Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле

Синютин, Евгений Владиславович

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле

кандидата технических наук: Синютин, Евгений Владиславович
город: Санкт-Петербург
год: 2009
специальность ВАК РФ: 05.13.06
цена: 450 рублей

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле»

Автореферат диссертации по теме "Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле"

На правах рукописи

Гг

СИНЮТИН ЕВГЕНИИ ВЛАДИСЛАВОВИЧ " к

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

1 В 'ТО 2090

003472820

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор КАШМЕТ Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

РУСИНОВ Леон Абрамович

кандидат технических наук

ГРАЧЕВ Сергей Юльевич

Ведущая организация:

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им.С.М.Кирова (г.Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 30 июня 2009 года в 12 час вауд. 61 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.230.03 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр. д. 26 (ауд. 61).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, СПбГТИ(ТУ), Ученый совет; тел. +7(812)494-93-75, факс +7(812)712-77-91, e-mail: dissovet@lti-gti.ru.

Автореферат разослан мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного сов' д.т.н., доцент

Халимон В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Нагрев внутренними источниками тепла -высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) диэлектрический нагрев - в настоящее время относят к энергосберегающим видам энергетики. Это обусловлено сравнительно меньшими, чем при использовании традиционных энергоносителей, тепловыми потерями в окружающую среду - теплота выделяется непосредственно в обрабатываемом материале. Другое важное преимущество ВЧ- и СВЧ-энергетики - экологическая безопасность созданного на их основе технологического оборудования. Последнее особенно актуально для технического перевооружения производства, так как традиционным для экономики СССР и России является сравнительно низкая (~20%) доля электроэнергии в совокупном энергопотреблении.

оптимизации ВЧ- и СВЧ-сушилок для древесины.

Диссертационная работа выполнялась в рамках внутривузовской программы исследований «Физические методы воздействия на химические реакции и процессы химической технологии», которые в течение ряда лет ведутся в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) в соответствии с одноименной Программой исследований РАН по важнейшим фундаментальным проблемам.

Цель работы. Разработка автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины.

Защищаемые положения:

- математическая модель сушки древесины в ВЧ-электрическом поле, описывающая сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывающая распределенный характер изменения давления пара по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания;

- методология оптимизации процесса скоростной сушки хвойной древесины в ВЧ-электрическом поле, в соответствии с которой сушка осуществляется при максимальном значении коэффициента паропроницаемости древесины;

- статические и динамические характеристики ВЧ-сушилки для древесины по каналам, связывающим интенсивность сушки с показателем качества готовой продукции: «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара», «мощность внутренних источников тепла — интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности»;

- алгоритм и структура АСУ оптимальным режимом сушки хвойной древесины в ВЧ-электрическом поле, включающая автомат оптимизации с переменным шагом регулирования и обеспечивающая поиск и поддержание экстремума целевой функции в условиях ускоренного дрейфа статической характеристики объекта.

Научная новизна. Разработана математическая модель сушки древесины в ВЧ-электрическом поле. Модель описывает сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывает распределенный характер изменения давления пара по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания.

Показано, что динамика ВЧ-сушилки по каналам «мощность внутренних источников тепла - избыточное давление пара в древесине», «мощность внутренних источников тепла - интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности» описывается уравнениями апериодического звена с переменными коэффициентами.

«минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности». Разработан алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте управления.

Разработаны алгоритм и структура АСУ оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле. Система определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки хвойной древесины в условиях неконтролируемых возмущений.

Практическая ценность. Разработана методика определения зависимости коэффициента паропроницаемости древесины от влагосодержания непосредственно в процессе сушки. Показана эффективность применения АСУ оптимальным режимом сушки, обеспечивающей скоростную сушку при минимальных внутренних механических напряжениях в древесине. Предложенная методология оптимизации режимов сушки и АСУ процессом эффективны для использования на предприятиях деревообрабатывающей промышленности для сушки хвойных лесоматериалов большого сечения.

Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 21 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» - Саратов: Саратов, гос. техн. ун-т, 2008 и на научных семинарах кафедры общей физики Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы.

Реализация результатов. Предложенная технологическая схема установки и методология оптимизации режима сушки рекомендованы ООО "Профиль Лайн" (г. Приозерск) к использованию для сушки лесоматериалов из хвойной древесины до транспортной влажности 18 - 20 %.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 127 е., состоит из четырех глав, содержит 21 рис., 21 табл., список литературы насчитывает 76 наименований.

В первой главе дан критический анализ состояния вопроса в области технологии сушки древесины при ВЧ- и СВЧ-нагреве, оптимизации режимов сушки и управления установками этого типа. Показано, что адекватная математическая модель процесса должна описывать сушку древесины при внутренних источниках тепла как массоперенос путем фильтрационного движения пара. При этом следует учитывать зависимости коэффициента паропроницаемости древесины от температуры и влагосодержания, рассматривая в общем случае дифференциальное уравнение для распределения давления в пиломатериале с переменными коэффициентами. Для корректной постановки задачи оптимизации необходимо предварительно исследовать влияние интенсивности сушки на качество готового продукта. Физически обоснованный критерий оптимальности должен отражать взаимосвязь технологических параметров с показателем качества готовой продукции. В такой постановке задача оптимизации режима сушки древесины ранее не рассматривалась.

Основные задачи диссертации сформулированы следующим образом:

- исследование ВЧ-установки для сушки пиломатериалов как объекта управления;

- разработка математической модели сушки и пропаривания хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле;

- оптимизация процесса ВЧ-сушки хвойной древесины;

- разработка алгоритма поиска оптимального режима сушки на объекте регулирования;

- разработка автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотной сушилке периодического действия.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШИЛКИ ДЛЯ ДРЕВЕСИНЫ КАК ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ

Эффективным для технологии ВЧ-сушки древесины является организация процесса в закрытых аппаратах, включающая стадию тепловлагообработки (пропаривания) - рис.1. Сушильная камера 1 изготовлена из двухслойного диэлектрика. Боковые поверхности камеры облицованы перфорированными электродами 2. По отверстиям перфорации выполнены сквозные отверстия. Такими же отверстиями снабжены верхняя и нижняя поверхности сушильной камеры. В верхней части камеры выполнено окно 5, расположенное напротив штабеля 6 с высушиваемым пиломатериалом (ПМ). Электроды 3 рабочего конденсатора встроены в камеру. Температура поверхности пиломатериала Т„ов через оптоволоконный фидер 7 измеряется ИК-термометром 8.

Согласно технологической схеме (рис.1) стадии пропаривания и сушки совмещены в одном аппарате. За счет самопропаривания (пропаривания собственным паром) снижается интенсивность испарения влаги с поверхности ПМ и существенно уменьшается перепад влажности. Тем самым создаются условия для минимизации внутренних механических напряжений в древесине, что предопределяет получение качественной готовой продукции.

Оптимальные режимы тепловлажностной обработки и сушки древесины можно определить на основе физически строгого математического описания

Будем считать, что сушке (до транспортной влажности ~ 20%) подвергается древесина (пиломатериал) хвойных пород.

В первой стадии (стадии нагрева) пиломатериал нагревается от начальной температуры Т0 до температуры фазового превращения Тф\ ¿т р(Е,Т,йп)

п£_ =_0_ т=т„ пп„ т = п т=т.=1пп°г г™, .- = ~ т

■--,1 10 ирк . * +(р ~ л»^«» >. -Иагр • V'У

ал СО

рг О

Здесь Т — средняя температура ПМ; й0 - начальное влагосодержание ПМ; ср, ро - удельная теплоемкость и плотность сухой древесины

соответственно; т - время; гнагр - продолжительность стадии нагрева; р -удельная мощность внутренних источников тепла:

р = 2л/£0б' (Г, й)%Ъ(Г, й)Е2, (2)

где / - частота Эм-поля; £0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; е', - соответственно относительная диэлектрическая

проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь древесины; Е -напряженность электрического поля в материале.

Рисунок 1 - Технологическая схема ВЧ - установки для сушки и пропаривания пиломатериалов: 1) сушильная камера; 2) облицовочные перфорированные электроды; 3) электроды рабочего конденсатора; 4) соединительные шины; 5) окно; 6) пиломатериал; 7) оптоволоконный фидер; 8) ИК - термометр; 9) катки; 10) рабочая платформа; 11) электронные весы; 12) фальш-пол; 13) основание; 14) ангар (экран); 15),16) электроды; 17) ВЧ-фидер

Уравнение для изменения среднего Благосодерлшния и а стадии поопаривания и сушки (протекающей при постоянной скорости) имеет вид: сШ _ р(Е,и) _ _

--и=и° ПРИ Т = Т««р ' ^

где г - удельная теплота парообразования.

ТТпи ПЧ-глттся ппрпргииы п интрипипш.™ пр^ниог пепеНОС ЕЛаГИ

--а--- — _ _---- ' "i — i г

осуществляется путем фильтрационного движения пара — критерий фазового превращения еф = 1. Уравнение для распределения давления водяного пара в пиломатериале толщиной 21 записывается следующим образом:

дР д2Р ^

Р = РЯ при х = т ;

и - нагр )

P = PQ при х = ±1; (6)

Дт,х) = 4J(P(zrx)), Тц = Т\х, 0). (7)

Здесь ар - коэффициент конвективной диффузии; Р- локальное давление пара; Р0 - атмосферное давление; Тц - температура в центре тела; х - текущая координата (текущая толщина); qp - источник тепла, связанный с фазовым превращением:

1 ди еф р

■ (8)

Выражение (7) показывает, что температура в центре тела однозначно связана с давлением насыщенного водяного пара.

В соотношении (8): и - локальное влагосодержание; с, - удельная пароемкость древесины.

Решение уравнения (4) с условиями (5), (6) относительно избыточного давления при х = 0, ар = const и qp = const (за время переходного процесса установления давления коэффициенты ар и qp не изменяются) имеет вид:

Р -P-P-iiHli_32? (-1)" J ар{2п+\)Ч\

4 /2

(9)

Максимальное избыточное давление (и соответственно максимальная температура) достигаются в центре тела за бесконечное время (т = »):

Р^б=Ра>-Ро^Яр— . (10)

В соответствии с уравнением (4) величина Ршв, развиваемого в теле фиксированной толщины, определяется соотношением между скоростью

ди

внутреннего парообразования ^ и коэффициентом конвективной диффузии.

