На правах рукописи

Сергеев Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ

ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ СУШКИ ШПОНА В ГАЗОВЫХ

РОЛИКОВЫХ СУШИЛКАХ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и

оборудование деревообработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж Ц 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия (ВГЛТА)

Научный руководитель: доктор технических наук

Сафонов Андрей Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Разиньков Егор Михайлович

доктор технических наук, профессор

Рыбин Борис Матвеевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургская государственная

есотехническая академия (г. Санкт-

Петербург).

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 в Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева 8, зал заседаний - ауд. 240).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан 19 мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скрыпников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время предприятиями Российской Федерации определен курс на развитие высоких технологий, в первую очередь направленный на улучшение качества конечной продукции, снижение ее себестоимости, повышение производительности существующего оборудования. Довольно часто возникают проблемы, связанные с нехваткой производственных площадей, возможностями больших капитальных вложений в развитие производства. Недостаточно высокое качество и значительная стоимость продукции вследствие несовершенства применяемого оборудования и режимов управления снижают ее конкурентоспособность. Эти проблемы существуют в полной мере на фанерных заводах, где участок сушки шпона характеризуется высокими удельными расходами топлива - более 65 кг/м3(шпона) и электроэнергии свыше 30 кВтч/м3(шпона), колебаниями конечной влажности материала до 6 % и температуры отработавшего теплоносителя 17С.

Отсутствие адекватного математического описания технологии сушки шпона в газовых роликовых сушилках, не совершенное ручное регулирование расходов топлива и воздуха на горение, неучитываемые возмущения на процесс сушки приводят к отклонениям конечной влажности от заданного значения, недостаточной производительности применяемых установок, увеличению себестоимости сушки, аварийным ситуациям, связанным с возгоранием материала. Для повышения технико-экономической эффективности процесса требуется проведение экспериментальных исследований, математического моделирования и оптимизации с целью разработки энергосберегающих режимов сушки шпона. При этом необходимо установить закономерности тепломассопереноса в процессе сушки в газовых роликовых сушилках, позволяющие выявить изменения влажности и температуры в шпоне.

Решение научно-практической задачи разработки энергосберегающих режимов сушки шпона в газовых роликовых сушилках значительно повышает эффективность процесса, выводя ее на уровень высоких технологий.

Цель работы. Разработка метода многокритериальной оптимизации режимов сушки шпона, повышающая технико-экономическую эффективность функционирования газовых роликовых сушилок.

Объект и методы исследований. Объектом исследований является технология сушки шпона в промышленных газовых роликовых сушилках. Теоретические исследования проводились с помощью метода экспертных оценок, теории планировании эксперимента, статистического анализа, изучения явлений тепло- и влагопереноса, многокритериальной оптимизации, основанной на разработанных математических моделях.

Научная новизна:

• разработан метод многокритериальной оптимизации режимных параметров, отличающийся тем, что позволяет высушивать шпон до заданной конечной влажности и проводить процесс с высокой интенсивностью, меньшими расходами энергоносителей при соблюдении пожаробезопасности;
• разработаны математические модели технико-экономических показателей сушки шпона в газовых роликовых сушилках и математические модели изменения влажности и температуры высушиваемого шпона с течением времени, отличающиеся учетом всех основных параметров, влияющих на исследуемый процесс;

• разработан способ автоматического управления процессом сушки листовых материалов, защищенный патентом РФ на изобретение № 2285215;
• выданы рекомендации по технологии сушки шпона в газовых роликовых сушилках, отличающиеся повышением качества сушки, производительности установок и экономической эффективности, снижением энергоемкости процесса.

Положения, выносимые на защиту:

• метод многокритериальной оптимизации режимных параметров, позволяющий высушивать шпон до заданной конечной влажности и проводить процесс с высокой интенсивностью, меньшими расходами энергоносителей при соблюдении пожаробезопасности;
• математические модели технико-экономических показателей сушки шпона в газовых роликовых сушилках и математические модели изменения влагосодержания и температуры высушиваемого шпона с течением времени, позволяющие учесть все основные параметры, влияющие на исследуемый процесс;
• способ автоматического управления процессом сушки листовых материалов, защищенный патентом РФ на изобретение № 2285215;
• рекомендации по технологии сушки шпона в газовых роликовых сушилках, позволяющие повысить качество сушки, производительность установок и экономическую эффективность, снизить энергоемкость процесса.

Теоретическое значение. Полученные математические модели тепло- и влагопереноса и технико-экономических показателей сушки шпона позволяют проводить численные расчеты, определять оптимальные режимы, осуществлять обоснованный поиск путей энергосбережения.

Практическая ценность работы. Выводы и рекомендации работы позволяют в практике управления сушилками получать экономичные, оптимальные режимы сушки в реальном масштабе времени в зависимости от начальной влажности шпона, температуры окружающей агрегат среды.

Научно-практические разработки и рекомендации нашли применение в работе ОАО Мантуровский фанерный комбинат (г. Мантурово, Костромская обл.), ООО Каштан (г. Нововоронеж, Воронежская обл.). Переход промышленных сушилок на разработанные режимы сушки обеспечил повышение их производительности на 12,5 %, снижение удельной себестоимости на 2,7 %. При этом уменьшились отклонения конечной влажности шпона на 19,5 % и температуры отработавшего агента сушки, принятой за оценку степени пожароопасности, на 5,5 %.

Полученные результаты применяются в курсовом и дипломном проектировании, выполнении лабораторных работ кафедр древесиноведения и электротехники, энергетики и гидравлики ГОУ ВПО ВГЛТА.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием системного подхода в исследовании технологии сушки шпона с применением методов планирования многофакторного эксперимента, математической статистики, проверкой разработанных математических моделей на адекватность, а также сходимостью экспериментальных и теоретических данных, апробацией полученных результатов на деревообрабатывающих предприятиях.

ичное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научных исследований и анализе их результатов, разработке метода многокритериальной оптимизации режимов сушки шпона в газовых роликовых сушилках.

Апробация результатов исследований. Основные исследования, представленные в диссертации, выполнялись по гранту Санкт-Петербургского государственного университета Разработка промышленных энергосберегающих систем управления процессами сушки шпона в газовых роликовых сушилках (Сергеев С. В., Сафонов А. О., шифр А04 3.21-605. Приказ Федерального агентства по образованию от 05.08.2004 №43).

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях - International Symposium Composite wood materials, Zvolen, r. Slovakia (2006 y.), в ВГЛТА г. Воронеж (2004- 2005 гг.), БГИТА г. Брянск (2005 г.), МЭИ г. Москва (2005-2006 гг.), на Международной конференции Российской научной школы г. Сочи (2004-2006 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных статей, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, библиографии. Общий объем текста составляет 164 страницы машинописного текста, включающего 126 страниц основного текста. Диссертация содержит 12 таблиц, 11 рисунков, библиографию из 115 источников, а также 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, изложена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние проблемы, осуществлен обзор публикаций и оценка состояния вопроса по технологии сушки шпона в газовых роликовых сушилках, сформулированы задачи исследований.

Основные исследования технологии сушки шпона в газовых роликовых сушилках отражены в исследованиях ЦНИИФ. В целом исследования направлены на получение материала заданной конечной влажности, в то время как другим технико-экономическим характеристикам, описывающим этот процесс, не уделяется должного внимания. Исследуемая технология является дорогостоящей, поэтому проблема снижения себестоимости сушки шпона представляется весьма актуальной. Зачастую недостаточная производительность сушилок приводит к простою прессов и другого оборудования. Поэтому необходимо изыскать резервы интенсификации сушки шпона. При использовании жестких режимов в сушилках (температура теплоносителя на входе в агрегат выше 280 C) и отсутствии контроля начальной влажности шпона нередко происходит возгорание пересушенного материала (влагосодержание 0,02 кг/кг). Соблюдение режимов сушки, непрерывный контроль начальных состояний теплоносителя и материала, температуры отработавшего агента сушки (принятой за критерий пожароопасности процесса) позволяют избежать аварийных ситуаций. Таким образом, наиболее приемлемый путь увеличения существующих технико-экономических показателей процесса видится в разработке оптимальных режимов сушки.

В развитие теории сушки большой вклад внесли ученые А.В. Лыков, Ю.А. Михайлов, З.Ю. Мазяк, В.В. Красников, С.П. Рудобашта, В.А. Зайцев, А.О. Сафонов, Е.М. Разиньков, Г.С. Шубин, П.С. Серговский, А.И. Расев, Б.М. Рыбин, В.Ю. Волынский, И.В. Кречетов, Б.С. Сажин, В.А. Зайцев и др.

Проведенный анализ существующих работ по теории сушки показал, что в настоящее время имеется общая теория переноса тепла и влаги. Она может являться основной теоретической базой для расчета явлений тепло- и влагопереноса сушки листовых материалов. Однако для моделирования достаточно сложных процессов, протекающих при комбинированной высокотемпературной сушке шпона, требуются доработка существующих моделей, описывающей тепломассоперенос, определение соответствующих начальных и граничных условий.

Комплексный анализ технологии сушки шпона в промышленных газовых роликовых сушилках позволяет сделать заключение о достаточной надежности и оптимальности конструкции агрегатов. С другой стороны, несовершенство применяемых режимов, является причиной недостаточно высокого качества сушки, ее значительной себестоимости.

Анализ состояния вопроса позволил сформулировать задачи исследований:

- провести теоретические исследования технологии сушки шпона в газовых роликовых сушилках для определения объективных параметров, описывающих этот процесс;

- выполнить активные производственные эксперименты с целью разработки математических моделей;

- разработать математические модели изменения технико-экономичес-
ких показателей технологии и математические модели изменения температуры и влажности шпона в процессе сушки для поиска режимов, учитывающих влияние породы и толщины шпона;

- разработать метод многокритериальной оптимизации режимов сушки шпона и провести его апробацию на промышленных сушилках;

- выдать на основе полученных результатов рекомендации производству по повышению технико-экономической эффективности, интенсификации процесса, совершенствованию существующей технологии.

Во второй главе проведен системный анализ технологии, позволивший определить структуру параметров влияющих на процесс сушки шпона в газовых роликовых сушилках (рисунок 1).

Методом экспертных оценок рассчитаны коэффициенты веса параметров технологии, что позволило исключить переменные, слабо влияющие на процесс сушки. С учетом мнения экспертов и специфики производства для сушки шпона в газовых роликовых сушилках определены следующие параметры:

1). Входные параметры процесса сушки: X1 - расход топлива на получение сушильного агента, м3/ч; X2 - расход воздуха на горение топлива, отн.ед.; X3 - температура топочного газа в топке, С; X4 - количество воздуха на смешивание с топочными газами, отн.ед.; X5 - количество газов, подаваемых на рециркуляцию, отн.ед.; X6 - температура сушильного агента на входе в сушилку, С; X7 - скорость движения шпона, м/мин.

Рисунок 1 - Структурная схема газовых роликовых сушилок

2). Нерегулируемые возмущающие воздействия: F1 - начальная влажность шпона, %; F2 - влажность атмосферного воздуха, %; F3 - температура воздуха в сушильном цехе, С; F4 - температура атмосферного воздуха, С.

3). Технико-экономические, технологические параметры: Y1 - конечная влажность шпона, %; Y2 - температура сушильного агента на выходе из сушилки, С; Y3 - производительность сушилки по испаряемой влаге, м3/ч; Y4 - удельная себестоимость сушки, руб/м3.