Физика сушки древесины
До того, как древесина начнет подвергаться последующей переработке, она обязательно должна быть высушена. В течение этого процесса древесина значительно уменьшается в размерах.
Благодаря сушке древесины неизбежное изменение в размерах появится до того, как древесина будет обработана. Таким образом, гарантируется неизменность размеров конечного продукта настолько, насколько это возможно.
Как известно, сушка включает такие процессы, как циркуляция воды через древесину, от сердцевины до поверхности, и удаление воды с поверхности древесины путем выпаривания.
Как правило, циркуляция занимает гораздо больше времени, чем испарение. Это означает, что скорость сушки древесины зависит от циркуляции.
Ситуация осложняется тем, что древесина усыхает во время сушки. Это обнаруживается, когда уровень влажности в древесине падает ниже так называемой точки насыщения волокон, что составляет около 30% влажности.
В любом случае независимо от метода сушки существует правило: для того, чтобы древесина была высушена правильно, необходимо удалить всю воду с ее поверхности. После этого влага, содержащаяся в сердцевине изделия, сможет свободно выходить на поверхность путем циркуляции.
В действительности, если количество воды, удаленной с поверхности, больше, чем могут выделить внутренние слои, поверхность высыхает быстрее и усыхает больше, чем эти слои. В результате создается напряжение между сердцевиной и поверхностью древесины, причем напряжение возрастает с увеличением разности во влажности между сердцевиной и поверхностью древесины. Как только эта разница превысит определенную границу, напряжение вызовет постоянные аномальные деформации в древесине, (Или даже хуже — трещины и разрушения клеток древесины.)
Для того, чтобы процесс сушки древесины протекал правильно, с поверхности древесины необходимо удалять всю влагу, которая поступает из сердцевины изделия при диффузии.
Осуществляя искусственную сушку древесины, необходимо решать три задачи. Это, во-первых, задача достижения качества сушки — оптимального уменьшения брака по причине деформаций или трещин. Это, во-вторых, производство сушки в течение настолько быстрого промежутка времени, насколько это возможно. Наконец, это сокращение потребления энергии.
Свободная вода находится внутри капилляров, а связанная — внутри стенок клетки древесины. С момента, когда свободная вода полностью удаляется из древесины, остается же только связанная вода, древесина начинает усыхать.
Технология предлагает столь мощные устройства удаления воды с поверхности древесины, что их приходится использовать не на полную мощность для того, чтобы достигнуть необходимого качества сушки.
Серьезную задачу представляет собой создание устройства, которое ускоряет движение воды из сердцевины древесины к ее поверхности, то есть повышает циркуляцию воды через древесину. Исследования в области сушки древесины доказали следующие фундаментальные законы, которые регулируют движение воды в древесине.
Первый закон: скорость циркуляции воды в значительной степени зависит от температуры сушки, связывает же эти показатели экспоненциальная зависимость (см. таблицу 1).
Второй закон: скорость циркуляции воды зависит от степени вакуума в сушильной камере (см. таблицу 2).
Таблица 1. Воздействие температуры
| Влажность древесины | Температура сушки | Коэффициент циркуляции | % | ОС | 10-5см/сек | 25 | 0,257 | 40 | 0,398 | 50 | 50 | 0,558 | 60 | 0,729 | 80 | 1,315 | ||||||||||
Таблица 2. Влияние давления воздуха
| Температура древесины | Давление | Коэффициент циркуляции | ОС | Мм Hg | 10-5см/сек | 760 | 0,38 | 480 | 0,41 | 40 | 240 | 0,60 | 120 | 0,83 | 62 | 1,315 | ||||||||||
Таблица 3. Температура испарения воды
| Давление | Температура испарения |
|
мм рт. ст. | ОС | 760 | 100 | 304 | 75,4 | 152 | 59,7 | 76 | 45,4 | 38 | 32,5 | 7,6 | 6,6 | |||
Третий закон: вода движется из мест, имеющих высокую температуру, к местам с низкой температурой. Таким образом, для облегчения движения воды из сердцевины древесины к ее поверхности, температура в сердцевине должна быть выше, чем температура поверхности.
Четвертый закон: влага в древесине движется из более насыщенных влагой зон к более обезвоженным участкам.
Кроме того, всегда рекомендуется принимать во внимание следующий важный закон физики, хоть он и не имеет отношения к циркуляции воды: температура испарения (кипения) воды зависит от давления, что показано в таблице 3 (пятый закон).
Известно, что вода кипит при температуре 100°С при атмосферном давлении. Температура кипения может быть понижена путем уменьшения давления (то есть путем создания вакуума).
Пластичность древесины
К сожалению, качество высушенной древесины зависит не только от правильного использования вышеупомянутых законов. Дело в том, что древесине, как известно, присуще наличие сучьев, а форма древесных волокон часто бывает спиралеобразной. Кроме того, разнообразные внешние нагрузки, в том числе ветровые, способствуют возникновению в древесине внутренних напряжений.
Это вызывает серьезные дефекты пиломатериалов независимо от используемого метода сушки, например, коробление, искривление, загибание.
Исследования и практика показали, что число таких дефектов может быть значительно сокращено путем использования относительно простого метода, каковым является прессование хорошо уложенного штабеля древесины. Когда древесина сушится, давление пресса на штабель равномерно.
Некоторые исследователи рекомендуют использовать давление 500 кг/м2 для сосны толщиной 25 мм и 1000 кг/м2 для сосны толщиной 50 мм.
Выпрямление досок не является чудом: это возможно благодаря пластичности древесины. Известно, что пиломатериал может быть изогнут последовательным выполнением следующих операций: древесина нагревается до температуры более 80°С, размягчается, далее ее помещают в специальную форму, где она изгибается, после чего материал высушивается, оставаясь в форме, до получения конечной влажности 8-10%. Так изготавливают и гнутую мебель, и килевые доски деревянных судов.
Из вышесказанного следует, что в случае, если форма, используемая для прессования древесины, является плоской, то в конце процесса сушки пиломатериал, подвергнутый такому воздействию, будет идеально плоским.
Вакуумная сушильная камера
Сушильная камера в форме параллелепипеда имеет крышку, которая снимается для загрузки и разгрузки древесины. Она состоит из подвижного резинового листа, закрепленного на раме (рис. 1).(Рис. 1. 1 — камера; 2 — резиновая мембрана; 3 — рамка; 4 — резиновый уплотнитель; 5 — древесина; 6 — нагревательные пластины; 7 — резиновые трубки; 8 — водяная помпа; 9 — электронагреватель; 10 — термоизоляция; 11 — вакуумная помпа.)
Она сконструирована таким образом, чтобы при закрытой крышке камера создавала идеальный вакуум.
Древесина загружается вручную внутрь камеры, причем каждый ее слой перекладывается алюминиевыми нагревательными пластинами, по которым циркулирует горячая вода.
Каждая нагревательная пластина соединена двумя подвижными резиновыми шлангами (которые позволяют ею манипулировать) с контуром нагревания воды, который размещается вне камеры. Контур состоит из электрического резистивного бойлера и водяной помпы. Очевидно, что сушильная камера может быть подсоединена к любому типу внешнего бойлера.
Вакуум в камере создается специальной вакуумной помпой. Описанное оборудование является прессовым во всех смыслах. Когда внутри камеры создается вакуум, крышка, представляющая собой резиновый лист, оседает под воздействием атмосферного давления и прижимает штабель древесины и пластины к днищу камеры, создавая давление, равное
10 т/м2. Полностью автоматизированная процедура сушки разбивается на три последовательных этапа: предварительный прогрев древесины, собственно сушка и охлаждение древесины.
Во время прогрева, который происходит при атмосферном давлении, древесина нагревается за счет контакта с нагревательными пластинами до установленной температуры, значение которой зависит от типа древесины, ее толщины и первоначальной влажности.
В любом случае такая температура должна быть выше, чем температура кипения воды в вакууме, который создается внутри камеры во время следующего этапа.
Когда древесина достигает вышеупомянутой температуры, начинается непосредственно этап сушки.
Вакуумная помпа включается и, высасывая воздух из камеры, создает в камере вакуум, таким образом возникает давление 10 т/м2, в то время как древесина продолжает нагреваться вследствие контакта с нагревательными пластинами.
Под воздействием вакуума и температуры влага изнутри древесины поднимается к поверхности древесины, производя тем самым самоувлажнение поверхности (что поддерживает поры в открытом состоянии).
По достижении поверхности вода в соответствии с пятым законом немедленно превращается в пар. Часть пара отсасывается вакуумной помпой, а другая часть конденсируется на стенках сушилки и собирается на дне, откуда удаляется при помощи специального автоматического устройства.
Когда влажность древесины достигает нужной величины (информация об этом поступает на пульт управления), сушилка начинает операцию по охлаждению, во время которой нагревание прекращается, в то время как древесина продолжает подвергаться воздействию вакуума и соответственно давления, а температура падает до 35-40° С.
Каковы физические законы, используемые для ускорения перемещения воды из сердцевины древесины к ее поверхности?
Закон о температуре используется при выборе максимально приемлемой температуры в зависимости от типа древесины и толщины высушиваемого материала. Закон о вакууме используется при постоянном воздействии вакуума на древесину. Закон о разнице температур сердцевины и поверхности в данном случае не используется, потому что древесина подвергается одновременно подогреву путем контакта с нагревательными пластинами и воздействию вакуума. Поэтому температура сердцевины в лучшем случае равна температуре поверхности.
