Гидротермическая обработка древесины

Введение

Сушка — обязательная часть технологического процесса выработки пиломатериалов.

Непросушенные пиломатериалы не могут считаться готовой продукцией, подлежащей реализации, а технологический процесс их изготовления законченным. Влажные пиломатериалы подвержены грибковым заболеваниям и непригодны для дальнейшей механической обработки и производства из них готовых изделий.

В настоящее время увеличение объёмов камерной сушки пиломатериалов происходит за счёт разработки, организации серийного производства и строительства новых лесосушильных камер, модернизации действующих устаревших конструкций и интенсификации работы камер, а также за счёт упорядочения технологической дисциплины в лесосушильных цехах и реализации мероприятий по улучшению качества сушки. Большое влияние на увеличение мощности камерной сушки пиломатериалов оказывает строительство новых камер непрерывного действия как отечественных, так и импортных.

Современные лесосушильные камеры — сложный комплекс оборудования, требующий квалифицированного обслуживания. Уже появились на лесозаводах комплексные линии сушки (например, финской фирмы «Валмет»), включающие участки формирования штабелей, буферные склады со стороны загрузки и выгрузки пиломатериалов, транспортные средства, конвейерные линии возврата прокладок и подштабельных тележек.

Целью данной работы является выполнение технологического, теплового и аэродинамического расчётов лесосушильной камеры.

1. Описание камеры

Термовакуумная камера ТВК 1 эл предназначена для сушки пиломатериалов и заготовок из древесины в заданных режимах температур и давлений в паровоздушной среде.

Регулирование процессом сушки производится управлением работы электродвигателей, вентиляторов и вакуумного насоса включением и отключением нагревателей теплового агента (воды в ёмкости увлажнителя) с пульта управления, ручной регулировкой положения органов управления трубопроводной арматурой на панели управления, а также открытием и закрытием патрубков приточно-вытяжной вентиляции при работе в режиме конвективной сушки.

Регулировка температуры теплового агента в камере производится в ручном режиме, предназначенном для единичных нагревов теплового агента до необходимой температуры, и в автоматическом режиме для подаержания заданной температуры теплового агента. Ручной режим регулировки температуры теплового агента производится включением кнопок подачи напряжения на ТЕНы при включении переключателя в положение температуры цифрового (сухой) и при нажатии кнопки М (мокрый). Контроль температуры объекта сушки проводится оператором по показаниям измерителя температуры цифрового при нажатии кнопки О.

Камера состоит из следующих составных частей: корпус; система нагрева; система вакуумирования; система увлажнения; система кондиционирования; система управлении и измерения и агрегатной транспортировки. Корпус ТВК представляет собой полый цилиндр, на одном конце имеется дверь, другой глухой. Корпус и дверь изготовлены из алюминиевого сплава. Дверь установлена на шарнирном навесе. Поджатие двери в камере осуществляется прижимами. Система нагрева ТВК предназначена для нагрева теплового агента и включает в себя три группы электродвигателей типа ТЭН. Система воздухораспределения включает в себя три вентилятора с электродвигателями, воздушный коллектор, газораспределитель, приточно-вытяжную вентиляцию. Эта система предназначена для обеспечения достаточного объема тепла от ТЕНов тепловым агентом и равномерного его распределения по всему объему высушиваемого материала, а также для отвода испаряющейся влаги с поверхности материала. Система увлажнения предназначена для доведения агента до соответствующей необходимой влажности. Система включает в себя: емкость, ТЕНы (6 штук), датчики для определения температуры среды в емкости увлажнения. Система вакуумирования ТВК предназначена для отвода влаги, создания в камере разряжения. Система включает в себя: насос вакуумный водокольцевой, трубопровод. Система конденсирования предназначена для выделения влаги из теплового агента, сбору и отводу приточной вентиляции. Система управления включает в себя пульт управления и блок датчиков.

2. Технологический расчёт камер и цеха

2.1 Пересчёт объёма фактического пиломатериала в объём условного материала

Объём высушенного или подлежащего сушке пиломатериала заданной спецификации пересчитывается в объём условного материала, по формуле:

(2.1)

где — объём высушенных или подлежащего сушке пиломатериала заданной спецификации,;

— коэффициент пересчёта.

Принимается 1500, 1200; 1400 — по заданной спецификации пиломатериалов.

Определение коэффициент пересчёта:

(2.2)

где — коэффициент продолжительности оборота камеры;

— коэффициент вместимости камеры.

Коэффициент вместимости камеры

(2.3)

где — коэффициент объёмного заполнения штабеля условным материалом;

— коэффициент объёмного заполнения штабеля фактическим материалом;

Коэффициенты иопределяются по формуле:

(2.4)

где — коэффициент заполнения штабеля по высоте;

— коэффициент заполнения штабеля по ширине;

— коэффициент заполнения штабеля по длине.

Принимается =0,9 — таблица 1.1 для обрезных пиломатериала, уложенного без шпаций;

=0,85 — с. 8 — для условного материала.

Все расчёты по определению коэффициентов и сведены в таблице 2.1.

Определение коэффициента заполнения штабеля по высоте:

(2.5)

где S — номинальная толщина высушиваемого материала, мм;

— толщина прокладок, мм;

Принимается 32 мм, 25 мм, 19 мм — по заданной спецификации пиломатериалов;

=25 мм — с. 9 — для условного материала;

Определение коэффициента заполнения штабеля по длине

, (2.6)

где l — средняя длина досок в штабеле, м;

— габаритная длина штабеля, м.

Принимается 6 м, 5 м, 4,5 м — по заданной спецификации пиломатериалов;

=6 м — для камеры ТВК — 1 эл.

Определение объёмной усушки, %:

(2.7)

где — коэффициент объёмной усушки;

— влажность, для которой установлены номинальные размеры по толщине и ширине

пиломатериалов, %;

— конечная влажность высушенных пиломатериалов, %.

Принимается — таблица 1.2 — для сосны;

— таблица 1.2 — для пихты;

— таблица 1.2 — для осины;

— таблица 1.2 — для сосны;

=20% - с. 8 — для экспортных пиломатериалов;

=15% - c. 8 — для третьей категории качества сушки пиломатериалов

50 мм;

=12% - 6 — для условного материала.

Таблица 2.1 — Определение коэффициентов объёмного заполнения штабеля фактическими пиломатериалами и условным материалом

2.1.2 Определение коэффициента продолжительности оборота камеры

(2.8)

где — продолжительность оборота камеры при сушке фактического материала данного размера и породы, суток;

— продолжительность оборота камеры при сушке условного материала, суток;

Продолжительность одного оборота камеры при сушке фактического или условного материала, суток, для камер периодического действия:

(2.9)

(2.10)

где — продолжительность сушки фактического или условного материала, суток.

Определение продолжительности сушки пиломатериалов в воздушной камере периодического действия при использовании нормальных режимов, ч:

(2.11)

где — исходная продолжительность сушки пиломатериалов заданных размеров от начальной влажности 60% до конечной влажности 12%, ч;

— коэффициент учитывающий категорию применяемого режима сушки;

— коэффициент учитывающий интенсивность циркуляции;

— коэффициент учитывающий начальную и конечную влажность;

— коэффициент учитывающий интенсивность циркуляции воздуха;

— коэффициент учитывающий категорию качество сушки;

— коэффициент учитывающий влияние длины заготовок на продолжительность процесса.

Принимается =73 ч — таблица 1.1.10 — для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 32 мм шириной 150 мм;

=54 ч — таблица 1.1.10 — для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 25 мм шириной 125 мм;

=39 ч — таблица 1.1.10 — для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 19 мм шириной 100 мм;

=20,4 ч — таблица 1.1.10 — для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 40 мм шириной 150 мм;

====1,05 — с. 11 [1];

0,92 — таблица 1.6 — для 70%, 15%;

1,00 — таблица 1.6 — для 80%, 15%;

0,82 — таблица 1.6 — для 60%, 15%;

1,00 — таблица 1.6 — для 60%, 12%;

1,0 — с. 11 — для нормального режима

=0,68 — таблица 1.15 — при м/с, =73 ч;

=0,62 — таблица 1.15 — при м/с, =54 ч;

=0,59 — таблица 1.15 — при м/с, =39 ч;

=0,54 — таблица 1.15 — при м/с, =39 ч;

====1,0 — с. 11 [1]

Результаты по определению продолжительности сушки сведены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 — Определение продолжительности сушки пиломатериалов

Таблица 2.3 — Пересчёт объёма фактических пиломатериалов в объём условного материала

Общий объём условного материала, :

=У₁+У+У₃, (2.12)

Результаты пересчёта объёма фактических пиломатериалов в объём условного материала сведены в таблицу 2.3.

