Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного представления о термообработке древесины 12
1.1. Анализ способов термообработки древесины 12
1.2. Современные представления о теоретических основах процесса термической переработки древесины 16
1.3. Анализ химического строения древесины как агента термической обработки 18
1.4. Анализ исследований нагревания древесины 21
1.5. Тепловые характеристики древесины. 26
Выводы 30
Глава 2. Разработка метода расчета термомодифицирования древесных пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов 34
2.1. Физическая картина процесса 34
2.2. Формализация процесса 37
2.3. Математическое описание процесса вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины 39
2.3.1. Математическое описание процессов прогрева и досушки обрабатываемых пиломатериалов 40
2.3.2. Математическое описание стадии термического модифицирования и конденсации продуктов 43
2.3.3. Математическое описание стадии охлаждения термомодифицированного пиломатериала 46
2.4. Алгоритм расчета процесса термомодифицирования древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов 48
Выводы. 53
Глава 3. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов термомодифицирования древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов 55
3.1. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при вакуумно-кондуктивнои сушке и термомодифицировании древесины 56
3.2. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при вакуумно-кондуктивнои сушке и термомодифицировании древесины 59
3.3. Исследование изменений химического состава термомодифицированной древесины 74
3.4. Экспериментальные исследования механических свойств термомодифицированной древесины 80
Выводы 84
Глава 4. Опытно-промышленная апробация результатов исследований процессов термомофицирования древесины в условиях вакуумных аппаратов 87
4.1. Пилотная установка вакуумно-кондуктивнои сушки и термомодифицирования пиломатериалов 88
4.2. Результаты опытно-промышленного термомодифицирования пиломатериалов в пресс-вакуумной камере 91
4.3. Технико-экономической анализ эффективности внедрения вакуумно-кондуктивных камер термомодифицирования древесины 102
4.4. Усовершенствование технологического процесса и оборудования классической конвективной технологии
термомодифицирования на базе проведенных исследований 104
Выводы. 108
Заключение
Условные обозначения литература
Приложение
- Современные представления о теоретических основах процесса термической переработки древесины
- Математическое описание процесса вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины
- Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при вакуумно-кондуктивнои сушке и термомодифицировании древесины
- Технико-экономической анализ эффективности внедрения вакуумно-кондуктивных камер термомодифицирования древесины
Введение к работе
Повышение энергетической эффективности деревообрабатывающих производств и коэффициента использования древесины местных и привозных пород в настоящее время для России является одной из актуальных задач. Требуется энергосберегающая технология переработки древесины, позволяющая пересмотреть вопросы использования древесины, в том числе низкосортной, для нужд деревянного домостроения и мебельного производства. Такой базовой инновационной энергосберегающей технологией на сегодняшний день является термомодифицирование древесины, поднимающее глубину переработки и продукцию из древесины на новый конкурентоспособный уровень.
Актуальность. Вследствие постепенного сужения возможных областей использования химически обработанной древесины и всё более ужесточающихся требований к самим химическим составам, что, в частности, видно из запрета Еврокомиссией применять древесину, обработанную антисептиками, содержащими соли тяжелых металлов, рынок потребления термообработан-ной древесины в последние годы постоянно расширяется, что также объясняется значительным улучшением эксплуатационных свойств древесины: повышается биологическая стойкость, снижается равновесная влажность, сокращается коэффициент разбухания древесины при увлажнении, существенно уменьшается возможность проникновения воды в материал, улучшаются декоративные свойства и т.д. Несмотря на ряд преимуществ данная технология модифицирования древесины в нашей стране не нашла широкого применения вследствие высокой энергоемкости процесса, существенно увеличивающей себестоимость переработки древесины. Известные в настоящее время зарубежные технологии в процессе термообработки для защиты материала от кислорода, а также подвода тепловой энергии используют перегретый водяной пар или жидкую среду. Это, зачастую, приводит к быстрому износу дорогостоящего оборудования вследствие воздействия высокотемпературной
агрессивной среды.
В то же время в деревообрабатывающем производстве широкое применение нашли вакуумно-кондуктивные сушильные камеры, возможность использования которых для термомодифицирования древесины до сих пор никем не была исследована. Использование вакуума позволяет не только избежать воспламенения древесины, произвести улов ценных летучих компонентов, удаляемых из неё в процессе воздействия высокой температуры, но и существенно снизить энергозатраты вследствие предотвращения тепловых потерь в окружающую среду, так же значительно интенсифицировать процесс. Кроме того, используемые в настоящее время технологии до сих пор не имеют расчетной базы, позволяющей получить оптимальные режимные параметры процесса, нет четких рекомендаций по выбору температурного режима и продолжительности обработки в зависимости от требуемых качеств готового продукта.
Таким образом, исследование процессов термомодифицирования древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов и разработку конкурентоспособных отечественных энергосберегающих технологий и оборудования следует считать актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнялась в рамках гранта Академии наук РТ для поддержки молодых ученых № 8-11/2008 (Г); в соответствии с национальным проектом «Доступное и комфортное жилье - гражданам России»; координационным планом НИР ВУЗов по процессам и аппаратам химических производств и кибернетике химико-технологических процессов.
Цель работы состоит в разработке энергосберегающей технологии ваку-умно-кондуктивного термомодифицирования древесины, создании метода расчета и рациональных температурных режимов, позволяющих получить готовый продукт с заданными свойствами.
В связи с этим, в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
анализ процессов, протекающих в древесине при её термомодифициро-
7 вании;
разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов;
разработка математической модели процессов вакуумно-кондуктивного термомодифицирования пиломатериалов, включающая стадии досушки, непосредственной термообработки и охлаждения;
разработка алгоритма расчета и моделирование процессов с целью выявления рациональных, с позиций качества и энергозатрат, режимов термомодифицирования;
разработка компьютерной методики определения цветовой гаммы термодревесины в зависимости от температуры и продолжительности термообработки;
разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов, а также исследования свойств термодревесины;
разработка аппаратурного оформления вакуумно-кондуктивного термомодифицирования пиломатериалов;
промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна. Разработана энергосберегающая технология вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесных пиломатериалов, позволяющая снизить энергозатраты на более чем 30%. Создана математическая модель процесса вакуумно-кондуктивного термомодифицирования пиломатериалов, которая позволяет определить продолжительность стадий досушки, термообработки и охлаждения термодревесины, а также проследить за влиянием различных стадий процесса на качество готового продукта.
По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований, выявлены рациональные режимные параметры ведения процесса в зависимости от требуемых характеристик готового продукта.
Получена зависимость цветовой гаммы термомодифицированной древе-
8 сины от температуры и продолжительности обработки.
Впервые исследованы закономерности методов осциллирующей сушки древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, которые позволили сократить энергозатраты на сушку твердых пород древесины на 26%. Разработаны и реализованы новые режимные параметры вакуумно-кондуктивнои сушки пиломатериалов.
Практическая ценность. Проведенные исследования позволили:
снизить энергетические затраты на проведение процесса термомодифицирования древесины;
выявить кинетические закономерности процессов вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины;
разработать рекомендации по термомодифицированию древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов;
на базе полученных аналитических решений разработать и реализовать компьютерную инженерную методику определения цветовой гаммы термо-модифицированной древесины в зависимости от входных параметров (температуры и продолжительности обработки);
разработать рекомендации по осциллирующей вакуумно-кондуктивнои сушке пиломатериалов из твердых пород древесины с целью сокращения энергозатрат на ведение процесса;
усовершенствовать существующие вакуумные сушильные камеры без существенных конструкторских доработок для возможности проведения в них термомодифицирования древесины.
Реализация работы. Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании метода расчета и аппаратурного оформления ва-куумно-кондуктивного способа термомодифицирования и осциллирующей вакуумно-кондуктивнои сушки пиломатериалов, направленных на снижение энергетических затрат при переработке низкосортной древесины.
Методика расчета и разработанный технологический регламент термомодифицирования пиломатериалов внедрены на ООО «Выбор».
Ряду предприятий представлена компьютерная инженерная методика определения цветовой гаммы термомодифицированной древесины в зависимости от входных параметров и документация на разработанную конструкцию установки для проведения вакуумно-кондуктивного способа термомодифицирования древесины.
Разработанные конструкции аппаратов приняты к серийному изготовлению предприятием ЗАО «Ферри Ватт». Разработанные экспериментальные установки, методики исследований и программные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курса «Гидротермическая обработка и консервирование древесины».
Автор защищает решение задачи, состоящей в разработке методов расчета процессов сушки и термомодифицирования древесины вакуумно-кондуктивным способом, и в использовании полученных результатов для создания высокоинтенсивных ресурсосберегающих технологий сушки и термомодифицирования, направленных на улучшение качества готового продукта, а именно:
энергосберегающую технологию вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины;
математическую модель термомодифицирования пиломатериалов ва-куумно-кондуктивным способом;
результаты математического моделирования и экспериментальных исследований процессов вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины;
компьютерную инженерную методику определения цветовой гаммы термомодифицированной древесины в зависимости от входных параметров;
конструктивные особенности установки для вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов в штабелях и результаты её внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международных конференциях «Современные энергосберегающие технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008» и
10 «Актуальные проблемы развития лесного комплекса»; на Всероссийской конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология».
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 разработаны лабораторные установки, выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях и патент РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
В первой главе рассмотрены существующие способы термомодифицирования древесины, представлены свойства термообработанных пиломатериалов, дан анализ современного состояния теории теплопереноса в процессе нагревания капиллярно-пористых коллоидных тел. Во второй главе разработана физическая картина процесса термомодифицирования древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, проведена формализация исследуемого процесса, дано математическое описание и блок-схема алгоритма вакуумно-кондуктивного термомодифицирования пиломатериалов. В третьей главе представлено описание экспериментальных установок и методик проведения исследований, а также изложены результаты математического и физического моделирования процессов вакуумно-кондуктивной сушки древесины с периодическим подводом тепла и термообработки древесины; приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических зависимостей, установлена адекватность разработанной модели реальному процессу. Четвертая глава посвящена промышленной реализации результатов
исследований процесса термомодифицирования и вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов: представлено описание вакуумной камеры, приведены результаты её испытаний с использованием разработанного технологического регламента термомодифицирования и дан анализ экономической эффективности работы установки.
На всех этапах работы в качестве научного консультанта активное участие принимал д.т.н., профессор Сафин Р.Г.
Современные представления о теоретических основах процесса термической переработки древесины
Структурные и химические изменения в древесине, вызванные воздействием температуры, определяют изменение ее физических и физико-химических свойств. При этом наряду с температурой весьма существенную роль играют продолжительность теплового воздействия, окружающая среда, давление и т.д. Так, например, наблюдается уменьшение общего содержания пентозанов при сушке дуба при температуре 56 С при продолжительности нагрева 126 дней. На этом основании сделан вывод, что термическое разложение древесины происходит и при низких температурах, если они действуют очень долго. Внешним показателем изменений является заметное потемнение окраски древесины. Так, например, цвет сосны, высушенной низкотемпературной сушкой при температуре до 75 С, согласно технологического процесса РТМ в течении 6-8 суток соответствует аналогичному цвету того же сортимента, высушенного высокотемпературной сушкой при температурах 100 — 120 С в течение 23 часов.
В литературе изучены последовательные стадии сухой перегонки древесины без доступа кислорода воздуха [96, 97, 101]. При этом данный процесс делят на несколько стадий: прогрев материала, сушку, термическое разложение, пиролиз, прокалку и охлаждение древесного угля.
Стадия сушки древесины заканчивается примерно при 120 С. На этой стадии из древесины удаляется содержащаяся в ней связанная влага, химический состав древесины практически не меняется и летучих продуктов почти не образуется.
Начальная стадия распада древесины протекает при температуре от 150 С до 210 - 230 С. В этот период начинается разложение менее термостойких компонентов древесины с выделением реакционной воды, углекислоты и некоторых других продуктов, изменяется химический и элементарный состав древесины. Заметные изменения в древесине происходят уже со 180 С. Температура 200 С определяет начало термического разложения древесины. Молекулы сырья приобретают подвижность и при данной температуре способность к разрыву с отщеплением углеродсодержащих групп и образованием новых веществ с меньшим молекулярным весом. Обе стадии сушки и начального разложения древесины эндотермичны и происходят при подводе тепла [97].
Стадия пиролиза - бурного распада древесины с выделением тепла (экзотермический процесс) и образования основной массы продуктов разложения начинается при 270 - 275 С и заканчивается примерно при 400 С, характеризуясь повышенным выделением веществ и уменьшением скорости выделения летучих. Фактически, интервал 320 - 380 С выделяют в отдельный период, где происходит процесс образования промежуточных высокомолекулярных соединений угольного остатка и их одновременное разложение с образованием летучих.
Стадия прокалки угля заканчивается в зависимости от типа аппарата и способа пиролиза при температуре 380 - 500 С. При этом выделяется небольшой объем жидких продуктов и значительный - газов. На данном этапе осуществляется образование структуры угля, сопровождающееся ростом выхода неконденсирующихся газов. Стадия прокалки осуществляется за счёт подвода теплоты [101].
Таким образом, рассмотрев стадии сухой перегонки древесины, можно сделать вывод, что температурный диапазон процесса термомодифицирования древесины должен быть ограничен 260 С, поскольку дальнейшее повышение температуры вызывает экзотермическую реакцию и интенсивное разложение древесины; также, на конечное качество термодревесины оказывает влияние продолжительность термической обработки.
Таким образом, процесс термообработки древесины можно разделить на следующие стадии: повышение температуры в камере до 130- 150 С и досушка материала при высокой температуре до абсолютно сухого состояния; повышение температуры до значений 190 - 260 С в зависимости от технологии и выдержка материала при этих значениях с целью придания древесине требуемых свойств и цвета; снижение температуры и доводка влажности древесины до эксплуатационного уровня 4 — 6 %.
В работах отечественных и зарубежных авторов отмечается, что при нагревании древесины в течение 24 - 48 часов до температуры 100 - 120 С пропорции компонентов практически не меняются, структурные изменения древесины наступают начиная с температуры выше 120 С. При приближении температуры нагрева к 150 С значительно изменяются пропорции компонентов: уменьшаются пентозаны, увеличиваются гексозаны, тогда как в лигнине не обнаруживается никаких изменений. Но эти изменения в молекулярной структуре древесины наблюдаются при воздействии температуры 150С в течении 24 часов, при менее продолжительном воздействии изменения не столь значительны. Рассмотрим эти утверждения с позиций химического строения древесины.
Основные компоненты клеточной стенки древесины: целлюлоза (41 -58 %), гемицеллюлозы (гексозаны и пентозаны — 15-38 %), лигнин (17-34 %), экстрактивные (смолы, камеди, танниды, жиры и др.) и минеральные вещества [163].
Главная составная часть клеточных стенок - целлюлоза - обеспечивает механическую прочность и эластичность тканей и представляет собой углеводный полимер (полисахарид с высокой степенью полимеризации 6000 — 14000). Пучок макромолекул целлюлозы представляет собой мельчайшее структурное образование - элементарную фибриллу. Элементарные фибриллы включают участки с упорядоченным (кристаллические области до 70 - 80 %) и беспорядочным (аморфные области) расположением молекул целлюлозы. Структурные элементы, различное расположение которых создает слоистое строение клеточной стенки, называются микрофибриллами. Целлюлоза является тем компонентом древесины, который при термообработке при повышении температуры до 240 - 250 С подвергается незначительному разрушению. При повышении температуры процесса до 240 С степень полимеризации целлюлозы уменьшается. Это объясняется тем, что образовавшаяся в результате гидролиза гемицеллюлозы уксусная кислота деполимеризует микрофибрилы целлюлозы на аморфных участках. В итоге уменьшается длина полимерных цепочек, и увеличивается кристалличность целлюлозы, повышается ее химическая стойкость, и снижается активность. При этом удаляется связанная вода, оксид и диоксид углерода. Данные изменения положительно влияют на показатели равновесной влажности и стабильности размеров термомодифицированной древесины (она значительно утрачивает способность к впитыванию влаги и разбуханию, что, в свою очередь, ведет к повышению стабильности ее размеров). Несколько увеличиваются показатели твердости при незначительном уменьшении прочности [164].
Математическое описание процесса вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины
Анализ физической картины процессов вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины показал, что совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ, согласно блочному принципу построения математического описания процесса [28], следует рассматривать, решая внешнюю - тепломассоперенос в разреженной среде и внутреннюю задачи — тепломассоперенос внутри материала. Структура потоков в процессах вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины показана на рис. 2.3.
Процесс предварительного удаления влаги из термомодифицируемого пиломатериала является ответственной стадией, поскольку конечное качество термодерева будет определяться отсутствием дефектов (трещин, коробления и т.п.), возникающих на стадии сушки древесины.
Аналитический расчет процессов сушки и нагревания коллоидных капиллярно-пористых тел основывается на решении дифференциальных уравнений тепломассопереноса. Для описания изменения во времени полей влажности и температуры по толщине материала воспользуемся уравнениями, предложенными А.В. Лыковым в следующей форме [123]:
Начальные условия для решения представленных дифференциальных уравнений, характеризующие начало всего процесса, вытекают из допущений, представленных в разделе «Формализация» Граничные условия для решения дифференциальных уравнений выбираются исходя из условий внешней задачи.
В процессе контактного прогрева древесины температуру поверхности материала в первом приближении можно принять равной температуре нагревательных элементов, а процесс массообмена характеризуется разностью парциальных давлений паров удаляемой влаги в среде и над поверхностью влажного материала. Тогда граничные условия для решения дифференциальных уравнений (2.1) и (2.2) могут быть записаны в следующем виде Граничные условия для решения дифференциальных уравнений (2.1) и (2.2) в процессе понижения давления (стадия вакуумирования) можно представить в виде выражений [91] Схема граничных условий для влажного пиломатериала в процессе вакуумирования представлена на рис. 2.4.
Поток влаги к поверхности массообмена можно определить из соотношения Представленная система уравнений при наличии начальных и граничных условий может быть использована при описании процессов сушки и прогрева плоской неограниченной пластины древесного материала начальной влажностью выше предела гигроскопичности.
При термомодифицировании пиломатериала, подвергнутого предварительной сушке в конвективных камерах периодического действия, влажность которых менее 15%, досушку древесины проводят по традиционной вакуумно-кондуктивной технологии: осуществляют постоянный подвод тепловой энергии к материалу при одновременном разрежении в аппарате. Тогда продолжительность стадии сушки пиломатериала толщиной s с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть определена по уравнению [Серговский]
Для описания прогрева материала до заданного температурного режима используется дифференциальное уравнение (2.2) при соответствующих краевых условиях (2.4) и (2.6). Зависимость коэффициента температуропроводности древесины при Рб = 500 кг/м в диапазоне Тм 273 К получена путём обработки опытных данных Поправочный коэффициент на плотность при определении коэффициента температуропроводности древесины при рб 500 кг/м при рб 500 кг/м Коэффициент влагопроводности ядровой древесины в зависимости от её температуры и базисной плотности Коэффициент теплопроводности древесины при рб = 500 кг/м в диапазоне положительных температур коэффициент на плотность при определении коэффициента теплопроводности древесины Таким образом, система уравнений (2.1) - (2.16) описывает удаление влаги из обрабатываемой древесины и прогрев материала до заданного температурного режима термомодификации. Окончание периода сушки сопровождается интенсивным прогревом и выдержкой материала при заданной температуре термомодифицирования. При этом происходит выделение из древесины легко летучих компонентов и их последующая конденсация в системе вакуумирования. Поток парогазовой смеси с поверхности материала при термомодифицировании определяется из выражения При нахождении всех частиц древесины в одинаковых условиях уравнение материального баланса для паровой среды записывается в следующим виде В этом уравнении первый член левой части характеризует приток парогазовой смеси в камеру за счет выделения из летучих компонентов; второй член - отвод парогазовой смеси в систему откачки; правая часть характеризует изменение массы парогазовой смеси, содержащейся в свободном объёме аппарата. Объёмная производительность системы удаления парогазовой смеси складывается из объёмных производительностей водокольцевого вакуумного насоса и конденсатора
Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при вакуумно-кондуктивнои сушке и термомодифицировании древесины
Математическое моделирование вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования древесины представляет собой исследование влияния различных режимных и конструктивных параметров на кинетику и динамику процессов и преследует цель выявления рациональных режимов для конкретных сортаментов пиломатериалов.
Проверка адекватности формализованных моделей реальным процессам производится сопоставлением результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических расчетов в идентичных условиях [28]. Эти результаты иллюстрированы в виде графических зависимостей, на которых сплошными линиями изображены данные, полученные расчетным путем, точками - результаты экспериментов.
С целью проверки разработанной математической модели сушки и термомодифицирования пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктиных аппаратов на адекватность реальным процессам были проведены математическое моделирование с помощью компьютерных программ для сред Q-basic и VBA, представленных в приложении, и экспериментальные исследования, проведенные в идентичных условиях на вышеописанной установке (рис. 3.1).
На рис. 3.2 показаны экспериментальные данные и расчетные кривые вакуумно-кондуктивной сушки березовых образцов толщиной 40 мм, полученные для первого цикла «прогрев - вакуумирование» в случае, когда температура нагревательной плиты поддерживалась на значении в 383 К, а остаточное давление на стадии вакуумирования было равно 5 кПа. Статистическая обработка по известной методике [90], показала, что количественная оценка расхождений расчетных и экспериментальных значений находится в пределах 29%. Это позволяет сделать вывод о возможности использования разработанной модели для теоретического анализа исследуемого процесса.
Как видно из графиков, среднее влагосодержание древесины, отмеченное штриховой линией, начинает снижаться с самого начала процесса. При этом в центральных слоях высушиваемого пиломатериала на стадии прогрева наблюдается повышение влажности за счет термов л агопроводности. Изменение температуры нагревательной плиты на стадии прогрева, а, как следствие, и изменение температуры поверхности материала задавалось с помощью уравнения, полученного эмпирическим путем. На стадии вакуумирования понижение давления происходит по экспоненциальному закону, после чего происходит выдержка при постоянном остаточном значении. Понижение давления вызывает интенсивное удаление влаги из поверхностных слоев древесины и, как следствие, их охлаждение. В то время как температура в центре материала сильно не изменяется, что приводит к образованию положительного градиента температуры.
С целью проверки адекватности разработанной модели при расчетах процессов вакуумно-кондуктивной сушки с периодическим подводом тепла различных пород древесины были проведены исследования по сушке сосновых и дубовых образцов толщиной 40 мм осциллирующими режимами (рис. 3.3). Результаты исследований представляют собой теоретические и экспериментальные значения влагосодержания после каждого цикла «прогрев-вакуумирование»: температура на стадии прогрева поддерживалась на значении 365 К, а давление на стадии вакуумирования составляло 5 — 7 кПа, что определялось максимальным разрежением, создаваемым вакуумным насосом.
Предметом рассмотрения настоящей главы является реализация результатов экспериментальных и теоретических исследований для решения практической задачи процедуры поиска рациональных режимов вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования пиломатериалов. Эта процедура выполняется на каждом конкретном этапе на основе использования разработанной модели сушки сортиментов и позволяет осуществить оптимизационный выбор технологических режимов. Режимом камерной сушки или термомодифицирования массивной древесины принято называть расписание параметров сушильного агента по времени или по состоянию древесины. Рациональным режимом термомодифицирования в зависимости от целей можно считать режим, использование которого обеспечивает минимальную продолжительность и экономичность процесса при равномерной внутренней тепловой обработке с получением одинаковой цветовой гаммы по всему сечению материала.
Для определения требуемой температуры нагревательной плиты в период прогрева стадии вакуумно-кондуктивной сушки с периодическим подводом тепловой энергии найдена зависимость продолжительности данной стадии от температуры плиты, представленная на рис. 3.4. Как видно из графика, зависимость имеет экспоненциальный характер, поэтому для ускорения процесса прогрева древесины следует использовать высокие температуры. Однако при этом значение температуры среды должно быть выбрано с учетом физико-механических свойств древесины, изменяющихся под действием высоких температур. Полученные из литературных источников результаты экспериментальных исследований по термическому разложению древесины без доступа воздуха указывают на частичное разложение нестойких компонентов, главным образом гемицеллюлоз, при повышении температуры выше 150 С [103]. Это значение можно использовать как верхнюю границу температуры при сушке пиломатериалов, не требующих высокого качества конечного продукта. В тоже время известно, что тепловая обработка практически не сказывается на физико-механических характеристиках материала, если продолжительность воздействия на древесину температуры в 80С не превышает 40-50 часов, температуры в 100С - 4-5 часов и температуры в 120С - 2-3 часа [156]. Однако окончательный температурный режим стадии прогрева необходимо определять после проведения технико-экономического анализа, поскольку чрезмерный нагрев может быть экономически неоправданным. Кроме того, при высокой температуре наблюдается интенсивное удаление влаги с поверхностных слоев древесины, вследствие чего возможны высокие сушильные напряжения.
Технико-экономической анализ эффективности внедрения вакуумно-кондуктивных камер термомодифицирования древесины
Для выявления экономической эффективности внедрения технологии вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины в промышленности был проведен технико-экономический анализ исследуемого способа в сравнении с получившей наиболее широкое распространение как в России, так и зарубежом финской технологией Thermowood, заключающейся в тепловой обработке перегретым водяным паром при температуре 185 - 212 С и средней продолжительности около 24 часов. В результате технико-экономического анализа ставилась цель выявления наиболее рациональных областей использования вакуумно-кондуктивной технологии сушки и термомодифицирования пиломатериалов и возможные пути снижения себестоимости сушильного оборудования. Анализ и оценка эффективности рассматриваемых технологий выполнены применительно к условному пиломатериалу, которому эквивалентны сосновые обрезные доски толщиной 40 мм, шириной 150 мм, высушенные по II категории качества до влажности 12 % [145]. Расчет экономической эффективности внедрения выполнен в соответствии с методикой [133]. Технико-экономический анализ показал целесообразность использования предложенной технологии на малых предприятиях деревообрабатывающей промышленности с годовой производительностью у по термодревесине не более 2000 м /год, что объясняется высокой трудоемкостью процесса вакуумно-кондуктивного термомодифицирования пиломатериалов, включающей ручную загрузку-выгрузку пиломатериалов. В случае использования финской конвективной технологии данная операция может быть механизирована, поэтому в структуре себестоимости при крупнотоннажном производстве термодревесины заработная плата обслуживающего персонала становиться существенно ниже энергетических затрат. Сравнительные технико-экономические показатели камер для термомодифицирования применительно к малому деревообрабатывающему предприятию объемом выпуска термодревесины 1000 м /год, представлены в таблице 4.5. Анализ таблицы показывает, что при равной производительности габариты вакуумно-кондуктивного комплекса значительно меньше, что объясняется отсутствием необходимости создания трактов для циркуляции теплоносителя. Данное обстоятельство приводит к значительному снижению металлоемкости камеры и, как следствие, её стоимости, что особенно важно для малых предприятий. Кроме того, ведение процесса контактного нагрева в условиях вакуума позволяет не только избежать потерь тепловой энергии в окружающую среду, но и способствует тому, что практически вся выработанная нагревательным элементом тепловая энергия расходуется на нагрев пиломатериала, в то время как в случае с конвективной технологией стает вопрос о необходимости получения водяного пара и его перегрева.
Таким образом, ведение процесса в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов позволяет сократить энергозатраты на процесс непосредственного термомодифицирования более чем на 30 %. Проведенный технико-экономический анализ указал на целесообразность внедрения конвективных камер для термомодифицирования в крупнотоннажных производствах с годовой производительностью по термодревесине более 2000 м /год. Поэтому на базе результатов исследований термомодифицирования древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, проведенных в настоящей работе, было проведено усовершенствование классической конвективной технологии в направлении интенсификации и снижения энергозатрат на проведение процесса, для чего была предложена соответствующая модернизация существующего оборудования. Интенсификация процесса была достигнута в результате сокращения продолжительности заключительной стадии - стадии охлаждения термодревесины. Снижение энергетических затрат на ведение процесса термомодифицирования было осуществлено путем рациональной утилизации отработанной тепловой энергии. На основе аналитического и патентного исследования была разработана и создана установка для реализации вакуумной сушки и термомодифицирования пиломатериалов с подводом тепла от газообразного теплоносителя, принципиальная схема и внешний вид которой представлены нарис. 4.8. Установка содержит герметичный цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, камеру тепловой обработки 3, трубчатые электронагреватели 4, вентилятор 5 с вынесенным электродвигателем, парогенератор 6 и систему вакуумирования, состоящую из конденсатора 7 и вакуумного насоса 8. Камера тепловой обработки 3 образована боковыми перфорированными стенками 9 с образованием сегментных зазоров. В сегментных зазорах вдоль корпуса 1 размещены ТЭНы 4. Аэродинамическая схема движения теплоносителя соединяет вентилятор 5 с камерой 3 через перфорацию боковых стенок 9, образуя, таким образом, горизонтально-поперечную циркуляцию агента обработки через штабель пиломатериалов 10.
Установка работает следующим образом. Штабель предварительно высушенных до 9 - 12 % пиломатериалов 10 на тележке помещают в камеру тепловой обработки 3, после чего корпус 1 герметизируют при помощи крышки 2. Далее производят предварительный прогрев пиломатериалов и корпуса аппарата до 90 - 95 С в среде влажного горячего воздуха. После чего из камеры 3 с помощью вакуумного оборудования удаляют воздух и подают водяной пар из парогенератора 6. При помощи включенных ТЭНов 4 повышают температуру агента обработки до требуемого значения и производят выдержку древесины в заданных условиях — происходит процесс термомодифицирования. После окончания процесса термомодифицирования термодревесину охлаждают, для этого в камеру 3 непрерывно подают насыщенный водяной пар из парогенератора 6.
