Физические процессы вакуумной сушки

УДК 674.047

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВАКУУМНОЙ СУШКИ Н.В. Мозговой, А.В. Пачковский

В статье рассматриваются физические процессы сушки древесины, описан один из наиболее перспективных методов вакуумной сушки и его этапы. Предложен подход к определению режимов сушки в вакуумных сушильных установках

Ключевые слова: вакуум, сушка, древесина, температура, давление

Технология сушки

Изготовленные из сырой древесины изделия с течением времени изменяют свои размеры. Поэтому древесину перед дальнейшей переработкой нужно высушить. Сушка происходит путем перемещения влаги от середины к поверхности древесины и испарения воды с поверхности. Перемещение воды в объеме древесины занимает значительно большее время, чем испарение с поверхности.

Древесина состоит из клеток удлиненной формы, расположенных вдоль оси ствола. Стенки клеток пронизаны микрокапиллярами. Влага в древесине находится в полостях клеток и в микрокапиллярах стенок. Та вода, которая содержится в полостях клеток, называется свободной. Влага в микрокапиллярах стенок клеток называется связанной или гигроскопической.

Свободная вода, которая находится внутри клеток, в процессе сушки удаляется первой. Этот этап сушки дерева считается более опасным -возможно появление внутренних дефектов: трещин и разрывов.

В деревообработке для количественной характеристики содержания влаги в древесине используют понятие абсолютной влажности, которая представляет собой процентное отношение массы влаги, содержащейся в древесине, к массе абсолютно сухой древесины. Когда влажность дерева достигнет уровня 28-30% (эта величина практически не зависит от вида древесины), это означает, что вся свободная вода удалена. С этого момента начинается процесс удаления связанной воды из стенок клеток. И с этого момента начинается процесс усушки.

Усушка - это уменьшения линейных и объемных размеров. В процессе удаления свободной воды усушки не происходит.

Мозговой Николай Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-70

Пачковский Антон Валерьевич - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 273-95-61

Существуют два способа сушки дерева: атмосферный и искусственный. Атмосферная сушка производится в штабелях, омываемых воздухом без подогрева. Достоинство атмосферной сушки -низкая стоимость. Недостатки: сезонность (зимой практически прекращается), большая

продолжительность, высокая конечная влажность. Для ускорения процесса получения качественной продукции из исходного сырья применяется искусственная сушка древесины в сушильных камерах.

По способу нагрева древесины сушильные установки разделяются:

1. Конвективные - нагрев древесины производится проходящим через штабель нагретым воздухом.

2. Кондуктивные - передача теплоты материалу при непосредственном контакте с нагретыми поверхностями.

3. Радиационные - передача тепла излучением.

4. Диэлектрические - нагрев

электромагнитным полем высокой частоты.

5. Индукционные - электромагнитным полем

промышленной частоты нагреваются

расположенные внутри штабеля ферромагнитные пластины.

Сушильные установки разделяются еще на две категории:

1. Нормального давления - древесина сушится при атмосферном давлении;

2. Вакуумные - при сушке древесина находится в разреженной среде.

При искусственной сушке материала стоят три задачи:

1. Получить продукцию высокого качества с

необходимой конечной влажностью.

2. Провести процесс сушки за минимальное

время.

3. Затратить минимальное количество энергии.

В процессе сушки трудным моментом является

создание условий, которые ускоряют движение воды из сердцевины древесины к ее поверхности. Действуют следующие законы, которые регулируют движение воды в древесине. Скорость перемещения влаги в древесине зависит:

1. От температуры.

2. От степени вакуума в сушильной камере.

3. От перепада температур. Вода движется из мест, имеющих высокую температуру, к местам с низкой температурой.

4. От разности концентраций. Вода движется из мест более насыщенных влагой к местам с меньшей насыщенностью.

Рассмотрим процесс сушки древесины с использованием вакуума.

Вакуумная сушильная камера

Вакуумная камера для сушки древесины с контактным нагревом и вакуумным сжатием.

В данной установке реализованы все принципы эффективного вывода влаги из древесины и получения идеально ровного пиломатериала при высоком качестве древесины.

Рис. 1. Схематичный поперечный разрез

1. Г ерметичный корпус камеры.

2. Высушиваемый пиломатериал.

3. Нагревательные элементы.

4. Эластичная мембрана.

5. Термоизолирующая прокладка.

6. Теплоизоляционная прокладка.

7. Прижимная пластина.

Сушильная камера сконструирована таким образом, чтобы при закрытой дверце камеры создавался вакуум. Контур состоит из электрически устойчивого бойлера и водяного насоса. Вакуум создается специальным вакуумным насосом. Древесина загружается вручную внутрь камеры, причем каждый ее слой алюминиевыми нагревательными которым циркулирует горячая нагревательная пластина соединена двумя подвижными резиновыми шлангами с контуром нагревания воды, который размещается вне камеры.

Процесс сушки состоит из трех стадий:

1. Разогрев древесины.

2. Включение вакуума (нагрев

продолжается).

3. Отключение нагрева. Охлаждение

древесины.

Разогрев древесины.

После того, как древесина уложена в камеру, переложена нагревательными пластинами и накрыта резиновым покрытием, начинается этап прогрева. На этом этапе горячая пластина нагревает древесину

перекладывается пластинами, по вода. Каждая

без включения вакуумной помпы. Влага в древесине не закипает, поскольку температура ниже 100 °С, и, следовательно, не происходит повреждение поверхности древесины.

Включение вакуума.

Когда температура внутри древесины достигает уровня, необходимого для сушки, включается вакуумная помпа и выкачивает воздух из камеры. В этом случае не происходит повреждение поверхности древесины, поскольку влага внутри древесины, двигаясь к поверхности, увлажняет ее. Возникают и другие важные эффекты: резиновое покрытие под воздействием атмосферного давления прижимает к полу камеры штабель древесины, переложенный алюминиевыми нагревательными пластинами. Благодаря этому механическому воздействию мы можем использовать вакуум для трансформации сушилки в пресс, который делает доски абсолютно ровными.

В процессе сушки использованы 3 физических закономерности. Зависимость скорости диффузии от температуры, зависимость скорости диффузии от давления воздуха применяется при выборе оператором давления и максимальной температуры для сушки каждой конкретной породы древесины. Зависимость температуры кипения воды от атмосферного давления также применяется при понижении температуры кипения воды в условиях вакуума.

Под воздействием высокой температуры и высокого уровня вакуума вода с поверхности древесины испаряется. Затем влага, как сконденсированная на стенках камеры, так и в виде пара, откачивается вакуумной помпой. Когда влажность древесины достигает установленного конечного значения, сушка переходит в фазу кондиционирования.

Отключение нагрева. Охлаждение древесины.

Нагревание пластин отключается, но вакуум в камере сохраняется. В этом случае древесина остывает под действием давления прижимной пластины, что позволяет зафиксировать ровную форму древесины. После того, как древесина остыла достаточно, сушилка выключается.

Определение режимов сушки древесины в вакуумных сушильных установках

Качество, а, следовательно, и срок службы изделий из древесины напрямую зависят от правильного проведения процесса сушки. Влажность древесины должна соответствовать тем параметрам окружающей среды, при которых будет эксплуатироваться изделие из древесины.

Неравномерная усушка обусловлена градиентом влажности AW, возникающим по сечению материала, она является причиной появления внутренних напряжений в высушиваемом материале. Поверхностные слои при наличии большого градиента влажности (особенно это характерно на начальном этапе сушки) подвержены

усушке в большей мере, чем внутренние. Вследствие того, что внутренние слои препятствуют усушке наружных слоев, в древесине возникают внутренние напряжения и, как следствие, происходит образование трещин и коробление материала. Чем больше градиент влажности по сечению материала, тем больше внутренние напряжения, возникающие в нём.

Необходимость получения качественно высушенного материала требует разработки специальных режимов проведения конвективной сушки либо новых, альтернативных конвективному, методов сушки, одним из которых является вакуумная сушка. Выбор оптимального режима сушки с минимальными затратами тепла при наиболее интенсивном удалении влаги из древесины - гарантия получения высушенного материала с наилучшими технологическими свойствами.

Интенсификация процесса сушки должна проводиться в определённом направлении при обязательном сохранении или улучшении качества высушиваемого материала. Основными

показателями при выборе метода интенсификации процесса сушки считаются температура и степень влажности сушильного агента ф.

Интенсификация процесса сушки

осуществляется в основном путем его ужесточения -снижения ф при уменьшении влажности древесины

В вакуумной среде при измерении ф нет необходимости измерять температуру смоченного термометра ^ (при традиционной конвективной сушке при атмосферном давлении ф оценивают по психометрической разности At == ^ ).

