Опыт строительства и эксплуатации солнечных сушильных камер

Сообщение, сделанное на семинаре "Проектирование сушильного хозяйства" директором СП "Wood-Mizer" Владимиром Терешковым

Технология солнечной сушки древесины не очень популярна в Беларуси, России и Украине. Связано это с распространенным стереотипом: инсоляция в этих странах не самая интенсивная, следовательно, и в промышленных целях здешнее солнечное освещение использовать не представляется возможным.

Однако ряд экспертов в области сушки древесины выражает уверенность в том, что в действительности эта технология оправдывает себя в случаях, если деревообрабатывающее предприятие имеет избыток собственных (а не арендованных) производственных площадей.

Тогда вполне может оправдать себя инвестиция объемом в $2-3 тыс., поскольку в летнее время в солнечных камерах можно сушить древесину до транспортной влажности. Себестоимость подобной сушки невысока, качество же довольно высоко (за счет естественного чередования ночных и дневных температур). В частности, в Гродно солнечная сушилка эффективно используется с апреля по октябрь.

Попытки использования солнечной энергии в процессе сушки древесины предпринимаются на протяжении многих лет. В настоящее время сконструировано немало солнечных сушильных камер. (Чаще всего это аналоги, имеющие те или иные конструктивные различия.)

В какой степени эффективность сушки зависит от климатических условий? Оправдан ли данный подход для широтной зоны, находящейся 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.

В летние месяцы теоретически 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-х месяцев до 3-х лет. Многое зависит от того, в какой месяц был выставлен штабель. Во время исследований, проведенных в 70-е гг. на Хайнувских деревообрабатывающих предприятиях (Польша), влажность свежих дубовых досок, уложенных в штабели в июле, достигла примерно 20% в течение 15-18 дней. Влажность таких же досок, уложенных в октябре, достигла данного уровня только через 220-240 дней. При регулярном укладывании в течение года большинство (около 54%) досок достигало желаемого уровня конечной влажности в мае. Таким образом, существует проблема обеспечения непрерывности производства.

Естественная сушка требует наличия как больших производственных запасов, так и больших площадей.

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.

После того, как влажность древесины достигла уровня ниже влажности насыщения волокон (около 28%), скорость естественной сушки уменьшалась по мере сушки древесины, однако процесс солнечной сушки шел значительно быстрей (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 конечной 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 работы солнечной сушильной камеры оправдано использование в ней небольших устройств для обогрева или осушения воздуха (как в конденсационных камерах). Опыты также показали, что вентиляторы должны работать только в течение дня, доступ же воздуха может иметь место постоянно.

Результаты исследований, предпринятых в Польше и Чехии

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 те, что были получены в горной части Баварии, то есть получил подтверждение факт целесообразности применения метода солнечной сушки в польских климатических условиях.

Экспериментальная солнечная сушильная камера для древесины была сконструирована также в Чехии. В камере площадью 7 м3 был установлен солнечный коллектор площадью около 29 м2 под углом к горизонтали, равным 45°. Проведенные эксперименты показали возможность солнечной сушки и в чешских климатических условиях, особенно сушки толстых досок лиственных пород.

В первые дни солнечная сушка протекает значительно быстрее. Затем кривые изменения влажности древесины во времени становятся практически одинаковыми, однако влажность штабеля в солнечной сушильной камере меньше по значению. Конечная влажность, полученная при естественной сушке, была достигнута в сушильной камере уже по истечении 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 предусматривает производство предварительной сушки досок исключительно солнечной энергией до уровня влажности насыщения волокон, а далее - традиционной сушки.

Второй - производство предварительной сушки при одновременном солнечном и традиционном обогреве, а далее - только традиционную сушку.

В соответствии же с третьим при неблагоприятных атмосферных условиях используется исключительно традиционная сушка.

Конденсационно-солнечная камера

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

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: имеет место 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 меньше, чем таковые при традиционной сушке.

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 сушкой в традиционных сушильных камерах.

Это позволяет получить 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 образование в материале трещин.

Неблагоприятные явления могут быть уменьшены благодаря перерывам в процесс 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 пиломатериалов лиственных пород больших размеров.

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

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

Солнечная сушилка Solar Dry от фирмы "Wood-Mizer"

В основе технологии Solar Dry лежит принцип парника, при этом в качестве бесплатного источника тепловой энергии используется солнечный свет. Сушильная камера представляет собой солнечный коллектор - призматическое помещение, одно из наружных ограждений которого является скатным. Этот скат обтянут специальной полиэтиленовой пленкой. С трех остальных сторон камера теплоизолирована деревянными щитами. Сушилка Solar Dry снабжена небольшими вентиляторами и патрубком для подачи дополнительного тепла. Тепло аккумулируется в камере, вследствие чего температура внутреннего воздуха может быть на 40° выше, чем наружного.

Процесс сушки протекает так же, как и в природных условиях: днем (при солнечном освещении) древесина сохнет, ночью кондиционируется. Однако в отличие от естественной атмосферной сушки солнечная сушилка Solar Dry значительно уменьшает количество дефектов сушения и предотвращает изменение цвета дерева.

Данная технология чрезвычайно экономична, так как практически не требует эксплуатационных расходов. Ее применение особо эффективно для осуществления предварительной сушки. После применения Solar Dry влажность древесины за считанные часы доводится до нужного уровня в промышленной сушильной камере.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ, фото Сергея ШАРУБЫ