[2]Заявляемое изобретение относится к устройствам сушки и термообработки древесины, в частности пиломатериалов, и может быть использовано для термической обработки различных пород древесины в деревообрабатывающей промышленности для улучшения ее физико-химических и потребительских характеристик. Достоинства древесины как строительного и конструкционного материала хорошо известны. Вместе с тем древесина крайне неустойчивый материал, который разрушается под воздействием внешних факторов, она гигроскопична, легко подвержена разрушительным воздействиям атмосферы, обладает низкой биостойкостью и высокой пожароопасностью.
[4]Чтобы защитить древесину от вышеперечисленных неблагоприятных воздействий, требуется применение специальных средств пропитки и термообработки. Технология термообработки и устройства нанесения средств пропитки могут быть самыми различными, и, как правило, зависят от условий обработки, возможностей дальнейшего использования строительного материала. Известны, например, пропитка под давлением в пропиточных автоклавах с последующей сушкой в том же автоклаве.
[5]Из уровня техники известна установка для сушки древесины (RU 2 319 086 C1, опублик. 10.03.2008г.), в которой реализуют способ сушки, заключающийся в нагревании древесины в сушильной камере с помощью конвекторов, включая сбор испаряемой влаги внутри камеры на конденсорах с последующим выводом сконденсированной влаги за пределы камеры, при этом процессы нагревания до температуры не более 35-45°С и конденсации осуществляют без теплообмена с окружающей средой. При этом конвекторы (нагреватели) расположены в нижней части камеры, а конденсоры представляют собой трубы (радиаторы), охлаждаемые водой или воздухом нужной температуры.
[6]Недостатком указанного способа сушки и установки, его реализующей, являются низкие температуры сушки, что предполагает большую продолжительность процесса сушки, в результате чего повышается опасность развития на поверхности пиломатериалов биологических древесных поражений, например, синей гнили.
[7]Известна также конструкция сушильной установки (RU 2 137 995 C1, опублик. 20.09.1999г.), содержащей герметичный цилиндрический корпус с теплоизоляцией, тракт сушильного агента со средствами его распределения и размещенными в нем в технологическом порядке по направлению движения потока конденсатором, вентилятором и калорифером, трубопровод слива конденсата, подключенный к донной части корпуса и трубопровод напуска наружного воздуха, вакуумный насос, где конденсатор выполнен в виде не теплоизолированной донной части корпуса. Таким образом, при конденсации паров в донной части корпуса горячий конденсат нагревает рекуперативный теплообменник и проходящий через него наружный воздух попадает в камеру частично разогретым.
[8]Недостатком данной конструкции является высокая энергоемкость сушильной установки в результате технологически обусловленной необходимости использования внешнего воздуха, даже частично нагретого, что способствует потере части энергии, предназначенной на нагрев штабеля из-за вывода тепла за пределы камеры.
[9]Известен способ термической обработки древесины (RU 2 277 045 C2, опубл. 27.05.2006г.), включающий нагревание древесины до 140-150°С в атмосфере воздуха, затем нагрев до 210-230°С в среде водяного пара, создаваемого путем дозированного впрыска воды и вытеснением воздуха и газов из камеры, саморазогрев древесины до 240°С и остановка саморазогрева путем того же впрыска воды. Нагрев древесины осуществляется через воздуховоды тепловым высокотемпературным вентилятором посредством блока управления нагревом воздуха, включающим воздушные ТЭНы.
[10]Данный способ не только очень энергозатратен, но и нестабилен и пожароопасен из-за проведения реакции саморазогрева древесины.
[11]Наиболее близким техническим решением к заявляемой установке является конструкция сушильной камеры по патенту RU 2 277 682 C2 (опублик. 10.06.2006г.), которая содержит вакуумный насос для создания разрежения, средство для нагревания сушильной камеры, расположенное в нижней части камеры, средство конденсации пара, расположенное в верхней части камеры, и средство для отвода конденсата. Для реализации способа сушки при температуре 25-39°С в камере создается разрежение в пределах 90-100 мм рт.ст., что приводит к образованию в камере насыщенного пара, после чего конденсатосборник обеспечивает естественную конвекцию в камере посредством перемещения холодного воздуха от средств конденсации вниз, а при достижении влажности менее 70% возобновляют нагрев камеры в пределах 70-75°С при разрежении в пределах 90-75 мм рт. ст. до испарения связанной влаги из древесины.
[12]К недостаткам данного способа и конструкции сушильной установки относятся большая энергоемкость, увеличенная длительность процесса сушки, который в зависимости от толщины пиломатериала и породы древесины может продолжаться от 7 до нескольких десятков суток, что часто обусловлено плохой конвекцией в штабеле и зависит от того, как он (штабель) уложен.
[13]Известные конструктивные решения не предполагают, что сушильная установка может работать при повышенном давлении и температуре, что не позволяет проводить в них процессы глубокой термообработки древесины, особенно древесины, предварительно пропитанной модификатором.
[14]Таким образом, существует необходимость создания менее энергозатратной сушильной установки, а также способа сушки древесины, позволяющего сократить время сушки и термообработки относительно известных способов.
[15]Краткое раскрытие сущности изобретения
[16]Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в сокращении времени сушки и термообработки штабеля древесины. К техническим преимуществам заявляемого решения можно также отнести снижение внутренних напряжений древесины, снижение энергоемкости процесса сушки и термообработки, а также расширение технологических возможностей обработки древесины.
[17]Заявляемый технический результат достигается тем, что способ сушки и термообработки древесины включает
[18]- прогрев штабеля древесины до температуры 50-95°С при давлении не менее 0,05 МПа с образованием парогазовой смеси в результате испарения избыточной влаги из древесины,
[19]- сушку до достижения заданной влажности штабеля древесины в вакууме от (-0,008 МПа) до (-0,005 МПа) при его активной вентиляции по замкнутому контуру парогазовой смесью при повышенном парциальном давлении и принудительной циркуляции охлаждающей жидкости,
[20]- сброс вакуума и охлаждение штабеля древесины посредством увеличенной подачи охлаждающей жидкости.
[21]Сушку необработанной древесины ведут до достижения влажности 3-5%. Сушку пропитанной модифицирующими растворами древесины ведут до достижения влажности 20%, после чего дополнительно интенсивно нагревают штабель до температуры 175-200°С и выдерживают при такой температуре в течение 3-5 часов. Излишки парогазовой смеси при давлении более 0,5 МПа очищают от вредных примесей и сбрасывают в атмосферу. Заявляемый технический результат достигается также решением установки для сушки и термообработки древесины, включающей камеру автоклава, соединенную через фланец со скруббером, при этом в нижней части камеры вдоль ее стенок расположены нагревающие регистры, в центральной нижней части камеры введено сопловое устройство, соединенное с вентилятором высокого давления, а в верхней центральной части камеры введено всасывающее устройство, соединенное через обводной внешний воздуховод с вентилятором высокого давления, обеспечивающим циркуляцию парогазовой смеси в камере от соплового к всасывающему устройству, в верхней части камеры установлен конденсатосборник, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости, сбор и вывод конденсата. В качестве теплоносителя в нагревающих регистрах может быть использовано высокотемпературное синтетическое масло, предварительно нагретое, например, в электрокотле с помощью блока ТЭНов, и подаваемое в регистры с помощью высокотемпературного насоса. Конденсатосборник установки включает конденсирующие трубы для транспортировки охлаждающей жидкости, расположенные вдоль протяженности камеры, под которыми размещен лоток сбора конденсата, сообщающийся с герметичной емкостью, расположенной вне камеры автоклава. Нагревающие регистры расположены в нижней части камеры и снабжены испарителями. Всасывающее устройство представляет собой вакуумный насос. Вдоль стенок камеры в верхней части по всей ее протяженности установлены аэродинамические профили, представляющие собой пластины вогнуто-выпуклой формы, обеспечивающие перенаправление потока парогазовой смеси. Камера автоклава может быть снабжена датчиками влажности и/или датчиками температуры. Скруббер установки включает бак, с предустановленными кассетными фильтрами, содержащими фильтрующий элемент в виде гранул цеолита.
[22]Краткое описание чертежей
[23]Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, где
[24]на фиг.1 схематично представлен вид сбоку на установку,
[25]на фиг.2 представлено сечение автоклава установки (сечение В-В),
[26]на фиг.3 представлен эскизный чертеж скруббера.
[27]на фиг. 4 представлен эскизный чертеж аэродинамического профиля.
[28]Позициями на чертежах обозначены:
[29]1. Вентилятор высокого давления;
[30]2. Сопловое устройство;
[32]4. Нагревающие регистры;
[33]5. Аэродинамический профиль;
[34]6. Лоток сбора конденсата;
[35]7. Конденсирующие трубы;
[36]8. Всасывающее устройство;
[38]10. Датчик температуры;
[39]11. Датчик влажности;
[41]13. Охладитель (вода);
[42]14. Вход в бак с охладителем;
[43]15. Выход из бака с охладителем;
[44]16. Вход для парогазовой смеси;
[45]17. Кассетный фильтр;
[46]18. Выход в атмосферу;
[47]19. Обводной воздуховод;
[48]20. Фланец испарителя;
[49]21. Фланец выхода конденсата в герметичную емкость,
[51]Осуществление изобретения
[52]Из теоретических работ (Кречетов И.В. Сушка древесины., М.Лесн. пром-ть.1980) известно, что максимальная интенсификация процесса сушки достигается при температурах, близких к 100°С, при которых парциальное давление пара больше, чем давление воздуха в камере, а это приводит к тому, что пар занимает весь объем камеры, вытесняя воздух. При выполнении такого условия сушка, как и термообработка осуществляется наиболее качественно и эффективно, за счет снижения внутренних напряжений в древесине и, как следствие, предотвращения ее растрескивания. Вторым фактором, влияющим на эффективность сушки, является обеспечение равномерной по всей длине высоте и ширине штабеля пиломатериала циркуляции сушильного агента, в качестве которого используют водяной пар, постоянное поступление которого из внутренних слоев древесины к внешним можно обеспечить быстрым разогревом штабеля пиломатериалов с применением соответствующего обрабатываемой породе древесины режима обработки (температура, давление, скорость циркуляции сушильного агента, объем сушильного агента).
[53]При этом общий расход тепла при сушке древесины (на испарение влаги, на нагрев оборудования, на излучение, поддержания необходимого уровня влажности в камере и т. д.) во много (до 10) раз больше, чем расход тепла на испарение влаги из древесины. При этом, соответственно, применение вакуума даже при высокотемпературной сушке способствует снижению уровня как нагрева оборудования, так и пассивного излучения, что существенно снижает затраты на сушку.
[54]В заявляемом способе сушки и термообработки древесины сушильным агентом является преимущественно парогазовая смесь, выделяющаяся из наружных слоев высушиваемых пиломатериалов. Для ее образования штабель древесины в начале процесса термообработки подвергают прогреву при повышенном до 0,05 МПа давлении. При этом древесину, не пропитанную растворами модификатора, нагревают до температуры 50°С, а штабель предварительно пропитанной древесины, например, азотсодержащими водными растворами модификатора - до температуры 95°С. По достижении указанных температур в камере создают вакуум разрежением соответственно от (-0, 008) до (-0,005) МПа, и обеспечивают сушку предварительно прогретых пиломатериалов в штабеле при активной вентиляции его парогазовой средой с помощью принудительного нагнетания и циркуляции в камере по замкнутому контуру посредством вентилятора высокого давления, конденсатосборником, и аэродинамическим профилем а при недостаточности влажности в камере - испарителем.
[55]Сконденсированную влагу, выделяющуюся в лоток конденсатосборника, сливают в наружную специальную вакуумированную емкость. По достижении влажности 3-5% для обычной древесины, не пропитанной модификатором, в штабеле сушка переходит в режим охлаждения до 40-50°С с помощью увеличенной подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы конденсатосборника.
[56]При проведении термообработки модифицированных пиломатериалов, пропитанных, например, азотсодержащим модификатором, по достижению в результате сушки в штабеле влажности не менее 20%, производят дальнейший нагрев штабеля, со сбросом вакуума, до температуры термообработки в 175-200°С в зависимости от обрабатываемой породы древесины и ее сортамента.
[57]Например, для модифицированной древесины типа «сосна» на данном этапе необходимо достижение температуры до 175°С, а для модифицированной березы - до 200°С.
[58]При этом происходит интенсивный рост давления в камере, благодаря химическим реакциям, происходящим в древесном веществе, от воздействия температуры и давления. При достижении в камере давления не более 0,5МПа излишнее давление парогазовой среды сбрасывают через специальный фильтр очистки парогазовой среды (выполненный, например, в виде скруббера 12, 17), с отведением уже очищенного воздуха в атмосферу. Для завершения термообработки штабеля модифицированной древесины, при достижении заданной температуры термообработки 175°С-200°С, штабель древесины выдерживают в установке при этой температуре не менее 3-5 часов в зависимости от типа обрабатываемой породы древесины и ее сортамента. Так, например, для хвойных пород достаточное время выдержки составляет 3 часа, а для лиственных - до 5 часов. После чего по аналогии с необработанной древесиной производится интенсивное охлаждение штабеля с помощью активной работы вентилятора высокого давления и большей подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы конденсатосборника.
[59]Вышеописанный способ реализуют посредством использования заявляемой сушильной установки (фиг.1), включающей герметичный автоклав и соединенный с ним скруббер.
[60]Автоклав выполнен в виде протяженной горизонтально ориентированной камеры, предпочтительно, цилиндрической формы, центральная часть которой предназначена для размещения штабеля обрабатываемой древесины. По внутренним стенкам ниже центральной горизонтальной оси камеры автоклава расположены нагревающие регистры 4, в которых в качестве теплоносителя циркулирует высокотемпературное синтетическое масло, нагреваемое в электрокотле с помощью блока ТЭНов, расположенных с внешней стороны автоклава, и подаваемое в регистры с помощью высокотемпературного насоса. В нижней центральной части по вертикальной оси камеры автоклава размещено сопловое устройство 2, соединенное с нагнетающим вентилятором высокого давления 1, расположенным с внешней стороны камеры. В верхней части (по вертикальной оси) камеры автоклава расположено всасывающее устройство 8, которое посредством внешнего обводного воздуховода 19 соединено с вентилятором высокого давления 1. Данные устройства обеспечивают циркуляцию парогазовой смеси в камере. При этом парогазовая смесь обдувает весь объем автоклава и штабель по шпациям и, нагреваясь от регистров, поступает во всасывающее устройство 8 обводного воздуховода. Для организации вторичного потока циркуляции теплоносителя используют конденсатосборник, размещенный в верхней части камеры и состоящий из конденсирующих труб 7 и лотка сбора конденсата 6. Собранный конденсат выводится через фланец 21 наружу в специальную герметичную емкость. Для обеспечения оптимального качества обрабатываемой древесины и создания необходимого давления и влажности в камере установка оснащена испарителями 3, расположенными на нижних нагнетающих регистрах с высокотемпературным маслом через фланцы 20. Вакуум в установке создается вакуумным насосом, подключенным к камере. Для лучшей циркуляции в камере парогазовой среды, она оснащена в верхней части камеры слева и справа от лотка сбора конденсата аэродинамическими профилями 5, которые обеспечивают направленное скоростное движение парогазовой смеси от нагревающих регистров 4 к всасывающему устройству 8. Аэродинамические профили могут быть выполнены, например, в виде вогнуто-выпуклых (с закруглением носка профиля) по всей рабочей длине камеры пластин и расположены вертикально, вблизи лотка сбора конденсата 6 и стенки камеры 22 с зазором 20-30 мм, что обеспечивает увеличение скорости потока сушильного агента и местного разрежения на скоростном участке в сужающейся части аэродинамического профиля от стенки камеры.
[61]Для текущего измерения влажности пиломатериалов в штабеле камера снабжена датчиками контроля температуры 10 и влажности 11 древесины.
[62]Фильтр очистки (скруббер) соединен с автоклавом через фланец 9 автоклава и вход 16 в фильтр очистки. При повышении давления парогазовой среды при термообработке, она отводится в скруббер, состоящий из бака 12 со входом 14 и выходом 15, заполняемого охлаждающей водой 13, и набора кассетных фильтров 17, содержащих фильтрующий элемент, выполненный, например, в виде гранул цеолита. Фильтрующие элементы обеспечивают дополнительную очистку парогазовой среды. Очищенный воздух через выход 18 в верхней части скруббера выводят в атмосферу.
[63]Заявляемая установка работает следующим образом.
[64]Штабель древесины (необработанной модификатором или предварительно пропитанной азотсодержащими водными растворами модификатора) размещают в камере автоклава, которую герметизируют. Включают нагрев регистров 4 и вентилятор высокого давления 1 и поднимают давление в камере до 0,5 МПа. Посредством теплообмена от предварительно нагретого синтетического масла, подаваемого в регистры 4, нагревают внутренний объем камеры автоклава до 50°С - 95°С, в зависимости от типа обрабатываемой древесины (необработанная и модифицированная, соответственно). По достижении указанных температур с помощью подключенного вакуумного насоса в камере создают вакуум разрежением соответственно от (-0, 008) до (-0,005) МПа. Запускают цикл активной вентиляции, в котором парогазовую смесь, образованную в результате испарения при нагреве штабеля древесины на первом этапе, с помощью всасывающего устройства втягивают в обводной воздуховод и нагнетают с помощью вентилятора высокого давления через сопловое отверстие в камеру автоклава. При этом поток парогазовой смеси поднимается от нагревающих регистров и ускоряется при прохождении через аэродинамические профили, которые также задают направление дальнейшего движения потока ко всасывающему устройству. Одновременно активируют вторичный цикл циркуляции теплоносителя, для чего собирают конденсат в лоток под конденсирующими трубами, куда предварительно подают охлаждающую жидкость, и выводят конденсат через фланец 21 наружу в специальную герметичную емкость.
[65]При таком режиме древесину сушат до достижения заданного уровня влажности.
[66]По достижении влажности обычной древесины в 3-5% вакуум сбрасывается отключением вакуумного насоса. Штабель активно охлаждают с помощью вентилятора высокого давления 1 и увеличения подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы 7.
[67]По достижении влажности пропитанной древесины в 20% вакуум сбрасывают отключением вакуумного насоса и дополнительно проводят этап нагрева. Штабель активно прогревают с помощью регистров нагрева 4 при давлении 0,5 МПа до температуры 175°С (например, для сосны) или до 200°С (для березы). При этом излишнее давление парогазовой среды сбрасывают через вход 16 скруббера, где в охладителе 13 и кассетном фильтре 17 происходит отделение вредных паров от чистого воздуха, который уходит в атмосферу через выход 18. При достигнутой температуре штабель выдерживают определенное время: например, для хвойных пород достаточное время выдержки 3 часа, а для лиственных - до 5 часов. По окончании выдержки нагрев отключают и штабель активно охлаждают с помощью вентилятора высокого давления 1 и увеличения подачи охлаждающей жидкости в конденсирующие трубы 7.
[68]Пример конкретного выполнения
[69]В качестве опытной эксплуатации заявляемой установки и реализуемого с ее помощью способа обработки древесины проведена сушка и термообработка штабеля сосновых пиломатериалов толщиной 40мм, шириной 140 мм и длиной 6 метров, предварительно пропитанных водным составом азотсодержащего модификатора. В результате проведенной термообработки от 120 %-ной влажности доски до 5 %-ной влажности после термообработки с учетом времени на охлаждение штабеля, потребовалось 7 суток.
[70]При совокупной работе всех агрегатов установки потребленная мощность составила 400 кВт на один куб древесины. Тогда как по данным А. М. Попова, С. В. Сергеева, В.В.Сергеева и Ю.И.Тракало «Опыт эксплуатации камер с тепло электронагревателями для сушки пиломатериалов» расход электроэнергии только на сушку (без термообработки) одного кубического метра древесины составляет 450-500 кВт. Полученные результаты подтвердили сокращение времени сушки и термообработки и энергоэффективность предлагаемого способа и установки для сушки и термообработки древесины.
