Сушка древесины: в гонке за производительностью

Если в процессах обработки древесины на первом месте стоит распиловка, то второе по праву занимает сушка древесины. На производительность предприятия сушильные камеры влияют самым прямым образом, а значит, они сами должны работать очень быстро и качественно. Какими способами можно ускорить этот процесс?

Из дерева свойств не выкинешь

Скорость и производительность сушильной камеры — понятия, которые тесно взаимодействуют друг с другом: чем быстрее сушится древесина, тем больший объём материала может обработать сушильная камера.

«Иногда покупатели спрашивают у нас о конкретном времени сушки определённого материала, но определить его можно только приблизительно: слишком много факторов, которые нужно учитывать: это и время заготовки древесины, её вид, толщина, длина, начальная влажность, правильность консервации и хранения», — говорит директор ООО «М-Импульс» Михаил Граховский.

Можно ли ускорить процесс сушки? Этот вопрос нужно рассматривать с разных сторон. Под определённую технологию разрабатывается и определённая конструкция камеры.

При обезвоживании древесины удаляется сначала свободная капиллярная влага, которая имеет менее прочную связь с древесиной, а затем удаляется связанная влага. Она может иметь три формы в порядке убывания энергии: мономолекулярную, полимолекулярную адсорбцию и капиллярно-конденсационную.

Движение жидкости по капилляру осуществляется в ламинарном режиме, но имеет замкнутые воздушные включения, что приводит к резкому гидродинамическому сопротивлению среды. Газ постепенно растворяется, и диффузионная проводимость стенки для влаги снижается.

Какой бы ни была сушильная камера, пусть даже самой современной, скорость удаления влаги изменить она не сможет. Эксперты выделяют один постоянный фактор — прозрачность стенки капилляра.

«Движущими силами являются градиенты: капиллярного, осмотического и расклинивающего давления, давления пара, двухмерного газа и набухания, концентрации влаги (влажности), химического потенциала и температуры.

Здесь имеет значение радиус капилляра, его смачиваемость, так как упругость насыщенного водяного пара над менисками, которые образует влага в капиллярах, прямо пропорциональна его диаметру.

Коллоидное состояние капилляра по мере его высыхания стекленеет.

Ускорить процесс капиллярной диффузии можно оптимизацией нагрева и вакуума. Чтобы нагреть один литр воды до 100 °C, необходимо затратить 0,7 кВт», — утверждает Михаил Граховский.

Сушка древесины — сложный физико-химический процесс, причём качество продукта зависит не только от конечного содержания влаги, но и от течения процесса. Основная задача — с минимальными затратами испарить и сконденсировать воду, которая есть в древесине. Для этого применяется кондуктивный (контактный) подвод тепла непосредственно к поверхности древесины. Образовавшийся пар конденсируется пассивным и активным способом в теплообменниках.

Применение вакуума позволяет снизить тепловые затраты почти в два раза.

Очень многое решает уровень подготовки оператора, который занимается организацией сушки. Именно он составляет программу сушки и определяет, как именно будет происходить этот процесс (причём в зависимости от того, каким оборудованием он располагает).

«Умение правильно организовать процесс сушки приходит с опытом. Как правило, каждый оператор знает, на каком этапе и что именно нужно сделать с древесиной, чтобы достичь качественного продукта», — отмечает генеральный директор ООО «Нарди Ру» Александр Мещеряков.

На производительность, а значит, и скорость работы сушильной камеры влияет местоположение оборудования: здесь играют большую роль такие климатические факторы, как атмосферное давление, температура, влажность воздуха и прочее.

Для сравнения, скорость сушки древесины в камере, которая находится в Ханты-Мансийске, будет очень сильно отличаться от скорости сушки в Краснодаре по одной и той же программе. Поэтому первая сушка проводится с корректировкой программы, чтобы адаптировать камеру к месту её установки.

Скорость не равна качеству

Помимо перечисленных факторов, каждая древесина имеет свой режим сушки. Но опять же, пытаясь ускорить работу сушильных камер, некоторые деревообработчики иногда пренебрегают установленными требованиями.

