Скачати повний текст

Розроблено математичні моделі, необхідні для аналізу тепло- та масообмінних процесів у теплонасосній установці для сушіння деревини. Проведено експериментальні дослідження впливу вологи на конвективний теплообмін під час проходження вологого повітря у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчатими ребрами. Для розрахунку конвективного теплообміну з урахуванням вологовипадання запропоновано поправковий коефіцієнт, який дозволяє урахувати комплекс явищ, що виникають під час випадіння вологи на поверхні теплообміну. Розроблено методику проектування теплонасосної установки для сушіння деревини, придатність якої підтверджено результатами числового моделювання, а також результатами попередніх випробувань дослідно-промислового зразка. Запропоновано оптимальні закони керування процесом сушіння, які дозволяють знизити енергоспоживання теплонасосної установки у порівнянні з традиційним регулюванням на 22 %.

Розглянуто науково-технічну проблему підвищення ефективності конвективного сушіння пиломатеріалів, що дозволяє значно зменшити витрати теплової енергії та одержати високоякісні матеріали для виготовлення виробів з деревини. На підставі аналізу теоретичних положень конвективного сушіння та проведених експериментальних досліджень, знайдено величини коефіцієнтів сушіння, вологопровідності та вологовіддачі, що дає можливість уточнення теоретичних рівнянь визначення тривалості сушіння деревини для атмосферного та наступного камерного способу. Уточнено методику визначення вологообмінних коефіцієнтів з експериментальних кривих сушіння та кривих швидкості сушіння. Розроблено рекомендації щодо створення науково обгрунтованої перманентної (наскрізної) технології комбінованого атмосферно-камерного сушіння пиломатеріалів м'яких хвойних порід на прикладі осини.

Розроблено ресурсоощадну технологію конвективного сушіння пиломатеріалів з заданими показниками його якості. Установлено, що дослідження сушіння пиломатеріалів як детермінованого процесу не дозволяє оцінити всі необхідні показники якості сушіння. Запропоновано розглядати даний процес як нестаціонарний випадковий, зумовлений імовірнісними характеристиками їх початкової вологості й агента сушіння в камерах, що дає змогу оцінити необхідні вологісні показники сушіння до проведення процесу. Розроблено метод аналітичного розрахунку кінетики сушіння пиломатеріалів хвойних і листяних порід деревини у низькотемпературних камерах, алгоритм розрахунку дисперсії кінцевої вологості пиломатеріалів, що висушуються у цих камерах, який передбачає врахування випадкових початкових і граничних умов. Наведено методику вибору квазіоптимального режиму сушіння, що забезпечує якість сушіння за показниками обраної категорії, рекомендації щодо вдосконалення аеродинамічних характеристик лісосушарок, експрес-метод попереднього оцінювання якості сушіння пиломатеріалів за даними фактичного розсіювання початкової вологості у партії матеріалу та швидкості циркуляції сушильного агента у штабелі пиломатеріалу. Запропоновано методи та засоби експрес контролю за вологісним і напруженим станом пиломатеріалів. Результати роботи використовуються з метою покращання якості процесу конвективного сушіння пиломатеріалів, ощадження енергетичних і сировинних ресурсів на виробництві.

Освещены проблемы разработки и применения теплонасосной технологии в установках сушки древесины. Приведены различные схемы традиционных и теплонасосных сушильных установок, изучена их термодинамическая эффективность. Уделено внимание анализу теплонасосных схем сушильных установок с частичной и полной рециркуляцией сушильного агента, а также схем с байпасированием теплового насоса. Определены условия достижения максимальной термодинамической эффективности теплонасосных схем сушильных установок в зависимости от технологических параметров сушки различных пород древесины. Приведены результаты технико-экономического исследования эффективности применения теплонасосных схем установок сушки древесины.

Проаналізовано схему теплонасосної сушильної установки для сушіння деревини з повною рециркуляцією відпрацьованого сушильного агента і байпасуванням теплового насоса. Термодинамічний аналіз показав, що застосування такого варіанта включення теплового насоса в сушильний тракт приводить до істотного підвищення термодинамічної ефективності сушарки у порівнянні зі схемами теплонасосних сушарок для сушіння деревини із частковою рециркуляцією. Сформульовано умови досягнення максимальної ефективності роботи теплонасосної сушильної системи.

Викладено результати теоретичних та експериментальних досліджень конвективного сушіння шпону та подрібненої деревини, із використанням автономних джерел теплової енергії. За результатам досліджень, встановлено швидкості сушіння та коефіцієнти сушіння, що дозволяє синтезувати математичні моделі визначення тривалості сушіння шпону в І та II періодах. Експериментально знайдено залежності швидкості сушіння подрібненої деревини в барабанних та аерофонтанних сушарках від температури агента сушіння на вході та виході та вологості деревини. Розроблено режимні параметри процесів сушіння, визначено теплову потужність агрегатів теплової енергії.

Розроблено нову математичну модель визначення напружено-деформівного стану деревини під час сушіння, яка, на відміну від інших, враховує пружні, в'язкопружні, пластичні деформації та деформації матеріалу, зумовлені механізмом сорбційної повзучості. Вперше розроблено математичну модель реологічної поведінки деревини, яка враховує швидкість зміни вологості та механізм нагромадження незворотних деформацій матеріалу за змінних температурно-вологісних умов. Вперше розроблено алгоритм методу скінченних елементів для двовимірної пружнов'язкопластичної області деформування деревини з врахуванням механізму сорбційної повзучості, який дозволяє здійснити аналіз деформаційно-релаксаційних і тепломасообмінних процесів у висушуваній деревині з врахуванням швидкості зміни вологості та анізотропії змінних тепломеханічних характеристик матеріалу. Вперше досліджено двовимірний пружнов'язкопластичний стан деревини під час сушіння з урахуванням анізотропії змінних тепломеханічних характеристик матеріалу та механізму сорбційної повзучості, що дозволяє встановити нові закономірності впливу технологічних параметрів процесу сушіння та розвиток нормальних і тангентальних напружень матеріалу. Сформульовано та розв'язано нову задачу оптимізації знаходження технологічних режимів процесу сушіння деревини з урахуванням обмеження на напруження висушуваного матеріалу.

Увагу приділено розробці теоретичних моделей та методик розрахунку, необхідних для аналізу ефективності використання теплових насосів в установках конвективного низькотемпературного сушіння деревини в камерах періодичної дії. Проведено теоретичні дослідження термодинамічної й енергетичної ефективності роботи теплонасосних сушильних систем в першому та другому періоді сушіння за відкритою утилізаційною схемою, схемами з частковою та повною рециркуляцією та байпасуванням теплового насоса. Проаналізовано вплив зміни температури навколишнього середовища, втрат теплоти сушильної камери, вплив теплових необоротностей у тепловому насосі, величини байпасування на термодинамічну ефективність роботи теплонасосних схем сушіння. Визначено умови досягнення максимальної термодинамічної ефективності під час роботи теплонасосних сушильних систем. Розроблено методику оцінки питомих витрат енергії на випаровування 1 кг вологи для ряду найбільш енергоефективних систем. Одержано табличні дані для кількісної оцінки енергоефективності роботи розглянутих схем теплонасосних сушарок для найбільш розповсюджених порід деревини й їх сортаментів, що можуть використовуватись як розрахункові показники за проектування теплонасосних сушильних систем та оперативної оцінки питомих енергозатрат сушильного процесу.

Увагу приділено вирішенню наукової задачі математичного моделювання деформаційно-релаксійних і тепломасообмінних процесів у гігроскопічних капілярно-пористих матеріалах як анізотропних трифазних середовищах, що має важливе значення для розроблення й обгрунтування енергоощадних технологій гідротермічного оброблення деревини із забезпеченням необхідної якості продукції. Сформульовано математичну модель тепломасоперенесення для періодів сталої та спадаючої швидкості сушіння капілярно-пористих матеріалів. Побудовано математичну модель реологічної поведінки деревини як трифазного середовища з врахуванням анізотропії тепломеханічних характеристик. Розроблено прикладне програмне забезпечення для числової реалізації математичних моделей на основі адаптації методу скінченних елементів. Об'єктно-орієнтоване програмне забезпечення базується на задокументованих класах, що уможливлює їх повторне використання. Показано задовільну узгодженість результатів математичного моделювання з відомими експериментальними дослідженнями для часткових випадків, що підтверджує адекватність побудованих математичних моделей. Розв'язано важливу для процесу сушіння задачу визначення в'язкопружного деформування деревини як трифазної системи з врахуванням анізотропії тепломеханічних характеристик. Встановлено нові закономірності впливу технологічних параметрів сушіння на процеси в'язкопружного деформування та тепломасоперенесення у твердій, рідкій і паровій фазах для деревини.

Запропоновано конструкцію сушильної камери для деревини, у якій за додаткове джерело теплової енергії використано сонячний колектор. Також у цій установці передбачено часткову утилізацію тепла відпрацьованого теплоносія на нагрів повітря, що подається в сушильну камеру. Таке виконання дозволяє знизити встановлену потужність електроприводу аеродинамічного рециркуляційного нагрівача та заощадити на витраті електроенергії для його роботи. Запропоновано методику й алгоритм здійснення оптимального управління тепломасообмінним процесом робочої камери запропонованої сушарки. Вибрано ефективні режими сушіння.

Увагу приділено визначенню тривалості низькотемпературного сушіння пилопродукції шляхом врахування технологічних особливостей процесу та ймовірнісних початкових і граничних умов. Встановлено можливість низькотемпературного сушіння пилопродукції представляти як релаксаційний процес. Визначено, що в процесах сушіння деревини наявний активаційний механізм, та знайдено числові значення енергії активації для різних порід деревини. Одержано середні розміри порожнин деревини, що беруть участь у процесі видалення вологи під час низькотемпературного сушіння, та встановлено взаємозв'язок між розмірами порожнин і часом релаксації. Запропоновано метод розрахунку тривалості низькотемпературного сушіння на основі розв'язку рівняння поточної вологості пиломатеріалів з урахуванням термодинамічних особливостей проходження процесу. Вперше одержано значення коефіцієнта, що враховує нерівномірність розподілення аеродинамічного поля в камері, та дисперсію початкової вологості пиломатеріалів - для уточнення традиційного табличного методу розрахунку тривалості сушіння, що продовжить життєвий цикл виробів з деревини та збереже лісові ресурси.

Розроблено та вдосконалено метод синтезу нечіткого регулятора, який забезпечує задану якість управління сушінням капілярно-пористих матеріалів (КПМ) в конвекційній сушарці періодичної дії та дозволяє створювати системи управління, що грунтуються на експертних знаннях. Удосконалено метод аналізу чутливості оптимального управління в лінійній системі за квадратичного критерію якості, який дозволив одержати умови нечутливості цього управління в замкненій системі щодо малих змін параметрів. Показано, що в загальному випадку необхідно спільне дослідження чутливості функціонала, що оптимізується, та чутливості оптимальної траєкторії руху. Запропоновано алгоритм синтезу нечітко-логічного регулятора, що дозволяє використовувати стандартну форму опису лінгвістичних змінних і мінімальний набір керуючих правил. Здійснено синтез нечітких регуляторів з оптимізацією їх параметрів і структури та запропоновано структурну схему нечіткого контролера. Розроблено імітаційні моделі процесу сушіння КПМ, що описують зміну температури та вологості за природної та комбінованої циркуляції сушильного агента в камерній сушарці періодичної дії, які використовуються для налаштування адаптивних нечітких регуляторів. Синтезований адаптивний нечіткий регулятор стабілізації температури сушильного агенту дозволяє в широкому діапазоні збурювальних факторів одержати мінімальний покращений критерій якості системи управління в порівнянні з класичним регулятором.

Наведено математичну модель тепломасоперенесення у капілярно-пористих тілах для сушіння з урахуванням руху зони випаровування. Одержано аналітичні розв'язки нелінійних задач тепломасоперенесення для нестаціонарних режимів сушіння. Досліджено вплив тривалості етапів режимів сушіння на температуру фазового переходу в деревині.

Разработаны рекомендации по выбору оптимальных направления и угла наклона солнечного коллектора сушильной камеры при затенении препятствиями. Зависимости получены для препятствий, имеющих силуэты в виде прямоугольника и ступеньки. Учтена задержка части прямого солнечного излучения препятствиями. Полученные зависимости могут применяться при проектировании солнечных сушильных камер для древесины, расположенных в населенных пунктах.

Визначено шляхи інтенсифікації процесу зневоднення енергетичних порід деревини для одержання твердого біопалива та вплив на процес сушіння режимних параметрів сушильного агента, розмірів та форми сировинного матеріалу, питомого навантаження на сушильну поверхню.

Індекс рубрикатора НБУВ: М130.331

Рубрики:

Конвективне сушіння деревини. Камерне сушіння деревини

Шифр НБУВ: ДС50107 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Роботу присвячено розв’язанню актуального науково-практичного завдання інтенсифікації процесу сушіння деревини дуба звичайного (Quercus robur) і дуба червоного (Quercus rubra) шляхом використання осцилювальних режимів зі збереженням якості висушуваного матеріалу та зниженням енерговитрат. Розроблено методику проведення експериментальних досліджень режимних параметрів осцилювального сушіння заготовок із деревини дуба та запропоновано метод розрахунку тривалості сушіння, який враховує особливості кінетики періодів нагрівання і охолодження деревини та зміну тепло- і масообмінних критеріїв. Вперше визначено коефіцієнти вологопровідності деревини дуба звичайного і дуба червоного, що зростали в Україні. Результати досліджень сушіння заготовок із деревини дуба осцилювальними режимами в лабораторних умовах довели можливість одержання якісної продукції без наявності білих плям у середині матеріалу. Визначено показники залишкових напружень, які свідчать про відповідність матеріалу І категорії якості сушіння. Запропоновано осцилювальні режими сушіння заготовок дуба звичайного і дуба червоного різної товщини, апробовані у промислових умовах. Для реалізації розроблених режимів сушіння деревини запропоновано конструкцію безкалориферної сушильної установки.

Дисертацію присвячено вирішенню актуального науково-прикладного завдання побудови та реалізації математичних моделей неізотермічного вологоперенесення та в'язко-пружного деформування при сушінні капілярно-пористих матеріалів, зокрема деревини, з урахуванням руху зони випаровування для нестаціонарних режимів сушіння та розроблення ефективних аналітико-числових методів їх реалізації. Побудовано нелінійну математичну модель неізотермічного вологоперенесення під час сушіння анізотропних капілярно-пористих матеріалів, зокрема деревини з урахуванням рухомих границь зони випаровування вологи. Розроблено аналітично-числовий метод для визначення теплоперенесення в ортотропній деревній пластині з рухомою границею фазових переходів і встановлення рухомих меж фазового переходу у прямокутній області з урахуванням головних осей анізотропії. Побудовано математичну модель в'язкопружного деформування капілярно-пористої пластини в умовах зміни вологоперенесення з урахуванням зони випаровування вологи. Розроблено прикладне програмне забезпечення для реалізації математичних моделей неізотермічного вологоперенесення та в'язко-пружного деформування у середовищах з урахуванням руху зони випаровування. Встановлено закономірності впливу анізотропії теплофізичних і механічних характеристик деревини, її початкової вологості, геометричних параметрів і характеристик агента сушіння на зміну температурно-вологісного та в'язкопружного стану деревини під час конвективного сушіння з урахуванням динаміки зміни границі фазового переходу. Встановлено розрахункові співвідношення для визначення температури фазового переходу з урахуванням градієнтів перенесення та часу, для якого відносна насиченість досягає границь фазового переходу.