Основы сушки древесины

Оглавление:

1. Процент влажности древесины.

2. Примеры причин сушки древесины.

3. Измерение влажности древесины.
   

4. Факторы влияющие на результат измерения влажности с помощью игольчатого измерителя.
   

5. Основные физические свойства древесины которые нужно знать и иметь в виду при рассмотрении и использовании древесины.

6. Основы сушки древесины .

7. Мощность сушки древесины (сила сушки древесины).

8. Методы измерения влажности среды.

9. Возможности управления процессом сушки древесины.

10. Объёмы воздуха в сушильной камере

11. Типы сушильных камер.

1. Процент влажности древесины.

Процент влажности древесины рассчитывается исходя из веса сухого вещества древесины:

Процент влажности = М_вода / М_{древесина} × 100%

где М_вода масса воды в древесине и М_{древесина} масса сухой древесины.

Таким образом вычисленный процент влажности древесины может быть также больше чем 100%, это значит, что в древесине воды по весу больше чем сухого вещества.

2. Примеры причин сушки древесины.

В процессе сушки изменяются свойства древесины:

• улучшается сохранность материала;
• улучшаются свойства прочности;
• расширяются возможности соединения, увеличивается прочность соединений;
• упрощается использование материала;
• улучшается изоляционная способность;
• появляется возможность использовать химикаты;
• минимальное изменение размеров и формы готовой продукции;
• улучшается и расширяется возможность использования поверхности.

Древесина высушивается и естественным путём, если её поместить под навес и на солнышко с ветерком, через некоторое время вы получите транспортную влажность. Или поместить в мебельных цех, и держать там очень долго, и древесина рано или поздно достигнет мебельной влажности. Понятно, что для достижения каких-либо объёмов производства такой метод сушки древесины нас не устраивает и становится необходимостью искусственная сушка древесины. Которая также включает в себя термообработку - различные микроорганизмы и грибы погибают в процессе искусственной сушки в сушильных камерах(например гриб, являющийся причиной посинения сосны, погибает при температуре 39°C ).

3. Измерение влажности древесины.

Единственной возможностью точно измерить влажность древесины является сушка пробных кусков материала в печи до тех пор, пока их вес перестанет уменьшаться. Различные методики измерения веса можно найти в справочниках, в принципе удовлетворительного результата можно достичь и в домашних условиях, подогревая материал в духовке и используя достаточно точные весы (±1 г).

Удобнее и быстрее оценить влажность древесины можно с помощью специальных измерителей влажности. В настоящее время распространены два прибора с разными принципами действия:

• игольчатые измерители в которых в древесину втыкаются два расположенных друг от друга на определённом расстоянии игольчатых электрода и измеряется электронапряжение между ними;
• измерители, где пластинка датчика, генерирующего электромагнитное поле, устанавливается вплотную к поверхности древесины и регистрируются все изменения, влияющие на магнитное поле.

Приборы, основанные на этих двух принципах, дают случайные результаты, причинами которых являются различные внешние влияния, что указывает на необходимость проведения нескольких измерений, выявления и отстранения нелогичных результатов и на основании средних из оставшихся результатов дать оценку влажности материала со стороны измерителя.

Факторы влияющие на результат измерения влажности с помощью игольчатого измерителя:

• температура измеряемого материала (при увеличении температуры на 5°С измеритель показывает примерно 0,5% более высокую содержимость влажности, наиболее точный результат измерения можно получить при температуре материала +20°С);
• температура окружающей среды;
• древесная порода, место и скорость роста (в сухой или болотистой местности, в северных или южных градусах широты, на поляне или в лесу);
• действительная плотность древесины;
• случайные смоляные гнёзда в месте измерения, дефекты материала;
• случайная влажность на поверхности материала;
• градиент влажности в конце процесса сушки (до уравнивания материал около поверхности суше чем в сердцевине, например при выходе из сушилки влажность поверхностного слоя 50 мм доски, высушенной до 8% влажности, примерно 6,5% и в сердцевине примерно 11,5%);
• взаимодействие всех вышеупомянутых факторов.

Показатели влажности пиломатериала

• сердцевина растущего дерева примерно 35%;
• поверхностные слои растущего дерева 70 - 250%;
• средняя влажность свежей древесины, вывезенной с помощью автотранспорта примерно 80%;
• сплавленные брёвна (и пиломатериал из них) до 120%;
• естественно сушащийся под навесом материал в штабелях в летних условиях до 15 - 25% (транспортная сушка).

