Сергей Золотов
Конъюнктура рынков в последние годы демонстрирует устойчивый рост спроса на древесину. Несмотря на новейшие разработки искусственных заменителей, древесина, по-видимому, останется основным материалом в строительстве, производстве мебели и других отраслях.
Классическая технология деревообработки обязательно включает участок сушки древесины. Этот участок является, пожалуй, самым сложным в технологической цепи "растущее в лесу дерево" — "готовое изделие". Сложность заключается прежде всего в управлении процессом сушения.
Более 90% существующих в мире сушильных камер — это стационарные сооружения, оснащенные вентиляторами, устройствами для направления потока, нагрева и управления влажностью воздуха. Температура внутри такой камеры обычно в зависимости от стадии процесса составляет от 40°С до 90°С.
При этом температурой и влажностью воздуха в камерах управляют автоматические системы, включающие устройства для измерения климата в камере и параметров состояния дерева.
Контроль скорости сушки минимизирует или совершенно устраняет дефекты древесины, вызываемые сушкой. Источниками тепла в обыкновенных камерах служат, как правило, пар, горячая вода или электричество. Использование электричества для отопления сушилок весьма ограничено из-за его высокой стоимости. Обычно его используют, когда не располагают другими источниками тепла. Поток воздуха в камере формируется вентиляторами, установленными в специальном канале. Направление движения воздушного потока периодически меняют, чтобы гарантировать равномерное высыхание всего штабеля.
Для того, чтобы управлять влажностью воздуха в камере, а в конечном итоге — скоростью сушки дерева, используются приточно-вытяжная вентиляция и система увлажнения.
Всеми устройствами управляет компьютер. Он поддерживает в камере нужный климат без участия человека. Такие системы позволяют документировать процесс сушки и осуществлять контроль качества в соответствии с требованиями стандартов серии ISO 9000.
Характеристики древесных пород
Древесина — органическое вещество, состоящее из клеток. Во время роста дерева по капиллярам течет лимфа — жидкость, в которой растворены различные соли (в основном соли азота, фосфора, калия), которые дерево получает из почвы. Так что после рубки дерева и распиловки его на доски древесная ткань оказывается веществом более или менее пористым, в зависимости от породы дерева, и более или менее пропитанным лимфой. Эта лимфа, которую мы в дальнейшем будем называть водой, и определяет влажность древесины.
Влажность древесины
Влажность древесины — это отношение веса воды, содержащейся в дереве, к весу абсолютно сухой древесины.
W= P в /P c=(Р вл-Р с)/Р с, где W — влажность древесины, P в — вес воды, Р вл — вес влажной древесины, Р с — вес абсолютно сухой древесины.
Влажность древесины всегда определяется в процентах, и ее можно представить следующим образом: W= Pв/Pc х 100%.
Описанный способ определения влажности древесины является самым точным, и его часто используют в лабораторных испытаниях. Однако он не очень удобен, поскольку требует времени. Поэтому для определения влажности применяются другие, хотя и менее точные методы определения влажности древесины.
Начальная и конечная влажность
Только что срубленное дерево обладает максимальной влажностью, которая для различных пород может даже превышать 100%. Так, влажность свежесрубленной бальсы может достигать 600%.
На практике приходится иметь дело с меньшими значениями влажности (от 30 до 70%), ведь от рубки до распиливания и помещения древесины в сушилку проходит какое-то время, и она, конечно, теряет некоторое количество воды. За начальную влажность принимается то значение, которое древесина имеет перед отправкой в сушильную камеру. Конечная влажность — это влажность после полного цикла сушки.
Удельная плотность
Это вес абсолютно сухой древесины, отнесенный к объему, полученному после полной сушки.
Удельная плотность (П с) для различных пород дерева меняется от 130 кг/м 3 до 1300 кг/м 3.
Для практических целей древесные породы в зависимости от плотности делят на несколько групп: мягкие породы (П с< 450 кг/м 3), среднетвердые породы (450<П с<600 кг/м3), твердые породы (600<П с<кг/м 3) и очень твердые породы (П с>750 кг/м 3).
Загрузочный объем сушильной камеры может составлять от единиц до нескольких сотен кубических метров.
Рассмотрим процесс сушки древесины в установке среднего объема (100 м 3).
Предположим, что древесина, подлежащая сушке, имеет следующие характеристики: Wнач = 60%, Wкон = 10%, П с = 600 кг/м 3.
Из соотношения W = Pв/Pc получаем Pв = Pc х W, таким образом, Рв (начальное) = (600х60)/100 = 360 кг/м3, Рв (конечное) = (600 х 10)/100 = 60 кг/м3.
Разница Р в (начальное) — Р в (конечное) = 360-60 = 300 кг/м 3 — это вес воды, которую необходимо удалить из каждого кубического метра. В общей сложности получаем 300 кг/м 3х100 м 3 = 30000 кг или 30 т.
Предположим кроме того, что продолжительность сушки составит 10 дней. Это значит, что среднесуточное количество воды, которую требуется удалить, составляет 3 т.
Вода внутри древесины находится в двух различных состояниях.
Свободная вода заполняет капиллярные сосуды и межклеточные пустоты. Это большая часть воды, содержащаяся в древесине. Она первой удаляется из древесины. Процесс сушки протекает быстро, требует не очень высоких температур и определенной осторожности в отношении скорости сушки.
Связанная или конституционная вода содержится внутриклеточных мембран. Ее удаление происходит значительно труднее и требует более высоких температур. Кроме того, высушивание связанной воды приводит к изменениям геометрических размеров мембран и, соответственно, всего высушиваемого массива дерева.
Точка насыщения волокон — это влажность, при которой вся свободная влага удалена, и в древесине находится только связанная вода. Точка насыщения волокон меняется от породы к породе в диапазоне от 22% до 35%. В практических целях эту точку привязывают к среднему значению 28%.
Точка насыщения волокон очень важна при искусственной сушке древесины. Когда влажность древесины опускается ниже точки насыщения волокон, дальнейшая сушка приводит к тому, что клетки дерева в результате обезвоживания сжимаются.
На макроскопическом уровне древесина испытывает усадку, или уменьшение размеров. Такая усадка проявляется в большей степени в тангенциальном направлении (вдоль годовых колец), чем в радиальном (поперек). В среднем различие в усадке для большинства пород древесины составляет 1,7 раз.
В диапазоне влажности ниже точки насыщения волокон процесс сжатия частично обратим, то есть когда древесина отдает влагу, она сжимается, и наоборот, когда древесина вновь поглощает влагу, она разбухает.
Гигроскопическое равновесие
Древесина относится к гигроскопичным материалам, то есть обладает способностью изменять свою влажность с изменением состояния окружающей их среды.
Если древесину длительное время выдерживать в воздухе неизменного состояния, то ее влажность будет стремиться к определенной величине, называемой устойчивой, или равновесной влажностью. Устойчивой влажности древесина может достичь, поглощая водяные пары из воздуха (сорбция), либо выделяя их в воздух (десорбция). Водяные пары из воздуха могут поглощать только клеточные стенки. Появление свободной воды при этом невозможно, даже если воздух будет насыщен водяным паром.
Процессы сорбции и десорбции не вполне обратимы при одинаковом состоянии воздуха: устойчивая влажность при сорбции меньше, чем при десорбции. Разность между ними называется показателем гистерезиса сорбции. Его величина зависит в основном от размеров древесного образца. Древесные сортименты крупных сечений — бруски, доски, заготовки — имеют показатель гистерезиса 2,5. Для мелких древесных частиц (опилки, стружка) гистерезис очень невелик (0,2-0,3), и в практических расчетах его не учитывают. Устойчивую влажность измельченной древесины, практически одинаковую при сорбции и десорбции, называют равновесной влажностью. Свойства древесины тщательно изучены, в частности, исследовано гигроскопическое равновесие в различных климатических условиях. Ее величину при расчетах определяют по специальным таблицам или диаграммам.Чем больше размеры куска дерева, помещенного в данную среду, тем больше времени требуется для достижения гигроскопического равновесия. И наоборот, кусок дерева очень ограниченных размеров, например, шпон, значительно быстрее приспосабливается к окружающей среде.
В пределе, если мы имеем дело с пластинкой целлюлозы, которая воспроизводит структуру дерева, то она чрезвычайно быстро приходит в гигроскопическое равновесие с окружающей средой. В этот момент достаточно измерить влажность пластинки (теми же методами, которыми измеряется влажность древесины), чтобы узнать равновесную влажность древесины в окружающей среде, в которую помещена пластинка.
Теперь мы можем сопоставлять влажность древесины с температурой и относительной влажностью воздуха. Если эти параметры рассматривать во взаимосвязи, и их значения приводятся к равновесной влажности древесины, то возникает возможность сравнения между фактической влажностью дерева и климатическими условиями.
Таким образом, если нужно отобрать влагу у древесины с некоторым значением W, то окружающая среда, в которую помещена древесина, должна иметь значение равновесной влажности Wравн меньшее, чем значение W.
Чем больше разрыв между значениями W и Wравн, тем быстрее древесина будет отдавать влагу.
Градиент (потенциал) сушки
Соотношение между влажностью древесины W и равновесной влажностью древесины Wравн для данной окружающей среды, в которую помещена древесина, определяется как градиент (или потенциал) сушки.
Градиент = Wд/Wравн