Автор: Кречетов И.В.
Теги: деревообрабатывающая промышленность сушка древесины лесная промышленность
Год: 1987
Текст
И. В. КРЕЧЕТОВ
СУШКА
И ЗАЩИТА ДРЕВЕСИНЫ
Допущено Министерством лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности СССР в качестве учебника для техникумов
<1П
Москва
•Лесная промышленность-1987
УДК 674.047.048(075.32)
Кречетов И. В. Сушка и защита древесины: Учебник для техникумов.— М.: Леси, пром-сть, 1987. —- 328 с.
Приведены сведения о физических свойствах газообразных сушильных агентов и древесины как объектов сушки. Рассмотрены типы и конструкции лесосушильных установок, их оборудования и применяемых контрольных приборов. Рассмотрена технология сушильных процессов для пиломатериалов, шпоиа и измельченной древесины. Кратко изложена методика проектирования сушильных установок. Рассказано о защите древесины от гниения, поражения насекомыми и возгорания. Большое внимание уделено методам повышения качества высушиваемой древесины в целях снижения ее отходов из-за дефектов сушки и увеличения ресурса эксплуатации изготавливаемой продукции.
Для учащихся лесотехнических техникумов.
Табл. 33, нл. 104, библпогр.— 7 назв.
Рецензенты: Н. К. КОЛЯСНИКОВ (Минлесбумпром СССР); цикловая комиссия Майкопского техникума деревообрабатывающей промышленности.
к 3002000000—057
037(01)—87
45—87
© Издательство «Лесная промышленность», 1987 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В соответствии с решениями XXVII съезда КПСС перед деревообрабатывающей промышленностью поставлена задача интенсификации производственных процессов, повышения их эффективности при одновременном коренном улучшении качества вырабатываемой продукции.
По своему технологическому содержанию процессы сушки и защиты древесины имеют целью осуществлять коренные изменения качества древесных материалов путем облагораживания древесины с превращением ее из сырья в высококачественный строительный, поделочный и музыкальный материал. Такое сырье органического происхождения превращается в материал биостойкий, высокопрочный, облегченный почти в 2 раза, стабильный по размерам и форме, отлично обрабатываемый, отделываемый, приобретающий тепло- и электроизоляционные свойства, имеющий высокую эстетичность в практическом использовании.
Перед специалистами по сушке и защите древесины возникают новые проблемы кардинального значения. Необходимо осуществлять процесс сушки древесины на более высоком техническом уровне, одновременно придавая ей и защитные свойства. Цель заключается в коренном улучшении качества и сохранности древесины в самом производственном потоке. Вторая, еще более важная задача состоит в повышении конечных качественных показателей проведения процессов сушки и защиты древесины для удлинения срока службы вырабатываемых из нее изделий.
Задачей освоения учебного материала является не только накопление знаний, но и развитие технического мышления учащегося, способность анализировать явления и процессы, выявлять новые, более эффективные решения производственных проблем. Существующая сложная технология в рассматриваемой области производства должна активно совершенствоваться самими производственниками. Необходимо систематически накапливать и анализировать богатый промышленный опыт в многообразных практических условиях и творчески его использовать.
Учебник написан для учащихся специальности 0904 (лесопильно-деревообрабатывающее производство), учтены и другие специальности: 0906 (фанерно-спичечное производство), 0903 (мебельное производство), 1122 (производство музыкальных инструментов) .
1*
ВВЕДЕНИЕ
Индустриальная сушка древесины возникла и развивалась в СССР после Великой Октябрьской социалистической революции, начиная с первых пятилеток. Уже в 1929 г. была организована и успешно проведена первая Всесоюзная конференция по сушке древесины, которая установила научные и технические направления развития лесосушильной техники и производства на ближайшие годы. В последующем такие конференции проводились в среднем через каждые 5 лет. В это же время был организован в стране первый научно-исследовательский институт — «Институт древесины», который вскоре разделился на ряд институтов, в том числе Центральный научно-исследовательский институт механической обработки древесины (ЦНИИМОД) в Архангельске.
В создании новой технологии и техники сушки и защиты древесины работают проектные институты: Гипродрев (Ленинград), Гипродревпром, Гипролеспром (Москва) и др. Эта техника совершенствуется также многими заводскими лабораториями и работниками промышленности.
Разработан ряд новых сушильных и пропиточных установок и агрегатов. Созданы и совершенствуются соответствующие мощные агрегаты в цехах по производству древесностружечных плит, в фанерной промышленности и др.
Понятие о сушке древесины. Выпиливаемые из сырых бревен доски и заготовки содержат по массе почти столько же влаги, сколько в них заключается древесинного вещества. Если удалить эту влагу, масса досок уменьшится почти в 2 раза, а влажность древесины будет равна нулю.
Применяемый в промышленности метод теплового удаления влаги из древесины называют сушкой. Физическая сущность этого процесса заключается в том, что нагретый воздух направляют к сырому материалу, при соприкосновении с которым он отдает свое тепло, т. е. охлаждается, а влага древесины за счет воспринятого ею из воздуха тепла превращается в парообразное состояние (водяной пар) и удаляется от древесины этим же, но охладившимся воздухом.
В атмосферных условиях сушка древесины (равно как и других тел — почвы, растений и т. п.) происходит за счет тепла нагретого солнцем воздуха. На каждые 2500 кДж тепла превращается в пар 1 кг воды. Таким образом, воздух выполняет роль транспортного средства: он подводит к материалу тепло и в соответствующем количестве забирает и уносит из материала влагу, но уже в состоянии пара.
4
Если принять, что в сырой (сплавной) древесине содержатся равные количества как воды, так и древесной массы, то влажность древесины равна 100%. У легких древесных пород (ель, осина и др.), долго лежавших в воде, влажность может быть 150, 200 %, т. е. на 100 частейгсамой древесины приходится 150, 200 частей воды, или в 1,5. 2 раза больше, чем древесной массы.
Обычная влажность древесины растущего дерева (при сухопутной доставке бревен) составляет 60...80 %.
Цели сушки древесины. Особенности ее влажности. Главная цель сушки древесины во всех условиях ее производственного и бытового использования заключается в превращении древесины из природного сырья в промышленный материал с коренным улучшением ее биологических, физико-механических, технологических и потребительских свойств. В процессе надлежащей сушки древесина облагораживается, становится пригодной для изготовления многообразной ценной, стабильной продукции, отвечающей непрерывно возрастающим потребительским запросам.
В результате высушивания древесина приобретает стойкость против гниения, повышаются ее прочность и жесткость, возникает стабильность размеров и формы деталей и всего изделия, открывается возможность склеивания, шлифования, полирования, древесина приобретает ряд гигиенических свойств, снижаются ее теплоемкость, тепло- и электропроводность, появляются другие положительные свойства (лучшее удерживание гвоздей, выше чистота обрабатываемой поверхности и др.).
Необходимо отметить очень важное влажностное состояние — «равновесную влажность древесины», к которой она стремится при длительном соприкосновении с окружающим воздухом постоянного состояния. Например, в комнатных условиях равновесная влажность древесины будет равна 6...8 % (меньше— зимой), под навесом, т. е. в более влажном воздухе — 12... 18 % и т. д. При таком состоянии влажность древесины становится устойчивой, следовательно, не происходит более ни усушки, ни разбухания древесины, что особенно важно для шиповых соединений изделий (различных дверок, столярных стульев, кресел, столов, шкафов и т. д.).
Перед изготовлением изделий из древесины удаляют сушкой не всю влагу. В случае производства мебели и музыкальных изделий применяют древесину с остаточной влажностью 6...8 %, в деревообработке влажность высушенной древесины должна быть 10... 15 %, что предусматривается техническими условиями на изготовление изделий.
При влажности древесины ниже 22 % она не гниет, так же как не гниет высушенная трава (сено), высушенный хлеб (сухари) и т. п. Влажность древесины 20 % называется транспортной, древесина при перевозках в теплое время года не портится.
5
Следует отметить характерную влажность древесины 30%, т. е. содержание влаги 0,3 массы самой древесины (принимаемой за 1,0), называемую пределом гигроскопичности.
Требования к качеству сушки пиломатериалов. Исключительно велико значение качественной сушки древесины. Оно предопределяется необходимостью выработки предприятиями высококачественной продукции по всем показателям, а главное—по ресурсу (длительности) ее эксплуатации.
При неудовлетворительном техническом состоянии сушильного оборудования, а также низком технологическом уровне эксплуатации и слабом техническом контроле сушильного производства продукцию изготавливают из недосушенной или неравномерно высушенной древесины, когда часть ее в штабелях материала оказалась просушенной в разной степени. Такая продукция (со скрытым браком по влажности) низкокачественна и мало пригодна для эффективного использования. Она ненадежна, быстро портится; для ее воспроизводства требуется повторное расходование материалов (в том числе древесины) и других средств производства.
Так мебель для сидения (решетчатая), изготовленная из недосушенной древесины, приходит в негодность за 2... 4 года. Аналогичная мебель, выполненная из хорошо просушенного материала, служит 20...40 лет и более, т. е. примерно в 10 раз дольше. Известна мебель, изготовленная из хорошо просушенной древесины, эксплуатируемая населением более 250 лет (например, в санатории «Монино», домах старых городов).
Используемые в жилищном строительстве щитовые двери, оконные коробки, настилы полов и перекрытия при изготовлении их из влажной, недосушенной или неравномерно просушенной древесины через некоторое время (1...2 года) рассыхаются, в них появляются щели, двери и оконные коробки перекашиваются, доски для полов и элементы перекрытия, кроме того, коробятся, штукатурка разрушается, конструктивные деревянные элементы иногда поражаются грибами. В зимнее время такое жилище продувается ветром, расходуется большое количество тепла и ухудшаются санитарно-гигиенические условия в помещениях. Вскоре после сооружения такие помещения приходится капитально ремонтировать. При появлении домовых грибов необходимо срочно перебирать деревянные конструкции и сжигать все пораженные детали, а иногда целиком постройки.
Слабо контролируемый процесс сушки приводит также к значительным убыткам из-за возникновения большого коробления высушиваемого материала, растрескивания, внутренних деформаций и снижения в связи с этим точности механической его обработки. Совершенно недопустимо нарушение технологии сушки пиломатериалов — досрочная выгрузка их из камер в недосушенной состоянии. Это приводит к нерациональному ее использованию и обострению дефицитности древесины.
Некачественная сушка и выпуск бракованной продукции могут остаться долгое время незамеченными, поскольку результаты дефектной сушки при отсутствии должного контроля сказываются через значительное время после выработки продукции, когда она уже некоторое время находится в эксплуатации.
Сушка обходится недорого — всего около 10 % стоимости высушиваемой древесины. Расходы на устройство сушильных установок за время их действия (примерно 10... 15 лет) составляют лишь 1...2% стоимости высушенной ими древесины.
Защита заготовок и деталей от деформирования. В связи с необычайно большой и многообразной деформацией пиломатериалов, заготовок и деталей при их обезвоживании возникает актуальная проблема по снижению возникающих при этом потерь древесины. Возможность и эффективность решения этой технической задачи относится в первую очередь к предотвращению (или уменьшению) коробления пиломатериалов в верхних рядах сушильного штабеля, где они слабо зажаты при сушке. То же относится и к нижним рядам пиломатериалов, базируемым к неплоскому основанию штабеля, и даже по всему штабелю по высоте (см. гл. 18).
Возникает также задача по совершенствованию планирования раскроя бревен с учетом неодинаковой усушки досок, выпиленных по ширине поставов, в различных участках по их объему. Существенна задача по оптимизации вырезки брусковых заготовок из различных зон бревна с учетом их будущей усушки и другие задачи по более рациональному использованию древесины. Встают также проблемы кардинального значения по снижению величины усушки древесины путем применения специальных режимов обезвоживания и получения без растрескивания сухих сердцевинных пиломатериалов и брусьев.
Экономика массовой сушки пиломатериалов. Вырабатываемые пиломатериалы должны высушиваться на месте их выпиловки, причем немедленно и желательно в технологическом потоке лесопиления. Процесс их сушки следует рассматривать как неотъемлемую часть технологии изготовления досок и заготовок. Непросушенная древесина — внутрицеховой полуфабрикат, поэтому она не может считаться материалом и тем более товарной продукцией, подлежащей реализации.
Для конвективного подвода тепла к высушиваемому материалу кроме нагретого воздуха можно применять непосредственно продукты сгорания, получаемые при сжигании твердого (древесные отходы, уголь), жидкого (мазут) и газообразного (природный газ) топлива. Второй метод эффективен при массовой сушке пиломатериалов, он является доминирующим при сушке шпона и единственно желательным при высушивании частиц в производстве древесностружечных плит (ДСтП).
Возможные другие способы обезвоживания древесины. Подведение тепла к пиломатериалам для превращения влаги
в парообразное состояние возможно также следующими способами: 1) с горячей гидрофобной (т. е. водоотталкивающей) жидкостью, например петролатумом; 2) твердыми телами при контакте древесины с горячей металлической поверхностью; 3) лучистой теплотой, направленной к древесине от специальных панелей-излучателей; 4) электрическим током, пропускаемым через влажную древесину и нагревающим ее; 5) электромагнитным полем высокой частоты, пронизывающим и нагревающим влажную древесину. Все эти физические воздействия имеют опытное значение.
Известный интерес представляют опытные методы обезвоживания древесины без превращения ее влаги в пар, т. е. без затраты тепла на парообразование: 1) центрифугирование при больших частотах вращения образца древесины, когда ось его вращения проходит посредине его длины; 2) частично от воздействия высокочастотного электромагнитного поля; 3) воздействие разности потенциалов постоянного электрического тока (явление электроомоса), а также выдавливание воды (например, при лущении шпона).
Сущность физико-биологической защиты древесины. Источниками биологического поражения древесины в наземных условиях являются грибы и насекомые — в основном жуки и их личинки; методы защиты от них древесины в значительной мере общие. Главное внимание уделяется защите от грибов (плесень, изменение цвета древесины и затем ее разрушение гниением).
Для жизнедеятельности грибов необходимы следующие условия: умеренная теплота (теплое время года или отапливаемые зимой помещения), наличие кислорода воздуха внутри древесины (полости клеток и капилляров не заполнены водой, т. е. древесина не очень влажная), умеренное количество влаги — примерно 20... 90 % (достаточно сухая и очень влажная древесина не гниет).
Поэтому способы борьбы с грибами заключаются в создании условий, неблагоприятных для их жизнедеятельности. К этим условиям относятся: низкая или повышенная (более 50 QC) температура, заполнение всех полостей в древесине водой, вытесняющей воздух, значительное обезвоживание древесины (без влаги не может жить ни один организм растительного или животного происхождения).
Физические методы защиты древесины. Сушка наиболее простой, дешевый и достаточно надежный метод защиты древесины от поражения грибами.
Следует отметить, что при сушке нормальными режимами (температура выше 60 °C) происходит также стерилизация древесины от насекомых. При нагреве уничтожаются личинки, куколки и сами насекомые, поражающие древесину. Для действенности этого метода необходимо предохранять высушенную древесину от повторного увлажнения. Применяется также методика защиты древесины от гниения путем задержки проникно
8
вения в нее воздуха. Это достигается предотвращением высыхания влажной древесины (замазкой торцов круглых лесоматериалов смолой, созданием влажной окружающей среды, например путем плотной укладки .йруглых лесоматериалов при сниженной, задерживаемой, вентиляции воздуха и т. п.). Более надежно доувлажнение древесины посредством искусственного дождевания штабелей круглых сортиментов. Еще более эффективен метод защиты затоплением древесины в бассейне (пойме реки).
Жизнедеятельность грибов резко сокращается при температуре ниже 5 °C, приостанавливается при близкой к нулевой и прекращается при отрицательной температуре. Поэтому эффективен метод хранения древесины (как и многих органических продуктов) замораживанием. Древесину, например фанерные чураки, укладывают в поленницы, засыпают снегом, заливают холодной замерзающей водой, теплоизолируют и сохраняют в таком состоянии, постепенно расходуя чураки, примерно до середины лета.
Химическая защита древесины. Для защиты древесины, подвергающейся повторному увлажнению от гниения, ее пропитывают антисептиками — веществами, ядовитыми для грибов. С учетом различных древесных сортиментов, целей их пропитки, разнообразных условий эксплуатации древесины, требуемой степени ее защищенности применяют различные антисептики, разные методы и режимы пропитки, регламентируемые ГОСТами. Кроме того, необходима защита древесины от насекомых и от возгорания.
В лесопильном производстве возникает опасность поражения древесины грибами в следующих случаях: при сплаве бревен в надводной части плотов, частично омываемых водой; после выкатки бревен из воды в теплое время года — в штабелях бревен; после распиловки бревен — в штабелях пиломатериалов; при транспортировке и последующем хранении. Поэтому после распиловки необходимо немедленное высушивание досок в весенне-летнее время. Перед сушкой их антисептируют кратковременным погружением для смачивания в раствор химиката.
В процессах деревообработки пропитке химикатами подвергают лишь те элементы изготавливаемой сухой пилопродукции, в частности деревянных домов, которые в последующих условиях эксплуатации могут увлажняться и, следовательно, подвергаться загниванию. Особая значимость защиты древесины в потоках мебельно-деревообрабатывающих производств заключается в предотвращении ее порчи до сушки.
Раздел I. ИСКУССТВЕННАЯ СУШКА ДРЕВЕСИНЫ*
Глава I. ВОДЯНОЙ ПАР, ВОЗДУХ И ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ КАК СУШИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ
§ 1. Физические свойства водяного пара
Сушильным агентом называются нагретые водяной пар атмосферного давления, воздух и продукты сгорания (топочные газы), которые при соприкосновении с влажной древесиной отдают ей теплоту и одновременно отбирают из нее влагу, высушивая древесину.
Атмосферный воздух (холодный — зимой, теплый — летом пли дополнительно подогретый — в сушильных установках) всегда содержит в виде гомогенной (однородной) примеси водяной пар (далее обозначается — пар) в различных количествах на 1 м3 воздуха. При этом масса пара, выраженная в кг/м3, называется его плотностью. Такую же единицу измерения имеет и плотность воздуха. Находясь в общем объеме, они создают суммарную плотность.
В обычных условиях атмосферного воздуха пар прозрачный, т. е. невидимый. Если пар содержит взвешенные, очень мелкие капельки воды, будет туман или облака, которые не пропускают световых лучей, т. е. непрозрачны. Таким образом, туман содержит воздух, пар и капельки воды.
Пар называют су хой н а с ы ще н н ы й, если он не испаряет воду той же температуры с открытой поверхности. Путем подогрева сухой насыщенный пар превращается в перегретый; в этом случае он способен испарять воду, пока не станет насыщенным.
На рис. 1 показаны методы получения пара различного состояния в лабораторных условиях. В этих целях в колбу с боковым отростком наверху наливают чистую воду и нагревают. Для измерения температуры воды и пара в колбу через пробку вставляют два термометра, один из которых опущен в воду. Из колбы а при кипении воды через отросток будет вытекать на -
* К искусственной сушке (досок, шпона, древесных частиц и др.) относятся процессы, в которых теплота подводится к материалу от индустриальных источников: непосредственно от перегретого пара, от паровых или жидкостных калориферов, продуктов сгорания, нагретого петролатума, электрического тока, токов высокой частоты (ТВЧ), горячих поверхностей и т. п.; при атмосферной сушке используется теплота наружного воздуха, омывающего материал,
10
Рис. 1. Приготовление в лабораторных условиях пара: а — насыщенного; б — перегретого: в — влажного; г — насыщенного
из водного раствора
сыщепный пар с температурой 98... 100 СС (в зависимости от барометрического давления атмосферного воздуха). В колбе б пар, проходящий через отросток, дополнительно подогревается электроспиралью; здесь из колбы будет вытекать перегретый пар. В колбе в отросток охлаждается, например, мокрой марлей, поэтому вытекающий пар будет влажным, т. е. с капельками воды (туман). В воду колбы г добавлена поваренная соль; здесь температура раствора будет при кипении повышенной, но температура пара останется такой же, как в колбе а (она зависит от давления пара в колбе). Таковы процессы превращения воды в пар (при 100 °C); они протекают на дне подогреваемых колб.
Источниками возникновения пара в сушильной технике может быть вода, испаряемая из высушиваемого материала; пар, поступающий по трубам из парового котла в сушильную установку и добавляемый к сушильному агенту (воздуху); пар из котла, нагревающий воздух в камере посредством отопительных калориферов; пар, возникающий при сушке топлива перед его сгоранием в результате испарения из него влаги в топочном пространстве, а также пар от сгорания водорода самого топлива. Эти производственные виды пара характеризуются общими физическими свойствами и отличаются лишь по температуре и давлению.
Для измерения давления пара можно провести в лаборатории пли даже мысленно следующие опыты. Если снизу в открытую трубку действующего ртутного барометра ввести пипеткой несколько капель воды, всплывающей кверху в торичеллиеву пустоту, ртуть в барометре опустится с уровня Нх до уровня /Д (рис. 2, о). Причина опускания ртути — образование в вакуумном пространстве барометра сухого насыщенного пара, давление которого равно рн; это давление пара действует во все стороны, в том числе и на поверхность ртути. Затем барометр можно перенести в более теплое помещение, в котором давление
11 life.
Рис. 2. Параметры насыщенного, влажного и перегретого пара:
а — барометр для измерения давления пара; б — психрометр для измерения его температуры; в — диаграмма пара при давлении меньше 1 бар (0,1 МПа); г — то же при давлении больше 1 бар (0,1 МПа)
пара рн возрастает. Это указывает на важное свойство пара — увеличивать свое давление рн с повышением температуры и наоборот.
При нагревании трубки барометра, а следовательно, пара в ней до 100 °C давление пара будет равно барометрическому, т. е. рк—р (рис. 2, а), и вся ртуть будет выдавлена паром из трубки в чашечку (во время опытов, на поверхности ртути в трубке должны оставаться капли воды). Таким образом, барометр может быть использован как прибор для изучения свойств пара.
Общее давление гомогенной смеси двух (и более) различных газов выражается формулой Дальтона
Р=Рв + Рп или Рп=р — Рв, (1)
12
т. е. общее давление газа р (в данном случае постоянное барометрическое давление р) равно сумме парциальных (частичных) давлений воздуха и пара рв и рп: если увеличивается рп, то уменьшается рв, так как их сумма постоянная. Графически это показано на рис. 2, в.
Давление пара рп выражается следующими величинами:
а) паскалями Па, килопаскалями кПа=103 Па, мегапаскалями МПа= 106 Па;
б) реальной в природных условиях (применительно к среднему барометрическому давлению) и четко понимаемой является кратная величина 0,1 МПа=105 Па = 750 мм рт. ст.= 1 бар; таким образом, 1 бар практически равен 1 атм, а 1 кПа равен 1 % бара (атм);
в) для замера давлений газа в сушильной технике применяют U-образные манометры, заливаемые водой (см. рис. 59, <?); таким образом наглядно измеряют величину давления в миллиметрах водяного столба, что равно давлению 1 кг на 1 м2 (так как 1 дм3, т. е. 1 кг воды, равномерно разлитой на площади 1 м2, образует высоту слоя в 1 мм). Для пересчета миллиметров водяного столба в паскали надо полученную цифру умножить на 9,81, т. е. примерно на 10 (например, измеренное в газоходе давление в 20 мм вод. ст. составит: 20-9,81 = 196,2 Па~ — 200 Па).
В котельной технике различают два давления пара — отсчитываемое по манометру, т. е. избыточное над барометрическим, и абсолютное, с учетом барометрического; второе больше первого на 1 атм (например, 5 атм по манометру равны 6 атм абсолютных). Кривая на рис. 2, в иллюстрирует давление насыщенного пара рв в зависимости от его температуры в диапазоне 0...100 °C, а на рис. 2, а — то же в диапазоне температур 100... 150 °C. Следует хорошо уяснить закономерности этих кривых (в основном логарифмики) с отсчетом ряда численных значений pB=f(tK), а также наоборот —
В табл. 1 приведены более точные численные значения температуры, плотности и энтальпии (теплосодержания) насыщенного пара в функции от его давления. Если известно давление рп в котле, в калорифере и т. п., по табл. 1 можно установить его температуру и наоборот.
В случаях использования перегретого пара рп барометрического давления (т. е. без воздуха) в качестве сушильного агента потребное его количество /, кг, для испарения из материала 1 кг воды определяется по формуле
j 1022 Г ti
где tx — температура пара до испарения воды; /2 — то же после испарения воды.
13
1. Параметры сухого насыщенного пара (первые две колонки приведены для справок)
Давление пара Температура пара, °C Плотность пара, кг/м3 Объем пара» м3/кг Энтальпия пара
МПа Бар (10= Па) кДж/кг ккал/кг
0,001 0,01 6,9 0,0077 129,9 2514 600,4
0,002 0,02 17,5 0,0149 66,97 2533 605,1
0,005 0,05 32,9 0,0355 28,19 2561 611,7
0,01 0,1 45,8 0,0681 14,68 2584 617,2
0,02 0,2 60,1 0,131 7,65 2609 623,3
0,05 0,5 81,3 0,309 3,24 2645 631,8
0,10 1,0 99,6 0,590 1,694 2675 639,0
0,12 1,2 104,8 0,700 1,429 2683 640,9
0,14 1,4 109,3 0,809 1,236 2690 642,5
0,16 1,6 113,3 0,916 1,091 2696 643,4
0,18 1,8 116,9 1,023 0,977 2702 645,5
0,20 2,0 120,2 1,129 0,885 2707 646,7
0,25 2,5 127,4 1,392 0,718 2717 649,1
0,30 3,0 133,5 1,651 0,606 2725 651,0
0,35 3,5 138,9 1,908 0,524 2732 652,7
0,40 4,0 143,6 2,163 0,462 2738 654,2
0,45 4,5 147,9 2,416 0,414 2744 655,5
0,50 5,0 151,8 2,669 0,375 2749 656,7
0,6 6,0 158,8 3,169 0,316 2757 658,7
0,7 7,0 165,0 3,666 0,273 2764 660,3
0,8 8,0 170,4 4,161 0,240 2769 661,5
0,9 9,0 175,3 4,654 0,215 2774 662,7
1,0 10,0 179,9 5,139 0,1946 2778 663,7
1,2 12,0 188,0 6,124 0,1633 2785 665,3
1,5 15,0 198,3 7,593 0,1317 2792 667,1
2,0 20,0 212,4 10,041 0,0996 2800 668,9
Пример. При температуре перегретого пара до испарения воды t= = 114 °C, а после испарения /а=108 4С находим
. 1022 4- 114 .... .
I = ------------ — 190 кг/кг пара,
114 — 108
т. е. для испарения 1 кг воды потребуется пропустить через штабель с влажным высушиваемым материалом 190 кг пара.
§ 2. Параметры воздуха как сушильного агента
Температура воздуха t, °C, определяет степень его нагрева; измеряется она термометрами.
Психрометрическая разность М, т. е. разность показаний по сухому и по охлажденному (из-за испарения воды), мокрому термометру психрометра (рис. 2, б); эта разность определяет величину теплового потока, создаваемого перепадом температур между воздухом и водой, испаряемой с мокрого термометра. Эта величина представляет собой потенциал сушки. Она показывает сухость воздуха: чем суше воздух, тем интенсивнее испаряется вода и, следовательно, больше охлаждается мокрый термометр. Наоборот, при психро
14
метрической разности Д/=0 пар в воздухе — насыщенный и испарение им воды не происходит. Эти два параметра воздуха (t и Д/) являются базисными.
Давление пара в воздухе рн (или рп), кПа, представляет собой упругое гидростатическое воздействие, оказываемое паром на окружающие тела. Параметры пара рн определяются температурой и затем графически отрезком АВ на рис. 2, в.
Влагоемкость пространства (масса пара в 1 м3)— очень важное свойство пара — увеличивать плотность в результате подогрева; оно положено в основу процесса сушки. Холодный атмосферный воздух, даже пересыщенный влагой (зимний туман), содержит малое количество пара (неправильно иногда считают, что пар — только горячий).
Влагоемкость пространства выражается в г/м3, а плотность насыщенного пара рн в кг/м3, т. е. влагоемкость равна 1000 рн. Величина влагоемкости зависит от температуры пара в воздухе (верхняя строка — температура пара, нижняя — влагоемкость).
t, °C......................—30 —20 —10 0 10 20 30
1000 рн, г/м3 ............ 0,29 0,81 2,1 4,8 9,4 17,3 30,4
Продолжение
t, °C 40 50 60 70 80 90 100
1000 рн, г/м3 ............ 51,1 83,0 130 198 293 423 598
Как видно, влагоемкость пара прогрессивно нарастает с повышением температуры, она почти удваивается при повышении температуры на каждые 10 °C. По этой причине при охлаждении пара происходит его конденсация с выделением росы и тепла. Так, при охлаждении 1 м3 насыщенного пара с 70 до 30 °C конденсируется около 198—30,4=167,6 г влаги, т. е. при этом остается количество пара (30,4 г/м3) менее шестой части начальной (198 г/м3) его массы. Рассматриваемое свойство пара часто используют в технике для обестуманпвания воздуха, для осушки газов и т. п.
Насыщенность <р пара в воздухе характеризуется отношением плотности перегретого пара рп к его плотности в насыщенном состоянии рн при той же температуре:
ф — рп/рн* (3)
Если состояние слабо перегретого пара близко к насыщенному (сырой воздух), тогда числитель этого отношения приближается к знаменателю и <р->-1. Наоборот, сильно перегретый пар в воздухе, когда рп во много раз меньше рн, покажет значение <р приближающееся к нулю — воздух очень сухой. В метеорологии этот параметр (<р) называют относительной влажностью воздуха. В лесосушильной технике такой термин непригоден, поскольку можно сушить материал перегретым паром атмосфер-
15
кого давления, когда воздух отсутствует, но параметр <р остается.
Для идеальных газов плотность пропорциональна давлению; приравнивая к ним пар, получим достаточно точное для практических целей соотношение
<₽ = рп/рн, (4)
показывающее, что насыщенность пара в воздухе есть отношение давлений перегретого пара рп к насыщенному р„ той же температуры. Отсюда имеем
рп = <ррн. (5)
Например, если давление насыщенного пара при температуре - 60,1 °C равно 0,2 бара (по табл. 1), то прн <р=0,7 давление перегретого пара рп с той же температурой составит 0,7 -0,2=0,14 бара.
Влагосодержание воздуха d определяется массой пара 7ИП, приходящейся на 1 кг абсолютно сухого воздуха 7ИВ,
d== 1000 Мп = 622-^- [г пара/кг воздуха]. (6) А1В рв
Если представить воздух без пара, т. е. /И„ = 0 (в числителе), то d = Q. Если, наоборот, в рассматриваемом пространстве — чистый пар (без воздуха, т. е. в знаменателе Л1в = 0), то d = co. Подставляя значение рв = р—рп из формулы (1) в формулу (6), получим
+-622--------- (7)
Р — Рп
Здесь влагосодержание d зависит только от давления пара Рп, поскольку барометрическое давление рР в расчетах принимается величиной постоянной; 1 бар = 106 Па =100 кПа. Решив эту формулу относительно рп, получим
Таким образом, выявлены зависимости: влагосодержания от давления пара, т. е. d=f (рп) и давления пара рп от влагосодержания: pn=f(d). Обе эти величины взаимозависимы — с возрастанием одной увеличивается вторая (и наоборот).
Так как влагосодержание d, г/кг, дополняет 1 кг абсолютно сухого воздуха как неизменную, базовую величину, то их сумма больше 1 и равна (1+0,00 к/) кг.
Параметр d очень удобен в расчетах сушильного процесса, поскольку масса абсолютно сухого воздуха (1 кг) остается неизменной при нагревании, охлаждении, выпадении росы и т. п. В табл. 2 приведены значения d в зависимости от t и <р. Из таблицы видно, что d резко повышается с увеличением температуры (как и рп) и почти пропорционально снижается с уменьшением <р. При <р = 0 d=0, поскольку рп = 0 [формула (4)1.
18
19
Энтальпия (теплосодержание) воздуха 1 наряду с влагосодержанием d — один из главных расчетных и аналитических параметров для рассмотрения сушильного процесса. Энтальпию также учитывают по массе 1 кг абсолютно сухого воздуха. В энтальпии рассматривается теплоемкость 1 кг воздуха [1,0 кДж/(кг-К)] и пара [0,19 кДж/(кг-К)], а также теплота парообразования (2500 кДж/кг, или 2,5 кДж/г). (Здесь вместо °C значится К, одинаковый по интервалам температур). Формула энтальпии на 1 кг сухой части воздуха
7 = l,0/ + 2,5d + 0,0019/d [кДж/кг]. (9)
Первый член обозначает теплоту нагревания воздуха от нуля до t, °C, второй — теплоту парообразования d, г пара, при 0 °C, а третий — теплоту d, г пара, на 1 кг воздуха, нагретого до температуры также от 0 до /, °C. Отметим, что 1 кДж равен 0,239 ккал, или 1 ккал = 4,19 кДж.
Например, при /=58 °C и d= 100 г/кг получим 7=1,0-58+ +2,5- 100+0,0019-58-100=319 кДж/кг воздуха.
Плотность воздуха р, кг/м3, представляет собой сумму из плотности абсолютно сухого воздуха при его давлении рв = —р—рп [см. формулу (1)] и плотности пара рП в том же объеме при его давлении рп=р—рв. В условиях постоянного барометрического давления 0,1 МПа (1 бар)
₽-(349-^г)/<273+')- <10>
Например, при d=10 г/кг и /=100 °C р= (349—~^)/373= = 0,930 кг/м3.
При одинаковых температурах и давлениях пар легче воздуха (отношение рп/рв=0,622). Влажный воздух легче сухого, но, охладившись (уменьшившись в объеме), он может быть по плотности тяжелее сухого, нагретого (например, в штабеле сырого материала, у холодной стены комнаты или зимой у окна), и поэтому опускается вниз, а нагреваясь у калорифера, — расширяется и поднимается вверх. Плотность воздуха необходимо учитывать в расчетах при механическом его перемещении в трубах, каналах и т. п.
Удельный объем воздуха Vi+o.ooid — это объем его при массе 1 кг абсолютно сухой его части и при общем давлении 0,1 МПа (1 бар). Этот параметр необходим для пересчета массы воздуха (1 кг) с добавленным паром 0,001 d, кг, в его объем, м3, и для нахождения' скорости воздуха, перемещаемого в каналах.
V1+(M№d = (1,260 + 0,00462/) (0,622 + 0,OOld) [м®/кг]. (11)
Например, при /=100 °C и <1=200 г/кг Vi+o,ooid = (1,260+0,00462 • 100) X Х0,822= 1,42 м8/кг, а при 1=0 и <1=0 получим Vi+o,oid = 1,260 0,622 = = 0,783 м3/кг.
20
Как видно из этой формулы, объем 1 кг абсолютно сухого воздуха с добавленным к нему паром увеличивается с повышением его температуры t и влагосодержания d.
По приведенным формулам можно составить диаграммы, показывающие в наглядной форме взаимозависимость между изменяющимися параметрами воздуха, а также рассмотреть процессы, характеризующие технологию высушивания древесины.
Температурой точки росы называется такая температура постепенно охлаждаемого воздуха, при которой находящийся в нем пар начинает конденсироваться (начало тумана — капельки воды). Измеряется она гигрометром Ламбрехта, волосяным гигрометром и др., при этом <р= 1.
§ 3. Сущность процесса сушки древесины
Наиболее эффективным методом обезвоживания древесины в промышленных условиях является ее сушка. Она осуществляется за счет подвода к влажному материалу тепла с нагретым воздухом или горячими продуктами сгорания. Испарившаяся влага уносится этим же воздухом, частично увлажнившимся и охладившимся.
Испарение влаги воздухом может происходить и без его подогрева, что относится к атмосферной сушке (рис. 3, а). Здесь нагретый солнцем атмосферный воздух омывает поверхность влажного, более холодного, материала, отдает ему часть тепла и отбирает пар, охлаждаясь при этом и увлажняясь, а затем удаляясь от материала.
При подогреве воздуха калорифером (рис. 3, б) процесс сушки материала аналогичен показанному на рис. 3, а, но более интенсивен. При высушивании пиломатериалов отработанный увлажненный воздух (справа на рис. 3, б) в основной своей массе возвращается (рециркулирует) для повторного использования. Без такой рециркуляции, т. е. при обдувании материалов нагретым воздухом, древесина будет растрескиваться, а процесс сушки замедлится.
На рис. 3, в показана принципиальная схема аналогичного процесса сушки, но с заменой калорифера топкой, подающей тепло в виде горячих продуктов сгорания. Установка может действовать и без рециркуляции — при сушке древесных частиц, когда нет опасности растрескивания материала.
Одна из причин, обусловливающих выделение пара из средних зон нагреваемого влажного пиломатериала наружу, заключается в том, что при обычной температуре сушки (50... 100°C) объем пара примерно в 1,2... 1,7 тыс. раз больше объема испарившейся воды, в таком объеме пар устремляется из древесины в окружающий воздух и уносится от материала. Следовательно, для сушки необходимо с воздухом подводить тепло и уносить парообразную влагу, т. е. осуществлять циркуляцию воздуха по материалу.
21
Теплота
Выделение пара.
Атмрссрерный теплей-воздух
- Материал -свлажныйР
Материал полусухой
бозЗух
Влажный, охладившийся
Теплота
Теплота
Пар
Холодный
Кало- Нагретыул Материал-/х уххрер воздух <\ 1-влажный-
-влажный-
Материал полусухой
Влажный охладившийся воздух
Рециркуляция воздуха.
Холодный воздух
| ^Топливо
Топка
Теплота
Пар
Нагретый/ ЬР1ат^хйал~ (газ X I- влажный
Материал полусухой
газ
. Влажный охладившийся
Реиуркуляиря газа
Рис. 3. Принципиальная схема сушильного процесса:
а — подвод тепла с атмосферным воздухом к влажному материалу; б — подвод тепла с воздухом, нагретым в калорифере; в — подвод тепла с добавлением продуктов сгорания к рециркулирующим газам
Превращение воды в пар может происходить методом ее испарения, когда тепло подводится к влажной древесине конвективным потоком воздуха, содержащего перегретый пар (см. рис. 3), и методом выпаривания, при подводе тепла от перегретого пара атмосферного давления температурой /п>99,6 °C и горячих поверхностей, например от стальных плит в фанерном производстве, от электроутюгов при сушке гнутых носков лыж, а также выпаривании воды из подогреваемой снизу колбы с водой (см. рис. 1), кипящей воды в чайнике и т. п. В последних случаях температура пара будет составлять 98...100 °C (меньше при циклоне, т. е. пониженном давлении атмосферного воздуха). Процесс сушки при этом происходит без участия воздуха — пар удаляется от материала за счет своего небольшого избыточного давления.
§ 4. Диаграммы воздуха как сушильного агента
Zd-Диаграмма. Ввиду сложной зависимости между основными параметрами t, d, I, т. е. температурой, влагосодержанием и энтальпией воздуха, для лучшего понимания сушильных процессов и их расчетов необходимо изобразить указанные зависимости в графическом виде сначала на более простой диаграмме.
22
>2
Рис. 4. /d-диаграмма воздуха с линиями: температуры /-const (горизонтали); влагосодержания воздуха d-const и давления пара pn-const (вертикали); энтальпии /-const (наклонные) и кривые насыщенности пара <p-const
Представим эти зависимости в прямоугольной системе координат t и d (рис. 4). На оси абсцисс — влагосодержание d, г/кг, вверху — горизонтальная шкала давлений пара рп, а на оси ординат — температура t. Таким образом, горизонтали на диаграмме— это изотермы, т. е. линии постоянных температур, а вертикали — линии постоянных влагосодержа-ний, они же изобары (т. е. линии постоянных давлений пара). Кривые показывают насыщенность пара <р в воздухе, нижняя кривая (<р= 1) Ордината, соответствующая
В/гагосодержание d, г/кг
обозначает полное насыщение пара, как нулевому значению d, так и рн,
обозначает одновременно и линию <р=0, поскольку по формуле (4) при рп=0 <р = 0. Линии энтальпии / = const — наклонные.
В зоне диаграммы над линией <р= 1 пар в воздухе находится в перегретом состоянии, т. е. воздух обладает сушильными свойствами и тем в большей мере, чем дальше точка любого состояния воздуха находится от кривой <р=1 (по направлению линии 7 = const). Под линией q>= 1 находится зона тумана — в воздухе
влажный пар. Диаграмма построена для барометрического давления р=рв + Рп=1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа. Сумма давлений Рп + Рв графически иллюстрирована для точки С на рис. 2, в.
Пример. Найти по /d-диаграмме параметры воздаха в точке Т. Отсчитывается температура /=61 °C (горизонталь к оси ординат, цифры на ее шкале), влагосодержание d=90 г/кг (вниз), температура точки росы /р= =50 °C (вниз до кривой <р=1, точка Р, затем по горизонтали влево), давление пара рп=12,5 кПа (вверх по вертикали), насыщенность пара ср=0,6, энтальпия 7 = 293 кДж/кг (по наклонной линии вниз — направо до линии <р=1 —точка М).
В учебных целях рекомендуется, пользуясь табл. 2, построить на миллиметровой бумаге размером 300X400 мм (а с полями 350X450 мм)/d-диаграмму. При этом диапазон температур принять 20 ... 80 °C, а влагосодер-жаний 0...80 г/кг, с линиями <р=1,0—0,8—0,6—0,4—0,2—0,1. Необходимо бегло отсчитывать на ней параметры воздуха, а затем наносить тепловые процессы нагревания и охлаждения воздуха, пользуясь формулой (7). Желательно добавить вверху на этой диаграмме шкалу давлений пара, принимая в качестве базовых точек ра последовательно от 1 до 11 кПа. В знаменателе формулы (7) будет р—рп, т. е. (100—1) кПа, (100—2) кПа и т. д.
23
В//агосодержание d, г/кг
Рис. 5. Начальный участок /d-диаграммы
Следует составить предварительно табличку с колонками 622 ра и 622 X X----—---- = d. По найденным значениям d на вертикалях вверху диа-
Р — Рп
граммы наносят соответствующие значения d для точек рИ 1—2—3 и т. д. Затем на этой диаграмме по двум точкам наносят наклонные прямые /= =const. Верхними их точками будут цифры температур на осн ординат Необходимо нарастить временно ее шкалу вверх), поскольку по формуле (9) при d=0 /=/.
Нарастив временно диаграмму, нижние точки энтальпий можно нанести на изотерме О °C. По формуле (9) при /=0 остается /=2,5d, т. е. d= = (//2,5) г/кг. Нанеся эти точки через интервал /=25 кДж/кг, т. е. через d=10—20—30 г/кг и т. д. и соединив их прямыми с соответствующими точками /=/ на оси ординат, получим диаграмму с семейством линий /=const.
В специальности «Сушка и защита древесины» рассматриваются многие решения в графическом и в графоаналитическом выполнении. Поэтому необходимо уметь «читать» и строить несложные диаграммы.
/d-диаграмма. На рассматриваемой W-диаграмме линии энтальпии не параллельны между собой, поэтому в широком диапазоне параметров воздуха трудно анализировать процесс смешения различных его состояний. Это возможно выполнять на более сложной, универсальной /d-диаграмме Л. К. Рамзина, на которой изотермы не параллельны, а расходятся веером. На рис. 5 показан начальный участок этой диаграммы. Она дополнена автором расположенной вверху шкалой давлений пара рП и кривыми влажности пара в зоне тумана (внизу).
24
Пример. Для точки А отсчитываем параметры воздуха: температур;! /=20 °C (отсчет влево); влагосодержание d=12 г/кг (вниз); давление пара Рп = 1,9 кПа (вверх); энтальпия /=50 кДж/кг (по наклонным линиям); насыщенность пара <р=0,8 (по кривой); температура точки росы /р=17 °C (вниз до кривой <р=1, затем влево).
Рабочая /d-диаграмма для расчета процесса сушки в диапазоне температур 0...125 °C и влагосодержаний 0...500 г/кг дана на рис. 6.
§ 5. Отдельные циклы процесса сушки древесины
Нагревание и охлаждение воздуха. Нагревание воздуха калорифером (паровым, водяным, электрическим и др.) или его охлаждение (например, зимой в комнате, у холодной наружной степы возникают теплопотери) происходят без добавления или уменьшения влаги в воздухе, происходит «сухое» охлаждение. Такой нагрев или охлаждение воздуха отобразится на /d-диаграмме по линии d—const, т. е. по вертикали; это одно из важнейших расчетных положений сушильной техники.
Примем начальное состояние воздуха с параметрами в точке А (рис. 7, а). При нагревании его состояние переместится в точку В по линии d=const вверх, т. е. повысится температура, а при охлаждении — в точку Н вниз. Несмотря на неизменное влагосодержание воздуха dA=dH и постоянное давление пара рА = const насыщенность пара <р в воздухе при нагревании уменьшится, а при охлаждении увеличится, поскольку в первом случае возрастает, а при охлаждении снижается влагоемкость. Таким образом, при нагревании воздух становится более сухим, а при охлаждении — более влажным (возрастает <р при неизменном d).
Если продолжить охлаждение воздуха, точка Н может перейти в точку Р, достигнув линии <р= 1, т. е. приобрести состояние температуры точки росы (отсчет влево /р). При дальнейшем охлаждении этого воздуха произойдет конденсация из него влаги. Образовавшиеся из него капельки воды или останутся в воздухе, образуя туман (точка Е), или целиком выпадут из воздуха на находящуюся вблизи какую-либо более холодную поверхность; в последнем случае пар в воздухе останется сухим насыщенным, т. е. прозрачным (точка /И), а процесс конденсации определится кривой РМ. Может произойти частичное выпадение росы на холодную поверхность и частично возникнуть туман (точка С).
Каждый может наблюдать образование тумана и росы в зимнее время в теплых помещениях на стеклах окон, вблизи которых охлаждаемый воздух опускается вниз. Вверху окна стекла чистые, несколько ниже они затуманены очень мелкими капельками росы, еще ниже капельки' крупнее, а еще ниже, где воздух сильнее охлаждается, появляются тонкие ручейки текущей вниз
25
Рнс. 7. Изображение на /d-диаграмме процессов:
а — нагревания и охлаждения воздуха; б — испарения воды; АВ — нагревание воздуха; АН — его охлаждение; РМ — конденсация влаги иа холодной поверхности; РЕ — выделение капельной влаги (туман); XT — нагревание воздуха; ТМ — испарение воды (см. схему б)
воды. Воздух в помещении при этом обезвоживается — снижается d.
Если нагреть туман (точка Е) до достижения им состояния, обозначенного точкой Р, а затем и точкой А, получим начальное состояние воздуха Л; следовательно, это процесс обратимый.
Испарение воды с поверхности материала. В начале сушки мокрого материала испаряется вода с открытой его поверхности. Происходит теплообмен между воздухом и материалом. Более нагретый воздух отдает часть тепла материалу и, следовательно, сам охлаждается, но одновременно получает от материала это же количество тепла (закон сохранения энергии) с паром, являющимся теплоносителем даже в ненагретом состоянии. При таком адиабатном тепло- и массообмене (с сохранением постоянства тепла) воздух увеличивает влагосодержа-ние d, но понижает температуру t.
На /d-диаграмме процесс испарения влаги воздухом, характеризующимся точкой Т (рис. 7, б), отразится отрезком ТМ по линии постоянной энтальпии / = const (вниз — направо от точки Т), т. е. с увеличением влагосодержания dM>dT при понижении температуры (В целях упрощения расчетов
26
небольшое количество тепла с нагреваемой испаряемой водой обычно не учитывается.) Процесс конденсации влаги на влажном материале аналогичен, но противоположен по направлению. В этом заключается основное содержание термодинамики сушильного процесса.
Иллюстрацией физической сущности процесса испарения влаги может служить широко применяемый во многих областях техники прибор — психрометр (см. рис. 2, рис. 7, б), состоящий из двух термометров. При испарении воды с одного из его баллонов, покрытого мокрой марлей, он охлаждается и тем интенсивнее, чем суше испаряющий воду воздух и больше его скорость. Следовательно, степень его охлаждения, т. е. разность температур между сухим и мокрым термометром, называемая психрометрической разностью Л/, является показателем сушильной способности воздуха — п о те н ц и а л сушки. Если А/=0, вода не испаряется с баллона мокрого термометра, следовательно, пар в воздухе насыщенный, т. е. <р = 1.
С помощью психрометра легко установить на /d-диаграмме все параметры воздуха, замеренного этим прибором. Температура мокрого термометра находится на окончании изотермы tK (рис. 7, б) при совмещении с линией ф = 1 в точке М. Поднимаясь от этой точки по линии энтальпии (вверх и налево) до пересечения с изотермой сухого термометра t, фиксируют в точке Т искомое состояние рабочего воздуха и отсчитывают все его параметры, в том числе значение ф (без психрометрической таблицы).
Пример. По сухому термометру психрометра отсчитано /=61 °C, а по мокрому /м=51 °C. Требуется определить параметры замеренного психрометром воздуха. На рис. 4, перемещаясь по изотерме /м=51 °C вправо до линии <р=1, и затем от промежуточной точки М по линии параллельной линии энтальпии (вверх и налево) до изотермы 61 °C, отсчитывают в найденной точке Т параметры замеренного воздуха (Д=90 г/кг, <р=0,6 и др.).
Прн температуре ниже 40 °C мокрый термометр должен обдуваться измеряемым воздухом со скоростью не менее 2 м/с, иначе он покажет ошибочную, завышенную, температуру по сравнению с истинной температурой. В этих условиях применяют аспирационный психрометр (с вентиляторчиком).
Смешивание воздуха различных состояний. Основные параметры воздуха (t, d, 1) связаны между собой пропорциональными зависимостями, поэтому при смешении воздуха разных состояний смесь определяется линейно по значениям исходных ее параметров и количеств.
Нанесем на /d-диаграмму точки А п В состояния воздуха до смешения (рис. 8). Количество воздуха в точке А примем 1 кг, а в точке В — п, кг, причем п> 1 кг. Следовательно, количество смеси будет 1+/г кг. Точка смеси будет находиться на прямой АВ, поскольку зависимость I=f(d) линейная [формула (9) — первой степени]. Положение точки С смеси будет ближе к точке В, так как количество воздуха в точке В больше, чем в точке А.
Если количество воздуха в точках А и В принять одинаковым, по 1 кг, точка смеси С будет находиться посредине отрезка
27
Рис. 8. Изображение на /d-диаграмме параметров смешения воздуха двух состояний
ВА. Если же количество воздуха в точке В будет в п= 10 раз больше, чем в точке А, то смесь С будет находиться вблизи точки В, причем отрезок С А будет в 10 раз больше, чем ВС. Длина этих отрезков будет пропорциональна разностям соответствующих влагосодержаний воздуха (закон неравноплечих весов). В общем виде получим отношение
^с —, или тоже СА — пВС. (12) — de ВС
В случае смешения воздуха нескольких состояний параметры конечной смеси находятся последовательным построением процессов смешения воздуха двух состояний с учетом возрастающего его количества.
В технических расчетах можно принимать, что при смешении холодного и горячего воздуха (или добавки продуктов сгорания, см. рис. 3, в) объем смеси равен сумме их объемов до смешения. В более точных расчетах учитываются теплоемкости компонентов смеси.
Увлажнение воздуха паром и водой. Для увлажнения воздуха в сушильных камерах в их рабочее пространство к воздуху добавляют из паропровода сухой насыщенный пар, желательно барометрического давления. При этом повышаются температура t и влагосодержание d воздуха. Направление такого процесса смешения от точки состояния воздуха на /d-диаграмме будет смещение смеси вправо, по линии параллельной изотерме пара, нанесенной на этой диаграмме, соответственно температуре пара (см. табл. 1).
28
Возможно примешивание к воздуху влажного пара. Его действие будет аналогичным применению пара сухого насыщенного и одновременно распыливанию соответствующего количества воды той же температуры. Очень влажный пар мало пригоден для начальной и промежуточной влаготеплообработки материала, так как может происходить не повышение, а понижение температуры смеси. Тем более не достигает цели часто предлагаемое для пропаривания материала распыление только воды, даже горячей.
Эффект от испарения распыляемой из форсунок воды равнозначен испарению воды с влажных поверхностей материала (без учета перерасхода тепла). Следовательно, для достижения повышенного влагосодержания воздуха лучше принять меры, чтобы удержать и сохранить в камере влагу, выделяющуюся из высушиваемого материала.
§ 6. Рассмотрение на /{/-диаграмме цикличных процессов сушки
Процесс сушки с однократной циркуляцией воздуха. Наиболее простая установка для камерной сушки древесины — с однократной циркуляцией воздуха. На рис. 9, а показана ее структурная схема, на рис. 9, б — принципиальная схема, а на рис. 9, в на диаграмму нанесен цикличный процесс сушки, состоящий из циклов нагревания воздуха и испарения им влаги из материала.
На схеме показан калорифер (топка) 4 и сушильная камера (туннель, конвейер, барабан и т. п.) 6, в которых происходит нагревание воздуха от параметров /0, d0 до t\, dx и испарение им влаги из материала 6 в камере с последующим изменением его параметров от tld1 до t2d2 (в отработанном состоянии).
На схеме сушильной камеры (рис. 9, б) изображены ограждения 5 (заштрихованы), приточный канал 0, калорифер 4, высушиваемый материал 6 и вытяжная труба 7.
Свежий воздух с состоянием todo поступает к калориферу 4, нагревается до состояния tidi и направляется к высушиваемому материалу 6 для испарения влаги. Проходя через штабеля материала и забрав влагу, увлажняющийся и охлаждающийся воздух с состоянием t2d2 удаляется наружу.
Обращаясь к /{/-диаграмме (рис. 9, в) и оставляя те же обозначения состояния воздуха (б — свежий, 1 — подогретый и 2 — отработанный), отмечаем, что длина вертикального отрезка О—1 с учетом масштаба /{/-диаграммы показывает количество тепла, полученного в калорифере 1 кг воздуха. Отрезок /—2 представляет собой испарение влаги из материала с приращением влагосодержания воздуха от б0 до d2. В процессе сушки 1 кг воздуха унесет из материала (d2—d0) г влаги, а для испарения 1 кг, т. е. 1000 г, влаги требуется такого воздуха
10= 1000/((/2—d0) [кг/кг влаги]. (13)
29
Рис. 9. Теоретический процесс сушки с однократной циркуляцией воздуха по материалу:
а — структурная схема процессов; б — схема сушильной камеры; в — построение процессов на Id-диаграмме
В теоретическом процессе сушки (без теплопотерь) 71 = /г — = const, поэтому для нагревания I кг воздуха нужно затратить Ii—Io=l2—1о тепла. На нагревания же /0, кг, воздуха, испаряющего 1 кг влаги с нулевой ее температурой, потребуется количество тепла в 10 раз больше, т. е.
q = lo (^2 — /о) = Ю00 —[кДж/кг влаги]. (14) dz — do
Пример. Определить потребность воздуха /о и тепла q на испарение 1 кг влаги в условиях состояний воздуха для теоретического процесса, нанесенного на /d-диаграмму; do=9 г/кг, d2=35 г/кг, /0=42 кДж/кг и /2= = 125 кДж/кг (см. рис. 6). Находим /о=1ООО/(35—9) =38,5 кг/кг влаги;
125_42
<7— 1000------ == 3192 кДж/кг влаги.
35-9
Процесс сушки с многократной циркуляцией воздуха. Этот процесс сушки показан графически на рис. 10. Отработанный воздух 2 удаляется наружу лишь частично. При сушке пиломатериалов большая его часть возвращается к калориферу 4 с добавлением небольшого количества свежего воздуха 0 (см. также рис. 10, б). Их смесь 3 повторно нагревается в калорифере и затем поступает к материалу 6 для испарения влаги. Такую су-30
Рис. 10. Процесс сушки с многократной циркуляцией воздуха по материалу: а — структурная схема процессов; б — схема сушильной камеры; в — построение процессов на Id — диаграмме; 0 — свежий • воздух; / — нагретый воздух перед материалом; 2— отработанный воздух после материала; 3—смесь отработанного воздуха со свежим; 4 — калорифер; 5 — ограждения сушильной камеры; 6 — материал
шильную установку иногда называют с повторным насыщением воздуха, или рециркуляционной.
Процесс смешения отработанного воздуха со свежим 0 показан на рис. 10, в отрезком 0—2. Смесь воздуха (точка 3) поступает в калорифер, нагревается (отрезок 3—1) и затем испаряет влагу из материала (отрезок 1—2). После этого отработанный воздух 2 в основном возвращается, смешивается со свежим в точке 0 и процесс повторяется.
Полученный треугольник 1—2—3 называют треугольником сушки. Характерными для треугольника будут также внешние точки: М — показание мокрого термометра, Р — температура точки росы, 0 — состояние свежего воздуха.
Масса циркулирующего по материалу воздуха I, кг, приходящегося на 1 кг испаряемой влаги,
/=1000/(d2—di), (15)
свежего воздуха 0, поступающего в камеру,
/0= 1000/(б4—d0). (15а)
Потребное тепло q на испарение 1 кг влаги определяется по формуле (14), поскольку соотношения разностей учитываемых параметров пропорциональны:
q = Ю00 - /а~-8-- = 1000 . (16)
da — ds d2 — do
31
Эти формулы — основные для анализа и расчета сушильного процесса, а также выбора потребного теплового и вентиляторного оборудования.
Кратностью циркуляции воздуха называется отношение (см. рис. 10)
d2 — _ J_ (или графически по рис. 10, в). (17)
d2 — dg In
Если К=1, то di—d0=d2—d:i и точка 3 смещается в точку 0, процесс будет с однократной циркуляцией, а при К> 1 — с многократной циркуляцией воздуха.
Пример 1. Нанести треугольник сушки на рабочую /d-диаграмму (см. рис. 6). Заданные параметры воздуха /о=2О °C, d0=9 г/кг (свежий воздух) и сушильного агента /1=75 °C, Д/=27 °C, /2=56 °C.
Решение. По изотерме мокрого термометра 75—27=48 °C доходим до кривой <р=1 и определяем энтальпию воздуха /1=/а=245 кДж/кг; на пересечении линии энтальпии с изотермой сухого термометра 75 °C будет точка /. Точка 2 определяется на пересечении этой же линии энтальпии (испарение влаги) с изотермой /2=56 °C. Точка 3 выявится на пересечении прямой О—2 (смесь свежего воздуха 0 с отработанным 2) с вертикалью, проходящей через точку / (нагрев воздуха в калорифере). Найденные точки 1—2—3 определяют искомый треугольник сушки (рис. 10, в).
Пример 2. Найти расход воздуха / и тепла q на испарение 1 кг влаги по примеру 1. Выявляем по /d-диаграмме: /=1000/(73—65) = 125 кг/кг влаги;
<7= 1000 /a~Z° = Ю00 245 ~ 42 = 3170 кДж/кг. d2 — dn 73 — 9
§ 7. Сушка древесины продуктами сгорания
Для получения продуктов сгорания (в целях сушки ими древесины) используют древесные отходы или природный газ, а иногда бессернистый мазут (продукт переработки нефти).
Применительно к сушке пиломатериалов продукты сгорания, выходящие из топки (см. рис. 3,в), добавляют к отработанному рециркуляционному сушильному агенту, подогревают его и затем повторно направляют к высушиваемому материалу для испарения из него влаги.
Скорость испарения влаги из материала как продуктами сгорания, так и воздухом тех же параметров практически одинакова. Особенность продуктов сгорания — наличие в зоне материала 2.. .4 % СО2 (двуокись углерода). При удовлетворительном сжигании топлива получаемые газы так же прозрачны, как воздух; в случае же нарушения режима горения в них могут быть продукты неполного сгорания, в том числе дым — частицы несгораемого углерода топлива.
На рис. 11, а дана принципиальная схема рециркуляционной газовой сушильной установки, на рис. 11,6 — общая схема газовой, а на рис. 11,в — общая схема паровой сушильной установки. На схеме 11,6 обозначено: стрелкой — подача в топку 3 свежего воздуха, выход из нее горячих продуктов сгорания 9,
32
Рнс. 11. Схемы газовой и паровой сушильной установки:
а ~ структурная схема газовой установки; б — общая схема газовой установки; в — общая схема паровой установки; 0 — свежий воздух; 1 — подача теплого газа к высушиваемому материалу; 2 — выход отработанного газа из материала; 3 —топка; 4 — вытяжная труба сушильных камер; 5 — вентилятор; 6 — высушиваемый материал; 7 — даровой котел; 8 — паровой калорифер; 9 — газоход от топки; 10 — кондеисатоотвод-чик; 11 — дымовая труба котла
добавление их к рециркулирующим от материала газам 2 с образованием работоспособной смеси 1, повторно подаваемой к материалу 6. Выходящий из штабеля материала отработанный газ 2 частично выбрасывается наружу, а основной массой возвращается для подмешивания горячих газов и повторения цикла.
На схеме 11,6 показаны контуры топки и сушильной камеры. Вентилятор 5 осуществляет замкнутую циркуляцию газа по высушиваемому материалу 6, подсос горячего газа 9 из топки 3, через газоход и возможную добавку свежего воздуха О в сушильную камеру с удалением наружу части отработанного газа 2 через трубу 4.
На рис. 11, в видно, что паровая сушильная установка включает в свою тепловую систему котел 7 как генератор тепла в виде пара, а также калориферы 8 как выделители этого тепла; в калориферах пар, отдавая тепло, превращается в воду, возвращаемую по трубе через конденсатоотводчик 10 к котлу 7. Первоисточником тепла является сжигаемое в топке 3 перед котлом (по ходу газа) топливо.
2 Заказ № 3190
33
Из сопоставления схем бив видно, что в газовой сушильной установке нет взаимно противоположных процессов в виде образования пара из воды (в котле) с поглощением тепла сжигаемого топлива и затем конденсации этого пара в воду (в калорифере) с обратным выделением тепла; отсутствуют также сами эти агрегаты (котел и калориферы). В ней расходуется почти в 2 раза меньше топлива на сушку; она значительно дешевле по устройству и в эксплуатации (с учетом котельной), чем паровая установка.
Характеристика древесного топлива. Тепловые свойства древесины разных пород сильно изменяются лишь в связи с различной ее влажностью. Положительная особенность древесного топлива — малая зольность (I.. .2 %)
В деревообработке влажность древесины w учитывают по отношению к абсолютно сухой ее массе (абсолютная влажность), а влажность древесного топлива W вычисляют по отношению к массе образца древесины во влажном состоянии mt (относительная влажность), т. е.
ы = 100—(18); W = 100 (19)
т2 mi
Здесь в числителе (mi — m2)—влага, а в знаменателе — масса
древесины.
Так, если W, % ................0
То w, %........................0
Так, если W, %................О
То w, %........................0
10 20 25 30 35 1 40
11,1 25 33,3 42,9 53,8 66,7
Продолжение
45 50 55 60 65 70 75
81,8 100 122 150 166 233 300J
Графически эта зависимость показана на оси ординат рис. 12. На этом рисунке приведена характеристика продуктов теоретического (без теплопотерь) сгорания древесного топлива различной влажности W, с разными коэффициентами избытка воздуха а (балластного в топке и газоходах, потребляющего теплоту на его нагревание). Жирные кривые обозначают величины а и одновременно содержание СО2 (% по объему) как взаимозависимых параметров: а=20,2/СО2. Пунктирные прямые показывают массу сухих газов, получаемых при сгорании 1 кг топлива. Обычно в сушильных камерах а=2. ..6.
Пример. Точка А, соответствующая влажности древесного топлива Ц7=88 %, показывает <2=0, т. е. вся теплота «горящего» топлива расходуется на испарение его влаги. В точке В влажность топлива К7—50%, а=2,0, С02=Ю,1 %, масса сухих продуктов горения G=6 кг на 1 кг топлива. Влажность древесины определяют весовым способом по формулам (18) н (19) плн электровлагомером (рис. 17, б).
Характеристика продуктов сгорания. Для получения бездымных газов необходимо, чтобы внутренняя поверхность кладки в средней части топки была ярко-красного цвета, а топ-
34
Рис. 12. Характеристика газов при теоретическом горении древесного топлива:
а — коэффициент избытка воздуха; СОг — содержание двуокиси углерода, % по объему; (?сГ— масса сухих газов на 1 кг сгоревшего топлива
либо подавалось в топку непрерывно, например конвейером. Во избежание подсоса воздуха средняя и задняя части топки, а также газоход должны быть герметичными. На всех задвижках надлежит иметь герметизирующие колпаки и т. и.
Так как теплота, затрачиваемая на парообразование влаги топлива, остается в продуктах сгорания, их энтальпия I полного горения не зависит от влажности топлива (понижается t, но повышается d):
/ = 3270+ а/°.. [кДж/кг], (20)
0,072-р а
где /0 — энтальпия воздуха, поступающего в топку (около 40 кДж/кг).
Влагосодержание продуктов сгорания находится по формуле , 9210 + 75,7117 . , 92,1 + 1,678™ . , . , , ,оп
d =-------——---------h d0 = ------------Ь d0 [г/кг], (21)
(0,072 +а) (100—Г) 0,072 + а
где d0 — влагосодержание воздуха, поступающего в топку (примерно 10 г/кг).
2*
35
Таким образом, основные параметры продуктов сгорания древесного топлива определяются просто [для нахождения d удобнее пользоваться второй частью формулы (21)].
Пример. Найти энтальпию I и влагосодержание d продуктов полного химического горения древесного топлива влажностью №=50 % (ш = 100%) с коэффициентом избытка воздуха а=2,0 и значениями </о=1О г/кг и /«= = 40 кДж/кг:
. 3270 + 40 «лпл гг /
I — ------!--- = 1600 кДж/кг;
0,072 + 2,0
, 92,1 + 1,678-100 . ._ ,
d= -------'--------- + 10= 135 г/кг.
0,072 + 2,0
По этим двум параметрам графически находится температура и другие параметры продуктов сгорания.
Низшая теплота QH сгорания 1 кг древесины (без учета теплоты выделяющего пара), применяемая при расчетах температур в печах или в топках котлов, определяется по формуле
QH= 18400 — 210U7 [кДж/кг] (или 4400 — 5<W [ккал/кг]). (22)
§ 8. Расчетные диаграммы продуктов сгорания
Содержание /da-диаграммы. На базе /d-диаграммы воздуха автором составлена /da-диаграмма (рис. 13), которая отражает полное сгорание древесного топлива различной влажности с получением параметров продуктов сгорания, необходимых для расчета процесса сушки материала.
На /da-диаграмме (рис. 14), построенной для высоких температур, наносятся точка А состояния воздуха, поступающего в топку, Во, В и Bi состояния продуктов сгорания — газов от древесного топлива влажностью 1^0=0, %, W, % и Wit %. С учетом теплопотерь топкой и газоходами (около 20 %) точки параметров сгорания топлив отмеченных влажностей сместятся по вертикали вниз в точки Со, С и С], на линию энтальпии 3300-0,8 =2600 кДж/кг. При добавлении воздуха в точке А к газам в точках Со, С и G (т. е. а>1,0) смесь определилась на прямых С0А, СА и С\А, например в точке Н на линии СА. Чем больше добавляется воздуха в точке А, тем ниже будет точка смеси Н на линии СА и больше значение а.
На /da-диаграмме наносятся семейства линий: а) практического (с учетом теплопотерь топкой) сгорания топлива АС0, АС и ЛС] разной влажности; б) коэффициентов избытка воздуха a=const; в) содержания СО2 в сушильной камере; г) шкалы давлений пара (вверху); д) удельных расходов топлива g на получение 1 кг газа (над и под диаграммой).
36
Последовательность расчета процесса сушки. На /da-диаграмму наносятся точка X (см. рис. 14) желательных параметров газа, поступающего к высушиваемому материалу, и точка Е — выходящего из материала, т. е. отработанного газа. Для теоретического процесса сушки (без учета теплопотерь) обе эти точки будут находиться на одной линии /=const.
Так как газ в точке X представляет собой смесь отработанного газа в точке Е с топочным в точке Н, полученным, например, при сжигании древесного топлива влажностью W, второй компонент смеси X должен находиться на пересечении продолжения прямой ЕХ с линией №| = const, т. е. в точке // на прямой ЕХН. Отрезок ЕТ показывает теплопотери на 1 кг сушильного агента.
Количество газов (сушильного агента) с параметрами в точке X, потребных для испарения из материала 1 кг (1000 г) влаги,
То же в точке Н (подсос в камеру газов на 1 кг влаги)
= . |00?.-- [кг/кг]. (23а)
аЕ — ац
Эта же масса газов (без учета массы влаги) будет удалена из камеры. С учетом теплопотерь камерой точка Н сместится в точку К и процесс сушки отобразится отрезком КТ. При этом расход газа 1К возрастет по сравнению с 1н [по уравнению (23)], поскольку (dT— dK)<(dE—dH).
Расход влажного топлива в зимних условиях составляет около 20 % объема древесины, высушиваемой в газовых туннелях. Этот расход примерно в 2 раза меньше потребности в топливе котельной, вырабатывающей пар для паровой сушильной установки одинаковой производительности с газовой.
Построение процессов сгорания топлива и сушки материалов полученными газами будет неосуществимо, если на луче Wt — const точка реального газа М будет не выше, а ниже заданной точки К. В таких случаях необходимо уменьшить коэффициент избытка воздуха в газах путем герметизации всей системы сушильной установки для снижения подсоса в нее воздуха, а также уменьшения неорганизованной утечки из нее газов.
Необходимо, чтобы энтальпия газов, подводимых к сушильной камере, была больше энтальпии требуемой по параметрам намеченного режима сушки древесины. Именно поэтому дымовые газы после котла (с низкой энтальпией) трудно использовать для качественной сушки пиломатериалов.
37
Для определения удельного объема газа, содержащего переменное количество пара, приведена диаграмма (рис. 15), на правой стороне которой размещены шкалы параметров Vi+o,ooid и р.
Пример. Точка К (см. рис. 15) показывает следующие параметры газа: температуру 850 °C (шкала отсчета слева), влагосодержание d= 160 г/кг (внизу), энтальпию 1500 кДж/кг, влажность топлива №=50 % (веерные наклонные линии), плотность газа р=0,299 кг/м3 (справа вне диаграммы), удельный объем Vi+o,oom=3,93 м3/кг (справа на диаграмме).
Продукты сгорания от других топлив. Кроме древесных отходов для сушки древесины используют также природный газ, мазут, дизельное топливо и иногда угли. Существенный недостаток углей и некоторых марок мазута — наличие в газах сернистой кислоты,
Рис. 14. Эскиз ZJa-диаграммы и происходящие процессы:
точки Со, С, Ci — газы полного горения при а=1; СН— добавка воздуха А к газам С; НЕ — процесс сушкн без рециркуляции; КТ — то же с учетом теплопотерь; ХЕ — процесс сушкн с рециркуляцией; XT — то же с учетом теплопотерь; X — смесь газов И с газами Е или газов К с газами Т
серы, приводящей к образованию
портящей оборудование.
Наиболее эффективен для промышленной сушки древесины природный газ. Его удобно транспортировать по трубам, легко дробить режим горения и управлять им, а также автоматизировать, а содержание СО2 в продуктах горения небольшое (около 12%) при а=1. Он дешевле мазута и в несколько раз дешевле угля. Но всегда надо помнить, что природный газ ядовит и взрывоопасен. Его параметры (в среднем): плотность 0,75 кг/м3; теплота сгорания: низшая 35,6 мДж/нм3, высшая 39,8 мДж/нм3; масса продуктов сгорания при а=1 11,6 кг/нм3; их энтальпия 3270 кДж/нм3; масса водяного пара от сгорающего газа 1700 г/нм3; влагосодержание продуктов сгорания при а=1 150 г/кг; обозначение нм3 — нормальный кубический метр (объем газа, приведенный к температуре 0 °C и давлению 760 мм рт. ст.).-
На /doc-диаграмме (рис. 16) нанесены линии процессов горения различных топлив с фиксацией максимально достигаемой энтальпии / и влагосодержания d при а=1 (верхние точки 1—8). Существенно, что энтальпии всех этих топлив примерно одинаковы, что позволяет унифицировать методы расчетов
38
Удельный расход g топлива, кг/кг
О 0,05 0,10 0,15 0,20 0.25 030
Удельный расход g топливе . кг/кг
Рис. 15. /da-диаграмма с нанесением дополнительных линий:
плотности газа р, кг/м3; объема 1 кг газа м3/кг, н шкал удельного расхода
топлива g, кг/кг
Рис. 16. Линии полного сгорания различных топлив иа /da-диаграмме: / — антрацит; 2 — каменный уголь; 3 — бурый уголь; 4 — древесина; «7= —О %; 5 — мазут; 6 — природный газ; 7 — древесина, «7— 24%; 8 —древесина. «7-50 %
(несколько повышенная энтальпия у мазута и природного газа и пониженная У угля).
Из рассмотренного следует, что ZJa-диаграмма может использоваться также для расчетов сгорания в сушильных установках мазута, если принять для него линию влажности древесного топлива равной нулю (точки 4 и 5 на рис. 16), т. е. крайний левый луч, идущий из точки А. Для расчета сгорания природного газа следует
пользоваться лучом влажности древесины 117=24 % (точки 6 и 7). Виды топлив, значащиеся на рис. 16 (кроме линий 7 и 8 для древесины), учтены в абсолютно сухом состоянии.
Контрольные вопросы
1. В каких единицах учитываются атмосферное давление воздуха и давление находящегося в нем пара?
2. Что за параметры — влагоемкость воздуха и плотность пара в атмосферных условиях? н
3. Как изменяется влагоемкость атмосферного воздуха с повышением температуры?
4. Что такое влагосодержание воздуха? При каких условиях d=co, d=0?
5. Как вычисляется энтальпия 1 кг воздуха?
6. Как строится /d-диаграмма воздуха?
7. Чем отличается построение /d-диаграммы от построения /d-дна-граммы?
8. Для какого давления и диапазонов температур построены эти диаграммы?
9. Как нанести на /d-диаграмму процессы нагревания воздуха и испарения им влаги?
10. Как вычисляется с применением /d-диаграммы потребность воздуха н тепла на испарение 1 кг влаги?
11. В чем заключается принцип действия психрометра?
12. Как отсчитывается на /d-диаграмме точка состояния воздуха по показанию психрометра?
13. Почему зимой лед на стеклах окон жилых помещений образуется на внутренней стороне стекла, а не на наружной?
14. Каковы закономерности на /d-диаграмме смешения воздуха двух различных состояний в разных количествах?
40
15. Каков эффект увлажнения воздуха при распылении в него воды? Нанести этот процесс на /d-диаграмму.
16. Как изображается на /d-диаграмме процесс сушки материала с однократной циркуляцией воздуха?
17. Что обозначает «треугольник сушки» и его стороны?
18. Что такое «абсолютная» и «относительная» влажность древесины?
19. Как наносится процесс сгорания топлива и сушки древесины на /da-диаграмму?
20. В каких условиях возникает дым при сжигании в топках древесных отходов?
Г л а в а 2. СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК ОБЪЕКТА СУШКИ
§ 9. Равновесная влажность древесины
Влага свободная и гигроскопическая. Основным свойством высушиваемой древесины является ее гигроскопичность — способность в полусухом состоянии увлажняться во влажном воздухе, поглощая из него влагу, и отдавать влагу в сухой воздух, т. е. дополнительно высыхать. Таким свойством обладают многие вещества, например поваренная соль, в открытом виде набухающая во влажную погоду, сухие растения, хлебные сухари, высушенные овощи, фрукты, недубленая кожа и т. п., находящиеся в гигроскопическом (полусухом) состоянии.
Влагу в древесине различают свободную (влага выше 30 %), находящуюся в полостях клеток и в капиллярах, испаряющуюся при сушке в первую очередь, и влагу гигроскопическую или связанную (молекулярными силами). Связанная влага находится в стенках клеток, между мицеллами, т. е. невидимыми в микроскоп молекулярными цепочками.
Количество гигроскопической влаги в древесине при ее сушке составляет от 30 % ДО нуля влажности. Граничное значение (30 %) между этими разными видами влаги называется пределом гигроскопичности и обозначается w„T. При нагревании древесины величина щпг заметно снижается (до 20 % при 100 °C), т. е. часть гигроскопической влаги превращается в свободную. Наоборот, при охлаждении нагретой влажной древесины количество гигроскопической влаги увеличивается до 30 % за счет свободной.
Дополнительная, дифференциальная, теплота набухания. Для испарения 1 кг связанной влаги требуется затратить тепла больше, чем для испарения 1 кг свободной влаги (воды). Теплота, необходимая для отрыва молекул влаги от вещества древесины, возрастает с уменьшением влажности по логарифмической зависимости. При температуре 50 °C теплота набухания (на 1 кг влаги) в зависимости от влажности следующая.
Влажность древесины, w, % ............. 20 15 10 8 6 5 4 3 2 1 0
Теплота набухания,
кДж/кг............ 7 25 82 154 256 332 422 578 711 920 1170
41
Рис. 17. Влажностные свойства древесины:
а — выравнивание влажности древесины во времени; б — электровлагомер; /, 2 — выравнивание во влажном воздухе; 4, 5 — то же в сухом воздухе; 3, 6 — равновесная влажность древесины; 7 — гистерезис сорбции — десорбции; 8 — шкала электровлагомера; 9 — датчик с нгламн; 10 — древесина, влажность которой измеряется
Следовательно, в диапазоне низкой влажности древесины (например, на поверхности высушиваемых досок она составляет 1...2%, при сушке древесных частиц в производстве стружечных плит до 1 % влажности и т. п.) необходимо дополнительно затратить примерно !/з тепла, расходуемого на испарение свободной влаги (около 2500 кДж/кг).
Понятие о равновесной влажности древесины. В комнатных условиях можно провести следующий опыт. На чашку технических весов положить рыхлый пучок влажной древесной стружки (от фуганка), уравновесив ее гирьками, а на чашку других весов очень сухую стружку. Периодическим взвешиванием обеих проб будет установлено, что сырая древесина заметно высыхает (рис. 17, а, кривая 1, десорбция — сушка) до постоянной (устойчивой) массы, а очень сухая — постепенно увлажнится (кривая 2, сорбция — поглощение влаги) до своей постоянной массы.
Аналогичный опыт можно провести в комнате с более сухим воздухом. При этом будут получены такие же кривые: десорбции 4 и сорбции 5. В обоих опытах в правой части графика, т. е. с течением времени, эти линии превращаются в горизонтали. Промежуточные прямые 3 и 6 будут показывать равновесную влажность древесины во влажном 3 и в сухом 6 воздухе. При этом температура древесины будет равна постоянной температуре окружающего ее воздуха.
Расстояние 7 между двумя параллельными прямыми в правой части рис. 17, а показывает гистерезис сорбции — десорбции, т. е. разность устойчивых влажностей, получаемых при сушке и увлажнении древесины. Следовательно, процессы сушки и увлажнения образца древесины не вполне обратимы. Для нетолстых сортиментов в деревообработке величина этого гистерезиса невелика (менее 1 % влажности), и ею на практике пренебрегают.
Состояние равновесной влажности древесины возникает не с самим воздухом, а с находящимся в нем паром (t и р„ или 42
Рис. 18. Диаграммы равновесной влажности древесины: А —в координатах б— в координатах i—M
t и ф и др.); воздух может быть заменен другим газом или может отсутствовать. В результате длительного выдерживания древесины в нагретом состоянии (выше 80 °C) ее равновесная влажность снижается. Она меньше у смолистой и очень плотной древесины, но мало зависит от древесной породы, возраста, частей ствола дерева и т. п.
Диаграммы равновесной влажности древесины. Известно несколько диаграмм равновесной влажности шр древесины. Применительно к управлению и контролю процесса сушки пиломатериалов в производственных условиях желательно иметь диаграмму, на которой шр отсчитывалась бы непосредственно по показанию психрометра без потребности в каких-либо дополнительных диаграммах или таблицах параметров воздуха. Такая диаграмма показана на рис. 18, а. На оси ординат нанесена температура t воздуха, а на оси абсцисс — искомая равновесная влажность древесины wp. Кривые линии обозначают психрометрическую разность Д/. Тонкие линии, близкие к вертикалям, показывают насыщенность пара ф в воздухе.
Преимущество диаграммы по сравнению с существующими в том, что достигается более простой метод определения wp— непосредственно по замеренным в камере параметрам воздуха t и Д/ (находится на диаграмме точка А и затем на оси абсцисс отсчитывается wp). Кроме того, получается повышенная точ-
43
ность отсчета wp при малых значениях АЛ Это существенно при сушке растрескивающихся материалов в первой стадии процесса, когда рекомендуется применять лабораторные термометры с точностью деления ншалы 0,1° (см. § 50). Возможно определение по этой же диаграмме значений <р; удобно выбирать по ней параметры влаготеплообработки (на вертикалях при заданной wp—const); также можно надежно пользоваться областью с температурами 100. ..125 °C, необходимыми для анализа процесса сушки частиц древесины в производстве ДСтП.
На рис. 18,6 приведена ранее предложенная диаграмма для определения wp с осями координат t и АЛ Она дает наглядное представление об изменениях шр при контролируемых в сушильных установках параметрах воздуха t и АЛ Эта диаграмма уже нашла широкое производственное применение. На оси абсцисс здесь отложен потенциал сушки — основной режимный параметр. Она удобна для практического использования, особенно при больших значениях А/ воздуха, т. е. малых величинах wp, не нуждается также в дополнительных психрометрических таблицах. Таким образом, координаты первой диаграммы Wp отображают параметры древесины, а второй — воздуха.
Особенности параметра равновесная влажность древесины. Отмечается актуальность учета параметра wp в лесосушильной технологии и технике с применением новых диаграмм twp (статика сушки). Параметр wp, характеризующий степень гигроскопичности древесины (30—wp), оказывает решающее влияние на эффективность работы специалистов в следующих производственных условиях:
при оценке качества сушки древесины по конечной ее влажности применительно к метеорологическим условиям последующей эксплуатации изделий;
при установлении расхода тепла на высушивание древесины с пониженной конечной влажностью, когда требуется значительный дополнительный расход тепла на отрыв молекул воды от достаточно сухой древесины;
при управлении сушильным процессом, в том числе на конечной его ступени;
при исследованиях усушки и усадки древесины;
при изучении проблемы снижения самой гигроскопичности древесины и в других процессах.
Изучение этого базисного параметра существенно для лесо-технолога так же, как и ознакомление с термодинамикой сушки (процессы на /d-диаграмме) и реологией сушки (развитие остаточных деформаций в высушиваемой древесине).
Пример. Отсчитано по сухому термометру 60 °C, а по мокрому 50 °C, т. е. А/=10°, требуется найти равновесную влажность. От цифры 60 (см. рис. 18, а) на оси ординат перемещаются по горизонтали до кривой А/=10° (точка Л), затем, опускаясь по вертикали вниз, находят на оси абсцисс искомую равновесную влажность древесины 9 %. На пунктирной линии, про-
45
ходящей через точку А, одновременно находят <р=0,6. Тот же результат будет получен для точки А на рис. 18, б.
Расчетные формулы. При отсутствии диаграммы равновесную влажность древесины в диапазонах ее влажностей 5 ... 25 % и температур 40... 80 °C можно определить по приближенной формуле
щр= 115/(Д/ + 4), (24)
где At — разность температур по психрометру.
Так, при разности температур по психрометру Д/=40—31=9 °C по этой формуле будет шР = 115/13=8,8 %.
Для условий атмосферной сушкн пиломатериала при температуре 15... 25 °C может быть использована приближенная формула
wp = 90/( Д t + 3). (25)
Например, при Д1=3° юр=90/6= 15 %.
Для деталей домостроения, мебели, музыкальных инструментов и т. п. равновесная влажность древесины в готовых изделиях при комнатной температуре наступает лишь через несколько месяцев их эксплуатации. При этом в зимнее время воздух в жилых помещениях с центральным отоплением будет более сухим, поэтому равновесная влажность древесины будет ниже, чем в летнее время.
§ 10. Упругие и пластические деформации древесины
Упругие и остаточные деформации. Как материал растительного происхождения, древесина обладает одновременно двумя существенными физическими свойствами — упругостью (аналогично стальной пружине) и пластичностью (остаточной податливостью), как это наблюдается при деформировании медной или свинцовой ленты или проволоки.
Упругие свойства проявляются больше в сухой, а пластические— во влажной и особенно в нагретой древесине. Именно поэтому при гнутье используют влажную нагретую древесину, а после изгиба ее высушивают, стабильно фиксируют ее изогнутое состояние.
Во время сушки древесины эти свойства проявляются в поперечном к длине волокон направлении, т. е. по ширине доски. Например, при ее ребровом раскрое или разделке на тонкие дощечки они могут коробиться желобом как в момент раскроя, так и при последующей выдержке. По этой же причине различно деформируются недостаточно просушенные заготовки в момент строгания, фрезерования, нарезки шипов и т. п.
Нетрудно провести мысленно или реально опыт, наглядно иллюстрирующий проявление упругих и остаточных деформаций древесины в связи с сушкой в первой и во второй стадии этого процесса.
Первая стадия сушки. Отступя 0,3.. .0,4 м от торца сырой доски, отрезают образец длиною 1,5. ..2 см по длине волокон и раскалывают на две полоски (рис. 19,а). Затем скрепляют вместе их концы и медленно, осторожно вставляют с усилием
46
aS В г В e m з и
Рис. 19. Модель упруго-пластнческого деформирования древесины во время сушки
между ними клин (рис. 19,6), моделируя растяжение поверхностной зоны при сушке материала. В результате приложения сил полоски изогнутся, т. е. в них возникнут напряжения и деформации, снаружи растягивающие (знак +), а внутри сжимающие (знак —). При больших растягивающих деформациях снаружи в полосках могут появиться трещины (рис. 19,в). Однако древесину можно не доводить до разрушения и высушить ее. В этом заключается реология первой стадии сушки досок (реология — наука об остаточном деформировании твердых тел).
В реальном процессе сушки пиломатериалов растягивающие напряжения в поверхностной зоне доски возникают из-за поперечной ее усушки, сокращения при еще неизменной, следовательно, распирающей средней ее зоне, которая еще не усыхала (вместо расклинивания в опыте). Здесь древесина будет сжата.
При подсушке образца (рис. 19, а) поверхностная растянутая его зона зафиксируется остаточно удлиненной, а внутренняя— упрессованной, и клин может самопроизвольно выпасть. Если в этом состоянии изогнутые полоски разрезать ленточной пилон на пластинки, они окажутся разной длины — в средине короче (древесина пластически упрессовалась), а снаружи длиннее (она остаточно растянулась), как это показано на рис. 19,6, хотя их влажность одинакова. Таким образом, упругие деформации (рис. 19,6) в процессе подсушки постепенно перешли в остаточные (рис. 19, г, д), фиксируя новое поперечное сечение доски. Такова реология первой стадии сушки, когда возникает опасность появления в материале наружных трещин.
Если, не разрезая двух изогнутых полосок (рис. 19, г) на пластинки, попытаться выпрямить их (рис. 19, е), то в наружной стороне каждой из них появятся сжимающие, а во внутренней— растягивающие упругие деформации. В случае приложения значительных усилий в зоне растяжений могут появиться внутренние трещины (рис. 19,ж).
Однако если сжатие (рис. 19, ё) проводить постепенно, а древесину увлажнить и нагреть, внутренние трещины не появятся и высушенные в зажатом плоском состоянии полоски превратятся опять в прямые (рис. 19,а). Разрезая их на пла-
47
удельный расход топлива д, кг/кг сухого газа
Удельный расход топлива у, кг на 1кг сухогп газа
Рис. 13. /rfa-диаграмма
станки (рис. 19, и) можно установить, что их длина будет одинакова, как и до начала опыта (рис. 19,а), но несколько короче. Это значит, что во внутренней зоне обеих полосок проявилась остаточная деформация растяжения, а в наружных — сжатие, т. е. произошли процессы, противоположные ранне наблюдавшимся (рис. 19, г, Д). В этом заключается реологическая характеристика второй стадии сушки, когда существует опасность возникновения в толстых сортиментах, особенно из дуба и бука, внутренних трещин — раковин (в виде пустот). Это же характерно и для влаготеплообработки высушенных пиломатериалов.
Самопроизвольный процесс перехода упругих деформаций (напряжений) в остаточные (рис. 19,6 — рис. 19, а) называется релаксацией (т. е. спадание, уменьшение). Скорость релаксации напряжений, т. е. нарастания остаточных деформаций (за счет упругих), зависит от величины последних и вязкости древесины. Известно, что медленное гнутье древесины, в частности поперек волокон, приводит к меньшему излому (происходит дополнительная релаксация упругих деформаций во времени), чем быстрое.
§ 11. Усушка и усадка древесины
Закономерности усушки. Начало усушки древесины соответствует началу удаления из клеточных стенок связанной влаги (ниже 30%). Таким образом, предел гигроскопичности является одновременно пределом усушки (и разбухания) древесины.
Усушка древесины неодинакова в трех главных направлениях ствола дерева. По длине волокон она наименьшая (около 0,1 %, т. е. 1 мм на 1 м длины при удалении из древесины всей влаги). Лишь креневой, низкокачественной, древесине свойственна большая продольная усушка — до 5 %. Усушка по направлению любого радиуса ВР в сечении ствола (рис. 20, а) составляет 4,5.. .8 %, а по направлению годовых слоев ВК, т. е. в тангенциальном направлении, перпендикулярном радиальному, усушка наибольшая — в пределах 8.. .12 %.
Усушка древесины по объему примерно равна сумме всех трех усушек; она соответствует объему испарившейся из древесины связанной влаги. Так как древесина более плотных пород содержит в единице объема больше связанной влаги, она больше и усыхает. Поэтому древесина бука, клена, граба и т. д. усыхает больше, чем древесина пихты, тополя, ольхи. Как исключение, усушка древесины липы примерно соответствует усушке дуба.
Древесина липы имеет близкую по величине усушку в радиальном и тангентальном направлениях, вследствие чего ее предпочитают при изготовлении ответственных деталей и изделий, например моделей в литейном производстве.
50
Рис. 20. Закономерности усушки (АВ) и усадки (НМ) древесины:
а — радиальное (ВР) и тангентальное (ВК) направления в бревне; б — графические зависимости между влажностью и изменением размеров древесины; в — припуски на усушку пиломатериалов хвойных пород (кроме лиственницы); г —то же некоторых лиственных пород
Плотность древесины. Плотность показывает массу вещества в килограммах в единице объема (1 м3). Учитывают плотность древесины в абсолютно сухом ее состоянии р0, кг/м3, и при влажности 12 % (ры)-
При расчете сушильных установок применяют не зависящую от усушки базисную плотность древесины ре, кг/м3, под которой подразумевается отношение минимальной массы древесины (в абсолютно сухом состоянии) М, кг, к ее объему V, м3, при влажности выше 30%, когда объем будет максимальным и неизменяюшимся,
Po-Al/V. (26)
С введением понятия базисной плотности упрощается расчет массы влаги М, удаляемой при сушке из 1 м3 древесины, несмотря на изменение ее фактического объема из-за усушки,
М = рб -И'и100К,к [кг/м3], (27)
где wH — начальная влажность древесины (до сушки); wK — конечная ее влажность (после сушки).
Например, для сосны, базисная плотность которой по табл. 3 р= 400 кг/м3, при wH=60% и wK=10%, получим Л4 = 400Х X 60 = 200 кг/м3.
51
средние показатели плотности и влажностных характеристик древесины
о
со
% «чхэонжв!гя к в н 4inj и и эм в уу -* 250 208 203 198 180 180 180 170 131 123 123 123 119 119 117 96
Влажность древесины, % ЦОИНОГОрВЕ СО 101 115 118 111 112 60 82 84 78 64 78 51 36 72 60
fjoirauo И1ГН tfOflOdtfE — "о О —’ СО СО 04 СО , Х - IC o O l'-’C' — COOGOGOt^ 1 00 Ю co о О
Сушильные свойства древесины имтКэ ихэончгах -ижiroWo du ХНЭИ’ПиффбОЯ oo о о oooo^coooooooo о to о о о о о —Г . —-cOcOCOIOlOlOO
вииацдодом хнаиПиффеом о ’^CO^'^COOtOCOOt^OIOCMOlO—< — — o —< — — — <00000000 о о’ о oooo" о
% ‘(dA+'LA)0£ Kwango он вм -ШКЭА BBHIfOU ст (МОСООГ-ООНО—’ОООГ^ОО^Г-co ci co ф co 00 ю io ь 10 10 n V-—« »—< »—< »—< >—« >—« »—’ •—' »—’ »—’ *““*, »—’ ’
Коэффициент усушки (на 1 % влажности), % 9°Л уннкэ'ъдо СО 0 b. С уГ -'CONO’^lC’e' — ^(MO-’ ^f’^LO^lOlD’^^OLOtOOiOLOLOO 0 0 0" 0 0 0 0 0 0 0 o' 0 0" 0" 0" 0"
и ин эк -ABduBH ион -Ч1ГЕХНЭЛНЕХ Я г- О 00 —< CO —< CO О О Ш CM О O1 —« О IO 01 02 COCMCOCOOCOCOCOCOCOCOCOO^CO 0 0 0 0 0 0 0" 0 0 0 0" 0 0 0 0 0
dA иинавявднвн woHqifBHtfBd я СО LOlOt^.’^TOOCOLOt^.OOOOOOOOO^r —. — — — — Ol — — СЧ 04 СЧ — —СЧ 0 0" 0000 o' 0000000" 00
Плотность, кг/м3 (ввнхаьэед) ВВНЭИЕВд ю 0000000000000000 О Ю О О О О О СЧ О 04 CM 04 LD LD О CO co CO CO СО ю LO lO LO LO LO LO О
°d ииив -охэоэ иохХэ онхопгоэрв я 0000000000000000 in—<04c0t^t^-00000404c0i0t0i00
% 21=02 ИЙЦ СО 0000000000000000 C0’^in0000 04c0t0000000 CO^'^’^’OtOLOLQOOOOOOt^-OO
(анэоэ м) ихэон -xoiru хнаиПиффеоу С4 LQCOOOOOOLOtnOOOt^-t^-Ot^-г- СО О ОЛ О, О О. О CM CO CO co CO CO 1Л 00'00—’''—^'—^— -И — — — — — — —
Древесные породы — aS R S =3 3 S ё. S =S Я »S ® Й 0 5 s s ® »s £ 0 a J? * 3 fc cs 0 Й s га в S! as e. ° 5 Э 0 S Ю S £ ® К G. a к ю * 2 ® и £ о К ua S д <d О 0 о x _ S £ 2 0 <s m л « и л H G, О ж ra Д X <U ДЕ-КД 10 ko)k;oo®ok:<d>>ok^o>>g Cb<WHUt7OOtJ3tQW.t7b<tXt4i-a
Ц/Ц 5Я 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 i
52
Коэффициент усушки. Для расчета величины усушки введено понятие коэффициент усушки К, характеризующий величину усушки в процентах, отнесенную к 1 % уменьшения в древесине количества связанной влаги. Процент усушки У по любому направлению вычисляется умножением известного коэффициента усушки (табл. 3) на величину уменьшения в процентах связанной влаги’ (т. е. в диапазоне от 30 % и ниже)
У = К(30—w). (28)
Например, медленно высушиваемая тонкая сосновая доска шириной 100 мм тангентальной распиловки (рис. 20, а — слева) с начальной влажностью выше 30 % и конечной 7 % при К= ==0,31 усохнет на величину У=0,3'1(30 — 7)=7,1°/о, т. е: ширина доски после высушивания будет уже 100 — 7,1=92,9 мм.
Если начальная влажность древесины w ниже 30%, формула (28) примет вид
У = К (ВД,—йУк). (28а)
Графическая зависимость между влажностью и усушкой древесины для тонких, равномерно и медленно высыхающих образцов представлена в виде прямых АВ, КВ и РВ на рис. 20, б. Это значит, что усушка пропорциональна уменьшению гигроскопической влажности — в зоне ниже точки В, а величина ее отсчитывается (параллельно оси абсцисс) от точки конечной влажности древесины на оси ординат.
Значения плотности и усушки древесины. Средние показатели плотности и влажностных характеристик древесины основных древесных пород СССР приведены в табл. 3; они получены на медленно высушиваемых малых образцах (2x2x3 см).
Древесные породы расположены в таблице по возрастанию их базисной плотности [см. формулу (26)], которая является существенным признаком для оценки сушильных свойств древесины. Во второй колонке приводятся нарастающие коэффициенты плотности древесины по отношению к плотности сосны; эта порода принята в виде «условного» материала для расчета сушильных процессов. Наглядны колонки 6—9, дающие численные значения усушки древесины и следуемую из них колонку 10 разности усушек, которая является параметром величины коробления древесины [из формулы А. В. Гадолина (29), отражающей величину коробления]. В колонке 11 приводятся ориентировочные коэффициенты для выявления ожидаемой продолжительности сушки, учитывающие основное свойство древесины— ее плотность.
Для древесины малой плотности (первые 9 пород в табл. 3) продолжительность сушки пропорциональна базисной плотности pg. Для древесины средней плотности (породы 10—15) эта зависимость определяется пятой степенью плотности. Например, если для сосны продолжительность сушки принять за 1,
53
то для бука она составит 10 13рб= - =3,8 (здесь 10-13 —
постоянная величина для средней плотности древесины).
Таким образом, если сосновые доски толщиной 50 мм просыхают за 5 сут, то для высушивания таких же, но буковых досок, потребуется 5 • 3,8= 19 сут.
Из рассмотрения колонки 11 следует, что березу по ее сушильным свойствам следует отнести к древесным породам малой плотности. Продолжительность сушки березовых досок указанной толщины (50 мм) практикой установлена в среднем 7 сут, по табл. 3 будет 5- 1,3 = 6,5 сут.
В колонке 14 приведена максимально возможная влажность древесины после длительного пребывания ее в воде.
Усадка древесины. При интенсивной сушке толстых пиломатериалов влажность в поверхностной их зоне быстро опускается ниже 30 % и начинается усушка образца (например, доски), когда средняя его влажность еще выше 30 % (точка М на верху рис. 20,6). При этом общая усушка образца начинается при его влажности значительно выше 30%. При этом нарушается пропорциональность между снижением усредненной расчетной влажности древесины и величиной усушки (кривая МН), а также уменьшается на АН величина полной усушки — отрезка АО до НО из-за поперечного растяжения древесины (см. рис. 19) с возникновением в ней остаточных деформаций АН, СД и др.
Таким образом, в процессе сушки пиломатериалов и заготовок наблюдается снижение усушки (по сравнению с указанной в табл. 3 для малых образцов), называемая усадкой.
Максимальная усушка наблюдается при медленном удалении влаги из тангентально (по годовым слоям) лущеного шпона, а наименьшая (усадка) — при интенсивном высушивании крупных сортиментов по радиальному направлению. При этом величина усадки может составлять лишь '/2 усушки.
На рис. 20, в приведена диаграмма усадки пиломатериалов хвойных пород по их толщине и ширине; для лиственницы величина припуска повышается на */з (по ГОСТ 6782.1—75). На рис. 20, а дана диаграмма усадки пиломатериалов из березы, дуба, клена, ясеня, ольхи, осины и тополя в тангентальном направлении (по ГОСТ 4369—72). Эти припуски относятся к атмосферной сушке пиломатериалов, при камерной и туннельной сушке они меньше.
§ 12. Влажностные деформации пиломатериалов при сушке
Закономерности усушки досок. Одним из главных требований к технологии сушки пиломатериалов является получение их прямоугольной (ортогональной) формы в сухом состоянии.
54
Желательно заранее учитывать ожидаемую усушку древесины и в цех деревообработки подавать материал заданного сечения. Рассмотрим закономерности усушки и вызываемые ею деформации пиломатериалов. -»•
Проведем небольшой опыт. На торце диска, отпиленного от сырого бревна, или даже в самом бревне сделаем пропилы по рис. 21, а. Плоские доски, полученные из левой половины бревна, в результате неодинаковой усушки древесины у обеих пластей приобретут покоробленность (желобчатую форму у левой пласти каждой доски и выпуклую — у правой). Причина такой деформации у центральной доски 1—2—4—3 заключается в том, что пласть 1—2, как радиальная, усохнет по ширине доски меньше, чем пласть 3—4 (имеющая в средине тан-гентальный и полурадиальный участки пропила).
У остальных досок левая пласть (тангенталыюй выпиловки) усохнет больше, чем правая, поэтому стянет и искривит доску в поперечном направлении. В этом заключается исходная причина определенного коробления досок во время сушки.
Деформация сечений квадратных брусков и круглых стержней. Из правой половины сырого бревна изготовим четыре квадратных бруска и круглый стержень, как показано на рис. 21, а справа. По той же причине (неодинаковой усушки по направлению радиуса и годичных слоев) сечения брусков в результате просыхания древесины деформируются. В частности, нижний брусок с диагоналями в радиальном направлении, а также по годичным слоям окажется ромбовидным; стержень круглого сечения приобретет овальное, точнее, яйцевидное сечение.
Разнотолщинность досок из постава. На рис. 21,6 показана деформация одинаковых до сушки досок, выпиленных из прямоугольного сырого бруса, и затем высушенных зажатыми между прокладок. При этом из-за различной усушки сердцевинная доска 0—0 окажется самой широкой (радиальное направление годичных слоев по ее ширине) и одновременно самой тонкой — у обеих кромок. Самые крайние боковые доски будут наиболее узкими из бруса, но наиболее толстыми. Однако все сухие доски этого постава будут одинакового сечения — сохранится начальная масса древесинного вещества (имеется в виду одинаковая конечная их влажность).
Закономерности деформаций отдельных досок в—з могут быть объяснены самим читателем с учетом рассмотренного ранее влияния разности Ут—Ур на величину коробления.
Разрыв сердцевинных сортиментов. Сердцевинный брус по-сЛе высушивания (рис. 21, и) потеряет плоскостность граней (аналогично средней части кривой 3—4 на рис. 21, о) и приобретает клиновидную трещину с ее вершиной в сердцевине бруса. Раскрытие Н трещины легко выявляется с учетом изменения радиуса и длин вписанных в квадрат бруса окружностей до и после усушки.
Ьа
Рис. 21. Поперечное деформирование сортиментов древесины из-за различной ее усушки:
а — вырезанных в разных зонах бревна; б — досок в разных зонах постава; в, г — при свободном деформировании боковой и центральных досок в поставе; д — в зажатом плоском состоянии центральной доски; е — сердцевинной доски без растрескивания (тонкой); ж— с образованием трещины (у толстой); з — крыловидной формы; и, к — растрескивание сердцевинных сортиментов (бруса, бревна); л — метод укладкн в строительную конструкцию сердцевинных сортиментов с намеченным пропилом — направлением растрескивания; м — разбухание пересушенных сортиментов прямоугольной формы
Деревянные массивные стены (рис. 21, л) выполняют из заранее надрезанных продольно бревен на глубину около 2/3 их радиуса, что предопределяет направление будущих клиновидных трещин. Положительные особенности такой конструкции стен: предотвращение проникновения атмосферных и иных вод внутрь стен и, следовательно, гниения, сохранение механической прочности стен, имеющих лишь вертикальные надрезы, создание утепленной конструкции с полостями внутри стены,
56
скрытие дефекта древесины (трещин), гарантия от появления других радиальных трещин в элементах стен. У брусьев надрезают самую близкую к сердДевине пласть, если смотреть с их торцов.
Стрела покоробленности. Величина свободной поперечной покоробленное™ досок характеризуется стрелою их прогиба f, мм, определяемой для наиболее изогнутой в поперечном направлении центральной доски (рис. 21, а, 1—2—4—3) по формуле акад. А. В. Гадолина
/ = _^Ш(УТ-УР), (29)
где Ш — ширина доски.
Например, при ширине доски Ш = 200 мм, разности усушек для сосны (Ут— УР) = (0,31 — 0,18), значении л/4=0,785 определим f=0,785 • 200(0,31 — 0,18) = 14,1 мм.
При увлажнении сухих досок они деформируются в противоположном направлении (рис. 21, м по сравнению с рис. 21, е).
Доски, выпиленные в поставе дальше от центральной, меньше коробятся. Минимально коробится на одинаковой ширине боковая доска постава. Это следует из учета разнотолщин-ности всех досок, изображенных на схеме 21, а, поскольку у кромок они тоньше, а по середине своей ширины — толще (здесь проходит радиальное, с наименьшей усушкой, направление в досках — горизонталь из сердцевины С).
Качество сердцевинных досок. Эти доски (рис. 21, е, ж) считаются низкокачественными. Однако если вырезать сердцевину, будут получены две высококачественные узкие доски радиальной распиловки, почти не подвергающиеся короблению и растрескиванию во время сушки. Такая высококачественная пило-продукция используется для изготовления музыкальных инструментов, паркета, бочек для жидкостей и т. п.
Сушка сердцевинных сортиментов. Существенным дефектом крупных сортиментов, содержащих сердцевину, является неизбежное радиальное их растрескивание во время сушки (рис. 21,ж, и). Причина тому, как и короблению пиломатериалов,— повышенная тангентальная усушка древесины по сравнению с радиальной. Вследствие этого возникает дефицит древесины во внешней зоне сечения материала (по направлению годичных слоев) с избытком в средине сортимента, распирающей внешнюю зону.
С учетом вязкости древесины, при повышенной ее температуре во время сушки тонкие сердцевинные доски удается высушивать без растрескивания, если замедлить сушильный процесс (т. е. удлинить время релаксации напряжений, возникающих в высушиваемой древесине). Не исключено изыскание режимов конвективной сушки и для бездефектного высушивания толстых сердцевинных сортиментов.
57
Следует учесть, что плотно уложенные (без прокладок) две центральные доски (с сомкнутой их сердцевиной) представляют собой обычный сердцевинный сортимент. Порознь центральные доски высушивают в плоском состоянии без растрескивания.
§ 13. Предупреждение влажностных деформаций пиломатериалов и заготовок
Продольное коробление пиломатериалов и заготовок. Вследствие анизотропного строения древесной ткани, крайне неравномерной ее структуры (сучков, завитков, крени и т. п.), а также перерезания волокон древесины при продольной распиловке нецилиндрических бревен и бревен с наклоном волокон возникает многообразная продольная покоробленность пиломатериалов и заготовок (рис. 22,а—г).
Используя явление вязкости и’пластичности древесины в нагретом состоянии, можно предотвратить все эти деформации, если выдерживать материал во время сушки в плоском хорошо зажатом состоянии. В этих целях необходимо правильно укладывать материал в штабель (рис. 22, д) и прижимать сверху высушиваемой древесиной. Для предупреждения коробления пиломатериала в верхних рядах штабеля применяют, кроме того, механические прижимы, грузы и используют другие приемы (см. § 38).
Коробление деталей в щитах. При сезонных, погодных и других отклонениях насыщенности пара <р в окружающей среде происходит изменение влажности, а следовательно, и поперечных размеров заготовок и даже деталей в изготовленных изделиях, находящихся в такой изменившейся атмосфере.
Кроме того, недостаточно качественная сушка древесины с отсутствием конечной влаготеплообработки или неудовлетворительное ее проведение приводит к таким же результатам.
На рис. 22, е показана дугообразная деформация щита, собранного из досок (или брусков) с односторонним ориентированием внешней их пласти. Такая деформация возникает при досушке деталей в щите; в случае их увлажнения щит будет деформироваться в противоположном направлении. Если щит собирать с разносторонней ориентацией пластей смежных деталей в нем (рис. 22,ж), возникнет небольшое коробление отдельных его деталей; однако во всех случаях при отклонениях влажности будет изменяться размер щита по ширине.
Кардинальным мероприятием для предотвращения деформирования деталей в изделиях будет надлежащая просушка древесины и стабильность состояния воздуха в условиях ее эксплуатации.
Ослабление шиповых соединений в изделиях. Наиболее опасно применение недосушенной древесины в зоне зарезки шипов. В таких случаях древесина медленно досыхает в готовом
58
Рис. 22. Влажностное объемное деформирование пиломатериалов и деталей при сушке:
а—г — деформации досок; д — предотвращение деформирования досок методом зажатия нх в плоском состоянии; е, о/с — деформации щнта из брусков или досок; з—л — деформации шипового соединения; м, н— деформации усового соединения: о, п, р— деформации отверстий в доске
изделии, клеевая прослойка нарушается и шиповое соединение теряет прочность (рис. 22, з—л).
В случае небольшой пересушки древесины шипа (рис. 22, и) происходит его упрочнение из-за постепенного разбухания древесины в гнезде. Однако при деформациях обеих сопрягаемых деталей (рис. 22, к, л) вероятно разрушение клеевой прослойки и всего соединения; наиболее часто наблюдается выход концевого участка сквозного шипа из гнезда (рис. 22,к). При недо-сушке древесины не достигается полной надежности соединения, даже с применением двойного шипа. Поэтому необходимо высушивать древесину до заданной ее конечной влажности; желательна пересушка на 3.. .4 % концевых участков заготовок, предназначенных для зарезки шипов.
Нарушение усовых соединений. При недосушке обеих деталей они в условиях эксплуатации будут усыхать, сужаться по
59
ширине, образуя щель у внутреннего угла соединения (рис. 22, ж), и, наоборот, при пересушке детали будут увлажняться, разбухать и щель возникнет у наружного угла (рис. 22, н). Ширина такой щели f составит 1,4 У мм. Так, если ширина деталей по 100 мм и усушка каждой составляет 4 %, т. е. У=0,04* 100 = = 4 мм, то ширина щели будет 1,4-4 = 5,6 мм.
Ослабление шкантовых, нагельных и других подобных соединений. Существенно, чтобы такие соединения не ослаблялись, а упрочнялись в процессе эксплуатации изделий. В этих целях вставные шипы должны разбухать в конструкции, уплотняя и упрочняя связь сопрягаемых деталей. В этих целях они должны плотно вставляться в гнездо (на клею) в пересушенном состоянии, создавая затем дополнительный влажностный натяг. Изделия, изготовленные с применением недосу-шенных вставных шипов, недолговечны.
Деформации поперечных отверстий в деталях. Так как в продольном к волокнам направлении древесина практически не усыхает, то размер отверстия по длине волокон древесины сохраняется неизменным до и после сушки.
Существенное значение приобретает сохранение размеров отверстий (рис. 22,о), а в некоторых условиях возможно небольшое их уменьшение для упрочнения соединений.
На рис. 22, п показаны отверстия в детали, досыхающей после их выборки. При этом круглое отверстие превратится в суженное овальное, квадратное — в прямоугольное и т. д. Критерием для правильного ответа о характере деформации отверстия является изменение поперечного размера древесины по ширине детали у торцевой кромки рассматриваемого отверстия.
На рис. 22, р изображен пересушенный, т. е. разбухающий в дальнейшем, образец материала с отверстиями. Изменение размеров отверстий в нем будет противоположным показанному на рис. 22, р. В щелевых, наклонно выполненных отверстиях изменится угол наклона щели, при этом углы наклона будут р<а<у. В рассмотренных случаях причиной деформаций является некачественная сушка древесины.
Контрольные вопросы
1. В чем проявляется гигроскопичность древесины?
2. При какой влажности древесина гигроскопична?
3. Что обозначают термины «равновесная влажность древесины» и «предел гигроскопичности»?
4. Как пользоваться диаграммой равновесной влажности древесины?
5. От чего зависит максимально возможная влажность древесины?
6. Какова примерная влажность толстых и тонких сосновых досок, полученных из бревен сухопутной доставки, до сушки и после сушки?
7. В чем заключаются упругие и пластические свойства древесины?
8. Каковы общие для всех пород закономерности усушки древесины?
9. В чем различие между усушкой и усадкой древесины?
10. Что такое базисная плотность древесины?
60
11. Как деформируется брусок радиальной распиловки квадратного сечения в результате медленной сушки от 80 до 40 % и от 40 до 10 % влажности?
12. Как деформируется такой же брусок, но полурадиальной распиловки (с диагональным направлением годЙчных слоев)?
13. Почему мало коробятся заготовки, полученные методами радиальной распиловки?
14. Почему и как коробятся доски в результате сушки в поперечном направлении? То же — в продольном направлении?
15. Как предотвратить коробление досок во время сушки?
16. В чем заключается главная причина растрескивания сердцевинных пиломатериалов? Можно ли его избежать?
17. В сырой доске вырезаны круглые н квадратные отверстия, диаметр круглых отверстий 100 мм, стороны квадрата также 100 мм. Как они изменятся после высушивания доски?
18. Что произойдет со столярным стулом, креслом и т. п. в условиях их эксплуатации, если они были изготовлены из недосушенной древесины?
19. Почему нагели и шканты в угловых соединениях древесины должны быть пересушены (по сравнению с влажностью соединяемых деталей)?
20. Как изменяется с течением времени прочность клеевых соединений древесины повышенной влажности?
Гл а в а 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НАГРЕТОГО ВОЗДУХА
И ДРЕВЕСИНЫ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ
§ 14. Нагревание древесины
Общие сведения о нагревании древесины. Тепло, поступающее к нагреваемой древесине, передается в основном конвективным методом — от нагретого воздуха к поверхности более холодного материала.
Общий процесс нагревания материала можно расчленить на два последовательных процесса: 1) перенос тепла от воздуха на поверхность материала; 2) распространение тепла внутри материала по всему его объему.
На рис. 23, а показана схема конвективного переноса тепла из горячего воздуха при нагревании материала, а на рис. 23,6 — в воздух из более теплого материала при его охлаждении. На рис. 23, а доска омывается нагретым воздухом 1 (пунктирные стрелки). При нагревании материала воздух отдает ему тепло, т. е. сам охлаждается, поэтому при конвективном потоке он опускается вниз. На схеме рис. 23,6 охлаждаемый материал отдает тепло воздуху, и он, расширяясь, становится менее плотным и поднимается кверху (стрелки направлены вверх).
Совмещенно с левой пластыо досок 2 и 3 нанесены оси ординат с обозначением температуры t, на оси абсцисс отложена толщина доски. Температура воздуха Л на схеме а будет выше температуры /п на поверхности материала. Поэтому тепловой поток будет направлен от воздуха к материалу и затем внутрь его (сплошные стрелки). Величина потока пропорциональна разности температур ti — tn (воздуха Л и поверхности материала tn).
61
Рис. 23. Схемы передачи тепла при нагревании и охлаждении материала: а — конвективное нагревание; б — конвективное охлаждение; в — кондуктивпое нагревание горячими плитами; г — нагревание посредством излучения; а, б — распределение температур в нагреваемой и охлаждаемой доске (кривые)
Количество тепла q, воспринимаемое 1 м2 поверхности доски в течение 1 ч, составит
q=a(t'-t„), (30)
где а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К). Если t' — ta= = 1°, то u = q.
Если поверхность теплоотдачи равна F, м2, а процесс продолжается равномерно в течение т, ч, то количество перенесенного тепла
q — a(t'— tn)Fx. (31)
При нагревании материала внутри его возникает разность температур и, следовательно, происходит перенос тепла в более холодную, среднюю зону материала. Количество переносимого тепла вблизи поверхности материала (в тонком слое) определится по формуле
(32)
х — 0
где X — теплопроводность древесины в направлении теплового потока в слое х'— 0, Вт/(м-К); F— F — разность температур на обеих поверхностях слоя х' — 0.
I Отношение (tn\— t')/(х' — 0) называется градиентом температур (чем он больше, тем интенсивнее тепловой поток); знак минус показывает на понижение F с увеличением х'.
Нагревание материала осуществляется симметрично с обеих его пластей. Поэтому распределение температур внутри материала будет: повышенная у нагреваемых поверхностей tn и минимальная— в центре материала, куда поступает тепло. Закономерность распределения температур в нагреваемом материале в определенный момент времени определится кривой линией.
62
В охлаждаемом материале (рис. 23, б) закономерности переноса тепла аналогичные, но противоположные по знаку, так же, как и кривая распределения температур. В центре материала она с максимальной ординатой /ц, а на поверхности — с минимальной.
В лесосушильной технике тонкий материал (шпон, лыжные заготовки) нагревают иногда горячими металлическими поверхностями (рис. 23,в), а также излучением (рис. 23,а). При этом тепло воспринимается материалом интенсивнее, чем при конвективном нагреве.
Коэффициенты теплоотдачи а. Расчет процесса нагревания пиломатериалов в многообразных производственных условиях достаточно сложен. Более детально он рассматривается автором в предыдущей книге этого же наименования. Здесь кратко учитывается лишь внешний теплообмен материала, существенный для оценки работы лесосушильных установок.
Для условий нагревания образца материала применимы несложные уравнения, позволяющие установить ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи а с последующим использованием соотношений (31) и (32).
Величина коэффициента а, Вт/(м2-К), при отсутствии испарения (или конденсации) влаги на воспринимающей тепло поверхности при скорости воздуха вдоль этой поверхности v до 5 м/с определяется по упрошенному приближенному соотношению
а = 6,2 +4,2ц. (33)
Так, при значении у = 1 м/с величина а=10,4 Вт/(м2-К). При о>5 м/с пользуются уравнением
ос = 7,1о0’78. (34)
Так, если п = 6 м/с, получим а=7,1 • 6°-78=7,1 • 4,05= = 28,8 Вт/(м2-К). При у=5 м/с по (33) а = 27,2, а по (34) а = = 24,8. Для принятых предельных условий (о=5 м/с) оба эти уравнения дают близкие результаты по определению значения а.
Продолжительность охлаждения больше продолжительности нагревания одного и того же материала, поскольку воздух при этом нагревается и осушается (т. е. понижается <р от более теплой древесины, что снижает коэффициент а). Наоборот, у поверхности нагреваемой доски воздух, отдающий тепло, т. е. понижающий свою температуру, повышает насыщенность <р пара, становится более влажным, что приводит к увеличению а, т. е. теплоотдачи.
Расход тепла на нагревание древесины. При нагревании 1 кг влажной мерзлой древесины затрачивается теплота на подогревание льда до О °C, его плавление, нагревание воды и самой древесины. На рис. 24 приведена диаграмма для определения расхода тепла на нагревание 1 кг древесины с любой
63
Рис. 24. Диаграмма для определения расхода тепла на нагревание 1 кг влажной древесины
возможной влажностью w (до 140%). На оси абсцисс нанесены искомые расходы тепла, на оси ординат — влажность древесины. Горизонтальный отрезок АВ показывает расход тепла на подогрев до 0 °C древесины и заключающегося в ней льда с температурой —40 °C, отрезок ВС—на плавление льда, отрезок СЕ — на нагревание древесины и жидкой влаги в ней от 0 до 60 °C.
Линия УНК предела гигроскопичности — криволинейная, ординаты ее точек уменьшаются с повышением положительных и нарастанием отрицательных температур, отсчитываемых вправо и влево от вертикали ОНТ. Влага в древесине слева от линии КНХ — в виде льда.
Если температура древесины до нагревания положительная, то отсчет ведется в правой части (от линии ОТ) диаграммы.
Пример. Требуется определить расход топлива на нагревание 1 кг древесины влажностью 60 % от температуры —40 °C до 60 °C. По рис. 24 сумма отрезков АС-\-СЕ покажет потребность тепла: 147+167=310 кДж/кг. Для определения расхода тепла на нагревание 1 м3 этой древесины следует воспользоваться табл. 4. Из таблицы следует, что плотность древесины (например, сосны) при заданной влажности 60 % составляет 650 кг/м3. Следовательно, для нагревания 1 м3 этой древесины потребуется тепла 310-650=202000 кДж/м3, или 202 МДж/м3, или 0,202 ГДж/м3.
Для ориентировочных расчетов продолжительности нагревания т, ч, единичных досок, а также их штабелей при о>2 м/с по методу учета теплосодержания (см. рис. 24), при одинаковой температуре на поверхности материала у всех древесных пород,
64
Зависимость плотности древесины, кг/м3 от ее влажности
Примечание. Древесина, имеющая плотность, приведенную справа и вниз от жирной ломаной линии, будет тонуть в воде. Так, древесина сосны будет иметь плотность более 1000 кг/м3 при влажности 147 %, древесины граба — при влажности выше 55%, а легкая пихта, состоящая из тонкостенных клеток, содержащих много воздуха, замещаемого водой, утонет лишь при влажности 8? выше 230 %.
приведенных в табл. 4, можно пользоваться приближенной формулой
т = bqR2, (35)
где b — коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха по материалу; при и=2. ..3 м/с коэффициент /?~20.
Так, для досок толщиной 50 мм (т. е. $ = 0,025 м) при расходе тепла 400 кДж/кг и величине Ь = 20 продолжительность нагревания составит т=20 • 400 • 0,0252 = 5,0 ч, т. е. 1 ч на 1 см толщины материала. Более плотные (например, в 2 раза) древесные породы (в кг/м3) обладают большей (примерно в 2 раза) теплопроводностью, продолжительность их нагревания возрастает не в 2 раза, а приближенно по корневой зависимости от их плотности (в рассматриваемом случае в У2 = = 1,4 раза).
§ 15. Динамика сушки (движение влаги в древесине)
Основной принцип сушки пиломатериалов. Главная трудность в осуществлении комплексного сушильного процесса заключается в извлечении, удалении влаги из средней зоны сортимента (доски, бруска), т. е. перемещении ее к поверхности. Именно в достижении интенсивного движения влаги внутри материала (из центральной зоны к его поверхности) скрываются возможности получения высоких технико-экономических показателей процесса сушки пиломатериалов.
Единственный в настоящее время используемый технический прием, стимулирующий поток влаги к поверхности материала, откуда она легко переходит в окружающий воздух, заключается в дополнительном подогреве материала. С повышением его температуры диффузия (молекулярный поток) влаги в древесине ускоряется.
Наиболее эффективный метод подогрева древесины заключается в повышении температуры воздуха по мокрому термометру психрометра (см. рис. 7), поскольку в наиболее ответственной, начальной, стадии сушки материала температура влажной его поверхности и мокрого термометра психрометра почти одинаковы (см. рис. 27). Такое состояние воздуха достигается повышением его влагосодержания за счет применения многократной его циркуляции (до 50 раз) по материалу. Возникает поэтому острая необходимость в сохранении, удержании влаги воздуха в пространстве сушильной камеры путем ее тщательной теплоизоляции и герметизации. На плохо утепленных поверхностях (дверях, перекрытиях, полах) камер происходит конденсация влаги. При этом воздух становится суше и нарушаются режимы сушки материала.
То же относится и к герметизации камер — дверей, внешних воздуховодов, отверстий в стенах для паропроводов и т. п. На практике часто прекращают даже организованный (через при-
66
точно-вытяжную систему) воздухообмен камер. Исключение составляют металлические (герметичные и паронепроницаемые) камеры, в которых при эксплуатации необходимо создавать расчетный воздухообмен, а с применением импульсной циркуляции воздуха — даже соответственно увеличенный.
Таким путем для ускорения движения влаги внутри досок (за счет их прогрева) осуществляют преднамеренную задержку, торможение испарения ее с поверхности. Для этого в первой стадии сушки поддерживают малую (всего несколько градусов) психрометрическую разность воздуха. Материал при этом дополнительно нагревается, предотвращается пересушка и растрескивание его поверхностной зоны. В этих же целях при значительных скоростях воздуха в штабелях применяют периодическое отключение вентиляторов (при сушке средних и толстых сортиментов).
Такова принципиальная особенность сушки пиломатериалов (во влажной среде), в отличие от высушивания многих других материалов и продуктов (в сухом воздухе).
Поток влаги в древесине. Известно, что при влажности выше 30 % (вуше предела гигроскопичности) влага перемещается в древесине в основном в виде жидкости. В гигроскопической же области, т. е. при влажности ниже 30 %, она мигрирует также в виде пара и тем больше, чем суше и более нагрета древесина. Именно поэтому постоянная во времени температура в центре высушиваемого сортимента будет пониженной: здесь происходит образование пара, т. е. возникает расход тепла фазового перехода.
Движущими силами перемещения влаги могут быть: ускорение силы тяжести, осмотическое давление, капиллярное давление, диффузия, термодиффузия, давление пара в древесине и др.
Свойство материала перемещать внутри себя влагу называется влагопроводностью. В древесине различается влаго-проводность молярная, капиллярная и диффузионная. Молярная (поточная) влагопроводность проявляется при высокой влажности древесины (например, влага вытекает из очень влажной,’ вертикально установленной нагретой доски). Капиллярная влагопроводность (основная) наблюдается при влажности в диапазоне примерно 110... 25 %. Диффузионная влагопроводность проявляется во время сушки древесины при ее локальной (местной) влажности ниже 25%.
Кривые влажности древесины. Значительный практический, и познавательный интерес представляют кривые распределения влажности по толщине материала во время сушки — кривые влажности (рис. 25). Они показывают, что в начале процесса сушки влага испаряется с поверхностной зоны материала; здесь влажность древесины быстро снижается до предела гигроскопичности (в нагретом состоянии примерно 25%), а затем еще ниже, т. е. начинается усушка. Постепенно подсушенная поверхностная зона углубляется, одновременно у ряда древес -
3*
67
На рис. 25 нанесены
Рис. 25. Распределение влажности древесины по толщине материала во время сушки:
1, 2, 3, 4, S — кривые влажности в последователь-ные периоды сушки материала; Wp — горизонталь равновесной влажности древесины; и^пг — горизонталь предела гигроскопичности; wH — т — —
зона молярной влагопроводности
ных пород происходит молярное перетекание части свободной влаги из центра к поверхности материала, как это показано пунктирной горизонталью kd (вместо кривой kwd). Было бы весьма эффективно всемерно увеличить этот поток, эквивалентный площадям в зоне kmd и выше ее, удаляемый с небольшой затратой тепла и в короткое время.
