Введение к работе
Актуальность исследования. Сушка является одной из самых энергоемких и ответственных операций деревообрабатывающей промышленности. Получать высокое качество высушенной древесины и сократить продолжительность процесса позволяет техника сушки материалов, осуществляемая в условиях разреженной среды. Однако вакуумная сушка имеет проблему подвода тепловой энергии к материалу. Существующие в различных отраслях промышленности такие известные технологии, как СВЧ, ТВЧ, контактный метод и тепловое излучение применительно к сушке древесины не всегда позволяют получить материал с высоким качеством и минимальными энергетическими затратами, особенно это касается пиломатериалов большого сечения или древесины ценных пород. При этом контактный способ, наряду с его основным недостатком (трудоемкость процесса), остается наиболее технически и технологически простым методом подвода тепловой энергии в вакууме, поэтому пользуется наибольшей популярностью. Отсюда, исследования в области снижения энергозатрат и повышения качества вакуумно-кондуктивной сушки носят актуальный характер.
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.
Степень разработанности проблемы. Исследованию проблем технологии процесса сушки посвящено большое количество работ ряда зарубежных и отечественных ученых. Вопросам вакуумной сушки пиломатериалов при конвективных подводах тепла посвящены работы Р.Р. Сафина, А.И. Расева, Р.Р. Хасаншина, П.А. Кайнова (Россия), Patrick Perr, Romain Rmond (Франция) F. Nadia, G. H. Rahimi (Иран); вопросам ваку-умно-кондуктивной сушки пиломатериалов – работы З.Р. Мустафина, А.Н. Чернышева, Д.А. Ахметовой, В.А. Анисимова, (Россия), Alain Cloutier, Yves Fortin (Канада), H. S. Jung, J.H. Lee (Корея). Вопросам устройства сушки с использованием различных видов тепловых насосов посвящены работы О.Ю. Гузева, В.В. Иванова (Россия), Varsha Joshi, Sachin Jangam и Bhaskar Thorat (Индия), Kong Hoon Lee, Ook Joong Kim и Jong-Ryul Kim (Корея), а также Ю.Ф. Снежкина, Д.М. Чалаева, Н.А. Дабижа (Украина) и многих других.
Цели и задачи исследования состоят в разработке энергосберегающих принципов применительно к процессу осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов, получении метода расчета процесса вакуумирования с последующей разработ-
кой инженерной методики расчета и аппаратурного оформления осциллирующей ваку-умно-кондуктивной сушки пиломатериалов с применением теплового насоса. В этой связи, в настоящей диссертации решались следующие задачи:
-
Анализ современных методов энергосбережения в области сушки материалов.
-
Разработка энергосберегающей технологии осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с применением теплового насоса.
-
Исследование влияния режимных параметров процесса вакуумной сушки на скорость удаления влаги из пиломатериалов различных пород.
-
Разработка метода расчета стадии вакуумирования нагретого материала, позволяющего прогнозировать скорость удаления влаги на данной стадии в зависимости от температуры обработки, глубины вакуума, влажности и толщины пиломатериала.
-
Разработка инженерной методики расчета и аппаратурного оформления осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с использованием теплового насоса.
-
Реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования выступает технология осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с использованием теплового насоса. Объектами исследования являются пиломатериалы трех пород: сосна, береза, дуб.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процесса вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов. Теоретическую базу исследований составили работы ученых по вопросам вакуумной сушки коллоидных материалов с капиллярно-пористой структурой.
Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения диссертации лично соискателем получены следующие научные результаты:
-
Энергосберегающая технология осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с использованием теплового насоса.
-
Результаты экспериментальных исследований осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов различных пород древесины.
-
Методика расчета процесса вакуумирования нагретого пиломатериала, позволяющая прогнозировать скорость удаления влаги в зависимости от глубины вакуума, температуры, влажности, породы и толщины материала.
-
Инженерная методика расчета установки осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки с применением теплового насоса, позволяющая определить основные конструктивные особенности установки.
Научная новизна результатов работы. В диссертации изложены научно-обоснованные технические и технологические решения, нацеленные на снижение энергозатрат на осциллирующую вакуумно-кондуктивную сушку пиломатериалов с сохранением качественных эксплуатационных показателей материала.
-
Разработаны технология и оборудование осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки с использованием теплового насоса, при которой тепловая энергия влаги, испаренной из материала на стадии вакуумирования, с помощью теплового насоса передается для повышения температуры материала, находящегося на стадии нагрева.
-
Разработана методика расчета процесса вакуумирования нагретого материала, позволяющая прогнозировать скорость сушки в зависимости от глубины вакуума, температуры, влажности, породы и толщины пиломатериала, что, в конечном счете, позво-
ляет получить исходные данные для инженерной методики расчета теплового оборудования.
3. Доказана энергоэффективность предложенной технологии и оборудования осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки с применением теплового насоса для сушки твердых пород древесины по сравнению с классической конвективной сушильной камерой, использующей в качестве энергоносителя природный газ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработке метода расчета скорости удаления влаги в процессе вакуумирования нагретого материала в зависимости от режимных параметров исследуемого процесса, результаты которого служат начальными условиями для инженерной методики расчета технических параметров предлагаемого сушильного оборудования.
Практическая значимость полученных научных результатов заключается в разработке энергоэффективной технологии в области сушки пиломатериалов, позволяющей до трех раз снизить энергозатраты на осциллирующую вакуумно-кондуктивную сушку древесины.
На основе полученных аналитических решений разработана и реализована инженерная методика расчета теплового оборудования для установок осциллирующей сушки капиллярно-пористых материалов вакуумно-кондуктивным способом, которая позволила спроектировать и создать пилотную сушильную установку.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)»; п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесинных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».
Апробация и реализация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (Казань, 2011-14 г.), на международных конференциях: «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010 г.), «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010 г.), Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – 24» (Саратов, 2011 г.), «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2011 г.), «Лесной комплекс в XXI веке» (г. Казань, 2013 г.), "SGEM 2015. Energy and Clean Technologies" (г. Албена, Болгария, 2015 г.)
Результаты экспериментальных исследований и разработанная инженерная методика расчета применены при проектировании пилотной установки по осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушке с тепловым насосом.
На основе разработанной методики спроектирована и создана пилотная установка осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки дубовых заготовок, внедренная в технологический цикл производства сувенирных изделий на ООО «НПП «ТермоДрев-Пром».
Материалы диссертации и созданная экспериментальная установка применяются в учебном процессе при проведении лабораторного практикума по дисциплине «Теоретические основы тепловой и термической обработки биомассы» для студентов, обучаю-
щихся по направлению подготовки 250400 – Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств.
Достижением соискателя является победа в республиканском конкурсе в номинации «Лучший аспирант Республики Татарстан в области технических наук – 2013».
Личное участие состоит в выборе темы и постановке основных идей диссертации, а также в разработке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены экспериментальная и пилотная установки, проведены экспериментальные исследования осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов. Автором разработан метод расчета скорости удаления влаги в процессе вакуумирования нагретого материала, проанализированы полученные результаты. Автор разработал способ сушки и термовлажностной обработки крупномерной древесины (Пат. № 2520272). Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.
Публикации. По результатам исследований опубликована 21 публикация, включая 9 статей в трех журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент № 2520272 «Способ сушки и термовлажностной обработки крупномерной древесины». В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [1,2,7,18,21] – создание экспериментальной установки, получение и обработка экспериментальных данных; [8,14,17] – разработка технологии вакуумной сушки; [3,5,9,13] – математическое описание процесса осциллирующей вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основное содержание изложено на 140 страницах машинописного текста и включает в себя 64 рисунка и 7 таблиц. Список литературы включает 210 наименований цитируемых источников отечественных и зарубежных авторов.