Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии в условиях низкого вакуума. В 3 частях. Ч.3. Методические указания
.pdf
Можно ускорить процесс путём применения более
разреженной укладки, размещения штабелей в соответствии с
господствующим направлением ветра, или принудительной
циркуляцией воздуха с помощью вентиляторов. Ускорение сушки, с
одной стороны, сильно снижает возможность появления химических и
прокладочных окрасок, синевы и гнили, но с другой стороны,
способствует снижению относительной влажности воздуха, что
приводит к увеличению остаточных напряжений. Ускоренная
атмосферная сушка позволяет довести материал до влажности 20–30%
за время, составляющее от 1/2 до 1/4 продолжительности обычной
атмосферной сушки.
Для снижения вероятности заражения древесины грибами и
плесенью в начальный период её необходимо защищать
антисептиками. Сам процесс осуществляется опрыскиванием, то есть
поверхностным нанесением или глубокой пропиткой, путём окунания
досок и пакетов в автоклавах.
Конвективные сушильные камеры
Одним из наиболее широко применяемых сушилок являются
конвективные сушильные камеры, в которых наблюдается омывание
материала потоком нагретого газа. Процесс протекает при
атмосферном давлении. При этом температура в центре материала в
процессе сушки ниже, чем на поверхности, а влажность выше,
поэтому перемещение влаги к поверхности материала обусловлено
градиентом влажности, градиент температуры оказывает тормозящее
действие. Данный принцип подвода тепловой энергии к материалу
используется также в аэродинамических сушильных камерах, где
нагрев воздуха осуществляют путем сильной турбулизации потока
воздуха на лопатках ротора центробежного вентилятора специальной
конструкции. Кроме того, работают единичные экземпляры
сушильных камер, использующих в качестве энергоносителя
древесные отходы. Тепло, полученное при сжигании отходов, через
стенки топки передаётся циркулирующему внутри камеры
сушильному агенту.
Общие недостатки конвективного способа сушки: высокая
продолжительность цикла (5 – 45 дней в зависимости от сортамента
пиломатериала), влекущая большие энергозатраты; сравнительно
низкое качество конечного продукта – из-за наличия микротрещин,
обусловленных применением теплоносителя с высокой температурой.
- 31 -
Кондуктивная сушка
Менее распространенным методом является кондуктивная
сушка, когда тепло высушиваемому материалу передаётся
теплопроводностью от нагретой поверхности. При контактном методе
подвода тепла распределение влагосодержания неравномерно и
несимметрично: в контактном слое у греющей поверхности
влагосодержание на протяжении всего процесса минимально, в
центральных слоях максимально. У открытой поверхности
влагосодержание ниже, чем в центральных слоях, но выше, чем в
контактном слое. Как известно, именно неравномерное распределение
влагосодержания по толщине пиломатериала вызывает образование
трещин и покоробленности, поэтому данные сушилки требуют чёткого
соблюдения технологического режима.
Обычно в качестве нагревательных элементов используются
металлические плиты, нагреваемые паром, водой или электричеством.
В случае использования простой и компактной конструкции
нагревателя довольно трудно обеспечить равномерный нагрев
древесины, а большая трудоёмкость погрузочно – разгрузочных работ
существенно снижает эффективность эксплуатации таких камер.
Для обеспечения качественной сушки пиломатериалов без
использования водяного пара разработаны «импульсные» режимы.
Сущность этих режимов состоит в следующем. Сушка
материала проводится циклами, каждый из которых состоит из двух
стадий. На первой стадии цикла 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 счёт большого градиента влажности. В древесине в
поверхностных зонах развиваются растягивающие напряжения.
На второй стадии прекращается работа систем циркуляции,
теплоснабжения и воздухообмена. Для этого периода характерно
следующее:
– продолжается процесс испарения из древесины влаги, за счёт
тепла, аккумулированного материалом на первой стадии;
– повышается степень насыщенности воздуха за счёт влаги,
поступаемой из материала;
- 32 -
– увеличивается его влажность на поверхности, поскольку
возрастает величина равновесной влажности. Происходит
выравнивание влажности по толщине материала, и уменьшаются
сушильные напряжения, вплоть до полного их исчезновения;
– понижается температура на поверхности материала, что
связанно с затратами энергии на испарения воды;
– появляется положительный градиент температуры,
вызывающий интенсивное движение влаги к поверхности, что
компенсирует некоторое снижение интенсивности процесса при
уменьшении градиента влажности.
