Конвективная сушка древесины: возможна ли интенсификация без потери качества?

Современное оборудование напоминает единый слаженный организм, в котором каждый рабочий узел отвечает за определённую операцию и является полноправным участником создания продукта. В пильном процессе нет ни малейшей детали, которая бы не несла функциональную нагрузку. Так и прижимной механизм в зависимости от модификации станка имеет свои конструктивные особенности и наделён чёткими производственными «полномочиями».

Некоторые компании уже сейчас заявляют о сушильных камерах нового поколения, способных превратить пиломатериал из плотной древесины солидной толщины в прекрасный продукт для дальнейшей обработки с влажностью до 8% без изменения цвета, появления трещин и других дефектов всего лишь за 17 дней. Понятно, что для такого короткого времени требуется применение жёстких режимов сушки. В данном случае разработчики предлагают в камере создать высокое давление, а максимальную температуру при достижении материалом влажности в 22% довести до 43-45 ˚С.

По их мнению, высокое давление внутри камеры способно предохранять пиломатериал от появления различных изъянов. Пока известно, что максимальный объём загрузки такой камеры не превышает 45 м³, электроэнергия расходуется экономно, а стоимость подобного шедевра способна привлечь потенциальных клиентов.

Безусловно, сектор конвективных камер на рынке насыщен, однако научные изыскания предлагают различные вариации изменения основных параметров сушки, где также есть положительная динамика и результаты, с которыми трудно спорить. Но и внедрять их повсеместно специалисты пока не спешат.

Температурные «игры»

Стереотип, что массовая сушка пиломатериалов наиболее привлекательна для конвективных сушильных камер различного объёма загрузки, прочно укоренился в производстве для большинства западных деревопереработчиков. Данная тенденция не всеми поддерживается в России, но вполне имеет право не только на существование, но и на признание истинности суждения, ибо все методы ведут к истокам — научному обоснованию и апробации.

Суть процесса сушки древесины в камерном исполнении состоит в нагреве высушиваемого материала с целью передвижения влаги из толщины обрабатываемого сортимента на поверхность. Затем влага испаряется с поверхности древесины и переходит в сушильную среду камеры.

По мере увеличения количества влаги в сушильной камере – а данный параметр постоянно подвергается замерам и оценке согласно заданному режиму сушки – влага в виде влажного воздуха выводится из сушильной камеры посредством вытяжных воздуховодов. Перемещение влаги в древесине при камерной сушке происходит за счёт перепада влажности материала. В конвективных камерах нагрев осуществляется благодаря внешним источникам и именно с поверхности древесины.

Поверхностный слой в отличие от других слоёв наиболее быстро нагревается и начинает испарять из себя влагу. В результате происходит снижение влажности на поверхности, тогда во внутренних слоях влага под действием градиента влажности постепенно начинает перемещается к поверхностным слоям. Интенсивность процесса сушки координирует процессы перемещения влаги, что обуславливает состояние выделяемого вещества, это может быть как жидкость, так и парогазовая смесь.

Перепад влажности пиломатериала в центре и на поверхности создаёт внутренние напряжения в усыхающем поверхностном слое. Причём значение данных напряжений возрастает с ростом сушильного потенциала агента сушки. Оттого интенсивность процесса сушки при использовании подобного способа нагрева имеет прямую зависимость от предела целостности материала, а точнее, удержания некоторого критического значения этого перепада влажности центра и поверхности.

Согласно исследованиям, слишком большой перепад и вызывает нарушение целостности материала в виде трещин и коробления сортимента. Управлять перепадом можно посредством изменений температур и влажности агента сушки. Например, увеличить влажность среды в сушильных камерах можно путём оснащения их различными системами в виде распрыскивателей воды или подающих пар устройств в сушильное пространство.

Учёные предложили ускорить конвективную сушку посредством увеличения температуры среды до 90–120 °С. По их мнению, если поддерживать стабильно высокий уровень влажности агента сушки на протяжении всего сушильного процесса, то положительный результат будет обеспечен. При этом нельзя сбрасывать со счетов некоторые особенности высокотемпературной сушки.

Речь идёт об изменении природного цвета древесины: высокий температурный режим от 80°С и особенно после 100°С влечёт неминуемое потемнение древесины, которая, соответственно, приобретает не для всех приемлемый коричневатый оттенок. В большей степени подобный аргумент не устраивает именно тех, кто работает в мебельном производстве. В этом ключе присутствует и оборотная сторона медали — техническая.

Температурная среда в сушильной камере порядка 90 °С может быть создана лишь двумя способами: при участии электрического обогрева либо технологического пара. Электрический обогрев является на сегодняшний день слишком дорогостоящим вариантом, а технологический пар, к сожалению, присутствует не на всех отечественных предприятиях.

Его применение для обогрева камер возможно лишь параллельно другим производственным целям, к примеру, с прессованием. О создании нового парового теплоснабжения тем более никто не задумывается, так как это однозначно нецелесообразно и к тому же весьма накладно с точки зрения сложностей в эксплуатации парового хозяйства.

Сегодня в качестве теплоснабжения конвективного сушильного оборудования основная масса переработчиков древесины применяет водогрейные системы теплоснабжения, которые основаны на котлах с топливным сырьём в виде газа, древесных отходов, угля, жидкого топлива, масла. В такой водогрейной системе теплоносителем выступает вода с температурой 85-90 °С, что не позволяет проводить высокотемпературные режимы сушки. Поэтому учёные рассматривают дополнительные варианты ещё более быстрой по времени сушки, ну и, конечно, без потери качества конечного продукта.

Одна из ступеней интенсификации

В сложном сушильном процессе физические закономерности представлены спектром явлений переноса в одновременном режиме. Особая роль в данном случае отведена поглощению тепла поверхностью материала — теплообмену, перемещению тепла по материалу — теплопроводности и процессам перемещения влаги по материалу — влагопереносу, а также испарению влаги с поверхности материала — влагообмену.

Конвективной же сушке присущи интенсивные перемещения влаги внутри материала и последующее её испарение с поверхности. Причём ведущей проблемой сушильного процесса является не что иное как перемещение влаги из средней зоны обрабатываемого сортимента. Эффективность конвективной сушки во многом определяется возможностью оперативного управления этим процессом и поддержания режимных параметров на заданном уровне.

А поскольку в основе любой системы управления заложены математические описания процесса, то процесс конвективной сушки для научных специалистов уже давно стал объектом возможного моделирования и математического описания сложных физических явлений тепломассопереноса.

На сегодняшний момент единственным широко применяемым техническим приёмом, стимулирующим приток влаги к поверхности пиломатериала, является метод, который базируется на дополнительном прогреве древесины. С повышением температуры диффузия влаги в древесине ускоряется. А температура выступает именно тем важным фактором, чьё влияние на влагопроводность в древесине наиболее существенна.

Передачу тепла к обрабатываемому материалу в процессе конвективной сушки осуществляет влажный воздух. В то же время температура поверхности древесины всегда будет ниже температуры среды на определённую величину, которая и определяет интенсивность теплообмена между средой и телом. Отмечено, что конвективная сушка выделяется тем, что поверхностным слоям древесины присущи пересыхание и довольно быстрое достижение состояния равновесной влажности.

Соответственно, процесс сопровождается постоянным повышением температуры поверхности материала и постепенным приближением к температуре среды из-за испарения гигроскопической влаги. Величина разности температур уменьшается и, соответственно, интенсивность теплообмена снижается, что приводит к неминуемому увеличению продолжительности процесса сушки. Для учёных стало очевидным сокращение общей продолжительности сушки при условии, что удастся избавиться от пассивных периодов.

Для этого они в ходе опытных исследований уменьшили интенсивность испарения влаги с поверхности древесины, а также поддержали более высокую влажность на поверхности в процессе сушки. Более высокая влажность поверхности стала иметь температуру, близкую к температуре смоченного термометра. А значит, на протяжении всего процесса сушки сохранялся больший перепад температур, а, следовательно, и более интенсивный теплообмен.

В дальнейшем значения большего перепада температур и сохранение более интенсивного теплообмена при конвективной сушке достигли при использовании предварительной химической обработки древесины растворами гигроскопических веществ.

На тот момент цель исследования опиралась на изучение распределения температурных полей в древесине при нестационарном теплообмене после химической обработки. Специалистам удалось с достаточной точностью произвести расчёт затрат тепловой энергии на сушку, а также произвести корректировку существующих режимов.

Процесс конвективной сушки после предварительной химической обработки характеризовали кривыми сушки и температуры. Исследования данных кривых проводилось на свежесрубленной древесине дуба, ясеня, бука и лиственницы. Начальная влажность древесины составляла 55−80%, а размер заготовок 40х100х400 мм и 50х100х400 мм.

Каждая из заготовок подверглась трёхчасовой химической обработке. После чего торцы заготовок были покрыты двойным слоем нитроцеллюлозного лака, чтобы полностью исключить испарение влаги с торцов. Далее образцы подвергли сушке в камере с низкотемпературным режимом с интервалом температур 60−80°С.

Кстати, текущую влажность древесины в процессе сушки производили весовым методом, а для измерения температуры использовали хромель-копелевые термопары. За пределами сушильной установки термопары изолировали кембриком. В качестве дополнительного прибора при вторичном замере использовали милливольтметр ППР6. Обеспечить требуемую точность данных термопары можно было лишь при заделывании боковых кромок образцов.

Для чего в боковых кромках просверлили отверстия диаметром в 2 мм при строгой фиксации вертикального положения образцов, а затем вставили термопары вместе с сухими пробками. Погрешность от жесткости нависающих термопар исключили путём их размещения в свободном, но строго фиксированном положении. Накануне каждого опыта образцы взвешивались на весах с термопарами и без них. Результаты исследований температурных полей и кривых влажности на примере древесины лиственницы фиксировали.

На первой ступени режима сушки температура агента сушки, температура смоченного термометра, а также характер изменения температуры на поверхности натуральной древесины и пропитанной хлоридом натрия имели отличия. Опыт показал, что температура древесины в процессе сушки постоянно повышалась. Температурный перепад между температурой среды и поверхностью непропитанных заготовок к концу первой ступени оказался равным 0,2 °С.

Это означало, что с таким небольшим перепадом температур интенсивность теплообмена мала, что внутрь древесины подводится недостаточно тепла и процесс сушки замедляется, несмотря на то, что влажность внутри материала ещё довольно высокая. Температурный перепад между температурой среды и поверхностью заготовок, пропитанных хлоридом натрия, к концу первой ступени составил 0,4 °С. Такая же закономерность распределения температур наблюдалась на второй и третьей ступени, а также при сушке пиломатериалов других пород и толщин.

По данным исследования учёного Леонида Кротова, в процессе сушки максимальный перепад температуры по сечению доски, отмечался в начале каждой ступени и составлял 2−3 °С. В это время происходило интенсивное испарение влаги из материала. Но данный перепад сохранялся непродолжительное время. Затем он быстро стал уменьшаться и к концу каждой ступени составлял лишь 0,1−0,4°С. Завершение каждой ступени процесса сушки сопровождалось таким замедлением, что в отдельных случаях невозможно было фиксировать даже убыль веса пиломатериалов, несмотря на наличие психрометрической разности и градиента влажности.

Древесина, обработанная гигроскопическим раствором, имела более равномерное распределение влаги по сечению материала в процессе сушки. Это объяснялось снижением интенсивности испарения влаги с поверхности пропитанной древесины. Что способствовало более длительному сохранению перепада температур между температурой поверхности материала и температурой среды по сравнению с натуральной древесиной.

Кривые влажности в процессе конвективной сушки натуральной древесины и после химической обработки сравнили. Древесина, обработанная гигроскопическим раствором, имела более равномерное распределение влаги по сечению материала в процессе сушки. Это объяснялось снижением интенсивности испарения влаги с поверхности пропитанной древесины. Что способствовало более длительному сохранению перепада температур между температурой поверхности материала и температурой среды по сравнению с натуральной древесиной.

Древесина всегда являлась анизотропным материалом, обладающим неодинаковыми свойствами в различных направлениях. Поэтому её термическое сопротивление зависит и от направления теплового потока. Обусловлено это тем, что 75−90% клеточных стенок всех анатомических элементов ориентированы вдоль оси ствола дерева. Наибольшее термическое сопротивление древесина имеет в тангенциальном направлении, несколько меньшее в радиальном и самое малое вдоль волокон.

У лиственных пород с хорошо развитыми сердцевинными лучами различие термического сопротивления в радиальном и тангенциальном направлении достигает 12−15%. Практически не наблюдается различий термического сопротивления в тангенциальном и радиальном направлении у древесины хвойных пород. Поскольку имеющиеся сердцевинные лучи узкие и однорядные. Большое влияние на термическое сопротивление «оболочки» оказывала влажность.

Как показали исследования, максимальное значение термического сопротивления «оболочки» достигается в абсолютно сухом состоянии. При повышении влажности концентрация соляного раствора понижается и термическое сопротивление «оболочки» уменьшается.

Таким образом, учёными был сделан вывод о том, что предварительная термохимическая обработка растворами гигроскопических веществ оказывает большое влияние на теплофизические свойства и механизм последующей конвективной сушки древесины:
— интенсивность убыли влаги на всём протяжении процесса сушки носит более равномерный характер;
— в процессе конвективной сушки древесины понижается интенсивность испарения влаги с поверхности материала;
— характер кривых влажности в материале параболический, но с меньшим перепадом влажности между центром и поверхностью;
— более высокий перепад температур между температурой среды и поверхностью материала способствует более интенсивному теплообмену и позволяет также дополнительно стимулировать ток влаги в материале.
— снижение термического сопротивления «оболочки» способствует более интенсивному перемещению тепла во внутренние слои, тем самым дополнительно стимулирует ток влаги к поверхности материала.

Установленные опытным путём закономерности исследователи рекомендовали учитывать при моделировании процессов конвективной сушки термохимически обработанной древесины. Предложений, прошедших испытания, не счесть, но не все они оказались жизнеспособны, не смотря на свою историческую зрелость. Многие из методов и способов по-прежнему остаются на бумаге и ждут своего часа пока на смену им приходят новые решения, оформленные в современном стиле технологий.