Сушка пиломатериала для несущих деревянных клееных конструкций

Актуальность работы. В СССР из года в год растет применение древесины в строительстве. Уже наряду с традиционными столярно-строительными изделиями в практику строительства все больше входят здания, собираемые из несущих и оградцающих деревянных клееных конструкций, срок службы которых обуславливается сроком морального старения самих зданий и находится в пределах 50 лет. Наиболее часто несущие и ограждающие деревянные конструкции применяются в сельском строительстве: при возведении животноводческих ферм, птичников, складов химических удобрений и др. Простота монтажа и демонтажа, а также высокие эксплуатационные качества несущих деревянных клееных конструкций (НДКК) в агрессивной среде сельскохозяйственных помещений делают их применение экономически и технически целесообразным.

Исследования химической стойкости древесины показывают, что она значительно лучше, чем бетон, сталь, асбоцемент или кирпич сопротивляется действию кислот, щелочей, растворов солей хлора и других реагентов. Эти же свойства сохраняются в деревянных клееных конструкциях [2]. В последнее время эти конструкции стали применяться и при возведении спортивных сооружений, при этом наибольший эффект достигается в большепролетных зданиях [з] .В целях обеспечения требуемых эксплуатационных качеств и долговечности НДКК необходимо строгое соблюдение всего технологического цикла изготовления клееных изделий, начиная с выбора материала, его сушки, склеивания и кончая монтажом из готовых изделий, а также принятия надлежащих защитных мер от воздействия агрессивных сред.

Один из важнейших факторов, влияющих на эксплуатационные ка чеотва и долговечность НДКК — это качественная сушка исходного пиломатериала, являющаяся одним из наиболее продолжительных и энергоемких процессов в ходе их изготовления.

Однако вопросами сушки пиломатериала для НДКК занимались мало. Отсутствуют рекомендации по сушке пиломатериала, его укладке. Некоторые требования к качеству сушки недостаточно обоснованы.

Всвязи с ростом производства НДКК были разработаны рекомендации по их изготовлению |4, 5, б}, куда вошли и рекомендации по сушке пиломатериала, составленные на основе норм [7]. Однако предлагаемые режимы либо весьма продолжительны, либо не удовлетворяют высоким требованиям к качеству сушки.

Как известно, процесс сушки древесины сопровождается возникновением напряжений, которые могут привести к ее растрескиванию. Обеспечение требуемого качества, при минимальных продолжительности и энергозатратах, возможно лишь ведением процесса при напряженном состоянии древесины близком, но не превышающем предельного. Для этого необходимо знать как величину, так и закономерности изменения напряжений, возникающих в ней при сушке, известные методы расчета которых имеют еще недостатки и требуют совершенствования.

Исследования, направленные на разработку режимов менее продолжительных и энергоемких, являются актуальными в свете постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно — энергетических и других материальных ресурсов» [в] .

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научных исследований по ГБ-77−28 № г. р. 77 034 064, включенной в План социального и экономического развития БССР, постановление СМ БССР от 4.05.78, № 131−10.

Научная новизна. Разработана математическая модель развития напряжений в древесине, как упруго-пластическом теле, и численно решена задача расчета полных напряжений на протяжении всего процесса трехступенчатой сушки с использованием ЭВМ:

— расчеты выполнены для случая параболического распределения влагосодержания в гигроскопической области поперечного сечения доски при нерегулярном и регулярном режиме, с переменным показателем степени параболы и функцией его изменения в стадии нерегулярного режима;

— дробление расчета на шесть этапов позволяет более полно учесть закономерности изменения напряжений при сушке, а также историю нагружения. Это дало возможность разработать режимы сушки пиломатериала для НДЕСК, обеспечивающие максимальную интенсивность, минимальные расходы тепловой и электрической энергии на сушку при высоком ее качестве, на базе ведения процесса при напряженном состоянии древесины близком к предельному.

Закономерности изменения напряжений в доске на первой и второй ступенях процесса от условий сушки и характеристик материала описаны критериальным уравнением, на основе которого разработана методика определения параметров режима на названных ступенях.

Выявлена зависимость критического влагосодержания от массо-обменного критерия Bio.

Разработаны методики и проведены экспериментальные исследования оптимальных параметров, структуры режимов сушки пиломатериала для НДЕСК, укладки его в штабель и динамики напряжений в древесине в процессе сушки:

— в ходе экспериментальных сушек подтверждена правомерность полученных теоретическим путем режимов сушки пиломатериалов для НДЕСК, а также методики их расчета;

— исследование аэродинамики штабеля при поперечно-вертикальной схеме циркуляции агента сушки позволило установить оптимальный способ его укладки.

Практическая' ценность. Методика расчета полных напряжений на протяжении всего процесса трехступенчатой сушки, алгоритм и программа их численного решения могут применяться в процессе разработки режимов сушки древесины при температуре до 100 °C.

Полученные режимы применимы при сушке мягких хвойных пиломатериалов, используемых для других ответственных изделий и конструкций из древесины.

Применение разработанных режимов сушки пиломатериала для НДЕСК, по сравнению с существующими, обеспечивает сокращение всего цикла сушки на 15−20%, которое достигается за счет сокращения как продолжительности собственно сушки, так и продолжительности тепло-влагообработки и кондиционирования пиломатериала. Это, вместе с исключением случаев повторных тепловлагообработок для ликвидации значительных остаточных напряжений, позволяет увеличить производительность сушильного оборудования, снизить удельные расходы тепловой и электрической энергии на 20−30%, при значительном улучшении качества высушенного пиломатериала.

Реализация работы. Режимы сушки пиломатериала для НДЕСК внедрены на заводах по производству клееных конструкций: СПМК-141 г. Гомеля, и сельском строительном комбинате г. Нелидово (Калининская обл.). В результате увеличена производительность сушильных цехов названных предприятий, снижены удельные расходы тепловой и электрической энергии на сушку, при значительном улучшении ее качества. Экономический эффект от внедрения режимов составил 36 900 рублей для г. Гомеля и 43 800 рублей в год для г. Нелидово. В настоящее время режимы внедряются на сельском строительном комбинате г. Петропавловска (Северо-Казахстанская область).

В первой главе проведен анализ требований, предъявляемых к качеству высушенного пиломатериала, идущего на изготовление ВДКК, а также дан обзор существующих способов и низкотемпературных режимов сушки пиломатериала в СССР и за рубежом. Сформулированы основные цели и задачи диссертации.

Во второй главе освещены современные методы аналитического определения полных напряжений, возникающих в пиломатериале при его сушке. Разработана методика расчета напряженного состояния древесины и аналитически описан процесс развития полных напряжений на протяжении всего процесса сушки с реализацией расчетов на ЭВМ, позволивших определить параметры низкотемпературных режимов сушки пиломатериала для НДКК.

В третьей главе описаны методы экспериментальных исследований напряженного состояния древесины при сушке и аэродинамики штабеля на созданной модели сушильной камеры, а также сами средства экспериментальных исследований, их работа и устройство.

В четвертой главе исследовано влияние параметров и структуры режима на величину полных напряжений при сушке и остаточных по ее окончании. Приведены результаты экспериментальной проверки параметров режима, рассчитанных в главе 2, а также исследований аэродинамики штабеля пиломатериала на модели.

В пятой главе приведены методика и результаты сравнительных опытно-промышленных сушек по разработанному и другим режимам сушки.

Как показали лабораторные исследования и промышленные испытания, разработанные режимы сушки позволяют сократить общую продолжительность процесса сушки, снизить удельные расходы тепловой и электрической энергии на сушку, улучшить ее качество.

Основные положения и результаты работы докладывались на конференции молодых ученых ИТМО АН БССР в 1978 г., Республиканской конференции «Повышение эффективности строительства животноводческих и производственных зданий и сооружений» .-Брест, 1981 г., научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Белорусского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛА ДЛЯ НЕСУЩИХ ДЕРЕВЯННЫХ КЛЕЕНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ литературных данных и результатов проведенных исследований показывает, что благодаря ведению процесса с учетом закономерностей развития напряжений в доске при многоступенчатой сушке, характеризующихся периодическими подъемами и спадами, ее возможно интенсифицировать при снижении удельных расходов тепловой и электрической энергии и высоком качестве материала.

2. На основе предложенной математической модели разработана методика расчета напряжений в доске при трехступенчатой сушке с реализацией решения на ЭВМ, отличающаяся от известных учетом изменчивости свойств древесины (уравнения 2.6, 2.7) и дроблением расчета на шесть этапов, позволяющими уточнить закономерности развития напряжений и аналитически определить оптимальные параметры и структуру режимов сушки пиломатериала для НДКК, обеспечивающих минимальную продолжительность процесса при высоком качестве.

3. В результате теоретических исследований разработаны режимы сушки пиломатериала для НДКК с практически постоянным, предельно допустимым уровнем температуры и ступенчато изменяющейся жесткостью режима, за счет изменения степени насыщения агента сушки в процессе перехода на вторую и третью ступени при влагосо-держании пиломатериала 30 и 25%, а при его толщине 50 мм и более — 35 и 25% соответственно, правомерность которых доказана результатами лабораторных и промышленных сушек. Режимы применимы при сушке пиломатериалов из мягких хвойных пород и для других ответственных изделий и конструкций из древесины.

4. На основании выполненных теоретических исследований показано, что параметры, влияющие на напряженное состояние древесины на первой и второй ступенях режима сушки, можно представить в критериальном виде и описать уравнением (2.35), что позволяет определить величину максимальных растягивающих напряжений на поверхности древесины на названных этапах в зависимости от характеристик материала и условий сушки.

5. Анализ результатов теоретических исследований позволил установить, что величина критического влагосодержания (влагосодер-жания, при котором начинается снижение растягивающих напряжений в поверхностной зоне доски при сушке) зависит от величины массооб-менного критерия Био, а для пиломатериалов с высоким начальным влагосодержанием и от количества смолы и экстрактивных веществ, содержащихся в древесине.

6. Результаты исследований показали, что наилучшая равномерность поля скоростей агента сушки достигается при формировании штабеля из двух сплошных пакетов и укладке пиломатериала в штабель без шпаций, либо со шпациями размером не более 15 мм.

7. Разработана методика определения параметров режима сушки пиломатериала для НДКК на первой и второй ступенях процесса по критериальным уравнениям, возволяющая быстро рассчитать их без применения специальных вычислительных средств.

8. Опытно-промышленные испытания разработанных режимов на заводе (ШМК-141 г. Гомеля и сельском строительном комбинате г. Нелидово (Калининская обл.) подтвердили результаты аналитических и экспериментальных исследований. Достигнуто повышение производительности сушильного оборудования, снижены удельные расходы тепловой и электрической энергии при улучшении качества, что позволило получить экономический эффект 36 900 и 43 800 руб/год соответственно. Результаты работы в настоящее время внедряются на ССК г. Петропавловска (КазОСР).

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Ь — температура, °СД^ - психрометрическая разность температуры, °Сf — относительная влажность агента сушки, Л/ -влагосодержание древесины, %- А =^о — л/Пц, % *, В = №о ~ Ц*, % ;

V — скорость движения, агента сушки, м/с- (~> - напряжения, Па;

К — модуль остаточных деформаций, ПаЕ — модуль полных деформаций, ПаЕ=ЕПН+А^/2, ПауЗ — коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости древесины при изменении ее влагосодер-жания, Па/ %? — относительная деформация- ^ - уравновешивающая относительная деформацияН — относительная толщина зоны с влаго-содержанием выше предела насыщения- ^ = - Б — толщина доски, мЯ = $/2, м.- рт — коэффициент влагоотдачи, м/с- (хткоэффициент влагопроводности, м^/сИ — показатель степени параболыо (- коэффициент усушки I/ %- - продолжительность сушки, с (ч) — у3 — условная плотность древесины, кг/м3- 1 Г — коэффициент вариации поля скорости- $ - размер шпации, мм- «Ро^ - мас-сообменные критерии Био и Фурье соответственно.

Индексы: О — центр доски, К — поверхность доски, пн — предел насыщения, р — равновесный, кр — критический, т — текущий, 1 -для момента, когда влагосодержание центра доски достигает предела насыщения, * - при критическим влагосодержании.

4.6.

Заключение

.

1. Экспериментальными исследованиями напряженного состояния пиломатериала хвойных пород (ель, сосна) подтверждена применимость методики аналитического расчета напряжений, изложенная в главе 2, а также эффективность расчетных параметров режимов сушки.

2. Установлено, что более эффективными для сушки пиломатериала при производстве ЦЦКК являются режимы с постоянным, предельно допустимым уровнем температуры и ступенчатым изменением жесткости за счет снижения влажности агента' сушки и переходе на вторую и третью ступени режима при текущем влагосодержании пиломатериала соответственно 30 и 25%. Для пиломатериала толщиной 50 мм и более первое переходное влагосодержание следует увеличивать до 35%.

3. Показано, что динамика изменения напряжений в процессе сушки хвойного пиломатериала с высоким начальным влагосодержа-нием несколько отличается от приведенной в литературе и характеризуется небольшими значениями напряжений в начальной стадии процесса, с интенсивным их ростом при значении влагосодержания пиломатериала близком к критическому. В свою очередь, величина критического влагосодержания зависит от величины критерия Е)1т, а для пиломатериалов с высокой начальной влажностью от количества смолы и экстрактивных веществ, содержащихся в древесине.

4. Получено, что для обеспечения более равномерной циркуляции агента сушки в штабеле, пиломатериал необходимо укладывать без шпаций либо со шпациями размером до 15 мм, а формирование штабеля осуществлять из двух сплошных пакетов.

5. Погрешность определения полных напряжений экспериментальным путем составляет 7%, но при определении максимума напряжений на поверхности она увеличивается до 15−20 из-за трудностей в точном определении момента их достижения. В связи с этим, погрешность в определении критерия по экспериментальным данным достигает 20−25%, а погрешность определения критерия р0щ 17−20%.

6. Эпюры полных напряжений, определенных экспериментально цри влагосодержании II, 13, 25%, достаточно близко сходятся с расчетными.

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Методика и результаты опытно-промышленных сушек по сравниваемым режимам.

Опытные сушки проводились в камерах фирмы «Больман» на Гомельском заводе СПМК-141, производящем НДКК. Для сушек применялся сосновый пиломатериал сечением 40×150 мм с высоким начальным влаго-содержанием (около 80%). Конечное влагосодержание принималось в соответствии с требованиями I категории качества сушки и составляло 10%. Укладка пиломатериала в штабель осуществлялась согласно требованиям [7], результатов исследований аэродинамики штабеля, выполненных в настоящей работе и была одинаковой для всех сушек. Для получения сравнительных результатов параллельно с сушкой по предлагаемому режиму проводились сушки по режиму из [б4] и режиму, рекомендованному фирмой «Больман» при параметрах агента сушки, соответствующих потенциальному фактору 2.7 (см. рис. 1.3). При сушке ступенчатыми режимами переход с этапа на этап осуществлялся при текущем влагосодержании пиломатериала 30 и 25% для предлагаемого режима, и 30 и 20% для режима из [б4]. Момент перехода со ступени на ступень и окончания сушки определялся, как и при лабораторных исследованиях, новым способом, защищенным авторским свидетельством [115]. Применение его позволило повысить точность в определении конечного и переходных влагосодержаний и, следовательно, достоверность результатов сравнительных сушек [115]. В каждом случае было проведено по три сушки. В камеры закладывалось по четыре образца: два (в верхней и нижней зонах) для контроля за текущим и конечным влагосодержанием и два для контроля остаточных напряжений. Места закладки во всех камерах были примерно одинаковы, а образцы, закладываемые в одно и то же место для каждой из трех камер, выпиливались из одной и той же доски. Доски для образцов имели примерно одинаковое начальное влагосодержание и идентичную структуру (заболонные тангенциальной распиловки). Кроме того, в досках штабеля каждой камеры устанавливали по два датчика электровлагомера. Сушки проводились с тепловлагообра-боткой (ТВО) и кондиционированием. Продолжительность ТВО во всех случаях была одинаковой равной нормативной. Продолжительность кондиционирования принималась примерно равной продолжительности ТВО.

Преимущества того или иного режима выявлялись исходя из продолжительности сушки, а также показателей качества и сорта пиломатериала, определенных в соответствии с типовой методикой, приведенной в [7]. Для определения названных показателей разборке подвергался дальний от двери штабель, находящийся при сушке в более стабильных условиях по сравнению с ближним к двери.

Исходные данные и. результаты опытов сведены в таблицы 5.1 и 5.2. В них предлагаемый режим имеет порядковый номер I, режим из [64] -2, и режим, рекомендованный фирмой «Больман» (потенциальный фактор 2,7), — 3. •.

Опытные коэффициенты категории качества, определенные исходя из показателей качества для режимов М1, 2, примерно одинаковы и после ТВО и кондиционирования пиломатериала близки к величине 1,1, которая соответствует I категории качества [7]. Незначительное увеличение продолжительности ТВО и кондиционирования в обоих случаях позволило бы достичь показателя I категории качества. В то же время продолжительность конечных обработок для режима № 3 явно недостаточна, так как коэффициент категории качества данного режима сушки, равный 0,96, соответствует только П-Ш категории.