CC BY
48
УДК 674.04
Р. Р. Сафин, Ш. Р. Мухаметзянов, З. Р. Мухаметзянова ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАГРЕТОЙ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: энергосбережение, тепловой насос, вакуумная сушка, древесина.
В представленной работе проведено экспериментальное исследование вакуумирования предварительно нагретого пиломатериала. Методом планирования эксперимента получены уравнения регрессии, характеризующие скорость удаления влаги из материала в процессе вакуумирования в зависимости от текущих температуры, влажности, толщины и плотности материала, а также от остаточного давления в аппарате. Полученные выражения позволяют определить изменение тепловой нагрузки для теплового насоса в зависимости от режимных параметров и сортамента высушиваемого пиломатериала. По результатам исследований создана пилотная установка осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки с использованием теплового насоса, в которой энергозатраты на ведение процесса сушки снижены более чем в 3 раза по сравнению с аналогом.
Keywords: energy efficiency, heat pump, vacuum drying, wood.
In work presents an experimental study of the degassing of the pre-heated lumber. Regression equations, characterizing the rate of removal of moisture from the material in the degassing process, depending on the current temperature, humidity, thickness, density of the material and from residual pressure in the apparatus are obtained by the method ofplanning of experiment. The obtained expressions allow us to determine the change in heat load for the heat pump, depending on the operating parameters and assortment of the dried lumber. As a result of the research the pilot plant of the oscillating of vacuum-conductive drying using a heat pump was established, in which the energy consumption for conducting of the drying process were reduced by more than 3 times compared to analogue.
Введение
В настоящее время в технологическом цикле деревообрабатывающей отрасли широко используются конвективные, кондуктивные, диэлектрические и микроволновые способы сушки пиломатериала. Разнообразность технологий можно объяснить определенными преимуществами и недостатками каждого из этих способов в зависимости от поставленных целей, однако основной общей проблемой для них остается высокая энергоемкость процесса. Ко всему прочему стремительный рост стоимости энергоресурсов негативно отражается на себестоимости конечного продукта. Данные обстоятельства заставляют находить все более эффективные и менее энергозатратные способы сушки с соответствующим аппаратурным оформлением.
Одним из перспективных и рациональных направлений в процессах сушки являются вакуумные технологии. Они позволяют значительно сократить продолжительность процесса без ущерба качеству высушиваемой древесины. Исследователи подчеркивают, что высокая скорость удаления влаги в процессе вакуумной сушки пиломатериалов объясняется положительным действием градиента температуры, что, кроме всего прочего, позволяет избежать значительных перепадов влажности по сечению материала и, как следствие, не допустить развития значительных внутренних напряжений [1].
Также стоит отметить, что одной из существенных проблем сушильной
промышленности являются большие потери тепловой энергии через стенки камеры сушки, а также путем естественного выброса влажного нагретого воздуха в атмосферу. Поэтому все больше внимание в мире уделяется решению проблемы
сокращения и повторного использования тепловой энергии испаренной влаги. Данную стратегию могут аппаратурно реализовать теплонасосные технологии, способные передавать тепловую энергию низкопотенциального теплоносителя высокопотенциальному [2]. В частности, известна конденсационная сушильная камера с тепловым насосом для сушки пиломатериалов из мягких и твердых пород древесины [3]. За счет использования теплового насоса сушка проходит без воздухообмена с внешней средой. Влажный агент сушки, проходя через испаритель теплового насоса, осушается за счет конденсации части влаги, а ее тепловая энергия снова используется для обогрева пиломатериалов. Конвективная сушка проходит при низких температурах (55°С), что благоприятно влияет на качественные характеристики высушенного пиломатериала [4].
Известны исследования [5, высокотемпературной сушке сушильной камере с парокомпрессионным тепловым теплового насоса сводится к циклам: первый цикл использует хладагент Я124 с получением температуры сушильного агента до 80°С; второй цикл работает с хладагентом Я134А, увеличивая его температуру до 120 °С.
