Некоторые аспекты оптимизация процесса сушки древесины в условиях комбинированного теплообмена
Бушков Дмитрий Николаевич
Вятский государственный технический университет

Научный руководитель: Кузьмин Владимир Алексеевич, д.т.н.
Соавторы: Овсянников Дмитрий Леонидович

Рассматривая процесс тепло- массообмена в сушке древесины, выяснилось, что в конкретных условиях ресурсо- и энергодефицита Кировской области имеет смысл применять комбинированные способы сушки пиломатериалов. Интенсификация процессов сушки обычно достигается путём увеличения теплового потока через поверхность пиломатериала. Это приводит к увеличению градиентов температур и влажности, что приводит к снижению качества сушки, появления трещин, деформаций и остаточных напряжений. Но при этом особую роль начинает играть оптимизация комбинированного (при вакуумно-диэлектрическом, конвективно-диэлектрическом способах) теплообмена.

Процесс сушки очень сложен, поэтому решено было разделить его на несколько этапов. В связи с этим были разработаны специальные методы нахождения оптимума.

Обычно по литературным источникам под оптимизацией понималось лишь увеличение интенсивности процесса сушки с сохранением высокого качества материала. Расчёту эффективности использования энергии всех видов (паровой, электрической, энергии ИК-излучения, электромагнитной) не уделялось должного внимания. Предполагалось, что КПД автоматичеси повышается при уменьшении времени, затраченного на сушку. Непрерывное изменение удельного теплового потока q(t ) в этих работах чаще всего не рассматривалось по ряду следующих причин: отсутствовала возможность регулировать q(t ) в виду несовершенства нагревательных элементов; q(t ) для данного режима сушки подбирался экспериментально без достаточного теоретического обоснования, слабое использование вычислительной техники в расчетных моделях и процессах сушки.

Проводимые нами методические исследования и обследования существующих сушильных камер и вычислительные эксперименты процессов сушки пиломатериалов дают основание полагать, что расхождение между расчётом по существующим методикам и экспериментам (удельные энергозатраты) может достичь сотен процентов. Причина такого расхождения кроется: в несовершенстве существующих расчётных методик; в большом износе существующих камер; в отсутствии либо несовершенстве контрольно-измерительной аппаратуры; в неадекватном изменении режимов сушки и уточнении расчетных методик при модификации камер; в отсутствии баз данных по различным параметрам и возможностей полноценной компьютерной обработки существующей информации и в отсутствии строгого контроля норм электроэнергии.

Для примера рассмотрим эту методику применительно к внешнему тепло- влагопереносу в процессе конвективно-диэлектрического способа сушки. Разобьём весь процесс сушки на n – этапов, удовлетворяющих следующим условиям при заданной точности:

а) На каждом этапе КПД считается величиной постоянной,

б) Пренебрегается свойством инертности материала и разгонными характеристиками камеры.

в) Предполагается, что к началу сушки материал находиться в равновесном состоянии, т.е. потенциал влажности равен нулю.

Рассмотрим некоторый i – ый этап процесса сушки. Пусть Qi – удельные (на единицу площади высушиваемой поверхности) потери энергии паро-воздушной среды увлажнительной системы (расчёт данной величины проводим, зная давление и температуру паро-воздушной среды, диаметр и количество отверстий увлажнительной системы, а так же температуру стекающей воды). Qi можно представить так

 (1)

где Qi(1) – часть энергии Qi, пошедшая на испарение влаги, Qi(2) - часть энергии Qi, идущая на нагревание материала, Qi(3) – потери энергии паро-воздушного потока при внешнем тепловлагопереносе.

Обозначим Ei – удельные затраты энергии нагревательных элементов на i – ом этапе (данную величину рассчитываем, зная мощность нагревательных элементов, электрического поля и продолжительность i – ого этапа). Аналогично разложим Ei

 (2)

Пусть Wi – удельная энергия, потребляемая приводом вентилятора на i – ом этапе (данную величину рассчитываем, зная мощность потребляемую приводом вентилятора и продолжительность i – ого этапа). Аналогично представляем Wi

 (3)

где Wi(1) – часть энергии Wi, косвенно идущая на испарение влаги; Wi(2) - часть энергии Wi, косвенно идущая на нагревание материала; Wi(3) – потери энергии при внешнем тепловлагопереносе. В этом случае КПД сушки на i – ом этапе можно задать следующим образом

 (4)

Используя (1-4), получим

, (5)

где Аi и Вi – безразмерные величины, учитывающие потери тепла при внутреннем и внешнем тепловлагопереносе соответственно.

Вышеизложенная методика и формулы (4-5) позволяют нам рассчитать эффективность использования энергии при внешнем тепловлагопереносе, а так же коэффициент полезного действия на любом рассматриваемом этапе и для всего процесса сушки в целом. Оптимизация производиться по эталонному процессу (этапу) или типовому. Компьютерные программы, используя современные математические методы, позволяют рассчитывать критерии, характеризующие оптимизацию процесса, как для всей сушки, так и для каждого его этапа. Расчёты производятся во время процесса и позволяют спрогнозировать результат.

Список публикаций

[1] Кузьмин В.А., Овсянников Д.Л. Метод расчёта эффективности использования энергии при внутреннем тепловлагопереносе в процессе сушки. - Казань: Материалы докладов Школы-семинара, 1999. С. 194-197.

(c) АСФ России, 2001