Автоматизація процессу сушки деревини

24

Додаток до таб. 1.2.

Таблиця 1.3

Трьохступеневий камерний режим сушіння пиломатеріалів хвойних порід -- сосни і кедра (по РТМ)

Принцип трьохступеневого режиму сушки полягає в тому, що на кожному етапі збільшуються температура повітря по мірі зниження вологості в деревині до певної величини, при якій процес сушки переводиться на наступну ступінь з більшою температурою і психометричною різницею.

Рис. 1.1. Теплогенератор на відходах пиломатеріалів.

Нагрів та утримання потрібної температури в сушильній камері здійснюється на основі трьох теплогенераторів. На рис. 1.1 зображений тепло генератор який працює на основі спалювані дров, що призводить до нагрівання труб, по яких рухається повітря за допомогою відцентрового вентилятора. Нагріте повітря подається в сушильну камеру.

Рис. 1.2. Технологічна схема процесу сушіння:

1 - котел; 2 - труби з повітрям; 3 - відцентровий вентилятор;

4 - труби з водою; 5 - вентилятор; 6 - радіатори з гарячою водою;

7 - витяжка.

Рис. 1.3. Електрична схема живлення електрообладнання.

1 - сушильна камера; 2 - водяний котел; 3 - вогняний калорифер;

4 - електрокалорифер.

Другий тепло генератор працює на основі водяного котла та двох радіаторів, які обдуваються вентиляторами. Ці два тепло генератори застосовуються для грубого регулювання температури, а для більш точного регулювання використовують третій - електрокалорифер. Для регулювання вологості в сушильній камері використовують витяжки.

1.4 Волога в деревині

Деревина складається з різноманітних рослинних кліток переважно подовженої форми. У деревині хвойних порід основним типом кліток є трахеїди, а листяних порід -- волокна лібриформу і судини. Крім того, наявні клітки серцевинних променів і в невеликій кількості клітки деревної паренхіми.

Порожнини кліток, з'єднані між собою порами (рис. 1.4), утворюють у деревині макрокапілярну систему, що добре прониклива для рідин і газів у напрямку уздовж волокон і значно менше - поперек волокон.

Стінки кліток мають волокнисту будову. Вони формуються з окремих волоконець-мікрофібрил, орієнтованих уздовж осі чи клітки під невеликим кутом до неї. Мікрофібрили складаються з переплетених між собою ланцюгових молекул целюлози. Між мікрофібрилами розміщуються інші органічні речовини -- геміцелюлози і лігнін, а також наявні вільні сполучені простори, заповнені повітрям і вологою, кількість якої мінлива. Отже, у стінках кліток присутня своя капілярна система, проте більш тонка, чим макро-капілярна.

Вміст вологи в деревині, як і інших речовинах, характеризують величиною відношення маси вологи в деревині до маси деревини. Це відношення, виражене у відсотках, називають вологістю. В технології деревообробки прийнято розраховувати вологість як відношення маси вологи, що міститься в деревині, до її маси в абсолютно сухому стані [2,98]. Вологість W (у %) визначають у цьому випадку згідно виразу:

, (1)

де m -- загальна маса проби, г;

mсух-- маса проби в абсолютно сухому стані, г;

mвол -- маса вологи в пробі, г.

Волога в деревині може знаходитися як у порожнинах кліток, заповнюючи макрокапілярну систему, так і в їхніх стінках. Вологу, що знаходиться в порожнинах кліток і в просторах між клітками, називають вільною, а в клітинних стінках--зв'язаною чи гігроскопічною.

Вміст зв'язаної вологи в деревині обмежений. Стан, при якому стінки кліток мають максимальну вологість при зіткненні їх з рідкою вологою, називається межею їхнього насичення. Вологість межі насичення (WМ.Н) практично не залежить від породи і складає в середньому 30%.

Якщо вологість деревини більша WМ.Н, тобто вище 30%, значить у деревині міститься вільна волога. Максимальний вміст вільної вологи залежить від обсягу порожнин кліток і коливається для деревини різних порід від 60 до 250%.

Рис. 1.4. Схема макрокапілярної структури деревини:

1 -- стінка клітки, 2 -- пора, 3 -- порожнина клітки

Деревина ростучого або свіжозрубленого дерева завжди має вологість вище вологості межі насичення, тобто вона є сирою.

Вологість свіжозрубленої деревини залежить від породи, місця розташування в стовбурі (ядро чи заболонь) і пори року. Вона коливається в дуже широких межах. Середні значення вологості свіжозрубленої деревини приведені в таблиці. 1.5.

У хвойних порід вологість ядра і спілої деревини значно нижче вологості заболоні. У листяних порід розходження у вологості по перетині стовбура практично не спостерігається [2,105].

Таблиця 1.5.

Вологість свіжозрубаної деревини

1.4.1 Основні способи визначення вологості деревини

Вологість деревини визначають різними способами. Найбільш розповсюдженими в деревообробці є ваговий і електричний способи .

Ваговий спосіб, правила визначення вологості якого регламентовані ДСТ 16588--71, ґрунтується на зважуванні і висушуванні проб (зразків), що відбираються з контролюємої партії деревних сортиментів. Від дошки або заготовки на віддалі 300 -500 мм від торця випилюють поперечним перерізом пробу (рис. 1.5) розміром вздовж волокон близько 10 мм. Ця проба називається секцією вологості. Секцію ретельно зачищають від заусенець, після чого негайно зважують на технічних терезах з точністю до 0,1 г. Отримане значення початкової маси реєструють у спеціальному журналі. Потім секцію поміщають в сушильну, шафу і сушать при температурі 1032С. Секцію періодично виймають із шафи і зважують, відмічаючи кожен раз у журналі результати зважування. Перше зважування виконують через 6 год, а наступні - через кожні 2 год. Секцію витримують у сушильній шафі доти, поки її вага не перестане змінюватися.

Рис.1.5. Схема вирізки секції вологості з дошки

Постійну вагу приймають рівною її вазі в абсолютно сухому стані . Вологість (в %) розраховують згідно рівняння

, (2)

Для визначення вологості однієї дошки чи заготовки необхідно випилювати з них не менше двох секцій. Кількість контрольних дощок залежить від величини контролюємої партії, а також необхідної точності і надійності контролю [2,74].

Електричний спосіб визначення вологості ґрунтується на залежності показників електричних властивостей деревини від її вологості. Для виміру вологості в цьому випадку використовують прилади, що називається електровологомірами. Широке поширення одержали кондуктометричні вологоміри, принцип дії яких заснований на залежності електричного опору деревини від її вологості. Особливість роботи цих електровологомірів полягає в тому, що вони досить надійно вимірюють вологість у діапазоні від 7 до 30%. Вологість вище 30% визначається з великою погрішністю.

При сушінні пиломатеріалів використовують електровологоміри ЦНИИМОД-2; ЭВ8-100; ЭВА-2; ЭВА-2М; ЭВА-2ДО.

Датчик електровологоміра являє собою трьохголатий зонд, оснащений ручкою. При вимірюванні вологості голки датчика вводять у деревину на повну глибину в напрямку уздовж волокон. Показуючий елемент вимірювального пристрою має шкалу, відградуйовану у відсотках вологості для деревини сосни при температурі 20° С. Якщо вимірюється вологість деревини інших порід і при іншій температурі, то в покази приладу уводяться поправки, значення яких дані в прикладених до електровологоміра таблицях.

