Автоматизированное проектирование процесса сушки пиломатериалов в камере периодического действия'KATRES KSRD 1-6.5N'
Федеральное
агентство по образованию
ГОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет
Факультет
механической технологии древесины
Кафедра
технологии деревообработки
Пояснительная
записка
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ В КАМЕРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
«KATRES KSRD 1-6.5N»
по дисциплине
«Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов
деревообработки»
Руководитель: А.Н. Сычев
Разработал: Студент Е.А. Бурбело
Реферат
В данном курсовом проекте выполнена оптимизация процесса сушки
пиломатериалов. Для написания курсового проекта пользовались: текстовым
редактором Word для набора текста; табличным редактором Excel для построения
основных расчетов, таблиц, оптимизации процесса, построения графиков, а также
графическим редактором AutoCAD 8.0 для создания чертежа.
Содержание
Введение
1. Постановка
задачи
.
Аэродинамический расчет камеры
.1 Расчёт
потребного напора вентилятора
.1.1
Составление аэродинамической схемы камеры
2.1.3 Определение
сопротивлений движению агента сушки на
.1.4 Определение потребного
напора вентилятора
.2 Выбор вентилятора
.2.1 Определение
производительности вентилятора
.2.2 Определение характерного
(приведённого) напора
.3 Определение мощности и
выбор электродвигателя
. Расчет процесса в
электронных таблицах
.1 Расчет таблиц
.2 Сортировка данных
.3 Фильтрация данных
.4 Сводная таблица
. Оптимизация процесса сушки
пиломатериалов в камере периодического действия «KATRES KSRD 1-6.5N»
. Построение графической
зависимости
Заключение
Список использованных
источников
Введение
Автоматизированное проектирование изделий и технологических процессов
различных производств, в том числе и деревообработки, в наше время применяется
на многих современных предприятиях. Намечается явная тенденция перехода всех
предприятий на автоматизированное проектирование изделий и технологических
процессов.
В настоящее время вся продукция, поставляемая на экспорт, должна
сопровождаться необходимой документацией в электронном виде. Прежде всего,
необходима документация по изготовлению, обслуживанию и утилизации изделия.
Следует отметить, что использование средств автоматизированного проектирования
значительно сокращает время проектирования, снижает количество ошибок, которые
может запустить проектировщик. Исправление ошибок при проектировании с
использованием САПР в десятки раз быстрее.
Цель данной работы - показать, как с помощью текстового и табличного
редактора, графического пакета можно произвести необходимые для выполнения
курсового проекта (дипломного) и др. научных работ расчеты, а также качественно
и красиво оформить результаты своей работы. В ходе выполнения данной работы
необходимо показать преимущества применения средств САПР перед расчетами
вручную.
Текстовая часть набрана в текстовом редакторе Word. План цеха и чертеж
камеры выполнен в графическом редакторе AutoCAD, который обладает удобным
пользовательским интерфейсом, большой библиотекой, позволяющими без особого
труда выполнить чертеж со всеми привязками, размерами, стандартами.
аэродинамический
вентилятор табличный пиломатериал
1. Постановка задачи
Для решения задачи линейного программирования, поставленной в данной
курсовой работе, воспользуемся табличным редактором Excel. С помощью
электронных таблиц произведем укрупненный расчет потребного количества камер.
В курсовом проекте показано, как с помощью стандартных пакетов
автоматизированного проектирования можно выполнить расчет и оформление
текстовой части курсового проекта.
В данном проекте организован автоматизированный аэродинамический расчет
камеры, который является наиболее трудоемкой частью в выполнении курсового
проекта на тему: «Проект цеха сушки пиломатериалов».
Кроме выполнения элементарных расчетов, необходимо выполнить ряд других
задач. Таким образом, должны быть выполнены следующие задачи:
Организовать аэродинамический расчет камеры в электронных таблицах
табличного процессора Excel;
Организовать сортировку данных по одной из таблиц;
Построить графическую зависимость по одной из расчетных таблиц;
Выполнить чертежи: «Плана цеха сушки пиломатериалов» и «Чертеж камеры»
2. Аэродинамический расчет камеры
.1 Расчёт потребного напора вентилятора
.1.1 Составление аэродинамической схемы камеры
Рисунок 1 - Схема к аэродинамическому расчёту камеры типа “ KATRES KSRD 1-6.5 N ”
Таблица 2.1 - Участки циркуляции воздуха в сборно-металлической камере
периодического действия типа “KATRES KSRD 1-6.5 N”
|
Номер участка
|
Наименование участка
|
|
1
|
вентилятор
|
|
2
|
верхний циркуляционный
канал
|
|
3, 16
|
калорифер
|
|
4, 15
|
поворот под углом 90º
|
|
5, 14
|
боковой канал
|
|
6, 13
|
поворот под углом 90º
|
|
7, 10
|
внезапное сужение
|
|
8, 11
|
потеря в штабеле
|
|
9, 12
|
внезапное расширение
|
.1.2 Определение скорости циркуляции агента сушки на каждом участке
Скорость
циркуляции агента сушки на каждом участке, 
, м/с,
определяем по формуле
, (2.1)
где:
- площадь поперечного сечения канала в плоскости,
перпендикулярной потоку агента сушки на соответствующем участке, 
.