4. Основные физические свойства древесины которые нужно знать и иметь в виду при рассмотрении и использовании древесины.

• Древесина является гигроскопическим веществом, это означает, что влажность древесины (также во внутренних слоях) уравновешивается в соответствии с окружающей средой.
• Находящаяся в древесине вода делится на два типа:
  • свободная вода между клетками (это та часть влажности, что превышает 24 - 30%);
  • связанная вода в клетках.
• В процессе сушки объём древесины уменьшается и в первую очередь за счёт испарения связанной воды (воды в клетках):
  • в направлении длины 0,1 - 0,3%;
  • в радиальном направлении 3 - 6%;
  • в тангенсальном направлении 6 - 15%.
• Изменения габаритов являются причиной различных напряжений в материале:
  • напряжения давления (главным образом во внутренних слоях материала) - внутренние трещины
  • разрушения клеток
  • напряжения растяжения (главным образом на поверхности материала) - трещины поверхности
  • твёрдость поверхности
  • наличие суков уменьшает напряжения.

5. Основы сушки древесины.

Для испарения воды из древесины (т.е. для процесса сушения древесины) нужна энергия:

(1 кДж = 0,239 ккал, 1 кВтч = 860 ккал, 1 кВтч = 1,36 лош.сил)

Тепло является необходимым главным образом для испарения воды, поэтому необходимое количество тепла зависит в первую очередь от количества испаряющейся воды, т.е. от начальной и конечной влажности сушимого материала. В зависимости от предприятия количество тепла, необходимое для сушки, может отличаться несколько раз (например большая лесопильня, где свежевыпиленные доски сразу идут на сушение, или фирма строгающая доски, которая сушит 3 - 4 недели пиломатериал, находившийся до этого на складах и площадках).

Три основных фактора ("сомножителей"), влияющих на результат сушки в сушильной камере:

• штабелировка, предварительная сортировка материала, однородность материала;
• движение воздуха;
• среда сушки древесины(определена программой сушки древесины).

Можно сказать, что конечный результат сушки подчиняется математическим расчетам, т.е. если один из сомножителей имеет нулевое значение, то и результат имеет нулевое значение. В действительности же нулевого результата не существует, так как сушка древесины не является таким “чёрно-белым” процессом. Древесина сохнет всегда, если окружающая среда это позволяет, вопрос заключается только в том , насколько однородно, быстро и до какой конечной влажности это происходит.

Для того чтобы получить наилучший результат сушки древесины необходимо:

• Правильно штабелировать материал (материал в пачке штабеля прямой)
  • колышки в одном ряду снизу вверх;
  • основание пачек и промежуточные доски в одном ряду с колышками;
  • достаточное количество дров в основании;
  • не слишком плотное расположение пачек в сушилке (сушильной камере)(для того чтобы воздух проходил между пачками и в горизонтальном направлении).
• Равномерное распределение воздуха между пачками штабелей (для этого используют воздушные заслонки).
• Достаточная скорость движения воздуха (достаточно мощные вентиляторы).
• Сушильная камера является максимально плотной по теплу и влажности (зависит от конструкции камеры и использованных материалов).
• Сушить материал одной породы и толщины.

6. Мощность сушки древесины в сушильной камере(сила сушки древесины в камере сушки).

Интенсивность сушки древесины можно охарактеризовать мощностью сушки, которая вычисляется:

Мощность сушки древесины = действительная влажность древесины / уравновешенная влажность среды

Мощность сушки древесины показывает:

• если 1 (= 1.0) - равновесие - сушения не происходит
• если меньше 1 (< 1.0) - влажность среды выше - древесина становится более влажной
• если больше 1 (> 1.0) - древесина сохнет

Используемые мощности для сушки древесины в сушильных камерах :

• для досок до 7 - 8
• для 50 мм материала до 2,5
• для 70 мм материала 1,5 - 2
• в начальной стадии процесса сушки древесины больше (при испарении свободной воды между клетками), в конце цикла сушки меньше.

7. Методы измерения влажности среды.

При управлении процессом сушки в сушильных камерах древесины используются в основном три техники измерения влажности среды:

7.1. Психометрическое измерение - в сушильной камере находится два термометра - сухой и мокрый (термометр или датчик на который установлен влажный тканевый материал, находящийся одним концом в сосуде с водой). Результат находят по таблице (в компьютере) по разнице показаний. Это исторически самый старый и дающий точный результат метод измерения. Недостатком является постоянная необходимость контроля влажного тканевого материала, также погрешность, возникающая при изменении влажностных свойств тканевого материала (например тканевый материал запылится и высохнет) и изменении скорости движения воздуха около датчиков, которую трудно заметить при небольших отклонениях.

7.2. Измерение влажности равновесия - в сушильную камеру устанавливается тонкая деревянная пластинка (целлюлозная пластинка) и измеряется, аналогично с измерением влажности поверхности при помощи игольчатого датчика, её электронапряжение. Так как пластинка тонкая, то она быстро высыхает до влажности равновесия среды, и тогда по таблице влажности равновесия находятся параметры среды. Также можно данную влажность равновесия использовать сразу для назначения мощности сушки, не имея данных о параметрах среды. Это самый дешёвый и, с точки зрения управления, простой способ измерения, но в то же время самый неточный из всех используемых и с наибольшей вероятностью погрешности, так как на этот способ влияют те же самые случайные показатели, что и при измерении влажности древесины с помощью игольчатого датчика.

7.3. Датчики прямого измерения относительной влажности - между двумя полупроводниковыми пластинками ( примерно 5х5 мм) помещается полимерное гигроскопическое вещество толщиной примерно 1 мм, которое изменяется в зависимости от влажности окружающей среды. Регистрируется изменение электроёмкости, которое произошло из-за изменения расстояния между полупроводниковыми пластинками, и процессор пересчитывает его в показатель относительной влажности. Это самые новые и дорогие датчики, также требующие меньшего ухода. При поломке показывают нелогичный результат, который легко обнаружить на любом этапе процесса сушки.

8. Возможности управления процессом сушки.

В современных сушильных камерах для управления процессом (параметрами среды) используются две основные схемы, комбинируя которые между собой и опираясь в основном на одну из них можно получить и третью смешанную схему.

8.1 Схема повтора процесса - означает, что имея опыт как древесина сохнет в конкретных сушильных камерах и данных условиях среды, находят конкретную, наиболее подходящую, программу сушки (изменение параметров среды функцией от времени). Для этого при запуске новой сушильной камеры проводятся пробные сушки и “шлифуются” так называемые типовые программы. В дальнейшем повторяют уже каждый раз знакомый процесс сушки. Этот метод даёт точный результат сушки, но правильные исходные параметры сушимого материала (начальная влажность и т.д.) должен установить обслуживающий персонал сам. Особенно высоки требования к достоверности показаний используемых датчиков - повтор процесса невозможен, если датчики врут. Повтор процесса должны позволять также конструкция сушильной камеры (плотность тепла и влажности), тепловые мощности (для того чтобы и зимой можно было реализовать процесс, хорошо работающий летом), и оставшиеся устройства. Для измерения влажности среды в камере используются психометрические датчики или датчики прямого измерения относительной влажности.

8.2. Схема управления мощностью сушки - означает, что в процессе задан график силы сушки функцией времени в зависимости от времени. Используется несколько датчиков измерения влажности равновесия (2 - 6 шт) и игольчатых датчиков (4 - 10 шт) для измерения действительной влажности в одной сушильной камере. Преимуществом является автоматический расчёт начальной влажности сушимого материала, недостатком - меньший контроль за ходом процесса, так как используемая техника датчиков (лучше ещё не изобрели) не всегда точна и иногда может дать случайные результаты. Эту схему используют в основном крупнейшие производители сушильных камер: Incomac, Eiselmann, Hildebrand, Nardi и другие.

8.3. Смешанная схема также используется вышеупомянутыми фирмами, т.е. опираясь на одну из описанных выше схем, используются на каких-то этапах сушки элементы другой схемы. Например можно регулировать продолжительность заключительного этапа при помощи датчиков влажности древесины, устанавливаемых в материал

9. Объёмы воздуха в сушильной камере.

Воздух выполняет в сушильной камере две задачи:

• приносит необходимую для сушки материала теплоэнергию;
• уносит с поверхности материала испаряющуюся влажность.

Необходимое количество воздуха зависит от конкретного этапа сушки в сушильной камере и от материала, который сушат. Зная минимально допустимое время сушки в сушильной камере(чтобы у древесины было время высохнуть без возникновения брака) можно физически рассчитать необходимое количество воздуха для выполнения двух упомянутых выше задач на конкретном этапе сушки. Практически, чем быстрее сушат, тем больше нужно воздуха. Во время начального этапа сушки количество испаряющейся воды больше - количество воздуха больше. Так как для движения воздуха используется самый дорогой вид энергии - электроэнергия, то для экономного использования желательно во время цикла сушки изменять скорость движения воздуха. В настоящее время это проще произвести, используя преобразователь частоты для управления скоростью вращения вентиляторов. В программе сушки получим ещё один график: скорость вращения вентиляторов функцией от времени.

10. Типы сушильных камер.

Сушка древесины, как ранее было объяснено, основывается на законах физики. В принципе не имеет значения как вводится в материал необходимая энергия и удаляется испаряющаяся вода. Чем быстрее поступает энергия, тем быстрее сохнет материал. Также нужно учитывать физические свойства древесины, чтобы не испортить материал. В реальной жизни используются следующие типы сушильных камер:

В конвективных сушильных камерах необходимая энергия транспортируется в материал при помощи круговорота воздуха и теплопередача материалу происходит путём конвекции. Конвективных сушильные камеры бывают в основном двух типов:

• Туннельные сушильные камеры (канальные сушильные камеры) - глубокие сушильные камеры, где пачки штабелей проталкиваются постоянно дальше из мокрого конца камеры в более сухой. Данные сушильные камеры обязательно заполняются с одного (мокрого) конца и опустошаются с другого конца. Проталкивание пачек штабелей (заполнение камер и опустошение) происходит по одному штабелю одновременно с промежутком обычно в 4 - 12 часов. Эти сушильные камеры типичны для больших лесопилен (более 100 000 м³ готового пиломатериала в год) и позволяют производить только транспортную сушку материала.
• Камерные сушильные камеры короче чем туннельные, во всей камере во время процесса сушки поддерживаются одинаковые параметры среды в одни и те же моменты времени. При глубине продуваемости более 2 м для уравнивания условий сушки древесины используется реверсация направления вентиляции. Заполнение и опустошение сушильных камер может происходить с одной стороны, в таком случае сушильная камера имеет одну дверь. Используются также другие системы загрузки, которые могут быть похожи на загрузку туннельных камер. Всё же всегда меняется всё содержание сушильной камеры полностью одновременно. В принципе сушить можно всё до любых желаемых конечных влажностей. В настоящее время во всех камерах обязательно имеются автоматические системы управления влажностью, вентиляцией, отоплением. За последнее десятилетие построено больше всего камерных сушилок и сейчас нет ни одной большой лесопильни, где бы не было камерных сушилок. Для сушки одинакового количества материала теплоэнергии расходуется из-за различных потерь на 20% больше, чем в туннельных сушильных камерах.

В Европе и России 90% сушки всего материала происходит в конвективных камерных сушилках.

Следующий используемый тип сушильной камеры:

• Конденсационная сушильная камера, основным отличием которой от предыдущих является то, что влажность, возникающаяся в воздухе в процессе сушки конденсируют на специальных охладителях и из процесса сушки выходит вода. Энергетический коэффициент полезного действия процесса большой, но, так как приборы не позволяют больших температур, цикл длинный. Во время длинного цикла суммарные потери тепла больше. В процессе сушки нет возможности использовать другую, более дешёвую энергию, чем электроэнергия, так как энергия сушки подаётся в камеру большей частью с помощью компрессора охладительного агрегата. В основном конденсационная сушильная камера подходит для сушки небольших объёмов, или для сушки плотных пород древесины, таких как Дуб, Бук, Ясень и др. Большой плюс таких сушильных камер заключается в том, что не требуется котельной и себестоимость процесса сушки получается дешевле.

Менее распространёнными типами являются вакуумные сушильные камеры, где для ускорения процесса сушки (понижения температуры кипения воды) в камере сушилки создаётся вакуум до 0,5 бар, что даёт также процессу часть необходимой для сушки энергии. Также есть микроволновые сушильные камеры, основанные на принципе работы микроволновой печи, электромагнитные сушильные камеры. В последнее время произведены исследования с сушильными камерами горячего воздуха, где температуры сушки достигают 200°С. Все эти типы сушилок подходят для сушки небольших объёмов и у материала, высушенного таким образом, есть какие-нибудь особенные свойства, которые нужно учитывать при дальнейшем использовании материала. Некоторые особенные свойства могут быть также уникальны, например древесина, высушенная при высокой температуре, подходит для изготовления определённых музыкальных инструментов из-за её особенных свойств звучания.