УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ И ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ

Изобретение относится к технике сушки древесины и может найти применение в лесной, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности.
В настоящее время известно значительное число установок для сушки древесины, содержащих непосредственно камеру с герметично закрывающейся дверью и калорифер с вентилятором, подающим нагретый воздух в полость камеры.
Недостатками таких установок являются длительный процесс сушки древесины от 5 до 45 дней в зависимости от пород и сорта древесины, влекущий большие энергозатраты, сравнительно низкое качество конечного продукта из-за наличия микротрещин, обусловленных применением теплоносителя с высокой температурой.
Известны также установки, в которых сушка древесины осуществляется многократным чередованием цикла нагрева с одновременной продувкой материала теплоносителем и цикла вакуумирования с адиабатической выдержкой, продолжительность которой равна продолжительности продувки.
Недостатками известных установок являются значительные энергозатраты, низкое качество древесины по поперечному сечению и значительная неравномерность конечной влажности по длине штабеля.
Также известны установки, в которых используются технологии с применением импульсных режимов - чередования нагрева и удаления влаги при интенсивной циркуляции сушильного агента и воздухообмена с окружающей средой. При этой технологии достигается экономия электроэнергии до 30%, но не решается вопрос равномерности конечной влажности в штабеле.
Недостатками известных установок, являются значительные капитальные затраты на изготовление специального оборудования для обеспечения сброса
давления в камере сушки, длительность и большая энергоемкость процесса сушки.
Известна установка, содержащая нагревательную сушильную вакуумную камеру, соединенную через быстродействующий клапан посредством системы вакуумных трубопроводов с ресивером и вакуумным насосом. При этом соотношение объема сушильной камеры к объему ресивера для создания вакуума необходимой глубины должно быть не менее как 1:10 (патент №2056602, Россия, МПК F26В 5\04, приоритет 01.09.94, опубл. 20.03.96). В известном устройстве древесину загружают в сушильную камеру, плотно закрывают и нагревают. Одновременно в ресивере вакуумным насосом создают вакуум, после чего проводят резкий сброс - импульс - давления в сушильной камере путем быстрого открытия быстродействующего клапана и соединения ресивера с камерой сушки. После этого древесину в камере сушки подвергают вакуумированию - выдержке при создавшемся вакууме в течение определенного времени, после чего давление в объеме камеры сушки выравнивают с атмосферным продувкой теплоносителем с температурой 80-150°С, указанные операции повторяют многократно до достижения заданной влажности древесины. Глубина заданного вакуума в процессе импульсного вакуумирования создается за счет ресивера, имеющего десятикратное превышение объема по сравнению с объемом сушильной камеры.
Недостатками известной установки является то, что для изготовления ресивера с объемом, превышающим объем сушильной камеры по меньшей мере в десять раз, требуются значительные капитальные затраты. Наличие конденсата - жидкости, удаленной из древесины, и ее слив требуют разгерметизации всей системы, что также при возобновлении процесса сушки приводит к повышению энергетических затрат. Процесс многократного повторения импульсов вакуумирования древесины в сушильной камере с последующей выдержкой при остаточном вакууме, разгерметизации системы
приводит к неэффективному использованию отдельных узлов установки и низкой производительности.
Близким к заявленному техническому решению является установка для сушки древесины, которая выбрана в качестве аналога (патент №2213309, Россия, МПК F26В 9\06, 5\04, приоритет 26.02.02, опубл. 27.09.03). Установка содержит две сушильные камеры, соединенные через быстродействующие клапаны посредством трубопроводов с ресивером, шлюзовой камерой и вакуумным насосом. При этом ресивер по объему выполнен равным свободному объему одной сушильной камеры после заполнения ее древесиной. Трубопроводы, соединяющие сушильные камеры с ресивером, установлены по отношению к ресиверу тангенциально.
Недостатками известной установки являются неудовлетворительные эксплуатационные качества, так как при одновременной работе двух сушильных камер необходимо организовать поочередный сброс давления высокотемпературной паро-капельной среды в ресивер. Это приводит к росту температуры среды в ресивере, которая находится при этом в виде паро-капель (смога), что при вакуумировании ресивера приводит к повышению температуры рабочей среды (воды) в водокольцевом вакуумном насосе, а, вследствие этого, к снижению уровня разрежения в ресивере. Применение других типов откачивающих средств, в частности, масляных вакуумных насосов, не устраняет указанных недостатков. Более того, в этом случае вакуумирование паро-капельной среды из ресивера приводит к его «срыву», быстрому износу и поломке насоса. Кроме того, при одновременной работе двух камер сушки древесины не удается достичь их оптимальной, асинхронной работы, при которой в одной камере производится нагрев пиломатериала, а в другой производится вакуумирование.
Даже при загрузке в обе камеры одного вида пиломатериала одного сортимента и одной первоначальной влажности, время нагрева и вакуумирования при соблюдении оптимальных режимов сушки существенно разнятся, что в конечном итоге приводит к тому, что режим сушки
пиломатериала в одной камере становится привуалирующим по отношению к режиму сушки в другой камере, т.е. одна камера становится «ведомой», а другая «ведущей».
Данное обстоятельство приводит к увеличению времени сушки и неоправданным энергетическим затратам на сушку пиломатериала.
Наиболее близким к заявленному техническому решению, устраняющему недостатки аналога, является установка для сушки древесины, которая выбрана в качестве прототипа (патент №48218, Россия, МПК F26B 9\08, F26В 5\04, приоритет 19.05.2005 г.).
Установка содержит две сушильные камеры, соединенные при помощи трубопроводов с клапанами с блоком ресиверов, расположенных на магистрали сброса давления с камер сушки последовательно относительно друг друга, сборник жидкости; сушильные камеры снабжены системой подачи воды или пара и системой пропитки, а вакуумный насос подключен к верхней точке ресивера, замыкающего цепочку ресиверов.
Основным недостатком данной установки сушки древесины - прототипа, в первую очередь, является тот же недостаток, что и в установке - аналоге сушки древесины, а именно, в результате практической эксплуатации комплексов выявлено, что асинхронная работа двух камер сушки древесины фактически невыполнима. Вследствие этого авторы пришли к выводу, что наиболее оптимальным, с точки зрения наращивания производственных мощностей по сушке древесины конвективно-вакуум-импульсным способом, является построение модульной системы сушильных комплексов, каждая из которых состоит из одной камеры сушки, блока ресиверов, подсоединенных к камере сушки с помощью быстродействующих клапанов, а каждый комплекс задействован на единую систему вакуумирования, водоподготовки и автоматизированного управления комплексами.
Перед авторами ставилась задача разработать модульную систему для сушки древесины, основанную на технологии конвективно-вакуум-импульсной сушки пористых материалов, с высокими эксплуатационными свойствами в части
снижения капитальных затрат, снижение энергетических затрат и повышения производительности сушки древесины.
Поставленная задача решается тем, что установка для сушки древесины, включающая в себя сушильную камеру, соединенную при помощи трубопроводов с клапанами с блоком ресиверов, расположенных на магистрали сброса давления с камеры сушки последовательно относительно друг друга, сборник жидкости; сушильная камера снабжена системой подачи воды или пара и системой пропитки, узлом слива жидкости, жалюзийными решетками, калориферами и реверсивными вентиляторами для обеспечения равномерного обдува древесины парогазовой средой, а система вакуумирования подключена к верхней точке ресивера, замыкающего цепочку ресиверов, дополнительно снабжена каплеотделителем на магистрали вакуумирования ресиверов, а также автоматизированной системой разгерметизации камеры сушки, осуществляющей периодическую разгерметизацию камеры сушки на этапе нагрева древесины после проведения вакуумного импульса и установленной в зоне максимальных температур в камере сушки непосредственно в районе блока калориферов.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в высокой производительности, низкой энергоемкости установки, снижении времени сушки и улучшении качества сушки древесины.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых показана блок-схема модуля установки сушки древесины фиг.1 и блок-схема многомодульного комплекса сушки древесины фиг.2 с замкнутой системой водоподготовки на комплексе сушки.
Блок-схема модуля установки сушки древесины фиг.1 включает в себя сушильную камеру 1, клапаны 2, трубопроводы 3, соединяющие сушильную камеру 1 с последовательно соединенными ресиверами 4 и 5, магистраль вакуумирования ресиверов 6 с расположенным на ней каплеотделителем 7, обратным клапаном 8, вакуумным затвором 9 и вакуумным насосом 10, клапанов 15 и 16 подачи воды на вакуумный насос 10, емкости слива воды с вакуумного насоса 14, камера сушки 1 с высушиваемым пиломатериалом 20 оснащена блоками вентиляторов 17, блоками калориферов 19, жалюзийными направляющими распределения потоков 21, системой пропарки и пропитки, включающей в себя коллектора впрыска 18 и 22, узел приготовления либо воды, либо пара с бойлером 23, клапанами подачи 24, 25, 26, узел приготовления либо антипирена, либо антисептика, либо красящего вещества 30 с клапанам подачи 29, систему разгерметизации камеры сушки с узлом подготовки (подогрева) воздуха 28 и клапаном разгерметизации 27, сборник жидкости 37 с отсечными клапанами 11, 12, 13.
Блок-схема многомодульного комплекса сушки древесины фиг.2 помимо вышеперечисленных элементов дополнительно включает в себя объединенный коллектор вакуумирования ресиверов 34 и соответствующей запорной арматурой 31, 32, 33, 35, 36.
Установка для сушки древесины работает следующим образом.
Древесина 20, предназначенная для сушки и уложенная штабелями на передвижных тележках, расположена внутри сушильной камеры 1.
Работу многомодульной установки рассмотрим на примере работы одного модуля.
Двери камеры 1, клапаны 2, 16, 24, 25, 26, 27, 29, 12, 13 закрыты, клапан 11 и кран 9 открыты.
Последовательным включением вакуумного насоса 10 и открытием клапана 16 подачи воды на вакуумный насос, ресивера 4 и 5 и сборник жидкости 37 вакуумируются до заданного давления, например 0,004 МПа. Одновременно с вакуумным насосом 10 последовательно включаются блоки вентиляторов 17 и блоки калориферов 19, происходит нагрев древесины до температуры 40÷50°С. При достижении данной температуры открываются клапаны 2, соединяющие камеру сушки 1 с ресивером 4, происходит выравнивание давления в ресиверах 4 и 5 и камере сушки 1, затем клапан 2 закрывается, клапаны 24, 25, 26 открываются, происходит подача пара либо воды температурой 90-100°С в камеру сушки 1 до достижения равновесного давления насыщенного пара для данной температуры, затем клапаны 24, 25, 26 закрываются. Этим самым производится замена теплоносителя воздуха теплоемкостью Ср=1 кдж/кг град на более энергоемкий теплоноситель - водяной пар теплоемкостью Ср=2,09 кдж/кг град, что позволяет ускорить нагрев древесины, тем самым значительно сократить время сушки древесины. Подачей воды температурой 90-100°С или пара в камеру сушки достигается и другой эффект. При такой разнице в температурах между теплоносителем (подогретой водой или паром) и древесиной происходит конденсация паров воды на поверхности древесины с выделением скрытой теплоты парообразования r=2262,6 кдж/кг, что качественно меняет картину нагрева древесины. Наряду с ускорением нагрева древесины, вследствие конденсации паров воды на древесине, происходит диффузия (проникновение) воды в толщу древесины, тем самым производится выравнивание влажности древесины по толщине и снятие поверхностных напряжений в древесине, наличие которых при других видах сушки приводит к поверхностному растрескиванию древесины на этапе удаления свободной влаги.
После подачи подогретой воды или пара нагрев древесины посредством блоков калориферов 19 и вентиляторов 17 осуществляется дальше до заданной температуры для каждого вида древесины. При достижении заданной температуры древесины производится открытие клапанов 2, соединяющих камеру сушки 1 с ресиверами 4 и 5, происходит резкий сброс давления в камере сушки.
Происходит так называемый вакуум-импульсный отжим древесины.
После выравнивания давления в камере сушки 1 и ресиверах 4 и 5 производится выдержка камеры сушки под остаточным давлением. Время
выдержки определяется видом древесины, скоростью падения температуры в древесине. После выдержки древесины под остаточным давлением клапана 2 закрываются, и вновь происходит нагрев древесины до заданной температуры. В первый период нагрева производится подача пара либо воды температурой 90-100°С до давления насыщенного пара для данной остаточной температуры в камере сушки 1.
По окончанию подачи пара или воды температурой 90-100°С клапан 24 закрывается, открывается клапан 27 и производится разгерметизация камеры сушки 1, совмещенная с этапом нагрева древесины. После закрытия клапана 2 последовательным закрытием клапана 11 и открытием клапанов 12 и 13 производится слив конденсата со сборника жидкости 37. После слива конденсата клапаны 12 и 13 закрываются, открывается клапан 11 и свободный объем сборника жидкости совмещается с объемом ресиверов 4 и 5. При достижении в древесине установленной заданной температуры вновь проводится вакуум-импульсный отжим древесины, который повторяется до окончания процесса удаления свободной влаги.
При резком сбросе давления в камере сушки реализуются следующие физические явления: низкий уровень остаточного давления в камерах сушки и высокая скорость достижения этого давления обеспечивают условия, при которых влага, находящаяся в капиллярах и межкапиллярном пространстве, под действием перепада давления (давления в камере много ниже давления в капиллярах) вытесняется на поверхность без фазового перехода. Этому способствуют и растворенные в воде газы, которые совершают работу расширения. Являясь более подвижными, газы первыми приходят в движение, способствуя установлению упорядоченного струйного течения в капиллярах. По мере вытеснения воды давление внутри капилляров поддерживается за счет процесса парообразования внутри капилляров.
По мере удаления свободной влаги из древесины глубина падения температуры в древесине снижается, повышается глубина вакуума при сообщении между собой камеры сушки 1 и ресиверов 4 и 5. Резкий рост глубины вакуума характеризует окончание процесса удаления свободной влаги. После этого начинается удаление связанной влаги. Удаление связанной влаги осуществляется аналогично удалению свободной влаги. Вновь открываются клапаны 24, 25, 26, подается вода или пар до достижения равновесного давления насыщенного пара для данной температуры, но теперь с выдержкой по времени в зависимости от древесины для снятия поверхностных напряжений и выравнивание влажности по толщине. Удаление связанной влаги производится с ростом температуры в камерах сушки и в древесине, при этом максимальная температура определяется видом древесины. По достижении заданной температуры проводят импульсно-вакуумный отжим древесины, выдержку древесины под остаточным вакуумом, но при этом выдержка по времени древесины под
вакуумом значительно дольше, чем при удалении свободной влаги. Время выдержки при этом зависит от вида древесины.
По окончанию процесса сушки древесины проводят ее кондиционирование, выравнивание по влажности, как по толщине, так и по длине пиломатериала. Кондиционирование проводят методом «пропарки», впрыском воды температурой 90-100°С или пара в предварительно отвакуумированный объем камеры сушки с последующей выдержкой по времени. Количество воды либо пара и время выдержки зависит от вида и сортимента древесины. Этап кондиционирования заканчивается открытием клапанов 2, сбросом избыточного давления в ресивера 4 и 5.
По окончанию процесса кондиционирования производится этап пропитки древесины антисептическими, либо антипирентными, либо красящими составами, открытием клапанов 25, 26, 29 и подачей предварительно подготовленных составов в узле приготовление и подачи 30 в камеру сушки 1. Процесс пропитки древесины антисептическими, либо антипирентными, либо красящими составами заключается в чередовании циклов: вакуумирования камеры сушки 1 посредством сброса давления в предварительно отвакуумированные ресиверы 4 и 5, впрыска пропиточных составов в камеру сушки 1 при включенных вентиляторах 17, разгерметизации камеры сушки выдержки по времени древесины при атмосферном давлении. Количество циклов вакуум-впрыск-разгерметизация - выдержка древесины при атмосферном давлении зависит от вида и сортимента древесины, требований по глубине пропитки. По завершению всего процесса сушки и пропитки при закрытых клапанах 24, 29 производится разгерметизация камеры сушки 1, открытием клапанов 25, 26, 27 давление в камере выравнивается с атмосферным, наступает процесс остывания древесины в камере сушки. При достижении температуре древесине порядка 40°С двери камеры сушки открываются, загрузочная тележка с древесиной выкатывается из камеры и поступает на дальнейшую переработку. Наличие в заявляемой установке каплеотделителя на магистрали вакуумирования резко снижает среднемассовую температуру откачиваемой среды из ресиверов вследствие отделения, сепарации капель, тем самым снижается нагрузка на вакуумный насос, а как следствие уменьшается время вакуумирования ресиверов, увеличивается глубина вакуума в них, что позволяет создать более глубокий импульс в камере сушки, от чего зависит качество и весь процесс сушки древесины.
Наличие автоматизированной системы управления сушкой древесины, в том числе и управления системой разгерметизации, позволяет оптимизировать процесс сушки и пропитки древесины.
Разгерметизация камеры сушки последовательно проведенная после циклов вакуумного импульса, подачи пара, либо воды, либо пропиточных составов в камеру сушки приводит к ускорению процессов нагрева и пропитки древесины вследствие повышения коэффициента теплопередачи от
теплоносителей к высушиваемому пиломатериалу, связанного с ростом плотности теплоносителя. Кроме того, перепад между давлением парогазовой и пропиточной среды в камере сушки и давлением разряжения в капиллярах ускоряет процесс диффузии парогазовой среды и пропиточного состава в древесину.
Периодический слив конденсата из блока ресиверов 4 и 5 в сборник жидкости 37 с последующим его удалением в канализацию после каждого импульса резко уменьшает нагрузку на вакуумный насос вследствие исключения газоприхода в свободные объемы ресиверов от испарения конденсата, скапливающегося в сборнике жидкости.
Периодическая разгерметизация сборника жидкости, выполненного как индивидуальный ресивер по объему значительно меньшему свободного объема ресиверов, носит дополнительный физический смысл. При подключении сборника жидкости после слива конденсата к блоку ресиверов порция холодного воздуха с температурой окружающей среды ускоряет процесс конденсации парогазовой среды находящейся в ресиверах, что также снижает нагрузку на вакуумный насос вследствие понижения температуры откачиваемой среды и конденсации паров.
Заявляемая установка была изготовлена, прошла опытно-промышленную отработку и показала высокие технико-экономические показатели при сушке и пропитке древесины различных пород, на нее получен сертификат соответствия №РОСС RU. АЯ79.ВO2604. Заявляемая установка представляет собой замкнутую, экологически безопасную систему и соответствует международным стандартам по экологической безопасности ISO 9001. Обеспечивает периодическое, многократное кондиционирование древесины при нагреве вследствие прохождения процесса в изолированной камере с многократным пропариванием, что делает возможным сушку и пропитку древесины производить без каких либо дефектов. Установка отличается высокой эффективностью, простотой монтажа и эксплуатации. Позволяет получить древесину обладающую дополнительными свойствами, такими как огнестойкость, за счет пропитки древесины антипиренами, биостойкость, за счет пропитки древесины антисептическими составами. А также позволяет получить древесину различных оттенков и цветов.