Гидротермическая обработка древесины

МИНИСТЕРСТВО   ОБРАЗОВАНИЯ   РФ

 

КОСТРОМСКОЙ   ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ   УНИВЕРСИТЕТ

 

 

КАФЕДРА   МЕХАНИЧЕСКОЙ   ТЕХНОЛОГИИ   ДРЕВЕСИНЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ   ПРОЕКТ

по дисциплине:

 

Гидротермическая обработка  древесины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Лобанов М.Н

                                                                                           Гр. 01-ЗДК-416

                                                                                          Проверил: Доцент к.т.н.               

                                                                          Данилов Ю. П.

 

 

Кострома 2005

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

по дисциплине «Гидротермическая  обработка древесины»

на тему: «Проектирование  лесосушильной камеры»

Исходные данные:

1. Назначение пиломатериалов – паркет.
2. Спецификация пиломатериалов.

Порода	Сечение, мм		Длина, м	Начальная влажность,Wн%	Количество пиломатериалов,м3
	Толщина	Ширина
Дуб	25	необр	4,5	80	1500
Ясень	32	необр	4,5	90	1000
Бук	40	150	4,5	100	1000
Итого					Σ=3500

3. Наличие пара – имеется без ограничений, давление – ,15 бар.
4. Наличие электроэнергии – имеется без ограничений.
5. Район строительства – г. Воронеж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

Под гидротермической обработкой древесины понимают процессы воздействия  на неё тепла, влажного газа или  жидкости, предназначенные для изменения температуры и влажности древесины или введения в неё веществ, улучшающих её технологические и эксплуатационные характеристики.

Процессы гидротермической обработки базируются на физических явлениях переноса, в частности, на явлениях тепло- и массообмена материала сокружающей средой. По своим особенностям и назначению они разделяются на три группы:

1. Процессы тепловой обработки, связанные с нагреванием древесины и поддержанием её температуры в течении определённого времени на заданном уровне;
2. Процесс сушки, связанный со снижением влажности древесины;
3. Процессы пропитки, связанные с введением в древесину веществ, изменяющих её свойства.

Процессы гидротермической обработки древесины, особенно сушка и пропитка, имеют колоссальное значение для деревообрабатывающей промышленности для народного хозяйства в целом.

Лесопильная и деревообрабатывающая промышленность располагает значительным сушильным хозяйством, в состав которого входят сушильные камеры разнообразных конструкций, как отечественных, так и зарубежные, особенно с увеличенной высотой штабеля.

Развитие лесосушильной  техники базируется на интенсивном  росте научно-исследовательской  деятельности оказывающей существенное влияние на конструирование камер  новых типов. Проектными организациями разработаны типовые рабочие проекты более совершенных сушильных камер, что в значительной мере способствовало быстрому наращиванию мощностей лесосушильного хозяйства страны. В связи с разработкой новых типов и конструкций лесосушильных камер особенно актуален вопрос правильного выбора эффективных типов лесосушильных камер для широкого промышленного введения.

В настоящее время  появились новые тенденции в  технологии сушки, глубже изучается  опыт зарубежных стран.

На лесопильных предприятиях перспективна одноэтажная сушка пиломатериалов до эксплуатационной влажности. Однако она не всегда применима, поэтому рассматривают вопрос двухэтажной сушки. Она осуществляется в крупных лесосушильных камерах периодического действия. Преимущество этого способа - сравнительная простота его внедрения.

 

 

 

 

 

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  РАСЧЁТ.

На этом этапе определяется количество сушильных камер, которые  необходимо для сушки заданного  объёма пиломатериалов. Кроме того определяется категория качества сушки, конечная влажность пиломатериалов, выбирается тип и марка сушильной камеры.

 

1.1. Исходные данные.

 

1. Назначение пиломатериалов – паркет.

2. Спецификация пиломатериалов.

