Автоматизация сушки древесины
Екатеринбург 2014 - 2017
Производство и пуско-наладка автоматических регуляторов для сушильных камер
Автоматизация сушки древесины
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАНДАРТНОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ В ЛЕСОСУШИЛЬНОЙ КАМЕРЕ ВОЗДУХА С ЗАДАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Показаны существенные дефекты стандартного способа управления сушильной камерой, которые ведут к перерасходу тепловой энергии и снижению качества сушки.

Для получения качественной сушки пиломатериала необходимо уметь правильно подготовить в лесосушильной камере воздух с заданными параметрами. Для подготовки воздуха необходим способ, который позволит в любом случае и с минимальными затратами энергии и времени получить воздух с заданными параметрами.
Целью настоящей работы являются исследование стандартного способа подготовки воздуха с заданными параметрами. Он включает независимое регулирование температуры и влажности. При этом регулирование температуры воздуха производят изменением мощности нагревателя сушильной камеры. Регулирование влажности воздуха производят регулированием приточно-вытяжной вентиляции сушильной камеры и увлажнителя воздуха сушильной камеры.
Если температура воздуха меньше задания, то увеличивают мощность нагревателя. Если температура больше задания, то уменьшают мощность нагревателя.
Если влажность воздуха меньше задания, то уменьшают производительность приточно-вытяжной вентиляции. Если влажность воздуха больше задания, то увеличивают производительность приточно-вытяжной вентиляции сушильной камеры.
Если производительность приточно-вытяжной вентиляции сушильной камеры минимальна, а влажность воздуха меньше задания, то дополнительно  увлажняют воздух впуском в сушильную камеру насыщенного пара. Для этого сушильная камера оснащается увлажнительной системой.
Если влажность воздуха меньше задания, то увеличивают подачу в камеру увлажняющего пара. Если влажность больше задания, то уменьшают подачу в камеру увлажняющего пара.
Ожидаемые изменения параметров воздуха, которые произойдут при действии каждой технологической операции стандартного способа подготовки воздуха, представлены в таблице 1. Именно эти ожидания и положены в основу стандартного способа подготовки воздуха с заданными параметрами. В качестве показателя влажности воздуха используют либо температуру мокрого термометра, либо психрометрическую разность. Иногда в качестве показателя влажности используют относительную влажность воздуха.
Проанализируем действительные изменения параметров воздуха при выполнении каждой технологической операции в отдельности и совместно.

1. Анализ изменения параметров воздуха при его нагреве.
Анализ изменений параметров воздуха при его нагреве произведем с помощью Id-диаграммы [1], изображенной на рисунке 1. Воздух с влагосодержанием d1 нагревается от температуры T1 до температуры T2. Влагосодержание воздуха остается неизменным. При этом температура мокрого термометра возрастает от Tm1 до Tm2. По рисунку видно, что рост температуры воздуха T2-T1 значительно выше роста температуры мокрого термометра Tm2-Tm1. Следовательно, психрометрическая разность возрастает, а относительная влажность воздуха уменьшается, т. е. при регулировании температуры неизбежно изменяются, психрометрическая разность и относительная влажность воздуха.
2. Анализ изменения параметров воздуха при вентиляции сушильной установки.
Анализ изменений параметров воздуха при вентиляции сушильной камеры произведем с помощью Id-диаграммы, изображенной на рисунке 2. Воздух сушильной камеры влагосодержанием d1 (точка 1) смешивается с наружным воздухом влагосодержанием d0 (точка 0). При этом параметры смеси (точка 2) находятся на прямой линии, соединяющей точки 1 и 0.
Влагосодержание смеси d2 ниже исходного влагосодержания воздуха в сушильной камере и выше влагосодержания наружного воздуха. При этом температура воздуха в сушильной камере снижается от температуры T1 до температуры T2. Температура мокрого термометра снижается от температуры Tm1 до температуры Tm2. По рисунку видно, что снижение температуры воздуха T1-T2 значительно выше, чем снижение температуры мокрого термометра Tm1-Tm2. Следовательно, психрометрическая разность воздуха снижается, а относительная влажность воздуха, соответственно, возрастает. Кроме того, понижается температура воздуха в сушильной камере, на восстановление которой требуется дополнительная тепловая энергия.

3. Анализ изменения параметров воздуха при увлажнении паром.
Для анализа изменения параметров воздуха при увлажнении паром воспользуемся рисунком 3. На рисунке 3 изображена  Id-диаграмма изменения параметров воздуха при увлажнении ее паром.
Воздух сушильной камеры влагосодержанием d1 (точка 1) смешивается с паром определенного теплосодержания. При этом параметры смеси находятся на луче исходящем из точки 1. В результате увлажнения влагосодержание воздуха возрастает до величины d2.
Если пар насыщенный низкого теплосодержания, то луч 1-2.1 направлен под небольшим углом к оси d. При этом температура воздуха повышается до величины T2.1. Температура мокрого термометра возрастает до величины Tm2.1, а психрометрическая разность T2.1- Tm2.1 становится меньше исходной психрометрической разности T1- Tm1.
Если пар перегретый или насыщенный высокого теплосодержания, то луч 1-2.2 направлен под большим углом к оси d. При этом температура воздуха повышается до величины T2.2. Температура мокрого термометра возрастает до величины Tm2.2. Психрометрическая разность T2.2-Tm2.2 становится выше исходной психрометрической разности T1-Tm1. Увеличение психрометрической разности может привести к порче пиломатериала. Поэтому перегретый пар не рекомендуют применять для увлажнения воздуха в сушильной камере.

4. Анализ изменения параметров воздуха при его одновременном нагреве и увлажнении.
Одновременный нагрев и увлажнение воздуха происходит, прежде всего, при прогреве пиломатериала в начале сушки. При этом требуется быстро нагреть воздух, соблюдая его высокую влажность. Для этого включают на полную мощность нагреватель и увлажняют воздух паром. Анализ изменений параметров воздуха сушильной камеры при одновременном нагреве и увлажнении паром произведем с помощью Id-диаграммы, изображенной на рисунке 4.
Воздух влагосодержанием d1 и с температурой T1 (точка 1) необходимо нагреть до температуры T2 и увеличить его влагосодержание до величины d2 (точка.2). Заданная траектория изменения параметров воздуха показана пунктирной линией 1-2.
Нагрев воздуха, изменяет его состояние по направлению вектора 1-3.1. Одновременно воздух увлажняется паром и изменяет свое состояние по направлению вектора 1-3.2. При этом суммарное изменение параметров воздуха происходит в направлении вектора 1-3, являющегося суммой векторов 1-3.1 и 1-3.2. Происходит увеличение температуры и влагосодержания воздуха. Однако вектор 1-3 удаляет параметры воздуха от заданной траектории в сторону повышенной психрометрической разности (пониженной относительной влажности) воздуха. Это опасно для древесины. Обычно высокую психрометрическую разность воздуха при прогреве пиломатериала объясняют низкой герметичностью корпуса лесосушильной камеры. Выполненный выше анализ показывает физическую причину роста психрометрической разности. Плохая герметичность сушильной камеры дополнительно увеличивает психрометрическую разность.

5. Анализ изменения параметров воздуха при его нагреве и одновременной вентиляции сушильной камеры.
Нагрев воздуха и одновременная вентиляция сушильной камеры происходят, как правило, во время перехода со 2-ой ступени сушки на 3-ью ступень стандартного режима сушки. При этом согласно режиму требуется значительно повысить температуру и психрометрическую разность воздуха. Для увеличения температуры включается нагреватель, а для увеличения психрометрической разности включается приточно-вытяжная вентиляция сушильной камеры.
Анализ изменения параметров воздуха при его нагреве и одновременной вентиляции сушильной камеры произведем с помощью Id-диаграммы, изображенной на рисунке 5. Параметры воздуха, отображенные точкой 1, нужно изменить и получить параметры, отображенные на рис. 5 точкой 2.
В результате нагрева параметры воздуха изменяются в направлении вектора 1-3, а в результате приточно-вытяжной вентиляции камеры параметры воздуха изменяются в направлении вектора 1-4. Итоговое изменение параметров воздуха отображает вектор 1-5, являющийся суммой вектора 1-3 и вектора 1-4. Суммарный вектор 1-5 не совпадает с требуемым направлением 1-2.
Если мощность нагревателя низкая (в данный момент низкая температура теплоносителя) и высокая производительность приточно-вытяжной вентиляции, то увеличение температуры и психрометрической разности не произойдет. Это не соответствует ожиданиям.
Если же мощность нагревателя высокая и производительность приточно-вытяжной вентиляции низкая, то температура воздуха и психрометрическая разность повысятся. Это соответствует ожиданиям.
В первом случае сушка пиломатериала замедлится. При этом происходит обогрев улицы: воздух с улицы через приточный канал поступает в сушильную камеру, нагревается и через вытяжной канал снова выбрасывается на улицу. Такая ситуация может длиться долго и отрицательно сказывается на стоимости сушки.
Во втором случае процесс сушки проходит нормально, так как психрометрическая разность увеличивается, и процесс сушки ускоряется до режимного процесса.

6. Общие итоги анализа стандартного способа подготовки воздуха в сушильной камере сведены в таблицу 2.
Из данных таблицы 2 следует, что при использовании стандартного способа подготовки воздуха только в 3-х из 20-ти клеток таблицы ожидаемые и действительные изменения параметров воздуха совпадают. В таблице они подчеркнуты. Однако при этом создаются взаимные перекрестные помехи  температуры и влажности воздуха. Они затрудняют получение заданных параметров воздуха. В остальных 17-ти клетках таблицы  действительные и ожидаемые изменения параметров воздуха не совпадают, а иногда им противоположные.
Общим недостатком стандартного способа подготовки воздуха в сушильной камере является отсутствие учета физической взаимосвязи температуры и психрометрической разности (относительной влажности) воздуха. В результате этого он  не гарантирует получение воздуха с заданными  параметрами, ведет к  избыточному расходу тепла на сушку и не обеспечивает получение высокого качества высушенной древесины.
Названные дефекты стандартного алгоритма управления подготовкой воздуха автором данной статьи полностью устранены в алгоритме, реализованном в автоматическом регуляторе сушки древесины Роса 2 и Прогресс  [2, 3]. Алгоритм обеспечивает компенсацию взаимного возмущающего действия каналов регулирования температуры и психрометрической разности. Он позволяет получить высокое качество регулирования процесс сушки.


                                             Библиографический список.
1. Серговский П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. М.: Лесная промышленность. 1975. 400 с.
2. Регулятор процесса сушки РОСА-2. Описание экспоната международной выставки «Лесдревмаш-79». Советский раздел. Москва: ВНИПИЭИлеспром. 1979.
3. Агапов В. П. Изготовить экспериментальный образец программного регулятора процесса сушки древесины по ее текущей влажности «Прогресс» и провести экспериментальные исследования. Отчет СвердНИИПДрев по теме № 27. IV.27.81. Свердловск. 1981. 35 с.
Таблица 1
Таблица 2