Сушка древесины

Сушкой называется процесс удаления из материала влаги путем ее испарения.

После распиловки сырого круглого леса пиломатериалы содержат значительное количество влаги. Так, хвойные пиломатериалы имеют влажность 30-120%, при этом меньшее значение относится к материалам, выпиленным из ядровой части, а большее - к материалам из заболонной части пиловочных бревен. Такая влажность называется начальной влажностью древесины.

При использовании древесины требуется снижение ее влажности до соответствующей назначению данного материала. Такая влажность называется конечной влажностью древесины. Конечная влажность деталей и изделий из древесины, находящихся внутри отапливаемых помещений, должна составлять 6-10%, деталей пассажирских вагонов, окон и дверей 10-15%, стройматериалов, деталей товарных вагонов 18-20%.

Сушка древесины имеет большое экономическое значение. Применение непросушенных пиломатериалов в строительстве вызывает поражение их различными дереворазрушающими грибами, что значительно сокращает срок службы древесины и приводит к ремонту зданий. Сушка древесины улучшает ее качество, придает древесине новые ценные свойства. Кроме повышения стойкости древесины против грибов, сушка повышает прочность деталей и изделий, придает стабильность по размерам и форме, уменьшает на 30-40% ее вес. Снижение веса уменьшает расходы на погрузочно-разгрузочные работы и транспортирование древесины на все увеличивающиеся расстояния. Сушка на месте производства пиломатериалов на лесопильных предприятиях стоит дешевле, чем на месте потребления вследствие наличия более дешевого топлива - неиспользуемых отходов - и лучшей механизации работ в крупных сушильных хозяйствах на подобных предприятиях.

Влага, находящаяся в древесине, состоит из двух частей: одна часть внутри клеток, она носит название свободной влаги; другая часть внутри стенок клеток, она называется связанной, или гигроскопической. Состояние, при котором вся свободная влага удалена из древесины, называется точкой насыщения волокна. Эта влажность имеет значение в среднем 30%. До тех пор, пока влажность не достигла точки насыщения волокна, усушки древесины и, следовательно, изменения ее объема не наблюдается. Но как только влажность становится меньше 30%, начинается усушка и изменение объема материала древесины.

Интенсивность испарения влаги с поверхности значительно больше интенсивности ее перемещения внутри древесины, почему поверхностные слои высыхают быстрее, чем внутренние. Создается разность, или перепад, влажности между внутренними и наружными слоями, в результате чего влага движется от более влажных слоев древесины к более сухим и испаряется с поверхности. На этом свойстве древесины перемещать влагу под действием перепада влажности, называемом влагопроводностью, основана воздушная и камерная сушка.

До влажности 15-20% древесину можно высушить на открытом воздухе. Такую сушку называют атмосферной (естественной). Атмосферная сушка продолжается длительное время и требует больших складов. Пиломатериалы с влажностью менее 15% можно получить только путем искусственной сушки в газовой и жидкостной средах или при помощи токов высокой частоты.

Основная часть пиломатериалов всех назначений сушится в газовой среде в специальных изолированных помещениях - камерах, почему этот вид сушки получил наименование камерной. Газовой средой, или агентом сушки, являются нагретый воздух, либо горячие дымовые газы. Воздух нагревается в сушилках посредством прохождения его через нагревательные приборы, калориферы. Подавляющая часть пиломатериалов сушится в камерных сушилках при помощи нагретого воздуха; применительно к этим условиям в дальнейшем и будут рассматриваться все вопросы камерной сушки.

При камерной и при атмосферной сушке основными факторами являются температура воздуха, его влажность и циркуляция. В наиболее благоприятных условиях находится камерная сушка. Здесь можно регулировать все три фактора и производить сушку при сравнительно высокой температуре, доводя ее до 100° С и более. При атмосферной сушке невозможно регулировать ни один фактор и некоторое влияние можно оказать лишь на циркуляцию воздуха; температура воздуха при этом сравнительно низкая. Отсюда очевидно, что сушка древесины в камерах происходит в несравненно более короткие сроки и с получением лучшего качества. Кроме того, камерная сушка может быть хорошо вписана в современный механизированный или автоматизированный производственно-технологический процесс лесопильного производства, являясь одним из частей поточной линии этого процесса.

Для атмосферной и камерной сушки пиломатериалы укладываются в сравнительно большие штабеля таким образом, чтобы теплый воздух омывал либо только пласти, либо пласти и кромки пиломатериалов. Для этого каждый горизонтальный ряд досок отделяется от другого прокладками, а для второго случая доски в горизонтальном ряду укладываются с интервалами (шпациями).

Влажность древесины в процессе сушки определяется по весу испаренной влаги или специальными приборами - электровлагомерами. При определении влажности древесины по весу испаренной влаги устанавливают вес образца древесины в данном состоянии Рвл и конечный постоянный вес его в так называемом абсолютно сухом состоянии Р_сух, а затем относят разницу весов к Р_сух. Таким образом, влажность древесины, выраженная в процентах, будет

W = (P_влажн - P_сух) / P_сух * 100

Влажность древесины и изделий из нее не остается постоянной и зависит от состояния окружающего воздуха (температуры и влажности). Такая влажность древесины называется равновесной. При повышении влажности воздуха равновесная влажность повышается и, наоборот, повышение температуры воздуха вызывает уменьшение равновесной влажности. Свойство древесины изменять влажность под влиянием изменения состояния окружающего воздуха называется гигроскопичностью. Это свойство используется при сушке древесины. В отношении изделий гигроскопичность древесины является отрицательным свойством, так как с изменением ее влажности происходит усушка или разбухание древесины и деталей из нее. Скорость поглощения древесиной влаги из воздуха несколько уменьшается при покрытии древесных деталей красками, лаками, пленками.

Сушильные камеры могут быть периодического и непрерывного действия, с естественной и принудительной циркуляцией воздуха. В сушилках первого типа процесс сушки прерывается на период выгрузки и загрузки. В камерах непрерывного действия сушка не прерывается: с одного конца длинной камеры загружается сырой материал, с другого конца выгружаются высушенные пиломатериалы.

Принудительная циркуляция воздуха достигается при помощи вентиляторов. Понятно, что в этом случае можно получить любые скорости и любое направление движения воздуха, почему такие сушилки совершеннее и производительнее, чем камеры с естественной циркуляцией, которые считаются устаревшими.

Циркуляция воздуха со скоростью не менее 1,2 м/сек называется скоростной. Для равномерности просыхания пиломатериалов в штабеле применяется периодическое изменение направления воздуха на противоположное; такое движение воздуха называется реверсивным. Движение воздуха при принудительной циркуляции осуществляют чаще всего в горизонтальном направлении, что позволяет укладывать пиломатериалы без интервалов в горизонтальных рядах; это в свою очередь увеличивает емкость камеры и облегчает механизацию укладки и разгрузки материалов.

Температура воздуха в камере определяется по термометру, а влажность - по психрометру и специальным психрометрическим таблицам; при этом пользуются показателем относительной влажности воздуха.

Психрометром называется прибор, состоящий из двух термометров, один из которых измеряет температуру окружающего воздуха и носит условное название сухого термометра. У второго термометра ртутный шарик обтянут мокрой марлей, опущенной одним концом в сосуд с водой. Этот термометр называется мокрым, и температуру он показывает всегда ниже, чем сухой, вследствие испарения влаги с поверхности мокрой марли. Разность между показаниями сухого и мокрого термометров называется психрометрической разностью. По ее значению и по температуре сухого термометра, пользуясь специальными психрометрическими таблицами, определяют относительную влажность воздуха. Как известно, относительная влажность воздуха представляет отношение абсолютной влажности к влагоемкости воздуха при одной и той же температуре. Абсолютной влажностью воздуха называется вес водяных паров в одном кубическом метре воздуха в данном его состоянии. Влагоемкость представляет собой то максимальное количество влаги, которое может поглотить 1 м3 воздуха при данной температуре.

Камерная сушка проводится при определенном чередовании во времени температуры и влажности воздуха, называемом режимом сушки. Режимы сушки зависят от многих факторов, основными из которых являются толщина, порода, назначение пиломатериалов. Как правило, в начальный период камерной сушки поддерживается более низкая температура и повышенная влажность воздуха с постепенным переходом к концу сушки на повышенную температуру и пониженную влажность.

Различают жесткие и мягкие режимы сушки. Жестким считается такой режим, при котором обеспечивается более высокая интенсивность испарения влаги. Из двух режимов с одинаковой относительной влажностью воздуха, применяемых для одинакового по влажности материала, более жестким будет режим с повышенной температурой. При одинаковой температуре более жестким считается режим с пониженной относительной влажностью воздуха.

На мягких режимах сушатся твердолиственные породы: дуб, бук, а также хвойные экспортные материалы; в последнем случае решающую роль, играет необходимость сохранения естественного цвета древесины, исключение формоизменяемости и вытекания смолы из сучков.

Продолжительность сушки зависит от следующих основных факторов: породы древесины, толщины и ширины материалов, требуемого качества сушки, конструкции сушильных камер, начальной и конечной влажности материала, скорости циркуляции воздуха. Особенно большое влияние на продолжительность сушки оказывают порода и толщина материала. Так, сушка в камерах дубовых досок продолжается примерно в 5 раз дольше, чем сосновых при одинаковой их толщине и прочих равных условиях. Для одной и той же породы можно считать, что при толщине пиломатериалов 19-75 мм время сушки примерно прямо пропорционально их толщине.

Для сопоставления продолжительности сушки пиломатериалов установлена специальная учетная единица - условный материал. Условным материалом считаются сосновые обрезные доски толщиной 50 и шириной 150 мм с начальной влажностью 60 и конечной 12%. Этот материал применительно к требованиям повышенного качества (второй категории качества) в камерах с принудительной скоростной реверсивной циркуляцией воздуха должен просыхать в течение 5 суток. Фактический материал переводится в условный путем специальных расчетов, в которых основную роль оказывает фактическая продолжительность сушки, зависящая в основном от толщины материала. Так, обрезные доски толщиной 25 мм объемом 200 м3, высушенные в камере с принудительной циркуляцией воздуха в течение 2,5 суток, составят в условном материале 118 м3. Часть хвойных пиломатериалов, не нуждающихся в высоком качестве сушки, сушится в камерах с высокой скоростью движения воздуха и температурой до 120-125° С, что значительно сокращает сроки сушки по сравнению с обычными камерами. Такие камеры носят название высокотемпературных.

К основным технико-экономическим показателям камерной сушки относятся

• емкость и производительность камеры,
• скорость циркуляции воздуха,
• площадь сушильного цеха,
• расход пара или топлива,
• расход электроэнергии,
• стоимость постройки и оборудования,
• стоимость сушки.

Емкость камеры в условном материале камеры периодического действия с принудительной циркуляцией на 4 штабеля составляет примерно 60 м3; камеры непрерывного действия с размещением 10 штабелей поперек камеры - 147 м2. Соответственно годовая производительность также в условном материале составляет: камеры первого вида 5500 м3 и второго - 20 000 м3.

Скорость циркуляции воздуха в камерах со скоростной реверсивной циркуляции 1,2 м/сек; в скоростных высокотемпературных до 2,5-5 м/сек; в сушилках с естественной или слабой принудительной циркуляцией 0,1-0,3 м/сек.

Необходимая площадь сушильного цеха на 1 м3 годовой производительности в условном материале составляет непосредственно под камерами 0,03 м2/м3, вспомогательная площадь (погрузочно-разгрузочные площадки, вспомогательные помещения и сооружения) примерно 0,05 м2/м3, итого 0,08 м2/м3.

Расход пара составляет 400-700 кг/м3, расход электроэнергии на 1 м3 условного материала колеблется в пределах 7-17 квт-ч, а в скоростных камерах доходит до 22 квт-ч.