автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Интенсификация процесса термической обработки древесноволокнистых плит в камерах периодического действия

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В В Е Д Е Н И Е.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБЪЕКТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности термической обработки древесноволокнистых шшт.

1.2. Физико-химические процессы при термообработке ДВП.

1.3. Анализ схем аэродинамики камер периодического действия для термической обработки ДВП.

1.3.1. Аэродинамика камер периодического действия для термической обработки ДВП.

1.3.2. Описание конструкций камер периодического действия для термической обработки ДВП.

1.4. Объект и задачи исследования

2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ДВП В КАМЕРАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1. Кинематика и динамика сплошной среды камер периодического действия

2.2. Аэродинамика камеры периодического действия для термообработки ДВП.

2.3. Аналитическое исследование температурных процессов при термообработке ДВП.

2.4. Математическое описание теплопроводности ДВП

2.5. Математический анализ тепловых переходных процессов при термообработке ДВП в камерах периодического действия

2.6. Выводы к теоретической главе

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В КАМЕРАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ДВП

3.1. Задачи экспериментальных исследований

3.1.1. Обработка результатов экспериментальных исследований.

3.1.2. Измерительная аппаратура

3.2. Методика проведения исследований аэродинамических характеристик камер

3.2.1. Методика проведения исследований температурных характеристик камер периодического действия.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Исследование распределения воздушного потока при истечении его из калорифера

4.2. Исследование распределения воздушного потока при истечении его из штабеля плит. НО

4.3. Исследование закономерности распределения аэродинамического поля воздушного потока в основном канале камеры

4.4. Исследование закономерности распределения температурного поля в штабеле ДВП

4.4.1. Анализ результатов исследования температурного поля агента термообработки ДВП в штабеле

4.4.2. Характеристика изменения температурного поля среды в штабеле при термообработке ДВП.

4.4.3. Исследование взаимного влияния температурных полей смежных камер.

4.5. Экспериментальное исследование закономерности массопереноса при термической обработке ДВП.

4.6. Экспериментальное исследование критических температур самовозгорания плит и летучих веществ при термообработке ДВП.

Главная экономическая задача партии и советского народа /I/ состоит в том, чтобы в течении двух десятилетий создать материально-техническую базу коммунизма.Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I 1985 годы и на период до 1990 года, решениями Х Х Л съезда КПСС и последующих Пленумов ЦК КПСС предусматривается коренное повышение темпов развития промьш]ленной продукции, в том числе и продукции деревообрабатьшающей промышленности.При этом особое внимание уделено вопросам химико-механической переработки древесных отходов, низкокачественной древесины и древесины мягколиственных пород, Одним из эффективных способов химико-механической переработки древесины является выпуск древесноволокнистых плит.Древесноволокнистые плиты представляют собой не только заменитель деловой древесины, но являются совершенно новым материалом, пригодным для широкого применения во многих отраслях народного хозяйства, и имеют неограниченный рынок сбыта. В одиннадцатой пятилетке предусмотрено увеличить выпуск ДВП на 25 - 27 % по сравнению с десятой пятилеткой.При всем многообразии выпускаемых древесноволокнистых плит на качественные их показатели определяющее значение имеет оптимизация температурно-влажностных режимов термообработки ДВП. - 8 Жесткие технологические режимы термообработки ДВП могут быть обеспечены лишь при условии применения современных средств управления, алгоритм функционирования которых строго согласован с их реальными тепло- и массообменными характеристиками. При этом основой для разработки должны служить комплексные исследования, связанные с изучением основных информационных характеристик и динамических свойств камер для термообработки ДВП как объектов контроля и управления.Некоторые аспекты исследований, связанные с идентификацией распределенным контролем и регулированием температурным режимом термической обработки ДВП освещены в отечественной /21/ литературе. Имеются работы по исследованию отдельных вопросов термической обработки ДВП, которые, в основном, выполнены в лабораторных условиях.Однако, среди этих работ отсутствуют публикации по общим принципам проектирования и обоснования рациональной конструкции камер периодического действия для термообработки ЛВП, что в значительной степени сдерживает разработку новых конструкций камер и модернизацию существующих модефикаций.Таким образом, изучение литературных источников и обследование некоторых предприятий, производящих древесноволокнистые плиты мокрым способом, указывают на то, что технологический процесс термической обработки ДВП мало изучен и является узким местом при их производстве.В текущей пятилетке и будущем выпуск ДВП будет осуществляться в основном за счет существующих предприятий, а это выдвигает на первый план проблему термо-влагообработки ДВП. В связи с этим имеется острая необходимость в создании высококачественных и эффективных камер для термообработки ДВП.с - 9 комплексной механизацией и автоматизацией процесса. Это вызывает необходимость выполнения широких исследований по разработке инженерных методов расчета тепло- и массообменных процессов, аэродинамических и температурных характеристик с целью создания рациональных аппаратов для термообработки ДВП. Основной задачей диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование технологических процессов, протекающих в камерах периодического действия, с целью обоснования и разработки инженерного метода расчета основных параметров, имеющих важное значение и влияние на процесс термической обработки ДВП. В соответствии с поставленной целью задачами работы являются : 1. Анализ конструктивных особенностей камер периодического действия и тепло-физических процессов, протекающих в период термообработки ДВП.

2. Исследование аэродинамических характеристик камер периодического действия.3. Исследование температурных режимов камер периодического действия.4. Исследование динамических характеристик камер периодического действия.5. Исследование процессов тепло- и массообмена, протекающего Б материале ДВП в период термообработки.6. Исследование критических температур самовозгорания ДВП и других материалов ( древесного волокна, древесной смолы и т.п.) в период термической обработки плит.7. Обоснование параметров и разработка рациональной конструкции камеры периодического действия для термообработки ДВП. - 10 8. Исследование и разработка оптимальных средств контроля и автоматического управления процессом термической обработки ДВП» Новизна работы состоит в обобщенном исследовании многих параметров, имеющих решающее влияние на процесс термической обработки ДВП в камерах периодического действия. Следует отметить, что все экспериментальные исследования проведены в производственных условиях на камерах периодического действия, находящихся в эксплуатации. Это позволило учесть основные и второстепенные факторы, имеющие решающее влияние на весь процесс термообработки ДВП. Теоретически получено аналитическое описание температурных режимов процесса термообработки ДВП, тепло- и массообменных характеристик, математически описано камеру как объект автоматического регулирования.Установлено, что исследуемые тепло- и массообменные процессы можно отнести к классу многомерных объектов, находящихся под воздействием общего или коррелированного возмущения.Разработана методика экспериментального исследования аэродинамических и температурных характеристик процесса термообработки ДВП. Дано инженерный метод расчета многосвязанных систем управления термовлажностных режимов обработки ДВП. Обоснованность и достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается применением современных методов исследования, соответствующих критериев оценки, широкой экспериментальной проверкой в производственных условиях разработанных средств контроля и управления.Внедрение их в производство позволило оптимизировать термо- II влажностные процессы, протекаемые в камерах периодического действия, и снизить технологические затраты на термообработку ДВП. Исследования и разработка по теме диссертации проводились в соответствии с координационным планом по решению проблемы, утвержденным В/О "Союзорглестехмонтаж" и Львовским лесотехническим институтом. Основная часть выполненной работы прошла соответствующую производственную проверку в условиях Выгодского лесокомбината и Оржевского ДОКв.Разработанные инженерные решения по результатам исследований внедрены в производство на Выгодском лесокомбинате.Результаты использованы : - при реконструкции камер периодического действия производства ПНР ; - при разработке систем управления температурным режимом процесса термообработки ДВП. На защиту выносятся следующие положения : - исследования аэродинамических характеристик камер периодического действия; - исследование температурных режимов процесса термообработки ДВП; - исследование процесса тепло- и массопереноса при термообработке ДВП; -исследование динамических характеристик камер как объектов регулирования; - оптимизация технологических режимов термообработки ДВП ; - обоснование и разработка системы многосвязанного управления термовлажностных режимов обработки ДВП. Экономический эффект от внедрения работы в производство составил 25,1 тыс. руб. на одном предприятии. - 12 I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБЬЕКТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выводы и рекомендации

I. Изучение литературных источников показало, что отечественными и зарубежными учеными в некоторой степени изучались вопросы термической обработки ДВП. Однако, проводимые ими исследования в основном велись в лабораторных условиях, где особое внимание уделялось изучению отдельных факторов, имеющих влияние на протекающие процессы термообработки ДВП, а именно:

- температура нагрева агента термообработки;

- продолжительность процесса термообработки ДВП;

- разновидность древесины и степень помола древесного волокна ;

- связующие вещества и их процентное содержание в древесноволокнистой массе;

- термообработка ДВП в прессе;

- расположение плит в штабеле и некоторые другие.

2. Термическая обработка ДВП протекает при сложных тепловых и физико-химических процессах, которые разнообразны и зависят от многих факторов, трудно учитываемых в комплексе в условиях производства на протяжении одного периода работы камеры.

3. Обследование многих предприятий показало, что термическая обработка - одно из узких мест технологического процесса производства ДВП.

Существующая продолжительность по времени одного цикла термообработки ДВП тормозит интенсификацию производства продукции, увеличивает затраты тепловой и электрической энергии, что, в целом, снижает экономичность предприятия.

4. Теоретические и экспериментальные исследования аэродинамических характеристик движения агента термообработки в конструктивных узлах камеры и штабеля ДВП указывают на неравномерное распределение потоков движущейся среды по замкнутому внутреннему контуру камеры. Это вызывает неравномерное распределение температурного поля в объеме штабеля плит, ведет к нарушению теплообменных процессов, протекающих между материалом плит и средой агента термообработки, а в результате этого снижается качество продукции. Кроме того, повышается опасность воспламенения плит в камерах за счет образования зон застоя в движении воздушных потоков и скопления газообразных продуктов углеводородных соединений, выделяемых из материала ДВП в процессе термообработки.

5. Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования динамики роста и распределения температурного поля в материале 7ФП, начиная с начала прогрева плиты от ее поверхности в глубину за время , указывают на сложность тепловых процессов, протекающих при термообработке плит.

Следует отметить, что разновидность возможных физических, химических и тепловых факторов процесса термообработки ДВП препятствуют с большой точностью математически описать протекающие процессы. Однако теоретический анализ дает направление экспериментальным исследованиям. Надо отметить, что и при экспериментальных исследованиях пока не имеется возможности провести ряд экспериментов на достаточном техническом уровне для выявления и определения отдельных факторов, влияющих на ход процесса термической обработки из-за отсутствия специальной измерительной аппаратуры.

6. Экспериментально установлено, что взаимовлияние температурных полей смежных камер, конструктивно находящихся в одном моноблоке, незначительно. Однако, при загорании штабеля ДВП в одной из камер моноблока, когда температура в рабочей зоне канала камеры может достичь предела ЮОО°С, в смежных камерах создадутся критические температуры, способные вызвать загорание плит.

Следовательно, камеры моноблока должны быть оснащены надежной автоматизированной системой пожаротушения.

7. Экспериментальные исследования переноса массы в материале ДВП позволили установить, что процесс массопереноса находится в функциональной зависимости от температуры и влажности агента термообработки. С увеличением температуры и уменьшением влажности агента термообработки процесс массопереноса в материале ДВП ускоряется.

8. Исследования критических температур ссамовозгорания материала ДВП, древесного волокна, древесной смолы, перемешанной со связующими веществами, добавляемыми в древесноволокнистую массу, установили, что перечисленные материалы в пределах температуры среды от 240 до 260°С не воспламеняются, а только начинают тлеть. Следовательно, единственной и основной причиной возникновения пожара в камерах надо считать экзотермические реакции, развивающие высокие температуры в материале ДВП в течении короткого времени, а также воспламенение газов углеводородных соединений, достигших критического объемного содержания в общей объемной массе агента термообработки.

9. Проведенные исследования позволили разработать и внедрить в производство инженерные мероприятия по улучшению аэродинамических характеристик камер периодического действия, выравнять температурное поле в штабеле ДВП и усовершенствовать САР.

Предложена конструкция камеры, подтвержденная авторским свидетельством № 451543 от 7 августа 1974 г., и система программного автоматического управления температурным процессом термообработки ДВП, внедренные в производство, позволили :

- улучшить технологический режим термической обработки ДВП ;

- выравнять аэродинамическое и температурные поля в штабеле ДВП ;

- уменьшить затраты тепловой и электрической энергии, сократив продолжительность одного цикла работы камеры до 2,5 - 3 часов ;

- поднять рабочую температуру агента термообработки в штабеле ДВП до 165 - 170°С, не опасаясь при этом самовозгорания плит ;

- периодически очищать рабочую зону канала камеры от скопившихся газов углеводородных соединений, летучих веществ и паровоздушной смеси,устраняя при этом условия возможного взрыва газов и, в целом, улучшить процесс термической обработки ДВП ;

- ограничить рост температуры в рабочей зоне за счет тепла экзотермических реакций, предусмотрев в системе программного управления процессом термообработки ДВП автоматический отвод тепла через вытяжной канал за пределы камеры;

- устранить загрязнение поверхности ДВП за счет оседания на них летучих веществ, при охлаждении штабеля в конце цикла термообработки; ,

- удалять отработанную газовоздушную смесь среды из рабочей зоны квмеры в конце процесса термообработки за ее пределы, что устранило загрязнение камер и цеха в целом;

- охладить штабель ДВП до температуры 80 - 90°С, как требует технологический процесс, перед загрузкой вагонетки с плитой в камеру увлажнения;

- внедрить автоматизированную систему пожаротушения с применением в качестве реагента насыщенный пар.

Экономическая эффективность от внедрения работы в производство составила 25,1 тыс.руб. на одном предприятии за счет экономии электрической и тепловой энергии. i

1. Программа Коммунистической партии Советского Союза. М.: Издательство "Правда", 1966. - 126 с.

2. Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976 1980 гг. - М.: "Политиздат", 1976. - 96 е., стр. 43.

3. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 1985 годы и на период до 1990 года. - М.: "Политиздат", 1981. - 94 с.

4. Ребрин С.П., Мерсов Е.Д., Евдокимов В.Г.Технология древесноволокнистых плит. М.: "Лесная промышленность", 197I. -279 е., стр. 75 - 104.

5. Баженов В.А., Карасев Е.И., Мерсов Е.Д. Технология и оборудование производства древесноволокнистых плит и пластиков. -М.: "Лесная промышленность", 1980. 360 е., стр. 244 - 258.

6. Козаченко A.M. Исследование процесса горячего прессования древесноволокнистых плит. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. йьвов, 1972.

7. Солечник Н.Я. Производство древесноволокнистых плит. Л.: "Гослесбумиздат", 1959. - 285 е., стр. 5 - 23; 151 - 159.

8. Солечник Н.Я. Производство древесноволокнистых плит. М.: "Гослесбумиздат", 1963. - 337 е., стр. 5 - 39.

9. Наткина Л.Н. Основы переработки пластических масс. Курс лекций для студентов химико технологичееких факультетов ( специальности 0828). Технология древесных и древесноволокнистых плит и пластиков. - Л.; 1959. - 71 с.

10. Наткина Л.Н. Автореферат диссертации на тему "Термическая обработка древесноволокнистых плит", Л., 1955.

11. Леонович А.А. Экзотермические эффекты при термообработке древесноволокнистых плит. ВНИПИЭИ, Леспром, 1975, № 17.

12. Леонович А.А. Об изменениях водородных связей в процессе образования древесноволокнистых плит. М.: "Лесная промышленность", 1976.

13. Леонович А.А. Влияние температуры горячего прессования на эффективность закалки древесноволокнистых плит. ВНИПИЭИ. Леспром, 197I, № 10.

14. Балмасов Е.Я., Пиргач B.C. Способы предотвращения самовозгорания древесноволокнистых плит при их термообработке. -"Деревообрабатывающая промышленность", 1975, № II, стр. 1214.

15. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М. -Л.: "Госэнергоиздат", 1966. - 464 с.

16. Лыков А.В. Теория сушки. М.: "Энергия", 1968. - 471 с.

17. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: "Высшая школа", 1967. - 599 с.

18. Древесноволокнистые плиты. М.: Сборник статей, 1966. -37 с.

19. Древесноволокнистые плиты. М.: Сборник статей, 1968. -21 с.

20. Дмитриева Г.А. Пропитка твердых древесноволокнистых плит орнаническими веществами. (Обзор). М.: ВНИПИЭ леспрома, 1972. - 32 с. - Дис. канд.техн.наук. - М., 1980. - 220 с.

21. Пиргач B.C. Исследование процесса термической обработки древесноволокнистых плит. Дис. канд.техн.наук. - М., 1980,

22. Личатин И.М., Пинчевский А.Д. Испытание закалочных камер для термообработки древесноволокнистых плит. "Деревообрабатывающая промышленность", 1975, № I, с. 4 - 7.

23. Личатин И.М., Пинчевский А. Д. Исследование температурного поля камер закалки древесноволокнистых плит. "Деревообрабатывающая промышленность", 1975, № 7, с. 4-6.

24. Билей П.В. Исследование аэродинамики лесосушильных камерс перфорированными перегородками. Дис.канд.техн.наук.-Львов, 1975. - 199 с.

25. Соколов П.В. и др. О требуемой скорости циркуляции агента сушки и равномерном его распределении по штабелю. Научные труды ЛТА, № 139, 1969.

26. Балакирев И.В. и др. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. -М.: "Энергия", 1967. 229 с.

27. Селюгин Н.С. Сушка древесины. "Гослестехиздат", 1936. -560 с.

28. Селюгин Н.С.Сушка древесины. "Гослестехиздат", 1940. -537 с.

29. Гей Н.Н. Влияние скорости движения воздуха на процесс сушки древесины. Дис.канд.техн.наук. - Киев, 1950. -168 с.

30. Пухов А.К. Влияние скорости циркуляции сушильного агента на продолжительность сушки пиломатериалов. Дисс.канд. техн.наук. - М., 1966, МЛТЙ.

31. Абрамович Г.К., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н. Турбулентные течения при воздействии объемных сил и неавто-модельности. М.: "Машиностроение", 1975. - 94 с.

32. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М.-Л.: "Госэнергоиздат", 1948. - 228 с.

33. Идельчик И.Е. Гидравлическое сопротивление. "Госэнергоиздат", 1954. - 313 с.I34,35,36,37,38,39,40,41,42,4344,45