CC BY
119
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ
А.И. РАСЕВ, зав. кафедрой защиты древесины и древесиноведения
До начала перестройки в нашей стране на подавляющем большинстве деревообрабатывающих предприятий применялась, так называемая, классическая конвективная сушка пиломатериалов. Причем, в эксплуатации находилось свыше 70 % сушильных камер устаревших конструкций с низким уровнем автоматизации и технологии сушки в них.
Политика Минлеспрома СССР была ориентирована на развитие крупных комплексных лесопильно-деревообрабатывающих предприятий, которые оснащались достаточно современным сушильным оборудованием, как импортным (камеры фирм VALMET, HILDEBRAND и др.), так и отечественным (камеры УЛ-1, УЛ-2, СПМ-2К, СП5-КМ и др.). Предприятия мебельной промышленности развивали производство мебели из ДСтП, сушка же пиломатериалов и заготовок на этих производствах неуклонно сокращалась.
Усилия ученых были направлены в основном на совершенствование технологии сушки пиломатериалов в паровых камерах периодического и непрерывного действия.
Централизованное финансирование НИОКР и монополистические тенденции в области научных исследований определили однобокое развитие техники и технологии сушки. При бесспорно высоких достижениях науки и техники в области традиционной классической сушки древесины недопустимо мало уделялось внимания альтернативным способам, таким, как вакуумная, высоко-сверхвысокочастотная сушка, сушка с использованием тепловых насосов, которые в результате такой политики развития в стране не получили. Исключение составляет лишь вакуумно-диэлектрическая сушка, доведенная до промышленного применения, благодаря большому энтузиазму ее создателя (А.А. Горяев).
В период перестройки в России начался рост малых и средних предприятий по производству столярно-строительных изделий и мебели, потребляющих пиломатериалы и заготовки из древесины хвойных, лиственных и, особенно, твердых лиственных пород. Таким производствам, выпускающим изделия по европейским стандартам, потребовалась высококачественная сушка древесины. Кроме того, начали создаваться деревообрабатывающие производства в леспромхозах, которые сокращают вывоз круглых лесоматериалов и увеличивают выпуск пиломатериалов, в том числе сухих, а также изделий деревообработки.
Однако, в большинстве случаев, создаваемые предприятия не имеют технологического водяного пара, по этой причине выпускаемые промышленностью сушилки оказались невостребованными, а их выпуск был прекращен. Разработанные ранее режимы сушки древесины оказались для этих предприятий не пригодными, так как классическая технология сушки пиломатериалов предполагала обязательное использование технологического водяного пара.
Резко вырос спрос на сушильные камеры с альтернативным источником теплоснабжения, который в некоторой степени удовлетворялся с аэродинамическими сушилками, производство которых было быстро налажено на ряде металлообрабатывающих предприятий (фирмы АЭРОТЕРМ, ВЕЛД, ТЕХНА, Воздухо-техника). Однако, высококачественная сушка пиломатериалов в них по классической технологии также оказалась невозможной из-за отсутствия водяного пара.
Для обеспечения качественной сушки пиломатериалов без использования водяного пара на кафедре защиты древесины и древесиноведения под руководством
автора разработаны «импульсные» режимы (патент РФ № 20271227).
Сущность этих режимов состоит в следующем.
Сушка материала проводится циклами, каждый из которых состоит из двух стадий. На первой стадии цикла (стадия «импульс») сушка пиломатериалов проходит в воздухе повышенной температуры и низкой влажности. В камере осуществляется интенсивная циркуляция сушильного агента и воздухообмен с окружающей средой. Этот период характеризуется аккумулированием древесиной тепла и высокой интенсивностью процесса сушки за счет большого градиента влажности. В древесине в поверхностных зонах развиваются растягивающие напряжения.
На второй стадии (стадия «пауза») прекращается работа систем циркуляции, теплоснабжения и воздухообмена. Для этого периода характерно следующее:
- продолжается процесс испарения из древесины влаги, за счет тепла, аккумулированного материалом на стадии «импульс»;
- повышается степень насыщенности воздуха за счет влаги, поступаемой из материала;
- увеличивается его влажность на поверхности, поскольку возрастает величина равновесной влажности. Проходит выравнивание влажности по толщине материала, уменьшаются градиент влажности и сушильные напряжения, последние вплоть до полного исчезновения;
- понижается температура на поверхности материала, что связано с затратами энергии на испарение воды; появляется положительный градиент температуры, вызывающий интенсивное движение влаги к поверхности, что компенсирует некоторое снижение интенсивности процесса при уменьшении градиента влажности.
Как показывает производственный опыт, сушка «импульсными» режимами при соответствующем соотношении продолжительности стадий «импульс-пауза» проходит практически без развития остаточных деформаций, а следовательно, и
без остаточных напряжений, при малых перепадах влажности по толщине материала.
Выбор сроков выдержки на стадии «импульс» определяется тем, что возникающие сушильные напряжения не превышали предела упругости, а образование на этой стадии остаточных деформаций было, в основном, обусловлено перерождением в них упругих деформаций за счет роста модуля упругости при снижении влажности древесины.
Продолжительность стадии «пауза» устанавливается из условия выравнивания температуры центра и поверхности и прекращения движения влаги за счет градиента температуры. При этом влажность в поверхностной зоне, в зависимости от уровня средней влажности материала, может быть повышена на 2-6 % по сравнению с влажностью на стадии «импульс».
Число циклов устанавливается в зависимости от породы и толщины пиломатериалов, их начальной и конечной влажности. Например, при сушке необрезных пиломатериалов толщиной 50 мм из древесины дуба от начальной влажности 50 % до конечной 7 % длительность стадий «импульс-пауза» составляли от 1 до 4 ч. Температура сушильного агента на стадии «импульс» изменялась в зависимости от текущей влажности материала от 50 до 80 °С. Число циклов равно 144, что составляет общую продолжительность сушки 30 суток.
Применение «импульсных» режимов для конвективных сушильных камер позволяет не только отказаться от использования водяного пара, но и осуществить экономию электроэнергии за счет отключения циркуляционных вентиляторов на стадии «пауза» и существенно упростить систему автоматического регулирования процесса сушки.
Технология сушки на базе «импульсных» режимов оказалась достаточно универсальной и эффективной. Она может быть рекомендована и для паровых лесосушильных камер, что помимо снижения затрат электроэнергии даст 30 % экономии водяного пара, поскольку отпа-
дает необходимость проведения начального прогрева, конечной и промежуточных влаготеплообработок, а также кондиционирования.
Концепция «импульсных» режимов была заложена автором при создании совместно с НПО «Промысел» универсальной модульной сушильной камеры, серийный выпуск которой начат в 1996 году. Камера цельнометаллическая, нераз-
На ряде подмосковных предприятий уже длительное время работают несколько сушильных камер, разработанных автором статьи, которые в качестве энергоносителя используют древесные отходы. Эти камеры снабжены топками-теплообменниками. Тепло, полученное при сжигании отходов, через оребренные снаружи стенки топки, передается циркулирующему внутри камеры сушильному
борная. Ее габаритные размеры позволяют осуществить перевозку любым видом транспорта без ограничений. По требованию Заказчика она комплектуется различными системами теплоснабжения: электрической, паровой, водяной и газовой. Основные технические показатели камеры приведены в табл. 1. Камера снабжена системой автоматического контроля и регулирования процессом сушки.
агенту. В отличие от газовых сушилок топочные газы не поступают в сушильное пространство, а полностью выбрасываются при і - 120-150 °С через дымовую трубу в атмосферу. Трудность регулирования состояния среды в таких камерах существенно уменьшается при использовании «импульсных» режимов, поскольку в этом случае не требуется жестко поддерживать температуру в топке на посто-
Таблица 1
Технические характеристики сушильной камеры НПО «Промысел»
№ п/п Показатели Тип камеры
I II
1 2 3 4
1. Габаритные размеры камеры, м:
дайна 8,0 8,0
ширина 2,0 2,2
высота 1,8 3,0
2. Производительность камеры в год, м3 уел. материала 350 700
3. Габаритные размеры штабеля, м:
длина 6,5 6,5
ширина 1,0 1,0
высота 1,2 2,4
4. Вместимость камеры, м3 уел. материала 3,5 7,0
5. Тип, марка и номер вентилятора ВО 06-300 № 8
6. Число вентиляторов, шт 1 2
7. Скорость циркуляции воздуха в штабеле, м/с 1,2-2 1,2-2
8. Мощность привода вентилятора, кВт 3,0 6,0
9. Вариант камеры по виду теплоносителя:
Э (электроэнергия)
9.1. Мощность ТЭНов (установления), кВт 25,0 50,0
9.2. Расход электроэнергии на 1 м3 уел. материала, кВт ч 295 295
ПВ (водяной пар, вода)
9.3. Тип калорифера, номер КПБ-П № 9 или КП4-СК № 9
9.4. Количество калориферов, шт 1 2
9.5. Расход пара на 1 м3 уел. материала, кг 460 460
Г (природный газ)
9.6. Тепловая мощность горелки, кВт 25,0 50,0
9.7. Расход газа на 1 м3 уел. материала, нм3 27,0 27,0
янном уровне. Качество высушенного в этих камерах материала соответствует II и III категориям.
Перспективными остаются вакуумно-диэлектрические сушильные камеры, особенно для сушки пиломатериалов и заготовок из древесины твердых лиственных пород. Наиболее современной в на-
стоящее время является вакуумно-
диэлектрическая сушильная установка ВВСК-1, разработанная и изготовляемая НИЦ «Спецсистемы +». При ее создании были учтены ряд предложений автора, а в разработке технологии сушки он принимает непосредственное участие. Техническая характеристика сушки дана в табл. 2.
Таблица 2
Техническая характеристика вакуумно-диэлектрической сушилки ВВСК-1
№ Показатели Величина
п/п
Г 2 3
1. Габаритные размеры установки,длина х диаметр, м 8,0 х 3,0
2. Производительность камеры в год, м3 уел. материала 3000
3. Габаритные размеры штабеля, ддина х ширма х высота, м 6,5 х 1,2 х 1,35
4. Вместимость камеры, м3 уел. материала 10
5. Продолжительность сушки древесины в часах:
мягких пород 20-60
твердых пород 70-170
6. Удельный расход электроэнергии, кВт ч/м3:
мягкие породы 300
твердые породы до 500
Установка снабжена модернизированным генератором, более приспособленным к переменной реактивной нагрузке, к которой относится колебательный контур с конденсатором, между обкладками которого находится высушиваемая древесина. Генератор работает на частоте 13,56 МГц, что обеспечивает достаточно равномерное нагревание древесины.
Процесс сушки проходит в постоянно поддерживаемом вакууме глубиной 0,085-0,09 МПа, что соответствует температуре кипения воды 45-50 °С. При сушке древесины мягких хвойных и лиственных пород, отличающихся хорошей газопроницаемостью, удаление свободной воды из древесины проходит в основном за счет градиента давления, создаваемого внутри древесины при кипении в ней воды. Связанная вода движется к поверхности за счет действия градиентов температуры и влажности.
Подвод высокочастотной энергии в данном случае целесообразно осуществлять постоянно, обеспечивая, в конечном
счете, сокращение сроков высыхания материала в 6-10 раз по сравнению с традиционной конвективной сушкой.
При сушке толстых пиломатериалов (толщиной более 60 мм) и из древесины твердых пород (дуб, лиственница и др.) кипение воды проходит не по всему объему материала, а только в поверхностных слоях. В центральных зонах кипения не происходит, а вода движется к границе фазового превращения (кипения) за счет градиента температуры. При таком механизме процесса непрерывный подвод высокочастотной энергии материалу приводит к большим перепадам влажности по толщине материала и сушильным напряжениям, которые вызывают растрескивание древесины. Весьма эффективным оказался принцип «импульсных» режимов, механизм которого рассмотрен нами ранее. В данном случае импульс высокочастотной энергии сменяется паузой, в период которой, при поддержании степени насыщенности водяного пара в камере близкой к 1,0, проходит выравнивание влажности по
толщине материала и, как следствие этого, существенное снижение и даже полное снятие сушильных напряжений. Продолжительность процесса, по сравнению с традиционной сушкой снижается в 6-8 раз. В настоящее время нами ведутся работы по уточнению технологии сушки «импульсными» режимами для толстых пиломатериалов твердых лиственных пород.
Весьма перспективна конвективномикроволновая сушка древесины. НПЦ «Альфа-1» совместно с кафедрой защиты древесины и древесиноведения МГУЛа разработали и осваивают серийный выпуск
Наибольшее внимание при разработке технологии сушки было уделено режимам сушки дубовых пиломатериалов. Было установлено, что при непрерывном воздействии на древесину дуба энергия поля СВЧ не обеспечивает требуемого качества сушки. Несмотря на высокую степень насыщенности воздуха в камере в ходе процесса, сушка проходила, как правило, с образованием внутренних трещин и высокой неравномерностью просыхания материала по объему штабеля. Детальный анализ причин брака позволил устано-
сушилки «Флора-2», в которой 20-35 % энергии на сушку берутся от поля СВЧ (2450 МГц), а остальная часть (65-80 %) обеспечивается более дешевыми энергоносителями. В частности, в базовом варианте нагрев воздуха осуществляется ТЭНами. Сушилка представляет собой камеру, снабженную системами поперечно-горизонтальной циркуляции сушильного агента и воздухообмена с окружающей средой, комплектом микроволновых генераторов с колебательной мощностью по 0,6 кВт и ТЭНов. Ее техническая характеристика приведена в табл. 3.
вить, что это происходит за счет неравномерности распределения электромагнитного поля по объему материала. Применение «импульсных» режимов в совокупности с модернизацией системы распределения высокочастотной энергии позволили обеспечить качественную сушку дубовых пиломатериалов толщиной до 50 мм, при сокращении продолжительности процесса в 3-5 раз по сравнению с классической сушкой.
Так, например, продолжительность сушки дубовых пиломатериалов при
Таблица 3
Техническая характеристика конвективно-микроволновой сушилки «Флора»
№ Показатели Тип камеры
п/п Экспериментальная «Флора-1» «Флора-2»
1 2 3 4
I. Габаритные размеры кaмqш, м: дайна 4,0 8,3
ширина (с учетом установленных, генераторов СВЧ) 3,4 3,4
высота 1,6 2,3
2. Производительность камеры, м3 уел. материала/год 470 2000
3. Габаритные размеры штабеля, м: длина 2,2 6,5
ширина 0,6 0,6
высота 1,2 2,0
4. Вместимость камеры, м3 уел. материала 0,17 3,0
5. Установленная мощность генераторов СВЧ, кВт 10 40
6. Количество генераторов СВЧ, шт 10 40
7. Установленная мощность ТЭНов, кВт 8 35
8. Скорость циркуляции воздуха в штабеле, м/с 1,2-2,0 1,2-2,0
9. Циркуляционный вентилятор ВО 06-360 №6 №8
10. Мощность привода вентилятора, кВт 0,7 4
11. Расход электроэнергии на сушку 1 м3 уел. материала, кВт ч 390 390
обеспечении качества по I и II категориям составила при толщинах:
22-25 мм = 40 % = 8 % - 48 ч
35 мм -и'н = 83 % мъ = 8 % — 184 ч 50 мм = 48 % мъ = 10 % - 231 ч
При сушке пиломатериалов мягких лиственных и хвойных пород имеет место снижение сроков высыхания материала еще в большей степени.
С точки зрения обеспечения равномерности распределения микроволновой энергии по объему штабеля по ряду причин предпочтительны частоты 915 и 460 МГц. Однако, на существующем уровне развития микроволновой техники цена 1 кВт колебательной мощности генераторов, работающих на частоте 2450 МГц, примерно в 10-15 раз ниже, чем на частоте 915 и 460 МГц. Следует признать, что пока не будет организовано крупносерийное производство генераторов частот 915 и 460 МГц, сушильные установки, снабженные такими генераторами, не могут быть конкурентоспособны.
Существенное снижение продолжительности сушки достигается в вакуумных сушильных камерах, мелкосерийный выпуск которых организован рядом российских предприятий («Вамит», «Станкоросс», «КОНТЕХ», УралдревИнто, «СЭМТО» и др.).
По результатам исследований автора, вакуумно-конвективные сушильные камеры обеспечивают наилучшее качество сушки, что подтверждается мировым опытом эксплуатации сушилок, работающих на этом принципе.
В основу технологии заложен рассмотренный ранее принцип «импульсных» режимов. Процесс нагрева складывается из последовательно чередующихся стадий нагрева древесины и ее вакуумирования. На стадии нагрева материал обдувается горячим воздухом при атмосферном давлении. В этот период температура древесины повышается, что сопровождается испарением влаги с ее поверхности. Влажность несколько снижается. Движение влаги внутри материала проходит под
действием градиента влажности. Древесину нагревают до температуры, превышающей температуру кипения воды, при пониженном давлении на стадии вакуумирования. На этой стадии сразу начинается интенсивное испарение влаги с поверхности материала. Температура поверхности снижается, быстро достигает температуры кипения, а затем продолжает падать. В полостях клеток происходит вскипание воды, образовавшийся водяной пар движется к поверхности под избыточным давлением. При этом часть пара удаляется из древесины, а часть при контакте с охлажденными поверхностными зонами конденсируется. Водяной пар, покинувший древесину, образует вокруг нее среду практически чистого насыщенного или перегретого пара. В результате этого, влага удаляется при достаточно высокой влажности поверхности и, следовательно, малом ее перепаде по толщине материала, что позволяет избежать значительных сушильных напряжений и больших остаточных деформаций.
В период выдержки досок в вакууме при удалении свободной влаги ее движение проходит под действием градиентов давления, влажности и температуры, а при влажности древесины ниже предела насыщения - градиентов влажности и температуры. Этим и обеспечивается высокая интенсивность конвективновакуумной сушки. Вакуумирование прекращается после падения температуры в центре материала ниже температуры кипения воды при данной глубине вакуума. Число стадий «прогрев-вакуум» зависит от того, когда влажность досок снизится до требуемого уровня.
Из вакуумно-конвективных сушилок, выпускаемых в России, наиболее совершенной является установка, выпускаемая малой серией Корпорацией конвер-сивных технологий «КОНТЕХ» г. Королев. Эта сушилка создавалась коллективом ученых и производственников, одним из руководителей которого является автор статьи. Техническая характеристика выпускаемой в настоящее время сушилки дана в табл. 4.
Таблица 4
Техническая характеристика вакуумно-конвективной сушильной камеры ВКСУ-5
№ п/п Показатели Величина
1. Габаритные размеры, м:
длина 8,0
диаметр внутренний 2,0
» наружный 2,3
2. Размеры штабеля, м:
длина до 6,5
ширина 1,15
высота 1,35
3. Вместимость штабеля, м3 уел. материала 5,5
4. Скорость циркуляции воздуха в штабеле, м/с 2 ± 0,1
5. Глубина вакуума, МПа тах 0,095
6. Установленная мощность, кВт:
теплообменника 39,0
циркуляционного вентилятора 10,0
вакуумного насоса 9,0
водяного насоса 2,0
7. Удельный расход электроэнергии, кВт/м3 древесины:
сосновые пиломатериалы, 40 мм 180
дубовые пиломатериалы, 22 мм 180-440
дубовые пиломатериалы, 50 мм 410-940
Одной из последних сушильных установок, разработанных автором, является каскадная конденсационная сушилка (патент РФ № 1672172), которая предназначается для высококачественной сушки пиломатериалов. Она представляет собой двухкамерный блок, разделенный герметичной теплообменной перегородкой, которая обеспечивает эффект конденсационной сушилки. Камера дает снижение энергозатрат на 35-40 % по сравнению с лучшими мировыми образцами конвективных сушилок. Дополнительным достоинством является отсутствие холодильного агрегата, что существенно упрощает конструкцию. Камера разработана на базе сушилки МГТУ им. Баумана, в число создателей которой входит и автор (патент РФ № 2022221).
Резюме
В последнее время в стране получили развитие небольшие предприятия, выпускающие высококачественные столярно-строительные изделия и мебель. В большинстве случаев они не имеют технологического водяного пара, а следова-
тельно, качественная сушка пиломатериалов, особенно из древесины твердых лиственных пород, по традиционной технологии затруднена.
Возникшая проблема решается:
- конвективной сушкой древесины «импульсными» режимами в обычных камерах, получившими распространение в промышленности;
- вакуумно-конвективной сушкой, которая рекомендуется для трудносохну-щей древесины; режимы позволяют ускорить процесс в 3-5 раз по сравнению с традиционной технологией;
- конвективно-микроволновой и вакуумно-микроволновой сушкой, дающей высокое качество при малых сроках высушивания древесины, особенно твердых лиственных пород.
В статье рассмотрены особенности технологий сушки «импульсными» режимами конвективно-вакуумной, конвективно-микроволновой и вакуумно-микроволновой сушки, физические процессы, имеющие здесь место, причины высыхания с малыми сушильными напряжениями.
