Методические основы обработки экспериментальных данных по кинетике сушки лиственничных пиломатериалов
Якушев В.В., Зарипов Ш.Г. (Лф СибГТУ, г. Лесосибирск, РФ)
В статье изложены основные положения обработки экспериментальных исследований по кинетике конвективной сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами
The article outlines the main provisions of experimental studies on the kinetics of convection drying of larch timber low-temperature regimes
Введение.
Вопросу оптимизации процесса конвективной сушки пиломатериалов различных пород посвящено большое количество работ. Используемые в настоящее время режимы сушки разработаны на основе определённых критериев оптимизации, позволяющие в той или иной мере решать поставленные задачи.
При изучении кинетики сушки лиственничных пиломатериалов был установлен факт своеобразного закупоривания влаги в центральной зоне доски, который характеризуется повышенным значением перепада влажности по сечению (таблица 1). Пиломатериалы сушились мягкими режимами, которые, по мнению разработчиков, являются оптимальными для сушки лиственничных пиломатериалов экспортного назначения, так как они обеспечивают сохранность природных характеристик древесины. При этом дисперсия влажности по сечению доски не регламентируется.
Таблица 1 – Распределение влажности по сечению доски (hxb = 50x150 мм). Время сушки 350 час. Wср.= 30,41%.
|
Номер элемента по толщине |
Влажность, % |
||||||||
|
Номер элемента по ширине |
|||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
1 |
14,1 |
18,3 |
20,3 |
20,3 |
18,8 |
19,4 |
18,9 |
17,8 |
13,7 |
|
2 |
17,6 |
28,3 |
29,6 |
31,6 |
28,3 |
28,9 |
29,7 |
26,5 |
19,1 |
|
3 |
21,0 |
38,6 |
52,8 |
51,4 |
45,0 |
39,2 |
45,2 |
42,2 |
22,7 |
|
4 |
22,3 |
42,3 |
53,7 |
45,6 |
44,9 |
40,9 |
43,5 |
49,1 |
23,7 |
|
5 |
20,2 |
29,2 |
31,9 |
30,7 |
30,9 |
28,9 |
30,3 |
31,5 |
22,6 |
|
6 |
15,3 |
19,8 |
19,0 |
18,8 |
19,7 |
19,2 |
19,3 |
20,3 |
16,4 |
Приведённый пример является характерным при сушке лиственничных пиломатериалов независимо от типа сушильных камер и назначения пиломатериала. Поэтому разработка режимов сушки лиственничных пиломатериалов, исключающих вероятность образование запирающего слоя, является задачей актуальной и требует специальных исследований.
Причина возникновения закупоривания влаги в центральной зоне при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов до конца не выяснена. Для определения причин возникновения запирающего слоя были проведены экспериментальные исследования, в процессе которых было установлено, что при конвективной сушке низкотемпературными режимами в лиственничных пиломатериалах происходит перераспределение водорастворимых экстрактивных веществ из центральной зоны в периферийную. Испарение влаги с пласти доски приводит к пересыщению экстрактивных веществ, что является причиной образования твёрдого тела (ксерогеля) в поверхностных слоях доски. Образование ксерогеля приводит к заметному снижению удельной скорости сушки.
Обязательное условие формирования запирающего слоя – это наличие пересыщения экстрактивных веществ, которое может наступить практически на любой стадии процесса сушки. Приведённый в таблице 1 пример указывает на то, что запирающий слой сформировался при средней влажности доски 30,41%. Это указывает на то, что на начальном этапе режим сушки способствовал интенсивному перераспределению экстрактивных веществ, что и сформировало в поверхностном слое доски запирающий слой до момента вывода основной массы влаги из доски.
Цель настоящей статьи: изложить основные методические положения обработки результатов экспериментальных исследований по кинетике сушке лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами.
Экспериментальные исследования.
При решении поставленной цели был проведён комплекс экспериментальных исследований, в ходе которого были получены необходимые данные для получения системы уравнений регрессии, описывающих процесс сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами.
Были получены данные: об изменении влажности древесины во времени; о распределении влажности по сечению древесины в разные периоды сушки; о температуре в камере, на поверхности и в центре доски; о давлении, возникающем внутри доски; о перераспределении водорастворимых экстрактивных веществ по толще доски. Показания температуры и давления снимались с интервалом в 10 минут, дабы получить точную информацию о ходе процесса сушки. По полученным данным была рассчитана удельная скорость сушки.
Обсуждение.
На основании вышеизложенного за основные параметры, характеризующие процесс удаления влаги при сушке, были взяты: температура внутри древесины, давление внутри древесины, продолжительность сушки при данном температурном режиме, а также удельная скорость сушки. Выходной параметр – распределение влажности по поперечному сечению лиственничных досок в различные периоды сушки низкотемпературными режимами.
Обработка полученных данных производилась на основе пакета программ STATISTICA – 6 с применением программы Microsoft Office Excel 2007.
Для решения задачи расчета параметров кинетики сушки в лиственничных пиломатериалах был проведен многофакторный эксперимент для получения математических моделей вида Y = f(Х1, Х2, Х3). Метод обработки результатов эксперимента с целью описания объекта – метод наименьших квадратов. Эксперимент состоит из N опытов, равноотстоящих друг от друга на шаг h.Для вычисления десяти неизвестных коэффициентов уравнения Y=В0+В1Х1+B2X2+B3X3+В11Х12+B22X22+B33X32+B12X1X2+B13X1X3+
+B23X2X3 необходимо решить систему нормальных уравнений:
. (1)
Поставив вычисленные значения в уравнение общего вида, получим искомую математическую модель [1].
В данной работе для построения математической модели процесса, проверки ее адекватности и для оценки влияния на процесс каждого учитываемого технологического фактора используем регрессионный анализ – метод, который позволяет устанавливать значения факторов и диапазоны их варьирования по своему усмотрению, согласно технологическому процессу.
Для получения регрессионных зависимостей был реализован В-план второго порядка. Его применимость для описания процесса сушки лиственничных пиломатериалов:
- для его реализации необходимо сравнительно небольшое число опытов;
- позволяет получать раздельные оценки парных взаимодействий параметров, линейных и квадратичных эффектов;
- коэффициенты регрессии вычисляются по простым формулам, независимо друг от друга и с одинаковыми минимальными дисперсиями;
- полученное с его помощью уравнение регрессии дает одинаковую погрешность выходного параметра на одном и том же расстоянии от центра эксперимента независимо от сочетания входных факторов.
Факторы, влияющие на исследуемый процесс можно разделить на три группы: управляемые, контролируемые, неконтролируемые.
Управляемый фактор многофакторного эксперимента:
- Т – температура внутри образца древесины, °С,
- t - продолжительность данной ступени сушки, ч.
Контролируемые факторы многофакторного эксперимента:
- P – давление, образуемое внутри высушиваемого образца, Па;
- G – удельная скорость сушки, кг/(м2 ×ч);
- W – влажность по сечению древесины, %;
Неконтролируемые факторы многофакторного эксперимента:
- H – толщина доски, мм;
- B – ширина доски, мм.
К неконтролируемым факторам эксперимента также относились не указанные выше физико-механические характеристики древесины.
Таким образом, программа экспериментальных исследований включает в себя планирование и реализацию многофакторных исследований по определению зависимости распределения влажности древесины W по сечению B,H в зависимости от температуры внутри образца Т, давления, образуемого внутри образца Р, удельной скорости сушки G
W = f (T, B, H), (2)
W = f (P, B, H), (3)
W = f (G, B,H). (4)
Вывод.
Полученные модели позволили подробно рассмотреть процесс сушки древесины лиственницы, определить взаимосвязь параметров кинетики сушки, закономерность их изменения в процессе сушки.
Литература
1. Пижурин, А. А. Исследования процессов деревообработки / А. А. Пижурин, М. С. Розенблит. – М.: Лесн. пром-сть, 1984. – 232 с.
2. Пен, Р. З. Планирование эксперимента в Statgraphics / Р. З. Пен. – Красноярск: СибГТУ – Кларетианум, 2003. – 246 с.