К примеру, «загоняют» дерево в неподходящий высокотемпературный режим, забывая о том, что в момент, когда вода переходит в состояние пара в капилляре, срабатывает закон физики и «рвёт» его.

«Если очень сильно нагреть материал, он придёт в негодность. С каждым повышением температуры даже на несколько градусов он потрескается по хордовым капиллярам.
Причём бывает так, что снаружи доска будет выглядеть «чистой», но при распиловке вы обнаружите внутри древесины трещины шириной до 5 мм», — объяснил Михаил Граховский.

Перед тем как начать сушить древесину в высокотемпературном режиме, нужно сделать её более эластичной: сначала распарить, а потом резко нагреть. Тогда можно увеличить скорость сушки материала и производительность предприятия в целом. Но, к примеру, хвойные сосна и ель, которые сушатся быстрее всего, достаточно хорошо выдерживают перепады температуры. Изменения температуры между режимами сушки на 3-5, а то и 10 °C приведут к растрескиванию лиственных пород, потому что годичные кольца не пропитаны связующим веществом вроде смолы.

Чаще всего древесина начинает трескаться по ядру и хордовым капиллярам, потому что формирование волокна и увеличение роста капилляров начинается именно оттуда. Структура ядра менее прочная, поэтому и образуются трещины. Особенно это характерно для твёрдых пород типа дуба.

«Технологически это решаемый вопрос, но таких конструкций я пока не видел.

Они обойдутся очень дорого, деревообработчики могут потерять большие деньги на экспериментах. Выбрасывать древесину на дрова чревато очень большими потерями, поэтому лучше применять подходящие отработанные режимы сушки. Существуют специальные программы сушки, которыми технолог может адаптировать сушильную камеру под каждую древесину. Любая программа может ускоряться или удлиняться, поэтому каждый определяет для себя, какого качества материала он хочет добиться.

Увеличивая скорость, мы должны быть готовыми к тому, что можем потерять в качестве.

Я, например, сам сталкивался с тем, что неподготовленные операторы не соблюдают режимы сушки, получая в итоге отрицательный результат», — вспоминает Михаил Граховский.

Чтобы ускорить процесс сушки, иногда в одну камеру загружают разные породы древесины. Мягко говоря, использовать такой метод не рекомендуется, потому что результаты бывают удручающие.

«Недавно на одном из предприятий в одну большую камеру положили две породы дерева — снизу берёзу, а сверху сосну. Берёза не досохла, а сосна высохла до 6 %.

Так получилось из-за разной структуры пород, которые требуют разной продолжительности процесса: сосна в среднем сохнет одни сутки, а берёза — трое.

В такой ситуации ждать, когда досохнет берёза, было бессмысленно: сосна могла «закаменеть», да к тому же это бы привело к лишней трате тепловой энергии. В любом случае так сушить разные породы вместе нежелательно.

Однако такой способ всё равно применяют, особенно если требования у заказчика невысокие и ему не так важно качество материала», — приводит пример директор ООО «М-Импульс».

Он также отметил, что разные породы древесины нежелательно смешивать не только по перечисленным причинам. Каждому отдельному типу древесины присуща своя «химия». Например, в составе сосны около 40% уксусной кислоты, в берёзе — 60%, а в дубе и вовсе под 80%.

У всех свой запах летучих веществ, поэтому та же берёза будет пахнуть сосной, что тоже не очень хорошо.

Тепло, объёмы, технологии

Если попытаться разграничить понятия «скорость» и «производительность», то последнюю можно рассмотреть с точки зрения объёма сушильной камеры.

С одной стороны, чем больше древесины можно вместить в помещение камеры, тем большей производительностью она будет обладать.

На самом деле, это вопрос рентабельности. Если мелкому частному производителю с небольшим объёмом древесины достаточно 1-5-кубовой камеры, то крупным предприятиям нужны большие 100-кубовые сушилки.

Конечно, намного сложней создать 100-кубовую вакуумную камеру, чем конденсационную или конвекционную.

Александр Мещеряков отметил, что скорость сушки зависит ещё и от количества тепловой энергии. В идеале под каждый объём сушильной камеры подбирается оптимальное оборудование. Естественно, сама сушильная камера должна соответствовать заданным показателям по тепловой мощности и по воздушному потоку, который обеспечивают вентиляторы.

Но иногда возникают ошибки, когда, например, в большую сушильную камеру подают недостаточно тепловой мощности.

«Если котельная будет подавать в сушильную камеру необходимое количество тепла, скорость нагрева камеры и поддержания заданной температуры будет достигаться быстрее, тем самым ускоряя процесс сушки. А это выгоднее с точки зрения себестоимости процесса.

Если же тепла недостаточно, время цикла сушки увеличивается, а это влечёт за собой дополнительные расходы на электроэнергию», — объясняет Александр Мещеряков.

Производители должны заверять показания по тепловой мощности, чтобы подавать необходимое количество тепла. Но иногда в стремлении удешевить продукцию некоторые из них устанавливают меньше вентиляторов или калориферов, которые в итоге нагревают воздух в камере с намного меньшим показателем тепловой мощности, чем того требует объём сушильной камеры.

Из-за такой экономии сушка будет медленней, поэтому в данном случае скорость и производительность сушильной камеры зависит от добросовестности производителей.

Генеральный директор ООО «НардиРу» рассказал о новой разработке туннельных вентиляторов, которые увеличивают скорость воздушного потока — их производительность увеличена в среднем на 20-25 %.

По его словам, процесс сушки можно не только ускорить, но и сделать более выгодным.

«Для примера, если в сушильную камеру устанавливают около 10 стандартных вентиляторов, то новых туннельных вентиляторов потребуется девять.

С новым оборудованием объём воздуха, прогоняемого через штабели, будет равнозначен тому объёму воздуха, который прогоняет 10 обычных вентиляторов. За счёт того, что теперь их нужно меньше, можно сэкономить на электроэнергии. Допустим, мощность одного вентилятора 4 кВт, в среднем 1 кВт стоит около 4 рублей. Таким образом, за один год первоначальные вложения полностью окупаются только за счёт меньшего потребления электроэнергии.

Кроме нас вентиляторов с такой производительностью пока никто не придумал», — заявил Александр Мещеряков.

Камер много, материал один

Прежде всего деревообработчиков интересует цена, эффективность работы, качество получаемой продукции, безопасность эксплуатации и минимизация отходов. Не менее важны универсальность и автоматизация процесса сушки, возможность дистанционного контроля и так далее. Какой же сушильной камере отдать предпочтение?

В зависимости от технологии нагрева, выделяют атмосферные, конвективные, конденсационные, вакуумные, пресс-вакуумные, инфракрасные, СВЧ-камеры, лиофильные и другие. Даже из наименований можно понять, как работает та или иная камера. Чем они отличаются?

Одна из самых распространённых сушильных камер — конвекционная. Древесину в такой камере сушат в так называемой статике: её кладут через прокладки в штабели, не подвергая какому-либо механическому воздействию.

Доски обдувают горячим потоком воздуха, который нагревается за счёт установленных в камере калориферов, влага перемещается от центра доски к поверхности, затем пар выносят наружу вместе с теплом.

Эту технологию разработали ещё более 100 лет назад, с тех пор она практически не изменилась. Разве что ввели дополнительные системы контроля, но они призваны облегчить работу оператору, а скорость сушки в конвекционной камере осталась прежней.

Пресс-вакуумная камера работает по другому принципу: здесь древесина находится в динамическом режиме сушки. На неё оказывают механическое воздействие, периодически сжимая древесину через мембрану.

Конечно, древесина в пресс-вакуумной камере отдаёт влагу быстрее, потому что на неё периодически действуют импульсы в виде вакуумного удара. Эластичная древесина отдаёт лёгкие фракции и получает дополнительное уплотнение.

Михаил Граховский рассказал, что иногда экспериментирует с резким повышением температуры, импульсным методом сушки, а бывало, что периодически резко понижал вакуум и затем поднимал давление.

Он отметил, что иногда такие эксперименты, как переход воды в пар без нагрева с использованием ультразвука, давали положительные результаты и улучшали качество отдачи влаги.

В вакуумной камере влага двигается по волокнам в жидком виде и испаряется на неровностях, конденсация влаги происходит как внутри, так и за пределами камеры. В ней ускорить процесс сушки можно путём изменения точки кипения воды.

Как рассказал гендиректор «Нарди Ру», это нужно делать именно в момент перехода воды в пар, когда водопроводящая влага выходит из древесины на поверхность и удаляется из неё. Поэтому вакуумы применяются для того, чтобы сэкономить на подводе тепловой энергии к пиломатериалу.

ИК, СВЧ — польза или вред?

В основе работы инфракрасной сушильной камеры лежит ИК-излучение. Технология такова: вода внутри древесины поглощает определённый спектр лучей, затем нагревается и испаряется. При этом режим сушки задаёт термостат, который задаёт температуру по каждому отдельному штабелю.

«Я считаю, что инфракрасная сушильная камера имеет очень маленький диапазон температуры и затрачиваемой мощности, необходимой для испарения 1 литра воды.

Предлагаемые камеры с ИК-способом нагрева чаще работают как обычные термические камеры. Чем короче длина волны ИК-лучей, тем меньше глубина её проникновения в древесину.

Так, длина волны ИК-излучения в один микрон имеет глубину проникновения в древесину всего три мм, и разогрев молекул воды происходит за счёт теплопроводности или конвекции с большими затратами.

Я считаю, что этот способ нагрева предназначен для сушки покрашенной поверхности и не подходит для сушки древесины. Такая камера не может ускорить или улучшить сушку древесины. По моему мнению, надо к древесине прикладывать весь спектр температур «чёрного тела», чтобы увеличить КПД, скорость и качество сушки», — уверен Михаил Граховский.

Похожее мнение у него и по поводу СВЧ-камер. Как физический процесс для нагрева, СВЧ-техника имеет право на жизнь в сушке древесины, но создавать СВЧ-камеры с нарушениями технологии их изготовления и законов физики СВЧ-полей с целью экономии на материалах даже опасно.

«Делать такие камеры можно, но я не рекомендую идти по такому пути, исходя лишь из особенностей разогрева неполярных молекул воды в высокочастотном поле.

Эти камеры по каким-то причинам разрабатывают из нержавеющей стали, забывая о поверхностном скин-эффекте. Токи протекают по поверхности материала корпуса камеры, и чем большее сопротивление, тем большее количество тепла они ей отдают. Почти половина мощности генератора тратится на нагрев корпуса камеры, КПД такой камеры менее 30%.

СВЧ-камеры нужно как минимум делать из алюминия или покрывать такими составами, которые имеют минимальное поверхностное сопротивление», — считает эксперт.

Ещё один недостаток конструкции — отсутствие резонанса в заполненной влажным материалом камере, который подразумевает образование СВЧ-полей. Более влажные зоны будут перегреваться и приводить к высокочастотному пробою. В тех местах, где сосредоточено больше влаги, нагрев будет сильнее и может произойти возгорание.

Михаил Граховский отметил, что самая серьёзная проблема — большая мощность облучения оператора СВЧ-камеры и согласование ЭМС с радиочастотным центром.

Любое место технологической стыковки в сушильной камере будет излучать эти мощности в пространство и отрицательно воздействовать на работников и людей, которые находятся рядом, что может привести к серьёзным заболеваниям.

Это далеко не полный перечень замечаний эксперта к данной конструкции. В целом СВЧ-нагрев хоть и предназначен для сушильных камер, особенно больших, но он требует тщательного подхода к их изготовлению.

А может быть, всё-таки удастся соединить все технологии и получить одну большую камеру с огромной производительностью? Пока что совместить их не удаётся, поскольку производители каждого типа сушильных камер работают в абсолютно разных направлениях, имея разный уровень подготовки и разные производственные базы. Поэтому пользуются существующими способами улучшения производительности сушильной камеры.

Вывод таков: ускорить процесс сушки можно, но не потерять при этом в показателях качества и рентабельности пока что остаётся сложной задачей.

---

Текст: Валентина Лескина