Сушильный пресс, используемый для выпрямления древесины
Когда внутри камеры создается вакуум, деформируемая резиновая мембрана, образующая крышку камеры, прижимается атмосферным давлением к верхней части штабеля из древесины и нагревательных пластин.
Таким образом, штабель сжимается между полом камеры (который представляет собой плоскую и негнущуюся поверхность) и резиновым полотнищем. При этом создается давление, близкое к атмосферному.
В течение всего процесса сушки древесина сжимается между нагревательными пластинами.
При этом древесина непременно подвергается пластификации с момента достижения ею температуры выше 80°С, сдавливается, что придает ей совершенно плоскую форму, и высушивается до 8-12%.
Очевидно, что в результате сушки получается не только высушенная, но также и очень ровная древесина, которая в любом случае не будет более деформироваться, так как зафиксирована в плоской форме.
Разновидности сушки, расход энергии и проблема смолы
Первая особенность вакуумной сушильной камеры (и одновременно самая важная): огромное увеличение скорости сушки по сравнению с ее предшественницами — традиционными цилиндрическими вакуумными сушильными камерами. (В старом типе сушильных камер, хотя древесина и загружается слоями, перемежающимися с нагревательными пластинами, она не подвергается давлению.)
Это увеличение скорости в основном происходит за счет того, что процесс обмена теплом между пластиной и древесиной улучшен во много раз, ведь древесина сжимается между пластинами. Система давления может освободить большее количество тепловой энергии за единицу времени и соответственно выпарить большее количество воды. Очевидно, что снижение потребления энергии по сравнению с предыдущей системой зависит от скорости сушки. Действительно, при равных физических условиях, таких, как температура пластин и глубина вакуума, подача количества тепла в единицу времени двух систем равна, и, следовательно, чем меньше время сушки, тем ниже затраты энергии.
Важным аспектом процесса вакуумной сушки древесины является проблема смолы, содержащейся в хвойных породах древесины.
Производители дверей и окон прекрасно осведомлены о том, что применение рам, сделанных из пихты или других хвойных пород древесины, очень часто ставит подрядчиков и заказчиков перед серьезной проблемой. Дело в том, что смола имеет тенденцию выделяться из древесины и, к сожалению, это происходит уже после того, как рамы установлены у заказчиков. Кроме всего прочего, вакуумный метод сушки древесины имеет огромное преимущество по сравнению с другими методами. Состоит оно в том, что при этом смола кристаллизуется.
Вспомним, что древесная смола состоит в основном из двух компонент — скипидарного масла и канифоли.
Скипидарное масло — это вещество, которое улетучивается в вакууме при температуре около 90°С, а составляющая, которая остается после этого (смола), кристаллизуется уже при комнатной температуре. На практике во время вакуумной сушки происходит следующее явление: смола, которая превращается под действием температуры в жидкость, благодаря вакуумному эффекту высасывается на поверхность доски, где, опять же под воздействием вакуума, скипидарное масло испаряется, оставляя смолу в древесине.
Очевидно, что древесина, высушенная таким способом, имеет огромное количество преимуществ, которые обнаруживаются сразу же при работе с ней.
На деле смола (в кристаллической форме) не будет оказывать препятствия инструментам или прилипать к наждачной бумаге, что, в свою очередь, облегчит процесс обработки древесины и улучшит ее шлифовку и покраску. Затем, когда произведенный продукт установлен, смола не выделяется, что позволяет избежать ненужных и дорогостоящих претензий со стороны покупателя готового изделия.
Сушка без постоянных вакуумных пластин при помощи перегретого пара
Наряду с развитием пресс-вакуумной сушки недавно был изобретен другой способ сушки — в вакууме при помощи перегретого пара.
Появление этого метода помогает решить две основные проблемы, связанные с вакуумной сушкой. Это, во-первых, загрузка древесины, во-вторых — количество древесины, которое может быть загружено в сушильную камеру.
Именно потому, что для сжимания древесины в пресс-вакуумной сушилке используются специальные пластины, пользователь вынужден выполнять трудную процедуру по загрузке и разгрузке вручную. Вдобавок, опять же из-за пластин, максимальный объем древесины, которая может быть обработана за одну загрузку, не превышает 10 м3.
Таким образом, специалисты должны были создать сушильную камеру, которая использовала бы принцип вакуума, при этом отвечая следующим требованиям: представляла бы возможность загрузки при помощи вилочного погрузчика, как и в традиционную камеру, пакетов стандартных размеров (1,2х1,2х6 м), а также возможность полной загрузки минимальным объемом не менее половины грузового автомобиля.
Проблема загрузки была решена при создании вакуумных сушилок, чья камера, как и в случае с традиционными сушилками, имеет форму параллелепипеда.
В ней удобнее размещать один или более пакетов, имеющих аналогичную форму.
