Автоматизація процессу сушки деревини

Автоматизація процессу сушки деревини

3

Зміст

Вступ

Характеристика підприємства

1 Особливості процесу сушіння деревини

1.1 Процес сушіння

1.2 Способи сушіння деревини

1.2.1 Сушіння в рідинах

1.2.2 Конденсаційний спосіб сушіння

1.2.3 Атмосферне сушіння

1.2.4 Камерне й атмосферно-камерне сушіння

1.2.5 Ротаційний спосіб сушіння

1.2.6 Вакуумний спосіб сушіння

1.3 Технологічний процес сушіння деревини

1.4. Волога в деревині

1.4.1 Основні способи визначення вологості деревини

1.5 Контроль за вологістю деревини і внутрішніми напруженнями у процесі сушіння

1.6 Якість сушіння пиломатеріалів. Закінчення процесу сушіння

1.7 Вплив сушіння деревини на її міцність

1.8 Особливості розрахунку продуктивності за врахуванням роботи сушильних камер

1.9 Вдосконалення схеми

1.10 Рекомендації з проведення камерного сушіння

2. Дослідження динамічних властивостей об'єкту автоматизації

2.1 Лісосушильна камера як об'єкт регулювання

2.2 Розрахунок контуру регулювання температури

3 Проектування автоматизованої системи керування процесом сушіння деревини

3.1 Вибір та обґрунтування структури системи управління та її опис

3.2 Вибір комплексу технічних засобів

3.2.1 Давачі температури

3.2.2 Сенсор відносної вологості

3.2.3 Центробіжний вентилятор

3.2.4 Електрокалорифер

3.2.5 Циркуляційний насос

3.3 Вибір мікроконтролера

3.3.1 Характеристика мікроконтролера

3.3.2 Особливості мікроконтролерів PIC16F87X

3.3.2 Система команд мікроконтролера

3.4 Структура та метрологічні характеристики каналів контролю і регулювання

4 Функціональна структура системи управління

4.1 Опис алгоритму роботи системи

5 Проектування пристрою

5.1 Загальні відомості про систему проектування друкованих плат P-CAD

5.2 Графічний редактор принципових схем P-CAD Schematic

5.3 Графічний редактор друкованих плат, P-CAD РСВ

5.4 Структура бібліотек P-CAD

5.5 Особливості проектування пристрою4

6 Охорона праці

6.1 Організація ОП при автоматизації лісосушильної камери

6.2 Загальні вимоги до обладнання, що працює під тиском

6.3 Безпека при експлуатації парових і водогрійних котлів

6.4 Техніка безпеки при транспортних роботах в сушильних цехах

6.5 Техніка безпеки при обслуговуванні сушильних камер і протипожежні заходи

6.6 Інженерні рішення з охорони праці

7 Розрахунок економічної ефективності від вдосконалення і автоматизації сушіння деревини

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

Сушіння матеріалів є енергоємким процесом, зв'язаним зі значною витратою палива, пару, а також електроенергії, а отже використання високоточної автоматики дозволить значно скоротити термін сушіння та знизити енергетичні затрати. Сушать деревину у виді пиломатеріалів (дошок, брусів, заготовок), шпону (тонколистового матеріалу), трісок, стружки і волокон. Також поширеним є сушіння круглих лісоматеріалів (деталі опор ліній електропередачі, зв'язки, будівельні деталі).

Деревину висушують з метою: попередження розміро- і формозмінності деталей; запобігання псуванню і загниванню; збільшення питомої міцності; підвищення якості обробки і склеювання.

Широке впровадження систем автоматизації дає народному господарству разом з прямим економічним ефектом значний організаційний ефект, тому що вимагає фахівців високої кваліфікації і підвищує загальний рівень організації виробництва, поліпшує стиль і ефективність керівництва. Тому рівень механізації та автоматизації виробничих процесів є одним з важливих показників науково-технічного прогресу в країні.

На даний час проблема автоматизації сушіння деревини вирішувалась шляхом використання застарілих, як морально так і в фізичному плані приладів. Для контролю технологічних параметрів використовувались аналогові прилади з малим класом точності та технічними показниками, що не відповідають сучасним вимогам.

Паралельно з застарілим обладнанням, останнім часом, на ринку автоматики з'явились засоби автоматизації, розроблені провідними брендовими фірмами. Ці засоби цілком задовільняють вимогам, поставленим перед автоматизацією процесу сушки, але негативним є той фактор, що ціни на них залишаються недоступними.

Отже застарілість, як моральна так і фізична, існуючого обладнання поруч із дороговизною і недоступністю сучасних засобів автоматизації робить процес сушки деревини, досить складним, вимагає високої кваліфікації працівників та обслуговуючого персоналу.

Метою даного дипломного проекту є розробка системи автоматичного керування процесом сушки в триступеневій сушарці деревини з мінімальними матеріальними затратами на розробку, та простим інтуїтивним інтерфейсом для користувача-оператора, також з оптимальними технічними показниками та високою ступінню надійності. Процес трьохступеневого сушіння вимагає контролю основних параметрів його протікання, а саме: температури та вологості у вакуумній камері, вологості висушуваного матеріалу; керування ходом процесу висушування шляхом зміни подачі нагрітого повітря та вентилювання камери для створення необхідної вологості.

Для вирішення питань контролю параметрів в дипломному проекті передбачається. Для більш якісного збору технологічних параметрів запроектувати використання декількох давачів температури, вологості в камері та вологості пиломатеріалів. Для уникнення можливої похибки вимірювання пов'язаної з неоднорідністю середовища в камері кінцеве значення вимірюваних параметрів буде зручно вираховувати як середнє значення показників давачів. Це дасть змогу точніше, і головне швидше реагувати на зміну стану об'єкта автоматизації. Також доцільним буде використання електронних давачів вологості та температури, що дозволить усунути ряд похибок, тим самим зробить процес вимірювання вологості швидшим та значно точнішим.

Для вирішення питань автоматизованого управління буде запроектованою мікроконтролерну систему на базі сучасного мікро контролера, який буде здійснювати збір всіх основних показників роботи сушарки та регулювати протіканням процесу за наперед заданою програмою.

Характеристика підприємства

Відкрите акціонерне товариство "Будматеріали" (далі - Товариство) засновано у 1994р шляхом приватизації державного майна Острозького магазину "Укрторгбудматеріали"

Місцезнаходження Товариства: 265610, Україна, Рівненська обл., Острозький р-н, с. Оженіно.

Метою діяльності Товариства є одержання прибутку від виробничо-комерційної діяльності на принципах самоокупності, самофінансування та повного госпрозрахунку, запровадження нових технологій, залучення іноземних інвестицій для насичення споживчого ринку та задоволення потреб населення в продукції підприємства. Предметом діяльності Товариства є:

- оптова торгівля;

- роздрібна торгівля;

- виробництво товарів народного вжитку;

- надання послуг по замовленню державних, колективних, спільних, приватних підприємств та індивідуальних замовників за напрямком діяльності підприємства;

- створення мережі торгових точок та магазинів;

- посередницька та комісійна діяльність;

- ремонт будов та споруд невиробничого призначення ;

- ремонт та будівництво житла за замовленнями населення ;

- виробництво будівельних деталей з деревини і плит на деревній основі;

- інші види діяльності не заборонені чинним законодавством України.

На даному підприємстві працює понад тридцять чоловік, функціонують три цехи: пилорамний, сушильний та столярний. Пилорамний цех відповідає за розрізку колод на дошки, сушильний - за сушіння дошки для виготовлення кінцевої продукції, а столярний цех виготовляє продукцію, таку як віконні та дверні блоки, дошку для підлоги, плінтус та ін.

1. Особливості процесу сушіння деревини.

1.1 Процес сушіння

Сушіння матеріалів є енергоємким процесом, зв'язаним зі значною витратою палива, пару, а також електроенергії, а отже використання високоточної автоматики дозволить значно скоротити терміни сушіння та знизити енергетичні затрати.

На підприємствах сушіння деревини здійснюють у виді пиломатеріалів (дошок, брусів, заготовок), шпону (тонколистового матеріалу), трісок, стружки і волокон. Інколи має місце сушіння круглих лісоматеріалів (деталі опор ліній електропередачі, зв'язки, будівельні деталі).

У результаті сушіння деревина з природної сировини перетворюється в промисловий матеріал, що відповідає найрізноманітнішим вимогам, які висуваються до нього в різних виробничих і побутових умовах. При зниженні вологості деревини поліпшуються її фізико-механічні й експлуатаційні властивості. Відомо, що при зміні вмісту вологи в деревних сортаментах змінюються їхні розміри і форма. У тих випадках, коли при експлуатації виробів з деревини необхідна сталість розмірів і форми деталей, їхня вологість повинна бути заздалегідь доведена до визначеного рівня, що відповідає умовам експлуатації цих виробів, тобто до експлуатаційної вологості. Деревина, що містить велику кількість вологи, легко вражається грибами, у результаті чого вона загниває. Суха ж деревина відрізняється великою стійкістю. Зниження вологості деревини приводить до зниження її маси та одночасного підвищення міцності. Суха деревина, на відміну від сирої, легко клеїться, добре піддається обробці. Контроль за кінцевим показником вологості є головним чинником в процесі сушки [4,102].

Таким чином, деревину висушують з метою: попередження розміро- і формозмінності деталей; запобігання псування і загнивання; збільшення питомої міцності; підвищення якості обробки і склеювання.

Вибір способу сушіння і сушильного устаткування визначається рядом факторів: породним і сортаментним складом пиломатеріалів, що висушуються, вартістю енергоносія, необхідною продуктивністю, умовами й інвестиційними можливостями споживачів. Сушильна камера з енергозберігаючими технологіями - обов'язкова умова рентабельної роботи.

На даний момент на ринку сушильних камер 90-95% класичного типу - конвективні з різними системами приточно-витяжної вентиляції і видами теплоносія. Їхні переваги: невеликі капітальні витрати, простота процесу сушіння, зручність технічного обслуговування.

Циркуляційна система сушки повинна забезпечувати необхідну швидкість і рівномірність розподілу сушильного агента по матеріалу для різних порід з метою одержання вищої якості й оптимальної тривалості процесу. Для спонукання циркуляції сушильного агента використовують осьові і, в окремих випадках при великому опорі циркуляційного тракту, відцентрові вентилятори. До цього устаткування повинні пред'являтися жорсткі вимоги по його надійності при експлуатації в середовищі з підвищеною температурою і вологістю.

Теплова енергія для сушарок виробляється в котельнях. Теплоносієм є пара чи гаряча вода. Електроенергію, внаслідок високої ціни, використовують у рідких випадках. Хоча останнім часом значна частина матеріалу висушується в камерах, що працюють на електроенергії.

Параметри середовища в сушильній камері, як правило, вимірюють психрометром. Керування і регулювання процесу сушіння здійснюється автоматично.

Поряд із традиційними конвективними сушарками певне поширення одержали вакуумні і конденсаційні сушарки.

Вакуумні сушарки доцільно використовувати для сушіння деревини твердих листяних порід великих перетинів (50 мм і більше), коли тривалість процесу є важливим чинником. При купівлі таких камер не можна забувати про великі капітальні вкладення.

Конденсаційні сушарки використовують у тих випадках, коли електроенергія, як енергоносій, найбільш дешева в порівнянні з іншими видами. ККД таких сушарок найбільш високий при температурі сушильного агента до 45° С. При цих параметрах собівартість процесу невелика, зате термін сушіння значний.

Раніш основний обсяг сушіння здійснювався на деревообробних і лісопильних підприємствах, де споруджувалися великі сушильні цехи продуктивністю до 100 тис.м3 умовного матеріалу в рік, зараз основна маса деревини переробляється на малих підприємствах, потреба яких може бути забезпечена одною - двома камерами невеликої завантажувальної ємності.

Меблеві і деревообробні підприємства оснащені лісосушильними камерами застарілих конструкцій, що знаходяться в аварійному стані і не можуть забезпечити якісне сушіння матеріалу. Разом з тим ринок висуває високі вимоги до якості виробів з деревини.

Сучасні лісосушильні камери дозволяють досягти високої якості сушіння. Вони оснащені системою автоматичного керування процесом і є складним комплексом устаткування, що вимагає кваліфікованого обслуговування.

Винятково велике значення має якісне сушіння деревини, без чого неможливий випуск високоякісної продукції. Низька якість сушіння, обумовлена незадовільним технічним станом сушильного устаткування і слабкою технологічною підготовкою обслуговуючого персоналу, приводить до прихованого браку - нерівномірності розподілу кінцевої вологості, що довгий час може залишатися непоміченим і позначитися тоді, коли виріб знаходиться в експлуатації.

1.2 Способи сушіння деревини

Класифікація способів сушіння ґрунтується на особливостях передачі тепла матеріалу, що висушується, і за цією ознакою можна виділити наступні види сушіння: конвективне, кондуктивне, радіаційне, електричне [2,10]. У табл.1.1 приведені види і способи сушіння.

Таблиця 1.1.

Види та способи сушіння деревини

Практична мета усіх видів сушіння - це зведення до мінімуму коливань кінцевої вологості деревини.

Вибір способу сушіння, устаткування й організація процесу залежать від безлічі факторів, як технологічного, так і місцевого значення. Основні фактори з цілим рядом конкретних показників наступні:

- вимоги до якості й обсягів матеріалів, що висушуються;

- забезпечення енергоносіями;

- склад комплектації устаткування;

- умови розміщення сушильних камер;

- фінансові можливості підприємства;

- забезпечення кадрами й ін.

1.2.1 Сушіння в рідинах

У даному випадку сушильним агентом служать гідрофобні і гідрофільні рідини.

Зневоднювання в гідрофобних рідинах, оліях, розплавлених металах, сірці по своєму механізмі схоже на конвективне сушіння при високотемпературному режимі. Тому всі негативні наслідки, - зниження міцності деревини, великі внутрішні напруження, характерні для високотемпературного режиму сушіння, присутні і тут.

1.2.2 Конденсаційний спосіб сушіння

За принципом дії конденсаційний спосіб відноситься до замкнутого циклу, тобто сушильний агент робить циркуляцію по камері без викиду в атмосферу і, відповідно, без підживлення свіжим повітрям. Повітря, насичений вологою відібраної з деревини, змочує холодну поверхню і прохолоджується до температури нижче крапки роси. Частина вологи, що міститься в повітрі, конденсується, а теплота, виділена при цьому, використовується для підігріву сушильного агента. Як охолоджувач використовується фреон.

Теоретично конденсаційний сушильний цикл із холодильником, що грає роль теплового насоса, характеризується нульовою витратою тепла на випар вологи. Витрати електроенергії тут йдуть на прогрів матеріалу і тепловтрати, а також на привід компресора і вентиляторів. Для компенсації теплових втрат агрегат забезпечується додатковим калорифером із зовнішнім електроживленням [4,56].

За даними закордонних фірм Hildebrand, Brunner, Vanicek енергоспоживання конденсаційних сушарок складає 0,25...0,5 кВт* год на 1 кг випаруваної води в залежності від вологості матеріалу, збільшуючись при її зниженні. Це приблизно в два рази менше витрати енергії в звичайних збірно-металевих камерах періодичної дії.

1.2.3 Атмосферне сушіння

Атмосферне сушіння є найбільш дешевим способом. Воно не вимагає таких капітальних затрат, як камерне, але для нього необхідний великий запас матеріалу.

Відомо, що атмосферно висушена деревина може експлуатуватися багато сторіч, якщо її повторно не воложити.

Основним недоліком атмосферного сушіння є те, що процес некерований: у районах з підвищеною вологістю повітря підвищується імовірність поразки пиломатеріалів грибками, а на півдні - розтріскування.

Згідно правил, атмосферне сушіння проводиться в штабелях, що укладаються на спеціальних складах. Стан сушильного агента - нестабільний, на нього впливають кліматичні умови, час року і доби. У результаті взаємодії повітря з деревиною, що висихає, на складах створюється своєрідний мікроклімат: повітря має знижену температуру, підвищену вологість і невелику швидкість циркуляції. Тому процес атмосферного сушіння тривалий. Деревина висушується до вологості 12...20% у залежності від кліматичних умов, породи і товщини матеріалу.

Існують способи інтенсифікації процесу: застосування більш розрідженого укладання, розміщення штабелів відповідно до напрямку пануючих вітрів, використання примусової циркуляції повітря за допомогою вентиляторів. Прискорення процесу, з одного боку, сильно знижує можливість появи хімічних і прокладочних фарбувань, синяв і гнилі, але з іншої сторони сприяє зниженню відносної вологості повітря, що приводить до збільшення залишкових напруг. Прискорене атмосферне сушіння дозволяє довести матеріал до вологості 20...30% за час, що складає від 1/2 до 1/4 тривалості процесу при звичайному атмосферному сушінні.

1.2.4 Камерне й атмосферно-камерне сушіння

Камерне сушіння пиломатеріалу - основний промисловий спосіб зневоднювання деревини, що реалізується у відповідних приміщеннях - камерах.

Звичайно під камерним розуміють конвективно-тепловий вид сушіння, здійснюваний у конвективних камерах різних конструкцій.

Сушильні камери можуть мати будівельні чи металеві огородження; бути стаціонарними чи пересувними; здійснювати безупинне чи періодичне сушіння матеріалу.

Камерне сушіння на деревообробних і меблевих підприємствах стало інтенсивно розвиватися в 1930 р. І дотепер на багатьох підприємствах експлуатуються камери застарілих конструкцій - безвентиляторні з підвальним приміщенням, що працюють за принципом природної циркуляції повітря, типу Грум-Гржимайло, Некар і ін.

Вибір категорії режиму здійснюється відповідно до потреби в сухому матеріалі, тому що тривалості процесу при м'якому і форсованому режимах відрізняються більш ніж у два рази, а також від призначення матеріалу, оскільки підвищення рівня температури висушування веде до втрати міцності деревини.

Переміщення повітря в камерах здійснюється за допомогою осьових чи відцентрових вентиляторів. Значення швидкості циркуляції повітря по штабелі в сучасних камерах коливаються від 1,0 до 5,0 м/с у залежності від породи деревини.

Переваги камерного сушіння в порівнянні з атмосферним - це менша тривалість, можливість керування процесом.

У зв'язку з особливостями розвитку внутрішніх напружень у деревині найбільш небезпечним є початковий період сушіння до середньої вологості матеріалу 30%. Тому режими камерного сушіння побудовані так, щоб перша ступінь, а по тривалості вона займає близько 40...45% усього терміну сушіння, була найбільш "волога". Це значить, що ступінь насиченості повітря створюється тут високий, що вимагає великих енерговитрат. При атмосферному підсушуванні по матеріалі циркулює вологе повітря низької температури, тобто створюється мікроклімат досить безпечний для стану деревини.

Для пиломатеріалів твердих листяних порід підсушування бажано проводити в спеціальних низькотемпературних камерах при температурі до 40 0С. У цьому випадку процес підсушування керований, тривалість його в 5...8 разів менше, ніж при атмосферному підсушуванні, значно менше і ступінь нерівномірності просихання.

1.2.5 Ротаційний спосіб сушіння

Цей спосіб являє собою механічне зневоднювання деревини в поле відцентрових сил. Здійснюється він у спеціальних карусельних сушарках, причому найкращий ефект досягається при розміщенні штабеля чи пиломатеріалів навіть круглого сортименту по діаметрі обертової платформи. При цьому вектор відцентрової сили збігається з віссю деревного сортименту, і зневоднювання відбувається уздовж волокон. Природно, що таким способом можна видалити з деревини тільки вільну воду. Вологість свіжої деревини при цьому знижується до 40...45% за невеликий проміжок часу - 10...20 хв. Пиломатеріали початковою вологістю З0...35% і нижче зневоднюванню з використанням відцентрового ефекту не піддаються.

Ротаційне сушіння, таким чином, може замінити першу найбільш енергоємну і тривалу ступінь камерного сушіння. Техніко-економічні розрахунки показали, що сполучення карусельного і камерного сушіння забезпечує 1,5-2-кратне скорочення енерговитрат і зниження собівартості сушіння на 25-30%.

Недоліком ротаційного способу є громіздкість конструкцій, складність у виконанні обертової платформи, балансування вантажу. Тому такі сушарки не одержали поширення [4,37].

1.2.6 Вакуумний спосіб сушіння

Використання зниженого тиску середовища для зневоднювання деревини викликано бажанням прискорити процес за рахунок використання додаткових резервів сушіння - не тільки градієнтів температури і вологості, але і градієнта тиску.

Матеріал, що висушується, поміщають у спеціальний автоклав чи герметичну камеру, де створюється розрідження повітря. Оскільки температура кипіння води у вакуумі нижче, ніж при атмосферному тиску, то, створюючи вакуум глибиною 0,9 кг/см2, температуру сушильного агента знижують до 40...45°С. У такий спосіб можна вести інтенсивний і, разом з тим, низькотемпературний процес сушіння при повному збереженні природних властивостей деревини.

Безпосередньо вакуумний спосіб сушіння не забезпечує необхідну експлуатаційну вологість матеріалу і застосовується тільки для сушіння пиломатеріалів до транспортної вологості, тобто до WK = 22%. Сполучення ж даного способу з кондуктивним, конвективним чи діелектричним дозволяє досягти необхідної кінцевої вологості при скороченні тривалості процесу в 2...10 разів.

Вакуумно-кондуктивний спосіб сушіння здійснюється при постійному протягом процесу вакуумі і контактному нагріванні деревини плитами, розміщеними усередині штабеля замість прокладок. За даними закордонних фірм Hildebrand, Citomak такий спосіб скорочує тривалість процесу в 3 рази в порівнянні з камерним сушінням нормальними режимами. Але він має ряд істотних недоліків: велика трудомісткість вантажно-розвантажувальних робіт; значна нерівномірність і розподіли кінцевої вологості по товщині матеріалу і, відповідно, великі внутрішні напруження; мала місткість камер. У силу цих недоліків вакуумно-кондуктивні камери не одержали широкого застосування в промисловості.

Вакуумно-конвективний спосіб сушіння може здійснюватися при циклічному нагріванні і вакуумуванні, тобто зі скиданням тиску, а також при постійному вакуумі .

У першому випадку матеріал спочатку прогрівають, а потім піддають вакууму. У деревині, нагрітій до температури кипіння води, відбувається википання вільної води з порожнин кліток за рахунок акумульованої теплоти. Пара, що утворилася, віддаляється з матеріалу під дією надлишкового тиску. Після припинення паротворення, тобто охолодження деревини, її знову нагрівають, і цикл багаторазово повторюють до досягнення необхідної кінцевої вологості. Тривалість циклів і їхні параметри залежать від породи, товщини і вологості матеріалу. Такий спосіб дає скорочення тривалості процесу в 4...5 разів у порівнянні з конвективним способом при високій якості сушіння .

Сушіння при постійному неглибокому вакуумі 0,2 кг/см2 і одночасному конвективному нагріванні дає також гарну якість. Тривалість процесу при цьому не зменшується, а відповідає конвективному сушінню. Собівартість сушіння в 3 рази нижче за рахунок використання теплоти конденсації випаруваної води і застосування низьких температур сушильного агента.

Вакуумно-конвективний спосіб сушіння останнім часом стає усе більш популярним. На думку авторів, він є найбільш перспективним серед способів, спрямованих на прискорення процесу сушіння [2,32].

При вакуумно-діелектричному способі сушіння нагрів матеріалу до 45...50°С здійснюється за рахунок енергії високочастотного електромагнітного поля чи при постійному вакуумі. Деревина знаходиться в середовищі майже чистої пари малого тиску, завдяки чому процес відбувається при малому перепаді вологості по товщині сортиментів і незначних внутрішніх напружень. Тривалість сушіння в цьому випадку зменшується в 10-12 разів. Однак вакуумно-діелектричний спосіб не позбавлений істотних недоліків. По-перше, вартість сушіння при такому способі досить велика через дорожнечу і складність устаткування, а також через великі енерговитрати. По-друге, з досвіду експлуатації вакуумно-діелектричних камер СПВД випливає, що поки не удалося досягти гарної якості сушіння: матеріал через нерівномірність електромагнітного поля має дуже великий розкид кінцевої вологості.

1.3 Технологічний процес сушіння деревини

На даному підприємстві використовується трьохступеневий камерний режим сушіння пиломатеріалів листяних порід (таблиця 1.2), хвойних (таблиця 1.3) та модрини (таблиця 1.4)

Таблиця 1.2.

Трьохступеневий камерний режим сушіння пиломатеріалів листяних порід

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5