Глава 14

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

§ 80. Управление процессами сушки в лесосушильных камерах

В деревообрабатывающей промышленности к основным процес­сам гидротермической обработки древесины относят: сушку — про­цесс удаления излишней влаги из древесины; пропарку — процесс тепловой обработки древесины перед распиловкой, лущением или

строганием шпона с целью снижения внутренних напряжений и улучшения качества обработки; пропитку — процесс термической и диффузионной обработки древесины путем введения в нее защит­ных веществ.

Среди процессов гидротермической обработки сушка является основным и предопределяет качество готовой продукции и изделий из древесины. Массовую сушку пиломатериалов, шпона и измель­ченной древесины осуществляют наиболее распространенным кон­вективным способом при атмосферном давлении.

Технологические требования и характеристики высушиваемого материала определяют тип лесосушильных камер, вид сушильного агента. Сушка листовых материалов (шпона, мягких плит) вы­полняется в камерах непрерывного действия — роликовых сушил­ках, в которых сушильным агентом является горячий воздух. Из­мельченная древесина высушивается в газовых барабанных сушил­ках, где в качестве сушильного агента используют топочные газы. В камерах периодического и непрерывного действия сушат пиломатериалы, сушильным агентом служит паровоздушная смесь.

Технологический процесс сушки. В камерах периодического действия сушка включает: прогрев материала, сушку, тепловлаго-обработку, конечную обработку и охлаждение. В камерах непре­рывного действия он характеризуется фазами: прогрев материала с нарастанием жесткости режима и переходом в сушку, конечная обработка и охлаждение.

В деревообрабатывающей промышленности применяют большое число видов сушильных камер, отличающихся принципом действия, емкостью, конструкцией. Существующие лесосушильные камеры имеют различную скорость агента сушки как по высоте, так и по длине штабеля.

Поэтому при определении их параметров важно знать распреде­ление температур и скорость циркуляции сушильного агента по сечению и длине камеры. Эти данные необходимы для выбора кон­трольных точек и получения достоверной информации о ходе про­цесса. В зависимости от типа камер отклонения температуры и псих­рометрической разности в различных точках камеры могут дости­гать 5—10° и более, поэтому правильный выбор точек контроля и особенно интенсивная равномерная циркуляция сушильного агента позволяют создать рациональный режим сушки.

Основным показателем, характеризующим режим сушки, яв­ляется психрометрическая разность, допускае­мые отклонения которой определяют допустимые отклонения тем­пературы, так как обычно режим регулируется по показаниям «су­хого» и «мокрого» термометров.

Исходя из анализа режимов сушки пиломатериалов допустимые динамические отклонения от средней психрометрической разности составляют + 1,5 2 °С, ГОСТ 19773—74 допускает погрешность температуры, равную ± 2 °С. Пределы изменения влажности в ка­мере 20—100 %, пределы изменения температуры 0—150 °С. В ка-

честве датчиков в системах контроля применяют медные ТСМ и пла­тиновые ТСП термометры сопротивления (см. главу 2).

Первоочередная задача автоматического регулирования про­цесса сушки — стабилизация режима. Для этого устанавливают регуляторы, обеспечивающие поддержание темпера­туры и относительной влажности на заданном уровне. Тип регуля­тора и параметры настройки выбирают с учетом статических и ди­намических свойств сушильных камер и требований, предъявляемых к системе регулирования.

Основным фактором, препятствующим интенсификации процесса сушки древесины, является внутреннее напряжение древесины. Превышение критических значений этих напряжений в процессе сушки приводит к образованию трещин и короблению, что резко ухудшает качественные характеристики сырья. Полные внутрен­ние напряжения, наблюдаемые в поперечном сечении высушивае­мого сортимента, равны алгебраической сумме влажностных напря­жений и остаточных напряжений от необратимых деформаций [8]. Динамическое развитие внутренних напряжений в процессе сушки представлено на рис. 173, а.

В начальный период сушки переход влажности W по сечению сортимента интенсивно нарастает и соответственно быстро растут влажностные напряжения _вл в результате усушки поверхностных слоев. В этот период полные напряжения _полн имеют знак влаж­ностных, так как остаточные _ост напряжения растут незначи­тельно. Точность регулирования температуры и влажности в этот период должна быть высока настолько, чтобы полные напряжения _полн не превысили предел прочности древесины _др., _{полн др}. _доп.

После достижения влажностными напряжениями максимальных значений начинается следующий этап сушки, для которого харак­терно значительное уменьшение влажностных напряжений _вл С некоторого момента времени t _полн начинают принимать знак остаточных напряжений и монотонно приближаться к значению последних. На этом этапе сушки менее жестки требования к точно­сти регулирования температуры и влажности, что следует учиты­вать при выборе регуляторов и систем автоматического регулиро­вания. Определение динамических характеристик, связывающих входные и выходные параметры, может быть выполнено аналити­чески или экспериментально (см. главу 9). На рис. 173, б представ­лена зависимость коэффициента теплообмена a_V и коэффициента теплопередачи k_B от размера штабеля по ширине и скорости движе­ния теплоагента. Эти зависимости используют для определения постоянной времени сушильных камер.

Лесосушильная камера как объект регулирования. Количество тепла, передаваемое от калорифера в камеру за время dt опреде­ляется [8] уравнением теплового баланса

где k_K — коэффициент теплопередачи, калорифера, ккал/м² град;

Перепишем уравнение (109) в виде

S_К — поверхность калорифера, м²; _п и _С — температура пара в калорифере и агента сушки в камере, °С.

Рассматривая динамику объекта по каналу «температура пара— температура агента сушки в камере», предполагают, что темпера­тура агента сушки по объему одинакова и отклонения температуры пара небольшие: _п = _{п. о} ± Q _п. Тепло, передаваемое от пара,

Рис. 173. Характеристики процесса сушки:

а — развитие внутренних напряжений; б — изменение коэффициентов теплообмена и теплопередачи; в — модель сушильной камеры; г — структурная схема системы автома­тического регулирования

расходуется на нагрев калорифера c_Mm_Kd _K, металла в камере c_Mm_Md _C, на покрытие потерь k_oгS_oг ( _K — _нар) dt_к и на теплооб­мен с древесиной S_Д = ( _K — д) dt.

Уравнение теплового баланса запишется:

где с_м — теплоемкость металла; m_к — масса металла в камере, кг; S_oг— поверхность ограждений, м²; _нар — температура внешней среды, °С; k_oг — средний коэффициент теплопередачи ограждений; — коэффициент теплообмена древесины в процессе сушки; S_Д — поверхность древесины, м²; _Д — температура древесины.

В установившемся режиме, когда d _K /dt = 0, уравнение (110) примет вид:

При небольших изменениях температуры агента сушки в камере _Д = const.

тогда

Обозначим

уравнение (112) примет вид:

Из уравнений (110), (111) получим

где Т — постоянная времени.

Из уравнения (113) очевидно, что по каналу «температура пара— температура сушильного агента» в камере объект является инер­ционным звеном.

Рассмотренная математическая модель не учитывает время за­паздывания в реальных условиях. Поэтому модель можно записать в общем виде

Таким образом, камера периодического действия может быть представлена последовательным включением апериодического звена и звена чистого запаздывания.

При выводе уравнений принять, что при малых изменениях температуры агента сушки в камере, за короткие промежутки вре­мени, температура древесины остается постоянной. В этом случае

теплоемкость древесины не оказывает влияния на инерционность камеры (постоянную времени).

Модель камеры сушки (рис. 173, в). Основными ре­гулируемыми величинами являются влажность высушенных лесо­материалов и температура агента сушки. На эти параметры влияют количество (объем) V и габариты L, порода П, W_H влажность сы­рых лесоматериалов, количество теплоты Q, или температура теп­лоносителя (пара) t_п и скорость циркуляции сушильного агента .

Рис. 174. Функциональная схема автоматической системы контроля и регу­лирования параметров сушильной камеры

Процесс сушки протекает при взаимосвязанности параметров-Объект обладает большой емкостью, незначительным запаздыва­нием и медленным изменением нагрузки, когда /Т <0,2. Наиболее рациональными системами регулирования являются позиционные системы (см. главу 5). Автоматическое управление сушки древесины в сушильных камерах ограничивается применением систем автома­тического регулирования параметров: сушильного агента (темпера­туры и влажности), высушиваемого материала (по влажности пило­материалов), усадки.

Наиболее широко применяется система автоматической стабилизации (регулирования) температуры сушильного агента t_c и его влажности W_c.

Структурная схема системы представлена на рис. 173, г. Регу­лирование температуры и влажности по схеме рис. 173, г осущест­вляется как несвязанное по отдельным каналам. Несмотря на не­достатки системы регулирования по косвенным показателям, она нашла применение в промышленности и оправдывает себя при экс­плуатации. Функциональная схема автоматической стабилизации параметров процесса сушки в камерах периодического действия представлена на рис. 174. При интенсификации процессов сушки данные системы не могут гарантировать оптимизацию режимов ввиду неоднозначной и слабо изученной зависимости между тем-

пературой, влажностью сушильного агента и влажностью пилома­териалов в камере. Поэтому разрабатываются и внедряются в про­изводство системы автоматизации с контролем состояния материа­лов в процессе сушки.

Стандартные режимы сушки предусматривают контроль переходной влажности древесины 30 и 20 % и конечную влажность 8—6 %. В некоторых случаях требуется контроль начальной влаж­ности, которая изменяется от 20 до 100 %.

В МЛТИ под руководством проф. П. С. Серговского разрабаты­вается метод дифференциальной усадки, позволяющий определять состояние древесины в процессе сушки по величине внутренних

Рис. 175. Блок-схема многоканальной системы контроля и регулирования

напряжений. Измерители усадки подробно рассмотрены в [18, 19].

Сушильные камеры обычно строят блоками по нескольку штук. Поэтому наиболее перспективно применение централизованных многоканальных систем регулирования, в которых при помощи обегающего устройства регулятор поочередно подключается к со­ответствующим датчиками температуры, влажности и регулирую­щим органам каждой камеры.

В многоканальных системах предусматривают блоки задатчи-ков, позволяющие устанавливать режимы по температуре и влаж­ности для каждой камеры. Блок-схема многоканального регулятора с дистанционным управлением устройством контроля и управления [18] приведена на рис. 175. В автоматическом режиме коммута­ционное устройство КУ поочередно подключает к измерительному прибору ИРП тот или иной канал регулирования сигналов, пред­ставленный в виде импульсов, сравнивается с опорным сигналом генератора импульсов ГИ, результат сравнения подается в распре­делитель Р, управляющий исполнительными механизмами. Опера­тор может перейти на дистанционный режим управления через устройство дистанционного управления. Используя ручной пере­ключатель, он может контролировать температуру и влажность сушильного агента в каждой камере и воздействовать на исполни­тельные механизмы ИМ.

Для создания многоканальных систем применяют выпускаемые промышленностью машины централизованного кон­троля и регулирования (см. главу 5).

Значительно расширяется производство микропроцессоров и микроЭВМ. Низкая стоимость, малые габариты, надежность, вы­сокое быстродействие, достаточный объем памяти, возможность несложного соединения с измерительными и исполнительными уст­ройствами — все это указывает на реальную перспективу исполь­зования микропроцессоров и микроЭВМ в централизованных си­стемах контроля и регулирования технологическими параметрами процессов сушки в камерных сушилках.