Давление насыщения водяного пара зависит от его температуры. Зная давление среды в камере, можно определить температуру насыщения водяного пара и, учитывая, что ф = Рп / Рн, по температуре среды в камере t можно рассчитать ф при пониженном давлении. В условиях вакуума температура среды может превысить температуру насыщения пара для данного давления. В этом случае сушка древесины будет протекать (по аналогии с высокотемпературными режимами сушки при атмосферном давлении) в среде перегретого пара. Следовательно, испарительная способность среды будет тем выше, чем больше разность между температурой среды и температурой насыщения, т. е. чем меньше ф.

Таким образом, при сушке древесины в вакуумной среде жёсткость процесса можно повышать путём увеличения температуры среды t при её постоянном давлении либо путём снижения давления среды в камере при неизменной температуре.

Регулировать ф при сушке в вакуумной камере (в отличие от конвективной сушки, при которой ф регулируется приточно-выгяжной вентиляцией) возможно только путём конденсации паров воды, покинувших древесину, с помощью охладительной системы и последующего удаления конденсата из вакуумной камеры.

Но просто каким-либо способом измерять ф и её регулированием интенсифицировать процесс -без учета развивающихся в высушиваемом материале напряжений - недопустимо.

При современном подходе к разработке режимов сушки (когда расписание режима фактически задаётся заранее и в большинстве случаев слабо учитывает изменения в высушиваемой конкретной древесине) интенсификация процесса сушки древесины обусловливает значительную порчу высушиваемого материала, прежде всего из-за чрезмерного развития внутренних напряжений и связанных с ними деформаций.

Устранить этот недостаток возможно только при использовании таких режимов, при которых развивающиеся в древесине внутренние напряжения не превышают соответствующих показателей её прочности.

При сушке с большой интенсивностью температура поверхностного слоя материала увеличивается с самого начала процесса. При этом по толщине материала возникает значительный перепад температур, который препятствует движению влаги к поверхности материала и одновременно уменьшает интенсивность теплообмена из-за разности температур.

Если проанализировать температурное поле древесины в процессе сушки, то можно отметить: в древесине по мере её высыхания также происходит постепенное возрастание температуры, причём зона более высокой температуры углубляется по мере высыхания древесины. Особенно характерно это выражено в температурном перепаде между поверхностными и центральными слоями высушиваемого сортимента. В этом случае древесина является как бы стабилизирующимся и саморегулирующимся элементом.

Отсутствие количественных методов контроля и математических методов расчёта внутренних напряжений, возникающих в древесине на протяжении всего процесса удаления влаги, заставляет искать альтернативные пути оценки напряжений в высушиваемом материале.

Наиболее приемлемый косвенный метод контроля за напряжениями в высушиваемом материале в процессе вакуумной сушки -температурный метод измерения влажности. Этот метод даёт возможность следить за изменением перепада температур между поверхностными и центральными слоями.

Таким образом, градиент температуры по сечению материала будет косвенно отражать напряжённое состояние высушиваемого материала. Для того чтобы знать картину перепада влажности по сечению пиломатериала, достаточно включить встречно две термопары: одну на поверхности, другую - в центре высушиваемого образца. Разность показаний термопар обусловлена градиентом влажности. Следовательно, по этой влажности можно судить о развивающихся в древесине

напряжениях: чем больше перепад температур между поверхностными и центральными слоями, тем опаснее степень напряжённости наружного слоя сортимента. В то же время термопара центрального слоя будет показывать текущую влажность высушиваемого сортимента

На начальном этапе вакуумной сушки поверхностный слой материала достаточно быстро достигает равновесной влажности и температура слоя приблизительно равна температуре агента сушки. Следовательно, замеряя перепад температур двумя термопарами: первой, установленной в

сушильной камере (температура ^), и второй

термопарой, вмонтированной в толщу сортимента (в середине его сечения), - можно регулировать

заданный температурный перепад А^ тем самым обеспечивая необходимую интенсификацию процесса с учетом напряжений, возникающих при удалении влаги из материала.

Литература

1. Сушка древесины / Рассев А.И.- М.: Лесная промышленность, 1990.- 224с.

2. Журнал Деревообрабатывающая

промышленность, №5.- 2000.- 26-27с.

3. Лесосушильные камеры / Харитонов Г.Н., Добрынин С.В.- М.: Лесная промышленность, 1999.- 204с.

Воронежский государственный технический университет

PHYSICAL PROCESSES OF VACUUM DRYING N.V. Mozgovoy, A.V. Pachkovsky

This article discusses the physical processes of drying wood is one of the most promising methods, vacuum drying and its stages. Proposed approach to the definition of drying modes in vacuum drying facilities

Key words: vacuum drying, wood, temperature, pressure