О сушке древесины с помощью солнечной энергии

На заводе "Wood-Mizer" в Гродно закончен монтаж солнечных сушильных камер, которые будут использоваться в производственном цикле в качестве предсушилок. Вниманию читателей предлагается научно-практическая информация о солнечной сушке из польского журнала "Suszarki do drewna".

На протяжении многих лет большой интерес вызывают попытки использования солнечной энергии в процессе сушки древесины. В настоящее время сконструировано много солнечных сушильных камер (чаще всего прототипов) различных конструкций. Предыдущий опыт использования солнечной энергии для сушки древесины указывает на то, что, возможно, эффективность сушки в большой степени зависит от климатических условий. Вопрос: имеет ли смысл заниматься солнечной сушкой древесины в российских и белорусских климатических условиях, то есть между 49 и 55 градусами северной широты?

Естественная сушка на открытом воздухе

Сухая древесина складируется на открытом месте или под навесом. Источником энергии, необходимой для удаления влаги из древесины, являются солнце и ветер. Интенсивность процесса сушки, а также конечная влажность древесины зависят от текущих погодных условий и, следовательно, изменяются во времени. Теоретически в летние месяцы в Средней Европе можно высушить пиломатериал до 12-13% влажности.

В действительности влажность древесины в штабеле на несколько процентов выше, так как влажность внутри древесины достигает равновесной влажности с некоторой задержкой. В осенне-зимнее время конечная влажность древесины гораздо выше. Возможности влияния на протекание процесса сушки весьма ограничены и сводятся только к способу укладывания досок, а также установки штабеля на площадке. В зависимости от типа и толщины древесины естественная сушка продолжается от 3 месяцев до 3 лет. Огромное значение имеет месяц, в котором был выставлен штабель. Во время исследований, проведенных в 70-е гг. на деревообрабатывающих предприятиях Хайнувки (Польша), свежие дубовые доски, уложенные в штабели в июле, сохли до влажности около 20% в течение 15-18 дней, а такие же доски, уложенные в октябре, достигали данного уровня влажности только через 220-240 дней. При равномерном укладывании в течение года большинство досок (около 54%) достигало желаемого уровня конечной влажности в мае. Таким образом, существует проблема обеспечения непрерывности производства.

Естественная сушка требует наличия больших производственных запасов, а также площадки большого размера. Несомненным преимуществом этого способа сушки является высокое качество продукции. Согласно немецким данным, немногочисленные повреждения появляются только в случае чрезвычайно интенсивного солнечного излучения или действия горного ветра в начальный период сушки.

Сушка древесины в солнечных сушильных камерах в Канаде

Возможность использования энергии солнечных лучей для сушки древесины была подтверждена экспериментально сначала в странах с тропическим климатом (Пуэрто-Рико, Индия, Тайвань, Уганда, Филиппины, Гана, Пакистан), позже - в зоне умеренного климата. В 1977-1979 гг. были проведены эксперименты по солнечной сушке древесины в канадской провинции Онтарио (48 градусов северной широты).

Исследования показали преимущество солнечной сушки по сравнению с естественной сушкой с точки зрения скорости и качества, а также конечной влажности древесины. Выявлено, что самым благоприятным периодом для солнечной сушки в данной климатической зоне является лето. Однако древесина, которая сушилась зимой, содержала меньше дефектов. Канадские эксперименты доказали, что солнечная сушка древесины возможна в географических широтах, близких к российским.

В 1978 г. были проведены опыты по сушке досок в экспериментальной солнечной сушилке с воздушной системой, которая была установлена на географической широте 48°. Солнечная сушильная камера и штабель древесины под открытым навесом для естественной сушки находились рядом. Сушилась еловая доска толщиной 40 мм, шириной 90 мм и длиной 4 м. Первые две недели (с 11 мая по 20 июня 1978 г.) солнечная сушка протекала медленнее по сравнению с естественной. Возможно, это происходило потому, что вентиляторы в солнечной сушильной камере работали только в течение дня, средняя скорость воздуха между досками штабеля во время работы вентиляторов составляла 0,2-0,3 м/с, а средняя скорость ветра в этот период была 0,6 м/с, и контрольный штабель вентилировался в течение полных суток.

Когда влажность древесины достигла уровня ниже влажности насыщения волокон (примерно 28%), скорость естественной сушки уменьшалась по мере сушки древесины, однако процесс солнечной сушки шел значительно быстрее (так же, как и в традиционной сушильной камере). Снижение скорости солнечной сушки наблюдалось при меньшей влажности древесины, чем при естественной сушке. Таким образом, в солнечной сушильной камере получена конечная влажность 8,2%, а в контрольном штабеле - 16,7%. Похожие результаты получены и в других опытах, проведенных в той же самой сушильной камере. Только во время сушки в зимний период были получены несколько большие показатели конченой влажности (13-18% в солнечной сушильной камере и 20-25% в контрольном штабеле).

При достижении влажности древесины 30% время солнечной сушки не отличалось от времени сушки на открытом воздухе. Однако в пределах влажности 30-20% солнечная сушка протекала в два раза быстрее. Авторы опытов предлагают производить солнечную сушку до среднего показателя влажности 30%, а уже потом досушивать материал в традиционной сушильной камере. В зимний период с учетом некоторых проблем в работе солнечной сушильной камеры обосновано использование в ней небольших устройств для обогрева или устройств осушения воздуха (как в конденсационных камерах). Опыты также показали, что вентиляторы должны работать только в течение дня, доступ же воздуха может оставаться постоянным.

Результаты исследований, произведенных в Польше и Чехословакии

Представленные результаты послужили импульсом к проведению подобных исследований в Польше. Попытка сушки сосновых досок (толщина 32 мм, ширина 200 мм, длина 4 м) с начальной влажностью 15% до уровня влажности 8,4% в сушильных камерах летом дала такие же результаты, как и те, что были получены в Горной Баварии, то есть удалось подтвердить полезность метода солнечной сушки в польских климатических условиях.

Экспериментальная солнечная сушильная камера для древесины была также сконструирована в Чехословакии. При размерах камеры 7 м 3 был установлен солнечный коллектор площадью около 29 м 2 с углом наклона в 45°. Проведенные эксперименты показали возможность солнечной сушки в этих климатических условиях, особенно сушки толстой доски лиственных пород.

В первые дни солнечная сушка протекала значительно быстрее, чем естественная. Затем изменение влажности древесины во времени становится в обоих случаях практически одинаковым, однако влажность штабеля в солнечной сушильной камере меньше по значению. Конечная влажность, полученная при естественной сушке, была достигнута в сушильной камере уже после 1/3 времени протекания естественной сушки.

Три варианта солнечных сушилок

На основе этих экспериментов было предложено три варианта использования сушильной камеры с традиционным и солнечным обогревом.

Первый вариант предусматривает производство предварительной сушки досок исключительно с использованием солнечной энергии до уровня влажности насыщения волокон, далее - традиционной сушки.

В соответствии со вторым предварительная сушка производится при одновременном солнечном и традиционном обогреве, дальнейшая же сушка - только традиционная.

Третий вариант (исключительно традиционная сушка) рассчитан на неблагоприятные атмосферные условия.

Конденсационно-солнечная камера

В следующей серии опытов солнечная сушильная камера была оборудована дополнительным конденсационным агрегатом, то есть камера была конденсационно-солнечной. В такой камере влажность древесины снижалась со 100% до 7%, что в зависимости от времени года занимало от 6 до 18 дней.

В сравнении с солнечной сушкой (без конденсационного устройства) наблюдалось уменьшение времени сушки, особенно зимой, при одновременном снижении энергопотребления. Можно утверждать, что комбинация конденсационно-солнечной сушки дает лучшие результаты, чем каждый из этих способов, применяемый отдельно. Это объясняется так: наступает быстрое прогревание камеры и мокрого пиломатериала, уменьшается потребление энергии при сокращении времени сушки, а зависимость условий сушки от погодных условий пропадает.

Окупаемость солнечной сушки

Солнечная сушка древесины - один из нескольких возможных вариантов сушки в низкотемпературных камерах. С учетом времени сушки (и производительности процесса), а также конечной влажности древесины, солнечная сушка представляет собой промежуточный процесс между естественной сушкой (на открытом воздухе), а также сушкой в вентилируемых штабелях, и традиционной сушкой в средне- и высокотемпературных сушильных камерах. Расходы по солнечной сушке могут быть гораздо больше, нежели расходы по естественной сушке (и даже сушке в вентилируемом штабеле), но дешевле, чем традиционная сушка.

Окупаемость солнечной сушки зависит от инвестиционных затрат, а также стоимости используемой энергии. Ее можно достигнуть в случае использования не слишком сложных конструкций солнечной сушильной камеры.

Цикличность процесса

Процесс сушки древесины в солнечных сушилках протекает медленнее и мягче по сравнению с традиционными сушильными камерами. Это позволяет получать пиломатериалы лучшего качества и уменьшить количество брака. Кроме того, в случае нехватки дополнительных источников тепла этот процесс может быть циклическим (прерываемым), поскольку циклическими являются суточные изменения количества подаваемой энергии. Такая цикличность имеет свои плюсы.

Известно, что в продолжительном процессе традиционной сушки профили влажности и температуры в разрезе элемента, подвергаемого сушке, направлены в противоположную сторону. Это вызывает торможение процесса диффузии влаги на поверхность, а также способствует проявлению напряжений, вызывающих растрескивание материала. Неблагоприятные явления могут быть уменьшены благодаря перерывам в процессе сушки. При солнечной сушке такие перерывы абсолютно естественны.

Выводы

Во-первых, сушка древесины в сушильных камерах, использующих солнечную энергию, вызывает значительное ускорение процесса сушки, а также уменьшение конечной влажности древесины по сравнению с естественной сушкой в вентилируемых штабелях. Эффективность солнечной сушки гораздо ниже эффективности сушки в традиционных сушильных камерах.

Во-вторых, качество пиломатериала, который сушится в солнечных сушильных камерах, гораздо выше того, которое можно получить в случае традиционной сушки. Этому благоприятствует более медленное и мягкое протекание процесса сушки, а также естественная цикличность этого процесса.

В-третьих, с учетом мягкости протекания процесса сушки в солнечных сушильных камерах особенно рекомендуется применение их для сушки древесины лиственных пород больших размеров.

В-четвертых, в зоне умеренного климата солнечная сушка в зимнее время протекает значительно медленнее и труднее, нежели летом. Поэтому зимой здесь рекомендуется применение небольшого нагревательного устройства (а лучше - конденсационного агрегата).

В-пятых, окупаемость солнечной сушки, особенно в случае, если конструкция системы несложна, а также при подключении системы солнечной сушки к традиционной сушильной камере, возможна. Особенно полезным может оказаться создание конденсационно-солнечной сушильной камеры.

Солнечная сушилка Solar Dry от фирмы "Wood-Mizer"

В основе технологии Solar Dry - принцип парника, основанный на использовании солнечного света в качестве бесплатного источника тепловой энергии. Сушильная камера представляет собой солнечный коллектор, обтянутый специальной полиэтиленовой пленкой и теплоизолированный с трех сторон деревянными щитами. Камера снабжена небольшими вентиляторами и патрубком для подачи дополнительного тепла. Тепло аккумулируется в камере, и температура воздуха внутри может быть на 40°C выше, чем снаружи. Процесс сушения протекает так же, как и в природных условиях: днем (при солнечном освещении) дерево сохнет, ночью кондиционируется. Однако в отличие от естественной атмосферной сушки, солнечная сушилка Solar Dry значительно уменьшает количество дефектов сушения и предотвращает изменение цвета дерева. Эта технология чрезвычайно экономична, так как практически не требует эксплуатационных расходов. Ее применение особо эффективно для предварительной сушки. После Solar Dry Kiln в промышленных сушильных камерах древесина доводится до нужного процента влажности за считанные часы.

Как это сделано в Гродно

О том, как была смонтирована сушилка Solar Dry в Гродно, рассказал директор белорусско-польского СП "Вуд-Майзер Индастриз Ист" Владимир Терешков.

В производственном цикле фирмы "Wood-Mizer" в Гродно солнечная сушилка используется для предварительной сушки древесины до ее помещения в пресс-вакуумную сушилку или для сушки древесины до транспортной влажности 20%.

Сушилка была закуплена в виде набора, который включал 2 вентилятора (220 В, 0,25 кВт), крепления вентиляторов, защитную решетку для вентиляторов, решетку для прикрытия воздухо-приточного отверстия, шибер ко входной двери, комплект из 2 слоев пленки, комплект петель к воротам и смотровым дверям, запоры к воротам, и, разумеется, руководство по монтажу (самая важная и дорогая часть набора).

В качестве фундамента использована железобетонная плита толщиной 20 см. Каркасная конструкция сушилки изготавливалась из пиломатериалов собственного производства, которые были напилены согласно приведенной в инструкции спецификации.

Пришлось докупить гвозди, анкерные болты для крепления каркасной конструкции к фундаменту, теплоизоляцию (минвата), полиэтиленовую пленку для пароизоляции и теплоизоляции, провода и кабели для подключения (применяются во внутренней и наружной инсталляции), а также краску. Цвет наружной поверхности сушилки значительной роли не играет, но внутри она должна быть выкрашена в радикально черный цвет.

Бригада из 3-4 человек способна изготовить солнечную сушилку под ключ за 3-4 недели.Подготовил Федор СПИРИДОНОВ