Солнечное сушки древесины: история, современное состояние и перспективы развития в Украине





Всем известно, что сушка древесины является необходимым операцией большинства технологических процессов деревообработки. С одной стороны для промышленных способов сушки не характерно загрязнение окружающей среды, а с другой некачественное сушки обусловливает сокращение сроков эксплуатации изделий.

Это в свою очередь является причиной перерасхода древесины и нерационального использования лесных ресурсов. Для Украины, как малолисистои государства, эта проблема стоит чрезвычайно остро.

1. Краткая история развития технологии сушки древесины.

На сегодняшний день в практике имеют место ряд способов сушки древесины, к которым можно отнести атмосферный, конвективных, вакуумный и другие. Атмосферное способ сушки, как один из самых простых, базируется на использовании сушильного потенциала атмосферного воздуха. Данный способ целенаправленно использовался уже римскими архитекторами в первом веке до нашей эры. Однако несмотря на низкие затраты, его значительная продолжительность и низкая управляемость процессом были и остаются основными лимитирующими факторами его широкого внедрения.

Одним из самых распространенных способов сушки пиломатериалов является конвективный, доля которого составляет по разным данным 70-80% всего сушильного оборудования в Европе. Если заглянуть в прошлое, то основной причиной развития камерного сушки было желание интенсифицировать процесс и создать такие условия сушки, на которые не влияли климатические факторы. Первые литературные упоминания об использовании сушильных установок для древесины датированные 18-м веком. Характерной особенностью первых сушилок является естественная циркуляция воздуха. Важный прогресс вперед произошел при широком внедрении электроэнергии и использовании вентиляторов для создания принудительной циркуляции воздуха, что создало предпосылки для интенсификации процесса сушки и его лучшего контроля. Для контроля температуры и относительной влажности воздуха начинают использоваться термометры. Разрабатываются первые режимы сушки древесины, параметры среды согласно которым изменяются по времени сушки. Однако результат сушки в то время в значительной степени зависел исключительно от квалификации оператора. Разрабатывается система контроля влажности древесины на основе весового метода. Появляются новые конструкции сушилок. Так уже в 20-х годах 20 века построены первые сушилки непрерывного действия, а конструкции современных сушилок этой группы, которые получили широкое распространение в скандинавских странах для подсушивания древесины хвойных пород, введены только в конце 50-х гг Значительный прогресс вперед было совершено в начале . 50-х гг, когда впервые использовано электрические влагомеры. Сразу же был разработан режимы которые базируются на изменении параметров сушильного среды в зависимости от влажности древесины, внедряются первые полуавтоматические блоки управления процессом сушки.

Это позволило сократить продолжительность сушки и с большей точностью управлять сушильными параметрами. В это же время конструкции кирпичных сушилок с низкой тепло-и влагоизоляцию ограждений трансформируются в алюминиевые с высокими изоляционными и антикоррозионными свойствами. Развитие систем автоматики, сначала в аналоговой, а затем в цифровой форме позволяет сегодня применять полностью автоматические системы управления процессами сушки. Согласно выводам мировых лидеров в производстве сушильного оборудования, альтернативой конвективном способа сушки на сегодняшний день является вакуумное сушки. Преимущества вакуумного способа сушки известны более 100 лет. Уже в 1894 году издан первый патент на данный способ сушки, а в 1922г. в Швеции и 1934 г. в Японии патентуют вакуумное сушки древесины.

Однако только в 1962 году в Италии была построена первая вакуумную сушилку, особенностью которой было циклическое нагревание древесины. В 1964 году построено сушилку с контактным нагревом материала от горячих плит, а в начале 70 - х гг появляются первые вакуумно-диэлектрические сушилки.

Основные преимущества вакуумного способа сушки по сравнению с конвективным это меньшая продолжительность процесса сушки, эффективность при сушке толстых пиломатериалов, малый риск окраски некоторых пород древесины вследствие окисления, простая и быстрая инсталляция установки и относительно низкое энергопотребление. К недостаткам можно отнести низкий экономический эффект при сушке тонких пиломатериалов и древесины мягких пород, большой риск возникновения дефектов при неподходящих режимных параметрах и вследствие отсутствия визуального контроля, потребность в высокой квалификации обслуживания и наконец значительные капитальные затраты.

Наряду с вышеназванными способами, в последнее время на отечественном рынке появились конденсационные сушилки, особенностью которых является отвод влаги из камеры не в виде водяного пара, как это происходит в конвективных сушилках и является причиной значительных теплопотерь, а в форме конденсата. Основными их преимуществами являются простота и скорость в установке и обслуживании. Однако основным недостатком конденсационных сушилок относительно низкие температуры сушки, поэтому их особенностью является значительная продолжительность нагрева древесины, большая длительность процесса сушки в целом и существенное энергопотребление. В общем сушилки данной группы можно рекомендовать для сушки (или высушивания до конечной влажности атмосферно сухой) древесины твердых лиственных пород.

2. Развитие солнечного сушки древесины

Первые попытки использования энергии солнечного излучения для сушки древесины датированные 30-ми годами 20 в. Однако активные исследования в этом направлении начата лишь в конце 50-х, нач. 60-х годов в США и Индии.

Значительным толчком в строительстве прототипов стала энергетический кризис середины 70-х годов, в результате чего появляется ряд пилотных проектов солнечных сушилок как в тропических так и в умеренных широтах. В конце 70-х, нач. 80-х гг появляются первые установки данного типа на европейском континенте (Англия, Германия, Чехословакия, Польша). Опыт эксплуатации первых солнечных сушилок различных конструкций в различных климатических условиях и при сушке самых пород древесины указывает на большой потенциал данного способа сушки. Из всех известных солнечных сушилок для древесины большинство так и осталась не внедренной в промышленность. Однако с недавних разработок стоит отметить ряд проектов, в рамках которых в 90-е гг в тропических широтах было построено солнечные сушилки промышленных масштабов. Так в частности в Бразилии в результате успешных исследований прототипа в период 1996 -1998 гг построено 12 сушилок емкостью 100-240 м3 пиломатериалов, что свидетельствует о высокой конкурентоспособности этих установок в данных климатических условиях. Помимо этого стоит упомянуть ли не единственную солнечную сушилку серийного производства от всемирно известного производителя лесопильного оборудования фирмы Wood-Mizer.

Таким образом история развития техники и технологии солнечного сушки древесины достаточно короткой и укладывается в последние 45 лет.

При этом наблюдается четкая тенденция к заинтересованности данным способом не только в государствах
тропического, но и умеренного климата.

3. Конструкции солнечных сушилок для древесины

Эволюция взглядов на использование энергии Солнца для сушки пиломатериалов наблюдается в разнообразных конструктивных решениях сушилок, в которых отражаются современный научный и технологический уровень развития общества.

В основу работы современных солнечных сушилок положен принцип коллектора типа черного ящика, который сводится к улавливания солнечного излучения поглощающей поверхностью (абсорбера) и его превращения в тепловое.

Коротковолновое солнечное излучение проходит через прозрачное покрытие, попадает на черную поверхность абсорбера где превращается в длинноволновое излучение и путем конвекции передается высушиваемого материала. В большинстве случаев как поглощающие поверхности используются листовые материалы (металл, фанера и др.), окрашенные в черно. При этом применение абсорберов с селективным покрытием в существующих конструкциях солнечных коллекторов для гелиосушарок не вступило распространение, что объясняется их относительно высокой стоимостью. Для прозрачных ограждений солнечных сушилок используются разные материалы (стекло, полиэтиленовая пленка, поликарбонатные листы и др.). Выбор материала остекления в основном диктуется его характеристиками, основными из которых являются оптическая - пропускания солнечного излучения и теплоизоляционные свойства; стоимость и региональная доступность; и наконец срок эксплуатации.

По конструктивным особенностям гелиосушаркы для древесины можно условно разделить на 2 категории: тепличного типа (рис. 1) и с отдельно установленными солнечными коллекторами (рис.2). Особым случаем сушилок первой категории является напивтеплична конструкция.

Рис. 1 Общий вид сушилки тепличного типа

Рис. 2 Общий вид сушилки с внешним солнечным коллектором

Общая характеристика существующих конструкций солнечных сушилок для древесины представлена в табл. 1

Таблица 1 Конструкции гелиосушарок для древесины

Конструкция Конструктивные особенности Експлуатационные характеристики
1. Тепличного типа • Рамочная конструкция с прозрачными боковыми стенами и крышей (и по тепло изолированной северной стеной)
• Солнечный коллектор интегрирован в ограждение сушилки
• Значительные теплопотери через прозрачные ограждения
• Относительно низкие температуры сушки
• Замедленное процесс сушки
• Высокое значение конечной влажности материала
2. Полутепличного типа • Рамочная конструкция
• Только крыша, или крышу и южная стена выполнены прозрачными
• Солнечный коллектор интегрирован в ограждение сушилки
• Значительно меньшие теплопотери по сравнению с 1 типом сушилок
• Высшие температуры сушки
• интенсивный процесс сушки
• Возможность сушки древесины до сравнительно низкой влажности
3. С отдельно установленными коллекторами • Штабель с материалом размещается в тепло изолированной сушильной камере
• Солнечные коллекторы установлены отдельно. Нагретый воздух / вода по каналам подается в сушилку
• Теплопотери минимальные
• Возможность использования дополнительного источника тепловой энергии ночью и в пасмурную погоду при отключенных солнечных коллекторах
• Низкое значение конечной влажности материала

