CC BY
50
НЕКОТОРЫЕ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В РАЗРАБОТКЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ
В.Н. ХАРЧЕНКО, профессор, д. т. п., зав. кафедрой физики МГУЛа,
А.И. ИВЛЮТИН, к. т. н., доцент кафедры физики МГУЛа,
A.A. ИВЛЮТИН, аспирант кафедры физики МГУЛа
В данной работе рассмотрен материал по ряду новых сушильных камер, их режимам и параметрам. Главное внимание уделено принципам и рабочим характеристикам современных установок. На основе энергетического подхода проведено сравнение их характеристик, выделены достоинства и недостатки, намечены пути совершенствования.
Сушка представляет собой процесс обезвоживания различных веществ. Она является обязательной производственной операцией в технологической цепочке обработки материалов, что позволяет существенным образом улучшить их физикомеханические и эксплуатационные свойства за счет изменения влажности. Особое значение этот процесс имеет для древесины [1-4]. Практический результат процесса сушки заключается в предупреждении влажностных деформаций, т.е. в изменении линейных и объемных размеров древесины или изделий из нее, а также в увеличении качества и длительности ее хранения при достижении влажностного предела биостойкости (Ж - 22 %). Таким образом, главная цель сушки во всех условиях ее применения состоит в превращении древесины из природного сырья в широко используемый промышленный материал.
Сушка древесины — крупномасштабный и энергоемкий процесс. Согласно [5] в России производится пиломатериалов ~ 35 млн. м3 в год. Из них только 25 % товарной продукции высушивается на предприятиях отрасли, что явно недостаточно, ввиду большой потребности для внутренних нужд и внешних поставок. При этом расходы энергии (при 100 % камерной сушке) составляют 70-75 % тепловой и 40-50 % электрической энергии от общезаводских расходов. На предприятиях США эти расходы находятся на уровне 60-70 % тепловой и 35-40 % электрической энергии. В Финляндии 75 % и
30-40 % соответственно. Отсюда становится очевидной актуальность работ по снижению энергозатрат и совершенствованию процесса сушки во всех его звеньях.
Современное развитие камерной сушки ведется по четырем основным направлениям [6]:
- поиск новых и повышение эффективности известных способов обезвоживания древесины;
- совершенствование конструкций сушильных камер;
- автоматизация процесса сушки;
- механизация погрузо-разгрузочных и транспортных работ.
Каждое из направлений дополнительно учитывает следующие положения: максимально возможное сокращение затрат энергии; широкое применение вычислительной техники и программного управления; повышение производительности и качества сушки при незначительных текущих капитальных затратах.
Вопросам сушки древесины в научной и технической литературе посвящено большое число журнальных статей и монографий, например [1-4, 6-11]. В данной работе рассмотрен материал по ряду новых сушильных камер, их режимам и параметрам. Главное внимание уделено принципам и рабочим характеристикам современных установок. На основе энергетического подхода проведено сравнение их характеристик, выделены достоинства и недостатки, намечены пути совершенствования.
Функционирование современных сушильных камер в деревообрабатывающем производстве основано на использовании различных способов сушки, которые определяются физикой процессов нагрева древесного материала [1-11].
Среди них наиболее традиционным является конвективный нагрев с применением в качестве теплоносителя воздуха, водяного пара, топочных газов или их смесей. К менее распространенным следует отнести способы сушки древесины с аэродинамическим, диэлектрическим, кондуктивным и другими видами нагрева [12-18].
Главными критериями, характеризующими коммерческую и техническую эффективность сушильных камер различного типа, являются:
- величина удельного энерговклада, затрачиваемого на сушку единицы объема древесины (здесь в качестве общепринятого рассматривается единица объема условного пиломатериала и все приведенные величины относятся к нему);
- качество высушенного материала;
- полное время сушильного процесса.
Сравнение по данным критериям для
действующих сушильных установок показывает, что они в значительной мере зависят от применяемого в них способа сушки, особенно по энергетическим затратам и временному параметру.
Оценка составляющих по вкладу и потерям в энергетический баланс процесса сушки древесины в различных устройствах, вне зависимости от их инженерно-технических решений, позволила в самом общем виде выделить перспективные подходы к улучшению их главных показателей. При этом особо имелся в виду тот факт, что самый энергоемкий процесс при сушке связан с фазовым переходом жидкость-пар, т.е. с процессом испарения влаги из древесины.
