3.2.2. Устройство сушильной камеры cathild
Каждая сушильная камера проектируется индивидуально. Ее размеры и объем определяются в соответствии с требованиями клиента и технологическими правилами, необходимыми для обеспечения качественной и равномерной сушки. Камера может быть изготовлена из алюминия и установлена на открытой площадке или смонтирована внутри существующего здания, или же построена клиентом из согласованного материала (кирпич, бетонные блоки или панели) по представленным Cathild чертежам. Алюминиевые камеры изготавливаются из стандартных модульных элементов, что позволяет осуществлять исполнение любой (до 700 м3) кубатуры. Продольная загрузка осуществляется тележками, фронтальная — автопогрузчиками. Дверной проем — кулисного типа двухстворчатой роликовой конструкции. Теплоизоляция выполнена из пропитанной минваты (качество сертифицировано ЕС) толщиной 150 мм в стандартном исполнении или двойной толщиной под заказ, что позволяет камерам Cathild выдерживать любой мороз и экономить тепло. Решение системы обогрева — индивидуальное: обогрев биметаллическими батареями с теплоносителем (горячая вода, пар низкого, среднего или высокого давления, масло), с использованием существующей или вновь поставленной котельной, работающей на древесных отходах, дизельном (печном) топливе или газе. Возможен обогрев прямым сжиганием газа с теплогенератором, интегрированным в камере.
Камеры пропаривания Cathild — это системы с прямой инжекцией насыщенного пара низкого давления или с встроенным непрямым генератором пара. Как и сушильные камеры, они могут обогреваться как от внешнего, так и от внутреннего источника тепла. Камеры предварительной сушки Cathild рекомендуются для производства паркета, столярных изделий, мебели. Они позволяют увеличить объем пиломатериалов, высушиваемых существующими сушильными камерами, в 3 раза. Отлично подходят для сушки как дуба, бука, каштана, экзотических пород древесины, так и некоторых хвойных пород высокой гаммы. Без них не обойтись, когда первостепенной является однородность конечной влажности. Эти камеры необходимы в регионах с неустойчивым климатом, который затрудняет складирование древесины.
Исходя из наблюдений и изученных технических характеристик, стало известно, что большую роль в сушильном хозяйстве предприятия играют итальянские камеры фирмы CEAF, соответственно, в дальнейшем изучении сушки древесины будем ссылаться именно на эти камеры.
3.3. Технология камерной сушки
Искусственная сушка партии пиломатериалов или заготовок представляет собой операцию, начинающуюся с загрузки в камеру соответствующим образом уложенного и закреплённого материала и заканчивающуюся выгрузкой этого материала по завершению полного цикла обработки.
Для удобства и для лучшего понимания происходящих процессов рассмотрим весь цикл, подразделив его на четыре стадии, во время которых как свойства древесины, так и действие установки различны.
1-ая стадия. Предварительный нагрев.
Древесина, загруженная в сушильную камеру, будет, конечно, иметь температуру окружающей среды, в которой она находилась до этого момента. Назовём её Т о. ср. (температура окружающей среды).
Нужно иметь в виду, что в странах с умеренным климатом или расположенных в приполярных областях зимой температура может опускаться на много ниже нуля градусов.
Для правильной сушки следует предварительно нагреть эту древесину до промежуточной температуры, чтобы избежать слишком сильных перепадов температуры при проведении последующих операций.
Температура предварительного нагрева (обозначенная ниже как Тп. наг) колеблется в пределах 30 С°.
Нагрев от То. ср. до Тп наг, должен быть равномерным и протекать медленно— напомним, что древесина является теплоизоляционным материалом, поглощающим тепло с трудом. Чтобы не было разницы температуры между поверхностью и сердцевиной доски, следует избегать резких перепадов температуры (максимум 10-15 С°). После каждого скачка температуры нужно сделать так, чтобы вся древесная масса прогрелась. Температура должна поддерживаться неизменной в течение определённого периода времени, в зависимости от породы древесины и толщины высушиваемого слоя.
Единичный интервал времени (на единицу толщины досок) (Но) между двумя тепловыми скачками можно вывести из следующей таблицы: Удельная плотность дерева Но (на каждый см толщины высушиваемых материалов)
до 450 кг/м3 1,5 часа
от 450 до 600 кг/м3 2,0 часа
от 600 до 800 кг/м3 2,5 часа
свыше 800 кг/м3 3,0 часа
Толщиной называется «коэффициентом приращения».
