Системы автоматизации теплообменных рекуперативных устройств в технологиях гидротермической обработки древесины

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ РЕКУПЕРАТИВНЫХ УСТРОЙСТВ В ТЕХНОЛОГИЯХ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

Воронцов А.С., Мануковский Е.А.

Automation systems exchange devices recuperative the technology hydrothermal treatment of wood.

В настоящее время в лесном комплексе одной из важных проблем является проблема чрезмерных затрат энергии в технологиях сушки пиломатериалов, измельченной древесины и шпона в сушильных установках, так как расход энергии на эти процессы в России в 2-4 раза выше чем в Скандинавских странах и Канаде.

В Российской Федерации в 2009 г. высушено 27 млн. м пиломатериалов,

3 3

изготовлено 5,285 млн. м древесных плит, 2,762 млн. м фанеры. Для гидротермической обработки древесины при выпуске этой продукции потребовалось 1,6 млн. тонн условного топлива. Технологические установки гидротермической обработки древесины отличаются чрезмерными энергозатратами. Это тесно связано со слишком большими энергозатратами на сами процессы гидротермической обработки древесины, а также с большими бесполезными потерями тепла при удалении испарившейся из древесины влаги путем выброса ее в атмосферу вместе с отработанным агентом сушки, имеющим высокую температуру. При сушке пиломатериалов эти бесполезные, безвозвратные потери по самым осторожным расчетам составляют 486000 тонн условного топлива, при сушке измельченной древесины в производстве древесных плит 289788 тонн условного топлива, при производстве фанеры 19753 тонн условного топлива. Всего безвозвратные потери составляют 795500 тонн условного топлива. Энергозатраты на производство единицы продукции деревообработки в Российской Федерации в 2 - 4 раза выше чем Скандинавских странах, Канаде [1]. В России работают тысячи сушильных чрезмерно энергозатратных установок различной конструкций. Для их замены импортными менее энергозатратными установками требуются огромные инвестиции.

Вследствие этого для действующих сушильных установок необходимо использовать:

1. Системы автоматизированного проектирования и реализации оптимальных режимов сушки с автоматическими системами управления процессами

гидротермической обработки древесины, обеспечивающие

заданное качество сушки за минимальное время с минимальными энергозатратами.

2. Системы автоматического проектирования рекуперационных теплообменников с автоматическим управлением процессом вторичного использования выбрасываемого в атмосферу отработанного сушильного агента с высокой температурой для технологических нужд предприятия.

Актуальным в технологиях сушки пиломатериалов, измельченной древесины и шпона является использование теплообменных аппаратов.

Необходимость передачи тепла от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях, в том числе и в лесной промышленности.

Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппаратах, могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы, включающие в себя несколько из перечисленных. В процессе теплообмена может участвовать несколько теплоносителей: тепло от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких одному.

Таблица 1 - Возможные варианты использования отработанного сушильного агента в конвективных, роликовых и барабанных сушильных камерах

Тип камеры Варианты использования

Конвективная сушильная камера 1. Подогрев холодного воздуха, необходимого для уменьшения степени влажности в камере 2. Использование отработанного сушильного агента для технологических нужд предприятия

Барабанная сушильная камера 1. Использование отработанного сушильного агента для подогрева воздуха, идущего в топочную камеру 2. Добавление отработанного сушильного агента в топку 3. Добавление отработанного сушильного агента к топочным газам после топки

Роликовая сушильная камера 1. Использование отработанного сушильного агента для подогрева воды в бассейнах 2. Использование отработанного сушильного агента для подогрева воздуха в камере

Расчёт площади поверхности теплообмена для рекуперативных теплообменников в конвективных, роликовых и барабанных сушильных камерах с двумя режимами работы («зима»-«лето»), показал что, для летнего режима сушки требуется примерно в два раза меньшая площадь теплообмена. Для расчёта использовалась температура подогреваемого воздуха +20°С летом и -20°С зимой. В следствии этого рациональным считаем использование двух теплообменников с одинаковой площадью теплообмена суммарная площадь которых равна площади необходимой для работы зимой, а летом один остаётся в работе, а другой останавливается для проведения очистных мероприятий.

Рисунок 1 - Вариант использования рекуперативных теплообменников, для различных типов сушильных установок.

На рисунке 1 представлена сушильная камера с рекуперационными теплообменниками, отработанный сушильный агент проходит через теплообменник и нагревает приточный воздух с улицы; 1,2,3 датчики температуры, 4 датчик давления, 5-12 автоматические клапаны, 13 - привод заслонки, 14 - привод вентилятора.

Также рациональным считаем использование систем комбинированного управления по отклонению х(1:) и возмущающему воздействию 1(1:).

Возмущающее воздействие /(I) (температура воздуха подогретого в теплообменнике) на объект управления (сушильная Рисунок 2 - Структурная схема системы камера) может быть на-

управления. столько сильным, внезап-

ным, что автоматический регулятор не сможет достаточно быстро устранить ошибку регулирования х/=у(1)^(1), (температура в камере) вызванную этим воздействием. Это неблагоприятное для высоких технологий явление усугубляется значительной инерционностью объекта регулирования (сушильная камера). В этой связи представляется необходимым, с одной стороны, снизить инерционность объектов в процессах регулирования неединичными обратными связями, с другой стороны, блоком коррекции ф(Р) форсировать ускоренную компенсацию возмущающего воздействия.

Структурную реализацию блока коррекции можно представить на рисунке 3.

Уместно отметить, что в состав коэффициента к/ входит коэффициент усиления датчика - измерителя возмущающего воздействия Реализация диффе-

й а2

ренцирующих устройств

dt'

W<№

dt

"2 7 2 dt

может быть осуществлена использованием вышерассмотренных корректирующих звеньев. Использование только устройств

Рисунок 3 - Структурная схема блока коррекции

реализации скорости и ускорения возмущающего воздействия формально не обеспечивает абсолютно полной инвариантности системы к этому воздействию. Однако для промышленных технологий такое решение будет приемлемым, так как отбрасывание третьей и более высоких производных в блоке коррекции ф(Р) дает пренебрежительно малые ошибки компенсации возмущений.

В этих случаях комбинированная система управления будет состоять из трех контуров (рисунок. 4): 1 - регулирование по отклонению х^); 2 - регулирование по задающему воздействию g(t); 3 - регулирование по возмущающему воздействию /(1).

Здесь ср§(Р) и ф/Р) - блоки реализации

условий инвариантности систем к задающему и возмущающим воздействиям.

Уместно отметить, что

подобные комбинированные системы управления достаточно сложные в технической реализации на аналоговых средствах автоматизации. Эта задача заметно упрощается при использовании микропроцессорных программируемых средств, реализующих алгоритмы Ж(Р)рег, ф%(Р), ф/Р), а также при использовании неединичных гибких обратных связей [2].

Рисунок 4 -Комбинированная система управления

Литература

1. Петровский, B.C. Анализ проблем энергоснабжения при автоматизированном проектировании теплообменных аппаратов [Текст] / Петровский B.C., Данилов А.Д. -Воронеж: Воронеж, гос. лесотех. академ., 2009.

2. Петровский, В.С.. Теория управления [Текст]: учеб. пособие/ В.С. Петровский. - Воронеж: ВГЛТА, 1998. - 166 с.