Nghiên cứu thực nghiệm sấy gỗ

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 101 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SẤY GỖ A RESEARCH ON EXPERIMENTAL WOOD DEHYDRATION Trần Văn Vang Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu và phân tích sơ lược một số hầm sấy thông dụng. Đó là cơ sở để chúng tôi lựa chọn hệ thống thiết bị sấy thực nghiệm. Bài báo cũng mô tả chi tiết hầm sấy thực nghiệm, các qui trình sấy do chúng tôi thực hiện và trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm với các loại gỗ khác nhau. Từ các kết quả sấy thực nghiệm, chúng tôi đã tiến hành phân tích và đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng gỗ và chi phí năng lượng sấy gỗ, từ đó tìm ra chế độ sấy tối ưu nhất cho từng loại gỗ. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để các doanh nghiệp chế biến gỗ ở Việt Nam làm căn cứ lập chế độ sấy chuẩn cho đơn vị mình, nhằm giảm chi phí trong quá trình sấy gỗ và tăng chất lượng gỗ thành phẩm. ABSTRACT This article presents and analyzes partially some types of normal wood dehydration rooms. This acts as a basis for our selection of experimental wood drying rooms. A detailed description of experimental rooms for dehydrating wood, processes of our wood drying techniques and a presentation of experimental results for dehydrating different woods are also discussed in this article. On the basis of these experimental results, analyses and evaluation on the factors that influence wood quality and expenditure on the cost of energy for wood dehydration can lead to an optimal drying regime for each type of wood. The results of this study are also used as bases for wood processing factories in Vietnam so that they can build up standardized dehydrating regimes aimed at reducing the cost of a wood dehydrating process, improving the quality of any finished wood. 1. Đặt vấn đề Chế độ sấy có ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng sản phẩm, chi phí năng lượng và giá thành sản phẩm. Mỗi loại gỗ với những qui cách khác nhau cần phải có các chế độ sấy hợp lý, các chế đố sấy đó nhất thiết phải tiến hành thực nghiệm để tìm ra chế độ tối ưu. Đã có nhiều tác giả nghiên cứu chế độ sấy gỗ, tuy nhiên do đặc thù khí hậu và chất lượng mỗi loại gỗ mỗi nơi một khác, hoàn toàn không giống nhau nên không thể lấy kết quả nghiên cứu của các tác giả nước ngoài áp dụng cho điều kiện Việt Nam. Vì vậy cần phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm chế độ sấy các loại gỗ trong điều kiện Việt Nam, nhằm đưa ra các chế độ sấy tối ưu. 2. Nội dung 2.1. Các kiểu thiết bị sấy gỗ 2.1.1. Hầm sấy hơi nước kiểu chu kỳ tuần hoàn tự nhiên TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 102 Quá trình tuần hoàn nhờ đối lưu tự nhiên, không khí nóng có tỷ trọng nhỏ chuyển động lên phía trên, đi qua các lớp gỗ thực hiện quá trình sấy. Càng lên phía trên nhiệt độ không khí giảm dần và tỷ trọng tăng lên, không khí lại lắng xuống phía dưới và tiêp tục được cấp nhiệt. Các lò sấy kiểu tuần hoàn tự nhiên của Liên Xô cũ như: - Hầm sấy Peoa. - Lò sấy Grum grojimailo 2.1.2. Lò sấy hơi nước kiểu chu kỳ tuần hoàn cưỡng bức Nguyên lý chuyển động của môi trường sấy trong kiểu lò sấy này là tuần hoàn có tốc độ và xoay chiều nhờ hoạt động của hệ thống quạt gió. Trong nhóm này, dựa vào cấu trúc của lò và đặc biệt là cách bố trí hệ thống quạt gió, người ta cũng phân ra các nhóm lò sấy sau đây: - Lò sấy quạt đặt bên ngoài lò, kiểu BTH: - Lò sấy quạt đặt bên trong kiểu VIAM I, II và XNHMOT 23. - Lò sấy hơi nước kiểu phun khí 2.1.3. Lò sấy hơi nước kiểu liên tục tuần hoàn tự nhiên Lò sấy liên tục làm việc theo nguyên lý, gỗ được đưa vào đầu ẩm của lò và ra ở đầu khô. Thời gian chuyển dịch từ đầu ẩm đến đầu khô bằng thời gian sấy. Chế độ sấy theo quy luật nhiệt độ tăng dần và độ ẩm của môi trường sấy thấp dần. 2.1.4. Hầm sấy hơi nước kiểu liên tục tuần hoàn cưỡng bức Tương tự lò sấy liên tục tuần hoàn tự nhiên nhưng ở đây gió được đối lưu cưỡng bức, nên hiệu quả tốt hơn. 2.2. Hầm sấy thực nghiệm 2.2.1. Cấu tạo hàm sấy thực nghiệm Hầm sấy thực nghiệm có kích thước 6400Lx4100Wx4100H (mm). Bên trong xếp 02 khối gỗ, 03 thiết bị gia nhiệt không khí và 05 quạt gió tuần hoàn cưỡng bức (hình 1 và hình 2). Hình 1. Mặt cắt hình chiếu bằng hầm sấy 55 0 55 0 30 00 41 00 6400 800 1200 1200 1200 1200 800 2 1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 103 32 00 80 0 10 0700 1450 1950 4100 350350 3000 1200 1200 1200 1200800 800 6400 A-A B-B 41 00 1 2 4 5 3 6 Hình 2. Mặt cắt ngang, mặt cắt dọc hầm sấy 1- Quạt, 2- Thiết bị TĐN, 3- Ống phun ẩm bằng hơi, 4- Ống phun ẩm bằng nước, 5- Cửa thoát ẩm, 6- tủ điều khiển * Thiết bị trao đổi nhiệt : Được chế tạo bằng ống tròn Φ 25mm có cánh tản nhiệt dày 0.45mm. Cánh được ép vào ống nhờ máy ép cánh bằng thuỷ lực tạo thành dàn trao đổi nhiệt. Quá trình ép cánh được tính toán rất kỹ sao cho cánh bám sát thành ống để quá trình truyền nhiệt giữa cánh và ống diễn ra đạt hiệu quả nhất. * Quạt gió : Hầm sấy thử nghiệm sử dụng 5 quạt công suất 0,75 kW và được đặt cách đều nhau ở phía trên hầm sấy. * Phương pháp cấp nhiệt Việc cấp nhiệt cho quá trình sấy gỗ thực nghiệm có thể sử dụng: khói nóng, hơi nước, điện. Ở đây chúng tôi chọn hơi nước để gia nhiệt cho tác nhân sấy, vì hơi nước đã có sẵn, tính ổn định cao, dễ điều chỉnh tự động hóa, không gây ra hỏa hoạn. * Thiết bị điều khiển và đo lường - Sơ đồ lắp đặt hệ thống điều khiển GHI CHUÏ 1- Âäúng gäù 2- Quaût háöm sáúy 3- Cæía xaí áøm 4- Calorifer 5- Voìi phun áøm 6- Âo âäü áøm gäù 7- Âo traûng thaïi khäng khê 1 Bäü âiãöu khiãøn Phun áøm Cáúp nhiãût 7 6 543 2 Hình 3. Sơ đồ lắp đặt hệ thống điều khiển hầm sấy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 104 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hầm sấy thực nghiệm 1 2 43 EMCt M1 ÂÄÜ ÁØM GÄÙ Traûng thaïi khäng khê áøm Âiãöu chènh cáúp nhiãût Âiãöu chènh âäü áøm ÂIÃÖU CHÈNH QUAÛT 04 Âáöu doì âäü áøm gäù M2 M3 M5M4 t BÄÜ ÂIÃÖU KHIÃØN Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hầm sấy - Bộ điều khiển thiết bị sấy Helios Bộ diều khiển tự động lò sấy gỗ H-Kiln có những kỹ thuật điện tử tiên tiến nhất để chạy xử lý gỗ. Do nó được thiết kế gọn nhẹ nên rất dễ dàng lắp đặt. 2.3. Xây dựng qui trình thực nghiệm sấy gỗ Gỗ được lựa chọn để sấy là các loại gỗ thông dụng như: gỗ keo, gỗ cao su, vv… Trong quá trình sấy thực nghiệm chúng tôi cũng tiến hành lấy số liệu ở các hầm sấy đối ứng của Xí nghiệp chế biến lâm sản Hòa Nhơn. 2.3.1. Chuẩn bị gỗ sấy Gỗ được chúng tôi chuẩn bị và được xẻ theo các kích thước chuẩn và xếp thành đống, các thanh kê có kích thước 25x25mm. Loại gỗ sấy là gỗ keo, gỗ bạch đàn và gỗ cao su. Mỗi lần sấy mỗi loại gỗ để so sánh. Kích thước của gỗ được lựa chọn đều đặn về chiều dài và chiều rộng và gỗ được xếp đầy các đống trong hầm. 2.3.2. Chuẩn bị qui trình sấy Chúng tôi tiến hành sấy theo hai qui trình chuẩn sau: - Qui trình sấy theo bộ điều khiển Hellios - Qui trình sấy theo chế độ sấy của một số tài liệu và đơn vị chế biến gỗ đang sử dụng. 2.3.3. Phương pháp lấy số liệu 1. Xác định độ ẩm gỗ - Đo độ ẩm gỗ: Chọn một số thanh chọn ngẩu nhiên sau đó lấy giá trị trung bình là độ ẩm ban đầu của gỗ đưa vào sấy. Các thanh gỗ có độ ẩm quá cao hoặc quá thấp sẽ loại ra. Các thanh này dùng để theo dõi độ ẩm trong suốt quá trình sấy. Độ ẩm gỗ được xác định nhờ bộ điều khiển Helios, máy đo độ ẩm và cân có độ chính xác cao để cân các thanh mẩu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 105 2. Xác định trạng thái không khí trong phòng - Nhiệt độ khô: Đo bằng bộ Helios, nhiệt kế thủy ngân - Nhiệt độ ướt: Nhiệt kế thủy ngân có bọc bông thấm nước - Độ ẩm cân bằng gỗ theo trạng thái không khí: bộ Helios - Tốc độ không khí qua đóng gỗ: Thông số này chỉ để tham khảo 3. Xác định thời gian sấy Sử dụng đồng hồ có báo chung. 4.Xác định thể tích gỗ Dùng thước dây, thước kẹp. 5.Xác định chất lượng gỗ Chất lượng gỗ sấy được đánh giá theo các tiêu chí sau: - Độ cong vênh, nứt nẻ dẫn đến không sử dụng vào các mặt hàng cùng loại đã định ra ban đầu. - Độ chai cứng, nhăn nhúm bề mặt gỗ gây khó khăn và hao hụt gỗ trong quá trình chế biến hàng mộc. - Sự đồng đều về độ ẩm trong đóng gỗ và trong từng thanh gỗ sấy. - Ít co giản và biến dạng trong quá trình sản xuất cũng như sử dụng sản phẩm sau này. 2.4. Kết quả thực nghiệm Sau khi tiến hành nhiều mẻ thí nghiệm với nhiều loại gỗ có qui cách khác nhau, chúng tôi đã tổng hợp kết quả nghiên cứu thí nghiệm theo các đồ thị quan hệ dưới đây. 2.4.1. Quan hệ w - τ 1. Đối với gỗ keo Kết quả xác định sự thay đổi độ ẩm của gỗ keo với các bề dày khác nhau, biểu thị trên hình 5. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 54 144 234 324 414 504 594 Thời gian sấy, giờ Độ ẩm, % Chiều dày đên 30mm Chiều dày 31-60mm Chiều dày trên 60mm Hình 5. Sự thay đổi độ ẩm theo thời gian W = f (τ) của gỗ keo Với các độ dày khác nhau: đến 30mm, từ 31-60mm và trên 60mm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 106 2. Đối với gỗ cao su Đối với gỗ cao su, chúng tôi cũng tiến hành sấy cho các loại độ dày tương tự như gỗ cao su: đến 30mm, từ 31-60mm và trên 60mm và tiến hành xác định độ ẩm của chúng theo thời gian. Kết quả biểu thị trên hình 6. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 18 72 126 180 234 288 342 396 450 Thời gian, giờ Độ ẩm, % Chiều dày đến 30mm Chiều dày từ 31-60mm Chiều dày trên 60mm Hình 6. Sự thay đổi độ ẩm theo thời gian W = f (τ) của gỗ cao su Với các độ dày khác nhau: đến 30mm, từ 31-60mm và trên 60mm 2.4.2. Quan hệ t theo thời gian t = f(τ) 1. Đối với gỗ keo Quan hệ giữa nhiệt độ nhiệt kế khô của tác nhân sấy với độ ẩm của gỗ keo trong suốt thời gian sấy được biểu thị trên hình 7. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 18 72 126 180 234 288 342 396 450 504 558 Thời gian sấy, giờ Nhiệt độ t, oC Chiều dày đến 30mm Chiều dày 31-60mm Chiều dày trên 60mm Hình 7. Quan hệ t = f (τ) của gỗ keo Với các độ dày khác nhau: đến 30mm, từ 31-60mm và trên 60mm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 107 2. Đối với cao su Quan hệ giữa nhiệt độ nhiệt kế khô của tác nhân sấy với độ ẩm của gỗ cao su trong suốt thời gian sấy được biểu thị trên hình 8. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 18 72 126 180 234 288 342 396 450 Thời gian, giờ Nhiệt độ, oC Chiều dày đên 30mm Chiều dày từ 31-60mm Chiều dày trên 60mm Hình 8. Quan hệ t = f (τ) của gỗ cao su Với các độ dày khác nhau: đến 30mm, từ 31-60mm và trên 60mm 2.4.3. Quan hệ t theo thời gian ∆t = f(τ) 1. Đối với gỗ keo Quan hệ giữa thế sấy ∆t = t – tư theo thời gian sấy của tác nhân sấy khi sấy gỗ keo được biểu diễn trên hình 9. 0 5 10 15 20 25 30 0 18 72 126 180 234 288 342 396 450 504 558 Thời gian sấy, giờ ∆t, oC Chiều dày đến 30mm Chiều dày từ 31-60mm Chiều dày trên 60mm Hình 9. Quan hệ ∆t = f (τ) của gỗ keo Với các độ dày khác nhau: đến 30mm, từ 31-60mm và trên 60mm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 108 2. Đối với gỗ cao su Quan hệ giữa thế sấy ∆t = t – tư theo thời gian sấy của tác nhân sấy khi sấy gỗ cao su được biểu diễn trên hình 10. 0 5 10 15 20 25 30 0 18 72 126 180 234 288 342 396 450 Thời gian sấy, giờ ∆t, oC Chiều dày đến 30mm Chiều dày từ 31-60mm Chiều dày trên 60mm Hình 10. Quan hệ ∆t = f (τ) của gỗ cao su Với các độ dày khác nhau: đến 30mm, từ 31-60mm và trên 60mm 3. Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu sau khi xử lý hiệu chỉnh và kết quả thực tế thu nhận được qua nhiều mẻ sấy của hầm sấy thực nghiệm và các hầm sấy đối ứng, chúng tôi rút ra những nhận xét như sau: 3.1. Phân tích chế độ sấy Nhìn vào các đường đặc tính biểu diễn quá trình sấy, chúng ta nhận thấy : - Giai đoạn thoát ẩm tự do (w > 30%), thế sấy (∆t) không được quá lớn. Mặc dù đây là giai đoạn ẩm thoát ra nhiều, có cường độ thoát ẩm lớn, nhưng thường xảy ra trường hợp chai cứng bề mặt gỗ cản trở sự thoát ẩm về sau, kéo dài thời gian sấy ; hoặc bề mặt gỗ bị nứt. - Giai đoạn gỗ có độ ẩm nằm trong khoảng độ ẩm bão hòa thớ gỗ (wbhtg=25÷30%), gỗ thường hay bị cong vênh, biến dạng. Vì vậy, ở giai đoạn này, người vận hành phải chú ý giảm thế sấy bằng cách tăng cường phun ẩm để điều hòa ẩm đồng đều trong thanh gỗ sấy. - Giai đoạn cuối thoát ẩm liên kết (w<20%), cần tăng dần thế sấy để thoát ẩm và rút ngắn thời gian sấy. - Ngoài ra, cần lưu ý trong quá trình sấy hạn chế thay đổi thông số TNS đột ngột, như : khi chuyển trạng thái chế độ sấy, mở cửa lớn hầm sấy, khi kết thúc mẻ sấy, vv... TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 109 3.2. Chất lượng gỗ sấy Chất lượng gỗ sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố : Loại gỗ, tuổi gỗ, cách xếp gỗ, sự đồng đều của các thanh gỗ khi đưa vào sấy, chế độ sấy, v,v... Trong các yếu tố này, thì chế độ sấy đóng 1 vai trò quan trọng. Tỉ lệ gỗ hư hỏng của các mẻ sấy có chế độ sấy hợp lý giảm đáng kể. Chẳng hạn so với các hầm sấy đối ứng, thì tỉ lệ hư hỏng của hầm sấy thực nghiệm giảm 2 ÷ 3%. 3.3. Thời gian sấy Thời gian sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong đó, loại gỗ, tuổi gỗ, độ ẩm ban đầu của gỗ và chiều dày của thanh gỗ có ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sấy. Khi thực nghiệm chúng tôi cố gắng đảm bảo các điều kiện khác (trừ chế độ sấy) càng giống với các hầm sấy đối ứng càng tốt. So với các hầm sấy đối ứng thì thời gian sấy của hầm sấy thực nghiệm giảm từ 12 ÷ 15% (nhưng vẫn đảm bảo chất lượng gỗ sấy và tỉ lệ hư hỏng nằm trong phạm vi cho phép). 3.4. Hệ thống kiểm soát và hiển thị Trong quá trình thực hiện sấy gỗ, hoạt động của các thiết bị kiểm soát và hiển thị độ ẩm của gỗ và thông số tác nhân sấy là hết sức quan trọng. Nhờ các thiết bị này, mà người vận hành có thể theo dõi và điều chỉnh quá trình sấy theo chế độ sấy đã chọn trước, đồng thời không để xảy ra các trường hợp hư hỏng gỗ quá mức cho phép. Nhờ các thiết bị này, mà có thể lưu giữ đầy đủ các số liệu của từng mẻ sấy, trên cơ sở đó sẽ đưa ra các chế độ sấy ngày càng tối ưu hơn. Vì vậy, khi thiết kế chế tạo và lắp đặt các hệ thống sấy gỗ cần phải chú ý đến các thiết bị này. 3.5. Người vận hành Trong quá trình sấy gỗ, nếu có hầm sấy chuẩn, có chế độ sấy gỗ tối ưu cho từng loại gỗ và chiều dày của nó, nhưng thiếu yếu tố người vận hành thì hiệu quả sấy gỗ cũng không cao. Điều đó chứng tỏ vai trò người vận hành hết sức quan trọng. Nó được thể hiện như sau: - Sự tinh thông, am hiểu về kỹ thuật sấy gỗ. - Tính thần trách nhiệm và ý thức của người vận hành đối với công việc. - Sự quan tâm của lãnh đạo về vật chất và tinh thần đối với người vận hành sấy gỗ. 3.6. Một số hạn chế của hầm sấy gỗ thực nghiệm - Tổn thất nhiệt và sự thoát ẩm qua kết cấu bao che còn lớn. Trong khi cải tạo hầm sấy, chúng tôi đã lưu ý đến những vấn đề này, nhưng vẫn chưa khắc phục được triệt để. Vì vậy, khi muốn đưa trạng thái tác nhân sấy trong giai đoạn hấp gỗ đạt trạng thái bão hòa là rất khó. - Độ ẩm của gỗ được xác định bởi bộ Helios, tuy nhiên khi độ ẩm của gỗ bé (cuối quá trình sấy) thì tín hiệu từ các đầu cảm biến đo độ ẩm gỗ hay bị lỗi. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 110 Mặc dù hầm sấy gỗ có những hạn chế trên, song các kết quả mà chúng tôi đo đạc trong quá trình thực nghiệm là đáng tin cậy. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Xuân Các, Giáo trình sấy gỗ, Nhà xuất bản Nông nghiệp 1976. [2] Hoàng Văn Chước, Kỹ thuật sấy, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2004. [3] Phan Hiếu Hiền, Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu, Nhà xuất bản nông nghiệp 2002.