СПОСОБ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В ТУННЕЛЬНОЙ СУШИЛКЕ Российский патент 1997 года по МПК F26B9/06 

Изобретение касается способа сушки древесины в туннельных сушилках при ее последовательном перемещении через по крайней мере две сушильные секции путем обдува движущимся в продольном направлении туннеля сушильным агентом, предварительно разделенным на два циркулирующих потока, причем один из потоков направляют через первую секцию туннеля попутно движению древесины для обдува сначала древесины, поданной в туннель последней, а затем древесины, находящейся в туннеле более длительное время, другой поток направляют через вторую секцию туннеля встречно движению древесины для обдува сначала древесины, находящейся в туннеле дольше всего, а затем древесины, находящейся в туннеле более короткое время, при этом потоки после циркуляции в секциях отводят из сушки.

С помощью способа достигается улучшенное качество высушенного дерева при измененном времени сушки или же, наоборот, более короткое время сушки при неизменном уровне качества.

Распиленная древесины должна высушиваться до влагосодержания примерно 15-22% рассчитанной на базе сухого веса древесины для того, чтобы древесина могла храниться, не подвергаясь биологическому воздействию в виде плесени или грибков. Для сушки древесины на лесопильных заводах применяются два основных типа сушильных печей, а именно, так называемые камерные печи и печи непрерывного действия (туннельные печи), тогда как сушка лесного склада практически прекращена.

В камерной печи все количество древесины, которое должно сушиться, загружается в печь одновременно, уложенное в штабеле известным образом. В принципе, в печах такого типа может вообще достигаться любой график сушки. Под графиком сушки подразумевается то, как температура и влагосодержание сушильного воздуха, а также скорость его потока через штабель древесины подвергаются изменениям в процессе сушки. Поэтому в печи такого типа можно использовать являющийся по некоторым критериям оптимальный график сушки. Это является принципиальным преимуществом этой печи. Недостатком же является относительно большой расход энергии, а также то, что эти печи не могут быть особенно большими, поскольку в противном случае сушильный климат будет слишком изменяться в различных частях обрабатываемой древесины.

В обычных одноступенчатых печах непрерывного действия штабель древесины движется постепенно через туннель, тогда как готовые штабели загружаются через равные промежутки времени и одновременно с этим высушенные штабели удаляются с противоположного конца туннеля. Сушильный воздух движется по длине туннеля в направлении противотока через штабели. Когда сушильный воздух проходит через штабели, то он охлаждается с одновременным увеличением в нем влагосодержания. Как только состояние сушильного воздуха, подаваемого в туннель, а также его скорость выбраны, то на изменения температуры и влагосодержания воздуха (т.е. график сушки) повлиять уже нельзя и они теперь зависят от взаимодействия с древесиной, через которую проходит воздух. Таким образом, как и в камерной печи, в одноступенчатой печи непрерывного действия нельзя достичь никакого оптимального графика сушки. Однако, несмотря на это, печь непрерывного действия обладает тем преимуществом, что расход энергии у нее значительно меньше, поскольку воздух, покидающий печь, является почти насыщенным и, кроме того, может быть быстро осуществлена рекуперация тепла. Кроме того, печь непрерывного действия может быть предпочтительно изготовлена для больших производительностей порядка 10000-20000 м³/год. Разделение печи непрерывного действия на две ступени было предложено и уже нашло применение на некоторых лесопильных заводах. В таких печах сушку древесины осуществляют путем ее последовательного перемещения через по крайней мере две сушильные секции при обдуве движущимся в продольном направлении туннеля сушильным агентом, разделенным на два циркулирующих потока, причем один из потоков направляют через первую секцию туннеля в направлении движения древесины, а второй поток направляют через вторую секцию туннеля навстречу направлению движения древесины, при этом отработавший теплоноситель подвергают обработке и направляют на рециркуляцию.

При выборе графика сушки для камерной печи или состояния впускного воздуха для печи непрерывного действия существуют два главных требования, которые должны соблюдаться. С одной стороны, конечное влагосодержание в древесине после требуемого времени сушки должно быть таким, к которому стремились, а с другой стороны, потери качества древесины при сушке должны быть как можно низкими или по крайней мере приемлемыми. Вообще, скорость сушки увеличивается, когда увеличивается разность между температурами сухого и влажного термометров. Величина изменения качества древесины является более сложной функцией сушильного процесса, но приблизительно можно сказать, что чем быстрее сушка, тем больше потери качества. Таким образом, вообще это является вопросом компромисса между медленной сушкой с низкой производительностью, но хорошим качеством и быстрой сушкой с низким качеством. Таким образом, камерная печь приобретает повышенную влажность для сушки с защитой качества, поскольку в такой печи график сушки может быть выбран в оптимальном варианте. В частности, сушка может осуществляться относительно быстро без акцентирования на потере качества.

Что касается предпосылки вышеупомянутым обстоятельствам, то это просто была попытка создать печи непрерывного действия с отличительными признаками такого типа, но чтобы обойти недостаток неоптимального графика сушки.

Потери качества древесины при сушке могут быть разделены на две главные составляющие. Одной является то, что при высоких температурах и/или длительном времени сушки образуется поток смолы в местах удаления сучков и т.п. в сочетании с потемнением поверхности древесины, а другая заключается в образовании трещин в древесине. Из этих двух групп образование трещины, особенно при более толстых размерах, является явно более важным. Причина образования трещин может быть объяснена следующим образом. В процессе сушки поверхность лесоматериала высушивается быстрее, чем внутренние части куска древесины из-за сопротивления перемещению влаги в материале. Когда достигается точка насыщения волокном, т.е. когда свободная вода удалена и осталась только вода, связанная с древесным веществом, то древесина начинает сжиматься. Это означает, что внутренние механические растягивающие напряжения увеличиваются на поверхности древесины. Эти растягивающие напряжения, обусловленные сжатием, уравновешиваются соответствующими напряжениями при сжатии во внутренних частях древесины. Если растягивающие напряжения в поверхностном слое превысят прочность древесины, то происходит разрыв, т.е. имеет место поверхностное растрескивание. Таким образом, будет очевидно, что если разность во влагасодержании между поверхностью древесины и ее внутренними частями (профиль влажности) является явно выраженной, то опасность образования трещины возрастает, т.е. при быстрой сушке опасность увеличивается, однако, вопрос усложняется тем, что древесина не является чисто упругим материалом, а обладает вязко-упругими свойствами. Это означает, например, что если поверхность древесины подвергается длительному воздействию растягивающего напряжения, то возникает деформация ползучести, т.е. имеет место постоянное удлинение поверхностного слоя. Когда процесс сушки углубился настолько, что внутренние части также достигли точки насыщения волокон, то поверхность последовательно удлинилась больше, чем внутренняя часть, и эпюра напряжений тогда реверсируется так, что наружная часть подвергается напряжению при сжатии, а внутренние части растягивающим напряжениям. Следовательно, на этом последнем этапе сушки может иметь место внутреннее растрескивание древесины. Хотя эти внутренние трещины не видны, однако, они являются очень важными при последующей работе древесины.

Несмотря на то, что оба механизма потери качества описаны выше и механизмы переноса влаги давно известны на качественном уровне, однако, разработка улучшенных графиков сушки всегда осуществлялась исключительно эмпирическим путем, т.е. на базе прямых экспериментов, касающихся конечного содержания влаги и качества, которое достигается с помощью испытываемого графика сушки. Следует также отметить, что непрерывное измерение содержания влажности и профиля древесины во время сушки предположительно возможно, но на практике весьма затруднительно. С другой стороны, пока нет надежного способа для непрерывного измерения условий напряжения в древесине или для регистрации образования трещины.

