Система автоматичного керування процесом сушки в триступеневій сушарці деревини

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Вступ

Сушіння матеріалів є енергоємким процесом, зв'язаним зі значною витратою палива, пару, а також електроенергії, а отже використання високоточної автоматики дозволить значно скоротити термін сушіння та знизити енергетичні затрати. Сушать деревину у виді пиломатеріалів (дощок, брусів, заготовок), шпону (тонколистового матеріалу), трісок, стружки і волокон. Також поширеним є сушіння круглих лісоматеріалів (деталі опор ліній електропередачі, зв'язки, будівельні деталі).

Деревину висушують з метою: попередження розміро- і формозмінності деталей; запобігання псуванню і загниванню; збільшення питомої міцності; підвищення якості обробки і склеювання.

Широке впровадження систем автоматизації дає народному господарству разом з прямим економічним ефектом значний організаційний ефект, тому що вимагає фахівців високої кваліфікації і підвищує загальний рівень організації виробництва, поліпшує стиль і ефективність керівництва. Тому рівень механізації та автоматизації виробничих процесів є одним з важливих показників науково-технічного прогресу в країні.

На даний час проблема автоматизації сушіння деревини вирішувалась шляхом використання застарілих, як морально так і в фізичному плані приладів. Для контролю технологічних параметрів використовувались аналогові прилади з малим класом точності та технічними показниками, що не відповідають сучасним вимогам.

Паралельно з застарілим обладнанням, останнім часом, на ринку автоматики з'явились засоби автоматизації, розроблені провідними брендовими фірмами. Ці засоби цілком задовольняють вимогам, поставленим перед автоматизацією процесу сушки, але негативним є той фактор, що ціни на них залишаються недоступними.

Отже застарілість, як моральна так і фізична, існуючого обладнання поруч із дороговизною і недоступністю сучасних засобів автоматизації робить процес сушки деревини, досить складним, вимагає високої кваліфікації працівників та обслуговуючого персоналу.

Метою даного дипломного проекту є розробка системи автоматичного керування процесом сушки в триступеневій сушарці деревини з мінімальними матеріальними затратами на розробку, та простим інтуїтивним інтерфейсом для користувача-оператора, також з оптимальними технічними показниками та високою ступінню надійності. Процес трьохступеневого сушіння вимагає контролю основних параметрів його протікання, а саме: температури та вологості у вакуумній камері, вологості висушуваного матеріалу; керування ходом процесу висушування шляхом зміни подачі нагрітого повітря та вентилювання камери для створення необхідної вологості.

Для вирішення питань контролю параметрів в дипломному проекті передбачається. Для більш якісного збору технологічних параметрів запроектувати використання декількох давачів температури, вологості в камері та вологості пиломатеріалів. Для уникнення можливої похибки вимірювання пов'язаної з неоднорідністю середовища в камері кінцеве значення вимірюваних параметрів буде зручно вираховувати як середнє значення показників давачів. Це дасть змогу точніше, і головне швидше реагувати на зміну стану об'єкта автоматизації. Також доцільним буде використання електронних давачів вологості та температури, що дозволить усунути ряд похибок, тим самим зробить процес вимірювання вологості швидшим та значно точнішим.

Для вирішення питань автоматизованого управління буде запроектованою мікроконтролерну систему на базі сучасного мікро контролера, який буде здійснювати збір всіх основних показників роботи сушарки та регулювати протіканням процесу за наперед заданою програмою.

Відкрите акціонерне товариство "Будматеріали" (далі - Товариство) засновано у 1994р шляхом приватизації державного майна Острозького магазину "Укрторгбудматеріали"

Місцезнаходження Товариства: 265610, Україна, Рівненська обл., Острозький р-н, с. Оженіно.

Метою діяльності Товариства є одержання прибутку від виробничо-комерційної діяльності на принципах самоокупності, самофінансування та повного госпрозрахунку, запровадження нових технологій, залучення іноземних інвестицій для насичення споживчого ринку та задоволення потреб населення в продукції підприємства. Предметом діяльності Товариства є:

- оптова торгівля;

- роздрібна торгівля;

- виробництво товарів народного вжитку;

- надання послуг по замовленню державних, колективних, спільних, приватних підприємств та індивідуальних замовників за напрямком діяльності підприємства;

- створення мережі торгових точок та магазинів;

- посередницька та комісійна діяльність;

- ремонт будов та споруд невиробничого призначення ;

- ремонт та будівництво житла за замовленнями населення ;

- виробництво будівельних деталей з деревини і плит на деревній основі;

- інші види діяльності не заборонені чинним законодавством України.

На даному підприємстві працює понад тридцять чоловік, функціонують три цехи: пилорамний, сушильний та столярний. Пилорамний цех відповідає за розрізку колод на дошки, сушильний - за сушіння дошки для виготовлення кінцевої продукції, а столярний цех виготовляє продукцію, таку як віконні та дверні блоки, дошку для підлоги, плінтус та ін.



1. Особливості процесу сушіння деревини

1.1 Процес сушіння

Сушіння матеріалів є енергоємким процесом, зв'язаним зі значною витратою палива, пару, а також електроенергії, а отже використання високоточної автоматики дозволить значно скоротити терміни сушіння та знизити енергетичні затрати.

На підприємствах сушіння деревини здійснюють у виді пиломатеріалів (дошок, брусів, заготовок), шпону (тонколистового матеріалу), трісок, стружки і волокон. Інколи має місце сушіння круглих лісоматеріалів (деталі опор ліній електропередачі, зв'язки, будівельні деталі).

У результаті сушіння деревина з природної сировини перетворюється в промисловий матеріал, що відповідає найрізноманітнішим вимогам, які висуваються до нього в різних виробничих і побутових умовах. При зниженні вологості деревини поліпшуються її фізико-механічні й експлуатаційні властивості. Відомо, що при зміні вмісту вологи в деревних сортаментах змінюються їхні розміри і форма. У тих випадках, коли при експлуатації виробів з деревини необхідна сталість розмірів і форми деталей, їхня вологість повинна бути заздалегідь доведена до визначеного рівня, що відповідає умовам експлуатації цих виробів, тобто до експлуатаційної вологості. Деревина, що містить велику кількість вологи, легко вражається грибами, у результаті чого вона загниває. Суха ж деревина відрізняється великою стійкістю. Зниження вологості деревини приводить до зниження її маси та одночасного підвищення міцності. Суха деревина, на відміну від сирої, легко клеїться, добре піддається обробці. Контроль за кінцевим показником вологості є головним чинником в процесі сушки [4,102].

Таким чином, деревину висушують з метою: попередження розміро- і формозмінності деталей; запобігання псування і загнивання; збільшення питомої міцності; підвищення якості обробки і склеювання.

Вибір способу сушіння і сушильного устаткування визначається рядом факторів: породним і сортаментним складом пиломатеріалів, що висушуються, вартістю енергоносія, необхідною продуктивністю, умовами й інвестиційними можливостями споживачів. Сушильна камера з енергозберігаючими технологіями - обов'язкова умова рентабельної роботи.

На даний момент на ринку сушильних камер 90-95% класичного типу - конвективні з різними системами приточно-витяжної вентиляції і видами теплоносія. Їхні переваги: невеликі капітальні витрати, простота процесу сушіння, зручність технічного обслуговування.

Циркуляційна система сушки повинна забезпечувати необхідну швидкість і рівномірність розподілу сушильного агента по матеріалу для різних порід з метою одержання вищої якості й оптимальної тривалості процесу. Для спонукання циркуляції сушильного агента використовують осьові і, в окремих випадках при великому опорі циркуляційного тракту, відцентрові вентилятори. До цього устаткування повинні пред'являтися жорсткі вимоги по його надійності при експлуатації в середовищі з підвищеною температурою і вологістю.

Теплова енергія для сушарок виробляється в котельнях. Теплоносієм є пара чи гаряча вода. Електроенергію, внаслідок високої ціни, використовують у рідких випадках. Хоча останнім часом значна частина матеріалу висушується в камерах, що працюють на електроенергії.

Параметри середовища в сушильній камері, як правило, вимірюють психрометром. Керування і регулювання процесу сушіння здійснюється автоматично.

Поряд із традиційними конвективними сушарками певне поширення одержали вакуумні і конденсаційні сушарки.

Вакуумні сушарки доцільно використовувати для сушіння деревини твердих листяних порід великих перетинів (50 мм і більше), коли тривалість процесу є важливим чинником. При купівлі таких камер не можна забувати про великі капітальні вкладення.

Конденсаційні сушарки використовують у тих випадках, коли електроенергія, як енергоносій, найбільш дешева в порівнянні з іншими видами. ККД таких сушарок найбільш високий при температурі сушильного агента до 45° С. При цих параметрах собівартість процесу невелика, зате термін сушіння значний.

Раніш основний обсяг сушіння здійснювався на деревообробних і лісопильних підприємствах, де споруджувалися великі сушильні цехи продуктивністю до 100 тис.м3 умовного матеріалу в рік, зараз основна маса деревини переробляється на малих підприємствах, потреба яких може бути забезпечена одною - двома камерами невеликої завантажувальної ємності.

Меблеві і деревообробні підприємства оснащені лісосушильними камерами застарілих конструкцій, що знаходяться в аварійному стані і не можуть забезпечити якісне сушіння матеріалу. Разом з тим ринок висуває високі вимоги до якості виробів з деревини.

Сучасні лісосушильні камери дозволяють досягти високої якості сушіння. Вони оснащені системою автоматичного керування процесом і є складним комплексом устаткування, що вимагає кваліфікованого обслуговування.

Винятково велике значення має якісне сушіння деревини, без чого неможливий випуск високоякісної продукції. Низька якість сушіння, обумовлена незадовільним технічним станом сушильного устаткування і слабкою технологічною підготовкою обслуговуючого персоналу, приводить до прихованого браку - нерівномірності розподілу кінцевої вологості, що довгий час може залишатися непоміченим і позначитися тоді, коли виріб знаходиться в експлуатації.

1.2 Способи сушіння деревини

Класифікація способів сушіння ґрунтується на особливостях передачі тепла матеріалу, що висушується, і за цією ознакою можна виділити наступні види сушіння: конвективне, кондуктивне, радіаційне, електричне [2,10]. У табл.1.1 приведені види і способи сушіння.

Таблиця 1.1 - Види та способи сушіння деревини

Вид сушіння	Сушильні агенти	Спосіб сушіння	Основні особливості процесів
Конвективно-атмосферне	Повітря Повітря	На корені Атмосферна	Сушіння з використанням з сущої сили крони живого дерева Сушіння на відкритих складах чи під навісами
Конвективно- теплове	Повітря, Топковий газ, водяна пара і їхні суміші Рідини	Газопарова Ротаційна Вакуумна У рідинах	Сушіння в нагрітому газовому середовищі при атмосферному тиску Газопарове сушіння з додатковим використанням відцентрового ефекту Газопарове сушіння при тиску середовища нижче атмосферного Сушіння з використанням нагрітих рідких сушильних агентів
Кондуктивне	Повітря	Кондуктивне	Сушіння з передачею тепла матеріалу за допомогою теплопровідності при контакті с нагрітими поверхнями
Радіаційне	Повітря	Радіаційне	Сушіння передачею тепла матеріалу випромінюванням
Електричне	Повітря	Діелектричне	Сушіння в електромагнітному полі ТВЧ чи СВЧ із передачею тепла матеріалу за рахунок діелектричних втрат
Електричне	Повітря	Індукційне	Сушіння в електромагнітному полі промислової частоти з передачею тепла матеріалу від розташовуваних всередині штабелю феромагнітних шляхів що нагрівають індуктивними струмами.

Практична мета усіх видів сушіння - це зведення до мінімуму коливань кінцевої вологості деревини.

Вибір способу сушіння, устаткування й організація процесу залежать від безлічі факторів, як технологічного, так і місцевого значення. Основні фактори з цілим рядом конкретних показників наступні:

- вимоги до якості й обсягів матеріалів, що висушуються;

- забезпечення енергоносіями;

- склад комплектації устаткування;

- умови розміщення сушильних камер;

- фінансові можливості підприємства;

- забезпечення кадрами й ін.

