Способ сушки древесины

Изобретение относится к сушке анизотропно пористых и волокнистых материалов и может быть использовано при сушке древесины. Способ сушки древесины заключается в том, что процесс сушки разбивается на два этапа: на первом этапе в обрабатываемой древесине за счет внешнего источника энергии формируют продольный вдоль волокон обрабатываемой древесины градиент температуры, который за счет продольной диффузии влаги приводит к образованию в каждом капилляре сплошных водяных «пробок», минимальная длина каждой из которых составляет 2 мм в каждом капилляре, а на втором этапе энергию внешнего источника концентрируют вблизи границ водяных «пробок», тем самым приводя к интенсивному нагреву и частичному испарению воды, в результате внутри древесины создается и продолжительное время поддерживается избыточное давление, обеспечивающее движение к краю обрабатываемой древесины водяных «пробок», вместе с границами которых движется и внешний источник энергии, и последующее удаление воды с торцевых поверхностей. Изобретение должно обеспечить уменьшение энергетических затрат на сушку анизотропно пористых материалов, например древесины, при обеспечении высокого качества проведения процесса. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам сушки анизотропно пористых материалов, например древесины. В предлагаемом способе процесс сушки разбивается на два этапа: на первом этапе в обрабатываемой древесине за счет внешнего источника энергии формируют продольный вдоль волокон обрабатываемой древесины градиент температуры, который за счет продольной диффузии влаги приводит к образованию в каждом капилляре сплошных водяных «пробок», минимальная длина каждой из которых составляет 2 мм в каждом капилляре, а на втором этапе энергию внешнего источника концентрируют вблизи границ водяных «пробок», тем самым приводя к интенсивному нагреву и частичному испарению воды, в результате внутри древесины создается и продолжительное время поддерживается избыточное давление, обеспечивающее движение к краю обрабатываемой древесины водяных «пробок», вместе с границами которых движется и внешний источник энергии, и последующее удаление воды с торцевых поверхностей. Результатом применения предложенного способа является значительное уменьшение энергозатрат на сушку, достигаемое без использования вакуумных систем, улучшение качества сушки, возможность осуществления сушки древесины большого поперечного сечения.

Сегодня существует достаточно большое количество различных способов сушки древесины и изделий из нее (конвекционная, аэродинамическая, аэродинамическая с нагревом, вакуумная, СВЧ-сушка и др.). Практически все эти способы сушки основаны на испарении влаги с боковых поверхностей обрабатываемых изделий и отличаются лишь способом доставки влаги к поверхности. Основная часть энергии при этом расходуется на испарение влаги. Например, для нагрева 1 м³ древесины (при ее начальной влажности 25%) и содержащейся в ней влаги от температуры 20°С до 100°С потребуется затратить около 1,5 МДж, а на понижение влажности материала до 10% путем испарения влаги придется затратить уже 240 МДж (т.е. затраты энергии на испарение воды более чем в 100 раз выше, чем на ее нагрев).

Испаряемая влага доставляется к поверхности диффузионным способом. Диффузия влаги возникает либо за счет разности влагосодержания (U) во внутренних и наружных слоях древесины, либо за счет разности температур внутри древесины и на ее поверхности (данный процесс обычно называют термодиффузией). В результате действия двух этих механизмов, общий поток влаги равен

где α_m - коэффициент диффузии влаги,

α_T - коэффициент термодиффузии

[Математическое моделирование взаимодействия СВЧ-излучения с влагосодержащими плоскими слоистыми средами. А.М.Афанасьев и др. Изв. ВУЗов, Электромеханика. 2001, №2. - с.14-38].

Определение потока влаги возможно только на основании знания пространственного градиента температур в древесине. Для определения этого градиента необходимо решить уравнение теплопроводности

где λ - теплопроводность древесины: ρ - плотность древесины: С - теплоемкость древесины: P_S - пространственное распределение удельной объемной выделяемой мощности.

В зависимости от механизма диффузии влаги к боковым поверхностям, который преимущественно используется, все методы сушки можно условно разделить на две группы:

1. Традиционные методы сушки.

В этих методах поток влаги создается за счет диффузии, связанной с уменьшением влагосодержания в поверхностных слоях. Для уменьшения влагосодержания создают эффективные условия для вывода влаги (из поверхностных слоев) с боковых поверхностей в основном путем ее испарения. Этого эффекта можно добиться различными способами:

а) конвекцией, снижающей влажность окружающего воздуха ["Сушилка WSAB - это выгодная инвестиция/" ЛесПромИнфо №12, 2003, с.47];

b) нагревая древесину с помощью пара, горячего воздуха, инфракрасного излучения или др. Все эти методы увеличивают α_m за счет роста коэффициента диффузии при повышении температуры древесины ["Оптимальное решение при модернизации сушильных камер" ЛесПромИнфо №9, 2004, с.50];

с) вакууммированием, при котором за счет уменьшения давления водяного пара на поверхности изделий улучшаются условия испарения влаги.

2. Методы высокоинтенсивной сушки.

В рамках этих методов поток влаги создается преимущественно за счет термодиффузии. К этим методам в настоящий момент относят высокочастотную (ВЧ) и сверхвысокочастотную (СВЧ) сушку. Методы имеют различие лишь в диапазоне частот, используемых для передачи энергии электромагнитного поля в материал [Н.П.Глухонов, И.Г.Федорова Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов в машиносторении. Л., Машиностроение, 1983, 160 с].

В частности, к традиционным методам сушки можно отнести решение согласно патенту Российской Федерации №2056602. Сущность изобретения: путем многократного чередования циклов продувки теплоносителем с отводом выделяющихся паров и вакуумирования, в котором древесину предварительно нагревают до среднеобъемной температуры 80-100°С, после чего сушку ведут путем многократного чередования циклов вакуумирования и продувки теплоносителем, при этом до достижения 30% влажности после цикла вакуумирования проводят выдержку в герметичной сушильной камере до достижения в ней давления, равного атмосферному.

Однако используемое решение предполагает высокие стоимостные затраты на сушку, обслуживание и ремонт, длительную продолжительность процесса сушки, громоздкость оборудования, недостаточное качество получаемого продукта.

Энергетическую эффективность процесса сушки можно существенно увеличить только за счет организации выхода к поверхности и удаления из материала основной части влаги в виде капельной фазы (известны способы ультразвуковой сушки, которые пытаются использовать подобные механизмы удаления влаги [Ю.Я.Борисов, Н.М.Гынкина. Акустическая сушка. - в кн. Физические основы ультразвуковой технологии. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 3./Под ред. Л.Д.Розенберга. М., "Наука", 1970, стр.579-641).

Дерево - анизотропный материал, продольный перенос влаги в котором осуществляется более чем в 16000 раз быстрее, чем поперечный [B.C.Коваль, Е.А.Пинчевская. Сушка древесины. М., 2000]. Подобная анизотропия связана с тем, что сечение отдельных пор древесины поперек волокон и вдоль их отличаются в десятки тысяч раз. В результате удаление влаги в капельной фазе с боковых ее поверхностей возможно только в случае существенно неравновесных условий.

Методы высокоинтенсивной сушки по сравнению с традиционными методами позволяют получить в несколько раз большую разность концентраций влаги внутри материала и на его поверхности. Это существенно ускоряет процесс сушки и увеличивает его энергетическую эффективность, т.е. уменьшает затраты энергии на проведение процесса [Г.С.Княжевская, М.Г.Фарсова, Р.Ш.Килькеев. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов. Л., Машиностроение, 1989, 64 с].

Энергетическая эффективность ВЧ- и СВЧ-методов в первую очередь связана с отсутствием непроизводительных потерь энергии и частичным выводом влаги из древесины в виде капельной фракции (без испарения). Однако уменьшение затрат энергии при высокоинтенсивной сушке оказывается незначительны. Поэтому главными преимуществами подобных систем являются оперативность и возможность работы с высоким к.п.д. при неполной загрузке.