Площадь
поперечного сечения канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на
соответствующем участке, , ,
определяем по выражениям
Участок
1- Вентилятор
(2.2)
где
- диаметр ротора вентилятора, м;
- число
вентиляторов в камере, шт.
Предварительно
принимаем
= 0,6м
=3.
Участок
2 - Верхний циркуляционный канал
(2.3)
где
- высота циркуляционного канала, м;
-
внутренний размер камеры по длине на данном участке, м.
Принимаем
=0,7м
=6,2м.
Участок
3, 16 - Калориферы
, (2.4)
Участок
4, 15 - Поворот под углом 90º
(2.5)
где
H - внутренний размер камеры по длине, м;
a=0,32
Участок
5, 14 - Боковой канал
, (2.6)
где
L -
внутренний размер камеры по длине на данном участке, м.
Участок
6, 13 - Поворот под углом 90º
Участок
7, 10 - Внезапное сужение
, (2.7)
Участок
8, 11 - Штабель
(2.8)
Участок
9, 12 - Внезапное расширение
(2.9)
Рассчитываем
скорость циркуляции агента сушки через штабель, 
, м3/с,
по формуле
(2.10)
Далее
расчеты ведем аналогично.
Все
расчёты по определению скорости циркуляции агента сушки сведены в таблицу 2.2.
Таблица
2.2 - Скорость циркуляции агента сушки на каждом участке
|
Номер участка
|
1
|
2
|
3, 16
|
4, 15
|
5, 14
|
6,13
|
7,10
|
8,11
|
9,12
|
|
 0,854,342,04751,9842,612,617,27,27,2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 16,93,327,0337,265,525,52222
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 14,414,414,414,414,414,414,414,414,4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.1.3 Определение сопротивлений движению агента сушки на каждом участке
Определяем
сопротивления движению агента сушки на каждом участке, 
, Па
Участок
1.Вентилятор
, (2.11)
где
- коэффициент местного сопротивления, =0,8 - с. 68 [1].
Все
дальнейшие расчёты по сопротивлению участков сведены в таблицу 2.3
Таблица
2.3 - Подсчёт сопротивлений
|
№ участка
|
Наименование участка
|
   Сопротивление
участка, 
|
|
|
|
|
1
|
вентилятор
|
0,8
|
16,9
|
0,8
|
91,395
|
|
2
|
верхний циркуляционный
канал
|
0,8
|
3,32
|
0,016
|
0,0,71
|
|
3, 16
|
калорифер
|
0,8
|
7,033
|
0,55
|
21,764
|
|
4, 15
|
поворот под углом 90º
|
0,8
|
7,26
|
1,1
|
46,38
|
|
5, 14
|
боковой канал
|
0,8
|
5,52
|
0,016
|
0,39
|
|
6, 13
|
поворот под углом 90º
|
0,8
|
5,52
|
1,1
|
26,81
|
|
7, 10
|
внезапное сужение
|
0,8
|
2
|
0,2395
|
0,7664
|
|
8, 11
|
потеря в штабеле
|
0,8
|
2
|
11,5
|
36,8
|
|
9, 12
|
внезапное расширение
|
0,8
|
2
|
0,444
|
1,4208
|
|
 225,803
|
|
.1.4 Определение потребного напора вентилятора
Потребный
напор вентилятора, 
, Па, определяем по формуле
, (2.12)
Па
.2
Выбор вентилятора
.2.1
Определение производительности вентилятора
Производительность
вентилятора, 
, 
,
определяем по формуле
,
(2.13)
.2.2
Определение характерного (приведённого) напора вентилятора
Определяем
характерный (приведённый) напор вентилятора, 
, П, по
формуле
, (2.14)
Па
Выбираем
вентилятор осевой, реверсивный тип У-12, КПД=0,6
.3
Определение мощности и выбор электродвигателя
Максимальную
теоретическую мощность вентилятора, 
, кВт,
определяем по формуле
(2.15)
кВт
Мощность
электродвигателя для привода вентилятора, 
, кВт,
определяем по формуле
, (2.16)
где
коэффициент запаса мощности на пусковой момент;
- коэффициент
запаса, учитывающий влияние температуры среды, где расположен электродвигатель;
- КПД
передачи.
Принимаем
- табл.
3,15 с. 81 [1];
- табл.
3,16 с. 81 [1];
- с. 81
[1].
кВт
По
результатам расчета выбираем асинхронный электродвигатель 4А100L4У3,
мощностью 4 кВт и частотой вращения ротора 1500мин-1.
Таблица
2.1- Определение площадей поперечного сечения канала в плоскости
перпендикулярной агенту сушки, на соответствующем участке
|
Исходные данные
|
Искомые величины
|
|
Наименование показателя
|
Значение показателя
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 1 -
вентилятор
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 2-
Верхний циркуляционный канал
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 3,16-
Калориферы-
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 4,15-
поворот под углом 90°
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 5,14-
боковой канал
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке
6,13-поворот под углом90°
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 7,10-
внезапное сужение
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 8,11-
штабель
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на участке 9,12-
внезапное расширение
|
|
Число π
|
3,14
|
0,85
|
4,34
|
2,0475
|
1,984
|
2,61
|
2,61
|
7,20
|
7,20
|
7,20
|
|
Диаметр ротора вентилятора,
Dв, м
|
0,6
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nв- число вентиляторов в
камере, шт
|
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высота циркуляционного
канала, H, м
|
0,7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Внутренний размер камеры по
длине на данном участке,L м
|
6,2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Площадь живого сечения
калорифера, Fж.сеч
|
2,0475
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент а
|
0,32
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент а
|
0,421
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Площадь живого сечения
штабеля, Fж.сеч.шт
|
7,2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.2 - Определение скорости циркуляции агента сушки на каждом
участке
|
Номер участка
|
Наименование участка
|
Площадь поперечного сечения
канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на соответствующем
участке, fi, м2
|
Скорость циркуляции агента
сушки через штабель Vц, м3/с
|
Скорость циркуляции агента
сушки на каждом участке, ui,м/с
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
1
|
вентилятор
|
0,85
|
14,4
|
16,94
|
|
2
|
верхний циркуляционный
канал
|
4,34
|
14,4
|
3,32
|
|
3,16
|
калорифер
|
2,0475
|
14,4
|
7,03
|
|
4,15
|
поворот под углом 90°
|
1,984
|
14,4
|
7,26
|
|
5,14
|
боковой канал
|
2,61
|
14,4
|
5,52
|
|
6,13
|
поворот под углом 90°
|
2,61
|
14,4
|
5,52
|
|
7,1
|
внезапное сужение
|
7,2
|
14,4
|
2
|
|
8,11
|
потеря в штабеле
|
7,2
|
14,4
|
2
|
|
9,12
|
внезапное расширение
|
7,2
|
14,4
|
2
|
Таблица 2.3 - Расчет сопротивлений
|
№ участка
|
Наименование участка
|
ρ,
кг/м3
|
υi, м/с
|
۳i
|
Сопротивление участка,Δhi, Па
|
|
1
|
вентилятор
|
0,8
|
16,9
|
0,8
|
91,395
|
|
2
|
верхний циркуляционный
канал
|
0,8
|
3,32
|
0,016
|
0,071
|
|
3,16
|
калорифер
|
0,8
|
7,033
|
0,55
|
|
4,15
|
поворот под углом 90°
|
0,8
|
7,26
|
1,1
|
46,383
|
|
5,14
|
боковой канал
|
0,8
|
5,52
|
0,016
|
0,390
|
|
6,13
|
поворот под углом 90°
|
0,8
|
5,52
|
1,1
|
26,814
|
|
7,1
|
внезапное сужение
|
0,8
|
2
|
0,2395
|
0,766
|
|
8,11
|
потеря в штабеле
|
0,8
|
2
|
11,5
|
36,800
|
|
9,12
|
внезапное расширение
|
0,8
|
2
|
0,444
|
1,421
|
|
Итого:
|
225,803
|
Таблица 2.4 - Определение основных параметров вентилятора
|
Показатель
|
Значение
|
Произв-сть вентилятора, Vв,
м3/с
|
Приведенный напор
вентилятора, Нхар, Па
|
Максимальная теоретическая
мощность вентилятора, Nв, кВт
|
Мощность электродвигателя
для привода вентилятора, Nуст, кВт
|
|
Нв- потребный напор
вентилятора, Па
|
225,803
|
4,8
|
288,259
|
2,31
|
3,84
|
|
Vц- Скорость циркуляции
агента сушки через штабель
|
14,4
|
|
|
|
|
|
nв- потребное количество
вентиляторов
|
3
|
|
|
|
|
|
p- плотность
|
0,94
|
|
|
|
|
|
КПД вентилятора
|
0,6
|
|
|
|
|
|
К3-коэфф. запаса мощности
на пусковой момент
|
1
|
|
|
|
|
|
К1- коэфф. запаса,
учитывающий влияние температуры среды, где расположен электродвигатель
|
1,5
|
|
|
|
|
|
КПД n- КПД передачи
|
0,9
|
|
|
|
|
3. Расчет процесса в электронных таблицах
.1 Расчет таблиц
Рисунок 3.1 - Таблица формул таблицы 2.1
Рисунок 3.2 - Таблица результатов таблицы 2.1
Данные результаты используются в аэродинамическом расчете камеры в пункте
2.1.2 - Определение скорости циркуляции агента сушки на каждом участке.
Например, для участка вентилятор
Площадь
поперечного сечения канала в плоскости, перпендикулярной потоку агента сушки на
соответствующем участке, , , определяем
по выражениям
Участок
1- Вентилятор
где- диаметр ротора вентилятора, м;
- число
вентиляторов в камере, шт.
Рисунок
3.3 - Таблица с расчетными формулами таблицы 2.2
Рисунок
3.4 - Таблица результатов таблицы 2.2
Данные
результаты используются в аэродинамическом расчете камеры в пункте 2.1.2
Определение скорости циркуляции агента сушки на каждом участке. Например, для
участка вентилятор
Скорость
циркуляции агента сушки на отдельных участках 
определяем
по формуле
где
скорость циркуляции агента сушки через штабель, м3/сек;
площадь
поперечного сечения отдельного участка, м2.
Рисунок
3.5 - Таблица с расчетными формулами таблицы 2.3
Рисунок
3.6 - Таблица результатов таблицы 2.3
Данные
результаты используются в аэродинамическом расчете камеры в пункте 2.1.3
Определение сопротивлений движению агента сушки на каждом участке. Например,
для участка вентилятор.
Определяем
сопротивления движению агента сушки на каждом участке, , Па
Участок
1.Вентилятор
где- коэффициент местного сопротивления,
Рисунок
3.7 - Таблица с расчетными формулами таблицы 2.4
Рисунок
3.8 - Таблица результатов таблицы 2.4
Данные
результаты используются в аэродинамическом расчете камеры в пункте 2.2 Выбор
вентилятора.
Производительность
вентилятора, , ,
определяем по формуле
,
где
скорость циркуляции агента сушки через штабель, м3/сек;
потребное
количество вентиляторов.
Определяем
характерный (приведённый) напор вентилятора, , П, по
формуле
,
где
потребный напор вентилятора, Па
Максимальную
теоретическую мощность вентилятора, , кВт,
определяем по формуле
где
КПД вентилятора.
Мощность
электродвигателя для привода вентилятора, , кВт,
определяем по формуле
,
где
коэффициент запаса мощности на пусковой момент;
-
коэффициент запаса, учитывающий влияние температуры среды, где расположен
электродвигатель;
- КПД
передачи.
.2
Сортировка данных
На
рисунке 3.9 показана сортировка таблицы 2.2.Произведена сортировка площади
поперечного сечения канала, в плоскости перпендикулярной потоку агента сушки,
на соответствующем участке в порядке увеличения.
Рисунок
3.9 - Сортировка площади поперечного сечения канала в плоскости
перпендикулярной агенту сушки на соответствующем участке по возрастанию.
3.3 Фильтрация данных
Фильтр- это средство, позволяющее создавать списки, в которых
присутствуют только отвечающие заданным условиям строки. С помощью команды
«Автофильтр» можно просматривать только те строки, которые соответствуют одному
или нескольким заданным значениям, вычисленным значениям, либо строки для
которых выполняют определенные условия.
Фильтрация данных осуществлена по таблице 2.2 после фильтрации можно
увидеть на рисунке 3.10. В качестве условия отбора было задано слово «Поворот
под углом 90°».
Рисунок 3.10 - Фильтрация данных
3.4 Сводная таблица
Отчет сводной таблицы - это предназначенная для интерактивной работы
таблица, Обобщающая и анализирующая данные из существующих списков, таблиц и
баз данных. Выбор исходных данных выполняется в мастере сводной таблицы и в
мастере сводной диаграммы. После создания отчета сводной таблицы ее структуру
можно изменить, перетаскивая поля и элементы с помощью мыши.
