Разработка автоматизированной системы управления конвекционной сушильной камеры древесины

II категория качества  сушки - повышенное качество сушки  древесины до влажности 6-10% при  температуре не более 75-85°С. Допускаемое  снижение прочности пиломатериалов  на скалывание и ударный изгиб не более 5%. Данная категория качества сушки древесины требуется для ответственных соединений, от которых зависит качество изделий (производство столярно-строительных изделий ответственного назначения, мебельное производство и др.)

Сушка древесины по I и II категориям качества предусматривает снятие остаточных деформаций и напряжений с помощью влаготеплообработки (увлажнения).

III категория качества  сушки - среднее качество сушки  древесины до влажности 8-15%. Данная  категория качества сушки древесины должна обеспечить механическую обработку и сборку деталей для менее ответственных деталей (производство столярно-строительных изделий, погонаж, товарное вагоностроение, тара и др.)

0 категория качества  сушки - сушка древесины до  транспортной влажности 16-22% (древесина для экспорта и внутреннего потребления).

К показателям качества сушки относятся:

• соответствие средней влажности высушенных пиломатериалов в штабеле заданной конечной влажности;
• величина отклонений влажности отдельных досок или заготовок от средней влажности пиломатериалов в штабеле;
• перепад влажности по толщине пиломатериалов (заготовок);
• остаточные напряжения в высушенных пиломатериалах (заготовок).

Несоблюдение технологии сушки древесины может привести к ухудшению физико-механических свойств, что проявляется в появлении дефектов пиломатериалов, и как следствие, снижению качества готового продукта и его рентабельности.

Рассмотрим дефекты сушки пиломатериалов и их предупреждение. Древесину сушат с целью повышения ее физико-механических свойств, улучшения качества и сохранности, поэтому любые отклонения от нормальных показателей качества должны рассматриваться как результат неудовлетворительного ведения сушильного процесса.

Причины появления дефектов сушки и их предупреждение:

1. Недосушка древесины происходит при досрочной выгрузке пиломатериалов из камеры, при неудовлетворительном контроле процесса сушки или преднамеренном нарушении технологии (например, из-за срочной потребности в материале). Необходим систематический контроль за соблюдением технологии сушки.
2. Неравномерное просыхание по:
• толщине материала возникает с применением форсированного процесса сушки при значительной конечной влажности древесины. Необходимо проведение конечной влаготеплообработки (выдержки), обязательной для пиломатериалов I и II качественной категории;
• длине штабеля является следствием неравномерной раздачи воздуха или его нагрева по длине камеры, а также неудовлетворительного состояния дверей. Надлежит отрегулировать равномерность распределения воздуха и его нагревания, а также заменить двери на утепленные, герметичные;
• ширине штабеля наблюдается при слабом движении воздуха, необходимо экранировать штабель для избежания перетекания воздуха помимо материала, а также увеличить подачу воздуха вентиляторами. В качестве паллиативного решения применяют разреженную укладку материала в местах его недосыхания;
• высоте штабеля происходит из за несоблюдения вертикальности рядов шпаций (в камерах с естественной циркуляцией) и слабой циркуляцией воздуха. Необходимо улучшить укладку пиломатериалов в штабель и модернизировать сушильные камеры на реверсивные;
• объему штабеля наблюдается при слабой циркуляции воздуха, укладке в штабель разных сортиментов, сдвоенной укладке пиломатериалов, применении широких (более 40мм) заготовок в качестве прокладок, укладке заготовок в клетку с частыми прокладками и др. Такие дефекты в укладке не допускаются.
3. Коробление материала во время сушки как продольное, так и поперечное – следствие плохого его зажатия, т.е. неудовлетворительной его укладки в штабель. Коробление после сушки происходит при наличии в высушенном материале влажности и упругих деформаций, поэтому необходимо проводить надлежащую конечную влаготеплообработку высушенных пиломатериалов и не загружать их до полного охлаждения древесины, т.е. охлаждать только в штабеле. Возникновение трещин внутри материала, готовых изделий происходит вследствие выравнивания влажности по толщине материала после сушки. Метод предупреждения - строгое соблюдение режимных параметров во второй стадии сушки и проведение надлежащей конечной влаготеплообработки материала после окончания сушки.
4. Растрескивание торцов и пластей материалов происходит при форсированном процессе в начале сушки; необходимо смягчить режим сушки. Растрескивание свежеотпиленных торцов досок и заготовок наблюдается в самом начале процесса сушки из-за быстрого их высыхания. Метод предупреждения - защита торцовых зон экранами, которые снижают скорость агента сушки и тем самым уменьшают влагоотдачу за счет снижения коэффициента влагопроводности вдоль волокон.
5. Плесень на материале появляется при застойной циркуляции воздуха. Рекомендуется усилить движение воздуха, повысить его температуру, применить влаготеплообработку.
6. Коллапс или сморщивание древесины возникает при камерной сушке дуба и некоторых пород, эвкалипт, ясень, тополь, ива, кипарис. Внешне коллапс проявляется в том, что пиломатериалы приобретают вид "стиральных досок", а поперечное сечение пиломатериалов и брусков изменяет свою форму. Для его предотвращения следует пиломатериалы до камерной сушки предварительно просушивать либо в атмосферных условиях, либо специальных предрайдерах.
7. Возникновение раковин во второй стадии из-за форсированного процесса в первой стадии. Надлежит проводить промежуточную влаготеплообработку материала по II стадии.

В ходе проведенного анализа выявлено, что отклонения от параметров технологического процесса приводят к возникновению различных дефектов древесины, и как результат сказывается на качестве, себестоимости готовых изделий, снижении эффективности самого процесса. Как правило, данные отклонения вызваны неточностью контроля таких технологических параметров как температура и влажность среды в камере, а также из-за ошибок оператора при управлении в полуавтоматическом режиме.

 

1.2 Анализ современных  подходов и технологических решений  при сушке древесины в конвекционных  сушильных камерах

 

Режим сушки древесины - это совокупность тепловлажностных воздействий сушильного агента на древесину, обеспечивающих заданное качество и скорость его сушки. В зависимости от требований, предъявляемых к качеству сушки древесины, древесина может высушиваться режимами различных категорий по температурному уровню.[2]

При использовании режимов высокотемпературного процесса агентом сушки служит перегретый пар при атмосферном давлении с температурой выше 100°С.

В каждом конкретном случае режимы той  или иной категории выбирают с  учетом характера их воздействия  на свойства древесины. При низкотемпературных режимах сушки в качестве сушильного агента используется влажный воздух с температурой в начальной стадии до 100°С. К низкотемпературным режимам сушки относятся мягкие, нормальные и форсированные режимы. [4]

Мягкие режимы сушки обеспечивают бездефектную сушку древесины при полном сохранении естественных физико-механических свойств древесины, прочности и цвета. Эти режимы рекомендуются для сушки до транспортной влажности экспортных пиломатериалов, в которых не допускается выплавление смолы, выпадение сучков и изменение натурального цвета (потемнение древесины хвойных пород или пожелтение буковой и березовой древесины от нагревания).

Нормальные режимы сушки обеспечивают бездефектную сушку древесины при полном сохранении прочностных показателей древесины с незначительными изменениями ее цвета. Данные режимы рекомендуются для сушки древесины для внутреннего потребления до любой влажности.

Низкотемпературные режимы сушки  пиломатериалов делятся на 2 группы: 1 - для хвойных пород, 2 - для лиственных пород. В зависимости от группы, низкотемпературные режимы сушки имеют несколько уровней (ступеней). В процессе сушки древесины в переход с одной ступени на другую осуществляется по определенной влажности древесины. Например, при сушке древесины хвойных пород эти значения составляют 35% и 25%.

Форсированные режимы сушки обеспечивают бездефектную сушку древесины при сохранении прочности на статический изгиб, растяжение и сжатие, но при снижении прочности на скалывание и раскалывание до 20% с потемнением древесины. Такие режимы рекомендуются для сушки до эксплуатационной влажности древесины и предназначены для изделий, работающих с большим запасом прочности.

Высокотемпературные режимы сушки обеспечивают бездефектную сушку древесины при незначительном уменьшении прочности на статический изгиб, растяжение и сжатие, при заметном снижении прочности до 35% на скалывание и раскалывание с потемнением древесины. В этих режимах рекомендуется сушка до эксплуатационной влажности древесины целевого назначения для изделий, работающих с большим запасом прочности.

При недостаточно мощной циркуляции: недостаточно мощной считается во всех случаях естественная циркуляция, а также принудительная циркуляция со скоростью воздуха в штабеле равной и ниже:

0,5 м/с — для материала  с продолжительностью сушки свыше  1000 ч;

0,75 м/с — для материала  с продолжительностью сушки 300 -1000 ч;

1,0 м/с — для материала  с продолжительностью сушки 80 - 300 ч;

1,5 м/с — для материала  с продолжительностью сушки до 80 ч — режим может корректироваться  в сторону ужесточения.

Так, при сушке свежесрубленных пиломатериалов и материалов влажностью выше 60% — режим рекомендуемого номера, но более жесткого раздела (например, вместо режима 3-Б — режим 3-В).

При большей, чем 2 м/с  скорости движения воздуха рекомендуется  смягчать режим (например, вместо режима 3-В — режим 3-Б).

При превышении температуры  в процессе сушки максимальной для  заданной категории качества - уменьшается  номер режима до допустимых температур.

Применение режимов  сушки различной интенсивности  требует разработки более совершенной системы автоматического управления, которая бы позволяла бы подбирать режимы с учетом пород древесины и областей их применения требуют подбора рационального режима сушки. Наиболее больших успехов в данном направлении при автоматизации технологического процесса сушки древесины в конвекционных сушильных камерах достигнуты такими фирмами, как «Термотех» (Россия), НПВ «Уралдрев-ИНТО» (Россия), Helios (Германия), WOODTEK (Италия), Katres (Чехия).

Компоненты любой сушильной  камеры - системы циркуляции и нагрева, системы воздухообмена и увлажнения по отдельности не могут обеспечить должное проведение процесса сушки древесины. Для этого требуется согласованная работа всего сушильного оборудования. Естественно, что требуется так же система, которая будет управлять работой и взаимодействием каждого компонента сушильной камеры. Эту роль в современных сушильных камерах и выполняет автоматическая система управления.

Наиболее совершенными на данный момент времени являются конвективные сушильные камеры фирмы "Katres" (Чехия).

Циркуляция воздуха  в этих камерах обеспечивается осевыми вентиляторами. Двигатели «SIЕMENS» в тропическом исполнении (степень защиты IP-55, класс теплостойкости изоляции h) предназначены для работы в условиях высокой влажности и температуры. Крыльчатка вентилятора (производство фирмы «DLK», Швеция) диаметром 800 мм отлита под давлением из алюминиевого сплава и динамически сбалансирована, что придает ей легкость и коррозионную стойкость. Скорость воздушного потока сквозь пакеты досок достигает 3,2 – 4,2 м/с. Поток воздуха реверсируется примерно каждые 5 часов (в зависимости от типа и размера досок). Мощность двигателя одного вентилятора – 3 кВт. Нагревательные элементы изготовлены из нержавеющих труб с толщиной стенки 1,5 мм и алюминиевым оребрением. Такое сочетание материалов не создает гальваническую пару и гарантирует отсутствие коррозии. Оребрение изготавливается путем спирального фрезерования цельной алюминиевой болванки, напрессованной в горячем состоянии на несущую нержавеющую трубу (см. рис. 1.2). Это обеспечивает отличную теплопередачу даже после многих лет эксплуатации. Мощность теплообменников рассчитывается с запасом, что позволяет продолжить процесс сушки даже при значительном понижении температуры воды в системе.

Рисунок 1.2 – Нагревательные элементы из нержавеющих труб с толщиной стенки 1,5 мм и алюминиевым оребрением

В камере установлен вариант  системы обогрева с трехходовым  клапаном (“ESBE”, Швеция + «DANFOSS») качестве распределительного механизма. Возможно, использовать четырехходовой клапан.

Данный клапан имеет  двойную смесительную функцию, то есть более горячий теплоноситель смешивается с более холодным теплоносителем, поступающим к котлу. Это позволяет поднять температуру теплоносителя возвращающегося в котел и снизить риск низкотемпературной коррозии, и тем самым продлить время эксплуатации котла. Кроме того, этот клапан позволяет более плавно регулировать подачу теплоносителя в калориферы, при этом значительно снижается нагрузка на котел. Четырехходовой клапан поставляется в комплекте с индивидуальным циркуляционным насосом («WILO», Германия), вспомогательной арматурой и запорно-регулирующими элементами, в виде полностью собранного и настроенного узла, к которому требуется лишь подвести магистраль прямой и обратной воды от котельной. В каждом контуре системы нагрева установлены фильтры очистки воды от механических примесей.

Увлажнение среды внутри камеры состоит из нержавеющих труб с большим количеством форсунок. Специальные форсунки, сделанные из латуни, обеспечивают отличное распыление воды даже при низком давлении воды. Предусмотрена система трехступенчатой очистки воды. Система работоспособна при давлении воды в водопроводе от 1 атм.

Система воздухообмена обеспечивает подачу в камеру сухого воздуха и вывод отработанного воздуха, насыщенного водяными парами. Представляет собой алюминиевые клапаны, расположенные в потолке камеры и снабженные заслонками, которые автоматически управляются компьютером с помощью исполнительных механизмов «BELIMO» (Швейцария).

Контроль атмосферы внутри камеры, а именно температуры и относительной влажности атмосферы в одной камере измеряется двумя (необходимо при реверсивной циркуляции) датчиками UGL (целлюлозные пластинки), расположенными на боковых стенках сушильной камеры. Может быть установлен более точный вариант системы с психрометрами. Каждый психрометр снабжен механизмом фильтрации и контроля уровня воды в ванночке мокрого термометра.

Система измерения влажности  древесины базируется показаниях кондуктометрических датчиков (датчиков сопротивления), устанавливаемых в пакеты древесины в определенных местах. При этом датчики не забиваются, а ввинчиваются в древесину, что значительно повышает точность измерения. Датчики соединены с системой управления специальными проводами с силиконовой изоляцией. Показания датчиков анализируются компьютером, который учитывает породу и температуру, что позволяет достичь высокой точности измерения влажности древесины.

В основе системы автоматического управления процессом сушки лежит компьютер типа PLC и управляющий персональный компьютер. Операционная система: MS Windows XP. Один компьютер может управлять 32 камерами.

Комплексная система  управления включает:

- электрораспределительный  щит;

- силовые и информационные  кабели, проложенные в специальных  закрытых желобах;

- датчики для измерения  температуры и относительной влажности воздуха в камере;

- индивидуальный для  каждой камеры блок-преобразователь  сигналов датчиков;

- исполнительные механизмы  для систем отопления, увлажнения, воздухообмена;

- индивидуальный для  каждой камеры компьютер PLC, находящийся  в распределительном щите;

- управляющий персональный  компьютер, общий для всех камер. 

Принцип работы системы управления заключается в регулировании температуры, влажности и скорости потока воздуха в сушильной камере в зависимости от влажности древесины. Информация от датчиков влажности древесины обрабатывается управляющим компьютером, который на ее основе подбирает и с высокой точностью поддерживает необходимые параметры воздуха в камере. Все фазы процесса сушки, от обогрева до окончательной обработки и охлаждения пиломатериала протекают полностью в автоматическом режиме.