Способ и устройство сушки древесины

Изобретение относится к технике сушки древесины, в частности к процессу бескамерной непрерывной сушки строительного материала. Способ сушки заключается в непрерывном механическом перемещении с определенной контролируемой скоростью древесины в виде бревна или бруса через тепловой источник, выполненный в виде кольцевого керамического ИК-излучателя. Устройство представляет собой бескамерную систему горизонтальных лафет для перемещения древесины, вокруг которых располагаются ряд кольцевых керамических ИК-илучателей. Изобретение предназначено для создания простого бескамерного сушильного устройства и способа, с помощью которых осуществляется сушка строительного древесного материала в виде оцилиндроанных бревен и бруса. Использование такого устройства позволит качественно, дешево и быстро провести сушку строительного материала с малыми энергетическими затратами. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к технике сушки древесины и предназначено, в частности, для бескамерной сушки бревен, бруса и досок.

Известно устройство (RU №2168126 C1, 27.05.2001, F 26 В 7/00, Способ сушки пиломатериалов,), в котором процесс сушки осуществляется за счет поверхностного нагрева древесной заготовки в поле ИК-излучения, а также сушку в вакуумной сушильной камере с подведением тепла во внутренний объем заготовки с помощью сверхвысокочастотного поля. Таким образом, нагрев заготовки в поле ИК-излучения и воздействие на заготовку сверхвысокочастотным полем производят одновременно в вакууме сушильной камеры. По мнению авторов изобретения осуществление предлагаемого способа позволяет производить сушку штучных пиломатериалов за счет одновременного воздействия на них ИК-излучения, сверхвысокочастотного поля и вакуума и таким способом ускорить процесс сушки. При этом наличие вакуума позволяет снизить температуру, вызывающую перемещение влаги из средних зон к поверхности материала, и тем самым снизить тепловые напряжения в подвергаемом сушке пиломатериале. Устройство для осуществления способа представляет собой многомодульную систему барокамер, состоит из механизма загрузки-выгрузки, который включает механизм заневоливания, загрузочного люка, в каждой секции барокамер вмонтированы головка генератора ИК-излучения, головка генератора сверхвысокочастотного излучения и подсоединен вакуумный насос. Кроме того, устройство снабжено микропроцессором и импульсной системой регулировки мощности.

Из вышеуказанного устройства известен способ для осуществления качественной и скоростной сушки пиломатериалов используется одновременно три вида воздействия на древесину: вакуум, ИК-излучение и сверхвысокочастотное поле. Кроме того, одновременное использование трех разных по типу воздействий сильно усложняет сам технологический процесс сушки и управление всеми этими воздействиями. Необходимо также заметить, что одновременное воздействие рассматриваемых видов источников может не является оптимальным вариантом сушки. Можно предположить, что в процессе сушки необходимо включать эти источники в определенной последовательности и в определенные интервалы времени, чтобы осуществить и производить именно оптимальную технологию сушки различных пиломатериалов. Прямое использование такой технологии для сушки древесины без предварительных экспериментальных результатов и эмпирических данных, полученных в результате проведения большого количества сушек разных пород древесины и разного количества пиломатериала, загружаемых в камеру, в крайнем случае, без предварительных оценочных расчетов, может обернуться ненужными затратами для тех, кто захочет воспользоваться предлагаемым способом сушки. В рассматриваемом патенте говорится только об одновременном использовании этих источников, что естественно, сильно ограничивает применения такого способа сушки для обезвоживания различных пород древесины и получение необходимых выходных параметров обезвоженной древесины.

В известном устройстве одновременное использование трех видов воздействия для проведения сушки древесины потребует изготовление соответствующего количества источников воздействия, соответствующих источников электропитания и потребует увеличенное энергопотребление. Соответственно, это приводит к затратам как на изготовление источников воздействия, так и на использование электроэнергии. Кроме того, возникает каждый раз необходимость производить такие нерентабельные операции как загрузку-выгрузку сушильной камеры пиломатериалами и откачку воздуха компрессором, что приводит также и к временным затратам. Естественно, что изготовление самой сушильной камеры, ее эксплуатация, постоянные техосмотры, ремонт как самой камеры, так и оборудования также требует необходимых затрат и довольно серьезных. Авторы патента утверждают, что одновременное использование сразу трех видов воздействия для сушки древесины ускоряет как процесс сушки, так и улучшает качество сушки. С этим можно было бы согласиться при условии, если не будет использоваться камера, в которой производится процесс сушки материала, использование которой практически сводит на нет все положительные стороны, о которых говорится в патенте.

Сушкой древесины называют процесс удаления влаги из материала. Влага в древесине содержится в двух видах - свободная и гигроскопическая. Гигроскопической влаги содержится в древесине до 30%. Эта влага связана с древесиной и находится в стенках клеток. Свободная влага находится в клеточных полостях и сосудах. В начале сушки из древесины испаряется только свободная влага. Гигроскопическая влага начинает испаряться лишь после того, как улетучится вся свободная влага. Таким образом, при влажности древесины менее 30% мы имеем дело с той частью влаги, которая содержится в стенках микроструктуры древесины, удаление которой сильно влияет практически на все свойства древесины. Процесс удаления влаги протекает быстро и оказывает незначительное влияние на свойства древесины, требует невысоких температур. Связанная вода, содержащаяся в стенках клеток, удерживается в основном физико-химическими связями. Изменение ее содержания в процессе сушки существенно отражается на большинстве свойств древесины. Ее удаление значительно труднее и требует более высоких температур.

При сушке пиломатериалов необходимо создать такие условия, при которых возникающие напряжения не превышают предела прочности. В начальной стадии процесса для этого требуется поддерживать малую величину перепада влажности толщине, что достигается применением сушильного агента с высокой степенью насыщения. По мере высыхания древесины степень насыщения целесообразно понижать, чтобы довести материал до заданной конечной влажности, а температуру среды к концу сушки следует повышать.

Сушильные устройства (сушилки) в зависимости от применяемого способа и вида сушки делятся на множество видов. К конструкции сушилок и технологии сушки в них предъявляются достаточно серьезные требования и знания, которые позволят избежать грубых ошибок при сушке древесины.

Для испарения воды из древесины (т.е. для процесса сушения древесины) нужна тепловая энергия. Тепло является необходимым для испарения воды, поэтому необходимое количество тепла зависит в первую очередь от количества испаряющейся воды, т.е. от начальной и конечной влажности осушаемого материала. При неравномерном распределении влаги внутри древесины происходит ее движение в направлении пониженной влажности, т.е. влага будет перемещаться внутри материала, если создан перепад влажности по объему материала. Движение влаги будет наблюдаться, если температура распределена неравномерно по сечению материала. Это движение будет проходить в сторону пониженной температуры. Таким образом, вторая причина движения влаги - перепад температуры по объему материала. Если во внутренних слоях древесины имеется избыточное по сравнению с внешней средой давление, то под его воздействием влага в виде направленного потока пара движется в сторону более низкого давления. Следовательно, третья причина движения - перепад давления пара по объему древесины. Скорость движения влаги под действием перепада влажности возрастает с повышением температуры и увеличением разности во влажности между наружными и внутренними слоями древесины. Движение влаги под действием перепада температуры или давления ускоряется с увеличением разности температуры или давления (соответственно причинам движения) между внутренними и наружными слоями древесины.

Процесс сушки древесины сопровождается неравномерным распределением влаги по толщине сортимента. Это вызывает неравномерную усушку древесины и приводит к образованию в ней внутренних напряжений. В процессе сушки происходит смена напряжений. Внутренние напряжения могут быть уменьшены и даже ликвидированы путем влаготеплообработки древесины.

Техническим достижением настоящего изобретения является устранение указанных недостатков по способу и устройству.

Указанный технический результат достигается тем, что способ бескамерной непрерывной сушки древесины заключается в изготовлении кольцевого керамического ИК-излучателя, перемещении древесины с заданной скоростью через кольцевой ИК-излучатель, фокусировании ИК-излучения по центру древесины за счет осесимметричного расположения ИК-излучателя, в разогреве и последующем высушивании пиломатериалов.

При этом разогрев влажной древесины поглощенным ИК-излучением производят путем поглощения ИК-излучения слабосолевым раствором свободной и связной воды древесины, в результате чего разогретая до температур кипения ИК-излучением связная вода перемещается от центра к поверхности древесины, а свободная вода - по капиллярам вдоль древесины за счет ее перемещения через кольцевой ИК-излучатель, а высушивание древесины производят в результате испарения перемещаемой к поверхности древесины связной воды и выдавливания свободной воды по капиллярам через торец.

В качестве древесины используют бревно или оцилиндрованное бревно, или брус, или доску.

Устройство бескамерной непрерывной сушки древесины состоит из механизма загрузки-выгрузки в виде входных и выходных лафет, системы лафет, обеспечивающих перемещение подлежащей обезвоживанию древесины с заданной скоростью через ряд изготовленных кольцевых керамических ИК-излучателей, располагаемых осесимметрично древесине между лафетами с ее внешним охватом.

Устройство также содержит электронный блок управления процессом обезвоживания с автоматическим управлением подачи и перемещения древесины разного диаметра через входные-выходные лафеты и через ИК-излучатели со скоростью, соответствующей оптимальной сушке древесины, и созданием профильного нагрева древесины кольцевыми ИК-излучателями путем перемещения свободной и связной воды от центра к поверхности древесины и по ее длине, а также датчики температуры и влажности.

Предлагаемое устройство представляет собой малогабаритную и малоэнергоемкую бескамерную туннельную установку для непрерывной сушки с помощью ИК-излучения, например, оцилиндрованных бревен. С помощью такой установки производят сушку древесины для достижения остаточной влажности 8-14% за сравнительно малое время. Время обезвоживания бревна длиной 6 м и диаметром 20-30 см достигается за время 2,5-3 часа.

Для сушки используется только один вид источника - кольцевой керамической ИК-излучатель, в который вставляется, например, оцилиндрованное бревно и передвигается вдоль него в процессе сушки. При этом сушка древесины осуществляется бескамерно, непрерывно и автоматически, при горизонтальном перемещении древесины с помощью лафет. ИК-излучатели располагаются между лафетами.

Предлагаемый способ сушки по своему механизму подобен диэлектрической сушке. За счет осевой симметрии кольцевого излучателя ИК-излучение фокусируется вблизи центра, например, бревна. Древесина, помещенная в поле ИК-излучения, нагревается за счет тепловых потерь электромагнитной волны в слабосолевом растворе воды древесины (солевой раствор обладает электрической проводимостью). Выделение теплоты в результате потерь связано с колебательным движением молекул растворенных солей в воде, находящихся в электрическом высокочастотном поле. Кроме того, происходит разогрев поверхности древесины за счет контактной теплопроводности, так как внутренняя поверхность кольца ИК-излучателя расположена вблизи этой поверхности. Теплота накапливается внутри материала неравномерно по его объему и не подводится извне, как при других способах сушки. Электрическая энергия, потребляемая древесиной, превращающаяся в тепловую, расходуется первоначально на нагревание материала, испарение из него влаги и тепловые потери с поверхности материала в окружающую среду; затем (после нагрева) - только на испарение влаги и тепловые потери. Затраты энергии в период сушки имеются в поверхностной зоне сортимента. Температура на поверхности за счет испарения влаги и тепловых потерь оказывается ниже температуры внутренних зон, а влажность поверхности ниже (за счет испарения), чем внутри материала древесины. Таким образом, имеют место положительные перепады температуры и влажности. Одинаковое направление движения влаги под действием перепадов влажности и температуры изнутри на поверхность существенно ускоряет сушку. Если температура древесины будет превышать температуру точки кипения воды, то изнутри возникает избыточное давление (вследствие кипения влаги) и интенсивность сушки возрастет в еще большей степени. Под действие давления термически расширенной влаги происходит ее перемещение как к поверхности, так и вдоль оси, например, бревна. При непрерывном движении древесины через кольцевые ИК-излучатели влага частично выходит на поверхность древесины и испаряется, а остальная влага выдавливается из торца. Достоинство такой сушки в том, что расход теплоты на процесс компенсируется не только энергией высокочастотного электрического поля, но и более дешевой энергией пара. При такой сушке можно получить высушенный материал высокого качества, с малыми внутренними напряжениями и даже совсем без них.

Обезвоживание древесины происходит за счет нагрева толщи материала древесины в результате поглощения ИК-излучения в слабосоленом водном растворе свободной и связной воды древесины и гидродинамики перемещения воды внутри пористого материала по капиллярам под действием давления разогретой жидкости в поле температурного градиента и перемещения древесины с заданной скоростью. Температура керамики кольцевого ИК-излучателя имеет величину порядка 600-700°С, что соответствует дальнему ИК-излучению с длиной волны порядка 100 мкм. При такой длине волны разогрев воды происходит за счет процессов поглощения электромагнитного излучения заряженными ионами водносолевого раствора при столкновении ускоренных в поле электромагнитной волны ионов с нейтральными атомами воды и соответствует физическому процессу нагрева в микроволновой печи. При градиентном вдоль оси бревна нагреве водного капилляра создается разность давления для жидкости в капилляре. Под действием этого давления в жидкости, находящейся в капилляре, осуществляется режим пуазейлевского течения. Если вместе с течением жидкости с такой же скоростью будет происходить и движение источника нагрева, то жидкость в древесине за счет такого движения будет выдавливаться к торцу и тем самым производить сушку древесины. Скорость пуазейлевского течения сравнительно невелика, что и позволяет создать условие бездефектного режима осушения древесины. Кроме того, режим сушки древесины низкотемпературный мягкий, что также обеспечивает бездефектную сушку материала. Древесина на такой установке достигает третьей категории сушки. В составе установки имеется электронный блок управления процессом обезвоживания древесины, обеспечивающий автоматизацию всего процесса: 1) подача древесины в зону обезвоживания, 2) контроль за температурным и влажностным режимами обезвоживания, 3) подача обезвоженной древесины на выход.

Сущность изобретения поясняется чертежами и графиками, где на Фиг.1 показана схема устройства для сушки древесины, например оцилиндрованного бревна, бруса; на Фиг.2 показана монтажная схема расположения термопар, термометров и влагомеров в устройстве; на Фиг.3 показана схема устройства кольцевого керамического ИК-излучателя; на Фиг.4 показан график распределения величины потока мощности поглощенного ИК-излучения (Вт/см²), например, по радиусу бревна (см); на Фиг.5 показан график распределения величины удельной интенсивности поглощенного ИК-излучения (Вт/см³), например, по радиусу бревна (см); на Фиг.6 показан график изменения давления паров воды в объеме древесины в зависимости от изменения температуры при нагреве воды ИК-излучателем (Дж/см³); на Фиг.7 показан график изменения объема паров воды (см³) в древесине в зависимости от изменения температуры воды при нагреве ИК-излучателем; на Фиг.8 показан график изменения скорости (см/с) перемещения древесины в зависимости от изменения температуры (град)ее разогрева по всей толщине и начало процесса сушка древесины после ее разогрева до температуры 100°С.

Устройство бескамерной непрерывной сушки древесины состоит из объекта сушки-древесины 1 в виде, например, влажного оцилиндрованного бревна или бруса (см. Фиг.1, 2), механизма загрузки-выгрузки в виде входных лафет 2 для перемещения влажной древесины 1 (бревен или бруса) и выходных лафет 9 (см. Фиг.1), системы лафет, обеспечивающих перемещение подлежащей обезвоживанию древесины с заданной скоростью через ИК-установку 3, состоящую из ряда изготовленных кольцевых керамических ИК-излучателей 11, располагаемых осесимметрично древесине между лафетами с ее внешним охватом и каждый из которых состоит из керамического кольца 4, кольцевого электронагревателя 5, кожуха-отражателя 6 и термоизоляции 7 (см. Фиг.3); сухой древесины 8 (бревен), после проходки ИК-установки 3, установочного лафета 10 для ИК-установки 3. Устройство содержит электронный блок управления процессом обезвоживания с автоматическим управлением подачи и перемещения древесины разного диаметра через входные-выходные лафеты 2 и 9 и через ИК-излучатели 11 со скоростью, соответствующей оптимальной сушке древесины, и созданием профильного нагрева древесины кольцевыми ИК-излучателями 11 путем перемещения свободной и связной воды от центра к поверхности древесины 1 и по ее длине, а также датчики температуры 12 (термопары) и влажности (влагомеров) 13, опорных роликов 14.

Способ бескамерной непрерывной сушки древесины осуществляется следующим образом. Обтачивают древесину 1, например ствол бревна, для получения оцилиндрованного бревна с заданным диаметром. Загружают бревно на входные лафеты 2 для их перемещения к ИК-установке 3, пропускают бревна с определенной заданной оптимальной скоростью с помощью лафет 2 через систему ИК-излучателей 11, установленных с определенным шагом, определяемым расчетным путем, и с помощью которых неравномерно по радиусу и по ширине ИК-излучателей 11 нагревают бревна, за счет процессов контактной теплопроводности и высокочастотного поглощения ИК-излучения в слабосоленом водном растворе свободной и связной воды влажного бревна и, таким образом, получают высушенную древесину 8 путем гидродинамического перемещения пара связной воды к поверхности древесины в результате неоднородного разогрева, например, по радиусу бревна и перемещения свободной воды по капиллярам, а также в результате действия неоднородного разогрева вдоль оси древесины за счет термического расширения воды и выдавливания капиллярной воды под давлением пара части испаренной воды в направлении торца древесины за счет пуазейлевского течения в сухой древесине 8, которую перемещают с помощью выходных лафет 9 на выгрузку.

Эффективность способа и устройства бескамерной непрерывной сушки древесины, например, оцилиндрованных бревен и бруса, кольцевым ИК-излучателем заключается в следующем. Из-за осевой симметрии кольцевого ИК-излучателя ИК-излучение фокусируется в центре с изменяемой величиной потока плотности мощности ИК-излучения по радиусу. При заданной мощности ИК-излучателя, равной 3 кВт, плотность потока ИК-излучения кольца с поверхности кольца составляет q₀=0,796 (Вт/см²). Отсюда температура разогрева керамического кольца в соответствии с тепловым ИК-излучением будет равна T_ik=612°C. Соответственно, энергия кванта ИК-излучения равна E_ik=0,8·10^-20 (Дж), что соответствует длине волны излучаемого кванта λ_ik=70 мкм (ω_ik=0,4·10¹⁴). При такой длине волны излучение относится к дальнему длинноволновому диапазону ИК-спектра, что, скорее всего, соответствует спектру высокочастотного электромагнитного излучения. В свободной капиллярной воде и в связной клеточной воде древесины растворены неорганические соли. Соответственно слабосолевой раствор воды древесины представляет собой электропроводящую среду. Концентрация солей сравнительно невелика и составляет относительную величину порядка 0,01. При такой величине растворенных солей электропроводность влажной древесины при относительной влажности порядка 50-60% равна σ_iw=0,6·10⁹ (1/с). Плазменная частота такого солевого раствора воды ω_iw=0,5·10¹³ (1/с) немного меньше частоты волны рассматриваемого ИК-излучения. Если частота волны ИК-излучения превышает плазменную частоту влажной древесины, то это является условием для проникновения ИК-излучения вглубь древесины. В силу неоднородности влажности по объему древесины возможны случаи совпадения частоты ИК-излучения с плазменной частотой. При распространении электромагнитной волны в проводящей среде происходит поглощение излучения за счет столкновения колеблющихся заряженных частиц (ионов солей) в поле волны с окружающими молекулами воды. При совпадении плазменной частоты с частой падающей волны может также осуществляется эффект поглощение ИК-излучения за счет параметрического нелинейного резонанса. В результате высокочастотного поглощения ИК-излучения во влажной древесине происходит разогрев оцилиндрованного бревна или бруса по сечению древесины на ширине кольца ИК-излучателя. Кроме высокочастотного разогрева древесины имеет место разогрев поверхности древесины разогретой поверхностью кольца ИК-излучателя за счет контактной теплопроводности материала, соответствующее граничному условию поддержания температуры на границе разогреваемой среды. Процесс разогрева древесины стационарный. В соответствии с такой постановкой задачи распределение температуры внутри древесины бревна определяется из уравнения теплопроводности с источником тепла и с ненулевым граничным условием на поверхности бревна. Для определения распределения температуры разогрева древесины необходимо задаться распределением плотности потока и удельной интенсивностью поглощенного ИК-излучения во влажной древесине. Для этого необходимо вначале определить коэффициент поглощения ИК-излучения в проводящей среде древесины, которая определяется из величины проводимости слабосолевого раствора воды в древесине и равна k_rw=σ_iw/c=0,034 (1/см). Для полученного значения коэффициента поглощения глубина проникновения ИК-излучения в древесину для рассматриваемого диапазона длины волны составляет величину порядка l_rw=l/k_rw=28 см. Распределение сфокусированного в центр и поглощенного ИК-излучения во влажной древесине по радиусу древесины определяется расчетным путем. Результаты расчетов проиллюстрированы на фиг.4, 5. На основе полученных значений интенсивности поглощения ИК-излучения в рассматриваемой среде и необходимых для данного случая значений физических и термодинамических параметров воды и древесины строится уравнение теплопроводности для определения распределения температуры разогрева древесины бревна.

Для заданной глубины высушивания древесины х=24 см и скорости перемещения фронта влажности по древесине к поверхности бревна V=0,1 см/с получаем величину влажности древесины u=0,138, что примерно соответствует 14% остаточной влажности в древесине после высушивания. Кроме того, получаем температуру высушивания равной Т=105,3°С и давление пара равное Р=1,028 Дж/см³ и соответственно перепад давления в паре ΔР=0,28 Дж/см³, при которой происходит высушивание связной воды из древесины при перемещении ее через ИК-излучатели. Из полученных параметрических величин для радиальной скорости перемещения фронта влажности к поверхности древесины и давления видно, что и та другая величина увеличиваются примерно в два раза.

Продолжительность бескамерной сушки древесины ИК-излучателями в 2...3 раза меньше по сравнению с обычной камерной конвективной сушкой такого же материала нормальными режимами. Основным агрегатом является ряд кольцевых керамических ИК-излучателей, установленных с определенным шагом, определяемым расчетным путем. К.п.д. ИК-излучателей сравнительно велик - 0,8. Поэтому расход электроэнергии на сушку достаточно мал - 0,5-0,96 кВт·час на 1 кг испаряемой влаги. Наиболее целесообразно применять такой способ для сушки толстых сердцевидных сортаментов (оцилиндрованные бревна), где сокращение брака от растрескивания окупает повышенные затраты на электроэнергию.

В результате использования предложенного устройства скорость обезвоживания увеличивается в 2 раза, использование энергоресурсов уменьшается в 4 раза и себестоимость готовой обезвоженной древесины уменьшается в 8 раз по сравнению с камерными сушильными агрегатами.

Применение данного способа и промышленного устройства позволит качественно, дешево и быстро провести сушку древесины в виде строительного материала с малыми энергетическими затратами.

1. Способ бескамерной непрерывной сушки древесины, заключающийся в изготовлении кольцевого керамического ИК-излучателя, перемещении древесины с заданной скоростью через кольцевой ПК-излучатель, фокусировании ИК-излучения по центру древесины за счет осесимметричного расположения ИК-излучателя, разогрев и высушивание пиломатериалов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разогрев влажной древесины поглощенным ИК-излучением производят путем поглощения ИК-излучения слабосолевым раствором свободной и связной воды древесины, в результате чего разогретая до температур кипения ИК-излучением связная вода перемещается от центра к поверхности древесины, а свободная вода - по капиллярам вдоль древесины за счет ее перемещения через кольцевой керамический ИК-излучатель, а высушивание древесины производят в результате испарения перемещаемой к поверхности древесины связной воды и выдавливания свободной воды по капиллярам через торец.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве древесины используют бревно, или оцилиндрованное бревно, или брус, или доску.

4. Устройство бескамерной непрерывной сушки древесины, состоящее из механизма загрузки-выгрузки в виде входных и выходных лафет, системы лафет, обеспечивающих перемещение подлежащей обезвоживанию древесины с заданной скоростью через ряд изготовленных кольцевых керамических ИК-излучателей, располагаемых осесимметрично древесине между лафетами с ее внешним охватом.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит электронный блок управления процессом обезвоживания с автоматическим управлением подачи и перемещения древесины разного диаметра через входные-выходные лафеты и через ИК-излучатели со скоростью, соответствующей оптимальной сушке древесины, и созданием профильного нагрева древесины кольцевыми ИК-излучателями путем перемещения свободной и связной воды от центра к поверхности древесины и по ее длине, а также датчики температуры и влажности.