Оценка энергозатрат

Сравнительная оценка энергозатрат на сушку пиломатериала в сушильном оборудовании различного типа и способа сушки За основу взят материал и исследования приведенные в статье, Голицын В.П., Голицына Н.В. «Сравнительная оценка энергозатрат на сушку пиломатериала в сушильном оборудовании различного типа и способа сушки». – Л.: Лесной эксперт. 2004 № 16.18-25 c., а также данные полученные в ходе практических экспериментов на опытном оборудовании.

В настоящее время в мире нет единого точного метода и критерия оценки энергозатрат на сушку древесины. Удельные энергозатраты на сушку 1м3 древесины, без учета энергозатрат на размораживание и предварительный нагрев, зависят от следующих факторов:

1. порода древесины (хвойные, лиственные);

2. регион произрастания данной породы древесины;

3. начальная и конечная влажность;

4. степень подготовки древесины к сушке (обрезная, необрезная);

5. сортамент древесины (толщина, ширина).

Только учет всех данных факторов позволяет объективно оценить энергозатраты на сушку 1м3 древесины в различных видах сушильного оборудования. Поэтому нельзя сравнивать удельные энергозатраты на сушку 1м3 древесины по рекламным проспектам и литературным данным, так как эти цифры могут отличаться от реальных энергозатрат с учетом вышеназванных факторов в 2-3 раза. Особенно это относится к импортному оборудованию, в котором часто энергозатраты и время сушки представлены от транспортной влажности (18%) до 8%.

Единственным наиболее достоверным и приемлемым критерием сравнительной оценки эффективности работы различных сушильных установок являются удельные энергозатраты на удаление 1кг жидкости из древесины, хотя и в этом случае надо сравнивать только одинаковые породы одного региона произрастания, одного сортамента и единой подготовки древесины на сушку в рамках одной породы древесины, например, «сосна сибирская», нельзя сравнивать березу растущую на холме с березой растущей на болоте. Основным фактором, определяющим удельные энергозатраты на сушку 1м3, является начальная и конечная влажность. Для более точных расчетов надо учитывать, что и удельные энергозатраты на удаление 1кг Н2О из древесины, зависят от многих факторов; строения древесины, теплового контакта, давления, и т.д., они мало зависят от начальной влажности поэтому дают более объективную оценку.

Если процесс сушки связан с испарением воды, т.е. с фазовым переходом жидкости в пар, то только теоретически на испарение «свободной» влаги потребуется не менее 0,66 кВтч/кг, на диффузию «связанной» влаги 0,55 кВтч/кг и 0,77 кВтч/кг на ее испарение. Это относится ко всем камерным процессам при атмосферном давлении и в вакууме, независимо от способа нагрева древесины и улавливания паров воды. На практике в опытной камере через иллюминатор видно как вода в жидкой фазе выходит из древесины, в виде капель, частично превращаясь в пар, но большая часть воды (70-80%) так и остается в жидкой фазе и выводится через систему слива. Любые технологические приемы и изменения в конструкции этих сушилок направлены на уменьшение потерь энергии и позволяют приблизиться к теоретическим затратам тепла. Кроме тепловых затрат надо учитывать и электромеханические (вентиляторы, насосы, компрессоры).

Зарубежные камерные сушильные установки поставляются без источника нагрева теплоносителя (котла), поэтому ответственность за величину энергозатрат несет переработчик древесины, а они, в свою очередь, определяются стоимостью топлива, КПД котла , электричества.

В таблице 1 приведены удельные энергозатраты на удаление 1 кг жидкости в различных типах сушильного оборудования при сушке хвойных пород до транспортной влажности 18%. Приведенные данные относятся к зарубежным сушильным камерам и не очень отличаются от тех, что получены на аналогичном отечественном оборудовании. Они сравниваются с данными, полученными на наших пресс-вакуумных сушильных камерах, в которых процесс сушки происходит со значительным снижением доли фазового перехода (испарения) при удалении влаги, поэтому они сопоставимы по электромеханическим затратам, а энергопотребление на сушку ниже теоретических затрат тепла на испарение одного килограмма воды.

Таблица 1

таблица1

В сушильных камерах различных типов и марок, работающих при атмосферном давлении, удельный расход тепловой энергии на сушку колеблется от 4480 кДж/кг до 7500 кДж/кг. Затраты электромеханической энергии значительно ниже: от 450 до 900 кДж/кг (0,125 ? 0,25 кВтч/кг). Вакуумные сушилки зарубежных фирм и отечественных производителей мало отличаются друг от друга. Большой диапазон расхода удельной тепловой энергии в сушилке с рекуперацией тепла фирмы «Maspell» показывает взаимосвязь удельного расхода тепла от различной начальной и конечной влажности, т.е. в зависимости от доли «свободной» и «связанной» влаги» в древесине. В данной таблице не приведены энергозатраты на сушку в аэродинамических сушилках, так как они сопоставимы с сушкой в поле токов высокой частоты.

Более детально влияние начальной влажности на удельное энергопотребление при сушке сосновых пиломатериалов нами показано на примере работы наших пресс-вакуумных сушильных камер, таблица 2

Таблица 2

таблица2

Из таблицы видно, что в зависимости от начальной влажности удельные энергозатраты на сушку 1 м3 сосны могут изменяться от 64 до 293 кВтч/м3, т.е. почти в 4 раза, и не могут однозначно характеризовать эффективность работы сушильных камер. Величина начальной влажности влияет и на общий удельный расход тепла при удалении 1 кг влаги из пиломатериала. С уменьшением начальной влажности пиломатериала, т.е. увеличением доли «связанной» влаги, удельное энергопотребление возрастает с 0,46 кВтч/кг(при 100% влажности) до 0,75 кВтч/кг (при 30% влажности). Увеличение толщины пиломатериала также приводит к увеличению удельного энергопотребления на сушку при примерно одинаковой начальной влажности с 0,68 кВтч/кг (40 мм) до 1,64 кВтч/кг (100 мм) и 2,17 кВтч/кг(150 мм). Если удельное энергопотребление на удаление 1 кг жидкости из пиломатериала отнести к единой толщине, например 10 мм, то величина такого удельного энергопотребления почти не зависит от толщины пиломатериала и составляет от 0,144 до 0,170 кВтч. Это показывает, что при сушке толстых сортаментов (брус, бревна) энергозатраты определяются в основном не удалением влаги с поверхности пиломатериала, а ее диффузией к поверхности по капиллярам. Увеличение плотности древесины, при всех одинаковых других условиях, приводит к значительному увеличению времени сушки и удельного энергопотребления. Это хорошо просматривается при сушке дуба кавказского (?? =645 кг/м3). Удельное энергопотребление возрастает до 1,49 кВтч/кг, до 144 часов, таблица 3.

Таблица 3

таблица3

В связи с тем, что в литературе практически отсутствуют данные, которые можно использовать для сравнительной оценки энергопотребления при сушке лиственных пород в различных типах сушилок, мы остановимся более подробно на удельном энергопотреблении при сушке хвойных пород. При этом удельное энергопотребление кВтч/кг испаренной влаги переведем в более приемлемую для основной массы деревообработчиков единицу измерения- кВтч/м3 «свежеспиленной древесины», т.е. примем одинаковую начальную и конечную влажность пиломатериала для сушки во всех рассматриваемых ниже типах сушилок. Среднестатистическая годовая влажность пиломатериала (сосны), поступающей на сушку - 88 % (данные за 2004 год по нашему предприятию), конечная влажность 8 %. Пo литературным данным, все конвективные камерные сушилки отечественного и зарубежного производства не зависимо от производительности имеют энергопотребление от 1,44 до 1,83 кВтч/кг Н2О или при данной начальной влажности от 597,6 до 759,4 кВтч/м3 . Более экономичные конденсационные камерные сушилки, в которых идет рекуперация тепла, расходуют около 1,40 кВтч/кг или 580 кВтч/м3. Хотелось бы меньше, но на охлаждение и конденсацию паров воды в холодильнике надо затратить энергии столько же, сколько на нагрев и испарение. Это законы термодинамики. Поэтому, в общем, особого выигрыша в энергопотреблении сушильной камерой они дать не могут.

Механизм сушки в вакууме в сушилках различной конструкции и с разными источниками нагрева пиломатериала аналогичен процессу сушки в конвективных камерных сушилках, но он происходит при пониженной температуре и давлении. С увеличением глубины вакуума коэффициент диффузии возрастает при 40° C от 0,38 10-5 см/с при 760 мм.рт.ст до 1,78-10-5 см/с при 62 мм.рт.ст. Это приводит к уменьшению времени сушки в 2-3 раза. С точки зрения удельных энергозатрат процесс носит обратный характер: с увеличением глубины вакуума теплота парообразования (энергозатраты) возрастает на 5,9 % от 2260 кДж/кг при 760 мм.рт.ст. (100° С) до 2391 кДж/кг при 73 мм.рт.ст. (45° С). Именно это дало значительное сокращение времени сушки и потерь тепла в результате уменьшает удельные энергозатраты при сушке в вакуумной камере по сравнению с конвективными. В случае использования в качестве теплоносителя паровоздушной смеси и рекуперации тепла, энергопотребление составляет в среднем 1,39 кВтч/кгН2О или 576 кВтч/м3. С уменьшением влажности пиломатериала уменьшается давление пара жидкости, следовательно, количество теплоносителя. Это приводит к снижению эффективности нагрева в вакууме. Поэтому чаще всего нагрев пиломатериала проводят при атмосферном давлении, а сушку в вакууме.

Другой путь уменьшения времени нагрева пиломатериала в вакууме и повышения эффективности – использование колебательного движения молекул воды, находящихся в электромагнитном поле различной частоты. Независимо от конструкции сушилки в качестве источника энергии используются высокочастотные генераторы, коэффициент полезного действия которых составляет не более 0,5-0,6. Это приводит к увеличению энергопотребления в два раза до 2,00-3,00 кВтч/кг Н2О или до 830 - 1245 кВтч/куб.м.

Не лучшие результаты дает использование электромагнитного поля промышленной частоты, так называемого индукционного нагрева. Надо понимать, что эти сушилки в своем принципе не могут быть экономичнее даже простых конвективных камерных сушилок из-за низкого КПД генератора энергии. Приведенные в рекламах данные по расходу энергии на сушку 1 м3 пиломатериала 200 кВтч неверна, или надо указывать, что начальная влажность пиломатериала составила 24 %, а не 88 %, которые берутся для сравнения с энергозатратами в других сушильных камерах. Кроме этого надо учитывать, что эффективность индукционного нагрева определяется плотностью полярного компонента, в основном воды и с уменьшением влажности пиломатериала она сильно падает.

Какой можно сделать вывод из вышеизложенного?  

Во-первых, сравнительную оценку энергопотребления сушильных камер можно проводить только с указанием породы, начальной и конечной влажности и толщины пиломатериала.

Во-вторых, удельное энергопотребление на сушку пиломатериала, где используется процесс испарения влаги, может только приближаться к теоретическому значению, но никогда не будет меньше.