Цели и задачи сушки

Сушкой древесины называется процесс удаления влаги из древесины путем испарения.
В результате этого процесса древесина из природного сырья превращается в промышленный материал, так как древесина только после достаточной просушки приобретает:

• биологическую стойкость против гниения;
• способность сохранять форму и размеры деталей в изделиях;
• максимальную механическую прочность при наименьшей плотности;
• хорошую обрабатываемость;
• минимальную теплопроводность, электропроводность;
• повышенную теплоту сгорания.
  

Задачей технологии сушки пиломатериалов является получение их прямоугольной формы в сухом виде с заданными потребителем качествами.

Состояние воды в древесине

В деревообрабатывающей практике влажность древесины определяется как отношение массы воды, содержащейся в дереве к массе абсолютно сухой древесины.

где W – влажность древесины; m_В – масса воды; m – масса влажной древесины; m₀ – масса абсолютно сухой древесины.

Сырье, используемое в деревообрабатывающей промышленности, получают в результате распиловки стволов деревьев различных пород. Древесина является природным полимером, состоящим из разнообразных растительных клеток преимущественно удлиненной формы (волокон).

Основными типами клеток хвойных пород являются трахеиды, лиственных пород — волокна либриформа и сосуды. Кроме того, в древесине имеются клетки сердцевинных лучей и в небольшом количестве клетки древесной паренхимы.

Полости клеток соединены между собой порами и образуют в древесине капиллярную систему, обладающую сравнительно хорошей проницаемостью для жидкостей и газов в направлении вдоль волокон и значительно меньшей - поперек волокон.

Клеточные стенки имеют сложную слоистую структуру, состоящую из групп цепных молекул целлюлозы, составляющих элементарную фибриллу. Элементарные фибриллы объединяются в более крупные образования - микрофибриллы, формирующие целлюлозный каркас, внутри которого размещаются гемицеллюлозы, лигнин и вода, находящаяся между элементарными фибриллами и микрофибриллами в виде непрерывных прослоек переменной (зависящей от влажности) толщины. Микрофибриллы, в свою очередь, образуют еще более крупные образования — макрофибриллы. Между макрофибриллами и внутри их имеются пространства, заполненные водой (а в сухой древесине частично воздухом). Они вместе с межмикрофибриллярными прослойками воды формируют в клеточных стенках свою капиллярную систему, более тонкую, чем система клеточных полостей.

Вода в древесине делится на свободную и связанную:

• свободная вода – так называется вода, заполняющая полости клеток и удерживаемая в них механически. Именно поэтому она первой удаляется из древесины. Это большая часть воды, содержащейся в древесине. Процесс удаления влаги протекает быстро и оказывает незначительное влияние на свойства древесины, требует невысоких температур и определенной осторожности.
• связанная вода – содержащаяся в стенках клеток, удерживаемая в основном физико-химическими связями. Изменение ее содержания существенно отражается на большинстве свойств древесины. Ее удаление значительно труднее и требует более высоких температур.

Максимальное количество связанной влаги называется влажностью предела насыщения древесины и составляет 30%.

По степени влажности различают древесину:

• сырую, W>100%, длительное время находившуюся в воде;
• свежесрубленную, W=50-100%, сохранившую влажность растущего дерева;
• воздушно-сухую, W=15-20%, выдержанную на открытом воздухе;
• комнатно-сухую, W=8-12%, долгое время находившуюся в отапливаемом помещении;
• абсолютно сухую, W=0, выдержанную в сушильном шкафе при температуре t=103±2°C.
  

Количественная оценка влажности осуществляется прямыми или косвенными методами.
Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины, например, высушиванием.

Метод высушивания является самым точным и к нему часто прибегают при проведении лабораторных испытаний. Однако он не очень удобен и редко используется на практике, так как требует много времени. Поэтому для определения влажности используются другие, хотя и менее точные методы, основанные на измерении показателей других физических свойств древесины, которые зависят от содержания воды в древесине. Наибольшее распространение получил кондуктометрический способ, измеряющий электропроводность древесины.

Кроме того, в сушильной практике различают следующие виды влажности:

• начальная влажность древесины — влажность, которую она имеет перед отправкой в сушильную камеру;
• конечная влажность древесины — влажность, которую мы хотим получить после полного цикла сушки.
  

Гигроскопичность и равновесная влажность

Древесина относится к гигроскопичным материалам, то есть ее влажность зависит от состояния окружающей среды. Если древесину длительное время выдерживать в воздухе неизменного состояния, то ее влажность будет стремиться к определенной величине, называемой устойчивой влажностью.

Древесина может достичь устойчивой влажности, поглощая водяные пары из воздуха (сорбция), либо выделяя их в воздух (десорбция). Водяные пары из воздуха могут поглощать только клеточные стенки. Появление свободной воды при этом невозможно, даже если воздух будет насыщен водяным паром. Процессы сорбции и десорбции не вполне обратимы. При одинаковом состоянии воздуха: устойчивая влажность при сорбции меньше, чем при десорбции. Разность между ними называется показателем гистерезиса сорбции. Его величина зависит в основном от размеров древесного образца. Древесные сортименты крупных сечений — бруски, доски, заготовки имеют показатель гистерезиса равный в среднем 2.5%. Для мелких древесных частиц (опилки, стружка) гистерезис незначителен (0.2-0.3%) и в практических расчетах его не учитывают.

Среднюю устойчивую влажность, практически одинаковую при сорбции и десорбции, называют равновесной влажностью. В практике равновесную влажность определяют по диаграмме или по таблицам.

Усушка и разбухание. Плотность древесины

Древесина принадлежит к материалам, размеры которых нестабильны и изменяются при изменении температуры и влажности.

Температурные деформации древесины сравнительно невелики. Влажностные деформации древесины значительно больше температурных. Именно поэтому, древесину можно нагревать с любой скоростью, при условии, неизменной или повышающейся влажности.
Усушка - процесс уменьшения линейных размеров или объема древесины при уменьшении влажности. Разбухание - процесс увеличения линейных размеров и объема древесины при увеличении влажности в древесине. Процессы усушки и разбухания взаимообратны и связаны с удалением или поглощением связанной влаги.

Исчисление усушки ведется в процентах по отношению к размеру или объему сортимента в сыром состоянии, а разбухания - по отношению к размеру или объему в абсолютно сухом состоянии.
Величина усушки зависит от структурного направления измеряемого линейного размера, диапазона изменения влажности и породы древесины. Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5-2 раза больше, чем в радиальном, а в вдоль волокон настолько ничтожна, что не принимается во внимание.

При прочих равных условиях усушка приблизительно пропорциональна изменению влажности древесины. Под полной усушкой, или максимальной усушкой Bmax понимают уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении всего количества связанной воды.
Усушка при снижении влажности древесины до заданной величины W определяется выражением:

У_W=k_У * (30-W),

где k_У — коэффициент усушки, характеризующий ее величину при изменении влажности клеточных стенок на 1%.

Коэффициенты усушки зависят от породы древесины, а в пределах одной породы - от базисной плотности. Это основной показатель плотности, который не зависит от влажности, широко используемый для оценки качества сырья в деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других случаях.

Полная линейная усушка древесины наиболее распространенных отечественных пород в тангенциальном направлении составляет 8-10%, в радиальном - 3-7%, а вдоль волокон - 0,1-0,3%. Полная объемная усушка находится в пределах 11-17%.

Разбухание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах и т.д.). Это свойство, обратное усушке, и подчиняется, в основном, тем же закономерностям. Так же, как и при усушке, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее - вдоль волокон.

Базисная плотность — это масса сухого древесинного вещества в единице объема сырой древесины. Базисная плотность () для различных пород дерева меняется от 130 кг/м³ до 1300 кг/м³.
Для практических целей древесные породы делят, в зависимости от плотности на несколько групп:

- мягкие породы < 450 кг/м³
- среднетвердые породы 450 < <600 кг/м³
- твердые породы 600< <750 кг/м³
- очень твердые породы > 750 кг/м³

Другой важной характеристикой древесины является ее действительная плотность, — полная масса материала (включая воду) в единице его объема при заданной влажности. Плотность зависит от породы и влажности, обычно определяется по таблице, формуле или диаграмме.

Плотность древесинного вещества, то есть плотность материала клеточных стенок всех пород равна 1,53 г/см³, поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины.

Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненные воздухом).

Основные сведения об агентах обработки

В процессе сушки древесину окружает газообразная или иная среда. Эта среда называется агентом сушки или сушильным агентом. Агентами сушки древесины может служить воздух или смесь его с топочными газами, водяной пар, различные органические жидкости.

Изучение процесса сушки древесины невозможно без знания свойств агентов сушки, особенно важнейшего из них - влажного воздуха, то есть воздуха, содержащего водяной пар.