Таблица 1

Порода	Сечение, мм		Длина, м	Начальная влажность,Wн%	Количество пиломатериалов,м3
	Толщина	Ширина
Дуб	25	необр	4,5	80	1500
Ясень	32	необр	4,5	90	1000
Бук	40	150	4,5	100	1000
Итого					Σ=3500

3. Наличие пара – имеется без ограничений, давление – ,15 бар.

4. Наличие электроэнергии – имеется без ограничений.

5. Район строительства – г. Воронеж.

 

1.2. Выбор категории  качества сушки.

 

Качество сушки пиломатериалов определяется категорией качества сушки. Категории качества сушки могут быть:

1. Сушка пиломатериалов до Wк=6…8%, предназначенных для изготовления деталей и узлов, в которых необходимо длительное соблюдение формоустойчивости клеёные деревянные несущие конструкции, производство музыкальных инструментов, мебельное производство, детали футляров точных инструментов, дверные полотна из ценных лиственных пород.
2. Сушка пиломатериалов до Wк=6…10% предназначенных для изготовления деталей и узлов, в которых требуется длительное сохранение формы, но которые в процессе эксплуатации находятся в зажатом состоянии ( детали оконных блоков, дверных коробок, паркет, евровагонка и др).
3. Сушка пиломатериалов до Wк=8…15%, предназначенных для менее ответственных составных частей изделий ( погонажные столярно – строительные изделия, товарное вагоностроение, сельхозмашиностроение, рядовая тара, и др).

0 Сушка до транспортной влажности Wк=19%, пиломатериалы      экспортного и внутрироссийского потребления.

Для данной курсовой работы выбрана II категория качества до Wк=8% . Для сушки пиломатериалов по II категории качества используются камеры периодического действия, т.к. необходима влаготеплообработка. Марка сушильной камеры выбирается в зависимости от требуемой производительности. В данной работе выбрана сушильная камера марки УЛ-2.

1.3. Выбор режима  сушки.

 

В зависимости от назначения пиломатериалы могут высушиваться режимами различной жёсткости. Существует два типа сушки пиломатериалов.

1.      Высокотемпературная t_м=100⁰С, агент сушки – перегретый пар.

2. Низкотемпературная tм<100⁰С, агент сушки – воздух. Низкотемпературные режимы сушки делятся на три группы: мягкие, нормальные, форсированные.

При сушке мягкими режимами полностью сохраняются цвет и физико – механические свойства древесины, рекомендуются для сушки экспортных пиломатериалов и высших сортов пиломатериалов внутрироссийского потребления.

При сушке нормальными  режимами полностью сохраняются  физико – механические свойства древесины, но возможно лёгкое потемнение древесины.

При сушке форсированными режимами снижается прочность древесины на скалывание, раскалывание, цвет древесины темнеет.

Так как назначение пиломатериалов – столярно – строительные изделия, то принимаем нормальный режим сушки пиломатериалов.

 

1.4. Перерасчёт  объёма фактического пиломатериала  в объём условного пиломатериала.

 

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

У=Ф·(τ_об.ф/τ_об.усл)·(β_усл/β_ф);  м³усл.                           (1)

Где:

Ф – объём высушенного  или подлежащего сушке пиломатериалов заданного размера и породы, м³

  τ_об.ф – продолжительность оборота камеры при сушке фактического материала данного размера и породы, ч

β_ф – коэффициент объёмного заполнения штабеля фактическим пиломатериалом.

τ_об.усл – продолжительность оборота камеры при сушке условного материала, ч.

β_усл – коэффициент объёмного заполнения штабеля условным материалом, β_усл =0,474

В качестве условного пиломатериала  принимаются сосновые обрезные доски  сечением 40×150мм, длиной l > 1м, высушенные по II категории качества от начальной влажности W_нач=60% до конечной влажности W_к=12%

β_ф=β_д·β_ш·β_в·(100-У₀)/100;                                      (2)

где,

β_д – линейный коэффициент заполнения штабеля по длине;

β_ш – линейный коэффициент заполнения штабеля по ширине;

β_в – линейный коэффициент заполнения штабеля по высоте;

