Автоматизація процессу сушки деревини

Для записів доцільно використовувати спеціальні журнали і карти сушіння, що рекомендовані “Керівними матеріалами по камерному сушінню пиломатеріалів”.

1.7 Вплив сушіння деревини на її міцність

Міцність деревини залежить в основному від її породи, температури та вологості. При сушінні вологість та температура деревини змінюються, тому її міцність також не залишається постійною. Зміна міцності деревини спостерігається лише в діапазоні вологості нижче зони гігроскопічності, при чому зниження вологості приводить до суттєвого збільшення міцності. Зміна вологості в діапазоні вище зони гігроскопічності не впливає на міцність деревини.

Зміни міцності, пов'язані з вологістю, зворотні, тобто при зволоженні сухої деревини знижується її міцність, а при наступному висушуванні попередні міцнісні показники повністю відновлюються.

Підвищення температури приводить до пониження міцності деревини. Короткочасний вплив не досить високої температури дає зворотні зміни міцності. З підвищенням температури та тривалості її впливу в деревині відбуваються незворотні процеси, що призводять до зміни її міцністних показників при наступній експлуатації [4,70].

Тому розрізняють міцність деревини в процесі обробки при тому чи іншому стані та експлуатаційну міцність, котру має деревина після доведення її вологості та температури до експлуатаційних норм.

Міцність деревини в процесі обробки підвищується з пониженням температури та вологості. Це добре ілюструє діаграма (рис. 1.9.) межі міцності деревини берези при розтягненні поперек волокон (тангенціальний напрям). Так межа міцності холодної сухої деревини вище межі міцності гарячої сирої деревини в 15-20 разів. Для інших показників механічних властивостей деревини та інших порід характер зміни міцності та їх співвідношення можуть коливатися в широких межах.

24

Рис. 1.9. Діаграма межі міцності деревини берези при розтягненні поперек волокон в тангенціальному напрямі

На експлуатаційну міцність деревини здійснюють вплив її порода, вологість та характер попереднього сушіння. В якості еталону експлуатаційної міцності прийнято вважати міцність деревини, яка не підлягала впливу підвищеної температури нижче 60° С не знижує її експлуатаційну міцність незалежно від тривалості сушіння. Вплив більш високої температури починає з'являтися, якщо тривалість сушки при t=80° С перевищує 40-50 год, а при t = 120° С - 2-3 год.

Ступінь зниження міцності деревини залежить від породи, вологості, температури та тривалості сушіння. Так, наприклад, в високо інтенсивних процесах сушіння, коли температура складає 120-130° С при тривалому впливі 30-60 год., показники механічних властивостей деревини понижуються: при розтягненні, стисненні та статичному згині на 5-8%, а при сколуванні та розколуванні - на 15-20% [4,75].

1.8 Особливості розрахунку продуктивності за врахуванням роботи сушильних камер

Продуктивність сушильної камери П, в якій висушуються пиломатеріали конкретної характеристики та визначеного призначення, визначається в кубічних метрах деревини за рік виразом

, (6)

де 335-- число діб роботи камери в році; - тривалість одного обороту камери при сушінні фактичного матеріалу, діб; в камерах неперервної дії вона дорівнює тривалості сушіння, а в камерах періодичної дії - тривалості сушіння, збільшеної на час завантаження і розвантаження камери, що складає 0,1 доби; Е-- місткість сушильної камери, м3 деревини.

Вести облік роботи сушильних камер, безпосередньо використовуючи вираз (6), досить складно. Конкретне підприємство висушує пиломатеріали різноманітної специфікації. Тому величини Е і нестабільні. [1]

Місткість камери залежить від розмірів матеріалу, а тривалість обороту від режиму процесу і характеристики матеріалу.

Облік і планування роботи сушильних камер прийнято вести в кубічних метрах умовного матеріалу. Умовному матеріалу еквівалентні соснові обрізні дошки товщиною 50 мм, шириною 160 мм, довжиною більш 1 м, II категорії якості, що висушуються від початкової вологості 60% до кінцевої 12%.

Кількість фактично просушених пиломатеріалів Ф переводиться у кількість умовного матеріалу У по співвідношенню

, (7)

Отже, для перекладу фактичного обсягу деревини в обсяг умовного матеріалу необхідно встановити місткість камери на умовному (Еум) і фактичному (Еф) матеріалі, а також тривалість сушіння умовного (ум) і фактичного (ф) матеріалу.

Місткість камери Е (м3 деревини) визначають по рівнянню

Е=Г , (8)

де Г-- обсяг штабелів, одночасно розміщених в камері;

-- коефіцієнт об'ємного заповнення штабеля.

В свою чергу

Г=lbhn, (9)

де lbh--довжинаа, ширина і висота; п--число штабелів у камері.

При визначенні величини варто мати на увазі, що розрізняють два показники місткості камери: по обсязі сирих пиломатеріалів і по обсязі товарних пиломатеріалів. Другий показник менше першого на величину об'ємної усушки деревини, при зміні її вологості від межі насичення до транспортної вологості. Облік роботи камер ведуть по товарних пиломатеріалах.

З урахуванням цієї обставини коефіцієнт об'ємного заповнення штабеля розраховують по формулі

=дшв 0,93, (10)

де д,,ш, в - коефіцієнти заповнення штабеля по довжині, ширині і висоті;

0,93 - коефіцієнт, що враховує об'ємну усушку деревини.

Коефіцієнт заповнення штабеля по довжині д приймається рівним: для неторованих пиломатеріалів, а також пиломатеріалів і заготівок, несортованих по довжині - 0,85; для матеріалу однакової довжини (наприклад, заготівок) - 1.

Коефіцієнт заповнення штабеля по ширині визначають по табл.2.7.

Коефіцієнт заповнення штабеля по висоті при товщині прокладок 25 мм розраховують по відношенню

, (11)

де S - товщина пиломатеріалів, мм.

Таблиця 1.7.

Значення коефіцієнта ш

Тривалість сушіння умовного і фактичного матеріалу знаходять розрахунком по таблицях. Облік висушених пиломатеріалів ведуть паралельно в обсязі фактичного й обсязі умовного матеріалу. В обліковому журналі сушильного цеху реєструють фактичний обсяг і характеристику кожного вивантаженого із сушильної камери штабеля. Цей обсяг перераховують в обсяг умовного матеріалу [4,63].

Таблиця 1.8.

Питома продуктивність сушильних камер в умовному матеріалі

Кількість висушеної в даний момент деревини (в тому числі в обсязі умовного матеріалу) підсумовують з обсягом деревини, висушеної від початку звітного періоду (місяця, кварталу). Кількісна оцінка роботи сушильного цеху за місяць, квартал чи рік виконується порівнянням фактичного випуску з плановою продуктивністю камер в умовному матеріалі.

Планову продуктивність камери Пум у м3 умовного матеріалу в рік розраховують по формулі

, (12)

де - питома продуктивність камери в рік в умовному матеріалі, на 1 м3 обсягу штабелів; значення для камер основних типів приведені в табл. 1.8.

1.9 Вдосконалення схеми

Після дослідження існуючої установки сушіння пиломатеріалів, та визначення незручностей пов'язаних з процесом, зокрема точність вимірювання температури, визначення вологості було змінено способи та засоби збору технологічних параметрів.

На даний момент температура в камері вимірюється ртутними термометрами, які в силу своєї моральної застарілості незручні у використанні. Вологість вимірюється психометричним способом, оператор знімає значення з вологого та сухого термометрів і по психометричним таблицям визначає вологість в камері. Цей процес потребує певного періоду часу, і має досить велику похибку обумовлену багатьма чинниками, такими як похибка термометрів, похибка паралаксу. Також використання даного методу дає можливість отримання значення вологості лише в певній частині сушильної камери. Використання електронних давачів вологості дозволяє усунути ряд похибок, тим самим робить процес вимірювання вологості швидшим та значно точнішим, відпадає потреба у використанні психометричних таблиць. Також відбулися зміни у вимірюванні температури, після автоматизації значення температури знімаються цифровими давачами, значення яких обробляється мікроконтролером, що дає високу швидкість та точності обробки інформації.

Для більшої швидкості та точності регулювання температури в камері запропоновано встановити електрокалорифер роботу якого контролює КМС.

1.10 Рекомендації з проведення камерного сушіння

Технологія камерного сушіння містить у собі підготовку штабеля сирого і збереження висушеного матеріалу, проведення прогріву, кондиціонування і безпосередньо сушіння деревини.

В даний час існує достатня кількість режимів сушіння деревини різних порід. Вони відрізняються рівнем температурно-вологісних параметрів середовища і числом змін цих параметрів протягом процесу, тобто кількістю ступіней. Загальним є принцип побудови режимів, заснований на безпечному для цілісності деревини поступовому підвищенні температури і зниженні вологості агента сушіння.

Режими розроблені і можуть безпосередньо застосовуватися в “ідеальній камері”. У реальних камерах необхідна доробка, прив'язка режимів з обліком конкретних конструктивних особливостей. Так той самий режим у різних камерах може привести до прискореного сушіння, що приводить до браку, чи до уповільненого з перезволоженням матеріалу і завищеною витратою теплоносія. Тому основною задачею технолога є підбор оптимального режиму індивідуально для кожної камери.

При виборі режиму сушіння необхідно виходити з раціонального сполучення наступних факторів: необхідної

якості матеріалу, що висушується, обумовленими нормами вимог до якості сушіння; категорії режимів сушіння, що забезпечує необхідну якість сушіння при заданій тривалості процесу, і конструкції камери, здатної висушувати матеріал по визначеній категорії якості не перевищуючи режимну тривалість. Крім технологічних особливостей використання того чи іншого режиму варто враховувати й економічні аспекти - рентабельність застосування режимів різної інтенсивності [4,178].

2. Дослідження динамічних властивостей об'єкту автоматизації

2.1 Лісосушильна камера як об'єкт регулювання

Першочергова задача автоматичного регулювання процесу сушіння - стабілізація режиму сушіння. Для цього встановлюються регулятори, які повинні забезпечити підтримання заданих по режиму температури і відносної вологості на певному рівні. В більшості випадків для цієї мети використовуються стандартні регулятори. Тип регулятора, закон регулювання та параметри настройки вибирають з врахуванням статичних і динамічних властивостей сушильних камер і вимог, що висуваються до системи регулювання.

Динамічні характеристики визначають по диференціальним рівнянням об'єктів - рівняння зв'язку між його вхідними і вихідними величинами або експериментально, коли ці рівняння отримати важко. Визначати динамічні характеристики дослідним шляхом можна при автоматизації діючих установок.

При необхідності визначити динамічні параметри об'єктів регулювання в процесі їх проектування застосовуються тільки аналітичні методи. Можливість визначити динамічні характеристики установки по її технологічним і конструктивним параметрам дозволяє не тільки вирішувати задачі автоматичного регулювання, але й в деяких випадках впливати на конструкцію установки. При цьому можна використовувати отримані результати для подібних об'єктів інших типів. Сукупність аналітичних і експериментальних методів дослідження динамічних властивостей об'єкта дозволяє більш достовірно визначити його параметри [7,79].

Розглянемо лісосушильну камеру як об'єкт регулювання температури агенту сушіння.

Кількість тепла, яке передається від калорифера в камеру за час dt визначається рівнянням теплового балансу

=kKFK ( П - С ) dt, (13)

де kK - коефіцієнт теплопередачі калориферу, ккал/м2град;

FK - поверхня калорифера, м2;

П і С -- температура пари в калорифері й агента сушіння в камері, °С.

Розглядаючи динаміку об'єкта по каналі «температура пари-- температура агента сушіння в камері», припускають, що температура агента сушіння по обсязі однаковий і відхилення температури парі невеликі: П= п.о. ± ДП.

Тепло, передане в камеру від калорифера за нескінченно малий проміжок часу dt, витрачається на:

нагрівання калорифера cMmК dК;

металу в камері cMmM dС;

покриття втрат kОГFОГ (K - НАР) dtК;

теплообмін з деревиною бFД = (К - Д) dt.

Рівняння теплового балансу запишеться:

kК(п.о±ДП-С)dt = cMmКdК+cMmМ dС+ kОГFОГ (С - НАР)dt+ бFД (С -д)dt (14)

Перепишемо рівняння (14) у вигляді:

kК(п.о ± ДП - С) dt = cMmК (dК) / dt +cMmМ (dС) / dt + kОГFОГ (С -НАР)+ бFД (С -д), (15)

де сМ - теплоємність металу; тк - маса металу в камері, кг; FОГ - поверхня огороджень, м2; НАР -- температура зовнішнього середовища, °С; kОГ -середній коефіцієнт теплопередачі огороджень; б - коефіцієнт теплообміну деревини в процесі сушіння; FД - поверхня деревини, м2; д -- температура деревини.

В встановленому режимі, коли dК/dt=0, рівняння (15) буде:

kKFK ( П.О- СО )= kОГFОГ (СО- НАР) + бFД (СО- д) dt (16)

При невеликих змінах температури агента сушіння в камері Д=const.

Із рівняння (15) і (16) отримаємо:

ДС=П(17)

Позначимо = , тоді

при Дк= ДП та

Рівняння (17) набуде вигляду :

=k0 ДП;

, (18)

де Т -- постійна часу.

З рівняння (18) очевидно, що по каналі «температура пара -- температура сушильного агента» у камері об'єкт є інерційною ланкою.

Розглянута математична модель не враховує час запізнювання в реальних умовах. Тому модель можна записати в загальному виді:

С(t)=k0 ДП(t-); (19)

Таким чином, камера періодичної дії може бути представлена послідовним включенням аперіодичної ланки і ланки чистого запізнювання.

При виводі рівнянь прийняти, що при малих змінах температури агента сушіння в камері, за короткі проміжки часу, температура деревини залишається постійної. У цьому випадку теплоємкість не робить впливу на інерційність камери [7,90].

2.2 Розрахунок контуру регулювання температури

Контур регулювання температури містить в собі давач температури та позиційний регулятор.

Розглянемо детальніше регулятор. Позиційні регулятори працюють по принципу “ввімкнено-вимкнено”. Їхня реалізація здійснюється за допомогою контактних та безконтактних релейних елементів. Позиційні регулятори бувають дво-, трьох- та багатопозиційні.

В системі регулювання вибираємо двопозиційний регулятор. Регулятор настроюється так, щоб його статична характеристика була розміщена кососиметрично відносно заданого приросту регулюємої величини, а значення µ та е відраховувались в приростах від умовної рівноваги об'єкту регулювання, що відповідає розрахунковим значенням µ0 та е0 ,прийнятим за початок відліку.

Статична характеристика двопозиційного регулятора з зоною неоднозначності:

, (20)

З попереднього рівняння видно, що двопозиційні регулятори постійно здійснюють на об'єкт регулювання вплив, відмінний від значення необхідного для рівноважного стану системи (е=0). В результаті цього автоматична система з двопозиційним регулятором працює в автоколивальному режимі в околі її рівноважного положення. Статична характеристика µ=f(е) зображена на рис. 2.1.

Для визначення оптимальних параметрів настроювання регулятора складемо структурну схему автоматичної системи з регулятором (рис. 2.1)

24

Рис.2.1 Статична характеристика двопозиційного регулятора з зоною неоднозначності

24

Рис.2.2. Структурна схема автоматичної системи з двопозиційним регулятором

В першому наближенні об'єкт регулювання ОР (вакуумна камера) описується передаточною функцією

, (21)

де

kоб - коефіцієнт передачі об'єкта регулювання;

ф0 - стала запізнення об'єкта регулювання;

Т - постійна часу об'єкта регулювання.

Розрахуємо kоб, використовуючи формулу (16):

, (22)

де kK - коефіцієнт теплопередачі калориферу, kK =13 ккал/м2град;

FK - поверхня калорифера, FK =12 м2;

kог - середній коефіцієнт теплопередачі огороджень kог=2;

б - коефіцієнт теплообміну деревини в процесі сушіння

б=5,1ккал/год·м2·град;

FД - поверхня деревини, FД =80 м2.

Постійна часу об'єкта буде рівна:

хв, (23)

Згідно характеристик лісосушильної камери вибираємо, що відношення

. Тоді хв, (24).

Параметри позиційного регулятора вибираємо за допомогою середовища MATLAB. У середовищі MATLAB система регулювання має вигляд (рис. 2.3.).

Рис. 2.3. Зовнішній вигляд системи регулювання в середовищі 3MATLAB.

Опишемо блоки зображені на рисунку:

1- генерує одноступінчату вхідну функцію (одиничний стрибок);

2- суматор;

3- блок, який реалізує двопозиційне реле з зоною неоднозначності;

4- блок, який описує передаточну функцію виконавчого механізму;

5 і 6 - блоки які описують передаточну функцію об'єкта регулювання.

7 - блок, що реалізує графічне відображення результатів дослідження;

8,9 - блоки, що описують передаточні функції перетворювача та давача.

Ввівши розраховані в рівняннях (22), (23) та (24) коефіцієнти в відповідні блоки отримали перехідну характеристику (рис 2.4).

Рис.2.4. Перехідна характеристика вакуумної камери побудована за допомогою моделювання в MATLAB.

Проведемо деякі дослідження системи на стійкість за допомогою все тієї ж програми MATLAB. Спершу перевіримо систему на стійкість за загальною умовою стійкості, для цього побудуємо карту нулів та полюсів системи:

Рис.2.5. Карта нулів та полюсів системи.

На основі загальної умови стійкості та рис.2.5 можемо зробити висновок, що система є стійкою, оскільки всі корені характеристичного рівняння (нулі системи) знаходяться в лівій частині комплексної площини коренів.

Проведемо більш детальні дослідження і визначимо запаси стійкості системи по амплітуді та фазі. Для цього в середовищі MATLAB побудуємо графіки АЧХ та ФЧХ системи:

Рис. 2.6. АЧХ та ФЧХ системи

З побудованих графіків ми бачимо, що запас стійкості по амплітуді складає: Lзап=10 Дб, а запас стійкості по фазі: fзап=220 градусів. Дані значення перевищують мінімально допустимі, а тому можна сказати, що система є стійкою.

3. Проектування автоматизованої системи керування процесом сушіння деревини

3.1 Вибір та обґрунтування структури системи управління та її опис.

Камерне сушіння деревини -- складний технологічний процес, для якого характерні наступні особливості: багатоманітність параметрів, їхній складний взаємозв'язок, наявність не контрольованих зовнішніх збурень. Модель такого складного об'єкту можна характеризувати сукупністю наступних параметрів:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8