Vliv tvaru sušárenských prokladů na rozložení teploty uvnitř vysoušeného materiálu.

Transkript

1 Vliv tvaru sušárenských prokladů na rozložení teploty uvnitř vysoušeného materiálu. J. Zejda 1 A. Dejmal 2 Abstrakt: Tato práce porovnává vliv nových tvarů sušárenských prokladů na časový průběh distribuce teploty během umělého vysoušení dřeva. Jedná se o numerickou simulaci vybrané části hráně proložené těmito proklady. Tyto navrhované proklady mají za účel zkvalitnit rozložení teploty a vlhkosti materiálu při umělém vysoušení i v oblasti kontaktu prokladu s řezivem, kde při stávajících tvarech prokladu dochází k nerovnoměrnému prohřátí a částečně i k barevné změně řeziva. Pro vyhodnocení výsledků byly sledovány rychlosti proudění vzduchu a distribuce teploty v pevné i vzdušné části úlohy. Klíčová slova: CFD, CFX, proklad, hydrotermická úprava Abstract: This paper compares the influence of new shapes of stickers upon time temperature distribution during wood drying. This is the numerical simulation of a part of stack interleaved with these stickers. The object of these stickers is to improve the quality of temperature and moisture distribution of wood material during drying in the area of contact between the stickers and timber, where, in the case of standard shapes of stickers, the color of the timber is partly stained and also the timber is not warmed up equally. The velocity of convection and temperature distribution were monitored for the results evaluation in solid and fluid part in this work. Key words: CFD, CFX, sticker, kiln drying 1 Ing. Jiří Zejda, MZLU v Brně, Ústav nauky o dřevě, Lesnická a dřevařská fakulta, Zemědělská 3, Brno, Česká Republika, tel.: , zejda@centrum.cz 2 Ing. Aleš Dejmal, MZLU v Brně, Ústav nauky o dřevě, Lesnická a dřevařská fakulta, Zemědělská 3, Brno, Česká Republika, tel.: , dejmal@mendelu.cz - 1 -

2 Úvod Tak jako každá technologie tak i sušení dřeva prochází stádiem vývoje. Přes inovace týkající se technické úrovně stávajících sušáren (aktivních prvků) dochází i k inovacím ostatních částí umožňující optimální proudění vzduchu přímo v uložené hráni. Mezi tyto prvky zařazujeme i proklady v hráni. Speciální proklady se používají na vedení sušícího média uvnitř hráně, jiné zase pro snadnější vstup vzduchu na čelech hráně. Všechny tyto proklady člení hráň do soustavy vodorovných a svislých kanálků umožňujících výměnu vzduchu v okolí dřevní hmoty. Proklady v posledních letech zaznamenaly výrazného konstrukčního vývoje. Tvarovou úpravou lze dosáhnout požadovanou výměnu vzduchu i tam kde doposud chyběla. Tyto prvky jsou v sušárně pasivní, jenom mění charakter proudění v jejich bezprostředním okolí. Posledních několik desítek let se používaly proklady běžných rozměrů 22 x 25 mm nejčastěji řezaných na rámových pilách. S nutností zkracovat sušící proces (bez vzniku deformací řeziva) dochází i k tvarové optimalizaci těchto součástí hráně. Prvotní myšlenkou bylo odstranit barevnou změnu, která vzniká právě na kontaktních místech proklad řezivo. Později však dochází k cílené změně průřezu tak aby bylo účelněji řízeno vysoušecí médium. Cíl práce Cílem práce je posoudit výhody či nevýhody použití nových prokladů v hráni na výslednou aerodynamiku, přenos teploty či vlhkosti mezi vzduchem a vysoušeným materiálem. Byly posuzovány tři nové typy prokladů se stávající nejvíce rozšířenou variantou. Pomocí numerické simulace bude možno nahlédnout do všech oblastí zkoumané hráně a nejobjektivněji tak posoudit nejoptimálnější tvar pokladu. Cílem je sestavit časově závislou (transientní) analýzu trvající 3600 s fyzického času, kde budou sledovány výstupy vždy po určitém časovém kroku a ty následně hodnoceny s ostatními tvarovými variantami prokladů. Materiál metodika Uspořádání modelu Tak aby byla zachována vzájemná porovnatelnost všech výsledků, byla vybrána oblast mezi dvěmi vrstvami hraněného řeziva o předem daných rozměrech. Délka modelu odpovídá nevětší možné šířce hráně uložené v kondenzační sušárně. Pro simulaci proudění vzduchu okolo prokladu byla vybrána oblast šířky 0,28 m. V hráni bylo řezivo tloušťky 0,036 m kde pozorovaný proklad byl umístěn uprostřed tohoto numerického modelu. Jelikož se jedná o symetrickou úlohu byly zde použity hned čtyři roviny symetrie. Dvě horizontální a dvě vertikální jak znázorňuje obr. 3. Geometrický a konečně prvkový model Jakkoli se nepovedlo získat kontakt na konkrétní výrobce uvedených typů prokladu, byly rozměry odměřeny z dostupných vzorků prokladu a následně modelovány. Geometrické modely byly vytvořeny v programovém prostředí Ansys. Tato geometrie byla dále převedena do produktu ICEM-CFD, kde byla dodatečně opravena. Pokud to geometrický model dovoloval, byla vytvořena síť pomocí hexahedronů. Tento postup byl aplikován na sestavu č. 1 a 3. U sestav č. 2 a 4 byly vytvořeny sítě z tetrahedronů. Tato síť obsahuje zjemněné elementy na hranici mezi vzdušným a pevným prostředím. Elementy byly ručně upraveny na této hranici a to postupem dvojího zjemnění dělení mřížky v oblasti prokladu. Též byla vytvořena řada prizmatických prvků na hranici pevné a vzdušné části. Důležité entity modelů byly popsány pro snadnou definici fyzikálního modelu. Z programu byl konečně prvkový model exportován pro software CFX, kde byla úloha následně řešena. Na obr. 2 je zjednodušený nákres sestavy

3 Varianty posuzovaných prokladů Obrázek 1. znázorňuje základní varianty posuzovaných prokladů. Varianta č. 1 představuje nejběžněji používané proklady s obdélníkovým průřezem většinou vyráběny z jehličnatého řeziva. Varianty č. 3 a 4 znázorňují proklady s podélně frézovanými kanálky. Tyto dvě varianty se liší úhlem sevřeným mezi drážkou a podélnou osou prokladu a ve velikosti vodivých cest. Poslední varianta č. 2 ukazuje proklad se dvěmi podélnými kanálky. Tento proklad je vyráběný převážně z plastů. Obr. 1: Varianty prokladů, 1- klasický proklad, 2 - plastový proklad, 3 - proklad z bukového dřeva s frézovanými drážkami, 4 - proklad z lisovaného dřeva a protiskluzovou úpravou Obr. 2:Nákres geometrického modelu (v modelech je měněn pouze průřez jednotlivých variant prokladů). obrys pevné části úlohy obrys vzdušné části úlohy Obr. 3: Geometrický model úlohy s vyznačením rovin symetrií

4 Materiálový a fyzikální model úlohy Vzdušná část úlohy byla řešena pomocí standardního k-ε modelu (Lounder 1974). Pro řešení úlohy byl použit vestavěný materiálový model vzduchu Air Ideal Gas. Kdy počáteční podmínka rozložení teploty v modelu byla K (vzdušná i pevná část). Na pevnou část úlohy byl použit upravený materiálový model (SM dry, BK dry a PA 12 G). Jedná se o izotropní materiálový model. Jednotlivé důležité parametry jsou vypsány v tabulce 1. Na vstupní části modelu byl definován zdroj proudícího média, vstupní hodnota rychlosti vzduchu byla 5 m.s -1, podle normy ON která udává průměrné proudění v hráni 5 m.s -1 a vstupní teplota K (maximální hodnota teploty pro ohřev v kondenzační sušárně). Na výstupní části pak byl definován nulový tlak. Ostatní plochy mají automaticky přiřazenou okrajovou podmínku stěna. Jelikož je konečně prvkový model vytvořen s návazností sítě mezi pevnou a vzdušnou částí, nebylo zapotřebí vytvářet dodatečné okrajové podmínky svazující tyto dvě prostředí. Tabulka 1: Použité materiálové vlastnosti. Název materiálu Objemová hmotnost [kg.m -3 ] Specifická tepelná kapacita [J.kg -1.K -1 ] Smrk při 0% vlhkosti Buk při 0% vlhkosti Polyamid 12 (PA 12 G) Výsledky Ve výsledkové části obrázky 7 až 10 znázorňují distribuce teploty z prvního uloženého kusu materiálu. Z velkého objemu dat byly vybrány časové úseky, ve kterých byly porovnány jednotlivé konstrukce prokladů. První výstup byl v první minutě ohřevu, další úseky byly po čtvrt hodině (900 s) až do konce analýzy, která byla ukončena po uplynutí jedné hodiny. Na první pozici obrázku je vždy řez modelem v místě styku proklad-řezivo. K tomuto obrázku patří ještě rozložení teploty v průřezu řeziva mimo styk prokladu a to ve vzdálenosti 0.03 m do podélné osy modelu. Jednotlivé série výstupů jsou časově seřazeny. Pokud došlo k prohřátí materiálu dříve než po uplynu jedné hodiny, nejsou výstupy uvedeny. Obr. 4: Znázornění proudícího pole v numerickém modelu

5 Obr. 5: Řez vedený v polovině šířky prvního prkna v čase 60 s, a) klasická konstrukce prokladu, b) plastový profil, c) proklad frézovaný z buku, d) proklad z lisovaného dřeva Obr. 6: Proudící pole v okolí prokladu varianty č. 3 Obr. 7: Časová posloupnost ohřevu první varianty prokladu

6 Obr. 8: Časová posloupnost ohřevu druhé varianty prokladu. Obr. 9: Časová posloupnost ohřevu třetí varianty prokladu. Obr. 10: Časová posloupnost ohřevu čtvrté varianty prokladu

7 Z uvedených grafických výstupů lze vyčíst následující závislosti. U prokladu č. 1 (klasická konstrukce) dochází v kontaktu s řezivem k výraznému ovlivnění prohřevu matriálu vlivem velké styčné plochy prokladu. Proklad se musí nejprve sám v celém průřezu prohřát a následně dochází k přenosu energie i do okolního materiálu. Tento markantní jev lze dobře pozorovat na obr. 5a. Naopak, pokud již je proklad jednou prohřátý (relativně malá šířka prvku) přenáší se energie hmotným prostředím velmi rychle. K prohřátí celé hráně i v místě styku prokladu bylo ukončeno v 46 minutě simulace. Okolní proudění vzduchu vykazuje laminární charakter. U varianty č. 2 došlo k prohřevu vysoušeného materiálu velmi snadno a rychle. Nedocházelo tedy k výraznému ovlivnění rozložení teploty na styku prokladu a materiál přičemž distibuce teploty v příčném řezu je shodná ve všech částech, tedy i pod prokladovou lištou. K prohřevu materiálu na stanovenou hodnotu došlo ve 43 minutě. Proudění vykazovalo laminární charakter. U třetí varianty prokladu s příčně frézovanými drážkami dochází ke vzniku charakteristického proudění v okolí prokladu viz obr. 6. Toto nesourodé proudění mělo s největší pravděpodobností za následek delší čas prohřevu materiálu než u předchozích dvou variant. Řezivo je v celém průběhu délky prohřáto rovnoměrně i pod prokladovou lištou viz obr. 5c. K celkovému prohřevu materiálu nedošlo ani po uplynutí jedné hodiny. Poslední typ prokladu je geometricky velice podobný předchozímu jen styčná plocha je daleko větší. I tento tvar prokladu negativně neovlivní rozložení teploty v okolí prokladu, jen proudění sušícího média je méně intenzivnější vlivem menších vodivých cest. Proudění vzduchu v okolí prokladu je ovlivněno geometrií prokladu a vychyluje hlavní proud ve směru vyfrézovaných drážek avšak vykazuje laminární charakter. K prohřevu materiálu dojde po uplynutí 44 minuty. Diskuse Z uvedených výsledků lze konstatovat, že novými konstrukcemi prokladů se dá výrazně měnit charakter proudění, tedy i průběh vysoušení. Nutno podotknout že distribuce teploty není jediným faktorem při umělém vysoušení. Dalším důležitým faktorem je odvod vlhkosti z povrchu materiálu, kde se též lze domnívat optimálnější pohyb vlhkosti u profilových prokladů než u klasického typu. Jako nejvýhodnější se podle simulace jeví varianta č. 2, tedy plastový proklad, jak z hlediska přenosu teploty tak i odvodu vlhkosti. Dále pak nepodléhá tak snadno degradaci vlivem častých výkyvů teplot a vlhkostí tak jako proklady dřevěné. Též výrobní náklady na tento proklad jsou daleko nižší. Musíme ale vzít v úvahu další faktor a tím je samotná tíha hráně. Pokud budeme stohovat několik hrání nad sebou (běžné u velkokapacitních sušáren) bude pravděpodobně váha uloženého řeziva vyšší než tvrdost dřeva vzhledem ke styčné ploše prokladů a bude docházet k zatlačování prokladu do povrchu řeziva. Další nevýhodou těchto prokladů je provozní bezpečnost. S převážnou většinou hrání je manipulováno pomocí vysokozdvižných vozíků a právě snížení styčné plochy má vliv na třecí síly v hráni. Může tedy docházet k sesouvání jednotlivých vrstev řeziva při manipulaci s hrání. Tento nedostatek částečně řeší proklad č. 4, který je opatřen rýhováním na třecích vrstvách prokladu. Proti zavedení používání těchto prokladů mluví nutnost, přeskládat většinu nakoupených hrání na tyto proklady. Co se tyče barevné změny, je pravda že u klasického prokladu jsou patrné stopy po prokladech, leč tytou stopy jsou většinou odstraněný při samotném opracování řeziva. Ke konci lze konstatovat, že nové tvary určitě zkvalitní průběh vysoušení, jen je otázkou jestli též zefektivní. Delší časový úsek ohřevu u varianty č. 3 lze vysvětlit nedostatečně kvalitně vytvořenou sítí, která hraje rozhodující roli pří řešení úloh, kde je třeba pozorovat interakci mezi vzdušnou a pevnou částí

8 Autor si je také vědom toho ze proudění jaké je představeno v této simulaci je velmi zidealizováno a poměrně daleko od reálného proudění ve skutečné hráni. V tomto modelu ale šlo o to navodit srovnatelné podmínky proudění, tak aby bylo možno posoudit vhodnost navrhovaných variant prokladů Závěr Pomocí numerické simulace byly porovnány různé tvary prokladů a jejich vliv na ohřev vysoušeného materiálu. Na základě výše uvedených výsledků lze konstatovat, že nově navrhnuté tvary prokladů mají příznivý vliv na celkový průběh procesu umělého vysoušení. Nejvýhodnější tvar prokladu z hlediska urychlení procesu sušení se jeví varianta č. 2. Z hlediska provozní bezpečnosti se zachováním výhod těchto prokladu pak lze doporučit variantu č. 4. Obecně lze doporučit tyto nové tvary prokladů i s uvedenými připomínkami, které byli diskutovány v předešlé kapitole. Poděkování Práce, jejich výsledky jsou uvedeny v této příspěvku vznikly v rámci řešeného grantů FRVŠ 2838/2005/G4, GAČR 526/03/H036 a výzkumného záměru VZ MSM Literatura: Launder, B.E., Spalding, D.B, 1974: The Numerical Computation of Turbulent Flows, Computer Methods In Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3, pp Požgaj A. et.al., 1997: Štruktúra a vlastnosti dreva. PRÍRODA Bratislava Zienkiewicz, O.C., Tailor, R.L. 1989: The finite element Method Volume 2 Solid and fluid mechanics Dynamics and non-linearity, London 1989, McGraw-Hill, pp.807 ON Umělé sušení řeziva (1988) - 8 -