2.2 Определение производительности камер в условном материале

Годовая производительность камеры в условном материале, , определяется по формуле:

(2.13)

где — габаритный объём всех штабелей в камере, ;

— вместимость камеры в плотных кубометрах условного материала, ;

— число оборотов камеры в год при сушке условного материала, ;

335 — время работы камеры в году, суток;

— продолжительность оборота камеры для условного материала, суток.

Принимается =0,328 — таблица 2.1;

=0,58 суток — таблица 2.2.

Габаритный объём штабелей, , определяется по формуле:

(2.14)

где n_шт — число штабелей в камере;

l, b, h — соответственно габаритная длина, ширина и высота штабеля, м.

Принимается n_шт=1; l=6 м; b=1,2 м; h=1,2 м — для ТВК — 1 эл.

2.3 Определение необходимого количества камер

Необходимое количество камер, определяется по формуле:

(2.15)

Принимается 7 камер ТВК — 1 эл.

2.4 Определение производственной мощности лесосушильного цеха

Производственная мощность лесосушильного цеха, , определяется по формуле:

(2.16)

где — число камер соответствующего типа;

производительность камер того же типа, ;

= .

3. Тепловой расчёт камеры

3.1 Выбор расчётного материала

За расчётный материал принимаются осиновые обрезные доски толщиной 19 мм, шириной 100 мм, начальной влажностью 60%, конечной 15%.

3.2 Определение массы испаряемой влаги

Масса влаги, испаряемой из 1 пиломатериалов ,

(3.1)

где — базисная плотность расчётного материала, ;

Принимается =400 — таблица 1.2 — для осины;

Масса влаги, испаряемой за время одного оборота камеры ,

(3.2)

где Е — вместимость камеры, ;

Определение вместимости камеры Е, :

(3.3)

где Г — габаритный объём всех штабелей в камере, ;

— коэффициент объёмного заполнения штабеля расчётным материалом.

Принимается Г=8,64 м³;

=0,286 — таблица 2.1.

Масса влаги, испаряемой из камеры в секунду ,

(3.4)

где — продолжительность собственно сушки, ч;

Определение продолжительности собственно сушки, ч:

(3.5)

где — продолжительность сушки расчётного пиломатериала, ч;

— продолжительность начального прогрева материала, ч;

— продолжительность конечной влаготеплообработки, ч.

Принимается =19,81 ч — таблица 2.2;

=0 ч — таблица 2.1.

Определение продолжительности начального прогрева материала, ч:

Принимается ч с 27 [1]

ч

Расчётная масса испаряемой влаги ,

(3.6)

где k — коэффициент неравномерности скорости сушки.

Принимается k=1,2 — с. 28 для камер периодического действия.

3.3 Выбор режима сушки

Для осиновых досок толщиной 19 мм с III категорией качества из таблицы 3.4 выбирается режим сушки 3-Г.

3.4 Определение параметров агента сушки на входе в штабель

По выбранному режиму 3-Г из таблицы 3.4 принимается расчётная температура на входе в штабель, относительная влажность воздуха на входе в штабель, психрометрическая разность .

По — диаграмме определяются параметры сушильного агента на входе в штабель:

влагосодержание = 262;

теплосодержание =769 ;

плотность =0,87;

приведённый удельный объём =1,45 .

3.5 Определение объёма и массы циркулирующего агента сушки

Объём циркулирующего агента сушки ,

(3.7)

где — живое сечение штабеля, .

Определение живого сечения штабеля :

(3.8)

где п — количество штабелей в плоскости перпендикулярной входу циркулирующего агента сушки.

Принимается п=1

Масса циркулирующего агента сушки на 1 кг испаряемой влаги, кг/кг

(3.9)

кг/кг

Определение параметров воздуха на выходе из штабеля

Параметры влажного воздуха на выходе из штабеля в камерах периодического действия определяется графоаналитическим способом.

По — диаграмме определяется параметры воздуха на выходе из штабеля:

Температура

относительная влажность

влагосодержание =263,2 ;

теплосодержание =769 ;

плотность =0,891 ;

приведённый удельный объём =0,817 .

3.6 Определение объёма свежего и отработанного воздуха

Масса свежего и отработанного воздуха на 1 кг испаряемой влаги, кг/кг

(3.10)

где — влагосодержание свежего воздуха, г/кг.

Принимается =11 г./кг — с. 35 при поступлении наружного воздуха из цеха.

