Удосконалення процесу сушіння та тепловологої обробки деревини

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «СУШКА ДРЕВЕСИНЫ»

Вибір типу сушильних камер для нових або реконструйованих існуючих цехів — це завдання, яке вимагає врахування профілю підприємства, його виробничої потужності, характеристики продукції

Білей П. В., д-р техн. наук, професор
Соколовський І. А., канд. техн. наук, доцент
Копинець З. П., канд. техн. наук, доцент
Національний лісотехнічний університет України, м. Львів

Для проведення процесу сушіння потрібно ретельно дотримуватися режимних параметрів. Промисловість України використовує, в основному, сушильні камери періодичної дії з горизонтальним або вертикально-горизонтальним кільцем циркуляції сушильного агента (як правило, атмосферного повітря). Режим сушіння — це розклад стану сушильного агента у процесі сушіння залежно від вологості деревини. Раціональний режим сушіння повинен забезпечити мінімально можливу тривалість процесу, за умови дотримання якісних показників матеріалу, відповідно до його призначення

Проведення процесу сушіння пилопродукції

На рис. 1 зображено графік, який розкриває суть механізму конвективного сушіння деревини, коли режим традиційно ведеться за двома параметрами: сухого і змоченого термометра [Білей П. В. Теоретичні основи теплової обробки і сушіння деревини. Коломия: Вік, 2005. 364 с.; Білей П. В., Павлюст В. М. Сушіння і захист деревини: підручник. Львів: Кольорове небо, 2008. 312 с.].

У виробничій практиці використовують різні режими сушіння, які створювалися науковцями і практиками та постійно вдосконалювалися в міру осучаснення сушильного обладнання. Сучасне сушильне обладнання повинно забезпечити виконання на належному рівні всіх вимог до режимів сушіння. На теперішній час найбільш поширеними є режими, що в процесі сушіння контролюються і підтримуються двома параметрами: температурою агента сушіння за сухим термометром (tс) та рівноважною вологістю деревини (Wр), яка є функцією температури (tс,°C) і відносної вологості сушильного середовища (j,%).

Рис. 1. Механізм конвективного сушіння деревини

Процес конвективного сушіння пилопродукції завжди супроводжується нерівномірним розподілом вологовмісту (вологості) деревини по об’єму сортиментів. Ця нерівномірність розподілу вологості (наприклад, за товщиною матеріалу) є, з одного боку, потенціалом сушіння (dU/dx або dW/dx), а з іншого боку, — причиною виникнення вологісних деформацій та, як наслідок, внутрішніх напружень, які призводять до жолоблення або розтріскування матеріалу. У процесі конвективного сушіння деревини м’якими режимами, де температура середо­вища не перевищує величини 100°C, основним фактором є рух вологи в деревині під дією градієнта вологості, або вологовмісту, який описують рівнянням:

 

де аm — коефіцієнт вологопровідності деревини, який визначають експериментальним шляхом за дослідними даними швидкості сушіння

(∆W/∆t, %/с), градієнта вологості по товщині матеріалу  (∆W/dх, %/м) та половини товщини матеріалу (R, м), тобто за виразом:

де ρ0 — густина (об’ємна маса) деревини в абсолютно сухому стані, кг/м 3; dU/ dx — градієнт вологовмісту деревини, 1/м; тут U = Wa/100, кг/кг, а Wa — абсолютна вологість деревини, %; ∆ —W — зміна середньої вологості деревини за час ∆t, %/с; ∆W — різниця між вологістю внутрішніх і зовнішніх шарів деревини, %; ∆х — половина товщини матеріалу (∆х = R), м.

Температуру сушильного агента регулюють за допомогою триходового клапана, який розміщено на трубі, по якій до калорифера (теплообмінника) подається водяна пара, гаряча вода чи інший теплоносій. Рівноважну вологість деревини, яка є функцією температури середовища і відносної вологості повітря, регулюють за допомогою припливно-витяжних каналів та системи зволоження сушильного агента. Доцільно під час сушіння контролювати перепад вологості матеріала по товщині — ∆W/∆х, тоді за рівнянням (2) можна знайти коефіцієнт вологопровідності деревини, а також тривалість сушіння пилопродукції за графо­аналітичним методом.

Графоаналітичний метод визначення тривалості сушіння є громіздким, тому на практиці користуються табличним методом згідно з КТМ [Білей П. В., Павлюст В. М. Сушіння і захист деревини: підручник. Львів: Кольорове небо, 2008.  312 с.] за формулою:

 tс= τвих ·Ар ·Ац·Ак· Ав·Ад, год           (3)

де τвих — вихідна тривалість сушіння в камерах періодичної дії низькотемпературними режимами залежно від розмірів (товщини і ширини пиломатеріалів) та від породи деревини, год;

Ар —  коефіцієнт, який враховує режим сушіння (для нормального — Ар = 1,0, для м’якого — Ар = 1,7);

Ац  —  коефіцієнт, який враховує інтенсивність циркуляції;

Ак  —  коефіцієнт, який враховує категорію якості сушіння (для першої  Ак = 1,25; для другої Ак = 1,15; для третьої Ак = 1,05);

Ав —   коефіцієнт, який враховує початкову і кінцеву вологість деревини;

Ад — коефіцієнт, який враховує відношення довжини (L) матеріалу до його товщини (S1); якщо L/ S1 ≥ 40, то Ад = 1,0.

 У Національному лісотехнічному університеті України (м. Львів) розроблено нормативні показники якості сушіння пиломатеріалів та заготовок, які наведено в табл. 1.

Щоб досягти нормативних показників якості сушіння, потрібно вдосконалювати аеродинамічні та температурні характеристики сушильних камер. У табл. 2 наведено рекомендовані значення нерівномірності кінцевої вологості окремих пиломатеріалів по відношенню до середнього значення νw,  %; значення нерівномірності розподілу агента сушіння по штабелю пиломатеріалів — νw,  % та нерівномірності розподілу температурного поля у сушильній камері — νt, %. На рис. 2 зображено загальний вигляд сушильної камери періодичної дії з попереч­но-горизонтальним кільцем циркуляції.

Коефіцієнт варіації (мінливості) характеризує величину нерівномірності розподілу окремих показників, а їх співвідношення становить: νw = 0,8 × νW  та νt= 0,4 × νW. Коефіцієнти варіації залежать від відповідних середніх квадратичних відхилень окремих показників (s∆W,  s∆w,  s∆t) та відповідних середніх значень кінцевої вологості W,  %, середньої температури сушильного агента по штабелю — t, % та середньої швидкості циркуляції сушильного агента — ω, %, за формулою

               

де x–i  — середня величина відповідного показника.

Тепловологообробка

Для зняття або зменшення внутрішніх залишкових напружень, які виникають в деревині в процесі сушіння, необхідно проводити проміжкові та кондиціонуючі тепловологообробки в середовищі з підвищеною температурою та вологістю. Для створення такого середовища в робочий об’єм камери подають пару або розпилену форсунками підігріту воду при включених калориферах, працюючих вентиляторах і закритих припливно-витяжних каналах.  Тепловологообробка є обов’яз­ковою технологічною операцією в процесі сушіння пилопродукції з порід класу В для всіх категорій якості сушіння та порід класу А для I і II категорій якості сушіння [Білей П. В., Соколовський І. А., Павлюст В. М., Кунинець Є. П. Керівні технічні матеріали з технології камерного сушіння пиломатеріалів.  Ужгород: Карпати, 2010. 140 с.].

Проміжкову тепловологообробку призначають у тих випадках, коли можуть виникнути поверхневі та внутрішні тріщини. Поверхневі тріщини виникають внаслідок інтенсивного сушіння в початковий період, коли створені умови для інтенсивної вологовіддачі з поверхні матеріалу, а вологоперенесення з внутрішніх шарів є недостатнім для створення відповідного балансу потоку вологи. Уникнути поверхневих тріщин можна за рахунок правильного підбору режимних параметрів (знижених температур і підвищеної вологості агента обробки — сушильного середовища). Такі параметри середовища слід витримувати до досягнення деревиною межі насичення — Wт. н.. Коли середня вологість деревини досягає значення —W = 25 ± 2 %, відбувається зміна знаку напружень: до цього значення на поверхні матеріалу діють розтягуючі зусилля, а нижче цього значення починають діяти розтягуючі зусилля у внутрішніх шарах. Цей момент зміни знаку напружень є оптимальним для проведення проміжкової тепловологообробки, яка дозволяє пластифікувати деревину і звести до мінімуму залишкові деформації розтягу поверхневих шарів. Режимні параметри проміжкової тепловологообробки повинні відповідати таким вимогам. Проміжкову тепловологообробку слід починати при переході на вищий ступінь режиму сушіння. Тому температуру середовища встановлюють за температурою наступного ступеня режиму сушіння, а відносну вологість повітря доводять до значення 95…98 %.

Тривалість проміжкової вологотепло­обробки залежить від ряду змінних факторів: деформативності деревини різних порід при різних параметрах середовища; впливу параметрів зовнішнього середовища, теплопровідності та герметичності огороджень; параметрів теплоносія тощо. Тому тривалість проміжкової тепловологообробки може визначатись тільки орієнтовно або базуючись на експериментальних даних, коли відомі значення вологості поверхневих і центральних шарів деревини. У результаті експериментальних досліджень отримано математичний опис зміни вологості (кінетики) в процесі тепловологообробки пиломатеріалів з деревини твердих листяних порід (табл. 3).

