Энергосберегающая технология осциллирующей сушки-пропитки крупномерных пиломатериалов в жидкостях

Древесина является самым распространенным материалом органического происхождения, обладающим рядом ценных физико-механических и технологических свойств, и широко применяется в промышленности, в строительстве и для бытовых нужд. Однако вследствие ограниченности прироста и все возрастающей потребности древесина становится все более дефицитным и дорогим материалом. В связи с этим возникает необходимость в более экономичном и эффективном ее использовании.

При этом одной из широко применяемых и ответственных операций является сушка древесины, определяющая как экономические показатели производства, так и качественные характеристики продукта. При этом сушка древесины была и остается одним из самых энергоемких процессов деревообрабатывающей промышленности. Наряду с сушкой становится актуальной и защита древесины: придание долговечности конструкциям без потери при этом своих первоначальных физико-механических свойств.

Актуальность темы

.

В современных условиях при наблюдаемой тенденции роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственно-хозяйственной деятельности предприятий. В настоящее время доля энергетических затрат в структуре себестоимости продукции деревообрабатывающих предприятий достигает значительных величин (20 — 30%), что говорит о высокой энергоемкости производства. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий является одним из важных направлений повышения эффективности производства и умелого ведения технологических процессов в рыночных условиях хозяйствования предприятий. Затрагивая вопрос энергосбережения на деревообрабатывающих предприятиях нельзя обойти стороной самый энергоемкий процесс данной отрасли — сушку древесины, затраты на которую составляют до 30% от стоимости сухих пиломатериалов.

С учетом принятия национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» значение рынка малоэтажного строительства в России значительно возросло. Его объемы устойчиво составляют более 30 процентов ежегодно вводимого нового жилфонда страны. При этом древесина была и остается традиционно приоритетным материалом для индивидуального жилищного строительства. Сегодня доля деревянных конструкций (стены, перекрытия, элементы крыши и др.), изделий (окна, двери, щиты полов и перегородок), деталей (обшивка, плинтусы, наличники и т. п.) в общей стоимости стройматериалов для частного дома составляет от 50 (при кирпичных стенах) до 90 процентов (в деревянных домах). Поэтому все малоэтажное жилищное строительство часто называют деревянным домостроением, даже если стены здания возведены из кирпича или блоков. К известным преимуществам именно деревянного дома следует добавить лишь один главный факт: его строительство почти на треть дешевле, чем строительство кирпичного дома.

В последнее время строительство деревянных домов в основном осуществляют из оцилиндрованного бревна. При использовании в качестве строительного материала клееного бруса строительство обходится в 2 ртза дороже, чем при использовании оцилиндрованных бревен.

Однако традиционная технология строительства домов из оцилиндрованного бревна имеет недостатки, к числу которых можно отнести использование атмосферной сушки бревен на открытых площадях, продолжительность которой многократно увеличивает сроки строительства. Отказ от использования конвективно-тепловых способов сушки объясняется существенным снижением качества. В то же время традиционное ведение процесса не только не позволяет избежать продольных трещин, но зачастую приводит к образованию синевы в процессе атмосферной сушки. Также данная технология требует наличия значительных площадей для сушки бревен. Учитывая качество, не надо забывать и о низкой биостойкости и огнестойкости высушенных бревен, что значительно сокращает их срок службы и увеличивает риск возникновения пожаров в домах построенных данным способом. В то же время известна технология сушки массивной древесины в гидрофильных жидкостях, в качестве которых могут выступать антисептические и антини-ренные растворы различных солей, что позволяет проводить одновременную сушку-пропитку. Однако данная технология не нашла широкого использования, вследствие достаточно высокой продолжительности процесса.

Кроме домостроения, совмещенную сушку-пропитку широко применяют и в других отраслях промышленности. В настоящее время в России действуют около 10 шпалопропиточных заводов, все они входят в структуру МПС и расположены преимущественно в европейской части страны. При самом скромном техническом оснащении процесса пропитки данные предприятия занимают огромные территории, вследствие использования в технологической цепи естественной атмосферной сушки шпал-заготовок. Размещение таких крупных шпалопропиточных заводов в отдаленности от мест использования заводов приводит к удорожанию готового продукта и ухудшению экологической ситуации в регионе. Кроме того, возникает ряд сложностей в обеспечении заводов сырьем и материалами. Поэтому располагать такие заводы целесообразно в непосредственной близости к производству шпал.

В тоже время известна технология сушки древесины, при которой сушильным агентом является пропитывающий состав, над поверхностью которого в процессе сушки создается разрежение. Однако данный способ сушки древесины в жидкостях до сих пор остается недостаточно востребованным, вследствие высокой энергоемкости процесса, отсутствия должного технического обеспечения и рациональных технологических режимов ведения процесса. Кроме того, в качестве недостатка существующей технологии отмечается низкое качество сушки, обусловленное значительным перепадом влажности по толщине и действием высоких температур, поскольку основным видом влагопереноса в материале является молярное перемещение пара под действием градиента избыточного давления.

Цель работы состоит в разработке и исследовании энергосберегающей технологии осциллирующей сушки древесины в жидкостях, а также методов расчета и аппаратурного оформления процессов сушки-пропитки с учетом физических свойств высушиваемого материала, позволяющих получить высокое качество сушки древесины при низких энергозатратах.

В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

• разработка технологии осциллирующей сушки древесины в гидрофильных жидкостях;

• разработка математической модели исследуемых процессов;

• разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов;

• разработка алгоритма расчета и моделирование процессов, с целью выявления рациональных режимов удаления влаги и глубины пропитки в зависимости от сортамента высушиваемой древесины;

• промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна. Исследованы закономерности осциллирующей сушки крупномерной массивной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостях:

•разработана новая технология осциллирующей сушки крупномерной древесины в гидрофильных жидкостях, позволяющая интенсифицировать данный процесс по сравнению с известным ранее способомвыявлены отечественные породы древесины, для которых возможно применение данной технологии в рамках деревянного малоэтажного домостроения;

Л «усовершенствована технология классической сушки-пропитки древесины в гидрофобных жидкостях в направлении повышения качества сушки: при переходе на следующую ступень процесса предлагается производить слив сушильного агента и выдержку материала под вакуумом, что при незначительном увеличении продолжительности процесса позволяет повысить равномерность сушки по сечению материала и увеличить глубину пропитки;

•создано математическое описание технологических процессов, протекающих при осциллирующей сушке массивной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостях;

•по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований установлена целесообразность ведения процесса сушки крупномерной древесины по комбинированной схеме: при влажности материала выше предела гигроскопичности — проводить процесс осциллирующей сушки материала в гидрофильной жидкостипри снижении влажности материала ниже предела гигроскопичности — проводить вакуумно-кондуктивную сушку с периодическим подводом тепловой энергии, что способствует ускорению процесса и более равномерному распределению влаги в толще материала и позволяет значительно снизить энергозатраты на процесс сушки.

Практическая ценность. В результате комплексного исследования технологических процессов сушки-пропитки массивной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостях: разработаны новые конструкции сушильного оборудования, а также конструктивные рекомендации, направленные на управление процессом пропитки, новизна конструкций подтверждена патентомразработан энергосберегающий комплекс для осциллирующей сушки крупномерной древесины в жидкостях с возможностью вакуумно-кондуктивной досушки материаласнижение энергозатрат на ведение процесса до 60% обеспечивается нагревом теплоносителя за счет тепловой энергии испаренной из материала влагиразработана инженерная методика расчета установки осциллирующей сушки крупномерной древесины в гидрофильных жидкостяхразработаны рациональные технологические режимы ведения осцили-рующей сушки в гидрофильных жидкостях и совмещенной сушки-пропитки крупномерной древесиныразработаны рекомендации по выбору наиболее рациональной технологии сушки в зависимости от целей предприятия и сортамента высушиваемой древесины- «разработаны экспериментальные установки и методики исследований, позволяющие определить недостающие для моделирования характеристики.

Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета, конструкторской документации, паспортов и инструкций по эксплуатации.

Внедрение пилотной установки для совмещенной сушки-пропитки деревянных шпал на ООО «Сабинский полидрев» показало актуальность создания предприятий малых форм собственности по производству пропитанных шпал, поскольку технико-экономический анализ выявил, высокую рентабельность подобного производства.

Разработанные экспериментальные установки, методики исследований и программные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курса «Гидротермическая обработка и консервирование древесины».

Основные положения, выносимые на защиту. Решение задачи, состоящей в создании ресурсои энергосберегающих технологий и аппаратурного оформления процессов совмещенной сушки-пропитки массивной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостях на основе режимных параметров и конструктивных характеристик, полученных в результате экспериментальных и теоретических исследований, а именно: математическое описание технологических процессов, протекающих при осциллирующей сушке массивной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостяхрезультаты математического моделирования и экспериментальных исследований вышеуказанных процессовспособы и конструкции установок осциллирующей сушки в жидкостях- ¦результаты исследования эффективности выполненных разработок. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международных конференциях «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) (Москва, 2008), «ММТТ-20» (Ярославль, 2007), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2008) — на российских конференциях «Национальная конференция по теплоэнергетике НКТЭ-2006» (Казань, 2006), «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2007) и др.- на конференциях регионального уровня и научных сессиях по технологическим процессам Казанского государственного технологического университета (Казань, 2006;08).

Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены лабораторные установкивыполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемом издании и два положительных решения на выдачу патента.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

122 Вывод.

В результате проведенных в предыдущих главах исследований сушки крупномерной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостях была усовершенствована технология сушки. Реализованный механизм удаления влаги из древесины позволил избежать образования поверхностных трещин и значительно сократить сроки сушки. Разработана инженерная методика расчета установки осциллирующей сушки крупномерной древесины в гидрофильных жидкостях, в результате чего была рассчитана массовая и объемная производительность компрессоров, удельная работа и холодильный коэффициент полного цикла сушки.

Разработанная экспериментальная установка и проведенная серия опытов показали возможность использования предложенного метода сушки крупномерной древесины в промышленных условиях, поэтому на базе этих исследований и патентного поиска были разработаны пилотные установки для сушки оцилиндрованных бревен, а также сушки-пропитки деревянных шпал и соответствующие режимы процессов. В ходе опытно-промышленных испытаний и технико-экономического анализа была выявлена высокая рентабельность процесса сушки крупномерной древесины в жидкостях.

В связи с чем, на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований была разработана инженерная методика расчета аппарата осциллирующей сушки древесины в жидкостях. По созданной методике был спроектирован сушильный аппарат, принятый к внедрению на ООО «Сабинский полидрев». Предложенная камера позволяет производить досушку материала вакуумно-кондуктивным способом. Проведенный технико-экономический анализ подтвердил эффективность созданного аппарата. Срок окупаемости данного аппарата составит менее 2,6 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В последние годы, с постоянным ростом тарифов на энергоносители актуальным становится вопрос энергосбережения в производственно-хозяйственной деятельности предприятия. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий является одной из важнейших задач повышения эффективности производства. При этом известно, что одной из самых энергоемких процессов в деревообрабатывающей промышленности является сушка древесины, затраты на которую достигают 30% от себестоимости сухих пиломатериалов.

Промышленная сушка древесины относится к отраслям индустрии, технологические процессы которых практически не вызывают загрязнения окружающей среды. Тем не менее, роль процессов сушки в вопросах охраны природы достаточно велика. Некачественная сушка и защита древесины приводят к резкому сокращению сроков службы деревянных конструкций и изделий, значительным потерям материала при его транспортировании, а в конечном итоге к громадному перерасходу древесины, поскольку для покрытия этого перерасхода необходимо дополнительно вырубать леса на определенных площадях. Известно, что для получения 1 млн. м3 пиломатериалов необходимо вырубать около 20 тыс.га. леса, поэтому современная качественная сушка в достаточных объемах способствует сохранению лесных запасов, и является одной из мер по реализации требований закона об охране природы.

Как показал анализ литературных источников, наиболее распространенным в области сушки крупномерной древесины является конвективный метод. Однако большая продолжительность процесса и, как следствие, высокие энергозатраты при сушке крупномерной древесины затрудняют промышленное использование данных технологий. В тоже время известна технология сушки древесины, при которой сушильным агентом является пропитывающий состав, над поверхностью которого в процессе сушки создается разрежение. Данный способ сушки древесины в жидкостях до сих пор остается недостаточно востребованным, вследствие отсутствия должного технического обеспечения и рациональных технологических режимов ведения процесса. Кроме того, в качестве недостатка существующей технологии отмечается низкое качество сушки, обусловленное значительным перепадом влажности по толщине и действием высоких температур, поскольку основным видом влагопереноса в материале является молярное перемещение пара под действием градиента избыточного давления. В связи с этим, следует считать актуальной задачу исследования осциллирующей сушки крупномерной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостях.

В данной работе предложена новая технология осциллирующей сушки древесины в жидкостях, получена математическая модель процесса, моделированием на ЭВМ исследовано влияние режимных параметров процесса на кинетику сушки. В качестве агентов сушки были предложены гидрофильные и гидрофобные жидкости. Анализ результатов моделирования показал, что величина влагосъема прямо пропорциональна диаметру бревен, а также зависит от разности температур на стадиях нагрева и вакуумирования. Осциллирующая сушка в гидрофильных жидкостях целесообразна при сушке бревен умереннои труднопропитываемых пород древесины диаметром более 180 мм. Кроме того, было выявлено, что при осциллирующем режиме ведения процесса сушки в гидрофобной жидкости, скорость процесса ниже, чем при постоянной выдержке материала в гидрофобной жидкости. Однако анализ высушенных образцов показал, что осциллирование позволяет снизить перепад влажности по сечению материала. Поэтому сушку в гидрофобной жидкости целесообразно проводить по классической технологии, а при переходе на следующую ступень процесса производить слив жидкости и выдержку материала под вакуумом.

Кроме того установлено, что величина влагосъема за один цикл «прогрев-вакуумирование» в случае сушки в гидрофильной жидкости увеличивается с увеличением концентрации раствора соли, что объясняемся снижением парциального давления водяных паров на стадии вакуумирования за счет кристаллов соли, образовавшихся на поверхности материала. Кроме того, при высокой текущей влажности древесины удаление влаги наблюдается не только в процессе вакуумирования, но и на стадии нагрева материала в гидрофильной жидкости.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать вывод о целесообразности использования сушки крупномерной древесины в гидрофильных и гидрофобных жидкостях. Была создана методика расчета аппаратурного оформления исследуемого способа сушки, по которой была спроектирована промышленная установка и принята к внедрению на ООО «Сабинский полидрев».

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Т — температура, К;

Р — давление, Паш — масса, кг;

V — объем, м3- р — плотность, кг/м3- и — влагосодержание материала, кг/кг- - молекулярная масса, кг/кмольс — удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) — г — скрытая теплота парообразования, Дж/кге — критерий парообразования;

Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К) — А, В — коэффициенты в уравнении Антуана-^{-коэффициенттеплопроводности,} Дж/(м-сК) — о а? — коэффициент температуропроводности, м /сл ат — коэффициент массопроводности, м /с 5 — относительный термоградиентный коэффициент, 1/Кл, а — коэффициент теплоотдачи, Дж/(м с-К) — Р — коэффициент массотдачи, м/сК — коэффициент теплопередачи, Дж//(мс-К) — т — текущее время, с х — координата, м Я — радиус материала, м Б — площадь поверхности пиломатериалов, м2 ] - поток массы, кг/(мс);

ДЕТ — изменение интегрального влагосодержания материала, кг/кгъ — количество пиломатериалов в аппарате, шт.- Г — полная поверхность тепломассобмена материала, м2- С) — объемная производительность, м/с;

8КОн — поверхность теплообмена конденсатора,.

N — мощность, Вт;

Ыа — число Авогадро (6,023−10″ 23) — г0 — радиус диффундирующих молекул, м;

Ррез— суммарная архимедова сила, Нg — ускорение свободного падения, м/с — рж — плотность жидкости, кг/м3.

128 Индексы вн. — вакуум насоскал. — калорифератм. — атмосферноен — начальныйк. — конечныйпр. — прогреврав. — равновесноеж. — жидкостьнас. — насыщенныйд.в. — древесинное веществог. — газ в свободном объеме камерып. — пар в свободном объеме камерысм. — парогазовая смесьм. — материал.