кг/кг

Объём свежего (приточного) воздуха, поступающего в камеру ,

(3.11)

где — приведённый удельный объём свежего воздуха, .

Принимается =0,87 — с. 35.

Объём отработанного воздуха (выбрасываемого из камеры) ,

(3.12)

Расчёт приточно-вытяжных каналов камеры

Площадь поперечного сечения приточного канала, :

(3.13)

где — скорость движения свежего воздуха агента сушки в каналах, м/с.

Принимается =3 м/с — с. 36.

Площадь поперечного сечения вытяжного канала :

(3.14)

3.7 Определение расхода тепла на сушку

Расход тепла на начальный прогрев 1 древесины

1) Для зимних условий :

(3.15)

где — плотность древесины расчётного материала при заданной начальной влажности, ;

— содержание незамёрзшей связанной (гигроскопической) влаги, %;

— скрытая теплота плавления льда;

— средняя удельная теплоёмкость соответственно при отрицательной и положительной температуре, ;

— начальная расчётная температура для зимних условий, ;

— температура древесины при её прогреве, .

Принимается =650 — рисунок 12 для =400 и %;

=100 — табл. 2.4 для нормального режима сушки;

=-36 — таблица 2.5 для Красноярска;

=14% - рисунок 2.3 для =-36 ;

=335 — с. 37 [1];

=1,82 — рисунок 13 для и %;

=2,9 — рисунок 13 для и %.

2) Для среднегодовых условий :

(3.16)

где — среднегодовая температура древесины, .

Принимается =2,9 — рисунок 13 для и %;

=0,6 — таблица 2.5 для Красноярска.

Удельный расход тепла при начальном прогреве на 1 кг испаряемой влаги ,

(3.17)

Общий расход тепла на камеру при начальном прогреве, кВт

(3.18)

кВт

кВт

Определение расхода тепла на испарение влаги

Удельный расход тепла на испарение влаги в лесосушильных камерах с многократной циркуляцией при сушке воздухом, :

(3.19)

где — теплосодержание свежего воздуха, ;

— влагосодержание свежего воздуха, г/кг;

— удельная теплоёмкость воды, ;

Принимается =4,19 — с. 40 [1];

=46, =11 г./кг — с. 40 при поступлении воздуха из коридора управления;

Общий расход тепла на испарение влаги, :

(3.20)

Потери тепла через ограждения камеры

Суммарные теплопотери через ограждения камеры, :

(3.21)

где — теплопотери через наружную поверхность, ;

— теплопотери через торцовую стену, ;

— теплопотери через дверь на входе камеры, .

Теплопотери через наружную поверхность ограждения камеры в единицу времени, :

(3.22)

где — площадь ограждения, ;

— температура среды в камере, ;

— расчётная температура наружного воздуха, .

 — внутренний и наружный диаметры стенки, мм.

— коэффициент теплоотдачи для внутренних поверхностей ограждений,

— коэффициент теплоотдачи для наружных поверхностей ограждений,

Принимается =15 — с. 41 для всех ограждений;

Теплопотери через торцовую стену и дверь в единицу времени:

(3.23)

Размеры камеры: длина м; диаметр D =1,8 м.

Размеры двери: диаметр D =1,8 м.

Таблица 3.1 — Расчёт поверхности ограждений камеры

Таблица 3.2 — Расчёт потерь тепла через ограждения

кВт

Суммарные теплопотери через ограждения камеры с учётом поправки, кВт:

(3.24)

кВт

Удельный расход тепла на потери через ограждения, :

(3.25)

кДж/кг

Определение удельного расхода тепла на сушку ,

(3.26)

где — коэффициент, учитывающий дополнительный расход тепла на начальный прогрев камер, транспортных средств, оборудования и др.

Принимается =1,2 — с. 45.

кДж/кг

кДж/кг

Определение расхода тепла на 1 м³ расчётного материала, :

(3.27)

3.8 Выбор типа и расчёт поверхности нагрева калорифера

Согласно заданию оставляем электронагреватели типа ТВК.

3.8.2 Тепловая мощность калорифера, кВт

(3.28)

где — коэффициент неучтённого расхода тепла на сушку.

Принимается =1,2 — с. 47.

кВт

Определение потребляемого количества электроэнергии за 1 год работы цеха, кВт*год Расход электроэнергии: 2,0…2,6 кBт*чac/м³ на 1% выпаренной влаги.

где — расход электроэнергии за 1 час работы, на 1% выпаренной влаги, из 1 м³ пиломатериала, кBт*чac/м³;

— время работы камеры за 1 год, ч;

V — годовая программа, м³;

Принимается кBт*чac/м³;

ч

4. Аэродинамический расчёт камер

4.1 Расчёт потребного напора вентилятора

Таблица 4.1 — Участки циркуляции воздуха в термовакуумной камере периодического действия типа «ТВК-1 эл»

Определение скорости циркуляции агента на каждом участке, м/с

(4.1)

где — площадь поперечного сечения канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на соответствующем участке, .

Определение площади поперечного сечения канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на соответствующем участке, :

Участок 1 Прямой канал

(4.2)

где — высота циркуляционного канала, м.

Принимается =0,888 м, м;

Участок 2 Вход в штабель (внезапное расширение)

(4.3)

Участок 3 Штабель

(4.4)

Участок 4. Выход из штабеля (внезапное сужение)

(4.5)

Все расчёты по определению скорости циркуляции агента сушки сведены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 — Скорость циркуляции агента сушки на каждом участке

Определение сопротивлений движению агента сушки на каждом участке, Па

Участок 1. Прямой канал

(4.6)

где — коэффициент трения;

— длина участка, м;

— периметр канала, м.

Принимается =0,016 — с. 58 для металлических каналов;

=16,2 м.

Определение периметра канала, м:

(4.7)

м

Участок 2 Вход в штабель (внезапное расширение)

(4.8)

гдекоэффициент сопротивления для внезапного расширения потока.

Принимается =0,9 — таблица 3.8 для внезапного расширения потока при =0,05.

Участок 3. Штабель

(4.9)

гдекоэффициент сопротивления потока в штабеле.

Принимается =8,6 — таблица 3.10 для штабеля с толщиной прокладок =25 мм и толщиной досок =19 мм.

Участок 4 Выход из штабеля (внезапное сужение)

(4.10)

гдекоэффициент сопротивления потока при внезапном сужение потока.

Принимается =0,3 — таблица 3.9 для внезапного сужения потока при =0,05.

Все расчёты по определению сопротивлений сведены в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 — Подсчёт сопротивлений

Определение потребного напора вентилятора, Па

(4.11)

Па

4.2 Выбор вентилятора

Определение производительности вентилятора ,

(4.12)

Определение характерного (приведённого) напора вентилятора, Па

(4.13)

Па

Безразмерная производительность

(4.14)

где — частота вращения ротора, .

Принимается =1000 .

Безразмерный напор

(4.15)

4.3 Определение мощности и выбор электродвигателя

Максимальная теоретическая мощность вентилятора, кВт

(4.16)

кВт

Мощность электродвигателя для привода вентиляторов, кВт

(4.17)

где — коэффициент запаса мощности на пусковой момент;

— коэффициент запаса, учитывающий влияние температуры среды, где расположен электродвигатель;

— КПД передачи.

Принимается =1,15 — таблица 3.15 для электродвигателя мощностью более 5 кВт и центробежного вентилятора;

=1,25 — таблица 3.16 для температуры среды С

=1,0 — с. 81 при непосредственной насадке ротора вентилятора на вал электродвигателя.

кВт

По расчётной мощности электродвигателякВт и частоте вращения ротора из таблицы 3.17 выбирается три трёхскоростных электродвигателя типа 4А160S6У3 с мощностью кВт и частотой вращения ротора .

Заключение

лесосушильный камера пиломатериал термовакуумный В данном курсовом проекте были проведены технологический, тепловой и аэродинамический расчёты лесосушильной камеры «ТВК-1 эл», а также описаны специальные способы сушки пиломатериалов. В работе был произведен вентиляторов с приводами.

Список использованных источников

Акишенков С. И. Проектирование лесосушильных камер и цехов: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов спец. 26.02, 17.04. — Л.: ЛТА, 1992. — 87 с.

Шубин Г. С. Проектирование установок для гидротермической обработки древесины. — М.: Лесн. пром-сть, 1983. — 272 с.

Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины. — Архангельск: Изд-во ЦНИИМОД, 1985. — 142 с.

Богданов Е. С. Сушка пиломатериалов. — М.: Лесн. пром-сть, 1988. — 248 с.

Серговский П.С., Расев А. И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. — М.: Лесн. пром-сть, 1987. — 360 с.