ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ТЕПЛОВЛАГООБРАБОТОК ПРИ СУШКЕ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
Билей П. В., Павлюст В. Н., Соколовский И. А.
(УкрГЛТУ, г. Львов, Украина)
The kinds of warm and moisture processing are reviewed at drying saw-timbers. The computational relations for definition of optimal duration of warm and moisture processing are offered.
При сушке пиломатериалов проводят начальную, промежуточные и конечную тепловлагообработки. Проведение этих тепловлагообработок требует дополнительных затрат тепловой энергии. При этом, например, в период начальной тепловлагообработки (начальный прогрев пиломатериалов перед сушкой) тепловая мощность камер возрастает в 3-5 раз по сравнению с периодом сушки. Поэтому, только за счет оптимизации продолжительности процессов тепловлагообработок можно достигнуть экономию тепловой энергии.
Существует множество методов определения продолжительности начальной тепловой обработки пиломатериалов перед сушкой. Однако, на практике применяется эмпирический метод, по которому длительность начального прогрева хвойных пиломатериалов принимается 1,0…1,5 часа на каждый сантиметр толщины материала при t0>0 0С и 1,5…2 часа на 1 см толщины при t0<0 0С. При этом, ни табличный, ни графоаналитический, ни эмпирические методы не учитывают ряд важных факторов: начальную температуру древесины, температуру среды, тепловую инерционность оборудования – сушильных камер. В производственных условиях применяется большое количество типоразмеров сушильных камер и определить их тепловую инерцию возможно только экспериментальным путем. Однако, можно считать, что инерционность камеры уже преодолена при достижении, заданной режимом, температуры среды – tс. Тогда длительность начальной обработки определится по формуле
tн.о = А r tд0,92S12lgW (1)
где А – коэффициент, который учитывает соотношение размерностей (r, t, S, W), для бука А=2,95×10-5; r - плотность древесины, кг/м3; S1 – толщина пиломатериала, мм; W – влажность древесины, % абс; tд – температура древесины в конце прогрева, tд = tс = 3, 0С.
Длительность начальной тепловлагообработки, определенная по формуле (1) с достаточной точностью совпадает с производственными данными.
При сушке пиломатериалов, промежуточные и конечную влаготеплообработки проводят для снятия или уменьшения внутренних напряжений. Оптимальным периодом назначения промежуточной влаготеплообработки является средняя влажность материала около Wср=25%. Распределение влагосодержания по толщине материала имеет косинусоидальный характер: в поверхностном слое Wп= Wр, а во внутренних – 30…40%. Если материал в данный момент подвергнуть влаготеплообработке, то поверхностные слои будут увлажнятся, а внутренние будут продолжать высыхать. Таким образом, установится некоторый противоток влаги, то есть повышение влажности поверхностных слоев материала будет происходить как за счет сорбции и диффузии в них влаги, так и перемещение влаги из более влажных центральных слоев. При заданной длительности влаготеплообработки можно ожидать, что влажность по всему сечению выравняется и будет соответствовать равновесному значению. Такие явления имеют место при конечной или кондиционирующей обработке. Увлажнение древесины при влаготеплообработке представляет собой сложный процесс сорбции влаги в поверхностных слоях, перемещения влаги в виде пара и жидкости вглубь, которые сопровождаются разбуханием и выделением теплоты. Поскольку между процессами тепло- и влагообмена признается аналогия, в качестве граничного условия (І рода) принято значение массообменного критерия Био Ві ®¥. Физически это условие означает, что процесс сорбции водяного пара древесиной лимитируется не внешним, а внутренним влагообменом (диффузией). Основными факторами, влияющими на процесс увлажнения, являются параметры среды, размеры сечения, глубина увлажнение (х/R) и влагопроводность (а/). Эти параметры связаны с продолжительностью процесса увлажнения (t) системой критериальных уравнений:
(2)
где 
(3)
F0/ = a/t/R2 (4)
Таким образом, скорость сорбции влаги древесиной определяется ее влагопроводностю.
Проведенные экспериментальные исследования позволили описать эмпирические формулами процесс увлажнения древесины при теплообработке. Например, апроксимируещее выражение для древесины бука
при Wср <Wт.н:
Wп
= 15,4 ехр (0,071t); Wц=29,8
- 0,23t; 
=0,53ехр(0,067t);
при Wср > Wт.н:
Wп
= 19,6 ехр (0,048t); Wц=46,6
– 0,195t; =0,42ехр(0,053t);
В
обозначениях принято: 
; Wр – равновесная
влажность древесины; Wср - средняя влажность пиломатериалов по
сечению; Wп ,Wц, - влажность древесины соответственно
на поверхности и в центре; t - продолджительность
влаготеплообробки; 
- безразмерная влажность; F/0
– массообменный критерий Фурье.
Из приведенных апроксимирующих выражений видно, что поверхностные слоя увлажняться по экспоненциальной зависимости, а внутренние слоя уменьшают свою влажность по прямолинейной зависимости. В целом длительность промежуточных тепловлагообработок (tп.о час) определить по формуле
tп.о = а + в 
, (5)
где а, в – коэффициенты, учитывающие породу (для бука а = 3,5; в = 0,025); S1 – толщина материала, мм.
Продолжительность
конечной теплообработки, которую проводят для выравнивания влажности по
толщине, конечной влажности пиломатериалов (к) и параметров среды.
При температуре среды принятой по последней ступени режима и влажности, воздуха
j= 92…95%, ориентировочная длительность
влаготеплообработки определяется по формуле
tк.о = СS12
, час (6)
где С – коэффициент, учитывающий породу древесины, для бука С=0,23
Выводы: На основании аналитических и эксперементальных исследований предложена методика определения продолжительности начального (начального прогрева перед сушкой) промежуточных и конечной влаготеплообработок. Полученные расчетные зависимости (на примере древесины бука), позволяют определить оптимальное значение продолжительности соответствующих тепловлагообработок, что способствует экономии и повышению качества высушиваемого материала.