Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЕЕ СУШКИ

Макартичян С В, Шилин А Н, Стрижиченко А В,

3.1. Анализ существующих режимов конвективной сушки древесины

В сушильную камеру пиломатериалы загружаются штабелями (рис. 3.1). Укладка пиломатериалов имеет большое значение при сушке. Необходимо, чтобы циркулирующий сушильный агент равномерно омывал их поверхности.

Рис. 3.1. Схема укладки досок в штабель: а – со шпациями; б – без шпаций

Штабеля формируют из горизонтальных рядов досок на прокладках толщиной 25 мм [50]. Существует два метода укладки пиломатериалов: с оставлением между кромками досок промежутков – шпаций (рис. 3.1, а) и сплошными рядами (рис. 3.1, б). Укладка без шпаций более рациональна, уменьшается аэродинамическое сопротивление штабеля [83] и повышается его вместимость, т.к. коэффициент заполнения штабеля по ширине становится равным единице. Такая укладка применяется для сушильных камер с поперечной циркуляцией агента сушки. Если циркуляционная система устроена так, что воздух должен проходить через штабель в вертикальном или продольно-горизонтальном направлении (что имеет место в камерах старых конструкций), приходится прибегать к укладке штабеля со шпациями.

Режимом сушки называется расписание параметров сушильного агента и последовательности их изменения во времени. При температуре сушильного агента t < 100 °C процесс сушки называется низкотемпературным, сушильным агентом является воздух, при t ≥ 100 °C процесс сушки называется высокотемпературным и проходит в среде перегретого пара. Сушка при температуре t ≥ 100 °C приводит к выплавлению смол, выпадению сучков и отрицательно влияет на физико-механические свойства древесины (прочность на скалывание и раскалывание снижается на величину до 30 % [59]), а также требует наличия вблизи ТЭЦ или котельной. Поэтому наиболее распространены низкотемпературные режимы сушки.

Существует 3 категории режимов низкотемпературной сушки [78]:

Мягкий режим обеспечивает сушку пиломатериалов при полном сохранении прочностных качеств и цвета.

Нормальный режим обеспечивает сушку пиломатериалов при практически полном сохранении прочностных показателей древесины с изменением её цвета.

Форсированный режим обеспечивает сушку пиломатериалов при сохранении прочности на статический изгиб, растяжение и сжатие, но при снижении прочности (до 20 %) на скалывание и раскалывание с изменением цвета древесины; данный режим рекомендуется для сушки пиломатериалов, предназначенных для изделий и узлов, работающих с большим запасом прочности.

От правильного выбора и соблюдения режима зависят качественные и количественные показатели процесса сушки. Разработкой режимов сушки занимались исследователи в [25, 38, 41, 42, 64, 77, 78, 84].

Для сушки древесины И.В. Кречетов [42] предложил использовать ступенчатые режимы. Количество ступеней сушки зависит от продолжительности сушки и свойств древесины, учитываемых коэффициентами. Переменное число ступеней точнее отражает процесс сушки, однако требует большой дифференциации режимов сушки по породам, толщинам, температурному уровню и другим факторам [25].

П.С. Серговский в [83] на основании анализа внутренних напряжений предложил двухступенчатый режим. На первой ступени необходимо поддерживать высокую степень насыщения сушильного агента, т.е. искусственно затормозить процесс удаления влаги с поверхности, чтобы не допустить возникновения опасных для целостности материала механических напряжений из-за пересыхания поверхностного слоя. На второй ступени сушки, т.е. после снижения механических напряжений в поверхностных слоях материала, жесткость режима можно увеличить, что позволяет интенсифицировать процесс.

Позднее в работе Кречетова [41] предлагается применение прерывистых режимов, которые предусматривают прерывистую (до 0,5–2 ч) работу циркуляционной системы. При перерыве в работе циркуляционной системы для компенсации снижения скорости процесса влагообмена значительно увеличивают психрометрическую разность, что, по мнению Кречетова, интенсифицирует процесс. Однако в настоящее время надёжная промышленная апробация прерывистых режимов отсутствует.

В работе М.Г. Мингазова [64] предложены осциллирующие режимы сушки древесины, которые предусматривают периодические циклы повышения и понижения температуры сушильного агента. Возникающий при охлаждении положительный температурный градиент несколько интенсифицирует перемещение влаги, но в целом не может уменьшить продолжительность сушки, кажущаяся экономия тепловой энергии не оправдывается в связи с необходимостью многократного нагревания остывшей древесины.

Сущность импульсного режима конвективной сушки, предложенного в [78] и описанного в [38], заключается в ведении процесса сушки циклами, содержащими импульс и паузу. На стадии импульса происходит интенсивный подвод тепла к материалу, сушка происходит посредством циркуляции через штабель воздуха с повышенной температурой и низкой относительной влажностью. Эта стадия характеризуется высокой интенсивностью сушки, максимально возможной, с точки зрения развития сушильных напряжений, скоростью удаления влаги из древесины, большим градиентом влажности по толщине пиломатериала. Возникающие в материале механические напряжения сравнительно малы, а деформации являются преимущественно упругими из-за малой продолжительности этой стадии.

На стадии паузы нагревательные элементы и принудительная циркуляция агента сушки отключены, и происходит следующее: степень насыщенности воздуха возрастает из-за продолжающегося испарения воды из материала, поверхность древесины увлажняется из-за роста равновесной влажности, снижается градиент влажности в материале, в нем снимаются напряжения, образуется положительный градиент температуры, который ускоряет движение влаги к поверхности за счет термодиффузии.

Продолжительности стадий импульса и паузы определяются тем, что во время импульса возникающие в высушиваемом материале напряжения не должны превышать предела упругости, а во время паузы температура центральных слоев должна сравняться с температурой поверхности материала, что нужно для прекращения движения влаги из толщи материала к его поверхности. Число циклов при этом зависит от толщины, породы и влажности материала. Применение импульсных режимов конвективной сушки позволит не только сократить затраты энергии, но и отказаться от использования технологического водяного пара.

Следует отметить, что применявшиеся ранее термины: «режимы сушки с прерывистой циркуляцией сушильного агента» (И.В. Кречетов), «осциллирующие режимы сушки» (М.Г. Мингазов), «импульсные режимы» (А.И. Расев), в целом характеризующие сушку с прерывистым подводом тепловой энергии, не отражают сущности импульсного режима сушки. Режимы с «прерывистой» циркуляцией сушильного агента – термин указывает на периодическое отсутствие циркуляции без акцента на то, что при этом прекращается передача тепловой энергии материалу. Осциллирующие режимы указывают на изменение состояния сушильного агента по некоторой периодической функции. Термин «импульсная сушка» указывает на передачу энергии материалу тепловыми импульсами, следующими с определенной цикличностью. В [38] предложен расчет режимных параметров импульсной сушки для пиломатериалов. Режимными параметрами на стадии «импульс» являются температура tс сушильного агента и продолжительность τим. На стадии «пауза» режимным параметром является продолжительность τпа. Наиболее опасными для целостности материала являются напряжения растяжения, возникающие в гигроскопической зоне на начальном этапе процесса сушки. По мере просыхания материала эти напряжения снижаются, а на конечном этапе при перемене знака не представляют опасности. Поэтому принято решение определять продолжительность стадии «импульс» по предельно допустимым напряжениям в начальной стадии процесса.