CC BY
27
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 647.047
Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. XXXVII, № 2. С. 139-143
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ СУШКЕ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ БЕССТУПЕНЧАТЫМИ РЕЖИМАМИ
А. Г. Гороховский, Е. Е. Шишкина
Уральский государственный лесотехнический университет Российская Федерация, 620100, Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37 E-mail: [email protected]
По мнению основоположников, конвективная сушка обязательно протекает при наличии процесса тепломассообмена. При этом сушка среди прочих процессов деревообработки отличается практически самой высокой энергозатратностью.
Процесс тепломассообмена при сушке режимами различного типа имеет свои особенности, причем часто весьма существенные. Система трехступенчатых режимов сушки пиломатериалов, разработанная в конце 60-х годов, при достаточной простоте реализации обладает многими недостатками. Многоступенчатые или бесступенчатые режимы позволяют, с одной стороны, повысить качество сушки, а с другой снизить продолжительность процесса и величину затрат электрической и тепловой энергии.
Исследования процессов сушки путем проведения активного эксперимента на промышленном оборудовании требуют значительных материальных и энергетических затрат. С другой стороны, компьютерное моделирование процесса сушки древесины как процесса тепломассообмена капиллярно-пористого тела в воздушной среде позволяет получать результаты с достаточной точностью описывающие реальные процессы, происходящие в древесине во время удаления из нее влаги.
Проведенные исследования, в основе которых лежит компьютерное моделирование, наглядно продемонстрировали, что преимущества бесступенчатых режимов базируются на особенностях процесса тепломассообмена, протекающего при сушке пиломатериалов.
Анализ процессов сушки пиломатериалов традиционными режимами показывает существенную неравномерность процессов нагрева и влагоудаления как во времени, так и по толщине сортиментов. Это становится очевидным при ближайшем рассмотрении закономерностей изменения массообменных критериев, в частности критерия Био.
Основной особенностью бесступенчатых режимов является возможность практически полной управляемости процессом влагоудаления, что и позволяет, в конечном итоге, обеспечить высокое качество сушки при минимальных энергозатратах. Особо это касается равномерности распределения конечной влажности по сечению высушенной доски, а также существенно большего значения критерия безопасности режима сушки по сравнению с сушкой трехступенчатыми режимами, рекомендуемыми Руководящими техническими материалами по технологии камерной сушки пиломатериалов.
Реализованный подход отличается эффективностью и универсальностью в отношении не только типов режимов, но и способов сушки древесины.
Ключевые слова: тепломассообмен, компьютерное моделирование, режимы сушки древесины, качество сушки, расход энергии на сушку.
Conifers of the boreal area. 2019, Vol. XXXVII, No. 2, P. 139-143 FEATURES OF HEAT AND MASS TRANSFER AT DRYING OF TIMBER BY STEPLESS MODES
A. G. Gorokhovsky, E. E. Shishkina
Ural State Forest Engineering University 37, Siberian tract Str., Yekaterinburg, 620100, Russian Federation E-mail: [email protected]
According to the founders, convective drying necessarily occurs in the presence of heat and mass transfer. At the same time, wood drying is characterized by almost the highest energy consumption among other wood processing.
Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е. Особенности тепломассообмена при сушке пиломатериалов бесступенчатыми
The heat and mass transfer process has its own characteristics during drying modes of various types and they are significant very often. The system of three-stage drying lumber modes which developed in the late 60-th, has many disadvantages with sufficient ease of implementation. Multi-stage or stepless modes allow, on the one hand, to improve the drying quality, and on the other to reduce the process duration and also electricity and heat cost for it.
Studies of drying processes by conducting an active experiment on industrial equipment require significant material and energy costs. On the other hand, computer simulation of the wood drying process as a heat and mass transfer process of capillary-porous body in the air allows to obtain results with sufficient accuracy describing the real processes occurring with wood during the moisture removal from it.
The conducted studies are based on computer modeling, clearly demonstrated that the stepless modes advantages are based on the heat and mass transfer process features occurring during the lumber drying.
The analysis of the processes of timber drying by traditional modes shows a significant irregularity of the heating and drying processes in time and sawn wood thickness. It becomes evident upon closer analysis of the mass transfer criterions change regularity in particular criterion Bio.
The main feature of the stepless modes is the possibility of almost complete control of the moisture removal process, which allows provides high quality drying with minimal energy consumption. It is especially true of the distribution of the final moisture uniformity in the cross section of the dried board, and also a significantly greater value of the safety criterion of a drying mode compared with the drying three-stage modes were recommended by The Technical Guidance Materials on the Technology of the Chamber drying of a Sawn Wood.
The implemented approach is characterized by efficiency and universality in respect of not only the types of modes, but also the drying wood methods.
Keywords: heat-and-mass transfer, computer simulation, wood drying modes, quality of drying, power consumption for wood drying.
ВВЕДЕНИЕ
Россия в настоящее время, то есть в начале XXI века, по-прежнему существенно отстает от наиболее развитых мировых экономик в области энергоэффективности. Деревообработка в целом и сушка пиломатериалов в частности не является исключением [3; 7; 13; 14].
Кроме того, следует отметить, что в основе развития технологии сушки лежит постоянное совершенствование режимов, в том числе и их структуры. Многоступенчатые режимы сушки широко применялись в 20-50-е годы ХХ века, причем количество ступеней могло быть весьма значительным (от 8 до 13) [6; 8; 11; 14]. Стремление максимально упростить технологию привело к созданию 3-х и даже 2-х ступенчатых режимов сушки, что было оправданным при ручном управлении камерой. Повсеместное применение автоматических систем управления камерами позволяет использовать режимы с плавным изменением параметров во времени [16-19]. Подобные режимы были названы бесступенчатыми [4]. Структура бесступенчатого режима подробно проанализирована в [14].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Для описания процесса низкотемпературной сушки древесины многие годы с успехом применяется система дифференциальных уравнений, предложенная А. В. Лыковым [9].
* = «у^, (1)
дг с дг
д- «тУ Iй + «т8У2/. (2)
дг
Для решения системы (1)-(2) применяют соответствующие начальные и граничные условия [4; 15].
Алгоритмы решения системы (1)-(2) подробно описаны в литературе [10; 12], в том числе и для случая постановки задачи с переменными теплофизиче-скими характеристиками [1; 2; 5].
Решение задачи проводилось в вычислительной среде МаШСа±
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ решения системы (1)-(2) показал, что при сушке пиломатериалов бесступенчатыми режимами процесс имеет несколько важных отличий от такового при применении 3-х ступенчатых режимов (рис. 1-4). Особо это касается хода тепломассообмена [14]:
• применение 3-х ступенчатого режима приводит к ступенчатому же изменению температуры древесины в процессе сушки (рис. 1, а). При использовании бесступенчатого режима этого не наблюдается (рис. 1, б);
• известно, что коэффициенты влагообмена и вла-гопроводности древесины в значительной степени определяются температурой древесины в поверхностной зоне доски. В результате сушка 3-х ступенчатым режимом приводит к резким изменениям массооб-менного критерия Bim, вплоть до полной неуправляемости влагообменом (рис. 2, а). Бесступенчатый режим в этом плане, наоборот, демонстрирует величину соотношения влагопроводность-влагообмен близкую к оптимальной, что свидетельствует о полной управляемости процесса (рис. 2, б);
• сушка бесступенчатыми режимами показывает более высокие качественные показатели, то есть меньший перепад влажности по толщине доски (рис. 3, а, б) и остаточные напряжения при сушке (рис. 4, а, б).
Оптимизация режимов сушки по параметрам энергоэффективности показала, что суммарная минимальная стоимость энергии достигается при минимальном времени сушки [14].
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 2, 2019
Рис. 1. Температура поверхности древесины: а - 3-х ступенчатый режим; б - режим бесступенчатой структуры
о а ш
>3
Е з
£
М 96
Бремя, час
а
Рис. 2. Зависимость Bim (массообменного критерия Био) от времени: а - 3-х ступенчатый режим; б - режим бесступенчатой структуры
100 150
Время чзг
б
UM IM iM
Время час
б
О О 125 0.25 0.373 0.3 О.Й23 0.75 O.S75 Доли толщины боски
Рис. 3. Изменение влажности условного пиломатериала: а - 3-х ступенчатый режим; б - режим бесступенчатой структуры
а
б
а
Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е. Особенности тепломассообмена при сушке пиломатериалов бесступенчатыми .
II
41 _
31
I! I
Í1 i ?
I
II i
&
ad
\ \ J /
4 aw —n" /
О 0.125 0.25 О J75 0.5 0.625 0.75 0.375
Доли толщины docj fx)
i
и
II
** Ё
i* U
и
si
I
¡i
-5
OÓ
aw
0.125 025 0.375 0.5 0.625 0.75 0.S7J
Доли толщины доски (к)
б
Рис. 4. Напряжения в древесине при сушке:
а - 3-х ступенчатый режим; б - режим бесступенчатой структуры
а
ВЫВОДЫ
1. При сушке пиломатериалов трехступенчатыми режимами тепломассообмен характеризуется малой управляемостью процесса влагообмена древесины с агентом сушки, что в итоге приводит к существенному снижению качества сушки.
2. Применение бесступенчатых режимов позволяет повысить управляемость влагообменом и, как следствие, повысить качество сухих пиломатериалов, а также сократить расход электрической и тепловой энергии на процесс сушки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Гаврилова Р. И. Исследование процесса сушки с переменными коэффициентами тепло- и массопере-носа // Инженерно-физический журнал. 1964. Т. VII, № 8. С. 37-42.
2. Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е. Аналитическое определение величины параметров влагоперено-са при сушке древесины // Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 4. С. 344-349.
3. Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е. Технология камерной сушки пиломатериалов с уменьшенными энергозатратами // Деревообрабатывающая промышленность. 2005. № 4. С. 9.
4. Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е., Гороховский А. А. Оптимизация режимов сушки пиломатериалов // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2011. № 1. С. 52-58.
5. Дорняк О. Р. Математическая модель переноса воды в процессе сушки древесины // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов : междунар. науч.-техн. семинар к 100-летию А. В. Лыкова. Воронеж, 2010. С. 466-476.
6. Зарипов Ш. Г. Об особенностях режимов сушки лиственничных пиломатериалов // Хвойные бореаль-ной зоны. 2013. Т. XXXI, № 3-4. С. 89-92.
7. Зарипов Ш. Г., Зарипова Н. Ш. Энергетическая характеристика низкотемпературного процесса сушки лиственничных пиломатериалов // Вестн. Краснояр. гос. аграр. ун-та. 2013. № 11 (86). С. 257-261.
8. Зарипов Ш. Г., Ларченко В. М. Оценка режима сушки по критерию безопасности // Химико-лесной комплекс - проблемы и решения : сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Красноярск, 2001. Т. 1. С. 412-415.
9. Лыков А. В. Теория сушки. М. : Энергия, 1968. 470 с.
10. Никитенко Н. И. Исследование нестационарных процессов тепло- и массообмена методом сеток. Киев : Наук. думка, 1971.
11. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки пиломатериалов. Архангельск : Научдревпром - ЦНИИМОД, 2000. 125 с.
12. Цой П. В. Методы расчета задач тепломассо-переноса. М. : Эгергоатомиздат, 1984.
13. Чернышев А. Н. Физико-механические показатели и энергосберегающие режимы сушки древесины ольхи черной без искусственного увлажнения в конвективных сушильных камерах периодического действия // Лесотехнический журнал. 2013. № 4 (12). С. 138-142.
14. Шишкина Е. Е. Энергосберегающая технология конвективной сушки пиломатериалов на основе управляемого влагопереноса в древесине : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Сев. (Арктический) федер. унт им. М. В. Ломоносова. Архангельск, 2016. 40 с.
15. Шубин Г. С. Обобщенная система уравнений тепломассопереноса при переменных условиях среды и ее реализация на ЭВМ для расчета процессов сушки древесины // Изв. вузов - Лесной журнал. 1988. № 3. С. 49-56.
16. Farjad A., Rahrovan Sh., Haghi A. K. Optimization of Heat and Mass Transfer in Capillary Porous Media during Drying Process // Proceedings of the 5-th IASME/ WSEAS Int. Conference on Heat Transfer, Thermal Engineering and Environment, Athens, Greece, August 25-27, 2007. Р. 91-96.
17. Malyshev V. L. Models of mass transfer in capillary-porous solids with variable porosity during thermal treatment // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. April, 2010, Vol. 44, Iss. 2, Р. 169-171.
18. Fuzzy Modeling in the Management of the Lumber Drying Process Formalization of uncertainties
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 2, 2019
in the problem / V. V. Pobedinsky, A. G. Gorokhovsky, E. F. Hertz еt al. // AgroSMART - Smart solutions for agriculture (AgroSMART 2018) : International scientific and practical conference. 2018.
19. Wilton Pereira da Silva, Laerson Duarte da Silva, Cleide M. D. P. S. e Silva, Pedro L. Nascimento. Optimization and simulation of drying processes using diffusion models: application to wood drying using forced air at low temperature // Wood Science and Tech-nology. November, 2011, Vol. 45, Iss. 4, Р. 787-800.
REFERENCES
1. Gavrilova R. I. Study of the Drying Process with Variable Heat and Mass Transfer Coefficients // Journal of Engineering Physics. 1964, T. VII, №. 8, Р. 37-42.
2. Gorohovsky A. G., Shishkina E. E. Analytical Determination of Parameters of the Moisture Transfer during Drying of Wood // Coniferous of the Boreal Zone. 2018, T. XXXVI, №. 4, Р. 344-349.
3. Gorohovsky A. G., Shishkina E. E. The Technology of Chamber Drying of Timber with Reduced Energy Consumption // Woodworking Industry. 2005, №. 4, Р. 9-12.
4. Gorohovsky A. G., Shishkina E. E., Gorohovsky A. A. Optimization of Sawn Timber drying modes // Bulletin of the Mari State Technical University. Series: Forest. Ecology. Nature management. 2011, №. 1, Р. 52-58.
5. Dornjak O. R. The Mathematical Model of Water Transfer during Wood Drying // Actual problems of drying and thermal water treatment of materials: international scientific and technical seminar for the 100th anniversary of A. V. Lykov. Voronezh, 2010, Р. 466-476.
6. Zaripov Sh. G. About the features of drying modes of larch sawn materials // Coniferous of the Boreal Zone. 2013, T. XXXI, №. 3-4, Р. 89-92.
7. Zaripov Sh. G., Zaripova N. Sh. Energy characteristics of low-temperature drying process of larch lumber // Vestn. Red. Gos. Agrar. Un-ta. 2013, №. 11 (86), Р. 257-261.
8. Zaripov Sh. G., Larchenko V. M. Evaluation of the drying mode according to the safety criterion // Chemical-forest complex - problems and solutions : sat. dokl. Vseros. science.-tech. conf. Krasnoyarsk, 2001, Vol. 1, P. 412-415.
9. Lykov A. V. The Drying Theory. Moscow, 1968. 470 p.
10. Nikitenko N. I. Study of Unsteady Heat and Mass Transfer Processes by the Grid Method. Kiev, Naukova dumka, 1971.
11. Technical Guidance Materials on the Technology of Chamber Drying of Timber. CNIIMOD, 2000, 125 p.
12. Coj P. V. Methods of Calculation of Heat and Mass Transfer Problems. Moscow, 1984.
13. Chernyshev A. N. Physical and Mechanical Properties and Energy-Saving Modes of Drying Alder Black without Artificial Moisture in Convective Drying Chambers of Periodic Action // Forestry engineering journal. 2013, №. 4 (12), Р. 138-142.
14. Shishkina E. E. Energy-saving Technology of Convective Drying of Timber on the Basis of Controlled Moisture Transfer in Wood: avtoref. dis. Dr. Techn. sciences' / Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov. Arkhangelsk, 2016, 40 p.
15. Shubin G. S. Generalized System of Heat and Mass Transfer Equations under Variable Environmental Conditions and its Implementation on a Computer for the Calculation of Wood Drying Processes // Forestry journal. 1988, №. 3, Р. 49-56.
16. Farjad A., Rahrovan Sh., Haghi A. K. Optimization of Heat and Mass Transfer in Capillary Porous Media during Drying Process // Proceedings of the 5-th IASME/WSEAS Int. Conference on Heat Transfer, Thermal Engineering and Environment, Athens, Greece, August 25-27, 2007. Р. 91-96.
17. Malyshev V. L. Models of mass transfer in capillary-porous solids with variable porosity during thermal treatment // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. April, 2010, Vol. 44, Iss. 2, Р. 169-171.
18. Fuzzy Modeling in the Management of the Lumber Drying Process Formalization of uncertainties in the problem / V. V. Pobedinsky, A. G. Gorokhovsky, E. F. Hertz ct al. // AgroSMART - Smart solutions for agriculture (AgroSMART 2018) : International scientific and practical conference. 2018.
19. Wilton Pereira da Silva, Laerson Duarte da Silva, Cleide M. D. P. S. e Silva, Pedro L. Nascimento. Optimization and simulation of drying processes using diffusion models: application to wood drying using forced air at low temperature // Wood Science and Tech-nology. November, 2011, Vol. 45, Iss. 4, Р. 787-800.
© Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е., 2019
Поступила в редакцию 19.02.2019 Принята к печати 21.03.2019
