Сушка древесины. Технологии сушки. ← Все статьи

Сушка древесины. Технологии сушки.

Влажность древесины

         Влажность - одна из основных характеристик древесины. При неравномерном распределении влаги при сушке древесины в ней могут образовываться внутренние напряжения, то есть напряжения, возникающие без участия внешних сил. Внутренние напряжения могут являться причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины.

         Свойства древесины напрямую определяют свойства деревянных изделий. При избыточной или недостаточной влажности древесина обычно впитывает или отдает влагу, соответственно увеличиваясь или уменьшаясь в объеме. При высокой влажности древесина может разбухать, а при недостатке влаги она, как правило, усыхает, поэтому все деревянные изделия, например, напольные покрытия и мебель требуют тщательного ухода. При резком изменении температурно-влажностного режима в древесине возникают внутренние напряжения, которые могут приводить к трещинам и деформациям, поэтому на всех стадиях производства и эксплуатации необходимо контролировать влажность деревянных изделий.

        Свежеспиленное дерево имеет естественную влажность. Но это не значит, что влажность всей древесины примерно одинакова.

         Совсем не одинаковую влажность будет иметь сосна, росшая на сухом месте и елка, спиленная в болоте. Влажность может быть и еще выше, например, когда при сплавлении по реке дерево набрало в себя влаги столько, сколько смогло. Если изготовить из такой древесины доски, не просушив её предварительно, то доски, конечно, получатся, но со временем они обязательно рассохнутся и покоробятся. В результате придется отрывать прибитую к стене обшивочные доски - перебирать обшивку. И даже если для обивки использовать вагонку с европрофилем, все равно в обшивке появятся щели, которые будут тем больше, чем больше ширина используемой вагонки. Правда самих щелей будет меньше. (Чем шире вагонка, тем меньше щелей, но сами они больше. И наоборот - чем уже, тем меньше щели, но больше их количество.) И это если обшивать сырым материалом по сухому. Если и материал основы сырой, и обшивочный сырой, то последствия будут еще хуже и печальнее. Это просто один из вариантов выбрасывания денег "на ветер".

         Дерево при усушке теряет от 5 до 7% своих размеров по ширине и толщине, и всего до 1% по длине. Это значит, что если в этом году Вы сложили сруб высотой 3 метра, то через год его высота вполне может оказаться на 10, а то и 20 сантиметров меньше. А вот по длине и ширине он останется практически таким же, каким и был. Именно по этой причине большинство строительных фирм предлагает своим клиентам в первый год сложить дом из бруса и только в следующем году производить его отделку. Чтобы всего этого не происходило, необходимо древесину предварительно просушивать.
         Именно поэтому ГОСТОМ определяется и влажность используемой древесины. Так для внутренней обшивки должна применяться древесина с влажностью до 15%, для наружной - до 20%. Влажность половой доски так же не должна превышать 15% влажности.

        Так что же такое влажность???

        Влажность древесины бывает абсолютной и относительной:

        Абсолютной влажностью древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины.

        Относительная влажность древесины - это отношение массы влаги, содержащейся в древесине, к массе древесины во влажном состоянии.

         Различают две формы воды, находящейся в древесине: связанную и свободную. Из них складывается общее количество влаги в древесине. Связанная (или гигроскопичная) влага содержится в клеточных стенках древесины, а свободная занимает полости клеток и межклеточное пространство. Свободная вода удаляется легче, чем связанная, и в меньшей степени влияет на деформацию и растрескивание древесины.

        По степени влажности древесину различают на следующие виды:
                  - Мокрая древесина. Ее влажность составляет более 100%. Это возможно только при условии, что древесина долгое время находилась в воде.
                  - Свежесрубленная. Ее влажность составляет от 50 до 100%.
                  - Воздушно-сухая (транспортная). Такая древесина обычно долгое время хранится на воздухе. Ее влажность может составлять 15-20%, в зависимости от климатических условий и времени года.
                  - Комнатно-сухая древесина. Ее влажность обычно равна 8-10%.
                  - Абсолютно сухая. Ее влажность равна 0%.

                   При продолжительной сушке вода из древесины испаряется, что может повлечь за собой значительные деформации материала. Процесс потери влаги продолжается до тех пор, пока уровень влаги в древесине не достигнет определенного предела, который напрямую зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. Аналогичный процесс происходит при сорбции, то есть поглощении влаги. Уменьшение линейных объемов древесины при удалении из нее связанной влаги называется усушкой. Удаление свободной влаги усушки не вызывает.

                 Усушка неодинакова по разным направлениям. В среднем полная линейная усушка в тангенциальном направлении составляет 6-10%, а в радиальном - 3.5%.

                 При полной усушке (то есть такой, при которой вся связанная влага удалена) влажность древесины снижается до предела гигроскопичности, то есть до 0%.

                 Абсолютно сухую древесину можно получить только в лабораторных условиях, высушивая её в сушильном шкафу. При сушке древесины в первую очередь высыхают её поверхностные слои, внутренние слои могут очень длительное время удерживать влагу. На это следует обращать внимание при градуировке влагомеров. Для правильного определения влажности древесины сушильно-весовым методом её рекомендуется предварительно расщепить на мелкие куски и только затем её высушивать.

.

Атмосферная (естественная) сушка

         Древесину для атмосферной сушки укладывают в штабеля, а агентом сушки является воздух. Температура, влажность и скорость движения воздуха в процессе атмосферной сушки имеют такое же значение, как и при камерной. Однако при атмосферной сушке состояние воздуха почти не поддается управлению, так как зависит от климатических условий данной местности, времени года и погоды. В течение суток параметры воздуха также изменяются: днем воздух нагревается и становится суше, а ночью охлаждается и увлажняется. Состояние воздуха в штабеле, кроме того, зависит от плотности укладки материала. Чем плотнее уложены пиломатериалы, тем ниже температура воздуха в штабелей выше его относительная влажность. Поэтому соответствующим пространственным размещением древесины в штабеле можно в некоторой степени влиять на интенсивность ее просыхания. 

        Преимущества атмосферной сушки древесины.

      Это самый древний и самый простой способ сушки древесины. Она производится на открытом воздухе под навесом. Атмосферная сушка позволяет снизить влажность древесины до 18-22%. Продолжительность сушки зависит от температуры и влажности воздуха, времени года, породы и сечения материала, начальной и конечной его влажности, способа укладки.   

- простота организации и проведения процесса сушки,

- отсутствие затрат теплоты на подогрев воздуха и материала.

- остаточные напряжения при атмосферной сушке значительно меньше, чем при камерной.

         Кроме того, за счет сочетания природных условий с правильным выбором места для склада и рациональным его использованием, регулировки плотности укладки материала, защиты торцов досок от растрескивания можно добиться вполне удовлетворительных результатов.

        Недостатки атмосферной сушки древесины.

- малая интенсивность и, следовательно, большая длительность процесса.

- для размещения древесины, проходящей атмосферную сушку, требуются большие площади складов.

- при атмосферной сушке, так же как и при камерной, доски могут растрескиваться и коробиться.

       Атмосферная сушка древесины находит применение на лесопильно-дерёвообрабатывающих предприятиях, особенно при сезонной отгрузке пиломатериалов. Правила атмосферной сушки пиломатериалов хвойных пород регламентируются ГОСТ 3808.1-80, твердых лиственных пород — ГОСТ 7319-80.

        Устройство штабелей и способы укладки пиломатериалов хвойных пород.

        На складах атмосферной сушки для хвойных пиломатериалов применяют два способа укладки штабелей: штучный и пакетный. Штабеля, уложенные этими способами, называются соответственно рядовыми и пакетными.

        При штучном способе доски укладывают в штабель рядами на прокладках. Если в качестве прокладок используют эти же доски, которые укладывают в штабель для сушки, то такой рядовой штабель называется круглым; если в качестве прокладок используют специально подготовленные сухие рейки, то штабель называется реечным. В круглые штабеля укладывают пиломатериалы шириной до 150 мм всех сортов и шириной более 150 мм — 4-го сорта.

Пакетные штабеля составляют из заранее подготовленных пакетов.

       Штабель формируют на подштабельном основании, которое обеспечивает устойчивость штабеля и отвод отработавшего воздуха. Высота подштабельных оснований (от уровня земли до нижнего ряда досок) 500 мм, в районах с большим количеством осадков 750 мм.

        Подштабельные основания состоят из деревянных или бетонных опор и укладываемых на них прогонов. Расположение опор в подштабельном основании зависит от способа укладки штабеля и применяемых механизмов.

      В один штабель помещают одинаковые по породам и размерам пиломатериалы. Правильная укладка досок в штабель обеспечивает хорошую циркуляцию воздуха как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях. Концы досок не должны провисать и коробиться. Торцы их защищают от растрескивания и прямого попадания солнечных лучей.

     Пиломатериалы укладывают в рядовой штабель горизонтальными рядами. Ряды досок отделяют прокладками, благодаря чему обеспечивается горизонтальная циркуляция воздуха. Прокладки изготовляют из сухой хвойной древесины сечением 25 X х 40 мм.

        Камерная (искусственная) сушка.

       Она является наиболее распространенным способом сушки древесины. Источником теплоты для сушки в камерах может быть пар, поступающий из парового котла, или топочные газы, получаемые от сжигания топлива в специальных топках. Пар, обогревающий камеру, подается в систему металлических труб, так называемые калориферы. По типу среды, высушивающей материал, сушильные камеры делят на паровоздушные и газовые.
         С помощью нагревательного прибора повышается температура воздуха в камере.

       Для подачи тепла непосредственно к высушиваемому материалу используется естественное или принудительное движение пара (газа), называемое циркуляцией. 

       По способу циркуляции различают камеры с естественной циркуляцией, где движение пара через штабель происходит за счет разных удельных весов более и менее нагретых частиц воздуха, и камеры с принудительной циркуляцией, где движение пара происходит с помощью вентиляторов.

 Нагретый воздух, подгоняемый вентилятором или путем естественной циркуляции, отдает тепло влажной древесине и одновременно забирает из высушиваемого сортимента исходящую в виде пара влагу. Если воздух в камере слишком сухой или относительная влажность слишком низкая, то процесс сушки будет протекать слишком быстро и может вызвать повреждения древесины, например образование трещин. С помощью разбрызгивающего оборудования можно установить желаемую относительную влажность воздуха в камере.

         Воздух в зависимости от температуры может принять только определенное количество водяного пара. При сушке температура не меняется. Для поддержания процесса сушки необходим постоянный приток свежего воздуха, так называемого сухого воздуха, через приточный клапан в сушильную камеру. В это время воздух, обогащенный водяными парами, так называемый влажный воздух, через вытяжной клапан отводится наружу. Конвекционная сушка по этой причине также обозначается как приточно-вытяжная сушка. Конвекция в данном случае значит подведение и удаление.

         В зависимости от режима работы различают сушильные камеры периодического и непрерывного действия.

        В камерах периодического действия загрузка сырого и выгрузка сухого материала происходят с одного конца камеры.

        В камерах непрерывного действия сырой материал загружается на одном конце камеры (сыром), а сухой — выгружается на другом (сухом). Температура и влажность сушильного агента в камере изменяются от сырого конца к сухому: температура повышается, а относительная влажность уменьшается.

       Сушки для пиломатериалов бывают разных размеров:

маленькие сушки для обьема древесины примерно от 0,5 до 6,0 м3,
средние сушки для объема древесины примерно от 10 до 40 м3,
сушки для большого объема древесины примерно от 100 до 200 м3.

       В зависимости от температуры воздуха сушки разделяют на низкотемпературные, нормальные и высокотемпературные.

       Низкотемпературная сушка: древесина высушивается при температуре ниже 45°С. Процесс сушки длится медленнее, древесина высушивается бережнее и без напряжений (так называемая мягкая сушка). Этот метод применяется для толстой, трудно поддающейся сушке и склонной к изменению цвета древесины. Значение конечной влажности составляет примерно 20%, то есть речь идет о предварительном подсушивании.

        Сушка при нормальной температуре: температура воздуха в сушильной камере лежит в интервале от 45 до 90°С. Этот диапазон температур подходит для древесины хвойных пород и для легко сохнущих лиственных пород. Начальная влажность не ограничена. Этим методом древесину можно высушивать до достижения конечного значения влажности.

       Высокотемпературная сушка: температура воздуха в сушильной камере лежит в интервале от 100 до 130°С. При такой быстрой и резкой сушке существует опасность возникновения повреждений древесины, например образования трещин усушки, изменения цвета и т.д. Этот метод применяется для древесины хвойных пород. Многие лиственные породы, например дуб и бук, могут высушиваться при высоких температурах начиная с уровня влажности древесины менее 30%.

        При высокотемпературной сушке различают сушку горячим воздухом и горячим паром. При сушке горячим воздухом используют горячий сухой воздух (паровоздушную смесь), сушка является резкой. При сушке горячим паром применяют перегретый водяной пар без примешивания воздуха. Такое высушивание является более мягким.

Камерная сушка состоит из следующих основных этапов:

- подготовки сушильной камеры;
- подготовки материала;
- сушки материала;
- выгрузки и выдержки в остывочном помещении;
- контроля влажности материала.

Преимуществами камерной сушки являются

- возможность высушивания материала до необходимой влажности (ниже 18-20%;

- осуществление постоянного контроля и возможность регулирования процесса сушки (причем для каждой породы можно подбирать наивыгоднейший режим), экономия времени для подготовки древесины к обработке и сокращение производственных площадей;

- срок сушки значительно короче атмосферной сушки; для хранения лесоматериалов требуются меньшие площади;

- можно защищать материалы от заражения гнилью и синевой в процессе сушки. Горячий и влажный воздух (с температурой 60° и выше) уничтожает споры и гифы грибов, а также личинки жуков-точильщиков.

К недостаткам камерной сушки следует отнести:

- необходимость значительных затрат на оборудование сушилок и большой расход тепла на нагревание воздуха.

 Вакуумная сушка древесины 

        В 1964 году доктором Паньоцци была разработана технология вакуумной сушки древесины, которая позволяла использовать более жесткие режимы сушки, при этом экономя пространство и электроэнергию. Нет сомнения в том, что деревообработчики заинтересовались подобной технологией и начали ее испробовать на практике.

         Вакуумные сушильные камеры – это не особо распространённый тип сушильных камер. Технология сушки предполагает, что для ускорения процесса создаётся вакуум, таким образом, появляется необходимая для сушки древесины энергия. Вакуумная сушильная камера многофункциональна и универсальна, в ней можно сушить пиломатериал по любой категории качества и быстрее, чем в других сушильных камерах.

        Кроме того, в вакуумных сушильных камерах можно сушить круглые бревна без образования наружных и внутренних трещин, можно изменять цвет древесины, пропитывать пиломатериал химическими составами, придавать пиломатериалу любую криволинейную форму и закреплять ее без нарушения структуры дерева. Технология сушки древесины в вакуумных сушильных камерах объединяет принципы сушки всех классических сушильных камер и современные технологии.

         Вакуумная сушка древесины, происходит в сушильных камерах с предварительным извлечением воздуха (созданием вакуума). В процессе сушки древесины под действием градиентов влажности, температуры и давления происходит равномерное движение свободной и связанной влаги от центра к поверхности. Мягкие температурные режимы - от 45°C до 62°С - и разрежение воздуха способствуют равномерному изменению тепло-влажностных характеристик древесины 

         Сухие верхние клетки древесины впитывают влагу от влажных, расположенных в сердцевине доски. Вакуумный метод обеспечивает равномерную сушку, в процессе которой устраняются внутренние напряжения, а значит, значительно снижается вероятность коробления или возникновения трещин.

Контактная сушка

         Ей подвергаются плоские материалы в форме листов, которые зажимаются между двумя нагретыми до температуры 150°С металлическими плитами. Основное преимущество состоит в том, что сушка протекает в течение нескольких минут. Таким способом высушивают тонкие древесные материалы - шпон, фанеру; при этом объемы материала, как правило, небольшие. Влажность – 10-12%. Недостатком такого способа является относительное потемнение древесины снаружи при чрезмерной выдержке.

Сушка древесины в жидкостях

         Она происходит, например, в петролатуме. (петролатум — густой, мазеобразный продукт переработки нефти соломенно-желтого цвета, с температурой плавления 56°С и температурой вспышки 250°С). Сырая древесина опускается в ванну с некоторым маслянистым веществом, которое нагревают до температуры 100°С. Пар, который образуется при кипении воды в древесине, имеет упругость больше атмосферного давления. Поэтому, преодолевая сопротивление масла, в котором находиться древесина, он будет стараться выйти на воздух.

         На этом физическом явлении основан способ сушки дерева емкостях с петролатумом. Очищенное высоковязкое масло и отходы от химической переработки нефти - смесь парафинов и церозиев, таков состав петролатума. При сушке дерева в петролатуме, температура которого 120°-130°, процесс осуществляется в 5-7 раз быстрее, чем в сушильных камерах. Однако, у этого способа есть один большой недостаток.

          Это проникновение петролатума в древесину. Это ведет к тому, что загрязненная петролатумом древесина плохо поддается механической обработке, ее сложно склеить и невозможно провести качественную отделку лаком. Из-за этого сушку в жидкостях применяют только в том случае, если не требуется дальнейшая механическая обработка дерева. Обычно такую сушку используют мелкие предприятия, выпускающие шпалы и детали для инженерных сооружений.

         Слой масла, который пропитывает дерево, иногда бывает очень полезен, ведь он защищает древесину от намокания.

Способ выпаривания

          Способ выпаривания или запаривания использовали на Руси еще с давних времен. Заготовки распиливают на части с учетом размера будущего изделия, закладывают в обыкновенный чугун, подсыпают опилки из такой же заготовки, заливают водой и ставят на несколько часов в протопленную и остывающую русскую печь “томиться” при t=60-70C. При этом происходит “выщелачивание” – выпаривание древесины; из заготовки выходят естественные соки, дерево окрашивается, приобретая теплый густо-шоколадный цвет, с ярко выраженным природным рисунком текстуры. Такая заготовка легче обрабатывается, а после окончания сушки меньше растрескивается и коробится.

Сушка в электрическом поле токов высокой частоты (ТВЧ)

          Высокая интенсивность отличает сушку в электрическом поле токов высокой частоты (ТВЧ).

          Сушка основана на нагревании древесины между двумя или несколькими металлическими пластинами, подключенными к источнику ТВЧ. Пластины и размещенная между ними древесина образуют конденсатор, в котором диэлектриком является древесина. Электрическое поле часто изменяет свой знак, в результате чего в пиломатериале возникают диэлектрические потери, дерево является плохим проводником электричества, вследствие чего древесина нагревается и из нее испаряется влага.

           В процессе TВЧ-сушки влага из древесины удаляется выпариванием. Если парообразование во влажном материале происходит при температуре влаги равной или выше 100 С, процесс сушки называют выпариванием, а при температуре ниже 100 С процесс называется испарением. TВЧ-сушка древесины происходит в среде перенасыщенного пара и древесина от начала и до конца находится в пропаренном состоянии. В камере образуется среда с ассоциированными молекулами. При сушке древесины различными способами в ней могут возникнуть трещины и покоробленности. Основной причиной их возникновения является то, что древесина сохнет в направлении от периферии к центру.

         При способе сушки ТВЧ материал прогревается очень быстро, и влага испаряется моментально. Из всех способов, которые применяются при сушке дерева - это самый дорогостоящий, учитывая современные отпускные цены на электричество. Так же для него требуется непростое оборудование и из-за этого его не применяют в промышленности.

Ротационная сушка

          Использование центробежной силы лежит в основе ротационной сушки. На карусель, установленную внутри отапливаемого помещения, укладывается штабель материалов, разделенный прокладками. Центробежная сила, направленная вдоль досок, создаваемая при вращении карусели, заставляет свободную влагу передвигаться из внутренней части древесины к ее торцам и наружным поверхностям. Загруженный пиломатериал просыхает в сроки более короткие, чем при сушке в камере.

         Происходит это потому, что при вращении создается активное направленное движение горячего воздуха внутри штабеля досок. Мощность привода вентилятора значительно больше мощности привода карусели, у которой она совершенно незначительна. Громоздкая конструкция и неудобная блокировка не дает применять карусельные камеры в промышленности.

Радиационная сушка

         Радиационная сушка основана на подаче тепла к древесине от очень сильно нагретого тела прямым лучеиспусканием. Электрические лампы или плиты (они могут быть чугунные или керамические) нагреваются до красного каления, именно они служат источниками тепла. Создается поток инфракрасных лучей, которые создает лучистая теплота. Так как он распространяется прямолинейно, то задерживается различными экранами и телами, встречающимися на пути потока.

        Лучистая теплота может высушить только те части предметов, которые непосредственно облучаются со стороны источника тепла. Лучистая теплота с легкостью проникает в дерево на глубину 10-12 мм, это доказано исследованиями советских ученых. Можно сделать вывод, что прогревая доски хвойных пород толщиной 20-25 мм с обеих сторон, их можно высушить в течение короткого времени.

       Камерная сушка древесины в десятки раз медленнее. Но при этом доски должны сушиться в свободном, а не в зажатом состоянии, что приводит к их обязательному короблению. Именно это служит основным препятствием применения радиационной сушки древесины.

Сушка в камерах ПАП

       Рассмотрим сушку в камерах ПАП. Проведено множество опытов по сушке древесины в бескалориферных, рециркуляционных камерах из металла, оборудованных аэродинамическим подогревом типа ПАП. Ротор центробежного вентилятора с лопатками специального профиля используется в качестве генератора тепла и одновременно он перемещает воздух в этих камерах. Ротор, вращаясь, создает в замкнутом контуре поток воздуха, большая часть механической энергии, используемой в вентиляторе, становиться тепловой. При этом воздух нагревается до высоких температур. Изменением мощности воздушного потока можно регулировать температуру нагревания.

        Высокая скорость циркуляции приводит к тому, что горячий воздух нагревает древесину, которая сушится чисто конвективным путем. Для осуществления любых режимов сушки в камерах ПАП необходимо в отдельные периоды процесса сушки подавать увлажняющий пар низкого давления (до 0,5 ати), это доказано опытным путем. В камерах ПАП нет сложного оборудования, эксплуатация их несложная. Основной недостаток этих камер – высокий расход электричества.