Несмотря на объективно большие перспективы использования тепловых насосов в сушильной промышленности развитие данной технологии находится на стадии зарождения и в основном нашла применение только в конвективных процессах сушки. Применительно к вакуумным методам удаления влаги установлено использование тепловых насосов только при сублимационной сушке пищевых продуктов [7]. В процессах
6] посвященные древесины в двухступенчатым насосом. Работа двум различным
вакуумной сушки древесины подобных разработок не найдено.
Обобщая существующие технологии сушки древесины можно заключить, что тепловые насосы позволяют существенно повысить
энергоэффективность процесса, а объединением их с вакуумными технологиями можно добиться также и сокращения продолжительности сушки.
В связи с этим ранее нами была представлена технология осциллирующей вакуумно-
кондуктивной сушки пиломатериалов с использованием теплового насоса [8]. Особенностью предложенной технологии является передача тепловой энергии испаренной в первой камере влаги обрабатываемому материалу, находящемуся во второй камере, с помощью теплового насоса. При этом на процесс передачи тепловой энергии из одной камеры в другую с помощью теплового насоса затрачивается в несколько раз меньшее количество энергии, чем величина передаваемой теплоты, поэтому процесс нагрева пиломатериала протекает при меньших энергозатратах.
Поскольку осциллирующая технология сушки с использованием теплового насоса предполагает наличие поочередно сменяемых стадий нагрева и вакуумирования, при которой непосредственно происходит основная часть процесса сушки, необходимо исследование процесса скорости сушки нагретого материала в процессе вакуумирования.
Методы и материалы
Для проведения экспериментальных
исследований использовался вакуумный сушильный шкаф МеттеП, способный к созданию заданного
Таблица 1 - Переменные факторы и уровни их вар
значения вакуума и последующей выдержке в нем высушиваемого материала.
Древесные образцы заранее подготавливаются и приводятся к заданным начальным значениям пригодным для метода планирования эксперимента по таким параметрам, как толщина, температура и влажность. В качестве образцов были выбраны три наиболее популярные породы древесины по критерию цена-качество, обуславливающие также различные группы плотности - сосна, береза, дуб. Толщина образцов составила 20, 35, 50 мм, которые наиболее востребованы на рынке пиломатериалов. Удаление влажности рассматривалось в диапазонах от 80 до 40 % и от 30 до 10 %. Такое разделение необходимо для более точного расчета исследуемого фактора - скорости сушки в интервале влажности выше предела насыщения клеточных стенок и в интервале ниже предела гигроскопичности.
Предварительно подготовленные и нагретые до заданных значений температуры образцы (табл. 1) помещаются в сушильный шкаф, где осуществляется стадия вакуумирования материала. В процессе сушки текущая масса образца фиксируется с помощью тензометрического датчика
[9].
Методом полного факторного эксперимента были получены экспериментальные значения скорости сушки нагретого материала в процессе вакуумирования в зависимости от плотности, толщины, температуры нагрева, остаточного давления на стадии вакуумирования и влажности материала.
Наименование фактора Обозначение Интервал Уровень варьирования фактора
Натуральное Нормализованное варьирования фактора Нижний (-1) Основной (0) Верхний (+1)
Температура материала, °С Т Х1 10 40 50 60
Остаточное давление на Р А ост Х2 20 20 40 60
стадии вакуумирования, кПа
Базисная плотность Р Х4 10 400 500 600
пиломатериалов, кг/м3
Толщина пиломатериалов, мм 8 Х5 15 20 35 50
Удаление свободной влаги
Средняя влажность W Х3 20 40 60 80
пиломатериалов, %
Удаление связанной влаги
Средняя влажность W Х3 10 10 20 30
пиломатериалов, %
Результаты
Таким образом, в результате произведенных расчетов, проверки на адекватность и преобразования нормализованных факторов в натурализованные величины были получены уравнения регрессии, определяющие скорость сушки нагретого материала в процессе вакуумирования:
- для влажности материала выше предела насыщения клеточных стенок
N = -0,001473 Ш-0,000341р-0,001152ТР -0,00001875TW+0,0000112TS+0,0000187WS+ 0,0001ps+0,000077Т2-0,0000282Р2+0,00000067р2 -0,0000368Б2+0,303571 (1)
- для влажности материала ниже предела насыщения клеточных стенок
Ы2= - 0,0641 W-0,08354T+0,006635P-0,0004 (2)
Проведенные исследования скорости сушки позволили разработать и создать пилотную установку (рис. 1). В частности, уравнения регрессии послужили исходными данными для инженерной методики расчета теплового насоса: тепловая нагрузка Qmн прямо-пропорциональная скорости сушки материала в процессе вакуумирования:
Qm» = N V-рм
(3)
Рис. 1 - Экспериментальная установка для исследования попеременной вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов: 1 -верхняя камера; 2 - нижняя камера; 3 - плиты с жидкостным нагревом; 4 - теплонасосная установка; 5 - конденсатор; 6 - испаритель; 7 -трубопровод; 8 - циркуляционный насос; 9 -трехходовой кран; 10 - вакуумный насос; 11 -электромеханический клапан; 12 - вакуумметр; 13 - расходомер; 14 - вентиль; 15 -дополнительный электроподогреватель; 16 -двигатель внутреннего сгорания; 17 - система охлаждения синтез-газа; 18 - газификатор
Сопоставительный анализ энергопотребления установки при сушке различных пород древесины с помощью теплового насоса и электрическим нагревом выявил, что использование теплового насоса более чем в 3 раза эффективнее, чем электрический нагрев. Энергоэффективность теплового насоса созданной пилотной установки находятся на высоком уровне, что подтверждается
коэффициентом преобразования электроэнергии дэ = 5,28 [10].
Заключение
В работе проведено экспериментальное исследование вакуумирования предварительно нагретого пиломатериала. Методом планирования эксперимента получены уравнения регрессии, характеризующие скорость удаления влаги из материала в процессе вакуумирования в зависимости от текущих температуры, влажности, толщины и плотности материала, а также от остаточного давления в аппарате. Полученные выражения позволяют определить изменение тепловой нагрузки для теплового насоса в зависимости от режимных параметров и сортамента высушиваемого пиломатериала.
Данная работа выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД - 5596.2016.8).
Литература
1. M. Goreshnev, E. Litvishko, International Conference for Young Scientists "High Technology: Research and Applications 2014", HTRA 2014, Tomsk, Russian Federation, , № 1040, 478-483 (2014).
2. K.H. Lee, O.J. Kim, J. Kim, Drying Technology, № 28, 683-689 (2008).
3. Minea Vasile, Drying Technol., 30, № 14, 1630-1643 (2012).
4. T. Kudra, A.S. Mujumbar, Advanced Drying Technol., 2nd Ed., New York, (2008).
5. K.H. Lee, O.J. Kim, J. Kim, Drying Technol, № 28, 683689 (2008).
6. K.H. Lee, O.J. Kim, Proceedings of the 5th Asia-Pacific Drying Conference, Hong Kong, 13-15 August, (2007).
7. П.А. Кайнов, Ш.Р. Мухаметзянов, И.Ф. Хакимзянов, Энергетика Татарстана, № 2 (38), 73-77 (2015).
8. N.R. Galyavetdinov, R.R. Safin, S.R. Mukametzyanov, I.F. Khakimzyanov, P.A. Kaynov, Conference Proceedings 15th International Multidisciplinary Scientific GeoConference "SGEM 2015. Energy and Clean Technologies", Albena, BULGARIA, 731-738 (2015).
9. Ш.Р. Мухаметзянов, А.З. Каримов, Р.Р. Сафин, М.К. Герасимов, Вестник Казанского технологического университета, Т. 16, № 6, 173-175 (2013).
10 Ш.Р. Мухаметзянов, Р. Р. Сафин, Деревообрабатывающая промышленность, № 1, 26-29 (2013).
© Р. Р. Сафин - доктор технических наук, проф., зав. кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, cfaby@mail.ru; Ш. Р. Мухаметзянов - ассистент кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, joker775.87@mail.ru; З. Р. Мухаметзянова - магистрант кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, archiwood@kstu.ru.
© R. R. Safin - Doctor of Technical Sciences, Professor, , KNRTU, cfaby@mail.ru; S. R. Mukhametzyanov - assistant, Department of Architecture and Design of wood products, KNRTU, joker775.87@mail.ru; Z. R. Mukhametzyanova -undergraduate student, Department of Architecture and Design of wood products, KNRTU, archiwood@kstu.ru.
