Исследование процессов сушки хвойных пород без искусственного увлажнения в аэродинамичеких сушильных камерах

Проф. Сергеев В.В. в своей работе [1] убедительно доказал, что особенностью закономерностей механизма переноса тепла и влаги к поверхности материала является их взаимосвязь как единого комплексного процесса аэродинамической сушки при нестационарных полях температуры, влажности и скоростях в обрабатывающей среде и внутри материала.
Отличительной особенностью сушки древесины в аэродинамических камерах любой мощности является изменение во времени тем­пе­ра­турно-влажностных параметров среды без искусственного ее увлажнения. Отсутствие технологического пара на увлажнение сушильного агента вызывает дополнительные трудности поддержания режимных параметров среды с точки зрения их безопасности. Длительность процесса при этом обусловливается тепловой мощностью камеры, ее герметичностью, характеристикой материала и внешними условиями сушки.
При сушке пиломатериалов в аэродинамических камерах при переменных условиях среды, когда происходит испарение влаги с постепенным углублением границы фазового перехода и увеличением критерия фазового перехода ?, процесс теплоотдачи значительно уменьшается. В первую очередь это связано с перегревом поверхности материала и снижением интенсивности сушки. Сухой слой поверхностной зоны материала препятствует передаче тепла во внутреннюю зону, а снижение разности между температурами среды и поверхности создает дополнительное сопротивление движению теплового потока, что приводит к снижению коэффициента теплообмена.
Лыков А.?В. выдвинул гипотезу о том, что вынос микрочастиц влаги в конечном счете увеличивает общую объемную поверхность испарения, снижая, как казалось бы, коэффициент температурного обмена ?` [2]. Однако превалирующее значение при этом имеет увеличение суммарного испарительного эффекта — q`, из-за которого теплообмен становится более интенсивным. Истинный коэффициент теплообмена, исчисляемый по эффекту только на геометрической поверхности материала, при этом не увеличивается. Он может уменьшаться по сравнению с ?` между средой и сухим телом или оставаться примерно таким же. Гипотеза Лыкова А.?В. впоследствии была доказана Шубиным Г.?С. и получила подтверждение у Сергеева В.?В. [3].
Совокупность этих явлений при сушке в аэродинамических камерах, в которых условия среды изменяются во времени, а степень насыщенности агента сушки можно изменить только за счет влаги, испаряемой из материала, кинетика (среднее значение потенциалов переноса) процесса в значительной мере определяется физико-механическими свойствами самого материала. Изменение локальной влажности и локальной температуры с течением времени зависит от взаимосвязанного механизма переноса влаги и тепла внутри материала и массо- и теплообмена поверхности материала с окружающей средой. Этот механизм имеет очень сложный характер, который дополнительно осложняется тем, что одновременно с прогревом материала происходит сушка поверхностных слоев.
Таким образом, нестационарные поля влагосодержания и температуры (динамика процесса) определяются закономерностями влаго- и теплопереноса внутри тела, а также внешним влаго- и теплообменом с окружающей средой. Математическое описание такого нестационарного процесса очень сложно и сводится к решению системы уравнений для граничных условий III рода при tc = f?(?):

Распределение влажности W и температуры Т при этом считается симметричным относительно центра ограниченной пластины как модели обрезного сортимента или черновой заготовки, которые в таких камерах сушат чаще, чем необрезные доски.
Решение системы дифференциальных уравнений (1, 2) при симметричном распределении потенциалов переноса по прямоугольному сечению материала получено в [2] в полном и упрощенном безразмерном виде посредством метода интегральных преобразований Лапласа для нестационарного распределения безразмерных потенциалов переноса в материале и относятся к общему случаю переноса при барометрическом давлении.
Но использование даже упрощенных зависимостей связано с большим объемом вычислительных работ, не влияющих на точность технологических расчетов. В связи с этим практический интерес имеют полученные нами методом операционного исчисления уравнений Лыкова А.?В. приближенные решения, описывающие процесс тепло- и массопереноса, более удобные для использования в инженерных расчетах по определению режимов сушки в аэродинамических камерах:
Для инженерных расчетов были введены следующие допущения:
1) Q = 1, т.е. to = tнач. = const.
2) Комплекс критериев ?.ко.Рп = 0,87.0,06.0,3 = 0,016 взят постоянным, исходя из особенностей протекания процесса.
3) Момент перехода от стадии нерегулярного к стадии регулярного режима характеризуется величиной критерия Фурье Fo = 0,1, что соответствует времени, в течение которого поверхностная влажность достигает величины, равной ее значению в начале стадии регулярного режима.
4) Максимальное значение критерия Fo = 10 при толщине сортимента 0,05  м, амах = 15,8.10–10 м2/с и времени сушки ? = 10 сут.
5) Минимальное значение критерия Био Bi = 102 при температуре сушильного агента tmin = 40°С, степени насыщенности ?min = 0,2, коэффициенте влагообмена ?min = 8,15.10–7м/с, толщине сортимента h = 0,022 м, коэффициенте влагопроводности аmin = 3,14.10–10 м2/с, скорости агента сушки vmin = 1,0 м/с.
6) Максимальное значение критерия Bi = 230 при соответствующих максимальных режимных параметрах: t = 100°С, ? = 0,99, ? = 28,5.10–7 м/с, h = 0,05  м, а = 16,4.10–10 м2/с, vmax = 3,0 м/с.
Тогда для древесины сосны:

стадия нерегулярного режима (период постоянной скорости сушки)

стадия регулярного режима (период падающей скорости сушки)

где:
tn — температура на поверхности материала, °С;
tц — температура в центре материала, °С;
tc — температура среды, °С;
Wц — влажность в центре сортимента, %;
Wп — влажность на поверхности сортимента, %;
Wр — равновесная влажность сортимента, %;

(6)
и — теплообменные критерии Предводителева и Фурье, характеризующие нестационарность процесса теплообмена (еT — скорость изменения температуры, принимаемая из технологических соображений);
` — коэффициент температуропроводности, определяющий инерционность материала, т.е. его способность выравнивать температуру.
Для решения задачи поиска рациональных режимов сушки был проведен расчет продолжительности сушки при различных возможных сочетаниях параметров режима для обрезных пиломатериалов. Параметры режима следующие: сушка сосновых сортиментов с размерами поперечного сечения 95?Ч?32 мм с начальной влажностью Wн. = 85% до конечной влажности Wк. = 8% при изготовлении евробруса и евроокон. Исходные данные для расчета формул получены на основе уравнения влагопроводности. Расчетная продолжительность сушки уточнялась посредством сравнения с опытными производственными сушками.
Результатом проведенного анализа напряженно-деформированного состояния обрезного сортимента во время его гидротермической обработки являются 4-ступенчатые режимы низкотемпературного процесса сушки сосновых пиломатериалов в аэродинамических сушильных камерах периодического действия (Таблица 1) [4].

Таблица 1. Режимы низкотемпературной сушки сосновых пиломатериалов в аэродинамических камерах

Выводы:

полученные теоретические зависимости являются универсальными и позволяют использовать как одноосные модели (необрезная доска) при относительных координатах, равных единице, так и двухосные (обрезная доска) и трехосные (черновая заготовка) модели;

анализ напряженно-деформированного состояния обрезного сортимента во время его гидротермической обработки позволил обосновать новый способ сушки, позволяющий снизить энергозатратность и продолжительность процесса по сравнению с режимами РТМ.

Библиографический список:
1. Сергеев, В.В. Повышение эффективности сушки древесины [Текст] / В.В. Сергеев, Ю.И. Тракало // Монография. Екатеринбург, 2005. — УГЛТУ. — 226 с.
2. Лыков, А.В. Тепломассообмен: справочник [Текст]/ А.В. Лыков — М.: Энергия, 1978. — 487 с.
3. Сергеев, В.В. Повышение эффективности сушки пиломатериалов в камерах малой мощности [Текст]/ В.?В. Сергеев: автореф. дис. … докт. техн. наук./ СПбЛТА, 1999. — 33 с.
4. Патент РФ №2319915 С1 Способ сушки пиломатериалов [Текст] / А.Н. Чернышев, А.А. Филонов.- МКП7 F28 В1/00, 3/04. — №20061116335/06; Заявл. 12.05.2006; Опубл. 20.03.2008, Бюл. № 30. — 4 с.

---

А.Н. Чернышев (ВГЛТА, г. Воронеж, РФ)
По материалам доклада на V Международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века»,
г. Екатеринбург, РФ, сентябрь 2010 г.