автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология импульсной сушки пиломатериалов

005010232

КОСАРИН Анатолий Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ОЇЗ т

Москва-2012

005010232

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Шубин Григорий Соломонович]

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Рыкунин Станислав Николаевич

Защита диссертации состоится «02» марта 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.146.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

кандидат технических наук Акулов Федор Георгиевич

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан «31» января 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Рыбин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, Разработка и внедрение энергосберегающих технологий деревообработки, обеспечивающих снижение расхода древесины, тепловой и электрической энергии при одновременном повышении качества изделий из древесины является одним из основных направлений развития отрасли.

Неотъемлемой операцией в подавляющем большинстве технологических процессов деревообработки является сушка древесины. Доля затрат энергии на сушку составляет 75-80 % от общих энергетических затрат на технологический процесс.

Существенную экономию электрической и заметную тепловой энергии, а также высокое качество высушенных пиломатериалов обеспечивает способ импульсной конвективной сушки. Особенность этого способа состоит в том, что тепловая энергия передается материалу импульсами, следующими с определенной последовательностью. Сушка проводится циклами, включающими две стадии: «импульс» и «пауза». На стадии «импульс» осуществляется интенсивная передача тепловой энергии материалу, обеспечивается максимально возможная, с точки зрения развития сушильных напряжений, скорость удаления влаги из древесины. На последующей стадии «пауза» с прекращением подачи тепловой энергии сушка продолжается за счет тепла, аккумулированного древесиной. При этом интенсифицируется внутренний перенос влаги. Влага «перекачивается» из центральных зон к поверхности и ее увлажняет. В результате существенно уменьшаются сушильные напряжения, происходит выравнивание влажности по толщине пиломатериалов. Циклы повторяются до тех пор, пока материал не достигнет требуемой конечной влажности.

Внедрение импульсной конвективной сушки обеспечивает снижение расхода электроэнергии на 50-60 %, повышение качества высушиваемого материала, упрощение системы автоматического управления процессом сушки, повышение производительности сушильного оборудования примерно на 5 %. В целом, себестоимость сушки снижается примерно на 17-24 % в зависимости от породы и толщины пиломатериалов.

Данная работа в определенной степени подводит итог научной и производственной деятельности автора по импульсной конвективной сушке пиломатериалов на первом этапе. Принцип импульсного подвода тепловой энергии был применен нами при вакуумной кондуктивной и конвективной сушке, сушке в электромагнитных полях СВЧ, показав вполне положительные результаты. Исследования в этом направлении продолжаются.

Работа посвящена исследованию процесса импульсной конвективной сушки пиломатериалов, попытке обосновать уже имеющиеся режимы, провести их корректировку, в свете вновь раскрытых закономерностей наметить пути их дальнейшего применения в промышленности.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка технологии импульсной сушки пиломатериалов и обоснование эффективности ее применения в промышленности.

Задачами настоящей работы являются:

- анализ физических явлений, имеющих место в процессе импульсной сушки; выявление особенности его протекания на стадиях «импульс» и «пауза»; изучение полей температуры и влажности материала на стадиях «импульс» и «пауза»;

- анализ развития сушильных напряжений при импульсной сушке; выявление особенности их развития на стадиях «импульс-пауза»;

- экспериментальное подтверждение явлений, имеющих место при импульсной сушке и выявленных при аналитическом рассмотрении процесса сушки в одном цикле;

- обоснование и разработка метода расчета режимных параметров процесса импульсной сушки: продолжительности стадии «импульс» и стадии «пауза» на базе анализа развития сушильных напряжений;

- разработка режимов импульсной сушки для пиломатериалов основных отечественных пород на основе расчетных данных и их проверка в условиях производства;

- обоснование возможности определения влажности пиломатериалов в процессе сушки по состоянию сушильного агента;

- экономическое обоснование эффективности импульсной сушки.

Объектами исследований являются пиломатериалы из древесины различных пород, в том числе мореного дуба и ряда тропических пород, физические процессы, происходящие при импульсной сушке, технология сушки и контроля влажности материала.

Предметом исследования являются механизм процесса и сушильные напряжения в пиломатериалах при импульсной сушке на стадиях «импульс» и «пауза», свойства древесины, подвергавшейся импульсной сушке, технология импульсной сушки пиломатериалов, включая режимы сушки и контроль их влажности.

Научной новизной обладают:

- физическая и математическая модель процесса импульсной сушки в цикле «импульс-пауза»;

- аналитическое решение уравнения влагообмена на поверхности древесины в процессе сушки, полученное независимо от коэффициентов внутреннего переноса влаги;

“ физико-математическая модель поля влажности в гигроскопической зоне материала в цикле «импульс-пауза» на стадии нерегулярного режима;

- уравнения для расчета полей влажности в гигроскопической зоне на стадиях «импульс» и «пауза»;

- методика расчета продолжительности стадии «импульс» на базе анализа сушильных напряжений в поверхностной зоне сортимента;

- методика расчета продолжительности стадии «пауза» на основе анализа внутреннего влагообмена в гигроскопической зоне;

-методика расчета эквивалентного коэффициента влагопроводности, учитывающего перенос влаги за счет градиента температуры;

- зависимость конечной влажности штабеля пиломатериалов от состояния сушильного агента в конце стадии «пауза».

Практическая значимость работы. Разработаны режимы импульсной сушки пиломатериалов из древесины основных отечественных пород и ряда тропических пород (эбена, махагони, меранти, мербау, ироко).

Разработан способ определения конечной влажности пиломатериалов в штабеле по состоянию сушильного агента в конце стадии «пауза».

Внедрение режимов обеспечивает снижение расхода электроэнергии на 50...70 %, повышение качества высушиваемого материала, упрощение системы автоматического управления процессом сушки, повышение производительности сушильного оборудования примерно на 5 %, снижение себестоимости сушки на 17...24%.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием основных положений теории тепломассопереноса в процессах сушки древесины;

-совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными и результатами промышленного внедрения;

- применением современных методов планирования эксперимента и математической обработкой их результатов;

- применением современных информационных технологий при обработке экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

- физическая и математическая модель процесса импульсной сушки в цикле «импульс-пауза»;

- физико-математическая модель поля влажности в гигроскопической зоне материала в цикле «импульс-пауза» на стадии нерегулярного режима;

-уравнения для расчета полей влажности в гигроскопической зоне на стадиях «импульс» и «пауза»;

- методика расчета продолжительности стадии «импульс» на базе анализа сушильных напряжений в поверхностной зоне сортимента;

- методика расчета продолжительности стадии «пауза» на основе анализа внутреннего влагообмена в гигроскопической зоне;

- способ определения конечной влажности пиломатериалов в штабеле по состоянию сушильного агента в конце стадии «пауза».

Личный вклад соискателя. Автором разработана физическая и математическая модель процесса импульсной сушки в цикле «импульс-пауза». Получено аналитическое решение уравнения влагообмена на поверхности древесины в процессе сушки, не связанное с коэффициентами внутреннего переноса влаги. Разработана физико-математическая модель поля влажности в гигроскопической зоне материала в цикле «импульс-пауза» на стадии нерегулярного режима. Получены уравнения для расчета полей влажности в гигроскопической зоне на стадиях «импульс» и «пауза».

Разработаны методики расчета продолжительности стадии «импульс» и «пауза». Разработаны режимы импульсной сушки пиломатериалов из древесины основных отечественных и ряда тропических пород.

Внедрена технология импульсной сушки на ряде предприятий лесопильно-деревообрабатывающих производств.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения, изложенные в диссертационной работе, докладывались на научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов МГУЛ (2007, 2009-2011 гг.) и IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии СЭТТ -2011» (Москва, 2011г.).

