На правах рукописи

ГОРОХОВСКИЙ Александр Григорьевич

ТЕХНОЛОГИЯ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ДРЕВЕСИНЕ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург 2008

Диссертационная работа выполнена на кафедре древесиноведения и специальной обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Сергеевичев Владимир Васильевич

Доктор технических наук, профессор Санаев Виктор Георгиевич

Доктор технических наук, профессор Ермолин Владимир Николаевич

Ведущая организация: ООО ПКТБ Леспром, г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится л _________ 2008 г. в __ часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии (194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТА

Автореферат разослан л__ _________ 2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Г.М. Анисимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перед отечественной экономикой стоит грандиозная по своей сути задача: удвоение ВВП за 10 лет. Однако, при существующем уровне технологий это потребует двухкратного увеличения производства энергии в России, что принципиально невозможно. В этой связи технология переработки сырья в продукцию должны базироваться на минимально энергоемких процессах.

есопромышленный комплекс России обладает не меньшим потенциалом, чем признанные флагманы Российской промышленности - нефтегазовый сектор и металлургический комплекс. Особенно велики потенциальные возможности российской деревообработки в ткой традиционной отрасли как лесопиление, которое перерабатывает более половины заготавливаемой деловой древесины. К 2010 году выпуск пиломатериалов в России может составить до 40 млн. м3.

Однако, создание низкоэнергоемких процессов невозможно без научного обоснования технологий деревообработки в первую очередь сушки пиломатериалов как важнейшей операции облагораживания древесины.

Во многом, на 70 - 80 % определяя качество продукции деревообработки, сушка является энергоемким процессом, затраты на который составляют до 30 % от стоимости сухих пиломатериалов. В то же время объемы сушки пиломатериалов в России достаточно велики: в 2000 г. они составили около 12,8 млн м3 при неудовлетворенном спросе на сухие пиломатериалы, составлящем 25 - 30 %. Поэтому повышение энергетической эффективности сушки представляется актуальной проблемой.

В то же время удаление влаги из древесины в процессе конвективной сушки представляет собой достаточно сложный физико-химический процесс, сопровождающийся тепло- и массообменном, изменением размеров и формы сортиментов древесины, а также всего комплекса параметров, определяющих ее качество. В современных условиях исследование подобных процессов возможно только с применением их моделирования и оптимизации.

Таким образом, создание технологий обработки древесины, позволяющих получить высококачественную продукцию при минимальных затратах энергии является важной народнохозяйственной проблемой.

Цель работы: снижение энергоемкости процесса сушки и повышение качества пиломатериалов.

Задачи исследований

1. Теоретические исследования по моделированию внутреннего и внешнего влагопереноса в древесине.
2. Теоретические исследования развития полей влагосодержания и внутренних напряжений в древесине для естественной и принудительной циркуляции агента сушки.
3. Уточнение методики контроля влажности древесины.
4. Разработка метода оперативного контроля интегральной влажности штабеля пиломатериалов.
5. Определение диапазонов параметров режимов сушки для проведения экспериментальной оптимизации.
6. Экспериментальное построение математических моделей показателей эффективности и качества от параметров режима сушки.
7. Моно- и поликритериальная оптимизация режимов сушки на основе моделей показателей эффективности и качества.
8. Промышленная апробация предложенных технических решений и их технико-экономическое обоснование.

Объектами исследования являются пиломатериалы и лесосушильные камеры.

Предметом исследования являются процессы тепломассопереноса при сушке древесины.

Научной новизной обладают:

• модель коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины, учитывающей движение жидкой и твердой фаз в газообразной среде;
• уравнения для нормированного коэффициента влагопроводности, критерия фазового превращения и коэффициента влагообмена при конвективной сушке;
• методика математического анализа кинетики и динамики низкотемпературного процесса сушки древесины, близкого к естественным процессам высыхания древесины;
• теоретическое и экспериментальное обоснование метода непрерывного контроля влажности древесины по перепаду температур на штабеле;
• математические модели процесса сушки пиломатериалов в камерах с естественной и принудительной циркуляцией по режимам различной структуры, основанные на расчетных данных по кинетике и динамике сушки пиломатериалов, содержащих в различных соотношениях заболонную и ядровую древесину, а также рациональные значения параметров режимов, полученные на основе оптимизационных процедур.

Научные гипотезы, выносимые на защиту:

1. В процессах сушки древесину необходимо рассматривать как коллоидное капиллярно-пористое тело, при котором жидкая и твердая фаза древесины находятся в газовой среде.
2. Сухие пиломатериалы как конструкционный материал менее энергоемки для производства по сравнению с иными материалами из древесины.

Достоверность научных гипотез, выводов и рекомендаций обеспечивается: корректными допущениями при замене реальных процессов их математическими моделями; современными средствами научного исследования; использованием положений теории тепло- и массообмена для капиллярно-пористых тел; концепциями теории конвективных струй и гидравлической теории движения газов; оценкой адекватности разработанных моделей реальным процессам; приемлемым совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными; положительными результатами промышленной апробации.

Значимость для теории и практики

Для теории имеет значение:

• развитие теории тепломассопереноса для коллоидных капиллярно-пористых тел при естественной циркуляции агента сушки.
• модель коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины;
• методика анализа кинетики и динамики сушки пиломатериалов при низкотемпературном процессе;
• методика анализа процессов естественной циркуляции в лесосушильной камере;
• метрологический анализ метода непрерывного контроля влажности древесины по перепаду температур на штабеле;
• математические модели процессов сушки пиломатериалов для камер с естественной и принудительной циркуляцией.

Для практики имеют значение:

• эффективная структура режимов конвективной сушки пиломатериалов;
• экспериментальные зависимости (уравнения регрессии) показателей качества сушки и технологических параметров процесса;
• программное обеспечение для расчета процессов сушки древесины;
• оригинальные технические решения, защищенные патентами;
• положительные результаты промышленных испытаний технологии сушки.

Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических советах ОАО УУраНИИПДревФ (г. Екатеринбург, 2001 - 2007 г.г.), областной научно-технической конференции УГЛТА (г. Екатеринбург, 1989, 1995), научно-практической конференции УЛесной комплекс Среднего УралаФ (2001 - 2007 г.г.), конференции УОборудование и модернизации лесопильных и деревообрабатывающих предприятийФ (СПб, 2001 г.), Всероссийской конференции УЛесной и химический комплексы - проблемы и решенияФ (г. Красноярск, 2005), Всероссийской конференции УАктуальные проблемы лесного комплексаФ (г. Брянск, 2006 г.), XII Российский экономический форум УРазвитие экономического сотрудничества в рамках ЕврАзЭСФ (г. Екатеринбург, 2007).

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены на Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении (г. В. Салда, Свердловской области), прошли промышленные испытания в ООО УЭверлесФ (Кормовищенский ЛПХ, Пермская обл.), Кыновском ЛПХ (п. Кын, Пермская обл.), УПМ УГЛТУ (г. Екатеринбург), ОАО УУраНИИПДревФ (г. Екатеринбург) и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 2 монографии, статей в изданиях, рекомендуемых ВАК - 7, 6 патентов. Результаты исследований отражены в 8 научно-технических отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов и рекомендаций, приложений, библиографического списка, включающего 261 наименований. Общий объем работы 262 страниц, 78 рисунков, 46 таблиц, 30 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель, научная новизна, научные гипотезы, выносимые на защиту, структура и объем работы, а также ее реализация и апробация.

В первом разделе УСостояние вопроса и задачи исследованийФ проведен аналитический обзор факторов, определяющих эффективность и качество сушки пиломатериалов.

В современных условиях эффективность сушки может быть однозначно оценена суммарным расходом энергии на 1 м3 пиломатериалов. При этом ощутимое снижение энергозатрат на камерную конвективную сушку пиломатериалов возможно по следующим направлениям:

1. Затраты на испарение увлажняющей воды;
2. Общие затраты энергии за счет ее экономии и рекуперации, а также оптимизации режимов сушки;
3. Затраты электроэнергии на привод вентиляторов. При этом радикальным способом устранения расхода электроэнергии при сушке является использование камер с естественной циркуляцией, интерес к которым, в связи с существенным подорожанием электроэнергии в последние годы, также вырос.

Основными факторами, определяющими качество сушки пиломатериалов являются :

1. Требования к качеству сушки пиломатериалов;

2. Контроль качества сушки;

3. Свойства древесины, как материала, подвергаемого сушке;

4. Технология сушки.

РТМ* нормируют требования к качеству сушки, устанавливая при этом:

• категории качества сушки;

________________________________________

* Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины // ЦНИИМОД. Архангельск, 1985

• перечень показателей качества сушки;
• значение показателей и условия их определения.

Анализ проблемы контроля качества сушки показал, что вопрос о точности определения влажности при ее контроле в процессе и по окончании сушки решен не полностью и требует дополнительных исследований.

Исследованиями свойств древесины, имеющими значение при сушке, а также вопросами, связанными с решением практических задач сушки пиломатериалов, в частности разработкой режимов сушки в различные годы занимались большое число как отечественных (П.С. Серговский, Б.С. Шубин, И.В. Кречетов, Л.Н. Кротов, С.И. Акишенков, П.И. Ананьин, Н.Н. Чулицкий, И.В. Куликов, Б.С. Чудинов, А.П. Комиссаров и др.), так и зарубежных ученых (F. Kollmann, T. Maku, A.J. Stamm, K. Egner и др.).

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

• применяемые на практике и изложенные в РТМ параметры режимов сушки обоснованы экспериментальным путем без учета коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины. В качестве теоретической базы использована, в основном, теория подобия с применением критериев Нуссельта (Nu), Рейнольдса (Re), Био (Bi) и др.
• применяемая трехступенчатая структура режимов сушки не является оптимальной с точки зрения продолжительности процесса и качества высушиваемого материала;
• современные технические средства позволяют реализовать бесступенчатую структуру режима с плавным изменением параметров во времени;
• повышение температуры агента (tc) значительно интенсифицирует процесс сушки, но крайне отрицательно влияет на физико-механические свойства высушиваемой древесины; экономия тепловой энергии при этом невелика (около 2 %);
• скорость циркуляции (Vц) агента непосредственного влияния на продолжительность сушки не оказывает, однако ее увеличение повышает равномерность сушки; значение скорости циркуляции может быть оптимизировано (например, по критерию минимальной себестоимости);
• степень насыщенности среды () определяет скорость сушки, а также максимальный период влажности по сечению, который, в свою очередь определяет характер развития и величину внутренних напряжений в древесине.

Таким образом, совокупность параметров режима определяет эффективность сушки и качество высушиваемой древесины. Следовательно, задача о повышении значений данных показателей может рассматриваться как оптимизационная (рис. 1).

При этом изменение параметров режима в процессе сушки должно производиться в зависимости от значений текущей влажности древесины. В то же время, анализ литературных данных не выявил простого и надежного метода оперативного контроля интегральной влажности штабеля пиломатериалов, следовательно необходимость его разработки очевидна.

Рис. 1. Постановка задачи оптимизации процесса сушки древесины

х - вектор управляющих факторов (tc, Vц, )

Y1 - вектор параметров эффективности

Y2 - вектор параметров качества

Теоретический анализ процессов тепло- массообмена при сушке обычно проводят решением для различных условий системы дифференциальных уравнений, предложенных академиком А.В. Лыковым. При этом для ее решения необходимо иметь значения следующих параметров, характеризующих массоперенос: