CC BY
106
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ
М.А. ГОРЕШНЕВ, асп. каф. техники и электрофизики высоких напряжений Томского ПУ,
A. Н. КАЗАРИН, инженер ООО «Газпром ТрансГаз Томск»,
B. В. ЛОПАТИН, проф. института физики высоких технологий, д-р физ.-мат. наук,
Ф.Г. СЕКИСОВ, с. н. с. института физики высоких технологий, канд. техн. наук,
О.В. СМЕРДОВ, с. н. с. института физики высоких технологий, канд. техн. наук
goreshnev@tpu.ru, aleksk2006@mail.ru, lopatin@hvd.tpu.ru, lab3@hvd.tpu.ru, leko@tpu.ru
Сушка древесины является энергоемким процессом, затраты на который составляют до 30 % от стоимости сухих пиломатериалов. Основной технологической проблемой сушки древесины является неоднородное распределение по объему заготовки полей влажности и температуры, которые формируют внутренние механические напряжения и вызывают растрескивание [1].
Для нагрева древесины, при ускоренной сушке, используется тепловая энергия и электромагнитное излучение. Экономически на деревообрабатывающих предприятиях целесообразно использование тепловой энергии, полученной при сжигании древесных отходов, однако в этих условиях сложно получить равномерное распределение влажности по объему материала. Например, при кондуктивном (контактная сушка или сушка в жидкости) и конвективном [2, 3] нагреве можно добиться достаточно равномерного распределения температуры и влажности по объему штабеля. Однако по толщине заготовки древесина прогревается неравномер-
но, что приводит к градиенту температуры и влажности, что формирует вызывающие растрескивание поля механических напряжений и деформаций.
Снизить внутренние напряжения, интенсифицировать объемный нагрев и удаление влаги из центральной части заготовок древесины можно за счет диэлектрических и резистивных потерь при воздействии электромагнитного поля в высокочастотном (ВЧ ) (104-106 Гц) и сверхвысокочастотном (СВЧ) (более 109 Гц) диапазонах [4]. Применение СВЧ-сушки в промышленности ограничено из-за высоких затрат электроэнергии и стоимости оборудования, а также трудностей согласования силового контура с меняющимися в процессе сушки электрофизическими параметрами древесины. Методы объемной сушки без перевода влаги в паровую фазу, такие как электроосмос [5] и центрифугирование [6], мало перспективны для промышленного применения. Скорость влагоудаления значительно увеличивается при вакуумной [7] и декомпрессионной [8] сушках, в кото-
Рис. 1. Блок-схема установки для сушки древесины: 1 - мановакууметр; 2 - электроды; 3 - осциллограф; 4 - измеритель температуры; 5 - стальная камера; 6 - трансформатор для нагрева электродов; 7 - образец древесины; 8 - источник высокого высокочастотного напряжения; 9 - термопары; 10 - конденсор пара и сборник влаги; 11 - вакуумный насос
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
97
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
рых температура кипения влаги в капиллярах уменьшается за счет снижения давления в сушильной камере. Но и при этом трудно ожидать снижения градиентов температуры и влажности по толщине заготовки.
Снизить градиент температуры и влажности по толщине заготовки при ускоренной сушке можно использованием комбинированного способа введения тепловой энергии: через контакт пиломатериала с нагревателями кондуктивным способом и в объем заготовки за счет резистивных и диэлектрических потерь ВЧ электромагнитного поля. Кроме того, применение комбинированного способа нагрева в камере при пониженном давлении должно позволить снизить время сушки и производственные затраты при минимизации растрескивания древесины.
Целью работы является исследования распределения влажности и температуры при сушке древесины кондуктивным, ВЧ электромагнитным полем и комбинированном способах нагрева.
Исследования сушки древесины проводились на установке, блок-схема которой представлена на рис. 1.
Цилиндрическая вакуумная камера (5), объемом 0,06 м^ откачивалась водокольцевым насосом НВВ -50 (11) до давления 104Па. В качестве источника высоковольтного высокочастотного напряжения (8) использовался генератор синусоидального напряжения до 2000В с частотой от 50 кГц до 100 кГц (8). Напряжение и частота генератора менялись в зависимости от электрических параметров нагрузки, определяемых диэлектрическими свойствами исследуемых пиломатериалов. Камера оборудована электродами (2), нагреваемыми от лабораторного автотрансформатора (6). Тепловая мощность определялась как Джоулевы потери по произведению тока в цепи (6) на напряжения. Электроды выполнены в виде двух металлических пластин шириной 150 мм и длиной 350 мм, между которыми расположена спираль, изготовленная из нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм. Электроды также соединены с ВЧ генератором (8).
Поглощенная энергия высокочастотного электромагнитного поля определялась
интегрированием произведения мгновенных значений тока и напряжения. Напряжение и ток ВЧ генератора регистрировались с помощью резистивного делителя напряжения R-r и шунта гш. двухлучевым осциллографом Tektronix 5100 (3).
Экспериментальные образцы размером 50^150x350 мм (7) изготавливались из объемно пропитанной древесины березы и выбирались из одной доски. Начальная влажность образцов составляла 95 %. Для сохранения влажности образцы упаковывались в герметичную тару. Заготовки из древесины помещались между плоскими подогревными электродами (2), на которые подавалось высокочастотное напряжение. Измерение влажности образцов производилось послойно и объемно по ГОСТ 16588-79 сушильно-весовым методом. Погрешность измерения не превышала 10 %. Температура в центре и у поверхности образца измерялась с помощью хромель-копелевых термопар (9).
Опыты проводились в трех режимах:
- сушка кондуктивным способом при мощности подводимой тепловой энергии 120 Вт,
- сушка ВЧ нагревом при мощности ВЧ генератора 120 Вт,
- сушка комбинированным способом: кондуктивный нагрев- 60 Вт совместно с ВЧ нагревом - 60 Вт.
Скорость ввода энергии выбиралась такой, чтобы температура во всех режимах не превышала 70°С, что гарантировало сохранение состава и структуры древесины. Температура нагревателей регулировалась с помощью термореле. Все опыты проводились в комнатных условиях.
Суммарная затрачиваемая энергия при использовании кондуктивного способа сушки в комплексе с ВЧ нагревом при пониженном давлении включает в себя тепловой поток Р , резистивный нагрев током проводимости древесины о Ра и нагрев за счет диэлектрических потерь Р ВЧ напряжения.
Р P = P + P + P .
Tap
Электрическая энергия необходима для нагрева внутренней области заготовки. Соотношение Р и Р зависит от влажнос-
а р
98
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
ти древесины, т.е. меняется при сушке. Чем меньше влажность древесины, тем меньше доля резистивного нагрева Ра и больше доля нагрева с помощью диэлектрических потерь Р . Величина Ра определяется как Ра = a- U2 / д2, где: а - удельная проводимость древесины; U - эффективное напряжение ВЧ генератора; 5 - толщина образца. Мощность диэлектрических потерь Рр зависит от диэлектрических свойств древесины и параметров ВЧ напряжения
Рр=к' Ul'8o'8'f tS5,
где 80 и 8 диэлектрическая проницаемость вакуума и древесины; f - частота ВЧ напряжения; tg5 - диэлектрические потери древесины;
к - геометрический коэффициент.
Энергия Рт от нагретых током электродов греет древесину через поверхность образца. Поскольку теплопроводность древесины невысокая и уменьшается по мере сушки, то температура поверхности при кондуктивном способе передачи тепловой энергии может на 20^30°С превышать температуру в средних слоях образца 50 мм толщины.
Скорость сушки пиломатериала для трех разных способов введения энергии представлена на рис. 3. Видно, что скорость сушки комбинированным способом нагрева значительно выше, чем кондуктивным способом, и выше, чем при ВЧ нагреве, при одинаковой вводимой энергии. Скорость сушки комбинированным способом в среднем опережает высокочастотную сушку в 1.5 раза, а кондуктивную - в 2 раза. Конечная влажность древесины при комбинированном способе значительно ниже, чем конечная влажность при сушке другими способами.
Исследования распределения влажности образцов по толщине при времени сушки 15 и 45 часов (рис. 3) также показали значительные преимущества введения энергии комбинированным способом. При кондуктив-ном способе вследствие более высокой температуры у прилегаемых к нагретым электродам поверхностях образцов влажность ниже в приповерхностных слоях, чем в середине, и при 15 и при 45 часах сушки (рис.3, кри-
вые 1,2). Градиент влажности, направленный к середине заготовки, по толщине хоть и снижается с ростом длительности сушки, тем не менее остается на уровне 20 %.
Нагрев в электромагнитном поле за счет резистивных и диэлектрических потерь благодаря теплоотводу с поверхности наоборот сопровождается более высокой температурой в центральных слоях образца по сравнению с приповерхностными слоями. Как можно видеть, градиент влажности по толщине заготовки направлен к поверхности (рис. 3, кривая 3, 4). Предположительно, меньшая влажность в середине по сравнению с поверхностной объясняется тем, что испа-
Рис. 2. Изменение влажности образцов древесины бе-
резы от времени при различных способах сушки: 1- кондуктивный способ; 2 - ВЧ нагрев; 3- комбинированный способ
Рис. 3. Распределения влажности по толщине заготовки от времени при различных способах сушки: кондуктивный способ нагрева: 1 - 15часов, 2 - 45 часов; ВЧ нагрев: 3 - 15 часов, 4 - 45 часов; комбинированный способ: 5 - 15часов, 6 - 45 часов
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
99
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
Рис. 4. Внешний вид вакуумной сушилки
рение влаги в основном происходит с торца заготовки, так как влагопроводность древесины вдоль волокон значительно выше, чем в поперечном направлении, особенно это имеет значение при небольшой длине образцов. Температура в середине образца превышает поверхностную температуру, что приводит к более интенсивному испарению. Градиент влажности по толщине при таком способе нагрева ниже, чем при кондуктивной сушке и не превышает 15 %.
Комбинированная сушка, когда энергия вводится одновременно через поверхность и в объем древесины, минимизирует градиент температуры и влажности по толщине образца. Величина последней не превышает 5 % (рис. 3, кривые 5,6). Малые градиенты обеспечивают уменьшение полей механических напряжений и деформаций, что снижает вероятность растрескивания пиломатериала при тепловой обработке. Это наблюдалось визуально на торцах заготовок.
Проведенные исследования показали возможность интенсификации сушки древесины в вакууме при использовании комбинированного способа, в результате чего сокращается время сушки при низкой вероятности растрескивания древесины и со-
кращаются производственные затраты. Результатами сравнительных исследований кондуктивного, ВЧ нагрева и комбинированного способов сушки древесины явилось доказательством того, что время сушки, а также конечная средняя влажность высушенной древесины при комбинированном способе ниже, чем при сушке кондуктивным способом или ВЧ нагревом.
По данным исследованиям был создан опытно-промышленный комплекс оборудования для сушки древесины комбинированным методом, состоящий из стальной камеры объемом 3 м3, ВЧ генератора мощностью 2 кВт, теплогенератора, нагревающего подогретой водой электроды термоэлементы, вакуумного насоса НВВ-75, конденсора и измерительного оборудования. Максимальный объем загрузки камеры древесиной составляет 1 м3. Внешний вид вакуумной сушилки представлен на рис. 4.
В настоящее время на этой сушильной установке выбраны оптимальные режимы сушки древесины березы, обеспечивающие длительность сушки от 60 % до 10 % влажности за 50 часов при минимальном растрескивании. Полные энергозатраты, включая насосы, электропитание ВЧ генератора
100
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
