автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для управления процессом сушки пиломатериалов

На правах рукописи

005537582

СТРИЖИЧЕНКО Александр Васильевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2013

005537582

Работа выполнена на кафедре "Электротехника" в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Шилин Александр Николаевич.

Гольцов Анатолий Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, Волжский политехнический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет», кафедра «Автоматика,' электроника и вычислительная техника», заведующий;

Артюхов Иван Иванович,

доктор технических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., кафедра «Электроснабжение промышленных

предприятий», заведующий.

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный университет».

Защита диссертации состоится «29» ноября 2013 г. в 12 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 25 " октября 2013 г.

Ученый секретарь ,,,/-"9

диссертационного совета /ЯМ-^/' Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный промышленный рынок диктует постоянную тенденцию к повышению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости, и поэтому развитие промышленности связано с совершенствованием технологических процессов и снижением энергетических затрат. Сушка древесины - один из основных технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве. Являясь одним из самых энергоёмких процессов в промышленности, в деревообработке она является ещё и самым ответственным этапом, так как от её качества зависит долговечность изделия в целом. Повышение эффективности процесса сушки возможно за счет сокращения расхода энергии и снижения потерь на технологический брак.

Древесина является сложным объектом, т.к. обладает неоднородной структурой и характеризуется анизотропными свойствами.

В настоящее время сушка древесины на предприятиях проводится в конвекционных сушильных камерах по сушильной программе, согласно которой в пространстве камеры параметры сушильного агента изменяются по заданному закону.

Системы управления процессом сушки в большинстве производимых сушильных установок опираются на приближенные эмпирически определенные графики сушильного процесса, учитывают лишь параметры сушильного агента без учета информации о температуре и влажности древесины в течение всего процесса сушки и не позволяют решить задачу оптимизации энергетических затрат. Нормативные и справочные документы регламентируют применение ступенчатых режимов сушки древесины, что позволяет лишь косвенно учесть влажностное' состояние материала и изменение его теплофи-зических свойств.

Одним из перспективных направлений повышения энергоэффективности процессов сушки является разработка информационно-измерительных систем для управления процессами сушки древесины, имеющих обратные связи по параметрам режима сушки и по текущей влажности пиломатериала. Однако реализация таких систем требует достоверного математического описания объекта регулирования, а именно процессов тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки.

Степень разработанности темы.исследования. Вопросам теории расчёта процессов тепло- и влагопереноса в капиллярно-пористых телах в процессе сушки посвящены труды учёных: Афанасьева А. М., Гороховского А. Г., Кречетова И. В., Лыкова А. Ви Рассева А.И., Федяева А. А и др. Дальнейшие исследования в данной области требуют получения достоверного математического описания процессов тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки с учетом зависимости теплофизических свойств древесины от ее температуры и влажности, а интенсивности влагообмена - от параметров сушильного агента.

Вопросам конструирования приборов и систем контроля влажности посвящены труды учёных: Берлинера М. А., Кричевского Е. С., Лапшина А. А., Мелкумяна В. Е., Музалевского В. И., Познаева А. П., Ройфе В. С. и др. Дальнейшей актуальной темой исследования в данной области является разработка информационно-измерительных систем для управления процессами сушки древесины, позволяющих получать информа-

' Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Макартичян Сергею Валерьевичу за неоценимую помощь в работе над диссертацией.

цию не только о текущей средней влажности пиломатериала, но и о неравномерности распределения влаги в материале в процессе сушки

Цель работы состоит в совершенствовании технологии конвективной сушки древесины путем повышения энергоэффективности процесса и снижения величины потерь на технологический брак.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Произведен анализ существующих способов сушки древесины, из которого следует, что наиболее целесообразным с точки зрения надежности, энергоэффективности и инвестиционных затрат является использование конвективного способа сушки пиломатериалов.

2. Разработана математическая модель совместного тепло- и влагопереноса в древесине, позволяющая рассчитывать температурное поле, распределение влаги и механические напряжения в пиломатериале в зависимости от параметров режима сушильного процесса.

3. Разработана структурная схемы информационно-измерительной системы для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, позволяющей получать информацию о текущей влажности по глубине пиломатериала в процессе сушки.

4. Разработаны структурные схемы систем непрерывного быстродействующего не-разрушающего контроля влажности пиломатериалов позволяющие определить неравномерность влажности по глубине материала.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теоретических основ теплотехники, термодинамики, теории теплопроводности и тепломассообмена, электротехники, теории автоматического управления, численные методы решения задач тепломассообмена, а также эвристические методы проектирования технических устройств и систем.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными и выводами других исследователей.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель совмещенного процесса тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки, отличающаяся тем, что в ней учтены влияние термодиффузии на поток влаги и зависимость теплофизических свойств древесины от ее температуры и влажности, что позволяет рассчитывать нестационарный процесс прогрева и сушки древесины и тем самым повысить точность расчетов и обоснованно выбирать режим сушильного процесса.

