CC BY
84
УДК 648.6
Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасамшим, П. А. Кайнов
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ РЕШЕНИЙ СОТРУДНИКОВ ФГБОУ ВПО «КНИТУ» В ОБЛАСТИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: сушка, древесина, вакуум, импульсный режим.
В настоящей работе предложен способ сушки древесины, основанный на «импульсной» технологии. Принцип «импульсных» режимов был заложен в основу технологии вакуумно-конвективных сушильных камер, реализованных сотрудниками КНИТУ на инновационном полигоне «Искра».
Keywords: drying, wood, vacuum, pulse mode.
In this paper we propose a method of drying wood, based on the "pulse" technology. The principle of "pulse" mode has been laid in the foundation technology of vacuum-convective drying rooms, the staff realized KNRTU on an innovative range «ISKRA».
Введение
С каждым годом к сушке пиломатериалов на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях предъявляются все более жесткие условия, требующие сокращения энергозатрат и длительности процесса сушки без ущерба качеству высушиваемого материала. В связи с этим камерная сушка становиться одним из важнейших участков предприятий, ответственным звеном общего технологического процесса обработки древесины [1, 2].
Наиболее распространенными сушилками в настоящее время являются, так называемые, конвективные сушильные камеры, которые снабжены тепловым и циркуляционным оборудованием. Процесс сушки в них протекает при атмосферном давлении, поэтому в качестве ограждений могут быть использованы различные конструкционные материалы. Конвективные камеры различают периодического и непрерывного действия, последние не получили широкого распространения ввиду затруднительной качественной сушки до требуемой эксплуатационной влажности [3].
К общим недостаткам конвективных сушильных камер следует отнести высокую продолжительность процесса (5 - 45 дней в зависимости от сортамента пиломатериала) и неравномерность высушивания штабеля. Но если первый недостаток - продолжительность процесса - обусловлен технологией (перемещение влаги к поверхности материала вызвано лишь градиентом влажности, а градиент температуры при этом оказывает тормозящее действие), то неравномерность высушивания штабеля является конструктивным недостатком. Решение данной проблемы заключается в необходимости создания равномерной температуры, влажности и скорости агента сушки в различных точках штабеля. Для этого многие конструкции сушильных камер выполняют с сужающимся по длине потока сечением, в частности, путем установки наклонных экранов. Однако сужение потока может создать лишь равномерную по сечению штабеля скорость. Температуру агента сушки в различных точках штабеля регулировать подобным образом является затруднительным. Поэтому сотрудниками Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ) были реализованы сушильные камеры с вертикальной и горизонтально-поперечной циркуляцией теплоносителя через перфо-
рированные экраны, внедренные соответственно на казанских предприятиях ООО «ПСФ «Карпентер» и ОАО «Вельд» (рис. 1) [1-3].
Рис. 1 - Схема модернизации конвективных камер: а - с вериткальной циркуляцией теплоносителя; б - с горизонтально-поперечной циркуляцией теплоносителя
Следующим достаточно удобным методом сушки в условиях малых столярных производств является контактная технология, когда тепло высушиваемому материалу передается теплопроводностью от нагретой поверхности. Однако при контактном методе распределение влагосодержания по толщине пиломатериала неравномерно и несимметрично: в контактном слое у греющей поверхности влаго-содержание на протяжении всего процесса минимально, в центральных слоях - максимально. У открытой поверхности влагосодержание ниже, чем в центральных слоях, но выше, чем в контактном слое. Такое распределение влагосодержания в процессе сушки ценных твердолиственных пород древесины может привести к нежелательным последствиям (развитие объемно-напряженного состояния). Температура в направлении от контактного слоя к открытой поверхности непрерывно убывает [4]. Перемещение влаги к поверхности материала обусловлено градиентами температуры и давления; градиент влагосодержания оказывает тормозящее действие, поэтому основное распространение контактный метод получил в сочетании с вакуумной технологией, поскольку является наиболее простым способом подвода тепла в вакууме.
Основная часть
При этом сотрудниками казанского предприятия ООО «ОКБ «Прогресс» совместно с КНИТУ
б
а
была разработана и внедрена технология, при которой пиломатериалы контактируют не с одной нагревательной поверхностью как при классической технологии, а в процессе формирования штабеля укладываются между двумя нагревательными элементами, таким образом, что подвод тепловой энергии осуществлялся одновременно к обоим пластям пиломатериала, обеспечивая симметричное распределение температуры и, соответственно, влажности древесины [3,4].
При этом в качестве нагревательных элементов используются плиты специальной конструкции, представляющие собой две перфорированные металлические пластины с установленными между ними змееви-ковыми нагревателями. В качестве змеевикового нагревателя используются электронагревательные элементы, обеспечивающие минимальную инерционность процесса.
При этом разработанный способ сушки древесины основан на «импульсной» технологии [5, 6]. Процесс сушки начинается с прогрева высушиваемой древесины (рис. 2) путем включения в работу нагревательных элементов. Процесс осуществляется при атмосферном давлении среды с целью минимизации удаления влаги из материала.
Ип.г
Рис. 2 - Схема ведения процесса вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов методом «импульс-пауза»
На стадии прогрева происходит накопление тепловой энергии. После прогрева пиломатериала включением конденсатора и вакуумного насоса начинается стадия вакуумирования, в процессе которой происходит интенсивное удаление влаги из древесины через перфорации нагревательных пластин. В процессе ва-куумирования происходит отключение электронагревательных элементов и сушка древесины происходит за счет предварительно аккумулированной тепловой энергии. Стадию вакуумирования можно подразделить на два периода: процесс понижения давления и выдержка нагретого материала в условиях вакуума.
После завершения стадии вакуумирования цикл «прогрев-вакуум» повторяется. Количество циклов определяется толщиной пиломатериала, конечной влажностью и породой древесины.
Использование вакуумных технологий в деревообрабатывающей промышленности в последние годы набирает свои обороты: помимо вакуумно-кондуктивных сушилок, отличающихся большой трудоемкостью погрузочно-разгрузочных работ, появля-
ются камеры, использующие конвективный способ подвода тепловой энергии. В вакуумном аппарате конвективный нагрев возможен «импульсным» методом или путем сушки материала при стационарном пониженном давлении среды. При этом в качестве среды может выступать горячий воздух, перегретый пар или гидрофобная жидкость.
Принцип «импульсных» режимов был заложен в основу технологии вакуумно-конвективных сушильных камер, реализованных сотрудниками КНИТУ на инновационном полигоне «Искра» (рис. 3). Процесс сушки складывается из последовательно чередующихся стадий нагрева древесины и ее ва-куумирования. На стадии нагрева материал обдувается горячим воздухом при атмосферном давлении. В этот период температура древесины повышается, что сопровождается испарением влаги с ее поверхности. Влажность несколько снижается.
Движение влаги внутри материала проходит под действием градиента влажности. Древесину нагревают до определенной температуры, после чего начинается стадия вакуумирования, которая характеризуется интенсивным испарением влаги с поверхности материала. Температура поверхности снижается. В полостях клеток происходит вскипание воды, образовавшийся водяной пар движется к поверхности под избыточным давлением. При этом часть пара удаляется из древесины, а часть, при контакте с охлажденными поверхностными зонами конденсируется.
Рис. 3 - Вакуумно-конвективная сушильная камера
Водяной пар, покинувший древесину, образует вокруг нее среду практически чистого насыщенного или перегретого пара. В результате этого, влага удаляется при достаточно высокой влажности поверхности и, следовательно, малом ее перепаде по толщине материала, это позволяет избежать значительных сушильных напряжений и больших остаточных деформаций [7].
В период выдержки досок в вакууме при удалении свободной влаги ее движение проходит под действием градиентов давления, влажности и температуры, а при влажности древесины ниже предела насыщения - градиентов влажности и температуры. Этим и обеспечивается высокая интенсивность ваку-умно-конвективной сушки. Вакуумирование пре-
и
кращается после падения температуры в центре материала до определенного значения. Число стадий «прогрев-вакуум» зависит от требуемой конечной влажности высушиваемых досок.
Заключение
Была апробирована возможность регулирования процесса конвективной сушки древесины в разреженной среде теплоносителя по дифференциальной усадке. Результаты проведенных исследований использованы при проектировании и разработке промышленных установок, одна из которых внедрена на производственной базе «Искра».
Литература
1. Хасаншин, Р.Р. Исследование режимов сушки в вакуум-осциллирующей установке / Р.Р. Хасаншин, Ш.Р. Муха-метзянов // Вестник КГТУ. - 2011. - №6. - С. 207-210.
2. Сафин, Р.Р. Математическая модель конвективной сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов при давлении ниже атмосферного / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин // Вестник КГТУ. - 2005. - № 1. - С. 266-268.
3. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник КГТУ. - 2010. - № 4. -С. 120-130.
4. Сафин, Р.Р. Новые подходы к совершенствованию ваку-умно-конвективных технологий сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин, П.А. Кайнов [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть. - 2005. - № 5. - С. 16-19.
5. Сафин, Р. Р. Математическая модель конвективной сушки пиломатериалов в разреженной среде / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин [Текст] // Известия ВУЗов. Лесной журнал. - 2006. - №4. - С. 64-71.
6. Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования осциллирующей сушки древесины в гидрофильных жидкостях / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Ф.Г. Валиев // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2008. - №12. -С. 104-106.
7. Safin R.R. Studies on mechanical properties of composite materials based on thermo modified timber / R.R. Safin, E.Y. Razumov, Stefan Barc^, Monika Kvietkov, R.R. Khasan-shin // Journal "Drvna industrija" ("Wood industry") 64(1) 36 Zagreb, CROATIA, 2012, P. 3-8.
© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, olambis@rambler.ru; Р. Р. Хасаншин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; П. А. Кайнов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.
