Способ непрерывного контроля влажности древесины в сушильной камере
Владельцы патента RU 2613307:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Приокский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") (RU)
Изобретение относится к весовым методам определения влажности древесины при вакуумно-диэлектрической сушке. Уложенную в штабель древесину на подштабельной тележке с тензометрическими датчиками помещают в герметичную сушильную камеру между электродами, подключенными к высокочастотному генератору. Датчики подключают к системе измерения веса. В вычислительный блок вводят значения задаваемых параметров древесины и требуемое остаточное давление. Перед вакуумированием измеряют начальное давление в камере, затем включают вакуумный насос и измеряют массу удаленного воздуха. При достижении требуемого остаточного давления насос выключают и измеряют температуру и влажность среды. По измеренным величинам в вычислительном блоке определяют объем древесины в абсолютно сухом состоянии. Затем включают высокочастотный генератор и интенсифицируют процесс сушки путем диэлектрического нагрева древесины. В процессе сушки непрерывно или периодически измеряют текущую массу штабеля и определяют текущую влажность древесины. До загрузки в камеру из штабеля отбирают образцы, по которым в течение 4 суток по установленным стандартам определяют свойства древесины, а штабель выдерживают в помещении, где установлена камера, при температуре 10-20°C и относительной влажности воздуха 70-90%. Непосредственно перед загрузкой измеряют начальную влажность, а после загрузки в вычислительный блок вносят предварительно измеренные свойства древесины, значения начальной влажности и требуемого остаточного давления. При этом давление в камере понижают до 8-10 кПа, а диэлектрический нагрев производят до температуры 45-60°C, которую поддерживают неизменной в течение всего процесса сушки регулированием мощности высокочастотного генератора. Достигается повышение точности измерения текущей влажности древесины и эффективности контроля влажности в процессе сушки. 1 ил.
Изобретение основано на весовых методах определения влажности и может быть использовано для непрерывного контроля влажности древесины при вакуумно-диэлектрической сушке.
Известен способ контроля влажности древесины в процессе сушки, при котором перед началом сушки из контрольных образцов определенным образом выпиливают секции влажности, которые сразу же взвешивают на технических весах. Взвешенные секции укладывают в сушильный шкаф и высушивают при температуре 100-105°C, контролируя их вес. Первое взвешивание производят через 5-6 ч после начала сушки, последующие - через каждые 2 ч. Если последний вес совпадает с предыдущим или отличается от него не более чем на 0,02 г, то его принимают за вес абсолютно сухой секции, а сушку заканчивают. Начальную влажность WH, %, секций вычисляют по формуле
где Gнач - начальный вес секции, г;
Gcyx - абсолютно сухой вес секции, г.
Среднее значение влажности секций принимают за начальную влажность контрольных образцов, из которых были выпилены секции. Контрольные образцы взвешивают и укладывают в штабель, который затем загружают в сушильную камеру. В процессе сушки периодически образцы вынимают из штабеля и взвешивают. Влажность образцов в текущий момент сушки находят по формуле
где Gт - вес контрольного образца в текущий момент сушки, г;
Gсух.обр - абсолютно сухой вес контрольного образца, г;
где Gнач - начальный вес контрольного образца, г;
Wнач - начальная влажность контрольного образца, %.
Контрольные образцы взвешивают каждый день при ожидаемой продолжительности сушки 5-10 суток и через день при большей продолжительности (Пейч Н.Н., Царев Б.С. Сушка древесины. Учебник для проф. тех. училищ и подготовки рабочих на производстве. Изд. 2-е, переработ. - и доп. – М.: Высш. школа, 1971, с. 128-130).
Недостатками этого способа являются необходимость прерывать процесс сушки для изъятия контрольных образцов, невозможность применения при вакуумных методах сушки, невозможность автоматизации процесса сушки. Невозможность применения данного метода контроля влажности при вакуумных методах сушки обусловлена тем, что для них характерна небольшая продолжительность процесса сушки, поэтому частая разгерметизация камеры для изъятия контрольных образцов на взвешивание нарушает технологический режим сушки.
Известен способ контроля влажности древесины в сушильной камере, при котором влажность определяется непосредственно в процессе сушки путем анализа изменения во времени веса штабеля древесины. Заблаговременно уложенную в штабель древесину загружают в сушильную камеру, подключают датчики веса, установленные на подштабельной тележке, к весоизмерительной системе, размещенной вне камеры. Затем по заданному режиму осуществляют процесс сушки, во время которого ведут контроль за температурой и степенью насыщенности влагой воздуха в камере и показаниями датчиков веса. Вес штабеля определяют в трех-четырех точках, соответствующих различным моментам времени сушки. Период времени между измерениями может составлять 1-10 ч. На основе измерений рассчитывают аппроксимирующую зависимость веса штабеля от времени сушки, определяют уравнение скорости сушки, рассчитывают конечное время сушки и расчетное значение абсолютно сухого веса штабеля, влажность Wт, %, древесины в текущий момент времени определяют по формуле
где Gт - текущий вес штабеля, кг;
Gкон - расчетное значение абсолютно сухого веса штабеля, кг;
Wрав(t, ϕ) - равновесная влажность древесины при заданных параметрах агента сушки, %,
(патент РФ 2037755; МПК F26B 25/22, G01N 9/36, опубл. 1995).
Недостатком этого способа является большая продолжительность определения абсолютно сухого веса штабеля, из-за чего невозможно контролировать влажность штабеля в начале процесса сушки.
Известен способ, при котором подлежащую сушке древесину, уложенную в штабель, загружают в герметичную камеру на подштабельной тележке, оснащенной тензометрическими датчиками, подключаемыми к системе измерения веса, затем в вычислительный блок задают значения начальной влажности древесины, плотности в абсолютно сухом состоянии, коэффициента усушки и величину требуемого остаточного давления в камере. Перед стадией вакуумирования осуществляют конвективный прогрев древесины, после его завершения с помощью датчика температуры и датчика давления измеряют начальные значения температуры и давления в камере. Затем включают вакуумный насос и посредством массового расходомера измеряют массу удаляемого из камеры воздуха. Насос выключают при достижении в камере требуемого остаточного давления. После вакуумирования измеряют температуру и влажность среды в камере. На основе измеренных величин в вычислительном блоке рассчитывают остаточную массу mост, кг, воздуха
где Т1, Т2 - температуры среды до и после вакуумирования, K;
mуд - масса удаленного воздуха, кг;
P1 - давление среды до вакуумирования, Па;
P2 - требуемое остаточное давление, Па.
Вычисляют объем загруженной древесины VM, м3, по формуле
где V - объем камеры, м3;
mост - масса оставшегося воздуха, кг;
ρв - плотность воздуха при давлении Р2, температуре Т2 и влажности d, кг/м3.
В процессе сушки посредством тензометрических датчиков и системы измерения веса непрерывно или через определенные интервалы времени определяют текущий вес штабеля. Если начальная влажность больше предела гигроскопичности (Wп.г=30%), то текущую влажность Wт, %, определяют по формуле:
где Gт - текущий вес штабеля, кг;
VM - объем загруженного пиломатериала, м3;
ρ0 - плотность в абсолютно сухом состоянии, кг/м3.
kу - коэффициент объемной усушки древесины, отн. ед.
Если начальная влажность ниже предела гигроскопичности, то текущую влажность Wт, %, определяют путем решения уравнения
(Качанов А.Н. Коренков Д.А. Контроль влажности капиллярно-пористых строительных материалов при вакуумной обработке. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2014. - №3. - С. 154-160).
Недостатком способа является значительная погрешность, обусловленная заданием табличных значений коэффициента усушки и плотности в абсолютно сухом состоянии, определяемых для конкретной породы древесины. Отмеченные свойства для одной и той же породы варьируются в зависимости от многих факторов, например от места произрастания, возраста дерева. Также погрешность привносит значение предела гигроскопичности, которое принимают равным 30%, но которое также не одинаково для разных партий древесины.
За прототип принят способ, при котором древесину укладывают в штабель на подштабельной тележке, оснащенной тензометрическими датчиками, подключаемыми к системе измерения веса, и помещают в герметичную камеру между электродами, подключенными к высокочастотному генератору, затем в вычислительный блок задают значения плотности в абсолютно сухом состоянии, коэффициента усушки и величину требуемого остаточного давления в камере. Перед стадией вакуумирования посредством датчика давления измеряют начальное давление в камере. Затем включают вакуумный насос и при помощи массового расходомера измеряют массу удаляемого из камеры воздуха. Насос выключают при достижении в камере требуемого остаточного давления. После вакуумирования измеряют температуру и влажность среды в камере. На основе измеренных величин в вычислительном блоке рассчитывают остаточную массу mост, кг, воздуха
где mуд - масса удаленного воздуха, кг;
Р1 - давление среды до вакуумирования, Па;
Р2 - требуемое остаточное давление, Па.
Вычисляют объем загруженной древесины VM, м3, по формуле (2)
где V - объем камеры, м3;
mост - масса оставшегося воздуха, кг;
ρв - плотность воздуха, кг/м3.
Р2 - давление среды после вакуумирования, Па;
Т - температура среды после вакуумирования, °С;
d - относительная влажность среды после вакуумирования, %.
Вычисляют объем древесины в абсолютно сухом состоянии, кг/м3, по формуле
где VM - объем загруженной древесины, м3;
kу - коэффициент объемной усушки древесины, отн. ед.
После этого включают высокочастотный генератор, древесина нагревается диэлектрическим способом за счет релаксационно-поляризационных явлений, с поверхности древесины начинает испаряться влага. В процессе сушки посредством тензометрических датчиков и системы измерения веса непрерывно или через определенные интервалы времени определяют текущий вес штабеля, а текущую влажность Wт, %, определяют по формуле
где Gт - текущий вес штабеля, кг;
V0 - объем древесины в абсолютно сухом состоянии, м3;
ρ0 - плотность в абсолютно сухом состоянии, кг/м3,
(Качанов А.Н., Коренков Д.А. Контроль влажности древесины в вакуумных сушильных камерах // Ползуновский вестник. - №4. - Барнаул: АЛГТУ им. Ползунова, 2014. - 197-202 с.).
Недостатком данного способа также является значительная погрешность, обусловленная заданием табличных значений коэффициента усушки, плотности древесины в абсолютно сухом состоянии и предела гигроскопичности, принимаемого равным 30%.
Задачей способа является повышение эффективности контроля влажности древесины в сушильных камерах путем повышения точности измерения текущей влажности в процессе сушки.
Данная задача решается за счет того, что в способе непрерывного контроля влажности древесины в сушильной камере, при котором древесину укладывают в штабель на подштабельной тележке, оснащенной тензометрическими датчиками, подключаемыми к системе измерения веса, и помещают в герметичную камеру между электродами, подключенными к высокочастотному генератору, задают в вычислительный блок значения плотности в абсолютно сухом состоянии, коэффициента усушки и величину требуемого остаточного давления в камере, перед стадией вакуумирования измеряют начальное значение давления в камере, затем включают вакуумный насос и измеряют массу удаляемого из камеры воздуха, при достижении требуемого остаточного давления насос выключают и измеряют температуру и влажность среды в камере, на основе измеренных величин в вычислительном блоке определяют объем древесины в абсолютно сухом состоянии, после чего включают высокочастотный генератор и начинают диэлектрический нагрев древесины для интенсификации процесса сушки, во время которого непрерывно или периодически измеряют текущую массу штабеля и определяют текущую влажность древесины, согласно изобретению до загрузки в сушильную камеру из штабеля древесины отбирают образцы, по которым согласно установленным стандартам в течение 4 суток определяют плотность в абсолютно сухом состоянии, коэффициент усушки и предел гигроскопичности, одновременно с этим штабель древесины выдерживают в помещении при температуре воздуха 10-20°C и относительной влажности воздуха 70-90%, непосредственно перед загрузкой посредством ручного электровлагомера измеряют начальную влажность древесины, а после загрузки штабеля в вычислительный блок, кроме значений плотности в абсолютно сухом состоянии, коэффициента усушки и требуемого остаточного давления, вносят также значения предела гигроскопичности и начальной влажности, при этом давление в камере понижают до 8-10 кПа, а диэлектрический нагрев производят до температуры 45-60°C, которую поддерживают неизменной в течение всего процесса сушки регулированием мощности высокочастотного генератора.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности измерения текущей влажности древесины и эффективности контроля влажности в процессе сушки путем учета особенностей физических свойств древесины таких, как плотность в абсолютно сухом состоянии, коэффициент усушки и предел гигроскопичности, каждой партии, поступающей на сушку.
На чертеже изображено устройство для реализации способа.
