Реалізація моделі сушіння круглих сортиментів

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Реалізація моделі сушіння круглих сортиментів

Для побудови цифрової моделі залежності внутрішніх напружень в деревині від окремих технологічних факторів була розроблена програма для ПК, в якій використані залежності радіальних - аг тангенціальних - ав внутрішніх напружень, що виникають під час сушіння деревини від таких факторів як: радіус сортименту - Я; відстань від центру сортименту до точки напруження - г; радіальний і тангенціальний модулі пружності - Ег, Ед. порода сортименту; вологість у середині сортименту - Ґц, вологість на поверхні сортименту - Ґп. Розрахунок тангенціальних і радіальних внутрішніх напружень, що виникають протягом сушіння деревини, проводився за формулами отриманими шляхом перетворення і коригування відомих залежностей, що включають наступні параметри: Ое, аг - внутрішні напруження в тангенціальному і радіальному напрямках, МПа; Ед - модуль пружності в тангенціальному напрямку, МПа; Ґч, Ґп - вологість у центрі і на поверхні сортименту, %; Ґмн - вологість межі насичення, %; Я, г - радіус сортименту і відстань від центру сортименту до точки, де визначаються напруження, м; Кд , Кг - коефіцієнти всихання в тангенціальному і радіальному напрямках.

На рис. 1 наведено блок-схему розрахунку напружень у круглих сортиментах [165, 166, 167].

Рис. 1. Блок-схема розрахунку внутрішніх напружень у круглих сортиментах

Програмне забезпечення розроблене на алгоритмічній мові Turbo Pascal. На рис. 2 наведено інтерфейс програми імітаційного моделювання розрахунку внутрішніх напружень.

Рис. 2. Інтерфейс програми імітаційного моделювання внутрішніх напружень

Для розрахунку напружень спочатку вводяться вихідні параметри сортименту: Я, Ед, Кд, Кг, г, Ґц, Ґп, потім виконуються розрахунки значень внутрішніх напружень аг та ав, Після чого на дисплей ПК виводяться значення тангенціальних і радіальних внутрішніх напружень ав, аг із зазначенням допустимих відхилень від граничних значень.

Імітаційне моделювання залежностей здійснюється таким чином. По черзі вводяться значення досліджуваних факторів, а саме радіус сортименту, Я, відстань від центру до точки, в якій буде розрахована величина напружень, г, вологість у центрі Ґч і на поверхні Ґп матеріалу. Далі програма робить обчислення за алгоритмом, наведеним на блок-схемі (рис. 3), і виводить результати розрахунків на дисплей. Для отримання наступних значень ав і аг необхідно ввести нові значення досліджуваних факторів.

Шляхом імітаційного моделювання були обчислені залежності внутрішніх напружень від різних факторів. На рис. 3 наведено залежності ад та аг в деревині від відстані точки розрахунку напруження до центру сортименту. Вони отримані для таких фіксованих значень: радіус сортименту Я = 0,14 м; порода сортименту - сосна; вологість у центрі сортименту Ґц = 30 %; вологість на поверхні сортименту Ґп = 14%.

Рис. 3. Залежності внутрішніх напружень ав та аг у круглому сортименті від відстані точки напруження до центру сортименту

Наведені криві показують значну нелінійну залежність внутрішніх напружень ав і ог в деревині при наближенні до центру сортименту, починаючи, приблизно з відстані 0,04 м від центру. На поверхні сортименту характер залежностей ав і аг змінює знак на протилежний.

Видно, що за такого великого перепаду вологості за перетином, АҐ = 16%, - розтягуючи тангенціальні напруження майже у два рази більші за межу міцності на розтяг поперек волокон сосни звичайної - 2,4-3,4 МПа. Отже, за цих умов виникнення внутрішніх тріщин є очевидним.

На рис. 4 візуалізовано залежності внутрішніх напружень ав та аг від вологості на поверхні сортименту (рис. 4). Для розрахунку були обрані крайні розміри для середньої розмірної групи діаметрів (Я1 = 0,07 м, Я2 = 0,14 м) круглих лісоматеріалів. Вологість в центрі сортименту прийнята рівною Ґц=30%. Коефіцієнти всихання, згідно результатів експериментальних досліджень, дорівнювали - в тангенціальному напрямку Кв = 0,3, в радіальному напрямку - Кг = 0,19.

Рис. 4. Залежності внутрішніх напружень ав та аг у круглому сортименті від перепаду вологості АҐ по перетину сортименту радіусу

Я = 0,07 м та Я = 0,14 м

З розрахунків простежується значний вплив перепаду вологості по перерізу зразка АҐ = Шц - Шп на величину тангенціальних напружень ов. Видно, що тангенціальні напруження лінійно зростають у разі збільшення перепаду вологості за перетином, а їхня величина залежить від радіусу сортименту, збільшуючись майже у 3-5 разів при збільшенні вдвічі діаметру сортименту. Якщо проводити процес сушіння за такого перепаду вологості, то виникаючі за цих умов розтягуючі тангенціальні напруження ов викличуть появу поверхневих тріщин. Вплив АҐ на радіальні напруження аг є набагато меншим.

Наведені результати, отримані шляхом моделювання процесу сушіння на ПК, показують можливість використання розробленого програмного забезпечення для дослідження процесу сушіння деревини та застосування в системах автоматики для прогнозованого управління процесом сушіння з метою зменшення розвитку в ній сушильних напружень.

Вплив перепаду вологості за перетином та радіусу сортименту на величину внутрішніх напружень в круглих сортиментах було досліджено шляхом проведення повнофакторного експерименту. Рівні та інтервали варіювання факторів обрані з урахуванням отриманих результатів цифрового моделювання (рис. 3 і 4) на лінійних ділянках залежностей. Це дозволяє спростити вибір рівнів варіювання для отримання моделі за різних значеннях факторів. Достовірність результатів забезпечується тим, що отримані математичні рівняння шляхом використання математичного апарату планування експерименту, являють собою перетворення отриманих раніше залежностей. Значення рівнів і інтервалів варіювання факторів наведені в табл. 1, матриця планування - в табл. 2.

Таблиця 1

Значення інтервалів варіювання досліджуваних факторів

Розрахунок коефіцієнтів регресії проведено за відомим виразами. Отримані рівняння математичних моделей у нормалізованих величинах для сортиментів різних діаметрів мають вигляд: для сортиментів діаметром 14 см

5Л = 2,88+1,93х1 -0,01х2 -0,73х3 + 0,76х1 х2 -0,64х1 х3 -0,02х2х3, (3.24)

<тв1 = - 1,36 - 16 ,3х1 + 4,06 х2 - 4,42 х3 - 4,53 х1 х2 + 5,22 х1 х3 , (3.25)

для сортиментів діаметром 28 см

<х;2 = 4,66 + 8,64х - 1,64х2 + 1,58х3 + 1,63х1х2 - 2,57х1х3 + 0,003х2х3

д-^ = -2,93-30х1 +24,23х2 -8,04х3 -20,6х1 х2 + 3,9х1 х3 -8,75х2х3

Порівнюючи результати імітаційного моделювання з отриманими рівняннями можна зробити висновок про їх тотожність. Наприклад, протилежний характер впливу відстані (х1) від центру сортименту до точки напруження, на величини ав та аг показаний на рис. 3 збігається з характером цих залежностей в рівняннях. Вплив вологості поверхні Ґц сортименту на величину ав, проілюстровано на рис. 4, також має протилежний характер і збільшується у разі збільшення радіуса сортименту. Більший вплив факторів (х1, х2, х3) на тангенціальні напруження ад, показаний на рис. 3 та 4, ніж на радіальні аг, також відображається у великих коефіцієнтах при цих факторах для од в рівняннях.

Отримані залежності дозволяють якісно і кількісно оцінити внесок кожного фактора і їх парних взаємодій у розвиток сушильних напружень в круглих сортиментах. Вони також можуть бути використані під час розробки оптимальних режимів сушіння круглих сортиментів та систем управління технологічним процесом сушіння деревини різних порід і розмірів.

Використовуючи рівняння, результати вимірювання всихання деревини сосни та розрахунку коефіцієнтів всихання, імітаційного моделювання процесу сушіння були розраховані безпечні перепади вологості за перетином круглих сортиментів. На рис. 5 наведено результати розрахунку - значення поверхневої вологості, Ж%, та перепаду вологості за перетином - АЖ%, за якого виникаючи внутрішні напруження не перевищують межу міцності на розтяг поперек волокон.

Рис. 5. Результати розрахунку перепаду вологості за перетином сортименту діаметром 14 см від початкової вологості Wn = 30% до кінцевої Wk = 17%

Отже, якщо проводити процес сушіння не збільшуючи розрахований перепад вологості між центром та поверхнею сортименту, то виникаючі за таких умов внутрішні напруження не призведуть до утворення тріщин всихання. Для експериментальної перевірки розроблених моделей необхідним є проведення експериментальних досліджень круглих лісоматеріалів з поточним контролем вологості центру та поверхні матеріалу.

Експериментальні дослідження процесу сушіння круглих лісоматеріалів

Для проведення експериментальних досліджень кінетики сушіння круглих сортиментів, оперативного контролю та спостереження за зміною поточної вологості було розроблено та запатентовано спосіб та пристрій для її контролю

На початковому етапі сушіння поверхневий шар матеріалу досить швидко досягає рівноважної вологості і температура поверхневого шару приблизно дорівнюватиме температурі агента сушіння. Отже, вимірюючи А 1№ двома вологомірами: першим, встановленим на поверхні сортименту і другим, вмонтованим в центр сортименту, можна регулювати перепад вологості, тим самим забезпечуючи оптимізацію процесу з урахуванням напружень, що виникають при видаленні вологи з матеріалу.

На рис. 6 приведено блок схему розробленого методу контролю та регулювання процесу сушіння колод за допомогою неперервного контролювання вологості деревини на поверхні та в центрі сортименту.

Рис. 6. Блок схема методу контролю та регулювання процесу сушіння колод

До початку сушіння на колоді встановлюють електроди 1, 2 та 3. Електрод 1 підключають до входу вимірювальної схеми, виконаної у вигляді логарифмічного підсилювача А1. Електроди 2 і 3 почергово з'єднують через перемикач К1.1 із загальним дротом ("землею") вимірювальної схеми. При підключенні електрода 2 через перемикач К.1.1 до загального дроту ("землі"), на електроді 1 одержуємо електричні сигнали пропорційні вологості поверхневого шару лісоматеріалу. Аналогічно, підключивши електрод 3 до загального дроту схеми, одержуємо на електроді 1 електричні сигнали пропорційні вологості лісоматеріалу по перетину. Різницю сигналів використовуємо для керування режимом сушіння деревини. При перевищенні різниці вологості вище припустимої по технологічному режиму, зменшуємо температуру сушильного агента або збільшуємо його вологовміст. бездефектний сушильний круглий лісоматеріал

Для автоматизації процесу сушіння допустиму різницю сигналів задають задатчиком Рзад. за показниками індикатора які підключені до мікроконтролера А2. Сигнали з виходу вимірювальної схеми А1 подають на вхід мікроконтролера, що видає сигнали керування на реле К1 для перемикання електродів 2 і 3 контактами К1.1 і сигнали керування на виконавчі механізми зволожувача та нагрівача сушильного агента сушарки. Корегування технологічного процесу сушіння шляхом зволоження лісоматеріалу чи припинення його нагрівання в процесі сушіння за допомогою пропонованого способу дозволить запобігти розтріскування деревини та вести технологічний процес максимально інтенсивно при високій якості сушіння.

Для практичної реалізації запропонованого методу сушіння колод було розроблено на базі сучасної мікропроцесорної техніки відповідний пристрій, який складається з наступних елементів (рис. 7): два кондуктометричних датчика вологості деревини, які мають електроди: Датчик 1, Датчик 2, "Земля"; підсилювачі 1 та 2, диференціальний підсилювач 3, модуль абсолютного значення сигналу 4, компаратор 5, задатчик допустимої різниці сигналів 6, регулятор, датчик температури повітря ("сухий") Тс, датчик температури повітря ("змочений") Тм, зволожувач, калорифер та вентилятор.

Рис. 7. Пристрій для сушіння колод

В схемі пристрою чутливі елементи датчиків вологості виконані у вигляді шурупів - електродів (Датчик 1, Датчик 2, "Земля"); підсилювачі реалізовані на мікросхемах А1 та А2 (типу 544УД1), резисторах Я1-Я6 та діодах УБ1, УБ2; диференціальний підсилювач виконано на мікросхемі А3 (типу МА740), та резисторах 117-116; модуль абсолютного значення сигналу виконано на мікросхемах А4, А5 (типу МА740), діодах УБ3, УБ4 (типу КД503) та резисторах 1111-1115; компаратор виконано на мікросхемі А6 (типу МА740); задатчик допустимої різниці сигналів виконано на потенціометрі Ю6; регулятор виконано на базі мікропроцесорного контролеру типу МПР 51. Зволожувач, калорифери та вентилятори підбираються з серійно виготовлених під необхідний об'єм камери.

По периметру поверхні лісоматеріалу симетрично встановлюють чутливі елементи датчиків вологості (шурупи - електроди: Датчик 1, Датчик 2, "Земля") які підключені до підсилювачів 1 та 2. Задатчиком 6 встановлюють нульове значення на виході компаратора 5. Після включення регулятора, вентиляторів, калорифера і зволожувача регулятор приймає сигнали від датчиків температури Тс, Тм і видає керуючі сигнали для регулювання режимів роботи калорифера і зволожувача. Регулятор, типу МПР 51, дозволяє реалізувати необхідні режими сушіння деревини за заданим технологічним графіком. В процесі висушування деревини, в ній утворюються ділянки з різним вмістом вологи. Нерівномірність вологи по перетину призведе до відхилення початкової різниці опору між електродами, (Датчик 1 - "Земля", Датчик 2 - "Земля"). Зміна опору призведе до збільшення різниці потенціалів напруги на входах підсилювачів 1 і 2. На виході диференціального підсилювача 3 при цьому з'явиться посилена напруга різниці сигналів сЮ = ІІ1 - ІІ2, яка пропорційна різниці у вологості окремих ділянок деревини лісоматеріалу. Оскільки полярність різниці сигналів може бути різною, пристрій доповнено модулем абсолютного значення сигналу 4, з виходу якого, сигнал сЮ = П1-П2, завжди позитивної полярності поступає на вхід компаратора 5, в якому порівнюється з сигналом задатчика 6 допустимої різниці сигналів датчиків вологості. При перевищенні різниці сигналів датчиків вологості допустимого заданого значення (сСЮ > ІІзад.) з виходу регулятора подається сигнал на включення зволожувача і (або) вимкнення калорифера. Цей сигнал подається в разі вимкненого зволожувача чи включеного калорифера, які працюють за основним поточним технологічним режимом.

Корегування основного технологічного процесу сушіння (зволоження лісоматеріалу чи припинення його нагрівання в процесі сушіння) за допомогою запропонованого пристрою дозволить запобігти розтріскування деревини, та вести технологічний процес максимально інтенсивно при високій якості сушіння.

Експериментальні дослідження проводилися в лабораторному сушильному пристрої. Дослідні зразки діаметром 14 см, що не були обкоровані висушувалися імпульсним режимом з розрахунку: 12 год - за постійної температури ґс = 60°С, потім нагрів виключався і матеріал вистигав протягом 12 год у замкненому пристрої. Протягом фази сушіння постійно підтримувалось значення температури сушильного агента, відносну вологість повітря не коригували, лише реєстрували значення температури змоченого термометра, яке змінювалося в межах 50°С < ґм < 58°С Вибір такого режиму пояснюється не лише складністю слідкування за процесом в нічний період, але й релаксацією виникаючих напружень після зняття теплового навантаження, тобто зниження температури обробки.

Відомо, що наявність серцевинної трубки сприяє розтріскуванню круглого сортименту, а у випадку імпульсної подачі теплоти перерозподілення вологи за перетином протягом "відпочинку" - сприяє зволоженню поверхневих зон і зменшенню поверхневих розтягуючих напружень.

Для перевірки ефективності роботи імітаційної моделі було проведено сушіння дослідних колод в сушильній камері, з використанням описаного вище пристрою контролю вологості матеріалу. Результати досліджень приведені на рис. 7-8.

Рис. 7. Залежність внутрішніх напружень ад та Ог від вологості сортименту на його поверхні 1Ґп, та всередині 1Ґц, під час сушіння (зразок 1)

Обчислення значень вологості на зразках проводилось між точками 11-21(иі), 11-31(и2) та 21-31(с) колоди.

Бачимо, що протягом сушіння круглих сортиментів змінюється знак напружень аналогічно розвитку внутрішніх напружень під час сушіння пило продукції. Між експериментально виміряними значеннями вологості сортименту (на поверхні Уп та в центрі гҐц) та розрахованими величинами внутрішніх напружень - Од ,ог згідно запропонованої імітаційної моделі сушіння існує кореляційна залежність. Значення коефіцієнтів кореляції наведені в табл. 3.

Рис. 8. Залежність внутрішніх напружень ад та Ог від вологості сортименту на його поверхні 1Ґп, та всередині 1Ґц, під час його сушіння (зразок 2)

Рис. 9. Залежність внутрішніх напружень ад та Ог від вологості сортименту на його поверхні Уп, та всередині УЦ, під час його сушіння (зразок 3)

У зразків №2 і №3 отримані розрахункові величини тангенціальних о> і радіальних аг напружень не перевищують межі міцності, оскільки перепад вологості А У між центром УЦ і поверхнею Уп був незначним. Так, у зразка 2 він становив А 㥠= 1% в кінці процесу, а у зразка №3 - А 㥠= 0,6%. Відповідно, в цих випадках зразки були висушені без тріщин - рис. 10.

Таблиця 3

Значення коефіцієнтів кореляції між вологістю сортименту та внутрішніми напруженнями

Зразок №1 мав поверхню частково очищену від кори, тому вона швидше висихала. Перепад вологості за перетином був значним на протязі сушіння і в кінці процесу дорівнював АгУ=10%, що призвело до виникнення значних розтягуючих напружень на поверхні, які майже вдвічі були більшими за межу міцності. Це призвело до утворення тріщини - рис. 11.

Рис. 10. Зразки №2 (зліва) і №3 після висушування до середньої вологості Wсер = 22%

Рис. 11. Зразок №1 після висушування до середньої вологості Wсер = 21%

Отже, застосовуючи запропонований спосіб вимірювання вологості та розрахунку внутрішніх напружень можна досягти бездефектного сушіння круглих лісоматеріалів.

Підсумовуючи теоретичні та експериментальні дослідження сушіння круглого лісу можна зробити висновок, що розроблена імітаційна модель сушіння круглого лісу, дозволить оперативно розраховувати величину сушильних напружень та прогнозувати їх розвиток за різних початкових умов, а її реалізація - визначити вплив кожного з досліджуваних факторів без натурних експериментів і вибирати оптимальні режими оброблення, які б забезпечували задану якість сушіння.

Запропонований метод контролю внутрішніх напружень в круглих лісоматеріалах шляхом контролю поверхневої вологості сортименту та вологості в його центрі дозволить проводити дослідження впливу різних способів і режимів сушіння для забезпечення бездефектного проведення процесу. Для практичної реалізації запропонованого методу сушіння колод було розроблено на базі сучасної мікропроцесорної техніки пристрій, що дозволяє запобігти розтріскуванню деревини та вести технологічний процес максимально інтенсивно.

Експериментальна перевірка запропонованої моделі сушіння круглих сортиментів підтвердила її адекватність, а саме можливість досягнення якісного сушіння круглих сортиментів у разі проведення процесу з незначним перепадом вологості за перетином.

Отримані результати можуть бути використані для подальшої розробки технології та режимів сушіння круглих сортиментів різних порід деревини, які б дозволяли отримати якісно висушений матеріал.

Размещено на Allbest.ru