кривые влажности 1, 2, 3, 4 и 5 последо
вательного, например ежесуточного, снижения содержания влаги (стрелки А — направление ее потока) по сечению плоского материала (вид с торца, без кромки). Форма этих кривых различна: выше горизонтальной линии шпг (предела гигроскопичности) перемещается свободная влага, а ниже нее — гигроскопическая.
Для диффузионного потока влаги, т. е. ниже шпг, коэффициент влагопроводности принимают постоянным, не зависящим от ее влажности. При этих условиях, в стадии регулярного режима, кривые влажности 4 и 5 будут квадратическими параболами. Их ординаты w (текущие влажности древесины) для соответствующих абсцисс х определяются по формуле
wx — гуц—(х2//?2) (ге»ц—а?п), (36)
где &уц—йуп — разность влажности в центре и на поверхности материала; R— половина его толщины; х—переменное расстояние от средней плоскости материала до точки е на кривой Ьс.
При х=0 влажность по кривой 4 будет wx=Wn (точка Ь), при x—R получим wx=wn (точка с), при х=О,57? она составит шх=0,75шп4-0,25&уп (точка е) и так далее.
Коэффициенты влагопроводности древесины. Молекулярная диффузия одного вещества в другом, в том числе влаги в древесине, описывается законом Фика
i= — =£)tga,
Дх
(37)
где i — величина потока влаги в единицу времени; D — коэффициент влагопроводности; Aw/Ах— градиент влажности (отношение разности влажностей по ординате Aw к Ах соответ-
68
Рис. 26. Закономерности и значения влагопроводности древесины:
а — средние коэффициенты диффузионной влагопроводности: 1— осины; 2 —ели; Я — березы; 4 — бука; 5 — лиственницы; 6 — дуба; б — влагопроводность бука при 50 “С в радиальном направлении при различных влажностях древесины
ствующему расстоянию—по абсциссе); tga — угол наклона с осью х соответствующей касательной к кривой влажности.
Экспериментами установлено, что влагопроводность древесины каждой породы в большой мере зависит от ее температуры во время сушки. На рис. 26, а приведены значения коэффициентов диффузионной влагопроводности древесины в тан-гентальном направлении основных древесных пород. При сушке только заболонной или только ядровой древесины сосны вводят соответствующие коэффициенты 1,25 и 0,75 (данные П. С. Сер-говского).
В направлении вдоль волокон древесины сосны коэффициент влагопроводности при влажности 10 % в 15 раз, а при влажности 30 %—лишь в 1,2 раза больше, чем в тангентальном направлении (данные В. С. Коваля).
Кривые 2 и 3 над линией эдПг- (см. рис. 25) характеризуют капиллярную влагопроводность. Опытным путем установлено, что капиллярная влагопроводность для сосны, ели, березы, бука и других пород при значительной влажности в несколько раз меньше диффузионной. Именно поэтому на горизонтали Долг кривые влажности (например, кривые 2 и 3) приобретают излом. Касательная рп, проведенная к верхней части кривой 2 в точке р, покажет большую величину угла наклона, т. е. градиента влажности, чем касательная pg к нижней части этой кривой в той же точке р (для одного и того же потока влаги).
На рис. 26, б приведена кривая влагопроводности древесины бука в зависимости от ее влажности. Обращает на себя внимание особая закономерность молярной влагопроводности
69
(вверху), а также максимум капиллярной влагопроводности при влажности древесины в диапазоне 30... 35 % (данные О. Кришера).
Закономерности передвижения в древесине свободной влаги остаются мало изученными, хотя на долю свободной влаги приходится более 4/б количества всей влаги, удаляемой из древесины при ее сушке (соответственно 100...25 и 25... 10 % влажности). За счет активизации свободной влаги возможна значительная интенсификация сушильного процесса.
§ 16, Кинетика сушки (протекание процесса во времени)
Графическое построение процесса сушки. Для производственного наблюдения за скоростью уменьшения влажности древесины из просыхающей партии пиломатериалов периодически взвешивают контрольный отрезок от доски (или заготовку). По уменьшению массы высыхающей древесины с известной ее начальной влажностью строят усредненную кривую сушки, форма которой показывает фактическую закономерность протекания сушильного процесса во времени. Таким образом, кривая сушки отображает закономерность уменьшения средней влажности по сечению материала во время сушки. Типичная форма кривой сушки древесины аналогична форме кривых высушивания большинства различных других материалов.
Сначала материал прогревают в течение времени Ti (рис. 27, а); при этом его влажность поддерживают неизменной, как это показано горизонтальным отрезком АВ. Затем из материала начинает испаряться часть свободной влаги; при этом влажность материала в течение времени т2 уменьшается с постоянной скоростью. Отрезком прямой ВС показан период постоянной скорости сушки. Этот период наблюдается лишь при медленном (например, атмосферном) высушивании тонких пиломатериалов. Кривая CD показывает период падающей! скорости сушки — основной процесс уменьшения влажности материала'в течение времени т3. Наконец, для материала ответственного назначения в течение времени т4 проводят конечную его влаготеплообработку (кривая DE).
Изменение температур в процессе сушки показано на рис. 26, б. Вверху нанесена температура воздуха t; нижняя пунктирная линия обозначает температуру по мокрому tM термометру психрометра; величина At— психрометрическая разность. Промежуточные кривые характеризуют температуру высушиваемой! древесины на поверхности tn и в центре материала. Состояние воздуха, показывающее величину равновесной влажности древесины &ур, определяют по рис. 18; она уменьшается в процессе сушки.
Закономерности кривой сушки. По мере просыхания, т. е. снижения процента влажности древесины, по отдельным точкам криволинейной закономерности влажность — время (w, т) стро-
70
Рис. 27. Графическое изображение процесса сушки: а — кривая сушки; б — температурные кривые
ится кривая сушки. В начале процесса эта кривая круто опускается вниз (влажность интенсивно снижается), а к концу процесса она приближается к горизонтали, т. е. процесс сушки замедляется. Общая форма кривой показывает логарифмическую зависимость
Т——Xlg , (38)
W — Wp
где wH — начальная влажность древесины, %; w— текущая (уменьшающаяся) влажность древесины; А — коэффициент.
Для расчета полной продолжительности сушки вместо текущей влажности w подставляется конечная влажность wK.
§ 17. Развитие внутренних деформаций в древесине при сушке
Стадийность развития внутренних деформаций. Ранее (см. рис. 19) была рассмотрена модель возникновения при сушке пиломатериалов упругих, а также остаточных деформаций. В первой стадии поверхностная зона сортимента остаточно (пластически) растягивается. Одновременно внутренняя зона будет сжиматься, уравновешивая растянутую поверхностную зону. Во второй стадии сушки, наоборот, поверхностная зона сжимается, следовательно, уравновешивающая ее внутренняя
71
Рис. 28. Выявление внутренних деформаций в высушиваемых пиломатери алах
зона будет растянута. Развитие внутренних деформаций — основа сушильного процесса.
Причина перемены знака напряжений в обеих зонах сортимента по окончании первой стадии сушки заключается в остаточном удлинении поверхностной зоны с образованием растянутой «оболочки», а также остаточном сжатии (упрессовке) внутренней .зоны. Поэтому при последующем уменьшении коли-
72
| чсства гигроскопической влаги во внутренней зоне возникают растягивающие напряжения с возможностью разрыва древесины-образования пустот-раковин (см. рис. 19, д, е, ж).
На рис. 28, а графически показано постадийное развитие Г процессов сушки на поперечных разрезах доски: в верхнем ряду 1 постепенное (вправо) снижение кривых влажности в началь-< ной Н, первой I, переходной П и второй II стадиях сушки, а также при влаготеплообработке В материала. Во втором ряду представлена мгновенная (в момент раскалывания) упругая деформация двух половинок образца сортимента, происходящая из-за высвобождения упругих деформаций. В третьем ряду показана остаточная деформация двух половинок образца после выдержки с целью выравнивания их влажности.
Таким образом, в верхнем ряду даны влажностные деформации В, определяемые по коэффициенту К усушки в направлении ширины доски и по перепаду гигроскопической влажности в ее центре и у поверхности wn
В = К -Wk ~—п-, (39)
100
в среднем ряду упругие деформации У, создаваемые влажностными напряжениями, а в нижнем — остаточные деформации О, возникающие из упругих (релаксация) напряжений. Первопричиной всех этих деформаций является перепад гигроскопической влажности с воспрепятствованной локаль-ной усушкой в массиве древесины. Таким образом, влажностный, упругие и остаточные деформации возникают последовательно и взаимосвязанно (одна из другой).
Методы разделки образцов. На рис. 28, б показаны способы раскалывания образца на слои для выявления деформации в разных участках сечения образца, а справа — способы выпиливания силовой секции из бруса. Первый способ (поз. 17) позволяет выявить упругие деформации в опасном по растрескиванию наружном (лицевом) слое доски; этот способ рекомендуется к широкому использованию при сушке растрескивающихся досок. Величина стрелы прогиба f, мм, деленная на квадрат ширины доски I, дм2, покажет относительную величину упругих деформаций У по формуле
У = а//Я (40)
Значения f и I—на рис. 28, б (поз. 16 и 17); а — коэффициент.
Пример. Замерена стрела прогиба /=4,0 мм при длине слоя (ширине доски) /=120 мм=1,2 дм. При а=1,0 находим У=4,0/1,22=2,8.
Второй способ (поз. 18) применяется для выявления деформации в обеих наружных зонах доски. Третий способ (поз. 19) — то же и в промежуточных зонах. Четвертый способ (поз. 20) — выпиливание силовой секции, пунктиром показано
73
отклонение ее зубцов в первой + F и второй —F стадиях сушки (для брусковых сортиментов).
Метод следящей деформации. На рис. 28, в (внизу) представлена схема непрерывного измерения величины внутренних деформаций методом проявления следящей деформации в сочетании с раскалыванием образца на слои. В подлежащем высушиванию контрольном отрезке (поз. 21) по середине его длины, со стороны кромки выбирается продольный прямоугольный! паз длиною до 0,4 м и глубиной до середины ширины образца (доски). Для возмещения удаленной влаги щель заполняют увлажненными опилками, а по кромке образца закрывают упругой влагоизоляцией (ею защищают и торцы образца). По середине длины щели в нее вставляют и закрепляют индикатор, измеряющий ее ширину у кромки образца во время его сушки. Принципиальная схема пружинного индикатора показана на рис. 28, в (поз. 22 и 23). Такой метод измерения упругой деформации У проверен ВНИИДМАШем на практике (ММСК-1) с положительными результатами. Регулирование процесса сушки по относительной величине упругих деформаций У [формула (40)] эффективно для совершенствования режимов сушки сортиментов средних и крупных сечений (см. § 37).
Взаимозависимость внутренних деформаций. На рис. 29, а нанесены кривые сушки: точками показана средняя влажность материала, сплошными линиями: верхняя — для центральной зоны, нижняя — для поверхностной зоны материала, ордината между ними показывает относительную величину влажностной деформации В, которая равна сумме деформаций упругой У и остаточной, т. е. В=У+О. Верхняя линия 1—3 обозначает предел гигроскопичности, а нижняя кривая — равновесную влажность, т. е. параметры воздуха.
Величину влажностной деформации В (слева на рис. 29, а) можно разделить на суммируемые переменные деформации У и О (упругие и остаточные). В этих целях используется схема рис. 28, а с деформациями второго ряда У, а для толстых сортиментов— схема рис. 28, поз. 16 (стрела прогиба f, мм), а также третий ряд (поз. 11—15) с измеряемыми деформациями О, по их величине, с учетом равенства В = У+О. На рис. 29, а проводится для первой стадии сушки (до точки 4) разделительная пунктирная линия 2, 3, 4.
Во второй стадии сушки (после точки 4), т. е. после перемены знака напряжений, величина У откладывается на рис. 29, а над линией &уц с получением равенства О = В + У. Таким образом, возникает тесная взаимосвязь между кинетикой (кривые сушки) и реологией высушивания пиломатериалов.
Для анализа процесса сушки деформации У и О удобнее отложить в их координатах, как это показано на рис. 29, б. На оси ординат здесь нанесены относительные деформации У и О образца, а на оси абсцисс, как и ранее, время сушки т. При этом используются те же значения У и О из второго и третьего
74
Рис. 29. Взаимозависимость внутренних деформаций в процессе высушивания пиломатериалов:
а — совмещение В, У, О — деформаций с кривыми сушки; б — кинетика внутренних деформаций; в — закономерности реологического развития внутренних деформаций
рядов рис. 28, а, полученные в производственных условиях. Внизу (см. рис. 29) схематически показано развитие в процессе сушки упругих У (выявляются в момент раскаливания образца) и разностных остаточных О (после его выдержки для выравнивания влажности) деформаций.
Опасность растрескивания высушиваемых пиломатериалов предопределяется ординатами заштрихованной площади значений У (рис. 29, б, в). При малой величине такой опасности процесс сушки форсируется, т. е. повышается А/, а возможно и t воздуха в камере.
§ 18. Растрескивание пиломатериалов во время сушки
Основной брак сушки. В процессе высушивания пиломатериалов образуются коробление и растрескивание. Причины возникновения и меры предупреждения этих видов брака различны.
75
Рис. 30. Растрескивание пиломатериалов при сушке:
а — наружные трещины; б — заглубление наружных трещин и переход их в раковины; в — различная деформация клеток и сосудов древесины в сечении доски; г — утолщение досок у кромок; д, е — образование раковии у брусков; ж — прикромочные раковины в досках; з ~ приторцовые раковины
Коробление происходит вследствие анизотропного строения древесины (см. рис. 21 и 22). Радикальная мера предупреждения коробления — надежное зажатие досок и заготовок в штабеле, с тем, чтобы они высыхали в хорошо зажатом плоском состоянии (рис. 22, д). Таким образом, коробление проявляется при неправильной укладке материала в штабель, т. е. предопределяется на погрузочной площадке.
Растрескивание наблюдается при неудовлетворительном ведении и контроле процесса сушки, когда в поверхностной зоне материала возникают чрезмерные упругие деформации У. Трещины бывают торцовые и пластевые. Они всегда направлены по радиусу, т. е. перпендикулярно к годичным слоям, и ^образуются на торцах и на наружной пласти доски (рис. 30, а).
Торцевые трещины возникают в самом начале сушки на свежеоторцованных поверхностях. Способы их предупреждения— всемерное замедление испарения влаги с торцов, что достигается снижением психрометрической разности А/ воздуха в начале сушки, а также закрыванием торцов заготовок (укладка впритык по длине смежных заготовок, прикрытие торцов щитами, замазками и т. п.), и даже их специальное увлажнение.
Пластевые трещины образуются во время первой стадии сушки толстых досок и тем более твердых пород. Они возникают при значйтельной для данного материала психрометрической разности воздуха. Необходимо тщательно наблюдать за их появлением и не допускать развития (рис. 30, а) с начала первой стадии процесса сушки.
Раковины, т. е. внутренние пустоты, часто образуются при сушке дубовых и буковых сортиментов средних и тем более значительных толщин. Они возникают во второй стадии сушки и даже в высушенной древесине, при выравнивании влажности по сечению материала. z
Чем больше накопится остаточных деформаций растяжения в наружной зоне и больше упрессуется внутренняя зона в первой стадии сушки, тем значительнее опасность возникновения раковин и тем большей будет их величина во второй стадии процесса.
76
Таким образом, для предупреждения возникновения раковин должно быть минимальным нарастание остаточных деформаций в первой стадии сушки, а уменьшение их во второй стадии максимальным.
Не следует проводить промежуточные влаготеплообработки материала в первой стадии сушки. Желательна атмосферная подсушка сортиментов, опасных в отношении возникновения раковин.
Практические выводы из рассмотренного следующие. Рекомендуется медленное и осторожное подсушивание в камерах (при пониженных температурах) толстых сортиментов, особенно твердых пород. Желательна форсированная сушка тонких, не растрескивающихся сортиментов, у которых в таких режимных условиях будут как меньшая покоробленность, так и сниженная усадка. Следовательно, температура воздуха и его психрометрическая разность (см. рис. 27) должны находиться в обратной зависимости от толщины и плотности сушимого материала.
Контрольные вопросы
1. В каких условиях происходит выпадение росы на внутренней поверхности стен, перекрытий и дверей сушильных камер?
2. Как при этом изменяется влагосодержание воздуха в камере?
3. Можно ли начать сушку до нагревания досок в камере?
4. Как графически определить расход тепла на нагревание мерзлой древесины?
5. В каком виде (жидком или парообразном) перемещается влага по толщине высушиваемого материала?
6. Какова форма кривых влажности по толщине высушиваемого материала?
7. Что такое перепад влажности по толщине досок?
8. Что такое градиент влажности и как ои определяется?
9. Что такое влагопроводность древесины?
10. Каково содержание понятий о молярной, капиллярной и диффузионной влагопроводности?
11. Почему древесина в доске пересушивается в зоне сучков и завитков? Как в них перемещается влага?
12. Что называется кинетикой сушки и динамикой сушки?
13. Каковы основные закономерности кривой сушки? Ее сущность?
14. Как изменяется во время сушкн влажность на поверхности и в центре сечения пиломатериалов?
15. Как возникают внутренние силы, разрывающие древесину (трещины)?
16. В чем заключается исходная причина возникновения внутренних деформаций при сушке материала?
17. Дайте характеристику возникновения н протекания во время сушки влажностной, упругой и остаточной деформации.
18. В каких зонах досок и в каком направлении возникают торцовые и пластевые трещины?
19. Как избежать торцового и пластевого растрескивания древесины?
20. В чем заключается причина появления раковин? В каких сортиментах они возникают? В каких зонах и направлениях? Как предупредить появление раковин?
77
Глава 4. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ЛЕСОСУШИЛЬНЫХ. УСТАНОВОК
§ 19. Схемы теплоснабжения лесосушильных установок. Основные термины
Методы теплоснабжения в лесосушильной технике. Процесс сушки пиломатериалов сопровождается значительной затратой тепла на превращение влаги высушиваемой древесины в парообразное состояние.
На рис. 11, б изображена схема газовой сушильной установки, состоящей всего из двух звеньев преобразования тепла: 1) выделения тепла из сгорающего в топке в виде горячих продуктов сгорания топлива и 2) испарения этим теплом влаги из материала. Теплопотери при этом будут минимальными. Удельный расход влажного древесного топлива составит лишь около 0,2 м3 на 1 м3 высушиваемых пиломатериалов.
В наиболее распространенных паровых сушильных установках, потребляющих пар от котельной своего предприятия, сжигающего древесные отходы, на высушивание 1 м3 древесины расходуют в среднем 0,4 м3 влажного древесного топлива, а стоимость тепла возрастает в 3—5 раз по сравнению с газовым нагревом.
В небольших сушильных установках, использующих электронагрев, удельная стоимость джоулева тепла на высушивание 1 м3 пиломатериалов возрастает примерно в 3 раза по сравнению с паровым нагревом.
С применением для сушки еще более дорогой энергии — токов высокой частоты (ТВЧ) и преобразованием их в тепловую энергию ее удельная стоимость возрастет дополнительно в 2—3 раза.
На рис. 31 представлены последовательные схемы различных преобразований тепла в лесосушнльных установках. На схеме а теплота сгоревшего топлива непосредственно используется для испарения влаги из древесины. На схеме б продукты сгорания посредством огневого калорифера нагревают воздух и затем в недостаточно охлажденном еще состоянии удаляются через дымовую трубу наружу, а нагретый воздух поступает к материалу для испарения из него влаги. На схеме в показан котел, в котором получают пар как теплоноситель, поступающий в калорифер сушильной камеры. Здесь пар отдает тепло, превращаясь в воду, отправляемую обратно в котел, а подогретый воздух поступает к материалу для испарения из него влаги. На схеме г также сначала получают в котле пар и направляют его в турбину для выработки механической энергии и потом в генератор для преобразования ее в электрическую; затем в трансформаторе повышают ее напряжение и по проводам отправляют к потребителю. Здесь также трансформатором напряжение снижают (обычно до
78
Рис. 31. Структурные схемы различных преобразований тепла:
а — газовой с прямым использованием тепла; б — калориферной огневой; в — калориферной паровой; г —с электроиагревом; / — топка; 2 — высушиваемый материал; 3 — огневой калорифер; 4 — паровой котел; 5—паровой калорифер; 6 — паровая турбина;
7 — электрогенератор; 8 — электрокалорифер; Т — топливо; В — воздух; НВ — нагретый воздух; ОВ — отработанный воздух; ПС — продукты сгорания; ОПС — отработанные продукты сгорания; К конденсат
380 В) и распределяют по цехам и, в частности, в сушильные камеры для нагревания в них воздуха, испаряющего влагу из материала.
Эффективность использования тепловой энергии топлива. В каждом из показанных на рис. 31 звеньев преобразования энергии неизбежно возникают потери. Общий КПД для сушильных установок по схемам на рис. 31, о, б, в, г по отношению к исходному топливу примерно соответствует 0,4; 0,3; 0,2; 0,08, а для ТВЧ снижается до 0,04, т. е. в 10 раз. Чем дороже вид применяемой для испарения влаги энергии (последовательно: продукты сгорания — пар — электричество — ТВЧ), тем ниже КПД всей (начиная от топлива) сушильной установки, т. е. хуже используется для сушки исходная теплота топлива и повышается стоимость сушки. Величина общего КПД агрегата получается как произведение КПД отдельных его звеньев.
В нашей промышленности лесосушильные установки снабжаются теплотой по схемам а и в, лишь в очень малых установках применяют схему г, т. е. электронагрев. Очевидна высокая тепловая эффективность схемы а, которая и рекомендуется к реализации на лесопильных предприятиях для массовой сушки пиломатериалов,. а также шпона и древесных частиц. В условиях использования в качестве топлива природного газа область применения схемы а расширяется.
79
Основные термины. В технологии и технике сушки пиломатериалов и заготовок применяют следующие термины. Необходимо уяснить их различие и содержание:
а — конвективный и кондуктивный (т. е. контактный) теплообмен;
б — процессы испарения и выпаривания влаги из древесины;
в — камерная, туннельная, атмосферная и комбинированная сушка пиломатериалов;
г — калориферная установка и бескалориферная (газовая) установка;
д — периодического и непрерывного действия (установка);
е — камерный процесс и туннельный процесс (сушки пиломатериалов);
н — стационарные и транспортабельные (установки, камеры, туннели);
з — естественная и побудительная циркуляция (воздуха, газа — по материалу);
и — противоточная, прямоточная и с поперечным током (циркуляция воздуха по материалу);
к — реверсивная циркуляция и односторонняя циркуляция (воздуха по материалу);
л — циркуляция воздуха и воздухообмен;
м — скоростная, средняя и слабая циркуляция воздуха по материалу.
Эти термины имеют непосредственное отношение к надлежащему изучению предмета, правильной организации технологии и практике сушильного производства, а также всемерному его совершенствованию с целью повышения эффективности. Они помогут понять сущность невидимо протекающих длительных процессов, раскрыть их закономерности, уяснить принципы действия сушильных установок и их конструктивного решения.
Поясним содержание и применение отдельных терминов. В условиях использования различных производственных видов энергии для получения тепла процесс сушки называют искусственным. Этот термин характеризуется собирательным значением, им охватываются все виды сушки древесных материалов, кроме атмосферной — с даровой теплотой.
Исходным источником тепла при сушке пиломатериалов является в основном твердое (древесные отходы) и газообразное (природный газ) топливо, а также энергия электростанций. Метод подвода тепла к пиломатериалам — конвективный. Если нагревание воздуха осуществляется калорифером (огневым, водяным, паровым, электрическим и т. п.), сушильная установка называется калориферной. При подаче к материалу теплового потока с продуктами сгорания установка будет бескалориферной (газовой).
Для сушки пиломатериалов применяют установки только рециркуляционные.
80
§ 20. Классификация и особенности лесосушильных установок
Основные принципы классификации. В качестве определяющего принципа классификации многообразных систем и типов сушильных установок принимаются источник и методы подвода тепла к высушиваемому материалу с учетом циркуляции воздуха в штабелях.
По этому признаку для сушки пиломатериалов применяют конвективный метод подвода тепла внутрь штабеля рыхло (на прокладках) уложенного материала. Тепло поступает в штабель с нагретым воздухом или с продуктами сгорания (обобщенно называемыми сушильным агентом). При этом высушиваемые доски или заготовки частично охлаждаются за счет превращения воды, выделяющейся из материала, в пар, который уносится из штабеля.
Применяют также сушку материала ТВЧ, преобразующимися внутри материала в тепловую энергию с превращением воды материала в пар, удаляемый наружу.
Если для сушки используется теплота наружного воздуха, нагреваемого солнцем, то осуществляется атмосферная сушка.
По принципу действия различают сушильные установки для пиломатериалов периодического и непрерывного действия. Соответственно этому по форме конструктивного выполнения их называют сушильными камерами (обычно тупиковые) и сушильными туннелями — проходные по длине, с дверьми на обоих концах.
В камерах материал во время сушки неподвижен, и процесс регулируется во времени или по убыли влажности материала. По окончании сушки материал полностью выгружается. В туннелях сырой пиломатериал загружают периодически штабелями в один конец, а сухой выгружают из другого конца; туннель все время заполнен материалом и действует непрерывно, по конвейерной схеме.
Сушильные туннели в удельном отношении дешевле в строительстве и эксплуатации, а также проще в обслуживании, но в них затруднительно перестраивать и регулировать процесс сушки. Поэтому их применяют в условиях массовой! сушки пиломатериалов мягких древесных пород незначительной толщины, которые не подвергаются большой опасности растрескивания. В туннелях высушивается основная масса выпиливаемой пилопродукции. Возникает необходимость в конкретном технологическом усовершенствовании применяемых туннелей с устаревшей схемой циркуляции воздуха, изыскав возможности по-стадийного регулирования в них процесса сушки.
По характеристике поступающего к материалу сушильного агента (воздуха или продуктов сгорания) различают установки калориферные (см. рис. 11, е) и бескалориферные (см.
81
рис. 11, б). В калориферных установках воздух нагревается горячими трубами, внутрь которых из котла подается пар, горячая вода, или горячими боровами-газоходами, внутри которых из топки проходит горячий газ; нагревается воздух также электрокалориферами. Наиболее распространены калориферные установки с теплоносителем — паром, а бескалориферные — с продуктами сгорания.
По принципу побуждения циркуляции воздуха по высушиваемому материалу могут быть установки с естественной и с побудительной! циркуляцией. В первом случае воздух при испарении им влаги из материала охлаждается, становится более плотным и стремится опуститься по вертикальным каналам между кромками досок внутри штабеля. При побудительной циркуляции воздух перемещается в штабеле в поперечном направлении (вдоль прокладок) под действием вентиляторов.
Если направление потока воздуха в штабеле периодически изменяется на противоположное, циркуляция называется р е -в е р с и в н о й; при скорости циркуляции воздуха в штабеле более 3 м/с она будет скоростной (соответственно для средне- и легкосохнущих сортиментов). Почти все современные камеры и часть туннелей устраивают с реверсивной скоростной циркуляцией воздуха.
Для приближенного определения "Мощности камеры или туннеля указывают число штабелей типовых размеров, находящихся одновременно в сушке. Одно штабелеместо определяет производительность около 1,3 тыс. м3 условных пиломатериалов в год (сосновые доски толщиною 40 мм, просыхающие за 3,5 сут).
Обычно сушильные камеры рассчитаны на 1, 2 и 4 штабеля (большинство камер двухштабельные), а туннели — на 5, 7 и 12 штабелей.
Если штабеля перемещают в туннеле в направлении длины досок, его называют туннелем с продольной загрузкой, если перемещение перпендикулярно длине досок — туннелем с поперечной загрузкой.
Следует четко различать многократную циркуляцию воздуха по материалу и воздухообмен, т. е. вентиляцию камеры в виде добавки в нее свежего и удаления такой же массы (но с добавкой пара из материала) отработанного воздуха. Объем циркулирующего по материалу воздуха в камерах примерно в 100 раз больше воздухообмена, а в туннелях — в 10... 20 раз.
Характерной особенностью лесосушильных установок является необходимость подачи к высушиваемому материалу больших объемов воздуха. Так, через штабель пиломатериалов длиной 6,6 м и высотою 3 м пропускается в 1 с около 30 м3, т. е. более 100000 м3 воздуха в 1 ч. Поэтому в качестве технических агрегатов этих установок применяются современные воздуходувные машины — вентиляторы. Для превращения влаги
82
древесины в парообразное состояние требуется много тепла, выделяемого калориферами — нагревательными агрегатами. Вентиляторы, калориферы и цеховой транспорт — основное оборудование лесосушильных установок.
§21. Камеры малой мощности
На многочисленных небольших производствах, расходующих в сумме большие объемы пиломатериалов, возникает необходимость использования сушильных камер малой мощности. Производительность каждой из них находится в пределах 1300... ... 13 м3 условных пиломатериалов в год, т. е. примерно от 120 до 1,2 м3/мес.
Недостатки малых сушильных камер. По сравнению с эксплуатацией обычных камер, применяемых в лесокомбинатах и на деревообрабатывающих предприятиях, в малых камерах (с невысокими штабелями) наблюдается повышенное коробление пиломатериалов во время сушки. Поэтому необходимо прижимать штабеля над верхними прокладками с силой не менее массы пяти рядов высушиваемых пиломатериалов.
Малым камерам свойственна значительная удельная поверхность ограждений по отношению к объему загруженных пиломатериалов (по геометрическим закономерностям). Поэтому в них необходима тщательная герметизация и теплоизоляция ограждений (в целях удержания тепла и влаги в камере), особенно для трудносохнущих сортиментов. Отсюда повышенная стоимость строительства и эксплуатации малых камер на 1 м3 высушенных пиломатериалов; такова характерная особенность любых производственных установок малой мощности.
Техническая характеристика малых камер. В простом исполнении такие камеры могут устраиваться с естественной циркуляцией воздуха, т. е. без вентиляторов. При этом в заглубленной части камеры монтируются паровые трубы или экранированные сверху электрокалориферы (ТЭНы) или даже жаровые трубы, идущие от рядом расположенной топки (рис. 32, а, б); предпочтителен электронагреватель. В камерах с побудительной циркуляцией воздуха применяют компактные автоматические электрокалориферы СФО (см. § 31). В камерах М-1 и М-0,5 желателен паровой нагрев (табл. 5).
Длина штабеля пиломатериалов принимается 6,6 м. Однако она может быть назначена в 2/3, Ч2 или ’/3 этой длины в зависимости от требуемой производительности (см. табл. 5) и длины высушиваемых заготовок для изготавливаемых изделий. Производительность камеры при этом соответственно снизится. Она дополнительно снизится в 2 раза с применением естественной циркуляции воздуха, поскольку процесс сушки протекает медленнее, а материал при этом укладывают с зазорами между кромками досок (шпациями). Предпочтительна сушка древе-
83
Рис. 32. Схемы малых сушильных камер:
а — продольный разрез; б — поперечные разрезы камер с естественной циркуляцией воздуха; в — продольный и поперечный разрезы камеры с торЦОйым вентилятором; ё, д, е, ж — их разрезы в плайе; / — дверь; 2 — высушиваемый материал; 3 — вытяжная труба (в металлических камерах); 4 — электрокалориферы; 5 — надкалориферные экраны; 6 — паровой калорифер; 7 — увлажнительные трубы; 8 ~ жаротрубиый калорифер; 9 — вентилятор; 10 — приторцовый экран; 11 — компактный калорифер; 12 — продольные экраны
сины в досках (а не в заготовках), что способствует большему полезному выходу высушенной древесины.
Отношение ширины штабеля к его высоте принято в табл. 5 равным 1 : 1,5. В первой строке показано для привязки минимальное сечение штабеля, реализуемое во многих существующих сушильных установках как периодического, так и непрерывного действия. В последующих колонках сечения штабеля (и производительности камер) последовательно снижаются в 2 раза, т. е. их ширина и высота уменьшаются в 1,41 раза.
При сушке тонких пиломатериалов мягких древесных пород скорость побудительной циркуляции воздуха в штабеле
принимается от 2,7 м/с (в камере М-0,5) до 1,3 м/с (в последних камерах). В случае предназначения камер для высушива-
ния пиломатериалов значительных толщин скорости воздуха
снижаются путем уменьшения частоты вращения вентилятора и замены электродвигателя (меньшей мощности). Поток воздуха по материалу в камерах М-1...М-0.25 автоматически реверсируется; однако при невысоких требованиях к качеству сушки пиломатериалов камеры, меньших размеров могут быть нереверсивными. Вентилятор везде один на камеру.
Материал погружается в камеры М-1 и М-0,5 на сушильных треках, перемещаемых по узкоколейным рельсам, и вкатывается для сушки с помощью лебедки. Ограждения этих камер могут быть кирпичные, утепленные железобетонные, металлические, панельные. В камерах меньших размеров материал можно загружать через одностворчатые двери. Штабель лучше грузить
85
на шины (швеллеры), перемещаемые по закрепленным в полу роликам. Во всех случаях доски укладываются в штабеля с сомкнутыми кромками (без шпаций).
Процесс сушки контролируется в одну или две смены в соответствии с работой цеха — потребителя пиломатериалов. В ночную смену процесс сушки продолжается на автоматическом режиме, материал не следует охлаждать.
Технические решения малых камер. На рис. 32, а, б даны схематически продольный и поперечные разрезы камер с естественной циркуляцией воздуха. На рис. 32, в, г, д, е, ж изображен продольный разрез и планы камер с вентиляторами серии У на коротких валах и калориферами — компактным (паровой или электрический) 11 или из ребристых труб 6.
На схеме рис. 32, е вал вентилятора (в плане) устанавливается под острым углом к оси камеры, а на схеме рис. 32, ж оба подшипника вала вынесены из камеры наружу. Во всех этих камерах циркуляция воздуха по материалу (показано стрелками) поперечная к длине досок, с постепенной раздачей воздуха по всей длине штабеля вдоль его прокладок.
§ 22. Камеры с естественной циркуляцией воздуха
Примером камер этого типа служит система Грум-Гржи-майло (рис. 33, а, б). В этой камере с паровыми калориферами нагревательные ребристые трубы монтируются симметрично у обеих продольных ее стен, под решетчатым полом. Нагретый воздух от калориферов поднимается вверх, поступает в штабель материала, охлаждается в нем и опускается вниз по зазорам между кромками досок — шпациям, затем снова направляется к калориферу, беспрерывно повторяя этот замкнутый цикл движения. При необходимости (в герметичных камерах) примерно сотая часть циркулирующего воздуха удаляется наружу снизу через вытяжную трубу; одновременно в камеру поступает свежий воздух. Материал в камере просыхает медленно и к тому же неравномерно: он пересыхает в верхней и недо-сыхает в нижней части штабеля.
Применяют ряд камер других конструкций с естественной или слабой побудительной циркуляцией воздуха, имеющих эти же недостатки. При необходимости эксплуатации таких камер (более не проектируемых) следует устраивать в них решетчатый пол с живым сечением не менее 0,5, герметизировать ограждения, а также строго соблюдать правила укладки в штабель пиломатериалов (таким образом располагать шпации между кромками досок, чтобы получались вертикальные каналы внутри штабеля).
, Существуют камеры с равномерным распределением калориферных труб в нижней части камер и некоторые другие; настенное размещение труб исключается. Такие камеры следует
86
Рис. 33. Сушильная камера Грум-Гржимайло (а, б) и ее модернизация (в):
I — загрузочные двери; 2 — высушиваемый материал; 3 — калориферы; 4 — приточные каналы; 5 — контрольная дверка; 6 — вытяжная труба; 7 — вытяжные каналы; 8 —увлажнительная труба; 9 — эжектирующие сопла; 10 — нагнетательный канал
модернизировать, применив скоростную реверсивную циркуляцию воздуха, в частности по схеме, показанной на рис. 33, в (проект Гипродревпрома). При этом дверной проем и штабеля повышаются до ее перекрытия. Возможна схема модернизации с установкой на двухштабельную камеру одного осевого реверсивного вентилятора № 20, монтируемого под коридором управления. Его частота вращения около 600 мин-1, а мощность около 16 кВт. При-модернизации одноштабельных камер Грум-Гржимайло достаточен вентилятор № 14 с частотой вращения 850 мин-1 и половинной мощностью электродвигателя.
§ 23. Паровые камеры с поперечной реверсивной циркуляцией воздуха
В камерах этого типа вентиляторы располагаются в верхней их части (рис. 34, а—е) или с торцового конца, противоположного дверям (рис. 34, ж—р). В них достигается интенсивная реверсивная циркуляция воздуха со скоростью в штабеле до 4... 5 м/с (первый) и 3 м/с (второй тип). Длина, ширина и высота штабеля соответственно 6,6Х 1,8x2,7(3,0) м.
87
На рис. 34, а, в изображена схема одноштабельной сушильной камеры МТИ-3 (авторы Л. В. Сахновский и Б. С. Царев), а на рис. 34, б, д — четырыхштабельные камеры МТИ-4,2 с двумя рельсовыми путями, по два штабеля на каждом. Во всех этих камерах применены осевые реверсивные вентиляторы серии У12 № 12,5 с частотой вращения 960 мин-1 или улучшенные (с кручеными лопатками типа УК-2М). Стены кирпичные или утепленные бетонные.
На рис. 34, а, б, г представлена аналогичная по схеме металлическая транспортабельная сушильная камера УЛ-1 — одноштабельная и .УЛ-2 — двухштабельная по длине. Они проектировались по техническому заданию ВНИЙДМАШа и изготавливаются Петрозаводским заводом Тяжбуммаш. Для уменьшения массы в транспортабельных камерах применены компактные пластинчатые калориферы (вместо ребристых труб в стационарных камерах по рис. 34, а, б, в, д). Во всех этих камерах достигаются наиболее значительные в нашей технике равнрмер-ные скорости"воздуха' по материалу и как следствие — высрко-качествёйн'оё (равномерное) высушивание древесины в штабеле при минимальной продолжительности процесса. Для снижения расхода электроэнергии в них рекомендуется применять автоматически (КЭП-12У) прерывистую работу вентиляторов при сушке средних и толстых сортиментов и тем более твердых пород (см. далее — режимы сушки).
В показанной на рис. 34, д схеме крупной камеры с двумя рельсовыми путями калориферные трубы монтируются так же, как и на схеме рис. 34, в, на стенах камеры. Кроме того, предусмотрен калорифер между штабелями материала для промежуточного подогрева воздуха, прошедшего через один штабель и, следовательно, частично охладившегося. Камера предназначена для крупных производств; она может быть четырех- и шестиштабельная, т. е. длиной внутри 14 и 21 м (с 6-ю и 9-ю вентиляторами).
На рис. 34, е приведена аналогичная показанной на рис. 34, д схема камеры ЛТА— Гипродрев, но с иным конструктивным оформлением. Привод вентилятора осуществляется от расположенного выше электродвигателя посредством цепной передачи. Существенно, что вентиляторный узел для ремонта можно извлекать из камеры вверх. Однако работа цепной передачи при частоте вращения вентилятора 1500 мин-1 во влажной нагретой среде оказывается ненадежной. Подача воздуха в штабеля при трех вентиляторах № 10 недостаточна — скорость по материалу всего 1,7 м/с. Происходит дополнительная утечка воздуха из камеры через контуры обрамления вентиляторных узлов. Камера довольно сложна в устройстве и эксплуатации.
Во всех рассмотренных реверсивных сушильных камерах по рис. 34, а—е потоки воздуха перемещаются в вертикальной плоскости.
89
На рис. 34, ж, з изображена схема камеры СПМ-2К с двумя торцовыми реверсивными вентиляторами № 12,5. Здесь поток воздуха перемещается в горизонтальной плоскости. От обоих вентиляторов нагретый воздух направляется в канал сбоку штабеля, поворачивается в штабель, подогревается промежуточным калорифером между штабелями (рис. 34, з), проходит через второй штабель и подсасывается вентиляторами для повторения цикла. В целях упрощения конструкции и обслуживания два вентилятора могут быть заменены одним (№ 16), работающим без взаимных помех, с повышенным КПД (рис. 34, и).
Для предприятий средней и повышенной мощности желательно иметь новые камеры длиной 14 м, т. е. устанавливать два нормальных штабеля на общем рельсовом пути. В то же время целесообразно подавать в камеру воздух одним вентилятором в отверстие увеличенного по ширине канала (расстояние от штабеля до стены). Сами стены желательно использовать в качестве отбойных экранов для направления воздуха в штабеля. На рис. 34, к, л, м изображена схема такой камеры МТИ с зигзагом стен посредине их длины.
Из вентилятора 1 нагретый воздух поступает в прямоугольный по сечению постепенно сужающийся по ширине к концу штабеля канал А. Затем воздух поворачивает к штабелю и проходит вдоль прокладок, т. е. в горизонтальном направлении, по пластям высушиваемого материала. После этого воздух поступает в канал Б, подогревается в нем, проходит ко второму штабелю в сужающийся канал В, поворачивается ко второму штабелю, проходит через него, поступает в канал Г, поднимается по нему и затем по верхнему рециркуляционному каналу 8 подсасывается вентилятором 1 для повторения цикла. При реверсировании воздух движется во всех участках его пути в противоположном направлении. Применяется вентилятор № 16 или 20.
Подача воздуха вентилятором может быть уменьшена вдвое, с использованием одного на камеру вентилятора № 12,5 (или № 14), если посредине высоты штабелей, в каналах А, Б и В, установить горизонтальные экраны 9 (рис. 34, н, о), расчленяющие камеру на два этажа. В этом случае воздух из вентилятора направляется в полуканал Лн (н-—нижний), проходит далее в полуканалы Бп, Вп и канал Г, поднимается в нем кверху и далее по полуканалам Вв (в — верхний), Бв и Ав поступает к вентилятору 1.
Сушильные камеры, выполняемые по двум последним системам, могут быть увеличенных размеров — четырехштабельными с двумя рельсовыми путями, без промежуточного подогрева воздуха, со сближенными рельсовыми путями (при его больших скоростях по толстомерному материалу) или с промежуточным подогревом (рис. 34, о, п, р). При этом в центре плана камеры устанавливается вертикальный щит, преграждающий продольное движение воздуха. Камеры по рис. 34, к—р — опытные.
90
§ 24. Камеры специфических систем
Эжекционные паровые камеры. На рис. 35 показана эжек-ционная реверсивная двухштабельная камера ВНИИДМАШ — Гипродревпром. Такие камеры характеризуются простотой устройства и эксплуатации.
Вентилятором 1 воздух нагнетается через реверсивную заслонку 2 попеременно в один из двух нагнетательных каналов 5 и поступает в сопла 3 с щелевидными выходными отверстиями в вертикальном направлении. Выходящие из отверстий с большой скоростью (около 35 м/с) эжектирующие струи подсасывают воздух, находящийся ниже сопел, в камеру смешения
94
Рис. 35. Эжекционно-реверсивная сушильная камера:
а, б, в — с центробежным вентилятором; г — с осевыми вентиляторами; д — четырехштабельная камера; 1 — центробежный вентилятор; 2 — реверсивная заслонка; 3 — сопла; 4 — перегородка продольная; 5 — нагнетательные каналы; 6 — камера смешения эжектора; 7 — увлажнительная труба; 8 — экран эжектора; 9 — калорифер настенный: 10 — экраны (выступы); 11 — вертикальные торцовые экраны; 12 — U-образный манометр; /3 — электродвигатель; 14 — подшипники вентилятора; 15 — вентилятор ВОК-1.0; 16 — надштабельные прижимы; 17 — вытяжная труба
91
6 эжектора (8 — экран его камеры смешения), после которой смесь опускается вниз, подогревается ребристыми трубами 9 и направляется повторно к высушиваемому материалу (штабель показан пунктиром). Подача воздуха вентилятором Ц4-76 № 12,5 — около 50 тыс. м3/ч, т. е. 14 м3/с (вытекающего из сопел), а проходящего по материалу — около 50 м3/с. Расчетная скорость в штабеле 3 м/с, фактическая 2 м/с (с недостаточно экранированными штабелями). Мощность электродвигателя 20 кВт.
Преимущества эжекционных камер — равномерная раздача воздуха по длине камер, удобство компоновки блока цеха из любого количества камер, применение типового оборудования, простота ремонта калориферов. Необходим, однако, тщательный монтаж реверсивной заслонки 2, сопел 3, перегородки 4, а также экранов 11 у торцов штабелей.
Такие камеры устраивают как двух- (рис. 35, б), так и четырехштабельные (рис. 35, д). В виде варианта применяют камеры с двумя осевыми вентиляторами ВОК № 10 при частоте вращения 1460 мин-1 (рис. 35, г). Вентиляторы 15 монтируют внутри камеры консольно на расстоянии 800 мм от задней стены, в верхнем углу камеры, в каждом нагнетательном канале, с зазором 600 мм от коллектора до задней стены. Оба подшипника — вверху коридора управления, один на стене. Масса колеса вентилятора до 32 кг.
Рис. 36. Сушильные камеры с вентиляторами на продольных валах:
а, б, д — ВИАМ-2; е, д — ВИАМ-1; а, г, е — ЦНИИМ0Д-23; ж — фирмы «Муур»; 1 — вентилятор; 2 — калорифер; 3 — электродвигатель; 4 — экраны; 5 — погрузка сушильных пакетов
Диаметр выходных отверстий конических сопел в четырехштабельных камерах 170 мм, шаг сопел 700 мм. В двухштабельных камерах выходное отверстие сопел трапециевидное: высота 250 мм, ширина вверху 70, внизу 40 мм, шаг сопел 500 мм. Оси сопел строго горизонтальны.
Камеры с продольными валами. На рис. 36, а, г показаны сушильные камеры с шестью вентиляторами 1 на общем валу. Между вентиляторами для направления потока воздуха устанавливают перегородки 4. При этом поток воздуха перемещается как в осевом (по длине вала), так и в поперечном (к материалу) направлении, распределяясь по материалу неравномерно.
Этот недостаток устранен в камерах ЦНИИМОД-23 (рис. 36, е) применением перегородок специальной конфигурации, а также противоположной по направлению подачей воздуха каждой группой из трех вентиляторов на обеих половинах по длине вала, где установлены вентиляторы с противоположным наклоном лопаток (т. е. правого и левого вращения).
На рис. 36, ж показан поперечный разрез камеры фирмы «Муур», также с несколькими вентиляторами на валу. Обращает на себя внимание отсутствие рельсов; материал загружается пакетами посредством автопогрузчика. Недостатки камер— большие двери (7x4 м), являющиеся местом потерь тепла и влаги (вместо 2x3 м на рис. 36, а, б и др.), а также необходимый большой фронт погрузки пиломатериалов.
К существенному недостатку камер с продольными валами следует отнести ненадежную работу многих на валу подшипников (статически неопределимая система), тем более в условиях повышенных (затруднения со смазкой) и к тому же переменных температур. Ввиду этого частоту вращения вала ограничивают до 400 мин-1.
Газовые (бескалориферные) сушильные камеры. Здесь приводится проверенная в промышленности газовая сушильная установка периодического действия с эжекционно-реверсивной циркуляцией воздуха, в которой в качестве топлива используются местные древесные отходы (древесная дробленка, непрерывно добавляемая в топку конвейером).
Сушильные камеры (рис. 37, а, б) получают горячие газы от общей топки 1 из газоходов 7; газы отбираются одним на камеру вентилятором 9, приводимым во вращение электродвигателем 10. По каналам 8 к вентилятору добавляется отработанный газ из той же сушильной камеры. В дальнейшем камера работает, как эжекционно-реверсивная паровая (см. рис. 35). Стоимость сушки в этих камерах значительно ниже, чем в паровых туннелях на том же предприятии.
Перспективна по своей эффективности сушка древесины продуктами сгорания, получаемыми в результате использования природного газа, процесс горения которого подвергается точной регулировке. На рис. 37, в, г показана газовая четырех-
93
Рис. 37. Камерные газовые сушильные установки:
а, б — сушильная установка, использующая твердое топливо; в, г — сушильная установка на газообразном топливе; 1 — топка; 2 — реверсивная заслонка; 3 — нагнетательный канал; 4 — сопла; 5 —вытяжная труба; 6 — сблокированные заслонки; 7 — газоход; 8 — отсасывающие каналы; 9 — вентилятор; 10 — электродвигатель; // — экраны; 12 — инжекционная горелка; 13 — подтопок
штабельная сушильная камера эжекционно-реверсивного действия с двумя осевыми вентиляторами ВОК-9 (1450 мин-1). Эта камера разработана и построена при участии автора и введена в эксплуатацию на Московском ДОКе № 6. В топке установлено две горелки; расход газа около 50 нм3/ч. Осевые вентиляторы установлены консольно с выносом обоих подшипников в коридор управления. В камерах имеются увлажнительные трубы. Желательна замена вентиляторов на ВОК-Ю.
94
Рис. 38. Сушильные камеры с электронагревом:
а — камера «Урал-72»; б — эжекционная камера; в — камера ТВК; г—малая камера УКРНИИМОД; / — электродвигатель; 2 — ротор; 3, 4 — реверсивные заслонки; 5 — экран у конца штабеля; 6 — ограждение камеры; 7 — штабель материала; 8 — нагнетательный канал; 9 — сопла; 10 — экран; //—электрокипятильник; 12 — электрокалори-фер; 13 — вентилятор; /4 — контактные термометры t и /м
Сушильные камеры с электрическим нагревом. Длительное время проводятся опыты по промышленной сушке древесины ТВЧ. Эксплуатация многих таких установок показала их технико-экономическую неэффективность, хотя древесина высушивается в более короткий срок и качественно. Их тепловой КПД по отношению к теплоте топлива, израсходованного для выработки высокочастотной энергии, всего 4 %.
На малых сушильных установках для нагревания воздуха предложено использовать роторные вихревые нагреватели, в частности ПАП-32 и др. (печь аэродинамического подогрева), получающие энергию из промышленной сети. Эти нагреватели одновременно перемещают в камере воздух. Такие нагреватели можно применять в лесосушильной технике в том случае, если они будут перемещать воздух в штабеле по требуемому направлению— вдоль прокладок (а не перпендикулярно к их длине) с достижением равномерного и интенсивного просыхания материала во всем объеме штабеля. Подача воздуха ротором в 3 раза меньше требуемой. Установки ПАП-32 и др., действующие по этому принципу, дают низкое качество сушки пиломатериалов.
На рис. 38, а показана модернизированная установка с аэродинамическим подогревом воздуха «Урал-72», в которой он перемещается в штабеле в должном направлении и с реверсированием.
Скорость воздуха в средней части штабеля повышается за счет экранирования концевых его участков.
Если па предприятии нет резервов пара и отсутствует природный газ, а устройство и эксплуатация боровных камер (см. рис. 32, б, 7) затруднительны, при небольших объемах сушки пиломатериалов можно применять камеры с обычным электронагревом (Джоулево тепло) за счет энергии от промышленной электросети. В этом случае легко регулировать независимо как температуру, так и психрометрическую разность воздуха, а также подачу его к материалу в требуемых количествах. Такова существенная особенность электронагрева.
Камера М.ТИ-10 с электроподогревом агрегатом СФО-ЮО (мощностью 100 кВт) рассчитана на годовую производительность около 1300 м3 сосновых досок толщиной 40 мм и представлена на рис. 38, б. Наиболее перспективен электронагрев воздуха в камерах типа ТВК (рис. 38, в) с одним торцовым вентилятором. Они комбинированные, при возникновении возможности обогрева камеры паром электрокалорифер 12 заменяется паровым пластинчатым калорифером.
При малых объемах электронагрев (ТЭНами) применяют и в камерах с естественной циркуляцией воздуха (см. рис. 32, б). На рис. 38, г дана схема автоматизированной малой камеры УКРНИИМОД с электрокалорифером 12, электрокипятильником И с регулятором уровня воды и вентилятором 13.
96
§ 25. Туннели с паровым обогревом
Условия применения сушильных туннелей. Крупные установки непрерывного действия и большой производительности применяют для массовой сушки хвойных пиломатериалов, в основном на лесокомбинатах. Их проектируют вблизи сортировочной площадки лесопильного цеха, чтобы погрузка и транспортировка пиломатериалов были удобными.
По методу перемещения штабелей сушильные туннели делятся на две группы — с продольной и с поперечной загрузкой пиломатериалов. Имеется в виду перемещение штабелей внутри туннеля в первом случае в направлении длины досок (узкие туннели) или в направлении, поперечном к длине досок (широкие туннели).
Преимущества туннелей с продольной загрузкой — возможность более качественного высушивания пиломатериалов в штабелях различной длины, а также разномерных по длине, в том числе и очень длинных; устойчивость высоких штабелей при продольном их перемещении (на траверсной тележке, при поперечном движении штабеля для него возможны боковые упоры); небольшая ширина дверей в туннелях, являющихся уязвимым местом в эксплуатации всякой сушильной установки; возможность накапливания высушенных высоких штабелей на рельсовых путях и подача их к деревообрабатывающим станкам; узкий, т. е. компактный фронт заПрузки и выгрузки в туннелях (с короткими траверсными путями); возможность прохождения внутри загруженных материалом туннелей (через калитки в их стенах) для контроля состояния материала. Преимущества сушильных туннелей с иоперечной загрузкой штабелей— повышенный коэффициент заполнения туннеля материалом; удобная загрузка штабелей автопогрузчиками (без траверсных тележек); более простая аэродинамическая схема при укороченном пути воздуха по материалу.
Сопоставляя преимущества и недостатки обеих групп туннелей по решающему признаку — равномерности просыхания пиломатериалов, — можно сделать вывод о предпочтительности сушильных туннелей с продольной загрузкой для разномерных по длине пиломатериалов, что характерно для внутрисоюзного применения, и с поперечной загрузкой — для экспортных предприятий.
Паровые туннели с продольной загрузкой штабелей. На ряде предприятий продолжают эксплуатировать устаревшие 10-шта-бельные сушильные туннели с естественной циркуляцией воздуха типа «Некар». Их рекомендуется модернизировать, применив горизонтальную реверсивную циркуляцию воздуха (по проекту ВНИИДМАШа) с установкой в подвальной части, на загрузочном конце туннеля, осевого вентилятора № 20 с частотой вращения 720 мин-1, мощностью 30 кВт. При этом одновременно закрывается пол (кроме концевых участков), монти
Заказ № 3190
97
руются вертикальные настенные и средние экраны и увеличивается высота дверных проемов до уровня перекрытия.
Прекратили также строить для сушки досок противоточные туннели ЦНИИМОД-24 и ЦНИИМОД-25. В этих туннелях воздух перемещается в штабеле в направлении его длины, поэтому материал должен укладываться со шпациями, что является крупным недостатком любой системы.
Для сушки заготовок средних и малых сечений разработаны аналогичные противоточные туннели ЦНИИМ.ОД-26 (ЦНИИМОД-27 — с ребристыми трубами) внутренней длиной 16,5 м и дверным проемом 2,0X2,5 м. Короткие заготовки укладывают для сушки в поперечном к длине туннеля направлении без шпаций. При высушивании тонких заготовок мягких древесных пород применяют короткие туннели длиной 10 м и дверным проемом 2,0 X 2,1 м ЦНИИМОД-28 и ЦНИИМОД-29 (ЦНИЙМОД-29 — с ребристыми трубами). Эти туннели устраивают внутри цехов.
В сушильном туннеле, предложенном автором (ЦНИИМОД-32), достигается поперечная реверсивная циркуляция воздуха по материалу при продольной его загрузке (рис. 39). Принцип его действия заключается в следующем. Вентилятором 3 воздух продувается через калорифер 5 и в нагретом состоянии опускается в конце туннеля к почти сухому материалу (справа на рис. 39), проходит через последний штабель в горизонтальном направлении — вдоль прокладок. Вследствие зигзагообразности стен и отклонения воздушного потока следующий штабель омывается воздухом в противоположном направлении. Таким образом, изменяется его направление в каждом штабеле. Существенно, что при перекатке штабелей в следующую зону направление движения воздуха во всех штабелях каждый раз изменяется на противоположное, т. е. автоматически реверсируется. Материал укладывают в штабеля без шпаций.
Для тонкого материала применяют пятиштабельные туннели (длиной 35 м), а для материала средней толщины — шести- и семиштабельные с вентиляторами соответственно № 16—18 и 20. Туннели доступны для контроля в загруженном состоянии по всей длине, что достигается устройством калиток на средине каждого прямого участка стены с возможностью перехода наблюдателя в смежный туннель. Раздача воздуха по высоте штабеля регулируется настенными экранами.
При проектировании таких туннелей необходимо давать указания о соблюдении точности разбивки фундаментов, устройства стен и прокладки рельсов. Необходимо применение герметичных дверей, особенно на выгрузочном конце, где через неплотности будет теряться еще неиспользованный нагретый воздух, находящийся в этом конце туннеля под давлением.
Регулирование параметров воздуха по длине туннеля. В отличие от элементарных туннелей (без промежуточного воздей-
98
5
Рис. 39. Сушильный туннель с продольной загрузкой и реверсивной циркуляцией воздуха по материалу (модернизированный):
/ — электродвигатель; 2 — заслонка для подрегулирования количества воздуха; 3 — вентилятор; 4 —вытяжная труба; 5 — основной калорифер; 6 — дополнительный калорифер; 7 — отверстия с задвижками; 8 — высушиваемый материал
ствия на протекающий процесс сушки) в показанном на рис. 39 осуществляется подогрев в сухом конце туннеля и подмешивание воздуха с пониженной температурой, поступающего к более влажному материалу в сыром конце. Возможна подрегулировка распределения скорости воздуха по длине туннеля задвижками 7, а по его высоте — вертикальными настенными щитками профилированной ширины. Кроме этого, может выполняться достаточно частое периодическое (импульсное) отключение— включение вентиляторов автоматами КЭП-12У как в теплое время года, так и при сушке средних и более толстых сортиментов. Для тонких включается промежуточный подогрев 6.
Таким образом, процесс сушки подвергается промежуточной регулировке с сокращением расхода электроэнергии и длительности сушки материала. При этом процесс сушки приближается к двухстадийному камерному и даже дополнительно улучшается из-за отсутствия резких переходных температурных ступеней.
Сушильные туннели с поперечной загрузкой штабелей. В рассматриваемых установках воздух перемещается во всех штабелях прямолинейно — от сухого (разгрузочного) к сырому (загрузочному) концу вдоль прокладок (рис. 40); в этом усматривается аэродинамическое преимущество такой системы. Недостатки туннелей: значительная ширина дверей, следовательно, погрузочного фронта; неравномерное просыхание досок по длине с пересушкой их концевых участков, особенно при укладке пиломатериалов неодинаковой длины, когда избыточ-
4*
99
Рис. 40. Сушильные туннели с поперечной загрузкой материала:
а — ЦНИИМОД-56; б — «Валмет»; в — СП-5КМ; 1 — подъемные двери; 2 — калорифер; 3 — вентилятор с электродвигателем; 4 — коридор управления; 5 — рекуператор; 6 — рециркуляционный канал; 7 — штабель материала; 8 — навес; 9 — зона охлаждения высушенного материала; 10 — канал отработанного воздуха; // — откатные двери с механической тележкой; 12 — механизм загрузки штабелей; 13 — загрузочная зона; 14 — механизм выкатки штабелей
ный сушильный потенциал воздуха (не перемешивающегося) накапливается по длине туннеля; затруднительность регулирования раздачи воздуха по высоте штабеля, а также существенная опасность перекрывания кромками досок зазоров для воздуха у смежных штабелей.
Туннели этого типа («Валмет» и СП-5КМ) металлические, сборные, централизованного изготовления, поставляются узлами. В них предусматривается использование тепла удаляемого отработанного воздуха в рекуператорах, подогревающих
100
воздух. Этот метод эффективен лишь при сушке экспортных пиломатериалов (режимами с пониженными температурами — до 55 °C).
В туннеле СП-5КМ. запроектированы зоны конечной влаго-теплообработки двух высушенных штабелей. Загрузка штабелей парная. В последних конструкциях «Валмет» при сушке толстых сортиментов предусматривается возможность снижения объема подаваемого к материалу воздуха путем отключения одного вентилятора, а также дросселирования его потока жалюзийной решеткой. В этих двух конструкциях туннелей высота штабелей 5 м, а подштабельных тележек 0,5 м. Вместо тележек применяют также шины (отрезки швеллеров), на которых штабеля передвигаются вдоль туннеля по стационарным роликам.
Разработан ряд модификаций паровых туннелей с поперечной загрузкой пиломатериалов (НБ-1, ЦНИИМОД-49, несколько конструкций «Валмет» и др.).
§ 26. Газовые туннели
Характеристика газовы туннелей. В производственных условиях применяют газовые туннели с продольной загрузкой пиломатериалов двух типов. Первый из них, «Оптимум», характеризуется укладкой материала со шпациями и подачей газа во все пять туннелей сушильного блока от одного вентилятора, т. е. одинаковых параметров и к тому же'.по направлению вдоль досок. Такая система явно устарела. Второй тип — с эжекционной циркуляцией рабочих газов при реверсивном поперечном его движении по штабелям материала — показан на рис. 41, а, б (на основе схемы туннеля — рис. 39).
В этой установке с бескалориферным отоплением применена общая на пять туннелей топка, сжигающая древесные отходы или природный газ. В топке создается необходимое разрежение (20—30 Па) действием вентилятора 2. После вентилятора по нагнетательной трубе 4 газ поступает в эжектирую-щие сопла 3, подсоединенные к трубе 4. Газ температурой примерно 150 °C, выходящий из сопел 3 с большой скоростью (около 35 м/с), подсасывает отработанный газ температурой 60 °C из последнего загруженного штабеля материала и подогревает его до 80...90°C. Этот газ нагнетается по рециркуляционному каналу 6 к высушиваемому материалу 7. Пройдя через все штабеля и повторяя цикл движения, газ вторично подходит к соплам и вновь поступает в рециркуляционный канал 6. Часть отработанного газа по нижнему каналу 8 подсасывается из туннелей к вентилятору 2 для частичного понижения температуры продуктов сгорания, поступающих из топки.
Свежий воздух добавляется раздельно в каждый туннель на уровне верхней части загрузочных дверей. При недостаточ-
101
Рис. 41. Газовые туннели:
а, б —с продольной загрузкой штабелей; в —с поперечной загрузкой; / — топка; 2 — центробежный вентилятор; <3 — сопла; 4 — нагнетательная труба; 5 — эжектор; 6 — рециркуляционный канал; 7 — высушиваемый материал; 8 — отсасывающий канал;
9 — шибер топки; 10 — выхлопная труба; // — коридор управления; 12 — циркуляционные осевые вентиляторы
ном (по требованиям режимов сушки) подсосе газов необходимо герметизировать газоходы установки и двери туннеля.
На рис. 41, в дана схема газового туннеля с поперечной загрузкой двенадцати штабелей; топки, по одной на туннель, работают на природном газе. Принцип действия туннелей аналогичен предыдущим.
Сопоставляя установки по рис. 41, а, б и рис. 41, в, следует отметить преимущество применения блочной топки в отношении централизованного обслуживания одной топки вместо пяти, рассредоточенных на расстоянии 30 м, большей тепловой стабильности всей отопительной системы, меньших теплопотерь, базирования топки на грунте, а также меньшей стои-
102
Рис. 42. Туннельная газовая сушильная установка (модернизация):
а — продольный разрез; б — план; в — узел компоновки отопления природным газом, жидким и твердым топливом: / — топка блочная; 2 — растопочная труба топки; 3 — боров от топки; 4 — вспомогательный вентилятор; 5 — всасывающий патрубок вентилятора 4; 6 — вытяжная труба туннеля; 7 — канал к вентилятору 4; 8 — шибер свежего воздуха; 9 — шиберы на газоходе 10; 10 — газоход от стояка 18; И — вентилятор туннеля; /2 — окна настройки режимов сушкн; 13 — рециркуляционный канал туннеля; 14 — высушиваемый материал; /5 — проходные калитки; 16 — поворотная заслонка; 17 — эжектирующий патрубок; 18 — стояк от борова
мости строительства и эксплуатации установки. При блочной топке в продуктах сгорания должен быть запас величины энтальпии для подрегулирования разных процессов сушки в отдельных туннелях с получением надлежащего качества сушки различных сортиментов (см. § 8).
Реконструкция и новые газовые туннели. На рис. 42 показана схема реконструкции газовых установок, приведенных на
103
рис. 41, а, б, используемых в промышленности долгое время. Принцип работы полученного нового туннеля аналогичен показанному на рис. 39 с паровым обогревом, а также на рис. 89, д.
В результате реконструкции увеличивается скорость воздуха по материалу до 4.. .5 м/с (вместо существующей 1,0... ...1,5 м/с), повышается производительность примерно в 2 раза и улучшается равномерность просыхания материала. Такая установка может быть использована и для нового строительства. В зависимости от производственных условий она может выполняться по трем технологическим схемам.
1) С индивидуальными на каждый туннель топками (см. рис. 89, в, г), размещенными смежно над рециркуляционными каналами у вентилятора. При этом продукты сгорания поступают из топки непосредственно к вентилятору 11 через отверстие, регулируемое шибером 9.
2) С блочной топкой на пять туннелей (рис. 42) и подачей продуктов сгорания из топки 1 через ее боров 3 и газораспределительный канал 10 к каждому туннелю. Разрежение в топке достигается действием вентиляторов И. Такая схема газораспределения проверена на ряде предприятий. Регулирование режимов сушки в отдельных туннелях осуществляется за счет изменения теплового потока (шибер 9), добавки воздуха (заслонка 5), а также дроссельной заслонки 16 и заслонки на вытяжной трубе 6 каждого туннеля. Эта система предназначается для модернизации туннелей по рис. 41, а, б и для нового строительства.
3) С блочной топкой (рис. 42, а, б) и газораспределением, дополненным применением небольшого на блок туннелей центробежного вентилятора 4 (рис. 42,6). Его назначение — засасывать по каналу 5 часть отработанных газов из туннелей, увеличивать разрежение в топке 1 для ее форсирования, а также добавлять к продуктам сгорания более холодный газ из канала 7 для снижения температуры газов в канале 10. Такое форсирование достигается соосным дутьем эжектирующей струи в стояке 18, направленной вверх из насадки 17. Форсирование топки желательно при сушке тонких мерзлых пиломатериалов с высокой их влажностью.
Для пяти-, шести- и семиштабельного туннелей устанавливается по одному осевому вентилятору соответственно № 16, 18 и 20 с примерной частотой вращения 900, 800 и 720 мин-1 и мощностью 20, 25 и 30 кВт.
Установки для влаготеплообработки. По окончании сушки еще нагретые пиломатериалы ответственного назначения должны подвергаться конечной влаготеплообработке (пропарке). Этим достигается выравнивание влажности древесины в штабеле и устранение упругих и влажностных деформаций по толщине материала. Для этого необходимы специальные, регулируемые установки — камеры и туннели влаготеплообработки (рис. 43), обогреваемые насыщенным паром низкого давления.
104
Рис. 43. Установки для влаготеплообработки пиломатериалов:
i а —камера; б — туннель; / —ограждения; 2 — экраиы-пилястры; 3 — потолочный вы-
7 ступ; 4 — дверь; 5 — пропарочная труба; 6 — пропарочная труба реверсивного действия
На рис. 43, а показана одноштабельная камера влаготеплообработки. Она может быть двухштабельной. Камера состоит из хорошо утепленных и герметизированных ограждений, небольшого калорифера в нижних углах у продольных стен и рельсовых путей.
Пропарочные перфорированные трубы расположены во всех продольных углах камеры. Пар из труб выходит в горизонтальном направлении. Трубы подключены к паровпускным вентилям попарно диагонально. Таким образом, при переключении вентилей циркуляция паровоздушной среды в камере реверсируется.
На рис. 42,6 показан туннель влаготеплообработки. В нем имеются настенные пилястры, а напротив них — потолочные выступы для разделения туннеля на зоны длиной по 6,6 м (длина нормального штабеля). В верхних углах туннеля продольно проложены пропарочные трубы с отверстиями в боковом направлении (в правом углу в четных, а в левом — в нечетных зонах). Обе трубы подключены к общему вентилю, при открывании которого в смежных зонах возникает противоположная по направлению вдоль прокладок циркуляция влажного воздуха.
При перекатке материала в следующую зону циркуляция в каждом штабеле реверсируется.
Внутренний диаметр увлажнительных труб в камерах 53 мм, а в туннелях 68 мм, диаметр отверстий 5 мм, их шаг 250 мм.
105
§ 27. Строительные элементы сушильных установок
Общие требования. К строительным элементам сушильных установок относятся стены, перекрытия и двери, обозначаемые общим словом — ограждения камер (или туннелей). Основные требования к ограждениям — их малые теплопотери и хорошая герметизация. Требования к снижению тепло-потерь ограждений обусловлены необходимостью избежания конденсации влаги из влажного воздуха на внутренней поверхности ограждений. Влага конденсируется в случае, когда температура охлаждающейся поверхности ограждений будет ниже температуры точки росы воздуха в камере (см. рис. 7, а, точки Р и /Р). В этом случае воздух в камере осушается с нарушением процесса сушки.
Стены и перекрытия. При устройстве камер в отапливаемых помещениях толщину наружных стен делают в два кирпича, т. е. 520 мм. Кирпич должен быть хорошо обожженный, красный.
Розовый или силикатный кирпич не допускается для применения в этом строительстве. Камеры не штукатурят снаружи во избежание закупорки в стенах влаги; сухие стены (как и сухая одежда) теплее, чем влажные. Категорически запрещается кладка стен в пустошовку, т. е. с недостаточным количеством раствора во избежание перетекания воздуха через стены. Толщина стен между камерами должна быть 400 мм (т. е. 1,5 кирпича); стены могут быть железобетонными, а также металлическими (листовыми на каркасе), достаточно утепленными.
В тех же целях (поддержания кирпичных стен, а также перекрытия в сухом состоянии) камеры тщательно штукатурят и «железнят» цементным раствором изнутри, а также дополнительно покрывают горячим битумным лаком 177 или лакокрасочной эмалью ФЛ-777 и возможно шпатлевкой ЭП-00-10. Вследствие недостаточной влагоизоляции перекрытий (снизу) арматура в железобетоне ржавеет и прочность плит снижается с преждевременным разрушением устройства. Поэтому необходима периодическая тщательная заделка в них вновь появляющихся трещин.
Железобетонные перекрытия закрывают сверху слоем легкой теплоизоляции толщиной не менее 250 мм.
Двери. Самая уязвимая, ненадежная часть сушильных установок— двери. Они быстро портятся и становятся негерметичными, если выполнены неудовлетворительно, например на деревянной раме, навешенной на деревянную колоду. Двери необходимо изготавливать на сварном каркасе. С внутренней стороны дверное полотно покрывают тонкими листами технически чистого алюминия (99,7%), а снаружи — перфорированными листами, желательно нержавеющей стали. Толщина теплоизоляции не менее 100 мм. В створках двери устраивают уплот-
106
Рис. 44. Двери сушильных камер:
а — общий вид; б — средний створ; в — боковой створ; г — верхний створ; / — крепление рамы в проеме; 2 — полотно двери; 3 ~ поворотный рычаг на наружном полотне двери; 4 — ось крепления и вращения рычага; 5 — крюк в стене; 6 — откидной винт, прикрепленный к стене; 7 — набивка паза асбестовым шнуром; 8 — опрокидывающийся вниз рельс; 9 — неподвижный рельс
няющие пазы, в которые закладывают асбестовый шнур (рис. 44).
Для уменьшения стыковых соединений проектируют одностворчатые двери с несколькими винтовыми прижимами по периметру. Однако такие двери тяжелы и занимают много места при открывании; удобнее в эксплуатации двери двустворчатые. Для герметизации нижней части двери перед ней снаружи устраивают подъемные с одного конца или опрокидывающиеся на петлях в нижнюю нишу участки рельсов длиной около 1 м.
Дверные прижимы. Надежны и просты в обслуживании винтовые дверные прижимы. В частности, можно применить
107
одиночный прижим, осуществляемый концами поворотного рычага, фиксируемого в зажатом состоянии двери горизонтально (рис. 44, а).
При работе один конец рычага подводится под настенную скобу и упирается в нее с одной стороны двери, а второй конец прижимается настенным винтом.
Поворотный рычаг прикрепляется на оси к середине наружного полотна двери, он находится на ней при ее открывании и закрывании.
Для туннелей с поперечной загрузкой штабелей применяют двери шириной около 7 м. Они перемещаются по фронту установки с помощью электротележки, опирающейся на закрепленный вверху рельс (проект Государственного института по проектированию лесопильных, деревообрабатывающих и лесоперевалочных предприятий).
Особо герметичными должны быть двери на выгрузочном конце туннеля, где создается повышенное давление воздуха еще в неотработанном его состоянии (потеря тепла).
Контрольные вопросы
1. Почему сушильные установки для пиломатериалов применяют рециркуляционные?
2. Какие технические требования предъявляются к лесосушнльным установкам?
3. Что положено в основу классификации сушильных установок?
4. Чем отличаются по принципу действия сушильные камеры от сушильных туннелей?
5. В чем различие между циркуляцией воздуха по материалу и воздухообменом? Какова их роль в процессе сушки? Каковы примерные их количественные соотношения?
6. Изобразите схему сушильной камеры с естественной и побудительной циркуляцией воздуха.
7. Какие сушильные камеры применяют на коротких поперечных валах с одиночными вентиляторами? Изобразите их схемы.
8. В чем состоит принцип действия эжекционных камер и как они устроены?
9. В чем преимущества и недостатки эжекционных камер?
10. В чем заключается принцип действия газовых (бескалориферных) сушильных камер?
11. Каков принцип действия сушильных камер с электронагревом?
12. Как изменяется температура воздуха и влажность древесины по длине нормально работающего противоточного туннеля?
13. В чем состоит особенность действия туннеля с зигзагообразной циркуляцией воздуха?
14. В чем различие между туннелями с продольной и с поперечной загрузкой материала?
15. В чем заключается принцип действия газовых туннелей?
16. Что означает термин «влаготеплообработа пиломатериалов»?
17. Каковы основные требования к строительным элементам сушильных установок (стены, перекрытия)?
18. Каким требованиям должны отвечать двери сушильных установок? Их возможные технические решения?
19. Почему предъявляются высокие требования к герметичности дверей, особенно на выгрузочном конце сушильных туннелей?
108
Г л а в a 5. СУШИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
§ 28. Топки и огневые калориферы
Топки сушильных установок. Основное требование к топкам— получение бездымных продуктов сгорания со стабильным режимом подачи газов, а также минимальным выделением искр.
На рис. 45, а показан продольный разрез полугазовой топки с двумя загрузочными и поддувальными отверстиями, без колосниковой решетки, предназначенной для сжигания древесных отходов в основном в виде сырой дроблении. В топке сжигают также кусковые отходы длиной до 1 м, а также сырые опилки.
В такой топке, с шириной внутри 3000 мм, сгорает за 1 ч около 700 кг, т. е. около 1 м3 древесины в плотной массе. Удельный расход такого топлива в сушильных туннелях составляет 15.. .20 % (меньше летом) от объема высушенных пиломатериалов. Следовательно, при 300 рабочих днях в году топка выделит количество тепла, необходимое для высушивания около 1,0-24-300/0,2 = 36 000 м3 пиломатериалов в год.
Для получения бездымного газа камера горения, находящаяся в передней части топки (слева на рис. 45), должна быть все время заполнена топливом, непрерывно добавляемым конвейером. Подача воздуха должна регулироваться так, чтобы пламя заканчивалось за первой перевальной стенкой (оно укорачивается при увеличении подачи воздуха и наоборот).
Топка должна быть выложена с минимальной толщиной швов между кирпичами и особенно тщательно—между сводовыми клиновыми кирпичами. Внутренняя поверхность топки футеруется огнеупорными кирпичами.
Боров, идущий от топки, выкладывается из красного кирпича. Его герметизируют по всей наружной поверхности, так же, как и верхний свод топки, слоем тощего глиняного раствора и теплоизолируют просеянным мелким шлаком или лучше древесной золой. Снаружи топка должна быть тщательно обмазана и побелена. Появившиеся трещины немедленно заделываются.
На борове топки устанавливают наклонно шибер, желательно автоматически управляемый от температурного датчика за шибером. Он должен свободно перемещаться по односторонней плоской раме; шибер и рама чугунные. Сверху они герметизируются колпаком для предотвращения подсоса в боров воздуха.
Сжигание природного газа. В § 8 приведена количественная характеристика природного газа и получаемые из него продукты сгорания. К природному газу при его сжигании добавляют по объему более чем десятикратное количество воздуха (схема на рис. 45,6). Это достигается с помощью инжекцион-
109
Рис. 45. Топки и инжекционная горелка:
а — полугазовая топка для сжигания древесных отходов; б — подтопок для природного газа; в — инжекциоииая газовая горелка; / — каркас топки; 2 — загрузочное отверстие; 3 — дверки для добавления вторичного воздуха; 4 — защитные сдвижные экраны; 5 — поддувальная заслонка; 6 — задвижка на воздушных каналах; 7—каналы Для добавления воздуха; 8 — рукоятка шибера дымовой трубы; 9 — дымовая труба; 10 — главный шнбер; // — шайба, регулирующая подачу природного газа в горелку; /2 — газовое сопло; 13 — цилиндрический смеситель; 14 — диффузор горелки
1
2
Рис. 46. Огневые калориферы:
а — прямоугольного сечения; б — трапециевидного сечення; в — колпаковый; г — из круглых труб (второй ход), верхняя труба выходным концом примыкает к нижней; / — подпорная стенка; 2 — дымовая труба; 3 — обвязка калорифера; 4 — лючок для чистки
ной горелки (рис. 45,в). Подсос воздуха в горелку происходит за счет энергии струи вытекающего газа, находящегося в трубопроводах под давлением. В зависимости от размеров горелок, а также давления природного газа в сети (труб) производительность горелок может быть 1...100 м3 сжигаемого газа в 1 ч.
Огневые калориферы. В небольших (одноштабельных) сушильных камерах, обычно временного действия, при отсутствии резервов пара и электроэнергии применяют огневые калориферы (рис. 32,6,5). К ним устраивают топки с площадью колосниковых решеток 0,3.. .0,6 м2, в которых сжигается 40... .. .60 кг древесных отходов в 1 ч.
Горячий газ из топки поступает в огневой калорифер, размещаемый в подвальной части камеры. Он состоит обычно из двух газоходов, проходящих по длине камеры: первый от топки — кирпичный и второй, возвратный,— металлический. Проходящий через них газ охлаждается, отдавая часть тепла окружающему их воздуху и удаляется через дымовую трубу 2 наружу.
Огневые калориферы выкладывают прямоугольными или трапециевидными (рис. 46, а, б) в поперечном сечении. В последнем случае достигается большая его устойчивость в условиях переменного температурного воздействия. Толщина кирпичных стенок уменьшается по ходу газа. Для лучшего использования тепла под дымовой трубой, а также по длине газоход в верхней половине перекрывается 3—4 подпорными стенками I, задерживающими более горячий газ.
111
Обычно за процесс сушки нужно удалить из штабеля материала нормальных размеров (6,6X1,8x2,7 м), вместимостью 12 м3 тонких пиломатериалов, около 3000 кг влаги. Столько же ориентировочно потребуется по массе сжигать влажного древесного топлива. При плотности влажной древесины сосны 700 кг/м3 эта масса соответствует объему 3000:700 = 4,3 м3, или по отношению к вместимости штабеля высушиваемых пиломатериалов составит 100-4,3: 12 = 36 %.
Сечение газохода определяют из скорости в нем газа, принимаемой 3...4 м/с. Например, при ежечасном сжигании 50 кг топлива влажностью IF=4O% при а = 2,0 объем газа составит около 50-30=1500 м3/ч, или 1500:3600 = 0,42 м3/с. Следовательно, при скорости газа 2,5 м/с живое сечение газохода должно быть около 0,42:3,5 = 0,12 м2. С охлаждением газа по его ходу в калорифере уменьшается его объем, но возрастает аэродинамическое сопротивление. В связи с этим сечение газохода можно проектировать постоянным по длине каждого хода.
§ 29. Воздухонагреватели (калориферы) с паровым и водяным обогревом
Чугунные ребристые трубы. В паровых сушильных установках калориферы (рис. 47) обычно собирают на фланцевых болтах из круглых ребристых труб длиной 2 м (ГОСТ 1816—76). Диаметр ребер 175 мм, фланцев 160 мм, наружный диаметр самих труб, несущих ребра,— 84 мм, число ребер 93, масса ребристой трубы 71 кг, поверхность нагрева 4 м2, допускаемое давление пара 0,5 МПа, т. е. 5 бар. Принцип действия: поступающий из котельной внутрь трубы пар отдает тепло через цилиндр трубы ребрам, нагревающим окружающий воздух, который поступает затем внутрь штабеля пиломатериалов, при этом пар в трубе превращается в воду.
Требуемая поверхность нагрева F, м2, калорифера для сушильной камеры определяется по формуле
где Q — количество тепловой энергии, которое должен выделить калорифер; /п — средняя температура греющего пара или горячей воды в трубе; t—средняя температура нагреваемого окружающего трубу воздуха; с — коэффициент запаса, принимаемый 1,1... 1,3 (большее значение — для пластинчатых калориферов).
При естественной циркуляции воздуха для чугунной ребристой трубы коэффициент теплопередачи k находится по известной разности температур /п—t пара в трубе и воздухе вне ее.
fn—t, °C............... 100 90 80 70 60 50 40 30
k, Вт/(м2-К) .......... 7,2 7,0 6,8 6,4 6,1 5,6 5,1 4,5
112
Рис. 47. Калорифер из круглых ребристых труб:
а — схема отвода конденсата из последней трубы и расположение межреберных приливов; б — схемы расположения труб по ходу омывающего их воздуха; в — настенный калорифер в сушильной камере; г — график коэффициентов теплоотдачи ребристых труб; д — график сопротивления движению воздуха; / — при шахматном расположении труб; 2 — при последовательном
В случае расчета в килокалориях коэффициент k будет в 1,16 раза меньше. При побудительной циркуляции воздуха k зависит от массовой скорости Vi воздуха между ребрами трубы: У1 = ор кг/(с-м2), где v — действительная скорость воздуха, м/с; р — плотность этого воздуха, кг/м3.
Значения коэффициентов теплопередачи приведены на рис. 47,г. Верхняя линия 1 относится к шахматной по ходу воздуха установке труб, как это показано вверху на схеме 47, б; средняя линия 2 характеризует теплоотдачу при последовательной установке труб (средняя их группа на рис. 47, б) и нижняя линия 3 — при установке одиночной трубы (нижний ряд на рис. 47,б).
113
Пример. Требуется определить коэффициент k при последовательном прохождении воздуха по (рис. 47, б) трубам со скоростью 6 м/с; находим по средней линии на рис. 47, г для этой скорости й=21 Вт/(м2-К).
Сопротивление Н прохождению воздуха в паскалях (или в миллиметрах водяного столба), отнесенное к одному ряду труб по пути его движения, показано на рис. 47, д (шкалы справа и слева графика).
Основное требование к действию калорифера — он должен нагревать воздух с его полной тепловой мощностью и равномерно по длине камеры. В этих целях необходимо исключить скопление конденсата внутри труб, который теплоизолирует их изнутри и даже создает «пробки». Поэтому все трубы должны иметь уклон для надежного стока конденсата (рис. 47, в). Отводная трубка от последней трубы в их ряду должна быть подключена к нижней части фланца (рис. 47,а). Межреберные приливы, скрепляющие ребра в двух местах по их диаметру, следует при монтаже калорифера размещать по направлению потока воздуха; трубы не должны быть замусорены или покрываться многолетним слоем ржавчины и т. п.
Фланцевые неоребренные участки труб, излучающие тепло на материал, должны экранироваться съемными щитками (во избежание местной пересушки кромок материала). Оребренная зона трубы почти не излучает тепло.
Чугунные ребристые трубы более стойки против коррозии по сравнению с пластинчатыми калориферами или с различными стальными элементами сушильной камеры.
Пластинчатые калориферы (воздухонагреватели). Этот тип калориферов представляет собой батарею паровых трубок, на которых плотно насажены тонкие пластинки, нагреваемые от трубок. Подлежащий нагреванию воздух продувается между пластинками. Батарея трубок объединяется с концов коллектором (рис. 48, а). В один коллектор подается пар из паровой трубы, а из другого, противоположного, коллектора удаляется конденсат (рис. 48,6). Через калорифер поперечно продувается подлежащий нагреванию воздух, отбирающий теплоту пара. Эти калориферы сварные, неразъемные. Толщина пластинок 0,5 мм; шаг пластинок около 5 мм.
Для различных целей нагревания воздуха применяются разные типы пластинчатых калориферов, отличающиеся размерами, числом рядов трубок, способом крепления пластинок, питанием их паром или водой, числом ходов и т. п. (ГОСТ 7201—80). Основное их назначение — отопление зданий.
В существующих лесосушильных установках часто используются одноходовые (для теплоносителя) калориферы сходных между собой моделей КФС и КВБ, которые могут работать как на горячей воде, так и на паре, выдерживая давление до 0,8 МПа (8 бар). Некоторые из калориферов КВБ изготавливаются промышленностью.
114
Рис. 48. Пластинчатый калорифер:
а — общий вид; б — схема присоединения труб; 1 — паропровод; 2 — паровпускной вентиль; 3 — калорифер; 4 — конденсатоотводчик; 5 — конденсатная магистраль; 6 — кон-трольная трубка; 7 — грязевик
Техническая и конструктивная характеристика калориферов КВБ для теплоносителя пара приводится в табл. 6. При теплоносителе— воде и ее скорости в трубках более 0,5 м/с коэффициент теплопередачи будет близким к указанному в табл. 6.
Условия применения различных систем калориферов. Циркулирующий в штабелях материала воздух поглощает из древесины и несет с собой различные кислоты, особенно при сушке пиломатериалов твердых лиственных пород (дуб, бук и др.); при этом стальные пластинки калориферов подвергаются коррозии и разрушаются. Этот процесс ускоряется в случаях проведения промежуточных и конечных влаготеплообработок пиломатериалов в сушильных камерах, а также применения режимов сушки с малой психрометрической разностью, т. е. в начале и в конце проводимого процесса для трудносохнущих сортиментов.
Поэтому в сушильных камерах (т. е. установках периодического действия) предпочтительнее использовать в качестве воздухонагревателей менее засоряющиеся и почти не подвергающиеся коррозии калориферы из чугунных ребристых труб,
115
6. Техническая характеристика пластинчатых калориферов КВБ
' № калорифера Поверхность нагрева, м2 : Живое сече-! ние для воздуха, м2 Присоединительные размеры, мм (см. рис. 48» а) са СХ § o'? 3 S я £“ss: S я 2 RC < Масса, кг
л2 Б. л,
2 9,9 0,115 760 412 624 390 j 1/4 53
3 13,2 0,154 780 532 624 510 j 1/2 69
4 16,7 0,195 930 532 774 510 j 1/2 85
5 20,9 0,244 930 662 774 640 2 106
6 25,3 0,295 1080 662 924 640 2 125
7 30,4 0,354 1100 782 924 760 2l/2 152
8 35,9 0,416 1250 782 1074 760 2l/2 174
9 41,6 0,486 1250 902 1074 880 2!/2 201
10 47,8 0,588 1420 902 1224 880 2l/2 224
11 54,6 0,638 1420 1032 1224 1000 3 248
12 61,6 0,720 1570 1032 1374 1000 3 270
Коэффициенты теплопередачи k, Вт/(м2-К), и сопротивление Н, Па, проходу воздуха
Массовая скорость воздуха, кг/(м2-с) ... 2 3 4 5 6 7 8 10 12 14
Коэффициент k 22,8 26,3 29,0 31,4 33,3 35,0 36,8 39,8 42,7 45,0
Сопротивление
Я, Па .... 5 10 16 23 31 41 52 75 102 132
Примечание 1 Вт/(м2-К) =0,86 ккал/(м2-ч°С); 1 Па = 0,1 мм вод. ст.; 1 дюйм = 25,4 мм.
несмотря на их большую массу и стоимость. Техническим усовершенствованием является замена стальных пластинок алюминиевыми ребрами, как это выполняется в спирально накатных (биметаллических) калориферах, выпускаемых наряду с калориферами КВБ Костромским калориферным заводом Минстройдормаша.
Выбор пара в качестве теплоносителя явно предпочтителен во всех камерах, в которых высушенные пиломатериалы подвергаются конечной влаготеплообработке. Применение же воды температурой выше 100 °C по ряду причин может оказаться более эффективным в сушильных туннелях вследствие лучшего использования тепла (из-за отсутствия потребности в конден-сатоотводчиках, более стабильной регулировки температур и др.). Надлежит, однако, иметь в виду потребность при этом в дополнительной бойлерной установке и циркуляционном насосе для воды. Водяные калориферы характеризуются в среднем на >/3 меньшей теплопередачей по сравнению с паровыми (вода охлаждается при протекании вдоль трубок, а насыщенный пар имеет практически одинаковую максимальную температуру по длине трубок калорифера).
116
§ 30. Конденсатоотводчики
Сущность процесса. Во время сушки материала в калорифер беспрерывно подается пар из котельной, превращающийся при отборе от него воздухом тепла в конденсат, вытекающий из калорифера в такой же массе. Пар должен находиться в трубках калорифера под давлением, чтобы его температура была выше 100 °C.
Возникает необходимость автоматически удалять из калорифера конденсат, но задерживать в нем пар, еще не отдавший теплоту. Для отделения конденсата от пара применяют конденсатоотводчики, из которых по магистрали конденсат направляется обратно в котельную (см. рис. 11, в). Таким образом, кон-денсатоотводчик является сепаратором (т. е. отделителем воды от пара).
Существует ряд конструкций конденсатоотводчиков. Однако применительно к сушильным установкам все они имеют недостатки по надежности в работе и потерям тепла даже при нормальной работе.
Гидростатический конденсатоотводчик. Тип КГ с открытым поплавком очень давно и широко используется в промышленности. Его преимущество — наличие грязевика; однако к нему необходимо поставить контрольную трубку.
Принцип действия конденсатоотводчика заключается в следующем. Поступающий из калорифера конденсат стекает в чугунный корпус 7 (рис. 49,а). Находящийся в корпусе 7 поплавок 6 при этом всплывает и закрывает отверстие в крышке 3 золотником 1 (наконечником), который находится на верхнем конце стержня 4. Стержень прикреплен жестко внутри ко дну поплавка. Постепенно накопившаяся в корпусе вода начинает переливаться в поплавок, который через некоторое время открывает отверстие в крышке. Через это отверстие избыточным давлением пара в калорифере конденсат по патрубку 5, присоединенному к крышке водоотводчика, выдавливается из поплавка вверх и затем поступает в конденсатную магистраль. Облегченный поплавок всплывает, закрывая отверстие своим золотником. Следовательно, поплавок и сам прибор действуют периодически.
Действие конденсатоотводчика наблюдается по выходу конденсата из контрольной трубки (см. рис. 48,6, 6). Если из трубки конденсат (его брызги) выходит периодически, т. е. прерывисто — конденсатоотводчик работает нормально. Часть пара, выбрасываемого из трубки, образуется из-за вторичного вскипания перегретой воды в золотнике, где давление воды падает до атмосферного, а ее температура мгновенно снижается до 100 °C; избыток тепла воды и создает вторичное парообразование.
Эта потеря тепла (около 8%) свойственна многим конден-сатоотводчикам.
117
Рис. 49. Конденсатоотводчики:
а — с открытым поплавком; б — термодинамический; в — термостатный; / — золотник;
2 — продувной вентиль; 3 — крышка; 4 — стержень с золотником на верхнем конце;
5 — патрубок, присоединенный к крышке; 6 — поплавок; 7 —корпус; 8 — пробка для удаления грязи; 9 — контрольная трубка; 10 — тарелка; // — седло; /2 — сетка грязевика; 13 — сильфон; 14 — входной патрубок
Существенный признак неудовлетворительной работы любых конденсатоотводчиков — выход пара из сборного бака и «кипение» в нем конденсата. Основные причины — неисправность вентиля обводной трубы (лучше ее не ставить, используя схему на рис. 47,6), образование неплотности в запорном клапане золотника, скопление грязи в приборе и т. п.
Термодинамический конденсатоотводчик Р76001-01. Этот прибор (рис. 49,6, табл. 7) состоит из корпуса 7, крышки 3, тарелки 10, седла 11 и свернутой в клубок тонкой медной сетки 12, предохраняющей прибор от быстрого засорения. Рабочей
118
7. Техническая характеристика термодинамического конденсатоотводчнка Р76001-01
Условный проход dy> мм Расход, кг/ч, при избыточном давлении пара в калорифере, бар (0,1 МПа) Размеры по рис. 48, б, мм Масса, кг
0,5 1 2 3 4 В Н Т Е а d dt
15 120 140 170 184 214 80 55 55 30 2,0 8,5 6 6
20 200 280 375 415 470 100 61 60 36 2,0 10 7 7
25 390 460 585 670 730 120 68 65 46 2,0 12 8,5 8,5
32 450 678 725 872 970 140 79 80 55 2,5 17 11 11
40 500 700 790 910 1035 170 94 95 65 3,5 20 14 14
50 750 1150 1420 1710 1800 200 ПО 105 75 4,0 26 16 16
деталью служит подвижная тарелка 10. Вследствие давления, создаваемого снизу прибора на тарелку, она колеблется и пропускает значительное количество конденсата, но малую массу пара. Здесь сказывается влияние его большого удельного объема и возникающих высоких скоростей, вследствие чего тарелка присасывается к седлу. Зазор над тарелкой регулируется крышкой 3 по наблюдению за контрольной трубкой.
К муфтовым термодинамическим конденсатоотводчикам относится тип 45 15НЖ (ГОСТ 12866—67) с обводом для перепускания пара помимо тарелки 10. Принцип его действия аналогичен предыдущему. К недостаткам прибора следует отнести его сравнительную сложность, опасность загрязнения рабочей зоны, а также наличие обвода, приводящего на практике к значительным потерям тепла.
На рис. 48, в показан термостатный коиденсатоотводчик, не только исключающий потерю пара, но и использующий тепло конденсата до температуры ниже 100 °C. Его рабочей частью является сильфон (термостат), заполненный легкокипящей жидкостью — смесью метилового и пропилового спиртов. При нагревании сильфона он расширяется и своим золотником 1 перекрывает проходное отверстие для пара в седле И. При охлаждении сильфона восстанавливается пропуск теплого (но не кипящего) конденсата. Этот прибор наиболее экономичен как сепаратор пара. Он был рекомендован к применению, так же как и метод проверки (контрольные трубки), в лесосушильных установках более 35 лет назад [Кречетов И. В. Сушка древесины.— М.: Лесн. пром-сть, 1949 г., с. 290 и 291]. За этим прибором (по ходу конденсата) следует вварить в трубу наклонную трубку для термометра (заливаемую маслом), перед ним — грязевик, а также поставить обратный клапан. Наибольшая производительность термостатного конденсатоотводчнка, показанного на рис. 49, в, будет 500, 800, 900 и 1100 кг/ч при перепадах давлений пара перед и за ним соответственно 0,5, 1, 3 и 5 бар (0,1 МПа).
119
Дроссельные конденсатоотводчики. При отсутствии надежных конденсатоотводчиков устанавливают после калорифера подпорную шайбу (одну на камеру). Шайба представляет собой диск с небольшим отверстием вверху. При хорошо подобранном диаметре этого отверстия (в камерах 1,5... 2 мм, а в туннелях 3...4 мм) через него будет проходить только конденсат, проверяемый после шайбы контрольной трубкой (рис. 48,6). В приборе ЦНИИМОДа отверстие шайбы частично перекрывается конусной иглой, надвигаемой маховичком (от вентиля).
Во всех случаях конденсатоотводчик устанавливается ниже калорифера. Вода должна поступать самотеком, что достигается уклоном труб от магистрального паропровода до общего сборника конденсата.
Конденсатоотводчики — наиболее ответственное оборудование сушильной установки. При неисправном их состоянии не только теряется теплота пара, но одновременно снижается производительность установки, поскольку в калорифере будет находиться насыщенный пар с пониженным давлением, т. е. с меньшей температурой. При этом теплоотдача калорифера резко падает.
Следует ежедневно проверять действие конденсатоотводчиков посредством контрольных трубок. Однако на практике операторы часто приоткрывают вентиль на обводной трубе, ошибочно считая, что проточность пара в калорифере интенсифицирует его действие; эти вентили необходимо запирать наглухо со снятием маховичка.
Глубоко ошибочно также распространенное мнение, что при небольшом открытии этого вентиля теряется мало тепла; характеристика же вентилей такова, что основной пропуск пара происходит на начальном их обороте. Следует удалить эти обводные трубы и установить контрольные трубки, а также исправные обратные клапаны. При пуске камеры в работу остаточная вода и, возможно, воздух выдавливаются паром из калорифера в короткое время после его включения через исправный конденсатоотводчик (без обводной трубы).
Основные требования к конденсатоотводчику: надежность работы при удовлетворительной сепарации воды от пара, приносящего частицы окалины от труб, накипи из котла, льняных волокон от монтажных операций, сурика в масле и т. п., засоряющие прибор. В большой мере предъявляемым требованиям отвечает конденсатоотводчик ЦНИИМОДа, снабженный грязевиком с пробкой, обратным клапаном и подрегулировкой производительности; однако он нуждается в отработке и дополнении его термометром.
Калориметрирование конденсата. Для выявления потерь тепла через конденсатоотводчики проводят калориметрирование конденсата; при этом устанавливают исправность и правильность эксплуатации конденсатоотводчиков. В этих целях
120
контрольную трубку конденсатоотводчика (рис. 48,6) подсоединяют на некоторое фиксируемое время к бачку с холодной водой. Затем через короткий теплоизолированный шланг конденсат на некоторое время направляют в бачок. По окончании опыта взвешиванием устанавливают увеличение массы воды в бачке с Л41 и до Л42 и повышение ее температуры с Л до /2. Энтальпию 1 кг подогретой воды в бачке iK, кДж/кг, вычисляют по формуле
iK —4,19
Л4 2/2 — Л4 |/|
Л12 —ЛД
(42)
Для определения количества неиспользованного пара т на 1 кг смеси перед бачком применяется формула
iK — 4,19/п т — —--------:—-
i'n — 4,19/п
(43)
где /п — температура пара, °C; in— теплота пара, кДж/кг.
Пример. Если энтальпия смеси iH получена по формуле (42): iK = = 800 кДж/кг, а энтальпия пара в калорифере при давлении 0,4 МПа [4 бара (абс)] и температуре насыщенного пара /=143 °C составляет 2723 кДж/кг (см. табл. 1), то удельная потеря пара т определится по фор-(43)
2738 муле
800- 143-4,19 n ппо т =----------------'--- - 0,092,
2738- 143-4,19
т. е. 9,2 % теплоты теряется с горячим (143 °C) конденсатом. С учетом же этой теплоты как неиспользованной коэффициент потерь тепла п при температуре воды, подаваемой в котел, равной 20 °C, будет
n =0,27,
2738-20-4,19
т. е. теплота пара, подаваемого в калориферы сушильных камер, используется на 100(1—0,27) =73 %.
Таким образом, в нормальных условиях эксплуатации паровых сушильных установок с выходящим из калориферов конденсатом теряется более '/4 части теплоты пара, подаваемой из котла. В случае эксплуатации конденсатоотводчиков в неисправном состоянии теплопотери примерно удваиваются, т. е. сушильными камерами используется менее половины получаемого ими тепла.
§ 31. Электрокалориферы
На многих предприятиях отсутствуют котельные, поэтому при высушивании небольших объемов древесины (менее 100 м3 в 1 мес) в качестве источника теплоты используют электроэнергию от сети. Даже при наличии небольшой котельной, работающей в основном в зимнее время, теплота, полученная от электроэнергии, может оказаться дешевле теплоты, полученной
121
Рис. 50. Электрокалориферы:
а —трубчатый электронагреватель (ТЭН); б — электрокалорифер СФО; / — корпус;
2 —связи; 3 — трубчатый нагревательный элемент
летом от своей котельной. Уже были показаны небольшие сушильные установки, получающие энергию от электросети (рис. 32, 38 и др.). В качестве греющих элементов известны различные конструкции трубчатых электронагревателей (ТЭНов) разного оформления и мощности.
Нагреватель состоит из U-образной или более сложно изогнутой трубки диаметром 10...16 мм, длиной в развернутом виде 1... 2,5 м, в слое электроизоляции которой запрессована нихромовая греющая проволока диаметром 0,3...0,5 мм и длиной 8... 17 м. Габаритные размеры ТЭНов: длина 0,5...! м, ширина 50... 120 мм, толщина (у места подключения к электро-
122
8. Характеристика электрокалориферов серии СФО
Показатели Марки калориферов
СФО-25 СФО-40 СФО-60 СФО-ЮО СфО-160 СфО-250
Мощность, кВт 25 40 60 100 160 250
Площадь поверхности нагрева, м2 6,6 12,3 18,3 27,7 51 72
Количество воздуха, кг/ч (минимальное) 1700 3400 5100 9000 13 000 19 000
Масса калорифера, кг 67 100 134 197 312 421
Ширина габаритная Е (см. рис. 50, б), мм 600 720 840 960 1200 1320
Высота габаритная Г, мм 617 767 917 1067 1367 1667
Примечание. Допустимая температура 150 °C; перепад температур примерно 50 °C.
сети) около 20 мм, масса 1 ... 2,5 кг (рис. 50). Таким образом, ТЭН — очень компактный нагреватель. Температура его поверхности 300... 350 °C; она понижается с ускорением обдувания при сохранении почти постоянной теплоотдачи. Мощность ТЭНов 0,4... 5 кВт.
Разработаны также ТЭНы — нагреватели воды в открытых и закрытых баках для получения пара атмосферного давления, который может использоваться для влаготеплообработки высушиваемой древесины.
На рис. 50, а в виде примера показаны два различных ТЭНа: размер А — габаритная длина (200... 600 мм), Б — активная длина (150 ... 550 мм) и В — внутренняя ширина.
На основе оребренных ТЭНов мощностью по 1,66 кВт изготовляют компактные электрокалориферы ОКБ-3083, ОКБ-3084 и ОКБ-3085 мощностью 20, 40 и 100 кВт, напряжением 380 В. Их габаритная ширина по 1060 мм, высота по 660 мм и длина по ходу воздуха 265, 415 и 415 мм; масса 98, 158 и 250 кг. Количество воздуха, подогреваемого на 30 °C, соответственно 3700, 7400 и 18 500 м3/ч.
В лесосушильных камерах можно применять отопительные электрокалориферы СФО мощностью 16... 250 кВт, напряжением 380В, предназначенные для нагревания воздуха до 100 °C в системах воздушного отопления, вентиляции, искусственного климата и в сушильных установках (табл. 8).
Сопротивление для прохождения воздуха — около 20 Па (2 мм вод. ст.). Трубчатые элементы оребрены алюминиевой лентой. Они разделены на три самостоятельные секции. Калорифер может работать частично — на 33, 67 и 100 % от установленной мощности.
123
Заданную температуру нагретого воздуха поддерживают как автоматически, двумя электроконтактными термометрами ЭКТ-1, датчики которых установлены на выходе воздуха из калорифера, так и вручную. При начальном включении работают все нагревательные элементы. Если температура выходящего воздуха повышается за пределы заданной, отключается одна секция, потом вторая и т. д. С понижением температуры нагревательные элементы включаются в обратной последовательности.
Схема электрокалорифера СФО дана на рис. 50, б. Применительно к лесосушильным камерам калорифер должен быть несколько видоизменен. Его помещают после вентилятора сушильной камеры.
Существенное преимущество электрокалориферного нагревания воздуха по сравнению с аэродинамическим — независимое управление температурными и скоростными параметрами сушильного агента. Изготовитель калориферов СФО — Наманганский трансформаторный завод (Узбекская ССР).
§ 32. Вентиляторы в сушильной технике
Общие сведения. Вентиляторы представляют собой машины для перемещения воздуха. Они применяются почти во всех современных лесосушильных установках для подвода и передвижения воздуха через калориферы, а затем через штабеля высушиваемых пиломатериалов. По принципу действия и форме выполнения вентиляторы разделяются на центробежные и осевые.
В центробежных вентиляторах воздух перемещается во вращающемся внутри кожуха колесе в форме барабана с лопатками. Под действием центробежной силы вращаемый воздух стремится переместиться по радиусу между лопатками наружу колеса, поступает в корпус, а затем по развороту его спирали нагнетается в примыкающий к нему воздуховод (см. рис. 51). В осевых вентиляторах воздух нагнетается давлением лопаток, установленных наклонно к плоскости их вращения, и движется в осевом к вентилятору направлении (см. рис. 53).
Вентиляторы разных размеров, но одной конструкции, т. е. геометрически подобные, образуют серию. Все вентиляторы серии обладают общей характеристикой (см. рис. 52). Расчетные размеры вентилятора определяются диаметром колеса D, выраженным в дециметрах. Например, вентилятор № 10 имеет диаметр колеса 10 дм, т. е. 1000 мм. По ГОСТ 10616—73 рекомендованы к изготовлению вентиляторы следующих номеров: 1,0; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5: 6,3; 8; 10; 12,5; 16: 20; 25; 31,5; 40 и 50.
Подача воздуха определяется его объемом V, м3/ч или м3/с, при расчетной плотности р=1,2 кг/м3. Одной из основных ха-124
рактеристик вентилятора является создаваемое им давление воздуха.
Законы подобия вентиляторов. При прочих равных условиях подача V вентилятора не зависит от плотности р воздуха, а давление Я и потребляемая мощность N пропорциональны плотности воздуха. Поэтому на нагретом, т. е. более легком воздухе, вентилятор менее нагружен, а при пуске камеры, т. е. на холодном воздухе, может быть несколько перегружен.
Подача вентилятора V пропорциональна первой, давление Я — второй, а потребляемая мощность N — третьей степени частоты вращения п колеса. На практике часто недогружают электродвигатели у вентиляторов или, наоборот, портят их из-за перегрузки, если не учитывают эти закономерности. Так, при необоснованном изменении частоты вращения п вентилятора в 2 раза потребляемая им мощность N возрастет (или снизится не в 2, а в 23 = 8 раз); но именно в 2 раза изменится подача V. С учетом частоты вращения колеса п и его диаметра D подача вентилятора будет
V — anD3,
т. е. подача пропорциональна п и D3.
Давление воздуха, создаваемое вентилятором,
Я = ЬрпЧ)2,
а создаваемая вентилятором мощность воздушного потока определится по формуле
Я = УЯ = срп3ОБ.
Здесь а, Ь, с — коэффициенты, причем ab = c.
Если подача V, м3/с, а Я, Па, то N=VH [Вт] или, что то же, Я = ЕЯ/1000 [кВт].
Если же подача V, м3/ч, то N = VH/(1000 • 3600) кВт. Например, в одноштабельной камере с поперечной циркуляцией воздуха, когда Е=100 тыс. м3/ч и Я = 300 Па, то Я=100000Х X300/(1000-3600) =8,3 кВт на три вентилятора (например, по рис. 34, а) или 2,8 кВт на один вентилятор без учета его КПД и потерь в приводе. С их учетом мощность вентилятора примерно удваивается и составит около 5,5 кВт.
Пример. Определить подачу V, давление И и мощность N воздушного потока при р = 1,0, создаваемого вентилятором № 10 серии У с частотой вращения 960 мин-1. Пользуясь соотношениями подобия (45), (46) и (47), находим: У=5,6 • 10~6 • 960 • 103 = 5,6 • 10~3 • 960=5,38 м3/с, т. е. 5,38-3600= = 19 300 м3/ч- /7=2,5 10~6 • 9602 • 102=2,5 • 104 • 922 • 104 = 2,5 • 92,2 = 230 Па; Я= 7/7=5,38-230= 1240 Вт=1,24 кВт. Здесь для 0 = 22° я = 5,6-10~6, & = = 2,5- 10-6.
В случае перемещения ненагретого воздуха (ниже 20 °C) учитывается влияние его плотности с соответствующим повышением р [по (46)] и мощности. Окружная скорость колеса вентилятора определится по формуле v — nDn/60.
Зазор между колесом и обечайкой вентилятора допускается
125
Рис. 51. Центробежный вентилятор:
а — общий вид; б — колесо; в — вид со стороны привода; 1 — корпус; 2 — приводной шкив; 3 — выхлопное отверстие; 4 — всасывающее отверстие корпуса; 5 — всасывающее отверстие колеса; 6 — станина корпуса
до 1,5 % радиуса колеса (для центробежного) или длины лопатки (для осевого) вентилятора. При повышенном зазоре резко снижается КПД вентилятора (из-за перетекания воздуха через кольцевую щель между колесом и обечайкой).
Центробежные вентиляторы. На рис. 51 показан центробежный вентилятор. Колесо вращается от привода 2, вал которого проходит внутрь корпуса. В центре боковой стенки колеса имеется цилиндрическое отверстие для закрепления колеса на конец вала внутри корпуса. Оно должно вращаться только по развороту спирали корпуса, т. е. на рис. 51,в — по часовой стрелке. Воздух поступает в боковую часть корпуса, а выходит из корпуса под углом 90°, как это показано стрелками.
В лесосушильной технике используются вентиляторы низкого давления — до 1000 Па (100 мм вод. ст.). Номер вентилятора легко определить по ширине его корпуса, составляющей 0,7 диаметра колеса (например, у вентилятора № 10 диаметр колеса 10 дм, а ширина корпуса 7 дм). По обозначениям на рис. 51, в (буквы на размерных стрелках) находят основные размеры корпусов, исходя из их подобия у разных номеров вентиляторов низкого давления.
Обозначения
на рис. 51, в . . . D b 6, £>2 h с, h /Ц-с4
Размеры к диаметру
колеса, мм........ 1000 893 658 1003 708 1141 650 1141 1598
Здесь / + с4 — габаритная ширина вентилятора, причем с4— расстояние от внешней кромки шкива до середины корпуса, а I — от середины корпуса до кромки всасывающего отверстия.
Применяют вентиляторы Ц4-70 № 12 с КПД до 0,8 или
126
Рис. 52. Аэродинамическая характеристика центробежных вентиляторов Ц4-70 № 8, 12, 12,5 и 16; подача V вентиляторов № 6,3 и № 4 составляет */4 от подачи вентиляторов № 12,5 и № 8
п-95П
е
то>-
7,4
то)-
1,2
-(60).
0,6
0,35
-(30/
0,3
0,9
0,8
0,7
Z
,S
-(100) (90) (80) (70)
2,2 2
1,8
1,6
0,5 .о
" Q45
0,3
t(220)-r (200)---m--
(160)
^'71275-Sso
7725-757
Ю50-7о0.
44,2-
60 70N12
13О,8-±.
’.7,7-----
59,5
56,6
(25)
74
55 60 70 N12.5
16 18 20 24 28 32 36 30 35 50
6 7 8 9 10 12 74 16 18 20 22 25 30 ,ю
Н—I—I—I I । I ' I । I । I । I । I" I И' 'IX
24 28 32 36 40 38 56 63 72 80 88 100 120N7b
Подача У,тыс. и Уч
-(50)-~(35) АЗО/
0,25
12
Ц4-76 № 12,5. Цифра 4 обозначает коэффициент давления, умноженный на 10, цифра 70 — критерий быстроходности, а № 12 или № 12,5 — диаметр колеса в дециметрах. Используют также вентиляторы Ц4-76 № 8, 10, 12,5, 16 и 20, которые характеризуются еще более высоким КПД (до 0,84). Они изготавливаются Харьковским заводом «Кондиционер».
Окружная скорость колеса у вентиляторов больших, чем № 12, допускается 60 м/с, у № 8—42 м/с, а температура газа до 180 °C. Эти вентиляторы можно изготавливать из нержавеющей стали или с алюминиевым корпусом. Колеса вентиляторов Ц4-70 имеют 12 листовых (тонких) лопаток, загнутых назад (по ходу колеса). Лопатки вентиляторов Ц4-76 толстые, пустотелые.
Аэродинамическая характеристика вентилятора. На рис. 52 показана зависимость между подачей, давлением воздуха, окружной скоростью колеса (частотой вращения) и КПД вентилятора Ц4-70 № 12 на разных режимах его работы. Средняя прямая обозначает наибольший КПД (0,8). Зона оптимальной работы вентилятора (правее этой прямой) до т] = 0,75.
В нижней части диаграммы указана подача вентиляторов этой серии, но других размеров. Окружные скорости v колес
127
этих вентиляторов (справа на рис. 52) и частота вращения п обратно пропорциональны их диаметрам D. Например, у вентилятора № 12 при « = 800 мин-1 давление Н=\,4 КПа (т. е. 140 мм вод. ст.) и окружная скорость ц = 50,3 м/с (точка Л). Те же значения И и v будут у вентилятора № 8 при н = 800х X12:8= 1200 мин-1 и у вентилятора № 16 при « = 800-16 = = 600 мин-1. Их подачи будут соответственно 45, 20 и 80 тыс. м3/ч (отсчет внизу). У вентиляторов № 12,5 по отношению к № 12 Vr = 1,13V; Hi = l,08H и W]= 1,221V.
Характеристика рассчитана для плотности стандартного воздуха (р= 1,2 кг/м3). Если перемещается более легкий, т. е. нагретый, воздух, расчетное давление на диаграмме следует пропорционально увеличить. Например, при р = 0,9 расчетное давление увеличивается в 1,2:0,9=1,33 раза.
Пример. Подобрать центробежный вентилятор серии Ц4-70 для перемещения нагретого воздуха плотностью р = 0,9 кг/м3, объемом (подачей) 45 тыс. м3/ч и давлением 1050 Па (т. е. 1,05 кПа). Устанавливаем величину расчетного давления 1,05-1,2:0,9=1,4 кПа и наносим на характеристике вентилятора (см. рис. 52) точку А, отвечающую заданному давлению 1,4 кПа и подаче воздуха 45 тыс. м3/ч для вентилятора № 12. Частота его вращения 800 мин-1 отсчитывается на кривой, проходящей через точку А.
При расчете мощности давление не корректируют по плотности воздуха. Мощность /V, кВт, па валу вентилятора
N — VH/( 1000 • 360011) (здесь Н в паскалях); (44) или
Mi = VH1( 102- 3600ц) (здесь Нг в миллиметрах водяного столба)
(45)
где Н и Hi — фактическое давление перемещаемого вентилятором воздуха; V — часовая его подача, м3/ч; ц — КПД вентилятора (по рис. 52 и др.).
К этой мощности добавляют 3 % на трение в подшипниках и 5 % на трение в клиноременной передаче.
Особенность центробежных вентиляторов — снижение потребляемой ими мощности с возрастанием сопротивления сети. Поэтому при пуске вентилятора желательно частично перекрыть его воздуховоды, оставляя их прикрытыми до разогрева воздуха в сушильной камере, когда вентилятор будет менее нагружен; можно также предварительно подогреть воздух.
Осевые вентиляторы. В лесосушильной технике широко применяют осевые вентиляторы серии У (универсальный), В (высоконапорный), ВОК (высоконапорный, осевой, с кручеными лопатками), а для малых камер вентиляторы — 06-300 № 3,2... 10.
Диаметр втулки вентилятора У-12 (с 12 лопатками) составляет 0,5 D колеса. Лопатки прямоугольные (по длине и ширине), несимметричные по профилю, с односторонней выпуклостью, объемные (рис. 53, а, б, в). Колесо вращается в обечайке
128
Рис. 53. Осевой вентилятор У-12:
а — лопатка вентилятора; б — профиль лопатки; в — колесо; а — поперечный разрез колеса и коллектора; 1 — обшивка лопатки; 2 — днище лопатки; 3 — обод втулки; 4 — шпилька для правильной посадки лопатки; 5 — диск; 6 — ступица; 7 — коллектор; д — развертка посадки лопаток; е — посадка лопаток реверсивного вентилятора; ж — аэродинамическая характеристика вентилятора У-12
с входным коллектором (рис. 53, в, г). Наибольший диаметр коллектора 1,2 D, его длина 0,2 D.
Вентилятор серии У будет реверсивным, если лопатки через одну закрепить под углом 180° (рис. 53, е). У реверсивного вентилятора снижается подача на 10%, давление на 20 %, а максимальный КПД с 0,65 до 0,55.
Аэродинамическая характеристика вентилятора У-12 дана на рис. 53, ж, где наклонными прямыми, близкими к вертикалям, показаны номера вентиляторов (6,3; 8; 10; 12,5 и т. д.), а в поле диаграммы более наклонные линии обозначают частоту вращения при оптимальном угле установки лопаток 22°. Обычно угол 0 (рис. 53, д) установки лопаток у этих вентиляторов принимают в диапазоне 20.. .23° (оптимальный угол 22°).
Пример. Подобрать осевой вентилятор серии У для подачи 38 тыс. м3/ч воздуха давлением 340 Па (0,34 кПа). По характеристике (диаграмме на рис. 53, ж) для этого вентилятора устанавливаем, что точка С пересечения заданного давления (горизонталь 0,34 кПа) и подачи воздуха (вертикаль 38 тыс. м3/ч) показывает вентилятор № 12,5 с частотой вращения 900 мин-1. Мощность на валу вентилятора будет У=0,34 • 38000/(3600-0,65) =5,5 кВт.
Вентиляторы серии У модернизированы на тип УК-2М, имеющий крученые лопатки постоянного профиля, их КПД повышен до 0,75. Окружная скорость колес вентиляторов этой серии до 80 м/с, они не реверсивные.
Для давления более 1000 Па (100 мм вод. ст.) применяют осевые вентиляторы серии В, характеризующиеся значительным относительным диаметром втулки (0,6.. .0,7)1) и 12 или 16 широкими пустотелыми, сужающимися к концам, лопатками (рис. 54). Толщиной лопатки 13,6%, а стрела прогиба вогнутой ее стороны, набегающей на воздух, составляет 3,4 % ее ширины в месте замера (см. также рис. 53,6). Для повышения КПД и давления за вентилятором (по ходу воздуха) неподвижно устанавливают спрямляющий аппарат с 11 профильными тонкими (листовыми) лопатками (из прямоугольной развертки). Перед вентилятором закрепляют по диаметру втулки кок (неподвижный или вращающийся с вентилятором тонкий полушар).
Для модернизации промышленных эжекционно-реверсивных камер может быть использован консольно расположенный на валу вентилятор серии В № 10 с частотой вращения 1460 мин-1 и мощностью электродвигателя 17 кВт. Угол установки лопаток (замер—-по середине их длины) 30.. .35°; вал показан на рис. 54, в. Коренной подшипник ставят на стену камеры в нишу, вблизи внутренней поверхности камеры, отделенной от ниши утепленным щитком, а концевой подшипник — в коридоре управления. Таким образом, оба подшипника вала находятся вне рабочего объема камеры. Они монтируются в корпусах плавающими на ±1 мм вдоль оси вала. Масса вентилятора до 32 кг. Привод от электродвигателя лучше осуществлять через клиноременную передачу. Продолжительным опытом эксплуатации
130
Рис. 54. Вентилятор серии В с коллектором и несущим валом:
а — колесо вентилятора с коллектором; / — коллектор; 2 — кок; 3 — колесо вентилятора; 4'— лопатка спрямляющего аппарата; б — лопатка вентилятора; в — вал вентилятора с консолью 800 мм
такой установки располагают Московский мебельно-сборочный комбинат № 1 (ММСК-1), подмосковный ДОК № 6 и др. Аэродинамическая характеристика вентиляторов серии В № 8, 9, 10 и 11 с углами установки лопаток 20.. .40° приведена на рис. 55.
Колеса вентиляторов должны вращаться так, чтобы на воздух набегала тупая, а не острая кромка лопатки и одновременно плоская (у вентилятора серии У) или слегка вогнутая (у вентиляторов серий В и ВОК) сторона лопатки, желательно шлифованная. Внутри вентиляторов обычно налипает много пыли, у центробежных — даже мусора, что недопустимо.
В сушильных туннелях используют легкие вентиляторы с тонкими (листовыми), но также кручеными лопатками. Та-
5* 131
1,2(120)--Wa8m-
1.1(110) -~Q9(90r 0,7(70).
0,10
-1,6(160)13(130) - „т
1,9(190) ------------------
(80)
-1,1(110)09(90)--(70)
1,8(180)-~t5№fe(120)---
1,7(170) -УВД------'l90>
11(110)-
1,6(160)-_№30)
1'Ж0>-^20^
19(190)-___________
13(130) - j ..
11,00>~-0,8(80)_____./5q)
Подача ,1-пыс м3/ч
Рис. 55. Аэродинамическая характеристика вентилятора серий В при частоте вращения 1460 мин-1
кие вентиляторы № 12,5 с частотой вращения 960 мин-1 установлены в сушильном туннеле «Валмет» (см. рис. 40), V = = 18 м3/с.
Для смазывания подшипников вентиляторов, работающих при температуре выше 100 °C, применяют натриевые консистентные смазки УТ, УТс, УТВ-1-13, УТВ-2-13 и др. с температурой каплепадения около 130 °C, а при температурах до 80 °C — кальциевые смазки УСс, УС-1, УС-3 и др.
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности конструкции и работы бесколосниковых полуга-зовых топок в сушильных установках?
2. В каких условиях работы топки на древесном топливе получаются бездымные топочные газы?
3. Что такое калорифер? Для чего он предназначен?
4. Почему недопустима задержка конденсата в калориферных трубах?
5. Как должен монтироваться калорифер из ребристых труб, чтобы в них ие застаивался конденсат?
6. Почему недопустима задержка конденсата в паропроводных и конденсатных трубах? Что такое гидравлический удар?
7. Какова конструкция пластинчатого калорифера?
132
8. В чем заключаются преимущества и недостатки калорифера, монтируемого из ребристых труб?
9. То же — пластинчатого калорифера? Условия его применения.
10. Изложите принцип действия поплавкового конденсатоотводчика.
И. Изложите принцип действия термостатного конденсатоотводчика.
12. То же — термодинамического.
13. Что такое калориметрирование конденсата? Как оно осуществляется? Его производственная значимость?
14. Каковы последствия от неисправности конденсатоотводчиков при эксплуатации сушильной установки?
15. Изложите принцип действия центробежного вентилятора.
16. То же — осевого вентилятора.
17. Что такое аэродинамическая характеристика вентилятора?
18. В чем заключается подобие вентиляторов при расчетах подачи, давления воздуха и их мощности?
Глава 6. ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
В ЛЕСОСУШИЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
§ 33. Измерение температуры
Термометры. Основной параметр процесса сушки, подлежащий измерению, — температура воздуха в сушильных установках; при проведении исследований иногда измеряют температуру высушиваемой древесины. В этих целях используют термометры. Принцип действия жидкостных термометров общеизвестен.
Ртутные технические термометры (ГОСТ 2823— 73). Наиболее пригодны прямые приборы со шкалой из молочного стекла от 0 до 100 °C или от 0 до 150 °C. Допускаемая их погрешность при покупке ± 1 °C. Длина верхней части 240 мм, нижней — переменная: / = 60, 100, 160 мм и т. д.; их диаметры соответственно равны 20 и 8 мм (рис. 56, а). В производственных условиях более удобны приборы с короткой нижней частью (60 и 100 мм).
Не рекомендуются угловые термометры, они хрупки и ненадежны в работе. Во избежание порчи ртутных термометров нельзя резко их подогревать, а также нагревать выше температуры, обозначенной на шкале. Не рекомендуется применять термометры с пробкой, залитой гипсом, пропускающим влагу, которая портит шкалу; более надежны в эксплуатации приборы с герметически закрытой стеклянной оболочкой.
Контактные термометры (рис. 56, б) применяют для автоматического отключения с помощью реле электрического нагревателя при достижении заданной температуры в зоне контактного термометра. Это достигается действием двух контактов, впаянных в капилляр термометра, идущих от реле, включенного в цепь электрического нагревателя. Максимально допускаемый ток через столбик ртути 1; 0,5 и 0,15 А при напряжениях соответственно 6; 12 и 24 В. Вращающейся магнитной головкой, действующей через стекло прибора, один из контак-
133
Рис. 56. Приборы для измерения температуры:
а — технический термометр; 1 — баллон; 2 — капилляр; 3 — шкала; 4 — оболочка; б — электроконтактный термометр с магнитной головкой; в — манометрический термометр; а —термопара; д — график характеристик термопар
тов может перемещаться в капилляре, настраивая прибор на требуемую температуру.
Манометрические термометры (рис. 56, в) представляют собой металлический баллон, заполненный легкоки-пящей жидкостью. Баллон соединен посредством длинного металлического капилляра с полой пружиной на другом конце, заполненной жидкостью или газом, подключенной к стрелке. При нагревании или охлаждении баллона давление в системе по капилляру дистанционно воздействует на пружину и стрелку (или перо) прибора. Эти термометры ненадежны в условиях агрессивной среды сушильных камер.