В случае конвективной сушки, сушильный агент передает теплоту высушиваемой древесине и принимает испаренную из нее влагу.

Для технических расчетов имеют значение следующие основные параметры воздуха:

• температура - t — определяет степень нагрева воздуха;
• степень насыщенности или относительная влажность -  — определяет количество водяного пара, содержащегося в воздухе, в процентном содержании;
• влагосодержание - d — это масса влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха;
• теплосодержание (энтальпия) - I — это общее количество теплоты, приходящееся на 1 кг смеси воздуха и пара;
• приведенный удельный объем - V_ПР — объем влажного воздуха, приходящийся на 1 кг сухого воздуха;
• плотность - — это масса 1м³ смеси воздуха и пара.
  

Диаграмма состояния влажного воздуха

Рассмотренные выше параметры влажного воздуха могут быть надежно определены по аналитическим зависимостям или, что проще, но менее точно, по диаграмме влажного воздуха.

Впервые диаграмма, устанавливающая взаимосвязь между параметрами влажного воздуха, была разработана русским ученым, профессором Л.К. Рамзиным в 1918 г. Она получила название Id - диаграммы влажного воздуха, так как была построена в координатах "теплосодержание - влагосодержание".

Id - диаграмма достаточна проста и точна, служит важным пособием для расчета сушильных и иных устройств. Кроме того, Id - диаграмма позволяет наглядно изображать процессы изменения состояния воздуха. Наиболее характерные из этих процессов - нагревание или охлаждение воздуха в теплообменниках, испарение в воздухе влаги, смешение воздуха различных состояний.

Процессы нагревания и охлаждения агента сушки

Нагревание или охлаждение воздуха в теплообменном устройстве, осуществляемое соприкосновением воздуха с горячей или холодной сухой поверхностью, характеризуется постоянством влагосодержания.

Процесс нагревания и охлаждения

Изменение состояния воздуха с первоначальными параметрами а при его нагревании изображается на Id-диаграмме вертикальной прямой аб, параллельной линии d=const. При этом температура и теплосодержание воздуха возрастают, а степень насыщенности уменьшается.

Процесс охлаждения воздуха (прямая ав), наоборот, связан с понижением его температуры и повышением степени насыщенности. При достаточно большом охлаждении воздух может достигнуть состояния насыщения (точка г). Дальнейшее охлаждение его в этом состоянии (отрезок гд) будет сопровождаться конденсацией пара и уменьшением влагосодержания. Температуру, при которой воздух, охлаждаясь от соприкосновения с сухой поверхностью, достигает состояния насыщения, называют температурой точки росы.

Процесс испарения

Испарение влаги в воздух происходит тогда, когда он не насыщен паром и соприкасается с поверхностью воды или влажного тела. При испарении теплосодержание воздуха будет постоянным, так как тепло, затрачиваемое на испарение, останется в воздухе в виде скрытой теплоты парообразования. Изменение состояния воздуха при этом изобразится на Id-диаграмме прямой ае, параллельной линии I = const.

Процесс испарения

Температура воздуха в процессе испарения влаги понижается, а влагосодержание и степень насыщенности увеличиваются. При достаточной длительности процесса воздух может быть насыщен паром (точка е); тогда испарение прекратится. Температуру, при которой воздух, испаряя влагу, достигает состояния насыщения, называют температурой предела охлаждения при испарении или температурой мокрого термометра .

Температура предела охлаждения при атмосферном давлении, а, следовательно, и температура мокрого тела, окруженного со всех сторон воздухом, независимо от его температуры всегда ниже 100°С (при условии, конечно, если тело остается мокрым). Температуру же предела охлаждения, равную 100°С, имеет при атмосферном давлении чистый перегретый пар.

Температура предела охлаждения может быть непосредственно измерена смоченным термометром, то есть термометром, чувствительный элемент которого обернут смачиваемой водой марлей. Если рядом с таким термометром поставить обычный сухой термометр, получится прибор, называемый психрометром. По показаниям сухого и смоченного термометров психрометра легко по Id диаграмме определить все параметры воздуха. Для этого на диаграмме нужно выполнить следующее элементарное построение. Отыскиваем точку пересечения прямой t_М = const с кривой =1 (точка е). От этой точки проводим линию I=const до пересечения ее с t = t_С. Полученная точка а и будет характеризовать состояние воздуха.

Смешивание воздуха разных состояний

Процессы смешения воздуха различных состояний очень важны для сушильной техники. Предположим, что смешивается М₁ кг воздуха в состоянии I₁, d₁ и М₂ кг воздуха в состоянии I₂, d₂. Состояние смеси зависит от состояния ее компонентов и от отношения масс смешивающихся частей, которое принято называть коэффициентом пропорции смеси.
Выясним, как изображается процесс смешения на Id-диаграмме.

Смешивание воздуха разных состояний

Точка с, определяющая состояние смеси, независимо от коэффициента пропорции смеси лежит на прямой, которая соединяет на Id-диаграмме точки, показывающие состояния компонентов смеси. Причем, эта точка делит прямую на части, отношение которых равно коэффициенту пропорции смеси. При этом она лежит ближе к точке, характеризующей состояние преобладающего в смеси компонента. Рассматриваемая прямая может пересечь кривую =1, и точка состояния смеси окажется лежащей ниже этой кривой (точка с'). Это служит признаком конденсации части водяного пара в процессе смешения. Действительное состояние смеси (после осаждения конденсата) определится точкой с", расположенной на пересечении кривой =1 и прямой I = const, проходящей через точку с'.

Причины перемещения влаги в древесине

При неравномерном распределении влаги внутри древесины происходит ее движение в направлении пониженной влажности. Итак, влага будет перемещаться внутри материала, если будет перепад влажности по объему материала.

Движение влаги будет наблюдаться, если температура распределена неравномерно по сечению материала. Это движение будет проходить в сторону пониженной температуры. Таким образом, вторая причина движения влаги - перепад температуры по объему материала.

Если во внутренних слоях древесины имеется избыточное по сравнению с внешней средой давление, то под его воздействием влага в виде направленного потока пара движется в сторону более низкого давления. Следовательно, третья причина движения - перепад давления пара по объему древесины.

Скорость движения влаги под действием перепада влажности возрастает с повышением температуры и увеличением разности во влажности между наружными и внутренними слоями древесины.

Движение влаги под действием перепада температуры или давления ускоряется с увеличением разности температуры или давления (соответственно причинам движения) между внутренними и наружными слоями материала.
В деревообрабатывающей промышленности наибольшее применение имеет конвективная (газопаровая и атмосферная) сушка. Основной признак, характеризующий условия ее протекания,-температура среды. Принято разделять процессы сушки на низкотемпературные (t<100°С) и высокотемпературные (t >100°С), что обусловлено особенностями парообразования при разных уровнях температуры, а именно: испарение в первом и кипение во втором случаях.

Внутренние напряжения в древесине в процессе сушки

Процесс сушки древесины сопровождается неравномерным распределением влаги по толщине сортимента. Это вызывает неравномерную усушку древесины и приводит к образованию в ней внутренних напряжений.

Рассмотрим, как возникают и развиваются внутренние напряжения в древесине при ее сушке. Пока влажность наружных выше или равна влажности предела насыщения клеточных стенок (кривая 1), усушки нет, и напряжения в материале отсутствуют.

Кривые распределения влажности по
толщине в различные моменты сушки

После снижения влажности ниже 30% (кривая 2) поверхностные слои стремятся к усушке. Однако этому будут препятствовать внутренние слои, влажность которых еще пока выше 30%. Начавшуюся усушку можно выявить, если из высушиваемого сортимента выпилить по всему поперечному сечению пластинку (секцию) и распилить на ряд слоев по толщине.

Вид слоев секции, выпиленной в момент
времени, соответствующий кривой 2

Обнаружим, что внутренние слои сохранили первоначальный размер по ширине сортимента l₀, а поверхностные слои усохли на некоторую величину - У_П. Их размер теперь составляет l_Н. Целая, неразрезанная пластина имеет фактический размер l_Ф, меньший l₀ и больший l_Н. Так как размер поверхностных слоев стал меньше фактического, то эти слои испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои, размер которых стал больше фактического, испытывают напряжения сжатия.

Если бы древесина была упругим телом, то внутренние напряжения уменьшились бы по мере снижения перепада влажности и окончательно исчезли при выравнивании влажности в конце сушки. Однако в начальный период процесса влажная нагретая древесина обладает повышенной податливостью к нагрузкам. В результате под действием напряжений в ней развиваются остаточные деформации: деформации удлинения в поверхностных слоях (под действием растягивающих напряжений) и деформации укорочения во внутренних слоях (под действием сжимающих напряжений).

По мере снижения влажности древесина становиться менее податливой и в большей мере проявляет свойства упругого тела. Поэтому возникшие в начале процесса остаточные деформации сохраняются в материале до конца сушки.

