CC BY
129
УДК 66.047
Д. А. Хамидуллина, С. Г. Кондрашева, В. А. Лашков
РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ СУШИЛКИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СУШКИ
Ключевые слова: сушка, древесина, активная зона.
Проанализированы конструкции сушилок для древесины с различными источниками получения тепла, дана оценка их эффективности. Разработана универсальная конвективная сушилка с активными зонами и изменяющимся объемом рабочей камеры. Сушилка отличается от аналогов высоким термическим коэффициентом полезного действия.
Keywords: drying, wood, active zone.
The constructions of dryers for wood with different sources obtaining of heat has been analyzed, made valuation their of efficiency. A versatile convection drier with active zones and variable-volume working chamber has been developed. Dryer differs from its analogues by high thermal coefficient of efficiency.
В технологии переработки древесины выбор способа сушки и оборудования для его реализации имеет большое значение. Это объясняется тем, что процесс удаления влаги из коллоидных капиллярно-пористых материалов отличается длительностью, во многих случаях является лимитирующей стадией производства, определяет его экономические показатели и влияет на качество изделий. В зависимости от породы древесины, толщины пиломатериала, начальной и конечной влажности, продолжительность сушки составляет от 2 до 30 суток.
Стоимость услуг сушки на сегодняшний день в России оценивается 1,6 млрд. рублей. Затраты на сушку пиломатериалов различных пород и размеров изменяются в пределах 1200— 4500 руб./куб.м [1]. При наблюдаемой тенденции роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственно-хозяйственной деятельности предприятий.
В опубликованных работах часто приводятся рекомендации общего характера в отношении экономии тепловой энергии, совершенствования конструкции камер и т.п. Так на основании усредненных результатов структуры энергетических затрат на сушку пиломатериалов в конвективных камерах периодического действия установлено, что для камерной сушки пиломатериалов по традиционной технологии (движение теплоносителя вдоль штабеля пиломатериалов) величина термического коэффициента полезного действия составляет около 34 %; затраты тепла на нагрев древесины (штабеля пиломатериалов), самой камеры (ограждающие конструкции, внутреннее оборудование и т.п.), а также потери тепловой энергии через ограждения для камеры конкретной конструкции и определенных условий сушки составляют величину, близкую к постоянной -23% суммарных затрат тепловой энергии; затраты электрической энергии на привод вентиляторов составляют в общем балансе около 16 %.
По оценкам отечественных и зарубежных специалистов относительная себестоимость пиломатериалов при использовании различных источников получения тепла для сушильных установок составляет: пар - 1,0; электрический ток - 5,0; ТВЧ, СВЧ-поле - 10,0. По этой причине в настоящее время не менее 90-95% подлежащих сушке пиломатериалов высушивается в классических паровых конвективных камерах периодического действия обеспечивающие качественную сушку пиломатериалов, как до транспортной, так и до эксплуатационной влажности. Такие сушилки составляют основной объем выпуска ведущих производителей в Европе, Северной Америке, Азии.
Конструктивно многие камеры имеют компоновку с верхним расположением осевых, как правило, реверсивных вентиляторов, которые обеспечивают интенсивную вертикально-
поперечную циркуляцию воздуха (средняя скорость по материалу 2-3,5 м/с). В некоторых моделях (Бо11шапп) с целью уменьшения высоты камеры используется боковое расположение вентиляторов с узким верхним рециркуляционным каналом [2, 3]. Ряд европейских производителей (Ыагё1, Сеойо) выпускают небольшие камеры без рециркуляционного канала с компактным вентиляторно-калориферным блоком, в которых воздух движется через верхние и нижние пакеты пиломатериалов в противоположных направлениях. Некоторые фирмы используют подобную схему циркуляции в камерах средней вместимости. В то же время большинство фирм в Японии и Южной Корее специализируются на выпуске камер вместимостью не более 20-30 куб.м с классической компоновкой.
Для сушки небольших объемов древесины некоторые фирмы предлагают одно и двухштабельные камеры с горизонтально-поперечной циркуляцией и боковым или торцевым расположением осевых вентиляторов.
В отдельную группу по характеру циркуляции следует выделить камеры фирмы Уашсек, в которых несколько вентиляторов большого диаметра смонтированы на одной вентиляторной панели. Это позволяет за счет реверсирования отдельных вентиляторов создавать в камере горизонтальную вертикальную или диагональную циркуляцию воздуха.
На российском рынке основными производителями сушильного оборудования являются: ООО «Брянсклесснаб», ООО «ТАЮР», ООО «ИНКЛАБ», фирма «Терметех», компания «Витязь», фирма «Магр» и другие.
При разработке конструкции конвективной сушилки камерного типа была использована зависимость [4] продолжительности сушки от факторов, определяющих условия проведения процесса
Т = ТИСхАрАвАкАц,
где тисх - исходная продолжительность сушки пиломатериалов различных сечений; Ар -
коэффициент режима сушки; Ав - коэффициент, зависящий от влажности; Ак -коэффициент качества, учитывающий длительность влаготеплообработки древесины; Ац -
коэффициент, учитывающий характер и интенсивность циркуляции воздуха в камере.
Анализ приведенной зависимости позволяет сделать вывод о том, что на продолжительность сушки в большей степени влияет аэродинамическая обстановка в камере. Исследования, проведенные с учетом этого на существующих сушилках, выявили следующие недостатки: наличие застойных зон, неравномерность обтекания штабеля пиломатериалов теплоносителем, низкой интенсивностью циркуляции теплоносителя и т.п.
Для интенсификации процесса сушки при сохранении качественных характеристик древесины разработана (рис.1, 2) сушилка [5, 6] с поперечным обтеканием штабеля пиломатериалов нагретым воздухом и трансформируемым рабочим объемом.
Установка содержит теплоизолированный корпус 1 с дверью 2, паропровод 3, калориферы, вентиляторы 4, реверсивный электродвигатель 5, жалюзийные решетки 6, ложный потолок 7, разделительные П-образные перегородки 8, горизонтальные 9 и вертикальные 10 пластины из эластичного материала, грузовую тележку 11 на которой формируется штабель 12 пиломатериалов, линии подвода воздуха 13 и отвода паровоздушной смеси 14, экраны 15.
Вентиляторы 4 (рис.3) снабжены дополнительными соосными валами 16 с опорами 17 и соединены с электродвигателем 5 при помощи клиновых ремней 18 и шкивов, выполненных в виде электромагнитных сцепных муфт, полумуфты которых размещены на соосных валах 16.
Электромагнитные сцепные муфты состоят из неподвижных 19 и подвижных 20 полумуфт, электромагнитов 21 и возвратных пружин 22. Подвижные полумуфты 20 взаимодействуют с валами 16 через шлицевое соединение.
Рис. 1 - Принципиальная схема установки сушки древесины (вид сверху): 1 - корпус, 2 -дверь, 3 - паропровод, 4 - вентилятор, 5 - реверсивный электродвигатель, 8 -разделительные П-образные перегородки, 12 - штабель пиломатериалов, 13 - линия подвода воздуха, 14 - линия отвода паровоздушной смеси, 15 - экраны, 16 - соосные валы, 17 - опоры, 25 - циркуляционные каналы
Сцепление полумуфт осуществляется по поверхностям 23, выполненным с насечками.
Корпус 1 с жалюзийными решетками 6 и ложным потолком 8 образуют П-образную полость 24. Разделительные перегородки 8, горизонтальные 9 и вертикальные пластины 10 со штабелем пиломатериалов 12 образуют по длине П-образной полости поперечные, изолированные друг от друга циркуляционные каналы 25, в каждый из которых над ложным потолком 7 помещен осевой вентилятор 4.
Экраны 15 имеют размеры, обеспечивающие возможность их перемещения через циркуляционные каналы 25 по длине сушилки и изменения длины ее рабочей зоны.
Эластичные горизонтальные 9 и вертикальные пластины 10, плотно прилегающие к контуру штабеля 12, обеспечивают изоляцию циркуляционных каналов 25 (в том числе штабелей с изменяющимися габаритами), а установка передвижных экранов 16 по торцам штабеля - рабочего пространства процесса сушки.
Калориферы (рис.4) разделены на отдельные секции 26, каждая из которых параллельно соединена с паропроводом 3 через клапана 27 с электромагнитными приводами.
1 24 9 13 7 4 15 14 3 5 16 17
Рис. 2 - Принципиальная схема установки сушки древесины (вид спереди):1 - корпус, 3 -паропровод, 4 - вентилятор, 5 - реверсивный электродвигатель, 6 - жалюзийные решетки, 7 - ложный потолок, 9 - горизонтальные пластины, 10 - вертикальные пластины, 11 - грузовая тележка, 12 - штабель пиломатериалов, 13 - линия подвода воздуха, 14 - линия отвода паровоздушной смеси, 15 - экраны, 16 - соосные валы, 17 -опоры, 24 - П-образная полость, 27 - клапана
Паропровод 3 расположен в сушилке, а клапана установлены снаружи корпуса 1. Секции 26 размещены в каждом циркуляционном канале 25.
Сушка пиломатериалов осуществляется следующим образом. Перед началом процесса сушки определяют длину штабеля 12, после чего тележку 11 с пиломатериалами помещают во внутреннее пространство установки таким образом, чтобы середина штабеля 12 совпала с серединой сушильной камеры. С торцов штабеля пиломатериалов устанавливают передвижные экраны 15, накладывая их на горизонтальные 9 и вертикальные 10 эластичные пластины и перекрывая тем самым крайние циркуляционные каналы 25 от нерабочего пространства сушилки. Кроме того, эластичные горизонтальные 9 и вертикальные 10 пластины плотно по контуру облегают штабель 12 пиломатериалов, изолируя также ввод и вывод теплоносителя каждого циркуляционного канала 26. После размещения тележки 11 со штабелем 12 пиломатериалов в камере сушки установки закрывают дверь 2 и включают те секции 26 калориферов, которые расположены в рабочих циркуляционных каналах 25 сушилки по одной из сторон (например, левой) корпуса 1 (в направлении движения сушильного агента). Открывают клапана 27 и сообщают секции 26 калориферов с паропроводом 3.
Рис. 3 - Схема привода осевых вентиляторов: 16 - соосный вал, 17 - опоры, 18 - клиновые ремни, 19 - левая полумуфта, 20 - правая полумуфта, 21 - электромагнит, 22 - возвратная пружина, 23 - контактная поверхность
Рис. 4 - Схема калориферной установки: 3 - паропровод, 4 - вентилятор, 8 -разделительные П-образные перегородки, 13 - линия подвода воздуха, 26 - секции калорифера, 27 - клапана
Отключают приводы осевых вентиляторов 4 в нерабочих циркуляционных каналах, для чего подводят электроэнергию к электромагнитам 21. При этом подвижная полумуфта 20, преодолевая сопротивление возвратной пружины, по дополнительному валу І? перемещается по направлению к электромагнитам 20 и выходит из контакта с неподвижной полумуфтой І9. В рабочем состоянии остаются вентиляторы 4, находящиеся в циркуляционных каналах 2З рабочей зоны сушилки.
Включают электродвигатель З, кинематически (при помощи клиновых ремней 18) связанный с вентиляторами 4. Потоки нагретого в секциях 2б калориферов воздуха в каждом циркуляционном канале 2З поступают в штабель І2 пиломатериалов и выходят из него через жалюзийные решетки б, обеспечивающие равномерное обтекание досок по высоте штабеля І2. При взаимодействии сушильного агента с пиломатериалами древесина нагревается и из нее испаряется влага. При ширине штабеля І2 пиломатериалов, намного меньшей его длины, организованное поперечное движение сушильного агента способствует проведению процесса с наименьшими градиентами температуры в направлении движения воздуха. Для выравнивания профиля температуры по ширине штабеля І2 периодически изменяют направление движения сушильного агента на обратное при помощи реверсивного электродвигателя З. Для этого выключают действующие секции 2б калориферов, включают секции калорифера, расположенного на противоположной стороне (правой) корпуса 1, и электродвигатель З.
Влажностный режим в сушильной камере в процессе сушки поддерживают периодическим подводом свежего воздуха по линии 13 и отводом воздуха, насыщенного влагой по линии І4.
Управление работой клапанов 2? и электромагнитных сцепных муфт осуществляют дистанционно, что уменьшает трудоемкость в обслуживании сушилки.
Процесс сушки продолжают до тех пор, пока влажность древесины не достигнет заданного значения.
Изменение камеры сушки по длине (в соответствие с длиной штабеля пиломатериалов) и отключение секций калориферов и вентиляторов в неработающих зонах сушилки исключают неэффективное использование энергоресуров на проведение процесса сушки пиломатериалов.
Данная установка создает идентичные гидродинамические и тепломассообменные условия в сушильном пространстве; организация поперечного движения сушильного агента по отношению к штабелю пиломатериалов исключает образование застойных зон; изменение направления движения теплоносителя обеспечивает равномерную сушку всего штабеля пиломатериалов и сокращает длительность процесса
Установка является универсальной, т.е. может использоваться для сушки пиломатериалов различных пород и штабелей различной длины. Она позволяет сократить энергетические затраты при сушке штабелей пиломатериалов различной длины за счет установления рациональных размеров сушильной зоны, исключения застойных зон и обеспечения равномерности обтекания теплоносителя всего штабеля пиломатериалов.
В результате проведенных исследований было установлено сокращение длительности процесса сушки пиломатериалов в зависимости от породы древесины в 1 ,З—2,0 раза; сокращение энергетических затрат на 20-30 %; перепад влагосодержания по циркуляционным каналам не более 0,2 %; высокое качество пиломатериалов (снижение остаточных деформаций за счет равномерной сушки).
Литература
1. 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 Казан. технол. ун-та. - 2010. № 4. - С. 120-130.
2. Рассев, А.И. Особенности развития техники и технологии сушки пиломатериалов на современном этапе /А.И.Расеев // Лесной вестник. - 1998. № 1. - С. 134-142.
3. Соколов, П.В. Лесосушильные камеры / П.В.Соколов, Г.Н.Харитонов, С.В.Добрынин. - М.: Лесная пром-сть, 1980. - 216 с.
4. Кречетов, И.В. Сушка древесины / И.В.Кречетов. - М.: Лесная пром-сть, 1980. - 432 с.
5. Пат. 2327935 Российская Федерация, МПК7 Б 26 В 9/06. Установка для сушки древесины / Лашков В.А., Кондрашева С.Г., Голубев Л.Г.; заявитель и патентообладатель Казан. гос. технол. ун-т. - № 2006139461/06; заявл. 25.10.2006; опубл. 27.06.2008, Бюл. № 18. - 6 с.
6. Пат. 2379603 Российская Федерация, МПК7 Б 26 В 9/06. Установка для сушки древесины / Лашков В.А., Кондрашева С.Г., Хамидуллина Д.А..; заявитель и патентообладатель Казан. гос. технол. ун-т. -№ 2008140236/06; заявл. 09.10.2008; опубл. 20.01.2010, Бюл. № 2. - 6 с.
© Д. А. Хамидуллина - ст. преп. каф. машиноведения КГТУ; С. Г. Кондрашева -канд.техн.наук, доц. той же кафедры; В. А. Лашков - д-р техн. наук, проф. зав. каф. машиноведения КГТУ, lashkov_dm@kstu.ru.
