процесса прогрева сор тиментов цилиндрической формы позволяет определить температуру на оси сортиментов в конце фазы начального нагрева агента сушки в камере и общее время прогрева сортиментов перед сушкой.

4. Разработанный метод расчта процесса нагрева круглых лесомате риалов позволил установить характер изменения среднего коэффициента теплоотдачи штабеля и его влияния на интенсивность прогрева в зависи мости от диаметра сортиментов и скорости агента сушки в штабеле.

5. При проведении аналитических расчтов установлено, что все точки, характеризующие расчтные значения коэффициента теплоотдачи при раз личных условиях обдува штабеля, располагаются на одной прямой, пока зывающей зависимость числа Нуссельта Nu от критерия Рейнольдса Re в периоды начального нагрева воздуха и прогрева сортиментов, что позволя ет применять формулу (10) к расчтам параметров теплообмена круглых лесоматериалов. Результаты расчта обобщены в зависимость (17), позво ляющей производить аналитический расчт среднего коэффициента тепло отдачи пятирядного штабеля оцилиндрованных брвен при изменении их диаметров от 0,20 до 0,30 м при скоростях агента сушки в пределах от 0, до 2,5 м/с как на этапе начального нагрева воздуха в камере, так и на этапе прогрева оцилиндрованных брвен.

6. Полученная математическая регрессионная модель, позволяет опре делять температуру на оси цилиндрических сортиментов для последующе го расчта времени прогрева брвен в камере.

7. Применение на практике разработанных режимов позволяет сокра тить время прогрева брвен перед сушкой на 1,2…2,5 %.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях рекомендованных ВАК 1. Артеменков А. М. Параметры теплообмена круглых лесоматериалов в начальный период прогрева при сушке // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – Выпуск 188. – СПб.: СПбГЛТА, 2009. – С.

187-198.

2. Артеменков А. М. Методика экспериментального и аналитического определения температуры и времени прогрева оцилиндрованных брвен // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – Выпуск 191.

– СПб.: СПбГЛТА, 2010. – С. 160-169.

В прочих изданиях 3. Акишенков С. И., Артеменков А. М. Способы сушки круглых лесо материалов // Развитие деревянного домостроения в России: Материалы Международной конференции, Санкт-Петербург, 5 – 6 марта 2001 г. – СПб.: СПбГЛТА, 2001. – С. 80.

4. Артеменков А. М., Акишенков С. И. Анализ способов сушки круг лых лесоматериалов // Технология и оборудование деревообрабатывающих производств: Межвузовский сборник научных трудов (юбилейный вы пуск). – СПб.: СПбГЛТА, 2003. – С. 170-174.

5. Артеменков А. М. К вопросу об определении коэффициента объм ного заполнения штабеля пиломатериалов в технологических расчтах ле сосушильных камер // Первичная обработка древесины: Лесопиление и сушка пиломатериалов. Состояние и перспективы развития / Материалы международной научно-практической конференции 30-31 марта 2007 г. – СПб.: СПбГЛТА, 2007. – С. 68-75.

6. Артеменков А. М. К вопросу об использовании базисной плотности древесины при определении массы удаляемой влаги // Современные про блемы лесозаготовительных производств, производства материалов и из делий из древесины: пиломатериалы, фанера, плиты, деревянные дома за водского изготовления, столярно-строительные изделия. – СПб.:

СПбГЛТА, 2009. – Т. 1. – С. 37-41.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.220.03 или прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах с за веренными подписями по адресу:

194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С. М. Кирова, Учный совет.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.