Конвективная сушка пиломатериалов на основе управляемого влагообмена

УДК

674.047.3

DOI:

10.37482/0536-1036-2022-1-166-172

Аннотация

Сушка древесины, в частности пиломатериалов, является одним из самых сложных и энергозатратных процессов в деревопереработке, практически полностью определяющим качество продукции, изготовляемой из древесины. Конвективная сушка пиломатериалов, во всем многообразии ее разновидностей, на сегодняшний день остается самой распространенной. Компьютерное моделирование процессов сушки древесины обычно проводится на основе решения систем, дифференциальных уравнений тепломассообмена. Методы решения подобных систем, как аналитические, так и численные, достаточно глубоко изучены и проработаны. Однако важнейшим методическим вопросом является корректное формулирование граничных условий, которые определяют процесс взаимосвязанного тепломассообмена на границе раздела фаз (древесина – влажный воздух). Для конвективной сушки традиционно использовались граничные условия III рода академика А.В. Лыкова, для которых характерно достаточно близкое соответствие потоков массы, движущейся из глубины древесины и на границе раздела фаз. Данное соответствие характеризуется величиной так называемого массообменного критерия Био. Для проверки высказанных предположений был проведен вычислительный эксперимент, позволивший определить возможную управляемость процесса влагоудаления при низкотемпературной конвективной сушке условного пиломатериала режимами трех- и бесступенчатой структуры. Помимо этого исследовалось влияние процесса влагоудаления на динамику внутренних напряжений в древесине. Результаты показали, что бесступенчатые режимы, с одной стороны, обеспечивают существенное повышение качества сушки практически без потери производительности лесосушильных камер, а с другой стороны, обладают более высокой управляемостью. Результаты ранее проведенных исследований позволили предложить общие принципы, а затем запатентовать коренным образом отличающуюся от ранее известных систем управления сушкой древесины систему автоматического управления влагообменом при сушке древесины. Данная система управляет процессом сушки за счет регулирования соотношения внешнего и внутреннего влагообмена, а не величины параметров среды в камере. Система управления влагообменом при конвективной сушке пиломатериалов является ограниченно управляющей: полностью стабилизировать значения массообменного критерия Био она не позволяет. Однако ее применение поддерживает определенный баланс между внутренним и внешним влагообменом, обеспечивает требуемое качество сушки и практически полностью исключает возникновение брака.

---

Данная статья опубликована в режиме открытого доступа и распространяется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0) • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Сведения об авторах

А.Г. Гороховский, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-6030-2018 , ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8847-8217
Е.Е. Шишкина, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-6021-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2584-4897
А.С. Агафонов, аспирант; ResearcherID: ABD-5832-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0955-9068
Уральский государственный лесотехнический университет, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург, Россия, 620100; e-mail: goralegr@yandex.ru, elenashishkina@yandex.ru

Ключевые слова

система управления сушкой, влагообмен, конвективная сушка пиломатериалов, массообменный критерий Био

Для цитирования

Гороховский А.Г., Шишкина Е.Е., Агафонов А.С. Конвективная сушка пиломатериалов на основе управляемого влагообмена // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 1. С. 166–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-1-166-172

