ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Физическое и математическое моделирование позволяют комплексно изучить влияние входных параметров на качественные и количественные характеристики процесса [18]. В результате сопоставительного анализ результатов математического и физического моделирования в эквивалентных условиях можно установить степень адекватности теоретических рассуждений, глубже понять механизм происходящих явлений, идентифицировать не доступные для эксперимента параметры и определить рациональные пути интенсификации процесса в целом [26].

Экспериментальное оборудование для исследования процесса термического разложения древесины

Экспериментальный стенд для исследования динамики термического разложения древесины

С целью экспериментального исследования процесса термического разложения древесины и проверки на адекватность разработанной математической модели был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд для исследования динамики термического разложения, общий вид и схема которого представлены на рис. 3.1 и рис. 3.2 соответственно [88].

Экспериментальный стенд для исследования динамики термического разложения древесины состоит из камеры термического разложения 1, системы отвода продуктов термического разложения, системы управления, компьютера 9, баллона с азотом 11, компрессора 17, силового трансформатора 15. Камера термического разложения герметична и снабжена теплоизоляцией. Внутри камеры термического разложения установлен подъёмный столик 3, на котором закрепляется испытуемый образец 4. Подъемный столик с помощью штока жёстко соединён с резиновой мембраной 2, которая герметично закреплена в нижней части камеры термического разложения 1 и образует пневматический толкатель со стенками нижней части камеры. В верхней части камеры термического разложения установлен низковольтный электронагреватель 5. Электронагреватель включает в себя два медных электрода, один из которых выполнен в виде стакана, а другой установлен соосно с зазором, причём стакан заполнен графитовым порошком, выполняющим роль нагревательного элемента. Внешняя сторона дна медного стакана усилена нержавеющей пластиной 18, в которую вмонтирован хромель-алюмелевый термопреобразователь. Сбоку, напротив образца 4, в камере термического разложения имеется загрузочное окно, через которое обеспечивается установка образца и измерительных датчиков. Также камера термического разложения снабжена двумя продувочными штуцерами, через которые осуществляется продувка инертным газом, и отводным штуцером, через который отводится парогазовая смесь, образующаяся при термическом разложении образца. В нижней части камеры термического разложения (для обеспечения работоспособности подъёмного механизма) ниже уровня резиновой мембраны установлены нагнетательный и выпускной патрубки.

Экспериментальный стенд для исследования динамики термического разложения

Рис. 3.1. Экспериментальный стенд для исследования динамики термического разложения

15

Схема экспериментального стенда для исследования динамики термического разложения

Рис. 3.2. Схема экспериментального стенда для исследования динамики термического разложения

Система отвода продуктов термического разложения из камеры термического разложения состоит из конденсатора 6, газового расходомера 19 и газгольдера 8. Система управления включает в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, регулятор мощности 14, исполнительное устройство 16, нагнетательный (12) и выпускной (13) электроклапаны.

Экспериментальный стенд работает следующим образом. Предварительно подготовленный образец 4 определённых размеров и влажности через загрузочное окно камеры термического разложения 1 устанавливается и фиксируется вместе с измерительными приборами на подъёмный столик 3. Далее с целью предотвращения преждевременного теплового воздействия электронагревателя 5 на образец, осуществляется его теплоизоляция сверху (со стороны кондуктивного теплового воздействия) путём установки экрана с высоким термическим сопротивлением и отражающим покрытием. Затем нержавеющую пластину 18 нагревают электронагревателем 5 до заданного температурного режима, по достижении которого удаляется теплоизолирующий экран, производится герметизация камеры термического разложения, а также удаляется воздух из камеры термического разложения 1 с целью предотвращения возгорания 49

образца. Для удаления кислорода воздуха из камеры 1 и предотвращения последующего его попадания камера термического разложения продувается азотом из баллона 11. По завершении кратковременной продувки азотом камеры начинается процесс термического разложения образца при заданных режимных параметрах.