Реализация работы. Технология импульсной сушки пиломатериалов в настоящее время является общепринятой среди специалистов лесопильнодеревообрабатывающей промышленности. Промышленное внедрение осуществлено на множестве деревообрабатывающих предприятий страны. Наиболее крупными являются: ООО «Гусевский леспромхоз» г. Гусь-Хрустальный; ЗАО «Тотемлес» г. Тотьма; Грибановский ДОК п. Грибановка; ООО «ВМК» г. Вязники; ООО «ФОРЕСТ 2007» г. Суземка, Брянской области; «Стройдеталь» г. Чехов; «Массив-мебель» г. Тула; «Буймебель» г. Буй, Костромской обл.; фирмах «Дубрава» г. Лобня; «КАМОГЬ» г. Таллин; «АМТ» п. Лесной, Мос. обл.; «Астро Трейд» г. Одинцово; ИЧП «ЦГапин» г. Малоярославец; ООО «Промлесторг» г. Воронеж; ООО «Термосвязь» г. Дмитров; ООО «Атон» г. Красноармейск и многие другие.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии. Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 38 рисунков, 29 таблиц, библиографию из 86 наименований и приложения на 18 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки и внедрения энергосберегающих технологий сушки пиломатериалов, обеспечивающих существенное снижение расхода тепловой и электрической энергии на сушку, повышение качества сушки.

В первой главе проведен анализ работ по способам сушки, предусматривающим цикличное изменение состояния сушильного агента в процессе сушки пиломатериалов.

Ряд исследователей (И.В. Кречетов, В.Г. Захаржевский, М.Г. Мингазов и др.) отмечают, что при циклическом изменении температуры в сушильной камере помимо основной движущей силы процесса - движения влаги за счет градиента влажности появляется движение влаги за счет градиента температуры. Это происходит на стадии охлаждения, когда температура материала оказывается выше температуры сушильного агента. Такое движение, по мнению этих авторов, ведет к существенному ускорению процесса сушки. Снижение продолжительности сушки отмечено также в работах лаборатории сушки древесины ЦНИИМОД.

Автор относится к полученным результатам с некоторым сомнением. Отмеченное существенное сокращение сроков сушки от 1,5 до 3 раз требует в таком же соотношении повышения тепловой мощности сушильного оборудова-

ния. Тепловое оборудование сушильных камер как того времени, так и сейчас, не имеет указанных резервов мощности. Подобные результаты, видимо, были получены в результате лабораторных исследований.

Ряд исследователей (Я.М. Миниович, И.В. Кречетов) отмечают повышение качества сушки. Это объясняется тем, что в период обработки паром (Я.М. Миниович) влажность поверхности материала повышается; это способствует увлажнению поверхности и, как следствие, понижению сушильных напряжений. При прерывистой циркуляции (И.В. Кречетов) в период паузы, при отключенных циркуляционных вентиляторах, за счет поступления влаги из материала в окружающую среду ее степень насыщенности возрастает, а испарительная способность снижается. При этом влажность материала в поверхностной зоне повышается, что способствует выравниванию влажности и снижению сушильных напряжений.

Периодическое включение и отключение циркуляционных вентиляторов в сушильной камере (И.В. Кречетов, Н. Mutter) безусловно дает существенную экономию электрической энергии. Эта экономия пропорциональна относительной продолжительности паузы в цикле и может доходить до 70 % по сравнению с режимами, предусматривающими непрерывную циркуляцию сушильного агента.

По мнению автора, при прерывистом характере циркуляции нельзя ожидать существенного сокращения сроков сушки, на что указывает И.В. Кречетов, поскольку одним из условий ее проведения является равенство тепловой энергии, подводимой к высушиваемому материалу как при непрерывной, так и прерывистой циркуляции сушильного агента. При подводе равного количества тепловой энергии можно получить лишь примерно одинаковые сроки сушки. Судя по публикациям, способ сушки не проходил производственной проверки на предприятиях.

Начало широкого внедрения в промышленность сушки пиломатериалов с прерывистым подводом тепловой энергии относится к началу 90-х годов прошлого столетия, когда на кафедре сушки и защиты древесины МГУЛ были начаты исследования (А.И. Расев, Г.Н. Курышов) такого способа в условиях производства. Ими был получен патент на способ сушки пиломатериалов, в соответствии с которым сушку ведут циклами. На первой стадии цикла процесс ведется при подаче теплоносителя в калориферы и циркуляции сушильного агента в сушильном объеме. На второй стадии - при полном прекращении подачи энергоносителя в калориферы, отключении циркуляции сушильного агента. Регулированию подлежит температура сушильного агента на стадии «импульс». Степень насыщенности на всем протяжении цикла и температура на стадии «пауза» не регулируются.

Несколько позднее (с 1993 г.) в исследовании и производственном внедрении этого способа принимает активное участие автор настоящей работы. На эмпирической основе, путем проведения и анализа опытных сушек, разработаны и внедрены в производство режимы сушки как для пиломатериалов основных отечественных пород, так и для пиломатериалов из древесины ряда тропических пород (эбена, махагони, меранти, мербау), а также мореного дуба и карельской березы. Анализ производственных данных показывает, что имеет место значительная экономия электроэнергии в системе циркуляции сушильного

агента (50-75 %), продолжительность сушки снижается на 5-10 % по сравнению с сопоставимыми условиями протекания традиционной конвективной сушки. Уменьшаются остаточные напряжения, определенные в конце сушки. Для обеспечения сушки пиломатериалов по II - III категориям качества не требуется проведения кондиционирования.

Ранее применявшиеся термины: «прерывистые режимы сушки» (В.Г. За-харжевский), «режимы сушки с прерывистой циркуляцией сушильного агента» (И.В. Кречетов), «осциллирующие режимы сушки» (М.Г. Мингазов), «импульсные режимы» (А.И. Расев, Г.Н Курышов), в целом характеризующие сушку с прерывистым подводом тепловой энергии, не отражают его сущности. По определению режим сушки не может быть ни прерывистым, ни импульсным. Режимы с «прерывистой» циркуляцией сушильного агента - термин указывает на периодическое отсутствие циркуляции без акцента на то, что при этом прекращается передача тепловой энергии материалу. Осциллирующие режимы содержат указание на то, что состояние сушильного агента изменяется по некоторой периодической функции. Принятый нами термин «импульсная сушка» в полной мере отражает сущность способа, так как указывает на передачу энергии материалу тепловыми импульсами, следующими с определенной цикличностью.

Цикл импульсной сушки складывается из двух стадий: «импульс» и «пауза». На стадии «импульс» происходит аккумулирование тепла материалом; сушка проходит в воздухе повышенной температуры и низкой влажности при циркуляции сушильного агента через штабель. Эта стадия характеризуется высокой интенсивностью процесса за счет большего градиента влажности по толщине материала.

На стадии «пауза» подача тепловой энергии материалу прекращается. В этот период возрастает степень насыщенности воздуха в камере и происходит увлажнение поверхности древесины вследствие продолжающегося испарения воды из материала; снижаются сушильные напряжения.

Число циклов определяется толщиной и породой пиломатериалов или заготовок, их начальной и конечной влажностью.

Анализ опубликованных данных позволяет считать, что импульсная сушка пиломатериалов дает возможность:

- повысить качество сушки за счет более равномерного распределения влаги по толщине высушиваемого материала и снижения сушильных напряжений;

- ускорить процесс на стадии «пауза», используя явление термовлагопро-водности;

- уменьшить расход электроэнергии, регулярно отключая циркуляционные вентиляторы в период паузы.

Однако разработанные нами режимы импульсной сушки построены на эмпирической базе, которая оказалась достаточно надежной, но не позволяющей вести разработку режимов сушки неисследованных пород древесины, оптимизировать существующие режимы. Наиболее эффективно это может быть сделано на базе аналитического изучения процессов, происходящих при импульсной сушке. Такое изучение послужит основой для разработки теоретически обоснованной технологии импульсной сушки пиломатериалов.

Вторая глава посвящена результатам аналитического изучения процесса импульсной сушки на стадиях «импульс» и «пауза».

Разработана физическая модель процесса «импульс-пауза», которая позволяет проводить качественный анализ характера изменения температурных и влажностных полей, характера развития сушильных напряжений.

Механизм процесса рассмотрен на примере образца древесины в виде пластины толщиной 5 с начальной влажностью УУт превышающей 1¥п и, помещенного в сушильную установку. Состояние сушильного агента характеризуется температурой ?с и температурой предела охлаждения /по.

К моменту начала стадии «импульс» влажность на поверхности РГпоа равна влажности предела насыщения (рисунок 1). Средняя влажность древесины Ш несколько ниже ее начальной влажности IV,,. Температура на поверхности материала ?пов и в центре /ц равна температуре предела охлаждения /п0.

На стадии «импульс» начинается интенсивный процесс испарения влаги с поверхности материала, поскольку равновесная влажность И?р существенно ниже И'™. Поверхностная влажность Жпов снижается и к концу стадии достигает Wv (кривая Жпов на отрезке 0-а). Влажность в центральной зоне и средняя влажность IV несколько понижается. Растет перепад влажности в гигроскопической зоне ДW = Гп„ - и, следовательно, градиент влажности. Основной движущей силой процесса на этой стадии является влагопроводность. Отрицательный перепад температуры - температура на поверхности (пов выше, чем в центре /ц (отрицательный градиент температуры) - оказывает «тормозящее» действие на интенсивность потока.

Рисунок 1 - Кривые изменения температуры и влажности древесины в цикле «импульс-пауза»

На стадии «пауза» теплоснабжение и циркуляция воздуха прекращаются. Вследствие продолжающегося процесса испарения температура среды гс постепенно понижается и к концу паузы стремится к *„<>■ Одновременно растет разность температур между поверхностью и центром сортимента. Температура на поверхности сортимента уменьшается, стремясь к температуре предела охлаждения. Между поверхностью и центром возникает перепад температуры Д? = ?пов— ?ц, величина которого возрастает по мере снижения влажности материала в ходе сушки.

Появляется, таким образом, градиент температуры, под действием которого возрастает интенсивность потока влаги к поверхности. Поскольку термоградиентный коэффициент 5 в диапазоне влажности 20-60 % значительно превышает коэффициент влагопроводности (по данным Г.С. Шубина в 2-4 раза), следует ожидать интенсивного движения влаги в период паузы, которое не только компенсирует снижение интенсивности движения за счет градиента влажности, но и может его превысить.

Особенность этого движения состоит в том, что движущийся из центральных зон водяной пар на пути встречается со слоями древесины, уже охладившимися и имеющими температуру ниже давления насыщения. Происходит конденсация водяного пара, но уже в слоях более близких к поверхности. Имеет место «перекачка» влаги из центра к поверхностным зонам. Таким образом, на этой стадии одна часть влаги в виде водяного пара удаляется из древесины, а другая часть «перекачивается» из внутренних зон в наружные. Первая часть существенно меньше второй части и составляет 15-25 % от общего количества влаги, удаленной за один цикл.

Сушильные напряжения на стадии «импульс» развиваются так же, как при классической сушке. В поверхностной зоне развиваются влажностные напряжения растяжения сТвл (рисунок 2, участок 0-а). Эти напряжения вызывают остаточные деформации удлинения, приводящие к образованию остаточных напряжений сжатия аост. Полные напряжения имеют знак большей составляющей - растяжения. Под действием полных напряжений остаточные удлинения постепенно увеличиваются, соответственно возрастают остаточные напряжения.

Вполне очевидно, что чем ниже величина равновесной влажности и чем меньше глубина гигроскопической зоны, тем интенсивнее идет процесс сушки.

Сушка на стадии «импульс» проводится в среде с низкой равновесной влажностью, что существенно интенсифицирует процесс удаления влаги, но ведет к ускоренному росту сушильных напряжений. Стадия «пауза» должна начинаться в момент достижения допустимого максимума напряжений.

На стадии «пауза» происходит увлажнение поверхности (кривая ЖП0а) за счет движения влаги к поверхности материала. Возрастает степень насыщенности сушильного агента и, соответственно, величина равновесной влажности (рисунок 2, кривая ). В начале процесса сушки поверхностная влажность йгпов, а затем и Жр достигают Шп.„, а степень насыщенности сушильного агента доходит до единицы (рисунок 2).

На последующих этапах, по мере углубления гигроскопической зоны поверхностная влажность древесины уменьшается, степень насыщенности снижается.

Рисунок 2 - График изменения влажностных, остаточных и полных напряжений в цикле «импульс-пауза»

В результате увлажнения поверхности материала перепад влажности в интервале времени а-б уменьшается. Полные напряжения снижаются и в момент времени б становятся равными нулю. Рост остаточных напряжений прекращается. Продолжающееся уменьшение АЖ (участок б-г) приводит к образованию полных сжимающих напряжений. При повышенной влажности древесина становится более пластичной. Под действием полных напряжений сжатия в наружных зонах образуются остаточные деформации укорочения, которые компенсируют ранее имевшиеся там остаточные удлинения. Остаточные напряжения соответственно уменьшаются. При отсутствии перепада влажности (момент г) они становятся равны нулю. Однако процесс выравнивания влажности является чрезвычайно длительным процессом, практическая реализация которого не представляется возможным. Стадия «пауза» заканчивается значительно раньше (момент в). При этом остаточные напряжения сохраняются, однако их величина существенно ниже, чем к моменту начала стадии «пауза».

Установлено, что на стадии «импульс» сушка проходит в нерегулярном режиме. На базе анализа известных уравнений тепловлагопереноса при сушке

(П.С. Серговский, Г.С. Шубин) получено уравнение, характеризующее поле влажности в гигроскопической зоне на стадии нерегулярного режима, которое имеет вид

wm-w{XJ)

WM-WP

1— erf (• *

2ыат а

(1)

2 * 1

где erf(x) - Гауссов интеграл ошибок: erf (ж) = 1 —j= \е~г dz;

у] Л х

хг - толщина гигроскопической зоны;

W„н, Wp, - влажность предела насыщения, влажность равновесная,

влажность в заданной точке гигроскопической зоны; а' - коэффициент влагопроводности; а' - коэффициент влагообмена.

После ряда преобразований получено расчетное уравнение поля влажности в гигроскопической зоне

= (К, ~Wn)-erf(^) + Wn, (2)

где х - текущая координата в пределах 0 < х < хГ;

W„ - влажность сортимента на поверхности, величина которой рассчитывается по выражению

4(w -W)

W - > "■*—р—, (3)

" 2(а'/а')'Хг+А К ’

Получено уравнение, которое позволяет определить глубину гигроскопической зоны в зависимости от продолжительности стадии «импульс»

ГГ- КК„-Ю ,л\

ж =2,6■•ja-т---—————, (4)

г ’ v ir// I nr ом/ 1 4 '

2ІГ +Г -Ж ’

н п.н ~',г п

где ^„-начальная влажность древесины, при Жи> ]¥ш-

Показано, что поверхностная влажность становится равной равновесной уже на первых циклах импульсной сушки.

На базе анализа уравнения баланса влагопереноса на поверхности сортимента получено уравнение, позволяющее рассчитать величину поверхностной влажности после окончания стадии «пауза»

к,+4-ъ-х.

^ о'" , . <5>

^*г + 1

**ЭК

где а!эк - эквивалентный коэффициент влагопроводности, учитывающий перенос влаги путем термовлагопроводности.

В свою очередь,

а:=Я'а+*'%-Ц^),

IV -IV

' П.Н " П

где /г, /„ - температура на границе и на поверхности гигроскопической зоны, 8' - коэффициент термовлагопроводности.

(6)

На основе полученных уравнений и известной методики расчета сушильных напряжений (Б.Н. Уголев) разработана методика расчета напряжений, возникающих в цикле «импульс-пауза».

Расчет сушильных напряжений, возникающих в цикле «импульс-пауза» проводился с использованием методики, разработанной профессорами Уголе-вым Б.Н. и Скуратовым Н.В., по формуле

<г,=Е,(куЩ-Г1),

(7)

где а, - напряжение в /-м стержне многостержневой модели доски;

.Е, - показатель жесткости данного стержня; ку - коэффициент усушки (1 % влажности);

АЖ,- перепад гигроскопической влажности, равный для данного стержня Щ.пии- Ж (при Ж/.тах < Жпм); у,- уравновешивающая деформация, т.е. такая деформация, которую должны приобрести (и приобретают) стержни для уравновешивания напряжений по объему доски.

В качестве примера на рисунке 3 даны эпюры расчетных напряжений в доске из древесины березы толщиной 25 мм до начала (а) и после окончания (б) стадии «пауза».

Рисунок 3 - Эпюры напряжений в доске Б = 25 мм : а - после окончания стадии «импульс»; б - после окончания стадии «пауза»

Анализ эпюр подтверждает принятую нами схему развития напряжений, в соответствии с которой имеет место снижение сушильных напряжений на стадии «пауза». Так, в поверхностной зоне толщиной 1 мм сушильные напряжения снизились почти в 4 раза.

В третьей главе изложены результаты экспериментального исследования процессов, проходящих на стадиях «импульс» и «пауза» при различной влажности древесины. Эксперименты были проведены для проверки положений, выдвинутых при аналитическом изучении явлений, имеющих место при импульсной сушке пиломатериалов.

Опыты проводились в сушильной установке, полностью моделирующей промышленную сушильную камеру. Высушиваемые образцы выпиливались из сырых обрезных березовых досок. Они имели поперечное сечение 40x100 мм и длину 450-500 мм. По трем образцам, заложенным в установку, определялось температурное поле по толщине образца, текущая влажность материала, поверхностная влажность и сушильные напряжения. Регистрация и обработка опытных данных велась с помощью программы Oven process manager.

Анализ результатов проведенных опытных сушек, моделирующих сушильные циклы на различных этапах процесса сушки, подтвердил достоверность разработанной физической модели процесса сушки в цикле «импульс-пауза».

Характер изменения полей температуры на поверхности и в центре древесной пластины на стадиях «импульс» и «пауза», полученный экспериментально, в целом совпадает с результатом аналитического изучения процесса. Наиболее важным моментом следует отметить наличие положительного температурного перепада на стадии «пауза», что подтверждает появление потока влаги к поверхности под действием градиента температуры.

Наличие двух движущих сил процесса (градиента температуры и влажности) на стадии «пауза» обеспечивает более интенсивный перенос влаги из центральных в поверхностные зоны по сравнению с классической сушкой. При ограниченной способности испарения влаги с поверхности происходит перемещение влаги к поверхности из центральных зон. Резкое снижение интенсивности испарения (Шц —► 0) ведет к повышению влажности на поверхности в конце паузы по сравнению с моментом окончания импульса, что полностью подтверждено экспериментально. В среднем влажность на поверхности вырастает в 1,35 раза.

Экспериментально подтверждено существенное уменьшение остаточных деформаций и, соответственно, снижение напряжений в поверхностных слоях высушиваемого материала на стадии «пауза». По результатам проведенных опытов, остаточные деформации снижаются в среднем в 2,2 раза. Примерно во столько же раз снижаются остаточные напряжения. По результатам расчета напряжений при тех же условиях проведения цикла «импульс-пауза» (рисунок. 3) это соотношение примерно равно 4,5. Учитывая, что дисперсия по результатам опытов весьма значительна, а полученная величина лежит в доверительном интервале, полученный результат можно рассматривать как положительный.

Установлено соотношение количества удаляемой влаги на стадиях «импульс» и «пауза», которое зависит от влажности пиломатериалов. В начале суш-

ки при высокой влажности древесины количество удаленной влаги на стадии «пауза» относительно невелико и составляет 5-15 % (относительно к удаленной влаге за цикл), что связано с высокой степенью насыщенности сушильного агента на стадии «пауза» и малой интенсивностью влагообмена. В середине и к концу процесса эта величина возрастает до 30-35 %. Это означает, что при пониженной влажности древесины степень насыщенности сушильного агента заметно снижается, и, как следствие, возрастает его сушильный потенциал и интенсивность сушки на стадии «пауза».

Четвертая глава посвящена разработке режимов импульсной сушки пиломатериалов. Определена структура режима импульсной сушки. На стадии «импульс» режимными параметрами являются температура (е сушильного агента и продолжительность Тщ,. На стадии «пауза» режимным параметром является продолжительность тт.

Температура сушильного агента. Высший уровень температуры установлен равным 75 °С. Такая температура, с одной стороны, соответствует реально достижимой (теплоноситель - вода) в сушильных камерах, а с другой -обеспечивает полное сохранение природной прочности древесины. Этот же уровень температуры принят нами при разработке режимов импульсной сушки. При более низкой температуре, предусмотренной стандартными режимами, для режимов импульсной сушки ее повышали на 5 °С, но не более 75 °С. Такой температурный уровень был установлен нами при разработке режимов опытным путем (глава 1). Эти режимные параметры сохраняются и при разработке уточненных режимов.

Продолжительность стадии «импульс». Наиболее опасными для целостности материала являются напряжения растяжения, возникающие в гигроскопической зоне на начальном этапе процесса сушки. По мере просыхания материала эти напряжения снижаются, а на конечном этапе при перемене знака не представляют опасности. Поэтому принято решение определять продолжительность стадии «импульс» по предельно допустимым напряжениям в начальной стадии процесса.

Глубина зоны, в которой происходит изменение влажности в стадии «импульс», существенно зависит от степени насыщенности сушильного агента. Со снижением степени насыщенности, при прочих равных условиях, глубина этой зоны уменьшается.

Степень насыщенности сушильного агента является нерегулируемым параметром. Его величина определяется особенностями работы сушильной камеры. Анализ работы сушильных камер различного типа показал, что в период удаления свободной влаги степень насыщенности варьируется в пределах от

0,55 до 0,98. Для последующих расчетов его верхний предел ограничивается величиной, установленной стандартными режимами.

Процедура определения продолжительности стадии состоит в следующем. Для пиломатериалов выбранной породы и толщины задается глубина гигроскопической зоны хТ в пределах от 3 до 5 мм. По методике Б.Н. Уголева и

Н.В. Скуратова производится расчет сушильных а и предельно допустимых ^пр.рас напряжений в этой зоне для различной степени насыщенности сушильно-

го агента. По результатам расчета строятся кривые а =Лхг) и апр.рас =Дхг)- Точка пересечения этих кривых определяет глубину гигроскопической зоны хп, превышение которой опасно для целостности материала. Далее, по преобразованной формуле (4) рассчитывается продолжительность стадии х.

В качестве примера на рисунке 4 даны графики о = Дхг) и апр,рас =/[хг), построенные для пиломатериалов из древесины березы толщиной 25 мм при значениях ср, равным 0,80; 0,75; 0,65 и 0,55.

Как и следовало ожидать, сушильные напряжения при ср = 0,80 (что соответствует стандартному режиму для этого материала) не превышают предела прочности. Они достигают максимума при глубине гигроскопической зоны

0,35.. .0,4 см, а дальше, по мере ее углубления, начинают снижаться. Тем самым еще раз подтверждается безопасность стандартных режимов.

По мере снижения степени насыщенности глубина зоны хгк уменьшается. При достижении ср = 0,55 (минимального значения) глубина хгк достигает минимума - 2,5 мм. Эта величина принимается для дальнейших расчетов продолжительности стадии «импульс».

Ям

| 2,0

1 1,0

t =75 J “ 'с * = 0,80

-V

а <р - и — о У?

0.1 03 0.3 0,4 0,5 0.1 0,3 03 0,4 0.1 0,1 0,3 0.1 0,2 0,3

Глубина гигроскопической зоны.Гг, ад

Рисунок 4 - Определение критической глубины гигроскопической зоны для пиломатериалов из древесины березы толщиной 25 мм

Продолжительность стадии «пауза» тпа. Расчет продолжительности ведется по формуле, полученной на основе решений уравнения тепловлагопе-реноса (А.В. Лыков, Г.С. Шубин) при граничных условиях III рода для поверхности пластины

S1 2 sin ц-! -cosii,

M'aL К-К Н-1 + sinц, ■ cosЦ| где а'ш - эквивалентный коэффициент влагопроводности,

учитывающий перенос влаги за счет термовлагопроводности,

Wm Wp, WH - поверхностная, равновесная и начальная влажность соответственно !Wn определяется по уравнению (5)/,

(I,- - корни характеристического уравнения (А.В. Лыков).

На базе разработанной методики расчета продолжительности стадии «импульс» и стадии «пауза» выполнены расчеты режимных параметров сушки для пиломатериалов из древесины березы, дуба и сосны толщиной 25, 40 и 50 мм.

Таблица 1 - Режимы сушки пиломатериалов из древесины березы, осины,

липы, ольхи

Влажность Параметры Толщина пиломатериалов, мм

древесины, % режима 16-19 22-25 32-40 50 60

■Сим, час 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0

>35 1°С 75 75 69 67 61

■Спа, час 2,0 2,0 2,0 3,0 3,0

тим. час 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0

35-20 1°С 75 75 73 71 64

-Спа, час 2,0 2,0 2,0 3,0 3,0

тш, час 4,0 4,0 2,0 2,0 2,0

<20 1°С 75 75 75 75 75

Тпа, час 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

Для примера в таблице 1 приведены режимы импульсной сушки для группы пород: березы, осины, липы и ольхи. Группировка пород древесины взята из стандартных режимов, поскольку эти породы характеризуются близкими физико-механическими свойствами.

В диссертации даны рекомендации по проведению начального прогрева и кондиционирования пиломатериалов, основное отличие которых от технологии классической сушки состоит в том, что их рекомендуется проводить при психрометрической разности 6-8 °С, причем первую при температуре ступени режима, с которой начинается сушка, а вторую - при температуре последней ступени. При недостаточной мощности теплообменников допускается проведение начального прогрева и кондиционирования при температуре на 3-5 °С ниже рекомендованной.

В пятой главе рассмотрены результаты производственного внедрения технологии импульсной сушки. Производственное внедрение проводилось в экспериментальной сушильной камере вместимостью ~ 1,3 м3 пиломатериалов, установленной в лаборатории кафедры сушки и защиты древесины и сушильных камерах УПМ МГУЛ общей вместимостью ~ 50 м3.

Проверка разработанных режимов на безопасность с точки зрения целостности материала проводилась путем визуального осмотра пиломатериалов на наличие поверхностных трещин. Для пиломатериалов из древесины дуба, бука и тропических пород дополнительно определялось наличие внутренних трещин. Эффективность импульсной сушки устанавливается путем сравнения с классической: по относительному изменению продолжительности процесса, по качеству сушки (равномерность конечной влажности, перепад влажности по толщине, конечные остаточные деформации) и по расходу электроэнергии.

Для подтверждения более высокого качества импульсной сушки было решено провести сравнительные сушки пиломатериалов при равном количестве подведенной энергии.

Режимами импульсной и традиционной сушки были высушены березовые обрезные пиломатериалы поперечным сечением 50x160 мм с примерно

одинаковой начальной влажностью до влажности 7±0,3 % в экспериментальной сушилке. Как и следовало ожидать, при равном количестве подведенной энергии продолжительность процесса оказалась практически одинаковой. По показателям качества доски, высушенные режимами импульсной сушки, имели более высокие показатели качества (I категория) по сравнению с классическими (II категория).

Показатели качества сушки и расход электроэнергии были определены при проведении 28 сушек обрезных и необрезных пиломатериалов из древесины дуба, бука, ясеня, сосны, ольхи, березы, дуба мореного, а также тропических пород: эбена, махагони, мербау, ироко.

Нарушение целостности материала обнаружено не было. Качество сушки в большинстве случаев соответствовало I категории. В зависимости от характеристики высушиваемого материала имело место снижение расхода электроэнергии от 50 до 60 %.

В настоящее время технология импульсной сушки одобрена производственниками и внедрена на десятках предприятий отрасли.

Циклические изменения влажности древесины в процессе импульсной сушки вызывают периодические знакопостоянные, а в некоторых случаях и знакопеременные, колебания сушильных напряжений. Такие изменения вызывают явление усталости и могут приводить к снижению прочностных показателей материала, а в конечном итоге и к его преждевременному разрушению, т.к. амплитуда колебаний влажности достаточно значительна и может доходить на поверхности до 15-20 % при соответствующих этим перепадам напряжениях.

Эти обстоятельства определили целесообразность проведения испытаний древесины, прошедшей импульсную сушку, по основным показателям механических и эксплуатационных свойств древесины, к которым относятся испытания древесины на сжатие вдоль волокон, на статический изгиб, на ударную вязкость и твердость.

Первая серия опытов была проведена в лабораторной сушильной установке с использованием принципа парных образцов. Вторая серия - в промышленной сушилке путем случайной выборки заготовок из штабелей пиломатериалов. Определялись следующие показатели механических и эксплуатационных свойств древесины в соответствии с действующими стандартами: пределы прочности древесины при сжатии вдоль волокон, при статическом изгибе, статическую плотность и ударную вязкость при изгибе.

Анализ статистической обработки результатов испытаний показал, что изменений рассматриваемых показателей при импульсной сушке по сравнению с классической не обнаружено.

При анализе физической модели процесса (глава 2) установлено, что разность между средней влажностью древесины и равновесной влажностью на стадии «пауза» уменьшается по мере высушивания материала. К моменту окончания процесса эта разность оказывается достаточно малой и находящейся в пределах допустимого, с точки зрения качества сушки, перепада влажности по толщине материала.

Это обстоятельство дало основание считать, что по уровню равновесной влажности УУР при окончании стадии «пауза» в конце процесса сушки, а следовательно, по состоянию в этот момент сушильного агента можно судить о средней конечной влажности материала 1Уср.

Проведена статистическая обработка разности АЖ- Жср~Жр по результатам 12 опытных промышленных сушек пиломатериалов из древесины дуба, ясеня, ольхи и бука толщиной 25-35 мм.

На основании полученных результатов построен график зависимости средней влажности Жср от величины равновесной влажности Жр (рисунок 5) в диапазоне величины конечной влажности 6-24 %. Дополнительно на график нанесены линии, характеризующие границы доверительного интервала изменения среднего значения.

Установлено, что точность измерения средней конечной влажности повышается с ее уменьшением. Так, при конечной влажности Жср = 20 % величина вероятного двухстороннего интервала ее колебаний составляет ~ 11 %, а при Жср = 7 % этот интервал равен всего 3 %. С достаточной для производства точностью конечная влажность может быть определена в диапазоне от 6 до 11 %.

Равновесная влажность \УР, %

Рисунок 5 - зависимость '№ср от \УР

Оценка эффективности импульсной сушки проводится путем сравнения себестоимости сушки пиломатериалов, высушенных классическим и импульсным способом, при равной продолжительности процесса и одинаковом качестве сушки.

Для условного материала снижение себестоимости составляет около 17 %. Для пиломатериалов из древесины твердых лиственных пород снижение себестоимости сушки может доходить до 24 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведен анализ физических явлений, имеющих место в цикле «импульс-пауза». Установлено наличие движения влаги к поверхности на стадии «пауза» под действием градиента температуры и ее увлажнение.

2. Исследована особенность влагообмена на поверхности высушиваемого древесинного сортимента. Разработано уравнение для расчета коэффициента влагообмена в зависимости от основных факторов аналитическим путем вне зависимости от внутренних коэффициентов влагопереноса.

3. Проведен анализ развития сушильных напряжений на стадиях цикла. Показано, что на стадии «импульс» сушильные напряжения развиваются так же, как при классической сушке. На стадии «пауза» особенность процесса состоит в том, что за счет увлажнения поверхностной зоны происходит смена знака влажностных напряжений, приводящая к уменьшению остаточных деформаций, а в конечном итоге к снижению полных напряжений, возникших на стадии «импульс».

4. На базе анализа уравнений, характеризующих процесс сушки на стадии нерегулярного режима, составлены уравнения: для расчета поля влажности в гигроскопической зоне на стадии «импульс», для расчета поверхностной влажности после окончания стадии «пауза» в зависимости от продолжительности этих стадий.

5. На основе полученных уравнений произведен расчет сушильных напряжений, возникающих в цикле «импульс-пауза» в начальной стадии процесса сушки.

6. Анализ результатов проведенных опытных сушек, моделирующих сушильные циклы на различных этапах процесса сушки, подтвердил достоверность разработанной физической модели процесса сушки в цикле «импульс -пауза». Экспериментально подтверждено существенное уменьшение остаточных деформаций и, соответственно, снижение напряжений в поверхностных слоях высушиваемого материала на стадии «пауза». По результатам проведенных опытов остаточные деформации снижаются в среднем в 2,2 раза.

7. Установлено соотношение количества удаляемой влаги на стадиях «импульс» и «пауза», которое зависит от влажности пиломатериалов. В начале сушки при высокой влажности древесины количество удаленной влаги на стадии «пауза» относительно невелико и составляет 5-15 %, что связано с высокой степенью насыщенности сушильного агента на стадии «пауза» и малой интенсивностью влагообмена. В середине и к концу процесса эта величина возрастает до 30-35 %. Это означает, что при пониженной влажности древесины степень насыщенности сушильного агента заметно снижается, а интенсивность сушки на стадии «пауза» возрастает.

8. Определены основные параметры режимов импульсной сушки пиломатериалов. На стадии «импульс» параметрами режима сушки являются температура сушильного агента 1 °С и продолжительность стадии тим. Высший уровень температуры установлен равным 75 °С. Такая температура, с одной стороны, соответствует реально достижимой в сушильных камерах, а с другой - обеспе-

чивает полное сохранение природной прочности древесины. Продолжительность стадии «импульс» тим определена из условий, при которых развивающиеся напряжения не достигали предела прочности. На стадии «пауза» режимным параметром является продолжительность этой стадии тпа. Разработана методика расчета локальной влажности на поверхности по аналогии с решением уравнений теплопроводности. Разработана методика определения эквивалентного коэффициента влагопроводности а'ж, учитывающего явление термовлагопровод-ности в период стадии «пауза».

9. Рассчитаны параметры и составлены режимы импульсной сушки для основных отечественных пород.

10. Анализ проведенных производственных сушек подтвердил эффективность импульсной сушки пиломатериалов. В большинстве случаев качество сушки соответствовало I категории качества. Расход электроэнергии снизился в зависимости от толщины и породы древесины на 50-60 %.

11. Установлена зависимость состояния сушильного агента в конце стадии «пауза» от влажности древесины. С достаточной для производства точностью конечная влажность пиломатериалов в диапазоне от 6 до 11 % может быть определена по параметрам сушильного агента в конце паузы.

12. Проведена оценка эффективности импульсной сушки в плане снижения ее себестоимости по сравнению с классической сушкой. Показано, что для условного материала снижение себестоимости составляет около 17 %. Для пиломатериалов из древесины твердых лиственных пород снижение себестоимости сушки может доходить до 24 %.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях рекомендованных ВАК:

1.Косарин А.А. Особенности импульсной сушки пиломатериалов [Текст]/ А. А. Косарин// Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 4. - М.:МГУЛ,

2010,-С. 119-125.

2. Косарин А.А. Физические основы импульсной сушки пиломатериалов [Текст]/ А.А. Косарин, А.И. Расев// Труды IV Международной научнопрактической конференции СЭТТ - 2011, Т. 2. - М.,2011. - С. 107-114.

3. Косарин А.А. Пути повышения экономической эффективности сушки пиломатериалов [Текст]/ А.А. Косарин// Вестник МГУЛ - Лесной вестник. -№ 1(77). -М.:МГУЛ, 2011.-С. 114-117.

4. Косарин А.А. Режимы импульсной сушки пиломатериалов [Текст]/ Косарин А.А., Расев А.И.// Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 3 (79). - М.: МГУЛ, 2011.-С. 118-122.

В прочих изданиях:

5. Косарин А.А. Сушка дубовых пиломатериалов импульсными режимами в сушильной камере учебно-производственных мастерских (УПМ) МГУЛ [Текст]/ А.А. Косарин, Г.Н. Курышов // Науч. труды МГУЛ / Вып. 338. - М.: МГУЛ, 2007.-С. 31-33.

6. Косарин А.А. Способ контроля текущей влажности древесины при сушке импульсными режимами [Текст]/ А.А. Косарин, Г.Н. Курышов // Научные труды МГУЛ/ Вып. 338. М.: МГУЛ, 2007. - С. 29-31.

7. Косарин А.А. Сушка импульсными режимами в сушильных камерах МГУЛ с поперечно-горизонтальной циркуляцией [Текст]/ А.А. Косарин, Г.Н. Курышов // Науч. труды МГУЛ / Вып. 331. М.: МГУЛ, 2009. - С. 61-63.

8. Косарин А.А. Особенности механизма импульсной сушки пиломатериалов [Текст]/А.А. Косарин// Науч. труды МГУЛ /Вып. 349. - М.: МГУЛ,

2010. -С. 42-46.

9. Косарин А.А. Импульсная сушка заготовок из древесины махагони и мербау [Текст]/ А.А. Косарин, Г.Н. Курышов// Науч. труды МГУЛ / Вып. 349. -М.: МГУЛ, 2010.-С. 46-49.

10. Косарин А.А. Повышение экономической эффективности сушки пиломатериалов [Текст]/ А.А. Косарин, А.И. Расев // Дерево.ІШ. - М., 2011 - №4. -С. 112-117.

11. Косарин А.А. Импульсная сушка пиломатериалов [Текст]/ А.А. Косарин, А.И. Расев// Дерево.ІШ. - М.,2011. - № 6.

12. Косарин А.А. Импульсные режимы сушки для заготовок из древесины ироко [Текст]/ А.А. Косарин, Г.Н. Курышов// Науч. труды МГУЛ / Вып. 353. -М.'.МГУЛ, 2011. -С. 27-28.

13. Косарин А.А. Влияние импульсной сушки на прочностные показатели древесины [Текст]/ А.А. Косарин// Науч. труды МГУЛ / Вып. 353. - М.: МГУЛ,

2011.-С. 28-33.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 27.01 2012. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м3 Гарнитура «Таймс». Ризография. Уел. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 35.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

61 12-5/1 ^27

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи

КОС АРИН Анатолий Александрович ТЕХНОЛОГИЯ ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ^

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор

Г.С. Шубин

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... 3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ работ по импульсной сушке пиломатериалов............................. 15

1.2. Работы кафедры сушки и защиты древесины МГУЛ в области импульсной сушки пиломатериалов................................................................ 26

1.3. Задачи работы.............................................................................................. 35

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

2.1. Особенности механизма импульсной сушки пиломатериалов.............. 37

2.2. Характер развития сушильных напряжений при импульсной сушке пиломатериалов................................................................................................... 41

2.3. Аналитическое исследование процесса сушки в цикле «импульс-

пауза»................................................................................................................... 48

2.4. Анализ процесса влагообмена на поверхности древесины..................... 52

2.5. Аналитический расчет процесса импульсной сушки в цикле «импульс-пауза»................................................................................................ 61

2.6. Выводы. Задачи следующих этапов исследования................................. 70

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

3.1. Задачи исследования. Экспериментальная установка. Подготовка образцов.............................................................................................................. 73

3.2. Измерения при проведении исследований............................................... 76

3.3. Процедура проведения экспериментальных сушек, обсуждение их результатов. Выводы......................................................................................... 80

3.4. Выводы по главе.......................................................................................... 85

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

4.1. Структура режимов импульсной сушки......................................................................................................87

4.2. Параметры режимов сушки на стадии «импульс»....................................................................87

4.3. Продолжительность стадии «пауза»..................................................................................................................97

4.4. Режимы импульсной сушки пиломатериалов....................................................................................101

4.5. Режимы кондиционирования при импульсной сушке пиломатериалов 103

4.6. Выводы по главе..................................................................................................................................................................................108

ГЛАВА 5. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

5.1. Производственная проверка режимов импульсной сушки пиломатериалов.................................................................................................. 110

5.2. Влияние импульсной сушки на прочностные показатели древесины ... 120

5.3. О возможности определения конечной влажности пиломатериалов по состоянию сушильного агента....................................................................................................................................................131

5.4. Экономическая эффективность импульсной сушки пиломатериалов ... 137

5.5. Выводы по главе..................................................................................................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................................................................142

Библиографический список использованной литературы..........................................................148

Приложение 1............................................................................................................................................................................................................156

Приложение 2............................................................................................................................................................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее актуальной проблем развития современного деревообрабатывающего производства является разработка оборудования и технологий, предусматривающих экономию тепловой и электрической энергии. Это обусловлено тем, что цены на традиционные энергоносители (природный газ, нефтепродукты, электроэнергию) неуклонно повышаются, что неизбежно ведет к повышению издержек производства и, соответственно, снижению прибыли, получаемой предприятиями. В конечном итоге это отражается на потребителе, который вынужден платить все большую цену за изделия из древесины.

Неотъемлемой операцией в подавляющем большинстве технологических процессов деревообработки является сушка древесины. Доля затрат энергии на сушку составляет 75... 80 % общих энергетических затрат на технологический процесс.

Путями снижения энергетических затрат на сушку являются:

- отказ от традиционных источников тепловой энергии и переход на использование для этой цели отходов деревообработки;

- утилизация тепловой энергии отработавшего сушильного агента;

- совершенствование конструкций сушилок (разработка новых конструктивных схем, снижение материалоемкости, повышение качества тепло-гидроизоляции, применение более совершенного циркуляционного оборудования и пр.);

-разработка новых технологий сушки, позволяющих снизить затраты тепловой и электрической энергии.

Рассмотрим подробнее каждое из этих направлений

Отказ от традиционных источников тепловой энергии. Количество отходов (опилки, стружка, рейки и другие кусковые отходы) на деревообрабатывающих производствах, в зависимости от его типа и вида выпускаемой продукции, составляет от 35 до 75 %. Их наибольшее количество имеет место на

предприятиях с полным технологическим циклом. Рациональный путь их утилизации состоит в получении тепловой энергии путем сжигания. При этом один килограмм древесины при сжигании дает, в зависимости от ее влажности, от 2,5 до 5,0 кВт-ч тепловой энергии. Отходы, в количестве 30...35 % от их общего объема, полностью обеспечивают потребность тепловой энергии на сушку пиломатериалов. Добавив к тому, что древесина является экологически чистым и возобновляемым источником энергии, можно считать, что при существующих ценах на другие энергоносители (таблица 1), древесные отходы являются безальтернативным источником тепла для деревообрабатывающих предприятий.

Таблица 1 - Цены на различные источники тепловой энергии (данные кафедры сушки и защиты древесины МГУЛ, 2009 г.) _

Источник тепловой энергии Цена 1 кВт-ч тепловой энергии на сушку, руб.

Электроэнергия 2,0...3,0

Технологический водяной пар (от ТЭЦ) 0,5...0,7

Природный газ 0,18...0,25

Отходы деревообрабатывающих производств 0,09...0,12

Утилизация тепловой энергии. На подавляющем большинстве деревообрабатывающих предприятий сушка пиломатериалов осуществляется в конвективных сушильных камерах. Расход тепловой энергии на сушку в них, в зависимости от состояния камер, характеристики высушиваемых пиломатериалов колеблется от 1,0 до 1,5 кВт-ч на один кг испаренной из древесины воды, причем только 0,3...0,8 кВт-ч/кг являются затраченными безвозвратно (тепло, израсходованное на нагревание древесины, и тепловые потери через ограждения). Тепловая энергия, затраченная на испарение влаги из древесины, равная 0,7...0,9 кВт-ч/кг может и должна быть утилизирована. Это достигается применением рекуператоров, которые дают экономию тепловой энергии до 20 % при

сушке пиломатериалов низкотемпературными режимами. Наибольшую экономию дают тепловые насосы с открытым контуром, исследование и разработка которых ведется на кафедре сушка и защита древесины МГУЛ (А.И. Расев, C.B. Кучер) [38, 40]. Особенность работы таких насосов в отличие от компрессорных, состоит в том, что в качестве рабочей жидкости используется не фреон, а вода. Вода, циркулируя в замкнутом контуре, аккумулирует тепловую энергию, выделившуюся в конденсаторе, установленном внутри сушильной камеры пиломатериалов, и численно равную расходу тепла на испарение влаги из высушиваемого материала. Эта энергия затем в том же количестве передается по назначению. В частности, она может быть использована для обогрева производственных и бытовых помещений, нагрева воды для технологических и бытовых нужд. Очень эффективно возвращенная энергия используется в специальных камерах для досушки пиломатериалов. Практика показала, что расход тепловой энергии на сушку пиломатериалов в этом случае снижается вдвое, что примерно на 50 % больше, чем в классических конденсационных сушилках, снабженных компрессионными тепловыми насосами.

Совершенствование конструкций сушилок. Мировая практика конструирования и строительства сушильных камер показывает, что в настоящее время наиболее распространены сборные конструкции, состоящие из «сэндвич» - панелей, имеющих вполне удовлетворительную тепло- гидроизоляцию, не требующие глубокого заложения фундаментов, снабженные формоустойчивы-ми дверями с надежной гидроизоляцией. Камеры имеют достаточно мощную систему циркуляции сушильного агента, оборудованную осевыми вентиляторами с электродвигателями, расположенными внутри камеры. Системы автоматического регулирования процесса сушки большинства современных сушилок имеют обратную связь, означающую, что состояние сушильного агента в камере изменяется в зависимости от результатов непрерывного измерения текущей влажности пиломатериалов.

Снижение энергетических затрат в этом направлении достигается косвенно, за счет уменьшения стоимости сушильных камер. Это осуществляется за счет разработки нетиповых (индивидуальных) проектов, применительно к конкретному предприятию, с учетом его особенностей, использованием для ограждений местных строительных материалов, применения отечественного теплового и циркуляционного оборудования, а также систем автоматического регулирования. В этом направлении кафедра сушки и защиты древесины под руководством проф. Расева А.И. успешно работает уже более 20 лет [36, 39]. Последние 15 лет автор настоящей работы активно участвует в разработке и монтаже систем автоматического регулирования процесса сушки, пусковых испытаниях сушильных камер [10, 11, 17, 19], построенных по проектам кафедры. Практика строительства сушильных камер по нетиповым проектам, с использованием местных строительных материалов, показала, что их стоимость в 1,5.. .2,5 раза ниже покупных сушильных камер.

Разработка новых технологий. Разработанные ранее технологии сушки и узаконенные в виде Государственных стандартов и Руководящих материалов по камерной сушке древесины [2, 3, 41] базировалась на использовании в качестве энергоносителя технологического водяного пара. Однако, как вновь создаваемые, так и модернизируемые предприятия, как правило, не имеют пара. Использование для целей сушки электрической энергии, как альтернативного источника, весьма проблематично, по причине ее высокой стоимости. Следовательно, эти технологии не могут быть реализованы и подлежат пересмотру.

Существовавшие стандартные режимы, по мнению автора, нельзя рассматривать как наиболее целесообразные из возможных режимов. Должны быть стандартизованы не режимы сушки, а показатели качества сушки пиломатериалов. Тогда это дает каждому исследователю, каждому производственнику-сушильщику возможности для изыскания новых путей повышения качества сушки и увеличения производительности камер.

В частности, на базе стандартных режимов сушки разработаны новые режимы [38, 39]. Они отличаются от стандартных тем, что температура сушильного агента не превышает 75 °С даже на последних ступенях режимов. Такой уровень температуры обусловлен тем, что температура греющей воды в теплообменниках камер не превышает 95 °С, а также тем, что обеспечивается устойчивая работа электродвигателей циркуляционных вентиляторов, установленных внутри камеры. Кроме того, при такой температуре полностью сохраняется природная прочность древесины. Разработанные режимы (далее по тексту -режимы МГУЛ) вошли в учебники [17, 38, 39] и Технологическую инструкцию по проведению сушки пиломатериалов, составленную на кафедре и рассылаемую по запросам предприятий.

Для проведения начальной обработки и влаготеплообработки стандартными технологиями предусматривалось увлажнение сушильного агента водяным паром. Такое увлажнение, с точки зрения энергосбережения, является затратным процессом. При прогреве или влаготеплообработке рекомендуется повышать температуру в камере на несколько градусов, при одновременном увеличении влажности сушильного агента. Для того чтобы это обеспечить, тепловая мощность установки N—> оо. Поскольку реально это недостижимо, то рекомендованные режимы выполнялись лишь частично, но при громадном перерасходе пара. Такое же самое наблюдается при попытке увлажнить сушильный агент распыленной водой при температуре сушильного агента (t = const). Вода подается в избыточном количестве, температура в камере уменьшается, а требуемого повышения влажности не происходит.

По новой технологии рекомендуются режимы начального прогрева и кондиционирования (по новой технологии влаготеплообработка не проводится), которые предусматривают обработку сушильного агента распыленной водой при / = const (адиабатический процесс). Увлажнение сушильного агента в этом случае проходит при существенном снижении затрат на тепловую энергию.

Экономию тепловой и в значительной степени электрической энергии обеспечивает способ импульсной конвективной сушки пиломатериалов. Такой способ известен относительно давно, но под различными названиями: способ сушки пиломатериалов «перемежающимися» режимами [32], способы сушки осциллирующими [30, 31], «прерывистыми» [25] и импульсными [37] режимами. Эти способы объединяет регулярное циклическое изменение температуры материала, при котором за периодом повышения температуры следует период ее понижения. Циклическое изменение температуры позволяет в периоде охлаждения дополнительно использовать такую движущую силу процесса как термовлагопро-водность, которая при определенных условиях может быть более эффективной, чем влагопроводность. Циклическое изменение температуры непосредственно связано с импульсным подводом тепловой энергии к высушиваемому материалу. Поэтому нами было решено назвать такой способ - импульсной сушкой.

Начало разработки и производственного внедрения технологии импульсной сушки пиломатериалов относится к 1991-92 гг., когда сотрудниками кафедры (А.И. Расев, Г.Н. Курышов и др.) был подан, а в 1995 г получен патент № 2027127 на этот способ. Начиная с 1992 г., к разработке режимов импульсной сушки и их внедрению в производство приступил автор этой работы, который в настоящее время возглавляет это научное направление на кафедре.

Данная работа в определенной степени подводит итог научной и производственной деятельности автора по импульсной конвективной сушке пиломатериалов.

Принцип импульсного подвода энергии был применен нами и для других способов сушки, таких как вакуумная, в электромагнитном поле ТВЧ или СВЧ [17, 36, 39]. Он показал свою эффективность, как в плане повышения качества сушки, так и снижения продолжительности процесса. Следует отметить, что вакуумная сушка пиломатериалов, обладая достоинством в существенном сокращении сроков сушки и высоком качестве высушенного материала, по сравнению с конвективной сушкой имеет более высокую себестоимость из-за высо-

кой цены на оборудование и повышенных эксплуатационных расходов. Сушка в электромагнитных полях, имея те же достоинства, отличается, помимо высоких затрат на оборудование и эксплуатацию, повышенным расходом электроэнергии. Однако, в некоторых случаях, для оперативной сушки пиломатериалов и заготовок, при производстве изделий из древесины с большой добавленной стоимостью применение этих способов может быть вполне обоснованным. Исследования в этом направлении на кафедре сушки и защиты древесины МГУЛ продолжаются, но к настоящему времени не являются законченными.

В предлагаемой ниже работе было решено ограничиться результатами исследования импульсной конвективной сушки пиломатериалов.

Работа посвящена исследованию процесса импульсной конвективной сушки пиломатериалов, попытке обосновать уже имеющиеся режимы, провести их корректировку, в свете вновь раскрытых закономерностей наметить пути их дальнейшего применения в промышленности.

Целью работы является разработка технологии импульсной сушки пиломатериалов и обоснование эффективности ее применения в промышленности.

Задачами настоящей работы являются следующие:

- анализ физических явлений, имеющих место в процессе импульсной сушки; выявление особенности его протекания на стадиях «импульс» и «пауза»; изучение полей температуры и влажности материала на стадиях «импульс» и «пауза»;

- анализ развития сушильных напряжений при импульсной сушке; выявление особенности их развития на стадиях «импульс» - «