Исследование режимов сушки в вакуум-осциллирующей установке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 674.04

Р. Р. Хасаншин, Ш. Р. Мухаметзянов

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ СУШКИ В ВАКУУМ-ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКЕ

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, вакуум-осциллирующая сушка, древесина.

В статье описана энергосберегающая технология сушки древесины в вакуум-осциллирующей установке, представлены режимы сушки, приведены исследования с последующим их анализом для выявления наиболее эффективного режима сушки.

Keywords: power saving up technologies, vacuum oscillating drying, wood.

The article describes the power-saving technology of drying of wood in vacuum-oscillating installation and drying modes. There research and their subsequent analysis to identify the most effective mode of drying are given.

Одним из основных технологических процессов, оказывающих влияние на качество, себестоимость продукции и продолжительность производственного цикла на деревообрабатывающих предприятиях является сушка древесины. Современные тенденции совершенствования сушильного оборудования носят в последнее время не только эволюционный характер, направленный на улучшение характеристик действующего комплекса, но и революционный, принципиальным образом устраняющий недостатки существующих технологий сушки. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что вакуумно-осциллирующий способ обезвоживания продуктов позволяет вести высокоинтенсивный процесс сушки при невысокой температуре среды при сохранении всех природных свойств материала [1]. Испарение воды, начинающееся при более низкой температуре температур (так например, температура кипения воды при давлении 0,01 МПа составляет всего 45,5 °С), приводит к существенному снижению энергетических затрат на сушку, уменьшает деструкцию древесины, и при этом не влияет на изменение цвета [2].

Особенностью разработанной сушильной камеры (см. рис. 1) является конденсационная установка, позволяющая осуществлять нагрев материалов в одной камере за счет тепла, отведенного из другой камеры на стадии вакуумирования, что позволяет существенно снизить энергозатраты на процесс сушки продуктов и отказаться от использования массивных емкостей для испарительного охлаждения хладагента конденсатора.

Сушильный комплекс включает два герметичных корпуса 1 и 9, с установленными внутри каждого из них калориферами 3, 7, конденсатором 10, вакуум-насос 11, конденсационное оборудование, включающее два компрессора 5 [3].

На процесс передачи тепловой энергии из одной камеры в другую с помощью конденсационного оборудования затрачивается меньшее количество энергии, чем величина передаваемой энергии, поэтому процесс прогрева материалов протекает при меньших энергозатратах. Так, на передачу тепловой энергии в 2,5 кВт/час из одной камеры в другую конденсационным оборудованием затрачивается 0,8 кВт/час. Кроме того, установка конденсационного оборудования позволяет избежать дополнительных затрат на охлаждение хладагента для конденсатора.

В качестве образцов для исследования процессов сушки на разработанной установке были использованы сосновые доски (150х100х20мм). Сушку материалов проводили вакуум-кондуктивным способом в осциллирующем режиме и при стационарном вакууме.

После загрузки высушиваемого материала 13 (см. рис. 1) в первую камеру 1 начинается стадия прогрева, для этого предварительно производится откачка инертного газа (воздуха) из рабочей полости аппарата. Одновременно включается калорифер 3. После завершения стадии

Рис. 1 - Установка вакуумно-осциллирующей сушки:

а - структурная схема: 1 - верхняя камера, 2 - манометр, 3 - электронагреватель, 4 -испаритель, 5 - компрессор, 6 - материал, 7 -нагревательный элемент (конденсатор), 8 -датчик температуры, 9 - нижняя камера, 10 - конденсатор, 11 - вакуумный насос, 12 -емкость;

б - внешний вид установки

прогрева продукта (стадия «импульс») в камере 1 включением конденсатора 6 начинается стадия вакуумирования (стадия «пауза»). Для этого в работу включается компрессор 10, который производит сжатие паров хладагента до заданного состояния и нагнетает сжатый (а, значит, нагретый) хладагент в калорифер 4 другой камеры, где производится конденсация его паров, вследствие передачи тепла высушиваемому материалу. Далее остывший хладагент проходит через дроссельный вентиль, где адиабатически расширяется и приобретает температуру, соответствующую давлению испарения. После чего жидкий хладагент испаряется при постоянной температуре в испарителе первой камеры, отнимая из нее тепловую энергию.