Литература

1. Агапов В.П. Автоматизация управления процессом сушки по психрометрической разности // Сушка древесины: материалы всесоюз. науч.-техн. совещ. Архангельск: ЦНИИ МОД, 1975. С. 24–27. Agapov V.P. Automation of Drying Process Control by Psychrometric Difference. Drying of Wood: Proceedings of the All-Union Scientific and Technical Meeting. Arkhangelsk, TsNIIMOD Publ., 1975, pp. 24–27.
2. Богданов Е.С. Автоматизация процессов сушки пиломатериалов. М.: Лесн. пром-сть. 1979. 175 с. Bogdanov E.S. Automation of Lumber Drying Processes. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1979. 175 р.
3. Гороховский А.Г., Шишкина Е.Е. Особенности тепломассообмена при сушке пиломатериалов бесступенчатыми режимами // Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. 37, № 2. С. 139–143. Gorokhovsky A.G., Shishkina E.E. Features of Heat and Mass Transfer at Drying od Timber by Stepless Modes. Hvojnye boreal’noj zony [Conifers of the boreal area], 2019, vol. 37, no. 2, pp. 139–143.
4. Гороховский А.Г., Шишкина Е.Е., Гороховский А.A. Режимы конвективной сушки пиломатериалов: оптимизация структуры и величин технологических параметров // Деревообраб. пром-сть. 2010. № 4. С. 14–16. Gorokhovsky A.G., Shishkina E.E., Gorokhovsky A.A. Modes of Convective Drying of Lumber: Optimization of the Structure and Values of Technological Parameters. Derevoobrabativaushaya promishlennost’ [Woodworking industry], 2010, no. 4, pp. 14–16.
5. Гринчик Н.Н., Гишкелюк И.А., Кундас С.П. Моделирование тепломассопереноса и поверхностных явлений в капиллярно-пористых средах на основе уравнений двухфазной фильтрации и изотерм сорбции // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2011. № 2(7). С. 146–150. Grinchik N.N., Gishkelyuk I.A., Kundas S.P. Modelling of Heat and Mass Transfer and Surface Phenomena in Capillaryporous Media Based on Equations of Two-Phase Filtration and Sorption Isotherms. Sovremennaya nauka: issledovaniya, idei, rezul’taty, tekhnologii [Modern Science: Researches, Ideas, Results, Technologies], 2011, no. 2(7), pp. 146–150.
6. Гринчик Н.Н., Акулич П.В., Куц П.С., Павлюкевич Н.В., Терехов В.И. К проблеме неизотермического массопереноса в пористых средах // Инж.-физ. журн. 2003. Т. 76, № 6. С. 129–141. Grinchik N.N., Akulich P.V., Kuts P.S., Pavlyukevich N.V., Terekhov V.I. On the Problem of Nonisothermal Mass Transfer in Porous Media. Inzhenerno-Fizicheskii Zhurnal [Journal of Engineering Physics and Thermophysics], 2003, vol. 76, no. 6, рр. 129‒141. DOI: https://doi.org/10.1023/B:JOEP.0000012041.81528.02
7. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высш. шк., 2001. 550 с. Kartashov E.M. Analytical Methods in the Theory of Thermal Conductivity of Solids. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2001. 550 p.
8. Кудинов В.А., Карташов Э.М., Калашников В.В. Аналитические решения задач тепломассопереноса и термоупругости для многослойных конструкций. М.: Высш. шк., 2005. 432 с. Kudinov V.A., Kartashov E.M., Kalashnikov V.V. Analytical Solutions for Problems of Heat and Mass Transfer and Thermoelasticity for Multilayer Structures. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2005. 432 p.
9. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 470 с. Lykov A.V. Drying Theory. Moscow, Energiya Publ., 1968. 470 p.
10. Морозов В.М. Автоматизация сушки пиломатериалов как фактор экономного расходования тепловой и электрической энергии // Рациональное использование энергетических ресурсов при сушке пиломатериалов. Саласпилс, 1983. С. 32–36. Morozov V.M. Automation of Lumber Drying as a Factor of Economical Consumption of Heat and Electric Energy. Rational Use of Energy Resources in Drying Lumber. Salaspils, 1983, pp. 32–36.
