Бескалориферные лесосушильные камеры с использованием природного газа

Актуальность темы

Сушка пиломатериалов является одной из основополагающих и необходимых технологических операций предшествующих их использованию. Без сушки нет и не может быть качественной деревообработки Характерной особенностью этой подотрасли промышленности является её размещение во всех экономических регионах страны, где имеется лесопильное производство [1], [2], [3], [4].

Переход всех лесозаготовительных предприятий лесного комплекса к рыночной экономике побудил руководство предприятий к созданию внутри холдинговых компаний лесопильно-деревообрабатывающих цехов с высокой степенью переработки заготавливаемой древесины, что в свою очередь вызвало дополнительный дефицит сухих пиломатериалов [2].

Типовое оборудование — лесосушильные камеры периодического действия типа УЛ-1, СПЛК-1, УРАЛ-72 и СПМ-2к в настоящее время не производятся. В каждом регионе РФ их заменили новые модели установок, разработанные региональными вузами и проектными организациями совместно с производственниками [5], [6], [7], [8], [9], [10].

К ним можно отнести: калориферные водяные установки типа ИУ-1 В, ИУ-30 и ИУ-60 (ОАО «ЭКОДРЕВ») — УРАЛ-10 и УРАЛ-30 (ООО «Проектсер-вис») — серия камер типа БСК, СК и КОС (НПП «УРАЛДРЕВ-ИНТО») и др. установки, копирующие импортные (все они работают с использованием дров или древесных отходов). Наличие теплотехнического и сантехнического оборудования значительно снижает эффективность их использования. Из нормативных режимов, предусматривающих для ведения процесса сушки наличие технологического пара (на предприятиях его попросту нет), используется только категория мягких режимов, температурно-влажностные параметры которых соответствуют теплотехническим характеристикам горячей воды, производимой котельными предприятий [11], [12], [13].

В сложившихся условиях, по нашему мнению, наиболее перспективными являются установки, использующие в рабочем объёме камер энтальпию топочных газов от сжигания древесного топлива, природного или генераторного газов. Попытки создания таких установок в двадцатом веке частично имели успех. В первую очередь это туннели непрерывного действия системы проф. Кречетова И. В. (использование тепла топочных газов от сжигания древесных отходов и природного газа) — камеры ЦНИИМОД -32 [1], [13], которые эксплуатируются и в настоящее время. Условия эксплуатации туннелей и их конструкция позволяют в большом рабочем объёме камеры использовать топочный газ практически с любым коэффициентом избытка свежего воздуха, чего нельзя сказать о камерах периодического действия.

Из камер периодического действия известны сушилки УкрНИИМОДа, работавшие в 70-ые годы на Киевской МФ и Тюменском ДОКе [1], [14]. На первом этапе эксплуатации камеры работали с использованием тепла топочных газов от сжигания дизельного топлива, а затем — сжиженного природного.

В силу разных причин в настоящее время они прекратили своё существование. Основными причинами отказа от них производственников являлись: неудовлетворительное качество сушки (сложность управления камерой по каналу мокрого термометра) и сложность в управлении процессом горения энергоносителя (сложность конструкции воздухонагревателя).

Попытки преодолеть указанные трудности до настоящего времени из литературы неизвестны. Однако, легкая транспортабельность газа, высокое теплосодержание, относительно низкая его стоимость и отсутствие теплового и сантехнического оборудования, в сочетании с современной аэродинамической схемой рециркуляции сушильного агента по пиломатериалу, а также — с надежным автоматизированным теплообменником (воздухонагревателем), позволят создать лесосушильную камеру, отвечающую современным требованиям.

Следовательно, создание новых экономичных типов сушильных камер на основе научно-обоснованных решений является актуальной научнотехнической проблемой.

Цель работы — повышение эффективности сушки пиломатериалов в бескалориферных сушильных камерах с использованием тепла топочных газов от сжигания природного или генераторного газа.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Анализ технических решений существующих типов газовых сушильных камер с обоснованием выбора базовой аэродинамической схемы циркуляции агента сушки.

