CC BY
68
УДК 674.047 Л.С. Атрощенко
Атрощенко Леонид Степанович родился в 1937 г., окончил в 1961 г. Днепропетровский государственный университет по специальности физик-теоретик. Область научных интересов - стекольное производство, глубокий и низкий холод, влияние силовых полей на технологические процессы, аэро- и гидромеханика, магнитная гидромеханика, теория и практика тепло- и массообмена, химическая кинетика и технология и др.
ЭКСПРЕСС-СУШКА ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
Отмечены различия в технологии конвективной сушки в воздушно-паровых средах и жидкостях; изложены физические основы и особенности процесса экспресс-сушки в жидкостях; дана экономическая и производственно-техническая сравнительная оценка этих процессов.
Ключевые слова: экспресс-сушка, пиломатериалы, экономика, сушильная камера.
Основным методом сушки пиломатериалов в настоящее время является конвективная сушка. Однако она имеет следующие недостатки: большая продолжительность, высокая энергоемкость, оснащение камеры вентиляторами, нагревателями, сложными системами контроля и управления и, как следствие, высокие требования к профессионализму обслуживающего персонала. Кроме того, дополнительное оборудование и системы значительно увеличивают амортизационные отчисления на их содержание и себестоимость конечного продукта.
Существующие методы утилизации отходов переработки древесины недостаточно рациональны, как и варварское использование невосполнимых запасов нефти и угля в качестве источника энергии. Так как древесина - это долгосрочно «восполнимый» продукт, то получение химических веществ было бы в несколько раз рациональней, чем сжигание отходов.
Необходимо отметить, что даже передовые фирмы не полностью используют все возможности конвективной сушки пиломатериалов. Ее техническое усовершенствование позволило бы улучшить качество высушиваемого материала и снизило энергозатраты без увеличения интенсивности сушки.
Отдельными технологическими процессами являются антисептиро-вание, консервация и ликвидация возникающей в процессе атмосферной или конвективной сушек пятен синевы, побурения, пожелтения и т.д. До настоящего времени не удавалось получить качественную древесину, за исключением сушки и последующей пропитки в креозоте.
Нам удалось осуществить процесс сушки пиломатериалов в жидкости, в частности в парафине, получив при этом высокое качество конечного продукта. Ни одного из видов деформаций не наблюдалось, не обнаружено
трещинообразование, без дополнительных технологических приемов обеспечены влаго- и биозащита. Длина пиломатериалов не влияла на их качество.
Высокое качество сушки обеспечивалось тем, что разность температур по объему камеры не превышала 1 ... 2 °С, в то время как в конвективных сушильных камерах она может достигать 20...30 °С и вызывать значительные градиенты напряжений как в объеме, так и на поверхности пиломатериала. Первые вызывают деформации формы, а вторые - трещинообразование пиломатериалов.
Сравним показатели разных методов сушки по данным техническим характеристик конвективных сушильных камер фирмы KATR.ES (Деревооб-работчик. - 1998. - № 8) и сушильных камер (нашей разработки) с применением парафина в качестве рабочей жидкости.
Данные технических характеристик камер фирмы KATR.ES приведены в табл. 1.
Типы камер выбраны по значениям удельной мощности. Отметим, что удельный расход теплоты находится в обратной зависимости от коэффициента заполнения. Вероятно, для оптимизации размеров приведенных типов камер необходимо произвести компьютерную оптимизацию по
Таблица 1
Тип камеры VK W W/Vд W/VK Кз q
KSMINI 32,40 6 30 5,00 0,26 0,185 5200
KSR2-6,5N 102,43 18 75 4,17 0,73 0,180 4517
KSR1-12,5N 287,50 60 320 5,33 1,11 0,210 5632
Примечание. VK - объем сушильной камеры, м3; ¥д - объем сушимой древесины, м3; W- затрачиваемая мощность, кВт; W/V- удельная мощность, затрачиваемая на сушку 1 м3 древесины, кВт/м3; Кз - коэффициент заполнения сушильной камеры, Кз = V / Vx, м3/м3; q - теплота, затраченная на сушку 1 м3 древесины от 60 до 8 % влажности, кДж/м3.
затратам теплоты на 1 м3 высушенной древесины q, так как отличие между ними составляет 25 % ((5632 - 4517)/5632). Такой резерв позволил бы значительно улучшить энергетические показатели сушильных камер фирмы KATRES.
Выполним расчет по определению необходимого количества теплоты для сушки древесины в камерах KATRES и камерах, предложенных автором.
Чтобы высушить 1 м3 древесины от влажности 60 до 8 % необходимо нагреть ее до температуры сушки, затем испарить влагу (301 кг - из сосны, 328 кг - из дуба).
Теплоемкость Со сухой массы древесины любого типа выражается следующим соотношением:
С0 = 0,25 + 0,0006 А/1,
где & - температура, °С.
При нагреве древесины от 20 до 120 °С (А/ = 100 °С) теплоемкость С0 = 2,772 кДж/(кг-°С).
