Лиственнице нужен особый подход

Профессионалы знают, как капризна лиственница при сушке. Мало того, что сушка длится в 2,5 – 3 раза дольше, чем сушка сосны, что само по себе затратно, так ещё и нет 100-процентной гарантии, что каждую партию удастся высушить качественно.

Может быть поэтому, несмотря на свои уникальные характеристики, эта порода не находит столь широкого применения в строительстве и изготовлении столярных изделий.

Свежий взгляд и неординарный подход к решению проблемы конвективной сушки лиственничных пиломатериалов предложил учёный Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва Шакур Зарипов, защитивший диссертацию о совершенствовании технологии сушки лиственничных пиломатериалов.

– Шакур Гаянович, расскажите, чем ваш подход к сушке отличается от общепринятого?

– Общепринятая технология сушки древесины основана на физике капиллярных явлений, когда древесину представляют в виде открытой проводящей системы. Проще говоря, системой микротрубочек, которые с одной стороны открыты, поэтому вода, испаряясь с поверхности доски, восполняется за счёт сил, образующихся на стенках сосудов. Таким образом, происходит своеобразное вытягивание влаги, что приводит выводу влаги из центра доски на поверхность.

Данный подход позволил математически обосновать процесс удаления влаги из древесины как капиллярно-пористого тела. Основоположником этого подхода является академик Алексей Васильевич Лыков.

Все процессы, которые касались таких пород, как сосна, берёза, описаны очень убедительно. Но древесина лиственницы, в отличие от других пород, во многом не согласуется с «классическими» представлениями.

В изучение сушки лиственницы большой вклад внесли коллеги с кафедры теплотехники нашего СибГТУ: Л. Н. Кротов, В. Н. Ослонович, Н.В Дзыга и другие.

Л. Н. Кротов и В. Н. Ослонович в одной из своих работ экспериментально доказали наличие избыточного давления в древесине лиственницы при конвективной сушке. Н. В. Дзыга экспериментально проверил возможность сушки лиственничных пиломатериалов в горячей воде. Однако результаты экспериментов объяснить они не смогли.

Мне представляется, что их основная ошибка заключалась в приверженности подхода, применяемого к сушке других пород, который не учитывает возможности запуска реакций гидролиза в древесине лиственницы при незначительном повышении температуры. В этой связи пришлось создавать своё понимание о процессе конвективной сушки лиственничных пиломатериалов.

Мои предположения основывались на сведениях, которые изложены в специальной литературе по пропитке древесины лиственницы, где процессы массопереноса рассматриваются в закрытой системе.

Проведя ряд экспериментов, я пришёл к выводу, что низкотемпературные режимы не учитывают особенности строения данной породы древесины, из-за которого в центре доски возникает избыточное давление. Поэтому отечественные и зарубежные режимы сушки не в состоянии обеспечить высокое качество сушки лиственничных пиломатериалов.

– Расскажите, какие эксперименты подтолкнули вас к таким выводам.

– Первый эксперимент – простой по сути, но глубокий по содержанию.

В засверленный канал в лиственничном образце была вставлена медная трубка. Другой конец трубки был выведен в сосуд с водой. После нагрева образца в течение трёх часов при температуре 60⁰С из образца стали выделяться пузырьки. Это указало на то, что при нагреве древесина лиственницы переходит в химически активную систему.

В результате образуется парогазовая смесь, которая выводит содержимое древесины, включая воду. 

Последующие эксперименты показали, что наиболее интенсивно происходит вывод воды в течение первых 24-30 часов сушки. После указанного периода интенсивность выделения воды снижается в несколько раз. При более внимательном анализе процессов удаления воды пришёл к выводу о том, что плотность древесины лиственницы какого-либо значимого влияния не оказывает.

Основным фактором, который формирует интенсивность выделения воды из древесины лиственницы, являются экстрактивные вещества. 

В процессе сушки лиственничных пиломатериалов было обращено внимание на то, что периодически температура в центре доски повышалась практически до уровня температуры окружающей среды.

Такое может происходить только в том случае, если есть источник энергии. Таким источником является комплекс химических процессов, которые формируются в древесине при повышении температуры. 

В результате было установлено, что в процессе низкотемпературной сушки из древесины лиственницы на поверхность доски выделяется две основных группы веществ: парогазовая смесь и водный раствор экстрактивных веществ. Парогазовая смесь и вода с поверхности удаляется испарением и элементарным сливом. На поверхности доски остаются экстрактивные вещества.  

Эксперименты показали, что при температурном интервале в 40-45°С из древесины лиственницы выделяется множество веществ, таких, как фенол, формальдегид.

Неслучайно, у операторов сушильных камер формируется целый букет профессиональных заболеваний.

По аналогичной схеме происходит сушка пиломатериалов таких пород, как ель, пихта.

Больше всего пахучих веществ даже не в лиственнице, а в ели. Ёлка – самая «пахучая». Для минимизации негативного воздействия на здоровье операторов еловые пиломатериалы стараются сушить в камерах, находящихся подальше от лаборатории, так как именно из пиломатериалов данной породы выделяется значительное количество пахучих веществ.

— Как это проявляется при сушке?

– При сушке из древесины лиственницы вытесняется содержимое клеточного пространства под действием избыточного давления. В результате на поверхности доски образуется полимерная плёнка, блокирующая вывод воды из древесины.

Целесообразно конвективный процесс сушки низкотемпературными режимами начинать с температуры 40-42°С. Указанный температурный уровень позволяет максимально увеличить период интенсивного удаления влаги из древесины лиственницы.

– А что это за вещества? Их состав известен?

– Экспериментально установлено, что избыточное давление в центре доски – величина переменная и во многом зависит от периода сушки. В начальный период давление не превышало 20 кПа, интенсивность вывода воды достигает максимальных значений. Продолжительность этого периода составляет 11-60 часов.

Второй этап сушки характеризуется резким повышением избыточного давления и понижением интенсивности сушки. Продолжительность этого периода составляет от нескольких десятков часов до сотен.

Химический анализ веществ, которые выделяются из древесины лиственницы при сушке низкотемпературными режимами, показал, что в парогазовой смеси содержится порядка 139 компонентов, а в водном растворе, кроме непосредственно воды – водорастворимые вещества. Основная масса – это арабиногалактан. 

Данное вещество обладает таким свойством, как способность удерживать значительное количество воды. Поэтому, накапливаясь на поверхности доски, оно впитывает воду как из непосредственно центра доски, так и из окружающей среды. Такое впитывание приводит к набуханию – на поверхности доски образуются пузырьки, наполненные водой.

Любое изменение температуры приводит к тому, что пузырьки лопаются, вследствие чего образуется полимерная плёнка, которая практически блокирует вывод содержимого древесины – интенсивность сушки снижается в несколько раз по сравнению с первоначальным периодом. 

Данный механизм образования плёнки есть защитная реакция дерева на внешнее воздействие. Что это значит? Дерево запускает механизм защиты от организмов-вредителей, а также от возгорания. Возьмём подсочку, сбор смолы. Делаются надрезы (раны на стволе), и дерево пытается защититься путём выделения на поверхность вещества, которое заделывает эти раны. По сути, мы высасываем «содержимое» дерева. Отсюда и слово «живица». Дерево себя защищает.

Я пришёл к выводу, что повышение температуры древесины при сушке – тоже своего рода реакция на стресс.

– Но как же так, ведь древесина – это уже не живое дерево.

– Для реализации вышеприведённого механизма образования защитной плёнки не обязательно иметь живое дерево. Примеров, когда неживая система работает по аналогичной схеме, можно привести великое множество.

Самым наглядным примером может служить современный двигатель внутреннего сгорания. ДВС – это не живой организм. Но функционирующая система, реагирующая на различные факторы, выводит работу двигателя на оптимальный уровень. Древесина в данном случае тоже представляет систему, которая реагирует на температуру и другое воздействие.

Врагов у дерева очень много. Каждый пытается полакомиться, и тем не менее, деревья живут и процветают, но в определённых природных условиях. Древесина напичкана самыми разными веществами.

Согласно литературным источникам на настоящий момент установлено порядка 3600 видов экстрактивных веществ в древесине различных пород.

Поэтому каждая порода древесины выделяет свои защитные вещества, которые уничтожают патогенную флору. Используя эти свойства, бондари делают бочки, в которых можно в любую жару хранить продукты питания, и они не испортятся. Раньше в деревнях, например, молоко возили на покос в берестяных туесках, и оно не закисало в жару.

