OPTIMÁLNÍ UMÍSTĚNÍ SONDY PROUDĚNÍ VZDUCHU V KOMOROVÝCH SUŠÁRNÁCH

Transkript

1 OPTIMÁLNÍ UMÍSTĚNÍ SONDY PROUDĚNÍ VZDUCHU V KOMOROVÝCH SUŠÁRNÁCH Autoři: Ing. Jiří Zejda, MZLU v Brně, zejda@centrum.cz Ing. Aleš Dejmal, Ph.D., MZLU v Brně, dejmal@mendelu.cz Anotace Tato práce se zabývá otázkou optimalizace umístění sondy snímací rychlost proudění vzduchu v komorových sušárnách. Při měření parametrů vnějších podmínek sušení musí být stanovena s dostatečnou přesností rychlost proudění vzduchu v sušené hráni. Tento parametr výrazně ovlivňuje rychlost a intenzitu sušení dřeva. Nedodržením stanovených parametrů rychlosti proudění vzduchu pak vede ke ztrátě kvality řeziva a k prodloužení celkového sušícího času. Taktéž při hodnocení kvality sušáren je třeba tento parametr sledovat. Práce si klade za cíl nalézt optimální umístění snímací sondy. Samotná analýza pak dále stanovuje vliv nedodržení nalezených doporučení na měřenou veličinu. Annotation This work deals with optimalization of placing of probe for measuring of air flow velocity in a box kiln. The air flow velocity within dried wood pile must be determinate precisely during the measurement of outer environment conditions of drying. The air flow velocity influences dramatically the intensity and speed of wood drying. Wood quality loss and time extension of drying may be results of improper flow velocity parameters. It is necessary to take into consideration this parameter also when evaluate quality of a kiln. This work is aimed to find the optimal placing of the flow meter probe. Then, the analysis determines influences of different parameters than the recommended ones. ÚVOD Při umělém sušení dřeva je nutné sledovat vnější a vnitřní podmínky sušení. Vnitřní podmínky sledují teplotou a vlhkosti řeziva, naproti tomu vnější podmínky popisují teplotu prostředí, relativní vlhkost vzduchu a rychlost proudění sušícího média. Sušený materiál je vystaven vnějším podmínkám, které se řídí podle konkrétních sušících řádů, tak aby docházelo k rovnoměrnému vysoušení bez vzniku nežádoucích defektů ve formě trhlin a zbytkových napětí. Pro správně fungující sušící řády musí technologické zařízení (sušárna) splňovat přísné technické parametry, které v neposlední řadě zabezpečují množství vzduchu které musí projít hrání řeziva. Výměna vzduchu pak musí být rovnoměrně rozprostřena po výšce sušárny a parametry této distribuce jsou hodnotícím kritériem určující kvalitu sušení i kvalitu sušárny jako takové. 1

2 Správná metoda měření požadovaných parametrů je neméně důležitá k vyslovení správných závěrů. V sušárenské praxi neexistují striktní pravidla jak přesně měřit stanovené veličiny zřejmě z důvodů rozdílnosti snímacích zařízení. Měření jednotlivých veličin pak záleží na zkušenosti obsluhy snímacího zařízení. Metodika Rychlostní profil Určením rychlostních profilů v komoře se stanovuje rovnoměrnost rychlosti proudění na výstupní straně kánálů, vytvořených v hráních řezivem a prokladovými lištami. Rozložení rychlosti proudění se sleduje po výšce hráně na výstupních kanálech v cirkulačních okruzích. Měření rychlosti se vykonává ve vertikálních rovinách orientovaných v osách hlavních ventilátorů sušárny. Vzdálenost měřících míst po výšce hráně nesmí přesahovat 0,5 m, od spodní a horní hrany hráně pak 0,3 m. Při stanovení schémat měřících míst mají být zohledněny místa s uložením sušících vzorků. Měření rychlosti proudění se vykonává anemometrickou sondou v ose kanálku, vytvořeného prokladovými latěmi a řezivem asi 6cm od boční vstupní strany hráně. Jednotlivá měřící místa se označí. Spodní kanál sousedící s měřícím je zastíněn vloženou deskou aby nedocházelo k ovlivnění naměřené hodnoty rychlosti proudění v měřeném místě. Takto se postupuje v rámci celé výstupní strany hráně. Způsob měření je naznačen na obr. 1. Obrázek 1: Způsob měření rychlosti proudění vzduchu v hráni. SONDA STS 020 pro digitální přístroj GMH 3350 Pro sestavení geometrického modelu byla použita sonda pro měření rychlosti proudění vzduchu s následujícími parametry. rychlost proudění vzduchu: 0,55 20 m.s 1 dovolený úhel natočení bez přídavného proudění: ±20 pracovní teplota: 0 70 C relativní vzdušná vlhkost: % rozměry: Ø 11 x 15 mm 2

