FI98756C - Menetelmä puutavarakuivaamon toiminnan ohjaamiseksi - Google Patents

Description

98756

Menetelmä puutavarakuivaamon toiminnan ohjaamiseksi - Förfarande för regiering av virkestorks verksamhet 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen menetelmä puutavarakuivaamon, etenkin kamarikuivaamon, toiminnan ohjaamiseksi.

Ennestään tunnetaan mm. kirjasta "Puutavaran kuivaus ja puutavarakuivaamot", Olavi Isomäki, 1962, s. 23-24, puutavaran kuivausperiaate, jonka mukaan halkeilua to pyritään välttämään pitämällä puun pintaosan ja keskustan välinen kosteusero riittävän alhaisena. Näin jännitys puussa pysyy sallituissa rajoissa. Ongelmana nähdään puun sisähalkeamat, eikä niinkään pinta- eikä päähalkeamia. Mitään käytäntöön sovellettavissa olevaa kuivausmenetelmää ei tässä kirjassa ole kuitenkaan esitetty.

15 Ennestään tunnetusti puutavaraa yleensä kuivataan kanavakuivaamoissa tai kamari-kuivaamoissa käyttäen hyväksi lämpötilaltaan ja kosteudeltaan säädettyä kiertoil-maa. Jotta saataisiin aikaan tasa- ja hyvälaatuista puutavaraa, on kuivausprosessia ohjattava hyvin tarkasti. Koska puu kutistuu kuivuessaan, aiheuttaa pinta-ja sisäosien välinen kosteusero jännityksiä kappaleeseen, jotka liian suuriksi kasvaessaan 20 aiheuttavat kuivaushalkeamia. Esillä oleva keksintö liittyy lähinnä kamarikuivaa-moihin, joihin tuodaan tietyn suuruinen erä välirimoitettuja puutavarapaketteja, jotka pysyvät paikallaan koko kuivauksen ajan, minkä jälkeen koko kuivaamopanos poistetaan yhtenä eränä kuivaamokamarista ja tilalle tuodaan uusi kuivauspanos.

25 Ennestään tunnetusti kamarikuivaamossa ohjataan kuivausilman kuivalämpötilaa ja suhteellista kosteutta tai vaihtoehtoisesti märkälämpötilaa joko ajan tai puusta mitatun kosteuden funktiona.

Aikapohjaisessa ohjauksessa säätöarvot ovat kuluneeseen kuivausaikaan sidottuja 30 siten, että säätöarvoja muutetaan aikapohjaisen kuivauskaavan mukaisesti. Kuivaus-kaava on tehty perustuen oletettuun eli ennustettuun prosessinkulkuun eri puulajeille ja dimensioille joko empiirisesti tai laskennallista mallia hyväksi käyttäen. Tähän kuivauskaavaan, joka sisältää kuivausilman em. parametrien asetusarvot tietyissä aikapisteissä, suoritetaan tai ei suoriteta takaisinkytkentä kuivausprosessista.

35

Eräissä ennestään tunnetuissa aikapohjaisissa ohjausjärjestelmissä kuivauskaavat on ennalta kerätty kaavarekisteriin, josta oikean kuivauskaavan haku tapahtuu automaattisesti jonkin valintaparametrin, kuten kuivattavan puutavaran dimension tai 98756 2 puulajin, mukaan. Tunnettuja ovat myös ohjausjärjestelmät, joissa käytetään suoraan kaavantekomallia (esim. Malmqvist-malli), jolloin automatiikalle syötetään ainoastaan lähtötiedot, kuten dimensio, puulaji, lähtökosteus tms.

5 Ennestään tunnetaan suomalaisesta patenttijulkaisusta FI-89744 aikapohjaisessa menetelmässä ohjausjärjestelmään tallennettu kosteudensiirto-puunkuivausjännitys-simulointimalli, jolla arvioidaan puutavaran kuivumisnopeus ja vallitseva kosteus laskennallisesti eri aikapisteissä ja tämän arvion perusteella annetaan prosessille aikapohjainen kuivauskaava. Suorittamalla simulaattorille takaisinkytkentä proses-10 sista on pyritty vähentämään laskennalliseen ennusteeseen perustuvan ohjauksen ongelmia. Takaisinkytkennällä voidaan huomioida toteutuneet prosessiarvot tehtäessä päätöksiä seuraavien aikapisteiden asetusarvoista, mutta menetelmässä ei kuitenkaan mitata kuivattavan puutavaran kosteusjakaumaa eikä määritellä suoraan mittausten perusteella asetusarvoja. Ohjaus ei siis tapahdu mitatun puunkosteuden 15 funktiona, vaan aikapohjaisesti, noudattaen laskennallisia arvoja.

Aikapohjaisissa ohjausjärjestelmissä on ollut useita epäkohtia. Kuivattava puutavara ja kuivausprosessin olosuhteet vaihtelevat laajoissa rajoissa. Näitä vaihteluita aikapohjaisissa ohjausjärjestelmissä ei ole voitu riittävästi ottaa huomioon. Esim. kuivat-20 tavan puutavaraerän todellista kuivumisnopeutta on vaikea ennustaa etukäteen ja oikean kuivauskaavan valinta on hankalaa. Takaisinkytketyllä simulaattorilla lasketulla kuivauskaavalla ohjattaessa voidaan tapahtuneet häiriöt huomioida, mutta ohjauksen perusteena olevan laskennan tarvitsemat, laitteistolle kuivauksen alussa syötettävät lähtöarvot on hankala valita riittävän tarkasti, sillä arvot vaihtelevat kuivatus-25 erittäin. Mikäli laskentaan annettavat lähtöarvot, kuten puutavaran alkukosteus, puutavaran tiheys tai ilman nopeus, ovat epätarkkoja, ei laskennallisesti määritetty veden poistuminen puusta tapahdu ennusteen mukaan ja prosessille annetaan säätöar-voja, jotka eivät vastaa todellista tilannetta.

30 Eräissä ennestään tunnetuissa ohjausmenetelmissä kuivausprosessi etenee puun kos-teusarvoon sidottuna, mutta ohjauksen perustana käytetään keskimääräistä kosteutta tai erityisesti vain yhdestä kohtaa kappaletta mitattua puunkosteutta. Näissä puun-kosteuspohjaisissa menetelmissä prosessin säätöarvojen muutokset on sidottu eri puolilla kuivauserää olevilta mittausantureilta saatuihin kosteusmittausarvoihin tai 35 niiden aritmeettiseen keskiarvoon. Määräävänä prosessinohjauksen arvona ennestään tunnetuissa järjestelmissä käytetään kulloisenkin puunkosteusarvon ja ilman-kosteusarvon suhdetta eli ns. kuivausvoimaa. Kuivausvoiman avulla prosessissa säädetään ilman kosteutta siten, että kuivausvoima pysyy annetun suuruisena puun- 3 98756 kosteuden laskiessa. Näissä ennestään tunnetuissa menetelmissä kuivausvoiman asetusarvo annetaan ohjausjäijestelmään puunkosteuden funktiona kokemusperäisesti kuivauksen alussa. Ilman lämpötilan asetusarvo annetaan kuivauksen alussa myös kokemusperäisenä puunkosteuden funktiona.

' 5

Ennestään tunnettujen puunkosteutta mittaavien ohjausjärjestelmien suurimpana epäkohtana on, että niillä ei mitata kuivattavan puukappaleen pinnan ja keskiosan välille muodostuvan kosteuseron suuruutta eikä niissä näin ollen ole mahdollisuutta käyttää näiden arvojen avulla saatavaa puun kosteusjakauma- ja jännitystietoa pro-io sessin säätöön.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää edelleen ennestään tunnettujen puutavarakuivaamojen, etenkin kamarikuivaamojen, ohjausmenetelmiä siten, että edellä esitellyt epäkohdat pääasiallisesti vältetään. Keksinnön mukaiselle menetel-15 mälle ovat tunnusomaisia ne seikat, jotka esitetään patenttivaatimuksen 1 tunnus-merkkiosassa.

Keksinnön kannalta on olennaista se, että menetelmässä mitataan kuivattavan yhden tai useamman puukappaleen kosteutta sen poikkileikkauksen eri kohdissa. Puunkos-20 teuden mittaus voidaan suorittaa esim. resistiivisyyden perusteella, mikä itsessään on ennestään tunnettua, mutta keksinnön mukaisessa menetelmässä kosteus mitataan kuivattavan puukappaleen poikkileikkaukselta siten, että saadaan mittausarvot sekä pintaosasta että keskiosasta. Näiden mitattujen pintaosan/keskiosan kosteusarvojen avulla voidaan matemaattisesti määritellä kosteuden jakaantuminen puukappaleen 25 poikkileikkauksella, puukappaleen keskikosteus ja jännitystila kuivausprosessin ohjaamiseksi.

Puukappaleen sisäinen kosteusjakauma kuivumisen aikana voidaan kuvata tunnetun paraabelin avulla. Kun kappaleen pinnan ja keskiosan kosteuden tosiaikaiset mit-30 tausarvot sijoitetaan paraabelin yhtälöön, on kuivuvan puukappaleen kosteus sen eri ' syvyyksillä, kuten myös keskikosteus, joka hetki tiedossa. Kun tiedetään poikkileik kauksen kosteusjakauma, puun paksuus, lämpötila ja puulajille ominaiset materiaali-vakiot (kutistumisvakio, kimmomoduli, virumisvakio, murtolujuus), voidaan puun maksimijännitys ja puun suhteellinen jännitys, eli puun sen hetkisen jännityksen ja 35 murtolujuuden suhde, määrittää joka hetki. Jännitykset voidaan määritellä esim. tunnetulla yksiulotteisella mekanosorptisella mallilla ja koska käytössä on puun tosiaikainen kosteusjakauma, on myös kehittyneempien 2-ulotteisten mallien käyttö perusteltua.

98756 4

Ohjauksen määräävänä tekijänä voidaan käyttää em. tavalla saatua suhteellista jännitystä puunkosteuden laskiessa, eikä ohjausjärjestelmään tarvitse syöttää lämpötilan ja ilmankosteuden asetusarvoiunktioita etukäteen, kuten tunnetuissa puunkosteus-pohjaisissa ohjausmenetelmissä.

5 Määritettyä jännitysarvoa voidaan keksinnön mukaisessa menetelmässä käyttää myös kuivausvaiheen jälkeen suoritetun ns. tasaannutusvaiheen olosuhteiden säätöön ja kestoajan määritykseen. Tasaannutusvaiheella pyritään vähentämään puuhun kuivauksen aikana syntyneitä kosteuseroja ja jännityksiä siten, että kuivatuserää pidetään to kuivaamossa varsinaisen kuivausvaiheen päätyttyä tietty aika samalla lisäten kuivaamon ilman kosteutta. Tunnetuissa menetelmissä ilman kostutuksen määrä ja tasaannutusvaiheen kesto on valittu kokemusperäisesti, mutta keksinnön mukaisessa ohjausjäijestelmässä voidaan käyttää em. puunkosteuden mittaukseen perustuvia kosteusjakauma-ja jännitystietoja hyväksi siten, että ilman olosuhteen säätö tapahtuu is myös tasaannutusvaiheen aikana mittatietojen ohjaamana siihen asti, kunnes puun halutunlainen kosteus tai jännitystila on saavutettu, ja lopettaa sen jälkeen prosessi.

Keksinnön mukaisella puutavarakuivaamon ohjausmenetelmällä voidaan siis ohjata puun kuivumista siitä saatavien mittatietojen perusteella siten, että puusta mittaa-20 maila saadut kosteus- ja jännitysarvot säätävät koko prosessia ja prosessi päättyy, kun nämä arvot saavuttavat annetut tavoitearvot.

Keksinnöllä saavutetaan useita käytännössä tärkeitä etuja: 25 - kuivauskaavoja, joissa prosessin säätöarvot annetaan kuivausajan tai puunkosteu den funktiona, ei tarvita, koska kuivatusilman olosuhteet säätyvät mitattuun puun-kosteusarvoon perustuvien arvojen mukaan; - kuivattavan puutavaraerän alkukosteutta ja tiheyttä tai kuivaamossa kiertävän ilman nopeutta ei tarvitse ennen kuivausta mitata ja syöttää ohjausjärjestelmään läh- 30 töarvoiksi, kuten kosteudensiirto-simulointimallia käyttävissä järjestelmissä; - suhteellisen jännityksen määrittely voidaan suorittaa tosiaikaisiin mittauksiin perustuen aikaisempaa tarkemmilla laskentamenetelmillä; - kuivausvaihe voidaan lopettaa silloin, kun puukappaleen keskiosa-pintaosa-mit-tausten perusteella laskettu puunkosteuden keskiarvo saavuttaa halutun arvon; 35 - kuivauksen lopussa voidaan suorittaa mittausten ohjaama lopputasaannutus.

5 98756

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisten piirustusten kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin sovellusesimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei ole mitenkään ahtaasti rajoitettu.

s Kuvio 1 esittää pystypoikkileikkausta eräästä ennestään tunnetusta kamarikuivaa-mosta, jonka yhteydessä on sovellettavissa keksinnön mukainen ohjausjärjestelmä;

Kuvio 2 esittää erästä keksinnön mukaista puunkosteuden mittausjärjestelmää; ja ίο Kuvio 3 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaisen ohjausjärjestelmän erästä toteutusta.

Kuviossa 1 on esitetty kamarikuivaamo 10, johon kuivattava puutavaraerä K tuodaan etuoven 11 kautta, jonka kautta myös koko kuivattu panos yhtenä eränä siirre-15 tään pois. Kamarikuivaamon kuivatuserän K yläpuolella on vaakaseinä 13, joka rajoittaa yhdessä kuivaamon välikaton 17 kanssa ilmakanavan 14. Tähän ilmakanavaan 14 on sovitettu moottorin 15a käyttämä puhallinl5. Lisäksi ilmakanavaan 14 on yhdistetty ilmanpoistoputki 19, jossa on säätöpelti 19a, sekä ilman tuloputki 20, jossa on säätöpelti 20a. Putket 19 ja 20 avautuvat ulkoilmaan kuivaamon 10 vesi-20 katon 18 päällä. Ilmakanavassa 14 on vesisuihkulaitteet 21, joilla kiertoilmavirtausta F1-F3 voidaan kostuttaa vesisuihkuin S, joihin vettä tuodaan putkien 21a kautta. Vaakaseinän 13 jatkeeksi on sijoitettu lämmityspatteri 16, johon tuodaan lämmitys-väliainetta putkien 16a kautta.

25 Kuivaamokamarin 10 tilassa 14a ja 14b on mittausyksiköt 22a, 22b, joilla kiertoil-man F1-F3 kuivalämpötilaa T ja kosteutta Rh voidaan mitata niissä olevilla antureilla Ta ja Rha. Kuivatuserään K on sijoitettu puunkosteuden mitta-antureita Mal, Ma2, joilla puunkosteuden mittatieto johdetaan johtimilla J mittausyksikköön 22a. Puhaltimen 15 kierrättämä kuivausilma virtaa nuolen F] suunnassa tilaan 14b ja kul-30 kee nuolen F2 suunnassa välirimoitetun kuivatuserän K läpi oven 11 puolella olevaan tilaan 14a ja siitä edelleen nuolen F3 suunnassa puhaltimen 15 imupuolelle. Ilmakanavien 19 ja 20 säätöpeltejä 19a, 20a säätämällä voidaan kiertoilman F\, F2, F3 kosteussisältöä hallita. Pattereilla 16 hallitaan kiertoilman lämpötilaa. Ilmakanavien 19, 20 säätöpelleissä 19a, 20a on toimilaitteet 19b, 20b kuten säätömoottorit, 35 joilla ilmavirtauksia F^ ja Fout hallitaan. Vastaavasti patterin 16 kolmitieventtiilin säätömoottorilla 16b hallitaan kiertoilman lämpötilaa ja säätömoottorilla 21b hallitaan kostutusveden suihkutusta S. Puhaltimen 15 moottorin 15a pyörimissuuntaa 6 98756 vaihdetaan sopivin väliajoin niin, että ilman kiertosuunta F F2, F3 kuivatuserän K läpi vaihtuu sopivin aikavälein tasaisen kuivatuksen aikaansaamiseksi.

Edellä selostettu kamarikuivaamo on pääasiallisesti ennestään tunnettuja se on tässä 5 yhteydessä selostettu vain keksinnön mukaisen ohjausjärjestelmän erääksi sovellusympäristöksi.

Kuviossa 2 esitetään, miten kuivaamossa 10 olevan puukappaleen Ρΐ·..Ρη kosteutta mitataan resistiivisellä mittauksella sen poikkileikkauksen A - A keskiosasta ja pin-10 taosasta saaden kaksi puunkosteusarvoa. Mitta-anturiparilla Mal mitataan kappaleen pintaosaa, jonka kosteudesta riippuvainen sähkönvastus antaa järjestelmälle pinta-osan kosteuden mitta-arvon Up. Mitta-anturiparilla Ma2 saadaan vastaavasti keskiosan kosteuden mitta-arvo Ufc. Mitta-arvot johdetaan ohjausjärjestelmälle sähkö-johtimilla.

15

Puunkosteuden resistiivinen mittaus on periaatteeltaan ennestään tunnettuja se on tässä selostettu vain esimerkkinä. Kosteusarvot voidaan määritellä muullakin tavoin, mutta keksinnön kannalta oleellista on keskiosan kosteuden ja pintaosan kosteuden Up arvojen selvittäminen kappaleen poikkipinnalta ja näiden erillisten mitta-ar-20 vojen johtaminen ohjausyksikköön prosessin aikana.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen ohjausjärjestelmän eräs toteutusesimerkki.

Järjestelmä käsittää ohjausyksikön 25 ja käyttöliittymän 24.

25

Kuivaamosta 10 saadaan mittatietoja prosessin tilasta, kuten kiertoilman (F1-F3) suhteellinen kosteus Rh, kiertoilman lämpötila T ja puutavaran kosteudet U^ ja Up, joiden mitta-arvot (signaali m) johdetaan ohjausyksikköön 25.

30 Käyttöliittymältä 24 annetaan ohjausyksikköön 25 lähtöarvot (signaali a), kuten kuivattava puulaji ja puun paksuus, suurin sallittu kuivauslämpötila (Tmax), suhteellinen jännitys (RS), haluttu loppukosteus (Ue) ja haluttu tasaannutusarvo (R) . Käyttöliittymä 24 saa ohjausyksiköltä 25 (signaali n) erilaisia näytettäviä tietoja prosessin tilasta.

35

Ohjausyksikössä 25 määritetään mitta-arvojen m ja lähtöarvojen a perusteella jännity sarvo, jota pyritään pitämään annetun jännitysarvon (RS) suuruisena antamalla ilman lämpötilalle T ja kosteudelle Rh uusia säätöarvoja (signaali s) puunkosteuden 7 98756 aletessa siten, ettei prosessin aikana ylitetä annettua lämpötilaa (Tmax). Kun mitta-arvoista Up ja Ufc laskettu puun keskikosteuden arvo saavuttaa halutun arvon (Ue), aletaan ilmankosteutta Rh nostaa ja prosessia jatketaan, kunnes määritetyn jännityksen arvo saavuttaa annetun tasaannutusarvon R, jolloin prosessi päättyy.

5

Edellä selostettu kamarikuivaamon ohjausjärjestelmä on tässä yhteydessä selostettu vain keksinnön mukaisen menetelmän erääksi sovellusympäristöksi.

Seuraavassa esitetään eräs edellä selostetulla ohjausjärjestelmällä toteutettu ohjaus-io esimerkki.

Ohjausjärjestelmään voidaan syöttää seuraavat lähtöarvot: puulaji mänty 15 dimensio: 50 x 100 mm suhteellinen jännitys RS: 0,5

suurin sallittu kuivauslämpötila Tmax: 75°C

haluttu loppukosteus Ue: 12% haluttu lopputasaannutusarvo R: 0,1 20

Ohjausyksikkö 25 alkaa säätää ilman lämpötilaa ja suhteellista kosteutta puunkos-teuden laskiessa siten, että kuivaamosta saatujen mitta-arvojen ja puulajikohtaisten vakioiden mukaan laskettu suhteellinen jännitys pysyy asetetun (0,5) suuruisena ja ettei kuivauslämpötila nouse yli 75°C. Näin jatketaan, kunnes mitattu keskikosteus 25 Ue saavuttaa halutun loppukosteuden (12 %), jolloin kuivausvaihe päättyy ja siirrytään tasaannutusvaiheeseen. Ohjaus alkaa noudattaa suhteellisen jännityksen arvona halutun lopputasaannutuksen arvoa (0,1). Prosessi päättyy, kun määritetyn jännityksen arvo saavuttaa halutun (0,1).

30 Tuloksena on siis kuivaamosta saatavien mittatietojen perusteella ohjautuva prosessi, johon ei tarvitse antaa sellaisia lähtöarvoja, jotka olisi mittauksin selvitettävä kuivattavasta puuerästä ennen kuivauksen aloitusta. Ohjausjäijestelmälle riittää, että annetaan kuivattavan puun laji ja dimensio sekä sellaiset raja-arvot, joiden sisällä prosessi halutaan toteuttaa.

35

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetystä.

Claims (3)

8 98756

1. Menetelmä puutavarakuivaamon (10) toiminnan ohjaamiseksi, jossa menetelmässä kuivausprosessille annetaan lähtötietoja ja -arvoja (a), kuten kuivattava puulaji, puun dimensio ja suurin sallittu kuivauslämpötila, ja jossa menetelmässä mita- 5 taan, jatkuvasti tai sopivin väliajoin, kuivaamon (10) ilman lämpötila (T) ja kosteus (Rh) sekä kuivatuserään (K) kuuluvan tai muun kuivaamossa olevan, yhden tai useamman puukappaleen (P χ....Ρη) kosteus ja kuivausprosessia säädetään em. lähtötietojen ja -arvojen (a) sekä mittausarvojen (m) perusteella antamalla jatkuvasti tai sopivin väliajoin kuivausprosessille uusia säätöarvoja (s) mitatun puunkosteuden tunkio tiona, tunnettu siitä, että puukappaleen (Pj....Ph) kosteus mitataan sen poikkipinnalta puukappaleen keskiosasta ja pintaosasta siten, että puunkosteuden mittausarvoiksi saadaan kappaleen poikkipinnan keskiosan kosteus (UjJ ja pintaosan kosteus (Up), että näitä kosteuden mittausarvoja (Ufc, Up) käytetään yhdessä annettujen lähtöarvojen (a), kuivaamon ilman lämpötilan (T) ja kosteuden (Rh) arvojen kanssa 15 puutavaran poikkipinnan jännityksen arvon määrittelemiseen, jonka perusteella kui vausprosessia viimekädessä säädetään.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että, puukappaleen keskiosan kosteusarvon (Ufc) ja pintaosan kosteusarvon (Up) perusteella määritetään 20 kuivausprosessin aikana puukappaleen kosteusjakauma sijoittamalla mittausarvot paraabelin yhtälöön, jonka kosteusjakauman perusteella määritetään sen hetkinen puukappaleen maksimijännitys ja/tai suhteellinen jännitys, jota jännitystietoa käytehän kuivausprosessin ohjaamiseen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähtöar voiksi (a) annetaan lisäksi haluttu puun loppukosteusarvo ja haluttu lopputasaannu-tuksen tavoitearvo, joita arvoja käytetään kuivausvaiheen lopettamiseen ja sitä seu-raavan tasaannutusvaiheen aikana puutavarakuivaamon ilman lämpötilan ja kosteuden säätöön ja prosessin lopettamiseen. 98756