Для эффективной реализации методов высокоинтенсивной сушки необходимо охлаждать поверхность материала конвективными потоками, которые одновременно выводят из зоны сушки испаренную с поверхности влагу.

Также известно решение по патенту Российской Федерации №2105943. Дата подачи заявки: 1995.10.03, Дата публикации: 1998.02.27.

«УСТАНОВКА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ»

Использование: для микроволнового нагрева в промышленных целях. Установка состоит из камеры, микроволнового узла, сканирующих механизмов и устройств ввода и вывода агента сушки. Микроволновая энергия с помощью отражателей формируется в два узких луча. Микроволновая энергия вызывает быстрый кратковременный нагрев внутренних слоев древесины и перемещает влагу из внутренних зон к поверхности. Установка состоит из камеры, в которую загружается штабель пиломатериала. Микроволновый узел включает в себя двойной волноводный тройник, два облучателя обратного излучения, два подвижных отражателя и неподвижный отражатель. Приводятся в движение подвижные отражатели сканирующим устройством. Вентилятор подает в камеру агент сушки через устройство ввода агента сушки, расположенное на одной из боковых стенок, а вентилятор удаляет влажный воздух.

Установка периодического действия комбинированной сушки пиломатериала работает следующим образом.

После включения установки сначала в камеру подается нагретый воздух. Микроволновая энергия поступает сначала в двойной волноводный тройник, где делится поровну между двумя облучателями, которые направляют микроволновую энергию на отражатели, формирующие два узких луча. За счет обдува древесины горячим сухим воздухом происходит испарение влаги с поверхности досок. Узкие лучи микроволновой энергии сканируются вдоль штабеля, вызывая быстрый кратковременный нагрев внутренних слоев древесины, и перемещают влагу из внутренних зон к поверхности. За счет удаления влаги с поверхности агентом сушки (увлажненный горячий воздух) и увеличения поверхности за счет воздействия микроволновой энергии процесс сушки идет с незначительными перепадами влажности по толщине пиломатериала, т.е. возникновения больших внутренних напряжений. При сканировании микроволновой энергии и высыхании пиломатериала изменяется как КСВН камеры, так и фаза отраженного сигнала, что приводит к неустойчивой работе источника микроволновой энергии. Избежать этого позволяет использование двойного волноводного тройника, так как отраженная микроволновая мощность поступает в четвертое плечо двойного волноводного тройника, а не в микроволновый генератор. Из четвертого плеча двойного волноводного тройника микроволновая энергия попадает на неподвижный отражатель, который равномерно рассеивает ее по всей длине штабеля. Кроме того, это позволяет улучшить энергетические характеристики установки.

По мнению заявителя, указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявленному.

Задачей изобретения является уменьшение энергетических затрат на сушку анизотропно пористых материалов, например древесины, при обеспечении высокого качества проведения процесса.

Решение указанной задачи обеспечивается использованием предложенной совокупности существенных признаков.

Совокупность существенных признаков

Способ высокоинтенсивной сушки, в котором основная часть влаги удаляется из древесины за счет выведения капельной фазы с торцевых поверхностей этой древесины и последующего ее удаления, причем:

- процесс сушки разбивается на два этапа;

- на первом этапе в обрабатываемой древесине за счет внешнего источника энергии формируется продольный градиент температуры, который, приводя к продольной диффузии влаги, приводит к формированию в каждом капилляре сплошных водяных «пробок», линейный размер которых составляет не менее 2 мм;

- на втором этапе энергию внешнего источника концентрируют в области на границе водяных «пробок», тем самым приводя к интенсивному нагреву и частичному испарению воды, в результате внутри древесины создается и продолжительное время поддерживается избыточное давление, обеспечивающее движение к краю обрабатываемой древесины водяных «пробок», вместе с границами которых движется и внешний источник энергии, и последующее удаление воды с торцевых поверхностей;

