CC BY
127
Р. Р. Сафин, Е. Ю. Разумов, Н. А. Оладышкина
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
Ключевые слова: сушка, термическая обработка, древесина.
В статье рассмотрен способ сушки и термической обработки древесины в среде дымовых газов, предложена установка для его осуществления. Приведены результаты математического и физического моделирования процесса прогрева пиломатериала на стадии термического модифицирования. Получено аналитическое выражение темпа повышения температуры среды.
Keywords: drying, thermal processing, wood.
In the article the method of drying and heat treatment of wood in the environment of flue gas, offer installation for its implementation. The results of mathematical and physical modeling of the heating timber on the stage of thermal modification. An analytical expression of the rate of increase in temperature of the medium.
Вследствие постепенного сужения возможных областей использования химически обработанной древесины и всё более ужесточающихся требований к самим химическим составам, что, в частности, видно из запрета Еврокомиссией применять древесину, обработанную антисептиками, содержащими соли тяжелых металлов, рынок потребления термообработанной древесины в последние годы постоянно расширяется, что также объясняется значительным улучшением эксплуатационных свойств древесины: повышается биологическая стойкость, снижается равновесная влажность, сокращается коэффициент разбухания древесины при увлажнении, существенно уменьшается возможность проникновения воды в материал, улучшаются декоративные свойства и т.д.
Несмотря на ряд преимуществ данная технология модифицирования древесины в нашей стране не нашла широкого применения вследствие высокой энергоемкости процесса, существенно увеличивающей себестоимость переработки древесины. Известные в настоящее время зарубежные технологии в процессе термообработки для защиты материала от кислорода, а также подвода тепловой энергии используют перегретый водяной пар или жидкую среду. Это, зачастую, приводит к большим энергозатратам и быстрому износу дорогостоящего оборудования вследствие воздействия высокотемпературной агрессивной среды [1].
Таким образом, исследование процессов термомодифицирования древесины и разработка конкурентоспособных отечественных технологий и оборудования следует считать актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.
В связи с изложенным выше, нами предложены способ и устройство сушки и термической обработки древесины. Применение данного метода позволит добиться снижения экономических затрат на процесс высокотемпературной сушки и термомодифицирования древесины, а также понижения себестоимости конструкции установки.
Процесс включает в себя размещение древесного топлива, например отходов древесины в камеру сгорания для получения дымового газа, сжигание его и ввод высокотемпе-
ратурного дымового газа в камеру. В камере размещена древесина для тепловой сушки дымовым газом, который поддерживается при высокой концентрации. В камере кроме процесса сушки древесного материала осуществляется и процесс термомодифицирования, включающий в себя стадию постепенного нагрева древесины до температуры 160-170°С путем подачи дымовых газов высокой концентрации, поддерживаемой на уровне 95-100 об.%, и их непрерывной многократной циркуляцией в камере, а по достижении 160-170°С происходит подача дымовых газов из топки в теплообменник и дальнейший нагрев до 180-220°С осуществляется за счет теплопередачи между парогазовой смесью, циркулирующей в камере, и дымовыми газами, подаваемыми в теплообменник.
Для реализации способа предложена установка, которая представляет собой металлическую теплоизолированную камеру, включающую в себя рельсы для загрузки/выгрузки модифицируемого материала, створки герметизирующие камеру после загрузки материала, топочную камеру.
Суть работы установки заключается в следующем: дымовые газы через первый газоход подаются в камеру модифицирования, снабженную внутренним аэродинамическим контуром, обеспечивающим многократную циркуляцию находящейся в камере паровоздушной смеси через штабель пиломатериалов. Внутренний аэродинамический контур снабжен теплообменником и центробежным вентилятором, имеющим сдвоенный кожух-улитку для создания двух потоков парогазовой смеси. Меньший поток выбрасывается в атмосферу, предотвращая повышение давления в камере за счет поступления дымовых газов из топки, больший поток направляется для последующего разбавления с дымовыми газами и дальнейшей циркуляции через штабель пиломатериалов, причем оба выхода кожуха-улитки снабжены эжекторами. Теплообменник внутреннего аэродинамического контура сообщается с топкой через второй газоход таким образом, что в начале процесса дымовые газы подаются во внутренний аэродинамический контур через первый газоход, а по достижении в камере 160-170°С дымовые газы из топки через второй газоход подаются в теплообменник для нагрева паровоздушной смеси, находящейся в камере, путем теплопередачи.
Пример осуществления способа показан на рис. 1, на котором представлено устройство в продольном и поперечном разрезах.
Камера термомодифицирования представляет собой теплоизолированную металлическую камеру 1 со створками 2, имеющую два газохода 3 и 4, снабженных шиберными заслонками 5 и 6. Также внутри камеры находятся фальш-пол 7 и фальш-потолок 8, система трубопроводов по которым осуществляется циркуляция парогазовой смеси центробежным вентилятором 9, эжектирующие устройства 10, 11.
Процесс высокотемпературной сушки и термомодифицирования осуществляется следующим образом. В камеру 1 загружается древесный материал 12 через створки 2, которые затем плотно закрываются. После этого начинается подача дымовых газов из топки 13 в камеру через первый газоход 3. Для этого шиберную заслонку 5 открывают, а шиберную заслонку 6 оставляют закрытой. В нижней части камеры 1 в зоне первого газохода 3 установлен эжектор 10, который предназначен для создания разрежения и подсоса дымовых газов из топки 13. Дымовые газы из топки 13 через первый газоход 3 подаются в область фальш-пола 7 и через его перфорацию поступают во внутреннюю часть камеры для проведения первоначального процесса высокотемпературной сушки, который осуществляется при температуре 105-130°С. Далее дымовые газы, прошедшие через штабель пиломатериалов 12, поступают через перфорацию фальш-потолка 8 в газоход 14. Циркуляция дымовых газов в указанном внутреннем аэродинамическом контуре осуществляется при по-
мощи центробежного вентилятора 9. Вентилятор 9 имеет специальный кожух-улитку 15, снабженную двумя выходами 16 и 17. Меньший газовый поток направляется на выход 16 для выброса в атмосферу через эжектор 11, способствующий подсосу дымовых газов из топки 13. Больший газовый поток направляется на выход 17, а затем в газоход 14 для циркуляции во внутренней области камеры 1. На выходе газохода 14 установлен эжектор 10, создающий разрежение в этой области и способствующий подсосу дымовых газов из топки 13 по первому газоходу 3 во внутреннюю область камеры 1. После сушки материала до абсолютно сухого состояния температуру в камере 1 повышают до 160-170°С для начала процесса термомодифицирования. При этом концентрацию дымовых газов в камере 1 доводят до высокого уровня 95-100 об.%. В топке 13 ведут постоянный контроль за подачей кислорода, с целью недопущения его попадания в рабочую область камеры 1 во избежание обугливания и возгорания древесного материала 12. По достижении температуры 160-170°С доступ дымовых газов в камеру 1 прекращается путем перекрытия шиберной заслонки 5. При этом шиберную заслонку 6 открывают. Дальнейший нагрев парогазовой смеси, циркулирующей в рабочей полости камеры 1, осуществляется путем теплопередачи через стенку газохода 14 до достижения в камере 1 температуры 180-220°С. После достижения необходимого температурного режима древесина выдерживается в течении 3-5 часов в зависимости от необходимой степени термической обработки. После окончания процесса термомодифицирования древесный материал охлаждается до 100°С путем диспергирования воды в камеру 1 через форсунки водопровода 18. Далее охлажденную древесину выгружают из камеры через открытые створки 2.
Рис. 1 - Схема экспериментального стенда устройства сушки и термической обработки древесины
Значение переходной температуры равное 160-170°С объясняется тем, что более высокая температура в камере при неконтролируемом содержании кислорода в топке может привести к окислению и обугливанию древесного материала, а при более низкой тем-
пературе увеличивается продолжительность стадии повышения температуры до требуемого значения вследствие снижения интенсивности теплоподвода за счет теплопередачи через стенки газохода по сравнению с прямым нагревом дымовыми газами.
Нижний предел температуры дымовых газов, принимается равным 180°С, поскольку более низкие температуры не позволяют добиться необходимой степени модифицирования. Верхний предел температуры топочных газов в камере термомодифицирования, принимается равным 220°С, поскольку более высокие температуры могут привести к неконтролируемому разложению древесины (пиролизу) [2].
Использование подобного технического решения позволяет получать дешевую тепловую энергию, а также быть энергонезависимыми от источников питания в процессе термомодифицирования за счет использования отходов деревообработки.
Для обеспечения возможности определения рациональных режимов ведения процесса и подбора оборудования была разработана математическая модель. Для решения стадии прогрева пиломатериала может быть использовано дифференциальное уравнение тепломассопереноса для одномерной симметричной пластины [3]:
дТ (д2 Т
—^ = аТ "
дх
т
. дх2 )
Для решения этого уравнения были использованы следующие краевые условия:
а-(Т -Т) = -^дТ-
\ м.пов /
(1)
(2)
дх
Т" (0; х) = const. (3)
Результаты проведенного математического и физического моделирования показали, что одномоментный подъем температуры нагрева среды до заданного режима вызывает существенное запаздывание изменения температуры центральных слоев пиломатериала по сравнению с его поверхностными слоями, обуславливающее большее модифицирование последних по сравнению с центральными слоями и, как следствие, неравномерную цветовую гамму по сечению древесины. Многоступенчатое повышение температуры среды значительно сокращает неравномерность термической обработки по сечению материала, однако не полностью решает данную проблему.
Наиболее равномерную окраску по сечению пиломатериала позволяет добиться постепенное изменение температуры среды по определенному закону. Для удобства инженерного использования по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований процесса термомодифицирования древесины получено аналитическое выражение темпа повышения температуры среды в зависимости от толщины и плотности образца:
] = 1,58 - 2,004 In S + 35096,5
AxJ 2 р2
3
ln|^-| = 1,58 - 2,004 ln^- + з , (4)
где Э - толщина образца, мм; р- базисная плотность древесины, кг/м .
Данная зависимость получена аппроксимацией результатов исследований термомодифицирования пиломатериалов толщиной 8-60 мм и плотностью 300-600 кг/м3. В качестве начального условия принималась температура начала термомодифицирования древесины после стадии сушки, равная 100°С.
С помощью полученной формулы можно рассчитать изменение температуры нагрева агента обработки с целью получения наиболее равномерной степени термического мо-
дифицирования древесины по всему объему. Графически данная зависимость представлена на рис. 2.
Рис. 2 - График зависимости темпа повышения температуры агента обработки от толщины образца и его плотности
Применение данной технологии термомодифицирования древесных материалов с использованием дымовых газов позволяет сделать процесс получения термодревесины менее энергозатратным, а полученные зависимости - наиболее рационально определить режимы его проведения. В разработанной установке по тепловой обработке пиломатериалов параллельно с процессом термомодифицирования можно проводить сушку за счет невостребованной тепловой энергии дымовых газов, что существенно влияет на энергоемкость и стоимость процесса. Таким образом, возможно отказаться от дорогостоящих зарубежных технологий термомодифицирования, при этом не снижая качества получаемой продукции.
Литература
1. Ахметова, Д.А. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины: дис. ... канд. тех. Наук: 05.14.04 / Ахметова Дина Анасовна. - Казань, 2009. - 150 с.
2. Сафин, Р.Р. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов, Р.М. Иманаев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - №6. - С. 78-85.
3. Лыков, А.В. Теория сушки / А. В. Лыков [и др.] - М.: «Энергия», 1968. - 472 с.
© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ; Е. Ю. Разумов - канд. техн. наук, докторант той же кафедры; Н. А. Оладышкина - уч. мастер, магистр той же кафедры, [email protected].