2. Исследование возможности качественной сушки пиломатериалов в лабораторных условиях при низких значениях степени насыщенности среды.

3. Исследование динамики нагрева среды с элементами теории подобия в лабораторных условиях при различных значениях тепловой мощности источника тепла.

4.Исследование закономерностей нагрева среды в процессах конвективного теплообмена в лесосушильных камерах с поиском условий его регуляризации.

5. Разработка нормативно-технической документации, проектирование, изготовление опытно-промышленного образца и промышленного варианта сушильной установки повышенной вместимости с новым источником тепла — воздухонагревателем, работающем на природном или генераторном газе.

6. Определение в промышленных условиях тепловых, аэродинамических, динамических и качественных характеристик новой установки.

7. Исследование возможности применения стандартных режимов в новом типе камеры для качественной сушки пиломатериалов.

8. Сравнительный анализ эффективности принятых технических решений при создании нового оборудования в производственных условиях.

Объекты исследований — сушильные хозяйства деревообрабатывающих предприятий различных отраслей промышленности.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается научной обоснованностью исходных теоретических положений и необходимым объёмом экспериментальных данных, обеспечивающих статистический анализ результатов, использованием современных методик измерений и измерительной аппаратуры, а также эксперименталь ным подтверждением удовлетворительной работы новой модели камеры при более, чем годовой эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Совокупность экспериментальных зависимостей, установленных в процессе исследования характера протекания процесса сушки пиломатериалов, описание которых возможно отдельными положениями теории теплового подобия воздушных потоков.

2. Новое техническое решение по аэродинамической схеме циркуляции для повышения равномерности скоростного поля в рабочем объёме камеры при торцовом расположение центробежных вентиляторов.

3. Использование эффекта «отсекания» ядра теплового воздушного потока и снижение коэффициента избытка свежего воздуха источника тепла, положительно влияющие на характер протекания процесса сушки и позволяющие применять нормативные режимы сушки.

4. Результаты экспериментальных исследований процесса сушки на новом действующем промышленном образце сушильной камеры с использованием энтальпии топочных газов от сжигания природного газа.

5. Технические предложения и технологический регламент по качественной сушке пиломатериалов.

Научная новизна работы.

В результате проведенного исследования были получены следующие новые элементы научного знания:

1. Впервые в бескалориферных камерах периодического действия экспериментально показана возможность устойчивого ведения процесса сушки по каналу смоченного термометра при нестационарных условиях среды с постоянной мощностью теплового потока <2^=3800 кДж/кг исп.вл. или при удельном расходе газа 21 нм3/м3 усл. пиломатериалов.

2. Впервые исследована динамика нагрева среды в модели камеры с использованием теории теплового подобия. Установлено, что динамика изменения температуры в модели камеры и в промышленной установке по каналу сухого термометра подчиняется закону экспоненты и имеет участок регулярного теплового режима, т. е. логарифм избыточной температуры изменяется по линейному закону.

3. Выполнено аналитическое описание процесса нагрева среды в лесо-сушильной камере при нестационарном его протекании во времени с использованием рядов Фурье. Показано, что интенсивность теплопередачи через ограждения камеры в основном зависит от произведения двух критериев — Предводителева (Рс1)и Фурье (ро).

4. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что процесс сушки древесины в камере периодического действия проиоодит более эффективно при снижении коэффициента избытка воздуха газового нагревателя с, а = 60 до, а = 2, 6 при осуществлении смешивания топочных газов и сушильного агента в камере в пропорции 1:2,6:1700.

5. Исследованы динамические, статические и тепловые характеристики созданной новой лесосушильной камеры с аппроксимацией отдельных экспериментальных зависимостей математическими выражениями (при рассмотрении динамики нагрева и остывания).

6. Разработана новая эффективная аэродинамическая схема бскалори-ферной лесосушильной камеры с реверсированием потока воздуха повы.

• шенной вместимости. Техническое решение новой установки обладает патентной чистотой в сочетании с сертифицированным источником тепла, работающем на природном газе ВНС-90м.

Практическая значимость.

Использование природного или генераторного газа в качестве энергоносителя для лесосушильных камер позволит значительно снизить стоимость сушки пиломатериалов на деревообрабатывающих предприятиях лесного комплекса и других отраслей промышленности. Разработанная нормативно-техническая и конструкторская документация на новую сушильную камеру ИУ-2ПГ с сертифицированным источником тепла ВНС-90м даст возможность осуществить строительство сушильного блока в кратчайшие сроки.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные её разделы были заслушаны и получили одобрение на: ежегодных научно-технических конференциях «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (Екатеринбург, 2001 — 2005 г.г.), сессиях Совета по современным проблемам древесиноведения (С.- Петербург, 2002 -2003 гг) — ежегодных региональных выставках «Лесной комплекс» по деревообработке.

Реализация работы.

Основные результаты работы внедрены и апробированы на Старо-Пышминской мебельной фабрике «Логос-Плюс» и на других предприятиях деревообработки Среднего Урала, используется в учебном процессе факультета МТД по дисциплине «Гидротермическая обработка древесины» специальности 2602.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 151 странице, содержит 22 рисунка, 15 таблицсостоит из введения, 6-ти разделов, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 103 наименований 7 приложений на 15страницах.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Для увеличения сушильных мощностей деревообрабатывающих предприятий лесного комплекса и других отраслей промышленности необходимо создавать сушильные установки с альтернативными источниками тепла с учетом реальной стоимости теплоносителей, их доступностью и возобновляемостыо.

2. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что динамические характеристики по показаниям сухого термометра в созданной камере (на холостом ходу — при заводских испытаниях и в загруженном состоянии — при сушке) описываются экспоненциальной зависимостью, в которой определяющая роль принадлежит темпу прогрева и критерию Предводи-телева Рс1.

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что регуляризацию процесса нагрева среды, как общую закономерность теплообмена внутри системы в целом, можно отнести не только к твердому телу, но и к нагревающему его агенту — воздуху.

4. Технические решения, принятые в новой установке обладают патентной чистотой и позволяют получать в камере равномерное реверсивное скоростное поле и, как следствие, равномерные поля влажности с максимальным среднеквадратичным отклонением конечной влажности от ее среднего значения не превышающим ± 1,76%, пересортица пиломатериалов после сушки составляет менее 4%, внутренние остаточные напряжения в материале после сушки соответствует требованиям второй категории качества.

5. Снижение коэффициента избытка воздуха нового газового источника тепла ВНС-90м для сушильных камер периодического действия с, а = 62,5 до, а = 2,6 позволяет получать пиломатериалы по любой категории качества сушки.

6. Наличие реверсирования потока сушильного агента не только снижает отклонение конечной влажности пиломатериалов, но и позволяет снизить расход потребляемой электрической энергии на привод вентиляторов на 30%. При этом среднее значение вариационного коэффициента скорости движения воздуха по материалу составляет 26%, среднеквадратическое отклонение от среднего находится в пределах ± 0,7 м/с.

7. Среднее значение коэффициента теплопередачи через ограждения 2 камеры ИУ-2пг Когр= 1,0Вт/(м -°С) — максимальное значение теплопотерь через ограждения Qoгp наблюдается в конце сушки и при температурном напоре /'= 110° С составляет 13 кДж/с.

8. Созданная новая модификация бескалориферной сушильной камеры типа ИУ-2ПГ с газовыми источниками тепла при удельном расходе тепла (ясуш=3800 кДж/кг исп. вл.) позволяет снижать стоимость сушки одного кубометра пиломатериалов (по сравнению с пароводяными установками) в 1,5 раза.

9. Результаты научно-исследовательских работ и новое техническое решение, реализованное в лесосушильной камере ИУ-2ПГ с использованием природного газа, рекомендуются для включения в рабочие программы учебного процесса средне-технических и высших учебных заведений и к внедрению на предприятиях деревообработки.