На практике такая форме позволяет уменьшить внешние размеры по сравнению с цилиндрической формой такого же объема, упростить транспортировку автомобильным и морским транспортом (так как сушильную камеру теперь можно перевозить внутри контейнеров), использовать и, таким образом, оптимизировать продольно-поперечную систему вентилирования.
Модельный ряд сушилок, использующих перегретый пар, довольно обширен и может быть разделен на две части — кубическая серия, состоящая из 5 моделей с возможностью загрузки от 5 до 18 м3, квадратная серия, которая также состоит из 5 моделей с объемом загрузки от 25 до 100 м3.
Основное различие между двумя сериями — в объеме загрузки. При взгляде на поперечные сечения двух серий сушильных камер сразу видно, что модели кубической серии позволяют загружать один пакет сечением 1,2х1,2 м (с полезной длиной загрузки от 5 до 12 м), а модели квадратной серии — два, четыре или шесть пакетов (с полезной длиной до 12 м).
В целом агрегаты обоих семейств представляют собой стальные нержавеющие сушильные камеры прямоугольного поперечного сечения, имеющие днище и дверь, состоящую из двух полуцилиндров, нагревательную систему, состоящую из двух водо-воздушных теплообменников со связанными друг с другом вентиляторами, расположенными в днище и в двери сушильной камеры, систему вакуумных насосов, состоящую из одного или более вакуумных насосов с замкнутым масляным кольцом Siemens, систему загрузки древесины, которая включает одну (или более) тележку, а также внутренние и внешние рельсы. Кроме того, агрегат оснащен электронным пультом управления, позволяющим контролировать процесс сушки.
Процедура сушки состоит из трех последовательных операций — предварительного нагрева древесины при нормальном атмосферном давлении, собственно сушки и кондиционирования. Во время предварительного нагрева вентиляторы гоняют нагретый теплообменниками воздух сквозь пакеты древесины до тех пор, пока середина древесины не достигнет требуемой температуры. На этом этапе начинается процесс сушки: активируется система вакуумных насосов, и в камере создается вакуум. Из физики известно, что между влажностью древесины и двумя параметрами сушки существует однозначная зависимость. Эти два параметра — температура пара внутри камеры и величина вакуума. Следовательно, автоматизация сушки заключается в контроле двух означенных параметров в соответствии с таблицами, которые указывают тип древесины, ее толщину и текущую влажность.
Когда влажность древесины достигает необходимой отметки, машина автоматически переходит к следующей операции — кондиционированию. Во время этой операции восстанавливается нормальное атмосферное давление, нагрев прекращается, и работают только вентиляторы. Они прогоняют воздух сквозь пакеты, чтобы выровнять влажность между разными досками при общем охлаждении всей древесины. Спустя некоторое время пульт управления полностью отключает все функции и ожидает, пока сушильная камера будет разгружена.
Опирается ли этот метод сушки на вышеупомянутые законы физики? Первый из них в данном случае используется, потому что возможно выбрать наиболее подходящую температуру сушки для каждого типа древесины. Второй закон используется, потому что сушка происходит в вакууме при циркуляции перегретого пара сквозь пакеты древесины при низкой температуре. Используется и третий закон, потому что сначала сердцевина древесины нагревается до необходимой температуры благодаря операции предварительного нагрева (до температуры более высокой, чем температура кипения в вакууме, созданном внутри камеры). Затем, во время операции сушки, когда внутри камеры создается вакуум (и соответственно начинается процесс сушки), вода с поверхности древесины начинает испаряться, тем самым охлаждая поверхность древесины. Температура поверхности стремится к значению температуры кипения воды в вакууме, созданном внутри камеры. Таким образом, температура сердцевины, безусловно, выше, чем температура поверхности. Этот факт используется для удаления воды из сердцевины древесины (которая имеет высокую температуру) по направлению к поверхности (которая имеет более низкую температуру). Так как вакуумная сушильная камера на перегретом пару использует все законы физики для оптимизации циркуляции воды в древесине, очевидно, что это наиболее современный и экономически удобный метод сушки.
В заключение — кратко еще раз о преимуществах данной системы. Это, во-первых, качественная, во-вторых, очень быстрая сушка (в 3-7 раз быстрее по сравнению с традиционными сушильными камерами). Это снижение затрат тепло- и электроэнергии — возможность установки системы возврата тепловой энергии, позволяет экономить до 50% тепла. Размеры загрузки для стандартных пакетов объемом до половины загрузки грузового автомобиля (2,4х4х
12 м). Загрузка древесины осуществляется при помощи вилочного погрузчика. Есть возможность кондиционирования древесины в любое время. Легка транспортировка сушильной камеры (на автомобильном транспорте и/или в контейнерах), очень легка эксплуатация (срок гарантии от ржавчины составляет 5 лет). Кроме того, налицо значительная экономия места для складирования древесины.
