ВЛИЯНИЕ «ПАРАЗИТНЫХ» СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОТОКОВ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЯ НА КАЧЕСТВО СУШИМОЙ ПРОДУКЦИИ
Несмотря на новейшие разработки в области искусственных материалов, спрос на древесину на протяжении последних лет постоянно растет. Древесина остается одним из основных материалов в строительстве, производстве мебели и других отраслях. Классическая технологическая линия по деревообработке обязательно имеет сушильный цех, в котором в большинстве случаев установлены конвективные сушильные камеры. Процесс сушки является самым сложным, ответственным и наиболее затратным во всей технологической линии. Несмотря на применение современного оборудования и контрольно-измерительных приборов, проблема качества сушки остается актуальной и сегодня. В условиях работы современного лесосушильного производства многие факторы как руководителями, так и непосредственными исполнителями сушильного процесса считаются «мелочами», на которые не всегда обращают должное внимание.
Все существующие инструкции и нормативы рекомендуют формировать сушильный пакет или штабель в виде параллелепипеда со строго вертикальными торцами [1]. Конструкции пакетов и штабелей должны наиболее рационально вписываться в сушильное пространство камеры, обеспечивая в ней оптимальную аэродинамику. Несмотря на это, во многих сушильных цехах рабочие производят укладку пилопродукции в штабеля, выравнивая лишь один торец, тогда как с другого торца штабеля свисают многочисленные «хвосты», которые во время сушки растрескиваются и коробятся.
Кроме того, между торцами штабелей и продольными стенами сушильных камер возникают промежутки разной ширины. В этих промежутках при циркуляции агента сушки образуются интенсивные «паразитные» потоки, вследствие которых значительные объемы циркулирующего воздуха перемещаются в камере в обход штабелей, тем самым снижая скорость прохождения воздуха через пиломатериалы. Неравномерная укладка штабелей приводит к нарушению циркуляции агента сушки, в результате чего отмечается значительная неравномерность и конечной влажности пиломатериалов по высоте штабеля [2].
Рассмотрим циркуляцию рабочего агента на примере конвективной сушильной камеры ЦНИИМОД-49 производства фирмы «Уралдрев-ИНТО», расположенной на предприятии ОАО «Чунский лесопромышленный комбинат». При проведении экспериментальных измерений скорости потока рабочего агента выяснилось, что значения скорости значительно отличаются по высоте штабеля. Особенно сильно это различие отмечается вблизи краев ложного потолка. В этих местах наиболее вероятно будет наблюдаться неравномерная конечная влажность пиломатериалов по высоте штабеля и повышенный брак продукции.
Согласно проведенным экспериментальным исследованиям в натурных условиях, скорость рабочего агента колеблется от минимального значения 1,1 м/с в верхней части штабеля до 3,85 м/с - в нижней части (рис.1). Так как энергоподвод к сушимому материалу однозначно зависит от скорости энергоносителя, то, очевидно, что в указанных местах будет наблюдаться отклонение конечного влагосодержания от заданного, что в свою очередь является причиной технологического брака при сушке пиломатериала.
Ввиду этого повышается брак готовой продукции, увеличивается расход электрической и тепловой энергии на досушку пиломатериалов, увеличивается продолжительность периода сушки. Общую продолжительность сушки, включая начальный прогрев и влаготеплообработку, можно определить по укрупненным показателям по известной методике, подробно изложенной в работе [3].
Зная номинальную мощность сушильной камеры и определив продолжительность сушки пиломатериалов, выяснили, что при выравнивании потока рабочего агента по высоте штабеля (например, направляющими устройствами) возможно оптимизировать рабочие характеристики камеры: сократить время сушки на 10-15 часов за один цикл, снизить брак продукции до 6%, добиться экономии электрической и тепловой энергии до 15%.
Таким образом, получение равномерного профиля скорости и оптимизация аэродинамического совершенства камеры является одной из основных задач энергосбережения и повышения качества готовой продукции на лесопромышленном предприятии. На практике же определить, в каких местах сушильной камеры образуются «паразитные» потоки, довольно трудно, а в некоторых случаях даже невозможно из-за сложностей режимов течения. В таком случае можно использовать современные программные средства для моделирования физических процессов, такие как, например, система ANSYS.
Для выявления наличия «паразитных» потоков в сушильной камере ЦНИИМОД-49 следует применять модуль FLOTRAN CFD (расчетная гидрогазодинамика) системы ANSYS. Используя модуль FLOTRAN CFD можно решить целый ряд следующих задач: расчет аэродинамических поверхностей; течение в сверхзвуковых соплах; комплексные трехмерные течения в колене трубы; расчет давления газа и распределения температур в выхлопном патрубке двигателя; изучение температурной стратификации и разрывов в трубопроводных системах; определение возможности теплового удара; анализ естественной конвекции для определения тепловой производительности микросхем; расчет теплообменников и другие.
Для создания математической модели распределения агента сушки в объеме камеры поставлена задача в рамках модели вязкого несжимаемого газа без учета эффектов конвективного теплопереноса и теплопроводности. Массовыми силами пренебрегается. Течение газа турбулентное, с поворотом на 180°. Турбулентный режим течения характерен турбулентными флуктуациями, вызванными высокой скоростью потока. Модель турбулентности, заданная в ANSYS системой уравнений (1), позволяет учитывать эффект турбулентной флуктуации скорости потока. Турбулентное течение рассматривается как несжимаемое, если плотность жидкости или газа постоянна или жидкость расходует небольшую энергию для сжатия потока. Температурное уравнение для несжимаемого потока пренебрегает изменениями кинетической энергии вязкостным рассеянием (2).
Полученные поля скорости рабочего агента представлены на рисунке 2. На рисунке видно, что часть рабочего агента направляется в обход штабелей в пространстве между ложным потолком и штабелями и между полом и вагонетками. «Паразитные» потоки снижают скорость прохождения воздуха через пиломатериалы, которые впоследствии придется досушивать и затрачивать дополнительную энергию.
В качестве вывода можно отметить, что результатами нарушения технологических требований при выполнении формирования сушильных штабелей являются: увеличение продолжительности процесса сушки пилопродукции, неравномерность конечной влажности готовой пилопродукции, брак пилопродукции, чрезмерный расход электроэнергии и теплоносителя. Все эти факторы негативно сказываются на экономическом росте лесопромышленного предприятия.
Решить проблему «паразитных» потоков можно, если проводить процесс сушки в соответствии с инструкциями и выполнять ряд требований: заполнять сушильное пространство камеры пилопродукцией одинаковой толщины; формировать штабеля из пакетов по ширине и высоте сушильной камеры таким образом, чтобы обеспечить минимальное расстояние между продольными стенами камер и торцами штабелей; использовать направляющие устройства для выравнивания потока рабочего агента по высоте штабеля.