2. Разработана структурная схема ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, отличающаяся тем, что она учитывает информацию о текущей влажности по глубине пиломатериала и в различных слоях штабеля.

3. Разработаны структурные схемы систем непрерывного быстродействующего не-разрушающего контроля влажности пиломатериалов, отличающиеся тем, что они позволяют определить неравномерность влажности по глубине материала.

Практическая значимость результатов.

1. Получена методика численного расчета нестационарных полей распределения температуры и влаги в пиломатериалах в процессе конвективной сушки, позволяющая разрабатывать энергоэффективные режимы сушки.

2. Разработана структурная схема ИИС для управления процессом конвективной

сушки пиломатериалов, имеющей обратные связи по параметрам режима сушки и по текущей влажности пиломатериала, что позволит сократить затраты энергии на проведение процесса сушки.

3. Разработаны структурные схемы приборов контроля влажности, позволяющих производить непрерывный быстродействующий неразрушающий контроль влажности древесины на потоке с оценкой неравномерности влажности по глубине материала.

Реализация научно-технических результатов. Основные результаты работы используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета, а также внедрены на ООО «Светла» и ИП Поляков А.Е..

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель технологического процесса сушки пиломатериалов, позволяющая провести оптимизацию параметров режима сушки.

2. Методика численного расчета нестационарных полей распределения температуры и влаги в пиломатериалах в процессе конвективной сушки.

Соответствие паспорту специальности.

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем», пункту 6 - «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных межвузовских научно-практических конференциях филиала ГОУ ВПО "МЭИ (ТУ)" в г. Волжском (2010-2013 гг.), III всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо- энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» г. Волжский (28-30.09.2010), на межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» г. Волжский (20-23.09.2011), на XXIII международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов «МИКМУС-2011», г. Москва (14-17.12.2011), на XXV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25» г. Волгоград, (29-31.05.2012), на межрегиональном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность. Волгоград-2013» г. Волгоград (9-11.04.2013), на международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии» г. Прага, Чехия (22-26.04.2013 г), на межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» г. Волжский (24-27.09.2013).

Личный вклад автора заключается в том, что им а) получена математическая модель совмещенного тепло- и массопереноса при сушке пиломатериалов [1, 11]; б) произведено, моделирование энергоэффекгивных режимов конвективной сушки [8, 9, 10]; в) совместно с научным руководителем разработаны структурные схемы ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов и ИИС непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов [2,4,5].

Публикации. Основные результаты исследования представлены в 11 работах, 2

из которых - патенты РФ, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций.

Структура и. объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 121 страницу, 47 рисунков, 6 таблиц и список литературы (126 наименований).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вп рдрдении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на запцпу.

В первой главе проведен анализ физико-химических процессов, протекающих при тепло-влажносшой обработке древесины, и приведена классификация основных технологических процессов ее сушки. Из анализа существующих технологических процессов сушки сделан вывод о том, что с точки зрения надежности, энершэффекшвносш и инвестиционных запраг целесообразно использовать камерный конвективно-тепловой процесс. Однако для обеспечения необходимого качества сушки необходимо в течение всего технологического процесса контролировал, влажность и температуру древесины и по результатам контроля осуществлять управление технологическим процессом. Проведен обзор методов кошроля влажности и сделан вывод о том, что для контроля влажности по глубине пиломатериала целесообразно использовать кондуктомеярический метод а для сгопроценшого контроля влажности древесины после процесса тепловой сушки целесообразно примешпь бесконтактные методы быстродействующего неразрушающего кошроля влажности, аименно диэлькомегрический и оптический.

Во второй главе было проведено математическое моделирование процессов тепло- и массообмена при конвективной сушке пиломатериалов.

Процесс совмещенного нестационарного тепло- и влагопереноса при сушке влажных тел описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений академика А.В.Лыкова:

c(t, . Ро A (1(f> а) ÊL) + е(/> а). г(0. Ро ^ (1)

дт дхдх от

dm д -, , .5ш . . сл* s^t. — =—{amM^-+amMS(t,o>)—) (2)

дт ох дх ох

При конвективной сушке пиломатериала граничные условия можно записать в виде:

Bi

cc(t, V){tB - tn0B ) - г (0(1 - s(t, со)) ■ Дп-am • р„ (i) • (cop(t,<p) - апов ) = -А(/,ю) — (3)

Д„ ■ am (/, ю) ■ (сопов - œp(t, <р)) = -am (/, + со) £) (4)

где а - коэффициент теплоотдачи с поверхности пиломатериала, Вт/(м2 :К); ат -коэффициент влагообмена поверхности пластины м/с; Дп - критерий поверхностного испарения; г - теплота фазового перехода Дж/кг; /пов - температура поверхности доски, °С; mпоа - влажность поверхностного слоя, кг/кг; рп - плотность пара, кг/м3.