Однако, сейчас стало возможны с помощью физических и математических методов расчета надежно предсказывать, с одной стороны, как развивается и изменяется влагосодержание и профиль влажности древесины в различных условиях, а с другой стороны, предсказать на основе этих профилей, какие напряжения имеют место и тем самым опасность возникновения трещины. Аналогично, имеются возможности для определения потока смолы и изменения цвета поверхности древесины. Таким образом, конечное содержание влаги в древесине при заданном графике сушки может быть рассчитано, и кроме того, при таких моделях может быть предсказана потеря качества. В качестве примера может быть приведена фиг. 1. На графике замеренная потеря ценности в процентах отложения по вертикальной оси для лесоматериалов из красного дерева 75 х 150 мм 1-3 сортов для различных условий сушки. На горизонтальной оси отложен индекс, рассчитанный для соответствующих условий сушки, который показывает максимальное растягивающее напряжение в зависимости от прочности древесины. Учитывая трудности эксперимента таких испытаний, корреляция должна рассматриваться, как полностью приемлемая.

При анализе обычной одноступенчатой печи непрерывного действия с помощью расчетных моделей такого типа получается картина, которая может быть проиллюстрирована примером, приведенным на фиг.2. В верхней части фиг.2 показано то, как соответствующее растягивающее напряжение в красной древесине 75 х 200 изменяется в зависимости от времени сушки, выраженном в днях, когда древесина сушится от свежего состояния до кондиции с окончательным влагосодержанием 19% за 6 дней при обычных условиях. В нижней части фиг.2 показано то, как психрометрическая разность (разность показаний сухого и влажного шариков термометров психрометра) изменяется в штабеле древесины, когда сушильный воздух движется в противоток древесине со скоростью 4 м/с. Из фиг.2 можно заключить, что напряжения отсутствуют в древесины в течение первых 24 ч, поскольку за это время поверхность древесины еще не высохла ниже точки насыщения волокон. После этого напряжения быстро увеличиваются, достигая своего максимума к концу второго дня. Затем напряжения непрерывно уменьшаются в течение всего оставшегося времени сушки.

Поскольку это является максимальным уровнем напряжений, который определяет опасность образования трещины (фиг.1), то будет очевидно, что психрометрическая разность в конце второго дня будет определять потерю качества древесины. Как до, так и после этого критического периода психрометрическая разность может быть больше, чем уровни, приведенные на фиг.2. Однако, это конечно не может быть изменено в обычной печи непрерывного действия.

Было установлено, что эти негативные свойства, связанные с обычной печью непрерывного действия, могут быть в значительной степени устранены, если печь разделить на две сушильные ступени соответствующим образом.

Принципиальные признаки настоящего изобретения очевидны из п.1 формулы изобретения.

Следовательно, настоящее изобретение основывается на том, что если направление потока сушильного воздуха на первом этапе сушки является противотоком, а во время более поздней ступени является спутным потоком относительно движения древесины, то тогда достигается низкая психрометрическая разность в период, который является критическим для качества древесины с увеличением психрометрической разности с любой стороны от этой точки. В качестве примера воплощения настоящего изобретения представлена фиг.3. Благодаря реверсивному направлению потока сушильного воздуха на первой этапе психрометрическая разность здесь уменьшается со временем, что приводит к быстрой сушке в начале, в результате чего точка насыщения волокон уже достигается спустя 12 ч, тогда как уровень напряжения не поднялся выше представленного на фиг.2. Во время второго этапа сушки условия отличаются от тех, что имеют место в обычной печи только тем, что скорость сушильного воздуха может теперь поддерживаться несколько меньшей (например, 2,6 м/с), что дает более мягкую атмосферу сушки в критический период. Внешние условия остаются неизмененными как в примере, рассматривающем обычную печь (фиг.2), так и в примере, касающемся двухступенчатой сушки в соответствии с настоящим изобретением, в результате чего возможно прямое сравнение. Тогда можно заметить, что большой пик напряжения на фиг.2 теперь разделен на два более низких пика. В примере на фиг.3 разделяющая точка между двумя ступенями, а также температуры и скорости сушильного воздуха были выбраны так, чтобы эти два пика напряжения были одинаковой высоты и на максимально низком уровне. Это достигается, если первая ступень сушки занимает примерно 1/3, а вторая ступень сушки -соответственно 2/3 всего времени сушки (длины туннельной сушилки). Кроме того, скорость сушильного воздуха на первом этапе предпочтительно поддерживается несколько большей, а на втором этапе несколько ниже той, что считается нормальной для одноступенчатой обычной печи непрерывного действия. Пики напряжений на фиг.3 находятся на уровне примерно на 20% ниже, чем пики напряжений на фиг.2, что приводит к существенному уменьшению потерь качества во время сушки (фиг.1) без изменения времени сушки (производительности). И наоборот, это улучшение, достигаемое с помощью настоящего изобретения, может быть использовано так, чтобы качество древесины оставалось неизменным, а время сушки уменьшалось.

Следует отметить, что в двухступенчатой печи непрерывного действия, которая была представлена ранее, направление потока сушильного воздуха относительно древесины является противотоком на первом этапе и параллельным потоком на втором этапе, следствием чего, естественно, является то, что психрометрическая разность больше вблизи критического периода сушки. Что касается направлений потока в этой ранней конструкции, то она представляет наихудшую альтернативу.

Теперь также неожиданно установлено, что, хотя сушка в соответствии с настоящим изобретением разделяется на два этапа или ступени, важные обрабатывающие устройства могут выполняться общими для обеих ступеней, в результате чего значительно упрощается конструкция сушильной печи, практически без какого-либо влияния на качество. Обрабатывающими или технологическими устройствами, которые могут быть общими, являются нагревательное устройство для сушильного воздуха, вентиляторы для нагнетания воздуха через древесину и вентиляционное устройство для поддержания требуемой влажности воздуха.

Как явствует из фиг.3, желательно поддерживать более высокую скорость воздуха на первой ступени, чем на второй ступени сушки. Однако, поскольку число штабелей древесины на первой ступени (длина туннеля) меньше, чем на второй ступени, то это означает, что потери потока являются почти одинаковыми на двух ступенях независимо от скорости. Следовательно, циркуляция воздуха на двух ступенях может поддерживаться с помощью одного вентилятора без разделения воздуха между двумя ступенями, существенно отклоняющегося от требуемого. Аналогично, как следует из фиг.3, потоки воздуха, направленные в каждую из сушильных ступеней, в конце туннеля не слишком отличаются друг от друга по своему состоянию. Это показывает, что качественные преимущества настоящего изобретения могут сохраняться даже, если воздух одинакового состояния, т. е. от одного нагревательного устройства подается в обе сушильные ступени.

На фиг. 4 показан пример, сравнимый с фиг.2 и 3, в котором одинаковый воздух (психрометрическая разность 9,5^oC) подается в обе сушильные ступени и где скорости воздуха сопоставимы (3,12 и 2,24 м/с соответственно), в результате чего перепад давления одинаковый, т.е. ситуация такая же, как при использовании одного общего нагревательного устройства и одного вентилятора. Из фиг.4 следует, что пики напряжений практически идентичны пикам на фиг.3. Кроме того, установлено, что сушильный воздух от каждой из ступеней имеет почти одинаковое состояние (психрометрическая разность примерно 4^oC). Таким образом, для расхода энергии больше не является важным, выпускается ли влажный воздух из печи из первой или второй ступени или после смешивания воздуха из этих ступеней, т.е. другими словами, общее устройство для выпуска влажного воздуха и впуска свежего воздуха может использоваться. Конструкция изобретения, представленная на фиг.4, показывает, что этот двухступенчатый сушильный туннель не слишком усложнился в своей конструкции по сравнению с соответствующей одноступенчатой обычной туннельной сушилкой, но с той разницей, что качество высушенной древесины значительно лучше, несмотря на неизменное время сушки. Наоборот, время сушки может быть существенно сокращено без изменения качества по сравнению с одноступенчатой туннельной сушилкой.

Пример конструкции настоящего изобретения показан на фиг.5, являющейся горизонтальным видом в сечении устройства для осуществления способа настоящего изобретения. Как показано, штабель древесины 1 находится в ожидании его подачи в сушильный туннель через входные ворота 2. Штабель древесины 3 в первой сушильной секции пронизывается сушильным воздухом, движущимся в параллельном потоке из возвратного туннеля 4. Штабель 5 во второй сушильной секции пронизывается сушильным воздухом, движущимся в противотоке из возвратного туннеля 6. После второй секции высушенный штабель древесины 7 удаляется через выпускные ворота 8. После соответствующих сушильных секций сушильный воздух отсасывается из разделительного пространства 9 с помощью вентилятора 10 в кондиционирующее устройство. Для поддержания требуемого влагосодержания сушильного воздуха часть его удаляется через трубопровод 11 и заменяется свежим воздухом, поступающим по трубопроводу 12. Часть тепла, содержащегося в удаляемом воздухе, передается в теплообменнике 13 замещаемому воздуху. Сушильный воздух нагревается до требуемой температуры в нагревателе 14 горячей воды или пара и затем направляется в упомянутые возвратные туннели 4 и 6. По истечении определенного времени сушки ворота 2 и 8 открываются и штабель древесины 5 выдвигается в позицию 7, после чего весь ряд штабелей 3 и 5 перемещается на позицию вперед и новый штабель древесины устанавливается в позицию 1 в первой сушильной секции, после чего ворота закрываются и сушильный процесс продолжается.

Способ настоящего изобретения может легко дополняться позицией релаксации между позициями сушки. Если древесина после прохождения через первую ступень, но перед подачей во вторую сушильную ступень, подлежит сушке в неподвижном воздухе с такой же температурой, что и в сушильной секции, в течение периода времени, например, нескольких часов, то происходит быстрое выравнивание профиля влажности древесины по толщине. При поступлении на вторую степень сушки из-за увеличивающегося содержания влаги в поверхностном слое достигается более быстрая сушка, в результате чего общее время сушки существенно не изменяется, несмотря на время простоя в позиции релаксации. Однако, раньше было известно, что вязко-упругие свойства (ползучесть) древесины изменяются с изменениями влажности. Из-за этих так называемых механосорбционных воздействий релаксационная ступень охватывает положительное воздействие в отношении развития напряжений во второй сушильной ступени. Это может быть выражено в виде улучшенного качества древесины после сушки или, наоборот, более высокой производительностью печи.

Сущность изобретения: сушильный агент предварительно разделяют на два потока. Один из них направляют через первую секцию туннеля спутно движению древесины, поданной в туннель последней. Затем обдувают древесину, находящуюся в туннеле более длительное время. Другой поток направляют через вторую секцию туннеля встречно движению древесины, находящейся в туннеле дольше всего. Затем обдувают древесину, находящуюся в туннеле более короткое время. Потоки после отвода из сушилки подвергают обработке. После этого их рециркулируют в соответствующие секции сушилки. Возможно смешивание потоков пред подачей на обработку и разделение их на два потока перед рециркуляцией в секции. Время обдува древесины в первой секции составляет 25-50% от общего времени сушки. Древесину после первой сушильной секции перед второй дополнительно выдергивают в среде неподвижного воздуха в секции релаксации. Циркуляцию теплоносителя для обеих сушильных секций осуществляют устройством. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сушки древесины в туннельной сушилке при ее последовательном перемещении через по крайней мере две сушильные секции путем обдува движущимся в продольном направлении туннеля сушильным агентом, предварительно разделенным на два циркулирующих потока, причем один из потоков направляют через первую секцию туннеля спутно движению древесины для обдува сначала древесины, поданной в туннель последней, а затем древесины, находящейся в туннеле более длительное время, другой поток направляют через вторую секцию туннеля встречно движению древесины для обдува сначала древесины, находящейся в туннеле дольше всего, а затем древесины, находящейся в туннеле более короткое время, при этом потоки после циркуляции в секциях отводят из сушилки, отличающийся тем, что потоки после отвода из сушилки подвергают обработке, а затем рециркулируют в соответствующие секции сушилки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что потоки после отвода из сушилки смешивают перед подачей на обработку, а перед рециркуляцией в секции снова разделяют на два потока. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что время обдува древесины в первой сушильной секции составляет 25 50% предпочтительно 1/3 от общего времени сушки. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что древесину после первой сушильной секции перед второй дополнительно выдерживают в среде неподвижного воздуха в секции релаксации. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что циркуляцию теплоносителя осуществляют общим для обеих сушильных секций устройством.