Мокрая древесина будет иметь более высокую теплоемкость из-за содержащейся в ней влаги. Приняв удельную теплоемкость воды Св = = 4,19 кДж/(кг-°С), рассчитаем теплоемкость сырой древесина по формуле
С = (М + Со)/(1 + М) + А,
где М - относительное влагосодержание древесины;
А - эмпирическая величина, зависящая от влагосодержания и температуры.
Рассчитаем расход теплоты на разогрев и сушку древесины сосны и дуба с начальной влажностью 60 и конечной 8 %. Примем: первоначальная температура загружаемого материала 20 °С, температура процесса сушки 120 °С (прогрев на 100 °С).
Теплоемкость при влажности 8 %: для сосны С\ = 2,72 кДж/(кг-°С), для дуба Сп = 2,39 кДж/(кг-°С). Пересчитаем эту теплоемкость на 1 м1 древесины: Сл = 1365,44 кДж/(кг-°С), С2 = 1808,7 кДж/(кг-°С).
Таблица 2
5* _
Тип Затраты на 1 м3 д эевесины при кпд
камеры 50 % 75 %
К8МШ 0,405 0,250
К8И2-6,5М 0,470 0,290
К8Я1-12,5М 0,374 0,340
Воспользуемся для расчета теплоемкости сырой древесины упрощенной формулой:
С = Со(1 - М) + СМ, где Св - теплоемкость влаги.
Для прогрева древесины дуба и влаги, содержащейся в древесине, и испарения ее от 60 до 8 % необходимо затратить 386 кВт-ч электроэнергии, для сосны - 240 кВт-ч.
Используем данные табл. 1 и составим сравнительную таблицу относительных затрат на 1 м3 древесины при сушке в парафине и в конвективных сушилках. Расчеты ведем при коэффициенте полезного действия (кпд) сушильной камеры 50 и 75 % (табл. 2).
Анализируя данные табл. 2, делаем вывод, что сушка в жидкостях позволит снизить энергоемкость процесса в 2,5-4 раза. При тех же показателях теплового сопротивления стенок сушилок потери теплоты для жидкостных сушилок могут достигать всего 5 ... 10 %.
Практика строительства и эксплуатации жидкостных сушильных камер показала, что за счет слоя асбесто-гипсовой теплоизоляции толщиной
4 мм и слоя фольги на наружной поверхности достигается температура 36 °С. Ее можно снизить, применяя дополнительный слой фольги.
Продолжительность сушки в парафине досок дуба толщиной 55 мм составляет 6 ч, в то время как при конвективной сушке - 40 сут, т.е. скорость сушки увеличивается в 176 раз.
За базовую примем камеру KSR2-6,5N, площадь которой 6,70x4,47= = 30 м2 и удельная производительность на единицу площади в единицу времени составляет 5,7 • 10~4 м7(м2-ч). При сушке в жидкости удельная производительность - 630,0-10~4 м7(м2-ч). Сравнивая выход высушенной древесины с единицы производственной площади в единицу времени, имеем для жидкостной сушки увеличение в 110 раз по сравнению с конвективной.
Сравним удельную производительность единицы объема сушильной камеры в единицу времени при производстве 1 м1 древесины в камере KSR2-6,5N (объем 102,43 м1) и жидкостной камере соответственно 1,7 • 10~4 и 580,0- 10 4м7(м3-ч).
Таким образом, удельная нагрузка на единицу объема камеры увеличивается более чем в 300 раз. Отметим, что для жидкостной сушки коэффициент заполнения составляет от 0,4 до 0,6, что в 2-3 раза выше, чем для конвективной сушки.
Разработанная нами сушильная камера представляет собой прямоугольный параллелепипед, изготовленный из листовой стали Ст. 3 толщиной 3 мм, снабженный сменным кассетником для укладки древесины, теплоизоляцией, теплообменником, конструкция которого зависит от вида теплоносителя. Контроль процесса во времени ведут в соответствии с заданным температурным режимом в зависимости от породы древесины, толщины пиломатериала с помощью элементов управления автоматики и сигнализации (световая и звуковая, сообщающая об окончании процесса сушки). В настоящее время разрабатываются элементы, которые будут осуществлять также контроль влажности в процессе сушки с пересчетом ее значений при температуре 20 °С.
Реализованы сушильные камеры, в которых для процесса сушки использовали электронагревательные элементы, а также две камеры, работающие на опилках с обогревом уходящими газами. Использовать можно любой вид топлива. Следует отметить, что себестоимость энергоносителей (электроэнергия, жидкое или твердое топливо и газ) находится в соотношениях соответственно 1,0/0,6/0,4.
Поступила 17.06.04 г. Киев
L.S. Atroshchenko Express-drying of Sawn Timber
Differences in convection drying technology in air-and-vapor media and liquids are marked. Physical bases and peculiarities of express-drying process in liquids are stated. Economic and production-and-technical assessment of these processes is provided.