У₀ – объёмная усушка, %, У₀=8%

Коэффициент β_в зависит от номинальной толщины высушиваемого материала S и толщины прокладок S_пр

β_в =S/(S+ S_пр),                                                        (3)

где, S_пр принимаем 25мм, тогда:

β_в =S/(S+25),                                                           (4)

Коэффициент β_ш зависит от способа укладки ( со шпациями или без шпаций ) и вида пиломатериалов ( обрезные или необрезные )

β_ш =0,9 для обрезных пиломатериалов [1, табл.1, стр. 6]

Коэффициент β_д =0,85, если в штабель укладываются доски и заготовки без сортировки по длине.

β_д =1, при укладке в штабель пиломатериалов одинаковой длины.

Принимаем β_д =0,85

τ_об.ф= τ_суш+τ_з ,                                                               (5)

где, τ_суш – продолжительность сушки фактического материала.

τ_з – продолжительность загрузки и выгрузки материала, принимается 2,4ч=0,1суток

Общая продолжительность  сушки, включая начальный прогрев  древесины и теплообработку находится:

τ_суш= τ_исх·А_п·А_у·А_к·А_в, ч                                            (6)

где, τ_исх – исходная продолжительность собственно сушки пиломатериалов заданной породы, толщины, и ширины.[1,стр.9,табл.6]

А_р – коэффициент учитывающий категорию применяемого режима сушки, А_р=1 [1,стр.7,табл.2]

А_у – коэффициент учитывающий интенсивность циркуляции воздуха [1,стр.7,табл. 3].

А_к – коэффициент, учитывающий категорию качества сушки.

А_в- коэффициент, учитывающий начальную и конечную влажность древесины [1,стр.8, табл.5];

Все расчёты сведём в таблицу.

Таблица 2.

Определение количества условного пиломатериала.

N	bф	tисх	Ау	Ак	Ав	tсуш	tоб.ф	У,м3
Дуб	0,23	140	0,89		1,43	204,9	206,6	8460
Ясень	0,26	122	0,84	1	1,51	117,9	120,3	2912
Бук	0,44	159	0,909		1,57	260,9	263,3	3780
Усл.п/м сосна	0,474	88	0,72		1	72,9	75,3

Σ=15152м³

 

1.5. Определение  производительности камер в условном материале.

 

Годовая производительность камеры в условном материале определяется по формуле:

П_у=Е_усл·n_усл,  м³_усл/год                                       (7)

Где, Е_усл – ёмкость камеры в плотных кубометрах условного материала, м³_усл

n_усл – число оборотов камеры в год при сушке условного материала, об/год.

Е_усл =n·l·b·h, м³/усл                                  (8)

Где, n – число штабелей в камере, n=4шт.

l,b,h – длина, ширина, высота штабеля, м.

Е_усл =2·1,8·4,5·3·0,474=23,0364 м³/усл

n_усл =335/ τ_об.усл, об/год                                         (9)

где, 335-время работы камеры в год, суток;

τ_об.усл – продолжительность оборота камеры для условного материала, сут.

τ_об.усл =75,3/24=3,1375 суток

n_усл =335/3,1375=106,77 об/год.

П_у =23,0364·106,77=2460 м³усл./год

 

1.6. Определение необходимого  количества камер.

 

Количество сушильных камер  определяется по формуле:

n=ΣУ/П_у,                                                                 (10)

n=15152/2460=6,16шт

Принимаем шесть камер  марки УЛ-2

Коэффициент загрузки

К_з=n/n_уст,                                                               (11)

К_з=6,16/6=1,027.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ.

 

Тепловой расчёт лесосушильных  камер производится с целью определения  затрат тепла на сушку, расхода теплоносителя, выбора и расчёта теплового оборудования.

 

2.1. Определение  массы испаряемой влаги.

 

Масса влаги, испаряемой из 1м³ пиломатериалов(кг/м³)

m_1м3=ρ_усл·(W_н-W_к)/100,                                    (12)

ρ_усл – условная плотность расчётного материала, кг/м³ [1,стр.15,табл.14]

W_н,W_к – соответственно начальная и конечная влажность расчётного материала,%.

Масса влаги, испаряемой за время одного оборота камеры (кг/оборот)

m_об.кам.=m_1м3·Е,                                              (13)

Е=Г· β_ф ,                                                           (14)

Где, Е-ёмкость камеры, м³

Г-габаритный объём всех штабелей в камере, м³

β_ф – коэффициент объёмного заполнения штабеля.

Масса влаги испаряемой из камеры в секунду (кг/с)

 m_c=m_об.кам./(3600·τ_{соб.суш}),                            (15)

где, τ_{соб.суш} – продолжительность собственно сушки, ч.

τ_{соб.суш} = τ_суш· k_{соб.суш},                                      (16)

k_{соб.суш} – коэффициент, учитывающий время испарения влаги, к_{соб.суш} =0,8.

Расчётная масса испаренной влаги (кг/с):

m_р=m_c·k,                                                            (17)

k-коэффициент неравномерности скорости сушки, k=1,3 [1,стр.18]

Все расчёты сведём в  таблицу 3.

Таблица 3

Определение массы испаряемой влаги

Порода	Сечение	m1м3,кг/м3	mоб.камкг/об	τсоб.суш,ч	mc кг/с	mр кг/с
Дуб	25 необр	403,2	4515,8	163,92	0,008	0,0104
Ясень	32 необр	442,8	5596,99	94,32	0,016	0,0208
Бук	40×150	487,6	10424,89	208,72	0,014	0,0182
Сосна	40×150	192	4423,68	58,32	0,02	0,026

В качестве расчётного материала выбран пиломатериал сечением 32необр. Породы-ясень ( по большей m_p )

 

2.2. Выбор режимов  низкотемпературного процесса сушки.

 

Выбор режима производится ( для камер периодического действия ) по таблице [1стр.20,табл.18]; сами режимы, также сводятся в таблицу [1стр.19,табл.17].

 

 

Бук-6В

Ясень-7Б – расчётный  материал.

Дуб-6В

Таблица 4.

Режимы низкотемпературного  процесса сушки пиломатериалов для  расчётного материала.

Средняя влажность древесины,%	Параметры сушильного агента
	t	Δt	φ
> 30	52	3	0,84
30…20	55	5	0,76
< 20	70	21	0,33

Для расчётов параметров агента сушки принимается вторая ступень режимов сушки для  расчётного материала.

 

2.3. Определение  параметров агента сушки на  входе в штабель.

 

В качестве агента сушки  выбран влажный воздух.

Влагосодержание (г/кг) определяется по формуле:

d₁=622·Р_п1/(Р_а·Р_п1),                                          (18)

где, Р_п1 – парциальное давление водяного пара, Па;

Р_а – атмосферное давление воздуха, Р_а=10⁵ Па;

Р_п1=φ₁·Р_н1,                                                        (19)

φ₁ – относительная влажность воздуха;

Р_н1 – давление насыщенного водяного пара при расчётной температуре режима, Па [1,стр.23,табл.22].

Теплосодержание воздуха (кДж/кг):

I₁=1,0t₁+0,001d₁(1,93t₁+2490),                         (20)

Плотность воздуха ( м³/кг)

ρ₁=(349-132·(d₁/(622+d₁)))/T₁                            (21)

T₁ – термодинамическая температура, К

T₁=273+t₁,                                                          (22)

Приведённый удельный объём ( м³/кг):

V_пр1=4,62·10^-6Т₁(622+d₁),                                        (23)

 

2.4. Определение  параметров воздуха на выходе  из штабеля.

 

Масса циркулирующего агента сушки  на 1 кг испаряемой влаги:

m_ц=V_ц/m_p· V_пр1,                                                     (24)

V_ц – объём циркулирующего агента сушки, м³/с, определяется по формуле:

V_ц = V_шт ·F_{ж.сеч.шт.},                                                  (25)

F_{ж.сеч.шт} – живое сечение штабеля, м²

V_шт =3м/с – заданная скорость циркуляции агента сушки через штабель.

F_{ж.сеч.шт} =n·l·h(1-β_в),                                                 (26)

n- количество штабелей в плоскости, перпендикулярной входу циркулирующего агента сушки; n=2шт;

l,h – длина и высота штабеля, м;

β_в – коэффициент заполнения штабеля по высоте.

F_{ж.сеч.шт} =2·4,5·3(1-0,56)=11,88м²

V_ц =3·11,88=35,64м³

m_ц =35,64/(0,0208·1,07)=1601,4

Влагосодержание d₂ (г/кг) вычисляется:

d₂= (1000/ m_ц )+ d₁,                                                   (27)

Теплосодержание I₂=I₁.

Температура воздуха на выходе из штабеля t₂⁰С, определяется:

t₂=(I₂-2,490d₂)/(1,0+0,00193d₂),                                  (28)

Плотность:

ρ₂=(349-132·(d₂/(622+d₂)))/T₂,                              (29)

Приведённый удельный объём:

V_пр2=4,62·10^-6Т₂(622+d₂),                                        (30)

T₂=273+t₂,                                                          (31)

Относительная влажность воздуха:

φ₂= Р_п2/ Р_н2                                                           

Парциальное давление водяного пара, Па:

Р_п2=(d₂·P_a)/(622·d_a),                                             (32)                     

Уточнение объёма и массы  циркулирующего агента.

m_ц=1000/(d₂- d₁),                                                       (33)

m_ц=1000/( 85,25-84,63 )=1612,9 кг/кг

V_ц= m_ц · m_p·V_пр1, м³/с                                          (34)

V_ц=1612,9·0,0208·1,07=35,9 м³/с

G_ц = m_ц · m_p, кг/с                                                   (35)

G_ц = 1612,9 · 0,0208=33,55, кг/с 

Рассчитанные параметры  воздуха приведены в таблице 5

Таблица 5.

Определение параметров воздуха на входе и выходе из штабеля.

t 1	φ1	d1	I1	ρ1	Vпр1	t2	φ2	d2	I2	ρ2	Vпр2
55	0,76	84,63	274,71	1,016	1,07	53,83	0,92	85,25	274,71	1,019	1,068

 

2.5. Определение объёма  свежего и отработавшего воздуха.

 

Масса свежего и отработавшего  воздуха на 1 кг испаряемой влаги         (кг/кг).

m₀=1000/(d₂- d₀),                                               (36)

d₀ – влагосодержание свежего воздуха, г/кг.

d₀=11 г/кг [1,стр.26].

m₀=1000/(85,25- 11) =13,47кг/кг

Объём свежего воздуха, поступающего в камеру (м³/с) 

V₀= m_р · m_о·V_пр0,  м³/с                                          (37)

V_пр0 – приведённый удельный объём свежего воздуха V_пр0 ≈ 0,87 м³/кг

V₀= 0,0208 · 13,47·0,87=0,24  м³/с

Объём отработавшего воздуха (м³/с) 

V_отр= m_р · m_о·V_пр2,  м³/с                                          (38)

V_отр= 0,0208 · 13,47·1,068=0,299  м³/с

 

2.6. Определение  расхода тепла на сушку.

 

Расчёт тепла на сушку  складывается из затрат тепла на прогрев  материала, испарения влаги из него и на теплопотере через ограждения камеры. Расчёт ведётся для зимних и среднегодовых условий.

Расход тепла на начальный  прогрев 1м³ древесины

1) Для зимних условий  (кДж/м³)

q_Пр.1м3=ρС_(-)(-t₀)+ρ_усл·((W-W_г.ж.)/100)·γ+ρС₍₊₎t_пр,                  (39)

ρ – плотность древесины расчётного материала при заданной начальной влажности W_н (кг/м³)

ρ= ρ_б(1+(W/100)),                                                               (40)