По условию симметрии:

|W=0;|Vr) = 0 (5)

дх дх

Приведенная система дифференциальных уравнений решалась численно. В качестве метода дискретизации был применен метод кошрольнош объема. Решение дискретных аналогов производилось методом ТОМА. Результаты численного моделирования процесса сушки соснового пиломатериала толщиной 40 мм при температуре сушильного агента 70 "С при скорости циркуляции 0,68 м/с представлены на рисунке 1.

10 15 20 25 30 35 40 Толщина, мм

60 9и 120 150 180 210 Время сушки, час

Рисунок 1 - Динамика и кинетика сушки сосновых пиломатериалов а) Графики распределения влажности б) Графики изменения влажности различных

по толщине материала в различные момен- ' слоев древесины во временить: времени сушки: 1-поверхностный слой; 2- на глубине 2 мм;

■ 1 - г - 0ч (начало процесса сушки); 2 3 - на глубине 4 мм; 4 - на глубине 10 мм; 5 - на - г - 1 ч; 3 - г - 12 ч; 4 - г = 42 ч; 5 - г = 48 ч; глубине 14 мм; б - на г'лубине 16 'мм; 7 - на глуби-' 6-г=72ч;7-г=102ч;8-г=120ч;9-т= не 20 мм. ,132 ч; 10- г= 170 ч

Моделирование совмещенного тепломассопереноса в древесине позволяет производил, расчет процесса начального прогрева древесины, характеризующегося повышенными значениями градиентов температуры и влажности, которые мо1уг привести к необратмым механическим изменениям в материале (коробление, растрескивание).

В основу расчёта внутренних напряжений в материале положена многостержневая модель доски, предложенная Б.Н.Уголевым. Алгоритм вычислений величины внутренних напряжений для данной структуры модели следующий:

Величина внутренних сушильных напряжений на растяжение поперек волокон в данный момент времени равна:

а = а'+Л<т (6)

где а - напряжения на предшествующем этапе сушки, МПа;

Да - приращение напряжений на данном этапе сушки, МПа.

Приращение напряжений в любом стержне многостержневой модели можно определить по формуле:

Дсг = -

-¿К-

(=1_

А .»1

(7)

где и - число стержней; со, т0 - влажность древесины на данном и предшествующем этапе сушки, кг/кг; Е - модуль упругости, МПа; А - толщина стержня, мм.

На рисунке 2 представлен график распределения внутренних напряжений в материале в конце процесса сушки

8Г

5 10 15

Толщина, мм

Рисунок 2 - График распределения внутренних напряжений в.древесине: 1 - влажностные напряжения, МПа; 2 - предел прочности на растяжение поперек волокон, МПа.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Время сушки, час

Рисунок 3 - Графики изменения влажности различных слоев древесины во времени: 1 -поверхностный слой; 2 - на глубине 2 мм; 3 - на глубине 4 мм; 4 - на глубине 10 мм; 5 - на глубине 14 мм; 6- на глубине 16 мм; 7 - на глубине

20 мм;

Было произведено численное моделирование оптимальных режимов конвективной сушки пиломатериалов и установлено, что применение энергоэффекгивных импульсных режимов сушки (рисунок 3) позволяет снизить удельные затраты тепловой энергии на процесс сушки на 17-21 % при сохранении качества материала.

В третьей главе разработаны структурная схема ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, учитывающая информацию о текущей влажности по глубине пиломатериала и в различных слоях штабеля, а также разработаны структурные схемы систем непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов позволяющих определить неравномерность влажности по . глубине материала, что целесообразно для стопроцентного контроля влажности ценных пород древесины после проведения процесса конвективной сушки.

На рисунке 4 представлена функциональная схема информационно-измерительной системы для управления процессом сушки пиломатериалов.

ИИС для управления процессом сушки древесины с учетом информации о градиентах температуры и влажности в материале позволит проводить ресурсо- и энергоэф-фекгивный процесс сушки древесины, т.е. обеспечить баланс между затратами энергии, качеством материала и длительность процесса.

Рисунок 4 - Функциональная схема ИИС для управления процессом сушки древесины

ВД - блок ввода данных; ЦСУ - цифровая система управления; ИЭ - источник энергии; СУ - система учета энергии; ИМ - исполнительный механизм; ДИМ - дополнительный исполнительный механизм; ДВ - датчик влажности; ДТ - датчик температуры; ДПВ - датчик перепада влажности по глубине пиломатериала; ДГГГ - датчик перепада температуры по глубине пиломатериала; <р, ^¡^ шнет - внешние факторы: относительная влажность и температура окружающего воздуха, начальная влажность материала; ОУ - объект управления; ПТ - система контроля качества готовой продукции; УИ - устройство индикации.

Данная ИИС получает информацию о текущей влажности и температуре древесины с помощью изолированных по длине контактных датчиков в поверхностном и центральном слоях материала. Периоды импульсов, т. е. интенсивного нагрева с учетом максимально допустимых сушильных напряжений, чередуются с периодами пауз, т. е. периодами отключения нагревательных элементов и принудительной циркуляции. Время импульса продолжается до момента достижения в материале максимально допустимого перепада влажности, при котором механические деформации являются упругими. Для древесины сосны

Рисунок 5 - Алгоритм управления процессом импульс- максимальНо допусти-ной конвективной сушки пиломатериалов мый перепад влажности

составляет 2,4%/мм. На рисунке 5 представлен алгоритм управления процессом импульсной конвективной сушки пиломатериалов.

Длительность паузы обусловлена температурным перепадом в древесине. Когда температура древесины превышает температуру сушильного агента, влага за счет процесса термовлагопроводности перемещается от более нагретых внутренних слоев к более холодным наружним.

Для решения задачи быстродействующего неразрушающего контроля влажности древесины с оценкой неравномерности по глубине целесообразно использовать два бесконтактных измерительных преобразователя, а именно емкостный, позволяющий измерять среднеинтегральную влажность, и оптический, позволяющий определять поверхностную влажность, и по результатам измерений вычислять перепад влажности, что особенно влияет на качество выпускаемой продукции.

На рисунке 6 показана блок - схема цифрового поточного прибора контроля влажности древесины

Излучение от источника излучения 1 через составной светофильтр 2 попадает на фотопреобразователь 4, соединенный с микроконтроллером 7, содержащим схему обработки информации; синхронный электродвигатель 3 вращает составной светофильтр 2.

Составной светофильтр выполнен из двух светофильтров: опорного, который пропускает излучение при слабой абсорбции воды с длиной волны Л;=1,75 мкм, и измерительного, который пропускает излучение при интенсивной абсорбции с длиной волны ¿2=1,95 мкм. Данный блок производит измерение влажности поверхностного слоя материала. Положение образца определяется с помощью фотоэлеменгаого датчика положения 5, соединенного с усилителем фототока 6.

Блок измерения среднеингегральной влажности образца состоит из измерительного преобразователя 8, выполненного в виде конденсаторного датчика, закрепленных на его торцах бесконтактных переключателей 9 и 10, наличие образца в которых соответствует логическому нулю, логического устройства с логикой работы И-НЕ, которое в момент заполнения образцом обоих бесконтактных переключателей подключает измерительный преобразователь 8 во времязадаюшую цепь генератора 12, соединенного с мшфоконгрол-лером 13. Результаты измерений поверхностной X; и среднеинте1ральной Х3 влажности поступают на блок принятия решения 14, который подает команду на устройство сорти-

Рисунок 6 - Блок-схема цифрового поточного прибора контроля влажности древесины

Входы блока принятия решения Хх и Хг неравнозначны и характеризуются весовыми коэффициентами к\ и к2, определяющими важность поступающей по ним информации. Способ контроля влажности на основе комбинации двух методов может быть реализован с помощью нейросетевых технологий, поскольку задание коэффициентов А; и кг целесообразно определять по результатам проведения экспериментов, т.е. выполнять операции обучения.

Применение комбинированного метода, основанного на измерении влажности на различных частотах внешнего электрического поля, позволит реализовать принцип мно-гопараметрового контроля и повысить точность измерения влажности древесины.

В четвёртой главе приведено описание экспериментальных исследований, целью которых была проверка адекватности математической модели, полученной в главе 2 работы, фактическим процессам, протекающим в древесине в процессе сушки; а также изучение интенсивности процессов тепло- и влагопереноса в древесине в зависимости от параметров режима.

В качестве материала для проведения экспериментальных исследований использовались сосновые образцы размером 155x105x20 мм.

п

Определение влажности образцов древесины производилось контрольным весовым методом согласно ГОСТ 16588-91 «Продукция и деревянные детали. Методы определения влажности». Для высушивания образцов древесины использовался сушильный электрошкаф СНОЛ-3,5-И4М (рисунок 7) Для измерения массы образцов древесины исполь-

Рисунок 7 Сушильный электрошкаф Рисунок 8 - лабораторные

СНОЛ-3,5-И4М весы ОНАШ НУ 512

Образцы были высушены в сушильном электрошкафу СНОЛ-3,5-И4М до достижения постоянной массы.

Измерения влажности кондукгометрическим методом проводились при помощи влагомера ВЛ-60 (рисунок 9)

Рисунок 9 - Кондуктометрический влагомер Рисунок 10 - установка для определе-

ВЛ-60 ния поля влажности в древесине

На рисунке 11 приведены графики зависимости относительной погрешности определения влажности кондукгометрическим методом в различных направлениях ориентации волокон от влажности. Из графиков видно, что относительная погрешность определения влажности древесины не превышает 5 % в диапазоне влажностей 5-55 % при измерении влажности вдоль волокон.

