DOI: 10.69803/3083-6034-2025-1-249

УДК 614.844.2:536.46

 

Ю. О. Градиський, канд. техн. наук, доцент

gradiskiy@btu.kharkiv.ua

https://orcid.org/0000-0002-5226-6252

 

А. А. Суска, д-р економ. наук, професор

n.suscka@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-7465-1776

 

В. І. Дя’конов, канд. техн. наук, доцент

v.i.diakonov@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-2951-4668

 

М. О. Сосєдко, старший викладач

mashynia84@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-1216-960X

Державний біотехнологічний університет

 

ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПІДХІД ДО ОПТИМІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ СУШІННЯ ПОДРІБНЕНОЇ ДЕРЕВИНИ АКТИВНИМ ВЕНТИЛЮВАННЯМ

 

Анотація. Об’єктом дослідження є подрібнена деревина, яку зберігають у бункерних галереях. Необхідність доволі тривалого зберігання подрібненої деревини обумовлена потребою узгодити нерівномірний характер її заготівлі в лісах протягом року та практично рівномірне в часі її переробляння технологічним обладнанням. При цьому волога, яка міститься в деревині, разом з органічними складниками деревини та киснем атмосферного повітря утворюють сприятливе середовище для розвитку мікроорганізмів. З часом, по мірі інтенсифікації процесів їх життєдіяльності, зростає й кількість тепла, що виділяється в процесі біологічного розкладання деревини (аж до її самозаймання).

Для запобігання цьому здійснюють сушіння деревини шляхом її активного вентилювання. Однак, цей процес є енерговитратним, що призводить до потреби оптимізації як структури вентиляційного обладнання, так і параметрів вентилювання. До того ж, параметри вентилювання мають змінюватись залежно від поточних значень температури та вологості деревини. Зважаючи на діяльність мікроорганізмів, аналіз процесів здійснено з використанням положень термодинаміки необоротних процесів. На основі зіставлення термодинамічної ентропії та інформації про стан системи обґрунтовано можливість використання інформації як показника для оцінювання стану системи. Це обумовлюється тим, що невизначеність стану системи пов’язана з наявністю і величиною умовної інформації (умовної ентропії).

Із використанням теорії інформації розроблено математичну модель зміни стану подрібненої деревині під час сушіння та зберігання в бункерних галереях з активним вентилюванням. При цьому виходили з того, що стану найбільшої внутрішньої реакції об’єкта на зовнішній вплив відповідає максимум взаємної інформації між впливом зовнішнього середовища та власними реакціями об’єкта. Доведено, що, з урахуванням обмеженості ресурсів, умову максимуму інформації може бути замінено на умову максимуму корисності. Графоаналітично показано, що досліджувана біологічна система має два стійких стани, а навколо кожного з них є певні зони притягання. На цій основі одержано залежність корисності реакції подрібненої деревини як об’єкта сушіння від його умовної ентропії. Проаналізовано перебіг сушіння деревини та її реакцію на зовнішні впливи. Показано, що для її сушіння ефективніші ті періоди зовнішнього впливу, коли процес сушіння протікає у фазі превентивного гальмування. Обґрунтовано основні принципи, яких варто дотримуватися при розробці способів зберігання: потрібно визначити мінімальну енергетику зовнішнього впливу, яку сприймає об’єкт; вплив на об’єкт має бути циклічним; амплітуда зовнішнього впливу в зазначених циклах може бути різною (зі збільшенням від циклу до циклу); для одержання специфічних реакцій, які виражаються в зміні внутрішньої структури об’єкта, потрібно застосовувати різні види фізичних впливів на об’єкт.

 

 Ключові слова: ентропія; подрібнена деревина; математичне моделювання; технічна система; внутрішня енергія.

 

Список використаних джерел:

  1. Jylhä, Paula, Saleh Ahmadinia, Juha Hyvönen, Annamari (Ari) Laurén, Robert Prinz, Lauri Sikanen, & Johanna Routa. (2022). Self-Heating, Drying, and Dry Matter Losses of Stockpiled Stemwood Chips: The Effect of Ventilation. Energies,15(19), 7094. https://doi.org/10.3390/en15197094.
  2. Градиський Ю. О., Д’яконов В. І., Соседко М. О., Шевченко С. А. Термодинамічний підхід до оптимізації сушіння подрібненої деревини активним вентилюванням. Журнал з менеджменту, економіки та технологій. 2024. № 2. С. 85–93. URL: https://journal-met.kh.ua/index.php?do=download&id=8627&area=static.
  1. Erik Aneruda, & Anders Eriksson. (2021). Evaluation of an improved design for large-scale storage of wood chip and bark. Biomass and Bioenergy, 154, 106255. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106255.
  2. Ashman, J. M., Jones, J. M., & Williams, A. (2018). Some characteristics of the self-heating of the large scale storage of biomass. Fuel Processing Technology, Vol. 174, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.02.004.
  3. Michaela Skrizovska, Hana Veznikova, & Petra Roupcova. (2020). Inclination to self-ignition and analysis of gaseous products of wood chips heating. Acta Chimica Slovaca, Vol. 13, No. 1, 88–97. https://doi.org/10.2478/acs-2020-0013.
  4. Wei, Jiayu, Can Yao, & Changdong Sheng. (2023). Modelling Self-Heating and Self-Ignition Processes during Biomass Storage. Energies, 16(10), 4048. https://doi.org/10.3390/en16104048.
  5. Järvinen, Seppo, Lehtovaara, Jaakko, Pakkanen, Hannu, Salo, Marja, Alén, Raimo & Sirén, Pekka. (2009). Self-heating of wood pellets and possibilities for its control. 4th International Bioenergy 2009 Conference – Sustainable Bioenergy, pp. 112–124. https://doi.org/10.13140/2.1.1201.0887
  6. Guo, W. (2013). Self-heating and spontaneous combustion of wood pellets during storage. Electronic Theses and Dissertations (ETDs) 2008+. University of British Columbia, Vol. 74, pp. 56–78. URL: https://open.library.ubc.ca/collections/ubctheses/24/items/1.0073583.
  7. Іваненко П. В. Основи теорії інформації : навч. посіб. Одеса: ОНАЗ ім. О. С. Попова, 2015. 53 с.
  8. Ekechukwu O.V. (1995) Drying Principles and Theory: an Overview. Italy, Trieste: International Centre for Theoretical Physics. 26 p.
  9. Наконечний С. І., Савіна С. С. Математичне програмування: навч. посіб. К.: КНЕУ, 2003. 452 с. ISBN 966-574-538-7.

 

References

  1. Jylhä, Paula, Saleh Ahmadinia, Juha Hyvönen, Annamari (Ari) Laurén, Robert Prinz, Lauri Sikanen, & Johanna Routa. (2022). Self-Heating, Drying, and Dry Matter Losses of Stockpiled Stemwood Chips: The Effect of Ventilation. Energies,15(19), 7094. https://doi.org/10.3390/en15197094.
  2. Hradyskyy Y.O., D’yakonov V.I., Sosedko M.O., Shevchenko S.A. Termodynamichnyy pidkhid do optymizatsiyi sushinnya podribnenoyi derevyny aktyvnym ventylyuvannyam. Zhurnal z menedzhmentu, ekonomiky ta tekhnolohiy. 2024. № 2. S. 85-93. URL: https://journal-met.kh.ua/index.php?do=download&id=8627&area=static.
  3. Erik Aneruda, & Anders Eriksson. (2021). Evaluation of an improved design for large-scale storage of wood chip and bark Biomass and Bioenergy, 154, 106255. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106255.
  4. Ashman, J. M., Jones, J. M., & Williams, A. (2018). Some characteristics of the self-heating of the large scale storage of biomass. Fuel Processing Technology, Vol. 174, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.02.004.
  5. Michaela Skrizovska, Hana Veznikova, & Petra Roupcova. (2020). Inclination to self-ignition and analysis of gaseous products of wood chips heating. Acta Chimica Slovaca, Vol. 13, No. 1, 88–97. https://doi.org/10.2478/acs-2020-0013.
  6. Wei, Jiayu, Can Yao, & Changdong Sheng. (2023). Modelling Self-Heating and Self-Ignition Processes during Biomass Storage. Energies, 16(10), 4048. https://doi.org/10.3390/en16104048.
  7. Järvinen, Seppo, Lehtovaara, Jaakko, Pakkanen, Hannu, Salo, Marja, Alén, Raimo&Sirén, Pekka. (2009). Self-heating of wood pellets and possibilities for its control. 4th International Bioenergy 2009 Conference – Sustainable Bioenergy, pp. 112–124. https://doi.org/10.13140/2.1.1201.0887.
  8. Guo, W. (2013). Self-heating and spontaneous combustion of wood pellets during storage. Electronic Theses and Dissertations (ETDs) 2008+. University of British Columbia, Vol. 74, pp. 56–78. URL: https://open.library.ubc.ca/collections/ubctheses/24/items/1.0073583.
  9. Ivashchenko P.V. (2015) Fundamentals of information theory: teaching. manual. Odesa: ONAZ named after O.S. Popov. 53 p.
  10. Ekechukwu O.V. (1995) Drying Principles and Theory: an Overview. Italy, Trieste: International Centre for Theoretical Physics. 26 p.
  11. Nakonechny S.I., Savina S.S. (2003) Mathematical Programming: Teaching. manual. K.: KNEU. 452 p. ISBN 966–574–538–7

 

Y. Gradysky, A. Suska, V. Diakonov, M. Information approach to optimization of the drying process of chip wood by active ventilation. The object of the study is chopped wood, which is stored in bunker galleries. The need for fairly long-term storage of chopped wood is due to the need to reconcile the uneven nature of its harvesting in forests throughout the year and its almost uniform processing over time by technological equipment. At the same time, the moisture contained in the wood, together with the organic components of the wood and the oxygen of the atmospheric air, form a favorable environment for the development of microorganisms. Over time, as their vital processes intensify, the amount of heat released during the biological decomposition of wood also increases (up to its spontaneous combustion).

To prevent this, wood is dried by actively ventilating it. However, this process is energy-intensive, which leads to the need to optimize both the structure of the ventilation equipment and the ventilation parameters. In addition, ventilation parameters should change depending on the current temperature and humidity values ​​of the wood. Considering the activity of microorganisms, the analysis of processes was carried out using the provisions of thermodynamics of irreversible processes. Based on the comparison of thermodynamic entropy and information about the state of the system, the possibility of using information as an indicator for assessing the state of the system is substantiated. This is due to the fact that the uncertainty of the state of the system is associated with the presence and magnitude of conditional information (conditional entropy). Using information theory, a mathematical model of the change in the state of crushed wood during drying and storage in bunker galleries with active ventilation was developed. In doing so, it was assumed that the state of the greatest internal reaction of an object to an external influence corresponds to the maximum mutual information between the influence of the external environment and the object's own reactions.

It is proven that, taking into account the limited resources, the condition of maximum information can be replaced by the condition of maximum utility. It is shown graphoanalytically that the studied biological system has two stable states, and around each of them there are certain zones of attraction.

On this basis, the dependence of the usefulness of the reaction of crushed wood as a drying object on its conditional entropy was obtained. The course of wood drying and its reaction to external influences were analyzed. It has been shown that those periods of external influence when the drying process occurs in the preventive braking phase are more effective for its drying. The basic principles that should be followed when developing storage methods are substantiated: it is necessary to determine the minimum energy of the external influence that the object perceives; the influence on the object must be cyclic; the amplitude of the external influence in the specified cycles may be different (increasing from cycle to cycle); to obtain specific reactions that are expressed in a change in the internal structure of the object, it is necessary to apply different types of physical influences on the object.

 

Keywords: entropy; shredded wood; mathematical modeling; technical system; internal energy.

 

 


:  Переглянути (завант.: 9) [630.13 Kb]