Термодинамічний підхід до оптимізації сушіння подрібненої деревини активним вентилюванням

Abstract

Об’єктом дослідження є процес сушіння подрібненої деревини в бункерній галереї з активним вентилюванням. Метою статті є оптимізація процесу сушіння і зберігання подрібненої деревини в бункерній галереї з активним вентилюванням шляхом математичного моделювання стану подрібненої деревини за критеріями мінімуму енерговитрат і максимальної продуктивності установки з урахуванням технічних обмежень параметрів обладнання галереї. Для досягнення цієї мети потрібно розв’язати такі задачі: визначити показники якості та варійовані параметри процесу сушіння подрібненої деревини; визначити обмеження на параметри процесу сушіння подрібненої деревини; визначити цільові функції оптимізації процесу сушіння подрібненої деревини; розробити структурну схему системи керування установкою та визначити її параметри з урахуванням обмежень. Дослідження здійснено методом математичного моделювання з використанням теорії термодинаміки необоротних процесів і принципу максимуму ентропії об’єкта. Відповідно до принципу максимуму ентропії об’єкта наведено рівняння, у якому варійованими змінними є ймовірності різних станів системи, та обмеження на «ресурси» (енергія, речовина, час тощо). Запропоновано використовувати модель елементарного шару подрібненої деревини, яка сушиться, для розробки моделі тепловологообміну в матеріалі. Для керування процесом сушіння на основі принципу максимуму ентропії розроблено структурну схему системи керування. Система містить три контури керування, які дають змогу здійснювати регулювання вологості повітря на виході калорифера; регулювання продуктивності вентилятора залежно від параметрів атмосферного повітря; контроль процесу за параметрами повітря на вході та виході шару подрібненої деревини, що сушиться. Отримано цільові функції, що відповідають енергетичному критерію оптимальності процесу сушіння та максимальній продуктивності установки. Визначено граничні умови, якими можуть бути потужність електродвигуна вентилятора, потужність калорифера чи спожита електроенергія.

Subject of study. Subject of study is the process of drying chopped wood in a bunker gallery with active ventilation. The aim of the study. The purpose of this article is to optimize the process of drying and storing chopped wood in a bunker gallery with active ventilation by means of mathematical modeling of the state of chopped wood according to the criterion of minimum energy consumption and the criterion of maximum productivity of the installation, taking into account the technical limitations of the parameters of the gallery equipment. Research method. The research was carried out by the method of mathematical modeling using the theory of thermodynamics of irreversible processes and the principle of maximum entropy of the object. Results of work. According to the principle of the maximum entropy of the object, an equation is written in which the varied variables are the probabilities of different states of the system, and limitations on "resources" (energy, matter, time, etc.). The parameters of active ventilation, which must be controlled, are substantiated. To control the drying process based on the principle of maximum entropy, a structural diagram of the control system was developed. The system includes three control loops that allow you to: adjust the air humidity at the outlet of the heater; regulation of fan performance depending on atmospheric air parameters; control of the process by air parameters at the entrance and exit of a layer of drying shredded wood. The target functions corresponding to the energy criterion of the optimality of the drying process and the maximum productivity of the installation were obtained. Boundary conditions are defined, which can be: fan electric motor power, heater power, or consumed electricity.