Сводная таблица организованная в данном курсовом проекте, представлена на
рисунке 3.11. Для создания сводной таблицы использовался диапазон ячеек из
таблицы 2.2.
Рисунок 3.11 - Интерфейс программы Excel (сводная таблица)
4. Оптимизация процесса сушки пиломатериалов в камере
периодического действия «KATRES KSRD 1-6.5N»
Предприятие сушит пиломатериалы четырех сечений:
) 50х280х5000
) 25х2802х5000
) 40х280х4500
) 40х150х5000
Известны продолжительности сушки одного кубического метра пиломатериала
каждого сечения. Известен фонд рабочего времени камер. Также известны:
требуемое количество высушенных пиломатериалов каждого сечения; объем камеры;
стоимость камеры.
Определить минимальное количество камер, которое необходимо предприятию
для сушки заданных объемов каждого сечения пиломатериалов, при этом стоимость
каждой камеры не должна превышать 2.5 млн. руб.
Таблица 4.1- Исходные данные
|
Сечения
|
Объем п/м
|
Объем камеры
|
Фонд времени Камер
|
Время сушки 1 м3
п/м
|
Требуемое количество п/м
|
|
50х280х5000
|
0,07
|
20,00
|
8760,00
|
46,15
|
1500,00
|
|
25х280х5000
|
0,04
|
20,00
|
8760,00
|
32,16
|
1000,00
|
|
40х280х4500
|
0,05
|
20,00
|
8760,00
|
38,46
|
1000,00
|
|
40х150х5000
|
0,03
|
20,00
|
8760,00
|
30,23
|
1500,00
|
|
Стоимость камеры
|
2,5
|
Пусть х1, х2 ,х3, х4-
оптимизируемое количество камер.
Тогда математическая модель задачи будет иметь следующий вид:
F= х1+х2+х3+х4
→min
* 46, 15 ≤ 8760 * х1
1000 * 32,16 ≤ 8760 * х2 (4.1)
*38,46 ≤ 8760 * х3
1500 * 30,23 ≤ 8760 * х4
х1 * 2,5+ х2 * 2,5+ х3 * 2,5+ х4
* 2,5 ≤ 80
В результате расчета методом Ньютона в Excel находим оптимальное
количество камер. Результаты выполненной оптимизационной задачи в Excel
приведены ниже.
Рисунок 4.1 - Математическая модель
Рисунок 4.2 - Отчет по пределам
Рисунок 4.3 - Отчет по устойчивости
Рисунок 4.4 - Отчет по результатам
5. Построение графической зависимости
Рисунок 5.1 - Зависимость площади поперечного сечения канала от вида
канала
Рисунок 5.2 - Зависимость сопротивления участка от вида участка
Рисунок 5.3 - Зависимость скорости циркуляции от наименования участка
Заключение
В данном курсовом проекте были использованы: текстовый редактор Word;
табличный редактор Excel для построения основных расчетов, таблиц, оптимизации
процесса, построения графиков; а также графический редактор AutoCAD 8.0 для
создания чертежей.
В первой части была сформулирована задача курсового проекта.
Во второй части аэродинамический расчет камеры.
В третьей части показан расчет таблиц (формулы и результаты) в табличном
редакторе Excel. Произведена сортировка и фильтрация данных, а также показана
сводная таблица, созданная в табличном редакторе Excel.
В четвертой части произведена оптимизация количества сушильных камер,
необходимых для сушки заданного объема пиломатериалов для каждого из четырех
сечений. Необходимо было получить минимальное необходимое количество камер при
условии что: известны заданные объемы сушки каждого из сечений, объем сечений,
время на сушку одного метра кубического каждого сечения, а также стоимость
камеры.
В результате оптимизации получили, что для сушки пиломатериалов сечения
50х280х5000 необходимо 8 камер; для пиломатериалов сечением 25х2802х5000 - 4
камеры; сечением 40х280х4500 - 5 камер; сечением 40х150х5000 - 6 камер
периодического действия «KATRES KSRD 1-6.5N»
В пятой части были построены графики.
Список использованных источников
1 Акишенков
С. И. Проектирование лесосушильных камер и цехов [Текст]: учебное пособие /
Акишенков С. И., Корнеев В. И. - СПб.: ЛТА, 1992. - 88 с.
Руководящие
технические материалы по технологии камерной сушки древесины - Архангельск - 2:
Правда Севера, 1985. - 144 с.
Серговский П.
С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины [Текст]: учебник для
вузов / П. С. Серговский, А. И. Расев. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 360 с.