НАЦІОНАЛЬНИЙ ЛІСОТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

ПОЛОЗ

Андрій Володимирович

УДК 674.047

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
КОНВЕКТИВНОГО СУШІННЯ
ПИЛОМАТЕРІАЛІВ

(на прикладі умовного матеріалу)

05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному лісотехнічному університеті України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Білей Петро Васильович,
Національний лісотехнічний університет України
Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри технології деревообробки і захисту деревини

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Соколовський Ярослав Іванович,
Національний лісотехнічний університет України
Міністерства освіти і науки України,
завідувач кафедри обчислювальної техніки і моделювання технологічних процесів, м.Львів.

кандидат технічних наук, с.н.с.
Пінчевська Олена Олексіївна,
Національний аграрний університет міністерства освіти і науки України,
завідувач кафедри технології деревообробки, м.Київ.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”
Міністерства освіти і науки України,
Інститут хімії та хімічних технологій,
кафедра хімічної інженерії, м.Львів.

Захист відбудеться „ 24 ” травня 2006 року о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.072.03 в Національному лісотехнічному університеті України Міністерства освіти і науки України за адресою: 79057, м.Львів, вул.Ген.Чупринки, 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного лісотехнічного університету України Міністерства освіти і науки України за адресою: 79057, м.Львів, вул.Ген.Чупринки, 101.

Автореферат розісланий „20” квітня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради П.А.Бехта

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Деревина у виді пиломатеріалів і заготовок використовується в деревообробному та меблевому виробництвах, в будівництві і машинобудуванні, в сільському господарстві та інших галузях народного господарства. Але щоб деревина з природної сировини перетворилась в матеріал, її потрібно висушити, що надає деревині кращих фізико-механічних, технологічних та ужиткових властивостей. Таким чином, сушіння деревини має величезне значення для багатьох галузей народного господарства.

Технологічна мета сушіння деревини та вимоги до її окремих властивостей залежать від подальшого використання пиломатеріалів. Масове сушіння пиломатеріалів на лісопильних заводах здійснюють для запобігання біопошкоджень в процесі зберігання та транспортування, суттєвого зниження маси і відповідних витрат на завантажувально-розвантажувальні й транспортні роботи. На деревообробних і меблевих підприємствах деревину висушують до заданої величини, що є запорукою її якості та якості готових виробів. Якщо деревина не висушена рівномірно до експлуатаційної вологості, то в результаті досушування (або зволоження) пиломатеріали та заготовки змінюють свою форму і розміри в процесі зберігання або експлуатації. Термін експлуатації виробів з якісно висушеної деревини є на порядок (а деколи і більше) вищим, ніж з дефектами сушіння. При цьому збитки набагато перевищують вартість самої деревини, бо в попередніх операціях внесено великі матеріальні, енергетичні і трудові ресурси.

Класифікація способів сушіння деревини базується на способах передачі тепла до матеріалу. Найбільше розповсюдження має конвективний спосіб сушіння, який часто поєднує в собі різні види теплообміну, ефекти відцентрових сил, пониженого тиску-вакууму, високочастотного електромагнітного поля, підвищених температур та різних фізичних властивостей середовища. Все це дозволяє підвищити ефективність конвективного способу сушіння пиломатеріалів, але потребує додаткових витрат енергії, ускладнює конструкцію та експлуатацію сушильних агрегатів. Натомість можна підвищити ефективність конвективного сушіння шляхом послідовного проведення комбінованого атмосферно-камерного сушіння, що дозволить значно зменшити витрати теплової енергії, отримати високоякісну продукцію. В цьому і полягає актуальність дослідження.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт, які виконуються у відповідності з основними напрямами наукової діяльності кафедри технології деревообробки і захисту деревини Національного лісотехнічного університету України, а саме:

· "Розробка теоретичних основ використання нетрадиційних джерел енергії в лісопромисловому комплексі" (1995-1997рр., № держреєстрації 0195U007025);

· "Наукові основи підвищення виходу і якості пилопродукції твердих листяних порід та створення композиційних матеріалів з нетрадиційних видів сировини (2000-2002рр., № держреєстрації 0100U001559);

· "Розвиток теорії еколого-енергоощадного обробляння деревини та виробництво меблів ( 2003-2005рр., № держреєстрації 0103U000083)

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності конвективного сушіння шляхом науково обґрунтованого поєднання атмосферного і камерного способів сушіння пиломатеріалів (на прикладі умовного матеріалу).

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішені такі завдання:

· обґрунтовано критерії та показники для визначення ефективності конвективного сушіння пилопродукції;

· проведено аналіз теоретичних положень кінетики процесу сушіння для синтезу методів розрахунку швидкості сушіння та коефіцієнтів: сушіння, вологопровідності та вологовіддачі в процесі атмосферного й камерного сушіння пиломатеріалів;

· розроблена методика експериментального дослідження атмосферного сушіння та камерного досушування пиломатеріалів (на прикладі умовного матеріалу) та обробки їх результатів;

· експериментальним шляхом визначено швидкість сушіння, коефіцієнти: сушіння, вологопровідності та вологовіддачі деревини сосни в процесі атмосферного й камерного сушіння та показано їх застосування у рівняннях;

· розроблено рекомендації щодо створення науково обґрунтованої технології комбінованого атмосферно-камерного сушіння пилопродукції.

Об'єкт дослідження – пиломатеріали із деревини сосни.

Предмет дослідження – процес комбінованого атмосферно-камерного конвективного сушіння пиломатеріалів (на прикладі умовного матеріалу).

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано класичну методику експериментальних досліджень та математичне планування за повним факторним експериментом з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури. Використано класичну теорію сушіння деревини та інших капілярнопористих колоїдних матеріалів. Оброблення результатів експериментальних досліджень проведено методами математичної статистики з використанням відповідних показників.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі аналізу теоретичних положень конвективного сушіння та оброблення результатів експериментальних досліджень визначено, що процеси атмосферного та подальшого камерного сушіння описуються рівняннями для другого умовного періоду спадаючої швидкості сушіння. Здійснено математичний опис тривалості та швидкості сушіння залежно від режимних параметрів процесу. Вперше отримано значення коефіцієнтів сушіння, вологопровідності та вологовіддачі, що дозволяє уточнити теоретичні рівняння для визначення тривалості сушіння деревини для атмосферного й наступного камерного способу. Уточнено методику визначення вологообмінних коефіцієнтів з експериментальних кривих сушіння та кривих швидкості сушіння.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику послідовного зв'язаного експериментального .дослідження атмосферного та камерного сушіння пилопродукції, що складає основу проведення технологічного процесу сушіння у виробничих умовах. За одержаними величинами коефіцієнту вологопровідності розроблено методи розрахунку тривалості атмосферного та камерного сушіння пилопродукції із деревини сосни. Запропоновано величини корегувальних коефіцієнтів, які враховують вплив породи, що дозволяє орієнтовно визначити тривалість сушіння таких порід як дуб, бук, береза та модрина. Розроблено рекомендації щодо послідовного проведення комбінованого атмосферно-камерного сушіння пилопродукції хвойних порід на прикладі сосни. Визначено, що основними величинами складання наскрізної технології є рівноважна вологість деревини та градієнт сушіння. Запропоновано схему пересувної установки для інтенсифікації атмосферного підсушування пиломатеріалів, на яку отримано Деклараційний патент України.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які складають зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно.

У спільних публікаціях авторові належить: [3] – аналіз ефективності атмосферного, конвективно-теплового та комбінованого атмосферно-камерного сушіння пиломатеріалів; [4] – проведення експериментальних досліджень та знаходження кінетичних коефіцієнтів процесу сушіння пиломатеріалів; [5] – визначення ефективності перманентного атмосферно-камерного сушіння, вимоги до режимних параметрів камерного досушування пиломатеріалів різних порід деревини; [6] – розроблення методики дослідження атмосферного сушіння пиломатеріалів та обробка експериментальних даних; [7] – розроблення конструкції пересувної вентиляторної установки для інтенсифікації атмосферного сушіння пиломатеріалів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень з дисертаційної роботи доповідались на науково-технічних конференціях Українського державного лісотехнічного університету в 2000...2005 роках та на наукових семінарах технологічного факультету і кафедри технології деревообробки та захисту деревини.

Технологія конвективного атмосферно-камерного сушіння впроваджена на деревообробних підприємствах (Коломийський ЛК) та у лісовому господарстві (Коломийський держлісгосп).

Публікації. За результатами виконаних теоретичних та експериментальних досліджень опубліковано шість статей у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладені на 166 сторінках, з яких основна частина викладена на 126 сторінках, містить 17 рисунків, 7 таблиць. В бібліографії наведено 116 назв літератури. Додатки становлять 40 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, висвітлено актуальність теми, предмет, об’єкт і завдання дослідження. Визначено наукову новизну і практичну значимість одержаних результатів.

У першому розділі проаналізовано ефективність різних способів сушіння пиломатеріалів та їх комбінацій. Атмосферне сушіння, крім позитивних аспектів – збереження фізико-механічних і природних властивостей деревини, – має багато суттєвих недоліків.

По-перше, атмосферне сушіння є дуже довготривалим і разом з тим в процесі атмосферного сушіння неможливо досягти потрібної експлуатаційної вологості деревини, яка відповідала б умовам використання різних виробів із деревини. Другою особливістю атмосферного сушіння є те, що цей процес є сезонним. Чим тривалішим і активнішим є сушильний сезон, тим ефективнішим є застосування атмосферного сушіння. На стан атмосферного повітря, параметри якого є нестабільними й можуть змінюватись протягом сушильного сезону та протягом доби, впливає клімат даної місцевості. Третьою особливістю атмосферного сушіння є низька температура агента обробки – повітря. За умов малої інтенсивності атмосферного сушіння існує ймовірність пошкодження деревини грибковими захворюваннями. З метою інтенсифікації процесу сушіння застосовують спеціальне складання та розміщення штабелів, а також штучну циркуляцію повітря. Атмосферне та комбіноване атмосферно-камерне сушіння пиломатеріалів досліджувались в роботах Горшина С.М., Кречетова І.В., Конопльової Т.М., Селюгіна М.С., Серговського П.С. та інших авторів. При складанні режимів камерного сушіння вченими (Серговський П.С., Соколов П.В., Кречетов І.В., Білей П.В., Краваліс Ю.П., фірми: Brunner-Hildebrand та інші) використані різні принципи. Перший, найбільш поширений принцип побудови режимів, базується на зміні параметрів середовища у відповідності зі зміною вологості деревини. Другий принцип побудови режимів передбачає зміну параметрів середовища залежно від тривалості сушіння. Третій принцип побудови режимів передбачає зміну режимних параметрів середовища в залежності від розвитку внутрішніх напружень.

Аналіз сучасного стану техніки й технології конвективного сушіння пиломатеріалів дав можливість обґрунтувати тему та сформулювати завдання дослідження.

У другому розділі визначено кількісні та якісні характеристики процесу сушіння, які залежать від умов взаємодії матеріалу із середовищем. Основними завданнями дослідження кінетики сушіння є встановлення залежності зміни вологості деревини (?W) від тривалості процесу сушіння (?ф), а наступним етапом є знаходження оптимальних значень режимних параметрів (tc, ?t, Wp). Вологообмінні коефіцієнти процесу сушіння можна знайти із граничної умови третього роду

(1)

- коефіцієнт вологопровідності ; (2)

- коефіцієнт вологообміну , (3)

де - швидкість сушіння; П – постійне число, яке залежить від форми тіла, для пластини П=1,0; R – характерний розмір тіла (половина товщини матеріалу); - градієнт вологості за товщиною матеріалу; Wn, Wp – відповідно вологість поверхневого шару та рівноважна вологість; - густина деревини в абсолютно сухому стані; М0 – маса деревини в абсолютно сухому стані; F – поверхня випаровування, для необмеженої пластини .

З експериментальних кривих сушіння та кривих швидкості сушіння також можна знайти коефіцієнти вологообміну та вологопровідності. Швидкість сушіння в стадії регулярного режиму періоду спадаючої швидкості

, (4)

де - корінь характеристичного рівняння, який залежить від критерія Біо.

З іншого боку

. (5)

Із наведених співвідношень (4) і (5) знаходимо значення вологообмінних коефіцієнтів:

- вологопровідності ; (6)

- вологообміну , (7)

де , (8)

тут - зміна вологості за період часу.

