Совмещение стадий сушки и уплотнения в процессе получения дестама

Прессование в пресс-формах применимо лишь для изготовления экспериментальных партий модифицированной древесины и не может быть рекомендовано в серийном производстве. Поэтому предусматривалось совмещение операций сушки пропитанных заготовок, прогрева перед прессованием, прессования и последующей сушки и термообработки в одну стадию, осуществляемую в комбинированной установке СПК-1. Данная установка в значительной мере устраняет межоперационные транспортные операции и позволяет автоматизировать процесс получения модифицированной древесины. Принципиальная схема установки показана на рис. 79 .Установка состоит из следующих частей: сушильной камеры 8, внутри которой помещается тележка 2; на ней уложены бруски обрабатываемой древесины 9. Сверху в стену камеры смонтированы вертикально расположенные цилиндры 7, свободные концы штоков которых находятся внутри камеры и несут прессовые плиты 4. Гидроцилиндры работают от станции гидропривода, автоматически поддерживающей установленное удельное давление. Принудительную циркуляцию внутри камеры обеспечивает вентилятор, вмонтированный в глухую стену камеры.

Получение модифицированной древесины происходит следующим образом. Перед началом работы укладывают штабели пропитанной карбамидом древесины на тележку, перекладывая их металлическими прокладками. Затем тележку закатывают в камеру и устанавливают под опорную плиту гидроцилиндров, после чего включают нагружение и нагрев.

Сушка в установке производится горячим воздухом, нагреваемым электронагревателями или аэродинамическим способом. Влага, испаряемая из древесины, конденсируется в водяном холодильнике. Сконденсированная влага по отводящей трубке выводится из камеры в мерник для измерения количества удаляемой влаги. Охлажденный воздух вентилятором вновь подается на нагреватель и далее в древесину, после чего цикл повторяется.

Для контроля режима сушки используется психрометр, уравновешенный мост КСМ-ЗП и логометр Л-64. Температура сушки поддерживается автоматически.

Применение холодильника в камере СПК-1 позволяет сократить собственно процесс прессования и сушки до 13... 15 часов вместо 24...26 часов, а весь процесс получения модифицированной древесины сокращается с 32...36 часов до 24 часов для заготовок сечением 65x65 мм и длиной 600 мм.

На рис. 80 показано изменение технологических параметров работы установки и деформирование древесины под давлением.

В первые 4 часа процесса температура в установке повышается до 100 °С (температура мокрого термометра 91 °С), температура в древесине тоже растет до 93 °С.

С приложением давления до 0,2 МПа начинается деформирование древесины, не превышающее 5...6 %. Далее идет процесс сушки при температуре 100 °С. Одновременно происходит увеличение давления через 0,1 МПа до 0,5 МПа. Технологическая деформация возрастает до 15-20 %. Влажность древесины уменьшается от 50...70 % до 30 %, что позволяет увеличить температуру сушки до 120 °С при температуре мокрого термометра 100 °С. Эта температура устанавливается после 9 часов процесса и поддерживается постоянной в течение 10 часов, являясь основной температурой сушки. За это время древесина высыхает до влажности 3...5 % и полностью завершается уплотнение древесины до степени деформирования 45...48 %. Удельное давление доходит до 0,8 МПа и далее остается постоянным. Следует отметить, что приращение технологической деформации прекращается после 17 часов процесса, когда влажность древесины падает до 10 %.

Завершающей стадией процесса является термическая обработка модифицированной древесины с целью стабилизации ее размеров. Для этого температура в камере увеличивается до 140 °С и, начиная с двадцатого часа процесса по двадцать третий, производится термообработка древесины. Температура внутри древесины возрастает до 135 °С, карбамид расплавляется и полимеризу- ется, соединяясь с компонентами древесины.

Давление в этот период снижается до 0,2 МПа для предотвращения рас- прессовки. По завершении процесса термообработки нагрев выключают, установку открывают и при работающем вентиляторе охлаждают до температуры

60 °с.

Рис. 79 Сушильно прессовая камера СПК-1: 1-рама; 2-тележка;

3-направляющие; 4-прессовая плита; 5-рельсодержатель; 6-прокладки; 7-гидроцилиндры; 8 -камера; 9 заготовки

Рис. 80 Зависимость технологических параметров процесса от времени: 1-изменение температуры в камере; 2-изменение температуры внутри образцов; 3-изменение давления; 4-технологическая деформация

Для автоматического контроля и поддержания температуры в установке разработан одноточечный регулятор-стабилизатор температуры АРТ-1, выполненный на транзисторах. Для автоматического регулирования давления в установке разработана система контроля давления (СКАД). Для автоматического определения и контроля прямых и поперечных деформаций в сжимаемых заготовках разработан прибор ПКД-1.