Так, конвективный нагрев [1-4, 6-10] характеризуется высокими удельными энергозатратами 300-400 кВт ■ ч/м3, длительным периодом сушки (1-2 недели и более) и низким выходом качественной древесины при
жестких температурных режимах 80-100 °С процесса. Данный уровень этих показателей обусловлен тем, что в устройствах такого типа преобразование первичной энергии (топлива, электрической энергии и др.) в тепловую и подвод ее к древесному материалу осуществляется с низкой эффективностью, большими потерями через элементы конструкции камер и, главное, выбросом основной части затраченной энергии вместе с паром при воздухообмене. Постановка на выходе различных рекуператоров [3, 7, 10] несколько улучшает энергетические показатели до 250-300 кВт • ч/м3, но не меняет их радикально.
Подвод и преобразование энергии в тепло с более высоким КПД в сушильных камерах с аэродинамическим нагревом [3, 14] улучшает главные показатели: удельный энерговклад до 200-250 кВт • ч/м3, а время сушки сокращается в ~ 1,5 раза. Однако и в этом случае процесс сушки (обезвоживания) древесины сопровождается испарением влаги до требуемого уровня влажности ~ 6-8 %, а вместе с ним большими затратами энергии на фазовый переход. При этом энергия, пошедшая на испарение влаги, в дальнейшем теряется при воздухообмене.
Существенно сокращает время сушки (более чем в 3 раза) и увеличивает выход качественной деловой древесины диэлектрический нагрев древесных материалов в вакуумной камере [13, 18]. Потери при нем снижаются до уровня ~ 5-10 % от объема, вследствии реализации мягких температурных режимов /сушки ~ 45-60 °С. Однако низкий КПД ~ 0,5-0,6 источников-преобразователей СВЧ (или ТВЧ) энергии при использовании диэлектрического способа ухудшает показатель по удельному энерговкладу до уровня 300-450 кВт • ч/м3. При тех же условиях кондуктивный или ферромагнитный нагрев обеспечивают уровень 160-200 кВт • ч/м3 [3, 7, 14, 17].
Во всех последних рассмотренных случаях энергия, пошедшая на реализацию процесса испарения влаги из древесины, также теряется на внутрикамерном теплооб-
меннике при организации процесса конденсации пара.
Таким образом, из приведенного краткого анализа характеристик и процессов в сушильных камерах различного типа следует, что для реализации наиболее эффективного способа сушки, обеспечивающего высокие показатели по удельному энерговкладу ~ 100 кВт • ч/м3, времени сушки 1-10 дней и качеству (< 5 % потерь) требуется:
- организовать процесс сушки в условиях вакуума (Р~ 0,1 атм);
- осуществить преобразование и подвод тепловой энергии к пиломатериалу с высоким КПД;
- выполнять процесс сушки с минимальными теплопотерями через элементы установки и с регенерацией энергии, затраченной на теплоту фазового перехода, внутри штабеля высушиваемого пиломатериала.
Для этого предлагается использовать комбинированный кондуктивно-испаритель-но-конденсационный способ нагрева и обезвоживания древесины в вакуумной камере на основе плоских, влаго- и паропроницаемых низковольтных омических нагревателей с теплорегенерирующим слоем.
Принцип его действия основан на совместном протекании процессов тепло- и массопереноса с последующим разделением их на охлаждаемой стороне проницаемого слоя, т.е. на использовании принципа плоской тепловой трубы.
Сформированный одномерный тепловой поток от плоских электрических нагревателей поступает в древесный материал и нагревает его до температуры 50-55 °С. При давлении в сушильной камере ~ 0,1 атм процесс кипения влаги и интенсивного ее испарения с поверхности и внутренних слоев древесины начинается с температуры ~ 47 °С. Нагретый до температуры кипения древесный материал испаряет влагу, возмещая потерю затраченной на фазовый переход энергии поступлением ее со стороны нагревателей.
Пар, пройдя через проницаемый верхний слой нагревателя, попадает в порис-
тый слой, расположенный над нагревателями. Данный слой имеет специальные элементы для его охлаждения до уровня температуры конденсации пара. Этот же слой выполняет роль и улавливателя жидкой капельной фазы, образующейся при кипении на поверхности древесного материала. Температура в слое поддерживается ниже, чем температура кипения при данном давлении. Все это позволяет, за счет снижения температуры пара в пористом слое и его дросселировании, обеспечить процесс конденсации с выделением части теплоты фазового перехода. Сконденсированная влага за счет капиллярных сил и динамического воздействия пара перемещается в непроницаемый пористый теплоизоляционный слой, где накапливается в каналах (артериях) для сбора конденсата и удаляется оттуда самотеком путем слива. Часть выделившейся в процессе конденсации пара теплоты фазового перехода в пористом слое по специальным теплопроводным перемычкам возвращается в древесный материал. Потери энергии на охлаждающих каналах при такой организации процесса конденсации будут малы, ввиду сильной зависимости его от величины параметров состояния пара и регенерации части теплового потока внутри штабеля.
В стадии стационарной сушки древесины с данными плоскими нагревателями потребуется существенно меньшее энерго-
■3
потребление (до ~ 100 кВт • ч/м ), которое пойдет на компенсацию тепловых потерь из элементов сушильной камеры, средства для уменьшения которых хорошо известны.
Для выяснения причин возможного получения таких энергетических показателей рассмотрим энергобаланс различных источников потребления тепла в сушильной камере, отнесенного к единице объема условного (у. м.) пиломатериала (сосна, доска толщиной 50 мм, шириной 150 мм, длиной 1 м, начальная влажность Ш = 60 %, конечная Ж2 = 10 %, базовая плотность 400 кг/м3).
Таковыми составляющими полной тепловой энергии £> являются: тепло, идущее на прогрев штабеля д 1, тепло, идущее на испарение влаги ц2 и тепловые потери дЗ:
Q^q\+q2 + q3. (1)
Данные по удельному энергопотреблению и его составляющих для хвойных пород приведены в работах [1-4, 6-8]. Из них следует, что основная часть тепловой энергии идет на испарение q2, то есть на обеспечение процесса фазового перехода жидкость
- пар. С точки зрения получения конечной продукции в процессе сушки, этот фазовый переход не является обязательным, т.к. лучший случай - это удаление влаги из древесины в жидком виде. Если предположить, что количество тепла, идущего на нагрев одного кубометра условного пиломатериала в сушильных камерах разного типа является одинаковым, то, пренебрегая тепловыми потерями (ввиду их незначительности, по сравнению с теплом, затраченным на испарение и прогрев материала), можно получить значения предельного энергетического показателя q2, который характеризует минимальное количество тепла, необходимого для испарения влаги, содержащейся в единице объема у. м. Для этого определим массу воды, находящейся в 1 м3 условного материала, которая согласно [1-4] составляет т = 200 кг для принятой начальной W\ и конечной W2 влажности.
Она состоит из свободной влаги ml -120 кг и связанной влаги т2 = 80 кг. Поэтому общее количество тепла, требуемого на ее испарение, определим с учетом энергии связи с древесиной [8]:
Q = [ml + (1 + Ä)m2]r = 288 + 203,5 = 491,5 МДж,
(2)
где г — скрытая теплота фазового перехода (для воды г = 2,4 МДж/кг); А = 0,06 - поправка на энергию связи влаги с древесиной.
Отсюда следует значение предельного энерговклада N1, затрачиваемого на испарение и нагрев: N1 =136,5 кВт • ч/м3, из которого на подогрев одного кубометра у. м. на 40 °С (случай вакуумной сушки) расходуется всего 12,9 кВт • ч/м3.
Сравнение величины N1 с аналогичным параметром новых сушильных камер [12-18] и табличными данными [1-4-, 6-8] позволяет оценивать их совершенство, а
также выявлять физические особенности тепловых процессов реализуемого в них процесса сушки.
Так, для случая, когда N < N1 (например, N = 100 кВт • ч/м3) становится очевидным, что в данном устройстве должен быть реализован процесс, при котором значительная часть влаги удаляется в жидком виде. О возможном существовании такого процесса, при определенных режимах, упомянуто в монографии [8]. Более подробно эти процессы рассмотрены в работах [19, 20]. Из [8] следует, что при кипении жидкой влаги на поверхности древесины имеет место активный выброс мелких капель в паровой поток с последующим их конвективным уносом. Значительную роль выброса капель и процессов объемной конденсации и коагуляции капель в паровом потоке подтверждают режимы работ вакуумных камер с диэлектрическим нагревом и специальные исследования [20]. Как отмечено выше в работах [16-18], режим кипения на поверхности древесины постоянно присутствует при работе вакуумных сушилок. Важную роль в реализации интенсивного кипения в процессе сушки играет степень открытости наружной поверхности древесины, что невозможно получить при нагреве непроницаемыми кондук-тивными (греющими плитами) или ферромагнитными элементами. Здесь более предпочтительными являются диэлектрический или радиационный нагрев с интенсивным регулируемым конвективным обменом. При радиационном нагреве в этом случае перспективно использование источника излучения определенного спектрального состава, которое хорошо поглощается водой и достаточно прозрачно для древесины. Таким источником может быть излучатель на основе специальной многокомпонентной керамики. Нагретая до невысоких температур она испускает интенсивное излучение, которое резонансно поглощается молекулами воды. При этом можно реализовать условия, позволяющие проводить процесс сушки при низком уровне нагрева.
Таким образом, перспективными направлениями в разработке сушильных камер с
высоким энергосбережением являются технические решения, рассмотренные в [12-18], а также организация камерной сушки с регенерацией тепла (особенно скрытой теплоты парообразования), на основе предлагаемого комбинированного конду ктивно-испарительно -
конденсационного способа.
В стадии стационарной сушки древесины по данному способу потребуется существенно меньшее энергопотребление (М ~ 100 кВт • ч/м3), компенсирующее тепловые потери из элементов сушильной камеры.
Выводы
Рассмотренные выше результаты по способам организации рабочих процессов и энергетическим характеристикам сушильных камер дают основания сделать некоторые обобщения, с целью определения перспективных направлений в развитии данных устройств. Это прежде всего:
использование комбинированных способов сушки, типа подогрев - вакуумирование;
применение в качестве теплогенерирующих устройств установок с минимальными внешними потерями и высоким КПД, аналогичных аэродинамическому или низковольтному омическому нагреву;
реализация в процессе сушки мягких режимов с температурами не выше 55-60 0
С, при минимально возможных градиентах влажности и температуры в объеме древесного материала и с высокой степенью влажности у ее поверхности;
разработка сушильных камер с высоким энергосбережением, основанном на возврате тепла и особенно энергии заключенной в скрытой теплоте парообразования, причем данный процесс должен быть организован как в целом для паровоздушного потока, так и для парового потока у нагреваемой поверхности, что открывает новые возможности создания установок по принципиально другой термодинамической схеме функционирования.
Литература
1. Серговский П.С. Оборудование гидротермической обработки древесины. - М.: Лесная промышленность, 1981. - 304 с.
2. Расев А.И. Сушка древесины. - М.: Лесная промышленность, 1985. - 175 с.
3. Справочник по сушке древесины (ред. Богданова Е.С.). - М.: Лесная промышленность, 1990.-404 с.
4. Кречетов И.В. Сушка и защита древесины. - М.: Лесная промышленность, 1975. -400 с.
5. Траковская Л. Лесопильное производство в России
// Деревообработка в мире. - 1994. - № 2.
6. Соколов П.В., Харитонов Г.Н., Добрынин С.В. Лесосушильные камеры. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 184 с.
7. Богданов Е.С. Сушка пиломатериалов. - М.: Лесная
промышленность, 1988. - 303 с.
8. Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка древеси-
ны. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 336 с.
9. Состояние и перспективы развития сушки древеси-
ны. Тезисы докладов к всесоюзному научно-техническому совещанию 10-13 сентября 1985 г. -Архангельск: 1985. - 238 с.
10. Серговский П.С., Расев А.И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 360 с.
11. Уголев Б.Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке. - М.: Лесная промышленность, 1971. - 174 с.
12. Насобин В.В., Сергеев В.В., Ясков A.A., Штука И.А. Новые камеры для малых предприятий // Деревообрабатывающая промышленность. - 1994. -№2.-С. 8-10.
13. От сушки материалов до высококачественных изделий // Деревообработка в мире. - 1994. - № 3. -С. 10-11.
14. Виноградский В.Ф. Сушильные камеры «Аэротерм» // Деревообрабатывающая промышленность. - 1995. -№ 2. - С. 10-11.
15. Романовский С.Г. Эффективное технологическое оборудование для тепловых процессов в деревообработке // Деревообрабатывающая промышленность. - 1994. - № 2. - С. 16-17.
16. Расев А.И., Курышов Г.Н., Ляшенко С.В. Прерывистые режимы сушки пиломатериалов и заготовок // Деревообрабатывающая промышленность. -1993. -№3,- С. 15-16.
17. Расев А.И., Олексив Д.М. Конвективновакуумная сушилка для пиломатериалов // Деревообрабатывающая промышленность. - 1993. - № 4. - С. 9-10.
18. Перспективные технологии сушки пиломатериалов // Деревообработка в мире. - 1994. - № 3. - С. 40-41.
19. Ивлютин А.И., Моторин В.H., Харченко В.Н. Исследование структуры течения газорегулируемой короткой тепловой трубы В сб. «Тепломассообмен-VII». -T. IV, ч. 2. - Минск: 1984.
20. Быстров П.И., Ивлютин А.И., Харченко В.H., Шульц А.Н. О физических механизмах переноса массы и импульса в короткой низкотемпературной тепловой трубе // ИФЖ. - Т. 1. - 1991.
