Повышение энергоэффективности осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов
Покупка
Тематика:
Деревообрабатывающая промышленность
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 120
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7882-2582-1
Артикул: 788429.01.99
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
Представлены энергосберегающая технология н результаты исследования осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки
пиломатериалов. Получена методика расчета процесса вакуумировання нагретого материала, позволяющая прогнозировать скорость сушки. Разработана инженерная методика расчета установки и представлено аппаратурное оформление процесса осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов.
Предназначена для ИГР, аспирантов и студентов, обучающихся по лесотехническим специальностям.
Подготовлена на кафедре «Архитектура и дизайн изделий из древесины».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» Ш. Р. Мухаметзянов, Р. Р. Сафин, П. А. Кайнов ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ ВАКУУМНО КОНДУКТИВНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ Монография Казань Издательство КНИТУ 2019
УДК 674.047 ББК 37.13 М92 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: зам. ген. директора ООО НПП «ТермоДревПром» канд. техн. наук Л. И. Аминов зам. гл. ред. журнала «Деревообрабатывающая промышленность» д-р. техн. наук Е. Ю. Разумов М92 Мухаметзянов Ш. Р. Повышение энергоэффективности осциллирующей вакуумно кондуктивной сушки пиломатериалов : монография / Ш. Р. Мухаметзянов, Р. Р. Сафин, П. А. Кайнов; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 120 с. ISBN 978-5-7882-2582-1 Представлены энергосберегающая технология и результаты исследования осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов. Получена методика расчета процесса вакуумирования нагретого материала, позволяющая прогнозировать скорость сушки. Разработана инженерная методика расчета установки и представлено аппаратурное оформление процесса осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов. Предназначена для ИТР, аспирантов и студентов, обучающихся по лесотехническим специальностям. Подготовлена на кафедре «Архитектура и дизайн изделий из древесины». ISBN 978-5-7882-2582-1 © Мухаметзянов Ш. Р., Сафин Р. Р., Кайнов П. А. 2019 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2019 УДК 674.047 ББК 37.13
ВВЕДЕНИЕ Древесина, благодаря ряду ценных физико-механических, декоративных и технологических свойств, до сих пор остается одним из самых распространенных материалов органического происхождения, широко применяемых в промышленности, строительстве и для бытовых нужд. Однако вследствие постоянно возрастающей потребности в ней, а также энергозатратных технологических операций древесина становится все более дорогостоящим материалом. В связи с этим возникает необходимость поиска более экономичных и эффективных технологий ее обработки. Сушка является одной из самых энергоемких и ответственных операций деревообрабатывающей промышленности. Получать высушенную древесину высокого качества и сократить продолжительность процесса позволяет техника сушки материалов в условиях разреженной среды. При этом контактный способ, несмотря на его основной недостаток (трудоемкость процесса), остается наиболее технически и технологически простым методом подвода тепловой энергии в вакууме, поэтому пользуется наибольшей популярностью. В области энергосберегающих технологий применительно к процессам сушки в последнее время большое внимание уделяется альтернативным источникам энергии, в частности отходам деревообрабатывающих производств. Однако известные в других отраслях промышленности способы снижения энергетических затрат применительно к деревообрабатывающей промышленности все еще не нашли широкого распространения и зачастую носят единичный характер. Так, например, используемые в конвективных сушилках тепловые насосы не получили дальнейшего развития и применения в других технологиях сушки. В связи с этим исследования с целью снижения энергетических затрат в процессах вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов путем использования тепловых насосов являются актуальными.
Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И МЕХАНИКИ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВАКУУМА И/ИЛИ ТЕПЛОНАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В настоящее время техника и технология сушки материалов на деревообрабатывающих предприятиях носит достаточно разнообразный характер: используются конвективные, кондуктивные, диэлектрические и микроволновые способы подвода тепла к высушиваемому материалу с соответствующим аппаратурным оформлением. Подобное разнообразие технологий объясняется определенными преимуществами и недостатками каждого из этих способов, однако общим для всех методов до сих пор остается высокая энергоемкость процесса, что является одной из наиболее важных проблем деревообрабатывающей отрасли [37,111,148]. Большие энергетические затраты на проведение процесса вызваны в первую очередь высокими требованиями к качеству сушки пиломатериалов, что приводит в отдельных случаях к увеличению продолжительности процесса до двух месяцев (применительно к сушке дубовых досок в конвективных камерах) и, как следствие, к высоким потерям тепловой энергии в окружающую среду. Существенно сократить продолжительность процесса без ущерба качеству пиломатериалов позволяет техника сушки в условиях пониженного давления [18, 28, 32], поэтому вакуумная сушка древесины получила широкое распространение в странах с высокоразвитой деревообрабатывающей промышленностью: в Италии, Финляндии, Германии, Франции. Многими исследователями подчеркивается, что высокая скорость удаления влаги в процессе вакуумной сушки пиломатериалов объясняется положительным действием градиента температуры [151, 162, 163], что, кроме всего прочего, позволяет избежать значительных перепадов влажности по сечению материала и, как следствие, не допустить развития значительных внутренних напряжений [3, 91, 116, 129].
1.1. Анализ современных представлений о процессе вакуумной сушки древесины Одним из основных факторов, влияющих на эффективность использования вакуумных технологий в процессах сушки материалов, является принцип подвода тепловой энергии к высушиваемому телу в условиях пониженного давления. Для этого в настоящее время используются различные способы нагрева [92]: 1. СВЧ-нагрев – производится электромагнитным СВЧ-полем, создаваемым в объеме штабеля пиломатериалов, которое вызывает разогрев материала по всему сечению, что позволяет максимально увеличить скорость сушки. Однако данная технология пока не нашла широкого распространения вследствие дороговизны оборудования и себестоимости его эксплуатации. КПД таких установок колеблется в районе 50 %, что влечет за собой чрезмерный расход электроэнергии [152]. Кроме того, среди недостатков такого типа оборудования следует отметить получение не всегда удовлетворительной однородности по конечной влажности, а также сложность в контроле текущей влажности и температуры древесины, необходимом для управления процессом. 2. Диэлектрический нагрев – основан на нагревании высушиваемого материала, обладающего диэлектрическими свойствами, в электрическом поле высокой частоты. При данном методе прогрев материала также осуществляется по всей толщине, однако при сушке толстых пиломатериалов и материалов из древесины твердых пород кипение воды происходит не по всему объему, а только в поверхностных слоях, что в результате приводит к большим перепадам влажности по толщине материала и сушильным напряжениям, а значит, и к растрескиванию древесины [2, 22, 112, 185]. Кроме того, большое энергопотребление и дорогостоящее оборудование также сдерживают широкое распространение вакуумдиэлектрических сушильных камер. 3. Конвективный нагрев в условиях вакуума может осуществляться использованием осциллирующих режимов или сушкой материала в разреженной среде с остаточным давлением 45 – 80 кПа и повышенной скоростью ее циркуляции. В качестве теплоносителя могут выступать нагретый воздух, перегретый пар,
инертный газ и даже гидрофобная или гидрофильная жидкости [33, 39, 102]. Осциллирующие режимы являются основополагающими в вакуумно-конвективных технологиях: процесс сушки состоит из последовательно чередующихся стадий нагрева материала и его вакуумирования. Стадия нагрева осуществляется при атмосферном давлении до достижения материалом заданной температуры. Далее начинается стадия вакуумирования, которая сопровождается интенсивным удалением влаги из материала и снижением его температуры. В результате положительного действия градиентов влажности, давления и температуры происходит достаточно равномерное по толщине влагоудаление при высокой влажности поверхности древесины, что позволяет избежать критических напряжений в процессе сушки. 4. Кондуктивный нагрев – наиболее простое и тем самым наиболее распространенное и эффективное решение способа подвода тепла к материалу в условиях вакуума, которое основывается на передаче тепла высушиваемому материалу непосредственно от нагретой поверхности плиты [10, 32, 42, 45]. Основными факторами, определяющими кинетику процесса, являются температура нагревательной плиты, степень прижатия материала к греющей поверхности и параметры окружающей среды (глубина вакуума и гидродинамические показатели эффективности отвода паров влаги от поверхности тепломассообмена). Основной технологический параметр – толщина материала. Эти параметры влияют не только на скорость удаления влаги, но и на критическое влагосодержание материала и качество сушки. В качестве основного технологического недостатка данного способа традиционно выделяли неравномерное и несимметричное распределение влаги по толщине материала, что, безусловно, вызывало несимметричную по сечению эпюру внутренних напряжений и развитие коробления пиломатериала в процессе вакуумно-кондуктивной сушки. Однако в последние годы применительно к вакуумно кондуктивной технологии все большее распространение получают осциллирующие режимы, при которых пиломатериал после нагрева при атмосферном давлении между двумя нагревательными плитами подвергается вакуумированию при отключенных плитах [5, 59]. При
этом отличительной особенностью осциллирующей вакуумно кондуктивной сушки по сравнению с прямым аналогом – технологией осциллирующей вакуумно-конвективной сушки материалов – является значительная интенсификация стадии нагрева. Причем это осуществляется не только, и даже не столько вследствие передачи тепла от греющей поверхности к материалу за счет теплопроводности, сколько вследствие кондуктивного теплообмена, осложненного переносом влаги. Такой теплообмен возможен при наличии в поверхностных слоях материала свободной влаги: образовавшийся в контактном слое пар стремится пройти внутрь материала. В период прогрева этот пар, встречаясь с еще ненагретым материалом, конденсируется вблизи контактного слоя и передает свое тепло материалу, за счет чего последний прогревается более интенсивно. Следующие порции пара все глубже проникают в материал и тоже конденсируются. Интенсивность тепломассообмена, происходящего в зоне парообразования в контактном слое и на границе соприкосновения материала с греющей поверхностью, зависит от температуры греющей поверхности, удельной массы, влагосодержания, степени прижатия и пористости материала. При высоких температурах (выше 85–110 °С) теплообмен в контактном слое, вызванный фазовым превращением и массообменом, преобладает над кондуктивным. В этой связи интенсивность стадии нагрева в первых циклах нагрев– вакуумирование увеличивается в несколько раз по сравнению с интенсивностью нагрева при вакуумно-конвективной сушке. По мере снижения влажности материала, в частности в области ниже предела насыщения клеточных стенок, интенсивность парообразования снижается, и теплообмен между греющей поверхностью и материалом все в большей степени начинает характеризоваться теплопроводностью. Однако следует отметить, что преимущества кондуктивного метода нагрева нивелируются на стадии вакуумирования: контакт материала с термоинерционной поверхностью приводит к тому, что градиент температуры внутри материала практически отсутствует, и подвод влаги к поверхности испарения осуществляется в основном за счет влагопроводности, вызывая тем самым несколько большие перепады влажности по толщине, чем при осциллирующей вакуумноконвективной сушке.
Таким образом, можно заключить, что осциллирующие режимы в настоящий момент являются наиболее передовыми в области вакуумных технологий, в связи с чем данным процессам уделяется особое внимание со стороны многих исследователей [55, 154, 180]. Одна из первых работ в области периодической сушки древесины в вакууме была написана О. Кришером [42]. Рассматривается процесс, состоящий из прогрева высушиваемого материала с последующим его охлаждением путем понижения давления над ним. После шестнадцати циклов чередования нагрева с вакуумированием, продолжавшихся 42 часа, влажность древесины понизилась с 132 до 1,7 %. О. Кришером было установлено, что в первом периоде сушки (когда влажность материала выше гигроскопической) температура материала в процессе вакуумирования снижается до одного и того же значения, равного температуре испарения при давлении окружающей среды. Во втором периоде сушки (в области гигроскопической влажности) снижение температуры при падении давления становится все меньше. К тому времени, когда влажность образца приближается к равновесной, никакого снижения температуры не происходит, т.е. сушка прекращается. О. Кришер отмечает, что при периодической сушке за счет испарения влаги теплом, аккумулированным в материале, можно добиться значительной равномерности распределения влажности по толщине древесины, а соответственно и снизить возникающие в древесине напряжения до минимума. Далее О. Кришер приводит необходимые условия, при которых будет обеспечиваться эффективность периодической сушки в вакууме [42]: 1. Удаление воздуха из пор материала должно быть осуществлено достаточно быстро, чтобы обеспечить условия, ускоряющие диффузию пара. 2. Сушильная аппаратура должна обеспечивать возможность проведения циклического процесса: вначале подогрев без сушки, а затем сушку без подвода тепла извне. Нельзя допускать, чтобы во время прогрева материала происходило его подсушивание, а в процессе понижения давления – передача тепла излучением на поверхность материала.
Оба этих условия приводят к тому, что влажность поверхностных слоев материала становится меньше влажности его внутренних слоев, что может привести к образованию трещин. Экспериментальные исследования показывают, что увлажнение воздуха должно быть проведено так, чтобы в любой момент давление пара в воздухе было равно давлению пара на поверхности материала при данной его температуре и влажности (изотерма сорбции). Кроме того, О. Кришер приводит тепловой баланс процесса удаления влаги, отмечая, что для испарения влаги из образца ∆Gw затрачивается количество теплоты, равное разности энтальпии материала до начала снижения давления и после его окончания с учетом количества тепла, которое получил образец от стенок камеры за счет излучения: ( ) ( ) R 2 W W S S 1 W W S S W Q t C G C G t C G C G r ΔG 2 1 + + − + = . (1.1) В работе Р. Р. Сафина [102, 103], посвященной методам расчета процессов вакуумной сушки материалов при конвективном подводе тепловой энергии, предложен расчет процессов сушки и нагревания коллоидных капиллярно-пористых тел, который основывается на решении дифференциальных уравнений тепломассопереноса. Для описания изменения во времени полей влажности и температуры по толщине материала автор использует уравнения, предложенные А. В. Лыковым в следующей форме [50–53]: , (1.2) , (1.3) Автор замыкает данную систему уравнений введением выражения для определения поля внутреннего давления пиломатериала, полученного Г.С. Шубиным для плоских древесных сортиментов [122]: + + = 2 2 0 2 2 2 2 x р k x T a x U a U м p м m m + = U c r х T a Т м м т м 2 2
. (1.4) В этой же работе автором [102] получены результаты по рациональной продолжительности стадии вакуумирования. Исследована зависимость длительности процесса сушки березовых и сосновых пиломатериалов до влажности Uкон = 12 % от остаточного градиента температуры по толщине образца, до которой выдерживался материал при пониженном давлении (рис. 1.1), из которой автором сделан вывод, что наиболее целесообразным конечным значением градиента температуры на стадии вакуумирования является интервал значений 1,2 – 1,3 К/мм для березы и 0,7 – 1,0 К/мм – для сосны. Рис. 1.1. Зависимость длительности процесса сушки березовых и сосновых пиломатериалов до влажности Uкон = 12 % от остаточного градиента температуры по толщине образца Увеличение стадии выдержки в вакууме до более низких перепадов температуры по сечению приводит к увеличению продолжительности всего процесса вследствие существенного уменьшения термовлагопроводности. При этом меньшее значение конечного градиента температуры для сосны по сравнению с березой автор объясняет меньшей плотностью древесины сосны, и, как , ч 25 27 29 31 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 мм К , х Т береза сосна + + = м м м м р м м T T р U х р k С RT p 0 2 2 0
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину