nestormedia.com nestorexpo.com nestormarket.com nestorclub.com
на главнуюновостио проекте, реклама

Сушка древесины
состояние, проблемы, перспективы, часть 1 из 3


Сушка древесины
В настоящей аналитической работе представлены обзор и критика состояния сушильного хозяйства как в РБ, так и в мире в целом, а также приведены концептуальные контуры собственной разработки. Почему концептуальные контуры, а не хотя бы схемы? Дело в том, что разработка, о которой идет речь, обладает мировой новизной, и соответствующая заявка на изобретение находится на рассмотрении в Патентном ведомстве РБ (предполагается и зарубежное патентование).

Автором и его коллегами (все они являются специалистами гомельского НПКП "Вингида") было обследовано много деревоперерабатывающих предприятий в России и РБ, в частности, в Гомеле и Гомельской области (завод стройдеталей, фабрика "Прогресс", "Гомельдрев", "ВРЗ", СПМК-148, Речицкий гидролизный завод, "Речицадрев"). Эти обследования были дополнены беседами с представителями зарубежных фирм, изучением научно-технической и патентной информации в области сушки древесины.

Из-за некачественной сушки древесины как исходного сырья невозможно добиться высокого качества, долговечности и надежности готовых изделий. Трансформация размеров деревянных конструкций наблюдается почти всегда, идет ли речь о возведении каркасов зданий, обшивке стен вагонкой, изготовлении столярных изделий или архитектурного погонажа. (Не является исключением и мебельное производство.) Окна либо не закрываются, либо характеризуются наличием щелей, перекосов, короблением, необходимостью уплотнения.

Конструктор, проектируя изделие, грамотно определяет размеры и поля допуска всех деталей. Задача технологической службы состоит в получении требуемых размеров и обеспечении их неизменности во времени. Достигается это путем высококачественной сушки древесины.

Рассмотрим частный случай влияния некачественной сушки пиломатериала на эксплуатацию собранного изделия, на его надежность и долговечность. На рис. 1 приведено сопряжение двух деталей между собой с помощью третьей. Влажность различных частей высушенной до конечной средней влажности 10% детали Б может отличаться от этого среднего значения на 6% в обе стороны. Обработанная до необходимых размеров деталь Б сопрягается с деталями А и В и покрывается лакокрасочными составами. В процессе эксплуатации изделия влажность его обязательно придет в равновесное состояние, то есть усреднится по всему объему и будет равной 10%. При этом состояние стыка деталей А и Б станет напряженным, и растягивающие напряжения будут стремиться разорвать этот стык. Стык Б и В, наоборот, усохнет, и даже клеевое соединение не помешает ему стать чересчур свободным. При этом произойдет растрескивание лакокрасочного пароизоляционного покрытия и деталь Б будет более интенсивно поглощать влагу и из окружающей среды. Если же детали изделия не досушены до требуемой эксплуатационной влажности, то влага из деталей постепенно уходит в процессе эксплуатации изделия, сопряжения деталей рассыхаются, изделие же приходит в негодность.

Обратимся к такому термину, как износ. Это изменение размеров, формы, массы технического объекта или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации, вызванной постоянно действующими нагрузками либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении. Характерен износ и для деревянных изделий. Назовем его статическим или доэксплутационным износом. Когда сопряжения деревянных изделий из неподвижных становятся подвижными (рассыхаются), то часто полагают, что, мол, клей оказался плох. Такая трактовка крайне некорректна — это типичный биографический брак, вызванный некачественной сушкой древесины.

Есть необходимость во введении помимо термина "разброс влажности древесины по длине штабеля" (который нужно понимать, как показано на рисунке 1, но не для детали, а целой доски длиной 4-6 м) термина "пятнистая влажность". Его нужно понимать так, как показано на рисунке 2.

Такое состояние 'пятнистой влажности" образуется при обеспечении принудительной циркуляции сушильного агента поперек штабеля осевыми вентиляторами. Осевой вентилятор — это тот же оконный вентилятор. Он хорош по производительности и негож при преодолении значительных аэродинамических сопротивлений при необходимости поперечного продува широкого штабеля, даже если количество осевых вентиляторов, обдувающих штабель длиной 6 м, достигает 4 и более. Разная скорость движения сушильного агента в пределах одного междурядного расстояния между прокладками, а, следовательно, и скорость сушки, и конечная влажность древесины избирательны. На рис. 2 и 9 показано состояние древесины по влажности, которая пропорционально зависит от скорости движения сушильного агента. Заштрихованные места на приведенной на рис. 9 эпюре — это зоны повышенного влагосодержания древесины, светлые же пятна соответствуют состоянию ее пересушки.

(Следует отметить, что на ряде деревообрабатывающих предприятий даже сортируют заготовки по влажности их древесины. Бесперспективная и дорогая технология, воистину мартышкин труд — все равно брака не избежать!)

Вот цели, во имя достижения которых необходимо сушить (и грамотно сушить) древесину: повышение прочности и сохранение привлекательного внешнего вида древесины; стабилизация размеров и форм деталей; облегчение механической обработки древесины, а также повышение качества ее поверхности при обработке.

Древесине свойственно неизбежно приобретать так называемую равновесную влажность, к которой она стремится при длительном соприкосновении с окружающим воздухом. Этим вызвана необходимость выбирать конечную влажность сушки древесины в зависимости от функционального ее назначения (для мебели, внутренних дверей и внутренней обшивки — в пределах 7-9%, для окон и наружных дверей — в пределах 10-12%, для строганых пиломатериалов или архитектурного погонажа — в пределах 17%).

Влажность так называемой воздушно-сухой древесины или древесины транспортной влажности должна находиться в пределах 20—24%.

О сушилках и качестве сушки

Принятая современная классификация сушильных камер включает различные способы сушки, базирующиеся на особенностях теплообмена высушиваемого материала со средой. По этому признаку различают такие виды сушки, как конвективную, кондуктивную, радиационную, диэлектрическую и конденсационную.

Такая классификация, базирующаяся на доминирующих особенностях теплообмена, весьма некорректна, так как конвективный теплообмен присутствует практически всегда во всех вышеперечисленных видах сушки. Это скорее классификация по характеру нагрева материала и (или) сушильного агента.

Мы предпримем попытку классифицировать сушильные камеры по термодинамическому принципу, их техническим возможностям и экономическим показателям, которые нужны практике.

Разрабатывая сушилкуАнМих,мы поставили перед собой задачу крайне трудную и на первый взгляд очевидно, невыполнимую, так как наша сушилка должна превосходить все существующие мировые аналоги по таким совокупным показателям, как качество высушенной древесины и экологическая чистота процесса и его безвредность для окружающей среды. Как можно более низкими должны были быть себестоимость сушки 1 м3древесины и капитальные затраты при изготовлении и строительстве сушильных камер (либо реконструкции существующих камер, если они подлежат реконструкции).

Из широко применяемых в деревоперерабатывающей промышленности сушильных камер по результатам научно-исследовательских работ, технической информации и поставленной цели нашей разработки, мы выбрали для общего сравнительного анализа конвективные, вакуумные и конденсационные сушилки.

Все способы, связанные с применением СВЧ и ТВЧ, а также кондуктивные отличаются технической новизной и экзотикой, однако мирового промышленного применения не получили из-за сложности оборудования, дороговизны и весьма низкого качества высушенной древесины.

Конвективный способ сушки применяется в промышленности наиболее широко. Он предполагает нагрев высушиваемого материала посредством сушильного агента с использованием тепловой энергии пара, горячей воды либо выделяющейся при сжигании топлива.

Рассмотрим конвекционную сушилку с конечных позиций качества высушенной древесины. По данным А. М. Попова, С. В. Сергеева, В. В. Сергеева и Ю. И. Тракало ("Опыт эксплуатации камер с теплоэлектронагревателями для сушки пиломатериалов"), влажность высушенного пиломатериала толщиной 40 мм составляет от 12 до 40%. Перепад влажности в сушилках достигает по толщине досок 4-5%, а по штабелю — плюс-минус 6,5%. Удельный расход электроэнергии на сушку условного пиломатериала составил 470 кВтч/м3(см. табл. 2). Для дальнейшего сравнительного анализа принимаем усредненное значение — 400 кВтч/м3.

Опустим информацию обо всех конструктивных элементах, обеспечивающих нагрев сушильного агента, его естественную или принудительную циркуляцию, а также автоматизацию и управление, хотя это и важные аспекты качества сушки. Будем рассматривать сушильную камеру как термодинамическую систему. При нагревании высушиваемого материала влага из него мигрирует в сушильный агент, а когда состояние насыщения влагой сушильного агента достигает предела относительной влажности, процесс сушки прекращается, так как тепловлажностное состояние поверхности высушиваемого материала и окружающей его среды — сушильного агента — термодинамически уравновешиваются, и процесс переноса влаги из древесины в сушильный агент прекращается, если температура сушки ниже 100°С.

Для обеспечения дальнейшего процесса сушки древесины необходимо добавлять в сушильный объем воздух из окружающей среды. Для этой цели конструктивно предусмотрены отверстия 1 и 2 (рис. 3), через которые производится организованная продувка сушильного объема и, возможно, частично штабеля воздухом окружающей среды. (Возможна принудительная подача воздуха вентилятором).

Здесь мы вступаем в теплотехническое и конструктивное противоречие. Основной принцип хорошей теплоизоляции ограждения камеры (стены, пол, потолок) — это ее непрерывность При расчете с целью снижения теплопотерь (энергоемкости сушки) мы должны выполнять ограждение тепло- и пароизолированным. Тем не менее выполнение приточных отверстий 1 и вытяжных отверстий 2 (рис. 3) необходимо, иначе не будет никакой сушки.

Рассмотрим, например, такую штатную ситуацию: температура в сушильном объеме равняется 70°С, относительная влажность — 100% и влагосодержание — 285 граммов на килограмм сухого веса. Процесс сушки прекратился. Не будем принимать во внимание такие факторы, как конденсация влаги на внутренних поверхностях ограждения и инфильтрация через неплотности, которые оказывают мизерное влияние на изменение тепловлажностного состояния сушильного агента при установившемся режиме сушки. Автоматически или оператором открываются жалюзи входных 1 и выходных 2 вентиляционных каналов (рис. 3). Воздух окружающей среды, температура которого равна 20°С, относительная влажность — 60% и влагосодержание — 12 граммов на килограмм сухого веса, за счет разности плотностей сред сушильного объема и наружного воздуха (или будучи понуждаем вентилятором) поступает в сушильный объем. При этом он снижает относительную влажность сушильного агента. Однако поскольку с целью снижения теплопотерь вентиляционные продувочные каналы 1 и 2 выполняются оптимально малых размеров, движение наружного воздуха в сушильном объеме обязательно происходит по определенным траекториям (или тропам) доминирующего движения — до полного равновесного его смешивания с сушильным агентом при движении от нижнего канала 1 к верхнему каналу 2. А это спонтанное, избирательное воздействие на определенные тропами избирательные места пиломатериала. В чем. оно выражено? Во-первых, температура наружного воздуха (особенно в зимний период) значительно ниже точки росы, следовательно, на поверхностях древесины выпадает конденсат — капельная жидкость, которая абсорбируется древесиной. При этом происходит избирательное разбухание древесины, а при высушивании — сжатие, и это создает многочисленные знакопеременные нагрузки на древесину. Многократное циклирование — чередование растяжения и сжатия — приводит к значительному снижению прочностных характеристик древесины, атакже к образованию визуально видимых и скрытых дефектов (трещины, коробление, разрывы). Физико-механические свойства древесины становятся неодинаковыми по длине и толщине штабеля.

Поверхностный слой древесины при такой сушке получается рыхлым и значительным по толщине. При механической обработке его необходимо снимать. При этом искажается естественная текстура древесины, налицо потери древесины и дополнительные затраты электроэнергии, интенсификация износа инструмента и оборудования. Так, для получения паркета, толщина которого равна 15 мм, заготовку выполняют толщиной 22 мм. При этом 5-6 мм (то есть каждое третье готовое изделие) идет в стружку.

Конвекционные сушильные камеры— это камеры с термодинамически разомкнутой системой, которые не в состоянии обеспечить качество высушенной древесины, особенно для мебельного производства. Будучи технологически зависимыми от тепловлажностного состояния окружающей среды, они не способны обеспечить влагосодержания древесины, равного 6-8%, при таких погодных условиях, как длительный дождь или снег. Конечная влажность древесины, получаемая в таких сушилках в снежную или дождливую погоду при значительной длительности этих периодов, характеризуется большим разбросом значений по длине доски и толщине штабеля (как показано в табл. 2).Применение такого оборудования, особенно в мебельном производстве, недопустимо, так как качество высушенной древесины зависит от господствующих местных климатических условий эксплуатации сушильной камеры. Вам могут продемонстрировать отличное качество конвекционной сушки древесины во Франции, в Италии показатели при том же оборудовании будут еще выше, однако в условиях Беларуси технические результаты эксплуатации таких камер обязательно устремятся в сторону ухудшения. Руководители предприятий, наглядно убеждающиеся в технических возможностях демонстрируемых им за рубежом камер, покупают их и, разумеется, ожидают тех же результатов у себя дома. Когда же вмешиваются метеорологические условия, руководство винит в нерадивости и некомпетентности соответствующие службы предприятия. Однако ни одно предприятие в течение продолжительных периодов дождя или снегопада не останавливает производства продукции до установления нормальных погодных условий, а, следовательно, выпускает брак.