Термометры сопротивления. Принцип их действия основан на возрастании электрического сопротивления проводника при его нагревании. Чувствительным элементом служит длинная, тонкая, питаемая током изолированная проволока, чаще медная, намотанная на цилиндрический стержень. Посредством соединительных проводов проволока дистанционно подключается к одному из плеч мостовой схемы вторичного прибора— логометра или автоматического уравновешенного моста. Система прибора нуждается в тщательном расчете сопротивле
134
ний присоединительных проводов и подгонке (юстировке) сопротивлений всей системы при монтаже.
Термоэлектрические термометры (термопары) действуют на принципе возникновения электрического тока в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, если один спай подогреть. Для измерения электродвижущей силы (ЭДС), почти пропорциональной разности температур горячего и холодных спаев, в цепь включается милливольтметр или иной аналогичный прибор (рис. 56, г). Для более точных измерений холодные спаи помещают в среду тающего льда (О °C). Однако в производственных условиях обычно учитывают одинаковую температуру клемм у концов обоих проводников. При равенстве температур спая и других концов проводников показания приборов должны быть нулевыми.
Для измерения температур продуктов сгорания за топкой (до 1000 °C) наиболее применимы термопары из термоэлектродов хромель— алюмель, устанавливаемые во избежание изгибания стержня вертикально; в лабораторной практике (до 400 °C) используют медь — константан. Их термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) при нагревании от 0 до 100 °C соответственно составляет 4,1 и 4,25 мВ. Зависимость ЭДС от температуры дана на диаграмме 56, д.
Оптический пирометр. Прибор позволяет на расстоянии 0,5... 5 м определять температуру пламени или поверхности раскаленных твердых тел. В его основу положено сравнение яркости излучения исследуемого тела с излучением нити, питаемой током, лампочки накаливания, находящейся внутри прибора.
Накал нити, регулируемый реостатом, изменяют до тех пор, пока ее цвет не сольется с фоном исследуемого накаленного тела, наблюдаемого через прибор. По силе тока, проходящего в этих условиях через нить, на шкале прибора отсчитывают температуру исследуемого тела.
Ошибки при измерениях температур. Ошибки могут возникать вследствие неточности самого прибора, неточности отсчета его показаний, а также из-за неправильной его установки.
Размещение прибора в сушильных камерах у охлаждаемой стены или вблизи двери приведет к заниженным отсчетам температур. Наоборот, расположение прибора в более нагретом потоке воздуха или рядом с калорифером (особенно в неореб-ренной части — ребра гасят излучение) способствует дополнительному нагреванию прибора.
В ряде случаев теплота отводится или подводится по корпусу самого прибора. Поэтому при установке в трубе чувствительную часть прибора направляют навстречу измеряемому потоку.
При измерении температуры доски термометр (термопару) следует заделать в кромку доски на значительную глубину, параллельно пласти, уплотнив отверстие древесиной.
§ 34. Измерение психрометрической разности воздуха
Схемы психрометров. Принцип действия и исходная схема психрометра рассматривались ранее (см. рис. 7, б). На рис. 57, а показан переносный психрометр со стаканчиком 7для воды, а на рис. 57, б, в, г — переносные психрометры с большими запасами воды в баллонах 3. Последние три прибора (с баллонами) применяются только при температуре окружающего их воздуха ниже 100 °C, в противном случае вода будет выдавливаться из баллона возникающим в нем паром.
Настенный психрометр (рис. 57, б) широко применяют в промышленности. Ограждающим коробом шкалы термометров отделены от воздуха камеры и при открывании дверки 8 удобны для отсчета температур по открытым шкалам 1 и 2.
В потолочном психрометре (рис. 57, е) вода подается из баллона 3 лишь когда при понижении уровня воды в стаканчике 7 откроется нижний конец трубки и в баллон пройдет снизу вверх пузырек воздуха. Поэтому соединительная резиновая трубка, как и латунная 6, должна быть диаметром не менее 8 мм и не иметь перегибов.
Так как точность показаний термометров ±1°', то величину психрометрической разности отсчитывают с отклонением ±Г от истинной ее величины. При сушке толстого материала, и тем более твердых пород, в начале процесса из-за такой неточности может произойти растрескивание древесины или, наоборот, задержка его просыхания. Поэтому оба термометра в каждом психрометре должны быть парными по показаниям их температур в рабочем диапазоне шкал. Это достигается подбором попарно из всей партии имеющихся в наличии термометров путем их нумерации и выдержки 1,5... 2 ч в нагретой мешалке с водой или в действующей камере со стабильной в этот период времени температурой воздуха.
Термометры со временем «стареют», поэтому при сушке пиломатериалов, склонных к растрескиванию, ежеквартально сверяют в психрометрах парность термометров. Для этого снимают марлю, вытирают мокрый термометр и оставляют оба термометра на указанное время в постоянных температурных условиях, наблюдая за их показаниями.
Отсчет по шкалам в вертикальном их положении будет ошибочным, если смотреть на шкалу сверху или снизу. Направление взгляда во всех случаях должно быть перпендикулярным к шкале в точке отсчета.
Вода для психрометра применяется только конденсатная (из контрольных кранов), хорошо отстоявшаяся, лучше профильтрованная через вату. Использование водопроводной, даже кипяченой, воды приводит к быстрой порче накипью фитиля мокрого термометра и, следовательно, ошибкам в его показаниях. Ошибка, как правило, происходит в сторону уменьшения психрометрической разности, что ведет к форсированию процесса 136
Рис. 57. Психрометры:
а — переносный со стаканчиком; б, в, г — переносные с баллонами воды; д — настенный стационарный; е — потолочный; ж — сбоку на вентиляторе; / — термометр; 2— мокрый термометр; 3 —-баллон; 4 — отверстие диаметром 7. . .8 мм; 5 — хомутики; 6 — латунная трубка; 7 — стаканчик; 8 — дверка; 9 — лампочка; 10 — короб; // — стенка вентилятора; 12 — коробка к вентилятору; 13 — теплоизоляция
сушки по сравнению с заданным. Поэтому возникает опасность растрескивания древесины; в этих условиях работы камеры марля в психрометрах всегда должна быть свежей. Марлей обертывается не только баллон термометра, но и участок на 30 мм выше него. Расстояние от поверхности воды до мокрого термометра примерно 30 мм.
При низкой температуре и малой скорости воздуха возникает заниженная психрометрическая разность. Поэтому на Складах пиломатериалов состояние воздуха измеряют психрометром Асмана, снабженным вентиляторчиком или пращевым психрометром (перемещаемым в воздухе). Насыщенность пара в воздухе находят по /d-диаграмме методом, показанным на рис. 7.
ЦНИИМОД разработал систему дистанционного психрометра из двух термометров сопротивления ТСМ-10 и подвода
137
Рис. 58. Подача воды к дистанционному психрометру:
1— воронка для избыточной воды; 2— шланг; 3 — подвод конденсата; 4 — дверка; 5 — ручка стакана; 6 — резиновое уплотнение; 7 — выдвижной стакан; 8 — теплоизоляции;
9 — термометр; 10 — предохранительная рамка; И — мокрый термометр; 12 — крышка к ванночке с продольной щелью длиной 8 мм; 13 — ванночка
конденсата к мокрому термометру (рис. 58). Число камер до десяти. Провода смонтированы по трехпроводной схеме в стальных трубах и через щеточные переключатели подведены к лого-метру. Ток подводится от сетевого источника питания ИСП-2, прилагаемого к логометру. При монтаже прибора необходимо пользоваться инструкцией.
Переднюю стенку стакана желательно заменить на нетеплопроводную. В ней следует предусмотреть закрываемое осевое отверстие для периодической сверки показаний прибора с показаниями контрольного прибора.
§ 35. Измерение скоростей и давлений воздушных потоков
В лесосушильной технике имеет существенное значение выявление скоростей воздуха в каналах, соплах, в штабеле материала и т. п., а также давлений потока, создаваемых работающими вентиляторами.
Скорость воздуха может быть измерена непосредственно анемометрами, имеющими вертушку, зубчатые передачи и циферблат. По конструктивному выполнению различают приборы крыльчатые, с плоскими лопатками, и чашечные, метеорологические, с полусферическими чашечками (рис. 59, а, б). Диапазон измерения скоростей воздуха крыльчатым анемометром АСО-3 составляет 0,5... 5 м/с, а чашечным — 1... 30 м/с: при более высоких скоростях приборы портятся.
138
Зона избыточного давления
Рис. 59. Приборы для измерения скорости воздуха:
а — анемометр крыльчатый; б — анемометр чашечный; в — диффузор к крыльчатому анемометру; г — датчик термоанемометра; Л 2 — нити накала; 3 — опоры нитей; 4 — ручка; д — U-образные манометры
Скорость воздуха в штабеле измеряется крыльчатым анемометром, соединенным с диффузором (рис. 59, в), вставляемым между кромками досок на выходе воздуха из штабеля.
Малые скорости воздуха дистанционно измеряют термоанемометрами с компактными датчиками в виде платиновой нити, нагреваемой током (рис. 59, г). Сопротивление нити зависит от ее температуры, обусловленной скоростью омывающего ее воз
139
Духа. По показанию Гальванометра с помощью тарирйвочной кривой определяют скорость воздуха. Прибор с двумя нитями, расположенными под углом 8... 10°, позволяет измерять не только скорость, но и направление воздушного потока. Экспериментальная база института «Уралпромстройпроект» изготавливает полупроводниковые термоанемометры ЭА-1М и ЭА-2Мдля измерения скоростей воздуха в диапазоне 0... 5 м/с.
Для выявления значительных Скоростей воздуха в воздуховоде удобен метод измерения их по величине создаваемого потоком динамического давления //д, мм вод. ст., из соотношения
Дд —pu2/(2g), откуда о = 4,4д///д/р, (46)
где g = 9,81 м/с2.
В условиях работы сушильных камер, когда плотность воздуха р близка к 1, возникает простое соотношение п=4,4у//д. Например, если Нл= 25 мм вод. ст., то скорость воздуха будет п=4,4-5,0 = 22 м/с.
Для измерения величины Нк можно применить простой прибор — U-образный манометр (рис. 59, д), состоящий из согнутой трубки (заливаемой водой), к одному концу которой подсоединяется резиновая трубка с угловым (Г-образным) наконечником. Если отверстие наконечника направить навстречу потоку воздуха, будет замерено (на дощечке с миллиметровкой) полное давление потока Н. При положении всего наконечника перпендикулярно потоку воздуха замеряется Нст — статическое давление. Разность Н—НСТ = Нд, т. е. динамическое давление потока.
Динамическое давление можно выявить одним отсчетом, если второй конец трубки залитого водой манометра подсоединить дополнительной резиновой трубкой к небольшому, диаметром 1...2 мм, отверстию в измеряемом воздуховоде, как это показано на средней схеме подключений приборов (рис. 59, 5). Левая схема показывает замер статического давления. Динамическое давление, выраженное в паскалях, будет //д=рп2/2.
Для расчета или измерения объема перемещаемого воздуха V, м3/с, следует его скорость v умножить на площадь F, м2, поперечного сечения потока, т. е.
V — vF. (47)
Например, площадь поперечного сечения воздуховода 0,5 м2, а скорость v — 22 м/с, тогда V=22 • 0,5= 11,0 м3/с.
§ 36. Измерение влажности древесины
Весовой метод. О влажности партии материала судят по влажности характерных его проб. Наиболее точный метод определения влажности древесины заключается в непосредственном установлении количества удаленной влаги до и после оконча-
140
Рис. 60. Графики процесса сушки с автоматической записью усадки штабеля: /, tM — кривые температур по сухому и мокрому термометрам; У — кривая усадки штабеля
тельного высушивания образца древесины. Этот метод называется весовым. Для ускорения опытов, а также сохранения древесины ее влажность часто определяют косвенно, исследуя какое-либо свойство древесины, зависящее от влажности, например плотность, электропроводность, усушку и др.
По весовому методу из доски на расстоянии не менее десятикратной толщины от торца вырезают образцы длиной 1 ... 1,5 см по направлению волокон. В образцах не должно быть сучков, избыточной смолы, коры, заусенцев и т. п. Их немедленно взвешивают (масса mi) на технических весах с точностью 10 мг, а затем помещают на 6... 8 ч в термостатный сушильный шкаф при температуре в нем 101... 105 °C, взвешивая затем через каждые 2 ч до достижения постоянной массы т^.
141
Влажность w вычисляют с точностью до 1 % по формуле (18).
Для ускорения высушивания образцов температуру в сушильном шкафу иногда повышают до 130 °C, а образец после начального взвешивания раскалывают на тонкие пластинки; древесина не должна потемнеть. Этот способ менее точен.
Электрический метод. Большинство электрических влагомеров основано на изменении омического сопротивления древесины в зависимости от ее влажности. Для измерения влажности доски в ее внутреннюю пласть (более влажная зона) внедряют иглы прибора на глубину 0,2 толщины доски так, чтобы ток проходил вдоль волокон древесины; на шкале прибора отсчитывается ее влажность. Точность измерения влажности в диапазоне 7... 30 % около 0,1, а в диапазоне 30... 60 % —около 0,2 от измеряемой величины (см. рис. 17, б).
На предприятиях используют электровлагомер ЭВ-2К с двумя диапазонами влажности — 7... 30 и 30... 60 %; к прибору дается инструкция (завод «Камоприбор», г. Камо Армянской ССР).
Дополнительная неточность метода заключается в локальности измерения влажности (лишь между иглами).
Метод усадки штабеля. Наиболее простой метод определения средней влажности древесины — измерение усадки штабеля. На рис. 60 показаны графики сушки сосновых досок сечением 25X 100 мм (для мебельного производства) с нанесением основных параметров сушильного процесса и .автоматической записью величины усадки. Этот метод не получил широкого применения, так как здесь возникают отклонения усадки из-за влияния различных по реологической характеристике прокладок, толщины и ширины материала даже одной и той же породы, режимов сушки и др. Однако в условиях атмосферной сушки пиломатериалов, уложенных без прокладок, усадка штабеля, замеряемая в определенном диапазоне его высоты, будет достаточно точно характеризовать среднюю текущую влажность древесины.
§ 37. Автоматизация процесса сушки пиломатериалов
Исходные предпосылки. В приборостроении разработано большое количество систем автоматических регуляторов различных тепловых процессов. Эти приборы пригодны к использованию для регулирования сходных процессов в ряде производств. Однако применительно к сушке пиломатериалов необходимые приборы отсутствуют. Основные причины: сложность сушильного процесса, многообразие высушиваемых сортиментов пиломатериалов, а также различных тепловых аэродинамических систем сушильных установок и др. Применяют только терморегуляторы, поддерживающие постоянные температуры t и tK или лучше t и А/ в течение определенного этапа сушки, без программного регулирования.
142
Применяемые способы регулирования тепловых процессов не учитывают напряжений, развивающихся в высушиваемой древесине, и их закономерностей. Именно напряжения вынуждают по ходу сушки увлажнять материал или интенсифицировать процесс лишь по внешней оценке состояния древесины. Поэтому правильнее регулировать этот процесс не по времени сушки или по убыли влажности материала, а по знаку и величине возникающих в нем внутренних деформаций (см. рис. 28, в). Только тонкие сортименты мягких древесных пород, не подвергающиеся растрескиванию при существующих режимных условиях ведения процесса, могут высушиваться без ручного подрегулирования (т. е. без учета внутренних деформаций в древесине).
Сущность автоматического регулирования температур. В регуляторе имеются: 1) датчик, например контактный термометр, воспринимающий импульс от регулирующей среды: 2) координирующая система; 3) исполнительный механизм, воздействующий на включатель, вентиль или заслонку, через которые пропускается управляемый поток энергии (тепла).
В регуляторах прямого действия исполнительный механизм перемещается за счет энергии, получаемой от датчика: в регуляторах непрямого действия исполнительный механизм приводится в движение энергией постороннего источника, включаемого датчиком.
Примером регулятора прямого действия служит устройство, показанное на рис. 61, а, автоматически поддерживающее на постоянном уровне температуру в сушильном шкафу. Биметаллическая спираль или пластинка 1 при охлаждении изгибается свободным концом кверху и, соприкасаясь с контактным винтом 2, подает ток в электрокалорифер 3, а при повышении температуры в шкафу изгибается книзу и выключает ток. Желательную в шкафу температуру, измеряемую термометром 4, устанавливают, поворачивая винт 2.
Термостатический сушильный шкаф с регулятором непрямого действия показан на рис. 61, б. При повышении температуры ртуть в контактном термометре 5 поднимается, включает свою цепь и воздействует на реле 6, которое выключает ток, поступающий в электрокалорифер 3. При понижении температуры в шкафу ртуть в контактном термометре опускается, разрывает свою цепь, и реле включает электрокалорифер. На рис. 61, в дана схема с более мощным электрокалорифером 3, который включается промежуточным реле 7, и контактным термометром 5.
В сушильных туннелях с паровыми калориферами применяют регулятор прямого действия (рис. 61, а), в котором датчиком является термобаллон 11, заполненный вместе с капилляром 10 и сильфонной (гармониковой) мембраной 8 легко-кипящей жидкостью. При нагревании термобаллона, находящегося в потоке воздуха, поступающего к материалу, в мембране 8 возникает давление, воздействием которого шток 9 закрывает
143
2zov
а О
Z
Рис. 61. Автоматические регуляторы температуры воздуха:
а — электрический регулятор прямого действия; б, в — электрические регуляторы непрямого действия; г — манометрический регулятор прямого действия (РПД); 1 — биметаллические пластинки; 2— контактный винт; 3 — электрический калорифер; 4 — термометр; 5 — контактный термометр; 6 — реле; 7 — промежуточное реле; 8 —- сильфонная мембрана; 9 — шток; 10 — капиллярная трубка; 11 — термобаллоя; 12 — регулирующий клапан
регулирующий клапан 12 подачи пара в калорифере; после этого термобаллон охлаждается и цикл регулирования повторяется.
Дистанционный контроль температур в сушильных камерах с применением термометров сопротивления (см. рис. 58) должен осуществляться во всех крупных и средних сушильных цехах. Дистанционно конечную влажность высушиваемой древесины выявляют различными методами: по взвешиванию контрольных отрезков, закладываемых в штабель или подвешиваемых сбоку него (желательно экранируемых); по регистрируемой усадке штабеля; по разности температур воздуха и высушиваемой древесины; по разности температур на поверхности и в центре доски: по разности температур воздуха у входа и выхода внутри штабеля; по изменению электрических свойств высыхающей древесины и др. Каждый из них имеет недостатки. Эта задача еще сложнее (но более актуальна) применительно к процессу туннельной сушки пиломатериалов.
Состав лаборатории. В лаборатории сушильного отделения должно быть следующее оборудование и приборы: термостатические сушильные шкафы для температур 105... 140 °C, лабораторные технические весы на нагрузку до 200 г с разновесами, торговые (чашечные) весы на нагрузку 5 и 10 кг с разновесами, электровлагомеры для древесины, приспособления для раскалывания образцов, анемометры крыльчатые (АСО-3) и чашечные (метеорологические), манометры ТНЖ и U-образные, трубки запасные резиновые и стеклянные, часы настенные, лупа, штангенциркуль, логарифмические линейки, счетные приборы, термометры технические со шкалой до 100 °C (с запасом не менее 50 % общей потребности), термометры лабораторные, тиски для закрепления разделываемых образцов, пила-ножовка. В лаборатории должен быть шкаф с ячейками—, по числу сушильных камер. В нем должны храниться в течение не менее года все образцы по измерениям внутренних деформаций, полученным при окончании сушки пиломатериалов. Образцы паспортизируются в момент их изготовления (дата, номер камеры, начальная и конечная влажность, виды деформаций, их величина, размеры и масса образца, а также записанные немедленно при контроле параметры конечной влаготеплообработки материала).
Контрольные вопросы
1. Какова точность показаний стандартных стеклянных технических термометров?
2. Какие термометры применяются в лесосушильной технике? Расскажите об их особенностях и условиях применения.
3. Как изготовить переносный психрометр? Откуда брать воду?
4. Почему надо подбирать парные термометры для психрометра?
5. Как сверить показания термометров в производственных условиях? На каком диапазоне шкалы проводится сверка?
145
6. Как устроен настенный (с дверцей) психрометр в сушильных камерах?
7. Как устроен и действует дистанционный психрометр?
8. Что за прибор пирометр? Как он действует?
9. Как изготовить U-образный манометр?
10. Как измерить с помощью U-образного манометра и трубок скорость и объем воздуха, перемещаемого в воздуховодах?
11. Что за приборы анемометры? Каковы пределы их действия?
12. Как измеряется влажность древесины в производственных условиях?
13. Как было бы желательно автоматизировать сушку пиломатериалов?
14. Каков принцип работы автоматических регуляторов прямого действия?
15. То же — непрямого действия?
16. Какие приборы и оборудование должны быть в сушильной лаборатории?
Г л а в а 7. ФОРМИРОВАНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ШТАБЕЛЕЙ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
§ 38. Технология укладки пиломатериалов для сушки
Назначение прокладок и их размеры. Сушильный штабель пиломатериалов состоит из горизонтальных рядов досок, разделенных по высоте межрядовыми прокладками. Прокладки выполняют следующие функции: образуют щелевые зазоры для передвижения через штабель нагретого воздуха, отдающего влажной древесине теплоту с одновременным удалением из штабеля этим же воздухом испарившейся влаги; зажимают доски между прямыми прокладками массой лежащего выше в штабеле материала для предотвращения коробления досок во время сушки; скрепляют большое количество досок в общую для них транспортную единицу в форме штабеля с целью удобного его передвижения и высушивания.
Таким образом, по каждому из этих трех назначений прокладки выполняют важную роль. Они должны удовлетворять ряду требований: быть прочными, одинаковых размеров (особенно по толщине), иметь стабильные свойства в переменных температурных условиях и др. Обычно используются деревянные прокладки в форме реек, хотя предпринимались попытки к применению легких, более стойких и прочных, металлических (дюралевых).
Прокладки изготовляются из сухой здоровой древесины легких пород, без сучков, влажностью на 3... 5 % выше конечной влажности высушиваемой древесины, сечением 25X40 мм с допусками по толщине +1 мм, а по ширине ±5 мм. При сушке широких пиломатериалов в камерах с естественной циркуляцией воздуха применяют прокладки сечением 40X40 мм с допусками ± 1 мм. Допуск по длине (соответственно типовой ширине штабеля) ±10 мм.
В условиях эксплуатации прокладки ежемесячно проверяют по толщине, допуская их смятие на 2 мм. Износившиеся про-
146
Рис. 62. Способы укладки пиломатериалов в штабель:
а, б — калибры для проверки новых и использованных прокладок; в — внд штабеля сбоку; г — упорная стенка сбоку формируемого штабеля; д — фиксатор для соблюдения вертикальности рядов прокладок; е — габаритный штабельный шаблон; ж, з — укладка со шпациями необрезных и обрезных досок; и — укладка без шпаций (стрелками показано движение воздуха во время сушки); / — швеллер № 6; 2 — рукоятка;
3 — опора; 4 — стержень; 5 — рычаг
кладки заменяют. Метод проверки: концевые участки прокладок продвигают в щель калибра, который прикреплен к прокладочному контейнеру или переносной стойке. Калибры имеют требуемые пределы допусков (проход 26, непроход 24 мм новых прокладок) (рис. 62, а, б). Калибры изготавливают из толстой листовой стали.
Размещение прокладок в штабеле. Расстояние между прокладками по длине штабеля (шаг прокладок) зависит от древесной породы, толщины, ширины и длины материала, конечной влажности, требуемого качества сушки и длины выпиливаемых, затем сухих деталей. При высушивании пиломатериалов мягких хвойных пород с конечной влажностью 10... 12 % шаг прокладок Ш (рис. 62, в) принимают равным 20-кратной толщине Т досок, т. е. 1И=20Т.
147
При сушке пиломатериалов твердых пород принимают Ш—15Т. Если конечная влажность древесины твердых пород 6...8 %, а сортименты короткие, назначают Ш=\0Т. В случае высушивания хвойных пиломатериалов до транспортной влажности следует принимать Ш — 35Т. Зависимость Ш(Т, wK) при сушке досок хвойных пород более точно можно представить соотношением
5006—• (48)
35 — ю к
Например, при 7 = 50 мм, wK=10 % (для этих досок коэффициент Ь = 1,0) получим Ш= 1000 мм. Для пиломатериалов твердых пород /?~0,75. В случае выпиливания из высушенного материала хвойных пород длинных деталей следует устанавливать & = 0,6... 0,8. Если после сушки пиломатериал разламывается по ширине под вальцами строгальных станков, это свидетельствует об излишнем шаге прокладок. По этой же причине наблюдается после сушки излишняя крыловатость и поперечная покоробленность, а также изгиб заготовок по длине.
По высоте штабеля прокладки во всех рядах располагают точно вертикально, т. е. одну над другой; допускаемый их сдвиг в направлении длины досок — не более половины ширины прокладки (рис. 62, в). При несоблюдении этого требования наблюдается продольный изгиб досок из-за возникновения в пиломатериалах изгибающих моментов. Такой брак стараются исправить расторцовкой искривившегося длинномера и затем сращиванием полученных отрезков по длине, что обходится во много раз дороже, чем соблюдение аккуратности укладки материала в сушильный штабель.
Нижняя прокладка должна находиться над опорным брусом (балочкой) штабеля или над другим жестким основанием. Крайние прокладки у лицевого ровного торца штабеля укладываются заподлицо с торцами досок или заготовок.
Формирование сушильного штабеля. Сушильные штабеля формируются двумя методами — штучной укладкой досок и пакетным методом. Во втором случае пиломатериалы предварительно укладываются в сушильные пакеты высотой 1,3 или 1,5 м, из которых формируется сушильный штабель.
В условиях камерной сушки пиломатериалов беспакетные штабеля обычно предпочтительнее пакетных, так как отпадают операции формирования пакетов, исключается при этом возможность излома или смятия, сдвига или даже выпадения прокладок, несовпадения вертикальности рядов прокладок (в разных пакетах); устраняется излишняя утечка воздуха через зазоры, образованные брусками между пакетами, и др.
При возможной разнотолщинной выпиловке досок одной и той же номинальной толщины более тонкие доски окажутся не зажатыми в штабеле и покоробятся во время сушки. Поэтому точность распиловки досок толщиной более 32 мм (ГОСТ
148
24454—80), подлежащих камерной сушке, должна быть повышена. В противном случае предельно утолщенные и даже утоньшенные доски (±2 мм) надлежит отсортировать и уложить в штабель отдельными рядами. В* этих же целях перед штабелированием желательно калибрование толщины более дорогих пиломатериалов односторонней строжкой.
Рассмотрим способы укладки пиломатериалов в штабель. Для соблюдения вертикальности боковых стенок штабеля на погрузочной площадке устраивают упорные стенки с полками для прокладок (рис. 62, г). Конец стенки, по ходу выкатки погруженного штабеля, дополнительно отдален от рельса на 3...5 см. Правильность положения и уклона этих стенок по отношению к рельсовому пути периодически проверяют габаритным штабельным шаблоном (рис. 62, е) изготавливаемым в виде легкой переносной рамки из реек с ограничителями внизу для установки ее на рельсы. Таким шаблоном выверяют во время ремонта рельсовые пути у всех дверей сушильных камер и туннелей, а также у стенок погрузочной площадки; просевшие рельсы выправляют.
При укладке необрезных досок комлями в одну сторону древесина у вершин пересыхает, а у комлевых концов недосыхает; коэффициент заполнения штабеля будет при этом низкий. Рекомендуется смежные в горизонтальном ряду необрезные доски укладывать комлевыми концами в разные стороны. Кроме того, смежные доски лучше класть попеременно вверх наружной и внутренней пластью, что способствует повышению вместимости штабеля в камерах. Если в ряду не помещается целое число досок, посредине ширины штабеля оставляют зазор.
В случае укладки досок разной длины оба конца штабеля выравнивают. По бокам штабеля кладут более длинные доски, а в середине вразбежку по длине короткие; при этом увеличивается количество прокладок. Свисающие (незажатые) концы досок за пределами штабеля и внутри него будут во время сушки испорчены (покороблены).
Для соблюдения правильного положения прокладок и самого штабеля применяют фиксатор прокладок (рис. 62, д). Его основные детали опора 3 и вертикальные швеллеры 1 № 6, в пазы которых вставляют концы прокладок, накладываемых на погружаемый штабель. Швеллеры 1 открепляются и могут сдвигаться по стержню 4 вдоль штабеля. По окончании укладки штабеля швеллер 1 с помощью рукоятки 2(2') и рычагов 5 отводится от штабеля на несколько сантиметров (Г) и штабель перемещается по рельсам. Фиксатор прокладок устанавливают также сбоку погрузочного лифта (см. рис. 63, б).
Не рекомендуется сдвоенная укладка даже тонких пиломатериалов, так как качество сушки древесины при такой укладке получается низким. Уменьшается и производительность камер.
Как правило, в камеру можно загружать материал только одной породы и толщины. Разные сортименты можно высуши
149
вать вместе только при одинаковой расчетной продолжительности их просыхания, тщательно проверяя процесс. Лишь в камерах с естественной циркуляцией воздуха в верхнюю часть штабеля кладут более толстый материал и по нему ведут режим сушки. При этом достигается основная цель — более равномерное просыхание материала по высоте штабеля.
Доски радиальной распиловки просыхают медленнее остальных той же толщины из того же бревна. К тому же они меньше подвержены растрескиванию и короблению. Их желательно укладывать в верхние 2—3 ряда штабеля.
В камерах с естественной циркуляцией воздуха и в противоточных туннелях (ЦНИИМОД-24-29), при продольной штабелевке, материал укладывают со шпациями. Размер шпаций в середине ширины штабеля в 3 раза шире, чем у боков (рис. 62, ж, з). Более широкие доски кладут с обоих боков штабеля. Ширина всех шпаций в ряду досок должна составлять 30... 35 % ширины штабеля. Обязательно соблюдение вертикальности всех шпаций по всей высоте штабеля, в противном случае материал высохнет неравномерно (более замедленно в местах со слабой вертикальной циркуляцией воздуха—с узкими шпациями).
В камерах со скоростной реверсивной циркуляцией воздуха доски укладывают в штабель без шпаций (рис. 62, и). При укладке брусков желательны небольшие шпации, поскольку все грани брусков при этом будут отдавать влагу и высохнут быстрее, а также равномернее по сечению.
При укладке коротких заготовок их размещают впритык, чтобы торцы взаимно закрывались (кроме заготовок, на концах которых, желательно пересушенных, будет нарезаться шип), а над местом стыка кладут прокладку, чтобы торцы не растрескивались.
Недопустима укладка заготовок «в клетку» (с использованием этих же заготовок в виде прокладок). Следует применять в качестве прокладок, как правило, такие же сухие рейки, как и для укладки досок. Допускается использовать заготовки в качестве прокладок, если их толщина не более 32 мм, а ширина находится в пределах 32... 50 мм при условии расстояния между ними, т. е. шага таких «прокладок», не менее 400 мм. При загущенной укладке заготовок задерживается циркуляция воздуха и удаление влаги из «клетки».
§ 39. Приспособления и механизмы для укладки пиломатериалов
При ручной укладке пиломатериалов из плотных пакетов в сушильные штабеля нормальной высоты (около 3 м) наиболее трудоемко формирование верхней части штабеля. Стоимость ручной укладки пиломатериалов в верхнюю половину штабеля примерно в 2 раза выше, чем стоимость укладки в нижнюю половину.
150
Рис. 63. Устройства и механизмы для формирования сушильных штабелей: а — двухвысотиая погрузочная площадка с электроталью; б — штабельный лифт- в — двухцепной конвейер с концевым подъемником; г-штабелер; д - погрузочная ’ пло-'-транспортные пакеты; 2 - электротальГ 3 - погружаемый шта-вей^п-tCTe1Ka; 5 —меха“изм подъема; 6 — прокладки; 7 — подъемный кон-// .™Т *Й конвейер; 9 — привод конвейеров; Ю — фиксатор прокладок;
// — стойка винта лнфта; 12 — эстакада г ♦ »
9. Техническая характеристика погрузочных лифтов
Показатели Погрузочные лифты
Л-6,5-15 ПВ-20
Грузоподъемность, т Размер платформы, м Ход платформы, м Габаритные размеры приямка (длинах X ширинах высота), м Скорость подъема и опускания платформы, м/с Мощность электродвигателя, кВт 15 6,9X2,2 2,6 7,0X3,0X3,12 0,155 10,0 20 7,2X2,0 2,5 7,25X2,7X3,1 13,2
Для облегчения погрузочных работ рекомендуется формировать штабеля с двух уровней: нижнюю половину укладывать с уровня заводской площадки, а верхнюю — с эстакады (рис. 63, а). Если транспортные (плотные) пакеты находятся далеко от формируемого сушильного штабеля, для их перемещения устанавливают над погрузочной площадкой монорельс, по которому электроталью 2 пакеты подаются к погружаемому штабелю 3 и на эстакаду 12. Грузоподъемность электротали 2... 5 т.
Для поднятия тяжелых досок на штабель применяют двойной наклонный конвейер, верхние концы которого приподнимаются по мере укладки штабеля (рис. 63, в), а также двойной вертикальный конвейер (рис. 63, г).
Универсальным механизмом для погрузки сушильных штабелей являются штабельные лифты (рис. 63, б, д). При этом погружаемый штабель постепенно опускается ниже уровня пола погрузочной площадки по мере увеличения его высоты, чтобы уровень укладки досок был оптимальным (0,6... 0,8 м), что резко повышает производительность труда. Сбоку штабеля устанавливают фиксатор 10 (рис. 63, б) для прокладок (см. также рис. 62,6. Погрузочные лифты Л-6,5-15 (Гипродрев-пром) и ПВ-20 (Гипродрев) имеют грузоподъемность соответственно 15 и 20 т (табл. 9).
Можно также формировать штабель из двух полуштабелей на уровне пола погрузочной площадки. В этих целях полуштабель подвозят по рельсам к траверсной тележке, накатывают на нее и поднимают на 2 м лебедкой траверсной тележки ЭТ-20П (Гипродрев). Затем накатывают на тележку второй полуштабель и, опуская верхний полуштабель на нижний, формируют из двух полуштабелей полный штабель. То же можно выполнить автопогрузчиком, а также электроталью (рис. 63, а). Уже отмечались недостатки такого метода — несовпадение рядов прокладок с изгибом досок при сушке, смятие кромок и даже излом тонких досок у верхнего полуштабеля при его подъеме тросами. В случае использования в целях подъема полу-
152
Рис. 64. Штабелеформирующая машина:
/ — цепной приемный конвейер; 2 — роликовый конвейер; 3 — наклонный подъемник для разборки досок; 4 — приемный конвейер; 5 —наклонный конвейер; 6 — передаточный конвейер; 7 — винтовой роликовый конвейер-концеравннтель; 8— отсекатель поштучной выдачи досок; 9 — конвейер с разновысотной цепью; 10 — роликовый конвей-ер-торцеравнитель; // — конвейер набора щита (плотного и со шпациями); /2 — каретка укладки щита; 13 — кассетное устройство для прокладок; 14 — подъемник; 15 — ленточный конвейер для подачи прокладок; 16 — штабель пиломатериалов
штабеля вилочного автопогрузчика возникает необходимость срединных в штабеле брусков сечением 90x90 мм.
Примерная норма ручной укладки пиломатериалов средней толщины на человека 15 м3/смена, при наличии лифта — 25; норма разгрузки штабелей пиломатериалов без лифта на человека 30, а с лифтом — 50 м3/смена, т. е. с лифтом примерно в 2 раза больше. Лифт для разборки штабеля удобно размещать рядом с соответствующим станком.
В очень крупных сушильных цехах целесообразно применять сложные пакетоформирующие машины, механически укладывающие пиломатериалы в сушильные штабеля высотой до 5 м. Такие машины отрабатываются в промышленности (рис. 64).
§ 40. Механизмы для транспортировки штабелей
Погрузочные треки. Штабель продольно перемещаемых пиломатериалов формируют на двухколесных низких погрузочных тележках (треках), устанавливаемых на рельсы в количестве трех пар (рис. 65, а). На каждую пару треков предварительно накладывают металлические, поперечные к направлению движения треков, балочки 8 (в виде коробки из двух сваренных швеллеров № 8) с уголковыми ограничителями для правильной посадки на треки. На эти балочки укладываются подлежащие сушке пиломатериалы. Длина трека 1700 мм, его высота вместе с балочками 150 + 80 = 230 мм. Все шесть подштабельных треков свободно сочленяются в общую тележку продольными навесными балочками высотою 100 мм. Они имеют на концах парные выступы, между которыми фиксируется опора 9 трека при накладывании на него конца балочки.
Применявшиеся треки длиной 1800 и 1400 мм не удобны для формирования типовых штабелей длиной 6,6 м при укладке тонких пиломатериалов на девяти прокладках. На треке могут быть дополнительные ограничители для балочек. Масса трека
153
Рис. 65. Оборудование для транспортировки штабелей:
а — укладка штабеля на погрузочные треки н схема трека; б — электрифицированная траверсная тележка; / — троллей (или петлеобразный кабель на тросе); 2—штурвал ручной доводки тележки; 3 — привод тележки; 4 — барабан для троса передвижения штабеля; 5 — фиксатор; 6 — привод передвижения штабеля; 7 — рельсовый (верхний) путь; 8 — съемные балочки трека; 9 — опора продольных балочек, соединяющих треки
около 80 кг, масса стальной балочки около 25 кг, а дюралевой (двутавр) 11 кг.
Усилие, необходимое для передвижения штабеля на треках с роликовыми подшипниками, в начале движения составляет в среднем 0,03, а во время движения — 0,02 массы груза (зависит от качества роликов и смазки).
Приводные траверсные тележки. Перед сушильными камерами, а также складами штабелей высушенных и сырых пиломатериалов устраивается в виде неглубокой выемки траверсный путь, ширина которого 6500 мм. Вдоль траверсного пути, по че-
154
10. Техническая характеристика траверсных тележек
Показатели Траверсные тележки л.
ЭТ-6,5 ЭТ-20 ЭТ-20П
Грузоподъемность, т Габаритные размеры штабеля (длинаХширинаХвысота), м Колея рельсового пути, м Длина тележки, м Высота тележки (в выемке), мм Скорость тягового троса, м/с Скорость движения тележки, м/с Питание электродвигателей Подъемная лебедка для полуштабеля 15 6,6X1,9X3,0 1,0 6,5 215 0,13 0,36 Кабель подвесной 20 6,6Х 1,9X3,0 1,0 6,5 215 0,15 0,50 Троллей 20 6,6X1,9X3,0 0,75 6,5 215 0,15 0,50 верхний ПЧ-12
тырем или пяти рельсам, перемещается электрифицированная траверсная тележка (рис. 65, б) с рельсами, поперечными к направлению ее движения. Ее подвижные рельсы являются продолжением рельсов в сушильных камерах и на складах цеха. Длина тележки 6400 мм, ширина рельсовой колеи (расстояние между головками рельсов, а не между их осями) почти во всех камерах и туннелях с продольной загрузкой 1000 мм (табл. 10).
К правильности укладки рельсовых путей в лесосушильных установках предъявляют повышенные требования. Особенно важно соблюдение симметричности прохождения рельсового пути в дверных проемах; не допускается проседание рельсов, их непрямолинейность, неточность ширины пути, излишние зазоры (более 7... 10 мм) до рельсов примыкающей траверсной тележки и т. д.
В коротких сушильных туннелях с поперечной загрузкой штабелей (например, «Валмет») по всей их длине бетонируют четыре ряда роликов (на месте рельсов). По этим роликам на четырех подштабельных шинах (швеллерах) длиной по 1900 мм, являющихся основанием штабеля, происходит поперечное перемещение штабелей вдоль всего туннеля и частично за его пределами.
Трение движения нагруженных роликов примерно в 2 раза меньше, чем трение в колесах нагруженных треков.
Схемы механизации передвижения штабелей. В малых сушильных отделениях с одной или двумя одноштабельными (по длине) камерами траверсные пути можно не устраивать. Достаточно продлить рельсовый путь перед камерами на длину двух штабелей илн забетонировать ряды роликов, применив подштабельные шины, и иметь на них в запасе погруженные штабеля сырых пиломатериалов. Выгруженные из камер сухие пиломатериалы охлаждают и затем разбирают, закатывая в них
155
конвейер
Рис. 66. Схемы передвижения штабелей при различных планировках сушильных цехов:
а — небольшой цех; б — цех из значительного количества камер; в — из туннелей с продольной загрузкой; г — из газовых (и паровых) туннелей; б — из туннелей с поперечной загрузкой; / — траверсный путь; 2 — приводная траверсная тележка;
3 — погрузочный лифт; 4 — электроталь; 5 — путь для возврата треков и прокладок^
6 ~ камеры влаготеплообработки; 7 — швеллеры; 8 — ряды забетонированных роликов
сырые. Штабеля перемещаются при помощи лебедки с блоками.
В небольших сушильных цеха,у устраивают траверсный путь (рис. 66, а). Траверсная тележка' и штабель пиломатериалов могут перемещаться посредством приводной, а также стационарной лебедки с применением блоков. В самой камере блок устанавливают недалеко (около 1,5 м) от дверей для вталкивания в камеру штабелей.
В средних по мощности цехах, со значительным количеством камер, следует применять только приводные траверсные тележки (рис. 66, б), которые обслуживают также склады сырых и сухих пиломатериалов, примыкающих к общему траверсному пути.
В крупных сушильных цехах, состоящих из сушильных туннелей (рис. 66, в), применяют приводные траверсные тележки (на загрузочной стороне можно с порталом ЭТ-20П для формирования штабеля поднятием полуштабеля и подкаткой другого полуштабеля). Внутри туннеля, недалеко от дверей, устанавливают блок, с помощью которого тросом вталкивают штабель сырых пиломатериалов. Этот штабель продвигает вперед на 6,6 м все штабеля, находящиеся в туннеле. На выгрузочной стороне туннелей предварительно удаляют высушенный штабель досок. Здесь имеется второй траверсный путь для перемещения сухих пиломатериалов. Аналогичным методом перемещают штабеля в паровых и газовых туннелях с зигзагообразной циркуляцией воздуха (рис. 66, г).
Метод перемещения штабелей в туннелях с поперечной загрузкой пиломатериалов (рис. 66, д) своеобразен по технике выполнения; в основном он был рассмотрен ранее (см. рис. 40).
§41. Методы прижатия верха штабеля
Материал верхних рядов штабеля, высушиваемый в незажатом состоянии, приобретает покоробленность тем большую, чем ниже его конечная влажность, тоньше сортимент, медленнее процесс сушки и т. п. Необходимо прижать штабель сверху для снижения коробления материала во время сушки, особенно значительного для пяти верхних рядов.
Сила прижатия должна соответствовать массе 5... 10 рядов древесины, что составляет 1,0... 2,5 т на нормальный штабель (большее значение — для твердых пород и толстых сортиментов). Наиболее актуально прижатие низких штабелей нетолстых пиломатериалов с малой конечной влажностью.
В качестве временных мероприятий для прижатия штабеля рекомендуется укладывать на его верх 2—3 ряда бракованных толстых досок. Можно по прокладкам укладывать на штабель 1—3 съемные плиты (желательно составные, гибкие), что удобнее выполнять в конце траверсного пути с помощью приспособлений в виде электролебедки, электротали, укосины и т. п.
157
Рис. 67. Прижимной механизм штабеля:
/ — продольные прижимные пластины; 2—поперечная подвесная балочка; 3 — подвесная балочка; 3~ подвеска; 4 — блок; 5 — рычаг; 6 — опора рычага; 7 — стопорная шайба на цепи; 8 — стопорная заслонка с прорезью для цепи; 9 — цепочка, подсоединяемая к тросу лебедки; 10 — трос лебедки траверсной тележки; 11 — траверсная тележка
Ширина плит около 1600 мм, толщина примерно 80 мм. Поднимаются они цепями, прикрепленными по диагоналям, на расстоянии 0,2 их длины от угла плиты.
По методу ЛТА-ЦНИИМОД рекомендуется прижимать штабель пневмоцилиндрами, размещаемыми на чердаке и скрепляемыми со стенами камер. Под давлением воздуха в верхней части цилиндров их поршни и штоки опускаются вниз и оказывают давление на штабель материала.
ВНИИДмаш разработал механизм для зажатия штабеля гибкими плитами, поднимаемыми и опускаемыми с помощью троса от траверсной тележки (рис. 67). Эта система успешно эксплуатируется ряд лет на ММСК-1. Она не нуждается в дополнительном источнике энергии, чердачном помещении, устройстве отверстий в перекрытии камеры и тщательности обслуживания. Система прижима на двухштабельных эжекционных камерах оказалась в эксплуатации вполне надежной и эффективной. Известны также аналогичные прижимы и для сушильных туннелей (см. рис. 89).
Проекты новых, а также модернизации действующих камер и туннелей должны содержать раздел о прижатии штабелей, если материал высушивается до влажности ниже 18 %.
§ 42. Коробление пиломатериалов.
Меры предупреждения
Характер и условия потерь древесины во время сушки. Сущность основных потерь древесины во время сушки заключается в разнообразной ее формоизменяемости, обозначаемой термином «коробление». Деформированная доска малопригодна для изготовления из нее разнообразной продукции. Возникают большие кусковые отходы древесины, а также потери из-за излишних допусков на строгание, перерасходуется также электроэнер
158
гия для превращения в станках покоробленной древесины в стружку. Возникают различные виды, разновидности и их сочетание структурной покоробленности древесины: поперечная, продольная, на пласть, на кромку, крыловатость и др. Значительная покоробленность высушенной древесины наблюдается в нижней части штабеля — 3... 5 нижних рядов, затем по всему объему штабеля, а наибольшая местная покоробленность происходит в верхних его рядах.
Причина возникновения дефекта — это анизотропия строения древесины; метод предупреждения известен — высушивать материал в плоском, хорошо зажатом состоянии. Из-за излишней покоробленности потери древесины составляют 10... 25 %. Отсюда вывод — надо устранить возникновение брака пиломатериалов по причине коробления древесины во время протекания сушильного процесса. Одна из причин, мешающих устранению этого брака, — крайне медленное, совершающееся незаметное для глаза его протекание в течение нескольких дней.
Меры предупреждения покоробленности материала. В нижней зоне штабеля коробление возникает из-за нежесткого и неровного его основания. В каждом сушильном цехе должны быть поверочные шаблоны в виде тонких досок длиной 6,5 м из прямослойной древесины, без сучков, с профугованными кромками. Прикладывая кромки таких шаблонов к подготовленному основанию штабеля перед началом укладки первого ряда досок, выявляют его прямолинейность и даже плоскостность (замер по диагонали основания). Этим же шаблоном периодически должны проверяться прямолинейность рельсов в сушильных камерах. Повсеместно применяемые деревянные брусья под основание штабеля быстро изнашиваются, теряют толщину, их следует заменять на металлические балочки (см. рис. 65, а, 8, 9).
По всему объему штабеля коробление пиломатериалов предупреждается установлением надлежащего шага прокладок, соблюдением вертикальности рядов прокладок одинаковой толщины и т. п., как это излагалось в § 38.
Нельзя направлять в сушку штабеля с некачественно уложенными пиломатериалами; их необходимо переложить. Обязанность ОТК предприятий — проверять качество укладки пиломатериалов и давать разрешение на загрузку штабелей в сушильные камеры или туннели. На каждой погрузочной площадке надлежит иметь инструкцию по правильной укладке пиломатериалов в сушильные штабеля.
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой (по назначению) сформированный сушильный штабель пиломатериалов?
2. Какие три главные цели достигаются при специальной укладке пиломатериалов в сушильный штабель?
3. Как происходит движение воздуха внутри штабеля?
4. Как должны размещаться прокладки в штабеле?
159
5. Каковы размеры прокладок? Каковы допустимые отклонения в их толщине?
6. Как проверяют толщину прокладок?
7. Почему пе рекомендуется применять сдвоенную по толщине укладку досок в штабель?
8. Можно ли укладывать в штабеля доски разных размеров (по длине, ширине и толщине)?
9. Каковы особенности укладки заготовок в штабель?
10. Какая часть штабеля наиболее трудоемка для формирования?
11. Что за машина — погрузочный лифт? Принцип его действия?
12. Почему облегчается работа с применением погрузочного лифта?
13. Как формируется штабель из полуштабелей? Каковы преимущества и недостатки такого формирования штабеля?
14. Как устроен погрузочный трек?
15. Сколько треков устанавливается под штабель?
16. Как из треков сформировать подштабельную тележку?
17. Какой главный дефект сушки возникает при небрежной укладке досок в штабель? Какой ущерб возникает из-за этого дефекта сушки? Как его предупредить?
Г л а в а 8. РЕЖИМЫ КАМЕРНОГО ПРОЦЕССА СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
§ 43. Общие закономерности процессов сушки
По трудности высушивания, опасности растрескивания и тщательности наблюдения все пиломатериалы можно разделить на три группы: легкосохнущие (2... 5 сут), среднесохну-щие (5... 15 сут) и трудносохнущие (более 15 сут). К легкосох-нущим относятся пиломатериалы из мягкой древесины хвойных и лиственных пород (см. табл. 3) толщиной до 32 мм; к средне-сохнущим можно отнести толстые сортименты мягких и тонкие твердых пород; трудносохнущие — толстые сортименты твердых пород.
Следует выделить пиломатериалы быстросохнущие, с продолжительностью процесса до 2 сут, толщиной 16, 19 и отчасти 22 мм. Эти пиломатериалы не растрескиваются, их желательно высушивать наиболее жесткими из практически достижимых ре-жимами сушки. В таких условиях они обнаружат меньшую величину усадки, а также покоробленности. При их сушке не требуется общепринятого наблюдения за процессом в существующих камерах — лишь бы были соблюдены конечные требования к качеству сушки. Следовательно, режимы сушки для этих сортиментов в типовых установках могут и должны быть упрощенными.
Наоборот, для трудносохнущих сортиментов режимы сушки должны назначаться многоступенчатыми, с учетом сложной физической закономерности процесса, и выполняться они должны с особой тщательностью и квалифицированными операторами. При этом сушильные камеры должны быть хорошо герметизированы и утеплены. В противном случае в материале возникнут наружные трещины и раковины (внутренние полости).
160
Двухстадийность процесса сушки пиломатериалов. Древесина как упруго-вязкое вещество характеризуется двухстадийностью протекания процесса сушки. В первой стадии растягивающие упругие деформации (Напряжения) возникают в поверхностной зоне, а во второй стадии — во внутренней зоне материала (см. § 17, 18). Более опасно возникновение наружных трещин (в первой стадии). Двухстадийность процесса наглядно показана на рис. 19, 28 и 29.
В связи с этим при составлении и назначении режимов сушки, а также наблюдении зафеально протекающими процессами особое внимание необходимо уделять первой стадии процесса сушки. Именно в этой стадии, и особенно в первой ее части, возникает дополнительная необходимость включить в контроль процесса р а з в и т и е упругих и остаточных деформаций в древесине (см. рис. 19) за счет снижения требований к контролю во второй стадии сушки, когда опасность растрескивания материала отсутствует.
С учетом реологических свойств древесины как объекта сушки возрастает актуальность перевода сушильных туннелей на более эффективный двухстадийный процесс сушки. В первую очередь это относится к туннелям с продольной загрузкой материала. Простая схема такого усовершенствования показана на рис. 39. В этих условиях туннельный процесс сушки окажется более эффективным по сравнению с камерным 3-ступенчатым и для сушки пиломатериалов твердых пород (с добавлением крайне простой камеры влаготеплообработки, см рис. 43).
Параметры режима сушки. К параметрам режимов сушки пиломатериалов относятся температура, психрометрическая разность и скорость воздуха в штабеле.
Температура воздуха оказывает влияние на влагопроводность и на физико-механические свойства древесины, т. е. на процессы, протекающие в высушиваемом материале.
Психрометрическая разность предопределяет величину теплового потока от воздуха к влажному материалу и, следовательно, скорость испарения влаги. Психрометрическая разность характеризует протекание процесса на поверхности материала.
Скорость воздуха оказывает решающее влияние на равномерность просыхания материала в объеме штабеля, предопределяя качество сушки древесины. С повышением скорости воздуха продолжительность сушки сокращается за счет уменьшения или практического исключения отстающих по просыханию зон в объеме штабеля.
Особенности режимов сушки. Все режимы сушки пиломатериалов характеризуются высоким влагосодержанием воздуха при значительной температуре по мокрому термометру (в диапазоне 60... 70 °C для тонких сортиментов и 40... 50 °C—для толстых сортиментов твердых пород). В последних условиях
6 Заказ № 3190
161
влагу в воздухе кирпичных камер стараются удержать, сохранить в их рабочем пространстве.
По мере снижения влажности высушиваемой древесины повышается как температура, так и психрометрическая разность воздуха. В камерах со слабой циркуляцией воздуха в начале процесса поддерживается повышенная, примерно в 1,5 раза, психрометрическая разность по сравнению с ее величиной в камере со скоростной (и>2 м/с) циркуляцией воздуха.
Для массовой сушки пиломатериалов хвойных пород наиболее пригоден туннельный противоточный, двухстадийный процесс, а для очень тонких материалов (например, тарные дощечки, шпон и древесные частицы) прямоточный. Сушка пиломатериалов перегретым паром не может быть рекомендована к применению вследствие значительного ухудшения прочностных свойств древесины.
Мягкие режимы сушки (^=^50 °C), предназначенные для сушки экспортных пиломатериалов, не рекомендуются для внутрисоюзного применения из-за относительной длительности процесса и трудности сушки толстого материала до низкой влажности; кроме того, не происходит стерилизации древесины от внутренних биологических поражений (грибов и насекомых); нежелательна также двойная укладка материала (для досушки).
В целях сравнения разных режимов используют понятие «жесткость режима сушки», под которым подразумевается величина психрометрической разности А/, умноженная на 3yzтпри той же текущей влажности древесины. Например, если А^= з - —
= 10°С, а расчетная т = 8 сут, то жесткость будет 10|/ 8 = 20еди-ниц; но для более короткой продолжительности т, т. е. более тонкого материала, этот режим будет уже более мягким: так, если т=1 сут, то жесткость режима при А^=10 °C составит 10-1 = 10 единиц (жесткости).
§ 44. Трехступенчатые камерные режимы сушки
В табл. 11 приведены трехступенчатые режимы камерной сушки пиломатериалов лиственных пород (по РТМ ЦНИИМОДа, данные МЛТИ). В этих режимах повышаются параметры воздуха по мере снижения влажности древесины до заданной величины, при которой процесс сушки переводится на следующую ступень с большей температурой t и психрометрической разностью А/ (на входе воздуха в штабель).
Номера режимов сушки повышаются от 2 до 10 по мере последовательного снижения их жесткости. В пределах каждого номера режимы подразделяются по индексации А, Б, В, Г и Д с нарастанием психрометрической разности. Всего в табл. 11 содержится 33 режима. Они характеризуются в основном постоянной температурой по мокрому термометру в пределах каж-162
Ila. Выбор по табл. 11 трехступенчатых режимов сушки для различных пород древесины и толщины пиломатериалов листвеииых пород (по РТМ)
Порода Категория режима Толщина пиломатериалов, мм
до 22 св. 22 до 32 св. 32 до 40 св. 40 до 50 св. 50 до 60 св. 60 до 70 св. 70 до 75 св. 75 до 100
Береза, ольха н з-д 4-Г 4-В 5-В 6-Б 7-Б 8-Б 9-Б
ф 2-Д З-Г 3-В 4-В — — — —
Осина, липа, то- н з-г 3-Б 4-Б 5-В 6-В 7-В 8-В 9-В
ПОЛЬ* ф 2-Г 2-Б 3-Б 4-Б — — —
Бук, клен н 3-В 4-В 5-В 5-Б 6-Б 7-А 8-Б —
ф 2-Г 3-Б 4-В — — — — —
Дуб, ильм н 5-Г . 6-В 6-Б 7-Б 8-Б 9-В 10-Б —
ф З-Г 4-В 5-В — — — — —
Орех н 5-В 5-Б 6-Г 6-Б 7-В 8-Б 9-В —
Граб, ясень н 6-В 6-А 7-Б 8-Б 8-Б 9-В 10-В —
* Выбор режимов сушки древесины указанной группы пород является ориентировочным и может уточняться на основании производственного опыта.
дого режима. В табл. 11а приводится выбор этих режимов сушки для различных пород древесины и толщины пиломатериалов.
В табл. 12 приведены трехступенчатые камерные режимы сушки пиломатериалов — из сосны, ели, пихты и кедра.
В расписаниях РТМ содержатся также «форсированные» режимы сушки. Их применение нежелательно, так как они снижают прочность древесины до 20 % на скалывание и раскалывание.
Неудобство пользования этими режимами МЛТИ заключается в том, что их нумерация не согласуется с продолжительностью сушки материала. Ранее длительное время более эффективно использовались промышленностью режимы ЦНИИМОДа, в которых номер выбранного режима заранее устанавливал ожидаемую (расчетную в сутках) продолжительность сушки сортимента с учетом многолетнего опыта, накопленного промышленностью.
Следует также отметить недостаточность количества (три) переходных ступеней для сушки толстых пиломатериалов, тем более твердых пород. По исследованиям Львовского лесотехнического института при применении этих режимов возникает частичный брак сушки, выражающийся в среднем 3,1 р. на 1 м3 высушенной древесины. В нормативных режимах ЦНИИМОДа рекомендуется применять для трудносохнущих пиломатериалов до шести режимных ступеней (см. табл. 15). Для тонких же не-растрескивающихся пиломатериалов достаточно двух и даже
164
Г
1' w РТМ) о 76 и 100 1 55 и 2 58 и 5 75 и 22 1 1 1
ы и кедра ( | 61 и 75 1 64 и 3 68 и 7 85 и 24 73 и 4 78 и 9 98 и 29
, ели, пихт териалов толщиной, мм <£> ! 51 и 60 1 71 и 4 75 и 8 85 и 24 83 и 5 88 и 10 ПО и 32
— из сосны из 41 и 50 73 и 5 77 и 9 96 и 27 87 и 6 92 и 11 115 и 36
и ных пород i для пилома 33 н 40 75 и 5 80 и 10 100 и 30 90 и 7 95 и 12 120 и 37
риалов хвой 1омер режима СО 1 26 и 32 режимы (И 79 и 6 84 и 12 105 и 32 ё 3 Ж S к <и а. 92 и 8 97 и 13 123 и 39
сушки (t и Л/) пиломате С9 1 23 н 25 Гормальные 79 и 7 84 и 12 105 и 33 4) X X X X о Ом X 92 и 10 97 и 15 123 и 41
1 ДО 22 83 и 9 88 и 14 ПО и 36 сх о е 94 и 11 99 и 16 125 и 42
режимы 3 UUU ООО у иу ООО
<у 3 X Q. 0) X i S л та Е < < < XXX <<< XXX
о
f 3 Л У X о с >» <v Q. Ь- Влажность ТПРИРСИИЫ. % >35 35 ... 25 <25 >35 35 ... 25 <25
сч
д.
ГУ цэ ю сч ю — 00 СЧ ’Ф —
й \/ Л7 И 19 XXX о ю о со с© Ь. XXX О СО О ь. о
2
X С © <© о сч ю сч
Ф X X X S S 2 Л6 51 и S X X о ю о 00 со ь* XXX СЧ 00 ю Ь- СП
О) 3 X л ч 03 X X О) е 00 РТМ) ЛОВ толщиной, Л5 41 и 50 СП — XXX о ю о со «О Ь- СО 00 СО сч XXX ю о о Ь- 00 о
2 X X О) S X с 3 X X X X X а & X 1Я пиломатериа 33 н 40 с> о ю — сч ххх ю о ю ON.S 00 Tf 00 СЧ XXX ю о о ь. 00 О
o' X X tT> X X 1 древесины л< мер режима д/ Л3 1 26 и 22 жимы (Н) 70 и 6 75 и 15 80 и 25 е S X * о 0) 3 X X <я а о 5 о 82 и 4 87 и 8 108 и 29
S а> X X X ч X X о Kf материалов из Но Л2 23 и 25 эрмальные ре 70 и 8 75 и 15 | 80 и 25 90 и 7 96 и 11 110 и 30
о с х" о ч X X О) X ле камерные режимы сушки пило. Л1 1 ДО 22 1 X ю ю СП — сч XXX о ю о Ь- ь. 00 е СЧ сч Ci — со XXX О 00 сч СП Ci —
S о ч X X X X S X ч tl Параметры иии ООО <<< XXX ООО ООО <<< XXX
4) X X X У 4> S X а-Ц ср С а. 13. Трехступенчат! Влажность древесины, % >35 35 ... 25 <25 >35 35 ... 25 >25
165
одной ступени. Применение только трех ступеней для всех сортиментов не имеет обоснования.
Особенности режимов сушки пиломатериалов из лиственницы. Древесина этой породы характеризуется необычайно большой разностью тангентальной и радиальной усушки и высокой плотностью (см. табл. 3), поэтому при сушке лиственницы возникает особая опасность ее растрескивания в начале сушильного процесса, тем более для толстых (выше 32 мм) сортиментов.
Вследствие необходимости оперировать в этот период сушки с очень малой психрометрической разностью (А^=1...2 °C) предпочтительно применение режимов с прерывистой циркуляцией воздуха, позволяющих поддерживать большее значение психрометрической разности в рабочем пространстве сушильной установки.
В табл. 13 приведены режимы камерной сушки пиломатериалов из лиственницы. При туннельной сушке параметры воздуха на разгрузочном конце туннеля аналогичны, а на загрузочном А^<1 °C.
§ 45. Туннельные режимы сушки
В табл. 14 (по РТМ) приведены режимы сушки пиломатериалов мягких пород в паровых и газовых туннелях до конечной влажности 10...12 и 18...22 %. Температуру воздуха регулируют на выгрузочном (сухом) конце туннеля, где нагретый воздух поступает к сухому материалу; желательно в интервале времени между загрузками штабелей температуру слегка повышать. На загрузочном (сыром) конце туннеля оба параметра воздуха беспрерывно меняются — нарастают во времени.
По величине психрометрической разности на загрузочном конце, замеренной перед новой загрузкой штабеля, выявляется достаточность количества воздуха, подаваемого к материалу; с его увеличением психрометрическая разность возрастает и наоборот. Этим режимам свойственны следующие недостатки.
Не разработаны метод и техника необходимого изменения подачи воздуха к материалу, что создает трудности для производственников в управлении процессом сушки и он остается мало регулируемым.
При сушке одного и того же материала как в камерах, так и в туннелях не согласованы между собой параметры соответствующих режимов сушки.
Температура по мокрому термометру (см. табл. 14) одинакова для всех толщин пиломатериалов (69 °C). Однако толстые пиломатериалы подвергаются более длительному температурному воздействию, для них температуру необходимо уменьшить, особенно в первой стадии сушки, когда влажная зона в доске больше снижает прочность от перегрева. Для визуальной оценки уменьшения прочности древесины могут
166
14. Туннельные режимы сушки пиломатериалов из древесины сосны, пихты, кедра
Номер и индекс режима Средняя конечная влажность древесины, % Толщина пиломатериалов, мм Состояние сушильного агента в разгрузочном конце туннеля Максимальная психрометрическая разность Д(2 в загрузочном конце при начальной влажности древесины
°C ДЦ, °C ф более 50 % до 50%
Нормальные режимы
8-Н 10 . . 12 До 22 102 33 0,25 7 9
9-Н 10 . . 12 Св. 22 до 25 100 31 0,28 6 9
10-Н 10 . . 12 » 25 » 32 97 28 0,31 5 8
11-Н 10 . . 12 » 32 » 40 94 25 0,35 5 8
12-Н 10 . . 12 » 40 » 50 91 22 0,39 5 8
13-Н 10 . . 12 » 50 » 60 87 18 0,46 4 7
14-Н 10 . . 12 » 60—75 84 15 0,51 4 6
Форсированные режимы
1-Ф 10 . . 12 До 22 112 35 0,26 7 10
2-Ф 10 . . 12 Св. 22 до 25 ПО 33 0,28 6 10
3-Ф 10 . . 12 » 25 » 32 107 30 0,31 5 9
4-Ф 10 . . 12 » 32 » 40 104 27 0,34 5 8
5-Ф 10 . . 12 » 40 » 50 101 24 0,38 5 8
6-Ф 10 . . 12 » 50 » 60 98 21 0,43 4 7
7-Ф 10 . . 12 » 60 » 75 95 18 0,48 4 7
служить: большее потемнение в середине сечения сторцованной доски по сравнению с цветом периферийной зоны; более шероховатая поверхность пропила в зоне с меньшей прочностью древесины; более тупой, ровный излом образца (в виде карандаша, лучины) древесины, потерявшей прочность.
В промышленности используется разнообразная сушильная техника с неодинаковым состоянием сушильных установок, разными условиями их эксплуатации, физическим содержанием фактически реализуемых процессов сушки и методами контроля, характеристиками высушиваемого материала. В виду этого в каждом сушильном хозяйстве необходимо изучать и совершенствовать сушильные процессы, накапливать опыт по оптимизации проводимых режимов сушки применительно к местным условиям.
§ 46. Пути совершенствования режимов сушки
Режимы сушки с прерывистой циркуляцией. Особенности таких режимов сушки заключаются в периодическом прекращении побудительного движения воздуха по материалу с поддержанием повышенной психрометрической разности во время циркуляции (по сравнению с обычными режимными условиями). При этом имеется в виду тепловая инерционность древесины при кратковременных изменениях состояния воздуха; среднее тепловлажностное внешнее воздействие воздуха на ма-
167
тёрйал Должно быть таким же, как и без перерывов в циркуляции воздуха.
Область применения режимов сушки с прерывистой циркуляцией воздуха — обезвоживание материала с продолжительностью процесса более 3... 4 сут летом и 4... 5 сут зимой в сушильных установках со скоростью воздуха в штабеле более 1,5 м/с. При скоростях воздуха в штабеле выше 3 м/с методом прерывистой циркуляции должны высушиваться практически все пиломатериалы.
Принципиальным основанием для применения перерывов циркуляции воздуха является задерживание общей скорости сушки пиломатериалов определяющим, внутренним процессом (медленным подводом влаги из центра материала к поверхности), а не координируемым внешним (тепло- и массообменом на поверхности материала).
Во время перерыва циркуляции воздуха временно приостанавливается испарение влаги на самой поверхности материала, но продолжается ее движение из внутренних слоев к поверхности и снижение в них напряжений, т. е. определяющие процессы сохраняются в полной мере.
Операторам-сушильщикам хорошо известны необходимость и трудность снижения, торможения внешних тепло- и массо-обмена (на поверхности материала). В этих целях приходится поддерживать малую величину психрометрической разности иногда ценой расходования увлажнительного пара из котельной, порчи оборудования (ржавление из-за малой величины АО, насыщения влагой ограждений камер и т. п. Осуществлять это наиболее трудно при сушке толстых сортиментов, древесины твердых пород, особенно лиственницы.
С применением прерывистой циркуляции для средне- и трудносохнущих сортиментов снижается расход электроэнергии (в 2... 3 раза) и кардинально улучшается качество (равномерность влажности) высушенной древесины по объему штабеля. Обнаруживается высокая целесообразность применения новой техники (камеры УЛ-1 и УЛ-2) с большими скоростями воздуха — до 5 м/с. Такие установки не только обеспечивают высокое качество сушки древесины, но экономически эффективны по расходу электроэнергии.
В табл. 14 приводятся по работам ЦНИИМОДа 2—6-ступенчатые нормативные режимы сушки с длительностью цикла 60 мин. Длительность пауз для скоростей воздуха 2... 3 м/с 0,5... 0,7, следовательно, работа вентиляторов будет продолжаться 0,5... 0,3 в пределах цикла.
Паузы в работе электродвигателя осуществляются командным электроприбором КЭП-12У.
При сушке растрескивающихся сортиментов длительность цикла снижают до 30 мин с сохранением его соотношений.
В табл. 15 приводится метод выбора из табл. 14 номера режима сушки в камерах со скоростной реверсивной циркуля-168
Примечания: 1. Д—психрометрическая разность при прерывистой работе вентиляторов (в периоды циркуляции воздуха); , , Д/ — психрометрическая разность в условиях непрерывной работы вентиляторов (нормативные режимы). 2. Длительность циклов 60 мин. Например, в последней колонке вентилятор работает 60—40 = 20 мин (из 60), а в четвертой 60—24 = 46 мин (из 60).
16. Выбор по табл. 15 режима сушки пиломатериалов по 11 качественной категории в камерах со скоростной реверсивной циркуляцией воздуха
Толщина, мм ' Номер режимов сушки для пиломатериалов
из ели и пихты из сосны и кедра из березы и ольхи из бука, ясеня, клена, лиственницы из дуба
19 . . . 22 2 2 3 4 5
23 . . . 25 2 3 3 6 8
26 . . . 32 3 3 4 8—10 12
33 . . . 40 3 3 5 12 15
41 . . . 50 3-4 4 6 15 20
51 . . . 60 4-5 5 8 . 20 30
61 . . . 75 5—6 6 10 30 —
цией воздуха для II качественной категории. Для I категории номер берется строчкой ниже, а в камерах с естественной или слабой побудительной циркуляцией воздуха — строчкой выше.
Особенностью табл. 15 является согласование номера (цифры) режима с расчетной (ожидаемой) продолжительностью сушки (в сутках). Это способствует лучшему представлению и проведению регулирования процесса сушки во времени с установлением срока его окончания.
Для приближенного планирования во время процесса сушки по отдельным ступеням уменьшения влажности древесины можно пользоваться следующими длительностями ступеней (считая диапазон времени для снижения влажности от 60 до 12 % за единицу), базирующимися на логарифмической закономерности.
Диапазон снижения влажности,
%........................ 60-12 80-60 60—40 40—30
Коэффициент продолжительности сушки ............. 1,0 0,18 0,25 0,18
Продолжение
Диапазон снижения влажности, \
%........................ 30—20 20—15 15—12 12—8 8—6
Коэффициент продолжительности сушки ............. 0,25 0,18 0,14 0,25 0,18
Табл. 15 универсальна, по ней достаточно точно можно назначать параметры туннельного процесса сушки. Для этого из табл. 16 выбирается номер соответствующего режима (например, № 5 для сосновых досок толщиной 51 ...60 мм) и затем из табл. 15 внизу колонки 5 отсчитывается психрометрическая разность для сухого конца туннеля Л/ = 31 °C, температура же / = 31-1-60 = 91 °C (цифра /м = 60 в той же колонке). Психрометрическая разность на загрузочном конце 6 °C (верхняя цифра в этой же колонке) при начальной влажности древесины wH = = 40%. То же относится и к туннельному процессу сушки (см.
170
Рис. 68. График нормативных режимов сушки 3, 5, 8 и 15:
линии АТ, ВХ, СУ и DZ — для двух, трех- и четырехступенчатых режимов в I стадии сушки; кривые TH, ХМ, УК и D.Z — во II стадии сушки материала
рис. 80) с прерывистой циркуляцией воздуха. Этот процесс при промежуточной добавке воздуха, регулируемого по температуре и количеству для загрузочного (т. е. сырого) конца туннеля (см. рис. 39) и дополнительному его подогреванию калорифером 6 для сухого конца (т. е. второй стадии сушки), превращается в двухстадийный, аналогичный регулируемому камерному процессу. Такое взаимосвязанное рассмотрение обоих процессов целесообразно как в учебно-методическом отношении, так и для производственников (в целях изыскания и реализации резервов по коренному совершенствованию технологии и техники в отношении туннельных режимов сушки).
На рис. 68 графически показаны в координатах психрометрическая разность — время, а также нормативные режимы сушки № 3, 5, 8 и 15. Добавление для каждого режима постоянной температуры по мокрому термометру из табл. 15 определит температуру процесса сушки.
Прямыми горизонтальными отрезками показаны ступени I стадии сушки. Во II стадии нет необходимости соблюдать точную величину психрометрической разности, существенно, однако, чтобы материал не подвергался перегреву. С постепенным понижением влажности высушиваемой древесины температуру воздуха следует повышать (обозначено кривыми пунктирными линиями).
В автоматизированном процессе для I стадии сушки вместо ломаных линий AET, BFLX и др. правильнее вести режим по
171
наклонным прямым АТ, ВХ......DZ, а во II стадии — возможно
по оптимальным кривым с учетом границы опасного температурного воздействия на прочность древесины.
§ 47. Сущность конечной влаготеплообработки
Вернемся к рассмотрению схем на рис. 28. По мере снижения средней влажности высушиваемой древесины (верхний ряд схем по направлению вправо) кривые влажности по толщине материала постепенно спрямляются. Это равнозначно уменьшению перепада влажности между средней зоной и поверхностью материала по мере его просыхания.
По окончании сушки материала последнюю (справа) кривую влажности стремятся получить прямой горизонтальной, гак это показано на схеме 5.
Во втором ряду на рис. 28 показано развитие упругих деформаций (напряжений), выявляемых раскалыванием отобранных из материала образцов в те же моменты сушки, для которых получены кривые влажности.
Во II стадии процесса (схемы 8—10) величина растягивающих деформаций в средней зоне материала сперва возрастает (от схемы 8 к схеме 9), а затем, к концу процесса, уменьшается, желательно до нуля т. е. 2/->0, как это изображено на схеме 10.
В третьем ряду показано развитие разностных по толщине материала остаточных (пластических) деформаций. Образцы отбираются в те же моменты сушки, но выдерживаются, обычно в сушильном шкафу, для выравнивания влажности по их объему.
В I стадии процесса (левая сторона на рис. 28) остаточные деформации нарастают (схемы 11, 12 и 13), достигая перед II стадией процесса максимума (схема 13), а затем постепенно снижаются. Конечной целью производственного процесса будет достижение нулевой их разности, т. е. 2/->0 (схема 15).
Желательные итоговые результаты (схемы 5, 10 и 15) достигаются по окончании процесса сушки материала путем его дополнительного прогрева без сушки с возможностью некоторого увлажнения для большей пластификации древесины. При этом возникает выравнивание влажности древесины по объему штабеля; выравнивание влажности древесины по сечению сортимента; снятие упругих деформаций в сечении материала, а также выравнивание остаточных деформаций.
Продолжительность и технологический режим такой конечной влаготеплообработки древесины зависят от ряда факторов. Основные из них: характеристика увлажняющего пара; скорость и равномерность циркуляции воздуха по материалу; частота его реверсирования; герметичность тепло- и влагоизоля-ции ограждений (стен, дверей и др.); плотность и другие особенности древесной породы; толщина высушиваемых досок;
172
требуемое качество сушки материала; величина конечной влажности и температуры древесины; характеристика проведенного в камере режима сушки; величина внутренних деформаций в конце сушки и другие факторы.
Ориентировочная продолжительность конечной влаготеплообработки тв составляет 3... 6 % продолжительности т сушки данного материала и определяется по формуле: тв = «т, где а — коэффициент. Если т — в сутках, а тв — в часах, то в среднем величина ах 1,0 ... 1,5.
Например, при продолжительности сушки материала т= = 25 сут продолжительность обработки составит 25 ч; коэффициент а корректируется по местным условиям с учетом отмеченных и других факторов.
Материал, подвергавшийся конечной влаготеплообработке, приобретает внутреннюю стабильность по размерам и форме. Это относится как к целым образцам (доскам) древесины— стабильным во времени, так и к его частям при проведении механической обработки (разделке на заготовки, строгании, фрезеровании и т. и.). Такой же цели (стабильности) достигают и в других производствах, например при изготовлении изделий из стекла (термометров), продукции из различных металлов, облицовывания стружечных плит в деревообработке и т. п. Часто такой процесс (релаксацию напряжений) упрощенно называют «выдержкой». Конечная влаготеплообработка значительно улучшает качество высушиваемых пиломатериалов.
Следует иметь в виду, что при очень малой психрометрической разности воздуха в камере (менее 1 °C) во время влаготеплообработки происходит коррозия оборудования, а также арматуры в железобетонном перекрытии. Желательно выдерживать А(>2 °C. По этой же причине следует в последующем медленно охлаждать камеру. Коррозия ускоряется при сушке древесины лиственных пород.
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются параметры процесса сушки пиломатериалов в сушильных камерах и в туннелях?
2. Что означают термины «противоточный» и «прямоточный» процессы циркуляции воздуха по материалу?»
3. Каким из этих процессов высушивают доски и каким — частицы для древесностружечных плит? Почему?
4. Что определяет термин «жесткость» режима сушки?
5. Какое воздействие оказывает на пиломатериал повышенная температура воздуха?
6. То же — повышенная и пониженная психрометрическая разность?
7. То же—-скорость воздуха внутри штабеля материала?
8. Какие камерные режимы сушки называются одно-, двух-, трех и многоступенчатые? Что означает здесь термин «ступень»?
9. Как изменяется в режиме сушки температура воздуха при увеличении толщины материала (22, 25, 32 мм и т. д.)?
10. То же — по мере уменьшения (при сушке) влажности материала (50, 30, 20 % и т. д.)?
173
11. В чем заключается отрицательное воздействие на древесину значительных температур, например выше 70, 80, 90 °C и т. д.?
12. Почему тонкие пиломатериалы можно высушивать при более высоких температурах, чем толстые?
13. Какова цель влаготеплообработки высушенных пиломатериалов?
14. Как определить правильное завершение конечной влаготеплообработки пиломатериалов?
15. Как влияет режим влаготеплообработки на сохранность оборудования сушильных камер?
Глава 9. ПРОВЕДЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
§ 48. Подготовка оборудования и материала к проведению процесса сушки
Дефекты оборудования сушильных камер. Перед пуском камеры в работу проверяют герметичность закрывания дверей и устраняют неплотности, чтобы до возможного предела снизить неорганизованный воздухообмен, приводящий к потере тепла и влаги из воздуха, т. е. нарушению режима сушки. Все двери должны быть снабжены прижимами, желательно винтовыми, хорошо герметизированы во всех створах и особенно тщательно вверху и внизу (через щели вверху теплый воздух и влага утекают из камеры, а внизу в нее подсасывается холодный воздух).
При сушке ответственных толстых сортиментов древесины возникает необходимость даже в промазывании неплотностей в створах дверей тощей глиной после каждого их закрывания.
Воздухообменные отверстия и заслонки в кирпичных камерах, используемых для сушки толстых пиломатериалов и тем более твердых пород, во избежание излишнего воздухообмена следует заделать наглухо, а вертикальные каналы — даже в двух местах (внизу и вверху).
Уязвимое место тепловой системы паровых сушильных установок— конденсатоотводчики. В них дефекты скрыты, не наглядны; не обнаруженные длительное время, они наносят большой ущерб производству. Конденсатоотводчики нуждаются в систематической проверке, как это было изложено в § 30.
Наличие гидравлических ударов в виде громких и резких металлических звуков в системе калорифера, особенно при пуске в него пара, показывает на скопление в нем воды и частичной его закупорки из-за несоблюдения уклона труб. При этом часть калорифера, заполненная водой, не греет (но нагрета от окружающего воздуха). Ее легко выявить, если действующий калорифер поливать в разных местах струйкой воды. Участок калорифера, на котором вода не вскипает, заполнен конденсатом, его следует перемонтировать.
174
Для сохранения должной теплоотдачи калорифер следует ежеквартально очищать от мусора, пыли и ржавчины.
Аэродинамика камер. Недостаточные скорости, а также неравномерное распределение воздуха в штабелях материала возникают по многим причинам, в том числе из-за паразитного перетекания воздуха мимо штабеля. В связи с этим перед пуском камеры необходимо экранировать возможные места утечки воздуха. Следует устроить постоянные поворотные экраны у концевых участков штабелей. То же относится и к подштабельному и надштабельному зазорам.
По ряду причин (см. § 32) иногда наблюдается ухудшение подачи воздуха вентиляторами-в штабеля материала. Наиболее вероятная и опасная из них — снижение частоты вращения вентиляторов обслуживающим персоналом для облегчения их работы. Многие ошибочно считают, что если вентиляторы вращаются и возникает шум, как внешний эффект, то процесс сушки протекает нормально независимо от частоты их вращения.
Однако оптимальная скорость v воздуха в штабеле зависит от расчетной продолжительности сушки материала т: чем быстрее просыхает материал (тонкие сортименты мягких пород), тем больше скорость воздуха.
т, сут............................. <2 2 ... 5 5 ... 15 >15
v, м/с......................... 5 ... 3 3 ... 2 2 ... 1,2 1,2 ... 0,8
Для медленно просыхающих сортиментов, отдающих в 1 ч небольшое количество влаги, скорости воздуха в штабеле должны быть пониженными (правая сторона цифровых строк). Увеличенные скорости воздуха не опасны для материала, но перерасходуется электроэнергия. При сушке по 1 качественной катеюрии скорости воздуха повышают на 20... 30 %.
Контрольные отрезки и образцы. Для наблюдения за скоростью просыхания и установления момента окончания сушки материала в штабель закладывают два контрольных отрезка длиной около 1 м. Их размещают в местах наиболее интенсивного и замедленного просыхания материала.
Контрольные отрезки отбирают из досок, вырезанных вблизи сердцевины бревна, без сучков и приготовляют по схеме рис. 69. Их среднюю начальную влажность определяют по двум образцам по формуле (18), которые отпиливают с концов отрезка, удалив предварительно торцовую части доски, равную примерно 10-кратной толщине материала.
Зная начальную влажность wH, вычисляют массу абсолютно сухой древесины щс в отрезке. Начальная его масса т» складывается из массы абсолютно сухой древесины тс и переменной массы влаги. Первая из них находится по формуле
mc= 100тн/(100 + &ун). (49)
175
Рис. 69. Схема вырезки контрольного отрезка и образцов:
а — вырезка контрольного отрезка и образцов: 1 ~ образцы для определения влажности; 2 — образец для определения деформации; 3 — образец послойной влажности; размер 250—для тонкого материала, 400 —для толстого; б — вырезка образцов послойной влажности из досок толщиной до 32 мм (3 слоя) и более 32 мм (5 слоев); в — то же из брусков толщиной до 60 мм и более 60 мм; г — откалывание слоев внутренних деформаций; д — деформация слоев в I стадии сушки; е, ж — то же во II стадии сушки Т/3 из тонких и 775 у толстых досок
По неизменной массе абсолютно сухой древесины тс и переменной текущей массе т контрольного отрезка во время сушки находится его влажность w для любого момента сушки, в том числе и перед ее окончанием,
w= 100(m—тс)/тс. (50)
Здесь в числителе — масса воды в отрезке, а в знаменателе — масса абсолютно сухой древесины [см. аналогичную формулу (18)].
Контрольные отрезки материалов, опасных по растрескиванию, взвешивают во время сушки ежедневно и строят кривую сушки w (см. рис. 27, а), поддерживая плавность ее хода регулированием процесса. Отрезки нерастрескивающихся материалов, а также при туннельной сушке взвешивают лишь перед окончанием процесса.
Торцы образцов покрывают густо затертой масляной краской или лучше утепленной изнутри тонкой жестью. Они просыхают быстрее, чем доски в штабеле. Дополнительно закладывают более длинный отрезок с целью вырезки во время сушки образцов для измерения внутренних деформаций (см. рис. 28), рассматриваемых далее.
В эжекционных камерах воздух распространяется обычно равномерно по длине и высоте штабеля, но скорости его недостаточны. Причина этого — малая подача воздуха вентилято
176
ром, который следует заменить современным Ц4-76 № 12 в соответствии с проектом Гидродревпрома. Желательно увеличить выходное отверстие трапециевидных сопел до (60—40) 300 (вверху ширина 60, внизу 40 мм, высота 300). Оси сопел должны быть горизонтальны и совпадать с горизонтальной осью камеры смешивания (высотой около 600 мм). Не должно быть выпавших сопел. Воздух не должен выходить из отключенного ряда сопел, что выявляется прикладыванием к отверстию тонкого листа бумаги, экранируемого фанерным щитом со стороны действующих сопел. В противном случае герметизируется реверсивная заслонка. Динамическое давление воздуха, выходящего из сопел (см. рис. 59, д), должно быть не менее 30 мм вод. ст.
Во всех сушильных установках (камерных и туннельных) перед закаткой штабеля для сушки проверяют правильность укладки пиломатериалов с учетом требований к качеству сушки. Желательно, чтобы эту проверку осуществлял ОТК, разрешающий (с записью в журнале) допускать сушку с выполненной укладкой пиломатериалов. Все штабеля снабжаются бирками, на которых надписывают их порядковые номера и количество материала. В сушильных туннелях проверяется также исправность калориферов, транспортных средств и особенно герметичность дверей на сухом конце.
§ 49. Техника прогрева древесины перед сушкой
Наблюдение за прогревом толстого материала. Цель прогрева материала — повысить влагопроводность древесины, чтобы влага интенсивно перемещалась из центральной зоны к поверхности досок. Поэтому их сушка не должна начинаться до полного прогрева (сквозного по толщине досок). Это значит, что температура в центре сечения досок до начала сушки должна быть не ниже температуры по мокрому термометру психрометра для I ступени процесса.
Внутренняя поверхность стен камеры и ее оборудование при закатке влажного материала должны быть нагреты сухим воздухом, чтобы на них не конденсировалась влага. На холодном материале также может конденсироваться влага, поэтому вначале его прогревают сравнительно сухим воздухом с постепенным увлажнением путем пуска увлажнительного пара в рабочее пространство камеры. Здесь необходимо достигать такого режима прогрева, чтобы на нагреваемом материале влага значительно не конденсировалась (т. е. не доувлажняла его) и не испарялась с его поверхности (т. е. не подсушивала).
Режим нагрева материала разных сортиментов в различные сезоны года устанавливают путем периодического взвешивания во время прогрева (через 1... 3 ч) контрольного отрезка, сохраняя примерно постоянную его массу во время прогрева с отклонением не более 2 %.
177
Температуру в камере повышают с максимальной интенсивностью— это безопасно для материала. Затем ее поддерживают постоянной, на 5... 8 °C выше температуры, заданной для I ступени сушки. Психрометрическая разность постепенно уменьшается. Если масса контрольных отрезков возрастает, воздух несколько осушают, т. е. увеличивают психрометрическую разность, и наоборот.
Продолжительность прогрева материала. Время окончания прогрева можно установить по показанию термометра или термопары, заделанной в центральную часть нагреваемого сортимента через кромку. Ориентировочно продолжительность прогрева составляет 1 ... 1,5 ч летом и 1,5... 2 ч зимой на каждый сантиметр толщины материала, считая от момента достижения в камере заданной температуры для прогрева древесины.
По окончании прогрева в кирпичных камерах не рекомендуется принимать срочные меры по удалению из камеры избытка влаги, если психрометрическая разность постепенно увеличивается и без приоткрывания воздухообменных заслонок. С понижением температуры влажный материал будет интенсивно выделять влагу даже в полностью насыщенный пар в воздухе поскольку давление пара у нагретой влажной древесины будет больше, чем давление пара в воздухе. Поэтому из-за усушки поверхностной, быстро охлаждаемой зоны доски материал может растрескиваться даже в воздухе при ср =1,0.
При колебаниях температуры в камере опасными для растрескивания будут периоды не повышения, а понижения температуры, когда уменьшается давление пара в воздухе, но сохраняется еще повышенное давление пара на поверхности материала. Поэтому переход на режимные условия сушки после окончания прогрева материала должен быть постепенным и проводиться с большой осторожностью. Необходимо опасаться охлаждения еще влажного, толстого материала в I стадии сушки.
Опасность растрескивания древесины создают не температурные (очень малые), а влажностные (во много раз большие) деформации древесины, возникающие в I стадии процесса, при зональной (наружной, т. е. лицевой пласти доски) усушке. Имеется в виду влажностная деформация В за вычетом остаточной деформации О (см. размер У на рис. 29).
§ 50. Техника управления процессом сушки. Влаготеплообработки
Выявление параметров воздуха. Отклонения температуры воздуха от заданной не имеют большого значения. Они могут допускаться в пределах ±2 и даже ±3 °C, а при сушке материала с невысокими требованиями к качеству сушки ±4... ... 5 °C.
178
К поддержанию же психрометрической разности предъявляются более строгие требования. Отклонение психрометрической разности от заданной допускается для трудносохнущих материалов в I стадии процесса ±0,1, а для среднесохнущих ±0,2 ее величины. Это значит, что при заданной величине психрометрической разности 5 °C в условиях сушки мебельных пиломатериалов (II категория) допускаются ее отклонения в диапазоне 4,5... 5,5 °C. Вследствие принципиальной важности достаточно точного поддержания заданной величины психрометрической разности необходима периодическая тщательная сверка парности термометров в психрометре (см. §34).
Возникает необходимость уточнения методов контроля параметров воздуха для трудносохнущих сортиментов в I стадии процесса с расчетной продолжительностью сушки более 15 сут в камерах со скоростной побудительной циркуляцией воздуха. В этих условиях рекомендуется применять лабораторные термометры с ценой деления шкалы 0,1 °C и температурным интервалом шкалы до 50 °C. Для изготовления психрометра лабораторные термометры также подбираются парными, но с точностью измерений 0,1 °C.
Такие психрометры применяются дополнительно к обычным (из технических термометров) при сушке пиломатериалов преимущественно твердых пород с психрометрической разностью в начале процесса менее 5 °C. Их замена на технические психрометры должна быть своевременной, так как при поднятии столбика ртути выше шкалы на приборе давлением ртути разрывается баллон термометра.
Наблюдение за состоянием материала. В первую очередь наблюдают за состоянием материала по возникновению трещин на свежих торцовых срезах. Возникшие трещинки обводят цветными карандашами, наблюдают за их развитием и возникновением новых. Затем могут появиться пластевые трещины; однако они плохо заметны в досках, уложенных в штабель. Лучше видны торцовые трещины, переходящие в пластевые и в раковины.
Для предупреждения растрескивания материала необходимо наблюдать за развивающимися внутренними деформациями, выявленными измерением стрелы прогиба, отделенного от образца наружного слоя (рис. 69, г, д) толщиной 3... 6 мм (меньшее значение — в самом начале процесса). Такой слой откалывают одним ударом молотка по приложенному к образцу острому ножу с прямым лезвием; его можно отрезать также ленточной пилой с мелкими зубьями по начерченной линии на торце образца.
В I стадии сушки материала концы отделенного слоя немедленно отгибаются наружу от прямой линии (схема д на рис. 69), а во II стадии наружу отгибается середина длины слоя (схема е). Рассмотрим схему ж.
179
При одинаковом радиусе кривизны отколотого слоя, т. е. одинаковых внутренних деформациях по его длине, величина стрелы прогиба f в производственном ее диапазоне будет пропорциональна квадрату длины I слоя, т. е. ширине доски Ш. Тогда приведенный градиент упругой деформации Уп слоя выявляют методом измерения его стрелы прогиба по формуле (40) на 1 дм его длины:
= Ж (51)
При этом для упрощения расчетов f выражают в миллиметрах, а I — в дециметрах с точностью соответственно 0,1 и 1,0 мм.
Пример. Из высушиваемых досок от образца откалывают слой длиной 1,6 дм, измеренная стрела прогиба немедленно после откалывания получена 3 мм, градиент упругих деформаций у поверхностного слоя (характеризующего напряжение в начале 1 стадии сушки) будет /п=3/1,62= 1,2.
По замеренным значениям f, уточненным длиной слоя fn, строят график развития градиента внутренних деформаций во время сушки и фиксируют безопасное его значение для начальной ступени процесса. Такие сведения необходимы для уточнения процессов (с учетом напряжений в древесине) при сушке средних и толстых сортиментов, тем более твердых пород.
По ряду причин напряжения в досках трудно выявлять в процессе сушки методом двузубной секции. Этот метод контроля может использоваться лишь для узких сортиментов (брусков), когда учитывается растрескивание также кромок, а зубцы секции короткие (рис. 28, схема 20).
Для брусковых сортиментов (без сердцевины) можно пользоваться методом силовых секций (рис. 28, схема 20). Такую секцию можно представить как спрямленную в виде длинного слоя. Толщина зубцов и основания секции (из брусков) принимаются равными 1 : 10 соответственно толщины и ширины бруска в первой стадии и 1:3 — в конце сушки.
Внутренние деформации контролируют для пиломатериалов с расчетной продолжительностью сушки более 5 сут. Анализ процесса сушки по деформации наружного слоя эффективнее взвешивания контрольных отрезков и рассмотрения кривой сушки.
Промежуточный прогрев материала. При появлении в материале значительных упругих деформаций, как это показано на рис. 28, схемы 6—10 и рис. 69, д—ж, в случае опасности растрескивания сушку временно приостанавливают и материал дополнительно прогревают. Такую операцию часто называют «пропаркой», но это название неточно, так как материал прогревают не чистым паром, а смесью пара с воздухом, потому что впускаемый в пространство камеры увлажнительный пар немедленно смешивается с воздухом.
180
Прогрев проводится как в I, так и во II стадии сушки. В I стадии он менее желателен, так как приводит к снижению прочности древесины во влажном ее состоянии и нарастанию разности остаточных деформаций на поверхности и в центре сортимента, что в последующем способствует образованию раковин. При проведении его во II стадии сушки остаточные деформации выравниваются. При прогреве материала закрывают иногда заранее (летом) или прикрывают (зимой) подачу пара в калорифер и открывают увлажнительный вентиль.
Перегретый пар недопустим, необходим пар низкого давления 0,15 МПа (0,5 бара избыточного). Температура воздуха в камере поддерживается на 6... 8 °C выше режимной на данной ступени сушки, а равновесная влажность — на 2...3% выше, чем средняя влажность материала. Величина равновесной влажности устанавливается по диаграмме рис. 18.
При кратковременном (на несколько часов) прекращении подачи пара в калорифер продолжительность процесса сушки почти не снижается. В это время нельзя открывать двери камер; наоборот, во избежание растрескивания влажного материала следует всемерно сократить воздухообмен охлаждаемой камеры (в первую очередь через неплотности дверей). При охлаждении можно даже слышать растрескивание влажного материала.
§ 51. Наблюдение за сушкой различных сортиментов
По трудности высушивания разнообразных сортиментов древесины их можно разделить по признаку расчетной продолжительности сушки т на три группы (см. §48). Очень тонкий материал здесь не рассматривается.
Для пиломатериалов первой группы не требуется тщательного ежечасного контроля процесса сушки. В хорошо отлаженных и настроенных установках они не растрескиваются, а их коробление предупреждается на погрузочной площадке тщательной укладкой в штабель.
За среднесохнущими пиломатериалами проводится обычное наблюдение, рассматривавшееся ранее. Трудносохнущие пиломатериалы нуждаются в тщательном наблюдении и регулировании сушильного процесса как по температурным параметрам, так и по состоянию высушиваемой древесины — в отношении предупреждения ее наружного растрескивания и образования раковин.
Общие строгие требования ко всем процессам — выпуск древесины с точно заданной конечной влажностью и с требуемым равномерным ее просыханием в объеме каждого штабеля. Не допускается сушка и выпуск небрежно уложенной и поэтому испорченной в камерах, покоробившейся древесины.
При высушивании пиломатериалов в значительных количествах сушильная установка должна быть оборудована дистан-
181
ционным контролем параметров воздуха, а также автоматикой для поддержания их на заданном уровне.
Приточно-вытяжные трубы должны открываться только для удаления избытка влаги и только по показанию психрометра. Если показания исправного мокрого термометра в камере ниже уровня, заданного по режиму сушки, следовательно, возник дефицит влаги в камере, ее надлежит герметизировать, а перекрытие утеплить (с чердака). Вытяжные трубы и приточные отверстия не должны быть источником дополнительной разгерметизации камер. Недопустимо открывать вентили увлажнительных труб в негерметичной камере (сперва надо закрыть воздухообмен, герметизировать двери, оштукатурить камеру изнутри, покрыть ее влагоизоляцией и т. п.).
Режим сушки корректируют по состоянию упругих деформаций в древесине (см. рис. 69, г—ж); при необходимости процесс форсируют или замедляют повышением или уменьшением психрометрической разности. Дополнительно анализируют ход процесса по уменьшению массы контрольных отрезков. Для этого немедленно после взвешивания вычисляют их влажность и строят по ходу процесса кривую сушки (см. рис. 27). Если
182
ж
5
Рис. 70. Действительные закономерности сушильных процессов:
а — для досок с начальной влажностью 67 %; б — для досок с начальной влажностью около 80%; / — последовательные кривые влажности; // — натурные слои упругих деформаций для того же времени; 111 — соответственно натурные слои остаточных деформаций
процесс сушки протекает нормально, а контрольный отрезок взвешивается правильно и закладывается точно на прежнее место, кривая сушки будет плавной. В крайние камеры и туннели сушильного блока загружают более толстый материал, нуждающийся в меньшем часовом количестве тепла и воздуха. Необходимо автоматизировать реверсирование циркуляции воздуха по материалу, а также выполнять прерывистую циркуляцию воздуха (прибор КЭП-12У).
На рис. 70 показано реальное протекание внутренних деформаций древесины при сушке ясеневых досок толщиной 40 мм, аналогичное эскизному изображению на рис. 28. Кривые рис. 70, / показывают распределение влажности по толщине материала на 3, 4, 6, 10, 20, 24-е сутки от начала процесса. На рис. 70, II изображены упругие деформации слоев, замеренные немедленно после их откалывания в эти же моменты сушки. На рис. 70, III представлено дополнительное искривление этих же слоев в результате выравнивания их влажности (остаточная деформация).
183
Такие деформации следует выявлять при высушивании толстых пиломатериалов твердых пород. Они дают яркое представление о протекающих в высушиваемой древесине влажностных и реологических процессах, крайне полезных для нормализации производственной сушки пиломатериалов. Остановимся на некоторых выводах, следуемых из рассмотрения этой «фотографии» процесса сушки. На рис. 70, I видно, что к концу процесса сушки, до конечной влажности 8 %, влажность практически выравнялась до проведения влаготеплообработки материала. Из рис. 70, I следует также, что I стадия сушки закончилась на 4-й день процесса при влажности в середине материала 63 % и что все слои оказались параллельными, упругие деформации в середине материала (II стадия), но к концу процесса эти деформации снизились. Из рис. 70, II, III видно, что остаточные деформации при сушке древесины ясеня во много раз больше упругих, это помогает более точно строить эпюры внутренних деформаций (см. рис. 29), и что остаточные деформации являются определяющими при количественной оценке протекания сушильного процесса, ими релаксируются упругие деформации. Оба эти рисунка представляют особую значимость как для практики, так и для основ реологии сушки древесины, в особенности для проведения и контроля конечной влаготеплообработки.
Из рис. 70, II следует также, что в последней схеме слои потеряли параллельность (приобрели форму слоев начальной схемы), т. е. конечная влаготеплообработка проведена с избытком. Из рис. 70, III видно, что в середине сечения доски остаточные деформации протекают по иной закономерности, чем у ее поверхности, и снаружи образца, у внутренней пласти доски, слои изогнулись больше, чем у внешней, лицевой (хотя древесина растрескивается у лицевой, т. е. внешней пласти доски).
Учащимся следует внимательно рассмотреть эти «фотографии» реального процесса сушки пиломатериалов одновременно с эскизной схемой на рис. 28.
§ 52. Конечная влажность. Обобщения по влаготеплообработке
Конечная влажность пиломатериалов. В изготовленных изделиях влажность древесины должна быть равна эксплуатационной влажности, т. е. средней за год равновесной влажности воздуха, в котором высушенная древесина будет находиться в условиях эксплуатации.
Вследствие разнообразия климатических условий на территории СССР высушенная древесина должна иметь неодинаковую влажность. Так, в условиях отапливаемых помещений юго-восточного Черноморского побережья влажность древесины, например паркета, мебели и т. д., должна быть 184
значительно (на 3...5 %) выше, а в Восточной Сибири ниже, чем в аналогичных условиях средней части страны.
В неотапливаемых помещениях и под навесом равновесная влажность воздуха будет больше, чем внутри отапливаемых помещений. В то же время при печном отоплении она будет более высокой, чем при паровом или водяном обогреве.
Влажность мебели в отапливаемых помещениях изменяется даже в течение года — в начале зимы она максимальная, зимой, когда в помещениях сухо, мебель подсыхает, поэтому в начале весны она будет минимальной. Диапазон колебания влажности деревянных деталей в течение года зависит от их сечения и породы древесины, а также поверхностной отделки. Толстые детали обладают большей влажностной инерционностью, чем тонкие.
При нормировании конечной влажности древесины, выгружаемой из сушильных установок, следует учесть, что при сострагивании наружного, более сухого слоя доски во время изготовления деталей, влажность повышается. Кроме того, влага вносится в ряде случаев с клеем. Поэтому влажность древесины, выдаваемой сушильными камерами, должна быть на 1 ... 3 % ниже влажности для древесины в готовой продукции.
В соответствии с имеющимися техническими условиями и указаниями средняя влажность нестроганых досок или заготовок, а также древесины в готовых изделиях должна быть следующей, %:
Доски и за- Готовые
готовки изделия
Паркет .............................................. 6 8
Мебель .............................................. 6 8
Двери, наличники, встроенные изделия и т. д. . . 6 8
Столярные плиты....................................... 6 8
Окна, доски пола .................................. 10 12
Музыкальные инструменты ............................. 5 6... 7
Приборы и их футляры ................................ 5 7
Спортивный инвентарь ............................8 ... 10 10 ... 12
Детали обозостроения ............................8 ... 10 10 ... 12
Детали автомобилей и сельскохозяйственных машин .10... 12 12... 15
Внутренние детали пассажирских вагонов .............. 8 10
Детали товарных вагонов.......................... 15 18
Бочки: под минеральное масло ............................... 7 9
для хлорной извести .............................. 10 12
для водных жидкостей и соков ...................... 15 18
Ящики: для продовольственных товаров ...................... 15 18
для транспортировки тяжелых грузов ............... 17 20
Пиломатериалы транспортной влажности ............16 . . 20 —
Стружка в производстве плит: для наружного слоя .................................. 3 5
для внутреннего слоя .............................. 1 3
Древесину, предназначенную для изготовления изделий, используемых в помещениях с центральным отоплением, следует высушивать до влажности 5 ... 6 %.
185
Во избежание Ослабления шиповых соединений древесина шипа должна иметь пониженную влажность по сравнению с влажностью древесины гнезда. В этих целях рекомендуется оторцованные сухие заготовки подвергать в пачках торцовой досушке в камерах, затем нарезать шипы и быстро собирать изделия.
Недосушка материала в камерах опаснее по последствиям, чем пересушка. Недосушенная древесина отдает влагу в условиях эксплуатации окончательно изготовленных изделий. Это приводит к сокращению поперечного сечения деталей, их деформациям, возникновению зазоров и даже щелей, расслаблению и нарушению соединений, ухудшению качества и быстрой порче изделий.
Конечная влаготеплообработка пиломатериалов. При завершении процесса сушки по толщине материала остается заметный перепад влажности (см. рис. 28, 4). Если такой материал разрезать вдоль на две доски половинной толщины, они искривятся желобом, т. е. проявятся упругие деформации (см. рис. 28, 9). При частичной механической обработке поверхностной зоны материала он также будет деформироваться (коробиться, скручиваться и т. и.) из-за нарушения равновесия внутренних напряжений при снятии внешнего напряженного слоя. Кроме того, у высушенного материала при медленном последующем выравнивании влажности (см. рис. 28, 4, 5) упругие деформации (размер 2f на поз. 9) могут увеличиться. При этом в доске, заготовке или детали возможно образование внутренних полостей (раковин).
В связи с этим в конце процесса сушки необходимо выравнять влажность (см. рис. 28, из поз. 4 в 5) и снять упругие деформации по сечению материала (из поз. 9 в поз. 10). Это достигается путем влаготеплообработки материала. При этом одновременно достигается выравнивание влажности по объему штабеля.
Процесс влаготеплообработки заключается в дополнительном сквозном прогреве с одновременным увлажнением поверхностной зоны материала для повышения деформативности и влагопроводности древесины. В этих условиях ускоряется релаксация (спадание) упругой деформации и одновременно выравнивается влажность по толщине материала. На рис. 29, а (справа, на участке 6—7) показана кинетика конечной влаготеплообработки материала. При этом влажность поверхностной зоны (линия 6—7) резко возрастает, увеличивается и упругая деформация У, поэтому происходит быстрое нарастание суммарных остаточных деформаций (уменьшение усушки). При последующем охлаждении материала его поверхностная зона интенсивно отдает влагу, снижаются и упругие деформации.
Режим влаготеплообработки заключается в увеличении температуры в камере на 6... 8 °C выше, чем в конце сушки, но
186
не более чем до 100 °C. Психрометрическая разность поддерживается минимальной (2...3 °C).
Длительность влаготеплообработки составляет 3...5 % продолжительности сушки (большее значение—при повышенных требованиях к качеству древесины, см. § 47). В негерметичных камерах часто бывает трудно выдержать малую психрометрическую разность; в этом случае процесс кондиционирования увеличивают до 6. ..10% длительности сушки. Окончание влаготеплообработки контролируют по состоянию материала (см. рис. 28, 5, 10, 15). Для ускорения контроля образцы помещают на несколько часов в сушильный шкаф; они должны оставаться прямым до и после досушки их в шкафу.
По окончании влаготеплообработки толстый материал оставляют для медленного охлаждения на несколько часов в закрытой выключенной камере. Затем приоткрывают двери и оставляют в камере на время примерно 0,3 от продолжительности нагревания. При охлаждении толстого материала со значительной конечной влажностью возможен пуск в закрытую камеру небольшого количества увлажнительного пара, задерживающего пересыхание поверхности охлаждаемого материала.
До поступления в производство материал должен окончательно охладиться на складе; тонкий — за 1 сут, а толстый не менее чем за 2 сут. В сушильных штабелях при таком охлаждении фиксируется почти плоская форма охладившегося материала, зажатого прокладками. В случае разгрузки теплого материала возникает дополнительное его коробление, искривление и т. п. освободившихся от зажатия досок, не достигших еще жесткого стабильного состояния.
Не следует оставлять сухой и особенно тонкий материал на длительное время в сушильных штабелях. Если в высушенном материале частично отпала потребность, его укладывают в плотные стопы.
§ 53. Дефекты сушки пиломатериалов
Здесь имеются в виду разнообразные дефекты, возникаю щие в пиломатериалах во время сушильного процесса. Основные дефекты сушки и меры их предупреждения приведены ниже.
1. Недосушка древесины до требуемой конечной влажности— основной, наиболее распространенный дефект сушки. Причина его возникновения — слабый контроль процесса сушки. Необходим систематический контроль ОТК предприятия за соблюдением технологии сушки древесины.
2. Неравномерное просыхание материала по длине штабеля является следствием неравномерной раздачи воздуха или его нагрева по длине камеры, а также неудовлетворительного состояния дверей. Необходимо отрегулировать раздачу воздуха
187
и его нагревание, а также заменить двери на утепленные, герметичные.
3. Неравномерное просыхание древесины по ширине штабеля происходит при слабом движении воздуха по материалу. Необходимо экранировать штабель во избежание перетекания воздуха помимо материала, а также увеличить подачу воздуха вентиляторами. Кардинальным решением будет проведение реконструкции сушильной установки (временным — разреженная укладка материала в зонах его недосыхания).
4. Неравномерное просыхание материала по высоте штабеля наблюдается при неправильной раздаче воздуха и слабой его скорости по материалу. Рекомендации см. в и. 3. В камерах с естественной циркуляцией необходимо нормализовать укладку пиломатериалов в штабель (см. § 38).
5. Неравномерное просыхание пиломатериалов по объему штабеля происходит при парной (по толщине) укладке досок, разнотолщинности досок, прокладок и других нарушений технологии сушки пиломатериалов.
6. Неравномерное просыхание по толщине материала возникает вследствие проведения форсированного процесса сушки при значительной конечной влажности древесины. К этой же категории дефектов сушки относится наличие в высушенном материале упругих деформаций растяжения (см. рис. 28,6) или сжатия (рис. 28, 14) поверхностной зоны материала. В первом случае надлежит сократить конечную влаготеплообработку материала, а во втором — удлинить, усилить ее.
7. Коробление материала во время сушки предупреждается аккуратным формированием сушильного штабеля (см. § 38).
8. Коробление после сушки происходит при наличии в высушенном материале влажностных и упругих деформаций, поэтому необходимо проводить надлежащую влаготеплообработку высушенных пиломатериалов и не разгружать их до полного (сквозного) охлаждения древесины.
9. Растрескивание свежеотпиленных торцов досок и заготовок наблюдается в самом начале процесса сушки из-за быстрого их высыхания. Метод предупреждения — снижение на короткое время психрометрической разности в 2 раза по сравнению с назначенной для I ступени сушки.
10. Растрескивание пластей материала предупреждается смягчением режимных условий в I стадии сушки путем уменьшения величины психрометрической разности, тщательной проверки парности термометров в психрометре; при сушке толстых сортиментов твердых пород следует пользоваться лабораторными термометрами для психрометров,' тщательно герметизировать и теплоизолировать сушильную камеру.
11. Возникновение раковин (во II стадии сушки) предупреждается смягчением режима сушки в I стадии процесса. В готовых деталях, даже в изделиях, раковины возникают в древесине вследствие выравнивания влажности по толщине 188
материала после сушки; метод предупреждения — надлежащая влаготеплообработка материала по окончании сушки.
12. Плесень на материале возникает при слабой циркуляции воздуха; рекомендуется усилить циркуляцию воздуха, дополнительно прогреть материал, улучшить его укладку для сушки.
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются дефекты оборудования сушильных камер?
2. Какой материал нужно высушивать при высоких скоростях воздуха •— тонкий (до 32 мм) или толстый (выше 32 мм)? Дайте этому объяснение.
3. Какие примерно скорости воздуха создают в штабеле при быстрой сушке тонких и при медленной сушке толстых пиломатериалов?
4. Почему толстые пиломатериалы высушивают замедленно, при пониженных температурах в течение длительного времени (15—30 сут), а тонкие — быстро (за 2 ... 3 сут) ?
5. Зачем нужны контрольные отрезки? Как их готовят? Куда закладывают?
6. Как наблюдают по контрольным отрезкам за скоростью сушки материала?
7. Почему нагретый влажный материал скорее растрескивается при охлаждении, а не при нагревании? Объясните сущность явления.
8. Почему требуется более точный контроль температуры и психрометрической разности воздуха в начале, а не в конце сушки толстых материалов?
9. Какую точность отсчета температур можно получить на лабораторном термометре, то же — на техническом?
10. Когда необходимо применять лабораторные термометры?
11. Что контролируется методом откалывания наружного слоя от образца материала? Что означает термин «наружный слой» по отношению к доске? Что означает в условиях сушки пиломатериалов термин «образец»?
12. Как изгибается отколотый от образца слой в начале сушильного процесса? То же — в конце сушки материала?
13. Что показывает стрела прогиба отколотого слоя в момент откалывания? То же — после его выдержки, например в сушильном шкафу? Почему слой изгибается в шкафу?
14. Зачем проводят промежуточный прогрев материала и в каких случаях?
15. Что за операция «влаготеплообработка материала»? Когда она выполняется?
16. Какую конечную влажность древесины назначают при сушке? От чего это зависит? '
17. Сообщите основные дефекты сушки пиломатериалов. Как их избежать?
Глава 10. КАЧЕСТВО СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
§ 54. Оценка категорий качества сушки
Категории качества сушки и методы контроля. С учетом неодинаковых производственных требований и технологии механической обработки древесины различного назначения установлены четыре категории качества сушки пиломатериалов, подаваемых в цех деревообработки.
189
Категория I — высококачественная сушка материала, соответствующая механической обработке деталей по 12-му ква-литету СТ 45—73 «Изделия из древесины и древесных материалов. Допуски и посадки» с полным сохранением при сушке его механических свойств. Такой материал не должен подвергаться температурному воздействию выше 60...70°C (60°C — для более толстых пиломатериалов). Древесину используют для приборостроения, производства моделей, лыж, обозных деталей, музыкальных инструментов.
Категория II — повышенное качество сушки материала, соответствующее механической обработке деталей по 13-му квалитету с сохранением при сушке механических свойств древесины (допускается снижение прочности на скалывание и ударный изгиб до 5%). Допускается температура сушки до 75. ..85 °C (75 °C — для толстых сортиментов мягких пород и тонких сортиментов твердых пород). Древесину используют в столярном и мебельном производствах, пассажирском вагоностроении, автостроении, сельскохозмашиностроении и т. д.
Категория III — среднее качество сушки, соответствующее механической обработке деталей по 15-му квалитету с допускаемым незначительным (до 10%) снижением прочности древесины. Ее применяют в грузовом вагоностроении, строительстве (кроме изготовления окон, дверей и деревянных ферм), в производстве тары и др., когда не требуется взаимозаменяемости при сборке.
Категория 0 — сушка экспортных пиломатериалов и до транспортной влажности 16...20 % (16 %—для тонких пиломатериалов) .
Показатели качества сушки. Покоробленность и растрескивание материала — брак сушки. К признакам качества сушки пиломатериалов относятся: соответствие средней по сечению влажности высушенных пиломатериалов влажности, которая задана техническими условиями на изготовление изделий; величина отклонений влажности древесины в штабеле (в разных его зонах) (X средней влажности материала; величина перепада влажности по толщине доски или заготовки; величина упругих деформаций в высушенном материале.
Качество сушки резко улучшается в результате конечной влаготеплообработки. Без влаготеплообработки влажность материала (из туннелей) должна быть на 2...3% ниже заданной техническими условиями на влажность древесины в изделиях.
В табл. 17 приведены соответствующие допуски. При повышенных отклонениях влажности необходимо отрегулировать циркуляцию воздуха по материалу, изменить укладку материала в штабеля, улучшить конечную влаготеплообработку и т. п.
При сушке по I и II категориям перепады влажности контролируют из каждой выгружаемой партии. В туннелях надле-190
17. Нормативные показатели Качества сушки пиломатериалов й Заготовок
Категории качества
Показатели качества сушки I II III 0
Средняя конечная влажность пиломатериалов или заготовок в штабеле, %, при толщине пиломатериалов, мм: 32 и менее 33 ... 50 свыше 50 Отклонения влажности отдельных досок (заготовок) от средней влажности штабеля пиломатериалов*, %, при толщине пиломатериалов, мм: 32 и менее 38 ... 50 свыше 50 7; 10** ±2 7; 10; 15** 10; 15** Не более ±3 ±4 16 18 20 ±6 ±4 ±2,5
Среднее квадратическое отклонение влажности ст, %, при толщине пиломатериалов, мм: 32 и менее 38 ... 50 свыше 50 Перепад влажности по толщине пиломатериалов (заготовок), %, при толщине, мм: 13 ... 22 25 ... 40 45 ... 60 70 ... 90 7- III Оси© сл III о ±1,5 ±2,0 Не более 2,0 2,5 3,0 3,5 3,5 4,0 4,0 5,0 ±3 ±2 ±1,25 Не контролируется
* Допустимые отклонения влажности отдельных досок (заготовок) от средней влажности штабеля пиломатериалов принимаются равными ±2ст.
** При сушке до эксплуатационной влажности средняя конечная влажность пиломатериалов в штабеле должна назначаться в зависимости от средних температур и относительной влажности воздуха в условиях эксплуатации изделий
В таблице приняты предельные значения конечной влажности для трех основных случаев:
aiK — 7 %, отапливаемые помещения со среднегодовой температурой 1ср = 20 ± ±2 °C, относительной влажностью фср = 0,4 ±0,1;
аак — 10%, отапливаемые помещения с повышенной влажностью при 1ср — = (7 ... 20) °C и фср = 0,6 ± 0,1;
а>к = 15 %, наружные условия эксплуатации при /ср = 4,3 ± 1 °C, фср = 0,75± ± 0,2.
191
жит пристраивать камеры или туннели влаготеплообработки и использовать их. При сушке по III категории перепад влажности контролируют в тех случаях, когда высушенный материал подвергается ребровой распиловке (правильнее ее проводить до сушки). Число отбираемых проб из зон штабеля с замедленной сушкой — не менее трех.
Методы контроля внутренних деформаций. В высушенном материале наружные трещины не возникают, но реальна опасность деформирования изготовленных из него производственных деталей. Поэтому после его влаготеплообработки от образца с размером по длине волокон примерно 10 мм отделяют более толстый слой, чем в процессе сушки, равный ’/з толщины тонкого и Vs толщины толстого материала (см. рис. 69, е, ж). Число секций из партии материала — три.
У отколотого слоя с помощью штангенциркуля или индикаторной скобы определяют с точностью 0,1 мм стрелу прогиба слоя I, которую расчетом приводят к дециметровой длине по формуле (51). Полученная приведенная стрела /п прогиба не должна превышать 1,0 мм для I и 2,0 мм для II категории качества сушки.
Пример. От высушенного материала II качественной категории толщиной 40 мм и шириной 140 мм, т. е. 1,4 дм, отделили слой, приведенная стрела прогиба fn=3,5/1,42= 1,8 мм, следовательно, при fn<2 мм материал влаготеплообработан удовлетворительно.
Если этот слой затем оставить на несколько дней в теплом помещении или положить на 2... 3 ч в сушильный шкаф, то после выравнивания влажности он получит дополнительный изгиб, характеризующий оставшийся перепад влажности по его толщине. Рекомендуется записывать эту деформацию в журнал сушки и сопоставлять ее с упругой f„.
Желательно сохранять результаты таких опытов по деформациям слоев не менее года, в особом шкафу на соответствующих полках и в ячейках, накапливая специфический местный опыт, в целях беспрерывного совершенствования процесса сушки пиломатериалов.
По техническим условиям заказчика может определяться перепад влажности по толщине высушенной доски или бруса (см. табл. 17). Для этого весовым методом находят влажность двух вместе взвешенных периферийных слоев (по одному из которых находилась упругая деформация) и срединного из того же образца (т. е. слоев по рис. 69, б 1+3 и 2 для тонкого материала и 1+5 и 3 для толстого).
§ 55. Основы расчета продолжительности сушки
Условный материал. Высушиваемые пиломатериалы многообразны по древесным породам, сечениям, влажности, требованиям к качеству сушки, различны и условия их высушивания, поэтому необходима нормализация учета сушильного про-192
изводства. Для этого установлена неизменная нормативная учетная единица — условный материал.
Условным материалом считаются сосновые обрезные доски толщиной 40 мм, длиной более 1 м, шириной 120 мм, с начальной влажностью 60 % и конечной 12 %. Этот материал, уложенный без шпаций на типовые прокладки толщиной 25 мм, должен просыхать применительно к требованиям II категории качества сушки в камерах с поперечной реверсивной циркуляцией воздуха, нормальными режимами при его скорости по материалу 1,5 м/с за 3,5 сут, т. е. за 84 ч.
Исходные предпосылки к установлению продолжительности сушки. Еще не раскрыты основные физические параметры, влияющие на продолжительность сушки (перемещение в материале свободной влаги, влияние внутренних деформаций и др.), вынуждающие практически замедлять ее скорость. Поэтому используют многочисленные лабораторные и производственные наблюдения, накопленные у нас и за рубежом за многие десятилетия. Влияние древесной породы учитывается по практическим данным (табл. 18). Влияние толщины материала учитывается полуторной степенью его толщины, что базируется на данных ЦНИИМОДа и обширной мировой практике в области сушки пиломатериалов. Коэффициент т = —f(T) приведен в последней колонке табл. 18 (кратность). Этот параметр наряду с влиянием древесной породы является определяющим в характеристике процесса, в том числе продолжительности сушки. Он более значим, чем ширина материала, которая теряет влияние на продолжительности сушки в современных сушильных установках с повышенными скоростями воздуха. В новых условиях пиломатериал укладывают без шпаций, с сомкнутыми кромками; он просыхает в виде общего ковра, независимо от ширины досок в этом ковре. Поэтому рассортировку досок по ширине перед сушкой обычно не выполняют. Лишь очень широкие доски желательно сушить отдельно несколько смягченным режимом.
Влияние ширины материала учитывается в трех диапазонах: бруски — с отношением ширины к толщине менее 2 (т. е. Ш/Т<2), доски Ш/Т = 2.. .5 и широкие доски Ш1Т>Ь.
Качество сушки учитывается по качественным категориям I, II, III и 0 коэффициентами соответственно 1,2; 1,0; 0,9; 0,8.
Скорость воздуха по материалу учитывается коэффициентами: с естественной циркуляцией для тонкого материала 2,0, для толстого 1,5, со слабой побудительной циркуляцией соответственно 1,5 и 1,2, со средней интенсивностью циркуляции (г>=1,5 м/с) соответственно 1,2 и 1,0, со значительной скоростью циркуляции (и = 2. ..3 м/с) соответственно 1,0 и 0,9.
Влияние начальной и конечной wK влажности древесины выражается логарифмической зависимостью в виде множителя
7 Заказ № 3190
193
18. Влияние древесных пород (для одинаковой толщины 40 мм, начальной влажности 60 % и конечной 12 %) на продолжительность сушки
Наименование древесной породы Продолжительность сушки
сут ч Кратность
Ель, пихта 3,2 76 0,9
Сосна, кедр, осина, липа 3,5 | 841 1,0
Береза, ольха 5,0 120 1,4
Бук, клен 10,5 250 3,0
Ясень, лиственница 14 336 4,0
Дуб, граб, орех 21 504 6,0
Примечание. Рамкой выделено значение условного материала.
1,431g——. Например, если начальная влажность дан = 60%, а конечная oiK=12°/o, то коэффициент будет 1,43• 0,7= 1,0. Если длительное время (например, зимой) не выдерживаются нормальные температурные условия, продолжительность сушки учитывается обратно квадрату усредненной за процесс температуры. Например, если при- заданной режимной температуре ( = 70 °C материал просыхает за т=144 ч, то при пониженной температуре Л = 60 °C продолжительность сушки ti будет
/2 4900
т. = т--- = 144-----= 196 ч.
/2 3600
Продолжительность сушки равна произведению отмеченных коэффициентов на продолжительность сушки условного материала (3,5 сут, или 84 ч).
В расчетную продолжительность сушки входит время на начальный прогрев материала, конечную влаготеплообработку и предварительное его охлаждение в камере.
§ 56. Определение продолжительности сушки по таблицам
Производственный расчет продолжительности сушки. Трудоемкие расчеты по перемножению указанных многих коэффициентов можно упростить сложением их логарифмов, а затем попарным их объединением. После выполнения соответствующих расчетов получены табл. 19, 20 и 21 для выборки из них трех небольших по значению целых цифр. По их сумме С из табл. 22 устанавливается продолжительность сушки т, ч.
Для низкотемпературной сушки (7м=50°С для экспортных пиломатериалов) к сумме С добавляют 30, а для форсированной сушки из С отнимают 4 единицы.
194
19. Коэффициент продолжительности сушки досок в зависимости от породы и толщины
Толщина материала» мм Коэффициент продолжительности сушки Кратность, т/тусл
Ель. пихта Сосна, кедр, осииа, липа Береза, ольха Бук. клен Ясень, лиственница Дуб. граб, орех
16 0 4 19 52 65 82 0,253
19 11 15 30 63 76 93 0,327
22 21 25 40 73 86 103 0,407
25- 29 33 48 81 94 111 0,494
32 35 39 54 87 100 117 0,715
40 59 [бз] 78 111 124 141 1,00
44 65 69 84 117 130 147 1,16
50 74 78 93 126 139 156 1,40
60 86 90 105 138 151 168 1,84
75 98 102 117 150 163 180 2,56
100 119 123 138 171 184 201 3,95
125 136 140 155 188 201 218 5,88
150 145 149 164 197 210 227 7,27
Примечание. См. примеч. к табл. 18.
20. Коэффициенты учета влияния качества сушки и циркуляции воздуха в камере иа продолжительность процесса
, Интенсивность циркуляции воздуха (тип камер), его скорость в штабеле, м/с Толщина материала, мм Коэффициент продолжительности сушки для категорий качества
I II III
Естественная циркуляция (Грум-Гржи-майло, Некар и др.), до 0,2 Тонкий (16. . .32) 72 64 60
Толстый (более 32) 60 52 48
Слабая побудительная (с продольными валами и устаревшие эжекционные Тонкий (16. . .32) 56 48 44
и др.), 0,5. . .1 Толстый (более 32) 50 42 38
Средней интенсивности (с продольными и поперечными валами, модернизи- Тонкий (16. . .32) 50 42 38
рованные эжекционные, противоточные туннели и др.), до 1,5 Толстый (более 32) 42 | 34| 30
Значительной интенсивности (с поперечными валами СПВ-62, СПВ-64, Тонкий (16. . .32) 40 32 28
СПЛК-2), 2. . .3 Толстый (более 32) 38 32 28
Высокой интенсивности УЛ-1, УЛ-2, 4. . .5 Тонкий (16. . .32) 35 30 26
Толстый (более 32) 33 28 25
Примечание. См. примеч. к табл. 18.
7*
195
21. Коэффициент учета влияния начальной и конечной влажности пиломатериалов на продолжительность сушки
Начальная влажность. % Коэффициенты при конечной влажности, %
5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 18 20
15 44 36 30 21 11
20 54 48 42 36 30 24 18 11 4 — — —
25 61 56 50 46 41 36 31 27 22 16 11 5 —
30 65 61 56 52 48 44 40 36 32 28 24 17 10 —
35 69 65 61 57 53 50 46 43 40 36 33 27 21 15
40 72 68 64 61 57 54 51 48 45 42 39 37 30 24
45 74 71 67 63 61 58 55 52 49 47 44 41 35 30
50 76 73 70 67 64 61 58 55 53 51 49 46 41 36
55 78 75 72 69 66 63 61 58 56 54 51 49 45 40
60 79 76 73 71 68 65 63 м 58 56 54 52 48 44
65 80 77 75 72 70 67 65 63 61 59 57 55 51 47
70 82 79 76 74 71 69 67 65 63 61 59 57 53 49
75 83 80 78 75 73 71 68 66 64 63 61 55 55 52
80 84 81 79 76 74 72 70 68 66 64 63 61 57 54
90 86 83 81 78 76 74 72 71 69 67 65 63 61 58
100 88 85 83 80 78 76 74 73 71 69 68 66 63 61
ПО 89 87 84 82 80 78 76 74 73 71 70 68 65 62
120 90 88 85 83 81 80 78 76 75 73 72 71 68 65
Примечание. См. примеч. к табл. 18.
22. Продолжительность сушки т, ч, по сумме С [из табл. 19, 20
и 21]
с т С т С т С т С т С т С т С г
121 36 132 47 147 66 159 88 175 125 191 180 208 270 223 380
122 37 133 48 148 68 160 90 176 130 192 185 210 280 224 390
123 38 134 49 150 70 161 92 178 135 193 190 211 290 225 400
124 39 135 50 151 72 162 94 180 140 194 195 213 300 226 410
125 40 136 52 152 74 163 96 181 145 195 200 214 310 227 420
126 41 138 54 153 76. 164 98 183 150 197 210 216 320 228 430
127 42 140 56 154 78 165 100 184 155 199 220 217 330 229 440
128 43 141 58 155 80 167 105 186 160 201 230 218 340 230 450
129 44 143 60 156 82 169 ПО 187 165 203 240 219 350 231 460
130 45 144 62 |157 841 171 115 188 170 205 250 221 360 232 470
131 46 146 64 158 86 173 120 189 175 207 260 222 370 233 480
Примечания: 1. Значения С, выходя за пределы этой таблицы, периодически повторяются, изменяясь на 100; продолжительность сушки при этом изменяется в 10 раз. Так, при С = 133 г = 48 ч, при С = 233 т = 480 ч, при С = = 333 т = 4800 ч, при С = 33 т = 4,8 ч. 2. При изменении С на 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100 единиц т изменяется в 1,02; 1,05; 1,07; 1,12; 1,26; 1,41; 1,6; 2,0; 2,51; 3,16; 4,0; 6,3; 10 раз. 3. См. примеч. к табл. 18.
196
ж
Пример. Задано высушить сосновые доски сечением 40X120 мм в камере If со средней интенсивностью циркуляции воздуха по II категории качества сушки, снизив влажность материала с 60 до 12 %. Из табл. 19, 20 и 21 вы-' бираем коэффициенты и находим сумм)' 63+34+60= 157 = С. Из табл. 22 устанавливаем для С=157 продолжительность сушки 84 ч (условный материал).
В тех же условиях, но высушиваются дубовые доски сечением 60X Х250 мм. Определяем величину 0=168+34+60 = 262. Это значение С в табл. 22 отсутствует. По примечанию 1 уменьшаем С на 100, т. е. учитываем цифру не 262, а 162, для которой т==94 ч. Следовательно, искомая продолжительность сушки составит 94-10=940 ч, т. е. 32,2 сут.
’* § 57. Расчет производительности сушильных установок
Расчет годовой производительности камеры (туннеля). Годовой объем фактически высушиваемого в камере материала одинаковой характеристики Ф, м3/год, равен произведению его объема В, вмещаемого в камеру, на число ее оборотов п в течение года:
Ф^пВ. \ (52)
Число оборотов камеры п находится делением количества дней ее работы в году (300 с учетом незагрузки материала в воскресные дни и 14 дней — ремонт) на продолжительность сушки т, сут, с учетом времени, потребного на выгрузку и загрузку материала (ti = 0,1 сут):
п = 300/(т + тх). (53)
Если пиломатериалы высушиваются дольше 5 сут, число дней работы камер в году принимают 335, а меньше 5 сут — 300 дней.
х; Вместимость камеры В равна суммарному габаритному объ-Ч ему штабелей в камере Г, м3, умноженному на коэффициент 1 объемного заполнения штабелей материалом К. Этот коэффициент показывает объем материала в плотной массе (в долях кубического метра), находящегося в каждом кубическом метре габаритного объема Г штабелей. Таким образом,
В = КГ. (54)
При этом габаритный объем штабелей будет Г=1Ыгт, где I — длина штабеля, м; b — ширина, м; h — высота, м; т — число штабелей (в камере или туннеле).
Коэффициент объемного заполнения штабеля К представляет собой произведение трех коэффициентов:
К = адшКв, (55)
где Кд — коэффициент заполнения штабеля материалом по длине, принимаемый в среднем 0,85; Кш— коэффициент заполнения штабеля по ширине для обрезных досок, в камерах и туннелях с поперечной циркуляцией принимается 0,9, в камерах с естественной и туннелях с противоточной циркуляцией и
197
продольной штабелевкой со шпациями 0,65 (для необрезного материала он принимается соответственно 0,6 и 0,43); Кв — коэффициент заполнения штабеля по высоте с учетом толщины прокладок 25 мм, объемной усушки пиломатериалов в среднем 8 %, т. е. 0,08, и толщины материала Т, мм, получим
Кв= 77(25+1,087). (56)
Подставив эти значения в предыдущую формулу, получим
К - 0,85Кш7’/(25 + 1,087). (57)
Умножив Д' на габаритный объем штабелей Г, определим вместимость камеры В, м3 [см. формулу (56)]
В^КГ ---. 0,85КтТГ/(25 + 1,08Т). (58)
Следовательно, годовая производительность сушильной камеры составит (для т<5 сут)
Ф - пВ — ——--------= . (59)
t + Tj 25+1,087’ T + Tj
Пример. Установить годовую производительность двухштабельной камеры с поперечной реверсивной циркуляцией воздуха при его средней скорости в штабеле 1,5 м/с, загруженной сосновым материалом толщиной 40 мм; расчетная продолжительность сушки этого материала т=3,5 сут.
23. Коэффициент К заполнения штабеля материалом
Толщина досок, мм Циркуляция воздуха в камере и туннеле
укладка со шпациями укладка без шпаций
обрезные доски необрезные доски (широкие) обрезные доски необрезные доски (широкие)
16 0,208 0,139 0,288 0,192
19 0,230 0,153 0,318 0,212
22 0,249 0,166 0,344 0,230
25 0,266 0,177 0,367 0,245
32 0,296 0,197 0,411 0,274
40 0,325 0,216 | 0,448 | 0,299
44 0,334 0,222 0,463 0,308
50 0,350 0,233 0,484 0,322
60 0,369 0,246 0,511 0,340
75 0,390 0,260 0,540 0,360
100 0,415 0 276 0,575 0,384
125 0,430 0,287 0,596 0,398
150 0,443 0,295 0,615 0,410
Примечания: 1. Коэффициент заполнения штабеля широким (>150 мм) необрезным материалом меньше в 1,5 раза, а узким — в 2 раза; соответственно снижается и производительность камеры. 2. См. примеч. к табл. 18.
198
Габаритный объем двух штабелей с характеристикой условного материала Г=2 • 6,6 • 1,8-2,6=2 • 30,9 = 61,8 м3. Отсюда определится годовая производительность камеры для случая, когда У=Ф:
У = ф = пКГ = ----—°---.—°’85'0,9-40 - 61,8 = 83-0,448-61,8 =
3,5 + 0,1 25 + 1,08-40
=83-27,7 = 2300 м3/год.
Здесь я = 83 — число оборотов камеры за год; 0,448 — коэффициент заполнения штабеля; 27,7 — вместимость камеры для этого материала.
Расчет производительности сушильных туннелей аналогичен, но п принимают равным нулю.
Для упрощения расчетов приводится табл. 23 коэффициентов заполнения габаритного объема штабеля материалом К = КхКтКв = 0,85Хш77 (25 +1,08Т).
§ 58. Метод пересчета на условный и на фактический материал
Для пересчета производительности камеры с условного У на фактически высушенный Ф материал следует иметь в виду увеличение фактической производительности камеры с повышением Д и снижением т. Поэтому
Ф = У = У - °- - = 187У — [м3/год], (60)
Кут 0,448т т 7
где ту — продолжительность сушки условного материала, равная 84 ч; т — фактическая продолжительность сушки, ч; К — коэффициент заполнения штабеля фактически высушиваемым материалом (табл. 23), Ку— то же условным материалом (Ду = 0,448).
Например, если У=2300 м3/год, Д=0,448 и т=168 ч, то по формуле (62) Ф = 187 - 2300 (0,448/168) = 1150 м3/год (вместо 2300 м3/год для условного материала, когда т=84 ч).
Если т выразить в сутках, то эта формула примет вид
Ф = 7,8У [м3/ год].
т
Пересчет фактической производительности Ф в производительность по условному У материалу. Из предыдущей формулы получим
У = Ф—=0,00535Ф —. (61)
187К К 4 '
Например, если 0=1150 м3/год и т=168 ч, то получим
У = 1150----------=2300 м8/год.
187-0,448
199
Если значение т выразить в сутках, то
У Ф--— = 0,128Ф—-. 7,8К К
Например, если т= 14 сут, К=0,448 и Ф=1150, то
У = 1150---------- 4600 м3/год.
7,8-0,448
По сравнению с прежним методом учета, когда в качестве условного материала принимались доски толщиной 50 мм (вместо 40 мм в настоящее время), расчетная производительность камер возрастает в соотношении 0,448-120/(0,484-84) = = 1,33 раза, т. е. на 33 %-
Глава 11. СУШКА ДРЕВЕСИНЫ В СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ
§ 59. Особенности сушки древесины в специальных производствах
Заготовки прямоугольной формы в виде коротких брусков, отрезков досок и т. п. высушивают, как и пиломатериалы, в штабелях. Дополнительные требования по сушке таких сортиментов заключаются в предотвращении растрескивания торцовых поверхностей заготовок в начальной стадии процесса.
В этих целях тщательно герметизируют и утепляют сушильные камеры, чтобы можно было поддерживать малую психрометрическую разность воздуха; материал укладывают так, чтобы воздух свободно проходил через штабель; торцы материала присоединяют впритык, а наружные защищают покрытиями и т. п. В начале первой ступени сушки, после прогрева, выдерживают пониженную (примерно половинную) психрометрическую разность.
Контроль режима сушки должен проводиться более точно — с применением лабораторных термометров. Особенно опасно колебание температур в камерах в периоды ее охлаждения, поэтому давление подаваемого из котельной пара должно быть стабильным и поддерживаться на постоянном уровне редукционным клапаном на паропроводе перед камерами.
Необходимы тщательный контроль процесса сушки с выявлением развития внутренних деформаций У и В, как это излагалось в § 17 и 54, и систематическое накопление опыта в целях непрерывной оптимизации процесса сушки в многообразных местных условиях.
То же относится и к сушке заготовок неправильной формы (ступица колеса и другие обозные детали, ружейные приклады, заготовки для обувных колодок и др.). Их особенности приме
200
нительно к условиям сушки — большие торцовые поверхности и высокие требования к качеству сушки.
Продолжительность сушки крупных заготовок твердых пород— больше 1 мес. Поэтому в сушильном отделении уменьшается объем погрузочных работ, но возрастает удельная значимость тепловых потерь и квалифицированного наблюдения за процессом сушки.
При длительных процессах сушки, характеризующихся повышенной опасностью растрескивания материала, особое значение приобретают дистанционный контроль и автоматизация ведения сушильного процесса в целях строгой выдержки заданных параметров.
Если в условиях быстротечной сушки основная цель автоматизации заключается в том, чтобы выдать из сушильной установки древесину с заданной конечной влажностью, то при длительной сушке автоматы должны главным образом предупреждать порчу материала. Роль автоматизации при этом возрастает.
Большая опасность в этих условиях возникает в отношении появления раковин, особенно у буковых и дубовых сортиментов. Известно, что практически трудно подсушивать крупные сортименты без торцового и даже пластевого растрескивания в атмосферных условиях на складах пиломатериалов без регулирования психрометрической разности воздуха.
В соответствии с рассмотренным ранее (§ 50 и 51) I стадия сушки таких сортиментов должна проводиться при пониженных температурах в условиях малой пластичности древесины. Во II стадии, при повышенных температурах, желателен по мере потребности периодический ее прогрев с обязательной конечной влаготеплообработкой.
При сушке коротких срезов и заготовок целесообразно использовать решетчатые контейнеры, устанавливаемые на передвижную платформу, для создания габаритной формы штабеля, загружаемого в камеру. Особую заботу при этом составит экранирование зазоров по продольному периметру штабеля, чтобы предупредить паразитные перетекания воздуха помимо материала.
§ 60. Сушка строганого и лущеного шпона
Сушка строганого шпона. Шпон получается в виде больших тонких пластинок при строгании брусьев (ванчесов). Применяется для облицовывания мебели. Его высушивают в пятиэтажном роликовом сушильном агрегате СУР-5.
Основные узлы этого агрегата: горизонтальные приводные парные ролики, изготовленные из труб диаметром 102 мм, длиной 3700 мм, с шагом установки 162 мм (их привод имеет вариатор скорости), гладкотрубные паровые калориферы, осевые вентиляторы серии Д № 9 и панельные ограждения,
201
временным повышением качества (равномерность конечной влажности) высушиваемой стружки.
В производственных условиях эффективным в работе на барабанах «Прогресс» оказался метод автоматизации ВНИИДМАШа, принципиальная схема которого показана на рис. 77, в. При этом стабилизация влажности высушенной стружки достигается изменением температуры газов на входе в барабан 5 в зависимости от температуры на выходе за счет изменения подачи в топку 2 жидкого или газообразного топлива при постоянной добавке свежего воздуха. В случае прекращения подачи стружки система автоматически отключает процесс сушки, а при возобновлении ее подачи вновь вводит барабан в заданный режим действия. Система комплектуется из стандартных приборов.
Для автоматизации процесса сушки на входе газа в барабан и его выходе устанавливают датчики температуры 3 и 4. Сигналы от датчиков поступают в измерительные приборы 6. Преобразованные сигналы направляются в регулирующий прибор 8, который управляет исполнительным механизмом 1, изменяющим подачу в топку 2 с тем, чтобы сохранилось соотношение температур газа Л на входе в барабан и t2 на выходе.
В системе автоматизации на один барабан используют измерительный прибор ЭПВ2-06, регулирующий прибор РПИБ-Ш, исполнительный механизм МЭО25/12ОП.
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности сушки прямоугольных заготовок больших сечений?
2. В чем заключается особенность режима сушки этих заготовок для избежания торцового растрескивания древесины?
3. Как высушивают крупные заготовки неправильной формы (обозные, ружейные и т. п.)?
4. В заготовках каких древесных пород существует особая опасность возникновения раковин?
5. Каким способом высушивают строганый шпон при его изготовлении?
6. В чем состоит трудность досушки малых количеств строганого шпона у потребителя?
7. Как высушивают лущеный шпон на фанерных заводах?
8. В чем различие производства, сушки и назначения строганого и лущеного шпона?
9. В чем заключается принцип действия роликовых сушильных агрегатов?
10. Изобразите схему сушильного агрегата СУР-5. Для чего он предназначен? Режим его работы?
11. То же СУР-4? То же СРГ-35?
12. Сообщите о назначении сушильного пресса и принцип его действия.
13. Каковы технологические особенности сушильного дыхательного пресса?
14. Каковы его преимущества и недостатки по сравнению с роликовыми агрегатами?
15. Какими способами можно высушивать измельченную древесину для изготовления древесностружечных плит?
16. Какова основная техническая характеристика сушильного барабана «Прогресс»?
216
17. Как устроены и действуют аэрофонтанные сушильные установки?
18. Как влияет на удельный расход тепла начальная и конечная температура газов в сушильном агрегате?
19. Как можно сократить расход энергии в сушильных агрегатах?
Г л а в а 12. ИСПЫТАНИЯ, ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
§ 64. Паспорт сушильной камеры и всей установки
Оформление паспорта. Паспортизацию оборудования проводят для поддержания его в нормальном рабочем состоянии и для усовершенствования. В лесосушильной технике паспорт составляют для каждой сушильной камеры или туннеля и дополнительно один паспорт для всего сушильного отделения. Он может иметь форму таблицы, отдельной для каждого типа имеющихся на предприятии сушильных камер с паспортизацией каждой из них.
К паспорту прилагается дефектная ведомость, отражающая износ и необходимость ремонта или замены оборудования. Прилагается также план (Ml : 100) и разрезы (Ml : 50) сушильной камеры с основными размерами, а также план сушильного отделения (Ml :200).
В паспорте эжекционных камер записываются сведения о количестве сопел, размерах их выходных отверстий, а также динамическое давление струй, замеряемое U-образным манометром (см. рис. 59). В паспорте газовых установок вместо парового оборудования фиксируется топочное устройство, газоходы, шиберы, техническая характеристика, а также имеющаяся автоматика.
Содержание паспорта. Паспорт сушильной камеры включает в себя следующие показатели: внутренние размеры камеры и ее рабочий объем, высоту подвала или верхнего вентиляторного отделения, габарит дверного проема, ширину рельсовой колеи, ее симметричность в дверном проеме и просадку рельсов (по габаритному штабельному шаблону, см. рис. 62, е), конструкцию дверей и герметичность их закрывания (видимые изнутри закрытой камеры просвечивания), длину и высоту трековых тележек или вагонеток, размеры и габаритный объем (Г) типового штабеля, вместимость камеры в условном материале (В = 0,448Г), число оборотов п и годовую производительность камеры в условном материале [формула (61)], характеристику калорифера (тип, количество труб, поверхность нагрева) и увлажнительных труб (их диаметр, шаг и диаметр отверстий), тип и размер конденсатоотводчнка, наличие при нем контрольной трубки, наличие излишней (обводной) трубы, сечение воздухообменных отверстий и труб, характеристику вентиляторов (тип, №, частота вращения, замеренная его производитель-
217
ность), мощность электродвигателя (по бирке и замеренная), расчетную и фактическую скорость воздуха в штабеле (по материалу толщиной 25 мм), схему экранирования зон паразитного перетекания воздуха, общее состояние сушильной камеры (качественная изоляция внутри, толщина и вид теплоизоляции сверху), средства контроля температур и психрометрических разностей воздуха, средства автоматизации и их использование, характеристику прижимных устройств штабелей пиломатериалов.
В паспорт сушильного отделения включаются следующие сведения: число сушильных камер (туннелей) данного типа, общая их годовая производительность в условном материале, число штабелемест для сырого и сухого материала на складе, площадь застройки всех сушильных камер и вспомогательных помещений, диаметр главного паропровода и конденсатной магистрали, среднее давление пара камер (летом и зимой), наличие редукционного крана, паромера, манометра, характеристика траверсной тележки, длина и глубина траверсной выемки, величина зазоров у стыков рельсов во всех камерах и съездов на склад, метод вталкивания штабелей в камеру (туннель), метод подводки тока к лебедкам, механизмы и приспособления для погрузки сырых пиломатериалов, число электродвигателей в цехе и их общая мощность.
В дефектную ведомость записываются сведения о дефектах камер, их оборудования, а также рекомендуемые мероприятия по устранению дефектов. Подробно даются сведения о действии конденсатоотводчиков и калориметрировании конденсата.
§ 65. Общие испытания сушильных камер и туннелей
Виды испытаний. Испытания могут быть пусковые, эксплуатационные и научно-исследовательские.
Пусковые испытания. Цель этих испытаний — проверить соответствие выполненной строительной и монтажной части техническим и рабочим чертежам; установить качество выполнения работ и действие оборудования; выявить циркуляцию воздуха в вентиляторной системе и по высушиваемому материалу; установить распределение температур воздуха по длине и высоте штабеля; проверить герметичность камеры и надежность теплоизоляции ограждений и другие технические и технологические характеристики камеры. Имеется в виду осуществить проверку действия камеры после ее устройства или реконструкции по известной системе. Задача таких испытаний — устранить недостатки строительства и разрешить ввести новую или реконструированную камеру в производственную эксплуатацию.
Эксплуатационные испытания. Этот вид испытаний имеет целью усовершенствование сушильной техники с уче-218
том беспрерывно накапливаемого производственного опыта. Они проводятся периодически, например в зимних условиях действия камеры, показывающей в работе менее удовлетворительные результаты. Их цель — устранить выявленные недостатки и усовершенствовать сушильную технику на объекте. При испытаниях выявляется состояние аэродинамической и теплотехнической системы камеры, герметичность ее ограждений, а также измеряется равномерность просыхания древесины в объеме штабеля.
Научные испытания. Этот вид испытаний проводится на новой системе и по методу действия сушильной установки. Он имеет целью изучение сушильной камеры как аэродинамического, теплотехнического и технологического агрегата, сопоставление его с другими агрегатами, чтобы выявить пути технического совершенствования, а также рекомендовать для эксплуатации лучшую из разработанных сушильных установок. Эти испытания проводят по специальной методике.
Рассмотрим дополнительно наиболее актуальные эксплуатационные испытания, оказывающие значительное влияние на совершенствование технического уровня производства.
Наиболее сложны и в то же время существенны аэродинамические испытания сушильных камер. Их проводят неоднократно. Цель испытаний — создание в штабелях высушиваемых пиломатериалов максимальных воздушных потоков с достижением по возможности одинаковых скоростей воздуха по материалу. Имеется в виду общее требование — чем тоньше материал (мягких древесных пород), тем выше должна быть скорость воздуха. В современных камерах ее проектируют более 3 м/с.
При отсутствии в заводской лаборатории приборов ТНЖ с наклонной шкалой (тягонапоромер жидкостный) или микроманометра ЦАГИ следует изготовить для себя несколько U-об-разных манометров (рис. 59, д), позволяющих измерять с достаточной точностью величину динамических давлений в диапазоне более 3... 5 мм вод. ст., т. е. в диапазоне скорости воздуха более 8... 10 м/с. Для этого следует взять две короткие стеклянные трубки диаметром 7... 10 мм, соединить их на расстоянии 40... 50 мм резиновой трубкой, поместить в нее медную проволоку (для сохранения проводимости воды при изгибе) и прикрепить смежно к дощечке, на которую предварительно наклеить полоску миллиметровой бумаги. Для проведения расчетов скоростей воздуха и выявления его объемов по динамическому напору Нл используются формулы (48) и (49) и рис. 59, д.
Для измерения скоростей воздуха менее 5 м/с используют крыльчатый анемометр АСО-3. Этим прибором и симметричным диффузором (см. рис. 59, в) определяют скорость воздуха, выходящего из штабеля. Диффузор изготавливают из тонкой листовой стали; его длина около 300 мм. На одном конце диффузор
219.
имеет круглое отверстие (по обечайке анемометра диаметром 100 мм), а на другом — щелевое, вставляемое в зазор штабеля, образованный прокладками.
Для улучшения равномерности просыхания пиломатериалов по объему штабеля с одновременным ускорением процесса сушки надлежит всемерно сократить паразитные перетекания воздуха помимо материала. Прием для осуществления этого — экранирование зазоров: под штабелем, над ним и у концевых его участков, а также между концами штабелей при длине камер более 7 м.
Экранирование сбоку штабеля достигается устройством двух строительных выступов высотой не менее 300 мм над уровнем рельсов у боковых стен камер по всей их длине. Кроме того, устраивают бетонный выступ между рельсами высотою 130 мм над уровнем рельсов (высота полки трековой тележки 150 мм). В верхней части камер к их перекрытию подвешивают продольный гибкий экран (брезентовый), опускающийся на 200 мм ниже балки дверного проема. Для предупреждения порчи от изломов его снизу надрезают (через каждые 200 мм) на высоту 300 мм.
Желательно устанавливать величину перетекания воздуха помимо материала путем прямых измерений. Эта величина будет составлять разность объемов воздуха, подаваемого вентиляторами, и выходящего из штабелей материала. Следует иметь в виду, что для подачи паразитно перетекающего воздуха электродвигателями вентиляторов затрачивается электроэнергия; она подлежит учету.
Аэродинамика сушильных камер сложна и еще недостаточно изучена, поэтому перед составлением методики этих испытаний проводят предварительные измерения в характерных участках исследуемой системы и анализируют их.
Тепловые испытания камер позволяют установить распределение температур на входе воздуха в штабель. В этих целях применяют предварительно тарированные (на уровне измеряемых в камере температур) и занумерованные максимальные термометры.
Существенные теплопотери возникают через перекрытие камер в случае недостаточной его теплоизоляции. Кроме тепло-потерь, по этой причине разрушается железобетонное перекрытие камер, находящееся в мокром состоянии (конденсирует влагу снизу из-за охлаждения перекрытия со стороны чердачного помещения).
Для технического персонала предприятия и заводской лаборатории интересны и важны результаты измерений разности температур воздуха на входе Ц и на выходе t2 его из штабеля. Датчик температур не должен касаться высушиваемой древесины. При сушке тонких пиломатериалов разность температур должна быть не более 5, 2 и 1 °C соответственно в начале, середине и конце процесса сушки. Более высокая разность
020
(в условиях постоянства покажет на недостаточную скорость воздуха по материалу.
По беспрерывному снижению этой разности (от 5 до 1 °C и ниже) можно судить о снижении влажности древесины и даже об окончании сушки материала. Для тарирования следует одновременно взвешивать контрольный отрезок и строить кривую сушки совмещенно с кривой tx •—t2. При этом Ц должна поддерживаться автоматически на заданном уровне. Такой метод косвенного контроля влажности древесины перспективен для промышленности. По нему желательно автоматизировать ведение сушильного процесса, особенно в туннелях. В условиях загрузки в камеру средне- и особенно трудносохнущих сортиментов рекомендуется применение прерывистой циркуляции воздуха с циклом 0,5... 1 ч. Чем длительнее общий процесс сушки, тем больше относительное время перерывов циркуляции (см. табл. 15). Такой метод работы вентилятора способствует снижению расхода электроэнергии и поддержанию в камере более сухого воздуха и представляет собой научную, техническую и практическую ценность.
Калориметрирование конденсата [формулы (42) и (43)] является надежным методом проверки исправности конденсатоотводчика и представляет собой существенную часть испытаний сушильной камеры.
Герметичность камеры. В условиях испытаний камеры величина неорганизованного воздухообмена кг/ч, устанавливается при закрытой воздухообменной системе и без добавки увлажнительного пара по кривой сушки в течение 1 сут. Производится взвешивание контрольного отрезка, рассчитывается среднечасовое количество Do удаляемой влаги на весь высыхающий в камере материал
L1 = 10OODo/(d2—d0). (64)
Таким образом можно построить кривую неорганизованного воздухообмена за весь исследуемый процесс сушки и проверить эффективность герметизирующих и утепляющих камеру мероприятий.
Чем герметичнее камера, тем при указанных условиях выше в ней температура по мокрому термометру, следовательно, выше нагрета древесина в I стадии сушки и интенсивнее протекает процесс. В герметичных металлических камерах эта температура доходит до 96.. .99 °C. В кирпичных же камерах при сушке тонких пиломатериалов надо стремиться поднять ее хотя бы до 70.. .75 °C. Всеми доступными средствами надлежит сократить неорганизованный воздухообмен и конденсацию влаги на внутренней поверхности ограждений, утепляя их (пол, перекрытие, двери).
Испытание сушильных туннелей. Обычно замеряют лишь состояния воздуха на концах противоточного туннеля, а материала — на стороне выгрузки.
221
Рис. 78. Протекание процесса сушки в противоточном туннеле в зависимости от количества подаваемого воздуха*.
а — схема туннеля; б — кривые температур; в — кривые сушки; 1, 2 — прн недостатке количества воздуха; 3, 4 — при его избытке; 5, 6 — при нормальном количестве воздуха
Существенный параметр процесса сушки — количество воздуха, подаваемого к материалу, зависящее в основном от его толщины и времени года (рис. 78), обычно остается нерегулируемым.
Уже отмечалось, что чем тоньше материал, тем больше требуется часовое количество воздуха. Поэтому вентилятор каждого туннеля сушильного блока хотя бы ежемесячно должен быть отрегулирован на сушку определенного материала. Критерием для установления достаточности количества воздуха является величина психрометрической разности А/ на его потоке, выходящем из последнего по загрузке штабеля в момент перед новой загрузкой сырого материала. В это время величина At в туннелях должна соответствовать начальной At в камерах для такого же материала.
222
It Как видно из рис. 78, при недостатке подаваемого в тун-Г цель воздуха процесс сушки задерживается (горизонтальный отрезок К.В) на загрузочной стороне' туннеля. Древесина высу-S шивается не во всех пяти, а лишь в четырех-трех штабелях. При ₽ избытке же. воздуха будет интенсивно просыхать только что Г загруженный сырой материал; возможно его растрескивание.
При испытаниях туннелей выявляется и по возможности снижается количество воздуха, перетекающего помимо материала. Рекомендуется провести нижнее экранирование (как было рекомендовано в камерах), установку поперечных к потоку воздуха, верхних качающихся щитков (через 1,5. ..2 м), ( а также боковых качающихся щитков (слегка отклоняющихся £ от вертикали), возвращающихся в исходное перпендикулярное I к стене положение по прохождении штабеля.
§ 66. Выявление неравномерности просыхания
пиломатериалов
f Чем тоньше материал, выше его начальная и конечная влажность, более изменчивы плотность древесины и характер распиловки (радиальный — с более замедленной сушкой и тан-1 гентальный), тем неравномернее просыхает материал. Таково 1 влияние свойств самого материала.
; В различных сушильных камерах материал просыхает тем i неравномернее, чем ниже скорость воздуха в штабеле (особенно без реверсии), больше ширина и высота штабеля при неудовлетворительном воздухораспределении, хуже его укладка (см. § 38). Большое влияние оказывает и отсутствие влаготеплообработки.
Отклонения в начальной влажности отдельных досок (например, 100 и 40 % из одного бревна) сглаживаются в процессе сушки. Однако неравномерная раздача воздуха по штабелю часто приводит к пересушке примерно трети и недосушке противоположной по длине и высоте штабеля трети древесины во всем его объеме. Предварительная атмосферная подсушка способствует более равномерной последующей камерной или туннельной сушке пиломатериалов.
Для количественного выявления неравномерности просыхания пиломатериалов торец штабеля визуально разделяют на , 25 одинаковых прямоугольных зон и по возможности из центра каждой зоны отбирают образец для определения весовым методом конечной влажности. При меньших требованиях к точности измерений отбирают 13 образцов, как это показано на рис. 79. При высушивании досок образцы вырезают в трех местах: в середине длины штабеля (6,6 м) и на расстоянии 1,1 м от его торцов; таким образом, из штабеля отбирают 75 образцов.
Обозначив через w влажность каждого образца, п — число отобранных образцов (например, 25), М, % %—среднюю влажность древесины в штабеле, х — отклонение влажности каждого
223
5
Рнс. 79. Метод отбора образцов из штабеля на влажность:
а — разметка торца штабеля и отбора образцов; б—кривая неравномерности просыхания древесины по ширине штабеля; в — то же по высоте штабеля
образца от средней (т. е. х= = w—М), получим среднюю влажность древесины в штабеле, представляющую собой среднеарифметическую влажность всех его досок:
М — ^w!n. (65)
Величина среднеквадратического отклонения
а— ± д/^2/(л—1) • (66) Этот показатель характеризует величину неравномерности влажности древесины в исследуемом штабеле.
Из проведенных измерений можно подсчитать влажность образцов, взятых отдельно в каждом вертикальном ряду штабеля, и построить кривую распределения влажности по
ширине штабеля (рис. 79, б). То же можно выполнить и для влажности по высоте штабеля (рис. 79,в, справа).
Общая оценка величины о такова: разбег влажностей уменьшается, т. е. влажность всей древесины в штабеле получается равномернее, если меньше отклоняется от средней величины влажности М. С понижением М из-за удлинения процесса, например при сушке более толстого материала или его пересушке, значение а снижается, т. е. древесина просыхает равномернее.
С учетом влияния величины М на о можно отнести о к 1 % конечной влажности древесины и выразить в процентах. Такое отношение называется коэффициентом вариации v. Он мало зависит от конечной влажности древесины:
и= 100а/Л1.
(67)
При сушке древесины ее конечная влажность не может быть ниже равновесной ®р, поэтому отсчет М правильнее принимать не от нулевой влажности, а от равновесной, т. е. от М — wp. Следовательно, при сушке древесины как гигроскопического вещества коэффициент вариации следует учитывать по формуле и1=100а/(Л4—шр), (68)
где равновесная влажность воздуха относится к последней ступени процесса сушки.
В табл. 24 приведен пример расчета о и щ. Применительно ко второй категории качества сушки пиломатериалов с конечной влажностью Л4=12% можно ориентировочно считать, что в современных камерах при щ<10% равномерность высушива-
224
24. Пример расчета величин сив, при сушке пиломатериалов
№ зоны Расчетные величины Результаты расчета
ИЬ % X» % X1
1 12,5 0,5 0,25 = 25 — число наблюдений
2 14,3 2,3 5,3 = 3 % — равновесная влажность
3 13,0 1,0 1,0 Среднеквадратическое отклонение
• • о = ^-=±1,6
25—1
24 10,2 —1,8 3,2 Коэффициент вариации
25 9,3 М = 12,0 —2,7 7,3 Sx2 = 60 100-1,6 ,„оП/ vj. = — = 17,8 % 12—3
ния хорошая, а при щ = 10. ..15%—удовлетворительная. Например, при Af=12%, wp=3 % и о=1,5 01 = 100-1,5/(12—3) = = 16,7%, т. е. необходима небольшая конечная влаготеплооб-работка материала с целью снижения Оь
Для учета влияния различной продолжительности сушки т на коэффициент вариации данного материала можно пользоваться линейной зависимостью щ от т:
v2 — th —— , (69)
Тф
где т — нормативная, а Тф— фактическая продолжительность сушки материала.
Например, при т = 5, а Тф = 6 сут будет получено т2 = = 16,7-5:6=13,9 %.
Улучшается равномерность сушки и для более толстого материала. Эта зависимость также может быть выражена через время сушки, учитываемое в полуторной степени от толщины Т материала:
Например, при толщине материала 50 мм вместо условных 40 мм для предыдущего примера, когда v2—13,9 %, ti3 = = 13,9-253:354=9,9 %.
Известно, что диапазон отклонения 4а, т. е. ±2а, от среднего значения М характерен для 95,4 % исследуемых случаев сушки досок в штабеле. Следовательно, при о=1,5 конечная влажность древесины у 95,4 % всех досок в штабеле будет находиться в диапазоне от 12 + 2-1,5 = 15% (верхний предел) до 12 — 2-1,5=9 % (нижний предел).
8
Заказ № 3190
225
Лк
В условиях сушки пиломатериалов этот диапазон 4а распределяется несимметрично и составляет от + 2,5о до —1,5сг. Тогда влажность 95,4 % досок в штабеле будет находиться в диапазоне от 12 + 2,5 • 1,5= 15,8 % (верхний предел) до 12— — 1,5-1,5=9,8 % (нижний предел).
§ 67. Расход воздуха, тепла и электроэнергии на сушку пиломатериалов
На рис. 80 представлена диаграмма часового расхода воздуха и тепла в сушильных туннелях в зависимости от толщины материала и времени года. На оси абсцисс можно нанести другие линейные шкалы для иного туннеля с учетом коэффициента его производительности по влаге сравнительно с масштабом приведенной диаграммы.
В верхней части диаграммы нанесена шкала для прерывистой циркуляции воздуха в сушильных туннелях. Точка В показывает подачу воздуха зимой при сушке материала толщиной 22 мм, когда время перерывов работы вентилятора равно нулю (туннель рассчитан по проекту на режим непрерывной работы). Точка А относится к сушке материала толщиной 50 мм (слева) с перерывом циркуляции воздуха 0,5 (вверху), т. е. примерно на 50 % времени вентилятор отключается, так как потребность в воздухе для этого материала сокращается в 2 раза (вместо 48 требуется около 24 тыс. м3/ч). Тот же режим работы вентилятора требуется для материала толщиной 44 мм на кривой 2 ниже точки А. Для С толщина материала составляет 60 мм, в летнее время, кривая 3. Вентилятор периодически выключается на 2/з времени сушки (например, на 40 мин в течение каждого часа).
Из рассмотрения обеих диаграмм на рис. 80 следует, что часовой расход тепла в туннелях изменяется по той же закономерности, как и расход воздуха.
Расход пара. Расчет ведется по расходу тепловой энергии на 1 кг испаряемой из материала влаги. Количество влаги, удаляемой из 1 м3 древесины, находится по формуле (27). Минимальный часовой расход пара наблюдается летом, при медленной сушке толстых пиломатериалов.
Удельный расход пара D, кг, на 1 кг испаряемой влаги при сушке пиломатериалов хвойных пород можно определить по приближенной формуле
Д = 1,5 + а&—to)t, (71)
где а — коэффициент теплопотерь, принимаемый для камер 0,003, а для туннелей 0,002; ti—to — разность температур в камере (туннеле) и наружного воздуха; т — продолжительность сушки материала, сут.
Для условного материала при среднегодовых температурных условиях удельный расход пара определится: в камерах
226
Рис. 80. Диаграмма потребного часового количества:
а —воздуха; б--тепла: / — кривые расхода воздуха и тепла в крайнем туннеле зимой; 2 — то же в среднем туннеле зимой; 3 — то же в среднем туннеле лотом; 4 — то же только на испарение влаги
£>= 1,5 + 0,003’80 • 3,5 = 2,3 кг на 1 кг испаряемой влаги, в туннелях D = 1,5 + 0,002 • 80- 3,5 = 2,1 кг/кг влаги.
Из 1 м3 влажных хвойных пиломатериалов испаряется 200... 250 кг влаги, поэтому на высушивание 1 м3 условных пиломатериалов в камерах расходуется 460... 580 кг, а в туннелях 420... 525 кг пара. Расход пара зимой примерно на 20 % больше среднегодового и составит соответственно около 0,7 и 0,6 т/м3.
Удельный расход топлива. Имеется в виду расход топлива, сжигаемого в котельной для получения пара, подаваемого
8* 227
в лесосушильную установку. Этот расход В в большой мере зависит от влажности древесного топлива и теплового КПД котла с паропроводами и частично конденсатоотводчиками
В =-----, (72)
(4400 — 50 IT) ц v '
где D — расход пара на испарение 1 кг влаги из материала по формуле (72); т] — КПД котла.
Например, если £> = 2,3 кг/кг, т] = 0,6 и IF=40 %, то В~ 500•2 3 =----------:-----= 0,8 кг/кг, т. е. составляет 80 % от массы
(4400-50-40)0,6
испаряемой из материала влаги.
В газовых сушильных туннелях удельный расход древесного топлива на сушку пиломатериалов будет примерно в 2 раза меньше.
Расход природного газа на сушку пиломатериалов
В = 15 + С (fx—10) т [м»/м8], (73)
где С = 0,04 в газовых туннелях, С=0,06 в газовых камерах; т — в сутках.
Отсюда определится удельный расход природного газа на сушку пиломатериалов. В среднегодовых условиях в камерах он составляет около 40 нм3/м3, а в туннелях 35 нм3 газа на 1 м3 высушиваемого материала. Для паровых установок этот расход газа (в котельной) удваивается.
Расход электроэнергии на вращение вентиляторов. В сушильной установке расход энергии вентиляторами постоянен во времени, следовательно, без учета простоев, обратно пропорционален продолжительности сушки материала.
Годовой расход энергии Э, кВт, нагруженными электродвигателями при работе 300 дней в году будет
Э = 24 • 300У = 7200X, (74)
где N — мощность электродвигателей, кВт.
Удельный расход энергии Эу на высушивание 1 м3 условных пиломатериалов
Эу = 7200У/У, (75)
где У — плановая годовая производительность камеры или туннеля в условном материале.
Например, в двухштабельной эжекционной камере с электродвигателем мощностью 20 кВт высушивается в год 2600 м3 условных пиломатериалов, тогда удельный расход энергии будет Эу = 7200-20/2600 = 55 кВт-ч/м3.
Удельный расход энергии в сушильных туннелях в несколько раз меньше, чем в камерах. В туннелях один и тот же воздух проходит через ряд штабелей.
228
§ 68. Стоимость сушки пиломатериалов
В условиях высушивания одного сортимента стоимость сушки устанавливается принятыми в промышленности методами. Подсчитываются все расходы (за месяц, квартал) по сушке пиломатериалов и делятся на объем высушенных за это время пиломатериалов. Труднее определять порознь стоимость одновременно высушиваемых различных сортиментов.
Все расходы на сушку пиломатериалов можно разделить на не зависящие от длительности процесса (погрузочные работы) и зависящие от продолжительности процесса (расход энергии, стоимость обслуживания, амортизационные, цеховые и другие расходы).
Главная статья расходов в калькуляции сушки паровых сушильных установок — стоимость пара, составляющая около 40 % общей стоимости сушки. На долю заработной платы приходится около 25 %, а на долю электроэнергии для вращения вентиляторов — около 15%, далее следуют амортизационные отчисления около 8%, цеховые расходы 3%, заводские расходы 2 % и прочие 7 %.
В газовых установках на долю тепла приходится лишь 15... 20 % общей стоимости сушки пиломатериалов, которая составляет примерно 2/3 ее стоимости в паровых установках. Стоимость сушки в камерах в 1,5... 2 раза выше, чем в туннелях.
Стоимость сушки в значительной мере зависит от объема производства. Особенно она высока на мелких предприятиях из-за необходимости круглосуточной работы небольших котельных в летнее время. Именно поэтому на малых производствах предпочитают использовать вместо пара электроэнергию.
При наличии на производстве резервов пара выгоднее пользоваться паровыми калориферами. При этом стоимость нагревания воздуха будет в 2... 3 раза меньше, чем стоимость нагревания электричеством.
Особенно велико влияние на стоимость сушки продолжительности процесса. Именно поэтому сушка пиломатериалов твердых пород обходится в 2 ... 3 раза дороже, чем мягких.
Ориентировочно стоимость сушки составляет одну десятую стоимости сырых пиломатериалов данной спецификации.
§ 69. Организация производства и техника безопасности
Штаты цеха. Сушильный цех часто объединяют административно с деревообрабатывающим цехом или подчиняют ему ведение погрузочно-разгрузочных работ. Однако во всех условиях сушильный цех полностью ответственен за качество выпускаемых им сухих пиломатериалов.
229.
К работникам сушильного цеха предъявляются следующие основные требования по их квалификации. Начальник (руководитель) цеха — инженер-лесотехнолог со стажем работ по сушке пиломатериалов не менее 3 лет. При наличии только среднетехнического образования необходим стаж работы но деревообработке не менее 5 лет. Мастер сушильного цеха — высшее или среднее техническое образование по деревообрабатывающей специальности со стажем работы на производстве не менее 2 лет. Лаборанты-операторы — со средним образованием и опытом работы на данном предприятии не менее 2 лет.
Планирование и организация работы сушильного цеха. Осуществляется на основе месячного плана цеха деревообработки по потребности в количестве штабелей сухих пиломатериалов.
В сушильном цехе должны быть достаточно обоснованные сведения о продолжительности сушки всех спецификационных пиломатериалов, подаваемых в цех деревообработки, с учетом времени на охлаждение древесины и резервов времени 10... .. .15 % (от продолжительности сушки).
Такое задание на сушку перед началом планируемого месяца распределяется в форме карточек на специальной доске, воспроизводящей план сушильного цеха по отдельным камерам в расчете на месячную их загрузку (желательно в недельном графике). По мере поступления сухих пиломатериалов в цех деревообработки на карточках делаются соответствующие отметки.
На складе всегда должен быть переходящий запас сухих пиломатериалов.
Для текущей оперативной работы сушильных камер (туннелей) следует иметь штабельную (диспетчерскую) доску, воспроизводящую зоны всех штабелей в сушильной установке. В этих зонах накалываются и смещаются по мере просыхания материала штабельные карточки, на которых значится порядковый номер, время загрузки, состав пиломатериалов в штабеле и фамилии погрузчиков. К самим штабелям прикрепляются дощечки (бирки) с таким же содержанием; дощечки снимаются при разгрузке штабеля. Сведения из карточек заносятся в журнал сушки.
Отдельно в журнал заносятся фактические данные о температурах процесса сушки и влаготеплообработке материала, внутренних деформациях, влажностях древесины, окончании процесса сушки и ее охлаждении.
Техника безопасности. Опасными участками работы в лесосушильных цехах являются погрузочная площадка, траверсные пути, а также коридор управления с повышенной температурой и влажностью воздуха.
Наиболее резким температурным и влажностным воздействиям подвергается работник, посещающий действующую сушильную камеру или очень влажный коридор управления с целью контроля процесса сушкш
930
Специфическая вредность обусловлена тем, что организм человека в этих условиях перегревается, так как при температуре точки росы воздуха выше 36 °C выделение пота не приводит к охлаждению тела. Кроме того, при вдыхании воздуха с высоким влагосодержанием (d более 42 г/кг) в легких человека происходит конденсация водяного пара. Сухой воздух в камере, даже более нагретый, легче переносится организмом, чем влажный. Обслуживающий камеры персонал должен знать типовые указания по безопасной работе в лесосушильных цехах, приведенные в «Правилах по технике безопасности и производственной санитарии в деревообрабатывающей промышленности» (Лесная промышленность, М., 1985).
Контрольные вопросы
1. Каково назначение паспорта сушильного оборудования и что в него заносится?
2. Какие проводятся виды технических испытаний сушильных камер?
3. Как определяется скорость воздуха внутри штабеля опытным путем?
4. Как выявить паразитные перетекания воздуха помимо материала?
5. В чем заключаются производственные тепловые испытания сушильной камеры?
6. Как следует проводить тепловые испытания камер?
7. Каковы особенности проведения испытания сушильных туннелей?
8. От чего возникает неравномерное просыхание пиломатериалов в штабеле? Основные причины? Методы предупреждения?
9. Каким показателем характеризуется величина неравномерной влажности высушенных пиломатериалов в штабеле?
10. Что показывает коэффициент вариации и как его определяют?
11. Как приближенно рассчитать расход пара на сушку пиломатериалов?
12. Как рассчитать расход топлива на сушку пиломатериалов?
13. Как рассчитать и практически проверить расход электроэнергии на вращение вентиляторов?
14. Какие статьи расходов на сушку пиломатериалов зависят от продолжительности процесса и какие не зависят?
15. Чему приближенно равна стоимость сушки пиломатериалов?
16. Что означает калькуляция стоимости сушки?
17. Какими технико-экономическими показателями характеризуется эксплуатация лесосушильной установки?
18. Укажите общие направления и методы модернизации устаревших сушильных установок для пиломатериалов.
Глава 13. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
§ 70. Задачи проектирования.
Задание на курсовое проектирование
Задачи проектирования заключаются в том, чтобы разработать современную сушильную камеру и всю установку, отвечающую высоким техническим и технологическим требованиям по производительности и качеству сушки пиломатериа
231
лов. Камера должна быть не дорогой в строительстве и характеризоваться невысокой стоимостью сушки пиломатериалов. Должны быть предусмотрены механизация работ и эффективные средства для облегчения трудоемких работ по погрузке пиломатериалов в штабеля (см. рис. 63 и 66).
В задании на курсовое проектирование указываются три сортимента подлежащих сушке пиломатериалов и их количество, м3/год, начальная влажность древесины, назначение высушенного материала (например, столярное производство — с конечной влажностью 10%), наличие или отсутствие на предприятии обогревающего пара, место постройки (для расчета теплопотерь через стены в различных районах страны), а также основные требования к самому проектированию.
К проекту прилагается аккуратно написанная пояснительная записка на 20... 25 страницах, в которой должны содержаться: 1) оглавление к записке; 2) предисловие (цель, значение сушки древесины, обоснование к выбору типа камеры, обоснование к планировке цеха и т. и.); 3) технологический расчет (количество камер); 4) тепловой расчет (скорость воздуха в штабеле, потребное количество пара); 5) теплотехнический расчет (калориферов, диаметров паропроводных труб); 6) краткий аэродинамический расчет; 7) выбор и расчет мощности вентиляторов.
Сушильные установки, как камерные, так и туннельные, могут быть стационарными — кирпичными, железобетонными (утепленными), а также транспортабельными, выполненными из металла на машиностроительном заводе и отправляемыми в готовом виде железнодорожным или автомобильным транспортом потребителю.
Учащийся проектирует преимущественно стационарные сушильные камеры, стены которых кирпичные, а перекрытие железобетонное. Такие установки достаточно просты в проектировании и эксплуатации. Они значительно дешевле, надежнее и стабильнее в работе, чем металлические сушильные установки.
Проект выполняется на полутора листах ватмана обычных размеров (№ 24). На полном листе изображается чертеж сушильной камеры в трех проекциях — продольный разрез, поперечный разрез и план (вид сверху). Масштаб изображения принимается 1:10, 1:20, 1 :25, 1:40, 1:50 или 1 : 100.
Например, двухштабельная камера длиной 14 и шириной 3,1 м, а с учетом толщины стен и коридора управления (3 м) имеет протяженность 20 м для графического изображения; оно может быть выполнено в масштабе 1 :40.
На этом же листе отдельно изображается схема теплоснабжения камеры (рис. 81).
На половине листа ватмана разрабатывается планировка сушильного цеха, состоящего из ряда таких же смежно расположенных камер (см. рис. 66). Проектируется также склад
2.32
Рис. 81. Схемы подвода пара, установки калориферов и отвода конденсата: а — с пластинчатыми калориферами; б — с ребристыми трубами; I — редукционный клапан на паромагистралн; 2 — манометр; 3 — паровпускной вентиль камер; 4 — ручной вентиль подачи пара в калорифер; 5 — автоматический регулятор подачи пара в калорифер; 6 — вентиль увлажнительного пара; 7 — пластинчатый калорифер; 8 — контрольная трубка конденсатоотводчнка; 9 — конденсатоотводчик; 10 — конденсатная магистраль; 11 — обратный клапан; 12 — ребристые трубы
для штабелей высушенных пиломатериалов площадью примерно 0,6 от площади, занимаемой всеми камерами.
Проектируется также участок погрузки сырых пиломатериалов в штабеля с применением погрузочного лифта, как это показано на рис. 66, и других механизмов.
Передвижение штабелей пиломатериалов в пределах сушильного отделения и далее (возможно, в цех деревообработки) осуществляется на трековых тележках посредством поперечно движущейся в выемке траверсной тележки (см. рис. 65 и 66). Таково общее содержание планировочного чертежа. Справа внизу чертежа приводится спецификация оборудования и штамп. На чертежах должны быть нанесены основные размеры камер.
§ 71. Выбор способа сушки, типа камер и расчет \
их количества
Сушка в досках или заготовках. В мебельном и деревообрабатывающих производствах древесину высушивают в досках. Основное преимущество этого метода сушки — больший полезный! выход древесины, а также менее трудоемкая укладка в штабель досок, чем заготовок.
Если заготовки вырезать до сушки, то они значительно деформируются в процессе высыхания древесины (см. рис. 21 и 22). Возникает перерасход древесины при строгании и порча заготовок. Кроме того, на сухой доске заметнее пороки (гниль, сучки, трещины). Сухие отходы можно лучше использовать,
233
упрощаются складские операции и планирование производства.
Толстые доски необходимо распиливать на тонкие до сушки и, как отмечалось, не допускать сдвоенную укладку досок в сушильный штабель. Следует учитывать, что по длине древесина меньше деформируется в досках (модель неразрезной балки), чем в заготовках.
Выбор количества и размеров камер. В целях выбора количества камер учитывается объем подлежащих сушке пиломатериалов. При очень малом объеме сушки (100 ... 1000 м3/год) выбирают камеры малых размеров (см. табл. 5). Для высушивания пиломатериалов в объеме 2... 10 тыс. м3/год выбирают камеры со штабелями нормальных размеров (6,6-1,8-•2,7 м), однорельсовые. При большей производительности (до 30 тыс. м3/год) предпочтительны камеры двух- и четырехштабельные, а при большей производительности и сушке сортиментов мягких пород лучше всего использовать сушильные туннели.
При выборе размеров камер имеют в виду разнообразие подлежащих сушке сортиментов. При большом количестве разнообразных сортиментов более маневренными в эксплуатации будут камеры меньших размеров, т. е. желательно большее их количество.
Число камер может быть от 3 до 20. Их количество будет тем больше, чем продолжительнее высушиваются сортименты. При наличии же быстросохнущих сортиментов количество проектируемых камер уменьшается.
Выбор типа сушильных камер. Для сушки тонких сортиментов мягких пород предпочтительны камеры с высокими скоростями воздуха по материалу. Наиболее совершенными камерами с такой характеристикой являются УЛ-1 (одноштабельная) и УЛ-2 (двухштабельная по длине). Скорости воздуха по материалу в этих камерах достигают 5 м/с. В них получена высокая эффективность применения прерывистой циркуляции воздуха не только для толстых, но и для средних по толщине сортиментов. Эти камеры — металлические, транспортабельные. Для них выбраны легкие (пластинчатые) калориферы (см. рис. 82).
Аналогами этих камер по аэродинамической схеме являются камеры МТИ-1 и МТИ-3 (одноштабельные), МТИ-2 и МТИ-4 (двухштабельные), МТИ-2-2 и МТИ-4-2 (четырехштабельные с двумя рельсовыми путями), показанные на рис. 34, а—д (см. также рис. 83).
Скорость воздуха в штабелях до 3 м/с достигается в одноштабельных по длине камерах типа СПЛК-1, СПЛК-2 и СПМ-2К, разработанных Гипродревпромом (см. рис. 87). В камерах с торцовыми вентиляторами желательно иметь один вентилятор. Следует также иметь такие камеры длиной 14 м. Учащиеся могут принять участие в реализации новой лесосу-234
шильной техники, проектируя камеры МТИ длиной 14 м с одним вентилятором, показанные на рис. 34, к—р. Возможен выбор для проектирования и других камер, показанных в этой книге, а также из других источников. То же относится и к выбору для проектирования сушильных туннелей.
Расчет потребного количества камер или туннелей. Расчет количества камер осуществляется в два этапа. Первым из них выявляется продолжительность сушки т материала. Наиболее просто это выполняется с помощью табл. 19—22, которые иллюстрировались расчетным примером (см. § 56). Второй этап — расчет количества камер для высушивания этого материала в заданных условиях.
К расчету принимается задание на сушку пиломатериалов с указанием их толщины (например, сосна Т = 50 мм), объема Ф, например 5700 м3/год, начальной (60%) и конечной (12%) влажности и требований к качеству сушки:
а) устанавливается по формуле (53) количество оборотов камеры п в течение года на заданных сортиментах (п = = 335-24/(120 + 2,4) =65,5;
б) выявляется габаритный объем Г штабеля пиломатериалов: r = lbh = 6,6 - 1,8-2,6 = 31 м3;
в) выписывается из табл. 23 коэффициент заполнения К штабеля пиломатериалом (например, 0,484);
г) вычисляется по (58) вместимость В штабеля пиломатериалов: В = ГК (например, £ = 31-0,484=15,0 м3);
д) умножением В на количество оборотов п в году устанавливается годовая производительность камеры для каждого из заданных сортиментов (например, Ф1 = £/г= 15 • 65,5 = = 980 м3/год);
е) потребное количество камер для этого сортимента определяется делением его объема на годовую производительность камеры (например, 5700:980 = 5,8 камеры).
Производительность камеры на условном материале составляет 1300 м3/год. Поэтому, если сушку всех сортиментов пере-
25. Расчет потребного количества сушильных камер
Порода и толщина материала, мм Задание на сушку, 1 м3/год Продолжительность сушки материала т, ч (табл. 16—19) Число оборотов камеры в году, формула (55) Коэффициент заполнения штабеля К, формула (57). табл. 20 Габаритный объем штабеля Г, 6.6-1,8-2.6 Вместимость штабеля В — КГ Годовая производительность штабеля Фх = Вп Потребность одноштабельных камер Ф ’.Фх Потребность двухштабельных камер
Сосна, 50 5700 120 65,6 0,484 31,0 15,0 980 5,9 ~3,0
Сосна, 40 8300 — — —• — — — 6,5 3,3
Бук, 60 800 — — — — — 2,6 1,3
Итого 15,0 ~8
235
вести в условные по формуле (63), получим, например, 7500 м3, и разделив результат на 1300, выявим потребное количество одноштабельных камер. Потребное по плану сушки количество 2- и 4-штабельных камер будет соответственно в 2 и 4 раза меньше.
Аналогично выявляется потребное количество камер для второго и третьего сортиментов. Их сумма покажет потребное количество камер для высушивания заданных трех сортиментов.
Приведенный расчет потребного количества камер удобно выполнять в виде таблицы, где для каждого сортимента имеется своя строка (табл. 25).
В предварительных расчетах потребное количество камер т для каждого сортимента можно определить по формуле
Фт Фт т = -----=---------
А КГ 8040 КГ
Здесь А — число часов работы камеры в году (335-24 = = 8040). Например, если задано Ф = 3900 м3/год, т=84 ч, К= = 0,448 и Г = 31 м3, то
__ 3900 (84 + 2,4) _ 337000 ~ 8040-0,448-31 ~~ 111700
= 3,0 камеры.
Если т рассчитывают в сутках, то А = 8040:24 = 335 чих суток в году, и формула (76) будет иметь вид
рабо-
те
Фт
335 КГ
3900 (3.5 + 0.1) ”” 335-0,448-31
= 3,0 камеры,
(76а)
т. е. получается тот же результат.
Для тонкого материала, когда т<5 сут, при А = 300 сут в году получится
те =-------------=3,4 камеры, т. е. на 11% больше.
300-0,448-31
Потребное к проектированию количество туннелей выявляется аналогичным методом с учетом числа (5, 6, 7, 10, 12) одновременно подвергаемых сушке штабелей в туннеле (5, 6, 7, 10, 12). Расстояние от штабеля до боковой стены принимается: в камерах с верхними вентиляторами — 0,25 высоты штабеля, а с торцовыми вентиляторами — 0,35 ширины штабеля.
§ 72. Тепловой, теплотехнический и аэродинамический расчеты
Исходные предпосылки. Целью этих расчетов является выбор характеристики теплового и вентиляторного оборудования сушильной камеры, выявление ее технологических показателей (табл. 26).
236
26. Последовательность и содержание расчетов сушильной камеры
Элементы расчета П. — пункт данного расчета; в скобках — номер формулы; Т.— номер таблицы Значения для Т — 25 мм
Потребное количество камер
1. Габаритный объем штабеля Г = = Ibh, м3 2. Годовая производительность камеры в условном исчислении У — = 42Г, м3/год 3. Потребное количество камер на намеченную программу (10 000 м3/год условных) 10 000 : 1300 Рис. 83 (59, а) Г = 6,6-1,8-2,6 = = 31,0 1300 7,6 (принимается 8)
Количество влаги и воздуха
4. Начальная и конечная влажность древесины ши и шк, % 5. Испаряется влаги из 1 м3 сосновой древесины М, кг/м3 6. Вместимость одного штабеля В = = 0,367Г, м3 7. Продолжительность сушки материала т, ч 8. Испаряется влаги в среднем за 1 ч с коэффициентом 1,2 на неравномерность сушки 1,2 МВ : т, кг/ч 9. Скорость воздуха в штабеле v, м/с 10. Живое сечение F штабеля, F — = 6,6-2,6-0,5 м2 11. Объем воздуха через один штабель V = 4-7,8 м3/с (тыс. м3/ч) 12. Воздухообмен камеры в 1 ч, м3/ч 13. То же на металлическую камеру с учетом прерывистой циркуляции воздуха, м3/ч Т.З, § 52 (27) Т.23, п.1 Т.22 П.5, п.6 : п.7 П.1 (И) П.8, (13), (И) § 46 70 и 7 252 11,4 72 48,0 4,0 8,6 34,4 (124 000) 360 720
Калориферы и трубы
14. Расход тепла на испарение 1 кг влаги, кДж/кг 15. Теплопотери (зимой) на 1 кг влаги (по отдельному расчету), кДж/кг 16. Общий расход тепла на 1 кг влаги с добавлением 15 % (от п.14) на неучтенные теплопотери 1,15 п.14 + + п.15, кДж/кг 17. Расход тепла на камеру в 1 ч, кДж/ч 18. То же в киловаттах (т. е. кДж/с) 19. Разность температур внутри и вне калорифера, °C 20. Массовая скорость воздуха по калориферу пр = 4-0,87, кг/(м2-с) 21. Коэффициент теплопередачи ребристых труб К, Вт/(м2-К) 22. Площадь поверхности нагрева парового калорифера, м2 (16) П.8-П.16 П.17 : 3600 Т.1 П.9, (10) Рис. 47,а П.17 : (п.19-п.21) 2800 1280 4500 216 000 60 143—85=58 3,5 15,5 240
237
Продолжение табл. 26
Элементы расчета П. — пункт данного расчета; в скобках — номер формулы; Т. — номер таблицы Значения для Т — 25 мм
23. Принимается к установке калорифер из ребристых труб, м2 __ 240
24. Расход пара в калорифере зимой на камеру в 1 ч (теплоотдача 1 кг пара 2100 кДж/кг), кг/ч П.17 : 2100 103
25. То же с добавлением 10 % на вла-готеплообработку, кг/ч — 113
26. Диаметр паромагистрали (с учетом числа камер п), мм П.25, (77) 70
27. Диаметр труб в камере, мм П.25, (77) 40
28. Диаметр конденсатной магистрали, мм Вентиляторный узел П.24 35
29. Аэродинамическое сопротивление циркуляционного кольца, включая вентилятор, — по отдельному расчету, см. рис. 83, Г, Па — 200 (20)
30. Мощность воздушного потока на камеру при КПД реверсивных вентиляторов т) = 0,5, кВт — 8,0
31. У трех вентиляторов У12 — № 12,5 по 5,5 кВт, установленная мощность на камеру, кВт — 16,5
32. Частота вращения вентиляторов, п, мин — 1 Расчетные технико-экономические показатели (укрупненные) 960
33. Удельный расход пара на 1 кг испаряемой влаги (зимой) Оуд, кг/кг П.24 : п.8 2,1
34. Расход пара на высушивание 1 м3 пиломатериалов D/м3, кг/м8 П.ЗЗ’П.5 530
35. Стоимость пара Пс на сушку 1 м3 пиломатериалов при цене 1 т пара 4 р., р/м3 П.34 4-0,53 = 2,12
36. Расход электроэнергии на 1 м8 пиломатериалов Эс, кВт-ч/м3 П.31-П.7 : п.6 94
37. Стоимость энергии 1 м3 пиломатериалов при цене 1 кВт-ч — 1,0 к. (в малых камерах, а также твердых пород _ в 2 . . .3 раза больше) Эс, к/м3 П.36 1,0-94 = 94
38. Стоимость пара и энергии на сушку 1 м8 пиломатериалов Пс + Эс, р/м8 П.35 + п.37 3,06
39. Ориентировочная стоимость сушки, считая энергетические затраты равными 0,5, р/м3 П.38 : 0,5 6,12
238
Исходной величиной расчетов принимается скорость воздуха в штабеле пиломатериалов, которая предопределяет технологический уровень проектируемой установки. От нее зависят качество сушки пиломатериалов и удельная производительность установки.
В проектах современных сушильных агрегатов скорость воздуха устанавливают 3... 5 м/с. Уже освоены агрегаты со скоростью воздуха до 5 м/с (УЛ-1 и УЛ-2 и их аналоги по вентиляторному оборудованию МТИ-1—МТИ-4).
Известна обратная зависимость величины скорости воздуха в сушильных туннелях от толщины материала (см. рис. 80). Следует и в проектах сушильных камер принять в основу расчета сушку тонких сортиментов (Т=25 мм) как наиболее интенсивную по теплоте и воздуху.
Расчет количества воздуха. При открытой боковой поверх-’ности штабеля обычных размеров 6,6-2,6 м = 17,2 м2 и живом сечении для потока воздуха 17,2:2 = 8,6 м2 (щелевые зазоры между досками 25 мм равны толщине досок также по 25 мм) объем воздуха, проходящего через штабель со скоростью 4 м/с, составит 4-8,6 = 34,4 м3/с= 124000 м3/ч.
Воздухообмен металлических камер и туннелей принима-- ется удвоенный (с учетом прерывистой циркуляции воздуха), а в малых камерах воздухообмен не проектируется.
Для последующих расчетов принимают камеры УЛ-1, МТИ-1, МТИ-3 и др. с одним штабелем обычных размеров 6,6-1,8-2,6 м на рельсовом пути. Скорость воздуха в штабеле 4... 5 м/с. Расчеты приведены в краткой форме, с опущенными деталями, не оказывающими существенного влияния на результаты.
При проектировании одноштабельной камеры с такими же штабелями, но с одним вентилятором скорость воздуха в штабеле больше 4 м/с может быть создана вентилятором У12 № 18 с частотой вращения 700 мин-1. При сушке хвойных пиломатериалов толщиной более 25 мм достаточен вентилятор № 16 с частотой вращения 850 мин-1.
При настенном монтаже ребристых труб их устанавливают п,о высоте от 6 до 10 (для тонких досок) рядов на каждой продольной стене камеры, т. е. площадь поверхности нагрева на длине 6 м будет 192—240 м2. Схема монтажа калорифера показана на рис. 81. Верхний ряд труб должен быть установлен на отметке 0,65 м ниже верхней границы штабеля.
Внутренний диаметр труб, мм, определяют по формуле d=18,8VmD2/(pnt/n) . (77)
где пг — количество одновременно работающих камер; О2 — часовое количество пара, протекающего по трубе в камеру, кг/ч; рп — плотность насыщенного пара, принимают при давлении 3...4 бара (см. табл. 1); ип — скорость пара в парома-гистрали 70 м/с, к двухштабельным камерам 60 м/с, к одно
239
штабельным 50 м/с. Скорость конденсата 1,5 м/с в магистрали и 1 м/с в отводных трубах.
По полученному расчетом диаметру подбирают трубу ближайшего большего размера. Базовые размеры труб нормализуются по внутреннему их диаметру, считаемому условным dy. Одновременно назначается наружный диаметр трубы da, необходимый для учета соединительной резьбы. Приводим размерный ряд «обыкновенных» водогазопроводных труб.
dy, мм .... 10 4Н, мм .... 16,0 Масса, кг/м . . 0,8
15 20 25
21,3 26,8 33,5
1,3 1,7 2,4
32 40 50
42,3 48,0 60,0
3,1 3,8 4,9
65 80 100
75,5 91 112
7,0 8,2 11,0
Отдельный аэродинамический расчет камеры. Вследствие небольшой длины прямых каналов по пути движения воздуха в сушильных камерах можно не учитывать аэродинамическое сопротивление этих каналов. Рассматривается лишь сопротивление штабеля (или последовательно двух штабелей по рис. 34, д, е, з) материала и местные сопротивления замкнутого циркуляционного потока: вентилятор — каналы — материал — каналы — вентилятор. Эти аэродинамические сопротивления можно обозначить на схеме (рис. 83, в) поперечного разреза сушильной камеры, например типа МТИ-3.
Численные значения сопротивлений учитываются от величины динамического давления по формуле (46) по скорости воздуха v=V/F из формулы (47) в меньшем сечении. Сопротивления будут следующими: 1) расширение воздушного потока, выходящего из вентилятора (с коллектором), £4=0,6; 2) сужение потока, выходящего из вентиляторного пространства к калориферному каналу, |2=0,2; 3) поворот этого потока у верхнего (левого) угла штабеля Вз=0,4; 4) поворот этого потока при входе воздуха в штабель материала |4 = 1,0; 5) сопротивление штабеля с толщиной материала 25 мм |5=2,8. На второй стороне штабеля сопротивления принимаются такими же, онн суммируются с рассмотренными на первой стороне.
Скорость воздуха в штабеле принимается 3 м/с; его секундный объем будет (49) VF=3 • 6,6 • 2,7 • 0,5«27 м3/с. Плотность нагретого воздуха находится по формуле (10): р=0,9 кг/м3.
Затем определяется площадь поперечного сечения воздушного потока в каждом участке, исходя из длины камеры 7 м, ширины штабеля 1,8 м, числа двухметровых ребристых труб в их ряду по длине камеры 6 шт., площади проекции одной трубы 0,18 м2, числа вентиляторов 3, их номера 12,5.
Расчет (табл. 27) выполняется по следующей схеме, в которой 0,75 — ометаемая площадь F вентилятора серии У с диаметром ступицы d=0,5 диаметра D колеса, F= (О2—d2)/D2=0,75; 0,785=л/4; затем 0,6 и 0,5 — ширина прохода сбоку штабеля без учета и с учетом диаметра трубы калорифера; толщина досок и прокладок принята по 25 мм; динамическое давление ри2/2.
При пересчете скорости воздуха с 3 до 4 м/с сопротивление циркуляционного кольца камеры возрастет до 200 Па, а именно 113 • 42 : 32=200 Па, а объем воздуха — до 36 м3/с.
Для ускорения расчетов используют микрокалькуляторы. Электродвигатель подбирается по мощности воздушного потока по формуле (44) с учетом КПД вентиляторов, потерь на трение клиноременной передачи (3... 5 %) и запаса мощности, с учетом перегрузки вентилятора при пуске камеры в работу, в обычных камерах в среднем; для центробежных вентиляторов 10 %, для осевых 5 %.
Применяют трехфазные асинхронные, закрытые, защищенные электродвигатели серии А4 (ГОСТ 19523—81) с частотой
240
27. Расчет аэродинамических сопротивлений
№ участков Наименование участков Площадь участка, м2 Скорость воздуха, м/с Динамическое давление, Па 1 Коэффициент сопротивления J Сопротивление участка, Па
1 н 9 Вентиляторы 0,75-3-0,785Х 27 : 2,76 = 43,0 о,з+о,з 25,8
(сметаемая площадь) Х 1,252= 2,76 = 9,8
2 и 8 Поворот вниз 0,6-7= 4,2 27 : 4,2 = 6,4 18,5 0,54-0,5 18,5
3 и 7 У калорифера (один ряд труб) Поворот в 0,5-7 = 3,5 7,7 26,5 — 40,7
4 и 6 6,6-2,7-0,5 = 3,0 4,0 1,04-1,0 8,0
штабель = 9,0
5 Сопротивление штабеля 3,0 4,0 — 20,0
Итого ИЗ
вращения 1450 для малых и 1470 мин-1— для повышенных мощностей.
Мощность, кВт.................. 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5
Масса, кг ...................... 18 20 29 36 42 56
Продолжение
Мощность, кВт................... 11 15 18,5 22 30 37
Масса, кг ...................... 93 135 160 175 195 270
Диаметр трубы, подводящей пар к камере, определяют по формуле (77) при т=1. По этой же формуле рассчитывают диаметр конденсатных труб. Плотность воды рв с температурой 100 °C принимают 960 кг/м3, скорость воды в магистрали 1 ... 2 м/с, а в отводных трубах 0,5... 1 м/с. Монтаж калориферов выполняют с соблюдением непрерывного уклона труб 0,5... 1 % по ходу пара и конденсата. Обводную трубу у кон-денсатоотводчика не ставят, но обязательно применяют контрольную трубку (см. рис. 81).
Аэродинамические расчеты очень сложны. Они частично выполняются по методическим указаниям к курсовому и дипломному проектированию лесосушильных камер. Конструкция камеры должна характеризоваться минимальными сопротивлениями (кроме полезного сопротивления штабеля — 20... ...50 Па, т. е. 2... 5 мм вод. ст.). Общее сопротивление камер обычно соответствует 8... 10-кратному сопротивлению штабеля, в удачных конструктивных решениях оно может быть значительно меньше.
Во всех сушильных камерах должны проектироваться прижимные механизмы для предотвращения порчи материала из-за большого его коробления в верхних рядах штабеля.
241
Такие механизмы (см. рис. 67) окупаются в первые 3 мес их эксплуатации; отмечается простота их конструкции, надежность в работе и высокая эффективность действия. В тех же целях к проекту сушильных камер должны комплектоваться составные трековые тележки (см. рис. 65). Деревянные подштабельные брусья должны быть изъяты из употребления.
Особенности теплового расчета сушильного туннеля. Метод расчета туннельного процесса аналогичен камерному. Однако для компенсации теплопотерь через ограждения при отрицательных температурах древесины (для нагревания и плавления льда, а также для нагревания древесины, выгружаемой из туннеля) необходима затрата дополнительного тепла. Оно подается в туннель с дополнительным количеством воздуха, составляющим 5... 10 % (большее значение — зимой) от расхода нагретого воздуха при отдаче им тепла св (ti—ti) на испарение влаги из материала (здесь св — теплоемкость влажного воздуха, равная 1,0 + 0,0019^ кДж/кг, или, что то же, 0,24 + + 0,00045rf ккал/кг).
Количество дополнительного воздуха определяется из суммы теплопотерь:
Ьд = 2<7/[св(/1-М]. (78)
Например, для туннеля с пятью штабелями пиломатериалов, характеризующегося суммой теплопотерь 209 000 кДж/ч (50000 ккал/ч), когда L—12 = 25 °C и di = 415 г/кг г 209 000 .„пп ,
Ln —-----------------------4700 кг/ч
(1,0 + 0,0019-415)25
или 4700- 1,5 = 7000 м3/ч.
§ 73. Технические решения по сушильным камерам
Здесь отмечаются в основном современные сушильные камеры с высокими скоростями воздуха в штабеле (3...5 м/с), получающие широкое распространение в виде транспортабельных камер УЛ-1 и УЛ-2, выполненных по техническому заданию ВНИИДМАШа (рис. 82). С применением прерывистой циркуляции воздуха эти камеры одинаково пригодны для высококачественной сушки как легко-, так и трудновысушиваемых сортиментов древесины, с высокой экономичностью процесса.
Положительные технические особенности камер УЛ-1 и УЛ-2: увеличенные по сравнению с предыдущими моделями размеры реверсивных вентиляторов (№ 12,5) в количестве 3 шт. на штабель при частоте вращения 960 мин-1; байпасное перемещение большей части воздуха помимо пластинчатых калориферов (т. е. без преодоления их сопротивлений); дистанционный контроль и автоматическое регулирование процесса сушки по температуре и психрометрической разности.
242
AAA
Рнс. 82. Сушильные металлические камеры УЛ-1 и УЛ-2:
/ — нижняя секция камеры; 2 — дверь; 3 — верхняя секция камеры; 4 — привод вентилятора; 5, 6 — приточно-вытяжные трубы; 7 — паропровод к калориферам; 8 — паропровод для влаготеплообработки; 9 — система автоматизации; 10 — гидравлический затвор; 11 — пластинчатые калориферы; 12 — вентилятор; 13 — вал вентилятора; 14 — электродвигатель
По данным испытаний установки объем воздуха, побуждаемого вентиляторами, составляет на штабель около 50 м3/с при давлении 20 мм вод. ст., а потребляемая мощность N = = 50• 20/(102-0,6) = 16,5 кВт на три вентилятора. Сопротивление штабеля при скорости в нем воздуха 5 м/с составляет 5 мм вод. ст., т. е. 5/20 = 0,25 давления, создаваемого вентиля-торами. Таков высокий аэродинамический КПД этой металлической камеры, изготовляемой ПО «Петрозаводскбуммаш».
Камеры в кирпичном исполнении, с аналогичными верхними вентиляторами, показаны на рис. 83. В камерах МТИ-3 и МТИ-4 вентиляторный (верхний) отсек имеет трапециевидную форму. При этом электродвигатель и подшипники вала устанавливаются на стенах вне камеры, что является их существенным преимуществом. Такие камеры длительное время эксплуатируются в промышленности на Московском ДОКе № 7 (с реверсивными вентиляторами № 10).
При небольшом объеме сушки (до 15 тыс. м3/год) эффективно применение камер с боковым расположением электродвигателей (МТИ-1 и МТИ-2). Настенное расположение калориферов из ребристых труб удобно при их монтаже и в эксплуатации. При таких камерах не обязателен коридор управления — парораспределение и конденсатоотводчики могут размещаться вне камеры у стены между дверей.
С применением этих эффективных по принципу действия аэродинамической системы камер приемлемой может быть планировка с установкой 2, 4, 6 камер в виде парных комплектов с разрывами между ними, равными внутренней ширине камеры— для запасных штабелей, а также с учетом возможного расширения производства, с переходом на камеры МТИ-3 или МТИ-4.
243
Рис. 83. Камеры стационарные однопутные, с верхними вентиляторами:
а, в —МТИ-1; в, д — МТИ-2, а, г — МТИ-3; г, д — МТИ-4; б, д — ВИАМ-40; / — вентилятор; 2 — электродвигатель; <3 — калорифер; 4 — штабель пиломатериалов
Рис. 84. Камеры с торцовыми одиночными вентиляторами:
/ — вентилятор; 2 — электродвигатель; 3 — калорифер из ребристых труб; 4 — калорифер пластинчатый или электрический; 5 штабель пиломатериалов
Следует иметь в виду, что воздух нагревается секцией из ребристых труб на величину менее 1 °C и что он перемешивается сбоку штабеля по его высоте. Поэтому применение надежных в работе чугунных ребристых труб в стационарных установках более предпочтительно по сравнению с пластинчатыми калориферами.
245
На рис. 84 представлены технические решения по упрощенным камерам с одиночными торцовыми вентиляторами, которые изображались ранее в виде схем (см. рис. 32). Преимущество таких установок заключается в применении лишь одного вентилятора, монтируемого внизу, на грунте, т. е. не создающего вибрационных нагрузок на ограждения камеры. Следует также иметь в виду более простое обслуживание такого вентилятора (с двумя опорами), а также повышенный его КПД по сравнению с той же подачей воздуха, но несколькими параллельно работающими вентиляторами.
В зависимости от местных условий может быть применено ортогональное или смещенное под углом расположение вентилятора к продольной вертикальной плоскости симметрии камеры (рис. 84, а, б или рис. 84, д, е). Варианты такой установки удобны при монтаже оборудования в одноштабельных (по длине) камерах с блоками при годовой производительности до 5 тыс. м3/год сухой пилопродукции. Во временных установках рекомендуется использование пластинчатых калориферов (рис. 84, г, ж).
Эта же схема монтажа оборудования может быть применена и в малых камерах производительностью менее 1 тыс. м3/год, использующих калориферный электронагрев. Основные характеристики и показатели таких камер приведены в табл. 5. Размеры на рис. 84 относятся лишь к первой камере, приведенной в табл. 5 (М-1).
На рис. 85 приведен технический чертеж широко распространенной в промышленности паровой эжекционно-реверсивной камеры с центробежным вентилятором. Особенности действия такой камеры и методы устранения недостатков приведены в § 23.
На рис. 86 приведена оригинальная и эффективная в работе 4-штабельная сушильная камера, обогреваемая сжигаемым в подтопке природным газом (вместо обогрева паром). Такие камеры уже много лет успешно эксплуатируются на подмосковном ДОКе № 6. По конструктивному решению она сходна (эжекционно-реверсивная) с предыдущей, разработанной ранее автором.
На рис. 87 показаны схемы новых одноштабельных по длине сушильных камер с двумя торцовыми параллельно работающими реверсивными вентиляторами У-12 № 12. Воздух движется по замкнутому кольцу в горизонтальной плоскости. Схематически эта камера была представлена на рис. 34, ж, з. Проекты разработаны Гипродревпромом применительно к небольшим объемам сушки пиломатериалов (до 15 тыс. м3/год).
Рис. 85. Паровые эжекциониые камеры с центробежными вентиляторами: а б в____двухштабельные камеры; г, д — одноштабельные камеры с уменьшенным
штабелем- 1 — вентилятор; 2 — эжектирующие сопла; 3 — подвесные шторы по всей длине камеры; 4 — вертикальные приторцовые экраны; 5 — строительные экраны-выступы; 6 — калорифер
246
ч
Рис. 86. Сушильные камеры, отапливаемые природным газом:
а, б, в — четырехштабельные камеры; г, д — двухштабельные (по длине) камеры; 1 — осевой вентилятор ВОК-1,0; 2 — конические сопла; 3 — нагнетательный канал; 4 — щелевые сопла; 5 — газопровод; 6 — эжекциоиная горелка на 50 м3/ч; 7 — центробежный вентилятор Ц4-70 № 12; 8 — подтопок; 9 — экраны
Рис. 87. Сушильные камеры:
а, б — СПЛК-2; в — СПМ-2К; 1 — приточно-вытяжные трубы; 2 — металлическая перегородка; 3 — калорифер; 4— двери; 5 — электродвигатель; 6 — вентилятор
‘ * СЙ !Й * К, I 1 • •> • ‘ 1 < "5 ‘ *^д,»м^кй«>акХям О' S '(ХЧ4>'О4’>»Ян2 вг(3 .Е(ьв-е^ии^я® °2« S ийьоч“иЗ 2«8..ЙЯ§& §>»
s в «
S I о I
О а ф и 3
5 X Ю
5 ’ S. ,
t*'O о | о-
3 s
s
2< Е .JS я S> о о । ®
WS ь 3s 3 S 2 S I □ora±£ »®x
i &g§
5g. 5a3&t&3..'Bp s &|Sgs°s«|
SnBhR4tfB40 X Cs 1'нНЬКЯЯ^ЯОя'оЬд
’*5^БииЧХМЛХО.Й°0Ь,!*И
ч
Стены камер СПЛК-2 (рис. 87, а, б) в основном кирпичные, а камеры СПМ-2К (рис. 87, в) — цельнометаллические. Последние— транспортабельные и поставляются в комплекте с коридором управления, лабораторией и транспортными средствами. В них обеспечивается сушка пиломатериалов по I и II качественным категориям.
§ 74. Технические решения по сушильным туннелям
Наиболее простым по техническому и конструктивному решениям для сушильных туннелей будет элементарный противоточный процесс, реализуемый в туннелях, показанных на рис. 88, I. Эта сушильная установка предназначена для высушивания заготовок длиной до 2,0 м, укладываемых в штабель в поперечном к длине туннеля направлении.
Воздух проходит в штабелях вдоль прокладок в направлении справа налево по длине туннеля, подсасывается на левом (загрузочном) конце, поднимается вверх и затем вентилятором 1 направляется по рециркуляционному каналу вправо. Здесь воздух подогревается калорифером 2 и на сухом, выгрузочном (справа), конце повторно направляется в штабеля материала.
На рис. 88, II показана новая система туннеля с продольной загрузкой материала, характеризующаяся двухстадийным проведением сушильного процесса. Такой процесс осуществлялся лишь в сушильных камерах, обладающих гибкой регулировкой проведения режима сушки во времени. В рассматриваемом туннеле первая стадия процесса сушки выполняется в зонах I—III, а вторая — в зонах IV—VII. В обеих стадиях процесс противоточный. Однако при сушке тонких или толстых сортиментов он может быть прямоточным, прямоточно-противоточным или противоточно-прямоточным. Кроме того, в каждой зоне может осуществляться прерывистая циркуляция воздуха. Таким образом, открываются возможности регулирования туннельного процесса в широких диапазонах;
251
v: Рис. 89. Семиштабельные сушильные туннели с различным теплоснабже-
/х. нием:
а — продольный разрез; б —план; в — узел компоновки отопления природным газом или мазутом; г — то же твердым топливом; д — то же при блочной выносной топке; ' ' е — поперечные разрезы по высокому туннелю; ж — то же по туннелю обычной вы-
соты; 1 — вентилятор; 2 — основной калорифер; 3 — промежуточные калориферы; 4 — ‘ переходные калитки вдоль туннелей; 5 — прижимные плиты; 6 — газовая или мазутная горелка
На рис. 89 показаны (в сечениях) паровые и газовые семиштабельные туннели с зигзагообразной циркуляцией воздуха, не требующие загрузки пиломатериалов одномерной длины. Пре-дусмотрен промежуточный отбор воздуха, регулирование его количества на загрузочном конце, применение прерывистой его * циркуляции.
'г Проектируется предотвращение коробления пиломатериалов Т в верхних рядах штабеля путем установки шарнирно сочленен-
* ных прижимных плит, поднимаемых и закрепляемых в верхнем
положении в период перекатки материала и опускания плит на штабеля после завершения их перекатки. Эти туннели показали
* в эксплуатации хорошие результаты и рекомендуются к широкому использованию в промышленности для внутрисоюзной массовой сушки пиломатериалов.
Туннели с продольной загрузкой пиломатериалов обладают / рядом преимуществ по сравнению с туннелями с поперечной за-грузкой: более равномерное просыхание древесины по длине штабеля (после прохождения каждого штабеля воздух перемешивается), возможность сушки укороченных пиломатериалов и даже штабелей, короткие фронты погрузочно-разгрузочных работ, меньшая ширина дверей как основного источника тепло-потерь, удобная рельсовая подача штабелей в цехи деревообра-. ботки, удобная взаимозаменяемость парового отопления тунне-лей на газовое и наоборот, снижение коробления пиломатериалов как в верхней (установкой грузовых прижимов), так и в нижней части штабеля (большее количество жестких подшта-бельных опор), возможность промежуточной подачи воздуха для совершенствования режима сушки.
Заключительные рекомендации учащимся. Учащийся должен беспрерывно стремиться к улучшению использования такого ценного и дефицитного материала, каким является древесина, путем повышения качества ее сушки и, следовательно, повышения качества вырабатываемой из нее продукции. Он должен знать, что качеством изделий является их надежность и ресурс эксплуатации. Он должен знать также, что некачественная сушка пиломатериалов является скрытым браком, постепенно проявляющимся через некоторое время в условиях эксплуатации изготовленной из них продукции.
Учащийся должен хорошо запомнить, что влажностные деформации древесины происходят лишь при уменьшении гигроскопической влаги, т. е. на последних ступенях сушки пиломатериалов. Поэтому основное внимание необходимо уде
253
лять надлежащей досушке древесины в камере до требуемой конечной влажности и ее равномерности. Он должен четко уяснить абсолютную недопустимость какой-либо досушки древесины после изготовления изделий, в готовой продукции.
Контрольные вопросы
1. Что содержится в задании на разработку курсового проекта?
2. В чем заключаются преимущества сушки древесины в досках и когда выгоднее сушить ее в заготовках?
3. Что содержится в технологическом расчете сушильной установки?
4. Как определяется расчетом количество влаги, испаряемой из 1 м3 древесины за все время сушки?
5. Как определить количество воздуха, необходимого для испарения из древесины 1 кг влаги?
6. Сколько воздуха потребуется для испарения влаги из всей древесины в камере за 1 ч ее работы?
7. Какой должна быть скорость воздуха внутри штабеля при сушке тонкого, а также толстого материала?
8. Под действием каких сил перемещается воздух внутри штабеля? В каком направлении?
9. Как определяется расход тепла на испарение 1 кг влаги из материала?
10. Чему приближенно равен расход тепла на испарение из материала 1 кг влаги?
11. Как вычисляется расход пара на 1 кг испаряемой из материала влаги?
12. В чем заключается метод расчета поверхности нагрева калорифера?
13. Как рассчитать необходимый диаметр паропровода и отдельно кон-денсатопровода па одну камеру и на весь сушильный блок камер?
14. Где устанавливается контрольная трубка в системе пароснабжения камеры? Каково назначение этой трубки?
15. Как рассчитывается мощность электродвигателя для вращения вентилятора?
16. В чем заключается особенность расчета потребного количества воздуха в сушильных туннелях?
17. С какой целью проводят регулирование количества воздуха в сушильных туннелях?
18. Каковы возможные конструктивные решения по сушильным камерам с поперечными валами?
Раздел II. ЗАЩИТА ДРЕВЕСИНЫ
Глава 14. ЗАЩИТНАЯ АТМОСФЕРНАЯ СУШКА . ДРЕВЕСИНЫ
§ 75. Атмосферная сушка как основной метод защиты древесины от гниения
Роль влаги в существовании дерева и жизнедеятельности грибов. Без влаги не может зарождаться и существовать ни один окружающий человека организм. В развивающемся дереве влага необходима для перемещения питательных веществ. От корней по капиллярам она поднимает вверх минеральные вещества, усваиваемые из почвы корневой системой. Сверху вниз по сучьям и стволу с влагой движутся органические питатель-‘ ные вещества фотохимического синтеза, вырабатываемые в зе-I леных листьях дерева, также необходимые для его жизнедеятельности.
В случае отмирания дерева влага в природных условиях способствует целесообразному разрушению и разложению (гниению) древесины, удобрению таким путем почвы и одновременно освобождению места для развития последующих деревьев. Благодаря этому сохраняется многовековая жизнедеятельность данных биологических видов деревьев и всего их сообщества — леса.
Однако люди используют срубленные деревья для своих бытовых и производственных целей. В основном они заинтересо-* Ваны в длительном сохранении древесины как материала. Это достигается обезвоживанием древесины путем удаления из нее методом сушки почти всей влаги как источника гниения. Обезвоженная древесина не гниет.
Для предотвращения развития грибов, разлагающих древесину, ее влажность должна быть не выше 22 % и не ниже 80— 90 % (большее значение — для мягких пород). Граничное значение влажности 22 % можно назвать «пределом биостойкости». Таким образом, жизнедеятельность дереворазрушающих грибов наблюдается при средней влажности древесины в диапазоне примерно от 100 до 22 %.
Кроме влаги для жизнедеятельности грибов необходим кислород воздуха. С его участием грибы выделяют ферменты и разлагают древесину, питаясь ею, с получением конечных продуктов разложения — минеральных веществ (в основном золы) и двуокиси углерода (СОг) с выделением тепла. Поэтому очень влажная древесина, капилляры и полости которой заполнены
255
не воздухом, а водой, не гниет (например, подводная часть свай, утонувшие бревна и т. п.). Именно на этом принципе основаны методы как подводного хранения древесины, так и надводного путем частого ее дождевания.
Третий фактор жизнедеятельности грибов — температурный диапазон от 3 до 40 °C; диапазон же активного развития грибов 20—30 °C. Поэтому зимой древесина может гнить лишь в отапливаемых помещениях.
Значение атмосферной сушки. Наиболее доступным, легко используемым и дешевым методом обезвоживания древесины для предотвращения ее гниения является атмосферная подсушка. Этот метод защиты древесины применяется с незапамятных времен и повсеместно используется в настоящее время.
Именно при влажности ниже предела биостойкости (22%), получаемой при атмосферной сушке, достигается полная защищенность древесины от гниения. Существенно лишь не допустить ее повторного увлажнения (осадками, грунтовой или бытовой влагой). Известно, что атмосферно высушенная древесина может затем существовать многие столетия и даже тысячелетия. Например, египетские саркофаги для мумий фараонов изготовлены 4 тыс. лет назад из обычной древесины, защищенной от гниения методом атмосферной сушки. Следовательно, этот метод абсолютно надежен.
Таким образом, для защиты срубленной древесины от гниения надлежит иметь в виду в первую очередь возможность применения этого метода как общедоступного, дешевого, протекающего самопроизвольно в природных условиях за счет даровой теплоты атмосферного воздуха. Необходимо лишь предохранить древесину от увлажнения, а также создать простые условия для омывания ее воздухом в период удаления из нее избыточной (выше 22 %) влаги.
Атмосферную сушку часто осуществляют последовательно с искусственной (камерной, туннельной, высокочастотной и т. п.) с получением более эффективного по результатам ком бинированного процесса. В этих условиях решается вторая задача— возникает более глубокое облагораживание древесины. Она затем менее коробится, не сморщивается, а главное просыхает равномернее по объему штабеля и толщине материала, с меньшими остаточными внутренними деформациями. В этом заключается довольно большая перспективность атмосферной сушки.
Защита нестойких древесных пород. В наглядной форме и с большой эффективностью методом атмосферной сушки надежно защищают от гниения сортименты крайне нестойких древесных пород (бука, березы, осины). Обычно сортименты из этих пород вырабатывают в небольших количествах попутно с древесиной других пород. Крайне существенно, чтобы круглые сортименты этих пород немедленно разделывались на доски или заготовки и были уложены для атмосферной сушки с увеличен-
256
.V
ной шириной шпаций. В противном случае незащищенная древесина испортится на 1—2 весенних или летних месяца.
Древесина этих пород зимней заготовки должна быть обработана этим методом зимой или ранней весной. Весной и летом не должно быть никаких запасов бревен или плотно уложенных пакетов сырых пиломатериалов или заготовок из этих древесных пород. Излишки хранят в воде.
Подчеркиваем, что пиломатериалы из осины должны подвергаться обязательной атмосферной подсушке, так как при сушке влажной древесины нормативными режимами в камерах возможно ее сморщивание (дополнительно к усушке). Массовая защита древесины методом атмосферной сушки осуществляется Р для предотвращения порчи пиломатериалов во время транспор-л тировки и у потребителя, а также при их подготовке к отгрузке на экспорт.
Известно, что порча древесины от гниения является основным, массовым видом потерь, в десятки раз превышающим по-тери от порчи ее насекомыми и от возгорания.
' : Комплексность проблемы атмосферной сушки и защиты дре-
весины. Атмосферная сушка, антисептирование и пропитка дре-Д-’ весины химическими веществами при индустриальных методах защиты часто осуществляются комплексно, в едином технологи-ческом потоке.
При проведении атмосферной сушки пиломатериалов их предварительно подвергают химической обработке антисептиками. Это осуществляется путем кратковременного погружения пиломатериалов в водный раствор антисептика (см. § 90). Та->(<* ким путем предотвращается порча древесины из-за поражения & ее различными грибами на складах пиломатериалов во время атмосферной сушки.
Процессы глубокой индустриальной пропитки древесины удовлетворительно протекают лишь при проведении предвари-. тельной атмосферной подсушки древесины (примерно до 25%).
' Такая подсушка является частью комплексного процесса консервирования древесины.
Подсушку часто проводят перед самой пропиткой в тех же у пропиточных цилиндрах. Этот совмещенный процесс называется сушка—-пропитка.
Что касается древесины, не подвергаемой повторному увлаж-, , нению, то в этом случае ее защита от поражения грибами осу-’ ществляется автономно — методом только атмосферной сушки. Обезвоживание древесины в атмосферных условиях является самым распространенным и наиболее эффективным, часто един-! ственно доступным, методом ее защиты от гниения.
Особая значимость и роль атмосферной сушки как фактора защиты древесины от гниения необычайно четко, правильно и / перспективно выражена видным специалистом по защите дре-• весины И. А. Чернцовым в его книге «Сохранение древесины и продление сроков ее службы».
' Заказ № 3190 257
.4? .
«Сушка древесины — один из важнейших факторов защиты ее от грибных поражений. Между скоростью сушки древесины при хранении ее на складах и интенсивностью развития грибных поражений существует прямая зависимость. Чем быстрее протекает процесс сушки древесины, тем медленнее происходит в ней развитие грибов.
При сочетании антисептической защиты материалов с атмосферной сушкой эфф.ект защитного действия значительно возрастает. Экономически целесообразно, чтобы при хранении основная защита лесоматериалов определялась атмосферной сушкой, а дополнительная — действием антисептика».
Здесь подчеркиваются принципиально важные положения о превалирующем значении атмосферной сушки как фактора защиты древесины и о влиянии интенсивной атмосферной сушки на замедление процесса гниения.
Подчеркивается, что в неотложной защите нуждается древесина бука, березы и осины. В теплое время года срубленные стволы этих пород в виде бревен или чураков должны быть немедленно доставлены на лесопильный завод и распилены на требуемые сортименты. Затем древесина на следующие же сутки должна быть уложена на наветренной стороне склада в сушильные штабеля для быстрого просушивания.
§ 76. Особенности атмосферной сушки пиломатериалов
Основная особенность атмосферной сушки состоит в том, что тепло, необходимое для испарения влаги из материала, используется из атмосферного воздуха безвозмездно. Омывая высушиваемый влажный материал, воздух охлаждается, одновременно насыщается влагой и удаляется. Вторая особенность, являющаяся крупным недостатком этого способа сушки,— сезонность процесса (в основном в теплое время года). Зимний период не активен для атмосферной сушки.
Процесс сушки цикличный; он протекает неравномерно даже в течение суток — днем температура выше, чем ночью. Скорость процесса зависит также от состояния погоды. Однако средняя скорость сущки (по месяцам) примерно повторяется ежегодно для каждого района.
Следующая особенность—при невысоких температурах воздуха (до 60 °C) древесина, зараженная грибной инфекцией и насекомыми, не стерилизуется. Но она сохраняет натуральный цвет, природные прочностные свойства, смолу в своей структуре (не вытекает), удерживает сучки (выпадающие при повышенном температурном воздействии).
Конечная влажность пиломатериалов, высушенных на открытом воздухе на севере СССР, достигает 18—15, а на юге 15—12%. Основная причина значительной конечной влажности— высокая равновесная влажность (см. § 9) атмосферного
258
воздуха (10—18 % в среднем за сутки). При необходимости получить меньшую влажность древесины, например для изготовления мебели, паркета и т. д„ необходимо дополнительно понизить ее влажность до 6—8 % искусственной сушкой.
При медленной атмосферной сушке влажная древесина часто поражается грибами. Так, заболонная часть сосновых и кедровых досок быстро синеет из-за развития в древесине сумчатых грибов.
Процесс атмосферной сушки слабоуправляемый. Вследствие этого выпиленные толстые сортименты (тем более твердых пород) из-за интенсивной для них сушки часто растрескиваются, а тонкие, нуждающиеся в быстрой сушке, поражаются грибами. В этом заключается основной технологический недостаток атмосферной сушки пиломатериалов. Поэтому прихо-,! дится создавать условия для задерживания просыхания тол-* стых сортиментов и всемерного ускорения сушки тонких.
Скорость процесса регулируется количеством подводимого к материалу воздуха и частично местом расположения различных сортиментов на территории склада. Процесс сушки протекает при невысоких температурах древесины, когда продвижение влаги по толщине материала и вязкие его деформации замедленны. Скорость испарения влаги в этих условиях пони-I жается, однако опасность растрескивания не меньшая, чем при искусственной сушке. Из-за возникновения малых остаточных 4 деформаций не образуется раковин и сморщивания древесины. ! Толстые сортименты во избежание растрескивания немедленно ,, после выпиливания надо укладывать в достаточно герметизированные сараи с регулируемым воздухообменом или загружать в сушильные камеры, где процесс сушки хорошо регули-! руется.
Ч К недостатку атмосферной сушки относится длительность процесса. Тонкий материал приходится выдерживать на открытом воздухе несколько недель, а толстый — несколько месяцев. Атмосферную сушку пиломатериалов проводят в основном на открытом воздухе в штабелях. Ее роль по сравнению с камерной или туннельной сушкой возрастает с уменьшением толщины досок и снижением их сортности. Выпиливаемые на месте или получаемые со стороны влажные пиломатериалы должны быть уложены в штабеля таким образом, чтобы атмосферная сушка их могла активно начаться не позже следующего дня после их выпиловки или доставки.
§ 77. Климатические условия. Планировка склада пиломатериалов
Климатические зоны СССР. Для оценки влияния различных климатических условий на просыхание древесины территория Советского Союза условно разделена на четыре климатические зоны:
>/и9*
259
1-я зона, северная,— Архангельская, Вологодская, Кировская, Свердловская и Сахалинская области, северная половина западной и восточной Сибири и Коми АССР; 2-я зона, северо-западная—Карельская АССР, Ленинградская, Новгородская и Псковская области; 3-я зона — средняя по географической широте часть СССР; 4-я зона—южная по широте часть СССР, в том числе УССР, Астраханская, Куйбышевская, Саратовская, Волгоградская, Оренбургская, Воронежская, Тамбовская, Пензенская, Ростовская, Ульяновская области, Кавказ и Закавказье.
Материал просыхает замедленно на севере, где основная опасность — грибные поражения, и интенсивно на юге, где главная опасность — появление трещин, в первую очередь у толстых пиломатериалов. Для предупреждения возникновения этих дефежтов сушки применяют различные технологические приемы.
Микроклимат. Для одного и того же материала скорость атмосферной сушки зависит не только от состояния окружающего склад воздуха, но в основном от его параметров внутри штабеля, где образуется своя микроклиматическая атмосфера. Сущность этого явления заключается в том, что воздух, увлажненный за счет испарившейся из материала влаги, задерживается как внутри штабеля, так и на территории склада, создавая среду, в которой материал просыхает замедленно.
Микроклимат, формирующий режим сушки материала, тем резче выражен, чем больше испаряется влаги (при сушке тонкого материала с высокой начальной влажностью), чем плотнее уложены пиломатериалы, меньше подштабельные пространства, слабее движение окружающего воздуха, выше его температура и т. д.
Микроклимат в некоторой степени можно регулировать, поэтому процесс атмосферной сушки частично управляемый. Так, при высушивании тонких влажных пиломатериалов стремятся скорее удалить увлажненный воздух из пространства штабелей. Это достигается размещением тонких материалов с наветренной (непосредственно перед господствующим ветром) стороны склада, установкой верхней части крыши навстречу ветру, увеличением высоты свободного подштабельного пространства, формированием небольших штабелей.
В условиях сушки толстых сортиментов, которые могут растрескиваться из-за быстрой отдачи влаги, наоборот, стремятся создать более влажную среду в штабеле путем уплотненной укладки материала, формирования крупных (сдвоенных) штабелей, закрывания боковых стенок штабеля щитами, укладки ответственных сортиментов в закрытых сараях, оборудованных иногда даже увлажнительной системой (например, развешиванием рогожных матов, периодически смачиваемых).
Закономерности микроклимата всесторонне учитываются при планировке складов пиломатериалов и их эксплуатации. 260
1,3» 1,7» 1,7» 1,3»
Продольный q
а»
Продольный. §
проезд
□ □ □ □□
а
1,35» 1,5» 1,8.» 1,5» 1,35м
Сз
Продольный.
о>
Продольный с
Рис. 90. Схемы планировки складов пиломатериалов на небольших производствах:
а — при штучной укладке досок; б — при пакетной их укладке автопогрузчиком
□□□□□□ □ □□□□□ проезд
□□□□□□
□□□□□□
прое зд
□□□□□□ □ □□□□□
Планировка склада. Склад пиломатериалов располагается не ближе 100 м от котельной или от жилых помещений. При планировке склада учитывается рациональность ведения транспортных, погрузочных и отгрузочных работ с возможностью наибольшей их механизации в имеющихся условиях.
9
Заказ Мг 3190
261
План
а
Рнс. 91. Схемы планировки складов пиломатериалов на крупных произ-а — при пакетной укладке башенным краном; б —при пакетной укадке козловым
Производственная единица склада — штабель пиломатериалов. Штабеля группируют в секции, состоящие из двух рядов штабелей, а секции — в прямоугольные кварталы (рис. 90). Для доставки, укладки и отгрузки пиломатериалов устраивают продольные (по направлению длины секций) и поперечные проезды. Транспорт движется по поперечным проездам обычно в одностороннем направлении. Погрузочно-разгрузочные операции выполняют на продольных проездах. Все проезды прямые, одинаковой ширины — 9 или 12 м. Схемы планировки складов пиломатериалов на крупных производствах с применением башенных и козловых кранов изображены на рис. 91.
§ 78. Конструкции штабелей и укладка пиломатериалов хвойных пород
Основание штабеля. Площадь штабеля для досок принимают обычно 6,6X6,6 м. Высота штабеля зависит от условий погрузки пиломатериалов.
262
План
2м Е=ЭВ=] Г~□TZZZ] [=□
Поперечный
разрыв
5
водствах: краном
Мелкие заготовки укладывают на высоту 2—3 м, крупные на высоту 3—5 м, доски при ручной (рядовой, т. е. рядами) укладке — до 6 м, а при механизированной (пакетной)—в зависимости от механизма, но не выше 12 м для толстых пиломатериалов; при более высоких штабелях сминаются как прокладки, так и пиломатериалы под ними в нижней части штабеля.
В целях удаления воздуха из пространства под штабелем материал укладывают на передвижные фундаментные опоры из консервированных отрезков толстых досок или,' лучше, бетонные высотой 300.. .700 мм в зависимости от влажности грунта и высоты снежного покрова. Шаг опор на севере 1,6, а на юге 1,3 м (рис. 92, а—s). Опоры соединяют по верху прогонами (рис. 92,а). Верх всех прогонов штабеля должен быть горизонтальным, в одной плоскости. На глинистых грунтах применяют деревянные консервированные сваи.
Крыша штабеля. Края крыши должны свисать за край штабеля на 0,25.. .0,6 м в целях защиты материала от косых дож-
9*
263
Рис. 92. Фундамент и крыши штабелей пиломатериалов:
а, б — клеточные фундаментные опоры; в — бетонные опоры; г — подштабельное основание; д — направление уклонов крыш; е, ж — устройство разборной крыши
дей. Покрытие устраивают из двух уложенных внахлестку рядов тонких (22.. .25 мм) досок шириной не менее 150 мм, без сквозных трещин и выпадающих сучков. Доски крыши кладут наружной (лицевой) пластью вверх, учитывая их последующее коробление и образование желоба для стекания воды.
Крыши могут быть разборными, с уклоном 12%, на подголовниках (рис. 92,е, ж), которые должны располагаться над опорами фундаментов, и готовые, инвентарные (ГОСТ 3808.1—85). Готовые крыши поднимают по окончании укладки штабеля или при временном прекращении погрузочных работ. Крыша крепится проволокой к нижней части штабеля.
Закономерности размещения досок в штабеле. Грибы развиваются в древесине в теплое время года при насыщенности пара в воздухе ср более 0,8. Это состояние возникает при слабой циркуляции воздуха в штабеле из-за малого размера шпаций между кромками досок, а также из-за несоблюдения вертикальности шпаций в штабеле. Ширина шпаций при укладке сосновых и кедровых пиломатериалов не менее 50 мм, а для остальных пород — не менее 35 мм. Для антисептированных пиломатериалов шпации уменьшают до 25 мм. Если шпации слишком большие, снижается вместимость штабеля, кроме того, толстые доски могут растрескиваться из-за быстрой сушки.
В боковых частях штабеля материал свободнее омывается воздухом, поэтому шпации выкладывают меньших размеров, чем посередине его ширины. Тонкий, не растрескивающийся, 264
Рис. 93. Формирование штабелей пиломатериалов:
а — концы досок прячут впотай (под раму из предторцовых досок); б —концы досок укладывают заподлицо с прокладочными досками; в — пакетный штабель
быстро просыхающий материал, отдающий много влаги (за каждые сутки), укладывают рыхлее, чем средней толщины и тем более толстый. Осенью материал укладывают рыхлее, чем летом. Короткие пиломатериалы кладут по длине со стыковкой так, чтобы внешние их торцы были выровнены.
Необрезные доски укладывают комлевыми концами в разные стороны с образованием трубы в середине штабеля шириной 120. ..150 мм. При этом узкие доски размещают в середине штабеля, а широкие по краям.
265
Организация, технология и техника атмосферной сушки пиломатериалов хвойных пород изложены в ГОСТ 3808.1—85, а лиственных — в ГОСТ 7319—80.
Способы укладки досок. Применяются три основных способа рядовой укладки обрезных досок: 1) широкие доски (более 150 мм) высших сортов укладывают на сухих реечных прокладках сечением 25X40 мм, размещаемых над прогонами штабеля (рис. 92,г). Наружные торцы уложенных досок затеняют дополнительными предторцовыми досками в виде рамы с целью предохранения торцов от ветрового растрескивания (рис. 93,а); 2) узкие (до 150 мм) доски высших сортов укладывают на самих поперечных досках (а не на реечных прокладках), размещаемых над прогонами основания штабеля, но также с затененными торцами досок; 3) низкосортные пиломатериалы укладывают на таких же прокладочных досках, но без затенения торцов (рис. 93,6).
Для лучшей вентиляции рядовых штабелей в их середине устраивают вертикальный разрыв шириной около 0,5 м. Кроме того, выполняют два горизонтальных разрыва высотой по 150 мм на расстоянии 1,0 м и 2,15 м вверх от нижнего ряда досок.
Расстояние между прокладками (прогонами фундамента) должно быть равно 40.. .50-кратной толщине досок. В южных районах, где древесина просыхает до более низкой влажности и поэтому больше коробится, это расстояние уменьшают.
Во избежание скопления осадков на досках, а также уменьшения их растрескивания от воздействия солнечных лучей доски кладут в штабель внешней (лицевой) пластью вниз.
Пакеты (рис. 93, г) связывают между собой брусками сечением 100X100 мм. Разрывы между смежными пакетами 250— 400 мм; в середине штабеля эти разрывы шире. Пакеты укладывают в соответствии с указаниями ГОСТ 3808.1—85.
§ 79. Особенности сушки пиломатериалов твердых лиственных пород
Особенности сушки. Главная особенность технико-экономическая — высокая стоимость и дефицитность древесины твердых лиственных пород и необходимость тщательного проведения технологических процессов при ее обработке.
К сушильным особенностям относятся: 1) повышенная опасность растрескивания и коробления материала; 2) жесткие метеорологические условия атмосферной сушки, поскольку твердые лиственные породы произрастают в основном на юге СССР, ио нуждаются в более мягких (северных) режимных условиях сушки; 3) выработка этих материалов в сравнительно небольших количествах, когда приходится укладывать небольшие штабеля со слабо выраженным внутренним И внешним микроклиматом'.
266
I
Наиболее быстро растрескиваются при сушке дубовые пиломатериалы. В летнее время у выпиленных досок или заготовок, уложенных в открытые штабеля, уже на следующий день могут возникнуть торцовые трещины, которые затем распространяются на внешнюю пласть. Чем крупнее сортимент, тем больше опасность его растрескивания. Для уменьшения торцового растрескивания штабеля сдваивают по длине так, чтобы их торцы плотно соприкасались. Кроме того, торцы толстых сортиментов покрывают битумными, смоляными, парафиновыми или иными замазками.
Для снижения опасности пластового растрескивания пиломатериалов из дуба и граба штабеля закрывают с боков щитами или размещают в герметизированных закрытых -помещениях, вентиляция которых регулируется по показаниям психрометра, находящегося между штабелями.
Заготовки I сорта твердых пород в 4-й климатической зоне высушивают в закрытых помещениях с регулируемым воздухообменом, а в 3-й зоне — в помещениях с открытой северной стороной. Заготовки II и III сортов твердых пород высушивают под навесами (крыша на столбах).
Березовую и буковую древесину, быстро разрушаемую грибами, следует высушивать возможно быстрее. Для пиломатериалов этих пород характерна также продольная, а у буковой древесины — поперечная покоробленность, которая может быть предотвращена тщательной их укладкой, более частым расположением прокладок, с загрузкой верха штабеля (6. ..10 рядов) из коротких заготовок.
Покоробленность квадратных брусков уменьшается, если у всех брусков в ряду клетки годичные слои ориентировать В одном направлении. Все бруски ряда в этих условиях усохнут одинаково по высоте и, следовательно, будут хорошо зажаты во время сушки. Для достижения более равномерной влажности древесины крупные ценные заготовки перекладывают так, чтобы верхняя часть штабеля была затем внизу, а боковые заготовки — внутри него. Выполняют также все указания ГОСТ 7319—80.
§ 80. Продолжительность и интенсификация атмосферной сушки пиломатериалов
Скорость просыхания пиломатериалов выявляется методом периодического взвешивания контрольных отрезков или целых досок, закладываемых в нижнюю часть штабеля (на ’А—'/в его высоты), аналогично контролю влажности в сушильных камерах (см. рис. 69).
При укладке пиломатериалов по схеме на рис. 93, б, т. е. на досках-прокладках (не на рейках), текущую и конечную влажность древесины можно определять по величине усадки штабеля. Для этого длинную рейку верхним концом жестко
267
прикрепляют к доске штабеля так, чтобы ее нижний конец был на уровне глаз наблюдателя и мог при усадке штабеля свободно опускаться, скользя по короткой линейке с делениями, прикрепленной к штабелю против нижнего конца рейки. Величину усадки штабеля записывают 1...2 раза в неделю. При этом отмечают также состояние погоды (т. е. температуру и разность по психрометру в 9, 12, 15 и 18 ч).
Для каждого высушиваемого сортимента опытным путем выявляют величину и, желательно, график усадки, по которому устанавливают момент завершения сушки материала. Окончательную влажность высушиваемой древесины определяют весовым методом по формуле (18) или электровлагомером.
Кинетика сушки сосновых досок толщиной 25 мм в Ленинграде в течение года дана на рис. 94, а. Такие кривые ценны для планирования сушки досок. Примерная продолжительность атмосферной сушки сосновых и кедровых досок различной толщины и в разных климатических зонах показана графически на рис. 94, б. Сушка в июне и июле показана на диаграмме сплошными линиями, в апреле, мае, августе и сентябре — пунктирными, а в марте и октябре в 4-й климатической зоне — точками; климатические зоны обозначены цифрами.
Еловые и пихтовые пиломатериалы просыхают на 10... 20 % быстрее, а лиственничные — на 60 % медленнее. Вследствие многообразия местных условий, а также в зависимости от погоды фактическая продолжительность сушки может отклоняться от показанной на рис. 94, а.
В весеннее и осеннее время процессы отдачи влаги материалом относительно замедленные, поэтому продолжительность сушки т пропорциональна толщине материала Т:
х=-ЬТ, (79)
где b — коэффициент, равный 1,2; 1,0; 0,8 и 0,5 (т в сутках) для климатических зон соответственно 1, 2, 3 и 4-й.
Для летнего времени, с более интенсивной сушкой, показатель степени при Т равен 1,1
т = &Т1’1 (80)
со значением b соответственно 0,7; 0,6; 0,45 и 0,35.
Продолжительность сушки, сут, дубовых досок в южных районах СССР в летнее время примерно соответствует их толщине в миллиметрах, т. е. материал толщиной 25.. .32 мм просыхает в течение 1 мес. Для сравнения существенно, что в сушильных камерах при интенсивной сушке на основании многочисленных исследований этот показатель степени у Т установлен равным 1,5, т. е.
т=сТ1,5. (81)
Эта же его величина принята в мировой практике камерной сушки пиломатериалов.
268
Конечная влажность древесины атмосферной сушки должна быть не более 22 %. Сухие пиломатериалы хранят в плотных, хорошо закрытых сверху и с боков пакетах; при этом применяют минимальное количество прокладок, необходимых лишь для устойчивости пакета.
Ускорение атмосферной сушки путем рыхлой укладки. Часто возникает необходимость в быстрой атмосферной просушке древесины в теплое время года. Это относится в большой мере к потребителям пиломатериалов, получившим их в непросушен-ном состоянии.
Категорическим требованием ко всем потребителям будет немедленная (на следующий день) укладка в сушильные штабеля поступивших непросушенных пиломатериалов.
Основной прием интенсификации процесса — повышение объема воздуха, движущегося по материалу. Для достижения этого материал укладывают в рядовые штабеля более рыхло. Для узкого материала ширину шпаций примерно удваивают, а для широкого, кроме этого, применяют более толстые (40... ...50 мм) прокладки — рейки. Ширина и высота штабеля умень-
269
////// /// ////// ///
Рис. 95. Штабели с наклонной укладкой пиломатериалов: а — наклон по ширине досок; б — наклон по длине досок
^2__rai га та t
I И/I , T/l K/l r/l | ,И И YA ZEE ,YA M-Ul' YA^ ,YA YA ИЯЗИС
шаются, но увеличивается высота подштабельного пространства (до 750 м). Точное соблюдение вертикальности широких шпаций способствует ускорению процесса сушки.
Не следует использовать рекомендовавшийся ранее способ скоростной сушки досок, установленных почти вертикально в козлы, в виде ножниц. Такие доски высохнут покоробленными и искривленными, а их нижние концы будут более влажными, чем верхние.
Наклонная укладка досок в штабеля. Для ускорения циркуляции воздуха по пластям материала широкие доски можно укладывать в небольшие штабеля наклонно в боковом направлении (уклон 5. ..8%), как это показано на рис. 95. При сушке воздух увеличивает плотность и стекает вниз по наклону. При этом все стенки штабеля должны быть вертикальными, а основание — плоским, наклонным. Такой штабель не нуждается в крыше; достаточно сплотить два верхних ряда досок. Дождевая вода, частично попавшая в штабель, будет стекать, а поверхностная не проникает в толщу досок.
Возможна укладка штабеля наклонно и по длине досок (рис. 95,6). В этом случае также отпадает необходимость в крыше, а циркуляция воздуха внутри штабеля, следовательно, процесс сушки древесины ускоряется.
Побудительная атмосферная сушка. Для ускорения циркуляции воздуха по материалу можно применить вентиляторы. На рис. 96 показана установка для атмосферной сушки пиломатериалов хвойных пород небольшой толщины с побудительной (3.. .4 м/с) циркуляцией воздуха (ЦНИИМОД), 270
Ш 1 i|V
7500 8500
Рис. 96. Установка для побудительной атмосферной сушки пиломатериалов: /—осевой вентилятор; 2 — коллектор вентилятора; 3 — ограждения установки; 4 — пакеты пиломатериалов; 5 —торцовые экраны; 6 — потолочные экраны; 7 — жалюзийная решетка; 5 — межпакетные экраны
По опытным данным продолжительность сушки в этих условиях сокращается в 2.. .3 раза и для пиломатериалов толщиной 38 мм в летнее время составляет 8. ..10 сут. При толщине материала 25 мм продолжительность сушки в 1-й климатической зоне (г. Архангельск) составляла, сут: в октябре 15, в апреле 13, в мае и сентябре 10, в июле 6,6. Побуждение циркуляции воздуха эффективно при <р<0,9 и £>5 °C. Летом вентиляторы не выключают и в дождливую погоду. Стоимость электро
271
энергии составляет около 50 к/м3 древесины, что удорожает обычную атмосферную сушку на 1/3.
Качество пиломатериалов при такой сушке выше, чем при обычной атмосферной, так как исключается поражение древесины синевой, а также снижается растрескивание торцов. Достигается высокая равномерность просыхания древесины. При конечной ее влажности 20 % величина среднеквадратического отклонения ст=±2,0 (см. § 66). Не требуется антисептирования пиломатериалов. Период работы такой установки в условиях, например, г. Архангельска апрель — октябрь.
Побудительная атмосферная сушка эффективнее для тонких пиломатериалов, а также в южной климатической зоне. Чем тоньше материал, тем выше должна быть скорость воздуха и короче его путь движения по материалу.
Расчет площади склада пиломатериалов. Для расчета необходимой площади F, м2, склада следует установить: потребную его вместимость, т. е. количество В размещаемых на нем пиломатериалов, среднюю полезную высоту штабелей Н, коэффициент использования территории уложенных штабелей А от общей площади склада (0,3.. .0,35), коэффициент К. заполнения штабеля материалом (К=0,2.. .0,3, меньшее значение — для тонких материалов). С учетом этих параметров площадь склада определится по формуле
F~B/(HAK). (82)
Например, в случае В= 15000 м3, Н=6 м, А = 0,35, К=0,20 получим F= 15 000/(6-0,35-0,2) =35 700 м2 = 3,57 га.
Ориентировочно можно принимать, что в зависимости от толщины материала и высоты штабелей на 1 м2 площади склада приходится 0,3.. .0,6 м3 уложенных пиломатериалов на крупных складах и 0,2.. .0,4 — на небольших.
§ 81. Санитарное состояние склада пиломатериалов
При неудовлетворительном состоянии склада пиломатериалов резко замедляется процесс сушки древесины, она поражается грибами, просыхает неравномерно, т. е. некачественно и, кроме того, повышается пожарная опасность на складе.
Кустарники, высокая трава или сплошной забор вблизи штабелей пиломатериалов уменьшают низовое продувание их ветром, что приводит к задержке удаления влаги и ухудшению просыхания древесины в нижней части штабелей. Аналогичные и даже худшие последствия наблюдаются при захламлении межштабельных разрывов и подштабельных пространств прокладками, обломками пиломатериалов и целыми досками. Захламленные места не только задерживают движение воздуха, но служат еще источниками грибной инфекции. Находящиеся на земле опилки, древесный мусор, части деревянных устройств также загнивают.
272
Поэтому участки сбоку штабелей и под штабелями дезинфицируют 5%-ным раствором хлорной извести из расчета 5 л раствора на 1 м2 площади.
Деревянные фундаментальные опоры должны быть консервированы. Прокладки, доски от крыш и других элементов штабеля, имеющие признаки синевы или гнили, должны быть немедленно удалены за пределы склада. Для укладки пиломатериалов, пораженных синевой и гнилями, отводится отдельный участок с подветренной стороны склада. В зимнее время штабельные крыши периодически очищают от снега; в конце зимы от снега освобождают и площадь вблизи штабелей.
На складах пиломатериалов строго соблюдают правила пожарной безопасности, регламентируемые соответствующими инструкциями.
§ 82. Атмосферная сушка круглых лесоматериалов
В строительном деле широко используются нетолстые бревна (в перекрытиях и крышах, ограждениях и т. п.), которые должны иметь влажность ниже предела биостойкости (22%). Такой материал может затем сохраняться в сухом состоянии длительное время, он не будет также поражаться грибами в устройствах.
В этих условиях используют атмосферную сушку с последующим сухим хранением древесины под крышей. Стремятся возможно скорее снизить влажность древесины, хотя при этом повышается возможность появления трещин, в том числе сердцевинных (см. § 18), что не допускается в пиловочных бревнах.
Перед укладкой в штабель атмосферной сушки с бревен снимают кору, но оставляют ее у торцов (манжеты) на расстоянии 1,5...3 диаметра (больше — у тонких бревен) для предотвращения интенсивного растрескивания приторцовых участков. Растрескивание по поверхности бревна можно сосредоточить в одной продольной трещине, если сделать пропил по схеме на рис. 21, л.
я а а —|—g- ...
^// /// /// '
а
Рис. 97. Штабеля строительных бревен при атмосферной сушке: а — разреженные; б — нормальные
273
действием осадков, рекомендуется латексная краска АК-ШР, изготовляемая на основе акрилатных сополимеров. Эта краска наносится с помощью установок безвоздушного распыления при давлении 6. ..18 МПа (60. ..180 бар). Ее расход около 50 г/м2; содержание сухого остатка 50 %; паропроницаемость через 1 мес после нанесения (при ср =1,0) около 50 г/м2/сут; водопроницаемость 20 г/м2/сут; долговечность покрытия не менее 5 лет.
На древесной подложке покрытие примерно в 2 раза менее долговечно, чем на металлической, бетонной и т. д., из-за больших деформаций древесины при переменных внешних влажностных воздействиях. Влагопроницаемость покрытий оценивается по ГОСТ 6992—68.
Контрольные вопросы
1. Почему и как деформируются поперечные сечения брусков и коробятся доски во время сушки?
2. Как можно снизить потерю древесины в отходы из-за неравномерной усушки?
3. Какими техническими средствами можно снизить поперечную поко-робленность досок?
4. Почему разламываются в продольном направлении при строгании сухие широкие доски и как предупредить этот вид брака?
5. Почему при ребровом делении высушенной плоской доски на две тонкие часто возникает немедленная покоробленность (желобом)?
6. Как получить брус крупного сечения в сухом состоянии без растрескивания?
7. Почему происходит постепенное образование щелей и неплотностей в полу (из досок или паркета), в дверях, оконных рамах и т. д. через некоторое время после ввода строений в эксплуатацию?
8. Почему возникают деформации древесины по окончании сушки, в том числе в готовых изделиях?
9. Почему пиломатериалы приобретают более высокое качество при камерной сушке, если они подвергались предварительной атмосферной подсушке?
10. Почему отделочные покрытия приводят к снижению сезонных деформаций деталей в изделиях и устройствах?
11. Можно ли путем нанесения покрытия предохранить недосушениые детали от досыхания и деформации в условиях эксплуатации изделий?
12. Почему вертикальные и наклонные конструктивные элементы в открытых устройствах меньше подвергаются разрушению от атмосферных воздействий, чем горизонтальные?
13. Какие покрытия наиболее эффективны для открытых устройств?
14. Почему защитная пленка покрытия будет более стойкой на металлической поверхности, чем на деревянной?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богданов Е. С., Козлов В. А., Пейч Н. Н. Справочник по сушке древесины.— М:: Лесн. пром-сть, 1981. 191 с.
2. Бывших М. Д., Федоров Н. И. Защитная обработка древесины.— М.: Лесн. пром-сть, 1981. 142 с.
3. Вакин А. Т. Хранение круглого леса.— М.: Гослесбумиздат, 1969. 316 с.
4. Горшин С. Н. Консервирование древесины.— М.; Лесн. пром-сть, 1977. 335 с.
5. Кречетов И. В. Сушка и защита древесины.— М.: Лесн. пром-сть, 1972. 400 с.
6. Серговский П. С. Оборудование гидротермической обработки древесины.— М.: Лесн. пром-сть, 1981. 304 с.
7. Соколов П. В., Харитонов Г. Н., Добрынин С. В. Лесосушильные камеры.— М.: Лесн. пром-сть, 1980. 216 с.