К числу научных направлений, способных обеспечить качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на использовании электромагнитных (ЭМ) методов воздействия на химические реакции и процессы химической технологии. Нагрев внутренними источниками тепла — высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) диэлектрический нагрев — в настоящее время относят к энергосберегающим видам энергетики. Это обусловлено сравнительно меньшими, чем при использовании традиционных энергоносителей, тепловыми потерями в окружающую среду — теплота выделяется непосредственно в обрабатываемом материале. Другое важное преимущество ВЧи СВЧ-энергетики — экологическая безопасность созданного на их основе технологического оборудования. Последнее особенно актуально для технического перевооружения производства, так как традиционным для экономики СССР и России является сравнительно низкая (-20%) доля электроэнергии в совокупном энергопотреблении. Касаясь оценки традиционных энергоносителей заметим, что при сгорании 1 м³ природного газа расходуется 8 м³ воздуха и образуется 9,5 м³ продуктов сгорания, загрязняющих окружающую среду.
Снижение энергоемкости валового национального продукта за счет применения новых энергосберегающих технологий является важнейшей задачей экономики и, в первую очередь, таких ее энергоемких отраслей как химическая, металлургическая, деревообрабатывающая. Физические особенности методов ВЧи СВЧ-нагрева (быстрый и управляемый нагрев во всем объеме материала вне зависимости от его формы, геометрических размеров и коэффициента теплопроводности, избирательность источника тепла, возможность концентрации высоких энергий в небольших объемах, отсутствие тепловой инерции нагревателя и безынерционность регулировки мощности) перспективны для использования в технологии сушки. Сушка древесины являлась одним из первых практических применений ВЧ-нагрева. Однако до 4 настоящего времени сушка с использованием ВЧи СВЧ-нагрева расценивается как экономически выгодная технология только для ценных пород древесины. В действительности, как будет показано далее, недостаточная эффективность ВЧи СВЧ-сушки древесины обусловлена не столько высокой стоимостью энергии, сколько сравнительно низкой интенсивностью процесса, которая не может быть увеличена из-за опасности растрескивания или коробления древесного материала под действием характерного для процессов этого вида градиента давления пара. Перенос массы при наличии внутренних источников тепла сопровождается наличием внутри материала градиента общего давления паро-газовой смеси, обусловленного значительной скоростью фазового превращения: скорость фазового превращения больше скорости переноса. В случае древесины — материала с низкой (при больших влагосодержаниях — с очень низкой) паропроницаемостью — градиент давления является фактором, тормозящим электрофизические возможности ВЧи СВЧ-нагрева. Для ускорения сушки древесину необходимо сначала пропаривать, не допуская быстрого влагосъема из поверхностных слоев. В условиях ВЧи СВЧ-энергоподвода стадии пропаривания и сушки можно совместить, реализуя процесс в аппаратах закрытого типа. Тепловлажностная обработка способствует размягчению древесной массы и увеличению ее пластичности. Установлено, что пропаренная древесина сохнет значительно быстрее, чем непропаренная, и гораздо меньше растрескивается. При пропаривании в закрытом объеме пиломатериал увлажняется «своим» паром — самопропариваетсяпри этом также снижается интенсивность испарения с поверхности и существенно уменьшается перепад влажности. Это позволяет свести к минимуму внутренние механические напряжения в пиломатериале даже при интенсивной сушке. Имеются сведения, что эффект ускорения сушки обусловлен увеличением коэффициента паропроницаемости пропаренной горячей древесины, однородным ее прогревом, а также более равномерным распределением в ней влаги. Однако оптимальные режимы сушки и 5 пропаривания до сих пор не найдены и физически не обоснованы. В результате технология ВЧи СВЧ-сушки древесины все еще находится в стадии опытно-промышленной проработки. Соответственно нерешенными являются и вопросы автоматизации и, в частности, автоматической оптимизации ВЧи СВЧсушилок для древесины.
Цель работы. Разработка автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины.
В первой главе дан критический анализ состояния вопроса в области технологии сушки древесины при ВЧи СВЧ-нагреве, оптимизации режимов сушки и управления установками этого типа. Показано, что физически адекватная математическая модель процесса должна описывать сушку древесины при внутренних источниках тепла как массоперенос путем фильтрационного движения пара под действием градиента давления пара. При этом следует учитывать зависимости коэффициента паропроницаемости древесины от температуры и влагосодержания, рассматривая в общем случае в качестве математической модели объекта дифференциальное уравнение для распределения давления с переменными коэффициентами. Для корректной постановки задачи оптимизации необходимо предварительно исследовать влияние интенсивности сушки на качество готового продукта. Физически обоснованный критерий оптимальности должен отражать взаимосвязь технологических параметров с показателями качества готовой продукции. В такой постановке задача оптимизации режима высокочастотной сушки древесины ранее не рассматривалась.
Проницаемость древесины газами зависит от многих факторов, в том числе от влагосодержания и температуры. Причем коэффициент паропроницаемости древесины хвойных пород имеет экстремальную температурную зависимость, что предопределяет возможность построения системы автоматической оптимизации ВЧ-сушилки для пиломатериалов.
Однако температура, соответствующая максимуму коэффициента 6 паропроницаемости, оказывается различной не только для различных пород древесины, но зависит от возраста дерева и даже от региона его произрастания. По этой причине оптимальный технологический режим сушки необходимо определять непосредственно на объекте с помощью поисковой системы экстремального регулирования, например шагового типа. В то же время критерий оптимальности должен быть установлен (обоснован) заранее — на основании предварительного исследования объекта, как экспериментального, так и теоретического. В заключение главы на основании проведенного критического анализа сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрена технологическая схема высокочастотной установки для сушки и пропаривания древесины. Предложена математическая модель процесса, описывающая сушку как нестационарный процесс развития в пиломатериале градиента давления водяного пара, возникающего в результате интенсивного испарения под влиянием мощности внутренних источников тепла. Теоретическим и экспериментальным путем исследованы статические и динамические характеристики объекта. Осуществлен выбор управляющего и управляемого параметров.
Третья глава посвящена постановке задачи оптимизации процесса сушки хвойной древесины в ВЧ-сушилке периодического действия. В качестве целевой функции выбран критерий «минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности». Дополнительно исследована динамика объекта по каналу «мощность внутренних источников тепла — интенсивность прироста давления за единицу прироста мощности». Разработан алгоритм автоматического поиска оптимального режима сушки на объекте управления. Алгоритм основан на дискретном формировании целевой функции при шаговом изменении регулирующего воздействия. Рассчитаны параметры автоматического оптимизатора (шаг поискового движения, интервал регулирования, время поиска экстремума) в тактах управления.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию 7 автоматизированной системы управления ВЧ-сушилкой для хвойной древесины. Основу АСУ составляет система экстремального регулирования шагового типа с переменным шагом поискового движения. Разработаны алгоритм и структурная схема АСУ. Предложенная система автоматически определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки в условиях неконтролируемых возмущений. Эффективность АСУ проверялась путем расчета показателей работы системы экстремального регулирования в условиях резкого горизонтального дрейфа статической характеристики объекта, вызванного параметрическими возмущениями.
Основные положения выносимые на защиту:
— математическая модель сушки древесины в ВЧ-электрическом поле, описывающая сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывающая распределенный характер изменения давления пара по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания;
— методология оптимизации процесса скоростной сушки хвойной древесины в ВЧ-электрическом поле, в соответствии с которой сушка осуществляется при максимальном значении коэффициента паропроницаемости древесины;
— статические и динамические характеристики ВЧ-сушилки для древесины по каналам, связывающим интенсивность сушки с показателем качества готовой продукции: «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара», «мощность внутренних источников тепла — интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности»;
— алгоритм и структура АСУ оптимальным режимом сушки хвойной древесины в ВЧ-электрическом поле, включающая автомат оптимизации с переменным шагом регулирования и обеспечивающая поиск и поддержание экстремума целевой функции в условиях ускоренного дрейфа статической характеристики объекта.
Научная новизна. Разработана математическая модель сушки древесины в ВЧ-электрическом поле. Модель описывает сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывает распределенный характер изменения давления пара по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания.
Показано, что динамика ВЧ-сушилки по каналам «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара в древесине», «мощность внутренних источников тепла — интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности» описывается уравнениями апериодического звена с переменными коэффициентами.
Предложена методология оптимизации высокочастотной сушки хвойной древесины, предусматривающая реализацию процесса в режимах, соответствующих максимальному мгновенному значению коэффициента паропроницаемости. В качестве целевой функции предложен критерий: «минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности». Разработан алгоритм автоматического поиска экстремума целевой функции на объекте управления.
Разработаны алгоритм и структура АСУ оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле. Система определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки хвойной древесины в условиях неконтролируемых возмущений.
Практическая ценность. Разработана методика определения зависимости коэффициента паропроницаемости древесины от влагосодержания непосредственно в процессе сушки. Показана эффективность применения АСУ оптимальным режимом сушки, обеспечивающей скоростную сушку при минимальных внутренних механических напряжениях в древесине. Предложенная методология оптимизации режимов сушки и АСУ процессом эффективны для использования на предприятиях деревообрабатывающей 9 промышленности для сушки хвойных лесоматериалов большого сечения.
Реализация результатов. Предложенная технологическая схема установки и методология оптимизации режима сушки рекомендованы ООО «Профиль Лайн» (г. Приозерск) к использованию для сушки лесоматериалов из хвойной древесины до транспортной влажности 18 — 20%.
Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 21 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» — Саратов: Саратов, гос. техн. ун-т, 2008 и на научных семинарах кафедры общей физики Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы.
