Вакуум-осциллирующая сушка пиломатериалов в среде перегретого пара Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВАКУУМ-ОСЦИЛЛИРУЮЩАЯ СУШКА ПИЛОМАТЕРИАЛОВ В

СРЕДЕ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА

Р.Г. САФИН, профессор каф. переработки древесных материалов КГТУ, д. т. н.,

P.P. САФИН, с. н. с. каф. переработки древесных материалов КГТУ,

В.А. ДАШКОВ, доцент каф. переработки древесных материалов КГТУ,

Л.Г. ГОЛУБЕВ, профессор каф. переработки древесных материалов КГТУ, д. т. н.

В последние годы научные изыскания, проводимые в деревообрабатывающей промышленности, направлены на получение высококачественной древесины при максимальном сокращении продолжительности процесса сушки и снижении энергозатрат. Так, максимально удовлетворяющими перечисленным требованиям являются вакуумноконвективные сушильные камеры [1], обеспечивающие высокое качество сушки пиломатериалов. Сушильный процесс в камерах данного типа складывается из последовательно чередующихся стадий нагрева и ва-куумирования. В процессе нагрева древесины материал обдувается горячим воздухом при атмосферном давлении. После повышения температуры материала до требуемого значения начинается процесс понижения давления, сопровождающийся интенсивным испарением влаги. При этом сушка происходит не только под действием градиента влажности, но и с помощью градиента температуры, что обеспечивает значительную интенсификацию процесса удаления влаги.

Анализ литературных источников [2, 3, 4] показал целесообразность использования на стадии прогрева материала при отсутствии инертного газа в процессе вакуум-осциллирующей сушки перегретого пара. Высокая скорость прогрева древесины, вследствие минимальной инертности данной стадии, снижает общую продолжительность процесса сушки. Кроме того, при данном режиме достигается высокое качество пиломатериала, объясняющееся релаксацией напряжений, возникших на стадии вакуумирова-ния, за счет выравнивания влажности по толщине, вследствие конденсации пара на

поверхности пиломатериала в начале стадии прогрева.

В этом случае сушильный процесс начинается с создания вакуума в камере сушки (рис.1). Процесс понижения давления заканчивается при достижении глубины вакуума 95 - 98 кПа. Далее следует стадия прогрева, которая начинается вводом пара в сушильную камеру и состоит из двух периодов:

прогрева материала при наличии фазовых переходов теплоносителя;

конвективного прогрева материала в среде перегретого пара.

Пар, поступающий в камеру сушки, в первом периоде прогрева повышает давление среды и конденсируется на холодной поверхности материала. Потерями энергии на прогрев камеры пренебрегаем, вследствие создания обогреваемого контура аппарата. Материальный баланс в этом случае можно представить в следующем виде:

с1тв — йтп + йтк. (1)

Количество пара, поступающего истечением в большой объём под высоким давлением, с учетом формулы Сен-Венана-Венцеля [5], находится по выражению

dmt - ц'

7t -dz

2k

k +1

■P.-Р

Гр \

dx. (2)

Пар, конденсирующийся на поверхности материала с!тк, образует пленку конденсата, которая заполняет капилляры на бесконечно малой толщине, и дальнейшей диффузии пара в капилляры не происходит. На распространение влаги внутрь материала оказы-

вает влияние сопротивление коллоиднои капиллярно-пористой структуры тела. Для анизотропных материалов, таких как древесина, сопротивление переносу в радиальном направлении намного выше, чем в осевом. Кроме того, невысокая скорость повышения давления в камере и конденсация части кара приводит к тому, что перепад давления по толщине материала незначительный, и влиянием давления на движение конденсата можно пренебречь. На этом основании гфшшма ем зону с полностью заполненными капиллярами фиксированной. Изменение толщины фиксированной зоны можно рассчитать :те методике изложенной в работе [6]. Для описания тепломассообмена за границей юга»:-ной зоны воспользуемся дифференциальными уравнениями, полученными А.Б. Дъжо ■ вым [7], которые применительно к одномерной симметричной пластине и для одноком-понентной жидкости в можно запвегт- в нкде

дУ _ (дг1Г\ , (д'-'Г. ...

5т ( дх1 ) " \ дх1 '

дт

дт

ч ОХ )

При ОТСуъСЯПШ фйЗОКЫХ Пр^ьуЫ-^У*:-. внутри пластины в уравнении (4) ксйгетл-*1 парообразования <•; равен пуша Тогда, :-лф • ференциальнос урцр.нскйе сйодй'-о & нию теплопроводности Фурье

Расчет системы уравнений О) проводится при следующих зсраеаих ус.

ях

г ■ ёт

дт\

Т~’ е -ч .

г • сК ох I,

Р, е'

1....

ГГ (о ■ а) = 1’

Т *0' 7’ ■'>

1 м Л/ л и.0 ■ /

После достижения внутри к&мсры некоторого давления, которое соответст?у«“? отрезку времени т ■= г-., начинается ся-^д го-

ящи период прогрева, характеризующийся удалением влаги из материала. Прогрев материала в условиях вынужденного движения перегретого пара описывается системой уравнений (3). (5) при следующих начальных условиях:

дТ I

д2Т

ои\

(Ю)

(11)

СХ !т _. ОХ ОХ'

I — > ,

Граничные условил ?щя второго периода прогрева пиломатериалы записываются

яккшлдавями:

а - >7 - / ! - ,

ч } /.с

А /

1\ ■ 1 Г\

дТ

-л,, (12) дх !.._л

(13)

При ЛОМ ЛОТОК ЬЯйСй к поверхности

массообменк. определяется амггнотением

\ ^

Га \ .

\

I {14)

з '.у '- Г>ОР.ЪГт“:-Шй Тс'Ж'срйТурЫ ?, ЦСН-

ОЛД'Д^ОШЖ стадия - ПОН ИХеНШз

Д0>: ХОТОрОГО :£НКе МЭХерИ-

аоЖ':о ж) :;яду в еле-

Гг I х < •

,!/■. у ^ к. . .л-. у-*.:

' гЮККрб) Яд*; д...-а; Ь ^

■: л: г-га:*е';: УГ>ЗВ41"Нй.е М.СБДе/:^СЬг:-40<а-ИПеГ)О'На

. т

У. * ;ХГ

I

< 16)

а?)

Подставки выражений ; 1Д; и (17) й (15), лисле нгвотоггипс ареобоазо-

ЪЫ£»Ъ ’1СЯУ,'ХШ 1Иффсг. "•:..ч;Л.ЬКО^ уряьнеЯКе

И:-МСй’емИЯ ШД ГШЛ-.7^терйШ1ШМИ

№ ;-(>+Ь)-М1.Т . _] йТ)

т а г !

(!«»

> еи;юд;ассопереиос 5 процесс'; пони-'•авлев.и.я также огшеывгется ;диффе-Гс.кцлальк^Жй \тззвненйям.и (3) и (5), для ко-

торых начальные условия могут быть представлены в виде уравнений (10) и (11) для момента времени т = т2, соответствующем началу стадии вакуумирования, а граничные условия в виде выражений [9]

( ~ \»

ит = а ■

Р

\ л нас У

К

дх

гр

М.ПОв ^ 3П\

.-а

(т

(19) -7)=0.(20)

В уравнении (20) первое слагаемое характеризует затраты тепла на испарение; второе слагаемое - поток тепла из глубины за счет теплопроводности; третье слагаемое -отвод тепла с парами влаги; четвертый член -учитывает теплообмен с паровой фазой.

Стадия вакуумирования продолжается до момента пока температура в центре материала не опустится до температуры кипения при данной глубине вакуума. После чего цикл повторяется. Число стадий «прогрев-вакуум» определяется толщиной пиломатериала, конечной влажностью и породой древесины.

Адекватность математической модели проверена на экспериментальной установке, включающей обогреваемую вакуумную камеру, соединенную через кожухотрубчатый

конденсатор с вакуум-насосом, парогенератор, приборы регистрации температуры материала, среды и абсолютного давления в камере. Расчет приведенных выше систем дифференциальных уравнений проводился на ЭВМ в среде программирования О-Ьавю.

На рис. 2 представлены расчетные и экспериментальные данные по изменению температуры и влагосодержания по сечению пиломатериала и давления среды в первом цикле осциллирования. В качестве исследуемых образцов были использованы сосновые доски (1500 х 200 х 25 мм) с начальной влажностью и = 60 ± 2 %, торцы которых были зашпаклеваны. Нагрев древесины осуществлялся при температуре среды Тп = 383 ± 2 К и продолжался до момента достижения температуры в центре материала Тм.ц = 346 -349 К. После этого материал выдерживался при остаточном давлении 3 кПа до Тм.ц = 303 - 308 К. Расчетные значения после стадии прогрева, продолжительность которого составила 68 мин, показали, что температура в центре материала изменилась с 293 до 341 К; изменение значения интегрального влагосодержания составило 9-11%. Процесс понижения давления вызвал изменение влагосодержания по слоям на 8-18 %.

Рис. 1. Схема ведения процесса вакуум-осциллирующей сушки пиломатериалов

к Па

Рис. 2. Сравнение экспериментальных данных и расчетных кривых

Сравнением экспериментальных данных с расчетными установлено, что максимальное расхождение не превышает 18 %.

По результатам моделирования и литературного анализа была сконструирована сушильная камера для Муромского приборостроительного завода и разработан оптимальный режим ведения процесса применительно к пиломатериалу, высушиваемому на данном предприятии.

Установка содержит герметичный цилиндрический корпус с крышкой, камеру сушки, паровые калориферы, осевой вентилятор, вакуум-насос и конденсатор.

Установка работает следующим образом. Штабель пиломатериалов на тележке помещают в камеру сушки, после чего корпус герметизируют при помощи крышки. Далее включают вакуум-насос и понижают давление в камере. Одновременно начинают подачу пара в калориферы с целью их прогрева.

После удаления инертного газа проводят стадию прогрева, для чего отключают вакуум-насос и в корпус подают водяной пар. При повышении давления в корпусе до 40-50 кПа подачу пара прекращают и включают вентилятор. Паровой поток проходя через калориферы, дополнительно нагревается и проступает в камеру сушки. После повышения температуры внутри древесины до 80-85 °С стадию нагрева прекращают, для чего отключают вентилятор, и начинают стадию ва-куумирования (подают хладагент в конденсатор и включают вакуум-насос).

В процессе вакуумирования остаточное давление в камере поддерживается на значении 10-15 кПа. По мере удаления влаги интенсивность испарения жидкости снижается, вследствие охлаждения материала. После понижения температуры внутри древесины до 55-60 °С процесс выдержки под вакуумом прекращают и вновь нагревают древесину.

Вакуумирование и конвективный нагрев чередуют до тех пор, пока влагосодер-жание пиломатериалов не достигнет заданного конечного значения.

Предложенный режим позволяет интенсифицировать процесс сушки сосновых пиломатериалов в более чем в два раза по

сравнению с традиционными конвективными сушильными камерами.

Обозначения

т - масса, кг; V - влагосодержание материала, кг/кг; т - текущее время, с; ат -коэффициент массопроводности, м2/с; ц ’ -коэффициент расхода; 6 - относительный коэффициент термодиффузии, 1/К; (1 - диаметр трубы подачи пара, м; к - показатель адиабаты; Т - текущая температура, К; Р - давление, Па; р - плотность, кг/м3; х - координата; ат -коэффициент температуропроводности, м2/с; е - критерий парообразования; в' - пористость материала; г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); Р - площадь поверхности материала, м2; к, Ь, I - толщина, ширина, длина материала, м; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); а - коэффициент теплоотда-чи, Вт/(м К); р - коэффициент массоотдачи, м/с; / - поток массы, кг/(м -с); Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К); р.

- молярная масса, кг/кмоль; Уев - свободный объем камеры, м3; Ус.п - объемная производительность системы удаления пара, м3/с; а, п

- коэффициенты уравнения Фрейндлиха. Индексы: в - пар, поступающий в камеру сушки; п - пар; к - конденсат; ж - парогенератор; м - материал; 0 - начальный момент времени; ж - жидкость; пов - поверхность; ц -центр; нас - насыщение; рае - равновесное.

Литература

1. РасевА.И., ОлексивД.М. // Деревообрабатывающая промышленность. -1993. - № 4. - С. 9-10.

2. Михайлов Ю.А. Сушка перегретым паром. - М., 1967.

3. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности.-М., 1970.

4. МуштаевВ.И., Ульянов В.М., ТимонинА.С. Сушка в условиях пневмотранспорта. - М., 1984.

5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975.

6. Пашков В.А., Левашко Е.И., Сафин Р.Г. // ИФЖ. -2001. -Т.74, №2. -С. 80-83.

7. Лыков М.В. Теория сушки. - М., 1968.

8. Сафин Р.Г. Сушка высокочувствительных пожаро-и взрывоопасных материалов понижением давления. Дисс. док. техн. наук. - Казань, 1991.

9. Герг С., Син К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - М., 1970.