CC BY
88
УДК 674.047.3:66.047.92
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ ПРИ КОНВЕКТИВНЫХ МЕТОДАХ ПОДВОДА ТЕПЛА
Р.Р. Сафин
Кафедра «Переработка древесных материалов»
Казанский государственный технологический университет
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: древесина; перегретый пар; сушка.
Аннотация: Предложена технология вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов, на стадии прогрева которой использован перегретый пар с целью интенсификации теплообменных процессов и релаксации сушильных напряжений. Приведены результаты математического моделирования, которые могут быть использованы при выдаче рекомендаций по режимным параметрам процесса.
Обозначения
ат - коэффициент температуропроводности,
м2/с;
ат - коэффициент массопроводности, м2/с; а, п - коэффициенты в уравнении изотермы Фрейндлиха;
с - удельная теплоемкость, Дж/(кг К);
г-' 2
г - площадь поверхности пиломатериалов, м ; у - поток массы, кг/(м2с); т - масса, кг;
Р - давление, Па;
Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К);
г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг;
Т - температура, К; и - влагосодержание материала, кг/кг;
V - объем, м3;
Ш - влажность материала, %; а - коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2сК);
Р - коэффициент массоотдачи, м/с;
Ди - изменение интегрального влагосо-держания материала, кг/кг;
8 - относительный термоградиентный коэффициент, 1/К;
е - критерий парообразования; р - плотность, кг/м3;
1 - коэффициент теплопроводности, Дж/(м-с-К);
т - молекулярная масса, кг/кмоль; х - текущее время, с.
Индексы
б - базисная;
в - пар, поступающий в камеру из парогенератора;
д.в - древесинное вещество; к - пар, конденсирующийся на поверхности пиломатериалов; м - материал; п - пар;
пг - парогенератор; пов - поверхность; св - свободный; с.м - сухой материал; ср - среда;
1 - состояние после первого периода прогрева.
В последние годы деревообрабатывающая промышленность претерпевает существенные изменения, влекущие за собой переход на качественно новый уровень работы на рынке мебели и столярных изделий. На отечественный рынок поступает зарубежная высококонкурентная продукция, заставляя предприятия страны повышать качество изделий, в связи с этим встает вопрос переоснащения про-
изводственных мощностей. При этом одним из основных технологических процессов, оказывающих влияние на качество, себестоимость продукции и продолжительность производственного цикла, на деревообрабатывающих предприятиях является сушка древесины.
Проведенный литературный анализ показал, что наиболее перспективными в области сушки древесины являются вакуумно-конвективные технологии, сушильный процесс в которых складывается из последовательно чередующихся стадий нагрева древесины и вакуумирования [1, 2]. Однако в существующих ва-куум-конвективных камерах на стадии прогрева применяется горячий воздух, который приводит к удалению влаги с поверхностных слоев в процессе прогрева древесины и, как следствие, к снижению качества пиломатериала. Поэтому в данных типах сушилок требуется строгое регулирование влагосодержания среды. В то же время известно, что использование перегретого пара на стадии прогрева упрощает управление сушильной установкой и интенсифицирует стадию прогрева, одновременно выполняя роль промежуточной влаготеплообработки.
В связи с этим нами был предложен вакуум-осциллирующий способ сушки пиломатериалов в среде перегретого пара. Процесс сушки целесообразно начинать с откачки инертного газа из рабочей полости аппарата (рис. 1), что влечет за собой отсутствие фазового сопротивления и интенсификацию процесса прогрева.
После создания вакуума начинается стадия прогрева, которую можно разделить на два периода:
1) прогрева материала при наличии фазовых переходов теплоносителя;
2) конвективного прогрева материала в среде перегретого пара.
Первый период начинается в момент подачи пара из парогенератора в камеру сушки и характеризуется конденсацией пара на холодной поверхности материала, вследствие чего начинается общий прогрев и увлажнение пиломатериала. Не-сконденсировавшаяся часть пара идет на создание паровой среды.