Мировой опыт показывает, что существуют два подхода по использованию солнечной энергии. Первый заключается в использовании полученной от солнечного коллектора тепла сразу же после его улавливания. В этом случае температура сушки достигает своего максимального значения в полдень, а минимальные температуры имеют место ночью (или в пасмурную холодную погоду. Суть второго подхода заключается в частичном аккумулировании солнечной энергии и ее использовании при ночных часов. В этом случае суточные колебания температуры в сушилке могут быть сведены к минимуму.

Стоит отметить, что основным условием аккумулирования солнечной энергии является ее избыток в дневные часы. При постоянных параметрах сушки при условии отсутствия аккумулирования температура сушки будет значительно выше, а относительная влажность воздуха ниже, чем в системах с аккумулированием. Это в свою очередь имеет существенное влияние на скорость сушки материала и для различных пород древесины может иметь как положительный так и негативное влияние. При этом для систем солнечного сушки, которые работают без аккумулирования тепла работе циркуляционных вентиляторов ограничивается дневными часами, что создает предпосылки для экономии электроэнергии.

Исходя из этого соотношения площади солнечного коллектора к объему высушиваемого материала является решающим фактором относительно качества и скорости сушки. Однако при проектировании сушилок тепличного (напивтепличного) типа возникают определенные трудности, связанные с соблюдением вышеуказанного соотношения для установок большей вместимости. Это объясняется тем, что при увеличении размеров сушилки ее вместимость увеличивается более чем площадь основного коллектора, размещенного в крыше. Поэтому для сушилок первого типа максимально возможные размеры ограничены.

Наряду с внедрением тепловых аккумуляторов, в ряде случаев проблема интенсификации процесса сушки решается применением для обогрева в ночное время и пасмурные дни дополнительные источники энергии. Также возможно для увеличения поступления солнечного излучения до коллектора использования рефлекторов (отражателей). Стоит отметить, что для конструкций солнечных сушилок, в которых процесс сушки интенсифицируется тем или иным способом, возникает потребность в системах увлажнения для снятия внутренних напряжений, возникающих в материале. При этом интенсификация солнечного сушки в общем случае требует внедрения систем автоматизированного контроля и регулирования процесса сушки, что существенно отражается на экономической стороне процесса.

4. Особенности солнечного сушки древесины

В подавляющем большинстве случаев оценка эффективности солнечных сушки древесины осуществляется путем непосредственного сравнения времени и качества солнечного сушки с другими известными способами (атмосферным и в конвективных сушилках. С другой стороны для оценки самой конструкции сушилки целесообразно использовать КПД сушилки, определяемый как отношение энергии затрачиваемого на сушку древесины, к суммарной энергии поступающей в сушилку. Как показывает мировой опыт эксплуатации солнечных сушилок на нужды собственно сушки расходуется от 16% в сушилках тепличного типа до 90% для напивтепличнои конструкции всей энергии поступающей в сушилку. Это указывает на основные пути по совершенствовании конструкций солнечных сушилок.

В технологии сушки древесины начиная с 70-х годов наблюдаются две основные тенденции развития. Первая связана с появлением новых конструкционных материалов и ростом требований к качеству изделий из древесины и заключается в развитии технологии камерного сушки в направлении низких температур. Вторая заключается в интенсификации атмосферного способа сушки в направлении большей управляемости процессом. Динамика этих процессов обуславливает появление новых способов сушки, которые делают неопределенными пределы камерного и атмосферного способов. Ярким примером сближения этих двух способов является солнечное сушки. Технология солнечного сушки пиломатериалов как и атмосферного основывается на максимальном использовании сушильного потенциала атмосферного воздуха. Однако непостоянство такого ключевого фактора как солнечная инсоляция делает процесс сушки в гелиосушарках трудноуправляемая и требует технологического приспособления.

Анализ работы солнечных сушилок, используемых для сушки древесины, показывает, что в общем случае в солнечные летние дни при температуре внешней среды 25 ... 30 º С температура сушки составляет 50 ... 62 º С. Однако в облачные дни разница между температурой воздуха в сушилке и наружного воздуха составляет всего несколько градусов. При этом ход влажности воздуха в гелиосушарци являются в основном функцией воздухообмена и зависит от управления сушилкой.

Характерной особенностью процессов солнечного сушки является то, что ход параметров воздуха в гелиосушарци является аналогом переменных режимов сушки в конвективных сушилках. Стоит отметить, что наряду с почти единодушным выводам относительно высокого качества и сокращения продолжительности сушки, общей чертой подавляющего большинства переменных режимов, является необоснованность принципов выбора амплитуды и длительности периодов нагрева / охлаждения. Такое положение вопроса оставляет технологию сушки древесины переменными режимами белым пятном на общем фоне технологии сушки древесины.

5. Перспективы солнечного сушки древесины в условиях Украины

Сушки древесины является одним из наиболее энергоемких процессов в деревообработке, поэтому проблема поиска путей снижения энергозатрат не теряет своей актуальности, особенно в современных условиях внедрения энергосберегающих технологий. В общем снижении энергозатрат возможно при использовании дешевых энергоносителей (сжигание древесных отходов) и за счет атмосферного подсушивания. Однако второй подход может быть оправдан только для пиломатериалов булавочных пород. Несмотря на высокие энергозатраты, основным лимитирующим фактором во внедрении сушилок современных конструкций являются высокие капиталовложения, которые снижаются при значительном увеличении емкости камеры. Такая ситуация очень часто ставит в безвыходное положение малого производителя, которому в качестве пиломатериалов камерного сушки предъявляются высокие требования (к конечной влажности и внутренних напряжений), а время сушки не является критическим, то есть потребность в сухом материале есть в небольших количествах (до 20 м3 / год). Именно на такого производителя в наших условиях может быть ориентирована технология солнечного сушки древесины. Т.е. солнечное сушки в климатических условиях Украины позволяет без значительных капиталовложений в сушильное оборудование получать высококачественный сухой материал камерной влажности.

Анализ мирового опыта эксплуатации солнечных сушилок для древесины и собственные исследования позволяют сформулировать следующие основные преимущества солнечного сушки древесины:
1. Использование неограниченного, восстанавливаемого и экологически чистого источника энергии.
2. Меньшая продолжительность времени сушки (в 1,5 ... 3 раза) и возможность получения значительно низшей конечной влажности (мебельной) по сравнению с атмосферным
сушкой.
3. Капиталовложения в сравнении с конвективными камерными сушилками является меньше на 60 ... 80%.
4. Значительно выше качество высушенного материала по сравнению с атмосферным сушкой, что достигается за счет ведения контролируемого процесса сушки.
5. Простота в изготовлении и эксплуатации.
К недостаткам можно отнести:
1. Зависимость от климатических и погодных условий.
2. Относительно низкие температуры сушки (30 ... 40 ° С). Как следствие в 1,5 ... 3 раза медленнее сушки по сравнению с сушкой в конвективных сушилках.
3. Дополнительное использование электроэнергии для создания циркуляции воздуха.

Учитывая климатические условия Украины, можно с уверенностью утверждать о целесообразности использования солнечных сушилок напивтепличного типа (рис.3 и фото).

Рис.3 Принципиальная схема солнечной сушки напивтепличного типа: 1 - прозрачное покрытие, 2 - циркуляционный вентилятор 3 - абсорбер; 4 и 5 - соответственно каналы для притока свежего и выброса отработанного воздуха; 6-непрозрачные ограждения; 7 - циркулирующий воздух; 8 - штабель.

В завершение стоит отметить, что учитывая особенности технологии солнечного сушки древесины, установки данного типа могут эффективно использоваться преимущественно в теплое время года, а учитывая суточный ход температур высушивать в них целесообразно древесину важковисихаючих пород таких как например дуб.








Последние обьявления
Авторизация
Логин:  
Пароль:  
 
Для того, что бы получить дополнительные возможности в системе, Вам надо пройти регистрацию . Регистрация бесплатная

Солнечное сушки древесины: история, современное состояние и перспективы развития в Украине - www.PromWood.com
Пользователи OnLine: 
История лесоводства | Деревообработка | Породы древесины | Сушка древесины | Станки и оборудование | Отделка деревом | Биотопливо | Древесный уголь | Лесной справочник | Охота