Исследование процессов конвективного тепломассообмена в условиях вакуумно-конвективных сушильных камер
Юнусов Ленар Ринатович
«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОГО
ТЕПЛОМАССООБМЕНА В УСЛОВИЯХ ВАКУУМНО-КОНВЕКТИВНЫХ СУШИЛЬНЫХ КАМЕР»
05.17.08
технические науки
Д 212.063.05
Ивановский государственный химико-технологический университет
153000, Иваново, пр-т. Ф. Энгельса, 7, ИГХТУ
Тел: (4932) 32-54-33
Email: [email protected]
Предполагаемая дата защиты диссертации – 16 июня 2008 года
На правах рукописи
Юнусов Ленар Ринатович
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОГО
ТЕПЛОМАССООБМЕНА В УСЛОВИЯХ ВАКУУМНО-КОНВЕКТИВНЫХ СУШИЛЬНЫХ КАМЕР
05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново – 2008
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете на кафедре переработки древесных материалов.
| Научный руководитель | – | доктор технических наук, профессор Р.Г. Сафин |
| Официальные оппоненты | – – | доктор технических наук, профессор Е.Г. Авдюнин доктор технических наук, профессор А.Г. Липин |
| Ведущая организация | – | Татарская лесная опытная станция (ТатЛОС) |
Защита состоится «16» июня 2008 г. в 14.00 час. на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7, ауд. Г-205.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета.
Автореферат разослан «15» мая 2008 г.
Ученый секретарь
совета Д 212.063.05 Г.А. Зуева
Общая характеристика работы
С каждым годом к сушке пиломатериалов на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях предъявляются все более жесткие условия, требующие сокращения энергозатрат и длительности процесса сушки без ущерба качеству высушиваемого материала. В связи с этим камерная сушка становиться одним из важнейших участков предприятий, ответственным звеном общего технологического процесса обработки древесины.
Актуальность темы. В современных условиях при наблюдаемой тенденции роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственно-хозяйственной деятельности предприятий. По оценкам специалистов в ближайшие годы государство перестанет регулировать цены на электроэнергию, и они будут определяться законами спроса и предложения. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий является одним из важных направлений повышения эффективности производства и умелого ведения технологических процессов в рыночных условиях хозяйствования предприятий.
При этом сушка материалов на многих предприятиях является одним из самых энергоемких процессов. Особенное значение данный технологический процесс приобретает в условиях, когда необходимо сохранение определенных свойств высушиваемого материала. В частности, продолжительность сушки массивной древесины, занимает от двух недель до двух месяцев в зависимости от сортамента высушиваемого пиломатериала, что обусловлено развитием внутренних сушильных напряжений, приводящих к нарушению целостности и снижению качества сушки. Подобная длительность процесса приводит к значительному потреблению тепло- и электроэнергии.
Значительно сократить продолжительность процесса, а значит, и снизить её себестоимость позволяют вакуумные технологии сушки материалов. Однако при сушке в вакууме возникает проблема подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу. Такие известные методы подвода теплоты, как контактное, диэлектрическое нагревание или нагрев в СВЧ-поле не всегда позволяют получить требуемое качество или приводят к значительному удорожанию стоимости сушильного процесса. Поэтому наиболее перспективным направлением, как с позиций себестоимости процесса, так и с позиций качества получаемой продукции, считаются вакуумные технологии сушки с подводом тепла конвекцией, которые можно осуществлять путем чередования стадий нагрева и вакуумирования или конвективной сушкой в разреженной среде.
Несмотря на все преимущества вакуумных технологий на этапе их аппаратурного оформления возникают серьезные затруднения, связанные с выбором рациональной конструкции аппаратов и режимов их работы. Поскольку разработанные ранее применительно к традиционным атмосферным конвективным камерам технические и технологические решения по созданию равномерного подвода тепловой энергии конвекцией в условиях вакуумных аппаратов вызывают значительные затруднения, вследствие необходимости экономии дорогостоящего вакуумного пространства. Поэтому существующие в настоящее время на рынке сушильной техники вакуумно-конвективные камеры в большинстве своем не удовлетворяют требованиям по равномерности конечной влажности высушенного штабеля.
Поэтому разработка методов расчета процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке пиломатериалов, совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных вакуумных аппаратов, позволяющих получать равномерную по штабелю конечную влажность, а также разработка новых ресурсо- и энергосберегающих технологий и их аппаратурного оформления является актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов по процессам и аппаратам химических производств и кибернетике химико-технологических процессов.
Цель работы состоит в разработке метода расчета и аппаратурного оформления процессов вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов.
В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие задачи:
- разработка математической модели для процессов вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов, отражающей особенности подвода тепла конвекцией в условиях вакуумных аппаратов;
- разработка инженерной методики расчета, позволяющей рассчитать оборудование и конструктивные особенности вакуумно-конвективной сушильной камеры;
- разработка алгоритма расчета и моделирование процессов, с целью рекомендации режимных параметров исследуемых процессов и конструктивных особенностей вакуумно-конвективных аппаратов сушки;
- разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов;
- разработка энергосберегающего оборудования вакуумно-конвективной сушки древесины;
- промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок;
- реализация результатов исследований применительно к традиционным конвективным сушильным камерам.
Научная новизна. Исследованы закономерности конвективного теплоподвода к пиломатериалам в условиях вакуумных аппаратов сушки:
- создано математическое описание технологических процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке пиломатериалов, отражающее особенности подвода тепла конвекцией в условиях вакуумных аппаратов;
- по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены пути интенсификации процессов, установлено, что при удалении свободной влаги давление в аппарате целесообразно поддерживать на постоянном значении; при снижении влагосодержания древесины ниже 25% производить повышение давления в зависимости от породы, текущей влажности и толщины сортимента;
- для наиболее равномерного удаления влаги по штабелю пиломатериалов в условиях вакуумных аппаратов целесообразна поперечная схема обтекания с установкой нагревательных элементов теплового оборудования только во всасывающем канале вентилятора;
- разработана энергосберегающая технология вакуум-осциллирующей сушки древесины и конструкция комплекса вакуумной сушки для её реализации (положительное решение на выдачу патента РФ по заявке № 2007111612/20).
Практическая ценность. В результате исследования технологических процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке пиломатериалов:
- разработаны новые конструкции оборудования, направленные на снижение энергозатрат на процесс сушки и улучшение качества высушиваемого материала;
- разработана инженерная методика расчета вакуумно-конвективной камеры;
- предложены режимные рекомендации для проведения вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов;
- разработаны и реализованы рекомендации по усовершенствованию существующих конвективных камер для сушки пиломатериалов;
- разработаны экспериментальные установки и методики исследований, позволяющие определить недостающие для моделирования характеристики.
Внедрение вакуумных аппаратов для сушки массивной древесины на деревообрабатывающих предприятиях «Искра» и «Айлант» осуществлено с общим экономическим эффектом свыше 800 тыс. руб.
На деревообрабатывающих предприятиях «Карпентер» и «Вельд» произведено усовершенствование конвективных камер периодического действия с целью снижения продолжительности и повышения качества сушки. Экономический эффект от внедрения данных технических решений составил более 1,6 млн. руб.
Разработанные конструкции аппаратов приняты к серийному изготовлению предприятием ЗАО «Ферри Ватт», специализирующемся на производстве вакуумного оборудования.
Разработанные экспериментальные установки, методики исследований и программные продукты внедрены в учебный процесс в рамках курсов «Гидротермическая обработка и консервирование древесины» и «Методы математического моделирования процессов в деревообработке».
Основные положения, выносимые на защиту. Решение проблемы, состоящей в создании ресурсо- и энергосберегающих технологий и аппаратурного оформления процессов вакуумно-конвективной сушки древесины, на основе режимных параметров и конструктивных характеристик, полученных в результате расчета математического описания, а именно:
- математическое описание технологических процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке древесных пиломатериалов, отражающее особенности подвода тепла конвекцией в условиях вакуумных аппаратов;
- результаты математического моделирования и экспериментальных исследований вышеуказанных процессов;
- методику расчета вакуумно-конвективной сушильной камеры;
- способы и конструкции установок вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов;
- усовершенствованные схемы конвективных камер периодического действия для сушки пиломатериалов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Брянск, 2007); «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов» (Казань, 2006); «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2007), а также на научных сессиях по технологическим процессам Казанского государственного технологического университета (Казань, 2006-07).
Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены лабораторные установки; разработаны, спроектированы и изготовлены опытно-промышленные образцы вакуумных сушильных установок, выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания; разработаны и реализованы мероприятия по усовершенствованию ряда существующих технологических процессов. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 14 печатных работ, в том числе статья в рецензируемом журнале и два положительных решения на выдачу патентов РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации составляет 143 страницы машинописного текста.