Расположение конвекционных сушилок в цехах, под крышей приводит к образованию ледяных наростов на крыше, стенах, полу от конденсата продуктов испарения в зимнее время, что небезопасно для обслуживающего персонала, а выделение при сушке органических кислот и щелочей приводит к коррозии металлических конструкций крыши.

Вывод: конвекционные сушильные камеры по принципу своей работы непригодны для изготовления мебели, окон и дверей, внутренней обшивки жилых и служебных помещений, так как термодинамическая система их разомкнута и качество высушенной древесины зависит от тепловлажностного состояния окружающей среды.

Вакуумные сушильные камерыбыли известны еще в прошлом веке. Испарение воды начинается при более низкой температуре (температура кипения воды при давлении 0,01 МПа составляет всего 45,5°С), что обеспечивает снижение энергетических затрат и продолжительности процесса сушки по сравнению с показателями при использовании массового конвективного метода. Значительно уменьшаются растрескивание и коробление заготовок, сохраняется их первоначальный цвет.

Эксплуатация вакуумных сушильных камер, выпускаемых в России и дальнем зарубежье, предполагает использование различных способов подвода тепла к древесине: ТВЧ; СВЧ; гибкие нагревательные элементы с питанием от сети промышленной частоты с нормальным или пониженным напряжением; аэродинамический; конвективный — с применением электрокалориферов, паровых или водяных их разновидностей или тонких нагревательных плит. Одна из российских фирм производит огневые калориферы, использующие в качестве топлива древесные отходы.

Подобный разнобой свидетельствует об отсутствии достоверных результатов сравнительных испытаний и приверженности создателей "своему" варианту. Прослеживается даже национальная склонность к тому или иному способу подвода тепла: американские фирмы отдают предпочтение гибким нагревательным элементам с электропитанием, итальянские — тонким нагревательным плитам с подпиткой горячей водой, немецкие — тепловоздушному нагреву. Российские же, как всегда, охватывают всю возможную гамму.

В таблице 1 приведены основные показатели (по проспектам фирм и предприятий) вакуумных сушильных камер, освоенных российскими производителями, а также зарубежных аналогов (В. Ф. Виноградский "О необходимости сопоставления различных вариантов вакуумных сушильных камер").

Таблица 1

Город, предприятие-изготовитель, модельОбъем разовой загрузки, мУстановленная мощность, кВтСпособ нагрева древесины
Москва, НПЦ ИТ РАН ВДСК-1 М10,0До 70,00 (потребляемая)Диэлектрический в поле ТВЧ
Москва, фирма “Сэмто”, КВС-1,5х4,41,044,00В поле СВЧ
Москва, АО “Станкоросс”, Термолюкс-4Термолюкс-63,04,815,0022,77Контактный гибкими токопроводящими элементами, напряжение 24В
Нижний Новгород, Концерн “Вамит”В поле ТВЧ Конвективный
Калининград, Московская область, фирма “Гравитон”4-56,20Конвективный
Калининград, Московская область, корпорация “Контех”, СП 1 ВК4,023,00Аэродинамический
Екатеринбург, “УралдревИнто”, ВС-1До 10,0До 60,00 (потребляемая)Горячим воздухом
Германия, фирма “Кронседер”, гамма мод. КВТ6-2815-60Радиаторами (горячей водой), паровоздушной смесью
США, фирма “Вуд-Майзер”4,730,00Контактный гибкими токопроводящими элементами, напряжение 220 В
Италия, фирма “Маспелл”, СОЛ, СОР, СОГ1-1014,2 и 34,6Контактный плитами (горячей водой)
Таблица 2

ПоказателиПАП-32“Контур-3”ИУ-1Э
ИсходнаяРеконструированная
Вместимость камеры, м35,710,610,615,3
Продолжительность сушки, ч961209696
Годовая производительность, м29006008401500
Фактический расход электроэнергии при сушке, кВтч4320528044004500
Расход электроэнергии на сушку 1 м3пиломатериалов, кВтч/м3400498470300
Расход электроэнергии на испарение 1 кг влаги, кВтч/кг3,82,62,31,5
Установленная мощность, кВт:
Индуктора42,042,0
ТЭНов72,0
привода вентилятора75,02,0 44,07,511,0
Суммарная75,049,583,0
Скорость потока воздуха по штабелю, м/с2,01,12,0
Производительность вентилятора, м3460002000072000
Отклонение конечной влажности пиломатериалов, от средней, %±3,3±6,5±1,8±1,6
Перепад влажности по толщине сортимента, %±4,3±4-5±3,2±4,0
Многие исследователи в области вакуумной сушки акцентируют свое внимание на скорости сушки и не приводят результатов по прочностным характеристикам древесины.

"При вакуумной сушке продолжительность процесса по сравнению с конвективными сушильными камерами сокращается в 3-5 раз. Однако большая трудоемкость загрузочно-разгрузочных работ, не поддающихся автоматизации и механизации, высокая неравномерность конечной влажности по толщине материала, большие внутренние напряжения в древесине, малая вместимость автоклавов ограничивают распространение сушилок такого типа." (А. И. Расев "Сушка древесины", М., "Высшая школа", 1990 г., стр. 167-168).

Мы не можем согласиться с А. И. Расевым в вопросах, касающихся качества высушенной при помощи вакуумных сушилок древесины. Так как конструкции вакуумных сушилок весьма многообразны, то и качество сушки различно. Тем не менее, исходя из системного подхода к конструкции сушилки, можно считать ее закрытой или полузакрытой (с напуском воздуха окружающей среды) термодинамической системой (см. рис. 4). Она позволяет получить высушенную древесину хорошего качества (особенно относительно конвективных сушилок). Мало иметь хорошую сушилку, нужно еще обеспечить качественную сушку.

При использовании вакуумных сушилок и умелой технологии сушки есть все предпосылки получения качественно высушенной древесины.

Однако вакуумные сушилки не соответствуют отечественным требованиям по экологии (да и дорого это оборудование). Во время сушки древесины испаряемые из нее кислоты и щелочи выбрасываются в окружающую среду и загрязняют ее. Кроме того, кислоты и щелочи абсорбируются смазочными маслами вакуумного насоса, при этом снижается смазочная способность масел, износостойкость и долговечность насосов и сушилки в целом. Загрязняют окружающую среду и собственно смазочные масла при попадании в нее.

В составконденсационных сушильных камервходят системы охлаждения, вентиляции, автоматизации, электронагрева, а также система конденсации влаги, выделяющейся из древесины в процессе сушки. Эта последняя состоит из фреоновой холодильной установки и схематично изображена на рис. 5.

В конвекционных сушилках влага из древесины, перешедшая в сушильный агент, удаляется из камеры путем воздухообмена — сушильный агент обменивается на наружный воздух (рис. З). В конденсационных же влага, содержащаяся в циркулирующем сушильном агенте, удаляется при помощи ее конденсации на батарее (испарителе) холодильной установки в виде воды. Холодильная фреоновая установка работает в режиме теплового насоса. В конденсаторе сушильный агент нагревается, а в испарителе охлаждается. При этом сушильный агент осушается за счет выпадения капельной влаги и отвода ее за пределы камеры.

В конденсационной сушилке вообще нет обмена сушильного агента на воздух окружающей среды — полная рециркуляция сушильного агента, температура сушки — не более 60оС. Температурный режим ограничен теплофизическими свойствами фреонов Ф-12 и Ф-22: при более высокой температуре воздуха в камере невозможна реализация холодильного цикла, а, следовательно, и конденсация влаги из сушильного агента.

Такие конденсационные сушилки выпускают фирмы "Dryfinn" и "Valmet" (Финляндия), "Incomac" (Италия) и другие.

Длительность сушки сосны толщиной 50 мм, влажность древесины которой составляет 60%, до состояния 7%-ной влажности составляет 14 суток.

Для интенсификации процесса сушки древесины и поднятия температуры сушки до 80°С фирма "Valmet" применяет контурные тепловые насосы, состоящие из четырех холодильных машин, образующих каскад. Первая холодильная машина работает на фреоне Ф-12, и хладон конденсируется воздухом окружающей среды. Далее фреон Ф-12 конденсирует Ф-22, Ф-22 конденсирует Ф-113, а Ф-113 конденсирует Ф-114.

Это очень дорогая и сложная сушильная камера. Тем не менее с целью получения исходного сырья высокого качества — высушенной древесины — фирмы идут на значительные затраты.

Михаил АНДРЕЙЧИК

Продолжение статьи


Поделиться
Еще из раздела технология сушки древесины
Вакуумная сушка древесины, часть 1 из 3 Сушка древесины Сушка древесины Высокая экономия древесины и её сушка как составляющие бизнес-платформы Богдана Журава
© 2017 Новости деревообработки

Сайт работает на платформе Nestorclub.com