Сушка древесины: теоретические основы

Цели и задачи сушки

Сушка древесины - процесс удаления влаги из древесины путем испарения.

Физическая сущность процесса сушки заключается в том, что нагретый воздух направляется к сырому материалу, при соприкосновении с которым он отдает свое тепло, а сам охлаждается. Влага в древесине за счет восприятия тепла переходит в парообразное состояние.

Цель сушки: превращение древесины из природного сырья в промышленный материал с конкретными улучшенными биологическими и физико-механическими свойствами.

Задачи процесса:

·        придание древесине биологической стойкости;

·        увеличение прочности древесины (сухая древесина лучше выдерживает механическую нагрузку);

·        улучшение качества древесины.

Свойства водяного пара

Среда, окружающая древесину в процессе сушки, называется агентом сушки.

В качестве агента сушки используется водяной пар, атмосферный воздух, топочный газ, масла.

Пример-опыт. Герметичный сосуд частично заполняется водой. Из остального пространства полностью удаляется воздух. Вследствие испарения в этом пространстве будет собираться водяной пар. Его давление будет повышаться до определенной величины, после чего испарение влаги и рост давления прекратится, то есть водяной пар и образующая его жидкость будут находиться в состоянии равновесия. Пар, находящийся в состоянии равновесии с образующей его жидкостью, называется насыщенным, давление - давлением насыщения. Давление зависит от температуры. При нагревании насыщенного пара образуется ненасыщенный пар. Сушить древесину можно только ненасыщенным паром. Основным агентом сушки является атмосферный воздух, который представляет собой смесь газов, а также содержит в себе некоторое количество водяного пара (он называется влажным).

Параметры воздуха на id-диаграмме

Нажмите здесь для просмотра рисунка

·        Температура - нагревание агента сушки до данной величины.

·        Степень насыщения - определяет качество водяного пара, содержащегося в воздухе, в процентном содержании.

·        Влагосодержание - это масса влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухой части воздуха.

·        Теплосодержание - это общее количество теплоты, приходящееся на 1 кг смеси воздуха и пара.

·        Удельный объем - объем влажного воздуха, приходящийся на 1 кг сухой части воздуха.

·        Плотность - это масса смеси воздуха и пара, приходящейся на 1 кг сухой части воздуха.

·        Давление - одна составляющая давления атмосферного воздуха.

Процессы нагревания и охлаждения

Нагревание происходит при соприкосновении атмосферного воздуха с горячей и сухой поверхностью.

При нагревании температура увеличивается, степень насыщения уменьшается, теплосодержание увеличивается, влагосодержание - постоянное.

Охлаждение происходит в результате соприкосновения с холодной сухой поверхностью.

Процесс испарения

Процесс испарения проходит при соприкосновении агента сушки с холодным мокрым материалом (древесина).

Процесс испарения сопровождается понижением температуры, увеличением влагосодержания и степени насыщения; теплосодержание при испарении не изменяется.

При испарении агент сушки может достигнуть своего насыщения, при котором влага будет в виде пара.

Точка предела охлаждения при испарении находится на линии φ=1.

Температура, соответствующая этой точке, называется температурой предела охлаждения при испарении.

Процесс смешивания воздуха различных состояний

В процессе сушки часто происходит смешивание холодного и горячего воздуха.

Отработанный воздух проходит через штабель, а остальная часть смешивается с вновь поступившим свежим воздухом.

Получается смесь, параметры которой находятся по id-диаграмме.

Для этого расчитывается коэффициент. Зная параметры, находим точки 1 и 2, а 3 находится на отрезке 1-2.

Для нахождения пользуются формулой (см. рисунок).

 

Виды влаги и влажностные состояния древесины

Влажность древесины - отношение массы влаги к массе древесины в абсолютно сухом состоянии.

Максимальное количество связанной влаги называется влажностью предела насыщения древесины.

Различают две формы воды, содержащейся в древесине: связанную и свободную. Связанная вода находится в клеточных стенках, а свободная содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменение ее содержания существенно отражается на большинстве свойств древесины. Свободная вода, удерживаемая только механическим связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньшее влияние на свойства древесины.

Процесс сушки связан с удалением связанной влаги; удаление свободной влаги на свойство древесины никакого влияния не оказывает.

При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств древесины ее кондиционируют, приводя к нормализованной влажности. Если нет особых примечаний, то показатель равен 12%. На практике по степени влажности различают древесину:

·        мокрую, 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, высушенную при температуре t=103±2°C.

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель влажность. Под влажностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины: W=(m-m0)/m0*100, где m - начальная масса образца древесины, г, а m0 - масса образца абсолютно сухой древесины, г.

Измерение влажности осуществляется прямыми или косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении тем или иным способом воды из древесины, например высушиванием. Эти методы простые, надежные и точные, но имеют недостаток - довольно продолжительную процедуру. Этого недостатка лишены косвенные методы, основанные на измерении показателей других физических свойств, которые зависят от содержания воды в древесине. Наибольшее распространение получили кондуктометрические электровлагомеры, измеряющие электропроводность древесины. Однако и эти способы имеют свои недостатки: дают надежные показания в диапазоне от 7 до 30% и лишь только в месте введения игольчатых контактов.

