Физические явления процесса сушки. Режимы сушки древесины

Сушка любого материала, в том числе древесины — очень сложный процесс, особенности протекания и закономерности которого обусловлены рядом физических явлений. Характер этих явлений различен при разных способах сушки. ГОСТ требует сушить всю древесину, но в реальности этого не происходит. А почему? Любой профессионал в строительстве знает, что нет смысла тратить деньги на дорогую сушку брусков, которые используется как стропила на крышу. Они не испортятся под воздействием сырости. Кроме того, любой другой брус, который в дальнейшем идет на строительство домов или стенных панелей, высушить целиком практически невозможно. Для этого нужны месяцы сушки в сушильных камерах или годы, для сушки в естественных условиях. Из-за этого, почти невозможно избежать дальнейшего растрескивания древесины.

В процессе сушки с поверхности высушиваемых древесных сортиментов испаряется влага. Одновременно происходит перемещение влаги изнутри их на поверхность. Необходимое для испарения влаги тепло передается древесине от окружающей среды посредством конвективного поверхностного теплообмена. Если среда имеет повышенную температуру, то древесина при сушке нагревается и происходит перемещение тепла по материалу вследствие теплопроводности. К основным физическим явлениям конвективной сушки, таким образом, относятся:а) передача тепла от газообразной среды к поверхности высушиваемых сортиментов, т. е. теплообмен древесины со средой посредством конвекции;

б) перемещение тепла от поверхности внутрь сортиментов вследствие теплопроводности;

в) испарение влаги с поверхности высушиваемых сортиментов, т. е. влагообмен древесины со средой;

г) перемещение влаги по древесине от центра сортиментов к поверхности; это перемещение принято называть влагопереносом.

Из перечисленных явлений наиболее сложен и важен влагоперенос. На закономерности процесса сушки он оказывает наиболее существенное влияние. Влагоперенос, т. е. движение влаги в древесине, происходит под действием трех основных движущих сил: перепада влажности, перепада температуры и перепада давления паровоздушной смеси в древесине.

Движение влаги под действием перепада влажности называется влагопроводностью. Интенсивность этого движения определяется по определенной формуле.

Направление перемещения влаги по объему сортимента зависит от направления градиента влажности. Влага всегда движется в сторону убывающей влажности.

Влагопроводность — явление сложное. Влага перемещается в древесине и направлении убывающей влажности как в виде пара за счет его диффузии по свободным полостям клеток, так и в виде жидкости за счет капиллярных сил, возникающих в микрокапиллярах клеточных стенок. Уравнение влагопроводности справедливо лишь в диапазоне гигроскопической влажности, т. е. ниже 30%. Если влажность по всему объем сортимента выше 30%, то, независимо от того, равномерно она распределен по нему или нет, перепад влажности не вызывает влагопереноса.

Особым случаем влагопереноса, связанного с перепадом влажности в древесине, является движение свободной влаги под действием сил капиллярного натяжения, появляющихся на границе соприкосновения клеток; содержащих и не содержащих свободную влагу. Капиллярное натяжение ничтожное в полостях клеток, становится весьма заметным при освобождении полостей и заглублении менисков жидкости в микрокапилляры стеной клеток. Это движение влаги, не имеющее решающего значения при сушке играет, однако, в отдельных случаях вспомогательную роль. На его математической формулировке (она довольно сложна) мы не останавливаемся.

Движение влаги в древесине под действием перепада температуры называется термовлагопроводностью. Интенсивность этого движения характеризуется определенной формулой. При термовлагопроводности движение влаги всегда направлено в сторону понижающейся температуры. Влагопроводность и термовлагопроводность — это перемещение влаги носящее преимущественно диффузионный, молекулярный, характер.

В отличие от этого движение влаги под действием перепада давления паровоздушной смеси в древесине носит молярный характер, т. е. характер непрерывного направленного потока. Такое движение называют молярны влагопереносом.

Из трех рассмотренных разновидностей влагопереноса лучше всего изучена влагопроводность. Экспериментально установлены величины коэффициента влагопроводности в зависимости от различных факторов и построены диаграммы для определения этого коэффициента. На него оказывают влияние направление тока влаги относительно волокон, температура и порода древесины. Вдоль волокон коэффициент влагопроводности, при прочих равных условиях, в 15—20 раз больше, чем поперек. Повышение температуры вызы­вает его весьма существенное увеличение. Древесина твердых пород имеет пониженную влагопроводность по сравнению с древесиной мягких пород. У спелодревесных и ядровых пород влагопроводность заболони выше, чем спелой древесины и ядра.

Термовлагопроводность и молярный влагоперенос изучены значительно меньше. Коэффициенты, определяющие интенсивность этих разновидностей влагопереноса, сколько-нибудь подробно еще не исследованы.

Режимы сушки древесины

В зависимости от требований, которые предъявляются к качеству сушки, древесина может быть высушена с применением различных режимов температур.

Режим выбирается в зависимости от того, какой характер воздействия необходим. Низкотемпературные режимы сушки осуществляются при температуре около 100°С на начальном этапе, а сушильным компонентом является влажный воздух. Такие режимы подразделяются на форсированные, нормальные и мягкие.

С помощью мягкого режима сушки осуществляется бездефектная сушка. При этом физико-механические характеристики древесины, ее цвет и прочность полностью сохраняются. Этот метод используется когда необходима сушка до, так называемой, «транспортной влажности», при этом цвет сохраняется, не происходит выпадение сучков и выплавление смол. Примером применения материала, обработанного таким способом, может быть паркетная доска.

При нормальных режимах сушки происходят небольшое изменение цвета древесины (буковая и березовая древесина желтеет, а хвойные породы слегка темнеют), а характеристики прочности полностью сохраняются.

Существует разделение низкотемпературных режимов на группу режимов сушки лиственных пород деревьев и группу режимов сушки хвойных. Технологический процесс обработки в каждой группе может выполняться в несколько стадий, каждая из которых характеризуется определенным уровнем влажности древесины. В зависимости от заданных требований, низкотемпературные режимы можно применять к древесине, из которой будут выполняться самые разные изделия: модели для приборостроения, фанера, окна, двери и т. д.

Форсированные режимы сушки значительно изменяют некоторые характеристики материала. Происходит значительно потемнение дерева, а также снижается прочность на скалывание и на раскалывание. Устойчивость к сжатиям, растяжениям и прочность на статический изгиб при таком методе сушки по-прежнему остаются неизменными. Полученный в результате деревообработки материал используется для изготовления изделий, в которых требуется большой запас прочности.

Технология высокотемпературной сушки предполагает использование в качестве сушильного компонента перегретого пара, подаваемого под давлением. Температура этого процесса в начальной стадии превышает 100°С. При осуществлении такой сушки в незначительной мере снижается прочность на сжатие, растяжение и статический изгиб. А показатель прочности на раскалывание и скалывание значительно уменьшается (до 35%). Такая сушка также выполняется для изготовления изделий с большим запасом прочности.

Очень большое значение при сушке пиломатериалов имеет правильная укладка их в штабеля. Укладка должна обеспечивать: механическую прочность штабеля; правильность и ста­бильность его формы и формы уложенных в него пиломатериалов; равномерное омывание уложенных досок и заготовок циркулирующим сушильным агентом. Для этого необходимо строгое соблюдение определенных правил.

Руководящими материалами по камерной сушке пиломатериалов регламентируются следующие правила укладки пиломатериалов в штабеля для камерной сушки.

Требования к подштабельному основанию. Подштабельное основание должно быть прочным и жестким. Длина и ширина его должны равняться длине и ширине штабеля, а верх основания должен быть горизонтальным. Допустимые отклонения от горизонтали — не более 5 мм.

Типы и размеры штабелей. При камерной сушке используются штабеля двух типов: пакетный штабель, формируемый подъемными устройствами из двух или четырех пакетов, предварительно уложенных на пакетоформирующей машине или вручную; безпакетный штабель, формируемый целиком на штабелеформирующих устройствах или вручную.

Форма поперечного сечения пакетов и штабелей должна быть строго прямоугольной. Торцы досок выравнивают но вертикали. Рекомендуются следующие размеры пакетов и штабе­лей: Ширину и высоту их выбирают в соответствии с конструкцией сушильной камеры и параметрами механизмов, используемых при укладке, а длина определяется максимальной длиной укладываемых пиломатериалов.

Способы укладки. Пиломатериалы укладывают в штабеля горизонтальными рядами на деревянных прокладках. В зависимости от типа камер применяют два способа укладки: без шпаций, т. е. сплошными рядами без промежутков между досками, и со шпациями.

Укладка без шпаций более рациональна, так как при такой укладке повышается емкость штабеля, уменьшается его аэродинамическое сопротивление, легче механизируются укла­дочные работы. Однако воздух через штабель, уложенный без шпаций, может перемещаться только поперек него в горизонтальном направлении, что должно быть обеспечено надлежащей конструкцией циркуляционной системы камеры. Если циркуляционная система устроена так, что сушильный агент должен двигаться через штабель в вертикальном или продольно-горизонтальном направлении, приходится прибегать к укладке со шпациями.

В один горизонтальный ряд нужно укладывать доски только строго одной толщины. Необрезные доски укладывают комлями в разные стороны. При укладке досок разной ширины наиболее узкие из них помещают в середине ряда, а широкие — по краям. Если целое число досок в ряд не помещается, получающийся зазор оставляют в середине ряда.

В штабелях или пакетах со шпациями ширина шпаций должна составлять при укладке обрезных досок 55—60%, а при укладке необрезных — не менее 100% их ширины.

Доски в горизонтальном ряду размещают по определенной схеме. Доски максимальной длины, определяющие длину штабеля или пакета, помещают по его краям, а более короткие — в середине, в разбежку, с выравниванием их торцов поочередно по переднему и заднему торцам штабелей. Доски, длина которых меньше половины длины штабеля, стыкуются по две, при этом каждая из них должна лежать не менее чем на двух прокладках.

Укладка прокладок. Прокладки в штабеле нужно размещать строго одна над другой по вертикали, крайние заподлицо с торцами пиломатериалов. Концы прокладок не должны вы­ступать за боковые поверхности штабеля или пакета более чем на 5 мм. Число прокладок по длине пакета или штабеля зависит от его длины, породы и толщины пиломатериалов.

В пакетных штабелях между пакетами помещают межпакетные прокладки, более толстые, чем межрядовые. Их число и расположение должно строго соответствовать числу и расположению вертикальных рядов прокладок в пакетах.

Укладка образцов. Для контроля за влажностью Древесины и внутренними напряжениями в ней (о чем подробнее го ворится далее) в штабеля закладывают контрольные образцы (отрезки) высушиваемого материала длиной 1—1,2 м. Образец должен лежать не менее чем на. двух прокладках.