Диэлектрическая сушка

Древесина, которая помещена между пластинами конденсатора высокочастотного колебательного контура, нагревается за счет диэлектрических потерь. Выделение тепла в результате диэлектрических потерь связано с колебательным движением молекул материала, находящихся в электрическом высокочастотном поле. Тепло генерируется внутри материала равномерно по его объему, а не подводится из вне, как при других способах сушки.

Электрическая энергия, потребляемая древесиной и превращающаяся в тепловую, расходуется первоначально на нагревание материала, испарения из него влаги и тепловые потери с поверхности материала в окружающую среду; затем (после прогрева) – только на испарение влаги и тепловые потери.

Способ удаления влаги из материала, основанный на этом принципе, получил название диэлектрическая сушка.

Установка для диэлектрической сушки (рис. 1) состоит из следующих основных узлов: трансформатора 1, выпрямителя 2, высокочастотного генератора 3 и колебательного контура 4 с рабочим конденсатором 5, между обкладками которого размещена высушиваемая древесина.

Затраты энергии в период сушки имеют место в поверхностной зоне сортимента. Температура на поверхности за счет испарения влаги и тепловых потерь оказывается ниже температуры внутренних зон, а влажность поверхности ниже (за счет испарения), чем внутри материала. Таким образом, имеют место положительные перепады температуры и влажности. Одинаковое направление движения влаги путем влаго- и термовлагопроводимости изнутри на поверхность существенно ускоряет сушку. Если температура древесины будет превышать температуру точки кипения воды, то внутри возникает избыточное давление (вследствие кипения влаги) и интенсивность сушки возрастает в еще большей степени.

При большой мощности генератора и малых объемах древесины продолжительность диэлектрической сушки может быть сокращена по сравнению с камерной в 50-60 раз. В производственных условиях получаемый эффект значительно меньше вследствие возникновения в древесине больших внутренних напряжений при очень интенсивной сушке, которые приводят к браку.

Диэлектрическая сушка с размещением рабочего конденсатора на открытом воздухе или в обычном помещении характеризуется очень высоким расходом электроэнергии и не обеспечивает достаточно высокого качества получаемого материала. В настоящее время она для сушки пиломатериалов не применяется.

Более рациональна камерно-диэлектрическая сушка. Особенность этого способа сушки состоит в том, что рабочий конденсатор установки расположен в обычной сушильной камере, снабженной калориферами, увлажнительными трубами и циркуляционной установкой. Достоинство такой сушки в том, что расход тепла на процесс компенсируется не только энергией высокочастотного электрического поля, но и более дешевой энергией пара. При камерно-диэлектрической сушке можно получить высушенный материал высокого качества, с малыми внутренними напряжениями и даже совсем без них. Для этого в камере следует поддерживать высокую степень насыщения воздуха (для предотвращения пересушки поверхности) при одновременном высокочастотном нагреве древесины, обеспечивающем испарения влаги внутри материала. При таких условиях и надлежащем регулировании процесса сушку можно вести с малым перепадом влажности по толщине и даже перепадом обратного знака. Для сортиментов, содержащих сердцевинную трубку, этот способ является единственным, который обеспечивает их высушивание без радиальных трещин. Продолжительность камерно-диэлектрической сушки пиломатериалов в 4-5 раз меньше по сравнению с обычной конвективной сушкой такого же материала нормальными режимами.

Основным агрегатом камерно-диэлектрической сушильной камеры является высокочастотный генератор. Для двухштабельной сушильной камеры с нормальными штабелями требуется генератор с колебательной мощностью 45-50 кВт и частотой 500-1000 кГц.

КПД генераторов сравнительно мал (0,5-0,6). Поэтому расход электроэнергии на сушку достаточно велик – 1,5-2 кВт*ч/кг испаряемой влаги. Ее целесообразно применять для сушки толстых сердцовых сортиментов, где сокращение брака от растрескивания окупает повышенные затраты на электроэнергию.

Сушка в жидкостях

Жидким сушильным агентом могут быть гидрофобные жидкости, не смешивающиеся с водой и не растворяющиеся в ней (масла, парафины, расплавленные металлы, сера), водные растворы гигроскопических минеральных солей.

Способ сушки древесины в гидрофобных жидкостях применяется сейчас как вспомогательная операция перед пропиткой. В качестве сушильного агента используется петролатум – воскообразное вещество, являющееся отходом при перегонке нефти (в технической литературе сушку древесины в петролатуме часто называют петролатумной сушкой).

Сушка в гидрофобных жидкостях является высокотемпературным процессом, имеющим, однако, особенности. Между жидкостью и погруженной в нее древесиной отсутствует влагообмен. Сушка может проходить только при температуре жидкости выше температура точки кипения воды при данном давлении. Внутри древесины вследствие кипения влаги создается избыточное давление, под действием которого пар выходит в атмосферу, преодолевая сопротивление древесины и слоя жидкости над материалом. Таким образом, основным видом переноса влаги является молярное движение под действием перепада давления.

Продолжительность жидкостной сушки лимитируется в основном интенсивностью перемещения тепла в высушиваемом материале и мощностью теплообменника сушильной установки.

После погружения сырого древесного сортамента в жидкость, имеющую температуру tc, на его поверхности температура сразу (рис. 2) доходит до точки кипения tк, а затем быстро становится равной температуре среды tс. Температура центральной зоны поддерживается постоянной, на уровне температуры точки кипения до тех пор, пока из этой зоны не будет удалена вся свободная влага. Затем она постепенно повышается становится равной температуре среды, когда влажность центральной зоны уравняется с равновесной влажностью. Сушку в гидрофобных жидкостях можно проводить при атмосферном давлении или давлении ниже атмосферного (в вакууме).

Наиболее простой по применяемому оборудованию и технологии является сушка пиломатериалов при атмосферном давлении в ваннах, заполненных нагретым до 120-130 °С петролатумом.

Дополнительным преимуществом петролатумной сушки является малая продолжительность процесса, не превышающая 6-8 ч для тонких и 30-40 ч для толстых пиломатериалов.

Недостатками этого способа являются: загрязнение поверхности древесины, что затрудняет ее обработку на станках; низкое качество сушки, связанное со значительным перепадом влажности по толщине и большими внутренними напряжениями (влаготеплообработку проводить в сушильной установке нельзя); невозможность высококачественного склеивания и отделки древесины из-за остатков петролатума на поверхности; сравнительно большой расход петролатума вследствие пропитки им поверхностных слоев древесины (25-40 кг/м3 древесины). Эти недостатки ограничивают использование петролатумной сушки на деревообрабатывающих предприятиях.

Областью рационального применения рассматриваемого способа является сушка древесины перед ее пропиткой антисептическими маслянистыми жидкостями. В этом случае в качестве агента сушки используют пропиточное масло. Процесс сушки и последующей пропитки проходит в автоклаве (автоклав представляет собой цилиндрический герметичный сосуд, в котором можно создавать избыточное давление). Такой способ применяется для обработки столбов линий электропередачи и связи, шпал и других крупномерных сортиментов. Он получил название совмещенная сушка-пропитка.

Установка для совмещённой сушки-пропитки (рис. 3) состоит из рабочего автоклава 5, маневрового автоклава 2, циркуляционного насоса 7, конденсатора 3, сборника конденсата 4, мерника 8, пеногасителя 1. Маневровый автоклав и пеногаситель оборудованы гладкотрубными калориферами.

Сушку древесины осуществляют следующим образом. В маневровом автоклаве пропиточное масло нагревают до температуры около 130 °С, а затем им заполняют рабочий автоклав, который предварительно загружают обрабатываемыми сортаментами. Далее включают циркуляционный насос, создавая тем самым в рабочем автоклаве продольную циркуляцию агента обработки. Масло, охлажденное при прохождении через высушиваемый материал, насосом подается в маневровый автоклав, где нагревается до заданной температуры (130 °С), а затем самотеком поступает в рабочий автоклав. Пары влаги и масла, а также образующаяся при сушке пена из рабочего автоклава по трубопроводу 6 поступает в пеногаситель, а затем в маневровый автоклав. Пена, попадая на поверхность калориферов пеногасителя и маневрового автоклава, разрушается, а пары поступают в конденсатор; далее конденсат воды и масла поступает в сборник. После отделения воды от масла воду направляют на очистные сооружения, а масло перекачивают в баки хранения. Окончив сушку, древесину пропитывают. Для этого рабочий автоклав отсоединяют от маневрового и создают в нем избыточное давление сжатым воздухом через мерник. Продолжительность сушки зависит от характеристики высушиваемых сортиментов и требуемой конечной влажности древесины. Она колеблется в пределах от 3 до 20 ч.

Определенный интерес представляет способ сушки в концентрированных нагретых растворах солей, например, в насыщенном растворе нитрата натрия (NaNO3). Температура раствора при такой сушке должна быть выше температуры точки кипения воды. Перемещение влаги происходит под действием избыточного давления и разности парциальных давлений пара над поверхностью воды и над поверхностью раствора. Такой способ надет промышленное применение для сушки пиломатериалов из трудно проницаемой для жидкостей древесины, например, лиственницы.

