Способы сушки древесины. Механизм процесса сушки древесины. Сушильные напряжения

Сушка древесины - очень сложный процесс, характер которого определяется одновременным протеканием ряда физических явлений, главными из которых являются:

  • передача тепла материалу от агента сушки или источника тепловой энергии — теплообмен;
  • перемещение тепла внутри материала — теплопроводность;
  • испарение влаги с поверхности материала в окружающую среду — влагоотдача;
  • перемещение влаги внутри материала — влагоперенос.

Классификация видов и способов сушки базируется на особенностях теплообмена материала со средой. По этому признаку различают четыре способа сушки: конвективный, кондуктивныи, радиационный и диэлектрический.

Конвективная сушка основана на передаче тепла материалу путем конвекции от газообразной или жидкой среды.

    Основными способами конвективной сушки являются:
  • газопаровая сушка — сушка древесины нагретыми газами в специальных сушильных устройствах при атмосферном давлении;
  • атмосферная сушка — сушка древесины на открытых складах или под навесом без подогрева воздуха;
  • жидкостная сушка — сушка древесины в нагретых гидрофобных жидкостях и солевых водных растворах;
  • вакуумная сушка — газопаровая сушка древесины при давлении ниже атмосферного

Кондуктивная сушка основана на передаче тепла древесине путем теплопроводности при контакте с нагретыми поверхностями.

Радиационная сушка основана на передаче тепла материалу путем облучения источниками лучистой тепловой энергии (в основном от источников инфракрасного излучения). Этот вид сушки древесины в настоящее время применяется для сушки лакокрасочных покрытий.

Диэлектрическая сушка — это сушка в электрическом поле высокой частоты; тепло материалу передается за счет диэлектрических потерь.

Древесные материалы сушат преимущественно газопаровым способом сушки. Применительно к пиломатериалам, высушиваемым в специальных камерах, этот способ получил название камерной сушки.

Большое распространение имеет атмосферная сушка пиломатериалов. Вакуумная сушка применяется реже, и основном для сушки пиломатериалов твердых лиственных пород. Диэлектрическая сушка используется сравнительно редко из-за высоких цен на электроэнергию. Кондуктивная сушка имеет ограниченное применение в технологии производства фанеры. Сушка в гидрофобных жидкостях получила распространение в технологии пропитки древесины.

    Основные причины движения влаги в древесине:
  • неравномерное распределение влаги по объему материала, котрое вызывает ее перемещение в направлении пониженной влажности; такой характер движения называется влагопроводностью;
  • неодинакова температура по объему пиломатериала, что приводит к движению влаги в направлении пониженной температуры; это явление называется термовлагороводностью;
  • наличие во внутренних слоях древесины избыточного по сравнениюс внешней средой давления, под под действием которого влага в виде направленного потока пара движется в сторону более низкого давления; такое движение называется молярным влагопереносом. Он имеет место при условии кипения воды в древесине например при вакуумной сушке.

Интенсивность влагопроводности возрастает с повышением температуры и увеличением перепада влажности между наружными и внутренними слоями древесины. Интенсивность переноса влаги при термовлагопроводности и молярном влагопереносе возрастает с увеличением разности температуры и давления (соответственно видам переноса) между внутрнними и наружними слоями материала.

Основное внимание в данной статье уделяется изучению камерной сушки лревесииы, так как она имеет наибольшее применение в деревообрабатывающей промышленности. Рассмотрим особенности этого способа сушки древесины. Предположим, что образец древесины в виде широкой доски толщиной S с начальной влажностью Wн, превышающей влажность предела насыщения клеточных стенок Wп.н., помещен в нагретый воздух. Влага по толщине пластины распределена равномерно. Состояние воздуха характеризуется постоянными температурой и влажностью, чему соответствует определенная устойчивая влажность Wу. Сразу же с поверхности доски начнется испарение влаги, которое понизит влажность ее поверхностных слоев. Пока влажность на поверхности будет выше Wп.н., влага в древесине перемещаться не будет. Ее движение начнется, когда вся свободная влага будет удалена с поверхности. С этого момента между внутренними слоями древесины, где влага находится в полостях клеток, и поверхностью, где влага содержится только в клеточных стенках, появится разность капиллярных давлений.

Разность давлений обеспечивает подачу свободной влаги к поверхности по мере ее испарения (рис. 4.1, а, кривая 1). Вначале свободная влага подается из наружных слоев древесины. Влажность поверхности остается при этом постоянной и соответствует приблизительно пределу насыщения. Скорость сушки в этот период постоянна и определяется интенсивностью испарения влаги с поверхности пластины.

По мере удлинения пути движения свободной влаги скорость ее подвода к поверхности уменьшается. Наступает момент, начиная с которого эта скорость становится ниже возможной скорости испарения. Вследствие этого влажность поверхности становится ниже Wпн. По толщине пластины образуются две зоны:

Способы сушки древесины. Механизм процесса сушки древесины. Сушильные 
напряжения

Рис. 4.1 Кривые распределения влажности (W) по толщине доски (S) в процессе сушки для моментов времени (τ) 1-5 (a) и кривая сушки (б)

наружная - с влажностью ниже предела насыщения — и внутренняя, имеющая влажность выше предела насыщения. Скорость сушки будет падать по мере углубления этой зоны ( кривые 2, 3).

В дальнейшем, после удаления всей свободной влаги (кривая 4) по всей толщине доски, сушка существенно замедлится. К концу процесса влажность сортимента стремится к устойчивой влажности (кривая 5). Практически же процесс сушки заканчивают значительно раньше, при достижении древесиной заданной конечной влажности Wк.

Кривая сушки (рис. 4.1,б) состоит из трех участков, соответствующих трем периодам процесса: периоду начального прогрева (отрезок 0— 1), периоду постоянной скорости сушки (отрезок 1-2) и периоду падающей скорости сушки ( отрезок 2—3).

При камерной сушке пиломатериалов продолжительность периода постоянной скорости сушки ничтожна и процесс практически полностью протекает в периоде падаюшеи скорости сушки.

При сушке тонких сортиментов (например, шпона, тарной доски) продолжительность периода постоянной скорости сушки весьма значительна по сравнению с обшей продолжительностью процесса.

Основной причиной перемещения влаги в этом процессе является влагопроводность. Термовлагопроводность наблюдается лишь в период прогрева материала. Процесс сушки древесины сопровождается неравномерным распределением влаги по толщине сортмента. Это вызывает неравномерную усушку древесины и приводит к образованию в ней сушильных напряжений.

Рассмотрим, как возникают и развиваются напряжения в древесине при ее сушке. Пока влажность наружных слоев выше или равна влажности предела насыщения клеточных стенок W п.н., усушки нет и напряжения в материале отсутствуют (кривая 1).

После снижения влажности ниже W п.н. (кривая 2) поверхностные слои стремятся к усушке. Однако этому будут препятствовать внутренние слои, влажность которых пока остается высокой. Поскольку размер поверхностных слоев стремится стать меньше фактического, а внутренние слои еще не усыхают, то в поверхностных солях развиваются растягивающие напряжения (во внутренних слоях напряжения обратного знака - сжимающие).

Если бы древесина была упругой, то возникшие напряжения уменьшались бы по мере снижения перепада влажности и окончательно исчезали при выравнивании влажности в конце сушки. Однако в начальный период процесса сушки влажная нагретая древесина обладает повышенной податливостью к нагрузкам. В результате под действием напряжений в древесине развиваются остаточные деформации удлинения в поверхностных зонах (под действием растягивающих напряжений) и укорочения во внутренних слоях (под действием растягивающих напряжений).

По мере снижения влажности древесина становится менее податливой и в большей мере проявляет свойства упругого тела. Поэтому возникшие в начале процесса остаточные деформации сохраняются и материале до конца сушки.

В результате этого к концу процесса усадка в поверхностной зоне окажется меньше чистой усушки на величину остаточной деформации. В древесине появятся сжимающие напряжения на поверхности и растягивающие напряжения во внутренних слоях материала. Таким образом в процессе сушки происходит смена напряжений. Это означает, что на поверхности материала появились сжимающие напряжения, а в центральных зонах — растягивающие. Если напряжения в какой - либо точке доски достигнут предела прочности, то произойдет ее разрушение. Поскольку древесина имеет наименьшую прочность при растяжении поперек волокон, то разрушение проявится в виде трещины в зоне действия растягивающих напряжений, т.е. к начальной стадии сушки — на поверхности, а в конечной - внутри сортимента. Образование трещин при сушке недопустимо, но избежать напряжений в древесине при конвективной сушке невозможно. Однако при правильном проведении процесса возникающие напряжения не превышают предела прочности и доска остается целой.

В пиломатериалах (брусках, досках) помимо напряжений, вызванных перепадом влажности, зарождаются дополнительные напряжения, причиной которых является неодинаковая усушка древесины в различных направлениях. Например, наружная пласть доски тангенциальной распиловки, более удаленной от центра, усыхает больше внутренней пласти. От этого появляется изгибающий момент и доска изменяет свою форму (коробится).

Древесину необходимо сушить таким образом, чтобы было обеспечено требуемое качество высушенного материала при минимальных сроках сушки. Для этого сушку древесины ведут по особому расписанию, в соответствии с которым в сушилке изменяют состояние воздуха (температуру и влажность). Это расписание называется режимом сушки.

При сушке пиломатериалов необходимо создать такие условия, при которых возникающие напряжения не превышали бы предела прочности. В начальной стадии процесса для этого тpeбуется поддерживать малый перепад влажности по толщине что достигается выдержкой пиломатериалов на воздухе с высокой влажностью. По мере высыхания древесины влажность воздуха следует понижать, чтобы довести материал до заданной конечной влажности, а его температуру следует повышать, чтобы ускорить процесс сушки. По такому принципу построены все режимы сушки пиломатериалов.

: 30 Ноября 2006, : 4753