Совершенствование метода расчета процесса конвективной сушки пиломатериалов

УДК

674.047

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2018.4.132

Аннотация

Среди различных способов сушки древесины наиболее распространен метод конвективной камерной сушки. Режимы регламентируют процесс сушки пиломатериалов в зависимости от породы и размеров по времени или по влажностному состоянию древесины. В Руководящих технических материалах по сушке режимы устанавливаются в зависимости от влажностного состояния древесины. Режим сушки предусматривает контроль начальной влажности пиломатериалов путем отбора образцов из различных зон сушильного пакета для взвешивания, определения текущей влажности и закладки их обратно в штабель. Однако этот способ определения текущей влажности древесины требует периодического открывания рабочей камеры (что изменяет параметры сушильной среды) и перехода на одну из трех ступеней режима сушки. Процесс сушки характеризуется повышающейся жесткостью режима при уменьшении влажности пиломатериалов. Он должен обеспечивать наименьшую продолжительность процесса при сохранении естественных свойств древесины. Рассмотрен вопрос о применении метода расчета поля влажности пиломатериалов, так как переменные во времени режимы не дают точной информации о предполагаемом состоянии влаги во времени. Разработанный прием расчета распределения влаги в поперечном сечении пиломатериалов с использованием метода конечных элементов в виде множества треугольников, глобальных сеток жесткости и суммарных векторов нагрузки позволяет определять влагосодержание в узлах сетки. Сравнение кривых сушки, определенных по методу П.С. Серговского и по предложенному методу, показало, что последний дает более точные результаты.

Сведения об авторах

Н.Б. Баланцева, канд. техн. наук, доц.
В.И. Мелехов, д-р техн. наук. проф.
О.А. Калиничева, канд. техн. наук, доц.
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Се-верной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mаil: n.balantseva@narfu.ru

Ключевые слова

конвективная сушка пиломатериалов, триангуляция Делоне, метод Галеркина, поле влагосодержания, система дифференциальных уравнений в частных производных, метод конечных элементов, система линейных алгебраических уравнений, уравнения влагопереноса

Для цитирования

Баланцева Н.Б., Мелехов В.И., Калиничева О.А. Совершенствование метода расчета процесса конвективной сушки пиломатериалов // Лесн. журн. 2018. № 4. С. 132–139. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.4.132

Литература

1. Баланцев Г.А., Баланцева Н.Б. Математическое описание свойств древесины для расчета влажности в процессе сушки // Наука – северному региону. Вып. 78. Ар-хангельск: Изд-во АГТУ, 2009. С. 9–12.
2. Баланцев Г.А., Баланцева Н.Б. Развитие методов расчета процессов влагопередачи при сушке древесины // Лесн. журн. 2009. № 5. С. 87–94. (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Баланцева Н.Б. Построение математической модели процесса сушки древесины // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. тр. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007. Вып. 73. С. 11–14.
4. Баланцева Н.Б. Совершенствование технологии конвективной сушки пиломатериалов на основе моделирования динамики процесса: дис. ... канд. техн. наук. Архангельск: Изд-во САФУ, 2010. 148 с.
5. Дьяконов К.Ф., Горяев A.A. Сушка древесины токами высокой частоты. М.: Лесн. пром-сть, 1981. 168 с.
6. Кречетов И.В. Сушка древесины. 3-е изд., перераб. М.: Лесн. пром-сть, 1980. 432 с.
7. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.
8. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки пиломатериалов / ОАО «Научдревпром–ЦНИИМОД». Архангельск, 2000. 125 с.
9. Серговский П.С. Оборудование гидротермической обработки древесины. 2-е изд., перераб. М.: Лесн. пром-сть, 1981. 304 с.
10. Стренг Г.,Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. 349 с.
11. Шубин Г.С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 248 с.
12. Bramhall G. Mathematical Model for Lumber Drying // J. Wood Science. 1979. Vol. 12. Pp. 14‒31.
13. Hutton D.V. Fundamentals of Finite Element Analysis.McGraw-Hill, 2004. 494 p.

