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. Показатели влажности пиломатериала.
  6. Основные физические свойства древесины которые нужно знать и иметь в виду при рассмотрении и использовании древесины.
  7. Основы сушки.
  8. Мощность сушки (сила сушки).
  9. Методы измерения влажности среды.
  10. Возможности управления процессом сушки.
  11. Объёмы воздуха в камере сушилки.
  12. Типы сушилок.

  1. Процент влажности древесины

    Процент влажности древесины рассчитывается исходя из веса сухого вещества древесины:

    Процент влажности = Мвода / Мдревесина × 100%где Мвода масса воды в древесине и Мдревесина 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. Некоторые причины сушки древесины

    В процессе сушки изменяются свойства древесины:

    • улучшается сохранность материала;
    • улучшаются прочностные свойства ;
    • расширяются возможности и 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 естесственным 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 древевесина рано или поздно достигнет мебльной влажности. Понятно, что для достижения промышленных объёмов производства такой способ сушки не приемлим и возникает необходимость в искусственной сушке. В процессе искусственной сушки происходит термообработка материала и различные микроорганизмы и грибки погибают (например грибок, 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, нагревая материал в духовке и используя достаточно точные весы (±1 г).

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

    • игольчатые измерители, в которых в древесину втыкаются два расположенных на определённом расстоянии друг от друга 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.


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

    • температура измеряемого материала (при увеличении температуры на 5°С прибор показывает примерно на 0,5% более высокое содержание влаги, наиболее точный результат измерения можно получить при температуре материала +20°С);
    • температура окружающей среды;
    • порода древесины, место и скорость роста (в сухой или болотистой местности, в северных или южных широтах, 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%, а в сердцевине примерно 11,5%);
    • взаимодействие всех вышеупомянутых факторов.

  5. 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).

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

    • Древесина является гигроскопичным веществом, это означает, что влажность древесины (даже 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 тангенциальном направлении 6 — 15%.
    • Изменение габаритов является 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 сучков уменьшает напряжения.

  7. Основы сушки

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

    для испарения 1 кг воды из древесины расходуется 2 300 — 2 500 кДж
    550 — 600 ккал
    0,64 — 0,7 кВтч

    (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 в несколько раз (например, большая лесопильня, где свежевыпиленные доски сразу идут в сушку, 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:

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

    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 необходимо:

    • Правильно штабелировать материал (материал в пачке штабеля прямой)
      • колышки в одном ряду друг под другом;
      • основание пачек и промежуточные доски в одном ряду с колышками;
      • достаточное количество подкладок в основании;
      • не слишком плотное расположение пачек в сушилке (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 герметичной для тепла и влажности (зависит от конструкции камеры и использованных материалов).
    • Сушить материал одной породы и толщины.

  8. Мощность сушки (сила сушки).

    Интенсивность сушки древесины можно охарактеризовать мощностью сушки, которая вычисляется:

    Мощность сушки = действительная влажность древесины / равновесная влажность средыМощность сушки показывает:

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

    Используемые мощности сушки:

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

  9. Методы измерения влажности среды

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

    9.1. Психометрическое измерение - в 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. Погрешность, возникающую при изменении влажностных свойств тканевого материала (например тканевый материал запылится и высохнет) и изменении скорости движения воздуха около датчиков, трудно заметить при небольших отклонениях.

    9.2. Измерение равновесной влажности - в камеру устанавливается тонкая деревянная пластинка (целлюлозная пластинка) и измеряется её электронапряжение, аналогично измерению влажности поверхности при помощи игольчатого датчика. Так как пластинка тонкая, то она быстро высыхает до влажности равновесия среды, и тогда по таблице равновесной влажности 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 на этот способ влияют те же самые случайные показатели, что и при измерении влажности древесины с помощью игольчатого датчика.

    9.3. 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, не требующие большого ухода. При поломке показывают нелогичный результат, который легко обнаружить на любом этапе процесса сушки.


  10. 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.

    10.1. Схема повтора процесса - означает, что имея опыт как древесина сохнет в конкретных сушилках и данных условиях среды, находят конкретную, наиболее подходящую, программу сушки (изменение параметров среды функцией от времени). Для этого при запуске новой сушилки 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 (герметичность по теплу и влажности), тепловые мощности (для того чтобы и зимой можно было реализовать процесс, хорошо работающий летом), и остальные устройства. Для измерения влажности среды в камере используются психометрические датчики или датчики прямого измерения относительной влажности.

    10.2. Схема управления мощностью сушки - означает, что в процессе задан график мощности сушки в зависимости от времени. Используется несколько датчиков измерения равновесной влажности (2 — 6 шт) и игольчатых датчиков (4 — 10 шт) для измерения текущей влажности древесины в сушильной камере. Преимуществом является автоматический расчёт начальной влажности высушиемого 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, Incoplan, Eisenmann, Hildebrand, Nardi и другие.

    10.3. 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.


  11. Воздухообмен 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 камере и от материала, который сушат. Зная минимально допустимое время сушки (чтобы у древесины было время высохнуть без возникновения брака) можно 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(инвертор) для управления скоростью вращения вентиляторов. В программе сушки получим ещё один график: скорость вращения вентиляторов как функция времени.


  12. Типы сушильных камер

    Сушка древесины, как ранее было объяснено, основывается на законах физики. В принципе не имеет значения как подводится к материалу 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 сушилок:

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

    • Сушильные камеры непрерывного действия (канальные сушилки) — глубокие сушилки, где пачки штабелей проталкиваются постоянно дальше из мокрого конца камеры в более сухой. Эти тунели обязательно загружаются с одного (мокрого) конца и выгружаются с другого конца. Проталкивание пачек штабелей (заполнение камер и выгрузка) происходит по одному штабелю с промежутком обычно в 4 — 12 часов. Эти сушилки типичны для больших лесопилен (более 100 000 м³ готового пиломатериала в год) и позволяют производить только сушку до транспортной влажности.
    • Сушильные камеры переодического действия 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 реверсия направления вращения вентиляции. Загрузка и выгрузка камер может происходить с одной стороны, в таком случае камера имеет одну дверь. Используются также другие системы загрузки, которые могут быть похожи на загрузку туннельных камер. Однако, всегда меняется всё содержимое камеры полностью одновременно. В принципе, сушить можно всё до любых желаемых конечных влажностей. В настоящее время во всех камерах используют автоматические системы управления влажностью, вентиляцией, отоплением. За последнее десятилетие построено большое количество камерных сушилок и сейчас нет ни одной большой лесопильни, где бы не было камерных сушилок. Для сушки одинакового количества материала тепловой энергии 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 влага, возникающаяся в воздухе в процессе сушки конденсируют на специальных охладителях и стекает в канализацию. Энергетический коэффициент полезного действия процесса большой, но, так как тепловые насосы не позволяют развить больших температур, то цикл сушки 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 сушилка подходит для сушки небольших объёмов, или для сушки плотных пород древесины, таких как дуб, бук, ясень и др. Большой плюс таких 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 сушильной камере создаётся вакуум до 0,5 бар, что даёт процессу часть необходимой для сушки энергии. Также существуют микроволновые сушильные камеры, основанные на принципе работы микроволновой печи, электромагнитные сушилки. В последнее время произведены исследования с сушилками 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.

По материалам компании Хекотек