Процессы сорбции и десорбции, равновесная влажность

Древесина относится к гигроскопичным материалам, т.е. ее влажность зависит от состояния окружающей среды. Если образец древесины поместить в помещение с низкой температурой и высокой степенью насыщения, то он начнет впитывать влагу из окружающей среды (будет происходить процесс сорбции). Если же сырой образец древесины поместить в помещение с комнатными условиями, то из него начнет испаряться влага (процесс десорбции). Процессы и сорбции, и десорбции будут проходить до определенного предела, при котором влажность древесины соответствует окружающему ее воздуху. В этом случае процессы прекращаются, а влажность древесины будет называться устойчивой. Максимальное количество влаги, получаемой древесиной путем сорбции, называется влажностью предела насыщения и равно 30%. Процессы сорбции и десорбции взаимообратны.

Равновесная влажность - такое влажностное состояние древесины, при котором давление окружающей среды находится в равновесии с давлением жидкости в поверхностных слоях древесины. При равновесной влажности влажность сорбции равна влажности десорбции. Равновесная влажность встречается у мелких сортиментов, определяется по диаграмме.

Формулы: Wуд=Wp=Wp+1,25(%); Wус=Wp-1,25(%).

Процесс усушки и разбухания

Усушка - процесс уменьшения линейных размеров и объема древесины при уменьшении влажности. Виды усушки:

·        абсолютная - изменение линейных размеров пиломатериалов в величинах длины или объема;

·        относительная - отношение абсолютной усушки к размерам пиломатериала в сыром виде;

·        полная усушка - изменение размера пиломатериала при уменьшении влажности в древесине от предела насыщения до 0;

·        частичная усушка - изменение размеров пиломатериалов при уменьшении влажности в древесине от предела насыщения до заданной конечной влажности.

Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5-2 раза больше, чем в радиальном.

Под полной усушкой, или максимальной усушкой Bmax понимают уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении всего количества связанной воды.

Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид: Bmax=(amax-amin)/amax*100, где amax и amin - размер (объем) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно-сухом состоянии, мм3.

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%.

Усушка древесины учитывается при распиловке бревен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д.

Внутренние напряжения возникают в древесине без участия внешних нагрузок. Они образуются в результате неодинаковых изменений объема тела при сушке (сушильные напряжения), пропитке и в процессе роста дерева.

Полные сушильные напряжения удобно рассматривать как совокупность двух составляющих - влажностных и остаточных напряжений.

Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных зонах доски, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а внутри доски - сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения, в отличие от влажностных, не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после ее полного завершения.

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.

Разбухание - процесс увеличения линейных размеров и объема древесины при увеличении влажности в древесине. Процессы усушки и разбухания взаимообратны и связаны с удалением и поглащением только связанной влаги.

Разбухание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, чанах, судах и т.д.).

Разбухание происходит при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде. Это свойство, обратное усушке, и подчиняется, в основном, тем же закономерностям. Полное разбухание, %, вычисляют по формуле: amax=(amax-amin)/amin*100, где amax и amin - размер (объем) образца соответственно при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок, и в абсолютно сухом состоянии, мм3. Так же, как и при усушке, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее - вдоль волокон.

Плотность древесины

Плотность древесины - отношение массы древесины к обьему Рw=Mw/Vw.

Плотность зависит от породы и влажности, обычно определяется по таблице. Все древесные породы подразделяются на 3 группы:

·        1) малоплотные: P<0,5 (г/см3) (сосна, ель, пихта, кедр, осина, ольха, липа, тополь);

·        2) среднеплотные: 0,5<P<0,7 (г/см3) (лиственница, береза, бук, дуб, ясень, вяз, ильм);

·        3) высокоплотные: P>0,7 (г/см3) (граб).

Это свойство характеризуется массой единицы объема материала и имеет размерность в кг/м3 или г/см3.

Плотность древесинного вещества pд.в., г/см3, т.е. плотность материала клеточных стенок, равна: pд.в.=mд.в./Vд.в., где mд.в. и Vд.в. - соответственно масса, г, и объем, см3, древесинного вещества.

Этот показатель равен для всех пород 1,53 г/см3, поскольку одинаков химический состав клеточных стенок древесины.

Плотность абсолютно сухой древесины p0 равна: p0=m0/V0, где m0, V0 - соответственно масса и объем древесины при W=0%.

Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства, заполненные воздухом). Относительный объем полостей, заполненных воздухом, характеризует пористость древесины П: П=(V0-Vд.в.)/v0*100, где V0 и Vд.в. - соответственно объем образца и содержащегося в нем древесинного вещества при W=0%. Пористость древесины колеблется в пределах от 40 до 80%.

Плотность влажной древесины: pw=mw/Vw, где mw и Vw - соответственно масса и объем древесины при влажности W. Плотность древесины зависит от ее влажности. При влажности W<Wпн плотность изменяется незначительно, а при увеличении влажности выше Wпн наблюдается значительный рост плотности древесины.