Пар не может мгновенно выйти за пределы тела — часть испарившейся влаги накапливается в порах, и давление возрастает. Однако с ростом давления увеличивается поток пара (до тех пор, пока скорость переноса пара не сравняется с количеством воды, испарившейся в единицу времени). В переходной области (когда давление нарастает) скорость удаления пара - она

JTT

ии

чга (.паттатщттагмчтг» .тпп ^..лппптг тттггггтт —— _ плотш.рг лт т.у1*4о""ГТО1

ли. 11 1 ии Ь^ШАИ ^ оиопч<ш и 1 1 и

сопротивления тела, т.е. от его толщины. Когда величина Ршв установится, <Ш

тогда ^г- перестанет зависеть от толщины - установившаяся разность давлении 8

компенсирует гидродинамическое сопротивление тела. В этот момент времени

<Ш

среднеинтегральная скорость сушки доказывается равной скорости фазового ди

превращения Для определения параметра ту (времени установления давления) уравнение (9) удобно переписать в виде :

Чр I2

(-1)"

ехр

(2л+ 1)2 -я2

^о

где Ро =

ОрХ

критерий Фурье.

В диссертации показано, что время туо с точностью до р% находится из выражения:

Бо>—4-1п-

= Ро„

откуда

у а„ """

(12)

тг 3200 При р = 1% 1,88.

Скорость сушки для достижения (спустя время туо) произвольно заданного давления Рш6 равна:

¿й} ^РизбКр

(13)

I2 Ро

где Кр = арс„р 0- коэффициент паропроницаемости древесины.

Коэффициент паропроницаемости хвойной древесины существенно зависит как от влагосодержания, так и от температуры. Автором предложена методика определения зависимости Кр(й) непосредственно в процессе ВЧ-сушки образцов древесины. Установлено, что при изменении влагосодержания от 0,7 кг/кг до 0,2 кг/кг коэффициент Кр сосны изменяется (возрастает)

примерно в 10 раз. Зависимость коэффициента Кр от температуры носит экстремальный характер -рис.2.

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента паропроницаемости Кр дре-

ВССИКЫ ХВОЙНЫХ ПОрОД ОТ ТсмПсраТу-

ры при й =0,45 кг/кг:1)сосна,2)ель

Очевидно, что оптимальными для сушки хвойной древесины является температура, при которой коэффициент

1« 1« 15* я

ълътугчтига ттотт

"т ш оиэ м7 i

с.а а315 137 сш

V "/>

ствующее этой температуре давление пара Р ш6. В главе приведены результаты

<ш

расчета параметров тнагр, гуо , скорости сушки N = —), а также (в

сопоставлении с экспериментом) продолжительности сушки тс сосновых образцов толщиной 21 =30мм и 21 - 50 мм в режимах различной интенсивности (при р = уаг и Е - \зг). Расчетные и экспериментальные значения времен сушки оказались довольно существенно отличными друг от друга, что объясняется приблизительностью использованных данных о зависимости коэффициента Кр от температуры. В самом деле, известно, что проницаемость хвойной древесины газами, кроме влагосодержания и температуры, зависит от многих факторов — механических свойств, возраста, степени засмоленности и даже от региона произрастания дерева. Таким образом оптимальные параметры сушки необходимо находить непосредственно на объекте управления.

3 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЫ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Коэффициент Кр является физическим свойством материала, оказывающим влияние на выходной параметр объекта Рюб. Рассматривать в качестве критерия оптимальности физическое свойство материала некорректно. Для обоснования выбора критерия оптимальности подробно исследована статика объекта управления - рис.3 и рис.4. Зависимости на рис.3 построены по уравнению статики, следующему из (13) и (8):

Р* Р1* П4">

Юб 2гКр{й,Тмакс)' }

На рис.4 статические характеристики объекта построены в координатах

«р - 0», где С> = . Эти зависимости содержат экстремумы (минимумы).

Введём в рассмотрение целевую функцию - критерий оптимальности: л •

д= ф =И1,

Физический смысл целевой функции 0 можно описать как « прирост давления пара на единицу прироста мощности».

При Т = 105-110°С (для сосны) прирост давления начинает отставать от прироста мощности (рис.3, левые ветви кривых). Появляется выгодный режим сушки. Однако скорость сушки еще не столь велика. В точке максимума коэффициента Кр (рис.2) прирост давления на единицу прироста мощности оказывается наименьшим (рис.4). После прохождения экстремума прирост давления начинает резко опережать прирост мощности (рис.4, правые ветви

КрПВЫХ). При (2 — <"и/1 БЫСОКаЯ скорость сушки СОирОВОЖДаС 1 ся наименьшим приростом давления. Опытная проверка показала, что именно такой режим является наиболее выгодным, так как характеризуется наименьшими внутренними механическими напряжениями в древесине.

В табл.1 сведены результаты расчета оптимальных параметров ВЧ-

сушки ПМ различной толщины при заданном (принятом за оптимальное) значении Р

с)Ризбл Па ■ м'/Бт

Ризб, МПа

0.75

0,5

0,25

Ор

25 9,375 12,5 15,625 0 3,125 6,25 9,375 12,5 р' кВтД?

Рисунок 3 - Статические характеристики ВЧ-сушилки для древесины по каналу «р - Рюб>>

(материал-заболонь сосны,21 = 200мм, / = 27,12 МГц): 1) "о = 0,7кг/кг,

2) «о = 0,68 кг/кг, 3) "о = 0,66 кг/кг Рисунок 4 - Статические характеристики ВЧ-сушилки для древесины по каналу «р - (?»

(материал - заболонь сосны, 21 = 200 мм, /= 27,12 МГц) : 1) "о = 0,7 кг/кг,

2) "о = 0,68 кг/кг, 3) «о = 0,66 кг/кг

Таблица 1 - Определение оптимального режима ВЧ-сушки древесины по максимуму коэффициента Кр. Материал - заболонь сосны: Т0 = 20°С, й0 = 0,7кг/кг, йк = 0,2 кг/кг, р0 = 450 кг/м3, ср = 1365 Дж/кг-К, /= 27,12 МГц, К„ = 0,327-Ю-9 с, Р*шб =0,071 МПа

2/,мм тнир, мин (прир=р*) ту, с 7/Ч03,1/с тс, мин р*, МВт/м3 Е*, В/см

с сз 3 5 А ЛС 1 О 1 П ап ' (( О 1 £ а — л и*т

40 9,75 £ 1 п и, 1 , А ЛСв и,¿-и п 0,26 а 1 г 1 лл г' ЧХ,.) —

50 15,4 9,63 0,165 50,5 0,168 33,4-98,6

60 21,6 13,9 0,117 71,2 0,12 28,2-83,3

80 38,9 24,7 0,065 128,2 0,066 20,9-61,8

100 60,4 38,5 0,041 203,3 0,042 16,7-49,3

180 198,4 125,0 0,0127 656,2 0,013 9,3-27,4

200 245,6 154,1 0,0103 809 0,0105 8,35-24,6

Снижение оптимальной скорости сушки И* с ростом толщины ПМ обусловлено заданным ограничением по давлению. Другими словами, чем тоньше заготовка, тем более жестким является оптимальный режим сушки. Следовательно, в энергетическом отношении применение ВЧ-нагрева вообще и реализация оптимального режима, в частности, наиболее рациональны для сушки пиломатериалов большой толщины.

По мере сушки статические характеристики смещаются (дрейфуют) по горизонтали в область больших значений мощности. Это обусловлено ростом параметра Кр с уменьшением влагосодержания. Действительное значение С2 заранее не известно. Формируя функцию 0 и поддерживая её величину на минимальном уровне с помощью системы экстремального регулирования (СЭР), можно не только обеспечить наиболее выгодный в смысле качества продукции режим, но и вести сушку со все возрастающей скоростью.

Динамические характеристики объекта по каналам «р - Ртб» и «р - 0>> исследовались по уравнению (9), которое в стандартной форме записи (при 32 .

п = 0 и с учетом ^з" ) имеет вид:

лр

О0(р)^ + Р.^ = к0(р)р, (15)

ах

О0(р)^ + <} = к0(р)р, (16)

ах

где (?о=412/п2ар - постоянная времени объекта; к0=1212свгр0ар, к0 = За2р+2Ь2 + а}/р-к0Ос,(2а,р + а2)ехр[-О0(р)г]. - коэффициенты усиления объекта; а!,а2,а3,Ь2 - постоянные коэффициенты аппроксимирующих выражений для и £„.

Уравнение (16) получено дифференцированием уравнения (15) при подстановке аппроксимирующих выражений для С0(р) и к0(р). Как видно из (15) и (16), динамика ВЧ - сушилки для древесины по каналам «р - Ршб» и «р-С>» описывается уравнениями с переменными во времени коэффициентами.

Рд.тттатттуст г^фну ^грюиоины ттлтх л^ошглл^пооили* тти^аирипи МОЩНОСТИ ОТЛИЧАЮТСЯ

друг от друга лишь коэффициентами усиления

Рш6=к0Р

1-ехр

/• \ _Т

С? = к0р[1 - ехр(--^-)]. (17)

т------ _гг----------------------- „—«к,..-,__------о 1ч г»

1 ш\пм шгерцпиппшь ^циги. 1ич ииоыма ни лапала1У1 - I

«р - Q» одинаковы. Длительность переходного процесса в объекте определяется временем установления давления, величина которого ту0 в начальный момент сушки рассчитывается по выражению (12).

4 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ СУШКИ ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЫ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Задача управления ВЧ-сушилкой для пиломатериалов поставлена как задача автоматического поиска и поддержания экстремума целевой функции Q = min в условиях неконтролируемых возмущений. Для обеспечения работоспособности сушилки (рис.1) в функции АСУ также должно входить: формирование мгновенной мощности р по текущим параметрам ВЧ-генератора, стабилизация мощности в стадии ВЧ-нагрева и в стадии сушки (в каждом такте регулирования), автоматический контроль текущего влагосодержания, отключение ВЧ-нагрева при достижении пиломатериалом требуемого конечного влагосодержания WK = йк, охлаждение (выдержка) высушенного пиломатериала до безопасной для разгрузки температуры Тк. Блок-схема алгоритма и структурная схема АСУ - рис.5 разработаны в соответствии с поставленными задачами управления. Основу АСУ составляет система экстремального регулирования шагового типа.

Не известная заранее зависимость целевой функции Q от мощности р формируется непосредственно в процессе поиска экстремума одновременно со статической характеристикой Ризб (р) при шаговом изменении мощности р;.

QI ^изб.1 ~ i _ 1 I ^L-tß тл „

, =-д^—:-я>~ф~' ■Расчет кажД°го значения Рюб1 задерживается на

время Ху,, заданное на реле времени РВ2 в качестве уставки. Запоминающее устройство (ЗУ) служит для запоминания двух соседних значений Q по которым рассчитывается приращение AQ(=Q,-Q/-i. Вычисление величин РизЫ осуществляется по аппроксимационной зависимости (7) на основе измеренных с помощью малоинерционного терморезистора значений температур T4i в центре контрольного образца. Чтобы исключить влияние изменяющихся во времени параметров объекта (см.(15) и (16)) на качество регулирования алгоритм поиска экстремума предусматривает вычисление значений Q, по истечении времени xyi завершения каждого переходного процесса, протекающего в объекте в результате ступенчатого (шагового) изменения мощности в г'-том такте регулирования. При этом время xyi принято постоянным и задается с некоторым чяпягом. Вятшчиня Ху, н?.йдена следующим образом.

По истечении времени хуо по толщине заготовки устанавливается профиль давления Риз({х) (до этого момента - в конце стадии нагрева\Рш^х) =0). Начальное условие к уравнению (4) изменяется. Вместо (4) - (6) получается:

8Р д2Р

w • кул

= ~2а~ } ПРИ т = т>'> (19)

Ршб = о при х = ±1. (20)

Уравнение (18) с условиями (19), (20) описывает нестационарный процесс распределения давления в заготовке в процессе сушки при скачкообразном изменении скорости испарения влаги внутри материала от предыдущего значения ¿¡Ррр последующего значения др.

Решение краевой задачи (18) — (20) относительно максимального давления Ршб, достигаемого в центре заготовки (х = 0), имеет вид:

qPl2 ОЬ-ЬГ

(-1)"

2а „

32 .

'яз^(2я + 1)

•ехр

(2и + 1) ji2Fo

(21)

Для оценки вклада суммы ряда в величину Ртв достаточно рассмотреть отношение первого слагаемого ряда (п= 0) с учетом коэффициента перед знаком суммы к первому слагаемому уравнения (21) и потребовать, чтобы это

отношение не превосходило (3 %. Аналогично (12) можно показать, что

— = (22)

4 3200Др

Fo> 2 -=Fon„,

7С Я|3р

где Др = р-р.

В отличие от хуо, время установления давления %yi, начиная со второго шага поискового движения, зависит от мощности р и размера шага Ар. В главе рассчитаны значения iyi при различных влагосодержаниях и различном шаге Ар поискового движения. Для заготовок большой толщины (21 = 200 мм) при J3 = 0,5% наибольшее время установления давления составляет xyi = 15 с.

Связь между ВЧ-напряжениями Uo6u¡, Up, 1]Ьоъ, постоянным анодным напряжением Еа и управляющим напряжением Еупр на входе регулируемого выпрямителя (рис.5) выражается соотношениями:

Up + идоб. (23)

Мгновенная мощность р рассчитывается микроконтроллером на основе измерения текущих параметров генератора:

р( т) =

2rxV

1 +

(1 > 2f

(т)

-1

[шСаовС/доб(т)]2 . (24)

Здесь хс„ - реактивное сопротивление элемента связи между колебательными

контурами; у0 = —, где а0, а) - коэффициенты разложения в ряд постоянной а0

составляющей 1а0 и первой гармоники /„; импульса анодного тока; ю - угловая частота; У — объём ПМ; г/ — собственное сопротивление потерь в первичном (анодном) колебательном контуре; Сэ, Сдо6 - соответственно эквивалентная емкость генераторной лампы и емкость добавочного конденсатора, включенного последовательно с рабочим Ср.

После загрузки сушильной камеры и контроля начального влагосодержания пиломатериала оператор вводит исходные данные в микроконтроллер. Вычисленное значение мгновенной мощности р(т) поступает на вход регулятора мощности. Последний стабилизирует мощность в стадиях нагрева и сушки. Уставками регулятору мощности служат переменные значения р,. Момент окончания стадии нагрева определяется по значению Тпое = Т0 = 100°С, при достижении которого (с заданной точностью *Р]) по сигналу от компаратора 1 происходит автоматическое включение реле времени РВ1. При этом режим ВЧ-нагрева со значения р„ переводится на более высокий уровень мощности р'„ (стадия сушки). Начинается стадия сушки, сопровождающаяся переходным процессом установления давления в заготовках пиломатериала и в контрольном образце. Время \уа задано на РВ1 в качестве уставки. По истечении времени хуо вычисляется величина Рш6Л.

Устройство автоматического поиска экстремума выполнено на базе логики сигнум-реле. В основе логики лежит определение знака (£,) приращения регулирующего воздействия, приводящее к изменению целевой функции в направлении ее движения к экстремуму. Знак приращения в г - том такте поиска определяется по следующему алгоритму:

= -^(<3, - С?,--, )£,-, при д, - <зм > Дн, (25)

при д,-дм<Ан. (26)

Здесь Д„ - зона нечувствительности регулятора (сигнум-реле); Е,- - знак приращения регулирующего воздействия Ьр\ г - номер интервала регулирования.

В соответствии с алгоритмом (25), (26) поиск оптимального управляющего воздействия ропт происходит в направлении улучшения показателя качества, т.е. в сторону минимизации функции Одновременно с поиском <Зт,„ производится вычисление управляющего воздействия -задаваемой мощностир{:

р, = р^+&р1! . (27)

Изменение знака I,- приращения регулирующего воздействия при поисковом движении означает, что экстремум пройден.

В начале своей работы СЭР осуществляет быстрый поиск экстремума, так что начальное влагосодержание материала практически не изменяется. В системе устанавливается режим автоколебаний вокруг экстремума. В дальнейшем (по мере сушки) объект испытывает воздействие значительных параметрических возмущений Кр(й). Появляется ускоренный дрейф статической характеристики СКр) - рис. 4. Для обеспечения работоспособности СЭР в таких условиях схемой АСУ предусмотрен поиск экстремума с увеличивающимся шагом так, чтобы изменение регулирующего воздействия в процесс поиска и поддержания экстремума опережало изменение мощности рогт , вызванное дрейфом характеристики (3(р) вследствие сушки. Моменты переключений размера шагов определяются значениями достигаемых критических влагосодержаний IV/ и IV2, предварительно рассчитанные значения

которых выставлены на компараторах 4 и 5. Текущее влагосодержание ПМ вычисляется микроконтроллером дискретно (по истечении времени ту;):

W =W ——рт пя)

i "1-1 rp yi ' 4 '

где i - номер интервала регулирования.

При достижении W = WK по сигналу от компаратора 2 ВЧ-нагрев отключается и начинается стадия охлаждения высушенного пиломатериала до температуры Тк. При Тпов = Тк по сигналу от компаратора 3 производится сигнализация оператору о возможности разгрузки сушильной камеры.

Рис.6 иллюстрирует функционирование АСУ в заключительной фазе

Рисунок б - Пример оценки качества экстремального регулирования процесса ВЧ-сушки пиломатериалов: 21 = 200 мм, ро = 450 кг/м3, Р*шй = 0,071 МПа, /=27,12 МГц, йк = 0,2 кг/кг

Из точки 1 на левой ветви характеристики система делает шаг вправо: Др = Ap¡ = 0,5 кВт/м3. Так как инерционность объекта не влияет на характеристики системы (регулирование осуществляется дискретно спустя время ху1 завершения каждого переходного процесса в пиломатериале), поиск экстремума протекает по 99,25 то 7и р.„ ~Р. ¡«».¡о т,п р, кВт/м3 статической характеристике Q(p). Система попадает в точку 2 этой характеристики. Далее, следуя алгоритму (25), (26), система делает очередной шаг в прежнем направлении и оказывается в точке 3. Происходит сравнение величины AQ,=Q,-Qi_i с зоной нечувствительности Дн сигнум-реле и определяется знак приращения слеттошего пегугтипутпттгрго ВОЗДЕЙСТВИЯ. H?. рИС. 6 Показан предельный СЛ)"12Й равенства AQ = Д„, при котором СЭР делает шаг Др3 в обратном направлении и вновь оказывается в точке 2 . Далее система вновь попадает в точку 3 и т.д. В результате между точками 2 и 3 устанавливается периодический режим автоколебаний вокруг экстремума.

Эффективность действия АСУ можно оценить по графикам на рис.7.

Прямая i соответствует выбору и поддержанию значения мощности р по некоторому среднему за цикл сушки влагосодержанию йср. Кривая 2 иллюстрирует поведение объекта при экстремальном регулировании. Расчет показывает, что в режиме 1 почти половину всего времени сушка протекает при значительном превышении давления РшВ над Р*ил- Рюб ~

сушки (при й ~ 0,2 кг/кг).

Q, Па-м3/Вт

Технические характеристики СЭР в составе разработанной АСУ приведены в табл.2. В табл.3 представлены технико-экономические показатели ВЧ-сушилки.

Рисунок 7 - Эффективность работы АСУ при воздействии на объект параметрических возмущений Кр(й). Пиломатериал - сосновый брус, 2М00мм, ро=450 кг/м3,/=27,12 МГц, Р*тб = 0,071 МПа (Г, =115°С) : 1) при стабилизации мощности: ропт = рср; 2) при экстремальном регулировании в условиях ускоренного дрейфа статической характеристики объекта: ponm= 10.25+99,3 75 кВт/м3, Ар, = 0,08 кВт/м3, Ар2 = 0,18 кВт/м3, Арз = 0,5 кВт/м3

П, кг/кг

Таблица 2 - Технические характеристики СЭР шагового типа в составе АСУ оптимальным режимом сушки древесины в ВЧ-электрическом поле

Характеристика Численные данные Назначение и параметры объекта

Размер шага поиска, кВт/м3: Др! (при IV > IV,) Арз(пщ!¥2<1Г<№,) Арз (при IV < Щ 0,08 0,18 0,5 Сушка сосновых брусьев: 2/= 200 мм, 1УИ = 0,7 кг/кг, Щ, = 0,2 кг/кг, IV, = 0,5 кг/кг, Ш2 = 0,4 кг/кг /=27,12 МГц, р = 10,25 + 100 кВт/м3

Интервал регулирования V, с 15,0

Зона нечувствительности сигнум-реле д 0,022

Максимальное время поиска ¿кс'хрсмума 1э, с 210

Потеоя на поиск г„. % 1.41

Несмотря на много меньший объем загрузки производительность ВЧ-сушилки оказывается больше, чем производительность стандартной сушильной камеры периодического действия (табл.3) при более высоком качестве продукции. Реализация процесса ВЧ-сушки древесины хвойных пород в оптимальном по критерию "минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности" режиме обеспечивает скоростную сушку с высокими нормативными показателями качества продукции. 18

Таблица 3 - Технико-экономические показатели ВЧ-сушилки для хвойной древесины: 21 = 200 мм, ро = 450 кг/м\/= 27,12 МГц, W„ = 0,7 кг/кг, Гк=0,2кг/кг, Т„ = 20°С, Т„ = 65°С

Показатель Эжекционно-реверсивная сушильная камера ВЧ-сушилка без регулирования ВЧ-сушилка при ипользовании АСУ

Объём загрузки, усл. м3 30 1,0 1,0

Время сушки 25 суток 15,5 ч 9,5 ч

Производительность, усл. м /год 438 (при непрерывной работе) 377 (при 2-сменной работе) 615 (при 2-сменной работе)

Мощность ВЧ-генератора, кВт - 100 100

Уд. расход энергии, МДж/кг 6,6 - 7,0 7,2 + 8,0 6,1 -6,85

Качество сушки (внутренние напряжения): асж, МПа •Траст, МПа 4,4 1,7 3,0-4,0 1,5-2,0 1,0-1,5 0,5 - 0,9

ВЫВОДЫ

Общим результатом диссертационной работы является комплексное решение задачи повышения качества сушки хвойной древесины, включающее математическое моделирование и оптимизацию процесса высокочастотной сушки, а также разработку автоматизированной системы управления сушилкой, осуществляющей поиск и стабилизацию оптимального режима на объекте управления.

1.В основу синтеза АСУ положена математическая модель процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле, описывающая сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывающая распределенность давления по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и нлагосодепжания.

2. Теоретическим и экспериментальным путем исследованы статические и динамические характеристики высокочастотной сушилки для древесины — объекта с переменными во времени параметрами — по каналам, связывающим интенсивность сушки с показателем качества готовой продукции: «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара в пиломатериале», «мощность внутренних источников тепла - интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности».

объекте управления и обеспечивающий минимальные внутренние механические напряжения в древесине при скоростной сушке.

4. Разработан алгоритм автоматического поиска оптимального режима сушки на объекте управления, в соответствии с которым экстремальный регулятор шагового типа осуществляет поиск удельной мощности внутренних источников тепла, обеспечивающей минимум целевой функции.

5. Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле. Входящая в состав АСУ система экстремального регулирования с переменным шагом поиска определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки в условиях неконтролируемых возмущений.

6. Рассчитаны технические характеристики системы экстремального регулирования в составе АСУ — размеры шагов поискового движения в функции от текущего влагосодержания, интервал регулирования, максимальное время поиска экстремума, потеря на поиск. Работоспособность АСУ исследована в условиях воздействия параметрических возмущений, вызывающих ускоренный дрейф статической характеристики объекта. Размеры шагов управляющего воздействия в тактах регулирования рассчитаны с учетом опережения дрейфа статической характеристики объекта.

7. Показаны эффективность и высокое качество сушки лесоматериалов в оптимальном режиме — скоростная сушка при минимальных внутренних механических напряжениях в древесине.

8. Высокочастотная сушилка для древесины, реализующая оптимальный в отношении качества готовой продукции режим процесса, рекомендована к практическому использованию для сушки лесо- и пиломатериалов большого сечения из хвойных пород древесины.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1.Синютин, Е.В. Определение паропроницаемости древесины методом автоматизированного эксперимента / Е.В. Синютин, Ю.П. Юленец ; С.-Петерб. гос. технол. ин-т (техн. ун-т). - СПб., 2007. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 13.12.2007, № 1164-В2007.

2. Юленец, Ю.П. Математическая модель сушки древесины в высокочастотном электрическом поле / Ю.П. Юленец. Е.В. Синютин // Материалы ХХТ Международ, науч.конф. «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)». -Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2008.-Т.5.-Секция 11.-С.116-118.

3. Синютин, Е.В. Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле / Е.В. Синютин, Ю.П. Юленец // Приборы и системы. Управление, контроль,

ЛЛЛЛ »C П П 1 п

диагностика. — ¿wo. - jv; о. — L-. х-/.

4. Синютин, Е.В. Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле / Е.В. Синютин, В.В. Кашмет., A.B. Марков // Деревообрабатывающая промышленность. - 2008. - № 5. - С.26-28.

20 28.05.09 г. Зак. 146-71 РТП ИК «Синтез» Московский пр., 26

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Синютин, Евгений Владиславович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШИЖИ ДЛЯ ДРЕВЕСИНЫ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1 Технологическая схема высокочастотной установки для сушки пиломатериалов.

2.2 Математическая модель процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле.

2.3 Высокочастотная сушилка для пиломатериалов как объект управления.

Глава 3 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

3.1 Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотной сушилке периодического действия.

3.2 Алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте регулирования.

Глава 4 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ СУШКИ ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЫ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

4.1 Алгоритм управления оптимальным режимом высокочастотной сушки хвойной древесины

4.2 Разработка и исследование автоматизированной системы управления оптимальным режимом высокочастотной сушки хвойной древесины.

4.3 Оценка эффективности применения автоматизированной системы управления в процессе высокочастотной сушки хвойной древесины.

ВЫВОДЫ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Введение 2009 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Синютин, Евгений Владиславович

К числу научных направлений, способных обеспечить качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на использовании электромагнитных (ЭМ) методов воздействия на химические реакции и процессы химической технологии. Нагрев внутренними источниками тепла — высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) диэлектрический нагрев — в настоящее время относят к энергосберегающим видам энергетики. Это обусловлено сравнительно меньшими, чем при использовании традиционных энергоносителей, тепловыми потерями в окружающую среду — теплота выделяется непосредственно в обрабатываемом материале. Другое важное преимущество ВЧ- и СВЧ-энергетики — экологическая безопасность созданного на их основе технологического оборудования. Последнее особенно актуально для технического перевооружения производства, так как традиционным для экономики СССР и России является сравнительно низкая (-20%) доля электроэнергии в совокупном энергопотреблении. Касаясь оценки традиционных энергоносителей заметим, что при сгорании 1 м3 природного газа расходуется 8 м3 воздуха и образуется 9,5 м3 продуктов сгорания, загрязняющих окружающую среду.

Снижение энергоемкости валового национального продукта за счет применения новых энергосберегающих технологий является важнейшей задачей экономики и, в первую очередь, таких ее энергоемких отраслей как химическая, металлургическая, деревообрабатывающая. Физические особенности методов ВЧ- и СВЧ-нагрева (быстрый и управляемый нагрев во всем объеме материала вне зависимости от его формы, геометрических размеров и коэффициента теплопроводности, избирательность источника тепла, возможность концентрации высоких энергий в небольших объемах, отсутствие тепловой инерции нагревателя и безынерционность регулировки мощности) перспективны для использования в технологии сушки. Сушка древесины являлась одним из первых практических применений ВЧ-нагрева. Однако до 4 настоящего времени сушка с использованием ВЧ- и СВЧ-нагрева расценивается как экономически выгодная технология только для ценных пород древесины. В действительности, как будет показано далее, недостаточная эффективность ВЧ- и СВЧ-сушки древесины обусловлена не столько высокой стоимостью энергии, сколько сравнительно низкой интенсивностью процесса, которая не может быть увеличена из-за опасности растрескивания или коробления древесного материала под действием характерного для процессов этого вида градиента давления пара. Перенос массы при наличии внутренних источников тепла сопровождается наличием внутри материала градиента общего давления паро-газовой смеси, обусловленного значительной скоростью фазового превращения: скорость фазового превращения больше скорости переноса. В случае древесины - материала с низкой (при больших влагосодержаниях - с очень низкой) паропроницаемостью - градиент давления является фактором, тормозящим электрофизические возможности ВЧ- и СВЧ-нагрева. Для ускорения сушки древесину необходимо сначала пропаривать, не допуская быстрого влагосъема из поверхностных слоев. В условиях ВЧ- и СВЧ-энергоподвода стадии пропаривания и сушки можно совместить, реализуя процесс в аппаратах закрытого типа. Тепловлажностная обработка способствует размягчению древесной массы и увеличению ее пластичности. Установлено, что пропаренная древесина сохнет значительно быстрее, чем непропаренная, и гораздо меньше растрескивается. При пропаривании в закрытом объеме пиломатериал увлажняется «своим» паром - самопропаривается; при этом также снижается интенсивность испарения с поверхности и существенно уменьшается перепад влажности. Это позволяет свести к минимуму внутренние механические напряжения в пиломатериале даже при интенсивной сушке. Имеются сведения, что эффект ускорения сушки обусловлен увеличением коэффициента паропроницаемости пропаренной горячей древесины, однородным ее прогревом, а также более равномерным распределением в ней влаги. Однако оптимальные режимы сушки и 5 пропаривания до сих пор не найдены и физически не обоснованы. В результате технология ВЧ- и СВЧ-сушки древесины все еще находится в стадии опытно-промышленной проработки. Соответственно нерешенными являются и вопросы автоматизации и, в частности, автоматической оптимизации ВЧ- и СВЧсушилок для древесины.

В первой главе дан критический анализ состояния вопроса в области технологии сушки древесины при ВЧ- и СВЧ-нагреве, оптимизации режимов сушки и управления установками этого типа. Показано, что физически адекватная математическая модель процесса должна описывать сушку древесины при внутренних источниках тепла как массоперенос путем фильтрационного движения пара под действием градиента давления пара. При этом следует учитывать зависимости коэффициента паропроницаемости древесины от температуры и влагосодержания, рассматривая в общем случае в качестве математической модели объекта дифференциальное уравнение для распределения давления с переменными коэффициентами. Для корректной постановки задачи оптимизации необходимо предварительно исследовать влияние интенсивности сушки на качество готового продукта. Физически обоснованный критерий оптимальности должен отражать взаимосвязь технологических параметров с показателями качества готовой продукции. В такой постановке задача оптимизации режима высокочастотной сушки древесины ранее не рассматривалась.

Проницаемость древесины газами зависит от многих факторов, в том числе от влагосодержания и температуры. Причем коэффициент паропроницаемости древесины хвойных пород имеет экстремальную температурную зависимость, что предопределяет возможность построения системы автоматической оптимизации ВЧ-сушилки для пиломатериалов.

Однако температура, соответствующая максимуму коэффициента 6 паропроницаемости, оказывается различной не только для различных пород древесины, но зависит от возраста дерева и даже от региона его произрастания. По этой причине оптимальный технологический режим сушки необходимо определять непосредственно на объекте с помощью поисковой системы экстремального регулирования, например шагового типа. В то же время критерий оптимальности должен быть установлен (обоснован) заранее — на основании предварительного исследования объекта, как экспериментального, так и теоретического. В заключение главы на основании проведенного критического анализа сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрена технологическая схема высокочастотной установки для сушки и пропаривания древесины. Предложена математическая модель процесса, описывающая сушку как нестационарный процесс развития в пиломатериале градиента давления водяного пара, возникающего в результате интенсивного испарения под влиянием мощности внутренних источников тепла. Теоретическим и экспериментальным путем исследованы статические и динамические характеристики объекта. Осуществлен выбор управляющего и управляемого параметров.

Третья глава посвящена постановке задачи оптимизации процесса сушки хвойной древесины в ВЧ-сушилке периодического действия. В качестве целевой функции выбран критерий «минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности». Дополнительно исследована динамика объекта по каналу «мощность внутренних источников тепла - интенсивность прироста давления за единицу прироста мощности». Разработан алгоритм автоматического поиска оптимального режима сушки на объекте управления. Алгоритм основан на дискретном формировании целевой функции при шаговом изменении регулирующего воздействия. Рассчитаны параметры автоматического оптимизатора (шаг поискового движения, интервал регулирования, время поиска экстремума) в тактах управления.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию 7 автоматизированной системы управления ВЧ-сушилкой для хвойной древесины. Основу АСУ составляет система экстремального регулирования шагового типа с переменным шагом поискового движения. Разработаны алгоритм и структурная схема АСУ. Предложенная система автоматически определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки в условиях неконтролируемых возмущений. Эффективность АСУ проверялась путем расчета показателей работы системы экстремального регулирования в условиях резкого горизонтального дрейфа статической характеристики объекта, вызванного параметрическими возмущениями.

Основные положения выносимые на защиту:

Показано, что динамика ВЧ-сушилки по каналам «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара в древесине», «мощность внутренних источников тепла — интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности» описывается уравнениями апериодического звена с переменными коэффициентами.

Предложена методология оптимизации высокочастотной сушки хвойной древесины, предусматривающая реализацию процесса в режимах, соответствующих максимальному мгновенному значению коэффициента паропроницаемости. В качестве целевой функции предложен критерий: «минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности». Разработан алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте управления.

Практическая ценность. Разработана методика определения зависимости коэффициента паропроницаемости древесины от влагосодержания непосредственно в процессе сушки. Показана эффективность применения АСУ оптимальным режимом сушки, обеспечивающей скоростную сушку при минимальных внутренних механических напряжениях в древесине. Предложенная методология оптимизации режимов сушки и АСУ процессом эффективны для использования на предприятиях деревообрабатывающей 9 промышленности для сушки хвойных лесоматериалов большого сечения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Интенсификация процессов сушки древесины путем применения методов ВЧ- и СВЧ-нагрева не является новым техническим решением. Так, первые публикации в данной области относятся к 50 годам прошлого столетия [1-5]. Однако до настоящего времени вопрос об эффективности и даже целесообразности ВЧ- и СВЧ-сушки древесины остается нерешенным. Так, согласно [6-8] ВЧ-нагрев древесины наиболее рационален в первом периоде сушки. Другие исследователи, например [9, 10], наоборот, считают эффективным применение ВЧ- и СВЧ-нагрева для удаления из древесины связанной влаги, т.е. во втором периоде сушки. В современной литературе по древесиноведению, хотя и отмечаются достоинства диэлектрической сушки (более равномерный, объемный нагрев, возникновение положительных градиентов температуры и избыточного давления, обеспечивающих сокращение продолжительности процесса в десятки раз), тем не менее подчеркивается, что ВЧ- и СВЧ-сушка не находит широкого применения [11-14]. Причиной такого состояния вопроса согласно [11] является большой расход электроэнергии, сложность оборудования, недостаточное экономическое обоснование. Последнее касается не только диэлектрической [12,14], но и комбинированной, в частности, конвективно-диэлектрической [4, 15] и вакуумно-диэлектрической сушки [16]. По нашему мнению перечисленные аргументы являются скорее следствием недостаточной изученности физических особенностей сушки древесины при подводе энергии внутренними источниками тепла, а также известной [4, 5, 17-19] практикой внедрения в промышленность технологий данной направленности без предварительного определения оптимальных режимов сушки и при отсутствии на оборудовании средств автоматизации и контроля. Проанализируем в связи с этим современное состояние вопроса в области теории тепломассопереноса в процессах сушки при использовании энергии внутренних источников тепла, а также в области автоматизации

11 сушилок для древесины.

При помещении диэлектриков и полупроводников в переменное ЭМ-поле в них за счет релаксационно-поляризационных явлений происходит выделение тепловой энергии [5, 20, 21]. Совокупное выделение тепла в материале за единицу времени, обусловленное смещением заряженных частиц (поляризацией) и протеканием токов проводимости, выражается формулой: где р - удельная мощность внутренних источников тепла; с0, &' -соответственно абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума и относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика; tgb -тангенс угла диэлектрических потерь материала диэлектрика; Е напряженность электрического поля.

Из уравнения (1.1) следует, что нагрев в ВЧ- и СВЧ-электромагнитном поле протекает безынерционно и равномерно во всем объеме материала (если он однороден) и в каждой элементарной частице и не зависит от его коэффициента теплопроводности и геометрических размеров. Длительность ВЧ- и СВЧ-нагрева зависит только от выделяющейся в материале мощности и его электрофизических (ЭФ) свойств, характеризующихся параметрами е' и tgd. Это дает возможность развить очень высокие скорости нагревания, т.е. получить исключительно мощные источники тепла, распределенные внутри тела.

В СВЧ-технике величиной h0 характеризуют глубину проникновения ЭМ-поля в материал, на которой энергия поля уменьшается в <? раз

Здесь \q — длина волны в вакууме; а — коэффициент затухания ЭМ-волны, равный [17, 19] р = InfeaZ'tgbE' ,

1.1) h = —— R5 О

1.2)

1.3) где к0~--волновое число для вакуума.

Из (1.2) следует, что глубина проникновения уменьшается с ростом частоты, параметры s' и tg5 также меняются с частотой. Электрофизические свойства древесины различных пород достаточно хорошо изучены [17, 19, 22, 23]. В табл. 1.1 сопоставлены глубины проникновения h0 ЭМ-волны во влажную древесину ели на различных частотах.

Можно видеть, что характерным для СВЧ-сушки лесоматериалов большой и сравнительно большой толщины является неравномерный нагрев. С этой точки зрения более предпочтительным является использование ВЧ-нагрева.

Вопросы теории тепломассопереноса в процессах сушки различных материалов при наличии внутренних источников тепла рассматриваются в ряде монографий и исследовательских работ [3,6-8, 21, 24-28]. Общая система дифференциальных уравнений связанного тепломассопереноса для одномерной задачи имеет вид [3, 7, 8]: дТ д2Т г ди , ms 1 ат — + 8ф —' — + р(х,и,Т)дх Эх с дт с р0 р ди д2и 7 д2Т ди . дт дх дх ох дР д2Р р0 ди ^ D 2(1) " дх дх" bm дх

Здесь и, Т, Р — соответственно локальное по координате х влаго содержание, температура материала и давление пара в порах и капиллярах; ат - коэффициент температуропроводности; ат - коэффициент потенциалопроводности переноса жидкой влаги; /„, - термоградиентный коэффициент; - критерий фазового превращения; ат - коэффициент конвективной диффузии; тр — пористость тела;

Таблица 1.1 Глубина h0 проникновения ЭМ-поля в древесину на различных частотах

Материал Частота,МГц IV,% 8' г" tgb а, 1/м h0, мм Примечание

Древесина (ель) поперек волокон (Т = 20°С) 2375 5 1,8 0,108 0,06 2,0 250 ЭФ-свойства взяты из работы [22]

10 2,1 0,189 0,09 3,2 154

20 2,8 0,448 0,16 6,7 75

30 3,5 0,77 0,22 10,2 48,8

40 4,3 0,9 0,21 10,8 46,1

80 7,0 1,26 0,18 11,9 42,2

Древесина (ель) поперек волокон (Т = 20°С) 10 0 1,7 0,037 0,022 ЗЛО-3 | 166.103 ЭФ-свойства взяты из работы [23]. Ближайшая стандартная частота,выделенная для генераторов ВЧ-нагрева: /=13,56 МГц

10 2,6 0,104 0,04 6,8.10"3 74.103

20 4,0 0,36 0,09 19,10"3 27.103

30 5,6 0,784 0,14 35.10"3 14.103

60 13,7 1,92 0,14 54.10"3 9,2.103

Древесина (ель) поперек волокон (Т = 20°С) 100 0 1,7 0,07 0,024 33.10"3 15,2.103 ЭФ-свойства взяты из работы [23]. Частоты, выделенные для генераторов ВЧ-нагрева: 13,56 МГц, 27,12 МГц, 40,68 МГц, 81,36 МГц

10 2,5 0,2 0,08 13,3.10"2 3800

20 3,5 0,35 од 19,6.10'2 2600

30 4,4 0,53 0,12 26,4.10"2 1900

60 7,4 1,04 0,14 39,4.10"2 1300 b = —- - кинетический коэффициент; ср — удельная теплоемкость материала; dP р0 - плотность абсолютно сухого материала; т — время.

Аналитическое решение системы уравнений (1.4) возможно только при постоянстве всех коэффициентов переноса, а также при независимости мощности р от температуры и влагосодержания. И первое, и второе не соответствует большинству практических случаев. Численное же решение системы (1.4) при переменных коэффициентах согласно [26] также далеко не всегда возможно из-за сложности формулировки краевых условий. Вместе с тем на основе анализа системы уравнений (1.4) при условии привлечения результатов экспериментальных исследований можно сформировать необходимые представления о механизме процессов ВЧ- и СВЧ-сушки капиллярно-пористых тел.

Так, например, экспериментально установлено [24, 29], что в интенсивных режимах градиенты температуры и влагосодержания не оказывают существенного влияния на скорость переноса. Температура материала быстро достигает 100°С и собственно сушка протекает под действием возникающего внутри материала градиента избыточного давления пара. При этом перенос массы происходит преимущественно в виде пара — фильтрационный массоперенос [3, 26]. Математическое описание сушки в этом случае соответствует третьему уравнению системы (1.4), а температура и влагосодержание материала описываются уравнениями для среднеинтегральных параметров [30]. Анализ механизма высокоинтенсивной сушки при внутренних источниках тепла дан в работах [26, 30, 31].

Так, согласно [26] «возникающее внутреннее давление как результат объемного испарения воды и массоперенос как следствие фильтрационного движения пара не описывают всех явлений, происходящих в капиллярно-пористом теле при воздействии на него ЭМ-поля. Характерной для ВЧ-сушки является высокая скорость генерирования тепла, значительно превышающая возможности капиллярно-пористого тела для ее распределения». К древесине как материалу с низкой паропроницаемостью это относится в первую очередь. Целый ряд исследователей отмечают, что во избежание растрескивания древесины приходится резко снижать скорость испарения путем уменьшения подводимой (выделяющейся в материале за счет диэлектрических потерь) мощности [4, 6, 25, 32]. Тем самым не используются в полной мере электрофизические достоинства ВЧ-нагрева.

