1. Введение
В раннее опубликованной статье [1] проведен анализ существующих способов сушки древесины, из которых обособленно выделен инфракрасный как наиболее перспективный на сегодняшний день [1], [2]. Это связано с появлением новых низкотемпературных источников тепла, таких как керамические, пленочные электронагреватели [3]. В статье приводится обзор существующих на рынке установок на основе пленочных электронагревателей, их конструктивных особенностей, достоинств и недостатков при эксплуатации [4]. Результатом проведенных исследований стал вывод о том, что для данного типа сушилок отсутствует маршрутная карта технологического процесса, как итог отсутствуют режимы сушки [5]. И для эксплуатации сушилки в производственных реалиях пользователям необходимо адаптировать ее под свои условия (размер камеры, вентиляционная установка). Выявление закономерностей влияния возмущающих факторов на процесс сушки и получения алгоритма создания режима будет способствовать более быстрой адаптации системы автоматического управления при эксплуатации.
Эффективность систем автоматического управления процессом сушки зависит от совершенства алгоритма управления, заложенного в контроллер, управляющий технологическим процессом и от точности регистрации технологических параметров [6], [7]. Алгоритм управления может быть построен на основе математического описания тепло-массообменных процессов сушки [8]. Однако такой подход не находит применения из-за сложности математического аппарата и неопределенности исходных данных для расчета. Другой подход основан на изучении динамических свойств сушильной камеры как объекта управления [9]. В этом случае алгоритм определяется передаточной функцией объекта управления, которая получается экспериментально для конкретной конструкции сушилки и высушиваемого материала. Сложность реализации такого подхода состоит в том, что сушильная камера состоит из нескольких зон, обладающих различными передаточными функциями [9]. Еще один подход к созданию алгоритма управления основан на использовании экспериментально полученной модели сушки от технологических параметров процесса [7], [10], [11].
В связи с вышесказанным, целью настоящей статьи является повышение эффективности процесса инфракрасной сушки древесины в установках на основе пленочных электронагревателей за счет адаптивной работы системы автоматического управления.
Задачи исследования:
1. Разработать и создать опытный образец сушильной установки на основе пленочных электронагревателей;
2. Разработать и создать систему автоматического управления установки с обязательным архивированием получаемых данных температуры и влажности на протяжении всего процесса сушки пиломатериалов;
3. Экспериментально получить кривые сушки пиломатериала, произвести их анализ, на основе которого предложить пути повышения эффективности за счет изменения технологических параметров в процессе сушки.
2. Материалы и принципы исследования
На базе ФГБОУ ВО «Южноуральский Уральский ГАУ» разработан и создан опытный образец сушильной установки древесины (рис. 1). Размер камеры обусловлен справочными данными научно-промышленной документации, в которой рекомендовано: соотношение единицы загруженного пиломатериала к пяти единицам свободного объема камеры (1:5); соотношение трехкратного обмена воздуха для выбранного объема камеры, это важно при выборе вытяжного вентилятора; соотношение установленной мощности пленочных электронагревателей к объему высушиваемого пиломатериала – 3,5 кВт на 1 м3 [12], [13]. В таблице 1 приведены технические характеристики опытного образца с учетом приведенных соотношений.
Технические характеристики опытного образца сушильной установки
| № | Наименование параметра | Кол-во |
| 1 | 3 | 20 |
| 2 | 3 | 4 |
| 3 | Количество щитов, шт | 10 |
| 4 | Размер щита, м | 1,4х2,0 |
| 5 | Установленная мощность 1 щита, кВт | 1 |
Внешний вид опытного образца сушильной установки
Запатентованный способ сушки заключается в следующем [14]: укладывается штабель, который состоит из нескольких слоев досок с разделительными рейками, укладываемые поперек. Между слоями (не менее двух слоев) размещают сбитый щит с пленочными электронагревателями, перекрывающими всю поперечную площадь штабеля. В основании штабеля и наверху устанавливаются щиты с отражателями для направления теплового потока внутрь. Далее пленочные электронагреватели посредством разъемов подключают к сети питания. В этот момент ток начинает протекать по резистивному проводнику и нагревает его, далее это тепло распространяется по фольге, тем самым образуя излучающую поверхность, которая с определенной плотностью потока излучения воздействует на пиломатериал, происходит постепенный прогрев, провоцируя тем самым процесс сушки.
Процесс сушки происходит циклично в зависимости от температуры нагревая доски, которая фиксируется по датчику, установленному непосредственно в ней в предварительно-просверленном отверстии. Температуру нагрева рекомендовано выставлять по двум уставкам: верхняя (40-45°С) и нижняя (35-38°С). То есть, пока температура датчика, установленного в доске, не достигнет уровня, к примеру, 40°С, плёночные электронагреватели будут находиться во включенном состоянии. При ее достижении пленочные электронагреватели будут отключены, пока температура датчика не станет равной нижней уставки, к примеру 35°С. Далее процесс включения и отключения электронагревателей повторяется до заданных значений датчика влажности и температуры, установленных непосредственно в камере.
Работа вентиляционной камеры осуществляется по тому же принципу верхней (85-90%) и нижней уставки (60-65%), по которым регулируются работа вентилятора вытяжного. Процесс сушки заканчивается в соответствии с установленным значением относительной влажности камеры [15], что, согласно таблице, соответствует влажности древесины определенной породы [16].
Функциональная схема системы автоматического управления сушильной установки
Именно этот алгоритм работы был организован в опытном образце (рис. 1), функциональная схема системы автоматического управления (САУ) приведена на рисунке 2.Из рисунка 2 следует, что система автоматического управления должна предусматривать контроллер температуры и влажности, в котором минимальное количество входов аналоговых – 3; дискретных выходов – 2.
