| Обратная связьРассылка
Для того, чтобы получать уведомления о новых номерах журнала, оставьте свой E-mail адрес.
Физическая картина процессов, протекающих при предварительной сушке и термообработке пиломатериалов
В статье описывается физическая картина процессов, протекающих при предварительной сушке и термообработке пиломатериалов. Она раскрывает основные виды термомодифицирования пиломатериалов как совокупность стадий нагрева, сушки, термомодифицирования и охлаждения при использовании различных технологий в разных средах.
Ключевые слова: термомодифицирование, конвективный метод, контактный метод, автоклав, осциллирующая сушка
This article deals with the physical picture of processes occurring during pre-drying and heat-treatment of lumber. It describes main types of thermal modification of lumber, and methods of thermal modification as a combination of stages of heating, drying, thermal modification and cooling during different technologies in several media.
Keywords: thermal modification, heat-treatment, convective technology, contact method, autoclave, oscillating drying
На практике термическое модифицирование пиломатериалов осуществляется в герметичной теплоизолированной камере, снабженной нагревательными элементами. При этом в случае конвективного метода подвода тепловой энергии установка дополняется парогенератором, топочной камерой или системой подачи инертного газа, а также устройством для принудительной циркуляции теплоносителя и системой распределительных элементов для равномерного омывания штабеля пиломатериалов циркулирующим теплоносителем. В случае проведения процесса в условиях автоклавов камера снабжается системой вакуумирования, состоящей из конденсатора и вакуумного насоса. Принятый к сушке материал является пиленой продукцией, уложенной в штабель по соответствующим нормативным документам. Температура и влажность древесины в зависимости от условий хранения и транспортировки может быть различной по слоям.
При рассмотрении способов подвода тепловой энергии в процессе термомодифицирования пиломатериалов выделяют следующие технологии ведения процесса:
- конвективные технологии, в которых наибольшее распространение в качестве агентов обработки получили горячий воздух, насыщенный или перегретый водяной пар, инертные и топочные газы. Частным случаем конвективных технологий можно считать термомодифицирование в жидкостях с высокой температурой кипения;
- контактный метод теплоподвода – целесообразным является осуществление в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов.
Кроме того, аппараты, используемые в процессе термического модифицирования древесины, можно классифицировать на две группы: аппараты, работающие под внешним или внутренним избыточным давлением, – автоклавы и камеры, предназначенные для эксплуатации при атмосферном давлении среды.
Процесс термомодифицирования древесины можно представить как совокупность стадий прогрева, сушки, непосредственно термического модифицирования и охлаждения (рис. 1). При этом одним из основных стадий процесса термического модифицирования древесины, определяющих качество термомодифицированной древесины, является сушка пиломатериалов. Вследствие этого, в зависимости от используемой технологии термомодифицирования можно выделить следующие основные методы предварительной сушки пиломатериалов:
- конвективные технологии: классическая камерная сушка в среде горячего влажного воздуха, камерная сушка в топочных газах, вакуумно-конвективная сушка, сушка в жидкостях;
- контактный метод.
Рис. 1. Схема ведения процесса термомодифицирования камерно-сухой древесины:
Т тер – температура термомодифицирования; Т охл – температура охлаждения; t - продолжительность
Следует отметить, что в зависимости от условий производства предварительная сушка пиломатериалов может носить различный характер: в условиях крупного деревоперерабатывающего предприятия, когда продукция из термомодифицированной древесины является далеко не единственной, и при наличии на предприятии крупнотоннажных конвективных сушильных камер целесообразна традиционная сушка пиломатериалов (в этом случае начальная влажность древесины, подготовленной к термическому модифицированию, составляет 10 – 12 %); при отсутствии возможности предварительной сторонней сушки пиломатериалов, а именно в условиях малых форм предприятий – удаление влаги из пиломатериала возможно непосредственно в камере термомодифицирования. В этой связи рассмотрение процессов термического модифицирования необходимо начать с сушки древесины с высокой начальной влажностью.
Анализ современного состояния техники и технологии сушки древесины показывает достаточно высокий уровень развития сушильной техники в области конвективных технологий: камерная сушка [1], получившая наиболее широкое распространение, и набирающая обороты вакуумно-конвективная сушка [2], в основном, удовлетворяют необходимым требованиям по качеству высушенного пиломатериала. Удовлетворительного качества можно добиться и при сушке в топочных газах. В тоже время сушка древесины в жидкостях и классическая технология вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов обладают рядом недостатков, обуславливающих низкое качество сушки. В частности, в случае вакуумно-кондуктивной технологии одним из определяющих недостатков является односторонний подвод тепловой энергии к материалу, а сушка в жидкостях отличается развитием высоких внутренних напряжений, обусловленных высокотемпературным режимом удаления влаги. В связи с этим применительно к данным видам сушки целесообразно рекомендовать новые технологии: вакуумно-кондуктивная сушка с симметричным теплоподводом [3] и осциллирующая сушка крупномерной древесины в жидкостях [4], которые основаны на чередовании стадий прогрева и вакуумирования.
В вакуумно-кондуктивных аппаратах с двухсторонним теплоподводом в процессе сушки и термомодифицирования пиломатериалов в качестве нагревательных элементов используются металлические плиты специальной конструкции (рис. 2), представляющие собой две перфорированные металлические пластины с установленными между ними электронагревательными кабелями. Перфорация металлических пластин обеспечивает отвод с поверхности пиломатериала испаряющуюся влагу и продукты разложения древесины. При формировании штабеля пиломатериалы укладываются между двумя нагревательными элементами, таким образом, что подвод тепловой энергии осуществлялся одновременно к обоим пластям пиломатериала, обеспечивая симметричное распределение температуры и влажности древесины.
Рис. 2. Нагревательный элемент
Процесс начинается с прогрева высушиваемой древесины путем включения в работу нагревательных элементов (рис. 2). Процесс осуществляется при атмосферном давлении среды с целью минимизации удаления влаги из материала в процессе прогрева, что особенно важно в зимний период времени. На стадии прогрева происходит накопление тепловой энергии, после чего включением конденсатора и вакуумного насоса начинается стадия вакуумирования, в процессе которой происходит интенсивное удаление влаги из древесины через перфорации нагревательных пластин. В процессе вакуумирования происходит отключение электронагревательных элементов, и сушка древесины происходит за счет предварительно аккумулированной тепловой энергии. При отсутствии подвода тепла извне температура материала падает, а вследствие того, что испарение идет с поверхности, её температура ниже температуры в центре материала. Возникающий температурный градиент совпадает по направлению с градиентом влагосодержания и тем самым интенсифицирует перенос удаляемой влаги. После создания в камере рабочего вакуума, материал еще сохраняет тепловую энергию достаточную для удаления влаги, поэтому высушиваемый пиломатериал выдерживается при остаточном давлении до снижения температуры в центре материала до значения, при котором градиент температуры не будет оказывать существенного влияния на процесс удаления влаги. После завершения стадии вакуумирования цикл «прогрев-вакуум» повторяется. Количество циклов определяется толщиной пиломатериала и породой древесины.
Предложенная технология вакуумно-кондуктивной сушки с периодическим подводом тепловой энергии позволяет избежать больших перепадов влажности по толщине пиломатериала, и, как следствие, значительных сушильных напряжений и больших остаточных деформаций.
Заключительную стадию процесса сушки, когда среднее влагосодержание пиломатериала снизится до 10-12 %, осуществляют при постоянном подводе тепловой энергии к материалу и повышающемся давлении среды в аппарате за счет испаренной из материала влаги до достижения абсолютно сухого состояния материала (рис. 3).
Осциллирующая сушка крупномерной древесины в жидкостях носит аналогичный цикличный характер с той лишь разницей, что на стадии прогрева подвод тепловой энергии осуществляется непосредственно от жидкого сушильного агента (рис. 4).
Рис. 3. Схема ведения процесса вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии:
Uпе - влажность переходная между циклическим и постоянным режимом сушки; Uмат - влажность материала; Р - давление в камере; Тм - температура материала; Тнагр - температура нагревательной плиты
Рис. 4. Схема ведения осциллирующей сушки пиломатериалов в жидкостях:
Ратм – давление атмосферное; Тж – температура жидкости; Т0 – температура начальная; Тпов.м – температура поверхности материала; Тц.м – температура в центре материала; tп - продолжительность прогрева; tкн. - продолжительность цикла
После прогрева материала до определенной режимом температуры производится слив жидкости из камеры сушки и включением вакуумного насоса и конденсатора начинается стадия вакуумирования, которую также можно разделить на два периода: процесс сушки при понижении давления и сушка материала в условиях вакуума.
При этом заключительная стадия осуществляется по технологии сушки в гидрофобных жидкостях, над поверхностью которых создается разрежение, подобное ведение процесса позволяет снизить жесткость режимов сушки, поскольку удаление влаги из материала происходит под действием молярного переноса, которое возможно при температуре жидкости выше точки кипения воды при давлении лишь столба гидрофобной жидкости.
Кинетика процесса сушки древесины от свободной влаги однозначно определяется изменением давления водяных паров в окружающей среде. При удалении связанной влаги такого однозначного соответствия наблюдаться не будет, так как изменение влагосодержания материала определяется внутренними процессами переноса тепла и массы, обусловленными структурой и характером связи распределенной фазы со скелетом. Поэтому при снижении влажности древесины до 15 – 18 % процесс продолжается по известной технологии: сушке в жидкостях, над поверхностью которых создается разрежение – подвод тепла к материалу осуществляется на протяжении всего процесса.
Завершение стадии сушки пиломатериала, т.е. достижение древесиной абсолютно сухого состояния, может быть охарактеризована повышением температуры в центре материала до 120 0С. Последующее повышение температуры древесины до 150 0С вызывает начало стадии термического распада. При достижении температуры 170 0С возникает опасность самопроизвольного воспламенения древесины, поэтому необходимо к этому моменту предотвратить возможный контакт материала с кислородом воздуха. В случае ведения процесса термического модифицирования в жидкостях и при термомодифицировании в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов данное условие выполняется вследствие того, что древесина, в первом случае, остается в жидкой среде, а во втором – в паровой среде, образованной испаренной из древесины влагой. При проведении процесса термического модифицирования в среде топочных газов к моменту достижении температуры 170 0С в камере термомодифицирования концентрация кислорода должна стремиться к нулю. Для этого в отличие от классической технологии сушки в топочных газах, когда температура агента понижается до рабочего значения путем разбавления с внешним воздухом, в процессе предварительной сушки перед термомодифицированием должно происходить снижение концентрации кислорода методом многократного разбавления воздушной среды в камере с поступающим чистым топочным газом, образованным в результате горения отходов деревообработки с коэффициентом избытка воздуха равным или близким 1 и охлажденным до требуемой температуры в теплообменнике. При этом отведенная в процессе охлаждения топочного газа тепловая энергия может быть направлена на технологические нужды или на сушку других пиломатериалов в классической конвективной сушилке.
В случае проведения термомодифицирования в условиях водяного пара после загрузки высушенных пиломатериалов в камеру процесс начинают с предварительной откачки воздуха из рабочей полости аппарата с помощью вакуумного насоса и подачи водяного пара из парогенератора, подобное ведение процесса способствует не только предотвращению самовозгорания древесины, но и приводит к отсутствию фазового сопротивления, способствуя, тем самым, более интенсивному теплообмену между материалом и агентом обработки. При этом стадию прогрева можно разделить на два периода: прогрев материала при наличии фазовых переходов теплоносителя; конвективный прогрев материала в среде перегретого пара.
Первый период начинается в момент подачи пара из парогенератора в камеру термообработки и характеризуется конденсацией пара на поверхности обрабатываемого материала. Конденсат вызывает интенсивное повышение температуры и влагосодержания поверхностных слоев древесины, вследствие чего начинается общий прогрев материала. Разность температур поверхностных и внутренних слоев является потенциалом переноса тепла за счет теплопроводности, численное значение которой для древесины возрастает с увеличением влагосодержания и температуры материала. Вместе с этим образование в поверхностной зоне повышенных значений влагосодержания и температуры, по сравнению с внутренними слоями, обуславливает перемещение влаги в глубь тела. Таким образом, тепломассоперенос с самого начала процесса затрагивает всю толщу материала.
Несконденсировавшаяся часть пара идет на создание паровой среды, тем самым, повышая давление внутри камеры. После повышения давления до определенного значения начинается второй период прогрева материала. Для чего прекращается подача пара в камеру, в работе остаются калориферы и вентилятор для принудительного движения паровой среды, начинается постепенный перегрев водяного пара. При этом наряду с переносом влаги внутрь материала наблюдается снижение влагосодержания поверхностных слоев.
Таким образом, при повышении температуры материала выше 170 0С с целью предотвращения самовозгорания древесины процесс термомодифицирования проводят в условиях вакуума, в среде водяного пара, инертного газа или в жидкости. Для этого после окончания стадии сушки из рабочей полости аппарата удаляют воздух: в случае ведения процесса в условиях автоклава данную операцию осуществляют путем включения в работу вакуумного насоса; применительно к камерам, предназначенным для эксплуатации при атмосферном давлении среды – воздух из аппарата вытесняют подачей насыщенного водяного пара, инертного или топочного газа. При этом начинается разложение наименее термостойких компонентов древесины с выделением реакционной воды, углекислоты, и некоторых других продуктов, изменяется химический и элементарный состав частицы. В процессе термического модифицирования для улова летучих компонентов в работу включаются конденсаторы. Стадия начального разложения древесины эндотермична, и поэтому проводится при постоянном подводе тепловой энергии.
Температура 260-270 0С определяет начало экзотермической реакции, что может привести к неконтролируемому разложению древесины, поэтому температура среды в аппарате или температура нагревательных плит не должна превышать 250 0С.
После окончания процесса термомодифицирования древесину необходимо лишить способности самовозгораться. Для этого древесину необходимо охладить до 120 – 130 0С. С этой целью в камеру термообработки подают водяной пар из парогенератора, распыляют воду или охлаждают парогазовую среду путем её вынужденной циркуляции через теплообменник или внутренний конденсатор.
Пар, попадая в вакуумное пространство, моментально охлаждается до соответствующей температуры насыщения, а дальнейший контакт с горячим термодеревом вызывает его перегрев, поэтому для поддержания в камере заданной температуры среды в работе остается внутренний конденсатор. После снижения температуры термодерева до заданного значения производят разгерметизацию камеры и извлечение материала. Кондиционирующую обработку производят в штабелях в специально отведенном для этого помещении.
Рассмотрены и обобщены физические явления, протекающие при сушке и термообработке пиломатериалов, с целью последующего математического описания.
Список литературы
- Расев А.И. Сушка древесины: учеб. пособие. М.: МГУЛ, 2000. 342 с.
- Расев А.И. Конвективно-вакуумная сушилка для пиломатериалов. / А.И. Расев, Д.М. Олексив // Деревообрабатывающая промышленность. 1993. № 4. С. 9-10.
- Сафин Р.Р. Вакуумно-кондуктивная сушка капиллярнопористых коллоидных материалов с периодическим подводом тепловой энергии / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Л.Р. Юнусов, Д.А. Ахметова // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2007. Т. 50, вып. 11. С. 88-89.
- Сафин Р.Р. Экспериментальные исследования осциллирующей сушки древесины в гидрофильных жидкостях / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Н.Р. Галяветдинов, Ф.Г. Валиев // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2008. Т. 51, вып. 12. С. 104-106.
УДК 674.04
