Курсовая работа: Гидротермическая обработка древесины

Курсовая работа: 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 [1] для обрезных пиломатериала, уложенного без шпаций;

=0,85 – с. 8 [1] – 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 [1] – 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 [1] – для сосны;

- таблица 1.2 [1] – для пихты;

- таблица 1.2 [1] – для осины;

- таблица 1.2 [1] – для сосны;

=20% – с. 8 [1] – для экспортных пиломатериалов;

=15% – c. 8 [3] – для третьей категории качества сушки пиломатериалов

50 мм;

=12% – 6 [1] – 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 [1] – для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 32 мм шириной 150 мм;

=54 ч – таблица 1.1.10 [1] – для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 25 мм шириной 125 мм;

=39 ч – таблица 1.1.10 [1] – для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 19 мм шириной 100 мм;

=20,4 ч – таблица 1.1.10 [1] – для нормального режима при сушке пиломатериала толщиной 40 мм шириной 150 мм;

====1,05 – с. 11 [1];

0,92 – таблица 1.6 [1] – для 70%, 15%;

1,00 – таблица 1.6 [1] – для 80%, 15%;

0,82 – таблица 1.6 [1] – для 60%, 15%;

1,00 – таблица 1.6 [1] – для 60%, 12%;

1,0 – с. 11 [1] – для нормального режима

=0,68 – таблица 1.15 [1] – при  м/с, =73 ч;

=0,62 – таблица 1.15 [1] – при  м/с, =54 ч;

=0,59 – таблица 1.15 [1] – при  м/с, =39 ч;

=0,54 – таблица 1.15 [1] – 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 nшт – число штабелей в камере;

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

Принимается nшт=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 [1] – 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 [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 [1] для камер периодического действия.

3.3 Выбор режима сушки

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

3.4 Определение параметров агента сушки на входе в штабель

По выбранному режиму 3-Г из таблицы 3.4 [3] 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 [1] 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 [1].

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 [1].

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 [5] для =400  и %;

=100 - табл. 2.4 [1] для нормального режима сушки;

=-36 - таблица 2.5 [1] для Красноярска;

=14% – рисунок 2.3 [1] для =-36 ;

=335 - с. 37 [1];

=1,82 - рисунок 13 [5] для и %;

=2,9 - рисунок 13 [5] для и %.

2) Для среднегодовых условий ,:

,                                         (3.16)

где - среднегодовая температура древесины, .

Принимается =2,9 - рисунок 13 [5] для и %;

=0,6 - таблица 2.5 [1] 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 [1] 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 [1] 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 [1].

 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 [1].

 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 [1] для металлических каналов;

=16,2 м.

Определение периметра канала , м:

,                                                (4.7)

 м

Участок 2 Вход в штабель (внезапное расширение)

,                                          (4.8)

где- коэффициент сопротивления для внезапного расширения потока.

Принимается =0,9 – таблица 3.8 [1] для внезапного расширения потока при  =0,05.

Участок 3. Штабель

,                                                      (4.9)

где- коэффициент сопротивления потока в штабеле.

Принимается =8,6 – таблица 3.10 [1] для штабеля с толщиной прокладок  =25 мм и толщиной досок =19 мм.

Участок 4 Выход из штабеля (внезапное сужение)

,                                                      (4.10)

где- коэффициент сопротивления потока при внезапном сужение потока.

Принимается =0,3 – таблица 3.9 [1] 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 [1] для электродвигателя мощностью более 5 кВт и центробежного вентилятора;

=1,25 – таблица 3.16 [1] для температуры среды С

=1,0 – с. 81 [1] при непосредственной насадке ротора вентилятора на вал электродвигателя.

 кВт

По расчётной мощности электродвигателякВт и частоте вращения ротора   из таблицы 3.17 [1] 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

1.  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.

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

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

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

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