Эффективность и качество сушки пиломатериалов

А. Г. Гороховский, Е. Е. Шишкина





                ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ




Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 674.047
ББК 37.130.3
      Г70


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры технологии лесопользования и ландшафтного строительства ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет» Исаев Сергей Петрович;
доктор технических наук, профессор кафедры технологии материалов, конструкций и сооружений из древесины ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» Баранкина Галина Степановна



      Гороховский, А. Г.
Г70        Эффективность и качество сушки пиломатериалов : монография /
      А. Г. Гороховский, Е. Е. Шишкина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 188 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1157-8

           Рассмотрены проблемы эффективности и качества сушки пиломатериалов, методы определения параметров качества и рациональные значения их показателей. Приведены результаты многолетних исследований технологии сушки пиломатериалов в камерах различного типа. Предложены технологии, позволяющие обеспечивать высокое качество пиломатериалов при достаточной эффективности процесса сушки. Даны рекомендации по практическому использованию результатов исследований в промышленности.
           Для научных и инженерно-технических работников деревообрабатывающей промышленности.

УДК 674.047
ББК 37.130.3











ISBN 978-5-9729-1157-8

      © Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е., 2022
      © ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет», 2022
                               © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                               © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
1. СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ...........................6
2. ПРОБЛЕМА ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ...............................................11
2.1. Общие положения.........................................11
2.2. Анализ структуры энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов...............................................11
2.3. Пути снижения энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов.16
2.4. Режимы сушки древесины, построенные на использовании явления термовлагопроводности................................20
2.5. Лесосушильные камеры с естественной циркуляцией воздуха.24
2.6. Система требований к качеству сушки пиломатериалов. Нормализация качества........................................28
2.7. Контроль параметров качества сушки......................43
2.7.1. Определение влажности древесины.......................43
2.7.2. Определение внутренних напряжений.....................44
2.8. Технология сушки пиломатериалов.........................45
2.9. Выводы..................................................48
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗБРОСА ВЛАЖНОСТИ
СУХИХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ ДЕРЕВООБРАБОТКИ..............................................51
3.1. Определение величины допусков на размеры деталей мебели и столярно-строительных изделий..............................56
3.2. Определение допускаемых изменений влажности древесины...57
3.3. Определение рациональных значений влажности древесины в изделиях...................................................69
3.4. Выводы..................................................86
4. МОДЕЛИ МАССОПЕРЕНОСА В КОЛЛОИДНОЙ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЕ ДРЕВЕСИНЫ......................87
4.1. Структура древесины.....................................87
4.1.1. Макро- и микроскопическое строение древесины..........87
4.1.2. Строение клеточной стенки древесины...................96
4.1.3. Вода в древесине и ее перенос.........................98
4.2. Модели коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины...100
4.3. Модели переноса влаги в капиллярах древесины...........107
4.4. Модель внешнего влагообмена древесины...................114
4.5. Модель потенциала влагопереноса агента сушки............116

3

4.6. Выводы....................................................120
5.  УТОЧНЕНИЕ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ..............123
5.1. Требования к точности метода контроля влажности...........123
5.2. Требования к точности определения массы влаги и древесного вещества при определении влажности древесины
сушильно-весовым методом.......................................127
5.3. Экспериментальное исследование сушильно-весового метода...131
5.3.1. Результаты эксперимента и их анализ.....................132
5.4. Разработка оперативного метода контроля интегральной влажности штабеля пиломатериалов...............................137
5.4.1. Теоретические основы метода контроля влажности древесины по перепаду температур на штабеле..............................137
5.4.2. Экспериментальная проверка метода контроля текущей влажности древесины по перепаду температуры агента сушки на штабеле.....144
5.5. Выводы....................................................148
6.  УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ..................148
6.1. Процесс сушки пиломатериалов как объект управления........148
6.2. Постановка и решение задачи оптимального управления для объектов с распределенными параметрами....................150
6.2.1. Общая постановка задачи оптимального управления........150
6.2.2. Методы решения задач оптимального управления...........152
6.3. Оптимальное управление процессами тепло- и массопереноса при сушке.....................................................157
6.4. Алгоритм управления системой оптимального быстродействия при низкотемпературной сушке пиломатериалов...................160
6.5. Управление влагообменом при сушке........................166
6.6. Выводы...................................................170
Список литературы.............................................171