Недостатком установки СПК-1 (рис. 81) является относительная длительность процесса сушки, являющейся лимитирующей стадией процесса, и как следствие, значительная энергоемкость. Так, время процесса сушки под давлением промышленных заготовок размерами 130x130x1200 мм составит 160... 170 часов.

Рис. 81 Общий вид камеры СПК-1

При получении дестама совмещенным способом применяется исходное сырье в виде бруса прямоугольного сечения. При получении такого бруса из круглого леса в отход идет от 30 до 50 % древесины. Выход уплотненной древесины из 1 м³ круглого леса составляет 0,3...0,5 м³. Для увеличения полезного выхода модифицированной древесины можно уплотнять и круглые заготовки, предварительно окоренные, как показано на рис. 82. Свежесрубленную окоренную заготовку цилиндрической формы из древесины мягких лиственных пород раскалывают на два равных полуцилиндра 1, помещают в раствор карбамида и пропитывают до содержания карбамида 10... 15 % массы сухой древесины. Пропитанные полуцилиндры 1 совмещают в плоскости разъема и помещают в металлическую матрицу 2 прямоугольного сечения, ширина которой равна диаметру заготовки 1. Если плоскость разъема расположить параллельно направлению прессования под пуансон 3. то получают изделия 4 в виде брусков прямоугольного сечения, близкого к квадратному. Если же плоскость разъема расположить перпендикулярно направлению прессования, то получают изделия прямоугольного сечения в виде досок. Располагать плоскость разъема под другим углом к направлению прессования нерационально.

Рис. 82 Схема прессования круглых заготовок в начале (а) и в конце процесса (б): 1- заготовка древесины; 2- пресс-форма; 3- пуансон; 4- линия раскроя заготовки

Высота матрицы 2 выбирается в зависимости от необходимой степени прессования. Оптимальной является высота матрицы, равная радиусу заготовки. Совмещенные полуцилиндры 1 вместе с матрицей 2 помещают в установку СПК-1 и сушат под давлением 0,5...0,7 МПа в течение 20...50 часов в зависимости от размера заготовок. При этом происходит заполнение древесиной пустот матрицы 2 и образование двух брусков прямоугольного сечения 4. Заготовки раскалываются на два равных полуцилиндра для того, чтобы при сушке не образовалась сердцевинная трещина, как при сушке древесины в виде сплошных цилиндров.

Таким образом, выход изделий из модифицированной древесины увеличивается с 1 м³ круглого леса до 0,5...0,65 м³. При этом не образуются отходы в виде горбыля и опилок. Получаемый материал является полноценным заменителем древесины дуба и может использоваться для покрытий полов.

Проведенные нами работы по интенсификации процесса сушки позволили разработать технологию получения модифицированной древесины, сокращающей длительность процесса в 20 раз по сравнению с ранее описанной.

Суть ее заключается в том, что в процессе сушки предварительно пропитанной карбамидом древесины с одновременным уплотнением применяется комбинация высокочастотного и импульсного конвективного нагревов с вакуумным импульсом. При этом температуру внутри древесины задают 90... 100 °С, на поверхности - 85 °С, разряжение в камере в период постоянного вакуума составляет 47 кПа, в период импульса вакуума 21 кПа; продолжительность импульсов вакуума и нагрева соответственно 60... 120 и 20...40 с.

На рис. 83 показана схема устройства и режим работы установки СПК-2. Устройство содержит герметизированную теплоизоляционную камеру 1, снабженную рамой 2, гидроцилиндрами 3, соединенными с прессовой плитой 4. Внутри камеры укладываются бруски древесины 5, переложенные стальными прокладками 6, которые служат электродами. Они соединены с генераторами- ТВЧ 7. Камера 1 содержит тележку 8 и вакуумный клапан 9.

Трубопровод затвором 10 соединяет камеру 1 с ресивером 11, содержащим холодильник 12 и вакуумный клапан 13. Циркуляция воды в холодильнике осуществляется жидкостным насосом 14. Этот же насос охлаждает генератор 7 и вакуум-насос. Ресивер 11 через вакуумный затвор соединен с резервуаром 17 для сбора конденсата, а трубопровод с вакуумным затвором 18 - с вакуумным насосом 15.

Вакуум-насос трубопроводом с вакуумным затвором 19 соединен с теплоизоляционной емкостью 20, снабженной вакуумным клапаном 21 и теплоэлектронагревателями ТЭН 22. Емкость 20 трубопроводом с вакуумным затвором соединена с камерой 1.

Отличительной особенностью устройства является то, что оно замкнуто по отношению к циркулирующему в нем агенту сушки за счет дополнительной емкости 20, в которую поступает воздух из ресивера. За счет емкости исключается потеря тепла при выделении горячего воздуха в атмосферу и улучшаются условия труда - за счет отсутствия избытка водяных паров в окружающем воздухе. Циркуляция воздуха внутри установки уменьшает количество тепла, необходимого для сушки и уплотнения древесины и таким образом снижает ее энергоемкость. Особенностью установки является то, что в дополнительной емкости 20 происходит подогрев воздуха до 100 °С, позволяющий импульсивно повысить температуру в камере сушки и уплотнения. Таким образом, создается импульс нагрева, позволяющий сократить время нагрева от 15 до 2 минут и значительно интенсифицирущий процесс сушки.