Сушіння в рідинах

У даному випадку сушильним агентом служать гідрофобні і гідрофільні рідини.

Зневоднювання в гідрофобних рідинах, оліях, розплавлених металах, сірці по своєму механізмі схоже на конвективне сушіння при високотемпературному режимі. Тому всі негативні наслідки, - зниження міцності деревини, великі внутрішні напруження, характерні для високотемпературного режиму сушіння, присутні і тут.



Конденсаційний спосіб сушіння

За принципом дії конденсаційний спосіб відноситься до замкнутого циклу, тобто сушильний агент робить циркуляцію по камері без викиду в атмосферу і, відповідно, без підживлення свіжим повітрям. Повітря, насичений вологою відібраної з деревини, змочує холодну поверхню і прохолоджується до температури нижче крапки роси. Частина вологи, що міститься в повітрі, конденсується, а теплота, виділена при цьому, використовується для підігріву сушильного агента. Як охолоджувач використовується фреон.

Теоретично конденсаційний сушильний цикл із холодильником, що грає роль теплового насоса, характеризується нульовою витратою тепла на випар вологи. Витрати електроенергії тут йдуть на прогрів матеріалу і тепловтрати, а також на привід компресора і вентиляторів. Для компенсації теплових втрат агрегат забезпечується додатковим калорифером із зовнішнім електроживленням [4,56].

За даними закордонних фірм Hildebrand, Brunner, Vanicek енергоспоживання конденсаційних сушарок складає 0,25...0,5 кВт* год на 1 кг випаруваної води в залежності від вологості матеріалу, збільшуючись при її зниженні. Це приблизно в два рази менше витрати енергії в звичайних збірно-металевих камерах періодичної дії.

Атмосферне сушіння

Атмосферне сушіння є найбільш дешевим способом. Воно не вимагає таких капітальних затрат, як камерне, але для нього необхідний великий запас матеріалу.

Відомо, що атмосферно висушена деревина може експлуатуватися багато сторіч, якщо її повторно не воложити.

Основним недоліком атмосферного сушіння є те, що процес некерований: у районах з підвищеною вологістю повітря підвищується імовірність поразки пиломатеріалів грибками, а на півдні - розтріскування.

Згідно правил, атмосферне сушіння проводиться в штабелях, що укладаються на спеціальних складах. Стан сушильного агента - нестабільний, на нього впливають кліматичні умови, час року і доби. У результаті взаємодії повітря з деревиною, що висихає, на складах створюється своєрідний мікроклімат: повітря має знижену температуру, підвищену вологість і невелику швидкість циркуляції. Тому процес атмосферного сушіння тривалий. Деревина висушується до вологості 12...20% у залежності від кліматичних умов, породи і товщини матеріалу.

Існують способи інтенсифікації процесу: застосування більш розрідженого укладання, розміщення штабелів відповідно до напрямку пануючих вітрів, використання примусової циркуляції повітря за допомогою вентиляторів. Прискорення процесу, з одного боку, сильно знижує можливість появи хімічних і прокладочних фарбувань, синяв і гнилі, але з іншої сторони сприяє зниженню відносної вологості повітря, що приводить до збільшення залишкових напруг. Прискорене атмосферне сушіння дозволяє довести матеріал до вологості 20...30% за час, що складає від 1/2 до 1/4 тривалості процесу при звичайному атмосферному сушінні.

Камерне й атмосферно-камерне сушіння

Камерне сушіння пиломатеріалу - основний промисловий спосіб зневоднювання деревини, що реалізується у відповідних приміщеннях - камерах.

Звичайно під камерним розуміють конвективно-тепловий вид сушіння, здійснюваний у конвективних камерах різних конструкцій.

Сушильні камери можуть мати будівельні чи металеві огородження; бути стаціонарними чи пересувними; здійснювати безупинне чи періодичне сушіння матеріалу.

Камерне сушіння на деревообробних і меблевих підприємствах стало інтенсивно розвиватися в 1930 р. І дотепер на багатьох підприємствах експлуатуються камери застарілих конструкцій - безвентиляторні з підвальним приміщенням, що працюють за принципом природної циркуляції повітря, типу Грум-Гржимайло, Некар і ін.

Вибір категорії режиму здійснюється відповідно до потреби в сухому матеріалі, тому що тривалості процесу при м'якому і форсованому режимах відрізняються більш ніж у два рази, а також від призначення матеріалу, оскільки підвищення рівня температури висушування веде до втрати міцності деревини.

Переміщення повітря в камерах здійснюється за допомогою осьових чи відцентрових вентиляторів. Значення швидкості циркуляції повітря по штабелі в сучасних камерах коливаються від 1,0 до 5,0 м/с у залежності від породи деревини.

Переваги камерного сушіння в порівнянні з атмосферним - це менша тривалість, можливість керування процесом.

У зв'язку з особливостями розвитку внутрішніх напружень у деревині найбільш небезпечним є початковий період сушіння до середньої вологості матеріалу 30%. Тому режими камерного сушіння побудовані так, щоб перша ступінь, а по тривалості вона займає близько 40...45% усього терміну сушіння, була найбільш "волога". Це значить, що ступінь насиченості повітря створюється тут високий, що вимагає великих енерговитрат. При атмосферному підсушуванні по матеріалі циркулює вологе повітря низької температури, тобто створюється мікроклімат досить безпечний для стану деревини.

Для пиломатеріалів твердих листяних порід підсушування бажано проводити в спеціальних низькотемпературних камерах при температурі до 40 0С. У цьому випадку процес підсушування керований, тривалість його в 5...8 разів менше, ніж при атмосферному підсушуванні, значно менше і ступінь нерівномірності просихання.

Ротаційний спосіб сушіння

Цей спосіб являє собою механічне зневоднювання деревини в поле відцентрових сил. Здійснюється він у спеціальних карусельних сушарках, причому найкращий ефект досягається при розміщенні штабеля чи пиломатеріалів навіть круглого сортименту по діаметрі обертової платформи. При цьому вектор відцентрової сили збігається з віссю деревного сортименту, і зневоднювання відбувається уздовж волокон. Природно, що таким способом можна видалити з деревини тільки вільну воду. Вологість свіжої деревини при цьому знижується до 40...45% за невеликий проміжок часу - 10...20 хв. Пиломатеріали початковою вологістю З0...35% і нижче зневоднюванню з використанням відцентрового ефекту не піддаються.

Ротаційне сушіння, таким чином, може замінити першу найбільш енергоємну і тривалу ступінь камерного сушіння. Техніко-економічні розрахунки показали, що сполучення карусельного і камерного сушіння забезпечує 1,5-2-кратне скорочення енерговитрат і зниження собівартості сушіння на 25-30%.

Недоліком ротаційного способу є громіздкість конструкцій, складність у виконанні обертової платформи, балансування вантажу. Тому такі сушарки не одержали поширення [4,37].

Вакуумний спосіб сушіння

Використання зниженого тиску середовища для зневоднювання деревини викликано бажанням прискорити процес за рахунок використання додаткових резервів сушіння - не тільки градієнтів температури і вологості, але і градієнта тиску.

Матеріал, що висушується, поміщають у спеціальний автоклав чи герметичну камеру, де створюється розрідження повітря. Оскільки температура кипіння води у вакуумі нижче, ніж при атмосферному тиску, то, створюючи вакуум глибиною 0,9 кг/см2, температуру сушильного агента знижують до 40...45°С. У такий спосіб можна вести інтенсивний і, разом з тим, низькотемпературний процес сушіння при повному збереженні природних властивостей деревини.

Безпосередньо вакуумний спосіб сушіння не забезпечує необхідну експлуатаційну вологість матеріалу і застосовується тільки для сушіння пиломатеріалів до транспортної вологості, тобто до WK = 22%. Сполучення ж даного способу з кондуктивним, конвективним чи діелектричним дозволяє досягти необхідної кінцевої вологості при скороченні тривалості процесу в 2...10 разів.

Вакуумно-кондуктивний спосіб сушіння здійснюється при постійному протягом процесу вакуумі і контактному нагріванні деревини плитами, розміщеними усередині штабеля замість прокладок. За даними закордонних фірм Hildebrand, Citomak такий спосіб скорочує тривалість процесу в 3 рази в порівнянні з камерним сушінням нормальними режимами. Але він має ряд істотних недоліків: велика трудомісткість вантажно-розвантажувальних робіт; значна нерівномірність і розподіли кінцевої вологості по товщині матеріалу і, відповідно, великі внутрішні напруження; мала місткість камер. У силу цих недоліків вакуумно-кондуктивні камери не одержали широкого застосування в промисловості.

Вакуумно-конвективний спосіб сушіння може здійснюватися при циклічному нагріванні і вакуумуванні, тобто зі скиданням тиску, а також при постійному вакуумі.

У першому випадку матеріал спочатку прогрівають, а потім піддають вакууму. У деревині, нагрітій до температури кипіння води, відбувається википання вільної води з порожнин кліток за рахунок акумульованої теплоти. Пара, що утворилася, віддаляється з матеріалу під дією надлишкового тиску. Після припинення паротворення, тобто охолодження деревини, її знову нагрівають, і цикл багаторазово повторюють до досягнення необхідної кінцевої вологості. Тривалість циклів і їхні параметри залежать від породи, товщини і вологості матеріалу. Такий спосіб дає скорочення тривалості процесу в 4...5 разів у порівнянні з конвективним способом при високій якості сушіння.

Сушіння при постійному неглибокому вакуумі 0,2 кг/см2 і одночасному конвективному нагріванні дає також гарну якість. Тривалість процесу при цьому не зменшується, а відповідає конвективному сушінню. Собівартість сушіння в 3 рази нижче за рахунок використання теплоти конденсації випаруваної води і застосування низьких температур сушильного агента.

Вакуумно-конвективний спосіб сушіння останнім часом стає усе більш популярним. На думку авторів, він є найбільш перспективним серед способів, спрямованих на прискорення процесу сушіння [2,32].

При вакуумно-діелектричному способі сушіння нагрів матеріалу до 45...50°С здійснюється за рахунок енергії високочастотного електромагнітного поля чи при постійному вакуумі. Деревина знаходиться в середовищі майже чистої пари малого тиску, завдяки чому процес відбувається при малому перепаді вологості по товщині сортиментів і незначних внутрішніх напружень. Тривалість сушіння в цьому випадку зменшується в 10-12 разів. Однак вакуумно-діелектричний спосіб не позбавлений істотних недоліків. По-перше, вартість сушіння при такому способі досить велика через дорожнечу і складність устаткування, а також через великі енерговитрати. По-друге, з досвіду експлуатації вакуумно-діелектричних камер СПВД випливає, що поки не удалося досягти гарної якості сушіння: матеріал через нерівномірність електромагнітного поля має дуже великий розкид кінцевої вологості.

1.3 Технологічний процес сушіння деревини

На даному підприємстві використовується трьохступеневий камерний режим сушіння пиломатеріалів листяних порід (таблиця 1.2), хвойних (таблиця 1.3) та модрини (таблиця 1.4)

Таблиця 1.2 - Трьохступеневий камерний режим сушіння пиломатеріалів листяних порід

Індекс режима	Вологість деревини	Номер режима і параметри повітря
		2	3	4	5	6	7	8	9	10
		t	Дt	t	Дt	t	Дt	t	Дt	t	Дt	t	Дt	t	Дt	t	Дt	T	Дt
	>30	82	3	75	3	69	3	63	2	57	2	52	2
А	30...20	87	6	80	6	73	6	67	5	61	54	55	4
	<20	108	27	100	26	91	24	83	22	77	21	70	20
	>30	82	4	75	4	69	4	63	3	57	3	52	3	47	2	42	2	38	2
Б	30...20	87	8	80	8	73	7	67	6	61	6	55	5	50	5	45	4	41	4
	<20	108	29	100	28	91	25	83	23	77	22	70	21	62	18	57	17	52	16
	>30	82	6	75	5	69	5	63	4	57	4	52	4	47	3	42	3	38	3
В	30...20	87	10	80	9	73	8	67	7	61	7	55	7	50	6	45	5	41	5
	<20	108	31	100	29	91	26	83	24	77	23	70	22	62	19	57	18	52-	17
	>30	82	8	75	7	69	6	63	5	57	5	52	5	47	4	42	4	38	4
Г	30...20	87	12	80	11	73	10	67	9	61	9	55	8	50	7	45	6	51	6
	<20	108	33	100	31	91	28	83	26	77	25	70	23	62	21	57	20	52	18
	>30	82	10	75	9	69	8	63	7	57	6	52	6
Д	30...20	87	14	80	13	73	12	67	11	61	10	55	9
	<20	108	35	100	33	91	30	83	27	77	26	70	24



Додаток до таблиці 1.2

Порода	Категорії режиму	Товщина пиломатеріалів, мм
		До 22	від 22 до 32	від 32 до 40	від 40 до 50	від 50 до 60	від 60 до 70	від 70 до 75	від 75 до 100
береза, вільха	н	з-д	4-Г	4-В	5-В	6-Б	7-Б	8-Б	9-Б
	ж	2-Д	3-Г	3-В	4-В	-	-	-	-
Осика, липа, тополя	н	3-Г	3-Б	4-Б	5-В	6-В	7-В	8-В	9-В
	ж	2-Г	2-Б	3-Б	4-Б				-
Бук, клен	н	3-В	4-В	5-В	5-Б	6-Б	7-А '	8-Б	-
	ж	2-Г	3-Б	4-В				-	-
Дуб	н	5-Г	6-В	6-Б	7-Б	8-Б	9-В	10-Б	-
	ж	3-Г	4-В	5-В	-	-		-	-
Горіх	н	5-В	5-Б	6-Г	6-Б	7-В	8-Б	9-В	-
Граб, ясен	н	6-В	6-А	7-Б	8-Б	8-Б	9-В	10-В	-

104

Таблиця 1.3 - Трьохступеневий камерний режим сушіння пиломатеріалів хвойних порід - сосни і кедра (по РТМ)

Вологість деревини, %		Номер режиму для пиломатеріалів товщиною, мм
		1	2	3	4	5	6	7	9
		до 22	23 і 25	26 і 32	33 і 40	41 і 50	51 і 60	61 і 75	76 і 100
Нормальний режим (Н)
>35 35... 25 <25	T i Дt, єC t i Дt, єC t i Дt, єC	83 і 9 88 і 14 110 і 36	79 і 7 84 і 12 105 і 33	79 і 6 84 і 12 105 і 32	75 і 5 80 і 10 100 і 30	73 і 5 77 і 9 96 і 27	71 і 4 75 і 8 85 і 24	64 і 3 68 і 7 85 і 24	55 і 2 58 і 5 75 і 22
Жорсткий режим (Ж)
>35 35... 25 <25	T i Дt, єC t i Дt, єC t i Дt, єC	94 і 11 99 і 16 125 і 42	92 і 10 97 і 15 123 і 41	92 і 8 97 і 13 123 і 39	90 і 7 95 і 12 120 і 37	87 і 6 92 і 11 115 і 36	83 і 5 88 і 10 110 і 32	73 і 4 78 і 9 98 і 29	- - -
Таблиця 1.4 - Трьохступеневий камерний режим сушіння пиломатеріалів листяних порід з деревини модрини (по РТМ)
Вологість деревини, %	Параметри	Номер режиму для пиломатеріалів товщиною, мм
		Л1	Л2	ЛЗ	Л 4	Л5	Л6	Л7
		до 22	23 і 25	26 і 22	33 і 40	41 н 50	51 і 60	61 і 75
Нормальний режим (Н)
>35 35... 25 <25	T i Дt, єC t i Дt, єC t i Дt, єC	70 і 9 75 і 15 80 і 25	70 і 8 75 і 15 80 і 25	70 і 6 75 і 15 80 і 25	65 і 5 70 і 10 75 і 20	60 і 4 65 і 9 70 і 19	80 і 3 65 і 7 70 і 18	60 і 2 65 і 5 70 і 15
Жорсткий режим (Ж)
>35 35... 25 >25	T i Дt, єC t i Дt, єC t i Дt, єC	90 і 9 98 і 12 112 і 32	90 і 7 96 і 11 110 і 30	82 і 4 87 і 8 108 і 29	75 і 4 80 і 8 100 і 28	75 і 8 80 і 6 100 і 26	72 і 2 78 і 5 95 і 20	70 і 2 76 і 4 90 і 18

Принцип трьохступеневого режиму сушки полягає в тому, що на кожному етапі збільшуються температура повітря по мірі зниження вологості в деревині до певної величини, при якій процес сушки переводиться на наступну ступінь з більшою температурою і психометричною різницею.

Рис. 1.1 - Теплогенератор на відходах пиломатеріалів

Нагрів та утримання потрібної температури в сушильній камері здійснюється на основі трьох теплогенераторів. На рис. 1.1 зображений тепло генератор який працює на основі спалювані дров, що призводить до нагрівання труб, по яких рухається повітря за допомогою відцентрового вентилятора. Нагріте повітря подається в сушильну камеру.



Рис. 1.2 - Технологічна схема процесу сушіння: 1 - котел; 2 - труби з повітрям; 3 - відцентровий вентилятор; 4 - труби з водою; 5 - вентилятор; 6 - радіатори з гарячою водою; 7 - витяжка.

Рис. 1.3 - Електрична схема живлення електрообладнання: 1 - сушильна камера; 2 - водяний котел; 3 - вогняний калорифер; 4 - електро калорифер



Другий тепло генератор працює на основі водяного котла та двох радіаторів, які обдуваються вентиляторами. Ці два тепло генератори застосовуються для грубого регулювання температури, а для більш точного регулювання використовують третій - електрокалорифер. Для регулювання вологості в сушильній камері використовують витяжки.

1.4 Волога в деревині

Деревина складається з різноманітних рослинних кліток переважно подовженої форми. У деревині хвойних порід основним типом кліток є трахеїди, а листяних порід - волокна лібриформу і судини. Крім того, наявні клітки серцевинних променів і в невеликій кількості клітки деревної паренхіми.

Порожнини кліток, з'єднані між собою порами (рис. 1.4), утворюють у деревині макрокапілярну систему, що добре прониклива для рідин і газів у напрямку уздовж волокон і значно менше - поперек волокон. Стінки кліток мають волокнисту будову. Вони формуються з окремих волоконець-мікрофібрил, орієнтованих уздовж осі чи клітки під невеликим кутом до неї. Мікрофібрили складаються з переплетених між собою ланцюгових молекул целюлози. Між мікрофібрилами розміщуються інші органічні речовини - геміцелюлози і лігнін, а також наявні вільні сполучені простори, заповнені повітрям і вологою, кількість якої мінлива. Отже, у стінках кліток присутня своя капілярна система, проте більш тонка, чим макро-капілярна. Вміст вологи в деревині, як і інших речовинах, характеризують величиною відношення маси вологи в деревині до маси деревини. Це відношення, виражене у відсотках, називають вологістю. В технології деревообробки прийнято розраховувати вологість як відношення маси вологи, що міститься в деревині, до її маси в абсолютно сухому стані [2,98]. Вологість W (у %) визначають у цьому випадку згідно виразу:



, (1)

де m - загальна маса проби, г;

mсух- маса проби в абсолютно сухому стані, г;

mвол - маса вологи в пробі, г.

Волога в деревині може знаходитися як у порожнинах кліток, заповнюючи макрокапілярну систему, так і в їхніх стінках. Вологу, що знаходиться в порожнинах кліток і в просторах між клітками, називають вільною, а в клітинних стінках-зв'язаною чи гігроскопічною.

Вміст зв'язаної вологи в деревині обмежений. Стан, при якому стінки кліток мають максимальну вологість при зіткненні їх з рідкою вологою, називається межею їхнього насичення. Вологість межі насичення (WМ.Н) практично не залежить від породи і складає в середньому 30%.

Якщо вологість деревини більша WМ.Н, тобто вище 30%, значить у деревині міститься вільна волога. Максимальний вміст вільної вологи залежить від обсягу порожнин кліток і коливається для деревини різних порід від 60 до 250%.

Рис. 1.4 - Схема макрокапілярної структури деревини: 1 - стінка клітки, 2 - пора, 3 - порожнина клітки

Деревина ростучого або свіжозрубленого дерева завжди має вологість вище вологості межі насичення, тобто вона є сирою.

Вологість свіжозрубленої деревини залежить від породи, місця розташування в стовбурі (ядро чи заболонь) і пори року. Вона коливається в дуже широких межах. Середні значення вологості свіжозрубленої деревини приведені в таблиці. 1.5.

У хвойних порід вологість ядра і спілої деревини значно нижче вологості заболоні. У листяних порід розходження у вологості по перетині стовбура практично не спостерігається [2,105].

Таблиця 1.5 - Вологість свіжозрубаної деревини

Порода	Вологість, %
	Ядра чи спілої деревини	заболоні	середня
Сосна, ялина Модрина Береза Дуб	30-40 40-50 -- 50-80	100-120 100-120 70-90 70-80	60-100 50-70 70-90 60-80

Основні способи визначення вологості деревини

Вологість деревини визначають різними способами. Найбільш розповсюдженими в деревообробці є ваговий і електричний способи.

Ваговий спосіб, правила визначення вологості якого регламентовані ДСТ 16588-71, ґрунтується на зважуванні і висушуванні проб (зразків), що відбираються з контролюємої партії деревних сортиментів. Від дошки або заготовки на віддалі 300 -500 мм від торця випилюють поперечним перерізом пробу (рис. 1.5) розміром вздовж волокон близько 10 мм. Ця проба називається секцією вологості. Секцію ретельно зачищають від заусенець, після чого негайно зважують на технічних терезах з точністю до 0,1 г. Отримане значення початкової маси реєструють у спеціальному журналі. Потім секцію поміщають в сушильну, шафу і сушать при температурі 1032С. Секцію періодично виймають із шафи і зважують, відмічаючи кожен раз у журналі результати зважування. Перше зважування виконують через 6 год, а наступні - через кожні 2 год. Секцію витримують у сушильній шафі доти, поки її вага не перестане змінюватися.

Рис. 1.5 - Схема вирізки секції вологості з дошки

Постійну вагу приймають рівною її вазі в абсолютно сухому стані . Вологість (в %) розраховують згідно рівняння

, (2)

Для визначення вологості однієї дошки чи заготовки необхідно випилювати з них не менше двох секцій. Кількість контрольних дощок залежить від величини контролюємої партії, а також необхідної точності і надійності контролю [2,74].

Електричний спосіб визначення вологості ґрунтується на залежності показників електричних властивостей деревини від її вологості. Для виміру вологості в цьому випадку використовують прилади, що називається електровологомірами. Широке поширення одержали кондуктометричні вологоміри, принцип дії яких заснований на залежності електричного опору деревини від її вологості. Особливість роботи цих електровологомірів полягає в тому, що вони досить надійно вимірюють вологість у діапазоні від 7 до 30%. Вологість вище 30% визначається з великою погрішністю.

При сушінні пиломатеріалів використовують електровологоміри ЦНИИМОД-2; ЭВ8-100; ЭВА-2; ЭВА-2М; ЭВА-2ДО.

Датчик електровологоміра являє собою трьохголатий зонд, оснащений ручкою. При вимірюванні вологості голки датчика вводять у деревину на повну глибину в напрямку уздовж волокон. Показуючий елемент вимірювального пристрою має шкалу, відградуйовану у відсотках вологості для деревини сосни при температурі 20° С. Якщо вимірюється вологість деревини інших порід і при іншій температурі, то в покази приладу уводяться поправки, значення яких дані в прикладених до електровологоміра таблицях.

Фактори, що впливають на результат вимірювання вологості за допомогою голчастого вимірювача:

температура вимірюваного матеріалу (при збільшенні температури на 5°С вимірювач вологості показує приблизно на 0,5% більш високий вміст вологи, найбільш точний результат виміру можна одержати при температурі матеріалу +20°С);

температура навколишнього середовища;

порода дерева, місце і швидкість росту (у сухій або болотистій місцевості, у північних або південних градусах широти, на галявині або в лісі);

дійсна щільність деревини;

випадкові смоляні гнізда в місці виміру, дефекти матеріалу;

випадкова вологість на поверхні матеріалу;

градієнт вологості наприкінці процесу сушіння (до вирівнюванння матеріал біля поверхні сухіший ніж у серцевині, наприклад при виході із сушарки вологість поверхневого шару 50 мм дошки, висушеної до 8% вологості, приблизно 6,5% і в серцевині приблизно 11,5%);

взаємодія усіх вищезгаданих факторів.



1.5 Контроль за вологістю деревини і внутрішніми напруженнями у процесі сушіння

Контроль вологості деревини в процесі сушіння в даний час проводять способом контрольних зразків. Контрольний зразок довжиною 1-1,2 м відпилюють від дошки, характерної для партії пиломатеріалів, що завантажується в сушильну камеру. Одночасно випилюють дві суміжні зі зразком секції вологості (рис.1.6). Відразу ж після розпилювання секції очищають від опилок і заусенець і зважують на технічних вагах. Потім визначають їхню вологість. Середнє значення вологості, обчислене по двох секціях, приймають за початкову вологість (WП) контрольного зразка.

Контрольний зразок нумерують, торці його очищають і покривають густотертою олійною фарбою. Після цього зважують на торгових вагах з погрішністю до 5 г. Початкову масу (МП) записують на зразку й у журналі чи карті сушіння [2,56].

У кожен сушильний штабель закладають два-три контрольних зразки в місця інтенсивного й уповільненого сушіння.

Рис. 1.6 - Схема випилювання контрольного зразка: 1 - контрольний зразок, 2-- секції вологості

Зразки укладають поруч з торцем штабеля чи трохи глибше, але так, щоб їх легко можна було вийняти. Вони повинні лежати на прокладках, не стикаючись із площиною дощок. Над зразками укладають спеціальні прокладки з вирізом (рис. 1.7).



Рис. 1.7 - Схеми розміщення контрольного зразка в штабелі

По відомих величинах початкової вологості і початкової маси розраховують масу абсолютно сухого контрольного зразка:

, (3)

Таким чином, його вага в абсолютно сухому стані відома перед початком сушіння.

У процесі сушіння через визначені проміжки часу зразки виймають зі штабеля і зважують.

Поточну вологість WT зразків знаходять по виразу

, (4)

де - маса зразка в момент визначення поточної вологості, г.

При сушінні тонких пиломатеріалів хвойних порід контроль вологості проводять у початковій стадії процесу через 8 год, а в кінцевій - через 12 год. Для пиломатеріалів підвищеної товщини чи листяних порід проміжки часу між зважуваннями збільшують у 1,5-2 рази.

За величиною поточної вологості судять про можливість переходу на наступну ступінь режиму чи сушіння закінченні процесу.

Спосіб контрольних зразків має ряд недоліків. Вимагаються часті заходи операторів у камери, що порушує в них режим сушіння, маються незручності і навіть небезпека при застосуванні форсованих режимів. Для контролю вологості високотемпературного сушіння пиломатеріалів він непридатний. Крім того, цей спосіб не забезпечує високої точності вимірів [4,63].

1.6 Якість сушіння пиломатеріалів. Закінчення процесу сушіння

Якість сушіння пиломатеріалів характеризується рядом показників, основними з яких є:

видимі дефекти сушіння;

середня величина кінцевої вологості;

рівномірність кінцевої вологості;

перепад вологості по товщині;

залишкові напруження.

Показники якості сушіння встановлюються стосовно визначеної партії деревини. За таку партію звичайно приймають штабель дощок чи заготівель.

Спочатку розглянемо перший показник - видимі дефекти сушіння. У висушеному матеріалі незалежно від його призначення видимі дефекти не допускаються.

До видимих дефектів деревини, що можуть з'явитися при її сушінні, відносяться розтріскування і короблення. На практиці зустрічається зовнішнє, внутрішнє, торцеве і радіальне розтріскування.

Зовнішні тріщини утворюються в матеріалі в початковий період сушіння, коли діючі на поверхні розтягуючі напруження, перевищують межу міцності. Причина утворення зовнішніх тріщин - занадто твердий режим сушіння, а міра попередження - застосування раціонального режиму.

Внутрішні тріщини можуть з'явитися наприкінці процесу, якщо в центрі сортименту виникли надмірно великі напруження, що розтягують. Щоб попередити їхнє утворення, необхідно дотримуватися режиму сушіння і проводити проміжну і кінцеву вологотеплообробки.

Виникнення торцевих тріщин зумовлене більш інтенсивним сушінням торців у порівнянні із середньою частиною сортименту. Найбільш ефективний засіб попередження цього дефекту - замазування торців вологонепроникною сумішшю. Через велику трудомісткість цей захід при масовому сушінні не застосовується.

Правильне укладання пиломатеріалів у штабелі, зокрема вирівнювання торців штабеля, розміщення крайніх прокладок рівно з торцями дощок, формування повногабаритного штабеля, значно знижує торцеве розтріскування. Торцеві тріщини в цьому випадку бувають неглибокими і при поперечному розкрої пиломатеріалів втрати будуть незначними.

Радіальні тріщини виникають при сушінні круглих лісоматеріалів і пиломатеріалів, що містять серцевинну трубку. Причина їхнього утворення - різне усохнення в радіальному і тангенціальному напрямках. Попередити їхню появу при камерному чи атмосферному сушінні неможливо навіть при самому обережному і повільному проведенні процесу. Щоб уникнути цього дефекту, при розкрої пиломатеріалів варто вирізувати серцевину чи стежити, щоб вона знаходилася на поверхні.

Короблення пиломатеріалів у процесі сушіння відбувається також через різне усохнення в радіальному і тангенціальному напрямках. У дощок тангенціального розпилювання незалежно від режиму сушіння усадка зовнішньої пласті (стосовно центру колоди) буде при сушінні більше, ніж усадка внутрішньої пласті. Це приводить до вигину (короблення) дошки в поперечному напрямку (рис.1.8.). Дошки радіального розпилювання не коробляться. Різниця усушки деревини вздовж і поперек волокон викликає поздовжнє короблення. Для того щоб запобігти поперечному і подовжньому коробленню дощок, їх варто сушити в затиснутому стані, дотримуватись правила формування штабеля (укладати в один ряд дошки строго однакової товщини, застосовувати стандартні стругані прокладки, кожен ряд яких повинен знаходитися в одній вертикальній площині). У цьому випадку плоска форма дощок у штабелі фіксується масою самої деревини, за винятком верхніх двох-трьох рядів. У верхньому ряді варто укладати дошки радіального розпилювання чи матеріал не відповідного призначення. Таким чином, короблення дощок при сушінні виникає тільки при неправильному і недбалому укладанні, але не є наслідком неправильно обраного режиму сушіння. Відхилення ж від раціонального режиму може привести до утворення тріщин [4,51].

Середня величина кінцевої вологості контрольованої партії визначається в такий спосіб. Зі штабеля в зонах швидкого й уповільненого просихання матеріалу відбирають не менш дев'яти дощок. З кожної дошки випилюють дві секції вологості і визначають їхню вологість. Вологість партії WСР обчислюють як середнє арифметичне з отриманих значень вологості секцій.

Рис. 1.8 - Поперечне короблення



Рис. 1.9. Секції пошарової пиломатеріалів вологості (В-ширина дошки)

Рівномірність кінцевої вологості. Показником рівномірності вважають середнє квадратичне відхилення, що обчислюється по формулі

, (5)

де Wi - вологість окремої секції, %;

WСР - середняя вологість штабеля, %;

n - число секцій вологості.

Фактична вологість окремих дощок штабеля з імовірністю 95% (у 95 випадках з 100) буде знаходитися в межах WСР .

Перепад вологості по товщині контролюють по секціях пошарової вологості, що випилюють з відібраних дощок поруч із секціями для визначення загальної вологості. Секції розколюють по схемах, приведених на рис. 1.9: при товщині дощок до 50 мм на рис.1.9, а, при товщині 50 мм і більше - на мал. 1.9, б. Різниця у вологості бічних (зважуваних разом) і середніх смужок показує перепад вологості.

Залишкові напруження у висушеному матеріалі встановлюють по силових секціях, що випилюються поруч із секціями пошарової вологості з кожної відібраної дошки. Можна вважати, що деревина практично вільна від залишкових напружень, якщо відносне відхилення зубців секції (у вершині) від нормального положення не перевищує 1,5-2% довжини зубця.

Висушена деревина повинна відповідати по якості сушіння своєму призначенню. Призначення деревини різноманітне, і тому різні і вимоги, щодо якості сушіння.

У залежності від цих вимог “Керівними матеріалами по камерному сушінню пиломатеріалів” установлено чотири категорії якості.

I категорія - сушіння пиломатеріалів до експлуатаційної вологості, що забезпечує механічну обробку і зборку деталей по 12-10-му квалітетам (ДСТ 6449-76) (точне машинобудування, приладобудування, виробництво моделей, лиж).

II категорія - сушіння пиломатеріалів до експлуатаційної вологості, що забезпечує механічну обробку і зборку деталей по 13-11-му квалітетам (виробництво меблів, автобудування, пасажирське вагонобудування).

III категорія - сушіння пиломатеріалів до експлуатаційної вологості, що забезпечує механічну обробку і зборку деталей по 15-13-му квалітетам (вантажне авто- і вагонобудування, сільгоспмашинобудування, виробництво тари).

0 (нульова) категорія - сушіння до транспортної вологості товарних пиломатеріалів без зниження їхньої міцності і зміни кольору (для експортних).

Необхідна величина середньої кінцевої вологості деревини після сушіння коливається для різних виробів у широких межах і регламентується стандартами і технічними умовами [4,67]. Наприклад, для меблів вона складає 7-8%, для столярно-будівних виробів 10-12%, для тари 15-20%. Норми вимог до інших показників якості регламентуються Керівними матеріалами (табл. 1.6).



Таблиця 1.6 - Норми вимог до якості сушіння пиломатеріалів і заготівок

Категорія якості сушіння	Середня кінцева вологість деревини, %	Допустимі відхилення кінцевої вологості у партії від середньої, %	Допустимий перепад вологості, %, при товщині пиломатеріалів, мм	Залишкові внутрішні напруження
			13-22	25-40	45-60	70-90
0	19	+2 -4	Не контролюється	Не контролюються
I	6 8	+1,5 ±2	1,5	2,0	2,5	3,0	Не допускаються
II	6 8 10	±2 ±2,5 ±3	2,0	3,0	3,5	4,0	Те ж саме
III	8 10 12 15	±3 +4 ±5 ±5	2.5	3.5	4,0	5,0	Не контролюються

Закінчення процесу сушіння. Для забезпечення необхідної якості пиломатеріалів закінчення процесу сушіння необхідно проводити в такий спосіб.

Після досягнення матеріалом заданої кінцевої вологості (що встановлюють по контрольних зразках) призначають вологотеплообробку. По її закінченні закривають зволожувальні труби, у камері створюють параметри сушильного агента по останній ступіні режиму і протягом 2-4 год (у залежності від товщини пиломатеріалів) проводять підсушування поверхневих шарів. Потім із штабеля відбирають проби для визначення показників якості сушіння.

У період виконання контрольних операцій у камері проводять кондиціонування. При виконанні цієї операції температуру середовища підтримують на 5° С вище температури останньої ступіні режиму сушіння (але не більш 100° С), а ступінь насичення встановлюють по величині рівноважної вологості деревини, що дорівнює кінцевій вологості, збільшеній на 1%. Якщо деревина відповідає пропонованим вимогам, подачу пари в калорифери припиняють, камеру прохолоджують до 30-40° С спочатку при відкритих приточно-витяжних каналах, а потім при напіввідчинених дверях, далі штабелі викочують і починають готув...