Фактори, що впливають на результат вимірювання вологості за допомогою голчастого вимірювача:

· температура вимірюваного матеріалу (при збільшенні температури на 5°С вимірювач вологості показує приблизно на 0,5% більш високий вміст вологи, найбільш точний результат виміру можна одержати при температурі матеріалу +20°С);

· температура навколишнього середовища;

· порода дерева, місце і швидкість росту (у сухій або болотистій місцевості, у північних або південних градусах широти, на галявині або в лісі);

· дійсна щільність деревини;

· випадкові смоляні гнізда в місці виміру, дефекти матеріалу;

· випадкова вологість на поверхні матеріалу;

· градієнт вологості наприкінці процесу сушіння (до вирівнюванння матеріал біля поверхні сухіший ніж у серцевині, наприклад при виході із сушарки вологість поверхневого шару 50 мм дошки, висушеної до 8% вологості, приблизно 6,5% і в серцевині приблизно 11,5%);

· взаємодія усіх вищезгаданих факторів.

1.5 Контроль за вологістю деревини і внутрішніми напруженнями у процесі сушіння

Контроль вологості деревини в процесі сушіння в даний час проводять способом контрольних зразків. Контрольний зразок довжиною 1--1,2 м відпилюють від дошки, характерної для партії пиломатеріалів, що завантажується в сушильну камеру. Одночасно випилюють дві суміжні зі зразком секції вологості (рис.1.6). Відразу ж після розпилювання секції очищають від опилок і заусенець і зважують на технічних вагах. Потім визначають їхню вологість. Середнє значення вологості, обчислене по двох секціях, приймають за початкову вологість (WП) контрольного зразка.

Контрольний зразок нумерують, торці його очищають і покривають густотертою олійною фарбою. Після цього зважують на торгових вагах з погрішністю до 5 г. Початкову масу (МП) записують на зразку й у журналі чи карті сушіння [2,56].

У кожен сушильний штабель закладають два-три контрольних зразки в місця інтенсивного й уповільненого сушіння.

Рис. 1.6. Схема випилювання контрольного зразка:

1 -- контрольний зразок, 2--- секції вологості

Зразки укладають поруч з торцем штабеля чи трохи глибше, але так, щоб їх легко можна було вийняти. Вони повинні лежати на прокладках, не стикаючись із площиною дощок. Над зразками укладають спеціальні прокладки з вирізом (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Схеми розміщення контрольного зразка в штабелі

По відомих величинах початкової вологості і початкової маси розраховують масу абсолютно сухого контрольного зразка:

, (3)

Таким чином, його вага в абсолютно сухому стані відома перед початком сушіння.

У процесі сушіння через визначені проміжки часу зразки виймають зі штабеля і зважують.

Поточну вологість WT зразків знаходять по виразу

, (4)

де - маса зразка в момент визначення поточної вологості, г.

При сушінні тонких пиломатеріалів хвойних порід контроль вологості проводять у початковій стадії процесу через 8 год, а в кінцевій - через 12 год. Для пиломатеріалів підвищеної товщини чи листяних порід проміжки часу між зважуваннями збільшують у 1,5-2 рази.

За величиною поточної вологості судять про можливість переходу на наступну ступінь режиму чи сушіння закінченні процесу.

Спосіб контрольних зразків має ряд недоліків. Вимагаються часті заходи операторів у камери, що порушує в них режим сушіння, маються незручності і навіть небезпека при застосуванні форсованих режимів. Для контролю вологості високотемпературного сушіння пиломатеріалів він непридатний. Крім того, цей спосіб не забезпечує високої точності вимірів [4,63].

1.6 Якість сушіння пиломатеріалів. Закінчення процесу сушіння

Якість сушіння пиломатеріалів характеризується рядом показників, основними з яких є:

- видимі дефекти сушіння;

- середня величина кінцевої вологості;

- рівномірність кінцевої вологості;

- перепад вологості по товщині;

- залишкові напруження.

Показники якості сушіння встановлюються стосовно визначеної партії деревини. За таку партію звичайно приймають штабель дощок чи заготівель.

Спочатку розглянемо перший показник - видимі дефекти сушіння. У висушеному матеріалі незалежно від його призначення видимі дефекти не допускаються.

До видимих дефектів деревини, що можуть з'явитися при її сушінні, відносяться розтріскування і короблення. На практиці зустрічається зовнішнє, внутрішнє, торцеве і радіальне розтріскування.

Зовнішні тріщини утворюються в матеріалі в початковий період сушіння, коли діючі на поверхні розтягуючі напруження, перевищують межу міцності. Причина утворення зовнішніх тріщин - занадто твердий режим сушіння, а міра попередження - застосування раціонального режиму.

Внутрішні тріщини можуть з'явитися наприкінці процесу, якщо в центрі сортименту виникли надмірно великі напруження, що розтягують. Щоб попередити їхнє утворення, необхідно дотримуватися режиму сушіння і проводити проміжну і кінцеву вологотеплообробки.

Виникнення торцевих тріщин зумовлене більш інтенсивним сушінням торців у порівнянні із середньою частиною сортименту. Найбільш ефективний засіб попередження цього дефекту - замазування торців вологонепроникною сумішшю. Через велику трудомісткість цей захід при масовому сушінні не застосовується.

Правильне укладання пиломатеріалів у штабелі, зокрема вирівнювання торців штабеля, розміщення крайніх прокладок рівно з торцями дощок, формування повногабаритного штабеля, значно знижує торцеве розтріскування. Торцеві тріщини в цьому випадку бувають неглибокими і при поперечному розкрої пиломатеріалів втрати будуть незначними.

Радіальні тріщини виникають при сушінні круглих лісоматеріалів і пиломатеріалів, що містять серцевинну трубку. Причина їхнього утворення - різне усохнення в радіальному і тангенціальному напрямках. Попередити їхню появу при камерному чи атмосферному сушінні неможливо навіть при самому обережному і повільному проведенні процесу. Щоб уникнути цього дефекту, при розкрої пиломатеріалів варто вирізувати серцевину чи стежити, щоб вона знаходилася на поверхні.

Короблення пиломатеріалів у процесі сушіння відбувається також через різне усохнення в радіальному і тангенціальному напрямках. У дощок тангенціального розпилювання незалежно від режиму сушіння усадка зовнішньої пласті (стосовно центру колоди) буде при сушінні більше, ніж усадка внутрішньої пласті. Це приводить до вигину (короблення) дошки в поперечному напрямку (рис.1.8.). Дошки радіального розпилювання не коробляться. Різниця усушки деревини вздовж і поперек волокон викликає поздовжнє короблення. Для того щоб запобігти поперечному і подовжньому коробленню дощок, їх варто сушити в затиснутому стані, дотримуватись правила формування штабеля (укладати в один ряд дошки строго однакової товщини, застосовувати стандартні стругані прокладки, кожен ряд яких повинен знаходитися в одній вертикальній площині). У цьому випадку плоска форма дощок у штабелі фіксується масою самої деревини, за винятком верхніх двох-трьох рядів. У верхньому ряді варто укладати дошки радіального розпилювання чи матеріал не відповідного призначення. Таким чином, короблення дощок при сушінні виникає тільки при неправильному і недбалому укладанні, але не є наслідком неправильно обраного режиму сушіння. Відхилення ж від раціонального режиму може привести до утворення тріщин [4,51].

Середня величина кінцевої вологості контрольованої партії визначається в такий спосіб. Зі штабеля в зонах швидкого й уповільненого просихання матеріалу відбирають не менш дев'яти дощок. З кожної дошки випилюють дві секції вологості і визначають їхню вологість. Вологість партії WСР обчислюють як середнє арифметичне з отриманих значень вологості секцій.

Рис. 1.8. Поперечне коробле- Рис. 1.9. Секції пошарової ння пиломатеріалів вологості (В-ширина дошки)

Рівномірність кінцевої вологості. Показником рівномірності вважають середнє квадратичне відхилення, що обчислюється по формулі

, (5)

де Wi - вологість окремої секції, %;

WСР - середняя вологість штабеля, %;

n - число секцій вологості.

Фактична вологість окремих дощок штабеля з імовірністю 95% (у 95 випадках з 100) буде знаходитися в межах WСР .

Перепад вологості по товщині контролюють по секціях пошарової вологості, що випилюють з відібраних дощок поруч із секціями для визначення загальної вологості. Секції розколюють по схемах, приведених на рис. 1.9: при товщині дощок до 50 мм на рис.1.9, а, при товщині 50 мм і більше - на мал. 1.9, б. Різниця у вологості бічних (зважуваних разом) і середніх смужок показує перепад вологості.

Залишкові напруження у висушеному матеріалі встановлюють по силових секціях, що випилюються поруч із секціями пошарової вологості з кожної відібраної дошки. Можна вважати, що деревина практично вільна від залишкових напружень, якщо відносне відхилення зубців секції (у вершині) від нормального положення не перевищує 1,5--2% довжини зубця.

Висушена деревина повинна відповідати по якості сушіння своєму призначенню. Призначення деревини різноманітне, і тому різні і вимоги, щодо якості сушіння.

У залежності від цих вимог “Керівними матеріалами по камерному сушінню пиломатеріалів” установлено чотири категорії якості.

I категорія - сушіння пиломатеріалів до експлуатаційної вологості, що забезпечує механічну обробку і зборку деталей по 12-10-му квалітетам (ДСТ 6449--76) (точне машинобудування, приладобудування, виробництво моделей, лиж).

II категорія - сушіння пиломатеріалів до експлуатаційної вологості, що забезпечує механічну обробку і зборку деталей по 13-11-му квалітетам (виробництво меблів, автобудування, пасажирське вагонобудування).

III категорія - сушіння пиломатеріалів до експлуатаційної вологості, що забезпечує механічну обробку і зборку деталей по 15-13-му квалітетам (вантажне авто- і вагонобудування, сільгоспмашинобудування, виробництво тари).

0 (нульова) категорія - сушіння до транспортної вологості товарних пиломатеріалів без зниження їхньої міцності і зміни кольору (для експортних).

Необхідна величина середньої кінцевої вологості деревини після сушіння коливається для різних виробів у широких межах і регламентується стандартами і технічними умовами [4,67]. Наприклад, для меблів вона складає 7-8%, для столярно-будівних виробів 10-12%, для тари 15-20%. Норми вимог до інших показників якості регламентуються Керівними матеріалами (табл. 1.6).

Таблиця 1.6.

Норми вимог до якості сушіння пиломатеріалів і заготівок

Закінчення процесу сушіння. Для забезпечення необхідної якості пиломатеріалів закінчення процесу сушіння необхідно проводити в такий спосіб.

Після досягнення матеріалом заданої кінцевої вологості (що встановлюють по контрольних зразках) призначають вологотеплообробку. По її закінченні закривають зволожувальні труби, у камері створюють параметри сушильного агента по останній ступіні режиму і протягом 2-4 год (у залежності від товщини пиломатеріалів) проводять підсушування поверхневих шарів. Потім із штабеля відбирають проби для визначення показників якості сушіння.

У період виконання контрольних операцій у камері проводять кондиціонування. При виконанні цієї операції температуру середовища підтримують на 5° С вище температури останньої ступіні режиму сушіння (але не більш 100° С), а ступінь насичення встановлюють по величині рівноважної вологості деревини, що дорівнює кінцевій вологості, збільшеній на 1%. Якщо деревина відповідає пропонованим вимогам, подачу пари в калорифери припиняють, камеру прохолоджують до 30-40° С спочатку при відкритих приточно-витяжних каналах, а потім при напіввідчинених дверях, далі штабелі викочують і починають готувати камеру до наступного завантаження. Якщо ж встановлено, що матеріал не відповідає необхідним вимогам, то повинна бути призначена додаткова вологотеплообробка (при наявності в матеріалі залишкових напружень) чи продовжене кондиціонування (при неприпустимому діапазоні коливання кінцевої вологості).

При проведенні камерного сушіння пиломатеріалів обов'язково записуються всі спостереження і виміри. Запису підлягають:

- фактичний і рекомендований режимом стан середовища в камері (запис проводять щогодини);

- характеристика пиломатеріалів і їхня кількість;

- результати контролю поточної вологості пиломатеріалів;

- результати аналізу внутрішніх напружень і залишкових деформацій;

- режими і результати проміжної і кінцевої вологотеплообробок;

- результати контролю якості сушіння;

- причини простою камери й інші факти, що відносяться до проведення сушіння.

Для записів доцільно використовувати спеціальні журнали і карти сушіння, що рекомендовані “Керівними матеріалами по камерному сушінню пиломатеріалів”.

1.7 Вплив сушіння деревини на її міцність

Міцність деревини залежить в основному від її породи, температури та вологості. При сушінні вологість та температура деревини змінюються, тому її міцність також не залишається постійною. Зміна міцності деревини спостерігається лише в діапазоні вологості нижче зони гігроскопічності, при чому зниження вологості приводить до суттєвого збільшення міцності. Зміна вологості в діапазоні вище зони гігроскопічності не впливає на міцність деревини.

Зміни міцності, пов'язані з вологістю, зворотні, тобто при зволоженні сухої деревини знижується її міцність, а при наступному висушуванні попередні міцнісні показники повністю відновлюються.

Підвищення температури приводить до пониження міцності деревини. Короткочасний вплив не досить високої температури дає зворотні зміни міцності. З підвищенням температури та тривалості її впливу в деревині відбуваються незворотні процеси, що призводять до зміни її міцністних показників при наступній експлуатації [4,70].

Тому розрізняють міцність деревини в процесі обробки при тому чи іншому стані та експлуатаційну міцність, котру має деревина після доведення її вологості та температури до експлуатаційних норм.

Міцність деревини в процесі обробки підвищується з пониженням температури та вологості. Це добре ілюструє діаграма (рис. 1.9.) межі міцності деревини берези при розтягненні поперек волокон (тангенціальний напрям). Так межа міцності холодної сухої деревини вище межі міцності гарячої сирої деревини в 15-20 разів. Для інших показників механічних властивостей деревини та інших порід характер зміни міцності та їх співвідношення можуть коливатися в широких межах.

24

Рис. 1.9. Діаграма межі міцності деревини берези при розтягненні поперек волокон в тангенціальному напрямі

На експлуатаційну міцність деревини здійснюють вплив її порода, вологість та характер попереднього сушіння. В якості еталону експлуатаційної міцності прийнято вважати міцність деревини, яка не підлягала впливу підвищеної температури нижче 60° С не знижує її експлуатаційну міцність незалежно від тривалості сушіння. Вплив більш високої температури починає з'являтися, якщо тривалість сушки при t=80° С перевищує 40-50 год, а при t = 120° С - 2-3 год.

Ступінь зниження міцності деревини залежить від породи, вологості, температури та тривалості сушіння. Так, наприклад, в високо інтенсивних процесах сушіння, коли температура складає 120-130° С при тривалому впливі 30-60 год., показники механічних властивостей деревини понижуються: при розтягненні, стисненні та статичному згині на 5-8%, а при сколуванні та розколуванні - на 15-20% [4,75].

1.8 Особливості розрахунку продуктивності за врахуванням роботи сушильних камер

Продуктивність сушильної камери П, в якій висушуються пиломатеріали конкретної характеристики та визначеного призначення, визначається в кубічних метрах деревини за рік виразом

, (6)

де 335-- число діб роботи камери в році; - тривалість одного обороту камери при сушінні фактичного матеріалу, діб; в камерах неперервної дії вона дорівнює тривалості сушіння, а в камерах періодичної дії - тривалості сушіння, збільшеної на час завантаження і розвантаження камери, що складає 0,1 доби; Е-- місткість сушильної камери, м3 деревини.

Вести облік роботи сушильних камер, безпосередньо використовуючи вираз (6), досить складно. Конкретне підприємство висушує пиломатеріали різноманітної специфікації. Тому величини Е і нестабільні. [1]

Місткість камери залежить від розмірів матеріалу, а тривалість обороту від режиму процесу і характеристики матеріалу.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5