Автоматизация расчетов процесса сушки древесины

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

А. Г. ПОЗДЕЕВ     В. Г. КОТЛОВ      Ю. А. КУЗНЕЦОВА 

 
 
 
 
 

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ 

ПРОЦЕССА СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ 

 
 
 
 

Монография 

 
 
 
 
 

 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2017 

УДК 674.047 
ББК  37.130.3 

П 47 

 
 
 

Р е ц е н з е н т ы :  

В. И. Жаданов, доктор технических наук (ОГУ) 

Б. В. Лабудин, доктор технических наук (С(А)ФУ) 
В. И. Мелехов, доктор технических наук (С(А)ФУ) 

А. Ю. Мануковский, доктор технических наук (ВГЛТУ) 

 
 
 
 
 
 

Поздеев, А. Г.

П 47
Автоматизация расчетов процесса сушки древесины: моно
графия / А. Г. Поздеев, В. Г. Котлов, Ю. А. Кузнецова. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2017. – 140 с.
ISBN 978-5-8158-1873-6

Рассмотрены вопросы проектирования малогабаритных установок 

для сушки древесины. Изложены принципы конструирования теплообменных аппаратов для конвективной сушки пиломатериалов. Приведен 
автоматизированный расчет основных параметров и конструктивных 
элементов модуля для сушки древесины, выполненный в прикладной 
программной среде MathCad.

Для научных работников, аспирантов и студентов, изучающих ме
тоды информационных технологий для автоматизации расчетов на всех 
этапах проектирования теплообменных аппаратов.

УДК 674.047 
ББК  37.130.3 

 
ISBN 978-5-8158-1873-6
© Поздеев А. Г., Котлов В. Г., 
Кузнецова Ю. А., 2017
© Поволжский государственный
технологический университет, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Введение ....................................................................................................... 5 
 
ГЛАВА 1. Обзор состояния вопроса в области технологий  
сушки древесины ....................................................................................... 8 

1.1. Типы сушильных камер ................................................................. 8 
1.2. Камеры периодического действия .............................................. 10 
1.3. Основные направления утилизации древесных отходов  

на предприятиях лесного комплекса .......................................... 11 

1.4. Комплексы сжигания древесных отходов .................................. 18 
Выводы по главе 1 ................................................................................ 23 

 
ГЛАВА 2. Технологический расчет сушильной установки ............. 25 

2.1. Цель и задачи расчета сушильной установки ............................ 25 
2.2. Расчет производительности сушильных камер  

на материале заданной характеристики ..................................... 26 

2.3. Расчет производительности сушильных камер  

в условном материале .................................................................. 30 

2.4. Скорость сушильного агента при сушке  

условных пиломатериалов .......................................................... 34 

2.5. Определение параметров агента сушки ..................................... 38 
2.6. Определение объема свежего и отработавшего воздуха .......... 39 
2.7. Определение расхода теплоты  

на начальный прогрев древесины .............................................. 39 

2.8. Потери теплоты через ограждения камеры ............................... 42 
2.9. Удельный расход теплоты на сушку .......................................... 43 
Выводы по главе 2 ................................................................................ 44 
 
  

ГЛАВА 3. Информационно-технологическое обеспечение 
расчета сушильной установки .............................................................. 46 

3.1. Конструкции малогабаритных сушильных установок ............. 46 

3.2. Базовый вариант сушильной камеры для использования  

в условиях малых предприятий лесного комплекса ....................... 49 

3.3. Усовершенствованный вариант сушильной камеры  

для использования в условиях малых предприятий  
лесного комплекса ....................................................................... 51 

3.4. Аэродинамический расчет сушильной камеры ......................... 55 
Выводы по главе 3 ................................................................................ 64 

 
ГЛАВА 4. Источники теплоснабжения проектируемой 
сушильной камеры .................................................................................. 65 

4.1. Базовый вариант теплофикационной установки 

сушильной камеры....................................................................... 65 

4.2. Горение древесного топлива ....................................................... 68 
4.3. Характеристика топки для сжигания древесных отходов ........ 72 
4.4. Расчет теплообменника сушильной камеры .............................. 73 
Выводы по главе 4 ................................................................................ 80 

 
ГЛАВА 5. Автоматизированные расчеты конструктивных  
элементов сушильной камеры .............................................................. 81 

5.1. Применение газохода в качестве теплообменника ................... 81 
5.2. Детальный расчет печи ................................................................ 86 
5.3. Обоснование параметров дымососа и вентилятора .................. 91 
5.4. Особенности строительства сушильных камер ......................... 93 
5.5. Расчет теплопотерь через трехслойную панель  

ограждения камеры...................................................................... 96 

5.6. Расчет трехслойной панели на устойчивость  

при одностороннем сжатии ......................................................... 99 

5.7. Подъемно-транспортное оборудование сушильной камеры .. 109 
Выводы по главе 5 .............................................................................. 127 

 
Заключение ............................................................................................... 129 
Библиографический список .................................................................... 134 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Последняя четверть прошлого столетия и начало нынешнего озна
меновались энергетическим кризисом. Сложившееся положение определяется дефицитом энергоносителей, что, в частности, относится и к 
предприятиям лесной и деревообрабатывающей промышленности. 

В результате работы деревообрабатывающих предприятий в Рос
сии ежегодно образуется порядка 70 млн тонн древесных отходов, 
большая часть которых, как правило, остается невостребованной, 
ухудшая пожарную безопасность и экологическую обстановку в местах расположения предприятий. Между тем их можно и нужно рационально использовать. 

В условиях, когда наблюдается тенденция роста тарифов на энерго
носители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения 
в производственно-хозяйственной деятельности предприятий лесного 
комплекса. 

Доля энергетических затрат в структуре затрат различных предприя
тий и учреждений, потребляющих покупную тепловую энергию, достигает значительных величин (20...30 %). 

Во всем мире постепенно отказываются от котельных, работающих 

на углеводородных топливах, загрязняющих окружающую среду. Кроме 
экологического риска, причиной тому служат малая эффективность и 
высокая стоимость производства тепловой энергии. 

Наряду с дефицитом топлива на предприятиях лесного комплекса 

накапливается большое количество древесных отходов. 

Даже при высокой степени их использования остается много некон
диционных отходов, которые могут быть употреблены только в качестве топлива. 

Помимо экономической эффективности использование отходов дре
весины в качестве источника тепловой энергии позволяет за счет высокой реакционной способности древесины сжигать ее при более низкой 
температуре, что уменьшает выбросы окислов азота, серы и фосфора, а 
также снизить температуру отходящих газов до 110-120 °С [18]. 

Использование древесного опила в качестве топлива ведет к повы
шению экологических характеристик, снижению затрат на покупные 
энергоносители и повышению пожарной безопасности за счет ликвида

ции запасов древесных отходов на территории предприятий лесного 
комплекса [21]. 

Расширение ряда типоразмеров малогабаритных сушильных камер 

для предприятий малого бизнеса в лесной отрасли, вызванное потребностями рынка и отсутствием крупных производителей лесной продукции, требует широкого внедрения информационных технологий в проектно-конструкторскую практику. 

Уменьшение габаритов сушильных камер при одновременном росте 

производительности ведет к повышению мобильности и возможности 
обслуживания нескольких производителей на основе аренды одной камеры, что способствует увеличению коэффициента загрузки камер. 

Основой совершенствования технологий сушки древесины является 

применение методов информационных технологий для автоматизации 
расчетов на всех этапах проектирования теплообменных аппаратов [65]. 

Целью исследования является разработка средств автоматизирован
ного расчета параметров сушильных камер, использующих отходы переработки древесины для производства тепловой энергии, адаптированных к условиям деятельности предприятий лесного комплекса. Для ее 
реализации сформулированы следующие задачи: 

1) исследовать принципы конструирования теплообменных аппара
тов для конвективной сушки пиломатериалов [47]; 

2) разработать автоматизированные методики расчетов основных 

параметров и конструктивных элементов модуля для сушки древесины. 

Новизна исследования заключается в применении на всех этапах 

проектирования автоматизированных расчетов на основе прикладной 
программной среды MathCad, что позволяет мобильно перестраивать 
производство сушильных камер в соответствии с динамично изменяющимися запросами рынка и предприятий малого бизнеса.  

Использование рационального сочетания типовых источников тепла 

с технологическими аппаратами позволяет гибко реагировать на изменение технической конъюнктуры и дает возможность создавать комплексы, в наибольшей степени соответствующие требованиям повышенной производительности и экологичности при минимальных затратах на их производство. 

Практическое значение исследований заключается в разработке ав
томатизированных методик проектирования широкого номенклатурного 

ряда сушильных камер с печами для сжигания древесных отходов, позволяющих повысить эффективность сбережения материальных и энергетических ресурсов и улучшить экологическое состояние лесных регионов страны.  

Выводы и результаты исследований, изложенные в работе, базиру
ются на теории тепломассообмена и теплопередачи, методики расчета 
теплообменных аппаратов, а также методах информационных технологий для автоматизации расчетов на всех этапах проектирования. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных положений и методик расчета, используемых при решении 
задач тепломассообмена [32], а также принципов конструирования теплообменных аппаратов для конвективной сушки пиломатериалов. 

Глава 1
ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЙ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

 
 

1.1. Типы сушильных камер 

 

Сушка пиломатериала – сложный процесс, закономерности которого 

определяются тепло- и влагообменом, теплопроводностью и влагопереносом [66]. Классификация способов сушки пиломатериалов основана 
на особенностях передачи теплоты высушиваемому материалу [23, 29]. 
По этому признаку можно выделить конвективные и диэлектрические 
сушильные камеры [7]. 

В конвективных сушильных камерах теплота к пиломатериалу под
водится нагретым воздухом и с его помощью испаряющаяся влага уносится из пиломатериала за пределы камеры в атмосферу. В конвективных сушильных камерах агент сушки в смеси с водяным паром нагревается, циркулируя через теплообменник с нагретой внешней поверхностью или в газовых камерах – смешиваясь с продуктами сгорания газообразного, твердого, жидкого топлива. Конвективные сушильные камеры бывают низкотемпературными и высокотемпературными [31]. 

В диэлектрических сушильных камерах тепловая энергия образуется 

непосредственно в пиломатериалах в результате преобразования токов 
высокой или сверхвысокой частоты за счет диэлектрических потерь [6]. 
Вакуумно-конвективные и вакуумно-диэлектрические сушильные камеры в качестве источника тепла используют электроэнергию [15, 16]. 

Как конвективные, так и диэлектрические камеры сушки пиломате
риалов могут работать при пониженном давлении [19]. 

В аэродинамических бескалориферных сушильных камерах воздух 

нагревается за счет аэродинамических потерь в роторе центробежного 
вентилятора и его кожухе. Разновидностью конвективных сушильных 
камер являются конденсационные сушильные камеры [2]. 

Аэродинамические сушильные камеры получили широкое распро
странение из-за относительно невысокой стоимости, простоты конструкции, надежности в эксплуатации. Такие камеры не требуют подго

товки обслуживающего персонала [20], они рентабельны при работе в 
условиях малых предприятий при объемах сушки до 2000 м3 хвойных 
пород в год. 

К недостаткам таких камер относятся: 
 высокая энергоемкость процесса сушки, которая при сушке све
жеспиленной древесины составляет 240…290 кВт·ч/м3 электроэнергии; 

 отсутствие прямой регулировки температуры, рост которой мож
но замедлять путем изменения проходного сечения всасывающего отверстия центробежного вентилятора. 

Наиболее распространенным способом сушки является применение 

конвективных сушильных камер с теплообменом в воздушной или газопаровой средах с получением теплоты в результате сжигания древесных отходов. Этот вид сушки основан на передаче теплоты древесине от 
газообразной среды путем конвекции.  

Конвективные сушильные камеры остаются самыми востребован
ными из-за невысокой стоимости, малого потребления электроэнергии, 
высокого качества высушенных пиломатериалов, простоты в обслуживании и надежности в работе. 

Различают следующие типы камер: 
 периодического действия, предназначенные для небольших и 

средних предприятий лесопильной и деревообрабатывающей промышленности [57]; 

 непрерывного действия (туннели), удовлетворяющие нужды 

предприятий большой мощности [25]. 

Камеры периодического действия применяются при необходимости 

сушки с высоким качеством и до низкой конечной влажности, либо при 
сушке крупномерных пиломатериалов [39]. 

Туннели предназначены для сушки больших партий пиломатериалов 

до экспортной влажности. 

Критериями выбора камер непрерывного и периодического дей
ствия являются: 

 объем производства и размер партий высушиваемых пиломате
риалов; 

 размеры пиломатериалов; 
 требуемое качество сушки; 
 коэффициент использования сушильных камер. 

Камеры непрерывного действия подходят для больших объемов 

производства при непрерывной эксплуатации. Современные камеры 
непрерывного действия предназначены для сушки материала объемом 
более 15000 м3 до экспортной влажности и объемом 8000…10000 м3 до 
конечной влажности (12…14 %) [3]. Туннели предназначены прежде 
всего для сушки материалов одинаковых размеров и до одинаковой конечной влажности. Малые туннели имеют загрузку 100 м3 для сушки 
тонкой доски и 160 м3 – для толстой. Туннели требуют равномерной и 
постоянной подачи пиломатериалов [61]. 

Современными сушильными камерами непрерывного действия 

(двухэтапными туннелями) можно высушивать толстые доски толщиной до 75 мм с высоким качеством или же доски толщиной 50 мм до 
влажности 10-12 % [62]. 

Периодическими камерами высушиваются пиломатериалы любого 

размера до нужной степени влажности. При учете времени сушки толщина сердцевинных пиломатериалов имеет большее значение, чем ширина [1, 58]. 

При сушке тонких досок их ширина приобретает существенное зна
чение [22, 35]. В периодических камерах пиломатериалы одной толщины сушатся в одной и той же камере. Камеры периодического действия 
являются единственным вариантом сушки материалов больших размеров до столярной влажности . 

 
1.2. Камеры периодического действия 
 
Камеры периодического действия предназначены для высококаче
ственной сушки пиломатериалов.  

Конструкция камеры периодического действия должна обеспечивать 

создание внутри нее необходимых температурно-влажностных параметров агента сушки, выдерживать любые стандартные режимы на различных этапах сушки, высушивать пиломатериалы любых древесных 
пород и толщин в зависимости от качественных требований деревообрабатывающих производств. Она характеризуется тем, что загружается 
полностью и весь материал в ней просушивается одновременно, а режим сушки изменяется во времени, оставаясь в данный момент одинаковым для всего объема камеры. 

Камеры классифицируются по виду циркуляции, характеру сушиль
ного агента, источнику теплоснабжения и типу ограждения [51]. 

Камеры в строительных ограждениях долговечней и дешевле сбор
но-металлических, а их строительство доступно любой организации. 
К их недостаткам относятся повышенная трудоемкость при строительстве, комплектации камер технологическим оборудованием, приборами 
контроля и автоматического регулирования процесса сушки, необходимость ежегодного восстановления пароизоляционного покрытия на 
внутренних поверхностях ограждающих конструкций, а также антикоррозионного покрытия металлических деталей. 

Сушильные камеры в металлическом исполнении имеют ряд пре
имуществ перед сушильными камерами в строительных ограждениях. 
В металлических камерах созданы необходимые условия для обеспечения заданного режима сушки. Предусмотрена комплектация камер технологическим оборудованием, приборами контроля и системой автоматического регулирования процесса сушки. 

 
1.3. Основные направления утилизации древесных отходов  
на предприятиях лесного комплекса 
 
К отходам производства изделий из древесины относятся горбыль, 

рейки, срезки, короткомер, стружка, опилки, отходы производства технологической щепы, древесная пыль, кора. 

Количество отходов при производстве конкретного вида товарной 

продукции из древесины определяется по ее доле, которая осталась неиспользованной в данном технологическом процессе. 

Количество образующихся отходов обычно исчисляется в процентах 

от объема древесного сырья, использованного при производстве продукции. Оно зависит от вида производимой продукции. 

В процессе лесопиления получаются различные кусковые отходы, 

образующиеся из периферийных частей бревен. При отсутствии предварительной окорки бревен кусковые отходы имеют в своем составе такое 
количество коры, при котором их использование для варки целлюлозы и 
производства древесных плит невозможно. В этом случае такие отходы 

целесообразнее использовать для энергетических целей, например, для 
сжигания в топках котельных или для их термического разложения в 
реакторах газогенераторных установок с целью получения генераторного газа [18]. 

Объемы образования различных видов древесных отходов в процен
тах от объема распиливаемого сырья приведены в таблице 1.1. 

 

Таблица 1.1 

Объемы образования древесных отходов 

Вид древесных

отходов

Объем образования отходов 
при распиловке вразвал, %

Объем образования отходов 

при распиловке
с обрусовкой, %

необрезные 

доски

обрезные 

доски

при 50 % 
обрусовки

при 100 % 
обрусовки

Кусковые отходы:
6
22
20,5
19

- горбыли
6
6
8,5
10

- рейки
14
10
7

- вырезки и торцы
2
2
2

- мягкие отходы
10
12
12
12

 
Общее количество коры, получаемой при окорке древесины на 

предприятиях, с учетом потери коры в процессе лесозаготовок, изменяется в пределах от 10 до 14,5 % объема древесины, поступившей на переработку. При переработке заготовленной древесины в товарную продукцию образовывается приблизительно 10 % отходов в виде коры от 
объема заготовленной древесины, 10 % отходов в виде стружки и опилок. Чаще всего отходы деревообрабатывающих производств используются для отопления производственных помещений или длительно 
складируются на территории предприятия и разлагаются естественным 
путем [9]. 

Согласно статистическим данным, средний объем лесозаготовок в 

Республике Марий Эл за 2010 год составил 600 тыс. м3. При переработке заготовленной древесины в товарную продукцию образовалось 10 % 
отходов в виде коры и около 10 % отходов в виде стружки и опилок, то 
есть суммарное количество отходов составило 120 тыс. м3. Отходы деревообрабатывающих предприятий республики чаще всего длительно 
складируются на территории предприятия и разлагаются естественным