В его состав входит герметичная сушильная камера 1, рельсы 2, подштабельная тележка 3. На подштабельную тележку 3 укладывают штабель 4 древесины. Внутри камеры 1 штабель 4 древесины размещают между двумя электродами 5, один из которых подключен через высокочастотный фидер 6 к высокочастотному генератору 7, другой заземлен. Высокочастотный генератор также заземлен. Подштабельная тележка 3 оснащена тензометрическими датчиками 8, которые через штепсельный разъем 9 подключают к системе 10 измерения веса, расположенной вне камеры 1. Сушильная камера 1 соединена через обратный клапан 11 с вакуумным насосом 12, к выходному патрубку которого подключен массовый расходомер 13. Выходной патрубок расходомера 13 имеет непосредственную связь с атмосферой. Внутри камеры 1 расположены датчик 14 давления, датчик 15 температуры, датчик 16 влажности воздуха, которые подключены к вычислительному блоку 17, расположенному вне камеры 1. Система 10 измерения веса и массовый расходомер 13 также подключены к вычислительному блоку 17.
Для измерения веса штабеля 4 могут быть использованы, например, тензометрические датчики М50 (Тензометрические датчики из нержавеющей стали мембранного типа. Брошюра №608. http://www.tenso-m.ru). В качестве системы 10 измерения веса может быть использован, например, весоизмерительный преобразователь ТВ-006С (Каталог «Весоизмерительные преобразователи», 2-е издание, брошюра №700, 2014, http://www.tenso-m.ru). Для понижения давления в камере 1 может быть использован, например, вакуумный насос VALUE VE 2100 N (Каталог «Пластинчатороторные насосы», http://evtec.ru). Для измерения массы удаленного воздуха может быть применен, например, массовый криолисовый расходомер TMU (Каталог «Криолисовые массовые расходомеры», http://www.rizur.ru). Для измерения влажности среды в камере 1 может быть использован, например, датчик влажности HIH-4000-001 (Humidity sensors line guide, http://sensing.honeywell.com). Для измерения температуры среды в камере 1 может быть использован, например, датчик температуры 700-101ВАА-В00 (700 Series Platinum RTDs Temperature Sensors, http://z.compel.ru/item-pdf/ca6bd7cc7b0f8d5f5532dbba3370ed49/ps/honey~700s.pdf). Для измерения давления среды в камере 1 может быть использован, например, датчик давления МТ100М (ТУ 4212-010-00226218-2010). Высокочастотный генератор может быть использован, например, типа ВЧГ8-60/13 (ТУ 16-682.140-86).
Способ реализуется следующим образом.
Заблаговременно из партии древесины отбирают образцы и определяют коэффициент kу объемной усушки по ГОСТ 16483.37-88, плотность ρ0 в абсолютно сухом состоянии по ГОСТ 16483.1-84 и предел Wп.г гигроскопичности по ГОСТ 16483.32-77. Для определения предела гигроскопичности согласно ГОСТ 16483.32-77 требуется 4 суток. За это время древесину укладывают в штабель 4 на подштабельную тележку 3 и выдерживают в помещении, где установлена камера 1. Это обеспечивает равенство температуры древесины и температуры среды в момент вакуумирования и, как следствие, постоянство температуры среды в камере 1 до и после вакуумирования за счет отсутствия теплоотдачи или теплопоглощения на поверхности древесины. При этом упрощается определение массы оставшегося воздуха. По условиям эксплуатации высокочастотного генератора 7 и условию предотвращения чрезмерного подсушивания поверхностных слоев древесины температура в помещении должна быть в пределах 10-20°C, а влажность - в пределах 70-90%.
После определения коэффициента усушки kу, плотности ρ0 древесины в абсолютно сухом состоянии и предела гигроскопичности Wп.г с помощью ручного электровлагомера измеряют начальную влажность Wн древесины в штабеле 4, затем подштабельную тележку 3 по рельсам 2 закатывают в камеру 1. Штепсельным разъемом 9 соединяют тензометрические датчики 8 и систему 10 измерения веса, после чего камеру 1 герметично закрывают. В вычислительный блок 17 заносят измеренные величины Wн, ky, ρ0, Wп.г, а также регламентируемую технологическим режимом величину остаточного давления Р2. Согласно общим рекомендациям по проведению вакуумно-диэлектрической сушки остаточное давление выбирают в диапазоне 8-10 кПа, что соответствует температуре кипения воды 45-60°C. Далее с помощью вычислительного блока 17 запускают процесс измерения. Перед началом вакуумирования камеры 1 посредством датчика 14 давления измеряют давление P1 среды. Сигнал, пропорциональный измеренному давлению, поступает в измерительный блок 17. Включают вакуумный насос 12 и в течение его работы посредством массового расходомера 13 измеряют массу mуд удаляемого из камеры 1 воздуха. После достижения в камере 1 требуемого остаточного давления Р2 вакуумный насос 12 выключают и с помощью датчика 15 температуры и датчика 16 влажности измеряют температуру Т и влажность d среды в камере 1 после вакуумирования. Сигналы, пропорциональные измеренным величинам mуд, Т и d, поступают в вычислительный блок 17. В блоке 17 вычисляют массу оставшегося в камере 1 воздуха mост, кг, по формуле (3)
где P1 - давление среды до вакуумирования, Па;
Р2 - требуемое остаточное давление, Па;
mуд - масса удаленного воздуха, кг.
Использование формулы (3) вместо (1) возможно благодаря выдержке штабеля 4 древесины в одном помещении с установленной сушильной камерой 1. Далее вычисляют объем загруженного пиломатериала VM, м3, по формуле (2)
где V - объем вакуумной камеры, м3;
mост - масса оставшегося воздуха, кг;
ρв - плотность воздуха при давлении Р2, температуре Т и влажности d, кг/м3.
Если начальная влажность Wн пиломатериала выше предела гигроскопичности Wп.г, вычисляют объем штабеля в абсолютно сухом состоянии V0, м3, по формуле
где VM - объем загруженного пиломатериала, м;
Wп.г - предел гигроскопичности, %.
kу - коэффициент объемной усушки древесины, отн. ед.
Если начальная влажность Wн ниже предела гигроскопичности Wп.г, то объем штабеля в абсолютно сухом состоянии V0, м3, вычисляют по формуле:
где VM - объем загруженного пиломатериала, м3;
kу - коэффициент объемной усушки древесины, отн. ед.
Wн - начальная влажность пиломатериала, %.
После определения объема в абсолютно сухом состоянии осуществляют диэлектрический нагрев древесины. Для этого включают высокочастотный генератор 7 и на электроды 5 по высокочастотному фидеру 6 подают высокочастотное напряжение. В штабеле 4 образуется переменное электромагнитное поле, которое за счет релаксационно-поляризационных явлений нагревает древесину и интенсифицирует процесс сушки. Древесину нагревают до температуры 45-60°C, соответствующей кипению воды при заданном остаточном давлении. Температуру поддерживают одинаковой на всем протяжении сушки регулированием мощности высокочастотного генератора 7. В процессе сушки с помощью системы 10 измерения веса непрерывно измеряют текущую массу штабеля mт. Влажность древесины W, %, в текущий момент процесса сушки вычисляют по формуле
где mт - текущая масса штабеля, кг;
V0 - объем штабеля в абсолютно сухом состоянии, m3;
ρ0 - плотность древесины в абсолютно сухом состоянии, кг/м3.
Способ непрерывного контроля влажности древесины в сушильной камере, при котором древесину укладывают в штабель на подштабельной тележке, оснащенной тензометрическими датчиками, подключаемыми к системе измерения веса, и помещают в герметичную камеру между электродами, подключенными к высокочастотному генератору, задают в вычислительный блок значения плотности древесины в абсолютно сухом состоянии, коэффициента усушки и величину требуемого остаточного давления в камере, перед стадией вакуумирования измеряют начальное давление в камере, затем включают вакуумный насос и измеряют массу удаляемого из камеры воздуха, при достижении требуемого остаточного давления насос выключают и измеряют температуру и влажность среды в камере, на основе измеренных величин в вычислительном блоке определяют объем древесины в абсолютно сухом состоянии, после чего включают высокочастотный генератор и начинают диэлектрический нагрев древесины для интенсификации процесса сушки, во время которого непрерывно или периодически измеряют текущую массу штабеля и определяют текущую влажность древесины, отличающийся тем, что до загрузки в сушильную камеру из штабеля древесины отбирают образцы, по которым согласно установленным стандартам в течение 4 суток определяют плотность в абсолютно сухом состоянии, коэффициент усушки и предел гигроскопичности, одновременно с этим штабель древесины выдерживают в помещении при температуре воздуха 10-20°С и относительной влажности воздуха 70-90%, непосредственно перед загрузкой при помощи ручного электровлагомера измеряют начальную влажность древесины, а после загрузки штабеля в сушильную камеру в вычислительный блок, кроме значений плотности в абсолютно сухом состоянии, коэффициента усушки и требуемого остаточного давления, вносят также значения предела гигроскопичности и начальной влажности, при этом давление в камере понижают до 8-10 кПа, а диэлектрический нагрев производят до температуры 45-60°С, которую поддерживают неизменной в течение всего процесса сушки регулированием мощности высокочастотного генератора.
