Особенности системы вентиляции при низкотемпературной сушке древесины

Физические особенности низкотемпературной сушки
К низкотемпературным относятся режимы сушки, при которых температура сушильной камеры по “сухому” термометру tС находится в пределах 30...60 °С. При этих режимах не изменяется цвет древесины, не выплавляется смола на поверхности досок, не выпадают и не выдавливаются сучки, нет трещин. С другой стороны, по сравнению с нормальными и высокотемпературными режимами низкотемпературная сушка более продолжительна во времени, что увеличивает себестоимость продукции. Для анализа факторов влияющих на продолжительность сушки, рассмотрим классическую кривую сушки древесины.
В начальный период на участке АВ происходит прогрев древесины, во время которого влага из нее не убывает. Анализ кривой сушки обычно начинают с точки В, когда температура поверхности древесины приблизительно равна температуре “мокрого” термометра tМ и остается постоянной до точки С. На участке ВС, который является прямой линией, скорость сушки постоянна. Этот этап называется первым или этапом постоянной скорости сушки. В этот период из древесины удаляется свободная влага, то есть влага, заполняющая внутренние полости клеток древесины и межклеточные пространства. Влажность на первом этапе падает от начального значения WН до так называемого критического WКР, соответствующего точке С на графике. После точки С температура поверхности древесины начинает повышаться, а скорость сушки уменьшается и при достижении древесиной равновесной влажности WР (в точке D) скорость сушки будет равна нулю. Второй этап называется также периодом уменьшающейся скорости сушки. На этом этапе из древесины удаляется связанная влага, пропитывающая стенки клеток древесины. Тангенс угла наклона касательной в любой точке кривой сушки определяет скорость сушки в этой точке:

• Share

При равновесной влажности WР угол s = 0 и скорость сушки равна нулю. Наибольшая скорость сушки будет на первом этапе постоянной скорости сушки:

• Share

Чем больше неравномерность влажности по сечению пиломатериала, тем больше значение WКР. С возрастанием температуры сушки WKP приближается к WН. И наоборот, при снижении температуры сушки (линия АВС1D1 на графике) WKP приближается к влажности точки насыщения волокна WТН, которая характерна тем, что в древесине нет свободной влаги, но находится максимально возможное количество связанной влаги. При 20°С WТН = 30 % для всех пород древесины. Таким образом переход к низкотемпературному режиму сушки приводит к возрастанию времени первого этапа по отношению к продолжительности всего процесса сушки. На первом этапе процесса влажность поверхности древесины близка к точке насыщения волокна.
Свободная влага из внутренних слоев древесины поступает к поверхности в достаточном количестве, чтобы поддержать ее влажность на указанном уровне. Испарение влаги с поверхности сырой древесины происходит так же, как и со свободной водной поверхности. Поэтому количество жидкости m, испаряющейся с 1 кв.м поверхности за 1 с может быть подсчитано по формуле Дальтона:

m = C . (PН – PП ) (3)

где PН — давление насыщенного водяного пара при температуре испарения жидкости; PП — парциальное давление водяного пара в окружающем воздухе; С — коэффициент поверхностного испарения.
Зависимость коэффициента испарения от скорости воздуха v выражается линейным уравнением :

С = a+bV , (4)

где a и b — константы.
Из формул (3) и (4) следует, что на первом этапе сушки скорость испарения зависит от перепада парциальных давлений пара на границе “древесина-воздух”, а также от скорости обдува древесины воздушным потоком. Переход к низкотемпературным режимам сушки древесины приводит к существенному снижению Жp, что значительно уменьшает скорость испарения с поверхности пиломатериалов. Например, переход от нормального режима сушки сосновых досок толщиной 50 мм (tC = 69°C, tМ = 65°C) к низкотемпературному (tC = 52°C, tМ = 48°C) приводит к двукратному снижению Dp (с 6000 Па до 3000 Па) и, соответственно, к такому же (при прочих равных условиях) снижению скорости испарения влаги на первом этапе сушки. Соответственно, учитывая удельный рост времени первого этапа сушки при низкотемпературном режиме, значительно возрастает общая продолжительность сушки. Из формул (3) и (4) следует, что для компенсации негативного влияния снижения Dp при переходе на низкотемпературный режим необходимо увеличить скорость воздушного потока через штабель древесины. Кроме ускорения сушки возрастание скорости обдува позволяет избежать появления плесени на древесине при низкой температуре и высокой относительной влажности воздуха.

• Share

Требования к вентиляторной установке при низкотемпературных режимах сушки древесины
Для качественной низкотемпературной сушки хвойных пиломатериалов скорость воздуха в штабеле должна быть не менее 3-3,5 м/с. Вентиляторная установка сушильной камеры должна обеспечивать подачу требуемого объема воздуха, равномерное распределение его по штабелю, минимальное гидравлическое сопротивление движению воздуха. Для перемещения воздуха в камерах применяются центробежные или осевые вентиляторы низкого (до 1000 Па) давления.
Применение центробежных вентиляторов целесообразно при больших сопротивлениях циркуляционного контура за счет использования пластинчатых калориферов, увеличенной ширины штабеля пиломатериалов и т.д. Особенностью центробежных вентиляторов является способность изменять на 90° направление потока от входа до выхода. Это конструктивно достаточно просто позволяет выносить электродвигатель из зоны с повышенной температурой и влажностью. Однако при использовании центробежных вентиляторов для равномерного обдува штабеля необходимо применять сложную систему распределительных воздуховодов, что усложняет и делает более дорогой конструкцию камеры, а также создает дополнительное гидравлическое сопротивление воздушному потоку. Вследствие этого снижается скорость воздуха в штабеле, которая является, как было показано выше, определяющим параметром эффективности низкотемпературной сушки.
В лесосушильных камерах, использующих низкотемпературные режимы сушки древесины, рекомендуется применять осевые вентиляторы. Они дают большое количество воздуха при относительно малых напорах, не изменяя направление потока. Для равномерного обдува штабеля осевые вентиляторы обычно располагаются в верхней части по длине камеры. По сравнению с центробежными осевые вентиляторы более экономичны: при одинаковых расходах воздуха для привода осевого вентилятора потребуется двигатель меньшей мощности по сравнению с центробежным, если сопротивление циркуляционного контура меньше напора осевого вентилятора. Однако при эксплуатации осевых вентиляторов в сушильных камерах возникает проблема безаварийной работы приводных электродвигателей в условиях повышенной температуры и влажности. На практике существует несколько способов решения данной задачи.

1. Использование вентиляторов на удлиненных валах с выносом двигателя за пределы камеры.
В этом случае двигатель находится в обычных температурно- влажностных условиях и не требует дополнительной защиты. В то же время резко возрастают требования к балансировке колеса и подшипников. Конструкция вентилятора с удлиненным валом требует большой точности при изготовлении, что значительно удорожает изделие.

2. Использование для привода вентиляторов специальных импортных электродвигателей в тропическом исполнении и размещение их внутри камеры.
Единственным недостатком такого решения является цена двигателей, на порядок превышающая стоимость отечественных аналогов. Размещение внутри камеры двигателей отечественного производства не рекомендуется, так как даже тропическое их исполнение требует запаса по мощности, что увеличивает потребление электроэнергии и, самое главное, не гарантирует длительной безопасной эксплуатации.

3. Модернизация обычных электродвигателей для условий работы вентиляторов внутри сушильной камеры.
Модернизация заключается в замене подшипников электродвигателей на подшипники более высокого класса точности, замену смазки подшипниковых опор на смазку с более высокой температурой каплепадания, повторную пропитку обмоток статора. Подобные мероприятия могут продлить срок эксплуатации электродвигателей при повышенной температуре, однако они недостаточно эффективны в условиях высокой влажности воздуха, которая в сушильной камере может достигать 100%.

Конструкция осевого вентилятора серии ОВС, существенно решившая проблему защиты приводных электродвигателей вентиляторов лесосушильных камер, разработана сотрудниками кафедры атомных электрических станций и инженерной теплофизики НТУУ “Киевский политехнический институт”. Конструкция вентилятора серии ОВС позволяет использовать в условиях повышенной температуры и влажности стандартные электродвигатели серии АИР71. Конструкция вентилятора обеспечивает надежную изоляцию электродвигателя от нагретой и влажной среды внутри камеры, а также эффективное его охлаждение наружным воздухом. Для обеспечения необходимой для низкотемпературного режима сушки скорости воздуха порядка 3 м/c в штабеле древесины высотой 2,5 м и шириной до 3 м осевыми вентиляторами серии ОВС-6 с диаметром колеса ротора 6 дм и мощностью приводного двигателя 0,75 кВт необходимо, чтобы на один метр длины штабеля приходился один такой вентилятор с расходом воздуха 8500-9000 куб.м/ч. Вентиляторы серии ОВС успешно эксплуатируются более чем на 70 лесосушильных камерах в различных регионах Украины.

Хмелев Ю. А., кандидат технических наук,
старший научный сотрудник кафедры АЭС и ИТФ НТУУ “КПИ”
Фридрихсон Ю. В., кандидат технических наук,
старший научный сотрудник кафедры АЭС и ИТФ НТУУ “КПИ”
Терех А. М., кандидат технических наук,
старший научный сотрудник кафедры АЭС и ИТФ НТУУ “КПИ”