Development of control and optimization methods for wood drying | Puidu kuivatuse kontrolli ja optimeerimise meetodite arendamine

A Thesis for applying for the degree of Doctor of Philosophy in Forestry.

Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks metsanduse erialal.

The purpose of wood drying is to obtain material with the desired final moisture content. During the process, it is necessary to find a balance between the quality of the wood and the energy and time spent. In order to find an optimal solution, it is important to know the condition of the material to be dried at a specific time. Often, the standard equipment of an industrial kiln is not enough when implementing a new drying schedule. In addition, there is a need for software that simulates wood drying, providing the initial drying regime, which can then be further optimized using the methodologies and sensors presented in this study. This work checks the occurrence of theoretically simulated moistening impulse response in experiments based on synchronous surface displacement, temperature and surface moisture sensors. For this purpose, it was necessary to develop specific sensors used for wood monitoring in the wood dryer climate. A physically justified measurement result is guaranteed when using sensors based on different working principles. When investigating the reliability of the sensors, typical issues and practically usable measurement ranges below and above the saturation point of the wood fiber were identified. The transition of the surface layer of wood from the first phase of drying to the second phase of drying was investigated. It was found that the transition of the surface layer to the second drying phase slows down the diffusion rate in the inner layers of the wood, which otherwise could still be in the first phase of drying due to their moisture content. In order to characterize the influence of the diffusion constant of the surface layer on the inner layers, the concept of critical diffusion constant was defined. In the process of wood drying, individually calibrated carbon fiber needle-electrodes were used to record the moisture content of wood at different depths from the surface of the board being dried. When creating an optimized drying plan taking into account the critical diffusion constant, it was possible to significantly shorten the drying time of a typical industrial drying plan at the same final moisture content. The optimized drying schedule was characterized by a higher drying strain, which can level down by a timed moistening pulse. In this thesis, the relative humidity value of the critical drying air corresponding to the critical diffusion constant for pine wood was found. It is easy for a timber company to use this information to modify its drying schedules on site. An electrical indicator of maximum wood drying stresses was also developed. Since the electrical resistance method is mostly used for wood drying monitoring in practice, the hardware and software of the patented polarization-type moisture meter prototype were improved. Galvanostatic charging mode and depolarization voltage monitoring capability was added.

Puidu kuivatamise eesmärgik on saada soovitud lõppniiskusega materjali. Protsessi käigus on vaja leida tasakaal puidu kvaliteedi, kulutatud energia ning aja vahel. Optimaalse lahenduse leidmiseks on oluline teada millises seisus on konkreetsel ajahetkel kuivatatav materjal. Sageli ei piisa tööstusliku puidukuivati standardvarustusest uue kuivatusplaani juurutamisel. Lisaks on vaja puidu kuivatamist simuleerivat tarkvara, mis annab esialgse kuivatusrežiimi, mida saab edasi optimeerida, kasutades käesolevas töös toodud metoodikaid ja andureid. Käesolevas töös on kontrollitud kas teoreetiliselt simuleeritud niisutusimpulsi reaktsioon ilmneb ka katses, tuginedes sünkroonselt pinna nihke-, temperatuuri-, ja pinnaniiskuse andurile. Selleks oli tarvis välja töötatada spetsiifilised puidukuivati kliimas puidu monitooringuks kasutatavad andureid. Erinevatel tööprintsiipidel põhinevate andurite kasutamisel on tagatud füüsikaliselt põhjendatav mõõtetulemus. Andurite töökindluse uurimisel selgitati välja tüüpilised probleemid ja praktikas kasutatav mõõtepiirkond alla ning üle puidu kiu küllastuspunkti. Uuriti puidu pinnakihi üleminekut kuivatuse esimesest faasist teise kuivatuse faasi. Leiti, et pinnakihi üleminek teise kuivatuse faasi aeglustab difusiooni kiirust ka puidu sisekihtides, mis muidu oma niiskusesisalduse poolest võiksid veel olla kuivatuse esimeses faasis. Pinnakihi difusiooni konstandi mõju iseloomustamiseks sisekihtidele defineeriti kriitilise difusiooni konstandi mõiste. Puidukuivatuse protsessis puidu niiskusesisalduse registreerimiseks kuivatatava laua pinnast erinevatel sügavustel kasutati individuaalselt kalibreeritud süsinikkiud nõel–elektroode. Kriitilise difusioonikonstandi arvesse võtmisega optimeeritud kuivatusplaani koostamisel õnnestus tüüpilise tööstusliku kuivatamise plaani kuivatuse aega oluliselt lühendada sama lõppniiskuse juures. Optimeeritud režiimi iseloomustasid mõnevõrra suuremad suhtelised pinged mis on tasandatavad ajastatud niisutusimpulsiga. Käesolevas väitekirjas leiti männipuidu jaoks kriitilisele difusiooni konstandile vastav kriitilise kuivatusõhu suhtelise niiskuse väärtus. Seda infot on puiduettevõtetel lihtne kuivatusplaanide modifitseerimiseks kasutada. Samuti töötati välja puidukuivatuse pingete maksimumi elektriline indikaator. Kuna puidukuivatuse monitooringuks kasutatakse praktikas valdavalt elektrilist takistusmeetodit siis täiustati patendeeritud polarisatsioon-tüüpi niiskusmõõturi prototüübi riistvara ja tarkvara.