Энергоэффективное использование теплового насоса в вакуумной сушке древесины

УДК 674.04

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА В ВАКУУМНОЙ СУШКЕ ДРЕВЕСИНЫ

ENERGY EFFICIENT USING A HEAT PUMP IN THE VACUUM DRYING OF

WOOD

Сафин Р.Р., Мухаметзянов Ш.Р., Мухаметзянова З.Р.

Safin R.R., Mukhametzyanov S.R., Mukhametzyanova Z.R.

В статье описана технология осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки с применением теплового насоса. Представлен результат анализа энергопотребления сушильной установки для различных пород древесины при помощи теплового насоса с электрическим нагревом.

The article describes the technology of the oscillating vacuum-conductive drying with using heat pump. Presents the result of the analysis of energy consumption drying systems for different species of wood by means of a heat pump with electric heating.

Ключевые слова: энергосбережение, тепловой насос, кондуктивная сушка Key words: energy saving, heat pump, conductive drying

Известные в различных отраслях промышленности методы энергосбережения в виде использования тепловых насосов, применительно к деревообрабатывающей промышленности, до сих пор не нашли широкого применения или носят единичный характер [1, 2]. Так, например, используемые в конвективных сушилках тепловые насосы не получили дальнейшего развития и применения в других методах сушки, в частности в вакуумных технологиях. При этом ведение процесса в герметичных условиях позволяет наиболее эффективно улавливать тепловую энергию испаряющейся из материала влаги. Однако сложность заключается в том, что наименьшую продолжительность процесса вакуумной сушки древесины обеспечивают циклические режимы, состоящие из стадии нагрева и вакуумирования. На стадии нагрева происходит накопление материалом тепловой энергии, а на стадии вакуумирования осуществляется удаление из материала влаги только за счет предварительно аккумулированной материалом энергии, т. е. нагрев материала на этой стадии не осуществляется. Подобное ведение процесса сушки обеспечивает положительное действие градиентов температуры, давления и влажности внутри материала, обеспечивая ускоренную сушку без развития существенных внутренних напряжений. Таким образом, улавливаемая на стадии вакуумирования тепловым насосом энергия не может в этот момент направляться на нагрев материала [2, 3].

С целью снижения затрат в процессах вакуумной сушки пиломатериалов была разработана технология осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки с применением теплового насоса. Особенностью предложенной технологии является передача тепловой энергии влаги, испаренной из материала на стадии вакуумирования в одной камере, на нагрев материала в другой камере.

Тепловой насос представляет собой замкнутый контур, в котором хладагент переносит тепловую энергию от низкопотенциального источника энергии (испаренная влага из древесины) к высокопотенциальному (жидкостной теплоноситель) с помощью компрессора.

1 - верхняя камера; 2 - нижняя камера; 3 - плиты с жидкостным нагревом; 4 - теплонасос-ная установка; 5 - конденсатор; 6 - испаритель; 7 - трубопровод; 8 - циркуляционный насос; 9 - трехходовой кран; 10 - вакуумный насос; 11 - электромеханический клапан; 12 -вакуумметр; 13 - расходомер; 14 - вентиль; 15 - дополнительный электроподогреватель; 16 - двигатель внутреннего сгорания; 17 - система охлаждения синтез-газа; 18 - газификатор

Рисунок 1- Экспериментальная установка для исследования осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов:

Для проведения экспериментальных исследований процесса сушки по разработанной технологии создана установка (рис. 1), которая работает следующим образом. Исследуемые свежесрубленные образцы древесины укладываются в камерах на нагревательных плитах. При этом с целью предотвращения интенсивного удаления влаги с торцов древесины последние закрашиваются быстросохнущей краской. Далее камеры герметизируются с помощью крышек и, посредством дополнительного электроподогревателя и циркуляции жидкостного теплоносителя (по малому кругу), начинается нагрев образца в первой камере. Нагрев производится с помощью плит с жидкостным подводом тепла. Подогрев древесины продолжается до тех пор, пока температура внутри образца не достигнет заданного значения. После нагрева первая камера подвергается вакуумированию и выдержке до остывания пиломатериала. При этом испаряющаяся из высушенного материала влага, конденсируясь на испарителе теплового насоса, отдает тепловую энергию хладагенту, за счет чего осуществляется стадия нагрева находящегося материала во второй камере. Продолжительность стадии вакуумирования в одной камере определяется продолжительностью нагрева материала во второй камере. Далее происходит одновременная смена стадий в камерах. Сушку проводят до тех пор, пока влагосодержание пиломатериалов не достигнет заданного конечного значения

[4, 5].

По экспериментальным данным были построены кинетические кривые температуры, давления в камере и влажности древесины в процессе осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки (рис. 2).

Рисунок 2- Графики протекания процесса попеременной вакуумно-кондуктивной сушки: а - температурная кривая; б - кинематическая зависимость давления в камере; в - кривая сушки

С целью получения данных по энергоэффективности применения теплового насоса в процессах осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки древесных материалов, было проведено сравнение энергопотребления созданной установки для различных пород древесины при электрическом и теплонасос-ном методах нагрева (рис. 3). Из графиков видно, что сушка с подводом тепла от ТЭНов проходит со значительно большим энергопотреблением (примерно в 3 раза).

0„ кВт/ч-

1__- - ТН согна

—-ТН береза

—-ТН дуб

—--ТЭН сосна

---TïH береза

---ТЭН дуб

—I

S. мм

Рисунок 3- Показатели энергопотребления установки попеременной вакуумно-кондуктивной сушки для разных пород пиломатериалов

Подводя итог стоит отметить, что предлагаемая технология вакуумно-конвективной сушки выгодно отличается от традиционных технологий прежде всего уменьшением использования энергии на процесс сушки более чем в три раза, а также уменьшением продолжительности процесса, что отражается на себестоимости готового продукта. Это качество особенно важно для пиломатериалов из твердых лиственных пород древесины.

Данная работа выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД - 5596.2016.8).

Список использованных источников

1. Снежкин Ю.Ф., Чалаев Д.М., Дабижа Н.А. Обезвоживание коллоидных капиллярно-пористых материалов в условиях высоковлажной окружающей среды. 5-й Минский Международный форум по тепло- и массопереносу - ММФ-2004: тезисы, 24-28 мая. Минск. БЕЛАРУСЬ. 2004. Т. 2. С. 256-258.

2. Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Хасаншина Р.Т. Перспективы развития процессов сушки материала и продуктов с использованием теплового насоса // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. № 2. С. 253-256.

3. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А. Обзор современных решений сотрудников фгбоу впо "КНИТУ" в области техники и технологии сушки пиломатериалов. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 23. С. 76-78.

4. Кайнов П.А., Мухаметзянов Ш.Р., Хакимзянов И.Ф. Применение энергосберегающих мероприятий в процессах сушки пиломатериалов. Энергетика Татарстана. 2015. № 2 (38). С. 73-77.

5. Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Николаев А.Н., Сафина А.В. Обзор современных технологический решений повышения энергоэффективности в процессах сушки пиломатериалов // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 21. С. 50-52.