Были взяты сосновые образцы размером 195x100x24 мм, влагоизолированы с торцов клеем ПВА и подвержены сушке в экспериментальной установке (рисунок 12), выполненной из текстолитового корпуса, тепловентилятора SKIFF 20011 с регулируемой тепловой мощностью до 2000 Вт и расходом воздуха 250 м3/час, ультразвукового

увлажнителя воздуха \lagnit ЯМА-1500 с регулируемым расходом воды до 380 мл/час. Сушка производилась в течение 6 часов при температуре сушильного агента 92 °С и скорости циркуляции 2,3 м/с. Влажность до и после сушки была измерена по глубине при помощи кондуктометрического влагомера с изолированными по длине электродами (рисунок 10).

12 11 10

9

8 ?

6 5 4 3 2 1

1 \

1 ^ 1 ;

-5 1

т —■ -1-.....

" ..1 .....

......!......... _......;.:........... \

1 _................... Г 1'Г 2 ■г< ■ 1 Г"35' 4 45 ¿0 55

Влажность, %

Рисунок 11 - Относительная погрешность определения влажности 1 - вдоль волокон; 2 - поперек волокон; 3 - под углом 45° к волокнам

Рисунок 12 - Общий вид экспериментальной установки

На рисунке 13 представлен график распределения влажности по глубине материала после проведения сушки, рассчитанный с помощью математической модели, полученной в главе 2. На рисунке 14 представлены графики распределения влажности по глубине материала до и после высушивания, полученные экспериментально.

На рисунке 15 представлен график зависимости абсолютной погрешности между теоретическими и экспериментальными значениями влажности.

о 6 12 1« 24

Толщина, мм

Толщина, мм

Рисунок 13 - График распределе- Рисунок 14 - Экспериментальный

ния влажности после процесса сушки график распределения влажности:

1 - до сушки; 2 - после сушки

Влажность,0/«

Рисунок 15 - Зависимость абсолютной погрешности от влажности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в работе, состоят в следующем: .'

1. Процессы контроля влажности по критериям оперативности измерения влажности и возможности автоматизации определения влажности материалов можно разделить на две большие группы, а именно непрерывный контроль влажности на потоке и выборочный контроль влажности.

2. Древесина является капиллярно-пористым анизотропным материалом, решение задачи тепло- и влагопереноса в ней аналитическими методами затруднено и может быть получено численно; при этом особое внимание следует уделить нестационарному

периоду сушки, который характеризуется повышенными значениями градиентов температуры и влажности, что может привести к растрескиванию материала.

3. Получена математическая модель процессов сушки пиломатериалов, позволяющая провести оптимизацию параметров режима сушки.

4. Из результатов исследования режимов сушки при помощи численного анализа следует, что наибольший эффект экономии энергии можно получить посредством применения импульсной конвективной сушки. Это позволит сократить затраты тепловой энергии на 17-21% и отказаться от сушки с помощью технологического пара.

5. Для повышения точности контроля влажности в процессе камерной сушки целесообразно использовать кондуктометрический метод, позволяющий измерять электрическое сопротивление слоев древесины на различной глубине. Для решения этой задачи разработан датчик.

6. Для повышения точности контроля влажности на потоке целесообразно использовать два бесконтактных измерительных преобразователя, а именно емкостный, позволяющий измерять среднеинтегральную влажность, и оптический, позволяющий определять поверхностную влажность, и по результатам измерений вычислять перепад влажности, что особенно влияет на качество выпускаемой продукции.

7. При использовании комбинированного метода контроля влажности с несколькими датчиками для определения степени важности получаемой от каждого датчика информации целесообразно применять обучающийся в процессе накопления статистических данных нейрокомпьютер.

Основные результаты исследования отражены в следующих публикациях:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Шилин, А. Н. Численный анализ технологического процесса сушки древесины при конвективном нагреве / А. Н. Шилин, А. В. Стрижиченко // Известия ВолгГ-ТУ. Серия "Процессы преобразования энергии и энергетические установки". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 8. - С. 116-120.

2. Шилин, А. Н. Прибор контроля влажности древесины, реализующий оптический и диэлькометрический принципы действия / А. Н. Шилин, А. В. Стрижиченко // Приборы. - 2012. - № 3. - С. 58-62.

3. Макартичян, С. В. О повышении энергоэффективности сушки пиломатериалов / С. В. Макартичян, А. В. Стрижиченко // Известия ВолгГТУ. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. -Волгоград, 2013. -№ 12 (115). - С. 100-102.

Авторские свидетельства и патенты на изобретения

4. П. м. 114785 Российская Федерация, МПК в 01 N 27/22. Цифровой' поточный измеритель влажности / А. Н. Шилин, А. В. Стрижиченко ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». - 2012.

5. П. м. 121591 Российская Федерация, МПК в 01 N 27/22. Цифровой поточный прибор для измерения влажности / А. Н. Шилин, С. В. Макартичян, А. В. Стрижиченко ; заявитель и Патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». - 2012.

Статьи в журналах, тезисы докладов в материалах и сборниках трудов научных конференций

6. Стрижиченко, А. В. Алгоритм управления процессом сушки древесины [Электронный ресурс] / А. В. Стрижиченко // XXIII международная инновационно-ориентированная конференция молодых учёных и студ. МИКМУС-20И, Москва, 14-17 декабря 2011 г. / Ин-т машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. - М., 2011. - С. 193. - Режим доступа: http://vvw.imash.ru/conf/mega/2011/Prec2011.pdf.

7. Стрижиченко, А. В. Информационно-измерительная система для управления технологическим процессом сушки древесины / А. В. Стрижиченко // Инновационные информационные технологии : матер, междунар. науч.-практ. конф., г. Прага, Чехия, 2226 апр. 2013 г. В 4 т. Т. 2 / МИЭМ НИУ ВШЭ [и др.]. - М„ 2013. - С. 94-95.

8. Стрижиченко, A.B. Использование переменных режимов тепловлажностной обработки древесины как способ энерго- и ресурсосбережения в технологических процессах / A.B. Стрижиченко, П.Д. Васильев // Ресурсе- энергосбережение и эколого- промышленная безопасность промышленных городов: матер. III всерос. науч.-практ. конф. (г. Волжский, 28-30 сент. 2010 г.)/ Министерство образования и науки Российской Федераций, филиал ГОУ ВПО "МЭИ (ТУ)" в г. Волжском [и др.]. - Волжский, 2010. - С. 263- 267.

9. Стрижиченко, А. В. Применение численного анализа для разработки оптимальных режимов сушки древесины / А. В. Стрижиченко // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25 : сб. тр. XXV междунар. науч. конф. В 10 т. Т. 8. Секция 12 (г. Волгоград, 29-31 мая 2012 г.) / ВолгГТУ [и др.]. - Саратов, 2012. - С. 8-10.

10. Стрижиченко, A.B. Разработка оптимальных режимов сушки древесины при помощи численного анализа / Стрижиченко A.B. // 17-я межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных и студентов, г. Волжский, 25 мая - 11 июня 2011 г. : тез. докл. В 4 т. Т. 3 / Филиал МЭИ (ТУ) в г. Волжском [и др.]. - Волжский, 2011.-С. 11-13.

11. Стрижиченко A.B. Численный анализ динамики процессов сушки для выбора энерго- и ресурсосберегающих режимов тепловлажностной обработки древесины / A.B. Стрижиченко, П.Д. Васильев // Шестнадцатая межвузовская науч.-практ. конф. молодых учёных и студентов, 24-28 мая 2010 г.: тез. докл. : в 2 т. Т. 2 / Филиал ГОУ ВПО "МЭИ (ТУ)" в г. Волжском [и др.]. - Волжский, 2010. - С. 47- 49.

Подписано в печать ,34,10. 2013 г. Заказ № Ш,. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400131, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201455694

СТРИЖИЧЕНКО Александр Васильевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Шилин Александр Николаевич

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

Глава 1 ОБЗОР ПРИМЕНЯЕМЫХ СПОСОБОВ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ............................................12

1.1 Свойства древесины как объекта сушки...........................................12

1.2 Влагоперенос в древесине.............................................................15

1.3 Обзор различных способов сушки древесины....................................20

1.4 Анализ существующих режимов конвективной сушки древесины...........2В

1.5 Дефекты сушки древесины............................................................31

1.6 Показатели качества сушки древесины.............................................36

1.7 Обзор методов контроля влажности древесины..................................37

1.7.1 Прямые методы контроля влажности древесины............................38

1.7.2 Косвенные методы контроля влажности.......................................39

1.8 Обзор методик расчета процессов влагопереноса при сушке древесины.. .43

1.9 Обзор существующих систем для управления процессом конвективной сушки древесины.........................................................45

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1........................................................................48

Глава 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛО - И МАССОПЕРЕНОСА ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ

СУШКЕ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ..............................................................49

2.1 Математическая модель для расчёта полей температуры и влажности......49

2.2 Численный метод решения задачи...................................................51

2.3 Алгоритм работы по анализу .кинетики и динамики процессов

сушки древесины............................................................................56

2.4 Результаты численного исследования..............................................64

2.5 Верификация результатов численного исследования...........................64

.2.6 Разработка оптимальных режимов конвективной сушки пиломатериалов

при помощи численного анализа............................................................68

2.6.1 Численный анализ прерывистых режимов конвективной сушки пиломатериалов.................................................................................69

2

1 " 11 , ,' ||'1,( I , -

1 ' М'и/н'! , ,

VI " I

2.6.2 Численный анализ осциллирующих режимов конвективной

сушки пиломатериалов.....................................................................71

2.6.3 Численный анализ импульсных режимов конвективной

сушки пиломатериалов........................................................................72

2.7 Оценка адекватности одномерной модели тепло- и влагопереноса

применительно к реальным процессам в штабеле пиломатериалов..................75

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.....................................................................78

Глава 3 РАЗРАБОТКА ИИС ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССОМ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ.................................79

3.1 Измерение влажности древесины в процессе камерной сушки...............79

3.2 Информационно-измерительная система для управления процессом сушки древесины............................................................................82

3.3 Измерение влажности древесины на потоке.......................................87

3.3.1 Комбинированный оптико-диэлькометрический метод

контроля влажности........................................................................88

3.3.2 Комбинированный метод контроля влажности, основанный на измерении влажности на различных частотах внешнего электрического поля........................................................................95

3.3.3 Анализ погрешностей ИИС, реализующей комбинированные

методы контроля влажности.....................................................-..........98

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3...................................................................107

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................108

4.1 Экспериментальная установка .......................................................108

4.2 Экспериментальные исследования................................................109

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4...................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современный промышленный рынок диктует постоянную тенденцию к повышению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости, и поэтому развитие промышленности связано с совершенствованием технологических процессов и снижением энергетических затрат. Сушка древесины - один из основных технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве. Являясь одним из самых энергоёмких процессов в промышленности, в деревообработке она является ещё и самым ответственным этапом, так как от её качества зависит долговечность изделия в целом. Повышение эффективности процесса сушки возможно за счет сокращения расхода энергии и снижения потерь на технологический брак

Древесина является сложным объектом, т.к. обладает неоднородной структурой и характеризуется различными свойствами в различных направлениях.

В настоящее время сушка' древесины на предприятиях проводится в конвекционных сушильных камерах по сушильной программе, согласно которой в пространстве камеры параметры сушильного агента изменяются по заданному алгоритму.

Системы управления процессом сушки в большинстве производимых сушильных установок опираются на приближенные эмпирически определенные графики сушильного процесса, учитывают лишь параметры сушильного агента без учета информации о температуре и влажности древесины в течение всего процесса сушки и не позволяют решить задачу оптимизации энергетических затрат. Нормативные и справочные документы регламентируют применение ступенчатых режимов сушки древесины, что позволяет лишь косвенно учесть влажностное состояние материала и изменение его тепло физических свойств.

Одним из перспективных направлений повышения энергоэффективности процессов сушки является разработка информационно-измерительных систем для управления процессами сушки древесины, имеющих обратные связи по

параметрам режима сушки и по текущей влажности пиломатериала. Однако реализация таких систем требует достоверного математического описания объекта регулирования, а именно процессов тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки.

Вопросам теории расчёта процессов тепло- и влагопереноса в капиллярно-пористых телах в процессе сушки посвящены труды учёных: Афанасьева А. М., Гороховского А. Г., Кречетова И. В., Лыкова А. В., Расева А.И., Федяева А А и др. Дальнейшие исследования в данной области требуют получения достоверного математического описания процессов тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки с учетом зависимости теплофизических свойств древесины от ее температуры и влажности, а интенсивности влагообмена - от параметров сушильного агента.

Вопросам конструирования приборов и систем контроля влажности посвящены труды учёных: Берлинера М. А., Кричевского Е. С., Лапшина А. А., Мелкумяна В. Е., Музалевского В. И., Познаева А. П., Ройфе В. С. и др. Дальнейшей актуальной темой исследования в данной области является разработка информационно-измерительных систем для управления процессами сушки древесины, позволяющих получать информацию не только о текущей средней влажности пиломатериала, но и о неравномерности распределения влаги в материале в процессе сушки

Цель работы состоит в совершенствовании технологии конвективной сушки древесины путем повышения энергоэффективности процесса и снижения величины потерь на технологический брак.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Произведен анализ существующих способов сушки древесины, из которого следует, что наиболее целесообразным с точки зрения надежности, энергоэффективности и инвестиционных затрат является использование конвективного способа сушки пиломатериалов.

2 Разработана математическая модель совместного тепло- и влагопереноса в древесине, позволяющая рассчитывать температурное поле, распределение влаги и механические напряжения в пиломатериале в зависимости от параметров режима сушильного процесса

3 Разработана структурная схемы информационно-измерительной системы для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, позволяющей получать информацию о текущей влажности по глубине пиломатериала в процессе сушки

4 Разработаны структурные схемы систем непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов, позволяющих определить неравномерность влажности по глубине материала

Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теоретических основ теплотехники, термодинамики, теории теплопроводности и тепломассообмена, электротехники, теории автоматического управления, численные методы решения задач тепломассообмена, а также эвристические методы проектирования технических устройств и систем

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными и выводами других исследователей

Научная новизна.

1 Разработана математическая модель совмещенного процесса тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки, отличающаяся тем, что в ней учтено влияние термодиффузии на поток влаги, что позволяет рассчитывать нестационарный процесс прогрева и сушки древесины и тем самым повысить точность расчетов и обоснованно выбирать режим сушильного процесса

2. Разработана структурная схема ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, отличающаяся тем, что она учитывает информацию о текущей влажности по глубине пиломатериала и в различных слоях штабеля.

3. Разработаны структурные схемы систем непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов, отличающиеся тем, что они позволяют определить неравномерность влажности по глубине материала.

Практическая значимость результатов.

1. Получена методика численного расчета нестационарных полей распределения температуры и влаги в пиломатериалах в процессе конвективной сушки позволяющая разрабатывать энергоэффективные режимы сушки.

2. Разработана структурная схема ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, имеющей обратные связи по параметрам режима сушки и по текущей влажности пиломатериала, что позволит сократить затраты энергии на проведение процесса сушки.

3. Разработаны структурные схемы приборов контроля влажности, позволяющих производить непрерывный быстродействующий неразрушающий контроль влажности древесины на потоке оценкой неравномерности влажности по глубине материала.

Реализация научно-технических результатов. Основные результаты работы используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель технологического процесса сушки пиломатериалов, позволяющая провести оптимизацию параметров режима сушки.

2. Методика численного расчета нестационарных полей распределения температуры и влаги в пиломатериалах в процессе конвективной сушки.

Соответствие паспорту специальности.

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие, системы (в машиностроении)», а именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем», пункту 6 - «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных межвузовских научно-практических конференциях филиала ГОУ ВПО "МЭИ (ТУ)" в г. Волжском (2010-2013 гг.), III всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо- энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» г. Волжский (2830.09.2010), на межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование- и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» г. Волжский (20-23.09.2011), на XXIII международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов «МИКМУС-2011», г. Москва (14-17.12.2011), на XXV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25» г. Волгоград, (29-31.05.2012), на межрегиональном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность. Волгоград-2013» г. Волгоград (9-11.04.2013), на международной научно-практической конференции , «Инновационные информационные технологии» г. Прага, Чехия (22-26.04.2013 г), на

межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» г. Волжский (2427.09.2013)

Личный вклад автора заключается в том, что им а) получена математическая модель совмещенного тепло- и массопереноса при сушке пиломатериалов [91, 92]; б) произведено моделирование энергоэффективных режимов конвективной сушки [75, 76, 77, 78]; в) совместно с научным руководителем разработаны структурные схемы ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов и ИИС непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов [88, 101, 102].

Публикации. Основные результаты исследования представлены в 11 работах, 2 из которых - патенты РФ, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 121 страницу основного текста, 47 рисунков, 6 таблиц и список литературы (126 наименований) и приложение.

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ физико-химических процессов, протекающих при тепловлажностной обработке древесины, и приведена классификация основных технологических процессов ее сушки. Из анализа существующих технологических процессов сушки сделан вывод о том, что с точки зрения надежности, энергоэффективности и инвестиционных затрат целесообразно использовать камерный конвективно-тепловой процесс. Однако дня обеспечения необходимого качества сушки необходимо в течение всего технологического процесса контролировать влажность и температуру древесины и по

результатам контроля осуществлял^ управление технологическим процессом Проведен обзор методов контроля влажности и сделан вывод, что, поскольку влага в древесине распределена неравномерно по ее объему, для контроля влажности Но глубине пиломатериала целесообразно использовать кондуктометрический метод, а для стопроцентного контроля влажности древесины после процесса тепловой сушки целесообразно применять бесконтактные методы быстродействующего неразрушающего контроля влажности, а именно диэлькометрический и оптический.

Во второй главе было проведено математическое моделирование процессов тепло- и массообмена при конвективной сушке пиломатериалов.

Применяемая в настоящее время на практике методика расчета влажности древесины в процессе сушки не учитывает нестационарный процесс нагрева пиломатериала, а также изменение коэффициентов влагопроводности и влагообмена и теплофизических свойств древесины в процессе сушки. Решение дифференциальных уравнений сушки аналитическими методами не всегда возможно, и задача получения распределения температуры и влажности в зависимости от параметров сушильного агента может быть решена численно с помощью математического моделирования.

Процесс совмещенного нестационарного тепло- и влагопереноса при сушке влажных тел описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений академика А.В.Лыкова.

Данная система дифференциальных уравнений решалась численно методом контрольного объема. Решение дискретных аналогов производилось методом TDMA.

Моделирование совмещенного тепломассопереноса в древесине позволяет производить расчет процесса начального прогрева древесины, характеризующегося повышенными значениями градиентов температуры и влажности, которые могут привести к необратимым механическим изменениям в материале (коробление, растрескивание), а также разрабатывать энергоэффективные режимы сушки.

В третьей главе разработаны структурная схема ИИС для управления процессом конвективной сушки