CC BY
7
УДК 674.047
Хвойные бореальной зоны. 2021. Т. XXXIX, № 1. С. 60-65
О ВЛАГООБМЕННЫХ ПРОЦЕССАХ ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ В КАМЕРАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
Ш. Г. Зарипов1, В. А. Корниенко2
1Лесосибирский филиал Сибирского государственного университета науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 662543, г. Лесосибирск, ул. Победы, 29 E-mail: [email protected] 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail:[email protected]
Влагообменные процессы при сушке пиломатериалов вообще и лиственничных в частности оказывают существенное влияние на интенсивность удаления влаги. Интенсивность удаления влаги с поверхности доски во многом зависит от скорости циркуляции агента сушки по поверхности доски. В то же время стандартные режимы сушки ограничиваются регламентацией таких параметров, как температура и относительная влажность воздуха, что явно недостаточно для регулирования скоростью удаления влаги с поверхности доски. Поэтому одна из проблем, которая требует своего решения, - это установка скоростных режимов, позволяющих синхронизировать процессы влагопереноса и влагообмена.
Установлено, что влагоперенос и влагообмен зависят не только от температурно-влажностных условий, но также от скоростных режимов агента сушки, которые достигают максимального значения в межрядовых каналах нижних рядов штабеля. Следовательно, потенциал сушки достигает максимальных значений в нижних рядах штабеля высушиваемых пиломатериалов. Поэтому, при недостаточной производительности вентиляторного узла по перемещению воздушных масс наблюдается значительный перепад потенциала сушки по высоте штабеля. Если условно весь период сушки лиственничных пиломатериалов разделить на три этапа, то максимальное влияние потенциала сушки имеет место на протяжении второго этапа, когда значительная часть воды, которая выводится на поверхность доски, удаляется посредством испарения. На указанном этапе сушки наблюдается максимальное значение асинхронности процессов влагообмена и влагопереноса по высоте штабеля.
Цель данной работы - обосновать скоростные режимы циркуляции агента сушки по поверхности лиственничных пиломатериалов.
Ключевые слова: массообмен, массоперенос, влагообмен, влагоперенос, конвективная сушка, пиломатериалы, экстрактивные вещества, лиственница, скорость циркуляции.
Conifers of the boreal area. 2021, Vol. XXXIX, No. 1, P. 60-65
ON MOISTURE EXCHANGE PROCESSES DURING CONVECTIVE DRYING OF LARCH LUMBER IN BATCH-TYPE CHAMBERS
Sh. G. Zaripov1, V. A. Kornienko2
:Lesosibirsk Branch of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 29, Pobedy St., Lesosibirsk, 662543, Russian Federation Е-mail: [email protected] 2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Moisture exchange processes in lumber drying in general and larch drying in particular have a significant impact on the intensity of moisture removal. The intensity of moisture removal from the surface of the board largely depends on the circulation rate of the drying agent on the surface of the board. At the same time, standard drying modes are limited by regulating parameters such as temperature and relative humidity, which is clearly not enough to control the rate of moisture removal from the surface of the board. Therefore, one of the problems that needs to be solved is the installation of high-rate modes that allow to synchronize the processes of moisture transfer and moisture exchange.
It has been established that moisture transfer and moisture exchange depend not only on temperature and humidity conditions, but also on the rate modes of the drying agent, which reach the maximum value in the inter-row channels of the lower rows of the pile. Consequently, the drying potential reaches its maximum values in the lower rows of the
lumber pile. Therefore, with insufficient performance of the fan-driven unit for the movement of air masses, there is a significant drop in the drying potential along the height of the pile. If the entire drying period of larch lumber is conditionally divided into three stages, then the maximum effect of the drying potential occurs during the second stage, when a significant part of the water which is brought to the surface of the board is removed by evaporation. At this stage of drying the maximum value of the asynchrony of the processes of moisture exchange and moisture transfer along the height of the pile is observed.
The purpose of this work is to justify the high-rate circulation modes of the drying agent on the surface of larch lumber.
Keywords: mass exchange, mass transfer, moisture exchange, moisture transfer, convective drying, lumber, extractives, larch, circulation rate.
ВВЕДЕНИЕ
Массообменные процессы при сушке пиломатериалов вообще и лиственничных в частности трудно переоценить. Массообмен предполагает необратимый процесс переноса массы вещества какого-либо компонента многокомпонентной системы, происходящий как в пределах одной фазы, так и из одной фазы в другую в направлении уменьшения химического потенциала.
Сушка пиломатериалов - сложная технологическая операция. Классический подход при конвективной сушке пиломатериалов сводится к регулированию процесса влагообмена на границе сред «поверхность пиломатериалов - паровоздушная среда». Направление движения влаги устанавливается задачей, которая решается в конкретный период сушки [5]. Для этого агент сушки либо осушается, либо увлажняется. Для этого сушильные камеры снабжаются системами как сушки (вентиляторный узел и приточно-вытяжные каналы), так и увлажнения (система впрыска воды в тонкодисперсном состоянии).
В ГОСТ 19773-84 [1] прописано изменение температуры агента в сушильной камере (с), а также его относительная влажность (ср). Сочетание этих параметров устанавливает интенсивность удаления влаги с поверхности доски.
Существенным недостатком представленных в ГОСТ 19773-84 режимов сушки пиломатериалов, на наш взгляд, является отсутствие строгих рекомендаций по скорости циркуляции агента сушки (V) по поверхности высушиваемых пиломатериалов. Необходимость учёта данного параметра диктуется существенным его влиянием на интенсивность испарения на массообмен [4].
При изучении особенностей кинетики сушки лиственничных пиломатериалов было обращено внимание на существенное влияние скорости циркуляции на процесс удаления влаги. На основании вышесказанного формулируется цель работы: обосновать скоростные режимы циркуляции агента сушки по поверхности лиственничных пиломатериалов.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Экспериментальная сушильная камера. Для обоснования скоростных режимов по поверхности лиственничной доски экспериментальные сушки проводились в лабораторной сушильной установке (рис. 1). Данная сушильная установка по форме и размерам является копией сушильной камеры СПВ-62. Это значит, что калориферный и вентиляторный узел располагается над сушильным штабелем, что позволяет реализовы-вать вертикальный замкнутый циркуляционный цикл.
А-А Б-Б
Рис. 1. Схема экспериментальной сушильной камеры рабочим объёмом по условному материалу 1 м3: 1 - вентилятор; 2 - калорифер; 3 - осушитель; 4 - воздуховод; 5 - штабель пиломатериалов; 6 - ограждения камеры; 7 - защитный кожух; 8 - контейнер для сбора конденсата; 9 - кран подачи холодной воды; 10 - спираль охладителя; 11 - корпус осушителя; 12 - шланг слива конденсата; 13 - психрометр
Объём рабочего пространства по условному пиломатериалу составляет 1 м3. Камера оснащена системой регулирования режимами сушки, что позволяет выполнять весь спектр работ по отработке режимов сушки.
В сушильной камере функционирует два контура циркуляции агента сушки: основной и дополнительный. Основной контур циркуляции предусматривает последовательное прохождение агента сушки через вентилятор (рис. 1, п. 1), калорифер (п. 2), штабель пиломатериалов (п. 5) и возврат в вентиляторный узел. Средний секундный объём циркулирующего агента сушки по штабелю составляет V = 0,73 м3/с.
Дополнительный контур циркуляции предназначен для осушения агента сушки. Для этого из основного контура циркуляции отбирается небольшая часть (^ 0,01 V) циркулирующего агента сушки и пропускается через конденсатор (рис. 1, п. 3), где производится перевод парогазовой смеси, находящейся в сушильной камере, в жидкую фазу.
Конденсация паров осуществляется при контакте парогазовой смеси с охлаждёнными стенками медной трубки (рис. 1, п. 10), свёрнутой в спираль. Через спираль пропускается холодная вода (4 = (18.20) °С). Производительность осушителя в процессе всего цикла сушки оставалась величиной постоянной.
Схема определения скорости циркуляции. Схема определения скорости циркуляции (представлена на рис. 2) устанавливалась исходя из цели эксперимента. Цель эксперимента: установить влияние скорости циркуляции агента сушки на интенсивность сушки лиственничных пиломатериалов.
Для решения поставленной цели эксперимент проводился в два этапа:
- на первом этапе фиксировалась текущая и конечная влажность лиственничных пиломатериалов по высоте штабеля;
- на втором - устанавливалась скорость циркуляции по высоте штабеля. Для этого сушильный штабель по ширине делился на две части, что позволило устанавливать скорость циркуляции внутри штабеля.
Анализ полученных данных рассматривается ниже.