Начало процесса характеризуется соприкосновением испытуемого образца 4 с плоской нагретой до заданной температуры пластиной 18 поверхности электронагревателя 5. Соприкосновение образца с нагретой поверхностью достигается путём перемещения по оси камеры подъёмного столика 3, который с помощью штока соединён с резиновой мембраной 2. Прогиб резиновой мембраны осуществляется за счёт подачи сжатого воздуха компрессором 17 через нагнетательный штуцер в камеру термического разложения 1 при подаче сигнала на впускной электроклапан 12, причём усилие прижима и скорость перемещения образца задаются регулятором давления компрессора 17 (на схеме не показан). В ходе реакций термического разложения образца образуются продукты - уголь и парогазовая смесь. Парогазовая смесь за счёт разности давлений отводится из камеры термического разложения в конденсатор 6, где конденсируются жидкие продукты, а несконденсированный газ направляется в газгольдер 8 через газовый расходомер 19.

В ходе эксперимента сбор данных и управление процессом осуществляются с помощью компьютера со специально разработанным программным обеспечением (рис. 3.3). Термическое разложение образца 4 осуществляется в течение определённого промежутка времени - времени выдержки, которое задаётся программно и обеспечивается системой управления. Также в программной среде, графический интерфейс которой представлен на рис. 3.3, имеется возможность определения продолжительности открытия впускного (11) и выпускного (12) электроклапанов, температуры поверхности нагрева 18 либо программы её изменения в ходе эксперимента, а также частоты обновления и актуализации информации в диапазоне от 5 до 100 Гц.

Графический интерфейс программной среды

Рис. 3.3. Графический интерфейс программной среды

управления экспериментом

Программа также позволяет в ходе эксперимента обеспечивать сбор данных через интерфейс АЦП 10 с последующей обработкой и сохранением в структурированной базе данных. АЦП 10 при этом преобразует аналоговый сигнал с измерительных датчиков в цифровой, после чего он передаётся из памяти АЦП в буфер программы, где осуществляется его дальнейшая обработка. Управление электроклапанами 12, 13 и регулятором мощности 14 реализовано также через интерфейс ЦАП АЦП 10, цифровые выходы которого подключены к четырехканальному исполнительному устройству 16.

Управление исполнительными устройствами происходит следующим образом. Программная среда, анализируя состояние датчиков, в зависимости от текущей фазы эксперимента принимает решение о включении/выключении исполнительного устройства, в результате чего в АЦП 10 осуществляется изменение конфигурации и состояния линий цифрового вывода, которые, в свою очередь, обеспечивают срабатывание реле исполнительного устройства 16.

Таким образом, при завершении времени выдержки образца с нагретой поверхностью система управления подаёт сигнал на выпускной электроклапан 12, и подъёмный столик 3 с образцом 4 под действием пружины возвращается в исходное положение.

На рассмотренном экспериментальном стенде исследовались динамика плотности, температура и давление по толщине образца в процессе термического разложения древесины.

Экспериментальная установка для исследования коэффициента проницаемости при термическом разложении древесины

В ходе экспериментальных работ также были проведены исследования коэффициента проницаемости системы «древесина-уголь» при термическом разложении. Для этого была разработана и изготовлена установка по определению коэффициента проницаемости, внешний вид и схема которой представлены на рис. 3.4 и рис. 3.5 соответственно.

Установка для определения коэффициента проницаемости древесных образцов в процессе термического разложения состоит из баллона с инертным газом 1, манометров 2, съёмной крышки 3, корпуса 5, термопар хромель-коп елевых (ТХА) 6 и 7, терморегулятора 8, нагревательного элемента 9, объёмного расходомера 10 и испытуемого образца 4.

Установка по определению коэффициента проницаемости работает следующим образом. Образец 4 плотно закрепляется в корпусе аппарата 5, после чего камера герметично закрывается крышкой 3. Затем на нагревательный элемент 9 подается напряжение. Температура в камере поддерживается на определённом уровне терморегулятором (ТРМ) 8 и термопарами 6 и 7. После прогрева камеры и образца до стационарного режима при заданной температуре в верхнюю часть камеры подаётся газ с определённым избытком давления. В результате фильтрации под действием градиента давления газ подается в объёмный расходомер 10, где осуществляется фиксация объёма газ во времени.

Внешний вид установки по определению коэффициента проницаемости древесины

Рис. 3.4. Внешний вид установки по определению коэффициента проницаемости древесины

Схема установки по определению коэффициента проницаемости

Рис. 3.5. Схема установки по определению коэффициента проницаемости

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >