О природе мелочей при сушке древесины

Соблюдение технологической дисциплины при сушке пиломатериалов — залог нормативной производительности сушильной камеры при заданном качестве сухой древесины. Вряд ли кто-нибудь из технологов станет оспаривать это. Но на практике эта самая дисциплина на все сто процентов редко когда соблюдается…

«Ex parvis saepe magnarum rerum momenta pendent» («Исход больших дел часто зависит от мелочей»), — писал Тит Ливий (26 г. до н. э.). Нечего и думать о том, что знаменитый римский историк и философ, которому принадлежит приведенный афоризм, за много сотен лет до наших дней мог предположить, что эта мудрость может быть распространена на технологию сушки пиломатериалов и, учитывая особенности этого процесса, будет подчеркивать важность точного выполнения многочисленных требований к нему, часто именуемых «мелочами».

В условиях работы современных лесосушильных производств высокие результаты любого процесса сушки пиломатериалов зависят от скрупулезного соблюдения многих факторов, в том числе и таких, которые зачастую как руководителями, так и непосредственными исполнителями сушильного процесса считаются «мелочами» и на которые не всегда обращают должное внимание. Известно, что все этапы сложного процесса сушки регламентированы большим количеством нормативных документов, ГОСТов, инструкций. К сожалению, выполнение основных правил сушки на предприятиях далеко от предъявляемых к этому процессу требований. По этому поводу нелишним будет напомнить известное высказывание еще одного великого римлянина Цицерона, которое идеально подходит для условий работы современных сушильных цехов: «Мы должны быть рабами законов, чтобы могли быть свободными». В нашем понимании «рабы закона» — это добросовестные, усердные исполнители существующих для сушильных производств нормативов, инструкций, ГОСТов, технологических требований, режимов и т. п. В результате строгого соблюдения законов мы получаем полную свободу для производства высококачественных сухих пиломатериалов в соответствии с существующими требованиями к качеству сухой древесины.

Рассмотрим некоторые «мелочи» при проведении сушки, о которых абсолютно все работники, связанные с сушкой древесины на предприятиях, знают (по их утверждению), но которые, как ни странно, игнорируют.

Рис. 1


Рис. 2


Рис. 3


Рис. 4


Рис. 5


Рис. 6


Рис. 7


Рис. 8


Рис. 9


Рис. 10


Рис. 11

Первое. Увы, в который раз приходится поднимать уже набивший оскомину вопрос о формировании сушильных пакетов и штабелей пиломатериалов. Все существующие инструкции и нормативы рекомендуют формировать сушильный пакет или штабель в виде параллелепипеда (амер. box piling — в виде ящика) со строго вертикальными торцами. Такие конструкции пакетов и штабелей должны наиболее рационально вписываться в сушильное пространство камеры, обеспечивая оптимальную аэродинамику в нем. Но, несмотря на инструкции, нормативы, руководящие материалы по камерной сушке, касающиеся правил формирования пакетов и штабелей, во многих сушильных цехах умудряются укладывать пиломатериалы в штабеля, слегка выравнивая лишь один торец, тогда как с другого конца пакета (штабеля) свисают многочисленные «хвосты» — потенциальные «кандидаты» на коробление и растрескивание (рис. 1, 2, 3). Кроме того, при нарушении системы циркуляции агента сушки на этих участках штабелей в конце сушки отмечается значительная неравномерность конечной влажности пиломатериалов. Если длина пиломатериалов не соответствует (не является кратной) длине или ширине сушильной камеры (при поперечной загрузке штабелей), то при формировании пакетов (штабелей) пиломатериалы располагают вдоль штабеля вразбежку (очередная «мелочь»).

Ряд европейских фирм-производителей в той части инструкций к своим сушильным установкам, которая касается условий проведения процесса сушки, предлагает различные схемы заполнения сушильного пространства короткими пакетами при формировании штабелей (прилагая к тексту иллюстрации), но в большинстве сушильных цехов на такие «мелочи» вообще не обращают внимания.

Из­за игнорирования этих рекомендаций при заполнении пространства камер более короткими пакетами (и, соответственно, штабелями) между торцами штабелей и продольными стенами сушильных камер возникают промежутки разной ширины, как и между соседними пакетами (рис. 4–10). В этих промежутках во время сушки при циркуляции агента образуются интенсивные «паразитные» потоки, вследствие которых значительные объемы циркулирующего воздуха перемещаются в камере в обход штабелей. Естественно, такая схема циркуляции резко снижает скорость прохождения воздуха через пиломатериалы. Исследованиями многих отечественных специалистов (ЦНИИМОД, МГУЛ, СПбГЛТА и др.) по системам циркуляции воздуха в сушильных камерах установлено, что даже при оптимальных условиях перемещения агента сушки через высушиваемый материал коэффициент использования воздушных потоков η_в (отношение объема воздуха, циркулирующего непосредственно у поверхности пиломатериалов, — V_шт — к объему воздушного потока, нагнетаемого вентиляторами, — V_в) составляет, например, при сушке пиломатериалов толщиной 50 мм для разного типа сушильных камер от 50 до 80 % (данные по «Руководящим техническим материалам по технологии камерной сушки пиломатериалов», ЦНИИМОД). Такие скромные коэффициенты использования воздуха были получены при исследовании работы камер в зависимости от их типа, толщины материала и ширины зазоров между торцами штабелей и продольными стенками сушильных установок. При этом суммарная ширина зазора между двумя продольными стенами и торцами штабелей составляла Δ = 100 мм. Вполне вероятно, что такую точность формирования штабелей (50 мм на одну сторону) автопогрузчиком в сушильном пространстве в современных условиях при разной длине пакетов можно встретить довольно редко. Хотя в принципе эти недоработки — те же «мелочи», избежать которых можно, приобретя автопогрузчик с горизонтальным перемещением погрузочных вил. С помощью него можно добиться зазоров всего в несколько десятков миллиметров.

На самом деле положение с «паразитными» потоками несколько печальнее. Расчетное значение коэффициента использования воздушного потока определяется по выражению η_в = η_в•01К_η, где коэффициент К_η характеризуется величиной зазора (шириной) перемещения «паразитного» потока воздуха, отличной от 100 мм (η_в•01). Даже если в лучшем случае ширина зазора Δ = 200 мм (Δ₁ = 100 мм на одну сторону), расчетное значение коэффициента η_в = 80 × 0,72 = 57%, и это при почти максимальном значении коэффициента использования воздуха (в действительности же, как подтверждено многочисленными измерениями, выполненными автором публикации, ширина зазора на одну сторону камеры составляет и 200, и 300, и 400 мм, и более!). При выполнении большого количества практических замеров современным электронным цифровым анемометром AR 816 (диапазон измеряемых скоростей — 0…30 м / с при разрешении 0,1 м / с) скорости потоков по пиломатериалам в сушильных камерах (200…300 точек замеров по штабелю) автором публикации получены данные по распределению скоростных полей по высоте и длине штабелей, которые (данные) намного ниже нормативных показателей для сушильных установок подобного типа (исследования проводились в импортных сушильных камерах известных европейских марок). Результатами нарушения технологических требований при выполнении одной из простых операций в сушильном цехе — формировании сушильных штабелей — являются увеличение продолжительности процесса сушки пиломатериалов (соответственно болезненное для предприятий снижение производительности камер и нарушение графика своевременного выпуска качественных сухих пиломатериалов) и неконтролируемая неравномерность конечной влажности готовых  пиломатериалов.

Отметим, что эти «мелочи», которые содействуют резкому ухудшению работы сушильной установки, устраняются достаточно просто и эффективно: необходимо формировать сушильные штабеля из пакетов по высоте таким образом, чтобы обеспечить ликвидацию «паразитных» потоков между продольными стенами камер и торцами штабелей, под сушильными штабелями и в свободных межпакетных пространствах.

Еще одно важное правило формирования штабелей, которое не выполняется на подавляющем числе предприятий (опять «мелочи»?!), — это строгое соблюдение укладки в одной вертикальной плоскости межрядовых прокладок в пакетах, межпакетных прокладок при формировании штабеля из пакетов и подштабельных брусьев или соответствующих ребер жесткости при формировании сушильного штабеля на рельсовых тележках.

Второе. Останавливаясь на правилах формирования сушильных штабелей в лесосушильных установках, нельзя не отметить еще одну неприятную тенденцию (к счастью, пока не массовую), существующую на ряде предприятий и связанную с заполнением сушильного пространства камеры пиломатериалами разной толщины. Некоторые предприятия, которые приобрели сушильные установки большой мощности вместимостью 100 м³ и более, по уровню развития своего производства не готовы к освоению таких сушильных камер. Чтобы заполнить одну или две мощные сушильные установки  пиломатериалами, смешивают в одном объеме пиломатериалов древесину толщиной от 25 мм (рис. 11). Эта ситуация опять же подпадает под категорию «мелочей» — производственники знают, что такая технология сушки недопустима, но для поиска путей выхода из сложной ситуации желающих нет. Результат — отсутствие циркуляции воздуха в сушильных штабелях (нет равномерного подвода тепловой энергии для сушки к каждой единице пиломатериалов, практически отсутствует отвод из штабеля испаряющейся из древесины влаги), интенсивная циркуляция воздуха вдоль стен у многочисленных торцов пиломатериалов, рост количества дефектных досок с торцовыми трещинами, увеличение продолжительности процесса сушки, непредсказуемое качество сушки продукции. Об определении показателей качества сушки лучше умолчать: во­первых, большинство персонала сушильных цехов даже не знает, что это такое; во­вторых, на этих предприятиях никогда не определялись показатели качества сушки и чаще всего на них нет и оборудования, необходимого для измерений.

Третье. Когда на предприятии решают задачу обеспечения выхода высококачественной сухой продукции, то всегда во главу угла ставятся требования к качеству древесины — прежде всего это получение пиломатериалов со строго заданной конечной влажностью партии и с минимально допустимым разбросом влажности по отдельным сортиментам (соблюдение определенной для данной партии пилопродукции равномерности сушки). Теорией сушки древесины утверждается, а на практике повсеместно подтверждается, что основой равномерной сушки пиломатериалов является циркуляция агента сушки в каждом горизонтальном промежутке между пиломатериалами с одинаковой скоростью. Помимо того, что вентиляторы сушильной камеры должны иметь определенную производительность и обеспечивать движение воздуха с заданным напором, необходимо организовать распределение потока воздуха по высоте штабеля для обеспечения одинаковой скорости движения воздушного потока в каждом ряду пиломатериалов. Определенную роль при этом равномерном распределении потоков играют вертикальные каналы сушильной камеры между продольной стороной сушильного штабеля, торцевой стеной и стеной с загрузочными воротами при фронтальной подаче пиломатериалов в камеру.

Современная конструкция большинства камер с фронтальной загрузкой пиломатериалов (импортный вариант) предусматривает перед задней торцовой стеной специальную вертикальную опору, к которой примыкает первый формируемый сушильный штабель. Таким образом, вертикальный канал определенной ширины между стеной и штабелем уже сформирован и удовлетворяет условиям циркуляции и распределения воздушного потока. Второй вертикальный канал для подвода агента сушки от вентиляторов к сушильным штабелям образуется дверным полотном (подача пиломатериалов в сушильное пространство — фронтальная, с формированием сушильных штабелей автопогрузчиком) и продольной стороной последнего штабеля.

Обычно при вместимости сушильных камер 50, 100 м³ пиломатериалов и более в глубину установки от дверного полотна формируется до пяти штабелей, чаще всего состоящих по высоте из трех пакетов. При формировании каждого последующего штабеля в сторону ворот образуются межштабельные разрывы 100 мм и более, часто неравномерные, что обусловлено довольно низкой квалификационной подготовкой водителей автопогрузчиков, формирующих сушильные штабеля.

Таким образом, в зависимости от соблюдения нормативной ширины пакетов и образования неравномерных разрывов между пакетными штабелями по окончании формирования последнего штабеля между воротами камеры и его боковой поверхностью при реверсировании работы вентиляторов образуется вертикальный канал для распределения циркулирующего воздуха по высоте. Ширина этого канала в каждой сушке разная, что приводит к неравномерному распределению воздушного потока по высоте камеры.

При анализе геометрических параметров боковых циркуляционных каналов, проведенном в Архангельском государственном техническом университете, установлена зависимость ширины канала от толщины высушиваемых пиломатериалов. Практическое применение в сушильных установках периодического действия рекомендаций по дифференциальной ширине вертикального канала достаточно затруднительно, тем более что задний канал всегда имеет фиксированную ширину. Наиболее рациональным решением этой проблемы («мелочи») является формирование, по возможности, ширины вертикального канала в соответствии с заданными в конструкции установки размерами заднего канала.

Наиболее эффективными для камер периодического действия с верхним расположением вентиляторов являются рекомендации доктора Ларса Мальмквиста (Шведский институт исследования древесины), который на основании теоретических расчетов и опыта предприятий рекомендует принимать постоянную ширину вертикальных каналов для распределения воздуха в пределах 45 % от высоты сушильного штабеля.

Четвертое. Наиболее энергоемким этапом в технологическом процессе сушки древесины является начальный прогрев пиломатериалов. В зависимости от породы древесины и колебаний плотности в известных пределах, начальной температуры поступающих на прогрев пиломатериалов, тепломощности сушильной установки, соблюдения основных требований при укладке пиломатериалов в сушильные пакеты при формировании штабелей, обеспечивающих равномерный подвод тепла к единицам пилопродукции, продолжительность начального прогрева пиломатериалов может колебаться в широких пределах. В простейших рекомендациях по выполнению операции начального прогрева, которые приводятся в официальных российских документах по технологии камерной сушки — «Руководящих технических материалах», указано: в зимних условиях (самый энергозатратный период для выполнения операции прогрева) для мягких хвойных пород (сосна, ель, пихта, кедр) продолжительность процесса следует определять из расчета 1,5–2 ч на сантиметр толщины пилопродукции. В инструкциях к итальянским сушильным камерам при описании проведения начального прогрева просто приводится его продолжительность: например, для древесины ели толщиной 50 мм дается круглогодичная цифра 5–6 ч. Другие конкретные рекомендации для производственных сушильных цехов с учетом всех особенностей проведения процесса не приводятся, или же таковые содержатся в документах, которых, скорее всего, на предприятиях попросту нет.

Правда, в «Руководящих технических материалах» (в редакции 2000 года) в качестве рекомендации приводится метод аналитического расчета продолжительности начального прогрева, но он ориентирован только на режимы сушки по отечественным ГОСТам, и, как показывает опыт, результаты расчетов, сделанных по этой методике, весьма далеки от действительности. В расчетных уравнениях при постоянном коэффициенте влияния на продолжительность прогрева надо обязательно принимать во внимание особенности породы древесины. Ведь в пределах одной породы, как показывают наши исследования, плотность может колебаться в широком диапазоне, что существенно сказывается на продолжительности прогрева. Поправочный коэффициент на начальную температуру в пределах от 0 до — 20 °С принимается постоянным, хотя процент влаги древесины в виде льда в этом диапазоне начальных температур составляет 83 % и меньше. Соответственно, расход тепла только на таяние льда при начальной температуре древесины от 0 до — 20 °С составляет на 1 м3 древесины от 4,98 до 6,14 кВт при общем расходе тепла на прогрев кубометра сосновых пиломатериалов зимой от 12,47 до 15,49 кВт (для камер вместимостью до 100 м3 при сушке расчетного материала толщиной 25 мм).

Вполне естественно, что при таком диапазоне расхода тепла на прогрев 1 м³ пиломатериалов продолжительность начального прогрева будет варьировать в известных пределах, и учесть при этом весь набор факторов, влияющих на проведение процесса, достаточного сложно. Например, при расчетах рекомендуется в каждом случае знать действительную скорость циркуляции воздуха по штабелям — в существующих сушильных цехах при отсутствии приборов ее измерение практически невозможно.

В практике промышленных предприятий бывают случаи, когда интенсивный прогрев древесины может закончиться раньше рекомендованного документами срока. Поскольку изначально время обработки задается с запасом, то начальный прогрев продолжают, затрачивая при этом сотни и тысячи киловатт энергии сверх нормы. Это естественные потери производства и, соответственно, увеличение общей себестоимости сушки пилопродукции.

Другой вариант: начальный прогрев по времени закончен, а параметры древесины не соответствуют требованиям для перехода на выполнение сушки. Здесь ситуация чревата дальнейшими осложнениями при проведении последующей сушки пиломатериалов.

Вполне доступный и достаточно просто в современных условиях выполняемый процесс контроля за проведением начального прогрева — измерение температуры прогреваемой древесины. При подготовке пиломатериалов к сушке в несколько контрольных досок устанавливаются термопреобразователи сопротивления (датчики), которые в процессе начального прогрева пиломатериалов периодически подключаются к вторичному прибору, измерителю температуры, — цифровому термометру (ТЦМ) или электровлагомеру. По достижении контрольными досками при начальном прогреве штабелей пиломатериалов толщины и температуры, заданных для данной породы древесины, процесс прогрева заканчивается и выполняется переход на ступень сушки.

Пятое. Остановимся вкратце на таких важнейших «мелочах», как обслуживание приборов и оборудования лесосушильных камер с целью дальнейшего надежного и оптимального их функционирования для обеспечения высокого качества сушки пилопродукции при заданной производительности сушильных камер. Приходится снова и снова напоминать сотрудникам сушильных цехов о необходимости точно в срок и с заданной периодичностью контролировать работу важнейших органов сушильных камер, тестировать их функции и своевременно реагировать на отклонения от штатных ситуаций в работе приборов и оборудования. Снова констатируем факт: о необходимости проведения этих мероприятий все знают, но регулярно их игнорируют (причины: незнание основ процесса cушки и работы оборудования, пресловутый человеческий фактор, отсутствие необходимых приборов и т. п.).

Коротко рассмотрим некоторые пункты инструкций по обслуживанию оборудования сушильных камер одной уважаемой итальянской фирмы, установки которой часто встречаются на деревообрабатывающих предприятиях России и обслуживанием которых занимаются отечественные, прямо скажем, неумехи и лодыри, не желающие учиться.

