Разработка автоматизированной системы управления конвекционной сушильной камеры древесины

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5

1.1 Анализ существующего технологического процесса сушки

древесины в конвекционной сушильной  камере 5

1.2 Анализ современных подходов  и технологических решений 

при сушке древесины в конвекционных  сушильных камерах 14

1.3 Обоснование предложений по  проекту модернизации 

конвекционной сушильной камеры древесины 21

1.4 Разработка задач проектирования 22

2 РАСЧЕТНО–КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ 24

2.1 Выбор средств измерения параметров  технологического процесса 24

2.2 Выбор и техническая характеристика исполнительных механизмов  25

3 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА  ПОДСИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ  ПЕЧИ 27

3.1 Разработка автоматизированной системы управления

конвекционной сушильной камеры древесины 27

3.2 Выбор средств автоматизации. Конфигурирование

автоматизированной системы управления технологическим

процессом сушки древесины 30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК 37

 

ВВЕДЕНИЕ

Сушка древесины в конвективных сушильных камерах является перспективным направлением в деревообработке. Обработка древесины в сушильных камерах данного типа обеспечивает получение заданных физико-химических свойств готового продукта. Процесс обработки характеризуется непрерывностью протекающих физических и химических реакций, которые в свою очередь зависят от темперного режима и режима влагопереноса. Регулирование температурного режима в соответствии с технологическим графиком сушки достигается количества подводимого теплоносителя в калориферы. Недостатком существующей системы управления сушкой является отсутствие возможности автоматического контроля режима влагопереноса под действием нагретого потока сушильного агента. Отсутствие автоматизированного управления процессом сушки часто приводит к появлению дефектов в высушенной древесине (короблению, изгибу, растрескиванию и т.д.), и что не мало важно к перерасходу теплоносителя. Такие отклонения от параметров технологического процесса ведут к повышению себестоимости сушки и снижению качества высушенной древесины.

Модернизация системы управления сушкой древесины в конвективной камере путем внедрения АСУ сушкой должна привести к улучшению основных показателей экономической эффективности производства:

1 экономии теплоносителя (энергозатрат) за счет исключения возможности подвода излишнего количества тепла от калорифера;

2 повышения производительности за счет сокращения подготовительного этапа сушки древесины;

 

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1.1 Анализ существующего технологического процесса сушки древесины в конвекционной сушильной камере

 

Сушкой древесины, называется процесс удаления влаги из древесины до определенного процента влажности. Целью сушки состоит в превращении из природного сырья древесины в промышленный материал, с улучшенными биологическими и физико-механическими свойствами.

Задачей сушки древесины является предупреждение изменения линейных размеров древесины, так называемая усушка древесины, которая наблюдается при изменении количества связанной воды (т.е. при снижении влажности до 30%). Считается, что пиломатериалы хвойных пород при сушке от свежераспиленного состояния (W>30%) до транспортной влажности (W=20…22%) усыхают на 3%. Полная объемная сушка составляет 12…15%. Следует отметить, что тонкие доски усыхают больше, чем толстые.

Сушка дерева – важный этап в процессе обработки древесины. Качество сушки древесины напрямую зависит от оборудования. Только при использовании качественного оборудования и современных технологий можно добиться хороших результатов. Основываясь на опыте передовых зарубежных и отечественных специалистов в этой области и в результате многочисленных проверок было доказано, что сушильная камера конвективного типа сушит пиломатериал более эффективно и равномерно [1]. Сушильные камеры этой модели характеризуются надежностью, экономичностью и качеством. Базовая система управления модернизируемой сушильной камеры (см. рис. 1.1) является полуавтоматической. Объем загрузки камеры от 30 м³ до 200 м³. В комплектацию сушильного оборудования входят следующие системы: полуавтоматическая система контроля теплового режима и влажности атмосферы внутри сушильной камеры, алюминиевый корпус, подъемно-откатные ворота с консолью, контрольная дверца, система вентиляции, система отопления, трубопровод распылителя, система удаления влаги, инвертер.

 

 

Рисунок 1.1 – Устройство конвекционной сушильной камеры древесины

 

Принцип работы сушильной камеры конвективного типа. После распиловки материал укладывается в сушильную камеру. Во время сушки поступающий из вентиляторов воздух проходит через калорифер (радиатор) 6 и, проникая в сушильную камеру, повышает температуру, одновременно устраняя влажность с поверхности древесины, затем выходит с противоположной стороны из сушильной камеры через вентиляторы системы циркуляции воздуха 7, образуя воздушный круговорот. Когда уровень влажности превышает норму, то оператор сушки в соответствии с показаниями датчиков влаги 1 подает управляющий сигнал на выброс перенасыщенного водой агента путем открытия заслонки 16 и замена его на сухой. Если влажность ниже нормы, то подается сигнал на открытие форсунок распылителя влаги 5, таким образом, осуществляется нагревание и сушение древесины. Кроме этого, реверсивный оборот электродвигателя может периодически изменять направление воздушного круговорота, что обеспечивает равномерную сушку.

Физический процесс сушки древесины включает в себя:

• влагообмен — испарение влаги из древесины в окружающую среду.
• влагоперенос — перемещение влаги внутри древесины.

Для сушки необходимо, чтобы происходили оба процесса. Влага от внутренних, сердцевинных слоев должна идти к поверхности (влагоперенос) и удаляться с поверхности (влагообмен). При этом важно, чтобы процессы влагообмена и влагопереноса были бы по интенсивности одинаковыми. Если количество воды, удаляемой с поверхности, будет больше, чем во внутренних слоях, то и усыхание поверхностных слоев будут больше. В результате будет создаваться напряжение между внутренними и внешними слоями. Причем этом, напряжение будет тем больше, чем больше разница между влажностью сердцевины и поверхности древесины. Напряжения могут приводить к деформациям в древесине и даже к трещинам и разрушениям.

Такие отклонения вызваны трудностью поддержания температурного режима внутри камеры в ручном режиме, а также несовершенством средств контроля влажности во внутренних, сердцевинных слоях древесины и атмосферного воздуха в самой сушильной камере.

Непосредственной технологический процесс камерной сушки включает в себя подготовку штабеля сырого и хранение высушенного материала, проведение прогрева, кондиционирования и непосредственно сушки древесины.

В целом камерная сушка  пиломатериалов складывается из ряда технологических и контрольных  операций, которые выполняют в определенной последовательности.

К технологическим операциям  процесса сушки относятся: начальный прогрев древесины, собственно сушка по определенному режиму, конечная (в ряде случаев промежуточная) влаготеплообработка и кондиционирование.

Начальный прогрев. Начальный прогрев древесины проводится полсле загрузки камеры материалом с целью быстрого прогрева древесины в среде повышенной температуры и влажности, а также для предупреждения образования внутренних напряжений и сохранения целостности в начальный период сушки. Для этого древесина подвергается быстрому прогреву без испарения из нее влаги в среде с повышенной температурой и высокой влажностью, для чего в камеру подают насыщенный пар при включенных калориферах, работающих вентиляторах и закрытых приточно-вытяжных патрубках.

Испарение влаги из древесины  должно начаться только после полного  ее прогрева по всей толщине. Поэтому  внутри камеры в период начального прогрева должны быть созданы условия, при которых влага не могла  бы испаряться из материала.

Во время прогрева в камере нужно поддерживать постоянную температуру, примерно на 5°С выше температуры  первой ступени сушки. В начале прогрева психрометрическая разность может  быть значительной, затем ее уменьшают  до (3…2)°.

Начало прогрева считается  с момента, когда температура в камере достигнет требуемой температуры древесины в конце прогрева. Начиная с этого момента снижение температуры в камере или резкое падение влажности недопустимо во избежание растрескивания пиломатериалов. Затягивать прогрев не следует во избежание «цветения» древесины.

Длительность прогрева для соснового материала толщиной (35…50) мм ориентировочно составляет (1…1,5) ч летом и (1,5…2) ч зимой на каждый сантиметр толщины материала.

Для пиломатериалов мягких пород продолжительность прогрева равна примерно 6% от ожидаемой продолжительности сушки, а для твердых (1,5…2)%.