Индукционная сушка

Индукционная сушка пиломатериалов основана на следующем.

Штабель пиломатериалов (рис. 4) с уложенными между рядами досок 3 ферромагнитными элементами 4 (сетками из мягкой полосовой стали) помещают в электромагнитное поле промышленной частоты (50 Гц), образованное во внешнем по отношению к штабелю соленоиде 2. Соленоид монтируется внутри сушильной камеры 1 (снабженной системой циркуляции) из проводников больших сечений. Ферромагнитные элементы, нагревающиеся индуктивными токами, передают тепло древесине путем непосредственного контакта (кондуктивным способом) и путем конвекции от циркулирующего воздуха).

Соленоид состоит из нескольких секций, которые подключают к сети трехфазного тока последовательно, параллельно, на «звезду» или «треугольник». Температура сеток регулируется путем изменения напряженности электромагнитного поля, что достигается различными вариантами включения соленоида.

В процессе сушки температура древесины при этом способе выше, чем температура окружающей среды, в результате чего в штабеле создается положительный температурный перепад, который интенсифицирует процесс удаления влаги из материала.

Продолжительность индукционной сушки в два раза меньше по сравнению с камерной сушкой пиломатериалов нормальными режимами.

Способ характеризуется примерно таким же расходом электроэнергии, как и камерно-диэлектрическая сушка. Себестоимость индукционной сушки примерно в два раза выше себестоимости камерной сушки. Этот способ не обеспечивает удовлетворительного качества высушенного материала. Имеет место большая неравномерность просыхания материала, местные перегревы, большие внутренние напряжения. Поэтому индукционная сушка не может быть рекомендована для широкого промышленного внедрения. Она доступна на мелких предприятиях, испытывающих затруднения с пароснабжением, для сушки пиломатериалов по III категории качества.

Вакуумная сушка

При вакуумной сушке штабель пиломатериалов помещают в герметичную камеру или автоклав, где вакуум-насосом создают пониженное давление.

Можно выделить три основных разновидности вакуумной сушки: сушки при постоянном во времени вакууме, сушку со сбросом давления и вакуумно-диэлектрическую сушку.

Сушка древесины при постоянном во времени вакууме не имеет преимуществ перед обычной конвективной сушкой и поэтому не применяется.

Сушка со сбросом давления используется в промышленности как предварительная обработка древесины перед ее пропиткой. Она проходит в два этапа. На первом этапе древесину нагревают. Для этой цели используют только пропарку (можно применять нагрев в высокочастотном поле). На втором этапе нагретую древесину выдерживают в вакууме глубиной 0,08-0,085 Мпа. Если древесина была прогрета до температуры, превышающей температуру точки кипения воды при заданном пониженном давлении, то за счет тепла, аккумулированного древесиной в период нагрева, происходит кипение влаги в полостях клеток. Влага в виде пара удаляется из древесины под действием избыточного давления. Количество удаляемой влаги сравнительно невелико (влажность понижается на 15-30%) и зависит от степени нагрева, глубины вакуума, продолжительности выдержки в нем, характеристики древесины. Сушку со сбросом давления проводят иногда двумя-тремя циклами. Однако следует иметь ввиду, что 80-90% от общего количества удаленной влаги приходится на первый цикл.

При вакуумно-диэлектрической сушке (рис. 5) электроды рабочего конденсатора 2 высокочастотной установки 1 монтируют внутри герметичной камеры или автоклава 3. Расход тепла на нагревание древесины и испарение из нее влаги компенсируется, как и при диэлектрической сушке, энергией высокочастотного электромагнитного поля. Часть испарившейся из древесины влаги в виде пара отсасывается из сушилки вакуумным насосом 5, через конденсатор 4, а часть влаги конденсируется на внутренней поверхности ограждений и может удаляться в жидкой фазе. Особенность этого процесса состоит в том, что древесина сохнет в среде почти чистого пара высокой степени насыщенности. Благодаря этому, как и при камерно-диэлектрической сушке, процесс проходит при малом перепаде влажности по толщине сортиментов и малых внутренних напряжениях в них.

Достоинством вакуумно-диэлектрической сушки является то, что удаление влаги из древесины проходит при сравнительно низкой температуре (вследствие снижения температуры точки кипения воды при пониженном давлении), а следовательно, без изменения физических свойств и прочности древесины.