Современные способы сушки древесины

Атмосферная сушка

Атмосферная сушка является наиболее доступным способом обезвоживания древесины. Известно, что атмосферно высушенная древесина может эксплуатироваться многие столетия, если ее повторно не увлажнять.

Атмосферная сушка является наиболее дешевым способом, и раньше она была основной на лесопильных предприятиях. Она не требует таких капитальных затрат как камерная, но для нее нужны большие площади и большой запас материала. Основным недостатком атмосферной сушки является то, что процесс неуправляем: в районах с повышенной влажностью воздуха повышается вероятность поражения пиломатериалов грибами, а на юге (от сильной жары) - растрескивания. Разложение древесины грибами происходит при ее влажности выше 22 %, и это граничное значение (22 %) считается «пределом биостойкости». Правила атмосферной сушки и хранения пиломатериалов регламентированы государственными стандартами: для пиломатериалов хвойных пород - ГОСТ 3808.1-80; для пиломатериалов лиственных пород - ГОСТ 7319-80. По правилам, атмосферная сушка проводится в штабелях, укладываемых на специальных фундаментах (высотой 550 мм при грунтовом покрытии или 200 мм при бетонном или асфальтном покрытии подштабельной территории, если высота снежного покрова обычно не превышает 250 мм) Фундамент выполнятся, как правило, из железобетонных опор площадью не менее 400 х 400 мм. Можно использовать деревянные опоры, предварительно пропитав их антисептическим составом. Расстояние между центрами опор должно быть 1,0-1,7 м по длине и 1,3-1,4 м по ширине штабеля.

Состояние сушильного агента (воздуха) - нестабильно, на него оказывают влияние климатические условия, время года и суток. В результате взаимодействия воздуха и высыхающей древесины на складах создается своеобразный микроклимат: воздух имеет пониженную температуру, повышенную влажность и небольшую скорость циркуляции. Поэтому процесс атмосферной сушки длительный. Древесина высушивается до влажности 12- 20 % в зависимости от климата (температуры и влажности воздуха), породы и толщины материала. Можно ускорить процесс путем применения более разреженной укладки, размещения штабелей в соответствии с господствующим направлением ветра, или принудительной циркуляцией воздуха с помощью вентиляторов. Ускорение сушки, с одной стороны, сильно снижает возможность появления химических и прокладочных окрасок, синевы и гнили, но с другой стороны, способствует снижению относительной влажности воздуха, что приводит к увеличению остаточных напряжений. Ускоренная атмосферная сушка позволяет довести материал до влажности 20-30 % за время, составляющее от 1/2 до 1/4 продолжительности обычной атмосферной сушки. Для снижения вероятности заражения древесины грибами и плесенью в начальный период ее необходимо защищать антисептиками (рис. 1). Сам процесс осуществляется опрыскиванием, т. е. поверхностным нанесением или глубокой пропиткой, путем окунания досок и пакетов в автоклавах.

Начальный период подготовки древесины

Рисунок 1. Начальный период подготовки древесины

Вакуумная сушка

Вакуумная сушка – технология «Вакуум плюс».

Сушильная камера (рис. 2) представляет собой цилиндрический корпус диаметром 2000 мм, длиной 7800 мм с рабочим тамбуром. Теплоизоляция корпуса — минеральная вата толщиной 200 мм. Длина штабеля, загружаемого в камеру, — 6000+300 мм. Штабель формируют на тележке, перемещаемой при загрузке и выгрузке камеры по направляющим. Пиломатериалы укладывают на калиброванные по толщине прокладки толщиной 25 мм, шириной 30–40 мм со шпацией. Поперечное сечение штабеля благодаря установке криволинейных направляющих по длине тележки не прямоугольное, а повторяет форму поверхности цилиндра. За счет этого достигается наибольшая полезная емкость. На внутренней цилиндрической поверхности камеры в ее нижней части расположены трубы, предназначенные для нагрева штабеля, обогреваемые горячей водой. В верхней части камеры установлен желоб с трубопроводом холодной воды от водопроводной сети для конденсации пара. Конденсат отводится по желобу в приемные баки (два приемных бака по 70 литров каждый). Вода подается от электронагревателя, установленного в рабочем тамбуре, там же находятся циркуляционный насос, вакуум-насос, электрощит с измерительными приборами для контроля процесса сушки, группа защиты системы обогрева камеры, приемные баки для конденсата. В процессе сушки производят измерение температуры в камере и воды в системе теплоснабжения, влажности пиломатериалов, давления (вакуума) в камере.

Сушильная камера для древесины

Рисунок 2. Сушильная камера

Технология сушки пиломатериалов в общих чертах включает следующие этапы.

1 этап.

Стадия пропарки.

Производится откачка воздуха, создание вакуума с давлением 0,04 МПа при температуре 45–50°С. Происходит прогрев материала паром, выделяемым из материала и нагретым трубами — калориферами. Теплообмен между паром и штабелем осуществляется за счет естественной конвекции (нагрев пара происходит главным образом в нижней части штабеля), ускоренной за счет интенсивной диффузии пара в вакууме. Прогрев проводят в течение 12–24 часов при отключении подачи холодной воды в конденсатор. Кипение влаги внутри древесины не происходит, так как ее температура ниже температуры кипения при данном давлении (t < tr = 76°C). За счет испарения части влаги из материала давление в камере растет, достигая при степени насыщения пара ≈0,05 МПа, при этом изменение влагосодержания материала незначительно: так при загрузке 8 м3 дубовых пиломатериалов с влажностью 60% изменение их влагосодержания не превышает 0,5%. В этом случае можно считать, что начальный прогрев и пропарка проходят практически при стабильной влажности пиломатериалов. Однако за счет более интенсивного испарения влаги при пониженном давлении возможно повышение давления пара внутри древесины — более 0,05 МПа. В этом случае выход пара в окружающую среду приведет к повышению его давления выше давления насыщения Рп > Рн, частичной его конденсации и увлажнению поверхности пиломатериалов.

2 этап.

Сушка.

При температуре в камере 60°С и давлении 0,06 МПа подают холодную воду в конденсатор, увеличивая интенсивность теплоотдачи материалу. Скорость сушки можно регулировать за счет изменения температуры и давления в камере и степени насыщенности пара, используя периодическое включение вакуум-насоса и охлаждающей воды. Скорость естественной конвекции составляет 0,6-1,0 м/сек (рис. 3).


График зависимости температуры кипения воды от давления среды

Рисунок 3. График зависимости температуры кипения воды от давления среды

3 этап.

Промежуточная влаготеплообработка.

Проводится при температуре в камере 70°С и давлении 0,09 МПа после достижения материалом влажности 25–30%.

4 этап.

Окончание процесса сушки.

Происходит снижение влажности материала до 5,0–6,0%, используются те же способы регулирования, которые применялись при сушке с влажностью выше 25–30%. По достижении конечной влажности выключают циркуляцию теплоносителя, циркуляцию холодной воды, останавливают вакуум-насос.

Охлаждение материала производят в течение 24 часов. Режимы пропарки, сушки, влаготеплообработки и охлаждения получены эмпирическим путем в процессе экспериментальной отработки на промышленной установке. В результате получен универсальный график сушки для различных пород древесины от начальной влажности 100% до конечной 5,0–6,0%, в том числе дуба с толщинами 75 мм, 52 мм, 32 мм, ореха толщиной 90 мм и др. Сушка ведется по заданной программе. Разработчики отмечают простоту обслуживания установки, для которой не требуется постоянного присутствия оператора. При отключении электроэнергии после ее подачи установка автоматически выходит на заданный режим. Одним из достоинств данного способа сушки, как уже сказано выше, является высокое качество высушенных пиломатериалов. Так, при сушке дубовых пиломатериалов разброс влажности по штабелю составляет 1,5%, перепад по толщине пиломатериалов — 0,5–1,0%. Странным на первый взгляд представляется применение естественной циркуляции среды в камере, что, конечно, снижает интенсивность подвода тепла к штабелю. Однако при сушке трудносохнущих пород скорость протекания поверхностных явлений влаготеплообмена должна быть адекватна скорости внутреннего переноса тепла и влаги. Возможно, использование естественной конвекции является одной из причин высокого качества сушки дубовых и других сложных в сушке пиломатериалов.

Установка состоит из традиционного технологического оборудования: сушильной камеры для размещения штабеля пиломатериалов, СВЧ-генератора, волноводных трактов, рупорных антенн с корректирующими линзами замедляющего типа, регулирующего оборудования, модульных агрегатов воздушного охлаждения. Однако в установке применен новый принцип действия основанный на формировании посредством антенной решетки плоского фронта СВЧ- излучения электромагнитного поля по синусоидальному закону с регулированием напряженности электрического поля в процессе сушки пиломатериалов по длине штабеля и/или по высоте по заданному закону. Основные технические данные:

Оптимальный объем загрузки камеры пиломатериалами при мощности СВЧ генератора 50кВт составляет 5-8 м3.

Время сушки сосновых пиломатериалов длиной 6м от начальной влажности 80% до конечной влажности 8-10% независимо от их толщины составляет 18 часов. Расход сетевой энергии составляет около 300 кВт/м3.

Камерная сушка

Процесс сушки происходит в конвективных камерах. Эти камеры классифицируются по следующим признакам: принципу действия, устройству ограждения, виду теплоносителя, циркуляции агента сушки.

По принципу действия различают камеры периодического действия и непрерывного. Камеры периодического действия представляют собой помещения, в которые загружается определенный объем материала, высушивается, а затем выгружается. Режимы сушки здесь изменяются с течением времени в зависимости от влажности древесины. На период загрузки и выгрузки камеры процесс сушки прекращается. Камеры непрерывного действия представляют собой помещения, туннели, в которых постоянно находится древесина, перемещаемая на вагонетках.

Материал высушивается по мере прохождения им туннеля, от сырого конца к сухому. Режимы сушки изменяются по мере продвижения материала по длине камер. Камеры непрерывного действия применяются обычно на крупных предприятиях при массовой сушке товарных пиломатериалов до транспортной влажности, а также для сушки хвойных пиломатериалов, березы и осины, идущих на столярно-строительные изделия, тару, сельхоз- и вагоностроение.

По устройству ограждения камеры подразделяются на стационарные и сборные. Стационарные камеры строятся на месте их эксплуатации из строительных материалов, а сборные, как правило, металлические, изготавливаются заводским способом и собираются на месте их эксплуатации. По теплоносителю камеры различаются на паровые, электрические, водяные, газовые. В первых трех агентом служит влажный воздух или перегретый пар, а в последнем - смесь воздуха и топочных газов. По циркуляции воздуха различают камеры с естественной и принудительной циркуляцией. Газовые и электрические бескалориферные камеры (аэродинамические) имеют только принудительную циркуляцию.

Естественная циркуляция создается за счет разности плотности нагретого и охлажденного воздуха: горячий, более легкий, воздух стремится вверх, а охлажденный, тяжелый, - вниз. Поскольку воздух, в силу этого, циркулирует вертикально по штабелю, пиломатериалы укладываются со шпациями. Камеры с естественной циркуляцией давно устарели, хотя продолжают эксплуатироваться на ряде предприятий. Продолжать эксплуатировать такие камеры нерационально, так как они малопроизводительны, качество сушки в них низкое из-за большой неравномерности распределения конечной влажности по штабелю.

Принудительная циркуляция воздуха или газа достигается при помощи вентиляторов. Побуждение циркуляции может быть прямое - когда перемещение воздуха осуществляется непосредственно вентилятором, или косвенное (эжекционное) - когда побудителем циркуляции служит энергия струй сушильного агента, вытекающих с большими скоростями из сопл эжекторов. Эжекционные камеры были распространены в 50-60-х гг., теперь же эта конструкция устарела. Но, несмотря на большие энергозатраты на циркуляцию, большую неравномерность сушки, эти камеры продолжают эксплуатироваться.

По кратности циркуляции сушильного агента камеры могут быть с однократной и многократной циркуляцией. При однократной циркуляции сушильный агент после прохождения через штабель полностью выбрасывается в атмосферу. При многократной - воздух постоянно циркулирует по штабелю в течение всего процесса сушки и только часть его выбрасывается. В современных лесосушильных камерах используется только многократная циркуляция воздуха.

Современные лесосушильные камеры имеют прямое побуждение воздуха, создаваемое осевыми или центробежными вентиляторами.

В зависимости от направления движения сушильного агента различают камеры с вертикальным или горизонтальным кольцом циркуляции. Вентиляторные установки в камерах с вертикальным кольцом циркуляции расположены в верхней части над штабелями, а с горизонтальным - за штабелем.

Конденсационный способ

По принципу действия конденсационный способ относится к замкнутому циклу, т.е. сушильный агент совершает циркуляцию по камере без выброса в атмосферу и, соответственно, без подпитки свежим воздухом. Воздух, насыщенный влагой, отобранной из древесины, омывает холодную поверхность и охлаждается до температуры ниже точки росы. Часть влаги, содержащейся в воздухе, конденсируется, а теплота, выделенная при этом, используется для подогрева сушильного агента. В качестве охладителя используется фреон.

Теоретически конденсационный сушильный цикл с холодильником, играющим роль теплового насоса, характеризуется нулевым расходом тепла на испарение влаги. Затраты электроэнергии здесь идут на прогрев материала и теплопотери, а также на привод компрессора и вентиляторов. Для компенсации теплопотерь агрегат снабжается дополнительным калорифером с внешним электропитанием. По данным зарубежных фирм Hildebrand, Brunner, Vanicek, энергопотребление конденсационных сушилок составляет 0,25- 0,5 кВт/ч на 1 л испаренной воды в зависимости от влажности материала, увеличиваясь при ее снижении. Это примерно в два раза меньше расхода энергии в обычных сборно-металлических камерах периодического действия. Из-за свойств фреона, который используется в качестве хладагента, в конденсационных камерах применяются низкотемпературные режимы сушки с температурой не выше 45°С. При повышении температуры сушильного агента более 45°С КПД таких сушилок понижается. Поэтому производительность их малая, так как продолжительность процесса в 2-3 раза больше, чем в камерных сушилках. Эти сушилки следует использовать в тех случаях, когда электроэнергия является наиболее дешевой по сравнению со всеми другими теплоносителями. Учитывая, что этот способ дает сокращение энергозатрат, перспективной является разработка новых конденсационных сушильных камер с холодильными установками на хладагенте, позволяющем применять нормальные режимы сушки.

Сушилка для фанеры

Тонкая фанера сушится совершенно иначе, чем доски и брусья, а также и толстая фанера, которая весьма часто сушится, как и прочий лесоматериал. Отопительные приборы расположены в сухом конце сушила. Циркуляция воздуха осуществляется посредством вентилятора, установленного у сырого конца сушила, отсасывающего отработанный воздух. Во всем остальном такое сушило вполне аналогично сушилам для досок.

Специальные сушила для фанеры разделяются на два основных типа:

1. Сушила непрерывного действия в виде вытянутого короба длиной 15-30м, высотой примерно 2,5 м и шириной 2-4 м. Стены и потолок делаются, главным образом, из железа и жести. Циркуляция воздуха происходит вдоль сушила; состояние воздуха устанавливается согласно принятому режиму сушки. Листы фанеры передвигаются в сушиле посредством попарно расположенных живых валиков или движущейся ленты. Скорость движения материала может меняться по мере надобности.

2. Сушильные (дыхательные) прессы состоят из некоторого количества полых плит (коробчатых калориферах), нагреваемых паром и устанавливаемых горизонтально или вертикально в металлической раме. При помощи соответствующего механизма каждая пара плит плотно сжимается на время от 5 секунд до 5 минут, затем снова открывается на короткое время, в течение которого происходит удаление испаренной влаги и усадка фанеры. Во время сжатия плит, листы фанер сильно нагреваются и в то же время прессуются. Сушка продолжается, в зависимости от сорта и толщины фанеры, до 30 мин.