Обоснование способа СВЧ сушки и основных характеристик установки сушки бревен и бруса для целей домостроения

Технология деревянного домостроения

устойчивость и высокие показатели физикомеханических свойств: твердость, плотность, прочность и другие.

Данная работа должна быть направлена на рациональное использование возобновляемых лесных ресурсов с параллельным решением задач улучшения структуры и качества лесного фонда страны за счет увеличения в нем доли более ценного сырья.

Другой задачей по развитию и совершенствованию технологий деревянного домостроения является разработка технологии индустриального производства и строительства бревенчатых домов с повышенными теплофизическими характеристиками

При строительстве деревянных домов из круглых лесоматериалов (бревен), которое является самой применяемой технологией в России, важно сохранить мелкослойную за-болонную древесину - периферийный слой материала, характеризующийся высокой плотностью и, у хвойных пород, повышенной смолистостью. Такая древесина обладает высокими потребительскими свойствами: повышенной биостойкостью, пониженной намокаемостью и через это более высокой долговечностью при эксплуатации в атмосферных условиях.

ФГУП «ГНЦ ЛПК», являясь ведущим технологическим научно-исследовательским

центром лесопромышленного комплекса, ведет большую работу по разработке и совершенствованию технологий деревянного домостроения. В настоящее время выполняется госконтракт «Разработка инновационной технологии ресурсосберегающей механической обработки деталей быстросборных деревянных домов с повышенными теплофизическими характеристиками и создание экспериментальной установки». В результате будет разработана инновационная технология индустриального производства домокомплектов деталей из строительных бревен с сохранением атмосферостойкого наружного слоя, что позволит повысить теплофизические характеристики и срок службы деревянных домов и добиться увеличения на 20-30 % в сравнении с другими распространенными технологиями коэффициента полезного использования древесины.

Библиографический список

1. Косарев, В. А. Материалы для применения в строительстве домов каркасно-панельной конструкции / В. А. Косарев // Все материалы. Энциклопедический справочник. - № 6. - 2009. - С. 41-45.

2. Николаев, В.Г. Деревянные дома России / В.Г. Николаев // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - № 12. - 2007. - С. 42-43.

3. Варфоломеев, А.Ю. Влияние изменений в лесосырьевой базе и потребительском спросе на деревянное домостроение / А.Ю. Варфоломеев // Деревянные конструкции. - № 1. - 2001. - С. 27-30.

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА СВЧ СУШКИ И ОСНОВНЫХ

характеристик установки сушки бревен и бруса для целей домостроения

В. А. КОНДРАТЮК, проф., ген. директор ФГУП «ГНЦ ЛПК», д-р экон. наук,

В.А. ШАМАЕВ, проф. каф. древесиноведенияВГЛТА, д-р техн. наук,

В.М. ЩЕЛОКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦЛПК»

ИВ. ВОСКОБОЙНИКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦ ЛПК» по науке, д-р техн. наук

Для быстрой и качественной сушки бревен для деревянного домостроения Государственным научным центром лесопромышленного комплекса и Воронежской государственной лесотехнической академии разработан способ сушки пиломатериалов из древесины трудносохнущих пород (дуб, мореный дуб и

gnclpk@mail.ru

др.) с применением СВЧ. Применение электромагнитной энергии сверхвысокой частоты (ЭМЭ СВЧ) для быстрой и качественной сушки бревен, применяемых для деревянного домостроения, имеет хорошие перспективы благодаря следующим особенностям взаимодействия ЭМЭ СВЧ с влажной древесиной.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

85

Технология деревянного домостроения

Глубина проникновения ЭМЭ СВЧ в древесину может быть достаточно большой, что позволяет равномерно прогреть древесину на всю глубину. Поглощение ЭМЭ СВЧ водой намного больше, чем древесинным веществом, что позволяет сильнее нагреть воду внутри древесины, чем само древесинное вещество. Возможно получение направленных потоков ЭМЭ СВЧ, что позволяет создавать локальный нагрев бревна и перемещать его по длине бревна [1]. Нагрев бревен ЭМЭ СВЧ хорошо сочетается с локальным неглубоким вакуумом, создаваемым у торцов бревен.

Способ сушки бревен (бруса) для целей домостроения, включающий в себя укладку бревен (бруса) в виде узкого высокого штабеля на металлическую тележку, размещаемую в центре сушильной камеры, и облучение этого штабеля с двух сторон электромагнитной энергией СВЧ (ЭМЭ СВЧ), отличающийся тем, что штабель укрывается с боков и сверху радиопрозрачным влагонепроницаемым материалом, например, полиэтиленом, торцы бревен (бруса) остаются открытыми; нагрев штабеля производится сильнее в центре штабеля и слабее у торцов бревен (бруса), то есть создается максимально возможный градиент температуры между центром и торцами бре-

вен (бруса); постепенно высокая температура от центров бревен (бруса) перемещается к торцам, а источники ЭМЭ СВЧ в центре постепенно выключаются; дополнительно у торцов бревен (бруса) импульсами создается локальный неглубокий вакуум (пониженное давление), увеличивающий значение градиента давления между серединой бревна (бруса) и торцом бревна (бруса) и тем самым ускоряющий выход воды и пара из бревна (бруса); вода и пар выгоняются из бревен (бруса) только через торцы бревен (бруса) и через открытые части радиопрозрачной влагонепроницаемой упаковки штабеля; в радиальном направлении бревна (брус) прогреваются равномерно на каждом участке штабеля, под радиопрозрачной влагонепроницаемой упаковкой создается насыщенный пар, то есть градиенты температуры, давления и влажности в радиальном направлении на каждом участке длины штабеля будут близки к нулю.

Предлагается следующая новая установка СВЧ сушки бревен и бруса для целей домостроения.

Установка СВЧ сушки бревен (бруса) для целей домостроения, включающая металлическую рабочую камеру, металлическую тележку, размещаемую в центре рабочей ка-

Рис. 1. Общие вид установки СВЧ сушки бревен (бруса) для целей домостроения: 1 - рабочая камера, 2 - торец бревна, 3 - радиопрозрачное влагонепроницаемое покрытие, 4 - тележка, 5 - дверь камеры, 6 - источники ЭМЭ СВЧ, 7 - выходы ЭМЭ СВЧ

86

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Технология деревянного домостроения

меры, источники электромагнитной энергии, размещаемые на двух боковых стенках рабочей камеры, отличающаяся тем, что используется радиопрозрачный влагонепроницаемый материал для плотного укрытия штабеля бревен (бруса) сверху и с боков при открытых торцах бревен (бруса); источники ЭМЭ СВЧ располагаются неравномерно по длине штабеля: их плотность больше посредине длины штабеля и постепенно уменьшается к торцам бревен (бруса); система управления позволяет в начале процесса сушки создавать наибольшую температуру в центре бревен (бруса), а затем передвигать эту наибольшую температуру в обе стороны от центра бревна (бруса) к торцам); внизу рабочей камеры расположены стоки для воды, выгоняемой из бревен (бруса) через торцы. Общий вид установки СВЧ сушки бревен (бруса) для целей домостроения показан на рисунке 1.

В установке СВЧВ сушки дополнительно импульсно-вакуумные насосы создают локальный неглубокий вакуум у торцов бревен (бруса).

Ниже приводится расчет основных показателей работы установки: времени сушки сосновых оцилиндрованных бревен длиной 6 м и диаметром 25 см от начальной влажности 100 % до конечной влажности 15 %. Начальная влажность 100 % соответствует свежеспиленному дереву, а конечная влажность 15 % соответствует равновесной влажности бревна, находящегося летом на открытом воздухе в средней полосе России. Для деревянного домостроения высушенное до влажности 15 % бревно помещают на некоторое время в водный раствор антисептика. После этого бревно готово к строительству деревянного дома.

При сушке бревна до влажности 15 % из него будет удаляться только свободная и капиллярно конденсированная влага. Для удаления такой влаги используем анизотропию влагопроводности бревна по длине и по радиусу. В СВЧ и в СВЧВ сушильной установках создадим наибольшую температуру в центре бревна, постепенно понижаемую к торцам бревна. В СВЧВ сушильной установке дополнительно будем понижать давление воздуха у торцов бревна. Следовательно, от

центра бревна к его торцам будут созданы градиенты температуры и давления.

Так как бревно в радиальном направлении прогревается ЭМЭ СВЧ на всю глубину равномерно, а у поверхности бревна создается насыщенный пар, то по радиусу на каждом участке длины бревна нет градиента температуры и влажности.

Бревно вдоль его длины представляется как совокупность большого количества капилляров, по которым может перемещаться влага, диаметр капилляров при нагревании бревна ЭМЭ СВЧ до не очень высоких температур (ниже 100 оС) не меняется, следовательно, объем единицы длины капилляра остается постоянным, а давление возрастает прямо пропорционально температуре. Для определения разности давлений на середине бревна и на концах бревна закон Гей-Люссака: давление данной массы жидкости (газа) при постоянном объеме изменяется линейно с температурой

p = po х aT , при V = const, m = const, (1) где po - давление жидкости (газа) при 0 Т = 273,15 К;

Т - термодинамическая температура; a = 1/273,15 К-1; po = 105 Па.

Пусть при Т = 293,15 К рх = ро • a • 293,15; при Т = 353,15 К р2 = ро • a • 353°,15.

Тогда

Ар = р2 - рг = 0,2 • 105Па.

Вязкость п чистой воды при Т = 273,15 К примерно равна п = 0,002 Па-с. Вязкость П воды в древесине для проведения приближенных расчетов будем считать на порядок больше, учитывая, что она представляет собой раствор многих веществ, а также то, что капиллярно-конденсированная вода выходит из древесины труднее, чем свободная вода.

Расчет времени сушки ЭМЭ СВЧ сосновых оцилиндрованных бревен от начальной влажности W = 100 % до конечной влаж-

н

ности Wk = 15 % для следующих исходных данных:

- длина капилляра

l = 3 м;

- радиус бревна R = 12,5 см;

- средний радиус капилляра r = = 0,04 мм;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

87

Технология деревянного домостроения

Таблица

Основные характеристики установки СВЧ сушки бревен и бруса для целей домостроения

Название характеристики Значение характеристики

Размер заготовок - оцилиндрованное сосновое бревно - брус диаметр 250 мм, длина 6 м 200x200 мм, длина 6 м

Частота СВЧ, МГц 2450

Потребляемая мощность, кВт 26

Количество СВЧ генераторов 44

Г абариты установки, мм 7000x1800x2000

Масса установки, кг 900

Затраты электроэнергии на сушку м3 бревен, кВт-ч 30

Объем бревен, высушиваемых за год, м3 2600

Стоимость установки, тыс. руб. 600

Объем загрузки, м3 3,5

- разность давлений на краях капилляра Ар = 0,2 • 105Па;

- вязкость воды в древесине п = = 2 • 10-2 Пас;

- пористость соснового бревна П = 69 %.

Расчет количества воды, которое нужно удалить из половины бревна

Wh = 100 % = 100

Wk = 15 % = 100

где Wh и Wk - соответственно начальная и конечная влажность образца; т , т и т - соответственно начальная, конечная массы и масса абсолютно сухой древесины образца.

Для сосны берем то = 470 кг для образца объемом 1 м3.

Тогда т = 2т , т = 1,15т , = 399,5 кг. Объем половины бревна V6 = пЕ2 • l = = 0,147 м3.

Из половины бревна нужно удалить следующую массу воды

твб =

По закону Пуазейля через 1 капилляр за At = 1 с из половины бревна вытечет следующий объем воды

Увк = (nr4 х Ap х At)/8 n l = 3,35 • 10-13 м3. (6) Площадь торца бревна S6 = п R26 = = 0,049 м2.

Пористость

П =

где р0 - плотность абсолютно сухой древесины, кг/м3;

р - плотность древесинного вещества, кг/м3.

Для сосны р0 = 470 кг/м3, р в = = 1530 кг/м3, П = 69 %.

Площадь капилляра Sk = п r2= = 50,24 • 10-10 м2. К

Количество капилляров будет равно N = П SJSk = 6,76 • 106.

За At = 1 с через торец бревна вытечет следующий объем воды

V = N V = 22,5 • 10-7 м3,

Следовательно, за At = 1 с через торец бревна вытечет следующая масса воды т = 22,5 • 10-4 кг.

Следовательно, бревно будет высушено за

t = т /т = 2,6 • 104 с = 7,2 часа.

С в.б. в 7 7 v у

Это очень высокая скорость сушки, рассчитанная даже без учета увеличения разности давления Ар между серединой бревна и его торцом за счет создания локального неглубокого вакуума у торца бревна. Увеличение Ар в два раза позволит уменьшить время сушки до 3,6 часа, что представляется вполне реальным. Однако для уточнения реального значения времени СВЧ сушки и СВЧВ сушки оцилиндрованных сосновых бревен для деревянного домостроения необходимо провести экспериментальные исследования.

Расчет затрат электроэнергии на сушку одного кубического метра бревен в предлагаемой установке СВЧ сушки. Максимальное общее число источников ЭМЭ СВЧ 48. Одновременно работают не более 24, причем только 4 из них работают на полной мощности 750 Вт и потребляют 1,1 кВт электроэнергии. Ос-

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Технология деревянного домостроения

Рис. 2. Общий вид установки СВЧ-сушки

Рис. 3. Сушильная камера

тальные работают на пониженной мощности, а часть из них постепенно выключается. Для приближенных расчетов положим, что средняя мощность излучения источников состав-

ляет чуть больше половины максимальной и составляет 400 Вт и среднее потребление электроэнергии каждым источником составит 571 Вт. Тогда за 7,2 часа, источники затратят

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

89