Коэффициент приращения остаётся постоянной точкой при всех приращениях
температуры, имеющих место в процессе сушки.
Примечание: если температура древесины ниже нуля, то свободная вода внутри древесины находиться в замерзшем состоянии. В этом случае нужно очень осторожно разморозить древесину.
Укажем на ещё одну опасность, которая может нас подстерегать на стадии предварительного нагрева.
Как было сказано выше, нагрев воздуха приводит к сокращению его относительной влажности. Древесина же на стадии предварительного нагрева «омывается» струёй горячего и сухого воздуха. Как следствие, должно происходить быстрое высушивание поверхностей с закрытием пор, феномен, получивший название «цементирование поверхности», которое самым серьёзнейшим образом затруднило бы процесс дальнейшей сушки.
Во избежание этой опасности, нужно, чтобы на стадии предварительного нагрева относительная влажность воздуха имела очень высокие значения (80-90 %).
Может случиться так, что «цементирование» произошло уже на площадке: пребывание в тёплом и влажном климате размягчает древесину и открывает поры.
Следовательно, на стадии предварительного нагрева происходит не сушка древесины,а её подготовка для последующей сушки.
Если Т о.ср равна или близка Т пр.наг., то можно опустить стадию предварительного нагрева. В этом случае можно сразу же переходить к следующей стадии.
Наконец, если нужно высушить древесину, начальная влажность которой ниже точки насыщения волокон , то на стадии предварительного нагрева, с учётом
коэффициента приращения, её нагревают от Т о.ср до требуемой температуры (Т2)
2-ая стадия. Сушка выше точки насыщения волокон .
По окончании стадии предварительного нагрева начинается сушка древесины. На этой стадии предполагается удаление всей свободной воды из древесины (т.е. сокращение влажности древесины от начальной влажности до точки насыщения волокон). Уже говорилось выше о том, что удаление свободной воды представляет собой относительно простую операцию; древесина сушится с большой скоростью, поэтому нужно действовать осторожно, т.е. придерживаться не очень больших температур и относительно высоких значений влажности.
Стадия предварительного нагрева заканчивалась доведением древесины до температуры (Т пр.наг) приблизительно 30 С°. Для начала сушки на этой второй стадии температура в камере повышается до значений, которое мы обозначим Т1. Значение Т1 не является постоянным, но зависит от типа материала, прежде всего, и от толщины пиломатериалов на стадии сушки. (Значение Т1 колеблется в пределах 40-70С°, при преобладающем значении около 50С°). Для повышения температуры от Тпр.наг до Т1 используется коэффициент приращения, фигурирующий уже на стадии предварительного нагрева. Некоторые породы тропических деревьев поражены грибком, который оставляет пятна на древесине. Этот грибок развивается как раз в температурном интервале Т пр.наг-Т1 во влажном климате, поэтому необходимо преодолеть этот интервал как можно быстрее. В этом случае нужно отказаться от коэффициента приращения и настроить температуру на значение Т1.
По достижении температуры Т1, её следует поддерживать постоянной в течение всей стадии. Стадия сушки выше точки насыщения волокон проходит при постоянной температуре Т1.
Стадия сушки начинается (выше точки насыщения волокон) установкой U рав. На начальное значение Uрав.
Это начальное значение U рав меняется от породы к породе, в интервале между 15 и 19%, что соответствует значению U рав. на стадии предварительного нагрева.
Стадия предварительного нагрева может осуществляться при значениях Uрав.равных начальному значению Uрав.
Повышение температуры с Тпр.наг до Т1 приводит к небольшому приращению относительной влажности воздуха и значительно большему увеличению содержания влаги в воздухе.
Т.к начался процесс сушки, то можно предположить, что вся эта влага «поставляется» древесиной. Полезно поэтому медленно увеличивать температуру от Тпр.наг до Т1 (за исключением случаев древесины с грибком, замедляя включение увлажнительной установки. (Устройства, предназначенные для проведения и регулировки цикла сушки, должны обладать соответствующим «гистерезисом», который замедляет включение увлажнительной установки).
После выхода на режим (т=Т1) продолжают процесс сушки, поддерживая температуру или на значении Т1, или Uрав на начальном значении Uрав.