Коефіцієнт сушіння також можна отримати із кривої сушіння, але її треба побудувати в напівлогарифмічних координатах, тобто по осі ординат в логарифмічному масштабі відкладаємо кількість вологи, що випаровується , а по осі абсцис у звичайному масштабі – тривалість сушіння (ф). Тангенс кута нахилу (tgш) прямої є чисельно рівним коефіцієнту сушіння (К)

. (9)

На основі аналізу теоретичних положень конвективного сушіння та результатів пошукових дослідів визначено, що процеси атмосферного сушіння та камерного досушування (після атмосферного сушіння) описуються рівняннями для другого умовного періоду – спадаючої швидкості сушіння. Тривалість атмосферного сушіння можна визначити за формулою

, (10)

де - середня початкова вологість даної партії пиломатеріалів; - середня рівноважна вологість деревини для заданих умов сушіння (tc та ц); Wк – кінцева вологість для атмосферного сушіння, доцільно приймати в діапазоні 20<Wk<25%; - середнє значення коефіцієнту сушіння для даної породи і товщини сортименту, приймають за експериментальними даними.

Таким чином, розроблену на прикладі сушіння соснових пиломатеріалів методику визначення тривалості атмосферного сушіння, можна перенести на інші породи і товщини пиломатеріалів. Для цього потрібно тільки знайти середній коефіцієнт сушіння (), а інші величини () визначаються з умов проведення процесу атмосферного сушіння.

Розроблено методику експериментальних досліджень атмосферного сушіння пиломатеріалів (на прикладі умовного матеріалу), в якій передбачено підготовлення матеріалу та ділянки для атмосферного сушіння, статистичне оброблення значення початкової вологості пиломатеріалів, вологості пиломатеріалів в процесі сушіння та кількості дослідів, необхідних для доведення достовірності отриманих результатів. Описана експериментальна установка та методика дослідження процесу сушіння пиломатеріалів після атмосферного підсушування. Розроблена методика для дослідження пошарового розподілу вологості в матеріалі після атмосферного та камерного сушіння. Характер розподілу вологості за товщиною матеріалу у першому випадку використовується для складання математичної моделі (як початкової умови) процесу сушіння. У другому випадку вивчення пошарової вологості потрібне для визначення показника якості за перепадом вологості по товщині матеріалу. Але в обох випадках за різницею вологості поверхневого шару і рівноважного значення (Wn-Wp) та за швидкістю сушіння W/ можна знайти значення коефіцієнта вологообміну в процесі атмосферного й камерного сушіння пиломатеріалів.

Для камерного досушування застосовано математичне планування – повний факторний експеримент у вигляді залежностей та . Таким чином, було охоплено два принципи регулювання процесу сушіння – класичний, за температурою сухого термометра (tc) та психрометричною різницею (t) і сучасний, за температурою сухого термометра (tc) та рівноважною вологістю (Wp), яка є функцією (tc, ).

У третьому розділі розглянуто методику проведення та результати експериментальних досліджень атмосферного сушіння пиломатеріалів (на прикладі умовного матеріалу). За експериментальний матеріал обрано соснові обрізні дошки товщиною S1=40мм, шириною S2=150мм і довжиною більше одного метра. Прийняття такого матеріалу в основу всіх досліджень дозволяє отримані результати порівнювати з усіма іншими породами та розмірами через перевідні коефіцієнти.

Для підтвердження надійності та достовірності результатів досліджень було проведено два паралельних досліди ( два процеси атмосферного сушіння у приблизно однакових, за середніми температурами, умовах), в яких використано по 21 контрольному зразку ідентичних розмірів. Використовуючи методику статистичної обробки випадкових величин для нормального закону розподілу, для обох дослідів отримано середні значення та їхні середні квадратичні відхилення:

· початкової вологості контрольних зразків;

· густини деревини при початковій вологості;

· густини деревини в абсолютно сухому стані;

· умовної (базисної) густини деревини сосни;

· кінцевої вологості деревини після атмосферного сушіння.

Усі дослідні дані (100%) знаходяться в діапазоні відхилень , а в межах відхилень знаходяться від 50,0% до 88,5% даних експериментів. Коефіцієнт мінливості (варіації) знаходиться в межах від 1,1 до 7,1%, а показник точності дослідів – в межах від 0,7 до 1,6%.

Адекватність результатів паралельних дослідів №1 та №2 перевірено за достовірністю різниці між двома середніми арифметичними значеннями фізичних властивостей експериментального матеріалу.

Процес конвективного сушіння характеризується величиною зміни середнього вологовмісту - , або середньої вологості - , де за певний проміжок часу - .

На рис.1 зображено кінетику процесу сушіння контрольних зразків (рис.1а – для досліду №1 і рис.1б – для досліду №2) середніх за інтенсивністю для окремого досліду.

Як видно з рис.1, процес сушіння характеризується спадаючою швидкістю сушіння.

За даними кривих сушіння знайдено середнє експериментальне значення коефіцієнта сушіння () та установлено залежність коефіцієнта сушіння від зміни середньої вологості матеріалу. Весь діапазон зміни вологості при атмосферному сушінні умовно розділено (за аналогією з камерним сушінням) на інтервали – ступені: відповідно, зміна вологості від W0 до 40% - перший ступінь, другий ступінь 40<W<30%, третій ступінь 30<W<25%, четвертий ступінь 25<W< %, де - середня кінцева вологість при атмосферному сушінні. Слід відзначити, що середні значення коефіцієнта сушіння на різних ступенях відрізняються в незначних межах від до 1/с. За даними кривих швидкості сушіння отримано середнє експериментальне значення швидкості сушіння () та залежність швидкості сушіння від зміни середньої вологості матеріалу, що зображено на рис.2 (рис.2а – для досліду №1, а рис.2б – для досліду №2)

Слід відзначити, що середні значення швидкості атмосферного сушіння змінюються в 5,6...8,0 разів. Апроксимацію експериментальних залежностей представлено формулами, які наведено на рис.2.

Використовуючи формулу для визначення тривалості сушіння (низькотемпературний процес), але розв'язуючи її відносно коефіцієнта вологопровідності, можна отримати його розрахункову величину

, (11)

де - загальна тривалість атмосферного сушіння, год.

Значення коефіцієнта вологопровідності в процесі атмосферного сушіння змінюється в доволі незначних межах (близько 20%), що дає можливість усереднити отримані результати. Отже, середнє значення коефіцієнта вологопровідності деревини сосни в процесі атмосферного сушіння становить см2/с. Цю величину значення коефіцієнта вологопровідності рекомендується приймати при визначенні тривалості атмосферного сушіння, коли відомі значення.

У четвертому розділі наведено методику дослідження та аналіз результатів камерного сушіння пиломатеріалів. Реалізація розширеної план-матриці повного факторного експерименту показала, що у відповідності з

рівнянням регресії (12), збільшення температури середовища (кодове позначення – Х1) і психрометричної різниці (кодове позначення – Х2) зменшують загальну тривалість процесу сушіння. Більший вплив (в 1,46 рази) на зменшення тривалості сушіння має величина психрометричної різниці. На рис.3. зображено криві сушіння, а на рис.4 – криві швидкості сушіння для одноступеневого режиму.

Рівняння регресії для досліду має вигляд

. (12)

Розглянемо той же дослід, але у вигляді функціональної залежності. Реалізація розширеної план-матриці цього експерименту дозволила вивести відповідне рівняння регресії

. (13)

Із рівняння регресії (13) видно, що збільшення температури та психрометричної різниці збільшують швидкість сушіння. Більший вплив (в 3,9 рази) на швидкість сушіння має психрометрична різниця. Збільшення температури середовища від tc=40C до tc=80C, коли психрометрична різниця (t=const) залишається постійною, збільшує швидкість сушіння лише на 10...15%.

Таким чином, в процесі дослідження камерного сушіння пиломатеріалів було проведено три серії дослідів сушіння: одноступеневе з рівноважною вологістю Wp=11,7% і температурою середовища tc=400C та tc=800C; одноступеневе сушіння з рівноважною вологістю Wp=4,8% і температурою середовища tc=400C та tc=800C; двоступеневе сушіння з перехідною вологістю W=15%. Отже, перший ступінь від початкового значення Wп до 15% з параметрами середовища tc=600C і Wp=10,4% та другий ступінь від W=15% до Wк =8% з параметрами середовища tc=800C і Wp=4,8%. За всіма серіями дослідів визначались кінетичні характеристики процесу сушіння та зміни фізичних властивостей деревини.

Криві сушіння та криві швидкості сушіння для двоступеневого режиму зображено на рис.5. Розподіл вологості за товщиною матеріалу зображено на рис.6.

У першій серії дослідів одноступеневого камерного сушіння (коли Wр=11,7% ) виявлено, що із збільшенням температури середовища з tc=400C до tc=800C, коефіцієнт сушіння зменшується від до, тобто в 1,04 рази, що практично можна вважати незмінним.

У другій серії дослідів одноступеневого камерного сушіння (коли Wр=4,8%) виявлено, що із збільшенням температури середовища з tc=400C до tc=800C коефіцієнт сушіння зростає від до, тобто в 1,285 рази.

Узагальнюючи результати третьої серії дослідів двоступеневого камерного сушіння (коли на першому ступені Wp=10,4%, а на другому - Wp=4,8%) отримаємо коефіцієнти сушіння, середнє значення яких для першого ступеня становить, а для другого ступеня. Порівнюючи значення коефіцієнтів сушіння для першого і другого ступеня, бачимо, що на першому ступені коефіцієнт сушіння в 1,51 рази є більшим, ніж на другому. Для двоступеневого сушіння середня швидкість сушіння становить

.

Середнє значення коефіцієнтів вологопровідності для першого ступеня становить, а для другого ступеня. Зі збільшенням температури середовища при сушінні від tc=400C до tc=800C коефіцієнт вологопровідності зростає в середньому на 28%. Отримані дані величин вологопровідності можна використати для розрахунку тривалості сушіння пиломатеріалів хвойних порід (сосна, ялина, ялиця, кедр) та для подальших теоретичних досліджень, наприклад, під час визначення коефіцієнта вологовіддачі ().

За експериментальними даними розподілу пошарової вологості та швидкості сушіння отримано значення коефіцієнта вологовіддачі в кінці атмосферного сушіння () та на початку () і в кінці камерного досушування (). Таким чином, коефіцієнт вологовіддачі в кінці атмосферного та на початку камерного сушіння відрізняється в 5,6...5,7 разів. Далі коефіцієнт вологовіддачі зменшується й в кінці камерного сушіння є майже в 2,2 рази менший, ніж на початку процесу. Отримані коефіцієнти вологопровідності (а’) та вологовіддачі () можна використовувати для вдосконалення методики інженерних розрахунків в залежностях (1...7), що збагачує теорію сушіння.

В процесі проектування нових і реконструкції існуючих сушильних цехів деревообробних підприємств неодмінно виникає потреба в техніко-економічному обґрунтуванні технології сушіння та вибору обладнання. Визначимо величину економії теплової енергії за рахунок комбінації атмосферного та камерного сушіння. Якщо висушувати соснові пиломатеріали (за експериментальними даними) від середньої початкової вологості 81,3% до 22,4% атмосферним способом, а далі – камерним до Wк=8%, то під час атмосферного сушіння видаляється 247,4 кг, а під час камерного сушіння 60,5 кг вологи з 1м3 деревини. Для випаровування 1кг вологи із деревини хвойних порід потрібно витратити від 4000 до 6000 кДж теплової енергії залежно від режиму сушіння, типу і конструктивних особливостей сушильного обладнання та системи його теплопостачання (в розрахунках прийнято qc=5000 кДж/кг). Загальна кількість теплової енергії на процес сушіння за таких умов становить

.

Тобто, якщо застосовувати комбіноване атмосферно-камерне сушіння, то витрати теплової енергії на процес сушіння зменшаться більше ніж у чотири рази.

Швидкість атмосферного сушіння соснових пиломатеріалів при їх вологості 20...22% становить близько 0,025% за годину, що свідчить про доцільність його припинення. Далі постає питання за якою схемою (кількість доцільних ступенів режиму) проводити камерне досушування. Результати експериментальних досліджень та аналіз зарубіжного досвіду сушіння дозволили розробити наступні рекомендації:

1. Для всіх пиломатеріалів м'яких хвойних порід деревини (сосна, кедр, ялина, ялиця) товщиною до 50мм для другого (8<Wk?11%) і третього (11<Wk?15%) діапазонів кінцевої вологості доцільно проводити одноступеневе камерне досушування при відповідних режимних параметрах.

2. Для всіх пиломатеріалів м'яких хвойних порід товщиною більше 50мм для другого діапазона кінцевої вологості та для всіх пиломатеріалів з першим діапазоном (6<Wk?8%) кінцевої вологості доцільно проводити двоступеневе камерне досушування з перехідною вологістю W=15%.

Тривалість атмосферного підсушування та камерного досушування рекомендується визначати за формулою

, (14)

де Сп – коефіцієнт, який враховує породу деревини (для м'яких хвойних порід Сп=1,0); S1 – товщина матеріалу, см; - коефіцієнт вологопровідності (для атмосферного підсушування соснових пиломатеріалів, =1,2410-6 см2/с, а для камерного досушування =2,0810-6 см2/с); - відповідно початкова, кінцева та рівноважна вологість на різних етапах (атмосферне, камерне) сушіння, %.

На основі аналізу літературних джерел з технології атмосферного та камерного сушіння, для орієнтовних розрахунків тривалості процесу, рекомендується приймати такі значення корегувального коефіцієнта на породу: для дуба Сп=3,24, для бука Сп=1,92, для модрини Сп=2,59, для берези Сп=1,40. Результати дослідження передано до впровадження у виробництво Коломийському держлісгоспу та Коломийському лісокомбінату.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4. Розроблено методику експериментальних досліджень атмосферного сушіння соснових пиломатеріалів в якій передбачено підготовлення матеріалу і статистичне оброблення для визначення: середніх величин початкової, поточної і кінцевої вологості деревини; густини деревини у абсолютно сухому стані, вологої деревини та умовної густини; коефіцієнтів сушіння, вологопровідності та швидкості сушіння. Вперше отримано середні значення коефіцієнта вологопровідності () коефіцієнта сушіння (, 1/с) та швидкості атмосферного сушіння (,%/с) деревини сосни (умовного матеріалу).

5. Розроблено методику експериментальних досліджень камерного сушіння соснових пиломатеріалів, які пройшли попереднє атмосферне підсушування. За результатами дослідів і статистичної обробки експериментальних даних отримано середні значення коефіцієнтів сушіння (, 1/с для різних умов і режимів сушіння), коефіцієнтів вологопровідності для різних умов камерного сушіння (середнє значення, см2/с), швидкості сушіння (, %/с для різних умов і режимів сушіння) та коефіцієнту вологовіддачі: в кінці атмосферного сушіння (,см/с); на початку камерного сушіння (,см/с) та в кінці камерного сушіння (,см/с). В практиці сушіння такі результати отримано вперше.

6. Розроблено рекомендації щодо послідовного проведення комбінованого атмосферно-камерного сушіння пилопродукції хвойних порід на прикладі сосни. Запропонована залежність для визначення тривалості атмосферного сушіння пиломатеріалів та раціональні значення рівноважної вологості деревини. Для наступного камерного досушування пиломатеріалів запропоновані режимні параметри, де визначальними чинниками є рівноважна вологість деревини (Wp), та градієнт сушіння (TG – Trocknungsgefдlle). Запропонована залежність для визначення тривалості камерного сушіння хвойних пиломатеріалів за значеннями коефіцієнта вологопровідності та рівноважної вологості деревини.

7. Впровадження у виробництво науково обґрунтованого комбінованого атмосферно-камерного сушіння пиломатеріалів дозволяє зменшити витрати теплової енергії на 80 %, або в натуральному виразі зекономити1,24•106кДж теплової енергії на видалення вологи з 1м3 пиломатеріалів, економія електричної енергії складає 30-40 %.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ТА ПРАЦЬ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЯ

Полоз А.В. Підвищення ефективності конвективного сушіння пиломатеріалів (на прикладі умовного матеріалу). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу. – Національний лісотехнічний університет України. – Львів, 2006.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми підвищення ефективності конвективного сушіння пиломатеріалів, що дозволяє значно зменшити витрати теплової енергії та отримати високоякісні матеріали для виготовлення виробів із деревини. У роботі, на основі аналізу теоретичних положень конвективного сушіння та проведених експериментальних досліджень, знайдено величини коефіцієнтів сушіння, вологопровідності і вологовіддачі, що дає можливість уточнення теоретичних рівнянь визначення тривалості сушіння деревини для атмосферного і наступного камерного способу. Уточнено методику визначення вологообмінних коефіцієнтів з експериментальних кривих сушіння і кривих швидкості сушіння. Розроблено рекомендації щодо створення науково обґрунтованої перманентної (наскрізної) технології комбінованого атмосферно-камерного сушіння пиломатеріалів м’яких хвойних порід на прикладі сосни.

Ключові слова: деревина, пиломатеріали, вологопровідність, вологовіддача, коефіцієнт сушіння, кінетика процесу, атмосферне і камерне сушіння.

АННОТАЦИЯ

Полоз А.В. Повышение эффективности конвективной сушки пиломатериалов (на примере условного материала). – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.07 – машины и процессы лесного комплекса. – Национальный лесотехнический университет Украины.- Львов, 2006.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы повышения эффективности конвективной сушки пиломатериалов, что позволяет значительно уменьшить расход тепловой энергии и получить высококачественные материалы для изготовления изделий из древесины. В работе, на основании анализа теоретических положений конвективной сушки и проведенных экспериментальных исследований, найдено величины коэффициентов сушки, влагопроводности, что дает возможность уточнения уравнений определения продолжительности сушки древесины для атмосферного и последующего камерного способа. Уточнена методика определения влагообменных коэффициентов из экспериментальных кривых скорости сушки. Разработаны рекомендации касающихся создания научно-обоснованной перманентной (сквозной) технологии комбинированой атмосферно-камерной сушки мягких хвойных пород на примере сосны.

Анализ современного состояния техники и технологии, эффективности разных способов и конвективной сушки пиломатериалов дал возможность обосновать тему и сформулировать задачи исследований. Результаты экспериментальных исследований доказали, что процессы атмосферной и последующей камерной сушки описываются уравнениями для второго условного периода – падающей скорости сушки.

Разработано методику экспериментальных исследований атмосферной и камерной сушки, которой предусмотрено определение: средних величин начальной, текущей и конечной влажности древесины; плотности влажной древесины, плотности абсолютно сухой древесины, а также условной (базисной) плотности. Впервые найдены для атмосферного способа значения коэффициентов сушки, влагопроводности, влагоотдачи и скорости сушки.

В результате статистической обработки экспериментальных данных исследования камерной сушки, предварительно подсушенных атмосферным способом сосновых пиломатериалов, получены средние значения массообменных коэффициентов что позволяет усовершенствовать методику инженерных расчетов оборудования и обогащает теоретические положения конвективной сушки древесины. Применение научно обоснованной атмосферно-камерной сушки пиломатериалов позволяет (на примере сосны) снизить расход тепловой энергии более чем в четыре раза. Результаты исследований переданы предприятиям для внедрения в производство.

Ключевые слова: древесина, пиломатериалы; влагопроводность, влагоотдача, коэффициент сушки, кинетика процесса, атмосферная и камерная сушка.

SUMMARY

Poloz A.V. Improvement of the Efficiency of Convective Drying of Lumber (on exemple of conditional material). Manuscript.

Dissertation on the Obtaining of Degree of Candidate of Technical Science on speciality 05.05.07 – machinery and processes of forest industry.– National University Forestry and Wood Technology of Ukraine.Lviv,2006.

Dissertation is dedicated to the solution of the actual scientific – technical problem of improvement of efficiency of convective drying of lumber, that helps to lessen expenses of thermal energy and to receive high – grade materials for manufacturing wood products. In this paper, sizes of ratios of drying, humidity conduction and humidity return were found on the basis of analysis of theoretical principles of convective drying and on the resylts of experimental research, that gives the opportunity to accurate the theoretical equations of determination of durability of obrying wood for atmosphere and chamber methods.

Methods of determination of humidity – exchanging ratios are accurated from experimental drying curves and curves of speed drying This paper gives recommendations concerning formation of the scientific based permanent technology of combined atmosphere – chamber drying of lumber of soft coniferous species on the exemple of pine.

Key – words: Wood, lumber, humidity, conduction, humidity return, ratio of drying, kinetics of the process, atmosphere and chamber drying.