Автоматизация сушки древесины
Екатеринбург 2014 - 2017
Производство и пуско-наладка автоматических регуляторов для сушильных камер
Автоматизация сушки древесины
УДК 674.047; 630.847
Агапов В. П.
(УралНИИПДрев, г. Екатеринбург, РФ)

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ СПОСОБ ПОДГОТОВКИ В ЛЕСОСУШИЛЬНОЙ КАМЕРЕ ВОЗДУХА С ЗАДАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

Improved method of air preparing with specified parameters in wood drying camera.
Описан способ, позволяющий применяя известные операции: нагрев и увлажнение воздуха и вентиляцию сушильной камеры повысить качество сушки древесины и экономить тепловую энергию.
Method which can improve quality of wood drying and economize on energy using air heating, air humidifying, ventilation is shown.
Из проведенного ранее анализа [1] традиционного способа управления сушильной камерой известного, что каждая технологическая операция: нагрев, увлажнение воздуха и вентиляции сушильной камеры действует одновременно на температуру и влажность воздуха. Поэтому независимое регулирование температуры и влажности воздуха не может быть эффективным. Необходимо вести связанное регулирование. Как это необходимо делать, рассмотрим на отдельных примерах. Эти примеры соответствуют определенным этапами сушки древесины.
1.Совершенствование способа подготовка воздуха при прогреве пиломатериала в начале сушки. Для этого обратимся к Id-диаграмме прогрева древесины, изображенной на рисунке 1. Требуется нагреть воздух от исходной температуры Т1 до заданной температуры Т2.  При этом психрометрическая разность должна соответствовать заданной траектории, отображенной на рисунке 1 линией 1-2. На этом и других рисунках использованы следующие сокращения в обозначениях: У - увлажнение воздуха паром; Н - нагрев воздуха; В - вентиляция сушильной камеры; И - испарение влаги из древесины.

Согласно традиционному способу управления сушильной камерой [2] включается нагрев и увлажнение воздуха паром. Проанализируем происходящие при этом изменения параметров воздуха. Из диаграммы видно, что увлажнение воздуха паром У увеличивает температуру и уменьшает психрометрическую разность воздуха.  Нагрев Н увеличивает температуру и психрометрическую разность. В результате сложения векторов Н и У психрометрическая разность воздуха превышает заданную величину (точке 3 выше заданной траектории 1 - 2). Это опасно для древесины, т. к. может вызвать образование поверхностных трещин.
Для получения требуемых параметров следует (смотрите рис. 2) сначала производить только увлажнение воздуха паром. При этом пар снижает психрометрическую разность, нагревает воздух и прогревает древесину. Увлажнение воздуха необходимо вести до тех пор, пока психрометрическая разность не станет ниже задания - линии 2 - 3. После этого необходимо прекратить увлажнение и производить нагрев воздуха. Нагрев продолжает повышать температуру и увеличивает психрометрическую разность воздуха. Прекратить нагрев необходимо тогда, когда психрометрическая разность превысит задание.

Затем необходимо начать снова увлажнение воздуха паром. Увлажнение необходимо вести до тех пор, пока психрометрическая разность не станет ниже задания. Чередование увлажнения паром и нагрев воздуха необходимо продолжать до тех пор, пока температура воздуха не превысит задание Т2.
В случае, когда и температура и психрометрическая разность воздуха больше заданной величины, необходимо выключить и нагрев Н, и увлажнение воздуха У. За счет испарения влаги из древесины (вектор И) происходит уменьшение температуры и психрометрической разности воздуха, т. е. параметры воздуха изменяются в нужном направлении.
Из рисунка 2 видно, что при прогреве древесины данным способом обеспечиваются изменения параметров воздуха по заданной траектории, т. е. воздух нагревается от исходной температуры T1 до заданной температуры T2 при соблюдении заданной психрометрической разности.
2. Совершенствование способа подготовка воздуха при переходе на следующую ступень режима сушки. Обратимся к рисунку 3 и с его помощью проанализируем происходящие изменения параметров воздуха. Требуется изменить параметры воздуха от исходного состояния - точка 1 в новое состояние - точка 2, т. е. увеличить температуру и психрометрическую разность воздуха.
 
