Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Повышение энергоэффективности осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов. Монография
.pdf
31
При таком ведении процесса исключается испарение влаги с
поверхности материала, а внутренний влагоперенос минимален, что
обеспечивает наиболее равномерное распределение температуры и
влажности внутри материала. Для образцов с влажностью выше
предела насыщения клеточных стенок нагрев производится при таких
условиях среды (относительная влажность и температура), чтобы
требуемая для последующего эксперимента температура материала
равнялась температуре «мокрого» термометра при данных условиях
среды (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Психрометрическая диаграмма для определения влажности
воздуха
Кроме того, с целью предотвращения интенсивного удаления
влаги с торцевой части образцов применена конструкция, состоящая
из поролона и герметика, облегающая образец по периметру.
Дополнительно торцы древесных образцов закрашивались краской
(рис. 2.6) [105−108]. Открытая пласть древесного образца покрывалась
алюминиевой фольгой. Подготовленные таким образом образцы
32
имели начальные термовлажностные характеристики, представленные
в табл. 2.2. Там же представлены остальные исследуемые факторы и
уровни их варьирования.
Рис. 2.6. Конструкция из поролона и герметика для сушки образца
древесины
Варьируемые факторы в процессе планирования эксперимента
представляются уравнением регрессии в следующем виде:
y= b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5 +b12x1 x2+b13x1 x3 +b14x1x4 +b15x1 x5+
+b23x2 x3 +b24x2 x4+b25x2 x5 b34x3 x4+b45x4 x5 +b35x3 x5 +b11x
1
2
+
+b22x
2
2
+ b33x
3
2
+ b44x
4
2
+ b55x
5
2
(2.2)
Из уравнения (2.2) видно, что решением плана 2-го порядка
определяется выходная величина в зависимости от каждого фактора
варьирования параболическим уравнением.
В В-планах 2-го порядка каждый фактор Xi содержит в каждом
опыте одно из трех значений: минимальное (X
imin
), максимальное
(X
imax
) и среднее: X
i
0
=( X
imin
+ X
imax
)/2. В нормализованном виде данные
уровни обозначаются: (-1), (+1) и (0).
33
Таблица 2.2
Переменные факторы и уровни их варьирования
Наименование фактора
Обозначение
Интервал
варьирования
фактора
Уровень
варьирования фактора
Натуральное
Нормализованное
Нижний
(-1)
Основной (0)
Верхний
(+1)
Базисная
плотность
пиломатериалов,
кг/м
3
ρ
X
1
10
~ 400
(420)
~500
(518)
~600
(623)
Толщина
пиломатериалов, мм
S
X
2
15
20
35
50
Температура
материала,
ºС
Т
X
4
10
40
50
60
Остаточное
давление на
стадии
вакуумирования, кПа
Р
ост
X
5
20
20
40
60
Удаление свободной влаги
Средняя
влажность
пиломатериалов, %
W
X
3
20
40
60
80
Удаление связанной влаги
Средняя
влажность
пиломатериалов, %
W
X
3
10
10
20
30
34
Связь нормализованных и натуральных обозначений для пяти
варьируемых факторов осуществляется с помощью следующих
формул:
x1= (Т-50)/10 (2.3)
x2= (Р
ост
-40)/20 (2.4)
При удалении свободной влаги выражение х3 принимает вид
x3=(W-60)/10 (2.5)
При удалении связанной влаги выражение (2.5) имеет вид
x3=(W-20)/10 (2.6)
х4=(ρ-500)/100 (2.7)
х5=(S-35)/15 (2.8)
Для проведения экспериментальных исследований по
вакуумированию нагретых пиломатериалов был использован
программируемый вакуумный сушильный шкаф Memmert 400,
представленный на рис. 2.7. Сушильный шкаф Memmert 400
предназначен для нагрева и сушки различных материалов в
температурном диапазоне до 200 ºС с возможностью вакуумирования
среды до 10 мбар. Сушильный шкаф состоит из корпуса, камеры с
теплоизоляцией и блока управления температурным и вакуумным
режимами.
Рис. 2.7. Вакуумный шкаф Memmert 400
35
а
б
в
г
Рис. 2.8. Серия зависимостей скорости сушки при удалении свободной
влаги: а – для различной температуры нагрева материала; б – для
разной толщины образца; в – для разного остаточного давления в
камере; г – для образцов разных пород древесины
36
а
б
в
г
Рис. 2.9. Серия зависимостей скорости сушки при удалении связанной
влаги: а – для различной температуры нагрева материала; б – для
разной толщины образца; в – для разного остаточного давления в
камере; г – для образцов разных пород древесины
37
Методика экспериментальных исследований заключалась в
следующем. Древесные образцы после предварительной подготовки в
климатической камере помещались в вакуумную камеру. Для замера
температуры в центре материала в образец вводилась хромелькопелевая термопара, другая регистрировала температуру поверхности
материала. Далее камера герметизировалась, и с включением линии
вакуумирования начиналась вакуумная сушка образцов.
Продолжительность стадии вакуумирования определялась
достижением в центре материала заданного значения, определяемого
рациональным значением градиента температуры , установленного
ранее проведенными исследованиями (рис. 1.1) [59−68]. В процессе
сушки текущая масса образца фиксировалась с помощью
тензометрического датчика [8, 11, 108].
В ходе экспериментальных исследований были получены
зависимости скорости сушки в процессе вакуумирования от давления
в камере, температуры и плотности материала (рис. 2.8−2.9). В
результате проведенных исследований получена матрица для
нормализованных факторов, представленная в табл. 2.3. Результаты
предварительно проведенных экспериментов дали возможность
принять гипотезу о нормальном выборе выходной величины с
помощью проверки по критерию χ2 Пирсона. На основе полученных
данных было определенно необходимое число n дублированных
опытов, оно оказалось равное пяти. В последних столбцах табл. 2.3
приведены значения скорости сушки, усредненные по пяти
дублированным опытам каждой серии.
Таблица 2.3
Матрица планирования ПФЭ 23
№
опыта
x
1
x
2
x
3
x
4
x
5
x
1
x
2
x
2
x
3
x
3
х
4
х
4
х
5
x
1
х
5
x
1
х
4
x
2
х
4
x
2
х
5
x
3
х
5
x
1
x
3
x
1
2
x
2
2
x
3
2
х
4
2
х
5
2
W=80÷40 %
W=30÷10 %
Y
jcp,
Н
Y
jcp,
Н
1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,07
0,036
2
+1
+1
+1
+1
-1
+1
+1
+1
–1
-1
+1
+1
-1
-1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,128
0,042
3
+1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,11
0,05
4
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,17
0,062
38
5
+1
+1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,044
0,016
6
+1
+1
–1
+1
–1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,049
0,024
7
+1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,069
0,016
8
+1
+1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,074
0,04
9
+1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,2
0,05
10
+1
–1
+1
+1
–1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
+1
-1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,22
0,057
11
+1
–1
+1
–1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,25
0,06
12
+1
–1
+1
–1
–1
–1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,22
0,072
13
+1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,057
0,014
14
+1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,064
0,032
15
+1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
+1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,079
0,02
16
+1
–1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,097
0,05
17
–1
+1
+1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,07
0,033
18
–1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
+1
-1
-1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,07
0,046
19
–1
+1
–1
–1
+1
–1
+1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,086
0,043
20
–1
+1
+1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,11
0,066
21
–1
+1
–1
+1
+1
–1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,04
0,012
22
–1
+1
–1
+1
–1
–1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,05
0,03
23
–1
+1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,052
0,014
24
–1
+1
–1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,07
0,05
25
–1
–1
+1
+1
+1
+1
–1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,13
0,04
26
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
–1
–1
+1
-1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,11
0,046
39
Окончание табл. 2.3
27
–1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,09
0,041
28
–1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
0,178
0,061
29
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
–1
+1
–1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,054
0,012
30
–1
–1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,075
0,036
31
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0,045
0,017
32
–1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0 0 0 0 0
0,075
0,048
33
+1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,13
0,05
34
–1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,069
0,043
35
0
+1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0
0,07
0,02
36
0
–1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0
0,085
0,035
37
0
0
+1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,14
0,061
38
0
0
–1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,065
0,027
39
0 0 0
+1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0
0,07
0,04
40
0 0 0
–1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0
0,11
0,051
41
0 0 0
0
+1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,10
0,02
42
0 0 0
0
–1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0
–1
0,069
0,041
2.2.2. Определение коэффициентов уравнения регрессии
Скорость сушки, усредненная по пяти дублированным
экспериментам каждой серии, определяется решением уравнения
yj= . (2.9)
Дисперсия воспроизводимости s2{y} находится как среднее
арифметическое дисперсий экспериментов:
s2{y} = , (2.10)
40
− при удалении свободной влаги
s2{y}= = 0,0031892,
− при удалении связанной влаги
s2{y} = 0,001112.
Число степеней свободы fy,связанное с дисперсией, равно
fy= N(n-1)=42(5-1)=168.
Оценки статичности регрессионных коэффициентов,
симметричных планов, относящихся к В-планам второго порядка,
решаются следующими формулами:
b0 = T1(Oy) – T
2
,
bi = T3(iy) , (2.11)
b
ii
= T4 (iiy)+ T
5
- T2 (Oy);
biu = T6 (iuy),
где b0–свободный член; bi– линейные регрессионные коэффициенты,
i= 1,2,…k; bii – квадратичные регрессионные коэффициенты, i=1,2,…k;
biu – коэффициенты при парных взаимодействиях, i≠u, Ti–
коэффициенты со значениями, указанными ниже.
В уравнениях (2.11) обозначено:
(Oy) = ;
(iiy) = ; (2.12)
(iy) = ;
(iuy) = , i≠u.
Таблица 2.4
Рассчитанные регрессионные коэффициенты
Обозначение
регрессионного
коэффициента
Оценка
регрессионного
коэффициента
Обозначение
регрессион-
ного
коэффициен-
та
Оценка
регрессионного
коэффициента
Удаление
Свобод-
ной
влаги
Удаление
связан-
ной влаги
Удаление
свободной
влаги
Удаление
связан-
ной влаги
b0 0,088534
0,0388
b12
-0,00825
-0,00194
b
1
0,019322
3
0,0016
b13
0,01519
0,001875
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]