CC BY
44
УДК 674.04
Р. Р. Сафин, И. Ф. Хакимзянов, П. А. Кайнов
МЕТОДОЛОГИЯ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПРИНЦИПОВ В ПРОЦЕССАХ СУШКИ И ТЕРМОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: древесина, сушка, термомодифицирование, энергосбережение, композиты.
В статье представлен анализ существующих методов снижения энергетических затрат на процесс сушки и термовлажностной обработки древесных материалов, представлены отечественные разработки последнего десятилетия в этой области, описаны технологии повышения энергоэффективности в процессах термомодифицирования древесины.
Key words: wood, drying, thermotreatment, energy saving, composites.
The article analyzes the existing methods of reducing the energy cost for drying and the hydrothermal treatment of wood materials, represented domestic developments of the last decade in this field, describe the technologies to improve energy efficiency in the process of heat treatment of wood.
Процессы сушки материалов подразумевают наиболее актуальным направлением научных ис-
удаление влаги в результате фазового перехода из следований в данной области является повыше-
жидкого или твердого состояния в газообразное, что ние энергоэффективности сушильных аппаратов.
изначально определяет высокие энергетические затра- Основные методы энергосбережения в процессах
ты на проведение данного процесса. В связи с этим, сушки представлены в таблице 1 [1-7].
Таблица 1 - Методы энергосбережения в процессах сушки
Теплотехнические Кинетические
Теплотехнические Конструктивно-технологические Методы интенсификации внешнего массообмена Методы интенсификации внутреннего массо-обмена
- выбор тепловой схемы; - режимные параметры сушки; - режим работы установ- ки; - коэффициент рецирку- ляции; - управление конечным влагосодержанием сушильного агента - оптимизация зон промежуточного подогрева; - выбор направления взаимного движения сушильного агента и материала; - совершенствование систем подвода теплоты; - улучшение аэродинамической обстановки в сушилке; - применение инновационных технологий подвода тепла; - использование альтернатив-ных видов топлив - увеличение температур- ного напора; - увеличение движущей силы массообмена; - увеличение коэффициента теплоотдачи к высушиваемому материалу; - увеличение поверхности тепломассообмена; - применение вакуума - повышение температу- ры материала; - использование внеш- них полей; - использование ПАВ; - осциллирующие режимы подвода теплоты
Комбинированные методы энергосбережения
- сокращение длительности процесса (снижение потерь энергии); - снижение нерационального расхода энергии
Таким образом, идеализированную на сегодняшний день с позиции энергосбережения схему процесса сушки материалов можно представить в виде рисунка 1, где тепловая энергия, полученная от альтернативных источников, без потерь в окружающую среду равномерно подводиться ко всем точкам материала, вызывая испарение влаги, тепловая энергия которой также без потерь улавливается и вторично используется.
^ZZZZZZZZZZZZQQ
Рис. 1 - Идеализированная схема процесса сушки материалов
Применительно к деревообрабатывающей промышленности реализация некоторых принципов данной идеализированной схемы в настоящее время выглядит следующим образом:
1. в качестве наиболее распространенного "альтернативного источника энергии" служит теплота от сжигания отходов деревообработки;
2. равномерность подвода тепловой энергии к материалу обеспечивается созданием наиболее оптимальной гидродинамической схемы движения агента сушки через штабель пиломатериалов;
3. снижение тепловых потерь в окружающую среду обеспечивается современными строительными материалами для сушильных аппаратов, сокращением продолжительности сушки путем выбора оптимальной технологии, а также, в отдельных случаях, использованием вакуумных методов удаления влаги, одновременно обеспечивающих как сокращением продолжительности, так и снижение потерь тепла в окружающую среду;
4. вторичное использование тепловой энергии испаренной влаги достигается применением тепловых насосов, что в 3-5 раз сокращает затраты на уменьшение относительной влажности агента сушки [8-14].
Некоторые реальные схемы сушильных аппаратов представлены на рисунках 2, 3 и 4, наиболее простой из них и поэтому часто используемой является схема конвективной сушильной установки, потребляющей тепловую энергию от горения отходов деревообработки (рис. 2). Одним из основных недостатков данной схемы с позиций энергосбережения являются потери в окружающую среду, которые порой достигают 50% и более. Кроме того, конвективные сушильные камеры в основном используют принудительную циркуляцию, что подразумевает потребление дорогостоящей электроэнергии на работу вентилятора.
Рис. 2 - Схема тепловых потоков конвективной сушильной камеры
Подобные недостатки конвективных камер присущи и современным сушильным установкам, использующим тепловой насос (рис. 3). Более того, зачастую работа теплового насоса также основана на потреблении дорогой электроэнергии. Поэтому некоторые изготовители сушильных камер рекомендуют применять для экономии конденсационные установки, функционирующие на холодной воде. Однако такие установки фактически не уменьшают затраты тепловой энергии [15-23].
Поэтому наиболее эффективными с точки зрения снижения потерь тепла в окружающую среду являются сушильные установки с контактным методом подвода тепловой энергии. Данный метод нагрева наибольшее распространение получил применительно к вакуумным аппаратам (рис. 4), что объясняется эффек-
тивным использованием вакуумного пространства. Технология вакуумной сушки заманчива тем, что предоставляет реальную вероятность значительно уменьшить продолжительность процесса сушки при сохранении качества высушенных пиломатериалов. Кроме того, проведение процесса в условиях вакуума позволяет эффективно улавливать тепловую энергию испаряющейся влаги, чем, к сожалению, далеко не всегда пользуются производители, применяя водокольцевые вакуумные насосы, которые характеризуются не только потерями тепловой энергии испаряющейся влаги, но и приводит к лишним затратам на охлаждение воды для системы вакуумирования [24-27].
Рис. 3 - Конвективная сушильная камера с использованием теплового насоса
Рис. 4 - Вакуумная сушильная камера
Проанализировав недостатки существующих установок в КНИТУ была создана пилотная сушильная установка, в состав которой входят две вакуумные камеры с кондуктивным методом подвода тепловой энергии и попеременным режимом сушки (рис. 5). Использование тепловой энергии испаряющейся влаги из материала первой камеры (на стадии вакуумирования) для нагрева материала во второй камере (на стадии нагрева) с помощью теплового насоса с приводом от двигателя внутреннего сгорания, работающим на генераторном газе, полученном от газификации отходов деревообработки, позволяет сочетать преимущества выше указанных схем.
гггггггггггд_л
СхПСхДСхП
ШЦ
ЯП
ТН на
ДВ
у////////////
Г///////////Л
альтернативное топливо
Рис. 5 - Схема вакуумной сушильной установки с тепловым насосом, работающей на ДВС от альтернативного топлива
При этом пиломатериалы взаимодействуют не с одной нагревательной поверхностью как при классической технологии сушки, а в процессе комплектования штабеля умещаются между двумя нагревательными элементами, таким образом, что подвод тепловой энергии выполняется одновременно к обоим пластям пиломатериала, обеспечивая равномерное распределение температуры и, соответственно, влажности древесины [28-31].
В качестве нагревательных элементов применяются плиты особенной конструкции, представляющие собой две перфорированные металлические пластины с введенными между ними змеевиковыми нагревателями [32-34].
В области термовлажностной обработки древесины разработаны и реализованы следующие энергоэффективные технологии термомодифицирования:
1. Разработана энергосберегающая технология термомодифицирования древесины в среде топочных газов, включающая поэтапный прогрев пиломатериала до 180 - 240 °С топочными газами, образующимися в результате газификации древесных отходов и дальнейшего сжигания синтез-газа с коэффициентом избытка воздуха, равным к 1, и охлажденными в теплообменнике до температуры 180 - 240 °С, вдобавок избыточная тепловая энергия, отведенная при охлаждении топочных газов, направляется для промежуточной сушки древесины; причем стадия поэтапного подогрева древесины до температуры 160 -170 °С достигается путем подачи в камеру дымовых газов, высокой концентрации (примерно 95 - 100 об. %) и их непрерывной неоднократной циркуляцией в камере, а по достижении 160 - 170 °С происходит подача дымовых газов из топки в теплообменник и следующий нагрев до 180 - 240 °С осуществляется за счет теплопередачи между парогазовой смесью, циркулирующей в камере, и дымовыми газами, подаваемыми в теплообменник; после достижения средой указанной температуры происходит выдержка древесины при этой температуре обработки, далее древесина охлаждается путем пропаривания.
2. Разработана энергосберегающая технология термомодифицирования древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, включающая стадии загрузки древесины в вакуумную камеру, нагрева древесины контактным способом от металлических пластин до 200 - 240 °С по логарифмическому закону, выдерживания древесины при высокой температуре и понижения температуры термомодифи-цированной древесины до 100 °С с дальнейшей выгрузкой.
3. Технология термомодифицирования древесины твердых пород в жидкостях включает в себя нагрев (до 200 - 240 °С) и выдержку древесины при указанных температурах в герметичной камере, наполненной маслом с температурой вспышки выше 260 °С, охлаждение масла, вакуумирования древесины, ее пропаривания и вторичного вакуумирования в течение 2-3 часов. Снижение энергетических затрат на осуществление процесса охлаждения характеризуется отсутствием дополнительного подвода энергии на получение водяного пара.
4. Технология термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого пара
включает нагрев до температуры 180 - 220 С, выдержку древесины при указанных температурах в герметичной камере и охлаждение путем повторного вакуумирования и пропаривания. Аналогичное проведение стадии охлаждения позволяет значительно снизить «жженый» запах готовой продукции.
5. Технология термомодифицирования высоковлажной крупномерной древесины в среде насыщенного водяного пара включает нагрев до температуры 180 °С, выдержку древесины при указанной температуре и высоком давлении в герметичной камере и процесс охлаждения посредством вакуумирования древесины. Аналогичное ведение процесса допускает избежать предварительной стадии сушки материала.
Литература
1. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Шайхутдинова А.Р. // Вестн. Казан. технол. унив., 6, 93-99 (2011).
2. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г., Кайнов П.А. // Деревообрабатывающая промышленность, 5, 16 (2005).
3. Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю. // Деревообрабатывающая промышленность, 1, 15-18 (2012).
4. Хасаншин Р.Р., Лашков В.А., Сафин Р.Р., Валиев Ф.Г. // Вестн. Казан. технол. унив., 20, 150-154 (2011).
5. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г. // Вестн. Казан. технол. унив., 1, 266 (2005).
6. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Галяветдинов Н.Р., Валиев Ф.Г. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология, 51, 12, 104106 (2008).
7. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Галяветдинов Н.Р., Имана-ев Р.М. // Вестн. Казан. технол. унив., 6, 78 (2006).
8. Сафин Р.Р. монография / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Разумов Е.Ю.; Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева. Казань, 2009.
9. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г. // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, 4, 64-71 (2006).
10. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Разумов Е.Ю., Белякова Е.А. // Дизайн. Материалы. Технология, 3, 95-98 (2010).
11. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Оладышкина Н.А., Разумов Е.Ю., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А., Кузьмин И.А., Мазохин М.А., Шайхутдинова А.Р., Ахтямова Т.Н., Воронин А.Е. // патент на изобретение RUS 2425305 04.03.2010.
12. Сафин Р.Р., Белякова Е.А., Халитов Р.А., Байгиль-деева Е.И. // Вестн. Казан. технол. унив., 15, 3, 131133 (2012).
13. Сафин Р.Р., Кашапов Н.Ф., Канарский А.В., Разумов Е.Ю., Ахметова Д. А. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 3-4, 104-110 (2009).
14. Разумов Е.Ю., Белякова Е.А., Сафин Р.Р. // Вестн. Казан. технол. унив., 16, 233-239 (2011).
15. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Ахметова Д.А. // Дизайн и производство мебели, 2, 36-39 (2008).
16. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А. // Вестн. Казан. технол. унив., 16, 23, 76-78 (2013).
17. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Гильмиев Р.Р., Валиев Ф.Г. // Деревообрабатывающая промышленность, 5, 22-23 (2008).
18. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Разумов Е.Ю., Тимербаев Н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Валиев Ф.Г., Оладышкина Н.А., Кайнов П.А., Хасаншин Р.Р., Воронин А.Е. // патент на изобретение RUS 2425306 23.11.2009.
19. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Разумов Е.Ю. // Вестн. Казан. технол. унив., 16, 19, 122-124 (2013).
20. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Разумов Е.Ю., Тимербаев Н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Хайрутдинов С.З., Кайнов П.А., Хасаншин Р.Р., Воронин А.Е., Шайхутдинова А.Р. // патент на изобретение RUS 2422266 14.12.2009.
21. Вознесенский Э.Ф., Хасаншин Р.Р., Красина И.В., Аб-дуллин И.Ш., Сафин Р.Р., Аминов Л.И. // Вестн. Казан. технол. унив., 5, 304-308 (2009).
22. Сафин Р.Р., Мустафин З.Р., Чернышёв А.Н. // Деревообрабатывающая промышленность, 2, 6-7 (2007).
23. Сафин Р.Р. диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Ивановский государственный химико-технологический университет. Казань, 2007.
24. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Разумов Е.Ю., Сафин Р.Г., Данилова Р.В., Кайнов П.А., Оладышкина Н.А., Белякова Е.А. // патент на изобретение RUS 2453425 18.01.2011.
25. Сафин Р.Р., Лашков В.А., Фиров Г.М., Федорова Т.А., Сафин Р.Г. // патент на изобретение RUS 2156934 04.06.1999.
26. Сафин Р.Р. монография / Сафин Р.Р.; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Казанский гос. технологический унив-т". Казань, 2006.
27. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Разумов Е.Ю., Тимербаев Н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А., Кайнов П.А., Шайхутдинова А.Р., Воронин А.Е., Ах-тямова Т.Н. // патент на изобретение RUS 2437043 05.04.2010.
28. Safin R.R., Khasanshin R.R., Shaikhutdinova A.R., Safina A.V. // World Applied Sciences Journal, 30, 11, 1618-1621 (2014).
29. Сафин Р.Р. // Вестн. Казан. технол. унив., 15, 137 (2012).
30. Галяветдинов Н.Р. автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Казанский государственный энергетический университет. Казань, 2008.
31. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Галяветдинов Н.Р., Хасаншин Р.Р., Мустафин З.Р., Юнусов Л.Р., Воронин А.Е., Хамидуллин М.С., Мухаметзянова Д.А. // патент на изобретение RUS 2353873 29.03.2007.
32. Шайхутдинова А.Р., Мухаметзянов Ш.Р. // Вестн. Казан. технол. унив., 17, 5, 87-89 (2014).
33. Хакимзянов И.Ф., Сафина А.В. // Деревообрабатывающая промышленность, 3, 21-23 (2014).
34. Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Николаев А.Н., Сафина А.В. // Вестн. Казан. технол. унив., 17, 21, 50-52 (2014).
35. Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Хасаншина Р.Т. // Вестн. технол. ун-та, 18, 2, 253-256 (2015).
36. Кайнов П.А., Мухаметзянов Ш.Р., Хакимзянов И.Ф. // Деревообрабатывающая промышленность, 1, 19-23 (2015).
© Р. Р. Сафин - д.т.н., профессор, зав. каф. "Архитектуры и дизайна изделий из древесины", КНИТУ, cfaby@mail.ru; И. Ф. Хакимзянов - асс. каф. "Архитектуры и дизайна изделий из древесины", КНИТУ, ilshat_170@mail.ru; П. А. Кайнов -к.т.н., доц. каф. "Архитектуры и дизайна изделий из древесины", КНИТУ, kpa-nv@rambler.ru.
© R. R. Safin - doctor of technical sciences, professor, head of the Department of Architecture and design of wood products, KNRTU, cfaby@mail.ru; I. F. Khakimzyanov - assistant of the Department Architecture and design of wood products, KNRTU, ilshat_170@mail.ru, P. A. Kainov - candidate of technical sciences, associate professor of the Department of Architecture and design of wood products, KNRTU, kpa-nv@rambler.ru.