Согласно традиционному способу производится одновременно нагрев (вектор Н) и вентиляция сушильной камеры (вектор В). Нагрев увеличивает температуру и психрометрическую разность воздуха. Это полностью соответствует требуемым изменениям параметров воздуха. Вентиляция камеры уменьшает температуру и психрометрическую разность воздуха. Это противоположно требуемым изменениям параметров воздуха. В результате суммарный вектор 1-5 не ведет параметры воздуха в заданную точку 2.
Происходит впуск в сушильную камеру холодного наружного воздуха (точка О), его нагрев до температуры Т5 и выброс снова на улицу. Это ведет к перерасходу тепловой энергии, снижению темпа нагрева воздуха сушильной камеры и скорости сушки древесины. В результате возрастает стоимость сушки.
Из приведенного анализа следует, что в рассматриваемом случае нужно вести нагрев без вентиляции сушильной камеры. Нагрев необходимо вести до тех пор, пока температура не превысит задание. После этого необходимо прекратить нагрев и произвести вентиляцию сушильной камеры. Вентиляцию необходимо производить до тех пор, пока температура воздуха не будет ниже задания. После этого необходимо прекратить вентиляцию и начать нагрев воздуха. Нагрев необходимо вести до тех пор, пока температура не превысит задание. Таким образом, необходимо продолжать чередование нагрев воздуха и вентиляцию камеры до тех пор, пока температура воздуха и психрометрическая разность не превысят задание.
Протекающие при этом изменения параметров воздуха отображены на рисунке 4. Из рисунка видно, что при переходе описанным способом с одной ступени на следующую ступень заданная психрометрическая разность обеспечивается в основном за счет нагрева воздуха. Приток в сушильную камеру наружного воздуха минимален. Этим обеспечивается ускорение выхода на новые заданные параметры воздуха, снижение до минимума расхода тепловой энергии на нагрев наружного воздуха и снижение стоимости сушки.

3. Обобщение способа управления сушильной камерой. На основании описанных выше приемов управления подготовкой воздуха можно сформулировать общее правило управления [3], [4]. Они сводится к следующим основным условиям:
нагрев воздуха необходимо производить при условии, когда температура и психрометрическая разность одновременно ниже задания. В противном случае нагрев воздуха следует прекратить;
вентиляцию сушильной камеры необходимо производить при условии, когда температура и психрометрическая разность воздуха выше задания. В противном случае вентиляцию сушильной камеры следует прекратить;
увлажнение воздуха паром необходимо производить при условии, когда температура воздуха ниже, а психрометрическая разность выше задания. В противном случае увлажнение воздуха паром следует прекратить.
Графически изложенные правила показаны на Id диаграмме на рисунке 5.  На ней векторами показаны направления изменений параметров воздуха для каждой области, в которой производятся: Н - нагрев, У - увлажнение, В - вентиляция, И - испарение влаги из древесины. Испарению влаги из древесины соответствует состояние, когда одновременно не производятся Н, В и У. Вектор испарения влаги из древесины направлен по линии I=Const в сторону уменьшения температуры и психрометрической разности воздуха.

(Тз - заданная температура, dtз - заданная психрометрическая разность).
Из рисунка 5 следует, что при управлении сушильной камерой по данному способу достичь заданных параметров воздуха возможно всегда. При этом исключен перерасход тепловой энергии на нагрев избыточно впускаемого наружного воздуха. В результате обеспечиваются условия для получения высокого качества сушки древесины со снижением ее стоимости.
____________________________________________________________________

Библиографический список.
1. Агапов В. П. Исследование стандартного способа получения в лесосушильной камере воздуха с заданными параметрами. Доклад на 9 Международном Евразийском симпозиуме 23-26 сентября 2014/ http://symposium.forest.ru/article/2014/2_tehnology/pdf/Agapov2.pdf.
2. Серговский П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. М.: Лесная промышленность. 1975. 400 с.
3. Регулятор процесса сушки РОСА-2. Описание экспоната международной выставки «Лесдревмаш-79». Советский раздел. Москва: ВНИПИЭИлеспром. 1979.
4. 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.
Рисунок 1. Прогрев древесины традиционным способом.
Рисунок.2. Прогрев древесины новым способом.
Рисунок.3. Переход на следующую ступень режима сушки традиционным способом.
Рисунок 1. Прогрев древесины традиционным способом.
Рисунок.2. Прогрев древесины новым способом.
Рисунок.3. Переход на следующую ступень режима сушки традиционным способом.
Рисунок 4. Переход на следующую ступень режима сушки новым способом.
Рисунок 4. Переход на следующую ступень режима сушки новым способом.
Рисунок 5. Графическое представление нового способа управления сушильной камерой.
Рисунок 5. Графическое представление нового способа управления сушильной камерой.