Введение к работе
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» значительно возросло значение рынка малоэтажного деревянного строительства. Его объемы устойчиво составляют более 10 процентов ежегодно вводимого нового жилого фонда страны. При этом наиболее востребованной в последнее время становиться технология строительства домов из оцилиндрованного бревна. Однако данная технология имеет недостатки, к числу которых можно отнести использование атмосферной и конвективной способов сушки бревен, продолжительность которых может достигать нескольких месяцев. Подобная длительность процесса конвективной сушки приводит к большим затратам энергии, но не позволяет при этом избежать существенного снижения качества - образования продольных трещин, ухудшающих как эстетические, так и защитные свойства.
В тоже время известны технологии сушки крупномерной древесины с постоянной выдержкой в нагретых гидрофильных или гидрофобных жидкостях, однако они до сих пор остаются недостаточно востребованными, вследствие отсутствия должного технического обеспечения и рациональных технологических режимов ведения процесса. Кроме того, в качестве недостатка существующих технологий отмечается низкое качество сушки, обусловленное значительным перепадом влажности по толщине и продолжительным действием высоких температур в случае ведения процесса в гидрофобных жидкостях, поскольку основным видом влагопереноса в материале является молярное перемещение пара под действием градиента избыточного давления; или высокая конечная влажность древесины в случае использования в качестве сушильного агента гидрофильной жидкости. При этом известно, что использование осциллирующих режимов позволяет существенно снизить перепады влажности по толщине и предотвратить развитие трешинообразования. Кроме того, осциллирующие технологии позволяют значительно снизить энергозатраты на осуществление процесса сушки древесины. Однако данные технологии применительно к процессам сушки в жидкостях ранее исследователями апробированы не были. В связи с этим следует считать актуальной задачу исследования осциллирующей сушки крупномерной древесины в жидкостях.
Работа выполнялась в соответствии с приоритетным направлением разви-
тия науки, технологий и техники РФ «Энергетика и энергосбережение»; грантом Академии Наук Республики Татарстан № 8 - 11 / 2008 «Установка вакуум но-осциллируюшей сушки капиллярно-пористых коллоидныхматериалов».
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 энергосберегающей технологии осциллирующей сушки древесины в жидкостях;
раз работка математической модели исследуемого процесса;
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;
разработка энергосберегающего оборудования для сушки крупномерной древесины в жидкостях;
промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна. Впервые исследована осциллирующая сушка древесины в гидрофобных и гидрофильных жидкостях:
разработана новая энергосберегающая технология осциллирующей сушки крупномерной древесины в гидрофильных жидкостях, позволяющая интенсифицировать данный процесс по сравнению с известным ранее способом; выявлены отечественные породы древесины, для которых возможно применение данной технологии в рамках деревянного малоэтажного домостроения;
усовершенствована технология классической сушки-пропитки древесины в гвдрофобных 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;
Исследованы закономерности осциллирующей сушки крупномерной массивной древесины в гидроф ильных и гидрофобных жидкостях
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 жидкости; при снижении влажности материала ниже предела гигроскопичности - проводить вакуумно-кондуктивную сушку с периоди-
ческим 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 про
питки, новизна конструкций подтверждена патентом;
разработан энергосберегающий комплекс для осциллирующей сушки крупномерной древесины в жидкостях с возможностью вакуумно-кондуктивной досушки материала; снижение энергозатрат на ведение процесса до 60% обеспечивается нагревом теплоносителя за счет тепловой энергии испаренной из материала влаги;
разработана инженерная методика расчета установки осциллирующей сушки крупномерной древесины в гидрофильных жидкостях;
разработаны рациональные технологические режимы ведения осцили-рующей сушки в гидрофильных жидкостях и совмещенной сушки-пропитки крупномерной древесины;
разработаны 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.
Разработанная установка для осциллирующей сушки оцилиндрованных бревен в гидрофильных жидкостях принята к внедрению предприятием ООО «Сабинский полидрев».
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 ресурсо- и 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 жидкостях;
результаты математического моделирования и экспериментальных исследований вышеуказанных процессов; .
способы 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 установки; выполнены 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 рецензируемых изданиях и два положительных решения на выдачу патента.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