3 Geometrický model Celkový model se sestává ze 4 vrstev řeziva umístěného v pomyslném středu hráně řeziva. V prostoru mezi výstupní stranou hráně a stěnou komory je umístěna kontrolní oblast představující vzdušný objem sondy. Tato kontrolní oblast má rozměry odpovídající geometrii sondy STS 020. Model je navržen parametricky, umožňuje snadno změnu polohy snímací sondy ve dvou směrech (osa x a y) a dále umožňuje rotaci sondu vůči hlavnímu směru proudění kolem osy z. Geometrický model byl sestaven v programové prostředí Ansys Workbench a je znázorněn na obr. 2. Model je sestaven ze standardního řeziva tl. 24 mm a tlouštěk nejběžněji používaných prokladových lišt 24 mm. Bylo uvažováno se standardní hrání 1,2 m široké a 1,2 m vysoké. Od těchto dimenzí pak byla odvozena mezera mezi výstupní stranou hráně a stěnou sušárny tak jak je optimálně navržena v práci [3]. V tomto případě byla tato vzdálenost 0,15 m. Celková tloušťka modelu byla 0,05 m. Obrázek 2: Geometrický model, 1 vzdušné prostředí, 2 řezivo, 3 ochrana proti vířivému proudění, 4 polohy snímací sondy. Posuzované varianty modelu Pro posouzení vhodnosti umístění snímací sondy byly zhotoveny modely s různou polohou snímače. Základní rovina posunu snímače byla v ose měřeného kanálku tak jak je doporučeno sušárenským předpisem. Základní modely obsahují sondu v ose kanálu posouvanou ve dvou centimetrových vzdálenostech od čela hráně. Tyto modely slouží k nalezení optimálního místa měření rychlosti proudění vzduchu. Další modely simulovaly nedodržení tohoto optimálního osového umístění. Sonda byla umístěna o 1/3 tloušťky proudícího kanálku nad a pod ideální osu kanálu. Dále bylo vyhodnocováno pootočení sondy vůči hlavnímu směru proudění o 5 v kladném i záporném směru rotace. Poloha sondy je znázorněna na obr. 2. Samotný výpočet byl uvažován pro standardní rychlosti proudění vzduchu 5 m.s 1 a 2 m.s 1 jak je udáváno normou pro umělé sušení. 3

4 Konečněprvkový model Geometrický model byl transformován na konečněprvkový. Tento model byl tvořen s ohledem na požadavky zvoleného fyzikálního prostředí. Samotná síť byla zhotovena v prostředí CFX Mesh volným síťováním s řízenou velikostí elementů. Na rozhraní pevné látky a vzdušného prostředí pak byly vytvořeny prizmatické elementy. Fyzikální a materiálový model Do programového prostředí ANSYS CFX byl načten konečně objemový model. Model se sestává pouze ze vzdušného prostředí, které je rozděleno do dvou podoblastí. Oblast sondy zahrnuje vnitřní objem sondy a okolní prostředí vzduchu. Pro vzdušné prostředí byl vybrán materiálový model AIR Idel Gas se standardním turbulentním modelem k ε. Na rozhraní vzduch a sušený materiál pak byla definována drsnost 1,5 mm. Úloha byla počítána jako stacionární s počáteční podmínkou teploty vzduchu 298,15 K. Získané výsledky Jednotlivé výsledky jsou pro dvě simulované rychlosti proudění 2 a 5 m.s 1. Pomocí výpočtu průměrné rychlosti v objemu sondy (volumeave) byly získávány hodnoty rychlosti proudění vzduchu. Na uvedených grafech (1 a 2) jsou znázorněny průběhy rychlostí v jednotlivých měřených místech. Plná čára zobrazuje posun sondy po ose měřeného kanálu. Tečkovaná čára zobrazuje průběh naměřených hodnot pro sondu umístěnou pod pomyslnou osu měřeného kanálku. Čárkovaná čára pak zobrazuje sondu umístěnou nad osu kanálu. Další dvojice grafů (3 a 4) ukazuje vliv natočení sondy vůči hlavní ose kanálku. Čerchovaná čára zobrazuje průběh naměřených veličin pokud otočíme sondu v kladném smyslu, čárkovaná čára pak ukazuje průběh snímaných veličin při sondě otočené v záporném smyslu. 4

5 Graf 1: Závislost naměřené hodnoty proudění na poloze sondy pro rychlost proudění vzduchu 5 m.s 1 Graf 2: Závislost naměřené hodnoty proudění na poloze sondy pro rychlost proudění vzduchu 2 m.s 1 Graf 3: Závislost naměřené hodnoty proudění na pootočení sondy pro rychlost proudění vzduchu 5 m.s 1 Graf 4: Závislost naměřené hodnoty proudění na pootočení sondy pro rychlost proudění vzduchu 2 m.s 1 Diskuze Z jednotlivých výsledků vyplývají následující závislosti. Optimální vzdálenost umístění sondy vůči boční ploše hráně byla nalezena ve vzdálenosti mm pro teplotu prostředí 25 C. Sušárenskou praxí je doporučována vzdálenost 60 mm, která podle modelu odpovídá nižší naměřené rychlosti, v průměru o 0,5 m.s 1. Jelikož je vystupující proud vzduchu ohýbán ve směru cirkulace sušícího média má na měřenou hodnotu rychlosti proudění vzduchu zásadní vliv umístění sondy posunutím mimo osu měřeného kanálu. Pokud nebylo dodrženo doporučení souososti sondy s osou kanálu dochází k většímu zkreslení měřené veličiny 5

6 posuneme li sondu pod osu kanálu. U posunutí sondy nad pomyslnou osu nedochází k velkým zkreslením a nedopouštíme se velkých chyb jako v opačném případě. Vliv pootočení (± 5 ) sondy v optimální vzdálenosti mm od výstupní strany hráně nebyl prokázán, což potvrzuje i doporučení výrobce sondy. Mírným pootočením osy snímače vůči ose kanálku tedy nemá výraznější vliv na snímanou veličinu a natočení více než o 5 nebylo zkoumáno. Lze se ale domnívat že obsluha by si tak velkého natočení všimla a nemělo by docházet k výraznějším odchylkám při měření snímané veličiny. ZÁVĚR Byla provedena analýza optimálního umístění snímací sondy, vyhodnocující rychlost proudění vzduchu v komorových sušárnách hráně. Pro analýzy byla použita metoda konečných objemů s využitím programu ANSYS CFX. Z doporučení dřevařské praxe měření rychlostního profilu byla nalezena optimální vzdálenost snímací sondy a to ve vzdálenosti mm. Ve vzdálenosti 60 mm od boční plochy hráně byla hodnota proudění o 0,5 m.s 1 nižší. Rotace sondy vůči ose umístění nemá v této vzdálenosti zásadní vliv na snímanou veličinu. Nepřesnost výsledné hodnoty je výrazně vyšší pokud posuneme sondu pod osu kanálku než pokud bude snímač umístěn nad touto osou. Menší chyby se tedy obsluha dopustí pokud posune sondu nad osu měřeného kanálu. Poděkování Tato práce vznikla za podpory grantu MSM LITERATURA [1] NIJDAM J,J., KEEY R.B. (1996): Influence of local variations of air velocity and flow direction reversals on the drying of stacked timber boards in a kiln. Trans IchemE 74: A: [2] WESSELING, P. (2001): Principles of Computational Fluid Dynamic. Springer Verlag, Berlin. 654 pp. [3] ZEJDA, J., 2007: Optimální šířka hráně pro komorové sušárny. In 15. ANSYS users meeting. Česká republika a Slovensko Brno: 2007, s ISBN [4] ON Umělé sušení řeziva (1988) 6