Особенности импульсной сушки пиломатериалов

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

ОСОБЕННОСТИ ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

А. А. КОСАРИН, ст. преподаватель каф. сушки и защиты древесины МГУЛ

Интерес специалистов в области деревообработки к сушке пиломатериалов с прерывистым подводом тепловой энергии прослеживается с первой половины прошлого столетия. Так, в начале 30-х годов на одной из фирм США [3] была предложена конвективная сушка пиломатериалов путем их циклического увлажнения. Отмечено повышение качества сушки и некоторое снижение продолжительности процесса. Позднее [4] предложены прерывистые режимы сушки пиломатериалов твердых лиственных пород, которые предусматривают проведение процесса циклами: нагревание и последующее охлаждение. Автор этой работы отмечает значительное сокращение сроков сушки. Проверка этих режимов в ЦНИИМОДе [2] подтвердила их эффективность и для пиломатериалов хвойных пород. В С.-Петербургской (Ленинградской) ЛТА [1] были проведены исследования осциллирующих режимов, сходных по технологии с прерывистыми режимами. Эти исследования также подтвердили целесообразность чередования циклов нагревания и последующего охлаждения материала в процессе сушки. Профессором И.В. Кречетовым

[2] и несколько позднее одной из фирм Германии [5] предложено вести процесс сушки при цикличном отключении циркуляционных вентиляторов, что дает существенную экономию расхода электроэнергии. Кроме того, профессор И.В. Кречетов отмечает повышение качества сушки по таким показателям, как равномерность конечной влажности штабеля, снижение перепада влажности по толщине материала и остаточных напряжений.

Начало широкого внедрения в промышленность сушки пиломатериалов с прерывистым подводом тепловой энергии относится к 90-м годам, когда на кафедре сушки и защиты древесины МГУЛ были начаты исследования [6] такого способа в условиях производства. Был получен патент на способ сушки пиломатериалов [7]. В соответствии с ним сушку ведут циклами, на первой ста-

kosarin@mgul.ac.ru

дии которых процесс проходит при подаче теплоносителя в калориферы и циркуляции сушильного агента в сушильном объеме, а на второй стадии - полном прекращении подачи энергоносителя в калориферы, циркуляции сушильного агента и подачи свежего воздуха в сушильный объем. Исследования и внедрение способа продолжаются до настоящего времени. В этой работе активное участие принимает и автор статьи. Разработаны и внедрены в производство режимы сушки как для пиломатериалов основных отечественных пород [8, 9, 10], так и для пиломатериалов из древесины ряда тропических пород (эбена, махагони, меранти, венге, мирбау), мореного дуба, карельской березы. Анализ производственных данных показывает, что имеет место значительная экономия электроэнергии в системе циркуляции сушильного агента (50... 75 %), продолжительность сушки снижается на 10... 15 % по сравнению с сопоставимыми условиями протекания традиционной конвективной сушки. Существенно уменьшаются остаточные напряжения, определенные в конце сушки. Для обеспечения сушки пиломатериалов по II - III категориям качества не требуется проведения кондиционирования.

Ранее применявшиеся термины, характеризующие этот способ сушки, а именно: «прерывистые режимы сушки», «режимы сушки с прерывистой циркуляцией сушильного агента», «осциллирующие режимы сушки» и др. - не отражают его сущности. Режим сушки по определению не может быть прерывистым. Режимы с прерывистой циркуляцией сушильного агента - термин указывает на периодическое отсутствие циркуляции, без акцента на то, что при этом прекращается передача тепловой энергии материалу. Осциллирующие режимы содержат указание на то, что состояние сушильного агента изменяется по некоторой периодической функции. То же самое относится к термину «циклическая сушка». Принятый нами термин «импульсная

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

119

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

сушка» в полной мере отражает сущность способа, так как указывает на передачу энергии материалу тепловыми импульсами, следующими с определенной цикличностью.