Таким образом, в первой камере начинается стадия вакуумирования и удаление влаги из материала, а во второй - стадия прогрева за счет тепла, отведенного из первой камеры.

Конденсационное оборудование, установленное на установке по вакуумно-осциллирующей сушки представляет собой две паровые холодильные компрессионные машины, испаритель и конденсатор которой помещены в различные камеры. Нагревательным элементом для кондуктивной сушки является конденсатор холодильной машины, который конденсируя хладагент отдает тепло материалу. Из рис.1 можно увидеть для первой холодильной машины испаритель 4 помещен в нижнюю камеру 9, а конденсатор 7 помещен в верхнюю 1; для второй холодильной машины наоборот испаритель 4 помещен в верхнюю камеру 1, конденсатор 7 - в нижнюю 9.

Сушильный процесс производился при различных режимах давления: нагревом в вакууме, а так же чередование нагрева и вакуума. Всего исследовано 2 режима:

1. Сушка в осциллирующем режиме;

2. Сушка при постоянном пониженном давлении;

Механизм протекания процесса сушки понижением давления можно раскрыть, базируясь на известных положениях теории сушки и законах равновесия между жидкостью и

паром. Понижение давления пара над поверхностью материала смещает динамическое равновесие в сторону испарения влаги. Испарение последней происходит за счет уменьшения аккумулированной тепловой энергии влажного материала. При отсутствии подвода тепла извне температура материала падает, а вследствие того, что испарение идет с поверхности, её температура ниже температуры в центре материала. Возникающий температурный градиент совпадает по направлению с градиентом влагосодержания и тем самым интенсифицирует перенос удаляемой влаги. При сушке понижением давления внутри материала образуется избыточное давление, пропорциональное градиенту температуры по сечению материала, т.е. по сечению высушиваемого материала создается положительный градиент избыточного давления. Регулируя темп снижения давления над материалом, мы можем изменять величину этого избыточного давления. Необходимость регулирования избыточного давления связана с тем, что при сушке древесины недопустимы внутренние напряжения, влекущие за собой нарушение структуры и ухудшение качества.

По полученным результатам экспериментальных исследований предложенных режимов сушки были построены кривые сушки (рис. 2-3). Из получившихся зависимостей можно сделать вывод, что при осцилирующих режимах сушки древесины, конечная влажность на 5-10% выше, чем при методах постоянного пониженного давления. Это объясняется интенсивным испарением влаги при методах постоянного разрежения не только на стадии «пауза», но и на стадии «импульс».

Рис. 2 - Сушка в осциллирующем режиме

Рис. 3 - Сушка при постоянном пониженном давлении

Однако анализ продуктов сушки показал, что перепад влажности по сечению материала при сушке осциллирующим режимом значительно меньше, чем при постоянном разрежении, где наблюдается резкое падение содержания влаги в поверхностных слоях. Если в конечном итоге акцент делается на качество готовой продукции, то более целесообразно применять

осциллирующий режим сушки. Если ведется сушка низкосортной древесины, то процесс в стационарном вакууме будет более экономически эффективным.

Полученные результаты обработки экспериментальных данных по опытно-исследовательским процессам сушки позволили расширить границы эксперимента для дальнейшего изучения режимов процесса и выбора экономичного и эффективного варианта работы при стационарных вакуумных режимах на сушильном оборудовании.

Литература

1. Сафин, Р.Р. Вакуумно-конвективная сушка: монография. / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. 2009. - 264 с.

2. Сафин, Р. Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина // Вест. Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С.542-546.

3. Заявка на патент № 2007111612/20(016616) от 14.03.2007 «Установка для сушки древесины» / Сафин Р.Р., Галяветдинов Н.Р., Хасаншин Р.Р. и др.

© Р. Р. Хасаншин - канд. техн. наук, доц. каф. архитектуры и дизайна КГТУ, [email protected]; Ш. Р. Мухаметзянов - магистр КГТУ.