Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра технологии лесопиления и сушки древесины С. И. Акишенков, кандидат технических наук, доцент В. И. Корнеев, кандидат технических наук, доцент А. М. Артеменков, кандидат технических наук, доцент

ГИДРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

И КОНСЕРВИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

Учебное пособие по дисциплине для студентов специальности 250403 и направления 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств»

Санкт-Петербург Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией факультета механической технологии древесины Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 08 декабря 2011 г.

При финансовой поддержке НП «НОЦ МТД»

О т в. р е д а к т о р доктор технических наук, профессор А. Н. Чубинский Р е ц е н з е н т ы:

директор НП «НОЦ МТД» СПбГЛТУ, кандидат технических наук, доцент Г. С. Варанкина, доктор технических наук, профессор В. Н. Глухих (СПбГУНиПТ) УДК 674. Акишенков, С. И.

Гидротермическая обработка и консервирование древесины: учебное пособие по дисциплине для студентов специальности 250403 и направления 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» / С. И. Акишенков, В. И. Корнеев, А. М. Артеменков. СПб.:

СПбГЛТУ, 2013. 68 с.

ISBN Представлено кафедрой технологии лесопиления и сушки древесины.

В учебном пособии даны рекомендации по самостоятельному изучению дисциплины «Гидротермическая обработка и консервирование древесины», выполнению домашних заданий (ДЗ-01, ДЗ-02, ДЗ-03) студентами дневного и заочного обучения факультета механической технологии древесины.

Табл. 20. Ил. 14. Библиогр. 21 назв.

Темплан 2012 г. Изд. № ISBN

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Гидротермическая обработка и консервирование древесины»

(правильнее «Тепловая обработка, сушка и защита древесины») - многогранный и сложный, один из наиболее важных специальных курсов в учебных планах по специальности 250403 «Технология деревообработки»

и направления 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств».

Процессы тепловой обработки, сушки и защиты древесины преследуют определённые цели и решения целого ряда технологических задач.

Целью тепловой обработки древесины является улучшение её технологических свойств (упругости, эластичности, пластичности) без изменения влажности, прочности и химической структуры.

Целью сушки древесины является улучшение её технологических и эксплуатационных свойств без нарушения химической структуры, без изменения прочности и цвета.

Целью защиты древесины является сохранение и улучшение её эксплуатационных свойств, то есть, прежде всего, повышение её огнебиостойкости.

Предметом настоящего курса является изучение основ теории, технологии, а также оборудования, применяемого для проведения указанных процессов.

Тепловая обработка, сушка и защита древесины имеют важнейшее экономическое значение для лесопильно-деревообрабатывающих и фанерных предприятий, так как обеспечивают высокое качество выпускаемой продукции, позволяют сберечь огромное количество древесины, теснейшим образом связаны с охраной окружающей среды, безопасностью людей и экономией общественно полезного труда. Для проведения этих процессов требуется специальное и дорогое оборудование, высокая квалификация обслуживающего персонала.

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Производственные процессы тепловой обработки, сушки и защиты древесины по своему физическому характеру, технологии, применяемому оборудованию и его эксплуатации являются процессам сложными, поэтому их рассмотрению предшествует изучение общих вопросов, связанных со свойствами агентом обработки и древесины, с физическими основами процессов взаимодействия древесины и агентов обработки.

Программа изучаемой дисциплины включает 19 разделов:

1. Агенты обработки и теплоносители;

2. Древесина – объект её тепловой обработки, сушки и защиты;

3. Физические закономерности и расчёт процессов нагревания и оттаивания древесины;

4. Технология и оборудование тепловой обработки древесины;

5. Физические закономерности процессов сушки древесины;

6. Классификация и принципиальные схемы сушилок;

7. Тепловое и циркуляционное оборудование сушилок;

8. Сушильные камеры для пиломатериалов;

9. Технология камерной сушки пиломатериалов;

10. Продолжительность камерной сушки пиломатериалов. Производительность и учёт работы сушильных камер;

11. Атмосферная сушка пиломатериалов;

12. Специальные способы сушки пиломатериалов;

13. Сушка шпона;

14. Сушка измельчённой древесины;

15. Защита древесины;

16. Приборы, системы контроля и регулирования процессов тепловой обработки, сушки и защиты древесины;

17. Проектирование, строительство, испытания, техникоэкономические показатели установок для тепловой обработки, сушки и защиты древесины.

Основными пособиями для самостоятельной работы студентов служат учебники П. С. Серговского, А. И. Расева «Гидротермическая обработка и консервирование древесины» (М., 1987), А. И. Расева «Тепловая обработка и сушка древесины» (М., 2009), А. И. Расева, А. А. Косарина, Л.

П. Красухина «Технология и оборудование защитной обработки древесины» (М., 2010). Ссылки на отдельные главы этих учебников и других дополнительных источников даны по каждому разделу при проработке изучаемого материала.

В разделе «Указания к отдельным главам курса» даны краткие пояснения и выделены основные моменты, на которые следует обратить особое внимание при теоретической проработке глав.

В конце пояснений приведены вопросы для самоконтроля теоретических знаний.

Следует помнить, что теоретические знания надо уметь применять на практике для решения различных задач, поэтому в пособии приведены примеры с решениями некоторых из них и с ответами к остальным. По некоторым разделам курса разработаны варианты домашних заданий. Студент обязан самостоятельно выполнить эти задания и сдать письменный отчёт преподавателю.

2. УКАЗАНИЯ К ОТДЕЛЬНЫМ ГЛАВАМ КУРСА

Жидкая или газообразная среда, воздействующая на древесину при её обработке, называется обрабатывающим агентом или агентом обработки. Агентами обработки древесины служат вода, водяной пар, влажный воздух или смесь его с топочными газами и в некоторых случаях водные растворы или органические жидкости. Свойства воды и водяного пара изучались ранее в курсах физики и теплотехники, поэтому в настоящем курсе наибольшее внимание уделяется изучению свойств влажного воздуха и топочных газов.

Теплоноситель – движущаяся жидкая или газообразная среда, используемая в процессах теплообмена (вода, водяной пар, газы, органические и кремнийорганические соединения). Теплоносителем является также электрическая энергия. Теплоносители могут одновременно выполнять функцию агентов обработки или агентов сушки.

При проработке этой главы необходимо чётко усвоить термины и определения основных параметров водяного пара, влажного воздуха и топочных газов, изучить уравнения связи между основными параметрами указанных агентов и уметь применять их для практических расчётов.

Усвоив принципы построения Id, tp, Id-диаграмм, надо научиться пользоваться этими диаграммами, т. е. по двум известным параметрам находить все остальные, знать, как строятся процессы нагревания, охлаждения, испарения, смешения, уметь определять параметры этих агентов после изменения их состояния.

Литература: [1, гл. 1]; [14].

Вопросы для самопроверки 1. Какая разница между влажным, сухим насыщенным и перегретым паром?

2. Какие задачи можно решать с помощью Id, tp, Id-диаграмм?

3. Какими свойствами обладает влажный воздух?

Примеры. 1. Задана температура воздуха t 76 °С и степень его насыщенности 0,65. Пользуясь формулами и табл. 2.1, определить парциальное давление водяного пара, влагосодержание и теплосодержание воздуха, а затем проверить результаты решения по Id-диаграмме. Давление атмосферного воздуха принято равным 100 000 Па.

Решение. Значение t 76 °С лежит между значениями температуры 70 °С и 80 °С. Находим искомое значение pн (табл. 2.1.1) интерполированием.

Парциальное давление водяного пара pп, Па, влагосодержание воздуха d, г/кг, теплосодержание воздуха I, кДж/кг, находим из уравнений (1.5; 1.7; 1.9) с. 9…10 [1]:

Графическое решение: pп 27100 Па; d 228 г/кг; I 673 кДж/кг.

Зависимость давления насыщения водяного пара Температура насыщения (кипения) Давление насыщения водяного пара 2. Задано теплосодержание I 900 кДж/кг и влагосодержание d 300 г/кг. Определить по формулам температуру, парциальное давление водяного пара и степень насыщенности воздуха с последующей проверкой результатов решения по Id-диаграмме.

Решение. Температуру воздуха t, °С, парциальное давление водяного пара pп, Па, степень насыщенности воздуха находим из уравнений 3. Заданы показания психрометра: tс 83 °С, tм 61 °С. С помощью Id-диаграммы найти степень насыщенности, теплосодержание, влагосодержание, плотность и приведённый удельный объём пр воздуха. Показания психрометра ( t с, t м ) перенести на Id-диаграмму по схеме рис. 1.5, с. 16 [1] и определить искомые параметры.

Ответ: 0,37 ; I 500 кДж/кг; d 156 г/кг; 0,898 кг/м3;

пр 1,29 м3/кг.

4. Задана температура воздуха t 86 °С и температура точки росы t р 70 °С. Определить по Id-диаграмме теплосодержание, влагосодержание, степень насыщенности воздуха и парциальное давление пара.

Ответ: I 859 кДж/кг; d 290 г/кг; 0,52 ; pп 32200 Па.

5. Смешивается воздух с температурой t1 80 °С и относительной влажностью воздуха 1 0,15 с воздухом, имеющим t 2 60 °С и 2 0,80.

Коэффициент пропорции смеси n 1 ; ( n 3 ). Определить параметM2 ры смеси: d см, I см, t см, см сначала аналитическим расчётом, а затем путём графического построения на Id-диаграмме. Сравнить результаты аналитического расчёта и графического решения.

Решение. Определяем парциальное давление пара для обоих компонентов смеси, пользуясь табл. 2.1.1.

При t1 80 °С pн1 47336,7 Па; при t 2 60 °С pн2 19887,9 Па.

находим Влагосодержание воздуха до смешивания Определяем влагосодержание смеси по формуле (1.14), с. 17 [1] Определяем теплосодержание воздуха до смешивания I1 и I I 2 1,0 60 0,001 117,6(1,93 60 2490) 366,4 кДж/кг.

По формуле (1.13), с. 17 [1] определяем теплосодержание смеси Температуру смеси t см, °С, определяем из уравнения теплосодержания смеси I см, кДж/кг Парциальное давление пара в смеси воздуха определяем по формуле Давление насыщения смеси находим по температуре смеси 73 °С, табл. 2.1.1.

_ Степень насыщенности смеси определяем по формуле При графическом решении задачи смешения воздуха двух состояний на Id-диаграмме соединяют прямой линией точки, характеризующие состояние воздуха 1 ( t1 и 1 ) и состояние 2 ( t 2 и 2 ). Прямую, соединяющую эти точки, делят на n 1 равных частей.

В нашем примере 3 1 4. На Id-диаграмме намечаем точки пересечения t1 80 °С, 1 0,15 и t 2 60 °С, 2 0,80. Соединяем точки прямой, делим прямую на 4 части. Точка смеси находится на расстоянии одной части от точки 1, так как воздуха в состоянии 1 до смешивания было в 3 раза больше, чем в состоянии 2. Результаты решения представлены по форме табл. 2.1.2.

Результаты аналитического и графического решений Контрольное задание выполняется на белой писчей бумаге размером 210297 мм с титульным листом. К решению задачи прилагаются выкопировка с Id-диаграммы графического решения и сравнительная таблица результатов аналитического и графического решений.

Исходные данные для решения задач даны в 20 вариантах. Необходимый вариант студент выбирает по последней цифре номера зачётной книжки. При этом вариант выбирается из первого десятка, если предпоследняя цифра номера зачётной книжки нечётная, а из второго десятка, если чётная.

Например, зачётная книжка имеет номер 71457 номер варианта 7, если же номер зачётной книжки 70127 или 69507 номер варианта 17.

Задание. Воздух, состояние которого характеризуется температурой t1 и степенью насыщенности 1, смешивается с воздухом, имеющим параметры t 2 и 2 (табл. 2.1.3). Пропорция смеси определяется отношением масс компонентов: n M1 M 2 ( n 1,0 ). Определить аналитическим расчётом основные параметры смеси ( d, I, t, ).

Эту же задачу решить путём графического построения на Idдиаграмме и сравнить результаты графического решения с аналитическим расчётом (см. форму таблицы 2.1.2). Графическое решение показать на ксерокопии с Id-диаграммы и приложить к заданию.

2.2. Древесина объект тепловой обработки, сушки и защиты Основные вопросы, связанные со строением древесины и её физикомеханическими свойствами, изучались в курсе древесиноведения. Но для правильного понимания процессов тепловой обработки, сушки и защиты должны быть уточнены понятия о микроскопическом строении древесины, о состоянии влаги в древесине. Необходимо чётко усвоить понятия о гигроскопичности, равновесной и устойчивой влажности, закономерностях усушки и разбухания древесины, базисной и действительной плотности, тепловых и электрических свойствах.

Литература: [1, гл. 2]; [3].

Вопросы для самопроверки 1. Что означают термины устойчивая и равновесная влажность?

2. Какие факторы оказывают влияние на усушку и разбухание древесины?

3. От чего зависят теплоёмкость и теплопроводность древесины?

4. Чем объяснить низкую точность работы кондуктометрических электровлагомеров при влажности древесины более 40 %?

5. Как влияют температура и влажность древесины на её предел прочности?

6. Что такое абсолютная и относительная влажность древесины?

7. Что такое влагосодержание древесины?

Примеры. 1. Определить по диаграмме равновесной влажности древесины (рис. 2.2.1) влажность её предела гигроскопичности Wп.г, %, при температуре агента сушки: а) 20 °С; б) 60 °С; в) 90 °С.

При относительной влажности агента сушки 1,0 и соответствующих температурах получаем ответ:

2. По диаграмме (рис. 2.2.1) определить устойчивую влажность древесины, не подвергавшейся камерной сушке, после длительного хранения в помещении с температурой воздуха 10 °С и относительной влажностью 0,7 при начальной влажности древесины: а) 22 %; б) 10 %.

получен ответ: а) Wу.д 15,25 %; б) Wу.с 12,75 %.

3. Древесина, высушенная в сушильной камере до влажности 8 %, после длительного хранения должна иметь влажность не более 10 %. Какую относительную влажность необходимо поддерживать в помещении при температуре воздуха плюс 5 °С?

Решение по диаграмме (рис. 2.2.1) и формулам Wу.д Wр ;

Wу.с Wр 2,5 даёт ответ: 0,64.

4. Определить по диаграмме (рис. 2.2.2): а) плотность древесины ольхи ( б 430 кг/м3) при влажности 80 %; б) максимальную плотность и максимальную влажность, которые может иметь эта древесина.

Ответ: а) W 770 кг/м3; б) max 1140 кг/м3; Wmax 172 %.

5. Определить по диаграмме (рис. 2.2.3) удельную теплоёмкость древесины с влажностью 65 %: а) при t 15 °С, б) при t 55 °С.

Ответ: а) 2,1 кДж/(кг град), б) 3,0 кДж/(кг град).

Рис. 2.2.1. Диаграмма равновесной влажности древесины (П. С. Серговский) Рис. 2.2.2. Диаграмма плотности древесины Рис. 2.2.3. Диаграмма удельной теплоёмкости древесины Рис. 2.2.4. Диаграмма номинального ( б 520 кг/м3) коэффициента теплопроводности древесины поперёк волокон при атмосферном давлении Средние значения плотности древесины в абсолютно сухом состоянии 2.3. Физические закономерности и расчёт процессов В данном разделе студент должен изучить закономерности наиболее распространённого способа нагревания конвективного (нагревание древесины в воде или насыщенном паре). В результате изучения должен знать особенности расчёта процессов данного нагревания древесины с начальной температурой выше 0 °С (нагревание без изменения агрегатного состояния влаги) и ниже 0 °С (с изменением агрегатного состояния влаги).

Должен уметь решать задачи по определению температуры в заданной точке сортимента при известном времени нагревания, по определению продолжительности нагревания при заданной температуре в определённой точке сортимента, по определению продолжительности оттаивания с последующим нагреванием сортиментов до определённой температуры, по определению удельного расхода теплоты на оттаивание и нагревание древесины. Все эти задачи имеют важное практическое значение и являются составной частью второй самостоятельной контрольной работы.

Литература: [1, гл. 4]; [2]; [3]; [4]; [5]; [8].

Вопросы для самопроверки 1. Какие способы нагревания древесины вы знаете?

2. Чем характеризуется стационарный и нестационарный теплообмен?

3. Какие факторы и как оказывают влияние на продолжительность нагревания древесины?

4. В чём сущность диэлектрического нагревания древесины?

5. Каковы достоинства и недостатки диэлектрического нагревания древесины?

Примеры. 1. Определить коэффициент температуропроводности древесины сосны в радиальном направлении при влажности 70 % и температуре 45 °С.

Решение. Находим среднюю базисную плотность древесины сосны б 415 кг/м3 (табл. 2.2.1) и её действительную плотность W 700 кг/м (рис. 2.2.2). Коэффициент теплопроводности сосны с поправками на направление теплового потока и базисную плотность определяется по формуле где н номинальный коэффициент теплопроводности, Вт/(м °С), рис.

2.2.4; K коэффициент, учитывающий базисную плотность древесины [ K f (б ) ], табл. 2.3.1; K x коэффициент, учитывающий направление теплового потока относительно структуры волокон, табл. 2.3.2.

Удельная теплоёмкость древесины с 3,0 кДж/(кг °С), рис. 2.2.3.

Коэффициент температуропроводности a, м2/с, находим по формуле 2. Берёзовая пластина толщиной 5 см, имеющая начальную температуру 0 °С и влажность 60 %, нагревается в среде насыщенного водяного пара с температурой 82 °С. Найти продолжительность нагревания пластины, при которой температура в центре достигнет 30 °С Решение. Определим безразмерную температуру Зная и безразмерную координату заданной точки 1, находим по номограмме (рис. 2.3.1) критерий Фурье Fo 0,27. Для определения продолжительности нагревания определим коэффициент температуропроводности:

а) для расчётной температуры t р 41 °С при радиальном направлении теплового потока находим б) удельная теплоёмкость c 2,86 кДж/(кг °С);

в) действительная плотность W 830 кг/м3 при б 520 кг/м3;

г) коэффициент температуропроводности Из формулы критерия Фурье находим, с 3. Осиновые чураки диаметром 20 см, имеющие влажность 90 % и начальную температуру 6 °С, нагреваются в воде при температуре 75 °С.

Определить продолжительность нагревания чурака, при которой температура центра достигнет 10 °С. При решении задачи использовать номограмму на рис. 2.3.2.

4. Для материала, начальная температура которого и температура пара даны в примере 2, определить температуру в точке на расстоянии 1,5 см от поверхности и в центре пластины через 0,5, 1,0 и 1,5 ч нагревания.

Решение. 1. Зная величину коэффициента температуропроводности, определяем расчётом величину критерия Фурье (для x R 1 ):

2. По номограмме (рис. 2.3.1) определяем значения 1 0,43 ;

2 0,16 ; 3 0,05.

3. Из уравнения безразмерной температуры находим Аналогично производим расчёт для безразмерной координаты x R 0,6. Оба решения удобнее представить в табличной форме:

4. Берёзовые брусья сечением 1624 см с влажностью 60 % и начальной температурой 12 °С пропаривают при температуре 100 °С в течение трёх часов. Определить температуру в центре бруса в конце пропарки.

Решение. Вычисляем коэффициент температуропроводности. Для средней расчётной температуры коэффициент теплопроводности равен 0,39 1 1 0,39 Вт/(м °С);

удельная теплоёмкость c 2,94 кДж/(кг °С); действительная плотность ( б 520 кг/м3) W 830 кг/м3.

Коэффициент температуропроводности Вычисляем значения критерия Фурье:

а) для пластины толщиной 16 см б) для пластины толщиной 24 см Находим значения безразмерных температур этих пластин для x R 1: 1 0,65, 2 0,93 (рис. 2.3.1).

t 100 0,605 (100 12) 46,8 °С.

5. Для условий предыдущего примера определить среднюю интегральную температуру по сечению бруса.

Решение. Используя полученные ранее значения Fo1 и Fo 2, находим по графику (рис. 2.3.3, а) 1 0,42 и 2 0,63.

Средняя безразмерная температура 0,42 0,63 0,265. Средняя интегральная температура бруса составит 6. Замороженные буковые чураки диаметром 26 см, длиной 1,8 м, влажностью 70 % и начальной температурой t0 10 °С пропаривают при tс 60 °С. Найти продолжительность оттаивания и нагревания для доведения температуры t x 20 °С на поверхности карандаша диаметром d x 6,0 см.

Решение. 1. Продолжительность оттаивания на глубину (x) определяется по формуле где D наружный диаметр сортимента; d диаметр неоттаявшей зоны сортимента; x глубина оттаивания ( x ).

Выражение в скобках носит название критерия глубины оттаивания Ф, м, тогда Для определения Ф рекомендуется номограмма, построенная проф.

П. С. Серговским (рис. 2.3.4).

Продолжительность полного оттаивания где критерий глубины полного оттаивания Ф, м2; d 0 ; qот удельный расход теплоты на оттаивание, Дж/м ; коэффициент теплопроводности оттаявшей зоны, Вт/(м °С); t с - температура агента обработки (вода, пар), °С.

При б 560 кг/м3 и W 70 % W 940 кг/м3. Удельная теплоёмС составляет c( ) 2,27 кДж/(кг °С).

кость c( ) при t р Содержание незамёрзшей связанной влаги Wс.ж 23 % при t0 10 °С (см. табл. 2.3.3 по данным проф. Б. С. Чудинова). Скрытая теплота плавления льда 80 ккал/кг или 335 кДж/кг.

Коэффициент теплопроводности для средней расчётной температуры оттаявшей зоны Продолжительность полного оттаивания п.о, с 2. Дополнительное время нагревания доп, с, для получения заданной температуры t x на поверхности карандаша диаметром d x 6 см находим по формуле проф. Г. С. Шубина [8] Вычисляем коэффициент температуропроводности для t р 30 °С.

Коэффициент теплопроводности 0,36 1,0 1,14 0,4104 Вт/(м °С), удельная теплоёмкость c 2,8 кДж/(кг °С), действительная плотность W 940 кг/м3.

Коэффициент температуропроводности Общее время тепловой обработки 1 п.о доп 5,2 0,72 5,92 ч.

Примечание: Коэффициент K находится путём интерполяции в зависимости от б по табл. 2.2.1.

Группа пород Хвойные (кроме лиственницы) (берёза, осина, липа и др.) Лиственные с развитыми сердцевинными лучами (дуб, клён, бук и др.), лиственница (хвойная порода) Содержание назамёрзшей связанной влаги Wс.ж, %, при различных температурах древесины t 0 0 °С, по данным проф. Б. С. Чудинова Рис. 2.3.1. Номограмма акад. А. В. Лыкова для определения относительной избыточной Рис. 2.3.2. Номограмма акад. А. В. Лыкова для определения относительной избыточной Рис. 2.3.3. Графики средней безразмерной температуры неограниченной пластины (а) и неограниченного цилиндра (б) при нагревании в воде или насыщенном водяном паре Рис. 2.3.4. Номограмма критерия глубины оттаивания круглых сортиментов 2.4. Технология и оборудование тепловой обработки древесины В этом разделе студент должен изучить цели, назначение и режимы оттаивания брёвен перед распиловкой, проваривания и пропаривания древесины. Изучить основное оборудование, применяемое для пропаривания и проваривания древесины. Усвоить методику технологического и теплового расчёта различных устройств тепловой обработки.

Литература: [1, гл. 5]; [2, гл. 4]; [9, гл. 4]; [20, гл. 13].

Вопросы для самопроверки 1. Назовите достоинства и недостатки мягких и жёстких режимов проваривания древесины.

2. Почему нельзя проваривать древесину перед гнутьём?

3. В чём сущность пропаривания древесины и какие устройства применяются для пропаривания?

4. Назовите цели технологического и теплового расчётов устройств для тепловой обработки древесины.

5. Из каких составляющих складываются затраты теплоты на нагрев в разных устройствах?

Задание. Произвести расчёт бассейна для проваривания древесины перед лущением шпона. Заданы: тип и размеры бассейна, агент обработки, характеристика обрабатываемого материала, температура агента обработки и температура, которая должна быть на поверхности карандаша заданного диаметра (табл. 2.4.1). Продолжительность смены принята равной 8 ч. Требуется определить сменную производительность бассейна, его тепловую мощность, расход теплоносителя (вода, пар) в единицу времени (кг/с, кг/ч), термический КПД бассейна.

Указания. Прежде чем приступить к выполнению задания № 2, необходимо изучить все устройства для тепловой обработки древесины в соответствии с [1, 2, 3] и данными табл. 2.4.1.

В задании № 2 для расчётов даны бассейны только двух типов:

– варочный бассейн с мотовилом (рис. 2.4.1);

– механизированный бассейн Гипродревпром (рис. 2.4.2).

Варочный бассейн с мотовилом представляет собой бетонную яму с толщиной стен и дна 400…500 мм. Предназначен для проварки чураков преимущественно жёсткими режимами (температура вода до 80 °С). Для загрузки и выгрузки чураков над бассейном на продольных стенках в подшипниках установлен вал с двумя жёсткими крестовинами. Это устройство называется мотовилом. Загружаемые слева чураки своим весом проворачивают мотовило, выдавливая чураки из бассейна справа. Для скольжения чураков в бассейне укладывается несколько рельсов, изогнутых по дуге.

тепловой обработки п/п Варочный бассейн Механизированный Гипродревпром Механизированный Гипродревпром Варочный бассейн Механизированный Гипродревпром Варочный бассейн Механизированный Гипродревпром Варочный бассейн с мотовилом Механизированный Гипродревпром Механизированный Гипродревпром Варочный бассейн с мотовилом Механизированный Гипродревпром Варочный бассейн с мотовилом Варочный бассейн с мотовилом Механизированный Гипродревпром Механизированный Гипродревпром Варочный бассейн с мотовилом Варочный бассейн с мотовилом Механизированный Гипродревпром Варочный бассейн с мотовилом Рис. 2.4.1. Схема варочного бассейна с мотовилом:

1 – паропровод; 2 – водопровод; 3 – направляющие – 4 шт.; 4 – мотовило из двух крестовин; 5 – вал на двух опорах с подшипниками скольжения; 6 – бетонные стены и пол Рис. 2.4.2. Механизированный бассейн Гипродревпром:

1 сбрасыватель; 2 загрузочный цепной конвейер; 3 накопитель кряжей; 4 съёмные крышки; 5 грейферный захват; 6 парные тумбы; 7 бассейн; 8 консольнокозловой кран; 9 передвижной перегрузчик; 10 разгрузочный конвейер; 11 подкрановые рельсы; 12 рельсы перегрузчика Ось вала мотовила, во избежание заклинивания разбухших чураков, должна быть смещена на 100 мм в сторону загрузки. Длина бассейна на 300 400 мм больше нормальной длины чураков. Длина чурака обычно бывает 1300, 1600, 2050 и 2510 мм. В плане бассейн представляет трапецию: расширен к выгрузочному концу на 300 мм, чтобы не было заклинивания чураков.

Ширина бассейнов составляет 4,0…5,2 м, соответственно радиус мотовила R 1,9...2,5 м. Мотовила изготовляются сварными из уголковой или швеллерной стали.

Каждый варочный бассейн имеет три трубы: через одну подаётся вода в бассейн; через другую пар для подогрева воды; пар в воде конденсируется и полностью отдаёт своё тепло; слив охлаждённой воды производится через трубу с фильтром.

Эти бассейны уже не используются на фанерных предприятиях, но в учебном процессе позволяют усвоить методику определения всех видов тепловых потерь (конвективных на нагревание воздуха, на испарение воды с поверхности бассейна, через ограждения). Термический КПД этих бассейнов низкий ( терм 0,5 ) из-за больших тепловых потерь.

Механизированный бассейн Гипродревпром предназначен для проварки кряжей по мягким режимам (температура воды 30…45 °С) на крупных фанерных предприятиях. Бассейны размещаются на открытых площадках. Для предприятий с объёмом переработки фанерных кряжей 150000 м3/год требуется бассейн из пяти секций (четыре секции по теоретическому расчёту производительности плюс одна секция резервная). На схеме рис. 2.4.2 показан бассейн с тремя секциями. Эти бассейны имеют достаточно высокий термический КПД (по нашим расчётам терм 0,8 ), так как они имеют только один вид тепловых потерь потери тепла через ограждения (стены, пол, крышки).

где см продолжительность смены, ч; ц время цикла тепловой обработки, ч; Еб вместимость бассейна, то есть количество древесины в плотных кубических метрах, м3.

А. Время цикла тепловой обработки ц складывается из продолжительности обработки 1 и продолжительности загрузки и разгрузки 2, т.

При начальной температуре древесины t0 0 °C и полном оттаивании цилиндрических сортиментов время обработки определяем по формуле где п.о время полного оттаивания, ч; доп дополнительное время на доведение температуры на поверхности карандаша до требуемой, ч (см.

примеры в разделе 2.3 методических указаний).

При начальной температуре древесины t0 0 °С (незамороженные сортименты) продолжительность нагревания в воде для достижения необходимой температуры на поверхности карандаша определяется с помощью уравнения нестационарного теплообмена в общем виде где безразмерная температура; x R безразмерная координата; x линейная координата (расстояние от поверхности до заданной точки); R определяющий размер сортимента (для цилиндрических сортиментов радиус); Fo критерий Фурье.

где t с температура агента обработки (по заданию), °С; t x требуемая температура на поверхности карандаша (по заданию), °С; t 0 начальная температура древесины (по заданию), °С.

Для цилиндрических сортиментов линейную координату определяем по формуле где D диаметр сортимента, см; d x диаметр карандаша, см.

Тогда, зная x R и, по номограмме рис. 2.3.2 для неограниченного цилиндра находится критерий Фурье ( Fo 2 ), откуда продолжительR ность нагревания 1, ч, будет где a коэффициент температуропроводности, м2/с (примеры расчёта продолжительности нагревания см. в разделе 2.3 методических указаний).

Продолжительность загрузки и разгрузки не учитывается в устройствах проходного типа (например, варочный бассейн с мотовилом и т. п.), а для бассейна периодического действия Гипродревпром может быть принята ориентировочно равной времени смены. Таким образом, 2 0 для устройства непрерывного действия, 2 8 ч для устройств периодического действия.

Б. Вместимость бассейна (м3) где Г габаритный объём сортиментов в бассейне, м3; коэффициент заполнения габаритного объёма материалом ( 0,5...0,55 ).

Для бассейна с мотовилом где Rм радиус мотовила, м; l ч длина чурака, м.

Для бассейна Гипродревпром Г Lр Bр hр.

В этих формулах: Lр расчётная (рабочая) длина бассейна, м, равная длине обрабатываемых сортиментов l, умноженной на число секций n ;

Bр расчётная (рабочая) ширина бассейна, м (равная её полной ширине Bб 28 м за вычетом суммарной ширины разделительных тумб bт 7 0,7 2 0,35 5,6 м); hр расчётная глубина бассейна, равная глубине бассейна hб, м, за вычетом высоты основания парных разделительных тумб (0,2 м), т. е. hр hб 0,2, м.

А. Полезный расход теплоты характеризуется общим уравнением (74) [1], кДж/м где qот удельный расход теплоты на оттаивание, кДж/м3; W плотt t ность древесины при заданной влажности, кг/м3; t с x средняя температура сортимента в конце обработки, °С; c удельная теплоёмкость древесины при этой температуре, кДж/(кг °С); t x температура на поверхности карандаша, °С.

Эта формула справедлива при полном оттаивании сортиментов с последующим нагреванием (т. е. при t 0 °С).

При начальной температуре t0 0 °С полезный расход теплоты определяется по формуле (5.9) [1] в кДж/м Б. Тепловые потери. Расчёт тепловых потерь надо увязать с конкретным типом устройств для тепловой обработки. Все основные виды тепловых потерь ( Qконв, Qисп, Qогр ) имеют только устройства с открытой водной поверхностью, в частности бассейны с мотовилом. У бассейна Гипродревпром имеют место только потери через ограждения ( Qогр ), в том числе через съёмные крышки.

Qпот Qконв Qисп Qогр, кВт, а для второго типа Qпот Qогр, кВт.

Потери теплоты через ограждения Qогр, кВт, определяем по следующей общей формуле в которой каждый член суммы характеризует теплопотери через ограждения определённого вида (боковые стены, дно, крышки), различающиеся коэффициентом теплопередачи k и наружной температурой ограждений Коэффициент теплопередачи можно ориентировочно принять одинаковым для всех ограждений и равным k 1,2...1,5 Вт/(м2 °С). Более точно в зависимости от конструкции ограждений этот коэффициент можно определить из уравнения (38) [2].

Указания к расчёту площадей ограждений, назначению наружных температур ограждений и тепловых потерь где Fб.с площадь боковых стен бассейна, м2; Fдна площадь дна бассейна, м2; hб глубина бассейна, м; B ширина бассейна, м; Lср средняя длина бассейна (средняя линия трапеции, так как бассейн в плане представляет собой трапецию), м, определяется по формуле где L длина бассейна со стороны загрузки чураков, м; ( L 0,3) длина бассейна со стороны выгрузки чураков, м.

Температуру воздуха в здании (зимой) принимаем t0 5...10 °С, если t0 0 °С, то t 0 принимаем по заданию (положительная температура). Эти данные необходимы при определении Qконв и Qогр, температура стен tб.с, где t дна 0...4 °С (температура наружной поверхности дна).

Теплопотери вследствие конвективной теплоотдачи с открытой водной поверхности Qконв, кВт, определяем по уравнению Ньютона-Рихмана где F открытая водная поверхность бассейна, м2; F Fдна BLср ;

коэффициент теплообмена, Вт/(м2 °С), ориентировочно принимается равным 25 Вт/(м2 °С); t 0 температура окружающего воздуха, °С.

Затраты тепла на испарение воды с поверхности бассейна характеризуется выражением Qисп Fr0i, кВт, где F площадь теплоотдающей поверхности, м2 (принимается равной площади дна бассейна); r0 скрытая теплота парообразования, кДж/(кг °С), r0 2490 кДж/(кг °С); i количество воды, испаряющейся с 1 м2 открытой водной поверхности бассейна в секунду, i f (tс ) принимается по рекомендации [2, С. 74].

Интенсивность испарения воды в зависимости от её температуры Интенсивность испарения i, кг/(м2 с) где Fб.с площадь боковых стен бассейна, м2; Fдна, Fкр соответственно площади дна и крышек бассейна, м2; Bб ширина бассейна, м, принимается Bб 28 м; Lб ( Lс n) длина бассейна, м, принимается равной произведению длины одной секции на число секций; Lс длина одной секции, м (по заданию, табл. 2.4.1).

При назначении температур окружающей среды следует помнить, что эти устройства располагаются на открытом воздухе, следовательно, для крышек t кр принимается равной начальной температуре древесины по заданию. Для дна бассейна t дна (0...4) °С, а для боковых стен Удельный расход теплоты на потери, отнесённый к 1 м3 обрабатываемой древесины, qпот, кДж/м3, находим по формуле (80) [2]:

Суммарный удельный расход теплоты на обработку, q, кДж/м3, определяем по формуле (81) [2] Коэффициент 1,15 в этом выражении учитывает дополнительные неучтённые потери теплоты.

Полный расход теплоты в единицу времени, т. е. суммарную тепловую мощность бассейна, Qполн, кВт, определяем по формуле (82) [2] Расход теплоносителя (пара) в единицу времени, впускаемого в бассейн для нагревания воды, P, кг/с, определяем по формуле где iп теплосодержание (энтальпия) пара, кДж/кг; iк теплосодержание неиспользованного конденсата, кДж/кг.

В расчётах разность (iп iк ) может ориентировочно приниматься для варочных бассейнов 2400 кДж/кг.

Если теплоносителем является вода, её расход, M, кг/с, определяется по формуле где t в температура горячей воды, подаваемой в бассейн: tв 85...90 °С;

t с температура воды в бассейне (агент обработки).

Заканчивается расчёт определением термического коэффициента полезного действия бассейна для тепловой обработки древесины терм 2.5. Физические закономерности процессов сушки древесины В этом разделе курса студент должен изучить способы сушки древесины, их производственное назначение. Целью изучения основных закономерностей перемещения влаги и механизмов процессов должно быть усвоение основных факторов, влияющих на процесс сушки. К ним относятся: температура и степень насыщенности агента сушки, температура и равномерность её распределения в высушиваемом материале, скорость движения агента сушки у поверхности материала, влажность материала и др.

При изучении вопросов о внутренних напряжениях и деформациях нужно усвоить, что к основным факторам, ограничивающим интенсивность сушки вообще и на определённых этапах в частности, относятся:

возможность растрескивания и коробления сортиментов древесины от чрезмерных напряжений, химическая деструкция от воздействия высоких температур (особенно на влажную древесину), порода древесины и др.

Эти знания дают возможность правильно управлять процессом сушки, совершенствовать режимы сушки и создавать высокоэффективную технологию и сушильную технику.

Нужно усвоить аналитические методы определения продолжительности сушки пиломатериалов (заготовок) при различных режимах, низкотемпературном и высокотемпературном процессах.

Литература: [1, гл. 6]; [2, гл. 5]; [6]; [8]; [10]; [11].

Вопросы для самопроверки 1. Какие факторы и как влияют на продолжительность сушки древесины?

2. В чём причина образования внутренних напряжений в древесине при конвективной сушке?

3. Можно ли высушить пиломатериалы без напряжений?

4. Почему нежелательны большие остаточные напряжения в сортиментах?

5. Каковы принципы построения рациональных режимов сушки?

2.6. Классификация и принципиальные схемы сушильных устройств Все сушильные устройства классифицируются по ряду основных признаков, которые необходимо запомнить. Особенности термодинамического процесса в различных сушилках достаточно полно характеризуются принципиальной схемой, показывающей направление газового потока относительно материала и теплового оборудования, и графиком изменения состояния среды на Id и Id -диаграммах. Эти графики для основных типов сушилок надо знать. Одно из главных требований, предъявляемых к сушилкам минимальный расход тепла на сушку, включающий в себя затраты на испарение влаги, на прогрев материала и на теплопотери через ограждения. Основные расчётные уравнения необходимо знать и уметь ими пользоваться для практических расчётов.

Литература: [1, гл. 7]; [2, гл. 3].

Вопросы для самопроверки 1. Каковы недостатки сушилок с однократной циркуляцией сушильного агента?

2. Что даёт подогрев приточного воздуха в сушилках с многократной циркуляцией? (Покажите на примерах графически).

3. Как наиболее эффективно подогревать приточный воздух?

4. Из каких составляющих складывается расход теплоты на сушку древесины?

5. Верно ли, что наиболее экономичными сушилками являются сушилки, действующие на перегретом паре?

6. Какие из затрат тепла на сушку являются полезными?

2.7. Детали теплового и циркуляционного оборудования сушилок Всё оборудование сушилок по своему назначению делится па четыре основные группы: 1) ограждения; 2) транспортные устройства; 3) тепловое оборудование; 4) циркуляционное оборудование.

Ограждения и транспортные устройства для каждого типа сушилок имеют особенности. Однако, несмотря на разнообразие конструкций сушилок, элементы теплового и циркуляционного оборудования в них однотипны.

Главными элементами теплового оборудования являются калориферы различного типа. Нужно усвоить назначение калориферов и всей системы теплоснабжения сушильных устройств. Запомнить, какие типы калориферов применяются в сушильных устройствах, каковы схемы соединения труб в сборных калориферах, какие требования предъявляются к их монтажу. Следует изучить назначение и конструкцию конденсатоотводчиков, схему их монтажа, знать правила монтажа всех элементов теплового оборудования, овладеть методами расчёта и выбора теплового оборудования.

В сушильных устройствах, где агентом сушки служит смесь топочных газов с воздухом, теплообменников нет. Топочные газы являются одновременно агентом сушки и теплоносителем. Студент должен изучить конструкции топок для сжигания древесного топлива, мазута или природного газа, уяснить, почему сжигание производится с большим коэффициентом избытка воздуха.

Все современные сушильные устройства имеют принудительную циркуляцию агента сушки (воздуха, топочного газа, перегретого пара). Основной частью циркуляционного оборудования являются вентиляторы различного типа. Необходимо подробно изучить конструкции вентиляторов, их классификацию, параметры и характеристики, приобрести навыки подбора вентиляторов по индивидуальным, групповым и безразмерным характеристикам.

Надо изучить и понять устройство, работу и методику расчёта эжекторных установок, в которых используется эффект эжекции. Такие установки широко применяются для циркуляции агента сушки в различных сушилках.

Литература: [1, гл. 7]; [2, гл. 7]; [9, гл. 2, 3]; [14]; [15, гл. 9].

Вопросы для самопроверки 1. Какие требования предъявляются к тепловому оборудованию?

2. От чего зависит требуемая площадь нагрева калориферов?

3. К чему приводит неисправная работа конденсатоотводчиков?

4. От чего зависит требуемый диаметр паропроводов и конденсатопроводов?

5. Что такое характеристика вентиляторов?

6. Какие факторы влияют на мощность привода вентилятора?

7. В чём заключается принцип эжекции?

2.8. Сушильные камеры для пиломатериалов Конвективные сушильные камеры являются наиболее распространёнными как в нашей стране, так и за рубежом.

При проработке этой темы необходимо изучить требования, предъявляемые к современным лесосушильным камерам, изучить классификацию и типы сушильных камер по группам: воздушные и паровоздушные камеры периодического действия, воздушные камеры непрерывного действия, газовоздушные камеры периодического и непрерывного действия.

Знать и уметь обосновать выбор типов и конструкций сушильных камер при проектировании новых и реконструкции действующих предприятий.

Необходимо изучить и наиболее перспективную зарубежную технику.

Литература: [1, гл. 8]; [2, гл. 8]; [14]; [15].

Вопросы для самопроверки 1. По каким основным признакам классифицируются сушильные камеры?

2. Назовите требования, предъявляемые к современным камерам.

3. Какие из отечественных и зарубежных камер отвечают современным требованиям?

4. Что необходимо учитывать при выборе камер для конкретных условий предприятия?

5. В чём принципиальные отличия камер периодического и непрерывного действия?

6. Какие механизмы используются для формирования, разборки и перемещения сушильных штабелей?

7. Какие требования предъявляются к планировкам сушильных цехов?

2.9. Технология камерной сушки пиломатериалов Цикл камерной сушки пиломатериалов включает следующие основные операции: формирование сушильных штабелей или пакетов; определение начальной влажности партии подвергаемых сушке пиломатериалов;

выбор режима сушки; подготовка камеры к пуску; загрузка штабелей и пуск камеры; начальный прогрев материала; проведение процесса собственно сушки по выбранному режиму; проведение промежуточной и конечной влаготеплообработок; охлаждение и выдержка пиломатериалов;

оценка качества высушенных пиломатериалов.

При изучении этого раздела особое внимание надо обратить на режимы сушки пиломатериалов в камерах периодического и непрерывного действия, принципы их построения, режимы, цели и продолжительность начального прогрева и каждого вида влаготеплообработок. Следует изучить методы контроля за состоянием материала в процессе сушки, возможные дефекты сушки и методы их предупреждения.

Студент должен уметь: выбирать категорию режима, исходя из назначения материала; выбирать номер и индекс режима; назначать режимы и продолжительность начального прогрева, промежуточной и конечной влаготеплообработок.

Литература: [1, гл. 9, 10]; [2, гл. 9]; [14, гл. 7]; [15, гл. 11, 12].

Вопросы для самопроверки 1. Какова структура современных режимов камерной сушки пиломатериалов?

2. От чего зависит выбор режима сушки пиломатериалов?

3. Каковы цели начального прогрева и влаготеплообработок древесины?

4. Назовите способы контроля влажности древесины в процессе сушки.

5. Какие дефекты могут возникать в процессе сушки и какие методы используются для предупреждения образования дефектов?

6. Сколько категорий качества сушки Вы знаете и как производится выбор требуемой категории качества?

7. Какова роль кондиционирующей обработки древесины?

2.10. Продолжительность камерной сушки пиломатериалов.

Планирование и учёт работы сушильных камер и цехов Определение продолжительности процесса сушки весьма важная для практики задача. На основе изложенных ранее [2, гл. 5] уравнений для расчёта продолжительности сушки единичных образцов в МГУЛ разработаны расчётные уравнения, учитывающие условия сушки материала в штабеле, и номограммы, сокращающие трудоёмкость производственных расчётов. Графоаналитический метод дан для низко- и высокотемпературных процессов сушки в камерах периодического действия. Новая методика разработана для расчёта продолжительности сушки в противоточных камерах непрерывного действия.

Кроме графоаналитического, необходимо усвоить и табличный метод определения продолжительности сушки, разработанный профессором П. С. Серговским и включённый в РТМ [11]. При проработке этой главы следует изучить методику определения производительности сушильных камер и учёта их работы.

Литература: [2, гл. 10]; [11]; [12].

Вопросы для самопроверки 1. Как влияет интенсивность циркуляции агента сушки по материалу на продолжительность сушки?

2. Какое влияние оказывают режимы сушки и влажность материала на продолжительность сушки?

3. На сколько различается продолжительность сушки одинаковых сортиментов, вычисленная графоаналитическим и табличным методами?

4. От чего зависит производительность сушильных камер?

5. Что такое условный материал?

Задание. Требуется выбрать режим и определить продолжительность сушки пиломатериалов или заготовок графоаналитическим и табличным методами в камерах периодического действия при заданных категориях режимов и качества. Сравнить результаты расчётов и сделать выводы. Расхождение в расчётах может быть до 15…20 % (допустимая погрешность для таких задач).

Указания. Прежде чем приступить к выполнению задания, необходимо изучить схему и работу камеры, графоаналитический и табличный методы определения продолжительности сушки пиломатериалов. Ширину штабеля во всех камерах принять равной 1,8 м, ширину необрезных пиломатериалов – 200 мм (в реальных условиях ширина S 2 зависит от диаметра пиловочных брёвен). Варианты заданий даны в табл. 2.10.1. Указания по выбору своего варианта приведены в контрольном задании № 1.

1. Графоаналитический метод расчёта продолжительности сушки пиломатериалов при низкотемпературном процессе в камерах Упрощённая формула для определения продолжительности собственно сушки пиломатериалов с.суш, ч, имеет вид [11, с. 106] где C поправка, учитывающая толщину и ширину пиломатериалов (заготовок); K множитель, учитывающий соотношение единиц измерения и толщину S1 ; S1 толщина пиломатериалов (заготовок), см; aм коэффициент влагопроводности древесины, см /с, при средней температуре смоченного термометра tм, °С, по всем ступеням режима; С коэффициент замедления сушки пиломатериалов в штабеле по сравнению с сушкой единичных сортиментов; Aр.ц коэффициент реверсивности циркуляции агента сушки в камере (при реверсивной циркуляции Aр.ц 1,0, при нереверсивной Aр.ц 1,1 ); A коэффициент, учитывающий начальную степень насыщенности агента сушки н (на первой ступени режима);

Wн, Wк начальная и конечная влажность пиломатериалов (заготовок), %.

Вариант Эжекционная Гипродревпром ЛТА-Гипродрев Обозначим комплекс множителей в уравнении (2.10.1) через Б Получим формулу Для облегчения расчётов по формуле (2.10.3) основные входящие в неё величины представлены в виде графиков.

Последовательность расчёта 1. По известному отношению S1 S 2 определяется значение C по рис. 2.10.1, а (при Wн 50 % и Wк 8...20 %) и рис. 2.10.1, б (при Wк 8 % и Wк 20 %, при Wн 50 %).

где Wр f (t,) – равновесная влажность на последней ступени режима сушки, рис. 2.2.1. Режимы сушки даны в табл. 2.10.2, 2.10.3, 2.10.4, 2.10.5.

2. По заданной породе, средней температуре смоченного термометра tм, °С, и толщине материала S1, см, определяется комплекс Б1 (рис.

2.10.2).

3. Находится произведение C Б1.

4. По величине C Б1, скорости воздуха в штабеле шт, м/с, и ширине штабеля b, м, определяется коэффициент замедления сушки (рис. 2.10.3).

5. Коэффициент A находится по степени насыщенности воздуха н на первой ступени режима и начальной влажности пиломатериалов Wн, % (рис. 2.10.4).

6. Определяется lg н.

7. Продолжительность собственно сушки с.суш, ч, будет представлять собой произведение всех найденных величин.

Рис. 2.10.1. График для определения C Режимы низкотемпературного процесса сушки в воздушных и паровоздушных камерах периодического действия Эти режимы предусматривают ступенчатое изменение параметров воздуха в зависимости от влажности древесины в камере. Влажность, при которой переходят со ступени на ступень, называют п е р е х о д н о й.

Процесс заканчивают при достижении древесиной заданной конечной влажности. Построение режимов этой группы различно для древесины хвойных и лиственных пород.

Режимы сушки пиломатериалов хвойных пород приведены в табл.

2.10.2 (сосна, ель, пихта, кедр) и табл. 2.10.3 (лиственница). Таблицы содержат режимы разных категорий и различной (в пределах каждой категории) жёсткости. Каждый конкретный режим сокращённо обозначается его порядковым номером, характеризующим толщину материала, и прописной буквой (М, Н или Ф), определяющей его категорию. Например, нормальный режим сушки пиломатериалов толщиной 40 мм обозначается 4-Н (для лиственницы Л4-Н). Для лиственничных пиломатериалов мягкие режимы не предусматриваются из-за очень большой продолжительности сушки.

Режимы низкотемпературного процесса сушки пиломатериалов из древесины сосны, ели, пихты, кедра (по ГОСТ 19773-84) Средняя влажность древесины, % Режимы низкотемпературного процесса сушки пиломатериалов Средняя влажПараметры Режимы сушки пиломатериалов лиственных пород приведены в табл.

2.10.4 и 2.10.5. В первой из них даны рекомендации по выбору этих режимов в зависимости от породы древесины, толщины пиломатериалов и категории жёсткости (М, Н, Ф), а во второй набор из 39 режимов различной жёсткости. Каждый режим имеет номер, а также буквенный индекс.

Рекомендуемые режимы низкотемпературного процесса сушки Берёза, Бук, клён Дуб, ильм Выбор режимов сушки древесины указанной группы пород является ориентировочным и может уточняться на основании производственного опыта Общая продолжительность сушки пиломатериалов суш, ч, должна дополнительно включать время прогрева камеры пр.к, ч, время начального прогрева материала пр.м, ч, продолжительность конечной влаготеплообработки ВТО, ч, или кондиционирующей обработки КО, ч, продолжительность охлаждения материала в камере охл, ч. Ответы на поставленные вопросы требуют разработки более подробных рекомендаций.

С некоторым приближением для решения поставленной задачи можно принять:

1) пр.к 4...12 ч (в зависимости от типа камеры и времени года);

Индекс режима Рис. 2.10.2. График для определения комплекса Б Рис. 2.10.3. График для определения коэффициента замедления сушки в штабеле C Рис. 2.10.4. График для определения коэффициента A 2) пр.м : для мягких хвойных пород в зависимости от времени года 1,0…2,0 ч на 1 см толщины пиломатериалов; для мягких лиственных пород (берёза, осина, ольха, липа и др.) (1,0...2,0 1,25 1,25...2,5 ч на 1 см толщины пиломатериалов; для твёрдых лиственных пород (дуб, бук, клён и др., в т. ч. хвойную породу лиственницы) (1,0...2,0 1,5 1,5...3,0 ч на 1 см толщины пиломатериалов;

3) ВТО продолжительность конечной влаготеплообработки (по табл. 2.10.6);

Конечная ВТО пиломатериалов или заготовок пиломатериалов, ель, пихта, берёза, Примечание. Звёздочками отмечены породы и толщины пиломатериалов, для которых рекомендованы промежуточные ВТО. Когда проводятся и промежуточная, и конечная обработки, на первую используется до 1 3, а на вторую остальная часть указанного в таблице времени.

Влаготеплообработке подвергают пиломатериалы, высушиваемые до эксплуатационной влажности по I и II категориям качества. Независимо от категории качества ВТО проводят при сушке пиломатериалов твёрдых лиственных пород и лиственницы. Такой вид влаготеплообработки проводится в камерах периодического действия с паровым теплоснабжением и увлажнительными трубами для снижения или полной ликвидации остаточных внутренних напряжений.

В современных камерах периодического действия с водяным теплоснабжением и форсунками распыления воды вместо ВТО проводится кондиционирующая обработка (КО) для выравнивания конечной влажности пиломатериалов. Однако этот вид обработки не позволяет полностью ликвидировать остаточные внутренние напряжения в пиломатериалах даже после выравнивания влажности по их сечению. В табл. 2.10.7, по данным А. И. Расева [1], указана продолжительность КО.

Толщина Примечание. Звёздочкой отмечены пиломатериалы, для которых рекомендуется промежуточная обработка (40 % общего времени промежуточная и 60 % конечная).

4) Продолжительность охлаждения пиломатериалов (заготовок) в камере после ВТО или КО можно рекомендовать охл 1,2пр.к.

Формулы (2.10.1, 2.10.3) справедливы, если температура смоченного термометра t м, °С, на всех ступенях режима остаётся практически стабильной (с отклонениями не более 1…2 °С). В тех случаях, когда используются режимы сушки с неодинаковой t м на различных ступенях, продолжительность собственно сушки определяется отдельно по каждой ступени, а полученные результаты суммируются.

Для первой ступени режима (при равномерном распределении влажности по толщине материала) На второй и третьей ступенях (параболическое распределение влажности по толщине материала) товок), см; a1, a2, a3 коэффициенты влагопроводности, см2/с, определяемые по температуре агента сушки t с, °С, на каждой ступени режима сушки (левая часть рис. 2.10.2); C1, C2, C3 коэффициенты замедления сушки на каждой ступени режима. Определяются по графику рис. 2.10.3, заменяя сивности циркуляции агента сушки (имеет те же два значения: 1,0 и 1,1);

Wн1, Wн2, Wн3 начальные, а Wк1, Wк2, Wк3 конечные влажности пиломатериалов на каждой ступени режима сушки, %, ( Wк1 Wн2 первая переходная влажность по режиму сушки; Wк2 Wн3 вторая переходная влажность); Wр1, Wр2, Wр3 равновесная влажность древесины на каждой ступени режима, %, (определяется по рис. 2.2.1).

Общая продолжительность собственно сушки с.суш, ч, по каждой ступени режима составляет Общая продолжительность сушки суш, ч, определяется по формуле (2.10.5).

2. Табличный метод расчёта продолжительности сушки пиломатериалов при низкотемпературном процессе в камерах Продолжительность сушки суш, ч, включая начальный прогрев и влаготеплообработку материала, определяется произведением где исх исходная продолжительность собственно сушки пиломатериалов заданной породы, толщины S1 и ширины S 2 нормальными режимами в камерах с принудительной реверсивной циркуляцией средней интенсивности (расчётная скорость шт 1,0 м/с, ширина штабеля 1,5…2,0 м) от начальной влажности 60 % до конечной влажности 12 % (табл. 2.10.8); Aр коэффициент, учитывающий категорию применяемого режима сушки:

Исходная продолжительность сушки исх, ч, пиломатериалов в камерах периодического действия при низкотемпературном процессе пиломатериалов S1, мм графе S2 > 180 мм.

для мягких режимов Aр 1,7 ; нормальных 1,0; форсированных 0,8;

Aц коэффициент, учитывающий характер и интенсивность циркуляции воздуха в камере; Aц f (исх Aр, шт ), табл. 2.10.9; Aв коэффициент, учитывающий начальную ( Wн ) и конечную ( Wк ) влажность древесины, табл. 2.10.10; Aк коэффициент, учитывающий категорию качества сушки и среднюю длительность влаготеплообработок: I категория качества 1,2;

II 1,15; III 1,05; 0 1,0; Aд коэффициент, учитывающий влияние длины заготовок на продолжительность процесса; для пиломатериалов Aд 1,0 ; для заготовок берётся в зависимости от отношения их длины l к толщине S1, табл. 2.10.11.

Знания о расчётах продолжительности сушки пиломатериалов или заготовок необходимы для планирования работы лесосушильных камер, для расчёта их производительности при сушке фактического или условного материала, для теплового расчёта и определения техникоэкономических показателей (курсовое и дипломное проектирование лесосушильных камер и цехов).

Пример для выполнения контрольного (домашнего) задания № 1. Записать условия задания, из табл. 2.10.1 выписать исходные данные к этому заданию в соответствии со своим вариантом.

Тип камеры: УЛ- Скорость воздуха в штабеле: шт 2,0 м/с Порода древесины: сосна Вид пилопродукции: пиломатериалы обрезные Размеры пиломатериалов:

Влажность пиломатериалов:

Категория качества сушки: II Категория режима сушки: М (мягкий).

Значения коэффициента Aц для камер с реверсивной циркуляцией Произведение Примечание. При нереверсивной циркуляции табличный коэффициент Aц умножается на 1,1.

влажность Отношение 2. Из табл. 2.10.2 выбираем режим 5-М (по ГОСТ 19773-84) Средняя влажность Среднее арифметическое значение температуры 3. По формуле (2.10.1) графоаналитическим методом определяем продолжительность собственно сушки пиломатериалов с.суш, ч (последовательность расчёта приведена в задании № 3).

по рис. 2.10.1, а находим С 0,8.

Комплекс Б1 f (tм, порода, S1), находим по рис. 2.10.2; Б1 225.

Коэффициент замедления сушки штабеле С f (C Б1, шт, bшт ) находим по рис. 2.10.3; С 1,07.

Коэффициент Aр.ц 1,0. Коэффициент A f (Wн, н ) находим по рис. 2.10.4; A 1,03.

Продолжительность собственно сушки пиломатериалов с.суш, ч, по формуле (2.10.3) составит Общая продолжительность сушки суш, ч, по формуле (2.10.5) составит: пр.к 4,0 ч; пр.м 1,5 5 7,5 ч; с.суш 167,6 ч; ВТО 6,0 ч (по табл. 2.10.6); охл 1,2 4 4,8 ч 4. По формуле (2.10.9) определяем продолжительность сушки пиломатериалов табличным методом при следующих значениях коэффициентов: исх 104 ч (по табл. 2.10.8); Aр 1,7 ; Aц 0,735 (по табл. 2.10.9);

Aв 1,21 (по табл. 2.10.10); Aк 1,15 ; Aд 1,0.

Общая продолжительность сушки пиломатериалов составит Расхождение продолжительности сушки пиломатериалов между графоаналитическим и табличным методами составило 9,1 ч. По нашему мнению в табличном методе не учтены продолжительности нагревания камеры и охлаждения пиломатериалов в камере перед их выгрузкой. С учётом замечаний продолжительность сушки по табличному методу тогда составила бы суш 4,0 180,8 4,8 189,6 ч и расхождение составило бы 0,3 ч или 18 мин.

2.11. Атмосферная сушка пиломатериалов В этом разделе следует изучить особенности атмосферной сушки, её достоинства и недостатки, планировку складов, конструкции штабелей, способы управления процессом атмосферной сушки и области применения данного способа. Важно понять, что атмосферная сушка не утратила своего значения до настоящего времени и при правильном её проведении имеет большое народнохозяйственное значение.

Анализируя достоинства и недостатки, нужно уяснить важность антисептирования пиломатериалов, предупреждающего поражение древесины грибами и насекомыми. Необходимо изучить вопросы, связанные с интенсификацией этого длительного способа сушки путём создания принудительной циркуляции воздуха. Правильно представлять назначение комбинированной сушки пиломатериалов.

Литература: [1, гл. 12]; [14, гл. 10]; [15, гл. 14].

Вопросы для самопроверки 1. Как можно регулировать скорость испарения влаги при атмосферной сушке?

2. Как можно интенсифицировать атмосферную сушку?

3. Почему необходимо антисептировать пиломатериалы перед атмосферной сушкой?

2.12. Специальные способы сушки пиломатериалов К специальным способам сушки относятся диэлектрическая сушка (комбинированная камерно-диэлектрическая и вакуумнодиэлектрическая), сушка в жидкостях (петролатумная), ротационная, индукционная, вакуумная. Необходимо хорошо усвоить механизм диэлектрической, жидкостной и ротационной сушки, ясно представлять себе, какие движущие силы влагопереноса имеют преобладающее значение в том или ином способе сушки. Следует знать применяемое оборудование, технологический процесс, достоинства, недостатки и обратить внимание на область применения различных специальных способов сушки пиломатериалов и их экономическую эффективность.

Литература: [1, гл. 13]; [2, гл. 12].

Вопросы для самопроверки 1. Какой из специальных способов сушки является наилучшим и почему?

2. В чём сущность ротационного обезвоживания древесины?

3. Каковы перспективы применения сушки в жидкостях?

Сушка шпона по сравнению с сушкой пиломатериалов имеет ряд специфических особенностей, которые находят отражение в технологии процесса (режимы, продолжительность) и применяемом оборудовании.

Для сушки лущёного, строганого, намазанного и пропитанного шпона используются сушилки разнообразных конструкций (отечественные и импортные).

В нашей стране широкое применение для сушки шпона находят воздушные и газовоздушные роликовые сушилки с продольной и поперечной циркуляцией, а также с сопловым дутьём. Необходимо изучить устройство и работу лучших сушилок, механизмы загрузки и выгрузки шпона, методику определения продолжительности сушки шпона и производительности сушилок.

Литература: [1, гл. 14]; [2, гл. 13]; [13].

Вопросы для самопроверки 1. Почему шпон необходимо сушить с фиксацией его плоской формы?

2. Какие типы сушилок используются для сушки шпона?

3. В чём достоинства и недостатки различных схем циркуляции агента сушки в роликовых сушилках?

4. Почему для сушки шпона можно применять сравнительно высокие температуры?

5. Какие сушилки наиболее перспективны?

Сушка измельчённой древесины, как и сушка шпона, существенно отличается от сушки пиломатериалов. Небольшие размеры древесных частиц и развитая наружная поверхность высушиваемого материала допускают применение высоких температур (от 150 до 600…800 °С).

Для сушки измельчённой древесины (опилок, щепы, стружки) используются различные по конструкции (отечественные и импортные) сушилки: барабанные, пневматические и ленточные.

Производство древесно-стружечных плит с каждым годом расширяется. Процессы сушки занимают важное место в этом производстве. Надо хорошо разобраться в особенностях сушки измельчённой древесины, изучить применяемое оборудование и методы управления процессом сушки.

Обратить внимание на конструкцию сушилки ТСА с барабаном «Прогресс», АКС-8.

Литература: [1, гл. 15]; [2, гл. 14]; [13].

Вопросы для самопроверки 1. В чём особенности сушки измельчённой древесины по сравнению с сушкой пиломатериалов или шпона?

2. Почему в барабанных сушилках «Прогресс» используется отрицательный угол наклона?

3. В чём достоинства сушилок «Бютнер» и «Бизон»?

При изучении этого раздела необходимо воспользоваться, в первую очередь, лекциями [16]. В них удачно изложены как структура раздела, так и необходимые знания по видам разрушения древесины, методам и средствам защиты древесины, технологии и оборудованию защитной обработки древесины.

Литература: [2, гл. 15, 16, 17]; [16]; [17]; [18]; [21].

Вопросы для самопроверки 1. Какие виды разрушения древесины вы знаете?

2. Как классифицируются методы защиты?

3. В чём отличие антисептирования от консервирования?

4. В чём сущность автоклавной пропитки?

5. Какие факторы оказывают влияние на интенсивность проникновения жидкости в древесину?

2.16. Приборы для контроля и регулирования процессов тепловой обработки, сушки и защиты древесины В большинстве процессов тепловой обработки, сушки и защиты древесины состояние жидкого агента обработки при атмосферном давлении характеризуется одним параметром температурой, а газообразного двумя параметрами: температурой и относительной влажностью. Для контроля этих параметров используются различные конструкции термометров и психрометров. Оптимальная циркуляция агента сушки имеет большое значение для производительности сушилок и качества высушиваемых материалов, поэтому необходимо изучить приборы для измерения скорости циркуляции агента сушки в различных сушилках. Такими приборами являются анемометры, термоанемометры и микроманометры.

Актуальными являются вопросы автоматического регулирования процессов тепловой обработки, сушки и защиты древесины.

Надо знать классификацию и основные узлы автоматических регуляторов, системы автоматического регулирования, методику определения их экономической эффективности.

Большую помощь в изучении этого раздела могут оказать лекции [19].

Литература: [1, гл. 3, 16]; [2, гл. 18] [14, гл. 9]; [19]; [20, гл. 12].

Вопросы для самопроверки 1. Какие приборы используются для измерения температуры, относительной влажности и давления агентов обработки?

2. Какие приборы применяются для измерения скорости движения агентов сушки?

3. Из каких элементов состоит любая система автоматического регулирования (САР)?

2.17. Проектирование, строительство, испытания и технико-экономические показатели установок для тепловой Основные вопросы, рассматриваемые в данной главе:

1. Вопросы проектирования установок для тепловой обработки, сушки и защиты древесины в теоретической части курса рассматриваются кратко, даются только общие сведения по содержанию основных частей курсового (дипломного) проекта. Последовательность детального расчёта каждой части, правила оформления пояснительной записки и чертежей изучаются студентом по рекомендуемой литературе и в процессе курсового проектирования.

2. Одним из признаков классификации установок является конструкция ограждений. По этому признаку установки могут быть стационарные, сборно-металлические и полностью заводского изготовления.

3. Виды испытания установок: пусковые, периодические, технологические. Основные задачи этих испытаний.

4. Методы испытания различных систем установок.

5. Основные технико-экономические показатели установок.

6. Паспорт установок и цеха (участка) тепловой обработки, сушки и защиты древесины основной документ, необходимый для научной организации производственных процессов.

Литература: [1, гл. 17]; [9] [10]; [11, п. 8]; [12]; [13]; [14, гл. 14]; [15, гл. 16, 17, 18]; [18].

ЛИТЕРАТУРА

1. Расев, А. И. Тепловая обработка и сушка древесины: учебник для вузов / А. И.

Расев. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009. 360 с.

2. Серговский, П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины:

учебник для вузов / П. С. Серговский, А. И. Расев. М.: Лесная промышленность, 1987.

360 с.

3. Уголев, Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение: учебник / Б. Н. Уголев. М.: Изд. центр «Академия», 2004. 272 с.

4. Чудинов, Б. С. Теория тепловой обработки древесины / Б. С. Чудинов. М.:

Лесная промышленность, 1968. 255 с.

5. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. М.: Энергия, 1967. 600 с.

6. Лыков, А. В. Теория сушки / А. В. Лыков. М.: Энергия, 1968. 472 с.

7. Уголев, Б. Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке / Б. Н.

Уголев. М.: Лесная промышленность, 1971. 384 с.

8. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г. С. Шубин. М.: Лесная промышленность, 1990. 360 с.

9. Соколов, П. В. Проектирование сушильных и нагревательных установок для древесины / П. В. Соколов. М.: Лесная промышленность, 1965. 331 с.

10. Сергеев, В. В. Повышение эффективности сушки пиломатериалов: монография / В. В. Сергеев, Ю. И. Тракало. Екатеринбург: УГЛТУ, 2005. 225 с.

11. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки пиломатериалов. Архангельск.: ОАО «Научдревпром-ЦНИИМОД», 2000. 125 с.

12. Акишенков, С. И. Проектирование лесосушильных камер и цехов: учебное пособие / С. И. Акишенков, В. И. Корнеев. СПб.: ИПО СПбГЛТА, 2008. 96 с.

13. Стерлин, Д. М. Сушка в производстве фанеры и древесностружечных плит / Д. М. Стерлин. М.: Лесная промышленность, 1977. 383 с.

14. Справочник по сушке древесины / под ред. Е. С. Богданова. М.: Лесная промышленность, 1990. 304 с.

15. Кречетов, И. В. Сушка древесины: учебное пособие / И. В. Кречетов. М.:

Изд. «Бриз», 1997. 496 с.

16. Акишенков, С. И. Защитная обработка древесины: лекции / С. И. Акишенков.

Л.: РИО ЛТА, 1986. 64 с.

17. Защита древесины: сборник стандартов. М.: Изд-во стандартов, 1986. 144 с.

18. Гидротермическая обработка и консервирование древесины: методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 250300, 250403 / сост. С. И. Акишенков, В. И. Корнеев, В. М. Харитонов, А. М. Артеменков.

СПб.: ИПО СПбГЛТА, 2008. 56 с.

19. Харитонов, В. М. Приборы и устройства для контроля и регулирования процессов гидротермической обработки древесины: лекции / В. М. Харитонов. Л.: РИО ЛТА, 1986. 68 с.

20. Trebula, P. Suenie a hydrotermicka prava dreva / P. Trebula. Zvolen: Tu vo Zvolene, 1996, 265 s.

21. Расев, А. И. Технология и оборудование защитной обработки древесины:

учебник для вузов / А. И. Расев, А. А. Косарин, Л. П. Красухина. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2010. 171 с.

2.2. Древесина – объект тепловой обработки, сушки и защиты……………………… 2.3. Физические закономерности и расчёт процессов нагревания и оттаивания древесины……………………………………………………………………………………. 2.4. Технология и оборудование тепловой обработки древесины…………………… 2.5. Физические закономерности процессов сушки древесины……………………… 2.6. Классификация и принципиальные схемы сушилок……………………………... 2.7. Тепловое и циркуляционное оборудование сушилок…………………………….. 2.8. Сушильные камеры для пиломатериалов…………………………………………. 2.9. Технология камерной сушки пиломатериалов……………………………………. 2.10. Продолжительность камерной сушки пиломатериалов. Производительность и учёт работы сушильных камер……………………………………………………….. 2.11. Атмосферная сушка пиломатериалов……………………………………………. 2.12. Специальные способы сушки пиломатериалов…………………………………. 2.13. Сушка шпона………………………………………………………………………. 2.14. Сушка измельчённой древесины…………………………………………………. 2.15. Защита древесины…………………………………………………………………. 2.16. Приборы, системы контроля и регулирования процессов тепловой обработки, сушки и защиты древесины……………………………………………………………... 2.17. Проектирование, строительство, испытания, технико-экономические показатели установок для тепловой обработки, сушки и защиты древесины……………… Л и т е р а т у р а………………………………………………………………………….

ГИДРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

И КОНСЕРВИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

по дисциплине для студентов специальности 250403 и направления 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств»