Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Повышение энергоэффективности осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Рис. 1.10. Установка с парокомпрессионным тепловым насосом:

1, 2 – заслонки-жалюзи; 3 – вентилятор; 4 – пневмофорсунка;

5 – нагреватель; 6, 7 – воздуховоды; 8 – испаритель; 9 – конденсатор;

10 – электродвигатель; 11 – компрессор; 12 – промежуточный

теплообменник; 13 – терморегулирующий вентиль; 14 – вентиль;

15 – камера сушки; 16 – диаграммное устройство

Рис. 1.11. Схема сушильной установки псевдоожиженного слоя:

1 – сушилка псевдоожиженного слоя; 2 – нагреватель; 3 – внутренний

конденсатор; 4 – пароохладитель; 5 – внешний конденсатор;

6 – дроссельный вентиль; 7 – компрессор;8 – испаритель; 9, 10 – обратная катушка; 11 – подвод свежего воздуха с

температурой 40 °C и относительной влажностью 10–20 %

Осушенный

воздух

Воздух

из атмосферы

Отработанный

сушильный агент

Программа

изменения температуры

сушильного агента

Программа

изменения расхода

сушильного агента

Пар

насыщенный

Осциллирующие режимы сушки реализованы в сушильной установке с тепловым насосом, предназначенной для высушивания грибов трутовиков семейства Ганодермовых (рис. 1.12). Выявлено, что осциллирующие режимы позволяют сохранить цвет высушенного продукта и снижают потерю водорастворимых полисахаридов в готовом продукте [141].

Рис. 1.12. Схема установки для высушивания грибов трутовиков:

1 – насос; 2 – компрессор; 3 – теплообменник (вода–хладагент);

4 – конденсатор; 5 – дроссель; 6 – испаритель (хладагент–нагретый

влажный воздух); 7 – теплообменник (холодный сухой воздух–

нагретая вода); 8 – вентилятор; 9 – нагреватель; 10 – сушильные

камеры А/В; 11 – клапан; 12 – нагретый влажный воздух;

13 – холодный сухой воздух; 14 – нагретый сухой воздух

Таким образом, анализ литературных источников показал, что использование тепловых насосов в процессах сушки носит больше случайный, нежели системный, характер. Применяются они в основном в конвективных технологиях сушки, что касается вакуумных методов удаления влаги – то только при сублимационной сушке пищевых продуктов. В процессах вакуумной сушки древесины подобных разработок не установлено.

Глава 2

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ

ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ ВАКУУМНО-КОНДУКТИВНОЙ СУШКИ

ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

2.1. Физическая картина процесса осциллирующей вакуумнокондуктивной сушки пиломатериалов

Для осуществления осциллирующего вакуумно-кондуктивного

способа сушки древесины используется сушильный аппарат, который представляет собой вакуумную герметичную теплоизолированную камеру, снабженную нагревательными плитами, вакуумным насосом и системой автоматического управления. Для нагрева древесины применяются плиты специальной конструкции, состоящие из перфорированных алюминиевых пластин, в которые внедрены электронагревательные элементы (рис. 2.1). Древесина, используемая в процессе сушки, является свежеспиленным пиломатериалом, который закладывается между двумя нагревательными плитами в камере сушки. Начальная температура и влажность древесины могут быть различными по слоям

Рис. 2.1. Конструкция электронагревательных плит

Процесс начинается с нагрева высушиваемого пиломатериала (рис. 2.2) включением нагревательных плит при атмосферном давлении среды в камере с целью сведения к минимуму удаления влаги из древесины. Процесс нагрева древесины подчиняется общим законам переноса энергии и вещества. Тепловая энергия подводится от нагревательных плит к поверхности древесины, что вызывает

образец

электронагреватель электронагреватель

активное повышение температуры поверхностных слоев материала, тем самым начинается общий нагрев древесины.

Температурный перепад поверхностных и внутренних слоев материала содержит потенциал для переноса тепла благодаря теплопроводности, величина которой для древесины снижается с уменьшением влагосодержания материала. Наряду с этим возникает влагоперенос во внутренние слои материала за счет температуропроводности, что объясняется повышенными значениями температуры в поверхностных слоях по сравнению с внутренними [7,

11].

Стадия нагрева характеризуется накоплением тепловой энергии под влиянием теплоемкости древесины, которая постепенно снижается вследствие уменьшения влагосодержания материала в процессе сушки. При этом возрастает температуропроводность материала, что влечет за собой сокращение продолжительности данной стадии [55, 105, 120, 122], в результате чего тепломассоперенос затрагивает всю толщину материала. По достижении заданной температуры материалом начинается стадия вакуумирования. Для этого нагрев плит отключается, и в работу вступает линия вакуумирования.

На стадии вакуумирования производится откачка воздушной среды до заданного остаточного давления, и при данной величине вакуума осуществляется выдержка в течение заданной продолжительности или до достижения материалом заданной температуры. В связи с этим стадия вакуумирования условно разделена на два периода: период понижения давления и дальнейшая выдержка материала в среде пониженного давления, при котором удаление влаги из древесины осуществляется благодаря предварительно аккумулированной на стадии нагрева тепловой энергии [28, 154, 162]. Отвод влаги от поверхности материала происходит через перфорации нагревательных плит.

Механизмы процессов сушки в среде пониженного давления раскрываются на основе известных положений теории сушки и законов равновесия между жидкостью и паром [59]. Понижение давления пара над поверхностью материала смещает динамическое равновесие в сторону влагоиспарения. Испарение влаги осуществляется вследствие снижения аккумулированной тепловой энергии влажного материала. В отсутствие подвода тепловой энергии

извне температура материала падает, а за счет того, что испарение идет с поверхностной зоны, ее температура ниже, чем в центре материала. Появляющийся градиент температуры соответствует

Рис. 2.2. Идеализированная схема ведения процесса осциллирующей

вакуумно-кондуктивной сушки: P– давление в камере;

T,Ū – температура и влажность материала

направлению градиента влагосодержания и тем самым интенсифицирует влагоперенос. В процессе вакуумной сушки во внутренних слоях материала возникает избыточное давление, которое пропорционально градиенту температуры по сечению материала, т.е. по сечению высушиваемого материала образуется положительный



атм



нагрев

вакуумирование

нагрев

вакуумирование

нагрев

вакуумирование

нагрев

вакуумирование

нагрев

вакуумирование

нагрев

вакуумирование

градиент избыточного давления [59, 102]. Регулированием темпа понижения давления над материалом можно изменять величину этого избыточного давления.

После того как в сушильной камере образуется рабочий вакуум, в материале продолжает сохраняться тепловая энергия, достаточная для влагоудаления, в связи с чем высушиваемый пиломатериал выдерживается при заданной глубине вакуума до снижения температуры в центре материала до значения, при котором градиент температуры не будет значительно влиять на влагоудаление.

Таким образом, движущей силой процесса вакуумной сушки является разность парциальных давлений паров удаляемой влаги над поверхностью материала и паров в окружающей среде камеры. Парциальное давление паров в окружающей среде определяется с помощью системы уравнений тепломассопереноса в паровой фазе. Парциальное давление паров у поверхности пиломатериала зависит от температуры и свойств древесины [163, 195–197].

По завершении данной стадии цикл нагрев – вакуумирование повторяется. Число циклов зависит от толщины пиломатериала, остаточного давления в процессе вакуумирования, начальной и конечной влажности, а также от породы древесины.

В результате рассмотрения физической картины удаления влаги из пиломатериалов в осциллирующих режимах вакуумнокондуктивного способа сушки были установлены основные физические явления, происходящие с влажным материалом. Кроме того, в первой главе были проанализированы существующие математические модели процессов вакуумной сушки древесины и установлена трудоемкость их применения для решения частных задач, в частности для определения скорости удаления влаги в процессе вакуумирования нагретого материала. В этой связи была поставлена задача разработки математического аппарата для решения данной частной задачи методом планирования эксперимента.

2.2. Разработка математического описания скорости удаления влаги при вакуумировании нагретого

пиломатериала

2.2.1. Подготовка образцов и планирование эксперимента

В процессе экспериментальных исследований в качестве древесных образцов были выбраны три основные породы с учетом различной плотности и распространенности в районе средней полосы России [85, 86, 111]:

− сосна – представитель семейства пород древесины с малой

плотностью (условная плотность ≈ 400 кг/м3);

− береза – порода со средней плотностью (условная плотность

≈ 500 кг/м3);

− дуб – представитель семейства пород с высокой плотностью

(условная плотность ≈ 600 кг/м3).