Цикл импульсной сушки складывается из двух стадий: «работа» и «пауза». На стадии «работа» проходит аккумулирование тепла материалом; сушка проходит в воздухе повышенной температуры и низкой влажности при циркуляции сушильного агента через штабель. Эта стадия характеризуется высокой интенсивностью процесса за счет большего градиента влажности по толщине материала.

На стадии «пауза» подача тепловой энергии материалу прекращается. В этот период возрастает степень насыщенности воздуха в камере и происходит увлажнение поверхности древесины вследствие продолжающегося испарения воды из материала, снижаются сушильные напряжения.

Рассмотрим механизм процесса импульсной сушки. Предположим, что образец древесины в виде пластины толщиной S с начальной влажностью W, превышающей Жпа, помещен в сушильную установку, в которой циркулирует воздух, нагреваемый в теплообменнике. Состояние воздуха характеризуется температурой t и температурой предела охлаждения tm. Влага по толщине пластины распределена равномерно. Материал предварительно нагревается. После прогрева последовательно проводятся циклы «работа - пауза».

Проведем анализ изменения температуры и влажности образца в одном из циклов на том периоде сушки, когда начинается образование гигроскопической зоны на его поверхности.

Пусть к моменту начала стадии «работа» влажность на поверхности W равна

г пов г

влажности предела насыщения Wira (рис. 1).

120

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

Средняя влажность древесины W несколько ниже начальной влажности W.

н

Температура на поверхности материала t и в центре t равна температуре предела охлаждения t На стадии «работа» начинается интенсивный процесс испарения влаги с поверхности материала, поскольку равновесная влажность W существенно ниже W . Поверхностная влажность W снижается и к

пов

концу стадии достигает W (кривая W^ на отрезке 0-а). Происходит некоторое понижение влажности в центральной зоне W^ и средней влажности W .

Температура на поверхности t и в центре t возрастает и стремится к концу стадии к t Следует обратить внимание на рост перепада влажности в гигроскопической зоне AW = W^ - Wпов и, следовательно, градиента влажности. Движущей силой процесса на этой стадии является влагопроводность.

На стадии «пауза» теплоснабжение и циркуляция воздуха прекращаются. Вследствие продолжающегося процесса испарения температура среды t постепенно понижается и к концу паузы стремится к t

Одновременно растет разность температуры между поверхностью и центром сортимента. Температура на поверхности сортимента уменьшается, стремясь также к температуре предела охлаждения. Между поверхностью и центром возникает значительный перепад температуры At = ^ов- t величина которого возрастает по мере снижения влажности материала в ходе сушки. Появляется, таким образом, градиент температуры, под действием которого возрастает интенсивность потока влаги к поверхности. Интенсивность же движения влаги под действием градиента влажности снижается и к моменту окончания этой стадии достигает минимума.

Поскольку термоградиентный коэффи-цент 5 в диапазоне влажности 20.. .60 % значительно превышает коэффициент влагопроводности (в 2.4 раза [11]), то следует ожидать интенсивного движения влаги в период паузы, которое не только компенсирует снижение интенсивности движения за счет градиента влажности, но и может его превысить.

Особенность этого движения состоит в том, что движущийся из центральных зон

водяной пар на пути встречается со слоями древесины, уже охладившимися и имеющими температуру ниже давления насыщения. Происходит конденсация водяного пара, но в слоях, более близких к поверхности. Имеет место «перекачка» влаги из центра к поверхностным зонам. Таким образом, на этой стадии одна часть влаги в виде водяного пара удаляется из древесины, а другая часть «перекачивается» из внутренних в наружные зоны. Первая часть существенно меньше второй. Это выявлено нами в результате анализа количества удаленной воды из камеры в цикле «работа - пауза» конденсационной сушилки по количеству образовавшегося конденсата [10].

По соотношению количества удаленной влаги на разных стадиях установлена доля удаленной воды на стадии паузы. Она составила величину, равную 0,15.0,25 от общего количества влаги, удаленной за один цикл.

Поскольку общая продолжительность импульсной сушки примерно на 10.15 % меньше, чем сушки классическим методом при сопоставимых режимах, то следует считать, что в одном цикле «работа - пауза» удаляется влаги больше (на те же 10.15 %), чем за тот же период при классической сушке. Причем наибольший эффект достигается на стадии «работа».

Результаты, полученные для конденсационных сушилок, в полной мере распространяются на обычные конвективные сушилки.

Характер распределения влаги в начале паузы и после ее окончания иллюстрируют схемы, приведенные на рис. 2. Для рассмотренного выше момента сушки поле влажности к моменту окончания стадии «работа» характеризуется кривой 1 (рис. 2а). Поверхностная влажность W равна равновесной W . В гигроскопической зоне глубиной 5 влага перемещается под действием градиента влажности, а к ее внутренней границе - за счет градиента капиллярного давления. На стадии «пауза» происходит увлажнение гигроскопической зоны за счет влаги, переместившейся из центра образца. К концу паузы влажность на поверхности достигнет равновесного состояния W 2 и равного Wuu (кривая 2).

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

121

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

Рис. 2. Поле влажности в древесине до начала паузы 1 и после ее окончания 2; а - в начальном периоде сушки, когда ^пов< ^пн и Wц > W^; б - в середине процесса, когда влажность по толщине материала стала ниже предела насыщения; в - в конце сушки, когда W ~ Wit

На последующих этапах сушки (рис. 2 б, в, кривые 2) увлажнение поверхностной зоны будет проходить в меньшей степени. Влажность W на поверхности в конце пауз будет зависеть от средней влажности древесины W. Обращает на себя внимание то, что разность средней влажности древесины и равновесной влажности (W - W^) на стадии «пауза» уменьшается по мере высушивания материала. К моменту окончания процесса эта разность может быть достаточно малой и находится в пределах допустимого, с точки зрения качества сушки, перепада влажности по толщине материала.

Это обстоятельство дает основание считать, что по уровню равновесной влажности, а следовательно, по состоянию сушильного агента в конце паузы можно судить о средней влажности материала.

Экспериментальные исследования температурных и влажностных полей в циклах, выполненные на единичных образцах в лабораторной сушильной установке кафедры, полностью подтвердили результаты проведенного выше анализа. Об этом свидетельствует хорошее совпадение экспериментальных и аналитических кривых изменения температуры на поверхности и в центре образцов на стадиях «работа» и «пауза». Доказано увлажнение поверхностных слоев образцов на стадии «пауза».

Рассмотрим особенности развития напряжений в цикле, который на стадии «работа» начинается с момента снижения влажности на поверхности ниже предела насыщения (рис. 3).

На этой стадии (рис. 3, отрезок 0 - а) процесс проходит по тем же закономерностям, как при обычной конвективной сушке. Влажность древесины на поверхности W достаточно быстро после начала сушки снижается и стремится к равновесной влажности W.

Характер развития напряжений аналогичен тому, как они развиваются при классической сушке. В поверхностной зоне развиваются влажностные напряжения растяжения о (рис. 3, участок 0 - а). Эти напряжения вызывают остаточные деформации удлинения, приводящие к образованию остаточных напряжений сжатия о . Полные напряжения имеют знак большей составляющей - растяжения. Под действием полных напряжений остаточные удлинения постепенно увеличиваются, соответственно возрастают остаточные напряжения.

Вполне очевидно, чем ниже величина равновесной влажности и чем меньше глубина гигроскопической зоны, тем интенсивнее идет процесс сушки. При обычной конвективной сушке эта интенсивность ограничивается величиной развивающихся сушильных напряжений.

122

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

Рис. 3. График изменения влажностных, остаточных и полных напряжений в цикле «работа - пауза»

Разработанные [13] и позднее стандартизованные режимы [14] сушки пиломатериалов построены исходя из допущения, что напряжения а, развивающиеся в материале, не должны превышать 75... 80 % от величины предела прочности [а] . на растяжение поперек волокон.

Эти же допущения сохраняются и при разработке режимов импульсной сушки.

Сушка на стадии «работа» проводится в среде с низкой равновесной влажностью, что существенно интенсифицирует процесс удаления влаги, но ведет к ускоренному росту сушильных напряжений. В момент достижения допустимого максимума напряжений подача тепловой энергии к материалу пре-

кращается. Начинается стадия «пауза». На стадии «пауза» за счет роста степени насыщенности сушильного агента в камере возрастает величина равновесной влажности (рис. 3, кривая Wp ), происходит увлажнение поверхности (кривая W ). В начале процесса сушки степень насыщенности сушильного агента доходит до единицы, а равновесная влажность и несколько позднее поверхностная влажность W достигает W , что пока-

пов пн.’

зано на рис. 3.

На последующих этапах, по мере углубления гигроскопической зоны, степень насыщенности снижается, соответственно уменьшается равновесная и поверхностная влажность древесины.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010

123

БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ

Таблица

Режимы импульсной сушки пиломатериалов из древесины сосны, ели, пихты, кедра

Влажность древесины, % Параметры режима Толщина пиломатериалов, мм

16 19 22 25 32 40 50 60

т , час 4,0 3,0 2,0 2,0 2,0

> 35 Vo 75 75 75 75 75

тп, час 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

т , час 4,0 3,0 2,0 2,0 2,0

35-20 ГС 75 67 75 75 75

тп, час 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

т , час 4,0 3,0 2,0 2,0 2,0

<20 ГС 75 75 75 75 75

тп, час 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

В результате увлажнения поверхности материала перепад влажности AW в интервале времени а — б, уменьшается. Полные напряжения снижаются и в момент времени б становятся равными нулю. Рост остаточных напряжений прекращается. Продолжающееся уменьшение AW (участок б - г) приводит к образованию полных сжимающих напряжений. При повышенной влажности древесина становится более пластичной. Под действием полных напряжений сжатия в наружных зонах образуются остаточные деформации укорочения, которые компенсируют ранее имевшиеся там остаточные удлинения. Остаточные напряжения соответственно уменьшаются. При отсутствии перепада влажности (момент г) они становятся равны нулю. Однако выравнивание влажности является чрезвычайно длительным процессом, практическая реализация которого не представляется возможной. Стадия «пауза» заканчивается значительно раньше (момент в). При этом остаточные напряжения сохраняются, однако их величина существенно ниже, чем к моменту начала стадии «пауза».

Таким образом, при последовательном проведении сушки циклами «работа - пауза» высушиваемый материал будет иметь на всем протяжении процесса малые остаточные напряжения, что и подтверждается результатами промышленных сушек.

Из анализа характера развития сушильных напряжений следует:

- на стадии «работа» возможно ведение очень интенсивного процесса как за счет снижения величины равновесной влажности (как

параметра режима сушки), так и некоторого повышения температуры сушильного агента; режимная температура устанавливается исходя из того, что средняя температура сушильного цикла будет равна температуре, определенной режимом обычной конвективной сушки;

- на стадии «пауза» за счет увлажнения наружной зоны материала происходит снижение остаточных напряжений, что дает возможность сушки пиломатериалов с малыми остаточными напряжениями; режимная продолжительность стадии определяется временем выравнивания температуры по толщине сортимента.

В качестве примера в таблице приведены режимы импульсной сушки пиломатериалов мягких хвойных пород. Режимы составлены с учетом обеспечения бездефектной сушки при практически полном сохранении природной прочности древесины, с возможным незначительным изменением ее цвета.

Определяющими параметрами режимов приняты: температура воздуха t, продолжительность стадии «работа» тр ,ч и продолжительность паузы тп, ч. Степень насыщенности воздуха не регулируется, что существенно упрощает систему автоматического регулирования процесса сушки в камере.

Быводы

Применение импульсной сушки пиломатериалов в производстве позволило:

- существенно сократить расходы электроэнергии на циркуляцию сушильного агента на 50... 75 %, в зависимости от толщины и породы древесины;

124

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010