Или другой пример. Когда опадает лист, дерево начинает готовиться к зиме, вырабатывает вещества, которые связывают влагу, чтобы не образовался лёд. Природа все предусмотрела, эти вещества по весне являются питательной средой для того, чтобы распустились листья.

– Давайте поговорим о вашей диссертации. Как она называется?

– «Совершенствование технологии сушки лиственничных пиломатериалов». Само понятие «совершенствование технологии» предполагает улучшение через более точный учёт факторов, которые оказывают влияние на изучаемый процесс. Для этого необходимо своевременно переходить с одного температурного уровня на другой, что позволяет поддерживать интенсивность удаления воды из древесины лиственницы на максимальном уровне.

Такой подход позволяет максимально сократить время сушки и, как следствие, снизить энергетические затраты.

– А что у вас за сушильная камера в институте?

– В процессе работы над диссертацией было создано несколько сушильных установок – от настольной до полупромышленной. Каждая установка создавалась для проведения определённого вида исследований. Так, для изучения основных закономерностей процесса удаления влаги была создана установка, где размер образцов по длине ограничивался 50 см.

Для проверки полученных закономерностей была смонтирована полупромышленная камера, где размеры образцов по длине составили 2 м.

После отработки режимов в полупромышленной камере была проведена их апробация уже на промышленной площадке в сушильных камерах итальянского производства «Nardi».

В результате полученных исследований было установлено, что сушка лиственничных пиломатериалов происходит не за счёт испарения влаги с поверхности – оно вторично –, а за счёт избыточного давления.

— Шакур Гаянович, это только у лиственницы так? Почему для своих исследований вы выбрали именно эту породу?

– Древесина лиственницы – это проблемная древесина. Поэтому она для меня представляет научный и практический интерес. Мне кажется, что я смог чуть-чуть расширить круг знаний о данной древесной породе, посмотрев на нее с несколько с другой стороны.

Думаю, что по подобной схеме происходит сушка и многих других пород. Но это уже другой вопрос.

– Как вы предлагаете усовершенствовать процесс сушки с учётом полученных вами данных?

– Нет смысла пересказывать все тонкости проведённых исследований. Остановлюсь на основных положениях, которые следуют из полученных данных.

Основные выводы, которые следуют из работы:

• для сушки лиственничных пиломатериалов необходимо использовать многоступенчатую структуру режимов, основанную на восходящей закономерности;
• температура первой ступени режима не должна превышать 40-42 ⁰С, что обеспечит максимальную интенсивность удаления воды из древесины;
• температурный интервал между ступенями составляет 5-8 ⁰С;
• момент перехода с одной ступени на
  другую следует устанавливать по интенсивности удаления воды, а не по усреднённому значению содержания воды в древесине;
• влаготеплообработки в том виде, который рекомендуется РТМ по сушке имеют низкую эффективность;
• для выравнивания влагосодержания в лиственничных пиломатериалах, прошедших сушку, рекомендуется проводить выдержку в течение 72 ч. при температурах, при которых предполагается эксплуатировать производимое изделие;
• осушение агента сушки в сушильных камерах периодического действия необходимо проводить аналогично технологии, которая применяется в установках непрерывного действия по принципу: сколько воды вытесняется из древесины, столько удаляется из сушилки;
• рациональной технологией осушения воздуха в сушильной камере следует считать такую, которая удаляет воду в замкнутом цикле, пропуская часть парогазовой смеси через конденсатор, где хладагентом является холодная вода, взятая из водопровода.

Промышленный эксперимент в полной мере подтвердил состоятельность теоретических гипотез и достоверность результатов экспериментальных исследований, проведённых в лабораторных условиях.

Предлагаемая в работе структура режимов сушки лиственничных пиломатериалов какого-либо значимого влияния на окончательные показатели образования поперечного коробления и трещин не оказывает.

Промышленное применение разработанных режимов сушки позволяет сократить продолжительность сушки лиственничных пиломатериалов не менее чем на 10 %.

Одно из перспективных направлений, на мой взгляд, сушка под вакуумом.  Вакуум позволит создавать условия, при которых формирование блокирующего слоя будет невозможным. Однако этот вопрос требует дополнительного изучения.

Для практиков очень важен аспект: использовать в процессе сушки лиственницы впрыск воды или нет. Это обязательная технологическая операция, которая, по мнению разработчиков сушильных камер, влияет на качество сушки.

Это правильно тогда, когда сушка пиломатериалов рассматривается в призме испарения влаги с поверхности. А когда речь идёт о выделении влаги под воздействием внутреннего давления, этот механизм не работает. Если на поверхности пиломатериал образовалась плёнка, то влага извне не может проникнуть в древесину. Поэтому проводить впрыски в данном случае – занятие бессмысленное.

В процессе всего периода сушки относительную влажность целесообразно поддерживать на уровне 87-90 %. Для этого при значительном снижении влажности древесины необходимо увлажнять высушиваемую древесину, чтобы не допустить образование трещин.

Также в процессе изучения проблем сушки лиственничных пиломатериалов было обращено внимание на экологический аспект. В настоящее время конвективную сушку пиломатериалов принято относить к экологически чистым производствам. На самом деле это далеко не так.

При сушке лиственничных пиломатериалов выделяется значительное количество веществ, которые загрязняют окружающую среду. К таким веществам относятся фенол и формальдегид и многие другие. Поэтому есть необходимость разработки мероприятий по нейтрализации вредных веществ, которые выделяются из древесины лиственницы при конвективной сушке на окружающую среду.

Думаю, вариантов решения великое множество. Мы только в начале пути.

– Шакур Гаянович, насколько экономически оправданна предлагаемая вами технология сушки?

– При определении экономической эффективности предлагаемых мероприятий за базовый вариант были взяты режимы по ГОСТ 19773-84 «Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия».

Основной недостаток режимов по ГОСТ 19773-84 – это неэффективное расходование тепловой энергии на процесс сушки. Это связано с затягиванием межступенчатых периодов, когда имеют место временные отрезки с нулевой интенсивностью удаления воды. Поэтому своевременный переход с одной ступени на более интенсивную является основным преимуществом предложенной технологии сушки. Отказ от применения впрыска для проведения влаготеплообработок на любом этапе сушки также приводит к экономии тепловой энергии.

Однако основным фактором экономии тепловой энергии является применение рациональной технологии осушения агента сушки. Предлагаемая технология осушения исключает выброс в атмосферу огромного объёма тепловой энергии вместе с увлажнённым, но содержащим значительное количество тепла.

В работе дано обоснование применения осушителя, где охлаждающим элементом является вода, взятая из холодного водопровода. Суммарная экономическая эффективность от предлагаемых мероприятий составит порядка 37,4%. 

– Спасибо за интервью, Шакур Гаянович! Надеюсь, ваши начинания подхватят сибирские коллеги и учёные из других институтов.

---

ДЛЯ СПРАВКИ

Разработкой режимов сушки пиломатериалов в разные годы занималось большое количество учѐных, как отечественных, так и зарубежных: П. С. Серговский, Б. С. Шубин, И. В. Кречетов, Л. Н. Кротов, А. Г. Гороховский, С. И. Акишенков, И. В. Куликов, Н. В. Дзыга, F. Kollman, T. Maki, A.J. Stamm, K. Egner и др.
Изучению проблем образования внутренних напряжений и связанных с ними различного вида трещин в древесине при сушке посвящены исследования проф. Б. Н. Уголева и его учеников, проф. В. Н. Глухих и др.

Несмотря на значительное количество научных трудов, остаются нерешёнными вопросы, связанные с разработкой рациональных режимов лиственничных пиломатериалов при конвективном низкотемпературном процессе.

---

Установлено, что основным фактором, влияющим на удаление воды из древесины лиственницы, является избыточное давление, которое создаѐтся парогазовой смесью в центре доски.
В первые часы сушки, независимо от температуры, избыточное давление не превышает 20 кПа, что соответствует периоду интенсивной сушки. Дальнейший процесс сушки сопровождается ступенчатым повышением избыточного давления в центре.

Экспериментально доказано, что в процессе сушки проницаемость лиственницы снижается скачкообразно в несколько раз. Максимальное значение проницаемости – у свежесрубленной древесины.

Продолжительность сушки лиственничных пиломатериалов следует рассматривать как сумму двух периодов: интенсивного и замедленного. Переход от интенсивного к замедленному периоду происходит при среднем влагосодержании 25% при толщине доски 50 мм и при влагосодержании в 10-12 %, если толщина доски – 25 мм.

В результате внедрения всех разработанных мероприятий расчётный коэффициент экономической эффективности составит 37,4 %.