Рис. 2. Схема измерения скорости циркуляции в межрядовом канале сушильной камеры: 1 - высушиваемый пиломатериал; 2 - межрядовый канал; 3 - межрядовая прокладка (h = 25 мм); 4 - анемометр Testo 410-1
ОБСУЖДЕНИЕ
Для более полного понимания процессов массооб-мена необходимо обозначить ряд положений по мас-сопереносу, происходящих при сушке лиственничных пиломатериалов.
Циркуляция воздуха в сушильной камере и сушка пиломатериалов. Влияние циркуляции на удаление влаги из высушиваемого материала очевидно. Данный вопрос изучался многими специалистами [7], [и др.]. В тепловых расчётах сушильных установок широко используется такое понятие, как градиент температур (Л/ют) на сторонах штабеля высушиваемых пиломатериалов. По величине указанного показателя предлагается [3] устанавливать интенсивность процесса сушки.
В то же время остаётся ряд важных, на наш взгляд задач, которые требуют своего решения. К такой категории следует отнести влияние распределения объёмов циркулирующих воздушных масс по высоте штабеля при реализации вертикального контура циркуляции. Она связана непосредственно с равномерностью просыхания пиломатериалов по высоте штабеля. Указанному вопросу незаслуженно уделено недостаточное внимание в специальной литературе.
Данная проблема возникла при проведении опытных сушек в экспериментальной сушильной камере (см. рис. 1), когда доски верхних рядов штабеля в конце сушки имели влажность значительно выше тех, которые находились в нижних рядах. При изучении данной проблемы было установлено, что для равномерного просыхания пиломатериалов верхним рядам штабеля явно недостаточно воздушных масс. В результате наблюдается нехватка тепловой энергии для активации процессов в самой древесине, а также имеют место застойные явления на поверхности доски.
Было установлено, что воздушные потоки, поступающие из вентиляторно-калориферного узла (поз. А рис. 3), в первую очередь, устремляются в свободные места, где имеет место минимальное аэродинамическое сопротивление. Таким местом является пространство между стенкой камеры и штабелем пиломатериалов (поз. В, рис. 3).
Таким образом, в канале В (см. рис. 3) функционирует два процесса: «наполнение» и «вытеснение». Вытеснение воздушных масс из канала В осуществляется во все имеющиеся межрядовые каналы (поз. С, рис 3). В первую очередь, воздух формирует максимальный напор в нижних каналах. По мере подъёма по штабелю напор ослабевает. На это указывает эпюра скоростей по межрядовым каналам (рис. 3). В результате реализуется принцип «дырявого сосуда».
Реализация указанного принципа приводит к неравномерному распределению воздушных масс по высоте штабеля: максимальный объём приходится на нижние ряды, а верхние испытывают существенную нехватку. Ниже более подробно рассматривается данная ситуация.
Анализ процессов выделения влаги из древесины. Проведённые исследования по кинетике сушки лиственничных пиломатериалов указали на то, что вода из древесины лиственницы выделяется в составе водного раствора экстрактивных веществ [2]. Кроме этого на поверхность лиственничной доски выводится парога-
зовая смесь. Следует сразу обратить внимание на то, что для вывода компонентов из древесины лиственницы необходима энергия, пополнение которой осуществляется нагретыми в калориферном узле воздушными массами.
Рис. 3. Распределение воздушных потоков в сушильной камере:
А - поток воздуха из вентиляторно-калориферного узла; В - воздушные массы между штабелем и стенкой камеры; С - поток воздуха в межрядовый канал; 1 - стенка сушильной камеры; 2 - штабель пиломатериалов; 3 - ложный потолок
Таким образом, на поверхности доски формируется сложная по своему составу и физическому состоянию система. Наблюдения показали, что полученная система разделяется на отдельные компоненты: парогазовая смесь, вода и сухой остаток из экстрактивных веществ. Ввиду того, что в данной работе рассматривается вопрос сушки древесины лиственницы, то акцентироваться внимание будет на удалении воды.
На рис. 4 графически представлены удельные показатели скорости сушки лиственничных пиломатериалов.
70 60
.о
I X
О
ш ш ш а ч .0 н о о
X
56 га с ш
о
= 50 га" о.
^ 40 га
ш 30 с
1и 20
10
1
И
Л П 1
2\ 3
-4- \ 1
0,07
0,06 ьт
0,05 тс о
.
0,04 о к с "С к
0,03 га н ,и к
ь ш
0,02 л е у с
д
0,01 >
0
0 20 40 60 80 100 120 140 Продолжительность сушки, ч
Рис. 4. Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов сечением 25^100 мм: 1 - температура агента сушки; 2 - влагосодержание древесины; 3 - удельная скорость сушки
Из графика 3 рис. 4 следуют два основных вывода:
- по скорости процесс сушки делится на два ярко выраженных периода: интенсивный и замедленный;
- в пределах каждого периода наблюдается циклический принцип вывода воды.
Следовательно, для удаления с поверхности доски всей массы воды необходимо предусмотреть определённую жёсткость режима, которая будет устанавливаться не только такими параметрами, как tс, р, но также V. Причём жёсткость режима необходимо устанавливать в зависимости от периода сушки.
Анализ потенциала сушки по высоте штабеля. Анализ проводится на основании экспериментальных данных (см. рис. 3).
Максимальная скорость прохождения воздушных масс по межрядовым каналам зафиксировано в 1-м снизу штабеля и составила v1 = 2,4 м/с. К 8-му ряду объём воздушных масс, который поступал из вентиляторно-калориферного отсека, распределился по межрядовым каналам и составил нулевую скорость. При этом некоторый объём воздуха прошёл мимо штабеля через боковые зазоры.
По полученным данным просчитывается закономерность изменения интенсивности теплообменных и влаообменных процессов в межрядовых каналах.
Интенсивность конвективного теплообмена на границе сред определяется уравнением Ньютона [6]:
q = a(tc- ^ов X
(1)
где а - коэффициент теплообмена, Вт/(м -К): зависит от скорости циркуляции; tc, ^ов - соответственно, температура агента сушки и поверхности доски.
Рис. 5. Скорость циркуляции в межрядовых каналах штабеля высушиваемых пиломатериалов
Интенсивность влагообменных процессов на поверхности влажных материалов рассчитывается по уравнению [4]:
N = 0,04075-и0,8 ■Ap1,
(2)
где N - удельная скорость испарения влаги с влажной поверхности материала, кг/(м2 - ч); и - скорость воздуха над материалом, м/с; Др1 - разность давлений водяного пара в воздушной пленке над материалом (рн) и в проходящем воздухе (рп), кПа; Др1 = (рн - рп).
Из уравнений (1), (2) следует, что интенсивность как теплообмена, так и влагообмена, которые форми-
руют потенциал сушки, зависит от скорости циркуляции агента сушки по поверхности доски. В свою очередь, скорость циркуляции зависит от положения высушиваемой доски в штабеле (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость потенциала сушки от местоположения высушиваемой доски в штабеле
Из вышесказанного следует, что потенциал сушки в нижних рядах штабеля многократно превышает потенциал сушки пиломатериалов, находящихся в верхних рядах.
Баланс сушки. Вышеприведённые материалы указали на высокую неопределённость по интенсивности процессов, которые происходят в сушильной камере. Однако для каждого момента времени сушки характерен свой тепловой и влагообменный баланс. В данной работе обращается внимание на три наиболее значимых этапа времени сушки по соотношению интенсивности выделения и удаления воды с поверхности доски.
1-й этап. Первые часы сушки характеризуются повышенной интенсивностью вытеснения воды из древесины, достигая значения равной Отвх = 0,35 кг/(м2-ч). Для испарения такого объёма воды необходима скорость циркуляции по поверхности доски V и 13 м/с, что технически недостижимо. Поэтому в указанный момент времени большая часть воды с поверхности доски элементарно стекает на пол сушильной камеры. На данном этапе потенциал сушки практически какого-либо влияния на интенсивность процесса удаления воды не оказывает.
2-й этап. После 15.25 ч сушки наблюдается изменение как в самой древесине, так и в сушильной камере. Изменение в древесине связано с двумя основными аспектами:
- появление на поверхности доски «очагов» экстрактивных веществ, которые дополнительно удерживают влагу;
- углубление фронта сушки по толщине доски приводит к снижению интенсивности вывода влаги на поверхность.
Всё это приводит к снижению интенсивности выделения влаги из древесины до уровня, когда объём циркулирующего воздуха по поверхности доски позволяет всю массу вытесненной воды из древесины удалить путём испарения.
Анализ полученных данных позволил выявить основной недостаток экспериментальной сушильной камеры - недостаточная производительность вентиляторного узла. Установлено, что в полной мере работа-
ет только нижняя часть штабеля 4-5 рядов. Остальная часть испытывает явный недостаток циркулирующего агента сушки в указанный период сушки.
В результате время сушки остальной части высушиваемого пиломатериала увеличивается на 15.25 %. Для равномерного просыхания высушиваемых лиственничных пиломатериалов необходимо поддерживать скорость циркуляции по поверхности доски в интервале от V = 1,0.2,4 м/с.
3-й этап. Третий, самый длительный этап сушки лиственничных пиломатериалов, характеризуется периодическим выделением на поверхность доски определённых порций воды. Поэтому потенциал сушки на этом этапе оказывать какое-либо значимое влияние на интенсивность сушки не может.
Данная закономерность распределения воздушных потоков и связанная с этим недостатком неравномерность просыхания тонких пиломатериалов нашло подтверждение в сушильных камерах периодического действия с вертикальной циркуляцией с объёмом загрузки Кзагр = 200 м3.
ВЫВОДЫ
1. Наполнение агентом сушки штабеля высушиваемых пиломатериалов происходит по принципу «дырявого сосуда» - с нижних рядов штабеля, заполняя под давлением межрядовые каналы.
2. Скорость прохождения воздушных масс по поверхности пиломатериалов достигает максимальных значений в нижних рядах, определяя тем самым потенциал сушки лиственничных пиломатериалов.
3. По соотношению интенсивности выделения из древесины и удаления воды с поверхности доски процесс сушки лиственничных пиломатериалов целесообразно разделить на три этапа: на первом и третьем этапах влияние потенциала сушки на процесс удаления воды мало значим.
4. Для равномерного просыхания высушиваемых лиственничных пиломатериалов необходимо поддерживать скорость циркуляции по поверхности доски в интервале от V = 1,0.2,4 м/с.
5. Вышеприведённые выводы «работают» в сушильных камерах периодического действия с вертикальной циркуляцией независимо от ёмкости камеры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. ГОСТ 19773-84. Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия. Введ. 1985-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1989. 14 с.
2. Зарипов Ш. Г. Совершенствование технологии сушки лиственничных пиломатериалов : дис. . д-ра техн. наук. Архангельск : САФУ, 2016. 244 с.
3. Миков А. А. Технология сушки пиломатериалов на основе мониторинга текущей влажности древесины : дис. . канд. техн. наук. Екатеринбург : УЛТУ, 2017. 143 с.
4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учеб. пособие для вузов ; под ред.чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. Л. : Химия, 1987. 576 с.
5. Руководящие материалы по технологии камерной сушки древесины / под ред. Е. С. Богданова. Архангельск : ЦНИИМОД, 1985. 152 с.
6. Серговский П. С., Расев А. И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины : учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Лесн. пром-сть, 1987. 360 с.
7. Соколов П. В. Проектирование сушильных и нагревательных установок для древесины. М. : Лесн. пром-сть, 1965. 331 с.
REFERENCES
1. GOST 19773-84. Pilomaterialy khvoynykh i listvennykh porod. Rezhimy sushki v kamerakh periodicheskogo deystviya. Vved. 1985-01-01. Moskva, Izd-vo standartov, 1989, 14 s.
2. Zaripov Sh. G. Sovershenstvovaniye tekhnologii sushki listvennichnykh pilomaterialov : dis. ... d-ra tekhn. nauk. Arkhangelsk, SAFU, 2016, 244 s.
3. Mikov A. A. Tekhnologiya sushki pilomaterialov na osnove monitoringa tekushchey vlazhnosti drevesiny :
dis. ... kand. tekhn. nauk. Ekaterinburg, ULTU, 2017, 143 s.
4. Pavlov K. F., Romankov P. G., Noskov A. A. Primery i zadachi po kursu protsessov i apparatov khimicheskoy tekhnologii : ucheb. posobiye dlya vuzov ; pod red.chl.-korr. AN SSSR P. G. Romankova. 10-e izd., pererab. i dop. Leningrad, Khimiya, 1987, 576 s.
5. Rukovodyashchiye materialy po tekhnologii kamernoy sushki drevesiny / pod red. E. S. Bogdanova. Arkhangel'sk, TsNIIMOD, 1985, 152 s.
6. Sergovskiy P. S., Rasev A. I. Gidrotermicheskaya obrabotka i konservirovaniye drevesiny : uchebnik dlya vuzov. 4-e izd., pererab. i dop. Moskva, Lesn. prom-st', 1987, 360 s.
7. Sokolov P. V. Proyektirovaniye sushil'nykh i nagrevatel'nykh ustanovok dlya drevesiny. Moskva, Lesn. prom-st', 1965. 331 s.
© Зарипов Ш. Г., Корниенко В. А., 2021
Поступила в редакцию 14.10.2020 Принята к печати 15.01.2021