Сушка «импульсными» режимами при соответствующем
соотношении продолжительности стадий процесса происходит
практически без развития остаточных деформаций, а следовательно, и
без остаточных напряжений, при малых перепадах влажности по
толщине материала.
Применение «импульсных» режимов для конвективных
сушильных камер позволяет не только отказаться от использования
водяного пара, но и осуществить экономию электроэнергии за счёт
отключения циркуляционных вентиляторов на стадии выдержки
пиломатериалов и существенно упростить систему автоматического
регулирования процесса сушки. Технология сушке 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 отпадает необходимость
проведения конечной и промежуточных влаготеплообработок, а также
кондиционирования.
Вакуумная сушка
В странах с высокоразвитой деревообрабатывающей
промышленностью получила широкое распространение вакуумная
сушка.
Технология вакуумной сушки под давлением была изобретена
в 1964 году. Сегодня в мире работает более 600 сушилок данного типа.
Сушка под вакуумом является одним из способов получения
положительного температурного градиента. Если направить поток
влаги, возникающий под действием термовлагопроводности, в
требуемом направлении, то можно повысить интенсивность процесса
сушки без создания значительных перепадов влажности по толщине
материала. Следовательно, сушка древесины за счёт положительного
- 33 -
градиента температуры получается не только более быстрой, чем
конвективная, но и более качественной. При рабочем давлении в
камере 10–13 кПа температура кипения воды не превышает 45 – 50 °С –
при этом реализуется легкий режим сушки, не повреждающий
органику древесины. Это обеспечивает практически полное
отсутствие микротрещин, то есть высокое качество конечного
продукта, недостижимое в процессе сушки при атмосферном
давлении.
Первые авторские свидетельства по вакуум–импульсной сушке
были получены в начале 70-х годов Уральским научно–
исследовательским и проектным институтом строительных
материалов. К началу 80-х годов конструкция вакуум – импульсного
оборудования сушки оформилась в тот приципиальный конструктив,
который совершенствуется фирмами в настоящее время (камера ресивер - быстродействующие клапаны - вакуумный насос).
Эффективность вакуумно–импульсного способа сушки
заключается в том, что значительный объем влаги из древесины при
сушке не испаряется в виде пара, а выжимается в виде мельчайших
капелек на поверхность пиломатериала, что и позволяет сэкономить
определенное количество электроэнергии и времени, поскольку
очевидно, что отжать гораздо быстрее, чем испарить какой бы то ни
был объем жидкости.
Процесс сушки древесины проводят следующим образом.
Вначале древесину в сушильной камере нагревают до среднеобъемной
температуры, нагрев осуществляют любым известным методом. При
этом коэффициент поверхностного натяжения воды в капиллярах и
межкапиллярном пространстве снижается, кроме того, влаге
сообщают энергию, близкую или равную энергии фазового перехода
при последующем вакуумировании. Повышение среднеобъемной
температуры в указанном интервале значений интенсифицирует
процесс удаления свободной влаги при последующих операциях
вакуумирования.
После предварительного нагрева древесины производят сброс
давления в сушильной камере до остаточного и проводят
вакуумирование (поддержание достигнутого остаточного давления) в
течение определенного времени. При этом реализуются следующие
физические явления. Низкий уровень остаточного давления и высокая
скорость достижения этого давления обеспечивают условия, при
которых влага, находящаяся в капиллярах и межкапиллярном
- 34 -
пространстве, под действием перепада давлений (давление в камере
много ниже давления в капиллярах), вытесняется на поверхность, без
фазового перехода. Этому способствуют и растворенные в воде газы,
которые совершают работу расширения. Являясь более подвижными,
газы первыми приходят в движение, способствуя установлению
упорядоченного струйного течения в капиллярах. По мере вытеснения
воды давление внутри капилляров поддерживается за счет процесса
парообразования внутри капилляров. Все эти факторы и приводят к
быстрому удалению влаги без потери качества пиломатериала.