Продолжая описание физических явлений, сопровождающих сушку при внутреннем генерировании тепла, Т. Кудра [26] отмечает: «. в результате возникшего локального поглощения ЭМ-энергии начинается локальное испарение влаги, которое приводит к ограничению количества выделившегося тепла - образовавшийся пар перестает поглощать ЭМ-энергию. Часть пара конденсируется на поверхности жидкости, содержащейся в порах и капиллярах, что приводит к релаксации внутреннего давления системы. Вода, образовавшаяся в результате конденсации, вновь поглощает ЭМ-энергию и вновь испаряется. Таким образом скорость конвективного движения жидкости и пара, хотя и обусловлена процессами испарения и конденсации, но привязана к мгновенной величине внутреннего давления и может быть формально определена в быстропротекающем периоде сушки как величина, пропорциональная градиенту давления. По мере дальнейшего протекания процесса доля конвективного движения жидкой влаги уменьшается. При определенной влажности жидкость в капиллярах перестает существовать в виде непрерывной фазы, и удаление влаги происходит за счет конвекции пара. В этот период сушки малые капилляры еще заполнены водой, а в крупных капиллярах влага присутствует в виде пленки, прилегающей к стенкам. Силы, действующие в этой пленке, сильно ограничивают возможность ротации диполей воды, которая по существу переходит в связанное капиллярными силами состояние. Это влечет за собой уменьшение интенсивности поглощения ЭМ-энергии и снижение скорости сушки за счет все более преобладающей роли

16 диффузионного влагопереноса».

Таким образом, согласно [26] определяющее значение на интенсивность сушки оказывают изменяющиеся из-за чередующегося перехода влаги из свободного состояния в связанное электрофизические свойства диэлектрика. Заметим, что сушка древесины до транспортной или эксплуатационной влажности протекает, как правило, в первом периоде — периоде постоянной скорости [33].

Второй вывод, следующий из [26], состоит в том, что скорость сушки пропорциональна градиенту давления.

В работах [30, 31] изучали механизм сушки различных материалов в интенсивных режимах при внутренних источниках тепла. Установлено, что хотя скорость переноса пара тем больше, чем: больше градиент давления, величина давления пара на интенсивность сушки не влияет. В подтверждение данного вывода в [30, 31] приводятся численные значения параметров - скорости сушки и избыточного давления пара Ризб . Отмечается, что в легкопроницаемом теле скорость сушки достигает очень больших значений, в то время как Ризб ничтожно мало; в труднопроницаемом теле - древесине - наоборот, значительная величина Ризв обнаруживается уже в режимах сравнительно низкой интенсивности.

Процитированных выдержек достаточно, чтобы заключить, что механизм сушки древесины в интенсивных режимах при внутренних источниках тепла до конца не изучен, а полученные экспериментальные результаты противоречивы. Вместе с тем: математическое описание процесса в самом общем виде можно считать известным. По этому поводу следует заметить, что в литературе отсутствуют сведения об исследовании оптимальных режимов ВЧ или СВЧ-сушки древесины. Так, в [30, 31], хотя и рассматривали возможность сушки при максимально возможном давлении пара, делали это сугубо теоретически, без привлечения результатов оценки качества готового продукта. В работах В. А. Бирюкова [4, 6] и Н. Н. Долгополова [6, 32] говорится

17 о «правильном подборе» режима ВЧ-сушки толстых пиломатериалов. Последний заключался в выборе «условного» градиента температуры, под которым понималась разность между температурой в центре материала и температурой окружающей среды. Градиент давления при этом не рассматривался, так как сушку проводили при температурах внутри материала, не превышающих 100°С. Понятно, что в таких условиях сушка древесины занимает десятки часов, а возможности ВЧ-нагрева и преимущества механизма сушки не используются в должной степени.

Д. П. Буртовой [15] изучал конвективно-микроволновую сушку древесины. Оптимальными, согласно автору, являются режимы, обеспечивающие выравнивание скоростей миграции влаги из внутренних слоев древесины к наружным и ее удаление с поверхности пиломатериалов. Достигается названное выравнивание скоростей чередованием стадий сушки, принудительного пропаривания (осуществляемого от парогенератора) и откачки влажного воздуха. Надо полагать, подбор режима выполнен сугубо эмпирически хотя бы потому, что скорость миграции влаги из внутренних слоев материала к наружным не может быть измерена. Кроме того, в этой публикации, так же как и в ряде других исследований [34, 35], термин «оптимальный» никаким физически содержательным критерием (например, минимум расхода электроэнергии, максимум производительности, максимум скорости сушки и пр.) не подтвержден.

Из специальной литературы по сушке древесины и практики эксплуатации сушилок хорошо известен технологический прием искусственного пропаривания, когда стадии пропаривания чередуются со стадиями сушки [11, 12]. Пропаривание (увлажнение влажным воздухом) предотвращает наружные слои древесины от слишком быстрой сушки, опережающей сушку изнутри. Несколько удивительно, что в технологии ВЧ- и СВЧ-сушки древесины лишь один коллектив исследователей изучал влияние самопропаривания на интенсивность сушки и качество готовой продукции [36,

37]. Действительно, при ВЧ- и СВЧ-нагреве технически несложно реализовать самопропаривание в закрытом объеме камеры, т.е. увлажнение древесины паром, выделяющимся непосредственно в процессе ее интенсивной сушки. Согласно [36,37] стадии пропаривания и сушки отделены друг от друга, а между ними следует стадия выдержки фиксированной продолжительности. Таким путем удается значительно увеличить скорость сушки, предотвратив разрушительное действие градиента давления пара. ВЧ-сушка древесины в закрытых камерах по своей физической сущности близка к технологии сушки перегретым паром [38, 39]. Согласно этой технологии влажный материал нагревают насыщенным или перегретым водяным паром, в процессе которого одновременно происходит его сушка. Пропаривание обеспечивает малый градиент влагосодержания внутри тела. Интенсификация процесса достигается путем увеличения температуры пара. Согласно [39, 40], сушка древесины в среде перегретого пара в закрытом аппарате со сбросом давления обеспечивает среднюю скорость испарения (- —) = 0,4-Ю-4 1/с (при изменении влажности d% в пределах й = 0,95 0,02 кг/кг).

Подводя определенный итог этой части обзора, необходимо отметить. Эффективным для технологии сушки древесины является применение ВЧ-нагрева в сочетании с самопропариванием. Процесс может быть реализован в камере закрытого объема. В этом случае стадии нагрева, пропаривания и сушки могут быть совмещены. Оптимальные режимы сушки древесины при подводе энергии ЭМ-полем не изучены. При постановке и решении задачи оптимизации за основу могут быть взяты теоретические положения, описывающие сушку при внутренних источниках тепла как фильтрационное движение пара под действием градиента давления. При этом, кроме необходимой формулировки критерия оптимальности, дополнительно потребуется экспериментальным путем исследовать влияние на процесс сушки и свойства готового продукта таких факторов, как величина избыточного давления пара, время установления давления.

Перейдем к анализу состояния вопроса в области автоматизации сушилок с подводом тепла ЭМ-полем.

Согласно [41], при автоматизации процессов диэлектрической сушки регулируемой величиной целесообразно считать влагосодержание материала, а если это невозможно, то его температуру. Регулирующей величиной обычно выбирают напряженность электрического поля Е , воздействовать на которую можно через постоянное анодное напряжение Еа [41-43]. В настоящее время ВЧ-генераторы с управляемыми (тиристорными) выпрямителями анодного напряжения выпускаются серийно. Они обеспечивают как ступенчатое, так и плавное изменение напряжения Еа в пределах 15 100% от номинального значения [44, 45].

Для измерения влагосодержания и температуры материала в установках ВЧ-диэлектрического нагрева применяются прямые и косвенные методы. Контроль температуры поверхности высушиваемого материала наиболее эффективно осуществлять дистанционно - с помощью приборов инфракрасной (ИК) техники [46, 47]. В настоящее время ИК-термометры выпускаются серийно. Для контроля температуры в глубине материала целесообразно использовать малоинерционные термопары или термометры сопротивления [48], подключение которых к регистрирующему прибору необходимо осуществлять через заградительные фильтры [1, 49, 50].

Непрерывный контроль влагосодержания в процессе сушки древесины осуществляют с помощью электронных влагомеров или различных весовых устройств, механически сопряженных с высушиваемым штабелем пиломатериала [12, 48]. Из косвенных методов контроля температуры и влагосодержания при ВЧ-диэлектрическом нагреве следует выделить как универсальный метод многофункционального контроля параметров технологического процесса по мгновенным электрическим параметрам генератора [51]. О давлении пара внутри материала можно судить по

20 температуре в его толще.

Динамика сушилок периодического действия с подводом тепла ЭМ-полем может быть описана дифференциальным уравнением первого порядка [52, 53]. Передаточная функция ВЧ - сушилки периодического действия по каналу "напряжение на рабочем конденсаторе — влагосодержание материала" представляет собой идеальное интегрирующее звено [52]: - , (1.5) где ki - коэффициент усиления объекта.

Однако, в сушилках периодического действия задача управления влагосодержанием обычно не возникает. Возникает задача управления мощностью внутренних источников тепла. При стабилизации мощности обеспечивается постоянство скорости сушки, необходимое в условиях изменяющихся ЭФ-свойств материала; при этом е"(т) рассматривается как возмущение. Передаточная функция ВЧ-сушилки по каналу "напряжение на рабочем конденсаторе - скорость сушки" или "мощность внутренних источников тепла — скорость сушки" представляет собой безынерционное усилительное звено [53]. В рассматриваемом случае (сушка древесины в интенсивных режимах под действием градиента давления), учитывая третье уравнение системы (1.4), можно ожидать, что передаточная функция ВЧ-сушилки по каналу "мощность внутренних источников тепла - давление пара" будет представлять собой апериодическое инерционное звено.

Выше отмечалось, что при оптимизации процесса ВЧ-сушки древесины необходимо учитывать влияние таких факторов, как градиент давления пара, время установления давления [30, 31]. Численные значения этих параметров зависят от толщины высушиваемого пиломатериала и коэффициента паропроницаемости древесины Кр — ар св р0 , который, в свою очередь, является функцией температуры и влаго содержания (зде сь св - удельная 21 пароемкость древесины). Сведения о паропроницаемости древесины различенных пород, во-первых, немногочисленны, а, во-вторых, - противоречивы [23, 54]. По данным Е. В. Харук [54] коэффициент Кр хвойной древесины и=м:еет максимум в температурном ходе. Следовательно, в первом приближении, слушка при температурах, соответствующих максимуму коэффициента Кр, будет иметь преимущества перед другими режимами.

На основании проведенного обзора можно заключить, что для решения задачи управления оптимальным режимом процесса ВЧ-сушки древе сины недостаточно иметь математическое описание объекта в виде уравнения динамики, полученного из третьего уравнения системы (1.4). Более того, может оказаться, что полное математическое описание объекта, содержащего экстремальную характеристику, получить невозможно. В таких случаях:, как известно [55, 56], задача автоматизации решается на основе, построения автоматизированной системы управления (АСУ). Алгоритм управления оптимальным режимом сушки, очевидно, должен включать в себя поиск и поддержание оптимального значения параметра, обеспечивающего экстрeivryM критерия оптимальности (целевой функции).

В качестве показателя эффективности при оптимизации процессов сушки используют различные целевые функции: "максизчтум производительности сушилки", "минимум энергозатрат на сушку", "себестоимость единицы продукции". Применяются также [41, 49] усложненные критерии, учитывающие взаимосвязь технологических параметров с показателями качества готовой продукции, например: "удельный выход готовой продукции".

Методы построения и исследования систем автоматической оптимизации различных объектов рассматриваются в работах [41, 57-59].

В системах экстремального управления недостаток априорной информации об объекте восполняется за счет текущей информации, получает^гой в виде реакций объекта на искусственно вводимые поисковые воздействия.

Типы экстремальных систем — с запоминанием экстремума, с управлением по градиенту, с измерением производной, шагового типа разработаны достаточно полно [58, 59-62].

Оптимальный технологический режим процесса ВЧ-сушки древесины, возможно, будет определяться непосредственно на объекте с использованием поисковой системы. Однако, показатель эффективности должен быть установлен (выбран) на основании предварительного исследования объекта -экспериментального и теоретического (по математической модели).

На основании изложенного основные задачи диссертации формулируются следующим образом:

- исследование ВЧ-установки для сушки пиломатериалов как объекта управления;

- оптимизация процесса ВЧ-сушки хвойной древесины;

- разработка алгоритма поиска оптимального режима сушки на объекте регулирования;

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШИЛКИ ДЛЯ ДРЕВЕСИНЫ КАК ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ

Описана технологическая схема высокочастотной установки для сушки и пропаривания древесины — камеры закрытого типа. Разработана математическая модель процесса, рассматривающая высокочастотную сушку древесины в интенсивных режимах как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления. Оценка адекватности математической модели реальному объекту выполнена путём сравнения расчётных и экспериментальных данных по сушке образцов хвойной древесины в переходном и установившемся режимах. Проведён анализ контролируемых и неконтролируемых параметров объекта. Рассмотрены способы непосредственного и косвенного контроля параметров объекта - напряжения на рабочем конденсаторе, текущего влагосодержания, температуры поверхности пиломатериала, удельной мощности внутренних источников тепла, избыточного давления пара.

Заключение диссертация на тему "Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле"

выводы

1. В основу синтеза АСУ положена математическая модель процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле, описывающая сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывающая распределённость давления по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания.

3. Разработана методология оптимизации сушильного процесса. В качестве целевой функции предложен критерий «минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности», формирующийся непосредственно на объекте управления и обеспечивающий минимальные внутренние механические напряжения в древесине при скоростной сушке.

103 источников тепла, обеспечивающей минимум целевой функции.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А о, aj, а2, аз, bi, b2, Ьз,— коэффициенты аппроксимационных выражений; л ат - коэффициент потенциалопроводноети переноса массы, м /с; л аТ - коэффициент температуропроводности, м /с; л ар - коэффициент конвективной диффузии, м /с; b — кинетический коэффициент : Ъ = —, кг/(Па-м3); dP св~ удельная пароёмкость древесины, 1/Па; ср - удельная теплоёмкость древесины, Дж/(кг-К); С - электрическая ёмкость, Ф; d3a3 - толщина диэлектрического (воздушного) зазора, м; dM - толщина материала, м;

Е - напряжённость электрического поля в материале, В/м;

Еа - постоянное анодное напряжение, В;

Еупр - управляющее напряжение, В;

- частота ЭМ-поля, Гц;

Fo - критерий Фурье; g - число экспериментальных точек;

Go - постоянная времени объекта, с; i — номер интервала регулирования; до - постоянная составляющая анодного тока генератора, А; 1а1 - амплитуда первой гармоники анодного тока генератора, А; ко - волновое число для вакуума, 1/м; квч~ коэффициент'передачи ВЧ-генератора; ко, к0, kj, к2 - коэффициенты усиления звеньев; Кр - коэффициент паропроницаемости древесины, с; / - линейный размер тела; текущая координата, м; lm — термоградиентный коэффициент переноса массы, 1/К; т, тр — пористость материала;

Мо — масса сухого материала, кг;

Мв - масса влаги в пиломатериале, кг;

N— скорость сушки, 1/с; п — число тактов (шагов регулирования); л р - удельная мощность, Вт/м ;

Р - локальное давление, Па;

Ризб ~ локальное избыточное давление, Па;

Р*изб — оптимальное значение давления в центре тела, Па;

Р0 - атмосферное давление, Па;

Роо - давление, устанавливающееся за бесконечное время, Па;

Р'изб — избыточное давление в центре тела, устанавливающееся за бесконечное время, Па;

Q - интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности, Па-м3/Вт; qp - источник тепла, связанный с фазовыми превращениями (скорость испарения влаги внутри материала), Па/с; qp - скорость испарения влаги внутри материала при начальном условии (3.17),

Па/с; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; ri — активное сопротивление, Ом; s - параметр парообразования Лапласа; Т- средняя температура материала, К, °С; Тц - температура в центре тела, К, °С;

Up - действующее значение напряжения на рабочем конденсаторе, В; и - локальное влагосодержание, кг/кг, %; й, W— среднее влагосодержание, кг/кг, %; о л; — вертикальная координата, м; хсв — реактивное сопротивление элемента связи, Ом;

Y— передаточная функция звена; zn — потеря на поиск ("рысканье"), %; а - коэффициент затухания ЭМ-волны, 1/м; ао, он — коэффициенты разложения в ряд импульса анодного тока; Yi, ^3, р, р - точность, %; 8 - угол диэлектрических потерь, рад; А - приращение;

Ан - зона нечувствительности регулятора; е' - относительная диэлектрическая проницаемость; s0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (воздуха), Ф/м;

Г|т - термический коэффициент полезного действия (КПД) сушилки; г|ген - КПД генератора;

X - длина ЭМ-волны, м;

Хо - длина волны в вакууме, м; i - условный показатель остаточных напряжений, %; £ - коэффициент использования анодного напряжения; р - плотность, кг/м ;

Ро - плотность абсолютно сухого материала, кг/м3; т- время, с;

Ту - время установления давления в тактах регулирования, с;

Туо - время установления давления при переходе к стадии сушки, с;

Tyj - интервал регулирования, с; тп - время упреждения поиска, с; тс - время сушки, с; тэ — время поиска экстремума, с; о- угловая частота ЭМ-поля, рад/с; Е, - знак приращения.

Индексы

О - начальное значение параметра; установившееся значение параметра; ' - экспериментальное значение параметра; 1,2- номер; а - анодное; в - вода (влага); выпрямитель; доб - добавочный; изб - избыточное; к - конечное значение параметра; кр — критический; н - начальное значение параметра; нагр - нагрев; общ - общий; опт — оптимальное значение параметра; с - сушка; сж — сжатие; св — связь; ср - среднее значение параметра; раст — растяжение; ф — фазовый переход; ц — центр; ш - штабель; шаг; э - эквивалентный; экстремум; min, max - минимальное и максимальное значение параметра.

Библиография Синютин, Евгений Владиславович, диссертация по теме Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

1. Нетушил, А. В. Высокочастотная сушка древесины / А. В. Нетушил // Промышленное применение токов высокой частоты в станкоинструментальной промышленности : сб.тр. - М. : ЦБТИ, 1951. - С. 200 - 213.

2. Фрумкин, А. А. Практические основы расчета устройств для емкостного нагрева диэлектриков и полупроводников / А. А. Фрумкин // Тр. конф. курсов по высокочастотным электротермическим установкам. - М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1954. - С. 52-74.

3. Максимов, Г. А. Тепло- и массообмен при нагреве влажных материалов в электрическом высокочастотном поле / Г. А. Максимов // Пром. применение токов высокой частоты : сб. тр. JI. : Машгиз, 1954. — С. 242-248.

4. Бирюков, В. А. Процессы диэлектрического нагрева и сушки древесины / В. А. Бирюков. -М. ; JI. : Гослесбумиздат, 1961. — 148 с.

5. Нетушил, А. В. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников / А. В. Нетушил, Б. Я. Жуховицкий, В.Н. Кудин, В.П. Парини. — М. ; JL : Госэнергоиздат, 1959. 480 с.

6. Долгополов, Н.Н. Электрофизические методы в технологии строительных материалов / Н.Н. Долгополов. М. : Стройиздат, 1971. — 240 с.

7. Лыков, А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки / А.В. Лыков. М. ; JI. : Госэнергоиздат, 1956. - 464 с.

8. Лыков, А.В. Теория сушки / А.В. Лыков. М. : Энергия, 1968. - 472 с.

9. Павлов, Н.А. Термокинетика высокочастотной сушки диэлектриков / Н.А. Павлов, Г.В. Фроленко // Известия ЛЭТИ, 1976. Вып. 203. - С. 33-37.

10. Лебедев, П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки / П.Д. Лебедев. -М. : Энергия, 1972. 315 с.1968.-364 с.

11. Справочник по сушке древесины / Е.С. Богданов, В.А. Козлов, В.Б. Кунтыш,

12. B.И. Мелехов; под общ. ред. Е.С. Богданова. — М. : Лесн. пром-сть, 1990. — 304с.

13. Кречетов, И.В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. М. : Лесн. пром-сть, 1980.-432 с.

14. Шубин, Г.С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины / Г.С. Шубин М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 246 с.

15. Буртовой, Д.П. Конвективно-микроволновая сушилка для пиломатериалов / Д.П. Буртовой // Деревообрабатывающая промышленность. 2001. - № 2. —1. C. 11-12.

16. Самодов, А.Т. Определение исходной продолжительности сушки пиломатериалов в вакуумно-диэлектрических камерах / А.Т. Самодов // Резервы использования материальных и трудовых ресурсов : сб. научн. тр. ЦНИИМОД / Архангельск, 1987.-С. 143-149.

17. СВЧ-энергетика / Под общ. ред. Э. Окресса. М. : Мир, 1971. - Т. 2. - 312 с.

18. Архангельский, Ю.С. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для. интенсификации технологических процессов / Ю.С. Архангельский, П.И. Девяткин. Саратов : Саратов, гос. ун-т, 1983. - 140 с.

19. Диденко, А.Н. СВЧ-энергетика / А.Н. Диденко, Б.В. Зверев. М. : Наука, 2000.-264 с.

20. Княжевская, Г.С. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов / Г.С. Княжевская, М.Г. Фирсова. Л. : Машиностроение, 1980. - 71 с.

21. Рикенглаз, Л.Э. К теории нагрева диэлектриков мощными электромагнитными полями / Л.Э. Рикенглаз // Инженерно-физический журнал. 1971. - Т. 27, № 6. - С. 1061-1068.-М. : Лесная пром-ть, 1968. — 128 с.

22. Боровиков, A.M. Справочник по древесине / A.M. Боровиков, Б.Н. Уголев. — М. : Лесная пром-сть, 1989. 296 с.

23. Perkin, R.M. The heat and mass transfer characteristics of boiling point drying using radio frequency and microwave electromagnetic fields / R.M. Perkin // Int. J. Heat and Mass transfer. 1980. - V. 23, № 5. - P. 687-695.

24. Lyons, P.W. Drying of porous medium with internal heat generation / P.W. Lyons, J.D. Hatcher, J.E. Sunderland // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1972. - V. 15, № 5. -P. 897-905.

25. Kudra, T. Mechanizm ruchu ciepala i masy podazca suszenia cial kapilarnoporowatid w polu electromagnetycznym vysokiej czestollimschi / T. Kudra // Zesz nank PPoZn chem. 1986. - № 18. - P. 77-89.

26. Архангельский, Ю.С. СВЧ-электротермия / Ю.С. Архангельский. Саратов : Саратов, гос. техн. ун-т, 1998. - 408 с.

27. Bader, Н. High frequency drying of porous materials / H. Bader // Drying Technology. 1996. -V. 14, № 7-8. - P. 1499-1523.

28. Boldor, D. A Model for temperature and moisture distribution during continuous microwave drying / D. Boldor, Т.Н. Sanders, K.R. Swartzel, B.E. Farkas // J. of Food Process Engineering. 2005. - V. 28. - P. 68-87.

29. Марков, A.B. Механизм массопереноса в высокоинтенсивных процессах сушки при наличии внутренних источников тепла / А.В. Марков, Ю.П. Юленец // Теор. основы химической технологии. 2002. - Т. 36, № 3. - С. 268-274.

30. Марков, А.В. О повышении интенсивности сушки при внутренних источниках тепла / А.В. Марков, А.В. Бубнов, Ю.П. Юленец // Электронная обработка материалов. — 2002. — № 2. С. 62-69.

31. С.Г. Симонян // Электрофизические методы в технологии строительных материалов : сб. тр. ВНИИ строит, материалов. М. - 1965. - Вып. 2(10). -С. 30-33.

32. Чемоданов, А.Н. Сушка древесины : справочные материалы / А.Н. Чемоданов, Е.М. Царев, С.Е. Анисимов. Йошкар-Ола : МарГТУ, 2005.-240 с.

33. Карпенко, Ю.В. Обоснование режима сушки дубовых брусков в СВЧ-камере «Лес» / Ю.В. Карпенко, В.Н. Нефедов, С.В. Корнеев // Деревообрабатывающая промышленность. 1996. - № 1. - С. 14-16.

34. Фельдман, Н.Я. Некоторые вопросы сушки древесины в микроволновом поле / Н.Я. Фельдман // Деревообрабатывающая промышленность. 1996. -№6.-С. 4-7.

35. Пат. 115835 Чехословакия, МКИ В27К. Способи устройство для сушкидревесины при диэлектрическом нагреве / JI. Дворжак, О. Петр, М. Лангмайер и др. (ЧССР), 1965.

36. Dvorak, L. The process and equipment for drying of wood by dielectric heating with previous softening of the wood mass by steaming / L. Dvorak, O. Petr, M. Langmajer // Chemical Alstracts. 1966. - V. 65. - P. 5660.

37. Федоров, И.М. Динамика сушки дерева / И.М. Федоров. М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1937. - 237 с.

38. Лыков, А.В. Теоретические основы строительной теплофизики / А.В. Лыков. Минск. : Изд-во АН БССР, 1961. - 510 с.

39. Михайлов, Ю.А. Сушка перегретым паром / Ю.А. Михайлов. М. : Энергия, 1967.-367 с.

40. Донской, А.В. Высокочастотные электротермические установки (автоматизация и регулирование режимов) / А.В. Донской, И.Б. Звягин. — М. : Энергия, 1967. 112 с.

41. Юленец, Ю.П. Автоматическая оптимизация режима работы высокочастотных установок / Ю.П. Юленец // Автоматизация и современные технологии, 1998. № 3. - С. 2-5.

42. Федорова, И.Г. Высокочастотные установки для сварки пластмасс / И.Г. Федорова. Л. : ЛДНТП, 1977. - 56 с.

43. Кораб, Г.Н. Сварка полимерных материалов / Г.Н. Кораб, К.И. Зайцев, А.Н. Шестопал // Справочник. Инженерный журнал. — 1997. — № 5. С. 11-14.

44. Левитин, И.Б. Применение инфракрасной техники в народном хозяйстве / И.Б. Левитин. Л. : Энергоиздат, 1981. - 264 с.

45. Land, D.V. An efficient, accurate and robust radiometer configuration for Microwave temperature measurement for industrial and medical applications /

46. D.V. Land // J. of Microwave Power. 2001. - V. 36. - P. 139-153.

47. Богданов, E.C. Автоматизация процессов сушки пиломатериалов /

48. E.С. Богданов. -М. : Лесн. пром-сть, 1979. 175 с.

49. Автоматизация процессов сушки в промышленности и сельском хозяйстве / М.А. Берлинер : сб. ст. под общ. ред. М.А. Берлинера. М. : Гос. научно-техн. изд-во машиностроительной литературы, 1963. — С. 8-22.

50. Волынец, А.З. Термопара для измерения температуры в электрическом поле высокой частоты / А.З. Волынец // Заводская лаборатория. 1966. - Т. 32, № 8. — С. 1019-1020.

51. Марков, А.В. Многофункциональный контроль параметров технологического процесса в электротермической установке высокочастотного диэлектрического нагрева / А.В. Марков, Ю.П. Юленец // Электротехника. -2007. № 7. - С. 60-64.

52. Юленец, Ю.П. Автоматизация процессов термической обработки дисперсных материалов при высокочастотном нагреве : дис. . д-ра техн. наук : 05.13.06, 05.09.10 / Юленец Юрий Павлович. СПб., 1999. - 460 с.

53. Юленец, Ю.П. Объект высокочастотного диэлектрического нагрева как звено системы автоматического регулирования / Ю.П. Юленец, А.В. Марков,

54. B.К. Викторов // Автоматизация и современные технологии. 1999. — № 11.1. C. 9-12.

55. Харук, Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями / Е.В. Харук. -Новосибирск : Наука, 1976. 190 с.

56. Голубятников, В.А. Автоматизация производственных процессов и АСУП в химической промышленности / В.А. Голубятников, В.В. Шувалов. М. : Химия, 1978.-376 с.

57. Беспалов, А.В. Системы управления химико-технологическими процессами / А.В. Беспалов, Н.К. Харитонов. М. : ИКЦ "Академкнига", 2007. - 690 с.

58. Справочник по теории автоматического управления / Под общ. ред. А. А. Красовского. М. : Наука, 1987.-712с.

59. Самонастраивающиеся системы. Справочник / Под общ. ред. П.И. Чинаева. К.: Наукова Думка, 1969. - 528 с.

60. Либерзон, Л.М. Системы экстремального регулирования / Л.М. Либерзон, А.Б. Родов. -М. : Энергия, 1969. 158 с.

61. Автоматическая оптимизация управляемых систем / Пер. с англ. ; под общ. ред. Б.Н. Петрова. М. : Иностранная лит-ра, 1960. — 240 с.

62. Казакевич, В.В. Системы автоматической оптимизации / В.В. Казакевич,

63. A.Б. Родов. М.: Энергия, 1977. - 260 с.

64. Чудинов, Б.С. Теория тепловой обработки древесины / Б.С. Чудинов. М. : Наука, 1968.-256 с.

65. Калниньш, А.И. Ускоренная сушка древесины перегретым паром / А.И. Калниньш, Я.Т. Аболинып, Э.А. Микит, К.К. Упманис // Тр. ин-та лесохоз. пробл. и химии древесины. Рига : Изд-во АН Латв. ССР, 1956. - Т.10. - С.3-11.

66. Карлслоу, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карлслоу, Д. Егер. М. : Наука, 1964.-488 с.

67. Синютин, Е.В. Определение паропроницаемости древесины методом автоматизированного эксперимента / Е.В. Синютин, Ю.П. Юленец ; С-Петерб. гос. технол. ин-т (техн. ун-т). СПб., 2007. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 13.12.2007, № 1164-В2007.

68. Левшина, Е.С. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи) / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Л. : Энергостройиздат, 1983. - 320 с.

69. Попов, Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления / Е.П. Попов. М. : Наука, 1989. - 304 с.

70. Электротехнический справочник: в 4 т., Т. 1. Электротехнические материалы / Под ред. В.Г. Герасимова и др.. - М. : Изд-во МЭИ, 1995. - 440 с.

71. Судаков, П.М. Приборы и измерения при высокочастотном нагреве / П.М. Судаков. -М.; Л.: Машиностроение, 1965. 76 с.

72. Юленец, Ю.П. Определение тангенса угла диэлектрических потерь и влагосодержания по параметрам электрического режима установки высокочастотного нагрева / Ю.П. Юленец, А.В. Марков // Известия вузов. Приборостроение. 1997. - Т. 40, №5. - С. 60-65.

73. Грубов, В.И. Промышленная кибернетика / В.И. Грубов, А.Г. Ивахненко, Б.Ю. Мандровский-Соколов. Киев : Наукова Думка, 1966. - 447 с.

74. Синютин, Е.В. Оптимизация процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле / Е.В. Синютин, В.В. Кашмет., А.В. Марков // Деревообрабатывающая промышленность. 2008. — № 5. — С.26-28.

75. Синютин, Е.В. Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле / Е.В. Синютин, Ю.П. Юленец // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008. - №8. - С. 1-7.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00