Собственно сушка. Собственно сушка следует за начальным прогревом. Переход на режим сушки после  прогрева осуществляется постепенно. Не рекомендуется принимать срочных мер к удалению избытка влаги из камеры, если психрометрическая разность постепенно увеличивается и без открывания воздухообменных заслонок.

В камере устанавливают  и поддерживают заданные режимом  сушки параметры сушильного агента (воздуха).

Контроль за режимом сушки и его регулирование ведут по состоянию сушильного агента, поступающего в штабель. За состоянием сушильного агента в камере наблюдают периодически, а в отдельных случаях – непрерывно. Показания записывают в журнал каждый час.

Погрешность поддержания температуры не должна превышать ±2 °С от заданного режимом. При этом погрешность измерения и поддержания психрометрической разности должна быть не более ±1 °С.

Если регламентируемая режимом температура не может  быть достигнута по техническим причинам, допускается проводить сушку при более низкой температуре, но с обязательным поддержанием заданной степени насыщенности сушильного агента.

Окончание сушки пиломатериалов. По окончанию сушки для выравнивания конечной влажности древесины по объему штабеля и толщине пиломатериалов проводят кондиционирующую обработку. С этой целью в камере с помощью калориферов и увлажнительных устройств поддерживают такое состояние среды, при котором недосушенные сортименты подсыхают, а пересушенные увлажняются.

Температура среды во время кондиционирующей обработки поддерживается на (5…8) °С выше температуры на последней ступени режима сушки, но не более 100°С, а степень насыщенности должна соответствовать (по диаграмме равновесной влажности) средней заданной конечной влажности, увеличенной на 1%.

Продолжительность кондиционирующей обработки зависит от многих факторов и назначается в соответствии с категорией качества сушки, а также  особенностями камеры и материала.

Для пиломатериалов I категории  качества кондиционирующая обработка обязательна. Ее продолжительность ориентировочно равна половине продолжительности конечной влаготеплообработки.

Для пиломатериалов II и III категории качества кондиционирующую обработку назначают по мере надобности в соответствии с результатами контроля равномерности конечной влажности по предшествующим сушкам аналогичного материала. Выгрузка штабелей из сушильной камеры должна производиться только после их предварительного охлаждения в камере (во избежание растрескивания, особенно в зимнее время) до температуры не выше 40°С, после чего камеру в течение нескольких часов осторожно проветривают через приоткрытые двери, затем окончательно охлаждают интенсивным проветриванием и разгружают.

Продолжительность охлаждения до температуры (30…40)°С принимается  из расчета около 2 ч на каждый сантиметр толщины пиломатериала.

При охлаждении толстого материала со значительной конечной влажностью возможен пуск в камеру в небольшом количестве увлажнительного  пара, задерживающего пересыхание поверхности  охлаждаемого материала.

До поступления в  производство материал должен окончательно охладиться на складе (тонкий – 1 сут, а  толстый – не менее 2 сут) в сушильных  штабелях. В случае разгрузки теплого  материала возникнет дополнительное коробление, искривление и т.п. освободившихся от зажатия досок, не достигших еще более жесткого стабильного состояния.

Не следует оставлять  сухой и особенно тонкий пиломатериал на длительный период в сушильных  штабелях. Оставляемые в запас  сухие пиломатериалы следует  хранить в плотных пакетах, закрывая торцы, которые быстрее поглощают влагу.

Показатели качества сушки пиломатериалов (заготовок) подлежат нормированию. Нормы устанавливаются  в зависимости от категории качества сушки и условий эксплуатации изделий. В зависимости от назначения высушиваемых пиломатериалов нормативами установлены четыре категории качества сушки древесины: I, II, III и 0.

I категория качества  сушки - высококачественная сушка  древесины до влажности 6-8% при  температуре не более 60-70°С. 60°С  относится только к толстым  пиломатериалам. Данная категория качества сушки древесины должна обеспечить возможность механической обработки и сборки деталей для высокоточных ответственных соединений, влияющих на эксплуатационные показатели изделий (производство моделей, лыж, приборостроение, точное машиностроение и приборостроение, силовые конструкции).