4

ВВЕДЕНИЕ


    Одним из основных приоритетов стратегии развития России до 2030 г. является повышение энергоэффективности экономики. Согласно данной стратегии почти три четверти необходимого прироста энергопотребления должно обеспечиваться за счет проведения энергосберегающих мероприятий. Для этого необходимо в кратчайшие сроки решить проблемы, связанные со значительным (в несколько раз) снижением энергопотребления самых различных технологий.
    В этом отношении лесопромышленный комплекс России в целом и деревообрабатывающая промышленность в частности не является исключением. В деревообработке одним из самых энергозатратных технологических процессов является камерная сушка пиломатериалов. С одной стороны она в значительной степени определяет качество продукции из древесины, с другой стороны затраты на сушку могут составлять до 30 % стоимости сухих пиломатериалов.
    Удаление влаги из древесины в процессе сушки представляет собой достаточно сложный физико-химический процесс, сопровождающийся тепло- и мас-сообменом, изменением размеров и формы сортиментов древесины, а также всего комплекса параметров, определяющих её качество.
    Важнейшим звеном при этом является технология сушки, развитие которой в настоящее время идёт, в основном, путем совершенствования режимов сушки на основе современных методов компьютерного моделирования и оптимизации процессов.
    Применяемая в отечественной практике сушки система трёхступенчатых режимов далека от совершенства и требует существенной корректировки. Особо важным это становится в связи с постоянно повышающимися требованиями к качеству продукции и внедрением энергосберегающих технологий.
    Поэтому одним из возможных направлений совершенствования технологии сушки является применение таких режимов сушки, которые с одной стороны, были бы лишены недостатков существующих режимов, а с другой стороны могли быть сравнительно просто реализованы с помощью современных технических средств автоматизированного управления лесосушильными камерами.
    Таким образом, создание технологий сушки древесины, позволяющих получить высококачественную продукцию при минимальных затратах энергии является важной народнохозяйственной проблемой.

5

1. СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ


    Обезвоживание - это процесс удаления влаги из материала независимо от её фазового состояния и способа [162, 163].
    Влага, находящаяся в древесине, может быть удалена в виде пара, жидкости и льда. Исходя из этого, все способы обезвоживания можно условно разделить на три группы (рис. 1.1):
     -  термические;
     -  механические;
     -  комбинированные.


Рис. 1.1. Способы удаления влаги из древесины

    При термических способах обезвоживания происходит фазовое превращение влаги в пар в результате теплового воздействия:
     -  выпаривания;
     -  испарения;
     -  сублимации - вымораживания*.
    Эти способы получили наибольшее распространение под названием способов сушки древесины.

      * влага переходит из твёрдого непосредственно в газообразное состояние

6

    При механических способах обезвоживания влага удаляется в виде жидкости в результате центробежной силы, силового воздействия электрического, электромагнитного полей, а также ультразвука. Эти способы не нашли пока широкого промышленного применения.
    Третью группу составляют комбинированные способы, при которых используется как фазовое превращение влаги под действием тепла, так и удаление влаги в жидком виде под силовым воздействием. К этим способам можно отнести: высокочастотно-конвективный, пневмо-конвективный, центробежно-высокочастотный и др.
    Комбинированными способами большую часть свободной влаги удаляют силовым воздействием, а до необходимой конечной влажности доводят в результате теплового воздействия (сушка).
    Термические способы обезвоживания (сушки) древесины.
    В зависимости от источника тепла бывает естественная и искусственная сушка.
    К естественным способам относятся атмосферная и транспирационная (биологическая) сушка. Для удаления влаги этими способами используют естественные источники тепла - солнечную радиацию и параметры окружающей среды.
    К естественным способам можно отнести так называемую атмосферную сушку, которая основана на использовании в качестве сушильного агента атмосферного воздуха без его искусственного подогрева. К этому способу можно отнести атмосферную сушку круглых лесоматериалов и пиломатериалов в штабелях [47, 108]. К преимуществам этого метода сушки можно отнести отсутствие затрат тепловой энергии на удаление влаги из древесины, а к недостаткам:
     -       возможность сушки только до транспортной влажности (18-22 %) при достаточно широком ее разбросе;
     -       большую зависимость сроков сушки от времени года и географического местонахождения склада пиломатериалов.
    Транспирационная (биологическая) сушка деревьев достигается в результате прекращения подачи влаги из корневой системы дерева и последующего испарения части капиллярной влаги из ствола кроной.
    При искусственной сушке перенос тепла материалу осуществляется:
     -       газообразной средой при сушке в воздухе, топочном газе или перегретом паре;
     -  жидкой средой при сушке в керосине, петролатуме, масле и т. д.;
     -  твердым телом при контактной сушке;
     -  ИК-лучами;
     -  электрическим током;
     -  электромагнитным полем.
    Основными факторами, определяющими массоперенос при сушке, являются градиенты влажности, температуры и давления [234].

7

    Конвективный способ сушки наиболее распространен и достигается конвективной циркуляцией специально подогретого воздуха по высушиваемому материалу. К достоинствам конвективного способа сушки можно отнести:
     -  сравнительно высокую интенсивность процесса;
     -  возможность управления процессом;
     -  достижение необходимой конечной влажности;
     -  независимость от сезона.
    Недостатками способа являются:
     -  значительный расход энергии (1,5-3 кВт • час на 1 кг удаляемой влаги);
     -  длительность процесса;
     -       низкая эффективность качественной сушки лесоматериалов больших сечений.
    Кондуктивный (контактный) способ сушки заключается в передаче тепла древесине от нагретых поверхностей (чаще металлических). В качестве примера можно привести сушку шпона в, так называемых, дыхательных прессах [147], достаточно широко применявшуюся в промышленности в 30-50-е годы XX века.
    При сушке пиломатериалов контактный нагрев применяется в индукционных камерах током промышленной частоты [153]. Достоинством способа является относительно меньший расход энергии (1,25-1,45 кВт • час на 1 кг удаляемой влаги). Основной недостаток способа - это длительность сушки.
    Сушка бревен в гидрофобных жидкостях (расплавах) применяется в строительстве деревянных конструкций (мостов, ферм, арок и т. п.), а также при изготовлении столбов, шпал и других сортиментов, предназначенных для эксплуатации в атмосферных условиях. Процесс сушки протекает при температуре выше 100 °С и характеризуется высокой интенсивностью. К недостаткам способа относятся [163, 205, 218, 219]:
     -  большой расход гидрофобной жидкости;
     -  снижение технологических качеств древесины (в первую очередь цвет); - пожароопасность производства.
    Сушка токами высокой частоты (ТВЧ) заключается в том, что влажная древесина как несовершенный слоистый диэлектрик, помещенный в переменное электрическое поле, нагревается вследствие колебательного движения полярных молекул, непрерывно ориентирующихся в направлении меняющегося поля (молекулярное трение) [18, 31, 40, 88].
    Испарение влаги при высокочастотном способе сушки древесины происходит в результате ее нагрева, причем температура, давление, а иногда и влажность во внутренних слоях выше, чем на поверхности, что способствует движению влаги к поверхностным слоям.
    Срок сушки древесины ТВЧ в 10-20 раз ниже, а качество выше, чем при конвективной сушке. Большой расход энергии (4 кВт • час и более на 1 кг удаляемой влаги) и сложность оборудования сдерживает широкое применение данного способа.

8

    Инфракрасная сушка [126]. ИК-нагрев поверхности сохнущего материала мало способствует прогреву материала по сечению, что практически исключает применение данного вида нагрева, например, при сушке пиломатериалов.
    Вакуумная сушка основана на том, что с понижением давления среды интенсифицируется внешний влагообмен в связи с увеличением коэффициента диффузии и внутренний влагоперенос в результате возникновения избыточного давления в древесине [88]. Установлено, что в диапазоне низкого вакуума (68 кПа) скорость сушки древесины увеличивается в 4,68 раза. В области среднего вакуума (Р = 100 - 0,1 Па) сушка носит сублимационный характер и происходит при отрицательных температурах. При этом замерзшая в материале влага превращается в пар, минуя жидкую фазу.
    Механические способы обезвоживания.
    Прямое удаление влаги. Замечено [108], что в очень сырых лесоматериалах некоторых древесных пород (бук, сосна) при вертикальном положении в летнее время часть влаги внутри древесины перетекает вниз и даже вытекает наружу из нижнего их конца. При нагревании древесины этот эффект возрастает.
    В жидком виде влага вытекает также из торцев сжигаемых сырых дров.
    Пневматический способ обезвоживания основан на создании перепада давления сжатого воздуха по торцам сортимента. Результаты исследований показали [177], что удаление влаги возможно при давлении 0,8 МПа и более. В целом, эффективность метода невысока.
    Механическое обезвоживание в прессфильтрах, шнеках и центрифугах возможно для таких материалов как древесная кора, стружка, опилки [177]. Частично выдавливается и вытекает влага из фанерного шпона во время его лущения.
    Вибрационный способ. Установлено [177], что количество влаги в капиллярах зависит от интенсивности колебания. Расчеты показывают, что интенсивность колебаний, при которой начинается обезвоживание березовых образцов, составляет 80g, а существенного обезвоживания можно достичь при интенсивности колебаний, превышающей 200g. Из механических способов обезвоживания вибрационный способ пока наиболее энергоемкий, так как большая доля энергии затрачивается на разгон и торможение всей массы древесины в процессе вибрации.
    Центробежный способ. Известно [118, 142, 163, 177], что для удаления из древесины влаги в жидком состоянии нужно преодолеть силы сцепления. Большинство авторов считают, что получить центробежную силу, которая бы дала возможность преодолеть силы сцепления, практически невозможно, поэтому для устранения связанной влаги в любом случае, по их мнению, нужна тепловая энергия. Исходя из этого, считают, что вращение можно применять в основном для удаления свободной влаги, связанной капиллярными силами.
    Электрокинетическое обезвоживание древесины. В основе способа лежит электроосмос - перемещение жидкости относительно твердого скелета (древесины) под действием электрического поля в направлении, определяемом знаком электрокинетического потенциала.

9

    Современное представление о механизме электрокинетических явлений основывается на идее о существовании двойного электрического слоя ориентированных диполей на межфазной границе. Этот слой, не являясь диффузионным, может индуцировать вторичные диффузионные слои, распространяясь вглубь обеих фаз по обе стороны от поверхности раздела. Движение ионов диффузионного слоя под действием электрического поля увлекает за счет внутреннего трения (вязкости) всю массу жидкости, заполняющую капилляры.
    Известны работы [73, 220] в которых отмечается значительная эффективность применения электроосмоса: сушка стен зданий, кварцевого песка, торфа и т. п., а также древесины [30]. В последнем случае авторы пришли к выводу о малой эффективности способа при достаточно высоких энергозатратах.
    Комбинированные способы обезвоживания.
    Вибрационно-конвективный способ заключается в том, что при вибрировании материала у его поверхности возникает разрежение, пульсирующее с частотой вибратора. Это происходит в результате быстро меняющихся циклов сжатия и расширения среды у поверхности при ее вибрировании. Создаваемая дополнительная конвекция ускоряет процесс сушки и позволяет уменьшить интенсивность колебаний [163].
    Центробежно-конвективный способ состоит в использовании центробежных сил и конвекции. В результате действия центробежных сил происходит подача свободной влаги к поверхности и ее удаление. Удаление связанной влаги происходит в результате испарения, в качестве сушильного агента используется нагретый воздух [163].
    Центробежно-высокочастотный способ состоит в том, что лесоматериалы предварительно обезвоживают центробежным способом, а затем помещают в электрическое поле высокой частоты. Экспериментально показана высокая эффективность этого способа.
    Вакуумно-высокочастотный способ сушки. В данном случае все преимущества высокочастотной сушки усиливаются за счет высокой эффективности сушки в вакууме. Кроме того, в случае применения вакуума кроме диэлектрического нагрева сложно предложить какой-либо другой [88].
    Следует отметить, что, несмотря на многообразие способов обезвоживания древесины, наибольшее распространение для сушки пиломатериалов, шпона, измельченной древесины преимущественно нашла тепловая сушка, в подавляющем большинстве случаев конвективная.

10

2. ПРОБЛЕМА ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
2.1. Общие положения

    Эффективность сушки как технологического процесса наиболее полно может быть оценена суммарными затратами на 1 м³ высушенных пиломатериалов. Однако, в условиях наблюдаемого сейчас в России роста тарифов на тепло и электроэнергию особо актуальным является снижение энергоемкости продукции деревообрабатывающих предприятий (ДОП): в настоящее время доля энергетических затрат в структуре себестоимости продукции достигает 2030 % [9, 189]. В этой связи эффективность сушки может быть однозначно оценена суммарным расходом энергии на 1 м³ пиломатериалов [43]. Во всей технологии деревообработки сушка является самым энергоемким процессом и при этом она на 70-80 % определяет качество продукции. Таким образом, обеспечение качества сушки при высокой эффективности процесса становится важнейшей и единой проблемой.

2.2. Анализ структуры энергозатрат на камерную сушку пиломатериалов

    Вопросы анализа, как количественных величин энергозатрат, так и их структуры являются предметом многочисленных исследований [22, 23, 32, 42, 45, 48, 83, 90, 91, 95, 98, 99, 101, 109, 115, 124, 139, 182, 191, 198, 212, 213, 214].
    В табл. 2.1 приведены показатели расхода тепловой и электрической энергии на сушку древесины для различных групп предприятий Минлесбумпрома СССР в конце 70-х годов XX века [48].
Т а б л и ц а 2.1 Средние показатели расхода тепловой и электрической энергии на камерную сушку пиломатериалов (по данным А. А. Горяева [48])

 №                                Расход энергии       
п/п        Предприятие        Тепловой, Электрической,
                               ГДж/м3     кВт • ч/м3  
 1  Лесопильные и лесопильно-   1,84         27,3     
    деревообрабатывающие                              
 2  Деревообрабатывающие и      2,89         30,2     
    домостроительные                                  
 3  Мебельные                   5,86         42,5     

Для сравнения можно привести данные [101] по расходу электроэнергии на различные виды продукции деревообработки (табл. 2.2).

11

Т а б л и ц а 2.2
Средние нормы и фактические удельные расходы электроэнергии на промышленную продукцию

Наименование продукции     Единица   Расход электроэнергии  
                          измерения  Норма       Факт      
Пиломатериалы             кВт • ч/м3 19,7        19,4      
Древесностружечные плиты  кВт • ч/м3 177,2      172,8      
Древесноволокнистые плиты кВт • ч/м3  2,1        2,1       
Фанера клееная            кВт • ч/м3 105,3      104,6      

В табл. 2.3 приведена структура себестоимости камерной сушки пиломатериалов [83] для указанных выше периода времени и предприятий.


Т а б л и ц а 2.3
Структура себестоимости камерной сушки пиломатериалов

                            Режим и категория качества сушки      
       Статьи затрат        Мягкий Нормальный Форсиро- Высокотем-
                            (I)       (II)     ванный  пературный
                                               (III)     (III)   
Полная себестоимость, %      100      100       100       100    
В том числе:                53,6      51,9      49,2      51,1   
- пар (тепловая энергия)    8,7       8,9       10,3      11,3   
- электроэнергия            11,0      16,0      19,3      21,2   
- основная и дополнит. зар-  26,0     22,2      20,6      15,9   
платы                        0,7      1,0       0,6       0,5    
- амортизация и текущий                                          
ремонт                                                           
- прочее                                                         

Примечание - Приведенные в табл. 2.3 данные соответствуют сушке сосновых пиломатериалов сечением 50x150 мм, от Waw = 60 % до Wron = 7 % в воздушной камере СПМ - 2К.


    Анализируя данные таблиц 2.1 - 2.3 можно заметить, что:
      -       затраты электроэнергии на камерную сушки пиломатериалов в 1,52,0 раза превышают таковые на их выпиловку;
      -       в структуре полной себестоимости камерной сушки пиломатериалов доля энергетической составляющей весьма значительна - около 60 %;
      -       при этом доля тепловой энергии представляет собой достаточно стабильную величину - в пределах 50 %;
      -       доля электроэнергии зависит от применяемого режима сушки (категории качества) и по мере его ужесточения она растет от 8 до 11 %. Следует отметить, что при этом абсолютные значения величины затрат как тепловой, так и электрической энергии, безусловно уменьшаются.
    Однако необходимо учитывать, что в последние годы соотношение цен на различные виды энергоносителей резко изменились. Проведенные в последние

12