На всех этапах работы в качестве консультанта активное участие принимал д.т.н., профессор Сафин Р.Р.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе проанализированы и классифицированы способы сушки древесины, основанные на конвективном методе подвода тепловой энергии к материалу, исследованы процессы конвективного тепломассообмена в процессах сушки и представлен анализ древесины как объекта сушки.
В качестве агентов тепловой обработки древесины могут быть использованы различные газообразные (горячий воздух, насыщенный и перегретый пар, паровоздушная смесь, топочные газы) и жидкие (горячая вода, гидрофобные и гидрофильные жидкости) теплоносители, каждый из которых имеет свои преимущества и используется в зависимости от поставленных целей. Влияние теплоносителей в их различных состояниях на процесс прогрева и непосредственно сушки изучалось многими исследователями, среди которых Кныш В.А., Гей Н.Н., Кротов Л.Н., Михайлов Ю.А., Шубин Г.С. и др. Исследования этих авторов указали на необходимость быстрого предварительного прогрева пиломатериалов перед процессом сушки, поскольку удаление влаги из предварительно непрогретых пиломатериалов приводит к нарушениям целостности поверхностных слоев, поэтому на стадии прогрева степень насыщенности при влажности древесины выше 25 % устанавливают в интервале 0,98 – 1, при влажности ниже 25 % - 0,90 – 0,92.
Исследования целесообразной скорости циркуляции сушильного агента при конвективной сушке пиломатериалов проводились Серговским П.С., Микитом Э.А. и Уиманисом К.К, Гринхила В.Л., и др. В этих работах предельно высокая скорость потока, до которой её влияние оказывается существенным, оценивается по-разному. По мнению В.Л. Гринхила такая скорость составляет 0,6 м/с, а по опытам Серговского на перегретом паре 4 – 4,5 м/с. По расчетам Гей Н.Н. величина оптимальной скорости потока, обеспечивающей наилучшие технико-экономические показатели работы традиционных конвективных сушильных камер, лежит в пределах 2 – 2,5 м/с.
Исследование влияния реверсивности потока на процесс сушки было проведено Шубиным Г.С., который указывает на увеличение продолжительности процесса сушки при реверсировании потока, объясняя это тем, что при изменении направления циркуляции резко изменяются параметры среды и материала в зоне штабеля, со стороны которой до этого проводилась циркуляция. В связи с этим автор предлагает использовать комбинированный характер циркуляции, принимая на первой стадии процесса реверсивную, а в дальнейшем, при достижении определенной влажности, проводить нереверсивную циркуляцию, которая в этом случае, помимо уменьшения конечной неравномерности, упрощает процесс проведения сушки и улучшает условия работы двигателей.
Вместе с тем, анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что древесина достаточно хорошо изучена как объект сушки. В справочной литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и массопроводные характеристики древесины: имеются эмпирические зависимости теплофизических, влажностных и термодинамических характеристик, представленные в графической форме. Широко исследован механизм переноса влаги в древесине в процессе сушки. В литературе содержатся сведения о реологических свойствах древесины основных пород, освещается механизм образования внутренних напряжений, а также излагаются экспериментально-теоретические методы анализа напряженного состояния древесины во время и после сушки.
Поэтому на базе современных представлений о сорбционно-кинетических и тепловых свойствах древесины является целесообразным исследование процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке пиломатериалов, совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных вакуумных аппаратов, позволяющих получать равномерную по штабелю конечную влажность, а также разработка новых ресурсо- и энергосберегающих технологий и их аппаратурного оформления.
Во второй главе рассмотрена физическая картина и разработана математическая модель процессов конвективной сушки листовых материалов в условиях вакуумных аппаратов и представлен алгоритм расчета процесса конвективного тепломассообмена при вакуумно-конвективной сушки и создана инженерная методика расчета вакуумно-конвективной сушильной камеры.
Согласно блочному принципу построения математической модели процесса, совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ сушки, рассматривается решая внешнюю – тепломассоперенос в среде теплоносителя и его тепломассообмен с материалом, и внутреннюю задачи – тепломассоперенос внутри материала.
При решении внешней задачи вначале исследуют гидродинамическую обстановку в аппарате, а затем переходят к изучению кинетики массо- и теплопередачи с учетом выявленных гидродинамических условий модели. Для выявленной структуры потоков в процессах сушки пиломатериалов при конвективных методах теплоподвода, основными характеристиками являются разность парциальных давлений паров удаляемой влаги над поверхностью влажного материала и в окружающей среде и интенсивность подвода тепла конвекцией. При этом парциальное давление компонента и температурное поле окружающей среды определяются системой дифференциальных уравнений переноса массы и энергии с объемными источниками массы и тепла.
Для решения совмещенной задачи удаления влаги из материала при его конвективном обтекании горячим воздухом или перегретым паром температурное поле окружающей среды определялось с помощью дифференциального уравнения переноса энергии, которое с учетом теплообмена с материалом, представлено в виде выражения
. (1)
Учитывая необходимость экономии вакуумного пространства аппарата, конвективный нагрев материала в нем является сложной задачей, решение которой должно обеспечить как максимальное заполнение камеры высушиваемой древесиной, так и создание равномерного подвода тепловой энергии к штабелю во всем пространстве сушильной камеры.
Наиболее рациональной формой вакуумных аппаратов является цилиндрическая обечайка, поэтому движение теплоносителя относительно штабеля пиломатериалов в процессе конвективного нагрева может осуществляться как в продольном, так и в поперечном направлении с формированием гидродинамического тракта в сегментных зазорах, образованных корпусом аппарата и боковыми перегородками. При этом сегментные зазоры используются для расположения в них калориферов для нагрева среды (рис. 1).
При создании поперечной циркуляции основной задачей является обеспечение равномерного распределения сушильного агента относительно штабеля пиломатериалов. Решение данной проблемы совпадает с гидравлической задачей о течении газа по каналам с путевым расходом. На практике создание равномерности потока происходит путем установки выравнивающих устройств: сеток, решеток, жалюзийных направляющих с целью выравнивания скоростей потока в различных точках штабеля.
Решение одномерной задачи обтекания калорифера агентом сушки может быть представлено в виде
(2)
Скорость агента сушки в выражении (2) зависит от характера циркуляции теплоносителя относительно штабеля пиломатериалов:
- при продольной циркуляции скорость агента сушки остается постоянной по всей длине сегментного зазора и зависит от скорости теплоносителя при прохождении вдоль штабеля пиломатериалов
. (3)
- при поперечной циркуляции скорость агента сушки при движении вдоль калорифера уменьшается, вследствие расхода через перфорированную боковую стенку. С достаточной для подобных расчетов точностью изменение скорости сушильного агента можно принять ступенчатым (постоянной в пределах одной зоны и скачкообразно уменьшающейся при переходе в следующую зону)
. (4)
Начальные условия для решения уравнений (1) и (2) могут быть представлены выражениями
, 
. (5)
Граничным условием для решения дифференциального уравнения (2) является значение температуры фронта среды после её прохождения через штабель пиломатериалов и наоборот: значение температуры фронта среды после её прохождения через калорифер является граничным условием для решения уравнения (1). При этом под понятием «фронта среды» понимается граница раздела значений температуры предыдущего и текущего момента времени:
. (6)
При решении проблемы с продольной циркуляцией теплоносителя задача может быть упрощена и изменение температуры фронта среды при прохождении через калорифер может быть определена из теплового баланса процесса прогрева сушильного агента в точке выхода из калорифера. Отсюда, граничное условие для решения дифференциального уравнения (1) при продольном обтекании штабеля
. (7)
При прохождении вдоль пиломатериала теплоноситель отдает свое тепло древесине, в результате чего материал прогревается. Теплообмен между теплоносителем и пиломатериалом (при учете термического сопротивления последнего) происходит в сочетании с теплопроводностью внутри материала. Аналитический расчет процессов сушки и нагревания коллоидных капиллярнопористых тел основывается на решении дифференциальных уравнений тепломассопереноса. Для описания изменения во времени полей влажности и температуры по толщине пиломатериала воспользуемся уравнениями, предложенными А.В. Лыковым в следующей форме:
, (8)
. (9)
В процессе прогрева древесины в среде, температура которой ниже точки кипения воды при данном давлении в аппарате, внутри пластины отсутствуют фазовые превращения, тогда, критерий парообразования в уравнении (2.17) равен нулю и дифференциальное уравнение сводится к уравнению теплопроводности Фурье
. (10)
Краевые условия для решения системы дифференциальных уравнений (8) и (10) могут быть записаны в следующем виде
начальные условия
U ( 0; x ) = U0, Tм ( 0; x ) = Tм.0, 
. (11)
граничные условия
, (12)
. (13)
Изменение плотности паров среды при прохождении над i-отрезком поверхности материала определяется из выражения
. (14)
Для расчета представленной математической модели процессов конвективного тепломассообмена в условиях вакуумных аппаратов разработан алгоритма расчета. Алгоритм расчета состоит из четырех блоков. Расчет начинается с ввода исходных данных, представляющих собой начальные условия процесса, теплофизические характеристики материала и теплоносителя, структурные характеристики штабеля, а также параметры теплового оборудования. В первом блоке по результатам проверки конечно-разностных схем уравнений на устойчивость производится выбор шагов по времени и по координатам. Во втором блоке выбирается схема циркуляции теплоносителя (вдоль или поперек штабеля) и в результате расчета определяется температура фронта среды на входе в штабель. В третьем блоке производится расчет изменения температуры и влажности фронта теплоносителя по мере прохождения над поверхностью пиломатериала. В четвертом блоке осуществляется расчет полей температуры и влагосодержания внутри материала.
По результатам решения разработанной математической модели можно выбрать рациональные параметры ведения процесса и определить некоторые конструктивные особенности вакуумной камеры сушки. Для более детального определения конструкции вакуумно-конвективной сушильной камеры разработана инженерная методика расчета, которая позволяет рассчитать основные характеристики обечайки, вентилятора, калориферов, вакуумного насоса, конденсатора, размеры перфораций боковых решеток для создания равномерного теплоподвода и др.
В третьей главе представлено описание экспериментальных установок и методики проведения исследований, а также изложены результаты математического и физического моделирования процессов вакуумной сушки пиломатериалов с конвективными способами подвода тепла, приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических зависимостей, установлена адекватность разработанной модели реальному процессу.
Для проведения экспериментальных исследований по распределению материальных и тепловых потоков внутри вакуумно-конвективных камер была создана лабораторная конвективная сушилка, в которой могут быть реализованы продольная и поперечная схемы обтекания пиломатериалов теплоносителем.
Для исследования кинетики вакуумной сушки древесины, когда в качестве агента сушки используется газообразная среда, была создана экспериментальная установка.
С помощью данных установок были получены значения недостающихся коэффициентов, использующихся в математической модели, и проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных с целью определения возможности использования разработанной модели для теоретических исследований указанных процессов. Погрешность расчета по разработанным моделям находится в пределах 29 %.
В результате математического моделирования были получены рекомендации по режимным параметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям вакуумно-конвективных аппаратов сушки.
Моделирование стадии прогрева пиломатериала показало, что продольная циркуляция сушильного агента относительно штабеля может приводить к неравномерной сушке по длине пиломатериала, что объясняется снижением температуры теплоносителя (рис. 2) и повышением его относительной влажности при движении вдоль доски. Результаты математического моделирования нестационарного теплообмена между агентом сушки и калорифером при поперечной циркуляции по схеме, представленной на рис. 1б, с двусторонним расположением калориферов также выявили неравномерность температурного поля среды по длине штабеля (рис. 3). Это обусловлено значительным повышением температуры при обтекании калорифера, расположенного вдоль нагнетательного канала вентилятора. Схема циркуляции с постоянным путевым расходом приводит к тому, что по мере прохождения вдоль калорифера снижается скорость агента сушки, вызывая существенное повышение температуры последнего, поэтому зона штабеля, отстоящая от вентилятора, нагревается быстрее. Наиболее равномерное удаление влаги по штабелю пиломатериалов обеспечивается при поперечной схеме обтекания и установке нагревательных элементов теплового оборудования во всасывающем канале вентилятора. При этом стадию прогрева при осциллирующих технологиях сушки целесообразно вести при высоких степени насыщенности и температуре среды, ограниченной предельной величиной градиента влажности и значением температуры, оказывающим негативное влияние на физико-механические свойства древесины.
Исследование температурных режимов выявило возможность подбора температуры среды таким образом, чтобы при соответствующей продолжительности процесса температура не оказывала влияние на физико-механические свойства древесины. Так при конвективной сушке соснового пиломатериала в разреженной среде температурой 80 °С продолжительность сушки составляет менее 40 часов, что не влияет на физико-механические свойства древесины (рис.2).
Моделирование стадии сушки при пониженном давлении проводилось с целью исследования влияния глубины вакуума в камере на процесс тепломассопереноса. При моделировании процессов конвективной сушки пиломатериалов в разреженной среде были проведены исследования, в которых варьировалось значение остаточного давления среды на стадии сушки в интервале 30 – 100 кПа, температура среды поддерживалась на уровне 359 К. Полученные кривые сушки березовых пиломатериалов представлены на рис. 2. Как видно из характера кривых сушки снижение давления среды значительно интенсифицирует удаление влаги из пиломатериала, что особенно заметно при испарении свобод ной влаги. В тоже время глубокое разрежение среды (35 кПа) не позволяет максимально сократить продолжительность процесса, что объясняется значительным уменьшением коэффициента теплоотдачи между теплоносителем и влажным материалом (рис. 3).
Анализ кривых скорости сушки показывает, что при падении влагосодержания древесины ниже 25% пониженное давление среды приводит к снижению интенсивности удаления влаги. В связи с этим процесс конвективной сушки в среде разреженного теплоносителя целесообразно проводить в два этапа: при удалении свободной влаги давление в аппарате поддерживать на определенном постоянном значении; при снижении влагосодержания древесины ниже 25% производить повышение давления в зависимости от породы, текущей влажности и толщины сортимента.
Для определения рационального остаточного давления в аппарате при удалении свободной влаги в результате проведенного физического моделирования было установлено, что при удалении свободной влаги из материала снижение рабочего давления в аппарате до значений 50 – 60 кПа вызывает наибольшую интенсификацию процесса. Дальнейшее понижение давления к такому результату не приводит, что объясняется значительным уменьшение коэффициента теплоотдачи. Повышение давления среды существенно выше указанных пределов также снижает скорость удаления влаги за счет уменьшения массоотдачи. Поэтому за наиболее рациональное рабочее давление среды в процессе конвективной сушки в среде разреженного теплоносителя можно принять в интервале 50 – 60 кПа.
В четвертой главе приводится описание конструкций аппаратов и технологических регламентов для реализации процессов вакуумной сушки древесины с конвективными методами подвода тепла, разработанных в соответствии с рекомендациями по их аппаратурному оформлению, полученными в результате математического моделирования и экспериментальных исследований. Представлены результаты промышленного внедрения новых вакуумных аппаратов для сушки древесины и усовершенствование существующих промышленных сушилок.
На основе данных, полученных теоретическими и расчетно-эксперименталь-ными исследованиями, спроектированы и внедрены в промышленную эксплуатацию образцы вакуумных сушильных камер ВОСК-1 и ВОСК-2 с продольной и поперечной схемами циркуляции теплоносителя. В результате проведенных испытаний вакуумной камеры ВОСК-1, в которой была организована продольная циркуляция агента сушки, для чего были установлены боковые металлические перегородки, получены профили изменения скорости сушильного агента по ширине штабеля, которые свидетельствовали об увеличении скорости по краям штабеля относительно центральной части. Поэтому было предложено боковые перегородки выполнить из газонепроницаемой прорезиненной ткани с провисом, чтобы при включении вентилятора сегментные зазоры, являющиеся нагнетающей линией вентилятора, раздувались, облегая штабель пиломатериалов и обеспечивая, тем самым, равномерную скорость теплоносителя по всему поперечному сечению штабеля.
Для сушки твердых пород древесины, для которых предпочтительными являются осциллирующие режимы, на базе установок ВОСК-1 и ВОСК-2 разработана конструкция сушилки ВОСК-тандем, особенностью которой является конденсационная установка, которая позволяет осуществлять нагрев пиломатериалов в одной камере за счет тепла, отведенного из другой камеры на стадии вакуумирования. Подобное ведение процесса позволяет снизить энергозатраты на процесс сушки пиломатериалов до 50 % и отказаться от использования массивных емкостей для испарительного охлаждения хладагента конденсатора.
Установка ВОСК-тандем наряду с камерами ВОСК-1 и ВОСК-2 приняты к серийному изготовлению фирмой ЗАО «Ферри Ватт».
Наиболее распространенными и востребованными сушильными камерами в деревообрабатывающей промышленности благодаря своей дешевизне и простоте использования до сих пор остаются конвективные сушилки. Однако основным недостатком данных камер является высокая продолжительность процесса, зачастую вызванная низкой эффективностью теплоподвода, что, в свою очередь, влечет большие энергозатраты, неравномерность высушивания штабеля и, как следствие, неудовлетворительное качество конечного продукта. Поэтому на базе проведенных исследований по конвективному тепломассообмену были разработаны схемы модернизации существующих конвективных сушильных камер.
В результате модернизации лесосушильных камер на предприятии ПСФ «Карпентер» была организована поперечно-вертикальная схема циркуляции, которая позволила получить перепад влажности пиломатериалов по штабелю менее 1,5%, что удовлетворяет условиям сушки по II категории качества. В результате проведенной модернизации произошло сокращение продолжительности процесса сушки на 20 – 30 % в зависимости от сортиментов. Сокращение сроков сушки объясняется равномерным удалением влаги по всему объему штабеля. Кроме того, организованная поперечно-вертикальная схема циркуляции сушильного агента позволила проводить процесс при неполной загрузке лесосушильной камеры. По данной схеме было модернизировано шесть камер сушильного цеха.
Усовершенствование сушильного участка на предприятии «Вельд» позволила увеличить объем разовой загрузки пиломатериалов. При этом была организована поперечно-горизонтальная схема циркуляции сушильного агента, выравнивание скорости которого по высоте штабеля производилось с помощью установленных боковых перфорированных стенок. Необходимое тепловое и циркуляционное оборудование было установлено в верхней части камеры и в боковых зазорах, образованных перфорированными стенками. Реализованная схема модернизации позволила увеличить производительность камеры при одновременном предотвращении неравномерности высушивания штабеля.
В результате проведенных модернизаций предприятия «Карпентер» и «Вельд» получили годовой экономический эффект в размере соответственно 1147 и 495 тыс. руб.
В приложении к работе приведены элементы программ расчета исследуемых процессов на ПЭВМ, результаты статистической обработки полученных данных и акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями, результаты промышленных испытаний и паспорта созданных установок.
Основные результаты работы
- В современных условиях при наблюдаемой тенденции роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в наиболее энергоемких процессах, к каковым на многих предприятиях относится сушка материалов. В связи с этим наиболее перспективными в области сушки древесины многими исследователями признаются вакуумные технологии сушки древесины, поскольку позволяют значительно сократить продолжительность по сравнению с традиционными способами, а значит, снизить себестоимость процесса. При этом наиболее перспективным направлением как с позиций себестоимости процесса, так и с позиций качества получаемой продукции считаются вакуумно-конвективные технологии сушки.
- В результате всесторонних исследований разработана математическая модель процесса конвективного тепломассообмена в условиях вакуумных аппаратов, основанная на общей системе дифференциальных уравнений, характеризующейся упрощающими условиями для рассматриваемых физических ситуаций, а также формулировкой начальных и граничных условий.
- Разработана инженерная методика расчета аппаратурного оформления, которая позволяет обоснованно рассчитать оборудование и конструктивные особенности сушильной камеры.
- Разработан алгоритм расчета исследуемых процессов и компьютерная программа для моделирования. По известным экспериментальным данным получены функциональные зависимости теплофизических, массопроводных и механических характеристик древесины с целью увеличения точности и повышения автоматизации расчетов.
- Созданы экспериментальные установки для исследования указанных процессов. Отдельные решения, положенные в основу лабораторных установок, в дальнейшем нашли использование в аппаратурном оформлении процессов сушки. Экспериментальные установки используются в учебном процессе и позволяют оперативно готовить опытные образцы и осуществлять всестороннее изучение процессов сушки древесины.
- В результате математического моделирования были получены рекомендации по режимным параметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям вакуумно-конвективных аппаратов сушки: наиболее равномерное удаление влаги по штабелю пиломатериалов обеспечивается при поперечной схеме обтекания с установкой нагревательных элементов теплового оборудования только во всасывающем канале вентилятора; конвективную сушку соснового пиломатериала в разреженной среде целесообразно проводить при температуре 80 °С, поскольку продолжительность сушки составляет менее 40 часов, что не влияет на физико-механические свойства древесины; процесс конвективной сушки в среде разреженного теплоносителя целесообразно проводить в два этапа: при удалении свободной влаги давление в аппарате поддерживать на определенном постоянном значении; при снижении влагосодержания древесины ниже 25% производить повышение давления в зависимости от породы, текущей влажности и толщины сортимента.
- Разработанные методы расчета и представленные конструктивные решения позволили создать новые и усовершенствовать существующие промышленные установки, которые позволили сократить продолжительность процесса сушки без ущерба качеству пиломатериалов. Внедрены в производство промышленные вакуумные сушильные камеры, на базе которых разработана принципиально новая конструкция вакуумной сушилки с большой производительностью.
- Проведенные исследования легли в основу модернизаций существующих конвективных сушильных камер, которые позволили сократить продолжительность и предотвратить неравномерность высушивания штабеля пиломатериалов.
- Научные и прикладные результаты исследований переданы предприятиям и проектным организациям в виде методик расчетов процессов сушки, отчетов, проектов и рекомендаций для реконструкции и проектирования сушильного процесса и оборудования. Суммарный годовой экономический эффект от внедрений результатов исследований, подтвержденных соответствующими актами, составил более 2,2 млн. руб.
Условные обозначения
Т – температура, К; – плотность, кг/м3; U – влагосодержание материала, кг/кг; – молекулярная масса, кг/кмоль; с – удельная теплоемкость, Дж/(кг К); r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; – критерий парообразования; – коэффициент теплопроводности, Дж/(м с К); ат – коэффициент температуропроводности, м2/с; аm – коэффициент массопроводности, м2/с; – относительный термоградиентный коэффициент, 1/К; – коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2 с К); w – скорость потока, м/с; – коэффициент массоотдачи, м/с; – текущее время, с; х, 
– координаты; F – площадь поверхности, м2; 
– удельная поверхность материала, приходящаяся на объем теплоносителя, который находится в сушильной камере, м2/м3; j – поток массы, кг/(м2 с); Индексы: м – материал; пов – поверхность; рав – равновесное; кал – калорифер; нач – начальный; вых – выходной.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Сафин, Р.Р. Вакуумная сушка капиллярнопористых коллоидных материалов с периодическим подводом тепловой энергии / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Л.Р. Юнусов, Д.А. Ахметова // Химия и химическая технология. – 2007 г. – Т.50. Вып.11. – С.88-89.
- Юнусов, Л.Р. Установка для анализа влагосодержания древесных материалов / Л.Р. Юнусов, Р.Р. Сафин // Материалы научно-практической конференции «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов», Казань, 2006. С.310-311.
- Сафин, Р.Г. Исследование процессов термомодифицирования древесины в среде насыщенного пара / Р.Г. Сафин, З.Р. Мустафин, Л.Р. Юнусов, Р.Р. Гильмиев // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2007 г. С. 305.
- Юнусов, Л.Р. Экспериментальная установка вакуумной сушки-пропитки древесины / Л.Р. Юнусов, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов // Российская научно-техническая конференция «Вакуумная техника и технология», Казань, 2007, С.143-145.
- Юнусов, Л.Р. Исследование сушки термолабильных фармацевтических продуктов / Л.Р. Юнусов, Р.Г. Сафин // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2007. С. 305.
- Сафин, Р.Р. Усовершенствование технологии вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин, Л.Р. Юнусов, Д.А. Ахметова // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса», Выпуск 18, Брянск, 2007. С. 141-142.
- Сафин, Р.Р. Вакуумно-кондуктивная сушка пиломатериалов с «импульсным» подводом тепла / Р.Р. Сафин, З.Р. Мустафин, Л.Р. Юнусов, Д.А. Ахметова // Тезисы докладов XX Международной научной конференции «ММТТ-20», Ярославль, 2007. С.190-192.
- Сафин, Р.Р. Установка для исследования материальных и тепловых потоков в конвективных сушильных камерах / Р.Р. Сафин, Л.Р. Юнусов, З.Р. Мустафин // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2008. С. 314.
- Юнусов, Л.Р. Экспериментальное исследование процессов вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов / Л.Р. Юнусов, Р.Г. Сафин // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2008. С. 312.
- Юнусов, Л.Р. Разработка энергосберегающего оборудования для сушки материалов / Л.Р. Юнусов, Р.Р. Хасаншин // Материалы научной сессии, КГТУ, Казань, 2008. С. 313.
- Положительное решение на выдачу патента РФ по заявке № 2007111612/20 «Установка для сушки древесины» / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Л.Р. Юнусов и др.
- Положительное решение на выдачу патента РФ по заявке № 2007100542/20 «Сушильная камера» / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Л.Р. Юнусов и др.
- Юнусов, Л.Р. Исследование процессов пропитки древесины при различных способах воздействия давления / Л.Р. Юнусов, Н.Р. Галяветдинов, А.И. Ахметзянов, А.Е. Воронин // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», Вологда, 2008. С. 60-62.
- Сафин, Р.Р. Математическая модель тепломассообмена в условиях вакуумных камер / Р.Р. Сафин, Л.Р. Юнусов, З.Р. Мустафин, А.И. Ахметзянов // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса», Вологда, 2008. С. 82-85.