Обычно начальная влажность древесины (Uн) намного превышает начальное значение Uрав, поэтому древесина сушится достаточно быстро.
Этот режим с постоянным Т1 и переменным Uрав поддерживается до тех пор, пока значение Uд не достигнет значения Uнв (которое мы установили равным 26%).
3-я стадия — Промежуточный нагрев.
На второй стадии (сушка выше значения Uна) древесина отдала всю свободную воду. Теперь нужно удалить связанную воду.
Древесина отдаёт влагу значительно труднее и процесс сушки протекает значительно медленнее. Теперь нужно работать с более высокими температурами и более низкими значениями относительной влажности воздуха.
Однако не следует забывать, что при значениях ниже U древесина подвергается усадке. Прежде всего температура повышается до третьего значения Т2 (значение Т2 меняется в интервале 60 - 80С°, преимущественное же значение останавливается на отметке 70С°). Повышение температуры осуществляется с учётом коэффициента приращения, поддерживая «климат» на последнем значении Uрав, достигнутом в конце второй стадии. Заметим, кстати, что увеличение температуры с Т1 до Т2 при постоянном Uрав, потребует незначительного повышения относительной влажности воздуха, и значительно более существенного увеличения влажности самого воздуха, аналогично тому, что происходит при переходе от значения Тпр.наг к значению Т1.
Поэтому будет полезно увеличивать температуру очень постепенно во избежание
включения увлажнительной установки.
4-я стадия - Сушка ниже значения точки насыщения волокон (Uнв.)
Эта стадия тоже протекает при постоянной температуре Т2. Но так как мы должны
работать, то следует повысить градиент приращения с G1 до G2.
Приращение с G1 до G2. ,строго говоря, можно осуществить во время стадии приращения температуры с Т1 доТ2 для смягчения разрыва в содержании влаги в воздухе, полагая, что древесина отдаёт свою влагу с большим трудом.
Выйдя на режим (т=Т2), продолжаем процесс, поддерживая постоянно температуру на значении Т2 и меняя U рав так, чтобы оно постоянно было адекватно Uд в пропорции:
Uд/Upав. = G2, до тех пор, пока Uд не опуститься до требуемого значенияUк.
5-я стадия — Кондиционирование.
Для лучшего понимания феномена сушки древесины возьмём вместо доски пачку
поглощающей, пропитанной влагой бумаги. Направим на пачку струю горячего и
относительно сухого воздуха, который «омывает» верхние листы; последние стремятся высохнуть, забирая постепенно влагу из низлежащих листов вплоть до центральных.
Внешне этот процесс представляется как «миграция» влаги из центра к поверхности, которая постоянно высушивается воздухом. В этом случае распределение влаги по толщине пачки никогда не будет равномерным. В центре пачки влажность всегда будет больше, чем на поверхности.
То же самое происходит и с доской в процессе сушки.
Между сердцевиной и периферией образуется дифференциал влажности древесины, он увеличивается с увеличением толщины доски и увеличением скорости процесса сушки (градиент).
Таким образом, значение влажности между сердцевиной и периферией всегда является причиной возникновения напряжений в древесине, которая, в пределе, может разрушаться. Поэтому на стадии кондиционирования происходит более равномерное распределение влаги по толщине доски, что значительно ослабляет напряжения.
Другим, не менее важным аспектом является высокая температура (Т2) древесины в конце сушки. Слишком резкий переход от температуры Т2 к температуре окружающей среды То.ср (которая как уже сказано, может быть ниже нуля) может вызвать тепловой «шок» с непредсказуемыми последствиями. Поэтому следует довести температуру древесины до более низких значений прежде чем извлечь её из камеры.
«Миграция» влаги от сердцевины к периферии представляет собой феномен, обладающей определённой инерцией и, естественно, не заканчивающийся с окончанием сушильного цикла. Этот факт идёт нам на пользу: главное - это прекратить процесс удаления влаги с поверхности (мы уже достигли значения Uк и не должны продолжать процесс сушки).
Для получения такого результата достаточно довести Uрав в камере до значений, близких к значению U древесины. Среда больше не поглощает влагу из дерева и «миграция» влаги идёт от сердцевины к поверхностным слоям, сокращая, таким образом, дифференциал влажности.
Одновременно следует приступать к охлаждению древесины. Это будет способствовать и повышению относительной влажности.
Правильное охлаждение должно сократить температуру в камере на 40-50% от разницы Т2-Т о.ср.
После всего изложенного становится очевидным, что для характеристики определённой породы древесины с точки зрения её сушки достаточно располагать небольшим количеством параметров, которые мы приводим ниже:
А) Удельная плотность , из которой выводится коэффициент приращения.
Б) Группа древесины со ссылкой на показания влажности древесины.
В) Начальная равновесная влажность (Uрав. нач).
Г) Температуры Т1 и Т2 в зависимости от различной толщины пиломатериалов.
Д) Градиенты G1 и G2, тоже зависящие от толщины доски.
Другие параметры процесса:
Е) Толщина доски в сушильной камере.
Ж) Температура окружающей среды (То.ср) уже известной оператору, занятому на этом участке.
Ясно, что сушка древесины проходит через стадии с постоянной температурой. Поэтому достаточно слегка отрегулировать показания терморегулятора. В хороших приборах с автоматическим контролем регулировка температуры может производиться вручную.
Имеется в виду, что вручную осуществляется позиционирование, а поддержание заданного значения происходит автоматически.
Для регулировки климатических условий (Uрав) имеется несколько решений:
1) Приборы с зондом для измерения Uрав (целлюлозная пластина) с ручным позиционированием и автоматическим выдерживанием заданного значения. Приборы заставляют срабатывать на открытие воздухообменников для уменьшения Uрав, или же увлажнительную установку для повышения влажности воздуха. Между двумя интервалами должен быть интервал «невключения» -гистерезиса.
В этом случае цикл сушки осуществляется вручную, приспосабливая температурный режим к уменьшающей влажности древесины (в соответствии с градиентом сушки) при вмешательстве оператора.
2) Приборы для измерения Uрав и градиентом сушки с ручным позиционированием и автоматическим выдерживанием заданного значения. В этом случае цикл сушки
осуществляется автоматически, так как градиент автоматически приравнивается Uрав к Uд. Прибор должен, однако, быть настроен на возможность ручного позиционирования Uрав на начальной стадии цикла (Uрав. нач).
3) Приборы с гигрометрическим зондом (для определения относительной влажности воздуха), ручным позиционированием и автоматической выдержкой заданного значения.
Параметры, влияющие на сушку, следующие:
Вентиляция (или лучше скорость воздуха, омывающего пиломатериалы). Чем выше скорость, тем быстрее проходит отбор влаги и, следовательно, сушка.
Температура в сушильной камере. Чем выше температура, тем быстрее происходит образование и утечка пара из древесины и сушка.
3) Градиент сушки. Чем он выше, тем меньше относительная влажность воздуха, тем выше водопоглощаемость и сушильная способность. Правильная сушка буде зависеть от правильной комбинации этих параметров. Если в этой комбинации нужно изменить один из параметров, остальные два следует также приравнять к новой конфигурации. Т.к скорость воздуха обычно задаётся с помощью вентиляционной установки, меняться должны два других параметра в том смысле, что уменьшение температур сушки приводит к увеличению градиента и наоборот. Это не значит, что не возможны и другие, более ограниченные изменения только одного градиента. Как следствие, будет иметь место ускорение или замедление скорости сушки; качество высушенного изделия находится в обратно пропорциональной зависимости от скорости сушки. Повышение температуры и градиента сушки при постоянном другом параметре позволяет ускорить процесс сушки, но ухудшает качество. Сушильная установка обладает рабочей гибкостью, наиболее подходящий режим выбирает оператор в зависимости от требуемого качества высушенной продукции.
И последнее замечание. Обычно сушильная камера заполнена пиломатериалами или изделиями одной и той же породы древесины и одинаковой толщины. Допустима, однако, загрузка деталей разной, но достаточно близкой толщины, но всегда одной и той же породы. Цикл сушки в этом случае соотносится с большей толщиной, т. к она медленнее сушится.
В пределах одной и той же древесной породы способность к сушке может быть достаточно разной в зависимости от климатической зоны произрастания деревьев. Желание заранее предусмотреть время сушки может привести к существенным ошибкам.
Гораздо лучше предоставить высушенному дереву «право на выбор» наиболее подходящих климатических условий. Это поможет получить лучший результат за минимально короткое время, определяемое особыми свойствами высушиваемой древесины.