Материальный баланс по пару в этом случае можно представить в следующем виде
йшъ = йшп + йшк , (1)
где количество пара, поступающего в камеру за бесконечно малый промежуток времени, определяется из соотношения
dmE = |m'
,pd
2
2k'
k'+1
рпг рІ]
P
Рпг
п
Рпг
k+1
k'
dt
(2)
Рис. 1. Схема ведения вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов в среде перегретого пара
4
Выражение для определения количества пара, поступающего на повышение давления среды в свободном пространстве камеры сушки, имеет вид
dmп =
V TdP - PdT
R
T
2
(3)
Пар, конденсирующийся на поверхности пиломатериала ёшк, вызывает его прогрев и частичное увлажнение. Для описания тепломассопереноса внутри пиломатериала воспользуемся дифференциальными уравнениями А.В. Лыкова [3], которые применительно к одномерной симметричной пластине и для однокомпонентной жидкости можно записать в виде:
Эи
Эх
ЭТм
- = а„
Эх2
+ amd
Э
Эт
- = aт
( 2гр Л Э Тм
Эх2
+ е-
Эх2
r Эи
У
См Эт
(4)
(5)
При отсутствии фазовых превращений внутри пластины в уравнении (5) критерий парообразования е равен нулю. Тогда дифференциальное уравнение сводится к уравнению теплопроводности Фурье
ЭТм
Эт
( л2гр Л
Э Тм Эх2
(б)
Расчет системы уравнений (3), (5) проводится при следующих краевых усло-
виях:
rdmK =-1 ЭТ м
FdT
Эх
(7)
х=0
U (G; х) = UG ; 'Гм (0; х) = ?м.0 ■
(8)
(9)
Выражение для влажности поверхности пиломатериала вытекает из условия максимально возможного влагосодержания данной породы древесины [4]
ипов
(рд.в рб )рж рд.врб
(10)
После подачи в сушильную камеру определенной порции водяного пара начинается второй период прогрева материала. Для этого прекращается подача пара в камеру, в работе остаются калориферы и вентилятор для принудительного движения паровой среды, наряду с переносом влаги внутрь древесины наблюдается снижение влагосодержания поверхности пиломатериала.
Прогрев материала в условиях вынужденного движения перегретого пара описывается системой уравнений (3), (5) при начальных условиях, представляющих собой поля температур и влажности по сечению материала после I периода стадии прогрева. Граничные условия записываются выражениями:
«^п ^ов) ./повr 1
ЭТм
Эх
(11)
х=0
/пов Р(рпов р) 0,
(12)
= a
т
при этом поток влаги к поверхности массообмена определяется соотношением
Лов = р0 I a
dU
dx
+аШ5^
x=0
dx
x=0
Давление паровой среды в камере с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть определено из уравнения Менделеева-Клапейрона
Р =
(Шп + mCM AU) RT М-^св
(14)
После прогрева пиломатериала включением конденсатора начинается стадия вакуумирования.
Стадию вакуумирования также можно подразделить на два периода: процесс понижения давления и выдержка нагретого материала в условиях вакуума.
Интенсивности изменения давления и температуры паровой среды в процессе понижения давления определяются из выражений
dP_ d t
FRT
^свМ‘
- P
Qc.n
Vcb
1T
T d t
(15)
dT_ d t
aFR (TM .пов
T) Qc.n +FRTj
РМ^С
Vcb PM
Т.
(16)
Вследствие того, что в рабочей полости аппарата отсутствует инертный газ и имеются лишь водяные пары, фигурирующая в уравнениях (12), (13) объемная производительность системы удаления пара <2сп будет равна объемной производительности конденсатора.
После создания в камере рабочего вакуума, материал еще сохраняет тепловую энергию, достаточную для удаления влаги, поэтому высушиваемый пиломатериал выдерживается при остаточном давлении до снижения температуры в центре материала до некоторого значения. Тепломассоперенос в пиломатериале на стадии вакуумирования описывается дифференциальными уравнениями Лыкова. Начальные условия представляют собой поля температур и влажности по сечению материала после стадии прогрева пиломатериала в среде перегретого пара. Граничные условия записываются в виде:
( Р Л"
; (18)
UnOB a
P
V нас у
-1dTM
dx
jnOBr + ^.пов^/пов +a(TM.nOB Т ) .
(19)
х=0
После завершения стадии вакуумирования цикл «прогрев-вакуум» повторяется. Количество циклов определяется толщиной пиломатериала, начальной и конечной влажностью и породой древесины.
Для проверки разработанной математической модели на адекватность была создана экспериментальная установка [5, 6]. В качестве модельного материала для математических расчетов и экспериментальных исследований кинетики сушки была выбрана древесина березы бородавчатой, в связи с наличием в справочной литературе наиболее полных сведений о теплофизических и физико-механических свойствах данной породы.
Проверка модели на адекватность производилась на основе стандартной статистической обработки. Количественная оценка расхождения расчетных и экспе-
риментальных значений находится в пределах 18 %, что позволяет сделать вывод о возможности использования модели для теоретического исследования вакуум-осциллирующего способа сушки пиломатериалов.
С целью выдачи рекомендаций по режимам вакуум-осциллирующей сушки было проведено моделирование процесса, которое показало:
1) продолжительность прогрева снижается с повышением количества водяного пара в камере сушки, что объясняется интенсивным прогревом материала за счет конденсации (рис. 2). Поэтому, с одной стороны, целесообразным является максимально возможное повышение давления в камере в первом периоде прогрева. Однако, с другой стороны, чрезмерное увеличение количества влаги в аппарате приводит к значительному увлажнению материала в процессе прогрева и, как следствие, снижает величину влагосъема за один цикл сушки (рис. 3). Вследствие этого была определена величина давления среды в первом периоде в зависимости от влагосодержания высушиваемой древесины (рис. 4). Таким образом, для создания максимального влагосъема при минимальной продолжительности стадии прогрева древесины необходимо задаваться новой величиной давления Р1, зависящей от влагосодержания образца. Так, при высокой начальной влажности древесины, когда капилляры практически полностью заполнены свободной влагой, и дальнейшее увлажнение не приведет к значительному повышению влагосодержания, прогрев древесины целесообразно проводить, увеличивая продолжительность первого периода прогрева. При продолжении процесса сушки, когда влагосодер-жание материала падает, на первый план выходит прогрев в среде перегретого пара;
2) второй период прогрева целесообразно вести при высокой температуре перегретого пара (рис. 5), ограниченной предельной величиной градиента влажности и значением температуры, оказывающим негативное влияние на физикомеханические свойства древесины;
3) моделирование стадии вакуумирования показало, что величина влагосъе-ма зависит от остаточного давления в камере. Из рис. 6 видно, что величина вла-госъема с березового пиломатериала влагосодержанием 70 % и температурой 373 К с ростом остаточного давления снижается;
4) для определения рациональной продолжительности стадии вакуумирова-ния была исследована зависимость длительности процесса сушки березового пиломатериала до влажности икон = 12 % от остаточного градиента температуры, до которой выдерживался материал при пониженном давлении. Полученная зависимость представлена на рис. 7. Из графика видно, что выдержка под вакуумом целесообразна до значения градиента температуры, равного 1,2...1,3 К/мм, дальнейшая выдержка увеличивает продолжительность процесса сушки.
Результаты математического моделирования могут быть использованы при выдаче рекомендаций по режимным параметрам процесса вакуум-осциллирую-щей сушки пиломатериалов.
0 20 40 60 80 100 Р1, кПа 0 20 40 60 80 100 Рь кПа
Рис. 2. Зависимость продолжительности Рис. 3. Зависимость величины
стадии прогрева от давления в камере влагосъема за один цикл от давления
после первого периода в камере после первого периода
Рис. 4. Зависимость давления в первом периоде от величины интегрального влагосодержания пиломатериала в начале цикла «прогрев-вакуум»
ли, %
Рис. 5. Зависимость времени повышения температуры в центре пиломатериала (при 5 = 40 мм) на 20 К от температуры среды во втором периоде прогрева
, кПа
Рис. 6. Зависимость величины влагосъема от остаточного давления в камере
К
Лх ' мм
Рис. 7. Зависимость продолжительности процесса сушки от конечной величины перепада температуры по толщине образца
Результаты математического моделирования могут быть использованы при выдаче рекомендаций по режимным параметрам процесса вакуум-осциллирую-щей сушки пиломатериалов.
На основе аналитического и патентного исследований была разработана сушильная установка для реализации предлагаемого способа сушки. Проведенный технико-экономический анализ подтвердил эффективность созданного аппарата для сушки твердых пород древесины по сравнению с традиционными конвективными способами, вследствие сокращения длительности процесса более чем в четыре раза без ущерба качеству высушиваемой древесины.
Список литературы
1. Кришер, О. Научные основы техники сушки / О. Кришер. - М. : Иностранная литература, 1961. - 232 с.
2. Расев, А.И. Конвективно-вакуумная сушилка для пиломатериалов / А.И. Ра-сев, Д.М. Олексив // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1993. - № 4. -С. 9-10.
3. Лыков, А.В. Теория сушки / М.В. Лыков. - М. : Энергия, 1968. - 472 с.
4. Боровиков, А.М. Справочник по древесине / А.М. Боровиков ; под ред. Б.Н. Уголева. - М. : Лесн. пром-сть, 1989. - 296 с.
5. Экспериментальные исследования в области вакуум-конвективной сушки пиломатерилов / Р.Р. Сафин, В.А. Лашков, Р.Г. Сафин, Л.Г. Голубев // Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Химико-лесной комплекс - научное и кадровое обеспечение в XXI веке. Проблемы и решения». -Красноярск, 2000. - С. 110-111.
6. Исследование конвективной сушки пиломатериалов при стационарном пониженном давлении / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин, Е.К. Воронин // Труды IV Международного симпозиума «Строение, свойства и качество древесины». - СПб., 2004. - С. 523-526.
Research into Vacuum Drying of Timber Using Convective Techniques of Heat Supply
R.R. Safin
Department «Timber Processing»
Kazan State Technological University
Key words and phrases: drying; superheated steam; timber.
Abstract: The technology of vacuum-oscillating drying of timber is proposed; superheated steam is used at the heating stage in order to intensify heat transfer processes and relax drying stress. The results of mathematical modeling are given; those can be used for recommendations on mode parameters of the process.
Untersuchung der Prozesse des Vakuumtrocknens des Sageholzes bei den Konvektivmethoden der Warmezufuhrung
Zusammenfassung: Es ist die Technologie des vakuum-oszillierenden Trocknens des Sageholzes angeboten. Auf das Stadium des Anwarmens ist den uberhitzenden Dampf mit dem Ziel der Intensivierung der warmeaustauschenden Prozesse und der Relaxation der Trockenspannungen verwendet. Es sind die Ergebnisse der matematischen Modellierung angefuhrt, die bei der Ausgabe der Empfehlungen nach den Betriebsparametern des Prozesses zu verwenden sind.
Etude des processus du sechage dans le vide des sciages lors des methodes de convention de l’apport calorifique
Resume: Est proposee la technologie du sechage oscille dans le vide des sciages au stade du chauffage de laquelle est utilisee la vapeur surchauffee dans le but d’intensifier les processus de l’echange calorifique et de la relaxion des tensions de sechage. Sont cites les resultats du modelage mathematique qu’on pourrait utiliser lors des recommandations pour les parametres de regime du processus.