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Интенсификация процессов сушки древесины путем применения методов ВЧи СВЧ-нагрева не является новым техническим решением. Так, первые публикации в данной области относятся к 50 годам прошлого столетия [1−5]. Однако до настоящего времени вопрос об эффективности и даже целесообразности ВЧи СВЧ-сушки древесины остается нерешенным. Так, согласно [6−8] ВЧ-нагрев древесины наиболее рационален в первом периоде сушки. Другие исследователи, например [9, 10], наоборот, считают эффективным применение ВЧи СВЧ-нагрева для удаления из древесины связанной влаги, т. е. во втором периоде сушки. В современной литературе по древесиноведению, хотя и отмечаются достоинства диэлектрической сушки (более равномерный, объемный нагрев, возникновение положительных градиентов температуры и избыточного давления, обеспечивающих сокращение продолжительности процесса в десятки раз), тем не менее подчеркивается, что ВЧи СВЧ-сушка не находит широкого применения [11−14]. Причиной такого состояния вопроса согласно [11] является большой расход электроэнергии, сложность оборудования, недостаточное экономическое обоснование. Последнее касается не только диэлектрической [12,14], но и комбинированной, в частности, конвективно-диэлектрической [4, 15] и вакуумно-диэлектрической сушки [16]. По нашему мнению перечисленные аргументы являются скорее следствием недостаточной изученности физических особенностей сушки древесины при подводе энергии внутренними источниками тепла, а также известной [4, 5, 17−19] практикой внедрения в промышленность технологий данной направленности без предварительного определения оптимальных режимов сушки и при отсутствии на оборудовании средств автоматизации и контроля. Проанализируем в связи с этим современное состояние вопроса в области теории тепломассопереноса в процессах сушки при использовании энергии внутренних источников тепла, а также в области автоматизации
11 сушилок для древесины.
При помещении диэлектриков и полупроводников в переменное ЭМ-поле в них за счет релаксационно-поляризационных явлений происходит выделение тепловой энергии [5, 20, 21]. Совокупное выделение тепла в материале за единицу времени, обусловленное смещением заряженных частиц (поляризацией) и протеканием токов проводимости, выражается формулой: где р — удельная мощность внутренних источников теплас0, &' -соответственно абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума и относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрикаtgbтангенс угла диэлектрических потерь материала диэлектрикаЕ напряженность электрического поля.
Из уравнения (1.1) следует, что нагрев в ВЧи СВЧ-электромагнитном поле протекает безынерционно и равномерно во всем объеме материала (если он однороден) и в каждой элементарной частице и не зависит от его коэффициента теплопроводности и геометрических размеров. Длительность ВЧи СВЧ-нагрева зависит только от выделяющейся в материале мощности и его электрофизических (ЭФ) свойств, характеризующихся параметрами е' и tgd. Это дает возможность развить очень высокие скорости нагревания, т. е. получить исключительно мощные источники тепла, распределенные внутри тела.
В СВЧ-технике величиной h0 характеризуют глубину проникновения ЭМ-поля в материал, на которой энергия поля уменьшается в
Здесь q — длина волны в вакуумеа — коэффициент затухания ЭМ-волны, равный [17, 19] р = InfeaZ’tgbE' ,
1.1) h = —— R5 О
1.2)
1.3) где к0~—волновое число для вакуума.
Из (1.2) следует, что глубина проникновения уменьшается с ростом частоты, параметры s' и tg5 также меняются с частотой. Электрофизические свойства древесины различных пород достаточно хорошо изучены [17, 19, 22, 23]. В табл. 1.1 сопоставлены глубины проникновения h0 ЭМ-волны во влажную древесину ели на различных частотах.
Можно видеть, что характерным для СВЧ-сушки лесоматериалов большой и сравнительно большой толщины является неравномерный нагрев. С этой точки зрения более предпочтительным является использование ВЧ-нагрева.
Вопросы теории тепломассопереноса в процессах сушки различных материалов при наличии внутренних источников тепла рассматриваются в ряде монографий и исследовательских работ [3,6−8, 21, 24−28]. Общая система дифференциальных уравнений связанного тепломассопереноса для одномерной задачи имеет вид [3, 7, 8]: дТ д2Т г ди, ms 1 ат — + 8ф —' — + р (х, и, Т)дх Эх с дт с р0 р ди д2и 7 д2Т ди. дт дх дх ох дР д2Р р0 ди ^ D 2(1) «дх дх» bm дх
Здесь и, Т, Р — соответственно локальное по координате х влаго содержание, температура материала и давление пара в порах и капиллярахат — коэффициент температуропроводностиат — коэффициент потенциалопроводности переноса жидкой влаги- /", — термоградиентный коэффициент- - критерий фазового превращенияат — коэффициент конвективной диффузиитр — пористость тела;
Таблица 1.1 Глубина h0 проникновения ЭМ-поля в древесину на различных частотах
Материал Частота, МГц IV,% 8' г" tgb а, 1/м h0, мм Примечание
Древесина (ель) поперек волокон (Т = 20°С) 2375 5 1,8 0,108 0,06 2,0 250 ЭФ-свойства взяты из работы [22]
10 2,1 0,189 0,09 3,2 154
20 2,8 0,448 0,16 6,7 75
30 3,5 0,77 0,22 10,2 48,8
40 4,3 0,9 0,21 10,8 46,1
80 7,0 1,26 0,18 11,9 42,2
Древесина (ель) поперек волокон (Т = 20°С) 10 0 1,7 0,037 0,022 ЗЛО-3 | 166.103 ЭФ-свойства взяты из работы [23]. Ближайшая стандартная частота, выделенная для генераторов ВЧ-нагрева: /=13,56 МГц
10 2,6 0,104 0,04 6,8.10″ 3 74.103
20 4,0 0,36 0,09 19,10″ 3 27.103
30 5,6 0,784 0,14 35.10″ 3 14.103
60 13,7 1,92 0,14 54.10″ 3 9,2.103
Древесина (ель) поперек волокон (Т = 20°С) 100 0 1,7 0,07 0,024 33.10″ 3 15,2.103 ЭФ-свойства взяты из работы [23]. Частоты, выделенные для генераторов ВЧ-нагрева: 13,56 МГц, 27,12 МГц, 40,68 МГц, 81,36 МГц
10 2,5 0,2 0,08 13,3.10″ 2 3800
20 3,5 0,35 од 19,6.10'2 2600
30 4,4 0,53 0,12 26,4.10″ 2 1900
60 7,4 1,04 0,14 39,4.10″ 2 1300 b = —- - кинетический коэффициентср — удельная теплоемкость материалаdP р0 — плотность абсолютно сухого материалат — время.
Аналитическое решение системы уравнений (1.4) возможно только при постоянстве всех коэффициентов переноса, а также при независимости мощности р от температуры и влагосодержания. И первое, и второе не соответствует большинству практических случаев. Численное же решение системы (1.4) при переменных коэффициентах согласно [26] также далеко не всегда возможно из-за сложности формулировки краевых условий. Вместе с тем на основе анализа системы уравнений (1.4) при условии привлечения результатов экспериментальных исследований можно сформировать необходимые представления о механизме процессов ВЧи СВЧ-сушки капиллярно-пористых тел.
Так, например, экспериментально установлено [24, 29], что в интенсивных режимах градиенты температуры и влагосодержания не оказывают существенного влияния на скорость переноса. Температура материала быстро достигает 100 °C и собственно сушка протекает под действием возникающего внутри материала градиента избыточного давления пара. При этом перенос массы происходит преимущественно в виде пара — фильтрационный массоперенос [3, 26]. Математическое описание сушки в этом случае соответствует третьему уравнению системы (1.4), а температура и влагосодержание материала описываются уравнениями для среднеинтегральных параметров [30]. Анализ механизма высокоинтенсивной сушки при внутренних источниках тепла дан в работах [26, 30, 31].
Так, согласно [26] «возникающее внутреннее давление как результат объемного испарения воды и массоперенос как следствие фильтрационного движения пара не описывают всех явлений, происходящих в капиллярно-пористом теле при воздействии на него ЭМ-поля. Характерной для ВЧ-сушки является высокая скорость генерирования тепла, значительно превышающая возможности капиллярно-пористого тела для ее распределения». К древесине как материалу с низкой паропроницаемостью это относится в первую очередь. Целый ряд исследователей отмечают, что во избежание растрескивания древесины приходится резко снижать скорость испарения путем уменьшения подводимой (выделяющейся в материале за счет диэлектрических потерь) мощности [4, 6, 25, 32]. Тем самым не используются в полной мере электрофизические достоинства ВЧ-нагрева.
Продолжая описание физических явлений, сопровождающих сушку при внутреннем генерировании тепла, Т. Кудра [26] отмечает: «. в результате возникшего локального поглощения ЭМ-энергии начинается локальное испарение влаги, которое приводит к ограничению количества выделившегося тепла — образовавшийся пар перестает поглощать ЭМ-энергию. Часть пара конденсируется на поверхности жидкости, содержащейся в порах и капиллярах, что приводит к релаксации внутреннего давления системы. Вода, образовавшаяся в результате конденсации, вновь поглощает ЭМ-энергию и вновь испаряется. Таким образом скорость конвективного движения жидкости и пара, хотя и обусловлена процессами испарения и конденсации, но привязана к мгновенной величине внутреннего давления и может быть формально определена в быстропротекающем периоде сушки как величина, пропорциональная градиенту давления. По мере дальнейшего протекания процесса доля конвективного движения жидкой влаги уменьшается. При определенной влажности жидкость в капиллярах перестает существовать в виде непрерывной фазы, и удаление влаги происходит за счет конвекции пара. В этот период сушки малые капилляры еще заполнены водой, а в крупных капиллярах влага присутствует в виде пленки, прилегающей к стенкам. Силы, действующие в этой пленке, сильно ограничивают возможность ротации диполей воды, которая по существу переходит в связанное капиллярными силами состояние. Это влечет за собой уменьшение интенсивности поглощения ЭМ-энергии и снижение скорости сушки за счет все более преобладающей роли
16 диффузионного влагопереноса".
Таким образом, согласно [26] определяющее значение на интенсивность сушки оказывают изменяющиеся из-за чередующегося перехода влаги из свободного состояния в связанное электрофизические свойства диэлектрика. Заметим, что сушка древесины до транспортной или эксплуатационной влажности протекает, как правило, в первом периоде — периоде постоянной скорости [33].
Второй вывод, следующий из [26], состоит в том, что скорость сушки пропорциональна градиенту давления.
В работах [30, 31] изучали механизм сушки различных материалов в интенсивных режимах при внутренних источниках тепла. Установлено, что хотя скорость переноса пара тем больше, чем: больше градиент давления, величина давления пара на интенсивность сушки не влияет. В подтверждение данного вывода в [30, 31] приводятся численные значения параметров — скорости сушки и избыточного давления пара Ризб. Отмечается, что в легкопроницаемом теле скорость сушки достигает очень больших значений, в то время как Ризб ничтожно малов труднопроницаемом теле — древесине — наоборот, значительная величина Ризв обнаруживается уже в режимах сравнительно низкой интенсивности.
Процитированных выдержек достаточно, чтобы заключить, что механизм сушки древесины в интенсивных режимах при внутренних источниках тепла до конца не изучен, а полученные экспериментальные результаты противоречивы. Вместе с тем: математическое описание процесса в самом общем виде можно считать известным. По этому поводу следует заметить, что в литературе отсутствуют сведения об исследовании оптимальных режимов ВЧ или СВЧ-сушки древесины. Так, в [30, 31], хотя и рассматривали возможность сушки при максимально возможном давлении пара, делали это сугубо теоретически, без привлечения результатов оценки качества готового продукта. В работах В. А. Бирюкова [4, 6] и Н. Н. Долгополова [6, 32] говорится
17 о «правильном подборе» режима ВЧ-сушки толстых пиломатериалов. Последний заключался в выборе «условного» градиента температуры, под которым понималась разность между температурой в центре материала и температурой окружающей среды. Градиент давления при этом не рассматривался, так как сушку проводили при температурах внутри материала, не превышающих 100 °C. Понятно, что в таких условиях сушка древесины занимает десятки часов, а возможности ВЧ-нагрева и преимущества механизма сушки не используются в должной степени.
Д. П. Буртовой [15] изучал конвективно-микроволновую сушку древесины. Оптимальными, согласно автору, являются режимы, обеспечивающие выравнивание скоростей миграции влаги из внутренних слоев древесины к наружным и ее удаление с поверхности пиломатериалов. Достигается названное выравнивание скоростей чередованием стадий сушки, принудительного пропаривания (осуществляемого от парогенератора) и откачки влажного воздуха. Надо полагать, подбор режима выполнен сугубо эмпирически хотя бы потому, что скорость миграции влаги из внутренних слоев материала к наружным не может быть измерена. Кроме того, в этой публикации, так же как и в ряде других исследований [34, 35], термин «оптимальный» никаким физически содержательным критерием (например, минимум расхода электроэнергии, максимум производительности, максимум скорости сушки и пр.) не подтвержден.
Из специальной литературы по сушке древесины и практики эксплуатации сушилок хорошо известен технологический прием искусственного пропаривания, когда стадии пропаривания чередуются со стадиями сушки [11, 12]. Пропаривание (увлажнение влажным воздухом) предотвращает наружные слои древесины от слишком быстрой сушки, опережающей сушку изнутри. Несколько удивительно, что в технологии ВЧи СВЧ-сушки древесины лишь один коллектив исследователей изучал влияние самопропаривания на интенсивность сушки и качество готовой продукции [36,
37]. Действительно, при ВЧи СВЧ-нагреве технически несложно реализовать самопропаривание в закрытом объеме камеры, т. е. увлажнение древесины паром, выделяющимся непосредственно в процессе ее интенсивной сушки. Согласно [36,37] стадии пропаривания и сушки отделены друг от друга, а между ними следует стадия выдержки фиксированной продолжительности. Таким путем удается значительно увеличить скорость сушки, предотвратив разрушительное действие градиента давления пара. ВЧ-сушка древесины в закрытых камерах по своей физической сущности близка к технологии сушки перегретым паром [38, 39]. Согласно этой технологии влажный материал нагревают насыщенным или перегретым водяным паром, в процессе которого одновременно происходит его сушка. Пропаривание обеспечивает малый градиент влагосодержания внутри тела. Интенсификация процесса достигается путем увеличения температуры пара. Согласно [39, 40], сушка древесины в среде перегретого пара в закрытом аппарате со сбросом давления обеспечивает среднюю скорость испарения (- —) = 0,4-Ю-4 1/с (при изменении влажности d% в пределах й = 0,95 0,02 кг/кг).
Подводя определенный итог этой части обзора, необходимо отметить. Эффективным для технологии сушки древесины является применение ВЧ-нагрева в сочетании с самопропариванием. Процесс может быть реализован в камере закрытого объема. В этом случае стадии нагрева, пропаривания и сушки могут быть совмещены. Оптимальные режимы сушки древесины при подводе энергии ЭМ-полем не изучены. При постановке и решении задачи оптимизации за основу могут быть взяты теоретические положения, описывающие сушку при внутренних источниках тепла как фильтрационное движение пара под действием градиента давления. При этом, кроме необходимой формулировки критерия оптимальности, дополнительно потребуется экспериментальным путем исследовать влияние на процесс сушки и свойства готового продукта таких факторов, как величина избыточного давления пара, время установления давления.
Перейдем к анализу состояния вопроса в области автоматизации сушилок с подводом тепла ЭМ-полем.
Согласно [41], при автоматизации процессов диэлектрической сушки регулируемой величиной целесообразно считать влагосодержание материала, а если это невозможно, то его температуру. Регулирующей величиной обычно выбирают напряженность электрического поля Е, воздействовать на которую можно через постоянное анодное напряжение Еа [41−43]. В настоящее время ВЧ-генераторы с управляемыми (тиристорными) выпрямителями анодного напряжения выпускаются серийно. Они обеспечивают как ступенчатое, так и плавное изменение напряжения Еа в пределах 15 100% от номинального значения [44, 45].
Для измерения влагосодержания и температуры материала в установках ВЧ-диэлектрического нагрева применяются прямые и косвенные методы. Контроль температуры поверхности высушиваемого материала наиболее эффективно осуществлять дистанционно — с помощью приборов инфракрасной (ИК) техники [46, 47]. В настоящее время ИК-термометры выпускаются серийно. Для контроля температуры в глубине материала целесообразно использовать малоинерционные термопары или термометры сопротивления [48], подключение которых к регистрирующему прибору необходимо осуществлять через заградительные фильтры [1, 49, 50].
Непрерывный контроль влагосодержания в процессе сушки древесины осуществляют с помощью электронных влагомеров или различных весовых устройств, механически сопряженных с высушиваемым штабелем пиломатериала [12, 48]. Из косвенных методов контроля температуры и влагосодержания при ВЧ-диэлектрическом нагреве следует выделить как универсальный метод многофункционального контроля параметров технологического процесса по мгновенным электрическим параметрам генератора [51]. О давлении пара внутри материала можно судить по
20 температуре в его толще.
Динамика сушилок периодического действия с подводом тепла ЭМ-полем может быть описана дифференциальным уравнением первого порядка [52, 53]. Передаточная функция ВЧ — сушилки периодического действия по каналу «напряжение на рабочем конденсаторе — влагосодержание материала» представляет собой идеальное интегрирующее звено [52]: —, (1.5) где ki — коэффициент усиления объекта.
Однако, в сушилках периодического действия задача управления влагосодержанием обычно не возникает. Возникает задача управления мощностью внутренних источников тепла. При стабилизации мощности обеспечивается постоянство скорости сушки, необходимое в условиях изменяющихся ЭФ-свойств материалапри этом е" (т) рассматривается как возмущение. Передаточная функция ВЧ-сушилки по каналу «напряжение на рабочем конденсаторе — скорость сушки» или «мощность внутренних источников тепла — скорость сушки» представляет собой безынерционное усилительное звено [53]. В рассматриваемом случае (сушка древесины в интенсивных режимах под действием градиента давления), учитывая третье уравнение системы (1.4), можно ожидать, что передаточная функция ВЧ-сушилки по каналу «мощность внутренних источников тепла — давление пара» будет представлять собой апериодическое инерционное звено.
Выше отмечалось, что при оптимизации процесса ВЧ-сушки древесины необходимо учитывать влияние таких факторов, как градиент давления пара, время установления давления [30, 31]. Численные значения этих параметров зависят от толщины высушиваемого пиломатериала и коэффициента паропроницаемости древесины Кр — ар св р0, который, в свою очередь, является функцией температуры и влаго содержания (зде сь св — удельная 21 пароемкость древесины). Сведения о паропроницаемости древесины различенных пород, во-первых, немногочисленны, а, во-вторых, — противоречивы [23, 54]. По данным Е. В. Харук [54] коэффициент Кр хвойной древесины и=м:еет максимум в температурном ходе. Следовательно, в первом приближении, слушка при температурах, соответствующих максимуму коэффициента Кр, будет иметь преимущества перед другими режимами.
На основании проведенного обзора можно заключить, что для решения задачи управления оптимальным режимом процесса ВЧ-сушки древе сины недостаточно иметь математическое описание объекта в виде уравнения динамики, полученного из третьего уравнения системы (1.4). Более того, может оказаться, что полное математическое описание объекта, содержащего экстремальную характеристику, получить невозможно. В таких случаях, как известно [55, 56], задача автоматизации решается на основе, построения автоматизированной системы управления (АСУ). Алгоритм управления оптимальным режимом сушки, очевидно, должен включать в себя поиск и поддержание оптимального значения параметра, обеспечивающего экстрeivryM критерия оптимальности (целевой функции).
В качестве показателя эффективности при оптимизации процессов сушки используют различные целевые функции: «максизчтум производительности сушилки», «минимум энергозатрат на сушку», «себестоимость единицы продукции». Применяются также [41, 49] усложненные критерии, учитывающие взаимосвязь технологических параметров с показателями качества готовой продукции, например: «удельный выход готовой продукции» .
Методы построения и исследования систем автоматической оптимизации различных объектов рассматриваются в работах [41, 57−59].
В системах экстремального управления недостаток априорной информации об объекте восполняется за счет текущей информации, получает^гой в виде реакций объекта на искусственно вводимые поисковые воздействия.
Типы экстремальных систем — с запоминанием экстремума, с управлением по градиенту, с измерением производной, шагового типа разработаны достаточно полно [58, 59−62].
Оптимальный технологический режим процесса ВЧ-сушки древесины, возможно, будет определяться непосредственно на объекте с использованием поисковой системы. Однако, показатель эффективности должен быть установлен (выбран) на основании предварительного исследования объектаэкспериментального и теоретического (по математической модели).
На основании изложенного основные задачи диссертации формулируются следующим образом:
— исследование ВЧ-установки для сушки пиломатериалов как объекта управления;
— разработка математической модели сушки и пропаривания хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле;
— оптимизация процесса ВЧ-сушки хвойной древесины;
— разработка алгоритма поиска оптимального режима сушки на объекте регулирования;
— разработка автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотной сушилке периодического действия.
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШИЛКИ ДЛЯ ДРЕВЕСИНЫ КАК ОБЪЕКТА
УПРАВЛЕНИЯ
Описана технологическая схема высокочастотной установки для сушки и пропаривания древесины — камеры закрытого типа. Разработана математическая модель процесса, рассматривающая высокочастотную сушку древесины в интенсивных режимах как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления. Оценка адекватности математической модели реальному объекту выполнена путём сравнения расчётных и экспериментальных данных по сушке образцов хвойной древесины в переходном и установившемся режимах. Проведён анализ контролируемых и неконтролируемых параметров объекта. Рассмотрены способы непосредственного и косвенного контроля параметров объекта — напряжения на рабочем конденсаторе, текущего влагосодержания, температуры поверхности пиломатериала, удельной мощности внутренних источников тепла, избыточного давления пара.
выводы
Общим результатом диссертационной работы является комплексное решение задачи повышения качества сушки хвойной древесины, включающее математическое моделирование и оптимизацию процесса высокочастотной сушки, а также разработку автоматизированной системы управления сушилкой, осуществляющей поиск и стабилизацию оптимального режима на объекте управления.
1. В основу синтеза АСУ положена математическая модель процесса сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле, описывающая сушку как фильтрационный перенос пара под действием градиента давления и учитывающая распределённость давления по толщине пиломатериала, а также зависимости коэффициента паропроницаемости от температуры и влагосодержания.
2. Теоретическим и экспериментальным путем исследованы статические и динамические характеристики высокочастотной сушилки для древесины — объекта с переменными во времени параметрами — по каналам, связывающим интенсивность сушки с показателем качества готовой продукции: «мощность внутренних источников тепла — избыточное давление пара в пиломатериале», «мощность внутренних источников тепла — интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности».
3. Разработана методология оптимизации сушильного процесса. В качестве целевой функции предложен критерий «минимум прироста давления пара на единицу прироста мощности», формирующийся непосредственно на объекте управления и обеспечивающий минимальные внутренние механические напряжения в древесине при скоростной сушке.
4. Разработан алгоритм автоматического поиска оптимального режима сушки на объекте управления, в соответствии с которым экстремальный регулятор шагового типа осуществляет поиск удельной мощности внутренних
103 источников тепла, обеспечивающей минимум целевой функции.
5. Разработаны алгоритм и структура автоматизированной системы управления оптимальным режимом сушки хвойной древесины в высокочастотном электрическом поле. Входящая в состав АСУ система экстремального регулирования с переменным шагом поиска определяет и поддерживает оптимальный по заданному критерию режим сушки в условиях неконтролируемых возмущений.
6. Рассчитаны технические характеристики системы экстремального регулирования в составе АСУ — размеры шагов поискового движения в функции от текущего влагосодержания, интервал регулирования, максимальное время поиска экстремума, потеря на поиск. Работоспособность АСУ исследована в условиях воздействия параметрических возмущений, вызывающих ускоренный дрейф статической характеристики объекта. Размеры шагов управляющего воздействия в тактах регулирования рассчитаны с учетом опережения дрейфа статической характеристики объекта.
7. Показаны эффективность и высокое качество сушки лесоматериалов в оптимальном режиме — скоростная сушка при минимальных внутренних механических напряжениях в древесине.
8. Высокочастотная сушилка для древесины, реализующая оптимальный в отношении качества готовой продукции режим процесса, рекомендована к практическому использованию для сушки лесои пиломатериалов большого сечения из хвойных пород древесины.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А о, aj, а2, аз, bi, b2, Ьз, — коэффициенты аппроксимационных выраженийл ат — коэффициент потенциалопроводноети переноса массы, м /сл аТ — коэффициент температуропроводности, м /сл ар — коэффициент конвективной диффузии, м /сb — кинетический коэффициент: Ъ = —, кг/(Па-м3) — dP св~ удельная пароёмкость древесины, 1/Паср — удельная теплоёмкость древесины, Дж/(кг-К) — С — электрическая ёмкость, Фd3a3 — толщина диэлектрического (воздушного) зазора, мdM — толщина материала, м;
Е — напряжённость электрического поля в материале, В/м;
Еа — постоянное анодное напряжение, В;
Еупр — управляющее напряжение, В;
— частота ЭМ-поля, Гц;
Fo — критерий Фурьеg — число экспериментальных точек;
Go — постоянная времени объекта, сi — номер интервала регулированиядо — постоянная составляющая анодного тока генератора, А- 1а1 — амплитуда первой гармоники анодного тока генератора, Ако — волновое число для вакуума, 1/мквч~ коэффициент’передачи ВЧ-генераторако, к0, kj, к2 — коэффициенты усиления звеньевКр — коэффициент паропроницаемости древесины, с- / - линейный размер телатекущая координата, мlm — термоградиентный коэффициент переноса массы, 1/Кт, тр — пористость материала;
Мо — масса сухого материала, кг;
Мв — масса влаги в пиломатериале, кг;
N— скорость сушки, 1/сп — число тактов (шагов регулирования) — л р — удельная мощность, Вт/м ;
Р — локальное давление, Па;
Ризб ~ локальное избыточное давление, Па;
Р*изб — оптимальное значение давления в центре тела, Па;
Р0 — атмосферное давление, Па;
Роо — давление, устанавливающееся за бесконечное время, Па;
Р’изб — избыточное давление в центре тела, устанавливающееся за бесконечное время, Па;
Q — интенсивность прироста давления пара на единицу прироста мощности, Па-м3/Втqp — источник тепла, связанный с фазовыми превращениями (скорость испарения влаги внутри материала), Па/сqp — скорость испарения влаги внутри материала при начальном условии (3.17),
Па/сг — удельная теплота парообразования, Дж/кгri — активное сопротивление, Омs — параметр парообразования ЛапласаТ- средняя температура материала, К, °СТц — температура в центре тела, К, °С;
Up — действующее значение напряжения на рабочем конденсаторе, Ви — локальное влагосодержание, кг/кг, %- й, W— среднее влагосодержание, кг/кг, %- о л- — вертикальная координата, мхсв — реактивное сопротивление элемента связи, Ом;
Y— передаточная функция звенаzn — потеря на поиск («рысканье»), %- а — коэффициент затухания ЭМ-волны, 1/мао, он — коэффициенты разложения в ряд импульса анодного токаYi,3, р, р — точность, %- 8 — угол диэлектрических потерь, радА — приращение;
Ан — зона нечувствительности регуляторае' - относительная диэлектрическая проницаемостьs0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (воздуха), Ф/м;
Г|т — термический коэффициент полезного действия (КПД) сушилкиг|ген — КПД генератора;
X — длина ЭМ-волны, м;
Хо — длина волны в вакууме, мi — условный показатель остаточных напряжений, %-? — коэффициент использования анодного напряженияр — плотность, кг/м ;
Ро — плотность абсолютно сухого материала, кг/м3- твремя, с;
Ту — время установления давления в тактах регулирования, с;
Туо — время установления давления при переходе к стадии сушки, с;
Tyj — интервал регулирования, стп — время упреждения поиска, стс — время сушки, стэ — время поиска экстремума, со- угловая частота ЭМ-поля, рад/сЕ, — знак приращения.
Индексы
О — начальное значение параметраустановившееся значение параметра- ' - экспериментальное значение параметра- 1,2- номера — анодноев — вода (влага) — выпрямительдоб — добавочныйизб — избыточноек — конечное значение параметракр — критическийн — начальное значение параметранагр — нагревобщ — общийопт — оптимальное значение параметрас — сушкасж — сжатиесв — связьср — среднее значение параметрараст — растяжениеф — фазовый переходц — центрш — штабельшагэ — эквивалентныйэкстремумmin, max — минимальное и максимальное значение параметра.
