Сушка древесины в конденсационных сушильных камерах

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «СУШКА И ТЕРМООБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ»

Баранов А. В., инженер-технолог,

Белорусский государственный технологический университет

Общеизвестно, что свойства древесины напрямую зависят от содержания в ней влаги. Способ удаления её излишков влияет на качество и стоимость будущих деревянных изделий. В частности, сушка может осуществляться в так называемых конденсационных камерах. В чем плюсы и минусы оборудования данного типа? В каких случаях целесообразно его применение? Попробуем разобраться.

В настоящее время все большее внимание со стороны деревообработчиков приковывает процесс сушки древесины в сушильных камерах конденсационного типа, работающих по принципу теплового насоса. Это обусловлено заявляемой разработчиками данного оборудования высокой энергоэффективностью и качеством сушки в таких сушильных камерах. Для лучшего понимания всех плюсов и минусов технологии конденсационной сушки древесины необходимо остановиться на том, как это работает с точки зрения теории.

Теоретическая суть процесса

На сегодняшний день большинство конденсационных камер для сушки древесины являются камерами конвективного типа, то есть перенос и передача энергии в таких камерах осуществляется посредством циркуляции сушильного агента — воздуха.

В общем виде конструкция такой сушильной камеры представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конденсационная сушильная камера для древесины

1 — тепловой насос; 2 — дренажная труба; 3 — отверстия для всасывания холодного и влажного воздуха из камеры в тепловой насос; 4 — отверстия для подачи теплого и сухого воздуха из теплового насоса в камеру; 5 — увлажнительная система (форсунки); 6 — теплообменник (только в комбинированных камерах); 7 — вентиляторы потока; 8 — система воздухообмена (впускные и выпускные клапаны)

Как видно из рис. 1, конструкция таких камер в общем виде мало чем отличается от конструкции обычных конвективных сушильных камер. Главная особенность — в наличии теплового насоса (позиция 1). Именно он позволяет организовать процесс сушки таким образом, чтобы потери энергии и тепла были минимальными. Остановимся на этом более подробно.

Внешне тепловой насос, или, как его еще называют, агрегат конденсационной сушки представляет собой закрытый съемными панелями шкаф, основанием которого служит пространственная рама. В состав агрегата входит холодильный компрессор; теплообменная система, испаритель (холодный)/конденсатор (горячий), холодильная арматура, управляющая автоматика (рис. 2).

 
Рис. 2. Внешний вид агрегата конденсационной сушки  

 Одним из первых тепловой насос разработал Петер Риттингер (Peter Ritter von Rittinger) в 1855 году. Однако на практике такие насосы стали применять только в 30–40‑х годах XX века.

Принцип работы теплового насоса основан на использовании обратного цикла Карно, который в координатах T (температура) и S (энтропия — мера подведенной энергии при постоянной температуре) представлен на рис. 3. Цикл называется обратным потому, что процессы в нем, если смотреть на график, идут против часовой стрелки. Цель теплонасосного цикла — это передача тепла нагретому телу от более холодного.

 

Рис. 3. Обратный цикл Карно

Условные обозначения: Тср — температура тела, отдающего тепло, Tн.пр — температура нагреваемого тела; 1–2 дросселирование (расширение); 2–3 испарение; 3–4 сжатие паров хладагента; 4–1 конденсация

 

Как же работает такой насос? Для его функционирования прежде всего необходим хладагент, или фреон. Он выполняет роль переносчика тепла испарителя и конденсатора. Ранее для этих целей часто использовались хлорфторуглеродные соединения. Однако от них отказались из-за высокого озоноразрушающего действия хлорных соединений. Теперь все чаще используются гидрофторуглероды (HFC). Данные рабочие жидкости не содержат хлора. На практике производители агрегатов конденсационной сушки сейчас зачастую используют R134а. Его техническая характеристика приведена в табл. 1.

Таблица 1. Техническая характеристика хладагента R134а

 

Хладагент циркулирует в замкнутом контуре теплового насоса и попеременно меняет свое агрегатное состояние из газообразного в жидкое и обратно. Принципиальная схема теплового насоса представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема контура циркуляции теплового насоса

Давление в контуре всегда избыточно по сравнению с атмосферным.

Теперь вернемся к тому, как это работает в сушильной камере (см. рис. 1). Воздух, проходя через штабель пиломатериалов, остывает и насыщается влагой, после чего он через отверстия подается из камеры в тепловой насос (позиция 3, рис. 1), там он отдает свою энергию хладагенту теплового насоса через испаритель. Этот процесс соответствует процессу 2–3 в обратном цикле Карно (см. рис. 3). Так как температура кипения хладагента очень низка, то даже низкая температура воздуха достаточна для его закипания. Вследствие понижения температуры ниже температуры точки росы из воздуха, при его перемещении через испаритель, удаляется влага, и он становится сухим. Таким образом, на первом этапе работы теплового насоса хладагент забирает у воздуха тепловую энергию, а сам воздух осушается.

Далее необходимо повысить температуру хладагента, который уже получил энергию от воздуха. Для этого используется способ сжатия газа. На практике этот метод многим хорошо известен, и его легко проиллюстрировать на примере обычного ручного велосипедного насоса: когда вы качаете насос, поднесите палец к его выходному отверстию. Вы почувствуете тепло. Так и в нашем случае — в результате сжатия при помощи компрессора температура хладагента повышается, что соответствует процессу 3–4 в обратном цикле Карно (см. рис. 3).

После чего нагретый хладагент поступает в так называемый конденсатор (см. рис. 4 и рис. 1), где отдает свою энергию проходящему через него воздуху. Это соответствует процессу 4–1 в обратном цикле Карно (см. рис. 3). Движение потока воздуха через конденсатор в данном случае обеспечивается работой вытяжных вентиляторов (см. рис. 1).

Далее «отработавший» хладагент со сниженной температурой необходимо опять остудить, чтобы он смог отбирать энергию у воздуха, вновь поступающего из сушильной камеры. Для этого используется эффект дросселирования, или расширения, который проще всего проиллюстрировать на примере аэрозольного баллончика с освежителем воздуха. Если нажать на кнопку баллончика и поднести палец к выходному отверстию, то почувствуете холод. Таким образом, при резком расширении температура хладагента снова снижается, а сам хладагент поступает обратно в испаритель. Это соответствует процессу 1–2 в обратном цикле Карно (см. рис. 3).

Далее этот цикл повторяется по кругу множество раз.

Таким образом, при подключении теплового насоса к сушильной камере практически нет необходимости включать водяные калориферы или другие дополнительные источники нагрева. Сам нагрев воздуха осуществляется за счет работы агрегата конденсационной сушки. В остальном же работа конденсационной сушильной камеры ничем не отличается от работы обычной конвективной камеры.

Практические критерии выбора сушильной камеры

Встает вопрос: в чем же тогда заявляемая экономическая эффективность конденсационных сушильных камер? Теория говорит о том, что для осуществления передачи тепловой энергии необходимо совершить работу, которая в цикле Карно термодинамически минимальна из всех возможных процессов, то есть отношение передаваемой тепловой энергии к затрачиваемой для этой передачи работе (коэффициент преобразования тепловой энергии) в цикле Карно максимально.

В чем это выражается на практике? На практике это выражается в отсутствии необходимости постройки котельной и расхода опилок и щепы на подогрев теплоносителя — воды, которая подается в калориферы обычных конвективных сушильных камер.

При принятии решения в данном случае необходимо проведение экономического расчета для сравнения:

  • стоимости обычной сушильной камеры вместе с котельной и конденсационной сушильной камеры;
  • затрат на подогрев и подачу горячей воды в обычную конвективную сушильную камеру с затратами на электроэнергию и обслуживание агрегата конденсационной сушки (теплового насоса).

Так, для примера в сушильной камере СКК 50 Ижевского теплоагрегатного завода с загрузкой 50 м 3 пиломатериала номинальная/установленная мощность агрегата конденсационной сушки составляет 13,1/34,1 кВт соответственно. В конденсационной сушильной камере компании «Холод-тепло» модели ХТ60 ВТ с загрузкой также порядка 50 м 3 пиломатериала параметр потребляемой мощности на рабочем режиме составляет 16,8 кВт. Это та самая электроэнергия, расходы на которую нужно сравнивать с расходами на подогрев воды в обычной конвективной сушилке.

Качество сушки

Технология процесса сушки в конденсационных сушильных камерах практически ничем не отличается от сушки в обычных камерах. Удаление влаги из пиломатериалов при низкой температуре — скорее недостаток, чем плюс данных сушильных камер. Вызвано это типом используемого фреона и аппаратурным оформлением теплонасосного процесса. В то же время сушка при низкой температуре более длительна, что, конечно, в целом смягчает воздействие на древесину, но не дает никаких преимуществ перед обычными конвективными камерами, в которых также возможна реализация низкотемпературного процесса при желании пользователя.

Благо, современные производители конденсационных камер уже могут создавать сушилки с рабочей температурой до 60…80 °C, чего вполне достаточно для качественной и быстрой сушки большинства пород древесины.

Одним из немаловажных плюсов конденсационных сушильных камер является также возможность установки их внутри помещений, так как у них практически отсутствует теплообмен с внешней средой, или, как говорят на производстве, — «они не парят».

В заключение еще раз хотелось бы отметить, что при выборе того или иного способа сушки древесины (либо при изменении породы древесины, типа сырья) необходимо всегда тщательно просчитывать экономическую составляющую процесса, учитывая не только стоимость самого оборудования и его производительность, но и наличие необходимых инженерных сооружений, источников энергии, расположение производственных цехов, а также свободных площадей. Только при соблюдении всех этих и дополнительных условий вы получите на 100 % гарантированный результат, чего вам искренно желаем! Мы же готовы и дальше оказывать вам информационную поддержку на долгом, сложном, но всегда интересном пути развития ваших проектов!

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

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