CC BY
67
УДК 66. 092 - 977
Р. Г. Сафин, Р. Р. Зиатдинов, А. В. Сафина, А. Р. Хабибуллина
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В РАЗРЕЖЕННОЙ СРЕДЕ
Ключевые слова: сушка, вакуум, кондуктивная установка, тепло, древесина, пиломатериалы, рекуперация, энергия,
осциллирование.
Проведен обзор способов и аппаратурных оформлений процессов сушки пиломатериалов в разреженной среде. Даны описания перспективных вакуум осциллирующих установок с рекуперацией тепла.
Keywords: drying, vacuum, conductive installation, warmly, wood, sawn timber, recuperation, energy, ostsillirovaniye.
The review of modes and hardware registrations ofprocesses of drying of timber in the rarefied environment is carried out. Descriptions perspective vacuum of oscillating installations with recovery of heat are given.
Сушка древесины и древесных материалов является одним из важнейших процессов переработки древесных материалов, в связи с большой энергоемкостью и длительностью процессов.
Вопросами сушки древесины и древесных материалов кафедра ПДМ занимается с 2000 года [1-7].
Первые работы были посвящены вакуум осциллирующей сушке пиломатериалов в среде перегретого пара [8] и сушке технологической щепы сбросом давления [9]. Далее работы продолжились в направлении сушки пиломатериалов в разреженной среде теплоносителя [10-14] при кондуктивном подводе тепла [15,16] и конвективном способе подвода тепловой энергии [17-26].
В результате проведенного технико-экономического обоснования, а также теоретических и экспериментальных исследований предложен алгоритм выбора методов и оборудования для сушки пиломатериалов в зависимости от задач проектируемого
деревообрабатывающего производства,
представленный в виде организационной диаграммы на рис. 1 [26].
Согласно разработанному алгоритму выбора методов сушки пиломатериалов наиболее экономически оправданной при многотонажных производствах столярно-строительных изделий, в особенности из мягких хвойных пород древесины, являются конвективные камеры периодического действия с большим объемом загрузки. Однако основным недостатком данных камер является высокая продолжительность процесса и неравномерность высушивания штабеля
пиломатериалов, что, в свою очередь, влечет большие энергозатраты и неудовлетворительное качество конечного продукта. Поэтому на базе исследований вакуумно-конвективной сушки древесины разработаны схемы модернизации существующих сушильных камер конвективного действия.
В результате модернизации лесосушильных камер на предприятии «Карпентр» была организована поперечно-вертикальная схема циркуляции, которая позволила получить перепад влажности пиломатериалов по штабелю менее 1.5%. что удовлетворяет условиям сушки по II категории
качества. В результате проведенной модернизации произошло сокращение продолжительности процесса сушки на 20 - 30 % в зависимости от сортиментов. Сокращение сроков сушки объясняется равномерным удалением влаги по всему ообъему штабеля. Кроме того, организованная поперечно-вертикальная схема циркуляции сушильного агента позволила проводить процесс при неполной загрузке лесосушильной камеры. По данной схеме было модернизировано шесть камер сушильного цеха.
Осциллирую щие режимы вакуумной
сушки |
Вакуумная камера ВОСК - тандем
Рис. 1 - Организационная диаграмма выбора способа и оборудования для сушки пиломатериалов
Усовершенствование сушильного участка на предприятии «Вельд» позволила увеличить объем разовой загрузки пиломатериалов. При этом была организована поперечно-горизонтальная схема циркуляции сушильного агента, выравнивание скорости которого по высоте штабеля производилось с помощью установленных боковых
перфорированных стенок. Необходимое тепловое и циркуляционное оборудование было установлено в верхней части камеры и в боковых зазорах, образованных перфорированными стенками. Реализованная схема модернизации позволила увеличить производительность камеры при одновременном предотвращении неравномерности высушивания штабеля.
Традиционны й конвективны й способ сушки Конвективная сушка в разреженной среде
1 1
Конвективная сушильная камера с объемом загрузки 200300 м3 Железобетон ная вакуумная камера ЖВК-1
Способы вакуумной сушки с подводом
газообразного
п=
Вакуумные камеры ВОСК-1 и ВОСК - 2
В результате проведенных модернизаций, предприятия «Карпентер» и «Вельд» (г. Казань) получили годовой экономический эффект в размере, соответственно, 1147 и 495 тыс. руб.
В дальнейшем, теоретические исследования по сушке древесных материалов были использованы при разработке совмещенных процессов сушки с пропиткой [27,28], с термомодифицированием [29] , с газогенерацией [30,31], с пиролизом [32-33].