- значение плотности мощности внешнего источника энергии (P_S) и закона ее изменения во времени и пространстве на этапе формирования «пробок» определяют в каждом конкретном случае по заданным параметрам влажности древесины и ее свойствам путем решения уравнения теплопроводности (1) и интегрирования уравнения, описывающего поток влаги за счет диффузии и термодиффузии (2):

где λ - теплопроводность древесины (с учетом ее влажности); ρ - плотность древесины (с учетом ее влажности); С - теплоемкость древесины и содержащейся в ней влаги, Р_охл - потеря энергии за счет принудительного охлаждения поверхности древесины в месте формирования пробок, U - влагосодержание древесины, α_T - коэффициент термодиффузии, α_m - коэффициент диффузии влаги;

- скорость перемещения области энерговклада () и вкладываемую мощность Р_вкл на втором этапе определяют допустимым значением избыточного давления внутри древесины:

,

где - минимальный диаметр пор, из которых выводится влага; ΔP_макс - допустимое значение давления внутри древесины; μ - динамическая вязкость воды; l_пр - длина «пробок»;

где S - площадь поперечного сечения обрабатываемой древесины,

К - коэффициент, значение которого зависит от свойств древесины, пространственного распределения выделяемой энергии, геометрических параметров обрабатываемого изделия (изменяется от 50 до 1000).

- в качестве источников энергии могут выступать источники электромагнитного излучения высокочастотного, сверхвысокочастотного, инфракрасного, видимого или ультрафиолетового диапазонов, контактный нагрев.

Указанная выше совокупность существенных признаков позволяет

- значительно уменьшить затраты энергии на сушку древесины,

- улучшить качество сушки,

- успешно применять способ при сушке любых пиломатериалов.

Техническая реализация данного способа проходит в два этапа.

Первый этап - сбор диффузионным образом распределенной в древесине влаги в сплошные водяные «пробки». Для создания подобных «пробок» необходимо использовать диффузионный способ движения влаги. Результаты, полученные на этом этапе, должны удовлетворить следующим требованиям:

- Водяные «пробки» должны быть сформированы во всех капиллярах в определенном (лучше всего в среднем) поперечном сечении.

- Линейный размер «пробок» должен быть таким, чтобы в процессе движения по капиллярам водяные «пробки» в каждом из них не исчезали.

- Размер «пробок» должен позволить разогреть и испарить воду в каждой из «пробок».

Исходя из этих условий, минимальный размер «пробок» должен составить 2 мм.

Определить такое значение вкладываемой мощности, ее изменения в пространстве и времени, которое удовлетворило бы требованиям, возможно либо экспериментально, либо путем предварительного численного решения уравнений (1) и (2). В случае, если использование нагрева не позволяет сформировать «пробки» с требуемыми параметрами, для увеличения продольного градиента температур можно использовать принудительное охлаждение части боковой поверхности обрабатываемой древесины.

Второй этап - организация движения водяных «пробок» к краям обрабатываемой древесины.

Подобного движения можно добиться, создавая избыточное давление внутри каждого из капилляров. Для создания этого давления необходимо испарять часть воды в каждой из водяных «пробок».

На этапе технической реализации вытеснения водяных «пробок» к торцевым краям древесины необходимо обеспечить выполнение следующих условий:

- внутри каждого капилляра во все время движения «пробки» необходимо поддерживать избыточное давление, причем разброс давлений в разных капиллярах не должен быть значительным;

- создаваемое внутри обрабатываемой древесины давление не должно приводить к ее механическим повреждениям (исходя из этого условия, можно определить предельное значение удельной вкладываемой в древесину мощности);

- скорость движения жидкости по капиллярам должна быть такой, чтобы сохранить ламинарный характер движения это условие также ограничивает возможности увеличения давления в капиллярах и одновременно определяет соотношение объема загрузки и мощности генератора энергии.