Процесс осуществляется следующим образом. Бруски древесины влажностью 45...55 %, содержащие пластификатор карбамид в количестве

10... 15 % массы абсолютно сухой древесины, укладывают рядами на тележку 8 и перекладывают стальными прокладками 6. После этого тележку закатывают в камеру 1, и прокладки соединяют с генератором ТВЧ 7.

Включением вакуум-насоса 15 с помощью вакуум затворов 10, 18, 19 в камере 1 создается разрежение 47 кПа, в ресивере 11 - разрежение 8 кПа, в емкости 20 - разрежение 73 кПа. Одновременно включают генератор ТВЧ и температуру внутри брусков древесины доводят до 90... 100 °С, на поверхности древесины - 85 °С при температуре мокрого термометра 69 °С. Включают ТЭНы 22 и температуру в емкости доводят до 100 °С.

Исходя из температуры поверхности бруска 85 °С, задается разрежение 47 кПа, обеспечивающее кипение воды при 80 °С. Разрежение в ресивере 8 необходимо для последующего создания в камере импульса вакуума и создания в ней разрежения 21 кПа. Разрежение 73 кПа емкости необходимо для быстрого изменения давления в камере от 21 до 47 кПа. Температура 100 °С в емкости 20 необходима для быстрого повышения температуры в камере от 63 °С. При температуре 90... 100 °С и разрежении 47 кПа внутри бруска начинаются интенсивное испарение влаги и продвижение ее из центральной к периферийной части бруска. В это время проводят импульс вакуума. Для этого соединяют камеру 1 с ресивером 11 трубопроводом 10. В камере и ресивере разрежение становится равным 21 кПа, температура в камере падает от 80 до 63

°С. Влага с поверхности брусков за счет импульса вакуума, составляющего 26 кПа, поступает в ресивер, где конденсируется на холодильнике 12 и стекает в резервуар 17. Перепад давления 26 кПа достаточен для удаления влаги с поверхности бруска и в тоже время недостаточен для вскипания влаги в центре бруска, приводящего к разрыву древесины. Вакуум-насос и генератор ТВЧ в это время отключены. Время импульса определяется оптимальным импульсным отношением, т.е. отношением времени импульсного нагрева и времени импульса вакуума, равном 3. Время импульса вакуума в зависимости от размеров заготовок составляет 20.. .40 с.

После проведения импульса вакуума проводят импульс нагрева. Для этого перекрывают трубопровод 10, и соединяют через трубопровод 23 камеру 1 с емкостью 20. В обоих сосудах создается разрежение 47 кПа и температура 85 °С. Одновременно включают генератор ТВЧ и доводят температуру внутри брусков до 90... 100 °С и на поверхности до 85 °С. После этого перекрывают трубопровод 23, включают вакуум-насос перекачивают воздух из ресивера в емкость, создавая в ресивере разрежение 8 кПа, а в емкости 73 кПа.

Время импульса нагрева зависит от размеров бруска, и мощности генератора ТВЧ и составляет 60... 120 с.

Дальнейший процесс сушки заключается в последовательном чередовании импульсов вакуума и нагрева.

Рис. 83 Установка СПК-2: а- общая схема: 1- вакуумная камера; 2- бруски древесины; 3- металлические прокладки; 4- генератор ТВЧ; 5- холодильник; 6-вакуумный затвор; 7-емкость для сбора конденсата; 8- ресивер с нагревателями; б- технологические режимы: 1- деформация; 2- давление в камере; 3- температура в камере; 4- температура в емкости; 5- влажность брусков; 6- давление в ресивере

После проведения первого импульса нагрева в камере 1 за счет гидроцилиндра 3 на бруски опускают прижимную плиту 4 и создают механическое давление 0,5...0,8 МПа, которое поддерживается на всем протяжении сушки. Высушенная при удельном давлении 0,5 МПа модифированная древесина имеет плотность 1000 кг/м³, при давлении 0,8 МПа 1100 кг/м³. Графически процесс сушки осиновых брусков 13x50x290 мм влажностью 45 %. содержащих карбамид в количестве 10 % от веса абсолютно сухой древесины, показан на рис. 83. Время сушки и продолжительность импульсов зависит от размеров брусков. Так, для брусков промышленных размеров 130х 130x1200 мм суммарная продолжительность импульсов нагрева и вакуума составляет 160 с. и время сушки составит 13,5 ч. Конечная влажность получаемой древесины 2...3%, конечная плотность 1000... 1100 кг/м³.