Для свободной влаги, содержащейся в древесине хвойных
пород, при температуре 90 °С равновесное давление насыщенного
водяного пара составляет 525 мм. рт. ст. При соединении с ресивером,
имеющий объем равный свободному объему сушильной камеры,
давление в ней составит (750 мм рт. ст. + 30 мм рт. ст.)/2 = 390 мм рт. ст.,
то есть меньше равновесного давления насыщенного водяного пара
при заданной температуре.
Свободной и связанной влаги древесины соответствует строго
определенное и только ей присущее равновесное давление
насыщенного пара. При этом для свободной влаги березы –
лиственной породы древесины и сосны – хвойной породы,
равновесное давление насыщенного пара при температуре 90 °С, будет
одинаково – 550 мм рт. ст., так как здесь не играет роль строение
древесины. Величина капилляров древесины очень велика, поэтому
структура и размер капилляров не влияет на равновесное давление
насыщенного пара свободной влаги и время диффузии жидкости к
поверхности. Выдержка древесины после импульса под вакуумом не
зависит от породы древесины, а определяется её толщиной, так для
пиломатериала сосны толщиной 50 мм она составляет 15 мин. Это
время диффузии, которое необходимо для выравнивания влажности и
давления пара в объеме древесины и камеры при ее вакуумировании.
Однако, при импульсном воздействии, то есть соединении камеры с
ресивером, в камере должно создаваться давление ниже равновесного,
для того чтобы влага, находящаяся в древесине, за счет избыточного,
образовавшегося в ней давления пара, выдавливалась в свободный
объем камеры в виде высокодисперсной фазы – тумана и улавливалась
в ресиверах. Именно это действие приводит к снижению энергозатрат
на удаление влаги из древесины до уровня ниже теоретических. В
реальных условиях сушки сосны, суммарно, все энергозатраты
составляют 1476 кДж/кг Н2О, вместо теоретических только на
- 35 -
удаление влаги 2268 кДж/кг Н2О. При сушке древесины энергия
расходуется на нагрев влажной древесины до температуры сушки и
испарение влаги (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Затрата энергии при сушке древесины
Отжатую из пиломатериала влагу можно собирать, а она в
свою очередь может быть использована по целому ряду направлений
таких как: косметология, медицина и пищевая промышленность,
производство удобрений и скипидара.
Перспективными остаются вакуумно‒диэлектрические
сушильные камеры, основанные на нагревании высушиваемого
материала, обладающего диэлектрическими свойствами, в
электрическом поле высокой частоты. Тем самым должен
осуществляться равномерный по толщине прогрев материала. Однако
при сушке толстых пиломатериалов (толщиной более 60 мм) и
пиломатериалов из древесины твёрдых пород (дуб, лиственница и др.)
кипение воды проходит не по всему объёму материала, а только в
поверхностных слоях. В центральных зонах кипения не происходит, а
вода движется к границе фазового превращения за счёт градиента
температуры. При таком механизме процесса непрерывный подвод
высокочастотной энергии материалу приводит к большим перепадам
влажности по толщине материала и сушильным напряжениям,
- 36 -
которые вызывают растрескивание древесины. Кроме этого, большой
расход электроэнергии и высокая стоимость оборудования
сдерживают широкое распространение вакуумно–диэлектрических
сушилок.
По результатам исследований высокое качество сушки
обеспечивают вакуумно–конвективные сушильные камеры.
В основу технологии заложен принцип «импульсных»
режимов. Процесс сушки складывается из последовательно
чередующихся стадий нагрева древесины и её вакуумирования. На
стадии нагрева материал обдувается горячим воздухом при
атмосферном давлении. В этот период температура древесины
повышается, что сопровождается испарением влаги с её поверхности.
Влажность несколько снижается. Движение влаги внутри материала
проходит под действием градиента влажности. Древесину нагревают
до определённой температуры, после чего начинается стадия
вакуумирования, которая характеризуется интенсивным испарением
влаги с поверхности материала. Температура поверхности снижается.
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 неё среду практически
чистого насыщенного или перегретого пара. В результате этого, влага
удаляется при достаточно высокой влажности поверхности и,
следовательно, малом её перепаде по толщине материала, это
позволяет избежать значительных сушильных напряжений и больших
остаточных информаций.
В период выдержки досок в вакууме при удалении свободной
влаги её 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 конвективно–вакуумной
сушки. Вакуумирование прекращается после падения температуры в
центре материала ниже температуры кипения воды при данной
глубине вакуума. Число стадий «прогрев–вакуум» зависит от
требуемой конечной влажности высушиваемых досок.
Таким образом, наиболее перспективной в области сушки
древесины в настоящее время является вакуумная технология,
позволяющая за максимально короткие сроки получать высушенную
- 37 -
древесину отличного качества. Однако данные установки по сей день
остаются дорогими и требуют точной технико-экономической оценки
для каждого отдельного предприятия.
Сушка пиломатериалов с СВЧ–нагревом
В настоящее время налажен выпуск вакуумных камер для
сушки пиломатериалов с использованием такого способа подвода
тепла к древесине, как СВЧ–нагрев.
СВЧ–нагрев осуществляется СВЧ–полем, создаваемым в
объёме штабеля соответствующими генераторами.
Процесс подразделяется на четыре этапа.
Первый этап – разогрев с отпариванием. При СВЧ–сушке
связан с нагревом заложенного объёма пиломатериалов и
находящегося в них объёма воды до температуры 55 ‒ 60°С, при
которой начинается сушка. Одновременно с этим при отключенной
вентиляции вытяжки идёт увеличение влажности воздуха в сушильной
камере до 100% и более. Это обеспечивает отпаривание древесины.
Последнее необходимо для снятия имевшихся в древесине
напряжений и улучшения влагопроводности поверхностных слоёв
пиломатериалов. Для рекомендуемых объёмов закладки и
располагаемой энергетики СВЧ‒печи длительность первого этапа
составляет 6 ‒ 8 ч. Характерными признаками конца первого этапа
являются накопление в сушильной камере воды в виде капель на
стенках и даже небольших луж.
Второй этап ‒ собственно сушка с выпариванием основной
влаги; является логическим продолжением первого этапа. Сущность
этого этапа ‒ удаление интенсивно выделяющейся влаги из
пиломатериалов при их дальнейшем нагреве. Величина подъёма
температуры при этом может составлять всего 5 ‒ 10°С, т. е. 60 ‒ 70°С
в конечном итоге. Для удаления большого количества выделившейся
влаги из камеры вентилятор работает в усиленном режиме. Далее, с
выпариванием основного объёма влаги из слоистых структур
древесины начинаются процессы выпаривания влаги из клеточных
структур (обычно это наступает при влажности древесины 24 ‒ 30%).
Интенсивность выхода влаги при этом существенно замедляется.
Подаваемая к пиломатериалам энергия начинает всё больше тратиться
на их нагрев, что приводит к возрастанию температуры до значения,
заданного оператором. Усиленный режим работы вентилятора в этих
условиях может привести к снижению влажности до низких уровней
- 38 -
порядка 25 ‒ 30%, что затрудняет выход влаги с поверхности. Таким
н
U
к
U
образом, нарастание температуры пиломатериалов до заданной
величины может служить критерием для перехода к третьему этапу
(для задания нового значения температуры и режима работы
вентилятора вытяжки).
Третий этап ‒ досушка пиломатериалов до нижнего
(заданного) порога влажности. Он характеризуется сушкой в жёстких
режимах, прежде всего температурных. Целью введения таких
режимов является эффективное и быстрое удаление клеточной влаги.
Для поддержания хорошей влагопроводности поверхностных слоёв
древесины уровень влажности в сушильной камере должен быть вновь
высокий, порядка 70%. С этой целью вентилятор вытяжки переводится
в нормальный режим работы, а температура сушки поднимается на 5 ‒
10°С.
Общая средняя продолжительность нахождения
пиломатериалов в СВЧ ‒ 20 ‒ 24 ч при
= 48 ‒ 55%,
= 6 ‒ 8%.
Для твёрдолиственных пород ‒ дуб, бук, ясень ‒ показатели иные.
Сушка сосновых пиломатериалов. Сосна в силу своего
строения (слоистая структура с длинными продольными волокнами и
капиллярами) и химического состава (наличие в древесине скипидара)
имеет хорошую влаго‒ и газопроводность. По этим причинам сосна
может выдерживать высокие температуры до 100 ‒ 120°С без внешних
и внутренних физических повреждений. Согласно экспериментальным
данным, значение температуры сушки сосновых пиломатериалов всех
сортиментов составляет 100°С. Из-за малой плотности древесины и
большой её влагоотдачи, длительности первого и второго этапов в
сушке увеличиваются. Длительность первого этапа составляет 7‒8 ч,
второго ‒ до 80% всего времени сушки. Переход от второго этапа к
третьему (переключение режима вентиляции вытяжки) производится
при достижении температуры пиломатериалов 90°С.
Сушка буковых материалов. Бук относится к трудносохнущим
видам пород древесины. При естественной сушке на воздухе бук
быстро, в течение 1‒2 суток, портится (синеет, поражается грибком), а
также приобретает сильные напряжения (пиломатериалы закручивает
в разных направлениях, появляются многочисленные трещины,
наибольшие ‒ по сердцевинной трубке). Исходя из вышеизложенного,
качество СВЧ–сушки буковых пиломатериалов в сильной степени
зависит от их начального качества и состояния.
- 39 -
Для исключения указанных недостатков распиловку бука
необходимо проводить непосредственно перед сушкой, а сам бук
держать в водяных ваннах.
Несмотря на высокую плотность древесины по сравнению с
другими породами, бук хорошо сохнет в СВЧ-печи из-за наличия
длинных продольных волокон и капилляров. Буковые пиломатериалы
при СВЧ-сушке сушатся в мягких режимах с температурой не более
90°С. Посиневшие участки древесины на начальном этапе заражения
грибком при СВЧ-сушке восстанавливают свой первоначальный цвет.
При этом грибковые колонии погибают, а древесина стерилизуется.
Переход от второго этапа сушки к третьему производится при
достижении пиломатериалами температуры 80°С.
Сушка ясеневых и дубовых пиломатериалов. Дуб, ясень в силу
своего строения (наличия множественных коротких переплетённых
волокон по типу войлока) являются наиболее трудносохнущими
породами древесины и обладают низкой влаго‒ и газопроводностью.
При СВЧ‒сушке требуют применения мягких режимов: 70 ‒ 75°С при
сушке пиломатериалов с влажностью 80 ‒ 30 % и 80 ‒ 85°С при сушке
пиломатериалов с влажностью 30% и менее. В силу малой влагоотдачи
и высокой плотности древесины динамика нагрева данных
пиломатериалов в СВЧ‒печах быстрее, чем у других пород.
Влажность воздуха в сушильной камере необходимо держать на
уровне 60 ‒ 80%. На третьем этапе досушка пиломатериалов с 30 до 8
‒ 6% конечной влажности, особенно для сортиментов 40‒60 мм,
проходит очень медленно. Причиной этому является обсыхание
поверхностного слоя пиломатериалов на глубину 10‒15 мм (длину
волокон) и блокирование влаги внутри. Для ускорения сушки в этих
случаях применяют принудительное отпаривание (влагообработку) и
подъём температуры сушки до 85 ‒ 90°С при влажности от 16% и
ниже. Принудительное отпаривание проводят путём увлажнения
(орошения) поверхности разогретых пиломатериалов водой из
разбрызгивателя из расчёта 7‒10 л воды на 1 м3 пиломатериалов и
зачехлением штабеля полиэтиленовой пленкой; сушка в таком
состоянии длится 30‒40 мин. Затем полиэтиленовый чехол удаляется,
и сушка продолжается в обычном порядке.
Сушка пиломатериалов из ольхи. По своему строению и
физическим свойствам ольха близка к сосне. Технологии сушки
данных пород подобны. Различие состоит в использовании более
мягкого температурного режима: температура сушки составляет 90°С.
- 40 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]