ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ ДРЕВЕСИНЫ С  ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ MATHCAD – 12

 

Гороховский А.Г., Шишкина Е.Е. (ОАО «УралНИИПДрев», УГЛТУ, г. Екатеринбург, РФ)

elenashishkina@yandex.ru

 

 

RESEARCH OF THERMO-MASS TRANSFER  PROCESS BY CONVECTIONAL DRY OF TIMBER WITH APPLICATION OF COMPUTER PROGRAM MATHCAD - 12

 

 

Вычислительная среда  Mathcad существует более 20 лет, считая от первой версии 2,5 до последней, Mathcad – 12 [1, 2]. Для данной вычислительной среды характерно следующее:

·                   весьма простые принципы программирования и естественная форма записи математических выражений;

·                   наличие огромного количества встроенных функций и процедур, позволяющих решать самый широкий класс научных и технических задач, проводить оптимизацию, графически интерпретировать результаты и т.п.

К недостаткам ВС данного типа следует отнести некоторые ограничения в организации циклических вычислительных процедур.

Анализ процессов сушки древесины нами проводился в два этапа:

·                   Решение системы дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП) тепломассообмена [3] с определением данных для сушки и расчетом полей влажности. Графическая интерпретация результатов вычислений.

·                   Расчет величины внутренних напряжений и их развитие во времени на основе многостержневой модели доски [4]. Графическая интерпретация результатов вычислений.

Реализация первого этапа производилась по специально разработанной для этих целей программе, имеющей следующую структуру:

·                    ввод исходных данных;

·                    вычисление коэффициентов тепло- и массообмена;

·                    вычисление вспомогательных и промежуточных величин;

·                    решение характеристического уравнения;

·                    расчет распределения влажности древесины по сечению высушиваемого сортимента;

·                    построение графических зависимостей.

Исходными данными для данной программы являлись:

·                    порода древесины;

·                    базисная плотность древесины;

·                    толщина доски;

·                    ширина штабеля;

·                    скорость циркуляции агента сушки;

·                    режим сушки и влаготеплообработки;

·                    шаг по времени, при котором будет производиться расчет распределения влажности;

·                    коэффициент фазового перехода.

Для второго этапа также была подготовлена программа, структура которой имеет вид:

·                    ввод исходных данных;

·                    вычисление значений влажности в каждом стержне многостержневой модели в заданные моменты времени;

·                    вычисление значения модуля упругости и величины допускаемых напряжений в стержнях в заданные моменты времени;

·                    построение графиков.

Исходными данными в данном случае были:

·                   матрица распределения влажности древесины по сечению доски в заданные моменты времени (определялась на первом этапе расчета);

·                   температура среды в заданные моменты времени;

·                   порода древесины (коэффициент усушки);

·                   количество стержней многостержневой модели.

Теплофизические, влагообменные и физико- механические свойства древесины определялись на основе зависимостей, полученных в ходе ранее проведенных исследований [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].

Примеры результатов расчета кинетики и динамики сушки условного пиломатериала представлены на рис. 1 и 2.

 

Анализ данных, представленных на рис. 1 и 2 позволяет заключить, что применение ВС Mathcad – 12 (при наличии соответствующего программного обеспечения) позволяет оперативно получить достаточно большой объем исчерпывающей информации о кинетике и динамике сушки пиломатериалов.

 

Выводы

Предлагается методика и программное обеспечение, выполненное в вычислительной среде Mathcad – 12, предназначенные для оперативного анализа кинетики и динамики сушки пиломатериалов различных пород режимами различной структуры и значений их параметров.

 

 

а)

 

 

                              в)

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                   б)     

                                                                

Рис. 1.  Кинетика сушки пиломатериалов

                порода – сосна, толщина – 40 мм; Wн = 60 %, Wк = 12 %;

                режим – нормативный.

а)  Изменение влажности древесины во времени:

     1 – средняя влажность;

     2 – внутренние слои;

     3 – наружные слои.

б)  Распределение влажности в пространстве параметров времени и  толщины

     доски.

в)  Распределение влажности по толщине в различные моменты времени.

 

 

 


                               а)                                                                             б)

 

 

                                в)                                                                           г)

 

Рис. 2.   Внутренние напряжения при сушке пиломатериалов

 

                   Порода – сосна, толщина 40 мм,   Wн  = 60 %,   Wк = 12 %;

                   Режим – нормативный.

а) Максимальные напряжения в стержнях многостержневой модели:

    1 – напряжения во время сушки;   2 – допускаемые напряжения.

б) Напряжения в стержнях многостержневой модели в конце сушки:

    1 – напряжения во время сушки;   2 – допускаемые напряжения.

в) Напряжения  в  стержнях  многостержневой  модели  после   конечной

     влаготеплообработки:

    1 – напряжения во время сушки;   2 – допускаемые напряжения.

г)  Развитие  напряжений  в  пространстве  параметров  времени  и  толщины  доски.

 

Список литературы

 

1.     Кирьянов Д.В. Mathcad – 12 / Д.В. Кирьянов / СПб.: БХВ – Петербург. – 2005. – 576 с.

2.     Алексеев Е.Р. Mathcad – 12 / Е.Р. Алексеев, О.В. Чеснокова / М.: NT Press. – 2005. – 345 с.

3.     Лыков А.В. Теория тепло- и массопереноса / А.В. Лыков,                            Ю.А. Михайлов. – М.: Госэнергоиздат. –  1963. –  535 с.

4.     Уголев Б.Н. Контроль напряжений при сушке древесины / Б.Н. Уголев, Ю.Г. Лапшин, Е.В. Кротов. – М.: Лесная промышленность. – 1980. –           206 с.

5.     Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С Шубин. – М.:  Лесная промышленность, 1990. - 336 с.

6.     Скуратов Н.В. Разработка рациональных режимов сушки пиломатериалов в камерах периодического действия: дисс. … канд. техн. наук / Скуратов Николай Владимирович. – М.: МЛТИ. – 1983. –  257 с.

7.     Красухина Л.П. О рациональных режимах сушки березовых пиломатериалов в камерах периодического действия / Л.П. Красухина // Деревообрабатывающая промышленность. – 1988. –  № 6. – С. 5 - 7.

8.     Серговский П.С.  Новые режимы сушки осиновых пиломатериалов / П.С. Серговский, А.А. Фахретдинов // Деревообрабатывающая промышленность. –  1991. –  № 1. – С. 4 - 7.

9.     Огаркова Т.В. Влияние влаги на коэффициент усушки древесины / Т.В. Огаркова // Сушка древесины. – Архангельск. – 1968. – с. 201 – 206.

10. Огаркова Т.В. Влияние гигроскопической влаги на коэффициент усушки древесины / Т.В. Огаркова // Изв. ВУЗов “Лесной журнал”. – 1964. - № 3.

11. Глухих В.Н. Аналитическое определение коэффициента усушки по ширине доски / В.Н. Глухих // Изв. ВУЗов “Лесной журнал”. – 1973. - № 4.