Виды вакуумной сушки древестны.

Вакуумная сушка древесины — современный уровень техники.

В данной статье представлен обзор информации по вакуумной сушке древесины. Вакуумная сушка не является новой технологией, и её использование для сушки древесины предлагалось с начала 1900-х годов. Технологии вакуумной сушки древесины можно классифицировать по используемому методу нагрева. В данной статье мы разделяем методы вакуумной сушки на четыре группы: кондуктивный нагрев в вакууме, циклический вакуум, вакуум перегретого пара и диэлектрический вакуум. Преимуществами сушки древесины ниже атмосферного давления являются возможность сушки при более низких температурах (и, следовательно, снижение вероятности развития некоторых дефектов сушки), значительное сокращение времени сушки, сохранение цвета, более высокая энергоэффективность, лучший контроль выбросов летучих органических соединений и возможность сушки очень больших поперечных сечений. Некоторые характеристики, которые отличают вакуум от обычной сушки, заключаются в том, что в вакууме основной движущей силой является общий перепад давления, преобладающим механизмом переноса влаги является объемный поток водяного пара, и наблюдается более выраженная миграция воды в продольном направлении. В то время как предыдущие исследования были сосредоточены на углублении понимания фундаментальных механизмов вакуумной сушки и ее применения в конкретных отраслях и видах, в последнее время усилия были сосредоточены на совершенствовании существующих методов, например, путем улучшения контроля влажности и использования предварительной обработки для повышения качества сушки.

Введение.

Вакуумная сушка древесины – не новая технология. Первый патент на «Способ сушки древесины» был выдан в 1904 году. В этом процессе древесина помещается в герметичный сосуд, и после длительного нагревания «воздух и пар быстро удаляются… до достижения более или менее идеального вакуума… и цикл нагревания-вакуума повторяется до тех пор, пока древесина не высохнет до необходимой степени». При вакуумной сушке древесина сушится при давлении значительно ниже атмосферного, в условиях, при которых вода кипит при более низкой температуре. Более быстрая сушка особенно актуальна в производственной среде, где гибкость во времени и объёмах (т.е. небольшие партии и очень короткие сроки выполнения заказов) стали важными конкурентными преимуществами. Исследователи заявили о других преимуществах вакуумной сушки, которые обсуждаются далее в этой статье. Однако сегодня вакуумная сушка древесины ограничена в основном специализированными и узкоспециализированными применениями, такими как сушка очень толстого материала. Цель данной статьи – всесторонний обзор информации по вакуумной сушке древесины, включая основные технологии, основные механизмы сушки, качество сушки и промышленное применение.

Основы вакуумной сушки.

Вакуумная сушка — это метод, существенно отличающийся от традиционной сушки. При традиционной сушке пиломатериалов перенос тепла и влаги происходит в основном в поперечном направлении, что приводит к возникновению градиентов температуры и влажности в поперечном сечении. Градиенты влажности между поверхностью и центром древесины являются движущей силой традиционной сушки. Оптимальная сушка требует регулирования условий таким образом, чтобы градиенты влажности не были слишком высокими, поскольку может возникнуть закалка или растрескивание, или слишком маленькими, что приведет к неэкономичному времени сушки. Движение влаги происходит четырьмя способами при сушке древесины: (1) жидкая вода перемещается через клеточную структуру под действием капилляров или свободный объемный поток воды; (2) водяной пар перемещается из зон высокого давления в зоны низкого давления или объемный поток водяного пара; (3) диффузия водяного пара из-за градиентов относительной влажности; и (4) молекулы воды из клеточных стенок посредством диффузии из-за разницы во влажности. Выше точки насыщения волокон ограничивающим фактором является передача энергии; Ниже, контролирующим фактором становится массоперенос. По мере сушки свободной воды становится меньше, и большая часть массопереноса происходит за счет диффузии, которая является гораздо более медленным процессом, чем объемный поток. Таким образом, на поздних стадиях сушки температура значительно повышается для поддержания оптимальной скорости сушки. Хотя продольная диффузия в 10–15 раз быстрее поперечной, это с лихвой компенсируется относительно большим соотношением длины и ширины (или толщины) пиломатериалов. Продольная диффузия вносит значительный вклад только в сушку коротких заготовок и торцов длинных досок.

При вакуумной сушке древесины температура кипения воды понижается за счет создания вакуума, что позволяет проводить сушку при более низких температурах, чем при обычной сушке. Таким образом, достигаются преимущества высокотемпературной сушки, то есть меньшая деформация и значительно сокращенное время сушки, но при более низких температурах. Например, при давлении 10% от атмосферного (102 мбар) вода кипит при 37 °C. Для сравнения, типичный график сушки дуба при обычной сушке начинается при 43 °C и может превышать 70-80 °C на конечных стадиях сушки. Прочность древесины обратно пропорциональна температуре и содержанию влаги; таким образом, пиломатериалы наиболее подвержены развитию дефектов сушки, особенно растрескиванию и ячеистости, на ранних стадиях процесса сушки. Еще одним преимуществом сушки при более низких температурах является то, что древесина сохраняет свой первоначальный цвет из-за недостатка кислорода.

В дополнение к возможности более низких температур сушки, вакуумная сушка имеет и другие отличия от обычной сушки. Градиент давления, который может существовать, может увеличить скорость сушки на различных этапах сушки; например, определено, что для пихты белой градиент давления газа увеличивает скорость сушки при высоком содержании свободной влаги. Другие исследователи предположили, что, хотя основной движущей силой вакуумной сушки древесины является общий перепад давления, а не диффузия, как при обычной сушке, преобладающим механизмом переноса влаги является объемный поток водяного пара с торцов и диффузия через боковые поверхности. Более того, когда температуры приближаются к точке кипения воды, резкие перепады общего давления вызываются быстрым образованием пара, ускоряя процесс. Свободная вода как в жидкой, так и в паровой фазе перемещается в продольном направлении, а объемный поток ускоряется за счет гораздо большей продольной проницаемости (соотношение продольной и поперечной сторон составляет от 30 000 до 400 000 000). Это заставляет воду мигрировать в продольном направлении, оставляя отдельные куски пиломатериала через концы. Обнаружено, что до 40% МС скорости сушки как при обычной, так и при вакуумной сушке были схожими, но ниже этой точки вакуумная сушка значительно ускорялась. Предположено, что до тех пор, пока клеточные просветы содержат свободную воду, миграция воды не зависит от общего давления. Аналогичные результаты были получены в исследовании березовой древесины, где скорости сушки до 30% МС были схожими как для вакуумной, так и для обычной сушки (соотношение скоростей сушки для обоих методов составляло 0,9–2,3), но ниже этой точки вакуумная сушка значительно ускорялась (соотношение от 3,1 до 4,7).

Предположено существование «фронта кипения» в древесине во время вакуумной сушки. От фронта кипения до поверхности температура кипения воды ниже температуры субстрата; таким образом, вода кипит в этой области. От фронта кипения до центра материала давление внутри древесины выше давления насыщенного пара. По мере сушки фронт кипения отступает к центру со скоростью, зависящей от подводимого тепла, а также проницаемости и проводимости древесины. Фронт кипения отступает медленнее, когда начальный MC высок. Результаты по-видимому, противоречат гипотезе фронта кипения, поскольку они обнаружили, что внутреннее давление на разных глубинах всегда было выше давления насыщения при той же температуре. Разработано ряд уравнений моделирования для тепло- и массопереноса при вакуумной сушке, основанных на существовании «фронта испарения» и двух зон сушки в продольном направлении, где рассчитанные кривые температуры и давления доказали линейность между средней скоростью сушки и MC.

Равновесное содержание влаги (СВ) при вакуумной сушке, как правило, ниже, чем при обычной сушке. Исследования показали, что существует прямая зависимость между давлением и СВ при постоянной температуре и обратная зависимость между температурой и СВ при постоянном давлении. В атмосферных условиях СВ зависит в первую очередь от температуры и относительной влажности, но при вакуумной сушке СВ зависит в основном от общего давления и температуры. В атмосферных условиях относительная влажность — это отношение парциального давления пара к давлению насыщенного пара при определенной температуре. В вакууме, поскольку воздуха мало, абсолютное давление можно принять за давление водяного пара, а относительная влажность рассчитывается как отношение абсолютного давления к давлению насыщенного пара. Исследования подтвердили, что СВ обратно пропорционально давлению окружающей среды. Этот эффект наибольший при давлении 50 кПа.

Разработано несколько математических моделей, описывающих основы вакуумной сушки. Эти разработки представлены в данной статье в контексте соответствующей вакуумной технологии.

Основные технологии вакуумной сушки

Технология сушки древесины может быть классифицирована по способу передачи тепла древесине или по способу удаления влаги из сушильной камеры. В зависимости от способа передачи тепла древесине технологии вакуумной сушки можно разделить на следующие: методы кондуктивного нагрева, такие как вакуумная сушка с горячими плитами; методы конвекционного нагрева, такие как вакуумная сушка перегретым паром и циклическая вакуумная сушка; и вакуумная сушка с диэлектрическим нагревом, при которой используются радиочастоты или микроволны. Технологии сушки древесины оцениваются по тому, насколько они сокращают время сушки, обеспечивают надлежащее качество сушки, эффективно используют энергию и имеют разумные затраты на сушку. В этом разделе обсуждаются основные технологии вакуумной сушки древесины и их производительность.

Вакуумная сушка с кондуктивным нагревом

При кондуктивном нагреве тепло передается древесине путем прямого контакта с горячей поверхностью. Вакуумная сушка с «горячими плитами» является одной из таких технологий, при которой штабеля древесины укладываются между металлическими пластинами (обычно алюминиевыми), нагреваемыми протекающей через них горячей жидкостью. Эта система обеспечивает равномерный нагрев пиломатериалов и хороший контроль используемых температур. Однако загрузка и выгрузка печи отнимают много времени, если выполняются вручную, а пластины требуют периодического обслуживания или замены, что увеличивает стоимость. Некоторые компании, производящие печи, предлагают автоматические системы для укладки пиломатериалов и горячих пластин.

Несколько исследователей изучали использование вакуумной сушки с горячей плитой для сушки дуба, вида, склонного к растрескиванию, короблению и образованию пятен во время сушки. При вакуумной сушке дуба были достигнуты значительно более высокие скорости сушки, чем при обычной сушке, на 20–50 % короче для пиломатериалов из красного дуба толщиной 40 мм и на 243–433 % быстрее для пиломатериалов из красного дуба толщиной 28 мм. Дуб толщиной два с половиной обработанный до 51 мм также был высушен за 300 часов с удовлетворительным качеством. Были достигнуты скорости сушки от 0,32 до 2,2 % в час для зелено-красного дуба, где скорость сушки зависела от размера образца.

Проводящий процесс моделировался несколькими различными способами. Разработали диффузионную модель, основанную на общих уравнениях сохранения, с граничным уравнением, которое устанавливает гигроскопическое равновесие между паром и поверхностью древесины. Разработали двумерную конечно-элементную модель для вакуумно-контактной сушки древесины, основанную на концепции водного потенциала, для моделирования изменения содержания влаги, температуры и общего давления газа. Различия между экспериментальными и расчетными данными существовали и были связаны с используемыми граничными условиями и отсутствием учета передачи тепла путем конвекции.

Циклическая вакуумная сушка

При циклической вакуумной сушке, также известной как прерывистая вакуумная сушка, пиломатериалы нагреваются с использованием обычных методов (т. е. путем конвекции, продавливая горячий воздух через пустые пространства между слоями пиломатериалов, разделенных «наклейками»). После фазы нагрева создается вакуум. Сушка происходит в течение периодов вакуума, пока существует достаточная разница температур и давлений между условиями окружающей среды и внутри древесины. Когда температура древесины падает, цикл нагрева повторяется. В циклической вакуумной сушке есть две отдельные фазы: начальная быстрая сушка, а затем замедление сушки по мере того, как давление внутри материала приближается к давлению окружающей среды. Исследования показали, что циклическая вакуумная сушка может высушить дуб толщиной 27 мм за 10 дней по сравнению с 30 днями при обычной сушке. Авторы также смоделировали процесс в масштабе материала и печи, получив удовлетворительные результаты.

Вакуумная сушка перегретым паром

Как нагрев конвекцией, так и циклическая сушка имеют недостатки. Например, при конвективном нагреве ручная укладка пиломатериалов может занять значительное время, а при циклической вакуумной сушке сушка не происходит во время периодов нагрева. Если перегретый пар (водяной пар с температурой выше точки кипения) используется в условиях низкого давления и продавливается через слои пиломатериалов, можно добиться нагрева конвекцией и непрерывного процесса вакуумной сушки. Этот процесс известен как вакуумная сушка перегретым паром (ВСПП) или конвективный вакуум. Перегретый пар обладает лучшими свойствами теплопередачи, чем горячий воздух при той же температуре; однако пар под вакуумом имеет меньшую теплоемкость (из-за меньшей плотности), и скорость сушки ниже, чем с горячим влажным воздухом, как при обычной сушке. Это можно компенсировать циркуляцией воздуха с высокой скоростью, около 10 м/с, и частым реверсированием вентилятора. Существование «температуры инверсии» перегретого пара (когда температура пара превышает точку инверсии, скорость сушки ВСПП превышает скорость сушки на воздухе) было отмечено при сушке сосны размером 100 × 100 × 40 мм с исходным содержанием влаги от 140 до 147 %. К некоторым преимуществам ВСПП, заявленным в литературе, относятся экономия энергии из-за возможности утилизации скрытой теплоты пара путем конденсации и лучшее качество сушки за счет уменьшения упрочнения поверхности, коробления и расколов. Одним из недостатков сушки ВСПП является то, что, как и при обычной сушке, высокие значения конечного MC в печи совпадают с областями относительно низкой скорости воздуха.

В ряде исследований изучалось использование сушки ВСПП для определенных пород, размеров и продуктов. Остальная часть этого раздела посвящена этим технологиям. Обнаружено, что бук, ель и сосна обыкновенная высыхали примерно в три раза быстрее в ВСПП, чем при атмосферном давлении, и что время сушки дуба не отличалось от времени сушки при обычной сушке. Однако более 45 % бука и дуба MC высыхали одинаково, что привело авторов к предположению, что вакуум только ускорял гигроскопическую сушку. Авторы предположили, что во время сушки ВСПП воздух, содержащийся в просвете, поддерживает давление, тем самым предотвращая кипение воды. Толстая сосна (100 × 100 × 40 мм) сушилась с неопубликованной более высокой скоростью, чем при обычной сушке. Было обнаружено, что каучуковое дерево высыхает в 8,4 раза быстрее с использованием ВСПП, чем при использовании обычных методов. Хотя более высокие скорости сушки для ВСПП, чем при обычной сушке, были достигнуты как для заболони сосны лучистой, так и для пиломатериалов из березы (на 30-40% выше), более высокая изменчивость конечного MC наблюдалась для пиломатериалов, высушенных ВСПП. Предполагается, что более высокая изменчивость MC связана с большим падением температуры по загрузке, что, скорее всего, было связано с отсутствием реверса вентилятора. В том же эксперименте измерялась усадка, и значения были меньше для вакуумной сушки, с объемной усадкой от сырой до 5% MC 12 и 13% для вакуумной и обычной сушки березы, выращенной на плантациях, соответственно, и 12,8 и 13,4% для пиломатериалов из естественных лесов. Плантационный эвкалипт высушивался на 60% быстрее, чем обычная сушка; однако качество пиломатериалов требовало улучшения, которого, по мнению авторов, можно было достичь путем манипулирования условиями сушки.

Математические модели сушки ВСПП были разработаны как метод для лучшего понимания и улучшения процесса. Модели, которые соответствовали экспериментальным данным, были разработаны исследователями, которые разработали модель, основанную на водном потенциале (для влаги и тепла) и нестационарном сохранении массы воздуха (для давления), которые смоделировали сушку ВСПП сосны лучистой и подтвердили модель экспериментальным запуском при 0,2 бар (20 кПа) и 70 °C. Исследования оценили три модели для сушки ВСПП и обнаружили, что наиболее точная модель была основана на передаче тепла и миграции влаги, в которой скорость сушки пропорциональна депрессии влажного термометра и разнице между фактическим MC и EMC.

Радиочастотная и микроволновая вакуумная сушка

Конвективный нагрев при вакуумной сушке требует нагревательных плит, а циклическая вакуумная сушка и сушка ВСПП требуют использования наклеек между слоями пиломатериалов, тогда как диэлектрический нагрев устраняет необходимость в наклейках или плитах, поскольку нагрев электромагнитными волнами зависит не от толщины пиломатериала, а от его диэлектрических свойств. Частоты подразделяются на две группы: радиочастоты (ниже 100 МГц) и микроволны (выше 300 МГц). Применение радиочастот и микроволн для вакуумной сушки было тщательно изучено.

Специальные методы

В ряде исследовательских проектов изучалось сочетание вакуумной сушки с другими методами нагрева или предварительной обработки с целью оптимизации времени, качества и энергопотребления.

Вакуум-прессовая сушка

Сочетание механического сжатия и вакуумной сушки было предложено в качестве способа увеличения теплопередачи во время сушки. Использовали эту технологию для сушки древесины от сырой до 15% за 4 дня для белой сосны, 5 дней для красной сосны и западной тсуги и 6 дней для лиственницы. Обнаружили, что сжимающая нагрузка 0,092 МПа привела к увеличению изменений размеров в направлении нагрузки, в то время как изменения размеров в направлении, перпендикулярном нагрузке, были уменьшены. Тангенциальная и радиальная усадка нагруженных образцов была в 1,5 раза выше, чем у ненагруженных образцов. Аналогичный эксперимент с дубовыми блоками, отмечено, что между нагруженными и ненагруженными образцами существовали различия до 14%. Было предложено, что при использовании сжимающей нагрузки древесину следует сортировать по направлению волокон.

Сублимационная вакуумная сушка

Идея сублимационной сушки заключается в удалении воды из замороженного состояния в вакууме путем сублимации (избегая жидкого состояния). Этот метод распространен в пищевой промышленности; однако при использовании с древесиной он может вызвать повреждение клеток, вплоть до коллапса. Определили, что сублимационная сушка в сочетании с вакуумом или сублимационная вакуумная сушка позволяет сохранить желаемые органические соединения в древесине по сравнению с обычной сушкой. Т акже сравнивали с высоко- и низкотемпературной сушкой для китайской пихты. Результаты показали, что относительный модуль накопления и относительный модуль потерь были самыми низкими для этого метода, что означает снижение механических свойств, которое, по мнению авторов, может быть вызвано повреждением клеточной стенки сушка сублимационная вакуумная сушка.