Выполнения всех этих условий особенно сложно добиться в момент начала данного этапа, поскольку при прочих одинаковых условиях в этот момент будет наблюдаться максимальное давление в капиллярах и максимальная скорость движения по ним влаги. Давление, требуемое для организации движения «пробок», может оказаться выше допустимого (в частности, это возможно в случае, когда приходится обрабатывать древесину с большими поперечными размерами или с порами исключительно малого диаметра). В этих случаях предложенный способ можно применять, поочередно испаряя пробки на определенной глубине от поверхности древесины. При этом необходимо подобрать частоту электромагнитного излучения таким образом, чтобы:

1) это излучение поглощалось бы только в областях с высоким влагосодержанием;

2) глубина проникновения этого излучения в областях с высоким влагосодержанием была бы значительно меньше поперечных размеров обрабатываемой древесины.

В связи с чем первый и второй этапы процесса проводят последовательно в разных (по глубине) продольных сечениях обрабатываемой древесины, при этом для проведения второго этапа используется источник (источники) электромагнитного излучения, частоту работы которого выбирают таким образом, чтобы глубина проникновения этого излучения (Δ₁, см) в областях с высоким влагосодержанием была бы по крайней мере в 2 раза меньше поперечных размеров (глубины) обрабатываемой древесины (h, см): Δ₁≤2*h, а глубина проникновения в областях с малым влагосодержанием (Δ₂, см) была бы по крайней мере в 2 раза больше поперечных размеров обрабатываемой древесины: Δ₂≥2*h.

Для проведения экспериментальной проверки способа сушки была изготовлена экспериментальная установка, состоящая из следующих частей.

- Механизма перемещения доски относительно источника нагрева. В этом механизме использовались два шаговых двигателя ШД-5. Конструкция механизма обеспечивала возможность изменения направления перемещения доски и ее скорость в диапазоне от 0,2 до 10 м/минуту.

- Специально изготовленного трубчатого нагревателя, состоящего из ИК-излучателя и фокусирующей системы. ИК-излучатель представлял собой кварцевую трубку с нихромовой спиралью внутри. Нихромовая спираль нагревалась до температуры 650°С. Посредством эллиптического отражателя ИК-излучение фокусировалось на поверхности древесины в полосу длиной 15 см и шириной 1 см. Эффективная мощность нагревания составляла 400 Вт, оценивалась по мощности, потребляемой от источника, за вычетом потерь на нагрев фокусирующей системы. Расположение нагревателя в непосредственной близости от поверхности древесины (2 см) и его конструкция позволили минимизировать потери на отражение от поверхности древесины.

- ИК-измерителя температуры Fluke 65, датчик которого располагался под углом 45° к поверхности доски. Использование датчика позволило контролировать температуру с обратной стороны доски под нагревателем.

Эксперименты проводились на сосновых досках размерами 40×150×2000 см. Начальная и конечная влажность определялись по весу доски (m₁ и m₂ соответственно). Полученные результаты усреднялись по серии из 10 опытов.

Предварительно экспериментально был определен режим, применение которого позволило достигнуть минимального времени сушки. Режим состоял из двух этапов.

Первый этап - продолжительностью 20 минут. За это время постепенно за счет периодического перемещения под нагревателем формируется градиент температуры, с помощью которого обеспечивалось минимальное время формирования областей с высоким влагосодержанием. Результатом этого этапа было формирование двух областей с экстремально высоким влагосодержанием. Четкие границы этих областей можно было наблюдать визуально.

Второй этап - продолжительностью 1 час. На этом этапе проводилось периодическое испарение воды. Для этого нагреватель помещался над границей области с высоким влагосодержанием и разогревал ее в течение 5 минут. Проводимый нагрев сопровождался видимым изменением положения областей с высоким влагосодержанием. Механическое перемещение обеспечивало расположение нагревателя над внутренней границей области с высоким влагосодержанием. После окончания нагрева одной области нагреватель перемещался к другой области с высоким влагосодержанием, которую также разогревали в течение 5 минут. После каждого перемещения нагревателя он устанавливался на расстоянии 2 см от границы области высокого влагосодержания на 1 мин. Использование подобного режима позволило снизить остаточную влажность на 2-3%. Подобные циклы повторялись 5 раз. На протяжении двух последних циклов наблюдалось интенсивное выделение воды из торцов доски.

Максимальная скорость перемещения области с высоким влагосодержанием наблюдалась в начале испарительного режима сушки и составляла 4-5 см/мин. При этом видимый размер области высокого влагосодержания составлял 5-7 см. При движении области высокого влагосодержания к краю доски размер этих областей увеличивался до 15-18 см, а скорость перемещения падала до 1-2 см/мин.

Попытки увеличить скорость выше данных значений приводили к увеличению остаточной влажности (до 15% при постоянной скорости нагревателя, равной 4 см/мин, до 18% при скорости 6 см/мин).

Необходимость режима с периодическим изменением расположения области, в которой осуществлялся энерговклад, связана со следующими моментами:

- при используемой вкладываемой мощности разогрев только с одной стороны приводил к механическому повреждению древесины, что являлось следствием увеличения давления пара внутри древесины выше его критического значения;

- область высокого влагосодержания значительно быстрее (примерно в 2 раза) перемещалась в той части доски, где осуществлялся энерговклад, это приводило к сложности вывода воды с другого конца доски (где этого энерговклада не было).

При использовании этого режима время сушки древесины от 25 до 10 процентов влажности составило 1 час 20 минут. Масса доски перед началом эксперимента m₁=9,75±0,25 кг, после окончания m₂=8,25±0,25 кг. Таким образом масса удаленной воды m_в составила 1,5±0,1 кг, средняя энергия на единицу удаленной воды

что более чем в два раза меньше, чем при обычном методе сушки. Оценочный расчет для испарительного режима сушки дает значение W_Σ=5370 кДж/кг.

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о высокой энергетической эффективности предложенного способа, которая может быть еще выше в случае применения источников с объемным характером энерговклада в сырую древесину (такими свойствами обладают ВЧ- и СВЧ-источники).

1. Способ сушки древесины, отличающийся тем, что процесс сушки разбивается на два этапа: на первом этапе в обрабатываемой древесине за счет внешнего источника энергии формируют продольный вдоль волокон обрабатываемой древесины градиент температуры, который, за счет продольной диффузии влаги, приводит к образованию в каждом капилляре сплошных водяных "пробок", минимальная длина каждой из которых составляет 2 мм в каждом капилляре, а на втором этапе энергию внешнего источника концентрируют вблизи границ водяных "пробок", тем самым приводя к интенсивному нагреву и частичному испарению воды, в результате внутри древесины создается и продолжительное время поддерживается избыточное давление, обеспечивающее движение к краю обрабатываемой древесины водяных "пробок", вместе с границами которых движется и внешний источник энергии, и последующее удаление воды с торцевых поверхностей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник энергии содержит более одного средства подвода энергии к участкам древесины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что градиент температуры и испарение части влаги осуществляют либо с помощью источника (источников) электромагнитного излучения высокочастотного, сверхвысокочастотного, инфракрасного, видимого или ультрафиолетового диапазонов, либо с помощью контактного подвода тепла, либо с помощью комбинации этих источников.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый и второй этапы процесса проводят последовательно в разных (по глубине) продольных сечениях обрабатываемой древесины, при этом для проведения второго этапа используется источник (источники) электромагнитного излучения, частоту работы которого выбирают таким образом, чтобы глубина проникновения этого излучения (Δ₁, см) в областях с высоким влагосодержанием была бы по крайней мере в 2 раза меньше поперечных размеров (глубины) обрабатываемой древесины (h, см): Δ₁≤2·h, а глубина проникновения в областях с малым влагосодержанием (Δ₂, см) была бы по крайней мере в 2 раза больше поперечных размеров обрабатываемой древесины: Δ₂≥2·h.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания градиента температуры на первом этапе сушки используют принудительное охлаждение областей обрабатываемой древесины в месте формирования "пробок".