Диалоговое окно программного обеспечения Owen Process Manager (OPM)
Кривая сушки, описывающая процесс обезвоживания продукт
Для реализации управления процессом предусмотрен универсальный измеритель температуры и влажности ТРМ-138 с 8-ю универсальными настраиваемыми входами и с 8-ю релейными выходами [17]. Такое количество входов и выходов объясняется планом экспериментов, который подразумевает исследование динамики изменения температуры в разных точках штабеля, что позволит в дальнейшем оптимизировать режимы сушки [18], либо усовершенствовать САУ для разделения электрической нагрузки по группам, что решает вопрос оптимизации процесса [19]. К ТРМ-138 посредством адаптера АС-4 предусмотрено подключение к персональному компьютеру (ПК), на который предварительно было установлено программное обеспечение Owen Process Manager (OPM) (рис. 3), предназначенного для записи всего процесса сушки и последующего его анализа с построением графиков непосредственно в самой программе, либо перевода данных в формат документа «excel» [20]. Полученные экспериментальные кривые сушки позволят дать оценку сходимости с теоретическими (рис. 4) [21], определить первый и второй период падающей скорости [22], а также выявить закономерности влияния возмущающих факторов на процесс сушки и совершенствования режима работы данного типа установок.Окончательный набор оборудования для организации САУ опытного образца сушильной установки приведен в таблице 2, а на рисунке 5 схема электрическая принципиальная (силового оборудования).
Набор оборудования для САУ сушильной установки
| № | Поз. на схеме рис.2 | Наименование оборудования | Кол-во |
| 1 | Измеритель-регулятор ТРМ-138 | 1 | |
| 2 | 1 | Датчик температуры ДТС014-50М.В3.20/5 | 1 |
| 3 | 2,3 | Датчик температуры и влажности ДВТ-03.ТЭ.2.Н1.80 | 1 |
| 4 | Преобразователь интерфейсов АС-4 RS-485<->USB | 1 | |
| 5 | 4 | ) | 10 |
| 6 | 5 | /ч) ВЦ 4-70(М)-2,5 | 1 |
Схема электрическая принципиальная силового оборудования сушильной установки
3. Обсуждение и основные результаты
После монтажа всех основных узлов сушильной установки был произведен запуск и длительный процесс работы на холостом ходу (72 часа). Далее была выполнена загрузка пиломатериала и его высушивание с контролем и архивированием параметров температуры и влажности в течении всего процесса сушки по описанному алгоритму управления выше.
Процесс сушки пиломатериала записанного с применением ПО OPM
На рисунке 6 показаны графики процесса сушки пиломатериала [23], который длился 139 часов (5 суток и 19 часов). В камеру была загружена сосна: толщина доски – 50 мм; длина – 4 м; начальная влажность – 58%, количество – 3 м3. Влажность доски составила 14%, удельные затраты электрической энергии на высушивание одного кубического метра составили 310 кВт∙ч. В процессе сушки измерение влажности производилось косвенным способом по влагосодержанию в камере. Абсолютная величина влажности пиломатериала измерялась с применением игольчатого влагомера до начала процесса сушки и после.Верхняя уставка температуры пиломатериала устанавливалась на уровне 40°С, гистерезис 1°С, для влажности воздуха в камере 85%, гистерезис 15% данные показатели не менялись на всем протяжении процесса сушки. Как следует из полученных графиков (рис. 5), на заданный режим САУ вышла только через 77 часов, то есть на всем протяжении этого времени (55% от всего времени процесса сушки) все пленочные электронагреватели сушильной установки были в работе. Кривая влажности (3) в течение 72 часов была 97-98%, что говорит о постоянной работе вентилятора в течении этого времени, при этом в самой камере на стенках и на потолке наблюдался конденсат.
В начале процесса кривая (2) была выше (1), это объясняется тем, что пиломатериал был загружен в камеру с улицы. Затем кривые (1) и (2) сравнялись и имели одинаковые значения в пределах 29-31°С, что говорит о прогреве пиломатериала [24]. Далее кривая (1) стала выше (2), и начался постепенный рост до заданного значения верхней уставки – 40°С, характеризующийся активным выходом свободной влаги из пиломатериала [25].
После выхода на заданные системой автоматического управления показатели, кривые характеризуют процесс сушки, как осциллирующий [26]. Влажность воздуха внутри камеры постепенно снижается, что говорит о менее интенсивном выходе влаги из древесины и чем ближе окончание процесса, тем больше разница значений между кривыми (1) и (2) [26].
4. Заключение
Полученные кривые процесса сушки пиломатериалов, полностью соответствуют теоретическим (рис. 4). Однако ввиду активного испарения в первый период падающей скорости задание, что делает невозможным выход на заданный уровень верхней уставки, с целью повышения энергетической эффективности, в алгоритме работы системы автоматического управления следует предусмотреть ступенчатый подъем уровня верхней уставки температуры пиломатериала. Это позволит осуществлять более мягкий режим сушки [27], и за счет непостоянной работы пленочных электронагревателей в первые дни, процесс сушки будет с более низким уровнем энергозатрат [28].
Анализ процесса сушки пиломатериала (рис. 6) показывает: в первые сутки заметен активной рост значений температура пиломатериала до отметки в пределах 28-30°С; во вторые и третьи сутки температура пиломатериала находилась в пределах 35-37°С; на четвертые сутки температура пиломатериала достигла верхней уставки 40°С и с учетом гистерезиса находилась в пределах 39-41°С.
Исходя из этого, прослеживается три ступени подъема температуры, которые необходимо выдерживать определенный промежуток времени и если предусмотреть это в системе автоматического управления инфракрасной сушки пиломатериала в установках на основе пленочных электронагревателей, то это позволит повысить их эффективность.