Проведені експериментальні дослідження дозволили вивести емпіричну залежність тривалості проміжкової тепловологообробки від групи порід та товщини матеріалу (S1, мм). Отже, для пилопродукції товщиною S1 > 20 мм можна орієнтовно визначити тривалість проміжної тепловологообробки за формулою:

де а, b — коефіцієнти, які враховують вплив породи деревини: для порід класу А — а = 2…3, b = 0,02; для порід класу В — а = 3,5…6,0, b = 0,025…0,040.

Коли відсутній реверс циркуляції, наведені значення tп.о збільшують на 20…30 %. Формулу (5) можна використовувати для діапазону товщин від 20 до 70 мм. Якщо в процесі сушіння на першому ступені температура повітря tc< 30 °C і високий ступінь насичення — j, то за умов відсутності тріщин проміжкову тепловологообробку можна не проводити.

Кондиціонування

Кондиціонуючу тепловологообробку проводять для вирівнювання вологості по об’єму штабеля і по товщині пиломатеріалів. У процесі кондиціонування температуру середовища підтримують на рівні останнього ступеня режиму сушіння, а ступінь насичення повітря повинен відповідати середній заданій кінцевій вологості —  Wк, збільшеній на 1 %, або шляхом збільшення кінцевого значення рівноважної вологості на 2 %.

Тривалість кондиціонуючої тепловологообробки залежить від багатьох факторів і призначається залежно від товщини і породи деревини, категорії якості сушіння, технічної характеристики сушарки. Тому пропонуються тільки орієнтовні значення тривалості кондиціонування, які можна визначити за формулою:

де  —Wк — середня кінцева вологість матеріалу, % абс.; S1 — товщина матеріалу, мм; сп — коефіцієнт, який враховує вплив породи деревини (сп= 0,4 для порід класу А; сп= 0,5 …0,7 для порід класу В).

Отримане за формулою (6) значення тривалості кондиціонування можна розділити на два етапи: провести кондиціонуючу тепловологообробку після передостаннього ступеню режиму тривалістю 0,5 · tk.о та після останнього ступеня. У деяких випадках (коли є потреба) після кондиціонування проводять досушування поверхневих шарів деревини при відносній вологості повітря за останнім ступенем режиму. Після досушування (або кондиціонування) матеріал охолоджують в сушарці до температури не вищої, ніж 20 °C від температури навколишнього середовища.

У табл. 4 наведено режимні параметри початкового нагрівання пиломатеріалів перед сушінням, проміжкових тепловолого­обробок і кондиціонування, якщо застосовано режими за КТМ.

Для низькотемпературних режимів сушіння пиломатеріалів у пароповітряних сушильних камерах періодичної дії проміжкова тепловологообробка проводиться після досягнення пиломатеріалами середньої вологості по штабелю  W = 25 % з температурою середовища (tc) для наступного ступеня режиму (діапазон вологості деревини W = 25…20 %). Це дозволяє після закінчення тепловологообробки плавно перейти на наступний ступінь режиму сушіння. Психрометрична різниця приймається однаковою (∆t = 3 °C) для всіх номерів режимів сушіння.

Кондиціонування пиломатеріалів після досягнення ними середньої кінцевої вологості по штабелю ( Wк) доцільно проводити за температурою початкового (першого) ступеня режимів сушіння, а рівноважну вологість деревини приймають на рівні Wр = Wк + 2 %. Такий режим кондиціонуючої тепловологообробки дозволяє довести різницю вологості поверхневих і центральних шарів матеріалу до мінімального значення. При цьому, деколи поверхневі шари можуть зволожитись вище рівня кінцевої вологості. У таких випадках призначають досушування при тих самих температурах середовища, а рівноважну вологість підтримують на рівні Wр = Wк – 2 %.

Висновки

Вибір типу сушильних камер для нових або для реконструйованих існуючих цехів — це завдання, яке вимагає врахування профілю підприємства, його виробничої потужності, характеристики продукції. І вже на базі цього можна прийняти рішення про раціональний конструктивний варіант сушильного обладнання та оцінити доцільність та економічність прийнятого джерела теплопостачання. Раціональність тієї чи іншої конструкції сушарки в межах обраного типу визначається інтенсивністю та рівномірністю висихання матеріалу, які залежать від рівномірності циркуляції сушильного агента та рівномірності розподілу температурно-вологісного поля сушарки.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.