В результате этого в конце процесса (кривая 4) усадка на поверхности Уп окажется меньше, чем усадка внутренних слоев Ув.

Вид слоев секции, выпиленной в момент
времени, соответствующий кривой 4

В древесине появятся сжимающие напряжения на поверхности и растягивающие напряжения во внутренних слоях материала. Таким образом, в процессе сушки: происходит смена напряжений. В этот момент, который наступает на некотором промежуточном этапе процесса (кривая 3) напряжения в древесине отсутствуют.

Вид слоев секции, выпиленной в момент
времени, соответствующий кривой 3

Возникающие в древесине напряжения уравновешиваются в пределах данного образца. Чтобы их обнаружить, надо нарушить это равновесие, разделив образец или секцию на части. Каждая часть будет стремиться к новому равновесному состоянию деформаций. В секции, разрезанной на тонкие слои, деформации проявляются в виде удлинения либо укорочения. Для установления характера внутренних напряжений из пиломатериалов выпиливают секции в виде двузубой гребенки. Деформации в этом случае будут проявляться изгибом зубцов этой гребенки.

Если внутренние напряжения в какой-либо точке сортимента достигнут предела прочности, то произойдет его разрушение, которое проявится в виде трещины в зоне действия растягивающих напряжений, то есть на первой стадии сушки - на поверхности, а на конечной стадии - внутри сортимента.

Избежать напряжений в древесине при конвективной сушке невозможно. Однако при правильном проведении процесса возникающие напряжения не превышают предела прочности. Кроме того, внутренние напряжения могут быть уменьшены и даже ликвидированы путем влаготеплообработки древесины.

Влаготеплообработка состоит в том, что древесину обрабатывают воздухом повышенной температуры с высокой степенью насыщения. Она обычно проводится по окончании процесса сушки или несколько раньше, в момент смены напряжений. Увлажнение поверхностных слоев при влаготеплообработке вызывает их разбухание и, как следствие этого, возникновение дополнительных сжимающих напряжений на поверхности. При повышенной податливости древесины (влажной и нагретой) в поверхностном слое развиваются остаточные деформации укорочения, которые компенсируют ранее появившиеся остаточные деформации удлинения. Тем самым устраняется причина напряжений, возникающих в древесине к концу сушки.

Основные принципы построения рациональных режимов сушки

Древесину необходимо сушить таким образом, чтобы были обеспечены минимальные сроки сушки и одновременно требуемое качество высушенного материала. Для этого в процессе сушки того или иного древесного материала по особому расписанию изменяют состояние сушильного агента (его температуру и степень насыщения) или, иными словами, ведут сушку по режиму. Следовательно, режимом сушки называется расписание состояния сушильного агента в процессе сушки.

При сушке пиломатериалов необходимо создать такие условия, при которых возникающие напряжения не превышали предела прочности. В начальной стадии процесса для этого требуется поддерживать малую величину перепада влажности толщине, что достигается применением сушильного агента с высокой степенью насыщения. По мере высыхания древесины степень насыщения целесообразно понижать, чтобы довести материал до заданной конечной влажности. Температуру среды к концу сушки следует повышать. При снижении влажности повышение температуры не вызовет снижения прочности, но же время существенно ускорит процесс.

Таким образом, пиломатериалы рационально сушить режимами, которые характеризуются понижающей степенью насыщенности и повышающей температурой в ходе сушки.

Установка для искусственной сушки древесины

Таким образом, для правильной сушки древесины необходимо постоянно приводить состояние сушильного агента в соответствии с влажностью древесины, что очень затруднено на открытой площадке.

Возможность изменять состояние сушильного агента по нашему желанию имеется только в пределах сушильных установок, позволяющих обрабатывать древесину с наиболее подходящими параметрами и получать готовый продукт высокого качества при наименьшем времени сушки.

Сушильные устройства, или сушилки в зависимости от применяемого способа и вида сушки делятся на множество видов. К конструкции сушилок и технологии сушки в них предъявляются достаточно серьезные требования, знания которых помогут производственнику при выборе сушильной установки и позволят избежать грубых ошибок при сушке древесины.

У нас есть все! И даже больше. Звоните и пишите нам.
Адрес:426060, г. Ижевск, ул. Зимняя. д. 2, Лит. " А"
Тел.: (3412) 47 - 35 - 02; Тел. моб. (912) 855 - 65 - 79
Факс: (3412) 42 - 20 - 51 E-mail: itzavod@mail.ru