Поступила 10.10.17

Ссылка на английскую версию:

Improvement of the Analysis Technique of the Convective Lumber Drying Process

UDC 674.047
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.4.132

Improvement of the Analysis Technique of the Convective Lumber Drying Process

N.B. Balantseva, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor
V.I. Melekhov, Doctor of Engineering Sciences, Professor
O.A. Kalinicheva, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor
Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: n.balantseva@narfu.ru

The method of convective kiln drying is the most common technique among the various methods of wood drying. Modes regulate the lumber drying process depending on the spe-cies and the size of the time or wood moisture content. The Reference specification on the technology of kiln drying of sawn timber prescribes regimes in dependence on the wood moisture content. The drying schedule provides control of the initial lumber moisture content by sampling from different areas of the drying stack for weighing, determining the current moisture content and putting them back into the stack. However, this method of determining the current moisture content of wood requires the periodic opening of the working kiln (which changes the parameters of the drying medium) and transition to one of the three stages of the drying schedule. The drying process is characterized by increasing operating severity with a decrease in the moisture content of sawn timber. The drying schedule should ensure the shortest drying time while maintaining the natural properties of wood. The article considers the application of the analysis technique of the moisture content field of lumber, since the time-varying regimes do not provide accurate information on the expected state of moisture over time. The developed method for calculating of the moisture distribution in the cross-section of sawn timber using the finite-element method in the form of a set of triangles, global stiffness grids and resultant load vectors allows determining the moisture content at the grid nodes. A comparison of the drying curves determined by the P.S. Sergovskiy’s method and by the proposed method demonstrates the more accurate results of the second technique.

Keywords: convective lumber drying, Delaunay triangulation, Galerkin method, moisture content field, partial differential system, finite-element method, system of linear equations, moisture transfer equation.

REFERENCES
1. Balantsev G.A., Balantseva N.B. Matematicheskoe opisanie svoystv drevesiny dlya rascheta vlazhnosti v protsesse sushki [A Mathematical Description of Wood Properties for Moisture Calculating during the Drying Process]. Nauka – severnomu regionu. Vyp. 78 [Science to the Northern Region. Issue 78]. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2009, pp. 9–12. (In Russ.)
2. Balantsev G.A., Balantseva N.B. Razvitie metodov rascheta protsessov vlagoperedachi pri sushke drevesiny [Development of Computation Methods for Moisture Transfer in Wood Drying]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2009, no. 5, pp. 87–94.
3. Balantseva N.B. Postroenie matematicheskoy modeli protsessa sushki drevesiny [Mathematical Model Development of the Lumber Drying Process]. Okhrana okruzhayush-chey sredy i ratsional’noe ispol’zovanie prirodnykh resursov: sb. nauch. tr. [Protection of the Environment and Rational Use of Natural Resources]. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2007, iss. 73, pp. 11–14. (In Russ.)
4. Balantseva N.B. Sovershenstvovanie tekhnologii konvektivnoy sushki pilomateri-alov na osnove modelirovaniya dinamiki protsessa: dis. ... kand. tekhn. nauk [Improvement of Convective Lumber Drying Technology on the Basis of Process Dynamics Modeling: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2010. 148 p.
5. D’yakonov K.F., Goryaev A.A. Sushka drevesiny tokami vysokoy chastoty [Wood Drying by High Frequency Currents]. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1981. 168 p. (In Russ.)
6. Krechetov I.V. Sushka drevesiny [Wood Drying]. Moscow, Lesnaya promyshlen-nost’ Publ., 1980. 432 p. (In Russ.)
7. Lykov A.B. Teoriya sushki [Drying Theory]. Moscow, Energiya Publ., 1968. 472 p. (In Russ.)
8. Rukovodyashchie tekhnicheskie materialy po tekhnologii kamernoy sushki pilo-materialov [Reference Specification on the Technology of Kiln Drying of Sawn Timber]. Arkhangelsk, OAO Nauchdrevprom–TSNIIMOD Publ., 2000. 125 p. (In Russ.)
9. Sergovskiy P.S. Oborudovanie gidrotermicheskoy obrabotki drevesiny [Equipment for Hydrothermal Wood Processing]. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1981. 304 p. (In Russ.)
10. Strang G., Fix G.J. An Analysis of the Finite Element Method. US, Prentice‐Hall, 1973. 306 p.
11. Shubin G.S. Fizicheskie osnovy i raschet protsessov sushki drevesiny [Physical Basis and Calculation of Wood Drying Processes]. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1973. 248 p. (In Russ.)
12. Bramhall G. Mathematical Model for Lumber Drying. J. Wood Science, 1979, vol. 12, pp. 14‒31.
13. Hutton D.V. Fundamentals of Finite Element Analysis. McGraw-Hill, 2004. 494 p.

Received on October 10, 2017

---

For citation: Balantseva N.B., Melekhov V.I., Kalinicheva O.A. Improvement of the Analy-sis Technique of the Convective Lumber Drying Process. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2018, no. 4, pp. 132–139. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.4.132