Сушка в технологическом процессе производства оцилиндрованных бревен для домостроения

СУШКА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА ОЦИЛИНДРОВАННЫХ БРЕВЕН ДЛЯ ДОМОСТРОЕНИЯ

Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Хайдаров С.А., Сафин Р.Г.

Wood drying is essential and possibly the most complicated process in wood working technology. Has developed device on drying cylinder logs for house building of drying at lowered pressure method.

Согласно данным статистики, ежегодно в стране вводится от 12 до 14 млн. кв. м общей площади малоэтажных жилых зданий. Это составляет более 40 % нового жилого фонда. При этом не малая доля приходится на строительство деревянных домов. Притягательность деревянного дома связана прежде всего с тем, что дерево - живой естественный материал. Древесина является таким строительным материалом, который не загрязняет окружающую среду и не мешает природе обновляться. Помимо того, что дерево обладает превосходными строительно-техническими характеристиками, с ним связаны простые жизненные ценности, касающиеся качества человеческого существования. В отличие от остальных строительных материалов дерево «дышит» и отлично держит тепло, всегда имеет неповторимую текстуру, создающей комфортный психологический настрой, вселяющий спокойствие и оптимизм. Если сравнивать с кирпичом, деревянная стена, эквивалентная кирпичной с точки зрения удержания тепла, должна быть в 4-5 раз тоньше. Одновременно влажность воздуха внутри дома поддерживается на оптимальном для человеческой жизни уровне.

В последние годы с развитием новых технологий в деревообработке начали строить деревянные дома из оцилиндрованного бревна. Срок службы такого дома зависит от качества материала, из которого он изготовлен. Одним из параметров влияющим на это качество является сушка. При строительстве домов из оцилиндрованного бревна до 95% бревен сушат естественным способом на открытом воздухе. Процесс сушки естественным способом продолжается до 6 -7 месяцев. При сушке бревен в конвективных камерах продолжительность процесса значительно сокращается, однако при этом не удается избежать образования трещин и ухудшения внешнего вида. Для предотвращения растрескивания бревен в них делают компенсационные пазы. Однако избежать трещин все равно не удается.

С целью устранения указанного недостатка были проведены исследования по использованию вакуум-осцилирующего способа сушки применительно к оцилиндрованным бревнам. Данный способ заключается в чередовании процесса вакуумирования и конвективного обогрева материала. Процесс сушки начинается с откачки инертного газа из рабочей полости аппарата, что приведет к отсутствию фазового сопротивления, способствуя тем самым более интенсивному прогреву бревен.

После создания вакуума начинается стадия прогрева, состоящая из прогрева материала при наличии фазовых переходов теплоносителя и конвективного

его прогрева в среде перегретого пара. Явления переноса энергии и вещества в процессе прогрева древесины подчиняются общим закономерностям термодинамики необратимых процессов тепло- и массопереноса.

Технология вакуум-осцилирующей сушки оцилиндрованных бревен представлена на рис. 1.

05

Повторяющийся цикл

Рисунок 1- Технология вакуум-осциллирующей сушки оцилиндрованных бревен в среде перегретого пара

Первый период начинается в момент подачи пара из парогенератора в камеру сушки и характеризуется конденсацией пара на холодной поверхности высушиваемого материала. Конденсат вызывает интенсивное повышение температуры и влагосодержания поверхностных слоев бревен, вследствие чего начинается общий прогрев материала. Разность температур поверхностных и внутренних слоев древесины является потенциалом переноса тепла за счет теплопроводности, численное значение которой для древесины возрастает с увеличением влагосодержания и температуры материала. Вместе с этим образование в поверхностной зоне повышенных значений влагосодержания и температуры, по сравнению с внутренними слоями, обуславливает перемещение влаги в глубь тела. Таким образом, тепломассоперенос с самого начала процесса затрагивает всю толщу древесины. Не сконденсировавшаяся часть пара идет на создание паровой среды, тем самым, повышая давление внутри камеры сушки.

После подачи в сушильную камеру определенной порции водяного пара начинается второй период прогрева материала. Для чего прекращается подача пара в камеру, в работе остаются калориферы и вентилятор для принудительного движения паровой среды. При этом наряду с переносом влаги внутрь древесины наблюдается снижение влагосодержания поверхности бревна, т.е. поверхностная зона вступает в период постоянной скорости сушки.

После прогрева бревен включением конденсатора начинается стадия ва-куумирования, в процессе которой происходит интенсивное удаление влаги из древесины. Стадию вакуумирования также можно подразделить на два перио-

да: процесс понижения давления и выдержка нагретого материала в условиях вакуума.

Механизм протекания процесса сушки понижением давления можно раскрыть, базируясь на известных положениях теории сушки и законах равновесия между жидкостью и паром. Понижение давления пара над поверхностью материала смещает динамическое равновесие в сторону испарения влаги. Испарение последней происходит за счет уменьшения аккумулированной тепловой энергии влажного материала. При отсутствии подвода тепла извне температура материала падает, а вследствие того, что испарение идет с поверхности, её температура ниже температуры в центре материала. Возникающий температурный градиент совпадает по направлению с градиентом влагосодержания и тем самым интенсифицирует перенос удаляемой влаги. При сушке понижением давления внутри материала образуется избыточное давление, пропорциональное градиенту температуры по сечению материала, т.е. по сечению высушиваемого материала создается положительный градиент избыточного давления. Регулируя темп снижения давления над материалом, мы можем изменять величину этого избыточного давления. Необходимость регулирования избыточного давления связана с тем, что при сушке древесины недопустимы внутренние напряжения, влекущие за собой нарушение структуры и ухудшение качества.

После создания в камере рабочего вакуума, материал еще сохраняет тепловую энергию достаточную для удаления влаги, поэтому высушиваемая древесина выдерживается при остаточном давлении до снижения температуры в центре материала до значения, при котором градиент температуры не будет оказывать существенного влияния на процесс удаления влаги.

Таким образом, движущей силой процесса сушки понижением давления является разность парциальных давлений паров удаляемой влаги над поверхностью материала и в окружающей среде. Парциальное давление паров в окружающей среде можно определить решением системы уравнений тепломассопе-реноса в паровой фазе. Парциальное давление паров у поверхности бревна определяется температурой и свойствами древесины.

Кинетика процесса сушки древесины от несвязанной влаги однозначно определяется изменением давления водяных паров в окружающей среде. При удалении связанной влаги такого однозначного соответствия наблюдаться не будет, так как на процесс сушки большое влияние будет оказывать перенос тепла и влаги в материале.

После завершения стадии вакуумирования цикл «прогрев-вакуум» повторяется. Количество циклов определяется диаметром бревен, конечной влажностью и породой древесины. При этом первая стадия прогрева, характеризующаяся увлажнением древесины, выполняет роль промежуточной влаготеплооб-работки и, как следствие, способствует снятию внутренних напряжений, возникших при вакуумировании. В целом период прогрева характерен интенсивным перераспределением влаги в поверхностных слоях материала

На кафедре «Переработки древесных материалов» была разработана установка для промышленной реализации вакуум-осцилирующей сушки оцилинд-рованных бревен.

Установка представляет собой герметичный цилиндрический корпус с крышкой. Камера сушки образована боковыми, верхней и нижней стенками, установленными в корпусе с образованием сегментных зазоров. Боковые стенки выполнены из листа оцинкованного железа с перфорацией, которая предназначена для равномерного распределения скорости агента сушки по штабелю при поперечной циркуляции. В боковых сегментных зазорах размещены паровые калориферы. Принудительная циркуляция обеспечивается встроенным в камеру вентилятором. Внутреннее пространство корпуса сообщено с системой вакуумирования и с паровой котельной.

Установка работает следующим образом. Штабель бревен на тележке помещают в камеру сушки, после чего корпус герметизируют. Включают вакуумный насос, сообщенный через патрубок с герметичным корпусом, и понижают давление над штабелем.

После удаления инертного газа проводят стадию прогрева, с этой целью отключают вакуум-насос и подают в камеру водяной пар из паровой котельной. Далее начинается вторая стадия прогрева включением вентилятора и калориферов. Паровой поток, проходя через калориферы, перегревается и поступает в камеру сушки. Температура сушки 80 °C задается и автоматически поддерживается с помощью щитка управления.

После повышения температуры внутри древесины до 55-65°С стадию нагрева прекращают (отключают вентилятор и калориферы) и проводят стадию вакуумирования с помощью конденсатора и вакуум-насоса.

Вакуумирование и конвективный нагрев чередуют до тех пор, пока влаго-содержание пиломатериалов не достигнет заданного конечного значения (810%).

После завершения процесса сушки пиломатериалов корпус разгерметизируют.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать вывод о целесообразности использования вакуум-осциллирующей сушки древесины в перегретом паре применительно к оцилиндрованным бревнам. Предложенный метод позволяет производить качественную сушку материала за короткий срок без ущерба качеству древесины.