Использование перечисленных пород древесины в качестве образцов объясняется наличием наиболее полных литературных справочных сведений о теплофизических и физико-механических свойствах данных пород [111, 119, 122]. В целях повышения точности математического описания зависимости выходной величины (скорость сушки) от различных факторов процесс удаления влаги рассматривался в двух интервалах: сушка образца с влажностью выше (80 – 40%) и ниже предела насыщения клеточных стенок (30 – 10 %).

В результате литературного анализа выявлено, что стадия нагрева древесины с точки зрения математического описания достаточно хорошо изучена, в то время как изучение стадии вакуумирования носит обзорный характер. Сама стадия является сложной, требующей больших вычислительно-аппаратных средств для математического расчета, что в инженерных условиях является затруднительной задачей. Поэтому разработка инженерной методики расчета, позволяющей быстро определить скорость вакуумной сушки в зависимости от различных факторов, является актуальной. В этой связи наиболее удобным является метод расчета, полученный аналитическим способом, в частности В-планами второго порядка с полными факторными планами, которые позволяют получить математическое описание процесса в виде многочленов 2-го порядка

[88].

Подготовка образцов для экспериментальных исследований проводилась с целью доведения до заданных начальных условий входных данных, а также с целью последующей систематизации планирования экспериментальных исследований. Определялись такие начальные условия для исследуемых образцов, как размеры, базисная плотность, начальные температура нагрева и влажность образцов.

Размеры образцов. Образцы выпиливались и строгались из свежесрубленной древесины следующих размеров: 100 мм по длине, 100 мм по ширине, типоразмеры по толщине 20, 35, 50 мм. Выбор таких толщин обусловлен их наибольшей востребованностью в столярном производстве.

Базисная плотность. Для определения средней базисной плотности подготавливались двадцать древесных образцов одинакового размера. Далее подсчитывалась плотность каждого из них, и выводилась средняя базисная плотность для каждой породы древесины (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Средняя базисная плотность древесных образцов

Базисная плотность древесных образцов

№/ породы

Сосна

Береза

Дуб

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

417 419 421 423 420 423 419 416 417 420 418 422 421 419 421 419 423 418 419 420

516 516 520 518 519 516 517 520 519 519 517 518 516 521 517 519 519 520 516 518

622 624 623 621 621 622 623 621 624 624 622 621 624 620 621 624 623 622 622 623

Средняя базисная плотность древесных образцов

420

518

623

Влажность образцов. При планировании эксперимента начальная влажность образцов задавалась на уровнях W = 10, 20, 30, 40, 60, 80 %. Для достижения данных начальных значений брались свежесрубленные образцы, определялась их начальная влажность и соответственно количество влаги, которое необходимо удалить, чтобы достичь заданного уровня влажности. Достижение образцами требуемой влажности проводится в сушильном шкафу методом подсушки. Для образцов, заданная экспериментальная влажность которых находится в интервале, равном пределу насыщения клеточных стенок или ниже его, выдержка осуществляется в равновесных условиях (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Диаграмма равновесной влажности древесины

Температура образцов. Для подготовки образцов была использована климатическая камера, снабженная приборами контроля влажности, температуры воздуха и нагревательной плиты. Климатическая камера позволяет проводить нагрев древесных

образцов с замером и контролем влажностных и температурных параметров в реальном времени (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Климатическая камера Weiss 96

В процессе нагрева древесных образцов происходит интенсивный влагоперенос от наружных слоев материала к внутренним. По этой причине начальная температура образцов для исследования процесса сушки подбирается таким образом, чтобы перепад влажности по сечению составлял не более 2 %. В связи с этим нагрев образцов осуществляется в климатической камере при атмосферном давлении с заданной скоростью нагрева плиты до достижения материалом средней температуры tм, равный 40, 50 и 60 ºС. Относительная влажность среды в камере составляет φ = 0,90– 0,95 [106–108].

Для достижения перепада температур по слоям материала не более 2 °С скорость нагрева плиты задается исходя из решения уравнения [97]

. (2.1)

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]