11. Патент 2638229 C2 РФ, МПК F26B 3/04, F26B 21/12. Способ сушки пиломатериалов: № 2015140179: заявл. 21.09.2015: опубл. 12.12.2017 / А.Г. Гороховский, Е.Е. Шишкина, Е.В. Сливина. Gorokhovskij A.G., Shishkina E.E., Slivina E.V. Method for Drying Lumber. Patent RF no. RU 2638229 C2, 2017.
12. Савенко В.Г., Савенко А.В., Петрухин Ю.П. Повышение эффективности системы управления процессом сушки пиломатериалов // Деревообраб. пром-сть. 2004. № 4. С. 15–17. Savenko V.G., Savenko A.V., Petrukhin Yu.P. Improving the Control System Efficiency of the Lumber Drying Process. Derevoobrabativaushaya promishlennost’ [Woodworking industry], 2004, no. 4, pp. 15–17.
13. Старова Е.В. Технология сушки пиломатериалов режимами оптимизированной структуры: дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2018. 163 с. Starova E.V. Lumber Drying Technology with Optimized Structure Modes: Cand. Eng. Sci. Diss. Yekaterinburg, 2018. 163 р.
14. Шишкина Е.Е. Энергосберегающая технология конвективной сушки пиломатериалов на основе управляемого влагопереноса в древесине: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Архангельск: СА ФУ, 2016. 40 с. Shishkina E.E. Energy-Saving Technology for Convective Drying of Lumber Based on Controlled Moisture Transfer in Wood: Dr. Eng. Sci. Diss. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2016. 40 p.
15. Шишкина Е.Е., Гороховский А.Г. Оптимизация структуры и величины параметров режимов конвективной сушки пиломатериалов по показателям эффективности и качества // Изв. СП бЛТА . 2015. Вып. 213. С. 232–241. Shishkina E.E., Gorokhovsky A.G. Optimization of the Structure and Size of the Parameters Modes of Convective Drying Lumber in terms of Efficiency and Quality. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2015, iss. 213, pp. 232–241.
16. Azzouz S., Ben Dhib K., Bahar R., Ouertani S., Elaieb M.T., Elcafsi A. Mass Diffusivity of Different Species of Wood in Convective Drying. European Journal of Wood and Wood Products, 2018, vol. 76, iss. 2, pp. 573–582. DOI: 10.1007/s00107-017-1212-9
17. Da Silva W.P., da Silva L.D., e Silva C.M.D.P.S., Nascimento P.L. Optimization and Simulation of Drying Processes Using Diffusion Models: Application to Wood Drying Using Forced Air at Low Temperature. Wood Science and Technology, 2011, vol. 45, iss. 4, pp. 787–800. DOI: 10.1007/s00226-010-0391-x
18. Da Silva W.P., e Silva C.M.D.P.S., Rodrigues A.F., de Figueirêdo R.M.F. One- Dimensional Numerical Solution of the Diffusion Equation to Describe Wood Drying: Comparison with Two- and Three-Dimensional Solutions. Journal of Wood Science, 2015, vol. 61, iss. 4, pp. 364–371. DOI: 10.1007/s10086-015-1479-6
19. Moises S.A., Pereira S.L. Dealing with Empty and Overabundant Answers to Flexible Queries. Journal of Data Analysis and Information Processing, 2014, vol. 2, no. 1, pp. 12–18. DOI: 10.4236/jdaip.2014.21003
20. Nakagawa K., Tamura A., Adachi S. Optimization of Food Dye (Betanin) Retention during Hot Air Drying: Design Space Calculation with Consideration of Reaction and Substrate Transfer Kinetics. Drying Technology, 2018, vol. 36, iss. 15, pp. 1920–1929. DOI: 10.1080/07373937.2018.1463538
21. Obataya E., Higashihara T. Reversible and Irreversible Dimensional Changes of Heat-Treated Wood during Alternate Wetting and Drying. Wood Science and Technology, 2017, vol. 51, iss. 4, pp. 739–749. DOI: 10.1007/s00226-017-0918-5
22. Safin R.R., Khasanshin R.R., Khakimzyanov I.F., Mukhametzyanov Sh.R., Kainov P.A. Increasing the Energy Efficiency of the Process of Oscillating Vacuum-Conductive Drying of Wood by Means of a Heat Pump. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2017, vol. 90, iss. 2, pp. 310–317. DOI: 10.1007/s10891-017-1569-y