СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБНОСТИ В СУШИЛЬНОМ ВОЗДУХЕ В СУШИЛКАХ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD TO DETECT DEMAND OF DRYING AIR IN WOOD DRYERS

Изобретение относится к способу определения потребности в сушильном воздухе в сушилке древесины, при котором древесину в виде пачки древесины помещают в сушильную камеру, закрытую по отношению к окружающей атмосфере и в котором содержащую воду атмосферу с температурой по влажному термометру, температурой по сухому термометру и связанную с этим психрометрическую разность поддерживают при помощи сушильного воздуха, пропускаемого через древесину.
Воздух используется в качестве теплопередающей и влаготранспортирующей среды и циркулирует по пачке древесины при определенной заданной температуре, влажности и с определенной его скоростью при помощи вентиляторов, установленных в сушильной камере. Процесс высушивания обычно регулируется заданным порядком сушки, который регулирует температуру, влажность и скорость потока на последовательных этапах сушки. Сушильный воздух нагревается воздухонагревательным устройством, содержащим нагревательную группу. Сушильный воздух направляется через пачку древесины, при этом влага и вода в древесине испаряются с поверхности и поглощаются воздухом. Количество выходящего в камеру воздуха регулируется заданным порядком сушки. Порядок сушки основывается на характеристиках климата в сушилке, которые непрерывно измеряются и регулируются по регистрируемым значениям. Для обеспечения циркуляции воздуха в сушильной камере, который постепенно насыщается влагой, его необходимо высушивать, чтобы он смог поглощать большее количество воды из древесины. Это высушивание воздуха осуществляется при помощи вентиляции, в результате которой воздух разбавляется холодным и относительно сухим наружным воздухом.
Скорость воздушного потока является скоростью, которую придают воздуху при помощи вентиляторов, являющихся компонентами установки циркуляции воздуха. Скорость воздушного потока определяется и задается в известных сушильных устройствах, действующих согласно заранее заданным параметрам. Этими параметрами являются, помимо прочих, технические характеристики данного сушильного устройства, его фактическая работа, конструкция и геометрия сушильной камеры, производительность вентиляторов и сопротивление воздуха нагревательной группы. Используемый для сушки воздух также является важным фактором, поскольку холодный воздух более вязкий, чем горячий воздух, и поэтому для него требуется более интенсивная работа вентиляторов. Климат в сушильной камере и, в частности относительная влажность, регулируется и контролируется, помимо прочих мер, посредством измерения температуры по сухому термометру и температуры по влажному термометру сушильного воздуха. Вентиляторы нередко имеют относительно крупные габариты, и на них приходится значительная часть потребления электричества сушильным устройством.
Температура по сухому термометру и температура по влажному термометру являются важными для определения состояния влажного воздуха. Знание только этих двух температур достаточно для определения влагосодержания сухого воздуха в сушильной камере и, следовательно, достаточно для контроля атмосферы в сушильной камере.
Температура по сухому термометру обычно рассматривается как температура воздуха. Температура по сухому термометру относится в основном к температуре окружающего воздуха. Это называется «сухой термометр», поскольку температура воздуха, показываемая термометром, не подвергается влиянию влажности воздуха. Температура по сухому термометру может быть измерена, используя обыкновенный термометр, открытый для воздуха, но закрытый от радиации и влажности.
Температура по влажному термометру является температурой адиабатического насыщения. Эта температура измеряется с помощью смоченного шарика термометра, открытого для потока воздуха. Температура по влажному термометру может быть измерена, используя термометр с шариком, обернутым влажной муслиной. Адиабатическое испарение воды от термометра и охлаждающий эффект определяются «температурой по влажному термометру» меньшей, чем «температура по сухому термометру» в воздухе.
Для высушивания древесины необходимо, чтобы вода, связанная с клетками и вокруг них, транспортировалась из древесины. Скорость этого процесса зависит от температуры, психрометрической разности, коэффициента влажности древесины, от свойств древесины и от скорости воздушного потока. Свободная вода высыхает относительно быстро - по мере испарения воды с поверхности древесины, но для удаления связанной воды требуется большее время.
Свободная вода находится в полостях между клетками древесины. Поскольку древесина стремится достичь равного коэффициента влажности во всем объеме единицы древесины одновременно с испарением воды с ее поверхности, транспортирование воды будет происходить от ядра к поверхности. Транспортирование свободной воды подчиняется действию капиллярных сил, которые «вытягивают воду к поверхности». Капиллярные силы относительно значительные и содействуют относительно быстрому высушиванию при условии наличия свободной воды.
Когда часть древесины достигает точки насыщения волокон, тогда продолжающееся высушивание осуществляется за счет диффузии в этой части, создания градиента влажности древесины, с уравновешиванием влажности и испарения с поверхности.
Для наиболее эффективного возможного высушивания древесины, без ущерба ее качеству, необходимо выяснить факторы, влияющие на время высушивания. По этим выясненным факторам можно будет определить порядок высушивания. Количество факторов, влияющих на время высушивания, обусловлено свойствами и строением древесины и сушилки древесины, которые в каждом случае отличаются друг от друга. Порядок высушивания определяет, каким должен быть климат в сушилке в течение всего времени высушивания. Климат характеризуется температурой, психрометрической разностью, относительной влажностью и скоростью воздушного потока.
Особо важными являются упомянутые две температуры: температура по сухому термометру и температура по влажному термометру. Температурой по влажному термометру является температура, которую влажный объект приобретает в воздушном потоке. Эта температура всегда равна температуре по сухому термометру или она ниже температуры по сухому термометру - в зависимости от содержания влаги в окружающем воздушном потоке. При испарении воды из влажного объекта (древесины) требуется тепловая энергия, и температура снижается. Это продолжается до достижения равновесия между тепловой энергией, которая поглощается из окружающей среды, и тепловой энергией, расходуемой на испарение воды. Разность между температурой по сухому термометру и температурой по влажному термометру известна под названием «психрометрической разности» и является мерой относительной влажности. Древесина, являющаяся влажным объектом в начале сушки, приобретает температуру по влажному термометру. В ходе ее высушивания древесина приобретает температуру, приближающуюся к температуре по сухому термометру. Поэтому, если постоянный равновесный коэффициент влажности сохраняется в течение всего процесса сушки, то из-за повышения температуры также возрастает скорость сушки - до верхнего предела. Это возрастание зависит от скорости диффузии, увеличивающейся с повышением температуры. Верхний предел достигается, когда смола закрывает путь через древесину.
Скорость сушки повышается с возрастанием психрометрической разности. Это происходит в результате значительной психрометрической разности, эквивалентной низкой относительной влажности. При этом воздуху становится легче поглощать испарения воды, и процесс сушки становится более эффективным. Но увеличенная психрометрическая разность при низких температурах не дает такого повышения как при высоких температурах.
Чтобы вода смогла испаряться из древесины эффективно, требуется непрерывное поступление тепловой энергии из окружающей среды. Скорость воздушного потока можно увеличить, чтобы увеличить поступление тепла в древесину. За счет этого также повышается эффективность удаления испарений воды, выходящих из древесины. Таким образом, повышение скорости воздушного потока содействует ускорению сушки. Но ускорение скорости сушки снижается с увеличением скорости воздушного потока - до верхнего предела. После этого предела на скорость сушки можно влиять только в незначительной степени. Создающие воздушный поток вентиляторы потребляют в восемь раз больше энергии при удвоении скорости воздушного потока; и это означает, что слишком большая скорость воздушного потока экономически не выгодна. Из опыта известно, что минимальные затраты электроэнергии в отношении качества и времени сушки древесины обеспечиваются при скоростях около 2-5 м/с. Повышение скорости воздушного потока сокращает время, требуемое для высушивания, если коэффициент влажности древесины выше точки насыщения волокон. При более низких коэффициентах влажности воздух, при одной и той же скорости его потока, может транспортировать большее количество водяного пара, чем имеющееся на поверхности древесины количество; и в этом случае время сушки будет больше зависеть от климата.
Одна из проблем всей регулируемой по определенному порядку сушки заключается в том, что в процессе сушки не учитывается тот факт, что влаговыделяющие свойства древесины не являются идеальными или полностью предсказуемыми. Порядок сушки не учитывает, например, тот факт, что в ходе сушки испарение изменяется. Это изменение происходит в основном в течение той фазы сушки, во время которой древесина достигает точки насыщения волокон, испарение свободно связанной воды останавливается, и процесс сушки становится таким, при котором древесина начинает выделять прочно связанную воду. Еще одна особенность этого заключается в том, что древесина выделяет воду, связанную в волокнах древесин. Еще одна проблема в этом отношении заключается в том, что четкой границы перехода между упомянутыми фазами не существует, т.к. переход происходит постепенно. Неверное регулирование, в частности, в области, на которую уходит много времени в течение сушки между критическими коэффициентами влажности древесины, в которой происходит комбинированное транспортирование свободной и связанной воды, означает, что энергопотребление сушильного устройства не является оптимальным: установка расходует большее, чем нужно, количество энергии. Неверное регулирование также влечет за собой проблемы качества проходящей сушку древесины.
Поэтому изобретение направлено на обеспечение способа определения потребности в сушильном воздухе в сушилках древесины, который обеспечит возможность повышения эффективности использования энергии и, таким образом, снижение энергопотребления.
Этот объект обеспечен способом, демонстрирующим технические качества и характеристики, изложенные в п.1 формулы изобретения.
Идея, из которой исходит изобретение, заключается в том, что значительной экономии энергии можно добиться, если скорость вентиляторов и поэтому поток сушильного воздуха через пачку древесины, будет значительным только в случаях в процессе сушки, при которых физическая способность древесины выделять воду будет особо высокой. На практике это означает, что скорость потока сушильного воздуха должна быть значительной или максимально эксплуатируемой, но при том условии, что древесина содержит много воды или превысила точку насыщения волокон. Эффективность энергопотребления процесса сушки можно повысить, определяя водосодержание древесин или выделение ею воды в данный момент, в реальном времени, и используя эту информацию в обратной связи, чтобы адаптировать и отрегулировать управляющие системы сушилки. Техника измерения коэффициента влажности и водосодержания воды в древесине известна, и подробно здесь не излагается. Коэффициент влажности обычно измеряется непосредственно в древесине омметром и помещенными в древесине датчиками. Как стадию этого процесса, можно измерять точку насыщения волокон древесины, т.е. точку в течение процесса сушки, при которой древесина перестает выделять испарения свободно связанной воды и переходит к выделению прочно связанной воды. После того, как эта точка будет пройдена, скорость циркулирующего воздуха в сушильной камере можно будет значительно снизить и поэтому снизить потребление электричества.
Изобретение описывается ниже более подробно со ссылкой на прилагаемый чертеж, который показывает график изменения коэффициента влажности в зависимости времени сушки во время обеспечения постоянного климата. Также показан график требуемой скорости воздуха в зависимости от коэффициента влажности, где число оборотов вентиляторов, которое зависит от данного коэффициента влажности, обозначено как “n”.
При выполнении способа согласно изобретению используется обычное сушильное устройство для сушки древесины, тип которой определяется ниже. Сушильное устройство содержит сушильную камеру, закрытую по отношению к окружающей атмосфере. Сушильное устройство имеет средство циркуляции воздуха, содержащее вентилятор в камере для циркуляции сушильного воздуха в камере. Вентилятор работает от электродвигателей, число оборотов которых можно регулировать, например, от электродвигателей переменного тока, скорость которых регулируется регулированием частоты при помощи статических преобразователей частоты. Этот электродвигатель выполнен с возможностью адаптировать непрерывно во времени число оборотов вентилятора и поэтому его производительность. Сушильное устройство также содержит средство нагревания воздуха, содержащее нагревательную батарею, которая нагревает циркулирующий сушильный воздух. Нагревательная батарея, например, нагревается горячей водой.
Для обеспечения эффективного испарения воды требуется непрерывное поступление тепловой энергии в древесину из ее окружающей среды, из горячего воздуха. Для обеспечения повышенного теплоснабжения в древесину обычно повышают скорость воздуха, чтобы за единицу времени проходило большее количество горячего воздуха, что, разумеется, также будет содействовать эффективному удалению воды, паров воды из древесины. Сушильное устройство содержит средство предварительной обработки водяного пара для подачи воды в сушильный воздух, в результате сушка не происходит в слишком сухой среде, вследствие чего процесс сушки может стать слишком быстрым, с ущербом качеству древесины. Также присутствует система вентиляции, которая выводит прошедший древесину воздух, более или менее насыщенный влагой. В сушильной камере установлены датчики и регистрирующие средства, которые определяют и фиксируют различные измеряемые параметры в сушильной камере. Одним из важных датчиков является психрометр, содержащий группу термометров на каждой стороне данной партии древесины, которые измеряют температуру по сухому термометру и температуру по влажному термометру. Разница между этими двумя значениями известна под названием «психрометрической разности», она используется как мера относительной влажности воздуха в сушильной камере и является важным параметром для регулирования сушки. Психрометрическая разность, температурный перепад и, поэтому, коэффициент влажности не должны быть слишком высокими, поскольку - это признак того, что значительное количество энергии используется во время сушки, и это может свидетельствовать о том, что такой процесс сушки рискует стать слишком быстрым, в ущерб качеству древесины.
Способ согласно изобретению начинают с того, что высушиваемую древесину вводят в сушильную камеру или пропускают через нее. Древесину укладывают слоями с поперечинами, прокладываемыми между слоями древесины, при этом древесина образует так называемую «пачку древесины» с воздушными промежутками между слоями древесины. Сушильный воздух циркулирует через пачку древесины и вокруг нее при помощи средства циркуляции воздуха. Различные технологические параметры в сушильной камере контролируются и регулируются средством контроля и регулирования, содержащим компьютер или программируемую логическую схему; и сигналы формируются для средства циркуляции воздуха, электродвигателей вентиляторов - в зависимости от психрометрической разницы и, поэтому, от измеряемой влажности воздуха в камере. Регистрируемые полученные измеренные значения регистрируют в системе управления, являющейся частью сушилки древесины.
Чертеж показывает график изменения коэффициента влажности древесины в зависимости от времени процесса в сушильной камере. Процессом сушки управляет заданный порядок сушки, подразделяющийся на последовательные фазы сушки, во время которых древесина демонстрирует разные свойства, которые должны учитываться для обеспечения удовлетворительного результата сушки. Климат в сушильной камере подчиняется порядку сушки, составленному заранее или определяемому в реальном времени; причем этот порядок сушки адаптируют по меньшей мере по одному из конкретных или текущих условий, включая нужное качество высушиваемой древесины, тип и габариты древесины. Регистрируемые измеренные значения используют для регулирования с использованием обратной связи и для адаптации управляющей системы сушилки древесины. Возможности регулирования скорости воздуха и, таким образом, его потока через камеру изменяются как результат разных рабочих условий на упомянутых фазах сушки.
После выполнения фазы нагревания, т.е. фазы, в которой сушка не происходит и в которой первоначально холодная древесина только подогревается, чтобы приобрести однообразную температуру, начинается первая фаза сушки. Обычно считается, что фаза нагревания завершена, когда влажная температура, т.е. температура самой древесины, достигнет окончательной температуры, например 58°С, при которой процесс сушки должен начаться согласно порядку регулирования. Регулирование вентиляторов средства циркуляции воздуха во время фазы нагревания обычно доводит их скорость близко к максимальной.
Не только выбранный климат сушки и его определенная психрометрическая разность являются непосредственно критически важными для скорости сушки в упомянутой первой фазе сушки выше температуры древесины, но также и влияние скорости воздуха, когда вода удаляется во время этой фазы, можно считать прямо пропорциональным скорости воздуха. Устройство циркуляции воздуха обычно регулируется в упомянутой первой фазе сушки, приближающейся к его максимальной скорости n:max, и при этом потребность в вентиляции очень значительная. Поэтому вентиляционная отбойная перегородка сушильного устройства обычно находится по существу в полностью открытом положении. В первой фазе сушки свободная вода испаряется из нагретой древесины. Для этого коэффициент влажности циркулирующего сушильного воздуха снижается вентиляцией и смешиванием сухого атмосферного воздуха с сушильным воздухом. Количество сухого воздуха, впускаемого в камеру через отбойную перегородку вентиляционного устройства, регулируется непосредственно в соответствии порядком сушки. Хотя вода может испаряться только с поверхности воды, но важно, чтобы поверхность оставалась влажной, чтобы перемещение воды из ядра наружу не прерывалось. Поэтому в этой второй фазе важно, чтобы психрометрическая разность (разница между температурой по влажному термометру и температурой по сухому термометру) сохранялась на низком значении и чтобы соблюдался климат, определенный порядком сушки. Скорость воздуха и, поэтому, воздушный поток через пачку древесины по этой причине регулируются в сторону уровня, находящегося только несколько ниже максимальной скорости n:max, или на этом уровне.
kr1
kr1
kr2
kr2
kr1
Во время фактической сушки различные процессы транспортирования влаги связанной воды происходят в некоторой степени одновременно, в результате сушка происходит быстрее вначале, и замедляется с течением времени. Эта особенность по существу показана на чертеже, который характеризует скорость сушки и согласно которому действуют различные принципы транспортирования влаги, - в зависимости от текущего коэффициента влажности древесины или от ее водосодержания. На чертеже наглядно представлено, что транспортирование свободной воды происходит только до определенного критического коэффициента влажности U, при этом объединенное транспортирование и свободной воды, и связанной воды происходит между двумя критическими коэффициентами влажности U и U. Из древесины после U транспортируется только связанная вода. Круто направленный вниз градиент кривой выше критического коэффициента влажности U наглядно показывает, что процесс сушки очень быстрый вначале, в фазе, в которой испаряется только свободная вода.
kr1
kr2
kr1
kr2
kr1
Время сушки значительно увеличивается в период времени между двумя критическими коэффициентами влажности U и U, как показано на графике. Процесс сушки в этом периоде комбинированного транспортирования и свободной воды, и связанной воды не особо чувствителен к изменениям скорости воздуха, и это означает, что скорость воздуха можно затем снизить. Согласно изобретению выделение воды измеряется и регистрируется многократно в процессе сушки, при этом скорость воздуха снижается с n:max до n:max-1, затем снижается до n:max-n, когда будет достигнут первый критический коэффициент влажности U, и далее он снизится до критической точки U и n:max-n в зависимости от взаимосвязи между свободной водой и прочно связанной водой в древесине. Скорость вентиляторов целесообразно регулировать при всяком повторяющемся регистрируемом уменьшении выделения воды в течение некоторого определенного периода времени. Момент достижения критического коэффициента влажности U и необходимости последующего его снижения, и начала регулирования скорости воздуха трудно определить точно, но он определяется при помощи данного изобретения разными способами, общая особенность которых заключается в том, что они обеспечивают указание того, что свободная вода в древесине заканчивается или, по меньшей мере, сильно уменьшилась относительно первоначального количества прочно связанной воды.
kr1
kr2
kr1
kr2
Согласно изобретению вступление в упомянутую переходную область, или зону сушки, между двумя критическими коэффициентами U и U высушивания сначала определяют измерением перепада температуры ΔТ в пачке древесины. Поскольку перепад температуры сильно уменьшается при переходе от испарения свободной воды к испарению прочно связанной воды или комбинации и свободной воды, и прочно связанной воды в области между U и U, поэтому скорость воздуха на этом этапе можно уменьшить: согласно показываемому на чертеже графику в виде ступени, в зависимости от зарегистрированного относительного перепада температуры ΔТ в пачке древесины.
kr1
kr2
kr1
kr2
Второй способ определения вступления в упомянутую переходную область между U и U можно определить измерением требуемой вентиляции. Поскольку значительно меньшая требуемая вентиляция ΔΘ означает, что вентиляционные отбойные перегородки будут находиться по существу в закрытом положении, поэтому переход от испарения свободной воды к испарению прочно связанной воды, или к комбинации свободной воды и прочно связанной воды, как в области между U и U, можно просто определить путем контролирования основных изменений требуемой вентиляции. В этих условиях скорость воздуха снижается, как показано на чертеже, в зависимости от уменьшения требуемой вентиляции ΔΘ.
kr1
kr2
kr1
kr2
Третий способ определения вступления в упомянутую область перехода между U и U можно определить путем регистрации меньшей потребности в нагревающей мощности ΔР. Поскольку значительно меньшая потребность в нагревающей мощности ΔР, или быстро снижающаяся температура в сушильной камере, указывает на уменьшившееся выделение воды и поэтому на переход от испарения свободной воды к испарению прочно связанной воды в древесине или к комбинации свободной воды и прочно связанной воды в области между U и U в древесине то скорость воздуха можно снизить, как показано на чертеже, сообразно уменьшению потребности в нагревающей мощности ΔР в нагревательной группе.
kr1
kr2
В
В
kr1
kr2
В
Четвертый способ вступления в упомянутую область перехода между U и U можно определить измерением перепада температуры ΔТ в группе устройства нагревания воздуха (нагревающей батарее). Поскольку значительно уменьшившийся перепад температуры ΔТ в нагревательной группе указывает на переход от испарения свободной воды к испарению прочно связанной воды, или к комбинации свободной воды и прочно связанной воды, происходящий, например, в области между U и U в древесине, поэтому скорость воздуха можно понизить сообразно уменьшению перепада температуры ΔТ в нагревательной группе.
kr1
kr2
kr1
kr2
Пятый способ вступления в упомянутую область перехода между U и U можно определить непосредственным измерением в процентах коэффициента влажности древесины. Так как по существу постоянный, или только медленно снижающийся, коэффициент влажности древесины указывает на переход от испарения свободной воды к испарению прочно связанной воды в древесине, поэтому скорость воздуха можно понизить, как показано на чертеже, сообразно по существу постоянному коэффициенту влажности. Начало вступления в область перехода между U и U можно определить, например, измерением коэффициента влажности отдельных единиц древесины способом электрической емкости или другими известными способами, например взвешиванием и определением текущего массового процента данной партии древесины относительно ее сухого веса. Так как по существу постоянный, или только медленно снижающийся, коэффициент влажности древесины указывает на переход от испарения свободной воды к испарению прочно связанной воды в древесине, поэтому скорость воздуха можно понизить, как показано на чертеже, сообразно по существу постоянному коэффициенту влажности.
kr1
kr2
Во второй фазе сушки, происходящей после переходной области между U и U, выделяется только прочно связанная вода, т.е. вода, связанная внутри волокон древесины. При этом психрометрическая разность увеличивается, в результате связанная вода идет к поверхности древесины, оттуда удаляется за счет испарения. Количество воды, транспортируемой за единицу времени в этой фазе сушки, ниже, чем в предыдущей фазе сушки: показано низким градиентом нижней части кривой на чертеже. Это означает, что можно допустить значительно меньшую скорость воздуха, “n:max-n” на чертеже, чем та, которая допускается в первой фазе сушки; и поэтому энергопотребление можно снизить в еще большей степени.
Пониженная скорость воздуха, либо немного пониженная скорость воздуха, сохраняется также в следующих фазах сушки, известных под названиями «фаза уравновешивания», «фаза кондиционирования» и «фаза охлаждения».
Нужно отметить, что влагу и тепло целесообразно передавать в древесину в фазе кондиционирования только за счет повышения температуры в камере при помощи нагревательной группы, а не путем увеличения подачи тепла в сушильный воздух при помощи устройства нагревания сушильного воздуха.
Данное описание изобретения не должно рассматриваться как описание, ограничивающее его обладающую новизной идею изобретения; и оно приводится для пояснения этой идеи. Данное изобретение не ограничивается излагаемым выше его описанием и его раскрытием на прилагаемом чертеже; в изобретении возможны разнообразные изменения и модификации в рамках его идеи, согласно которой снижение скорости вентиляторов, разумеется, не обязательно должно соответствовать ступенчатому графику; и это снижение может соответствовать линейному графику или имеющему соответствующую форму графику.