Новое научное направление при организации энергосберегающих вакуумных сушильных установок связано с рекуперацией тепла, выделяющегося при обратном цикле Карно
[34]. На рис. 2 представлена одна из таких установок
[35].
Рис. 2 - Вакуум-осцилирующая установка с рекуперацией тепла (патент РФ № 2353873 )
Установка содержит две аналогичные вакуумные камеры 1 и 2 с установленными в верхней части конденсаторами 3 и 4, парогенератор 5, конденсационное оборудование 6, включающее компрессорную станцию 7, теплообменники 8 и 9, жидкостные насосы 10 и 11. Компрессорная станция 7 использует в качестве хладагента хладон. Для ускорения процесса прогрева вакуумной камеры в пусковой момент времени используется дополнительный электронагреватель 12 для обогрева масляных калориферов 13 и 14.
Установка вакуумной сушки работает следующим образом. После формирования штабеля пиломатериалов 15 на тележке и загрузки одной из камер 1 начинается стадия прогрева высушиваемой древесины, для этого в работу включается электронагреватель 12 и открываются вентили 16, 17 при включенном жидкостном насосе 10. Параллельно происходит загрузка второй камеры 2. После окончания прогрева штабеля 15 в первой камере 1 открытием вентиля 18 и включением вакуум-насоса 19 и подачей хладагента в конденсатор 3 начинается стадия вакуумирования. Охлаждение хладагента для конденсатора 3 происходит при открытых вентилях 20 и 21 путем передачи тепловой энергии хладону в теплообменнике 8 при помощи насоса 11. Далее тепловая энергия, отводимая из первой камеры 1, с помощью компрессорной станции 7 и теплообменника 8 передается масляному теплоносителю 14 для нагрева пиломатериалов во
второй камере 2, для этого открыты вентили 22 и 23 и закрыты вентили 16, 17. После окончания цикла перекрытием кранов 18, 20, 21, 22, 23 на трубопроводах и открытием кранов 24, 25, 26, 16, 17 происходит смена стадий в камерах: в первой камере начинается прогрев, а во второй -вакуумирование. При необходимости повышения интенсивности прогрева сушильного агента производится кратковременное включение дополнительного электронагревателя 12. При возникновении внутренних напряжений
производится влаготеплообработка включением парогенератора 5 и открытием соответствующего камере вентиля 27 или 28.
Чередование стадий прогрева и вакуумирования в вакуумных камерах происходит до снижения влагосодержания пиломатериалов до заданного значения (6-8%).
Преимущества предлагаемой установки характеризуются приведенным ниже конкретным примером ее исполнения.
Габаритные размеры установки, мм:
ДхШхВ 8000x8200x3000
Мощность 7,7 кВт
электродвигателя
вентилятора
Мощность 7,5 кВт
электродвигателя вакуум-
насоса
Мощность компрессорной
установки при 16 кВт
максимальной нагрузке
(при передаче 50 кВт/час)
Мощность калориферов 50 кВт
Мощность парогенератора 30 кВт
Из таблицы видно, что для передачи тепловой энергии в 50 кВт/час компрессорной установкой затрачивается 16 кВт/час, позволяя снизить общие энергозатраты на процесс сушки более чем в два раза.
На рис. 3 представлена установка для сушки древесины сбросом давления [36].
Установка содержит две вакуумные камеры 1 и 2, парогенератор 3, вакуумный насос 4, конденсационное оборудование, включающее два компрессора 5 и 6, дроссельные вентили 17, конденсаторы 7 и испарители 8, помещенные в камеры 1 и 2. При этом первая камера расположена над второй и соединена с ней трубой, на конце которой расположена перфорированная насадка 10.
Конденсационное оборудование использует в качестве хладагента фреон. Для ускорения процесса прогрева вакуумной камеры в пусковой момент времени используется дополнительный электрический нагреватель 9.
Установка вакуумной сушки работает следующим образом. После формирования штабеля пиломатериалов 15 на тележке и загрузки камеры 1 начинается стадия прогрева высушиваемой древесины. Для этого производится предварительная откачка инертного газа (воздуха)
вакуум-насосом 4 из рабочей полости аппарата при открытом вентиле 14, после чего вентиль 14 закрывается, и из парогенератора 3 при открытом вентиле 13 подается водяной пар для создания паровой среды в аппарате. Затем включается дополнительный нагреватель 9. Параллельно в вакуумной камере 2, которая частично заполнена жидкостью (водой) 16, создается необходимое в дальнейшем разрежение включением вакуум-насоса 4 и открытием вентиля 12.
Рис. 3 - Установка сушки пиломатериалов сбросом давления (патент РФ № 2372569)
После окончания прогрева штабеля 15 в камере 1 производят «сброс» давления путем открытия газового вентиля 11, и паровая среда вследствие разности давлений через трубу с перфорированной насадкой 10 устремляется в камеру 2, где происходит ее конденсация за счет прохождения пара через слой жидкости. После «сброса» газовый вентиль 11 перекрывается, и в работу включается компрессорное устройство 5. Компрессор нагнетает сжатый (а значит, нагретый) хладагент в испаритель 8 камеры 2. Таким образом, тепловая энергия, отводимая из вакуумной камеры 1 с помощью компрессорного устройства 5 передается испарителю 8 камеры 2, где в это время происходит прогрев жидкостной среды (воды) 16.
После окончания цикла вакуумирования в камере 1 выключением компрессорного устройства 5 и включением компрессорного устройства 6 происходит смена стадий в камерах: в камере 1 начинается прогрев, в камере 2 - вакуумирование. Перед началом стадии прогрева в камере 1 предварительно с помощью парогенератора 3 создается необходимая паровая среда. Теперь тепловая энергия, аккумулированная в жидкости (воде) 16 камеры 2 во время ее нагрева, передается в
камеру 1. При необходимости повышения интенсивности прогрева производится
кратковременное включение дополнительного нагревателя 9.
В установке, представленной на рис. 4 в качестве системы вакуумирования используется эжекционный вакуумный насос [37].
Рис. 4 - Установка для сушки древесины (патент РФ № 2425306)
Установка содержит две аналогичные вакуумные камеры 1 и 2 с установленными внутри калориферами 3 и 4 и вентиляторами 5 и 6, парогенератор 7, паровые эжекторы 8 и 9, водяной насос 10. В нижней части установки имеются конденсатоотводчики 11 и 12.
Установка вакуумной сушки работает следующим образом. После формирования штабеля пиломатериалов 13 на грузовой тележке и загрузки его в камеру 1 начинается стадия прогрева высушиваемой древесины. Для этого включают парогенератор 7 и открывают вентиль 14 для подачи пара в эжектор 8. Пар после прохождения эжектора 8 поступает в калорифер 3, где, конденсируясь, передает тепловую энергию сушильному агенту в камере 1. Отработанный пар в виде конденсата удаляется через конденсатоотводчик 11. Параллельно происходит загрузка пиломатериалов в камеру 2.
После окончания прогрева штабеля 13 в первой камере 1 начинается стадия вакуумирования. Для этого закрывают вентиль 14, открывают вентили 15, 16 для подачи пара в эжектор 9. При этом в камере 2, включением в работу вентилятора 6, начинается стадия прогрева. Конденсат через конденсатоотводчики 11 и 12, открытые краны 18, 19 и при включенном насосе 10 поступает в парогенератор 7 для дальнейшего выпаривания и использования в технологическом процессе. Избыток конденсата отводится в канализацию через вентиль 20.
После окончания цикла перекрытием кранов 15 и 16 и открытием 14 и 17 происходит смена стадий в камерах: в камере 1 снова начинается прогрев, а в камере 2 - вакуумирование.
Чередование стадий прогрева и вакуумирования в камерах происходит до снижения влагосодержания пиломатериалов до заданного значения (6-8%).
Преимущества предлагаемой установки показаны на примере сравнения ее с прототипом (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика Прототип Предлагае мая установка
Габаритные размеры 8000*8200* 8000*6900
установки ДхШхВ, 3000 *3150
мм
Мощность 7,7 7,7
электродвигателя
вентилятора, кВт
Мощность 7,5 -
электродвигателя
вакуум-насоса, кВт
Мощность - 0,5
электродвигателя
водяного насоса, кВт
Мощность 16 -
компрессорной
установки при
максимальной
нагрузке (при передаче 50 кВт/час), кВт
Мощность 50 50
калориферов, кВт
Мощность 30 50
парогенератора, кВт
Возможность отсутствует имеется
использования
отработанного пара и
отходов
деревообработки для
получения тепловой
энергии
Из таблицы 1 видно, что при общих приблизительно равных мощностях используемого оборудования, в предлагаемой установке отсутствуют дорогостоящее компрессорное оборудование и вакуум-насос, а необходимая мощность парогенератора может быть достигнута использованием дешевого энергоносителя -отработанного пара или работой парогенератора на отходах деревообработки. В связи с этим, применение предлагаемой установки для сушки древесины является экономически целесообразным, благодаря рациональному использованию электроэнергии, простоте и надежности конструкции и уменьшению капитальных затрат.
По результатам исследований процессов вакуумной сушки пиломатериалов защищены 5 кандидатских [8,9,14,16,25] и одна докторская [26] диссертации, опубликованы три монографии [17,38,40], получено более 10 патентов [5,6,7,10,27,28,29,35,36,37].
Литература
1. В.А. Лашков, Е.И. Левашко, Р.Г. Сафин, Нагрев технологической щепы в среде насыщенного пара // ИФЖ. - 2001. - Т. 74. - №1. - С.80-83.
2. Е.И. Левашко, В.А. Лашков, Р.Г. Сафин, Е.К. Воронин, Тепломассоперенос в коллоидных капиллярно-пористых материалах при их измельчении сбросом давления // Тепломассобменные процессы и аппараты химической технологии: Межвузовский тематический сборник научных трудов. - Казань, 2001. - С. 70-81.
3. Р.Г. Сафин, В.А. Лашков, Л.Г. Голубев, Р.Р. Сафин, Математическая модель вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов // ИФЖ, 2002 г. - Т. 5 - № 2.
4. Р.Г. Сафин, В.А. Лашков, Р.Р. Сафин, Л.Г. Голубев, Тепломассоперенос при сушке пиломатериалов методом понижения давления // «Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии» Межвузовский сборник научных трудов, Казань, 2000 г., с. 54-58.
5. Патент РФ № 2156934, МКИ F 26 В 9/06, 5/04. Установка для сушки древесины / Р.Р. Сафин, В.А. Лашков и др. - 8 с.
6. Патент РФ № 2186305, МКИ F 26 В 19/00 Способ сушки пиломатериалов / Р.Р. Сафин, В.А. Лашков и др. опубликовано от 27.07.2002 г. Бюл. № 21. - 8 с.
7. Патент РФ № 2206843, МКИ F 26 В 19/00 / Установка для сушки древесины / Р.Р. Сафин, В.А. Лашков и др. опубликовано 20.06.03. - 8 с.
8. Р.Р. Сафин, Вакуум-осциллирующая сушка пиломатериалов в среде перегретого пара // автореф. дисс. на соиск. к.т.н. 2002 г., с. 19.
9. Е.И. Левашко, Сушка высоковлажных материалов сбросом давления, автореф. дисс. на соиск. д.т.н., 2002 г., с. 16.
10. Патент № 2279612 РФ, МПК F 26 В 5/04. Способ сушки пиломатериалов / Сафин Р.Р., Воронин Е.К., Сафин Р.Г и др., опубл. 10.07.2006, Бюл. № 19. - 5 с.
11. Р. Р. Сафин, Математическая модель конвективной сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов при давлении ниже атмосферного / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2005. - №1. - С. 266-273.
12. Р. Р. Сафин, Новые подходы к совершенствованию вакуумно-конвективных технологий сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин, П.А. Кайнов // Деревообрабатывающая промышленность. - 2005. -№5. - С. 16-19.
13. Р. Р. Сафин, Математическая модель конвективной сушки пиломатериалов в разложенной среде / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин // Известия ВУЗов Лесной журнал. - 2006. - №4. - С. 64-71.
14. Р. Р. Хасаншин, Конвективная сушка пиломатериалов в разряженной среде теплоносителя / автореф. дисс. на соиск. к.т.н., 2007 г. - с. 16.
15. Р.Р. Сафин, Совершенствование режимов сушки пиломатериалов в вакуумно-кондуктивных камерах / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин, А.Н. Чернышев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2007. -№2. - С. 6-7.
16. М.З. Мустафин, Вакуумно-кондуктивная сушка пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии / автореф. дисс. на соиск. к.т.н., 2008 г. - с. 16.
17. Р. Р. Сафин, Вакуумная сушка пиломатериалов при конвективном теплопроводе: Монография / Р.Р. Сафин. - Казань: КГТУ, 2006 г. - 124 с. - ISBN 57882-0308-2.
18. Р.Р. Сафин, Вакуумная сушка капиллярнопористых коллоидных материалов с периодическим подводом тепловой энергии / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Л.Р. Юнусов, Д.А. Ахметова // Химия и химическая технология. - 2007 г. - Т.50. Вып. 11. - С. 88-89.
19. Р.Р. Сафин, Энергосбережение: современный подход к повышению эффективности деревообрабатывающих предприятий в России / Р.Р. Сафин, А.В. Беляева // Деревообрабатывающая промышленность. - 2005. -№3. - С. 11-13.
20. Р.Г. Сафин, Вакуум-осциллирующая сушка пиломатериалов в среде перегретого пара / Р. Г. Сафин, В.А. Лашков, Л.Г. Голубев, Р.Р. Сафин // Лесной журнал. - 2002. - №2 (22). - С. 175-179.
21. Р.Р. Сафин, Тепломассоперенос в процессе сушки-пропитки древесины в жидких средах / Р.Р. Сафин // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2006. - Приложение №6. - С. 9399.
22. Р. Р. Сафин, Современные тенденции развития технологии сушки древесины / Р. Р. Сафин // Вестник Тамбовского университета. Естественные и технические науки. - 2006. - Том. 11, вып. 4 - С. 583585.
23. Р. Р. Сафин, Исследование процессов вакуумной сушки пиломатериалов при конвективных методах подвода тепла / Р. Р. Сафин // Вестник Тамб. гос. техн. ун-та. Естественные и технические науки. - 2006. -Том. 12, № 4 - С. 987-993.
24. Патент РФ № 2279612, F26B5/04 Способ сушки пиломатериалов / Р.Р. Сафин, Е.К. Воронин, Р.Г. Сафин и др. опубликовано 10.07.2006 г.
25. Л.Р. Юнусов, Исследование процессов конвективного тепломассообмена в условиях вакуумно-конвективных сушильных камер / Л. Р. Юнусов / автореф. дисс. на соиск. к.т.н., - 2008. - С. 16.
26. Р.Р. Сафин, Вакуумная сушка капилярнопористых коллоидных материалов при конвективных способах подвода тепловой энергии / Р.Р. Сафин // автореф. дисс. на соиск. к.т.н. - 2007. - с. 36.
27. Патент РФ № 2386912, F26B3/04 Способ сушки и пропитки древесины/ Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин и др. опубликовано 20.04.2010 г., Бюл. № 11.
28. Патент РФ № 2341744, МПК F26B9/06 Сушильная камера / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов // опубликовано 20.12.2008 г., Бюл. № 35.
29. Патент РФ № 2425305, МПК F26B5/04 Способ сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Г.
Сафин, Д.А. Шайхутдинова и др. опубликовано 27.07.2011 г., Бюл. № 21.
30. Р.Г. Сафин, Газификация древесных отходов / Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, Д.А. Ахметова, Р.Р. Зиатдинов, А.Р. Хабибуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17 № 8. -С. 108-111. Импакт фактор журнала 0,066.
31. Р.Г. Сафин, Технологическая схема газификации жидкого продукта контактоного пиролиза / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, З.Г. Саттарова // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16 № 19. - С. 139-141. Импакт фактор журнала 0,066.
32. Р.Г. Сафин, Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник Казанского технологического университета. -2013. - Т. 16 № 21. - С. 258-260. Импакт фактор журнала 0,066.
33. Р.Г. Сафин, Пирогенетическая переработка дрвеесных материалов / Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17 № 9. -С. 88-92. Импакт фактор журнала 0,066.
34. Р.Г. Сафин Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУЛ, 2002 г. - с. 688.
35. Патент РФ № 2353873, МПК F26B9/06 Установка для сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов // опубликовано 27.04.2009 г., Бюл. № 12.
36. Патент РФ № 2372569, МПК F26B9/06 Установка для сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин и др. // опубликовано 10.11.2009 г.
37. Патент РФ № 2425306, МПК F26B9/06 Установка для сушки древесины / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин и др. // опубликовано 27.07.2011 г., Бюл. № 21.
38. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Ю.Ю. Разумов, Вакуумно-конвективная сушка пиломатериалов / Монография, Казань, КГТУ, 2009. - 260 с.
39. Ю.Ю. Разумов, Р.Р. Сафин, Тепловая обработка и сушка древесины. Конспект лекция. - Йошкар-Ола, 2012. - 68 с.
40. Сафин, Р. Р. Сушка-пропитка древесины в жидкостях: монография. / Р.Р. Сафин - Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH, 2011. - 94 c. ISBN 978-38443-5699-1.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Р. Р. Зиатдинов -к.т.н., доцент той же каф., [email protected]; А. В. Сафина - к.т.н., доцент той же каф., [email protected]; А. Р. Хабибуллина -магистрант той же каф., [email protected].
© R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials KNRXU, [email protected]; R. R. Ziatdinov - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair; А. V. Safina - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair, [email protected]; А. R. Khabibullina - undergraduate associate professor of the same chair, [email protected].
