+7 (495) 545-21-53

Библиотека

Название: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ РАЗНОТИПНЫХ УСТАНОВОК СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ.
Автор: Мищенко Владимир Николаевич

Мищенко Владимир Николаевич- генеральный директор ООО НПО «ВИСП».
Голицын Владимир Петрович- научный руководитель ООО НПО «ВИСП», к.т.н., доцент.
 
656064, Россия, г.Барнаул, ул.Павловский тракт, 54. тел/факс 8-(3852)-46-16-82 
________________________________________________________________________________
Экономическую эффективность разнотипных установок для сушки древесины можно определить при комплексном учёте их основных показателей: КПД, качества конечного продукта, капитальных затрат на строительство установки и др.
КПД сушильной установки рассчитывается как отношение тепловой энергии, физически необходимой для испарения влаги (содержащейся в древесине) до достижения конечного уровня заданной влажности (от 8% до 15%), к общей затраченной энергии – сумме генерируемой в установке тепловой энергии и энергии, затрачиваемой на работу вспомогательных систем, эвакуирующих испарённую воду (вентиляторов, вакуумных насосов).
Сушка древесины – сложный физико-химический процесс. Причем качество продукта зависит не только от конечного содержания влаги, но и от течения процесса. Крайне важно в процессе термообработки избежать образования микротрещин, т.е. эвакуация внутриклеточной влаги должна происходить без разрушения клетки.
При расчёте капитальных затрат следует учесть стоимость сушильной камеры, нагревателей, систем питания и автоматики.
Теперь кратко охарактеризуем используемые в настоящее время способы искусственной сушки древесины.
 
Конвекционная сушка при атмосферном давлении. Сушка происходит в камерах при постоянном атмосферном давлении. Доски укладывают в штабель с прокладками, чем обеспечивается циркуляция теплоносителя между рядами досок; в качестве теплоносителя используют поток нагретого воздуха или перегретого пара. Нагревателем служит калорифер того или иного типа. Соответствующая установка становится особенно привлекательной при использовании тепла, образующегося при работе котельных и ТЭЦ. Вся жидкость, имеющаяся в материале, удаляется из него в виде пара. Как показывает опыт эксплуатации таких установок, не более 9 - 30% энергии потока нагретого воздуха или пара (в зависимости от типа камеры или ее отсутствия) тратится непосредственно на процесс испарения влаги из древесины. Количество удаленной жидкости зависит от температуры материала и увеличивается с его увеличением. При температуре 100 градусов наступает состояние объемного испарения - кипение и при кипении количество испаряющейся жидкости зависит от количества тепла, подведенного к материалу.
Достоинство этого способа: возможность использования "дарового" тепла.
Конвективный механизм сушки используют также в установках фирмы "Аэротерм", где нагрев воздуха осуществляют путём сильной турбулизации потока воздуха на лопатках специального ротора. Вся электроэнергия потребляется двигателем ротора.
Общие недостатки данного способа сушки: высокая продолжительность цикла (15 - 45 дней); низкий коэффициент заполнения рабочего объема камеры (60 - 85%), а следовательно и низкая производительность из-за необходимости установки прокладок между рядами досок; неравномерность высушивания штабеля в направлении потока теплоносителя; сравнительно низкое качество конечного продукта – из-за наличия микротрещин, обусловленных применением теплоносителя с высокой температурой.
 
Вакуумная сушка. Этот прогрессивный технологический процесс получил широкое распространение в странах с высокоразвитой деревообрабатывающей промышленностью. При рабочем давлении в камере 10 - 13 кПа температура кипения воды не превышает 45-50°С. При этом происходит лёгкий режим сушки, не повреждающий органику древесины. Это обеспечивает практически полное отсутствие микротрещин, т.е. высокое качество конечного продукта, недостижимое в процессе сушки при атмосферном давлении.
В свою очередь вакуумная сушка подразделяется на камерную вакуумную сушку и вакуум-импульсную сушку.
 
Камерная вакуумная сушка. Сушка происходит в герметических камерах при постоянном давлении ниже атмосферного. Вся жидкость, имеющаяся в материале, удаляется из него в виде пара. Количество удаляемой жидкости также как и в конвекционных сушилках зависит от температуры материала и увеличивается с увеличением его температуры. Состояние объемного испарения – кипения наступает при температуре ниже 100 градусов, зависит от глубины вакуума и при кипении количество испаряющейся жидкости зависит от количества тепла, подведенного к материалу. Механизм сушки аналогичен конвективной.
В настоящее время не менее семи фирм Западной Европы и Америки выпускают вакуумные камеры для сушки пиломатериалов. При этом используют различные способы подвода тепла к древесине: СВЧнагрев; нагрев с помощью газообразного теплоносителя; нагрев с помощью контактных нагревателей.
СВЧ-нагрев осуществляется СВЧ-полем, создаваемым в объёме штабеля соответствующими генераторами. Этот способ требует сложной аппаратуры, квалифицированного обслуживающего персонала, обеспечивает высокое качество конечного продукта. Однако КПД такой установки невелик: в СВЧ генераторе эффективность преобразования электроэнергии в энергию СВЧ поля составляет только 20 - 30%, а показатель эффективности преобразования СВЧ энергии в тепловую внутри штабеля (как и показатель полезного использования последней) также ощутимо меньше 100%.
Нагрев с помощью газообразного теплоносителя осуществляют прокачкой горячего воздуха, паровоздушной смеси или перегретого водяного пара.
На выставке в Ганновере ("Ligna - 97") вакуумные сушильные камеры, реализующие рассматриваемый способ подачи тепла, были представлены фирмами "Brunner" и "Kronseder" (Германия), "Mahlbock" и "Vanicek" (Австрия), "ВМЕ Novaky" (Словакия). В каждой конструкции имеется 56 достаточно сложных систем (обеспечивающих оптимальный процесс сушки), управляемых компьютерной программой. В частности, система управления потоком теплоносителя регулирует число оборотов реверсивных вентиляторов и положение направляющих лопаток. Система управления параметрами потока регулирует температуру и относительную влажность теплоносителя. Система сбора и отвода конденсата, энергетическая система, вакуумная система, система влаго и теплообработки пиломатериала, информационная система — все они снабжены своими датчиками и исполнительными механизмами и управляются общей программой.
Очевидное достоинство таких установок полная автоматизация процесса, т.е. отсутствие ручного труда. К их недостаткам следует отнести: малое заполнение рабочего объёма вакуумной камеры пиломатериалом из-за принципиальной необходимости сформировать штабель с каналами для протока теплоносителя; сложность конструкции, высокую удельную стоимость сушильных установок этого типа. Удельные энергозатраты составляют 400 – 700 кВтч/м3.
Нагрев с помощью контактных нагревателей превосходит конвективный по КПД сушильной установки, так как в процесс сушки эффективно включен механизм теплопроводности.
В пресс-вакуумных сушильных камерах фирм WDE "Maspell" (Италия) и "Opel" (Германия) используют панели, нагреваемые горячей водой. Американская фирма "Woodmizer" использует гибкие электронагреватели (шириной 0,8, длиной до 40 м) с резистивом из алюминиевой фольги и лавсановым электроизоляционным покрытием. Опыт их эксплуатации показал: у этих электронагревателей величина плотности электрической мощности недостаточна для ведения процесса в оптимальном режиме (поэтому между двумя рядами досок приходится располагать два таких нагревателя); высокие токи питания электронагревателей (а отсюда большой диаметр подводящих кабелей до 10 мм) делают коммутацию трудоёмкой; механическая прочность в месте сочленения контактной группы с алюминиевой фольгой недостаточна.
Нагревательные элементы укладывают послойно между радами досок в штабеле, при этом доски кладут плотно, без зазоров, как по ширине, так и по высоте штабеля. Управление процессом нагрева осуществляют путем регулирования температуры воды, подаваемой в панели, или напряжения на электронагревателях.
Достоинства этого способа: почти в половину ниже, чем у конвекционных сушилок, значения удельных энергозатрат; в случае использования гибких электронагревателей исключительно больший коэффициент заполнения рабочего объема камеры пиломатериалом.
Недостаток: низкая производительность ввиду малого объема камер; техническая сложность и экономическая нецелесообразность изготовления камер большого размера, необходимость применения ручного труда для укладки нагревателей и формирования штабеля; быстрый износ прокладочного материала, высокая стоимость изготовления оборудования.
 
Вакуум-импульсная сушка и пропитка пиломатериала.
 
Механизм и практика импульсной сушки пиломатериала.
После подачи информации о работе сушильного комплекса и участия в выставках, к нам обратилось множество специалистов в области деревопереработки с просьбой подробнее рассказать о механизме импульсной сушки древесины и ее практических результатах. Мы попытаемся это сделать на примере сушки наиболее распространенных хвойных пород - сосновых пиломатериалов и бруса.
Древесина хвойных пород отличатся простым строением. В ней совершенно отсутствует специализированная водопроводящая ткань – сосуды и очень отчетливо выражена годичная слоистость. Основным элементом древесины всех хвойных пород является трахеида – длинная клетка с крупными окаймленными порами. Средние размеры трахеид у хвойных пород зависят от возраста древесины и к 30-40 годам достигают по длине 3-4 мм, ширине в средней части 0,04 – 0,05 мм. В центральной части ствола размеры трахеид в 2 раза меньше. Наиболее яркий представитель хвойных пород - «сосна обыкновенная». Естественная влажность свежеспиленной древесины сосны в зависимости от сезона колеблется, в основном, в пределах от 80 до 138 %. Поэтому после распиловки древесину подвергают сушке до требуемой эксплуатационной влажности. В промышленности используют различные способы сушки древесины, отличающиеся применяемым оборудованием и особенностями передачи тепла высушиваемому материалу. Но, независимо от этого, во всех этих разных видах оборудования в основу процесса удаления влаги из древесины положен фазовый переход всей удаляемой воды в пар. Это наиболее энергозатратный механизм сушки. Некоторые авторы, рассматривая практические энергозатраты на сушку 1м3 пиломатериала, не указывают его толщину или начальную влажность и приводят совершенно отвлеченные, ни о чем не говорящие цифры. Другая часто встречающаяся ошибка – расчет теоретических энергозатрат на сушку древесины с использованием термодинамической величины удельной теплоты перехода жидкости в пар без учета энергозатрат на ее диффузию в пористом материале и влияния различных поверхностных и капиллярных сил. С увеличением толщины пиломатериала и уменьшением диаметра капилляра, вышеуказанные факторы становятся доминирующими и превышают термодинамическую теплоту фазового перехода жидкости в пар.
В деревообрабатывающей промышленности наиболее широко распространены камерные конвективные сушилки, механизм сушки древесины в которых изучен очень детально и подробно описан в литературе. В последние 15-20 лет расширяется сфера применения различных вакуумных сушилок для сушки древесины. Как уже упоминалось ранее, принцип удаления влаги в вакуумных сушилках не отличается от механизма в конвективных камерных при атмосферном давлении. Он происходит при более низкой температуре и большей скорости массопередачи. Это, в результате, снижает энергозатраты на сушку. В таблице 3 приведены удельные энергозатраты на удаление 1 кг жидкости из древесины от начальной влажности равной влажности свежеспиленной древесины до конечной транспортной влажности 19 %. На сегодня такие затраты - это единственный и самый объективный показатель эффективности работы сушильного оборудования. Из представленного ряда сушилок, по своим низким удельным тепловым затратам на сушку, резко выделяется оборудование и способ импульсной сушки пиломатериалов (фото 1). Указанная величина 0,34 кВтч/кг (1224 кДж/кг) на первый взгляд сомнительно мала, так как почти в 2 раза меньше термодинамической теплоты испарения свободной воды. Учитывая неизбежные тепловые потери реального технологического процесса сушки в промышленном сушильном оборудовании, можно смело утверждать, что эта разница еще больше. Поверка электрических средств контроля и измерения государственными лабораториями энергонадзора, большой набор статистических данных показали полную достоверность полученных результатов. Объяснение данному факту может быть только одно: процесс сушки происходит со значительной долей удаления влаги в виде жидкой фазы (тумана) без ее испарения. Данный факт подтверждается незначительным нагревом ресиверов и сборника, в которых улавливается основная масса жидкости в процессе сушки.
Не вдаваясь глубоко в термодинамику и механизм этого процесса, рассмотрим одну из термограмм технологического процесса сушки штабеля соснового необрезного пиломатериала толщиной 50 мм от начальной влажности 110%. На (фото 2 и 3) для наглядного примера представлен штабель пиломатериала до и после сушки в сушильном комплексе ИСП-7,5/2. Для достижения необходимой аэродинамики парового потока при нагреве штабеля пиломатериала, он доукомплектован до необходимого объема обрезной рейкой толщиной 25 мм, шириной 100 мм.
Существенными отличительными признаками данного сушильного оборудования и способа сушки древесины от всех существующих является скоростное вакуумирование свободного объема сушильной камеры, которое осуществляется при помощи ресивера, быстродействующих клапанов и трубопроводов, диаметр которых рассчитывается по уравнению, полученному авторами на основании законов теоретической физики и экспериментальных результатов.
Объем ресивера зависит от свободного объема, оставшегося после заполнения сушильной камеры древесиной и выполнен таким образом, что бы при скоростном соединении ресивера с сушильной камерой через быстродействующие клапаны, в последней создавалось давление меньше равновесного давления пара при заданной температуре. Например, для свободной влаги, содержащейся в древесине хвойных пород, при температуре 83 оС равновесное давление насыщенного водяного пара составляет 400мм рт.ст. (53320 Па). При соединении камеры с ресивером давление в ней составит - 393,5 мм рт.ст., т.е. чуть меньше равновесного давления насыщенного пара при заданной температуре древесины в камере. При этом, каждой заданной температуре древесины соответствует строго определённое и только ей присущее равновесное давление насыщенного пара. С уменьшением влажности и размера капилляров понижается и равновесное давление насыщенного пара. Выдержка древесины после импульса под вакуумом различна и зависит от породы древесины. Так для сосны она составляет 15 минут, берёзы - 20 минут, ясеня маньчжурского - 25 минут, граба - 30 минут, дуба восточного и кавказского - 45 минут. Это время которое необходимо для выравнивания влажности, а следовательно и давления пара во всём объёме древесины и камеры при её выдержке под остаточным вакуумом. Однако при импульсном воздействии, т. е. при соединении камеры с ресивером, в камере должно очень быстро, резко создаваться давление чуть ниже равновесного, для того чтобы влага, находящаяся в древесине за счет избыточного, образовавше­гося в ней давления и турбулентного течения,выдавливалась из древесины в свободный объём сушильной камеры в виде высокодисперсной фазы - тумана и улавливалась в ресиверах, затем стекала в сборник. Именно это действие приводит к снижению энергозатрат на влагоудаление из древесины - сушки, до уровня ниже теоретических. В реальных условиях сушки сосны до транспортной влажности они составили 1476 кДж/кг вместо теоретических удельных затрат парообразования для свободной воды – 2297 кДж/кг при 83 оС. Создание турбулентного течения жидкости способствует более интенсивному удалению влаги из капилляров и, в результате, значительному снижению времени сушки.
Необходимо пояснить, что равновесное давление пара воды,
образовавшегося в процессе сушки древесины при данной температуре, следует понимать как равенство давлений пара внутри древесины и давления пара в свободном объёме сушильной камеры, при котором уже не происходит извлечения влаги из древесины. Это равновесное состояние зависит от температуры внутри камеры и от температуры древесины. Процесс нагрева древесины происходит в герметичной изолированной камере, поэтому после второго вакуумного импульса говорить о парциальном давлении паров воды в паровоздушном потоке не имеет смысла. При создании вакуумного импульса (сушка древесины), употреблять понятие относительной влажности также не имеет смысла т.к. насыщенный пар содержит большое количество воды в виде тумана.          
Для наглядного понимания процесса сушки сосны рассмотрим термограмму реального процесса сушки, рис.1, полученной на установке ИСП-7,5/2 (фото 1). На термограмме сушки древесины температура выражена в процентах измеряемого диапазона. Для перевода в реальную температуру процесса величина процентов умножается на коэффициент К = 1,66. Время процесса на диаграмме представлено делением круга на 24 части, каждая из которых соответствует реальному времени равному - 1 час.
Нагрев древесины в камере сушки по диаграмме начали в 11 часов. В 12 часов 50 минут провели первое импульсное вакуумное воздействие на древесину. Зигзагообразная кривая описывает изменение температуры древесины в результате нагрева в изолированной камере при остаточном вакууме до заданной и её уменьшение после импульсного воздействия вакуума и выдержки под остаточным вакуумом. Характерные изменение температуры на термограмме чётко делят процесс на две стадии:
1 - удаление «свободной влаги», которое происходит при постоянном остаточном вакууме в камере - 637 мм рт. ст и постоянном равновесном давлении в камере при импульсном вакуумировании и выдержке в вакууме Рвак =180 мм. рт. ст. с 13 до 1 часа ночи. В процессе удаления «свободной влаги» влажность древесины изменяется от Wнач. = 110 % до W = 25 %.
2 - удаление «связанной влаги» от 25 до 6,5 % резко изменяет характер термограммы. Постепенно, но очень заметно (с 1 часа ночи до 6 часов утра), возрастает градиент (уменьшение) температуры древесины в процессе импульсного вакуумирования и выдержки под вакуумом, затем с 6 до 10 это изменение уменьшается практически до 0. Остаточное равновесное давление в изолированной камере при нагреве также уменьшается от 600 в 1 час ночи до 60 мм рт. ст. к 10 часам утра. Равновесное давление в камере сушки при импульсном вакуумировании также уменьшается от170 до 37 мм рт. ст. На диаграмме видно, что остаточное равновесное давление в изолированной камере при нагреве значительно больше равновесного давления при импульсном воздействии вакуума. Именно эта разница давления обеспечивает импульсное воздействие вакуума на удаление влаги из капилляров древесины без её фазового перехода. Постоянная выдержка при вакуумировании равная 15 минутам, независимо от уровня влагосодержания, обеспечивает активированную диффузию влаги из объёма древесины кеё поверхности и зависит от физико-химических свойств древесины: плотности, капиллярности и др. В дальнейшем процесс удаления связанной влаги при контроле по заданной температуре, саморегулируется. Аналогично происходит сушка древесины других хвойных пород.
Отличительным, существенным, по нашему мнению, является и нагрев древесины в герметичной, изолированной от атмосферы камере сушки, поскольку в других конструкциях нагрев древесины производят в сушильной камере, соединённой с атмосферой. Осуществление нагрева древесины в сушильной камере, изолированной от атмосферы, позволяет последовательно и быстрее достичь в сушильной камере требуемого вакуума, соответствующего давлению насыщенных паров при данной температуре и влажности древесины. Особенно это становится важным при удалении «связанной влаги». При этом тепло, затраченное на нагрев древесины и выделившегося из неё пара, не теряется, не уходит в атмосферу. Такой подход к решению задачи был нетрадиционным, создавал дополнительно положительный эффект сокращения времени сушки и снижения энергозатрат. Необходимо отметить, что при удалении свободной влаги снижение температуры древесины за счет единичного импульсного вакуумирования и количество удаляемой влаги остается постоянным. Расчеты и практика показывают, что не более 10% удаляемой свободной влаги переходит из жидкого в парообразное состояние на поверхности древесины, а остальная влага – 90% в виде тумана удаляется из сушильной камеры в ресивер. Увеличение градиента температуры при удалении связанной влаги указывает на возрастание доли фазового перехода.
Сушка сосновых пиломатериалов в различных камерных конвективных и вакуумных сушилках хорошо отработана и при сушке пиломатериала толщиной от 25 до 50 мм не бывает особых трудностей. Основными их недостатками являются высокие энергозатраты и длительное время сушки, например, для сосны – 12 суток. Увеличение толщины пиломатериала до размеров бруса 150 х 100 мм и 150 х 150 мм значительно увеличивает время сушки и, самое главное, не обеспечивает их качественных показателей по геометрии и наличию трещин сушки. В реальности это делает сушку бруса в конвективной сушильной камере невозможной. Уменьшение времени сушки за счет увеличения температуры сушки приводит к еще большему короблению, неравномерности влажности по толщине пиломатериала и по высоте расположения в сушильной камере, появлению глубоких трещин сушки. Применение вышеописанного способа и оборудования импульсной сушки практически полностью устраняет недостатки конвективных и вакуумных камерных сушилок, фото 4, фото 5. В таблице 3 представлены некоторые параметры технологического процесса сушки сосновых пиломатериалов различной толщины от 30 до 150 мм.
Назад