Выше автором перечислены недостатки работы сушильных камер, связанные с крайне низкой скоростью циркуляции агента сушки в пакетах по горизонтальным рядам пиломатериалов. Если проанализировать ряд типов сушильных камер (итальянских, австрийских, американских), установленных на отечественных предприятиях, можно сразу обратить внимание на достаточно низкий расход электроэнергии на привод вентилятора при высоком объеме циркулирующего воздуха, который подается вентиляторами, и сравнительно невысоком напоре. Необходимо уточнить, что исходные параметры и характеристики вентиляторов рассчитаны на идеальное выполнение требований, предъявляемых к процессу сушки по всем исходным параметрам, перечисленным выше в этой публикации. Неужели на современных предприятиях, оснащенных импортной сушильной техникой, так трудно найти документацию с техническими характеристиками оборудования?! Поскольку почти нет предприятий (за редким исключением), где технология сушки соблюдается в соответствии с инструкциями, то и результаты получаются плачевные. При совершенно отличных от рекомендованных характере подготовки пакетов, формировании штабелей в камерах суммарное сопротивление участков сушильной камеры (пакетов, штабелей) явно превышает нормативный напор вентиляторов, рассчитанный для оптимальной циркуляции. Соответственно, производительность вентиляторов снижается, что приводит при максимальном расходе воздуха на «паразитные» потоки (для участков с низким сопротивлением движению агента сушки) к существенному уменьшению объема циркулирующего воздуха в штабелях. Заданное количество циркулирующего воздуха при оптимальном напоре вентилятор обеспечивает только при нормативной частоте вращения вала двигателя привода вентилятора. В инструкциях по обслуживанию оборудования сказано, что контролировать состояние вентилятора необходимо регулярно, каждые три месяца осуществлять чистку лопастей, смазку подшипников и, прежде чем вновь приступать к эксплуатации прибора, убедиться, что частота вращения вала вентилятора соответствует указанной в документации. Увы, но на всех обследованных нами сушильных установках такие работы практически не выполняются.

Процитируем один из пунктов итальянской инструкции в отношении обследования вентиляторов: «Подвесной потолок (на котором смонтированы вентиляторы. — Прим. авт.) не предназначен для хождения по нему; для осуществления работ по обслуживанию вентиляторов потолок должен быть демонтирован» (то есть надо снять покрытие 7000 х 3000 мм). Скажите откровенно, найдутся желающие каждые три месяца заниматься профилактикой вентиляторов в нескольких камерах, демонтировать, а потом, соответственно, снова монтировать фальшпотолок? Конечно, при аварийной ситуации эти операции придется выполнять, но вот обследовать вентиляторы каждые три месяца — этого от наших производственников ожидать трудно.

Как показывает опыт эксплуатации двигателей вентиляторов в агрессивной среде сушильных камер, реальная возможность снижения частоты вращения валов двигателей существует, и игнорировать этот факт не приходится. Уместно отметить, что при снижении частоты вращения вала колеса вентилятора только на 10 % снижается производительность установки на 10 %, в то время как напор вентилятора падает на 20 %, а сопротивление участков сушильной камеры превышает напор воздуха, создаваемого этой установкой, что снижает интенсивность циркуляции агента сушки.

Серьезное внимание при обслуживании приборов сушильной камеры необходимо уделять (в соответствии с требованиями инструкций) температурным зондам (датчикам), зондам равновесной влажности — UGL, EMC, датчикам степени насыщенности воздуха. Во всех инструкциях довольно основательно расписаны технические требования к выполнению контроля и тестирования датчиков. Например, целлюлозная пластинка (зонд ЕМС) по инструкции должна меняться перед началом каждой очередной операции сушки пиломатериалов. Кроме того, из-за ненадежности этого метода измерения степени насыщенности воздуха рекомендуется постоянно контролировать показания эталонным психрометром. Для контроля работы зондов (датчиков) по определению текущей влажности древесины при сушке необходимо использовать эталонное сопротивление. Исследования, выполненные сотрудниками Санкт-Петербургской лесотехнической академии, подтверждают, что на ряде предприятий показания датчиков температуры и степени насыщенности существенно отличаются от истинных параметров агента сушки на входе в штабель пиломатериалов, что и должно контролироваться и управляться системой автоматики.

С некоторым беспокойством приходится констатировать, что перечисленные методы обслуживания и контроля за работой приборов и оборудования на многих предприятиях пока почти не находят применения.

Заканчивая краткий перечень некоторых «болезней» и «мелочей» в работе современных сушильных цехов, еще раз подчеркнем, что от скорейшей ликвидации на предприятиях большинства этих «мелочей» и зависит качество сушки пиломатериалов.

Вадим ХАРИТОНОВ, Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия