УСТАНОВКА И СПОСОБ СУШКИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
INSTALLATION AND METHOD FOR DRYING AND HEAT TREATMENT OF WOOD

Область техники
Заявляемое изобретение относится к устройствам сушки и термообработки древесины, в частности пиломатериалов, и может быть использовано для термической обработки различных пород древесины в деревообрабатывающей промышленности для улучшения ее физико-химических и потребительских характеристик. Достоинства древесины как строительного и конструкционного материала хорошо известны. Вместе с тем древесина крайне неустойчивый материал, который разрушается под воздействием внешних факторов, она гигроскопична, легко подвержена разрушительным воздействиям атмосферы, обладает низкой биостойкостью и высокой пожароопасностью.
Уровень техники
Чтобы защитить древесину от вышеперечисленных неблагоприятных воздействий, требуется применение специальных средств пропитки и термообработки. Технология термообработки и устройства нанесения средств пропитки могут быть самыми различными, и, как правило, зависят от условий обработки, возможностей дальнейшего использования строительного материала. Известны, например, пропитка под давлением в пропиточных автоклавах с последующей сушкой в том же автоклаве.
Из уровня техники известна установка для сушки древесины (RU 2 319 086 C1, опублик. 10.03.2008г.), в которой реализуют способ сушки, заключающийся в нагревании древесины в сушильной камере с помощью конвекторов, включая сбор испаряемой влаги внутри камеры на конденсорах с последующим выводом сконденсированной влаги за пределы камеры, при этом процессы нагревания до температуры не более 35-45°С и конденсации осуществляют без теплообмена с окружающей средой. При этом конвекторы (нагреватели) расположены в нижней части камеры, а конденсоры представляют собой трубы (радиаторы), охлаждаемые водой или воздухом нужной температуры.
Недостатком указанного способа сушки и установки, его реализующей, являются низкие температуры сушки, что предполагает большую продолжительность процесса сушки, в результате чего повышается опасность развития на поверхности пиломатериалов биологических древесных поражений, например, синей гнили.
Известна также конструкция сушильной установки (RU 2 137 995 C1, опублик. 20.09.1999г.), содержащей герметичный цилиндрический корпус с теплоизоляцией, тракт сушильного агента со средствами его распределения и размещенными в нем в технологическом порядке по направлению движения потока конденсатором, вентилятором и калорифером, трубопровод слива конденсата, подключенный к донной части корпуса и трубопровод напуска наружного воздуха, вакуумный насос, где конденсатор выполнен в виде не теплоизолированной донной части корпуса. Таким образом, при конденсации паров в донной части корпуса горячий конденсат нагревает рекуперативный теплообменник и проходящий через него наружный воздух попадает в камеру частично разогретым.
Недостатком данной конструкции является высокая энергоемкость сушильной установки в результате технологически обусловленной необходимости использования внешнего воздуха, даже частично нагретого, что способствует потере части энергии, предназначенной на нагрев штабеля из-за вывода тепла за пределы камеры.
Известен способ термической обработки древесины (RU 2 277 045 C2, опубл. 27.05.2006г.), включающий нагревание древесины до 140-150°С в атмосфере воздуха, затем нагрев до 210-230°С в среде водяного пара, создаваемого путем дозированного впрыска воды и вытеснением воздуха и газов из камеры, саморазогрев древесины до 240°С и остановка саморазогрева путем того же впрыска воды. Нагрев древесины осуществляется через воздуховоды тепловым высокотемпературным вентилятором посредством блока управления нагревом воздуха, включающим воздушные ТЭНы.
Данный способ не только очень энергозатратен, но и нестабилен и пожароопасен из-за проведения реакции саморазогрева древесины.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой установке является конструкция сушильной камеры по патенту RU 2 277 682 C2 (опублик. 10.06.2006г.), которая содержит вакуумный насос для создания разрежения, средство для нагревания сушильной камеры, расположенное в нижней части камеры, средство конденсации пара, расположенное в верхней части камеры, и средство для отвода конденсата. Для реализации способа сушки при температуре 25-39°С в камере создается разрежение в пределах 90-100 мм рт.ст., что приводит к образованию в камере насыщенного пара, после чего конденсатосборник обеспечивает естественную конвекцию в камере посредством перемещения холодного воздуха от средств конденсации вниз, а при достижении влажности менее 70% возобновляют нагрев камеры в пределах 70-75°С при разрежении в пределах 90-75 мм рт. ст. до испарения связанной влаги из древесины.
К недостаткам данного способа и конструкции сушильной установки относятся большая энергоемкость, увеличенная длительность процесса сушки, который в зависимости от толщины пиломатериала и породы древесины может продолжаться от 7 до нескольких десятков суток, что часто обусловлено плохой конвекцией в штабеле и зависит от того, как он (штабель) уложен.
Известные конструктивные решения не предполагают, что сушильная установка может работать при повышенном давлении и температуре, что не позволяет проводить в них процессы глубокой термообработки древесины, особенно древесины, предварительно пропитанной модификатором.
Таким образом, существует необходимость создания менее энергозатратной сушильной установки, а также способа сушки древесины, позволяющего сократить время сушки и термообработки относительно известных способов.
Краткое раскрытие сущности изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в сокращении времени сушки и термообработки штабеля древесины. К техническим преимуществам заявляемого решения можно также отнести снижение внутренних напряжений древесины, снижение энергоемкости процесса сушки и термообработки, а также расширение технологических возможностей обработки древесины.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ сушки и термообработки древесины включает
- прогрев штабеля древесины до температуры 50-95°С при давлении не менее 0,05 МПа с образованием парогазовой смеси в результате испарения избыточной влаги из древесины,
- сушку до достижения заданной влажности штабеля древесины в вакууме от (-0,008 МПа) до (-0,005 МПа) при его активной вентиляции по замкнутому контуру парогазовой смесью при повышенном парциальном давлении и принудительной циркуляции охлаждающей жидкости,
- сброс вакуума и охлаждение штабеля древесины посредством увеличенной подачи охлаждающей жидкости.
Сушку необработанной древесины ведут до достижения влажности 3-5%. Сушку пропитанной модифицирующими растворами древесины ведут до достижения влажности 20%, после чего дополнительно интенсивно нагревают штабель до температуры 175-200°С и выдерживают при такой температуре в течение 3-5 часов. Излишки парогазовой смеси при давлении более 0,5 МПа очищают от вредных примесей и сбрасывают в атмосферу. Заявляемый технический результат достигается также решением установки для сушки и термообработки древесины, включающей камеру автоклава, соединенную через фланец со скруббером, при этом в нижней части камеры вдоль ее стенок расположены нагревающие регистры, в центральной нижней части камеры введено сопловое устройство, соединенное с вентилятором высокого давления, а в верхней центральной части камеры введено всасывающее устройство, соединенное через обводной внешний воздуховод с вентилятором высокого давления, обеспечивающим циркуляцию парогазовой смеси в камере от соплового к всасывающему устройству, в верхней части камеры установлен конденсатосборник, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости, сбор и вывод конденсата. В качестве теплоносителя в нагревающих регистрах может быть использовано высокотемпературное синтетическое масло, предварительно нагретое, например, в электрокотле с помощью блока ТЭНов, и подаваемое в регистры с помощью высокотемпературного насоса. Конденсатосборник установки включает конденсирующие трубы для транспортировки охлаждающей жидкости, расположенные вдоль протяженности камеры, под которыми размещен лоток сбора конденсата, сообщающийся с герметичной емкостью, расположенной вне камеры автоклава. Нагревающие регистры расположены в нижней части камеры и снабжены испарителями. Всасывающее устройство представляет собой вакуумный насос. Вдоль стенок камеры в верхней части по всей ее протяженности установлены аэродинамические профили, представляющие собой пластины вогнуто-выпуклой формы, обеспечивающие перенаправление потока парогазовой смеси. Камера автоклава может быть снабжена датчиками влажности и/или датчиками температуры. Скруббер установки включает бак, с предустановленными кассетными фильтрами, содержащими фильтрующий элемент в виде гранул цеолита.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, где
на фиг.1 схематично представлен вид сбоку на установку,
на фиг.2 представлено сечение автоклава установки (сечение В-В),
на фиг.3 представлен эскизный чертеж скруббера.
на фиг. 4 представлен эскизный чертеж аэродинамического профиля.
Позициями на чертежах обозначены:
1. Вентилятор высокого давления;
2. Сопловое устройство;
3. Испаритель;
4. Нагревающие регистры;
5. Аэродинамический профиль;
6. Лоток сбора конденсата;
7. Конденсирующие трубы;
8. Всасывающее устройство;
9. Фланец автоклава;
10. Датчик температуры;
11. Датчик влажности;
12. Бак скруббера;
13. Охладитель (вода);
14. Вход в бак с охладителем;
15. Выход из бака с охладителем;
16. Вход для парогазовой смеси;
17. Кассетный фильтр;
18. Выход в атмосферу;
19. Обводной воздуховод;
20. Фланец испарителя;
21. Фланец выхода конденсата в герметичную емкость,
22. Стенка камеры.
Осуществление изобретения
Из теоретических работ (Кречетов И.В. Сушка древесины., М.Лесн. пром-ть.1980) известно, что максимальная интенсификация процесса сушки достигается при температурах, близких к 100°С, при которых парциальное давление пара больше, чем давление воздуха в камере, а это приводит к тому, что пар занимает весь объем камеры, вытесняя воздух. При выполнении такого условия сушка, как и термообработка осуществляется наиболее качественно и эффективно, за счет снижения внутренних напряжений в древесине и, как следствие, предотвращения ее растрескивания. Вторым фактором, влияющим на эффективность сушки, является обеспечение равномерной по всей длине высоте и ширине штабеля пиломатериала циркуляции сушильного агента, в качестве которого используют водяной пар, постоянное поступление которого из внутренних слоев древесины к внешним можно обеспечить быстрым разогревом штабеля пиломатериалов с применением соответствующего обрабатываемой породе древесины режима обработки (температура, давление, скорость циркуляции сушильного агента, объем сушильного агента).
При этом общий расход тепла при сушке древесины (на испарение влаги, на нагрев оборудования, на излучение, поддержания необходимого уровня влажности в камере и т. д.) во много (до 10) раз больше, чем расход тепла на испарение влаги из древесины. При этом, соответственно, применение вакуума даже при высокотемпературной сушке способствует снижению уровня как нагрева оборудования, так и пассивного излучения, что существенно снижает затраты на сушку.
В заявляемом способе сушки и термообработки древесины сушильным агентом является преимущественно парогазовая смесь, выделяющаяся из наружных слоев высушиваемых пиломатериалов. Для ее образования штабель древесины в начале процесса термообработки подвергают прогреву при повышенном до 0,05 МПа давлении. При этом древесину, не пропитанную растворами модификатора, нагревают до температуры 50°С, а штабель предварительно пропитанной древесины, например, азотсодержащими водными растворами модификатора - до температуры 95°С. По достижении указанных температур в камере создают вакуум разрежением соответственно от (-0, 008) до (-0,005) МПа, и обеспечивают сушку предварительно прогретых пиломатериалов в штабеле при активной вентиляции его парогазовой средой с помощью принудительного нагнетания и циркуляции в камере по замкнутому контуру посредством вентилятора высокого давления, конденсатосборником, и аэродинамическим профилем а при недостаточности влажности в камере - испарителем.
Сконденсированную влагу, выделяющуюся в лоток конденсатосборника, сливают в наружную специальную вакуумированную емкость. По достижении влажности 3-5% для обычной древесины, не пропитанной модификатором, в штабеле сушка переходит в режим охлаждения до 40-50°С с помощью увеличенной подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы конденсатосборника.
При проведении термообработки модифицированных пиломатериалов, пропитанных, например, азотсодержащим модификатором, по достижению в результате сушки в штабеле влажности не менее 20%, производят дальнейший нагрев штабеля, со сбросом вакуума, до температуры термообработки в 175-200°С в зависимости от обрабатываемой породы древесины и ее сортамента.
Например, для модифицированной древесины типа «сосна» на данном этапе необходимо достижение температуры до 175°С, а для модифицированной березы - до 200°С.
При этом происходит интенсивный рост давления в камере, благодаря химическим реакциям, происходящим в древесном веществе, от воздействия температуры и давления. При достижении в камере давления не более 0,5МПа излишнее давление парогазовой среды сбрасывают через специальный фильтр очистки парогазовой среды (выполненный, например, в виде скруббера 12, 17), с отведением уже очищенного воздуха в атмосферу. Для завершения термообработки штабеля модифицированной древесины, при достижении заданной температуры термообработки 175°С-200°С, штабель древесины выдерживают в установке при этой температуре не менее 3-5 часов в зависимости от типа обрабатываемой породы древесины и ее сортамента. Так, например, для хвойных пород достаточное время выдержки составляет 3 часа, а для лиственных - до 5 часов. После чего по аналогии с необработанной древесиной производится интенсивное охлаждение штабеля с помощью активной работы вентилятора высокого давления и большей подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы конденсатосборника.
Вышеописанный способ реализуют посредством использования заявляемой сушильной установки (фиг.1), включающей герметичный автоклав и соединенный с ним скруббер.
Автоклав выполнен в виде протяженной горизонтально ориентированной камеры, предпочтительно, цилиндрической формы, центральная часть которой предназначена для размещения штабеля обрабатываемой древесины. По внутренним стенкам ниже центральной горизонтальной оси камеры автоклава расположены нагревающие регистры 4, в которых в качестве теплоносителя циркулирует высокотемпературное синтетическое масло, нагреваемое в электрокотле с помощью блока ТЭНов, расположенных с внешней стороны автоклава, и подаваемое в регистры с помощью высокотемпературного насоса. В нижней центральной части по вертикальной оси камеры автоклава размещено сопловое устройство 2, соединенное с нагнетающим вентилятором высокого давления 1, расположенным с внешней стороны камеры. В верхней части (по вертикальной оси) камеры автоклава расположено всасывающее устройство 8, которое посредством внешнего обводного воздуховода 19 соединено с вентилятором высокого давления 1. Данные устройства обеспечивают циркуляцию парогазовой смеси в камере. При этом парогазовая смесь обдувает весь объем автоклава и штабель по шпациям и, нагреваясь от регистров, поступает во всасывающее устройство 8 обводного воздуховода. Для организации вторичного потока циркуляции теплоносителя используют конденсатосборник, размещенный в верхней части камеры и состоящий из конденсирующих труб 7 и лотка сбора конденсата 6. Собранный конденсат выводится через фланец 21 наружу в специальную герметичную емкость. Для обеспечения оптимального качества обрабатываемой древесины и создания необходимого давления и влажности в камере установка оснащена испарителями 3, расположенными на нижних нагнетающих регистрах с высокотемпературным маслом через фланцы 20. Вакуум в установке создается вакуумным насосом, подключенным к камере. Для лучшей циркуляции в камере парогазовой среды, она оснащена в верхней части камеры слева и справа от лотка сбора конденсата аэродинамическими профилями 5, которые обеспечивают направленное скоростное движение парогазовой смеси от нагревающих регистров 4 к всасывающему устройству 8. Аэродинамические профили могут быть выполнены, например, в виде вогнуто-выпуклых (с закруглением носка профиля) по всей рабочей длине камеры пластин и расположены вертикально, вблизи лотка сбора конденсата 6 и стенки камеры 22 с зазором 20-30 мм, что обеспечивает увеличение скорости потока сушильного агента и местного разрежения на скоростном участке в сужающейся части аэродинамического профиля от стенки камеры.
Для текущего измерения влажности пиломатериалов в штабеле камера снабжена датчиками контроля температуры 10 и влажности 11 древесины.
Фильтр очистки (скруббер) соединен с автоклавом через фланец 9 автоклава и вход 16 в фильтр очистки. При повышении давления парогазовой среды при термообработке, она отводится в скруббер, состоящий из бака 12 со входом 14 и выходом 15, заполняемого охлаждающей водой 13, и набора кассетных фильтров 17, содержащих фильтрующий элемент, выполненный, например, в виде гранул цеолита. Фильтрующие элементы обеспечивают дополнительную очистку парогазовой среды. Очищенный воздух через выход 18 в верхней части скруббера выводят в атмосферу.
Заявляемая установка работает следующим образом.
Штабель древесины (необработанной модификатором или предварительно пропитанной азотсодержащими водными растворами модификатора) размещают в камере автоклава, которую герметизируют. Включают нагрев регистров 4 и вентилятор высокого давления 1 и поднимают давление в камере до 0,5 МПа. Посредством теплообмена от предварительно нагретого синтетического масла, подаваемого в регистры 4, нагревают внутренний объем камеры автоклава до 50°С - 95°С, в зависимости от типа обрабатываемой древесины (необработанная и модифицированная, соответственно). По достижении указанных температур с помощью подключенного вакуумного насоса в камере создают вакуум разрежением соответственно от (-0, 008) до (-0,005) МПа. Запускают цикл активной вентиляции, в котором парогазовую смесь, образованную в результате испарения при нагреве штабеля древесины на первом этапе, с помощью всасывающего устройства втягивают в обводной воздуховод и нагнетают с помощью вентилятора высокого давления через сопловое отверстие в камеру автоклава. При этом поток парогазовой смеси поднимается от нагревающих регистров и ускоряется при прохождении через аэродинамические профили, которые также задают направление дальнейшего движения потока ко всасывающему устройству. Одновременно активируют вторичный цикл циркуляции теплоносителя, для чего собирают конденсат в лоток под конденсирующими трубами, куда предварительно подают охлаждающую жидкость, и выводят конденсат через фланец 21 наружу в специальную герметичную емкость.
При таком режиме древесину сушат до достижения заданного уровня влажности.
По достижении влажности обычной древесины в 3-5% вакуум сбрасывается отключением вакуумного насоса. Штабель активно охлаждают с помощью вентилятора высокого давления 1 и увеличения подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы 7.
По достижении влажности пропитанной древесины в 20% вакуум сбрасывают отключением вакуумного насоса и дополнительно проводят этап нагрева. Штабель активно прогревают с помощью регистров нагрева 4 при давлении 0,5 МПа до температуры 175°С (например, для сосны) или до 200°С (для березы). При этом излишнее давление парогазовой среды сбрасывают через вход 16 скруббера, где в охладителе 13 и кассетном фильтре 17 происходит отделение вредных паров от чистого воздуха, который уходит в атмосферу через выход 18. При достигнутой температуре штабель выдерживают определенное время: например, для хвойных пород достаточное время выдержки 3 часа, а для лиственных - до 5 часов. По окончании выдержки нагрев отключают и штабель активно охлаждают с помощью вентилятора высокого давления 1 и увеличения подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы 7.
Пример конкретного выполнения
В качестве опытной эксплуатации заявляемой установки и реализуемого с ее помощью способа обработки древесины проведена сушка и термообработка штабеля сосновых пиломатериалов толщиной 40мм, шириной 140 мм и длиной 6 метров, предварительно пропитанных водным составом азотсодержащего модификатора. В результате проведенной термообработки от 120 %-ной влажности доски до 5 %-ной влажности после термообработки с учетом времени на охлаждение штабеля, потребовалось 7 суток.
При совокупной работе всех агрегатов установки потребленная мощность составила 400 кВт на один куб древесины. Тогда как по данным А. М. Попова, С. В. Сергеева, В.В.Сергеева и Ю.И.Тракало «Опыт эксплуатации камер с тепло электронагревателями для сушки пиломатериалов» расход электроэнергии только на сушку (без термообработки) одного кубического метра древесины составляет 450-500 кВт. Полученные результаты подтвердили сокращение времени сушки и термообработки и энергоэффективность предлагаемого способа и установки для сушки и термообработки древесины.