Парциальная влажность древесины p'w характеризует содержание (массу) сухой древесины в единице объема влажной древесины: p'w=m0/Vw, где m0 - масса абсолютно сухой древесины, г или кг; Vw - объем, см3 или м3, древесины при данной влажности W.

Базисная плотность древесины выражается отношением массы абсолютно сухого образца m0 к его объему при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок Vmax: pБ=m0/Vmax. Этот основной показатель плотности, который не зависит от влажности, широко используется для оценки качества сырья в деревообработке, целлюлозно-бумажной промышленности и в других случаях.

Величина плотности древесины изменяется в очень широких пределах. Среди пород России и ближнего зарубежья древесину с очень малой плотностью имеет пихта сибирская (345), ива белая (415), а наиболее плотную - самшит (1040), ядро фисташка (1100). Диапазон изменения плотности древесины иноземных пород шире: от 100-130 (бальза) до 1300 (бакаут). Значения плотности здесь и ниже даны в килограммах на метр кубический (кг/м3).

Влияние сушки на прочность древесины

Прочность древесины зависит в основном от ее породы, температуры и влажности. При сушке влажность и температура изменяются, поэтому ее прочность также не остается постоянной. Изменения прочности, связанные с влажностью, обратимы, т.е. при увлажнении сухой древесины снижается ее прочность, а при высушивании прочность восстанавливается. Повышение температуры снижает прочность древесины.

Причины перемещения влаги в древесине

При неравномерном распределении влаги происходит перемещение влаги. Влага будет перемещаться внутри материала, если будет перепад влажности по объему материала. Причина перемещения влаги - перепад температуры по объему материала, когда температура распределена неравномерно по сечению материала. Это движение будет проходить в сторону пониженной температуры. Если имеется избыточное давление, то под его воздействием влага в виде направленного потока пара движется в сторону более низкого давления. Перепад давления пара по объему древесины - третья причина перемещения влаги.

Напряжения в древесине в процессе сушки

·        IА-IVА - указано распределение влажности по сечению пиломатериала.

·        I1Б-IVБ - указано изменение размеров наружных слоев древесины относительно друг друга на разных этапах сушки, если связь между ними нарушена пропилами.

·        IВ-IVВ - распределение напряжения в процессе сушки на разных этапах.

·        IГ-IVГ - указывается форма, которую принимает распиленный на 2 части брусок после того, как выровняли влажность по его сечению.

·        IД-IVД - указывается форма распиленного на 2 части бруска, у которого влажность в древесине снизили до 0 в сушильном шкафу.

·        1 фаза: характеризует начальный этап сушки. Влажность в древесине в этот период будет выше точки насыщения, волокна как внутренних, так и наружных слоев формы своей не изменяют. Это говорит о том, что внутренних напряжений в древесине нет.

·        2 фаза: влажность в наружных слоях снизилась а во внутренних слоях влажность выше точки насыщения. Если образец распределить на несколько слоев, то будет видно, что в наружных слоях начался процесс усушки, и они уменьшили свои размеры. В то время, как во внутренних слоях влага выше точки насыщения, процесса усушки нет, и размеры наружных слоев не изменились, в этот период сушки в древесине возникает напряжение. Если две половинки положить в сушильный шкаф и выровнять в них влажность, то получится обратный эффект - выгнутость будет с внутренних слоев. Это говорит о том, что наружные слои имеют остаточные деформации.

·        3 фаза: характеризует средний период сушки, влажность немного ниже точки насыщения. Если в этот период распилить образец на несколько слоев, то увидим, что размеры внутренних и наружных слоев не изменились. Это говорит о том, что внутренних напряжений в древесине нет. Распиленный на 2 части брусок формы не поменяет, но после выравнивания влажности он изогнется с внутренних слоев. Это говорит о том, что сохранились остаточные деформации от 2 фазы. Промежуточный этап удобен для прогрева древесины воздухом повышенной влажности.

·        4 фаза: влажность по сечению материала выровняется в наружных слоях, процесс усушки уже прекратится. В наружных слоях - напряжения сжатия, поэтому внутренние слои древесины в этот период будут меньше, чем наружные. Две половинки распиленного бруска изогнутся с внутренней стороны.

После выравнивания влажности в сушильном шкафу можно увидеть, что остались остаточные деформации.

 

Дефекты древесины, возникающие в процессе сушки

Дефект

Причины возникновения

Меры предупреждения

Пластевые трещины

Слишком жесткий режим сушки

Применение рационального режима

Внутренние трещины

В центре сортимента возникли чрезмерно большие растягивающие напряжения

Соблюдать режим сушки и проводить промежуточную и конечную влаготеплообработку

Торцевые трещины

Более интенсивная сушка торцов по сравнению со средней частью сортимента

Правильная укладка пиломатериалов в штабеле, выравнивание торцов

Радиальные трещины

Различная усушка в радиальном и тангенцальном направлении

Самый осторожный и медленный процесс; вырезать сердцевину, чтобы она находилась на поверхности

Коробление

Радиальная усушка

Надежное закрепление штабеля пиломатериалов

ВВЕРХ