УДК 62

Использование печей аэродинамического нагрева для сушки древесины

Булыгин Юрий Владимирович – ведущий инженер-энергетик АО "АГД ДАЙМОНДС"

Аннотация: Сушка является важнейшей частью процесса производства большинства изделий из древесины, и используемые методы и надлежащий контроль являются ключом к достижению надлежащего уровня производства, качества и затрат. Большая часть пиломатериалов на определенном этапе процесса сушится в печах. Наиболее распространенные коммерческие печи можно классифицировать как обычные, высокотемпературные и вакуумные; иногда используются солнечная и компрессионной сушка. В данной работе предложен метод сушки древесины с использованием эффекта аэродинамического нагрева. Внедренный в конструкцию обтекатель повышает гидродинамическую эффективность потоков.

Ключевые слова: аэродинамический эффект, потоки воздуха, тепловой барьер, ротор, камера.

Аэродинамический нагрев (АН) – это нагрев объекта в результате обтекания этого объекта потоком воздуха с высокой скоростью [1]. Трение между потоками вдоль объекта, и кинетическую энергию движения в тепло внутри тонкого слоя воздуха, который покрывает объект. Эта область показана на рисунке 1.

image001

Рисунок 1. Иллюстрация эффекта аэродинамического нагрева.

Температура этого слоя увеличивается пропорционально квадрату скорости, так что уже при числе Маха, равном 3, температура пограничного слоя достигает значения свыше 300 °С. Поскольку тепло концентрируется в воздухе у поверхности объекта, оно будет легко поступать от пограничного слоя, причем легкость, с которой оно поступает, увеличивается также со скоростью [2]. Из-за увеличения теплопередачи со скоростью создается впечатление, что "тепловой барьер" существует по аналогии со "звуковым барьером". Отличие заключается в том, что барьер звукового сопротивления существовал в узком диапазоне чисел Маха, тогда как тепловой барьер не возникает в ограниченном диапазоне чисел Маха, а скорее имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения числа Маха.

Простейший пример использования этого эффекта в технике – аэродинамический нагреватель (АЭН), показанный на рисунке 2.

image002

Рисунок 2. Принцип действия аэродинамического нагревателя.

Устройство работает следующим образом. При вращении ротора воздух засасывается через входное отверстие, нагревается в каналах ротора и нагнетается во все стороны по его окружности [3, 4]. В камере нагнетаемый воздух разделяется на два потока и по каналам, образованным перегородкой и стенками, направляется в противоположные стороны. Направление потока воздуха в аэродинамическом нагревателе показано на рисунке 2 стрелками. Такое сложение скоростей дает высокую равномерность распределения потока воздуха в выходном отверстии.

Рассмотрим одно из применений подобных АЭН для сушки древесины. Пиломатериалы, которые недавно были распилены и обработаны механической обработкой, содержат относительно большой процент воды и называются "зелеными" пиломатериалами. Перед использованием в строительстве или других областях, где требуются пиломатериалы хорошего качества, необработанные пиломатериалы необходимо высушить, чтобы удалить из них относительно большой процент воды. Допустимое содержание воды зависит от области применения, а также от типа древесины, однако во многих случаях допустимым содержанием воды является влажность 19% или менее [5].

Несмотря на то, что пиломатериалы могут подвергаться "сухой" сушке, сушка в печи ускоряется и обеспечивает повышенный контроль над процессом сушки. При сушке в печи шихта пиломатериалов помещается в камеру печи. Как правило, это камеры, оснащенные реверсивными вентиляторами для циркуляции воздуха по камере [6].

Загрузка пиломатериалов, помещаемых в печь, обычно состоит из нескольких прямоугольных сплошных штабелей пиломатериалов. Каждая стопка пиломатериалов, в свою очередь, обычно состоит из нескольких вертикально уложенных горизонтальных рядов пиломатериалов, которые образуют прямоугольное целое. Горизонтальные ряды расположены на расстоянии друг от друга для прохождения воздуха между рядами с использованием деревянных досок, называемых "наклейками", которые имеют относительно небольшую площадь поперечного сечения по отношению к площади поперечного сечения пиломатериалов, образующих шихту. Наклейки обычно располагаются на расстоянии друг от друга между каждым горизонтальным рядом, чтобы обеспечить прохождение воздуха между рядами.

АЭН, обычно расположенные в верхних частях печи и над штабелями пиломатериалов, циркулируют воздух по камере печи, включая штабеля пиломатериалов. Поскольку наклейки обеспечивают расстояние между горизонтальными рядами пиломатериалов, нагретый воздух проходит между рядами пиломатериалов и находится в непосредственном контакте, как с верхней, так и с нижней поверхностями отдельных кусков пиломатериалов.

Внутри таких печей воздух, как правило, циркулирует по кругу. В частности, АЭН над штабелями пиломатериалов направляют воздух сбоку поверх пиломатериалов в первом направлении. Когда воздух соприкасается с первой боковой стенкой камеры, основная масса воздуха выталкивается вниз вентиляторами и потолком камеры. Затем циркулирующий воздух проходит через промежутки между горизонтальными рядами пиломатериалов, в боковом направлении, противоположном первому боковому направлению. При соприкосновении со второй боковой стенкой камеры печи воздух поднимается и рециркулируется АЭН через пиломатериалы. Периодически АЭН переключаются таким образом, чтобы воздух поступал в противоположном направлении, обеспечивая в целом равномерную сушку пиломатериалов.

На рисунке 3 показана камера печи АН для сушки пиломатериалов. Камера имеет нижнюю часть, образующую в целом прямоугольное сплошное пространство для размещения загрузки пиломатериалов. Загрузка пиломатериалов состоит из множества прямоугольных сплошных штабелей пиломатериалов.

image003

Рисунке 3. Схематическое изображение сушильной печи АН.

Камера включает в себя набор дверей на боковых стенках. Дверцы позволяют вставлять пиломатериалы и извлекать их из камеры. Дверцы также позволяют герметизировать камеру печи АН для контроля поступления и отвода воздуха.

Камера также включает в себя множество АЭН, расположенных на продольном расстоянии для циркуляции воздуха в поперечном направлении через камеру. Нагреватели обычно расположены в верхних частях камеры печи над, как правило, прямоугольным сплошным пространством. Они обеспечивают циркуляцию воздуха через пиломатериалы в камере печи для удаления влаги из пиломатериалов до приемлемого уровня влажности.

Для улучшения циркуляции воздуха через камеру и через штабеля пиломатериалов применяется удлиненный обтекатель, размещаемый в верхних частях камеры. Его действие аналогично перегородке на рисунке 2. Это улучшение циркуляции воздуха увеличивает и, соответственно, сокращает время и затраты, за которые можно высушить одинаковые количества пиломатериалов до одинакового уровня влажности.

Таким образом, в статье рассмотрено использование эффекта аэродинамического нагрева в сушильной печи для сырой древесины. Особенностью является использование обтекателя, который улучшает гидродинамику воздушных потоков и усиливает АН эффект. С точки зрения практического использования такие печи экономически выгодней электрических и ультразвуковых сушек.

Список литературы

  1. Riley C. J., DeJarnette F. R. Engineering aerodynamic heating method for hypersonic flow //Journal of Spacecraft and Rockets. – 1992. – Т. 29. – №. 3. – С. 327-334.
  2. Формалев В. Ф., Колесник С. А., Селин И. А. О сопряженном теплообмене при аэродинамическом нагреве анизотропных тел с высокой степенью анизотропии //Тепловые процессы в технике. – 2016. – Т. 8. – №. 9. – С. 388-394.
  3. Никитин В. В. Рециркуляционная установка аэродинамического нагрева, применяемая в сельском хозяйстве //Молодежь и наука. – 2020. – №. 1. – С. 37-37.
  4. Купреенко А. И. и др. Сушилка аэродинамического нагрева модульного типа //Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. – 2022. – №. 1. – С. 218-222.
  5. Keey R. B., Langrish T. A. G., Walker J. C. F. Kiln-drying of lumber. – Springer Science & Business Media, 2012.
  6. Скуратов Н. В., Протасова А. В. Анализ методов контроля качества сушки пиломатериалов //Лесной вестник/Forestry bulletin. – 2012. – №. 3 (86). – С. 96-99.

Интересная статья? Поделись ей с другими: