Введение
Также известная как сушка, являющаяся процессом снижения влажности древесины перед ее использованием.
Wood drying (also seasoning lumber or wood seasoning) reduces the moisture content of wood before its use. When the drying is done in a kiln, the product is known as kiln dried timber or lumber, whereas air drying is the more traditional method. There are two main reasons for drying wood:
WoodworkingWhen wood is used as a construction material, whether as a structural support in a building or in woodworking objects, it will absorb or expel moisture until it is in equilibrium with its surroundings. Equilibration (usually drying) causes unequal shrinkage in the wood, and can cause damage to the wood if equilibration occurs too rapidly. The equilibration must be controlled to prevent damage to the wood. Wood burning When wood is burned (firewood), it is usually best to dry it first. Damage from shrinkage is not a problem here, as it may be in the case of drying for woodworking purposes. Moisture affects the burning process, with unburnt hydrocarbons going up the chimney. If a 50% wet log is burnt at high temperature, with good heat extraction from the exhaust gas leading to a 100 °C exhaust temperature, about 5% of the energy of the log is wasted through evaporating and heating the water vapour. With condensers, the efficiency can be further increased; but, for the normal stove, the key to burning wet wood is to burn it very hot, perhaps starting fire with dry wood. For some purposes, wood is not dried at all, and is used green. Often, wood must be in equilibrium with the air outside, as for construction wood, or the air indoors, as for wooden furniture. Wood is air dried or dried in a purpose built oven (kiln). Usually the wood is sawn before drying, but sometimes the log is dried whole. Case hardening describes lumber or timber that has been dried too rapidly. Wood initially dries from the shell (surface), shrinking the shell and putting the core under compression. When this shell is at a low moisture content it will 'set' and resist shrinkage. The core of the wood is still at a higher moisture content. This core will then begin to dry and shrink. However, any shrinkage is resisted by the already 'set' shell. This leads to reversed stresses; compression stresses on the shell and tension stresses in the core. This results in unrelieved stress called case hardening. Case hardened [wood] may warp considerably and dangerously when the stress is released by sawing.
Сушка древесины (также известная как отборка древесины или сушка древесины) снижает содержание влаги в древесине перед ее использованием. Когда сушка производится в сушильной камере, продукт известен как камерно-сушеная древесина, в то время как сушка на воздухе является более традиционным методом. Существует две основные причины для сушки древесины:
Wood drying (also seasoning lumber or wood seasoning) reduces the moisture content of wood before its use. When the drying is done in a kiln, the product is known as kiln dried timber or lumber, whereas air drying is the more traditional method. There are two main reasons for drying wood:
WoodworkingWhen wood is used as a construction material, whether as a structural support in a building or in woodworking objects, it will absorb or expel moisture until it is in equilibrium with its surroundings. Equilibration (usually drying) causes unequal shrinkage in the wood, and can cause damage to the wood if equilibration occurs too rapidly. The equilibration must be controlled to prevent damage to the wood. Wood burning When wood is burned (firewood), it is usually best to dry it first. Damage from shrinkage is not a problem here, as it may be in the case of drying for woodworking purposes. Moisture affects the burning process, with unburnt hydrocarbons going up the chimney. If a 50% wet log is burnt at high temperature, with good heat extraction from the exhaust gas leading to a 100 °C exhaust temperature, about 5% of the energy of the log is wasted through evaporating and heating the water vapour. With condensers, the efficiency can be further increased; but, for the normal stove, the key to burning wet wood is to burn it very hot, perhaps starting fire with dry wood. For some purposes, wood is not dried at all, and is used green. Often, wood must be in equilibrium with the air outside, as for construction wood, or the air indoors, as for wooden furniture. Wood is air dried or dried in a purpose built oven (kiln). Usually the wood is sawn before drying, but sometimes the log is dried whole. Case hardening describes lumber or timber that has been dried too rapidly. Wood initially dries from the shell (surface), shrinking the shell and putting the core under compression. When this shell is at a low moisture content it will 'set' and resist shrinkage. The core of the wood is still at a higher moisture content. This core will then begin to dry and shrink. However, any shrinkage is resisted by the already 'set' shell. This leads to reversed stresses; compression stresses on the shell and tension stresses in the core. This results in unrelieved stress called case hardening. Case hardened [wood] may warp considerably and dangerously when the stress is released by sawing.
Деревообработка. Когда древесина используется в качестве строительного материала, будь то в качестве несущей конструкции в здании или в изделиях из дерева, она будет поглощать или отдавать влагу, пока не достигнет равновесия с окружающей средой. Достижение равновесия (обычно посредством сушки) вызывает неравномерную усадку древесины и может привести к ее повреждению, если равновесие наступает слишком быстро. Необходимо контролировать процесс достижения равновесия, чтобы предотвратить повреждение древесины.
Wood drying (also seasoning lumber or wood seasoning) reduces the moisture content of wood before its use. When the drying is done in a kiln, the product is known as kiln dried timber or lumber, whereas air drying is the more traditional method. There are two main reasons for drying wood:
WoodworkingWhen wood is used as a construction material, whether as a structural support in a building or in woodworking objects, it will absorb or expel moisture until it is in equilibrium with its surroundings. Equilibration (usually drying) causes unequal shrinkage in the wood, and can cause damage to the wood if equilibration occurs too rapidly. The equilibration must be controlled to prevent damage to the wood. Wood burning When wood is burned (firewood), it is usually best to dry it first. Damage from shrinkage is not a problem here, as it may be in the case of drying for woodworking purposes. Moisture affects the burning process, with unburnt hydrocarbons going up the chimney. If a 50% wet log is burnt at high temperature, with good heat extraction from the exhaust gas leading to a 100 °C exhaust temperature, about 5% of the energy of the log is wasted through evaporating and heating the water vapour. With condensers, the efficiency can be further increased; but, for the normal stove, the key to burning wet wood is to burn it very hot, perhaps starting fire with dry wood. For some purposes, wood is not dried at all, and is used green. Often, wood must be in equilibrium with the air outside, as for construction wood, or the air indoors, as for wooden furniture. Wood is air dried or dried in a purpose built oven (kiln). Usually the wood is sawn before drying, but sometimes the log is dried whole. Case hardening describes lumber or timber that has been dried too rapidly. Wood initially dries from the shell (surface), shrinking the shell and putting the core under compression. When this shell is at a low moisture content it will 'set' and resist shrinkage. The core of the wood is still at a higher moisture content. This core will then begin to dry and shrink. However, any shrinkage is resisted by the already 'set' shell. This leads to reversed stresses; compression stresses on the shell and tension stresses in the core. This results in unrelieved stress called case hardening. Case hardened [wood] may warp considerably and dangerously when the stress is released by sawing.
Сжигание древесины. Когда древесина используется в качестве топлива (дров), обычно лучше сначала ее высушить. Усадка не представляет проблемы в этом случае, в отличие от сушки для деревообработки. Влажность влияет на процесс горения, поскольку несгоревшие углеводороды уходят в дымоход. Если сжигать бревно влажностью 50% при высокой температуре с хорошим извлечением тепла из отходящих газов, приводящим к температуре отходящих газов 100°C, около 5% энергии бревна теряется на испарение и нагрев водяного пара. Использование конденсаторов может еще больше повысить эффективность, но для обычной печи ключ к сжиганию влажной древесины заключается в том, чтобы сжигать ее при очень высокой температуре, возможно, начиная розжиг сухой древесиной.
Wood drying (also seasoning lumber or wood seasoning) reduces the moisture content of wood before its use. When the drying is done in a kiln, the product is known as kiln dried timber or lumber, whereas air drying is the more traditional method. There are two main reasons for drying wood:
WoodworkingWhen wood is used as a construction material, whether as a structural support in a building or in woodworking objects, it will absorb or expel moisture until it is in equilibrium with its surroundings. Equilibration (usually drying) causes unequal shrinkage in the wood, and can cause damage to the wood if equilibration occurs too rapidly. The equilibration must be controlled to prevent damage to the wood. Wood burning When wood is burned (firewood), it is usually best to dry it first. Damage from shrinkage is not a problem here, as it may be in the case of drying for woodworking purposes. Moisture affects the burning process, with unburnt hydrocarbons going up the chimney. If a 50% wet log is burnt at high temperature, with good heat extraction from the exhaust gas leading to a 100 °C exhaust temperature, about 5% of the energy of the log is wasted through evaporating and heating the water vapour. With condensers, the efficiency can be further increased; but, for the normal stove, the key to burning wet wood is to burn it very hot, perhaps starting fire with dry wood. For some purposes, wood is not dried at all, and is used green. Often, wood must be in equilibrium with the air outside, as for construction wood, or the air indoors, as for wooden furniture. Wood is air dried or dried in a purpose built oven (kiln). Usually the wood is sawn before drying, but sometimes the log is dried whole. Case hardening describes lumber or timber that has been dried too rapidly. Wood initially dries from the shell (surface), shrinking the shell and putting the core under compression. When this shell is at a low moisture content it will 'set' and resist shrinkage. The core of the wood is still at a higher moisture content. This core will then begin to dry and shrink. However, any shrinkage is resisted by the already 'set' shell. This leads to reversed stresses; compression stresses on the shell and tension stresses in the core. This results in unrelieved stress called case hardening. Case hardened [wood] may warp considerably and dangerously when the stress is released by sawing.
В некоторых случаях древесина вообще не сушится и используется в свежем виде. Часто древесина должна находиться в равновесии с наружным воздухом (например, строительная древесина) или с воздухом в помещении (например, деревянная мебель). Древесина может сушиться на воздухе или в специально построенной печи (сушильной камере). Обычно древесину распиливают перед сушкой, но иногда бревно сушат целым.
Wood drying (also seasoning lumber or wood seasoning) reduces the moisture content of wood before its use. When the drying is done in a kiln, the product is known as kiln dried timber or lumber, whereas air drying is the more traditional method. There are two main reasons for drying wood:
WoodworkingWhen wood is used as a construction material, whether as a structural support in a building or in woodworking objects, it will absorb or expel moisture until it is in equilibrium with its surroundings. Equilibration (usually drying) causes unequal shrinkage in the wood, and can cause damage to the wood if equilibration occurs too rapidly. The equilibration must be controlled to prevent damage to the wood. Wood burning When wood is burned (firewood), it is usually best to dry it first. Damage from shrinkage is not a problem here, as it may be in the case of drying for woodworking purposes. Moisture affects the burning process, with unburnt hydrocarbons going up the chimney. If a 50% wet log is burnt at high temperature, with good heat extraction from the exhaust gas leading to a 100 °C exhaust temperature, about 5% of the energy of the log is wasted through evaporating and heating the water vapour. With condensers, the efficiency can be further increased; but, for the normal stove, the key to burning wet wood is to burn it very hot, perhaps starting fire with dry wood. For some purposes, wood is not dried at all, and is used green. Often, wood must be in equilibrium with the air outside, as for construction wood, or the air indoors, as for wooden furniture. Wood is air dried or dried in a purpose built oven (kiln). Usually the wood is sawn before drying, but sometimes the log is dried whole. Case hardening describes lumber or timber that has been dried too rapidly. Wood initially dries from the shell (surface), shrinking the shell and putting the core under compression. When this shell is at a low moisture content it will 'set' and resist shrinkage. The core of the wood is still at a higher moisture content. This core will then begin to dry and shrink. However, any shrinkage is resisted by the already 'set' shell. This leads to reversed stresses; compression stresses on the shell and tension stresses in the core. This results in unrelieved stress called case hardening. Case hardened [wood] may warp considerably and dangerously when the stress is released by sawing.
Нагар (или закалка) описывает древесину, которая была высушена слишком быстро. Древесина сначала высыхает с поверхности (оболочки), что приводит к ее усадке и сжатию сердцевины. Когда содержание влаги в оболочке становится низким, она "фиксируется" и сопротивляется дальнейшей усадке. Сердцевина древесины все еще содержит больше влаги. Затем сердцевина начинает высыхать и сжиматься. Однако усадке препятствует уже "зафиксированная" оболочка. Это приводит к возникновению обратных напряжений: сжимающих напряжений в оболочке и растягивающих напряжений в сердцевине. В результате возникает неразрешенное напряжение, называемое нагаром. Древесина с нагаром может значительно и опасно деформироваться при распиловке, когда напряжение высвобождается.
Wood drying (also seasoning lumber or wood seasoning) reduces the moisture content of wood before its use. When the drying is done in a kiln, the product is known as kiln dried timber or lumber, whereas air drying is the more traditional method. There are two main reasons for drying wood:
WoodworkingWhen wood is used as a construction material, whether as a structural support in a building or in woodworking objects, it will absorb or expel moisture until it is in equilibrium with its surroundings. Equilibration (usually drying) causes unequal shrinkage in the wood, and can cause damage to the wood if equilibration occurs too rapidly. The equilibration must be controlled to prevent damage to the wood. Wood burning When wood is burned (firewood), it is usually best to dry it first. Damage from shrinkage is not a problem here, as it may be in the case of drying for woodworking purposes. Moisture affects the burning process, with unburnt hydrocarbons going up the chimney. If a 50% wet log is burnt at high temperature, with good heat extraction from the exhaust gas leading to a 100 °C exhaust temperature, about 5% of the energy of the log is wasted through evaporating and heating the water vapour. With condensers, the efficiency can be further increased; but, for the normal stove, the key to burning wet wood is to burn it very hot, perhaps starting fire with dry wood. For some purposes, wood is not dried at all, and is used green. Often, wood must be in equilibrium with the air outside, as for construction wood, or the air indoors, as for wooden furniture. Wood is air dried or dried in a purpose built oven (kiln). Usually the wood is sawn before drying, but sometimes the log is dried whole. Case hardening describes lumber or timber that has been dried too rapidly. Wood initially dries from the shell (surface), shrinking the shell and putting the core under compression. When this shell is at a low moisture content it will 'set' and resist shrinkage. The core of the wood is still at a higher moisture content. This core will then begin to dry and shrink. However, any shrinkage is resisted by the already 'set' shell. This leads to reversed stresses; compression stresses on the shell and tension stresses in the core. This results in unrelieved stress called case hardening. Case hardened [wood] may warp considerably and dangerously when the stress is released by sawing.
Виды древесины
В зависимости от ботанического происхождения, древесина подразделяется на два вида: хвойные породы, получаемые из хвойных деревьев, и лиственные породы, получаемые из широколиственных деревьев. Хвойные породы легче и, как правило, имеют более простое строение, в то время как лиственные породы тверже и сложнее. Однако в Австралии под хвойными породами обычно подразумевают деревья тропических лесов, а под лиственными – виды склерофильных (Eucalyptus spp.). Хвойные породы, такие как сосна, обычно значительно легче и проще в обработке, чем лиственные породы, такие как древесина плодовых деревьев. Плотность хвойных пород варьируется от 350 до 700, а лиственных – от 450 до 1250. После высушивания обе содержат примерно 12% влаги (Desch и Dinwoodie, 1996). Из-за более плотной и сложной структуры лиственных пород их проницаемость значительно ниже, чем у хвойных, что затрудняет их сушку. Несмотря на то, что видов деревьев лиственных пород в сотни раз больше, чем хвойных, способность к более быстрой и легкой сушке и обработке делает хвойные породы основным источником коммерческой древесины в настоящее время.
Содержание влаги при равновесии
Дерево – гигроскопическое вещество. Оно способно поглощать или отдавать влагу в виде пара. Вода, содержащаяся в древесине, оказывает собственное давление пара, которое определяется максимальным размером капилляров, заполненных водой в данный момент времени. Если давление водяного пара в окружающем пространстве ниже, чем давление пара внутри древесины, происходит десорбция. Наиболее крупные капилляры, заполненные водой в этот момент, освобождаются первыми. Давление пара внутри древесины снижается по мере того, как вода последовательно удерживается в капиллярах меньшего размера. В конечном итоге достигается стадия, когда давление пара внутри древесины равно давлению пара в окружающем пространстве над древесиной, и дальнейшая десорбция прекращается. Количество влаги, остающееся в древесине на этой стадии, находится в равновесии с давлением водяного пара в окружающем пространстве и называется равновесным содержанием влаги, или EMC (Siau, 1984). Благодаря своей гигроскопичности древесина стремится достичь влажности, находящейся в равновесии с относительной влажностью и температурой окружающего воздуха. ЭМК древесины существенно изменяется в зависимости от относительной влажности окружающей среды (являющейся функцией температуры), и в меньшей степени – от температуры. Сиау (1984) сообщил, что ЭМК также очень незначительно варьируется в зависимости от породы, механических напряжений, истории сушки древесины, плотности, содержания экстрактивных веществ и направления сорбции, в которой происходит изменение влажности (то есть адсорбции или десорбции).
Содержание влаги в древесине в эксплуатации
Дерево сохраняет свои гигроскопические характеристики после ввода в эксплуатацию. Оно подвергается колебаниям влажности, являющимся определяющим фактором его равновесной влажности (ЭВ). Эти колебания могут быть более или менее цикличными, например, суточными или годовыми сезонными изменениями. Чтобы минимизировать изменения влажности древесины или деформацию деревянных изделий в процессе эксплуатации, древесину обычно сушат до влажности, близкой к средней ЭВ, которой она будет подвергаться. Эти условия различаются для внутреннего и наружного применения в конкретном географическом регионе. Например, согласно Австралийскому стандарту качества сушки древесины (AS/NZS 4787, 2001), для большинства штатов Австралии рекомендуется ЭВ в пределах 10–12%, хотя в некоторых районах Квинсленда, Северной территории, Западной Австралии и Тасмании она может достигать 15–18%. Однако в сухих домах и офисах с центральным отоплением или в зданиях с постоянной системой кондиционирования воздуха ЭВ может быть всего 6–7%.
Механизмы перемещения влаги
Вода в древесине обычно перемещается из зон с более высокой влажностью в зоны с более низкой влажностью (Walker et al., 1993). Сушка начинается с поверхности древесины и продвигается к центру, при этом сушка на поверхности необходима для удаления влаги из внутренних зон древесины. В конечном итоге древесина приходит в равновесие с окружающим воздухом по содержанию влаги.
Водопроводные каналы
Движущей силой перемещения влаги является химический потенциал. Однако не всегда легко соотнести химический потенциал древесины с общепринятыми наблюдаемыми переменными, такими как температура и влажность (Keey et al., 2000). Влага в древесине перемещается внутри нее в виде жидкости или пара по различным типам каналов, в зависимости от характера движущей силы (например, давления или градиента влажности) и особенностей структуры древесины (Langrish и Walker, 1993), что будет подробно рассмотрено в следующем разделе, посвященном движущим силам перемещения влаги. Эти каналы состоят из полостей сосудов, волокон, лучевых клеток, ямных камер и их ямчатых мембранных отверстий, межклеточных пространств и временных проходов в клеточных стенках. Перемещение воды происходит по этим каналам в любом направлении – продольно в клетках, а также поперечно от клетки к клетке, пока она не достигнет боковых поверхностей сушки древесины. Более высокая продольная проницаемость заболони лиственных пород обычно обусловлена наличием сосудов. Поперечная проницаемость и трансверсальный поток часто очень низки в лиственных породах. Сосуды в лиственных породах иногда заблокированы тилозами и/или выделением камеди и смол у некоторых видов, как упоминалось ранее. Наличие смоляных прожилок, образование которых часто является естественной защитной реакцией деревьев на повреждения, обычно наблюдается на поверхности пиломатериалов большинства эвкалиптов. Несмотря на обычно более высокую объемную долю лучей в лиственной древесине (обычно 15% объема древесины), лучи не особенно эффективны для радиального потока, равно как и ямки на радиальных поверхностях волокон не эффективны для тангенциального потока (Langrish и Walker, 1993).
Пространство для перемещения влаги
Доступное пространство для воздуха и влаги в древесине зависит от плотности и пористости древесины. Пористость – это объемная доля пустот в твердом теле. Сообщается, что пористость составляет от 1,2 до 4,6% от сухого объема клеточных стенок древесины (Siau, 1984). С другой стороны, проницаемость – это мера легкости, с которой жидкости транспортируются через пористый материал под воздействием определенных движущих сил, например, градиента капиллярного давления или градиента влажности. Очевидно, что для проницаемости материал должен быть пористым, но не каждый пористый материал обязательно является проницаемым. Проницаемость возможна только при условии, что пустоты соединены между собой каналами. Например, твердая древесина может быть проницаемой благодаря наличию открытых ячеек между сосудами (Keey et al., 2000). Если эти ячейки закупорены или инкрустированы, или если ямки коллапсируют, древесина приобретает закрытую клеточную структуру и становится практически непроницаемой. Плотность также важна для непроницаемой твердой древесины, поскольку на единицу расстояния приходится больше материала клеточных стенок, что создает повышенное сопротивление диффузии (Keey et al., 2000). Следовательно, более легкая древесина, как правило, сохнет быстрее, чем более тяжелая. Транспорт жидкости часто происходит за счет объемного потока (переноса импульса) для проницаемой мягкой древесины при высокой температуре, в то время как для непроницаемой твердой древесины преобладает диффузия (Siau, 1984). Эти механизмы рассматриваются ниже.
Движущие силы для перемещения влаги
Три основные движущие силы, используемые в различных версиях моделей диффузии, – влажность, парциальное давление водяного пара и химический потенциал воды (Skaar, 1988; Keey et al., 2000). Они рассматриваются здесь, включая капиллярный эффект, который является механизмом переноса свободной воды в проницаемой мягкой древесине. Полная разность давлений является движущей силой при вакуумной сушке древесины.
Капиллярное действие
Капилярные силы определяют перемещение (или отсутствие перемещения) свободной воды. Это обусловлено как адгезией, так и когезией. Адгезия – это притяжение воды к другим веществам, а когезия – это притяжение между молекулами воды. По мере высыхания древесины, испарение воды с поверхности создает капиллярные силы, которые оказывают тянущее воздействие на свободную воду в зонах древесины под поверхностью. Когда в древесине больше не остается свободной воды, капиллярные силы перестают иметь значение.
Различия в содержании влаги
Здесь объясняется химический потенциал, поскольку он является истинной движущей силой транспорта воды в жидкой и парообразной фазах в древесине (Siau, 1984). Свободная энергия Гиббса на моль вещества обычно выражается как химический потенциал этого вещества (Skaar, 1933). Химический потенциал воды в ненасыщенном воздухе или древесине ниже точки насыщения волокна влияет на процесс сушки древесины. Равновесие наступит при равновесном содержании влаги (как определено ранее) в древесине, когда химический потенциал воды в древесине сравняется с химическим потенциалом воды в окружающем воздухе. Химический потенциал сорбированной воды является функцией содержания влаги в древесине. Следовательно, градиент влажности древесины (между поверхностью и центром), или, точнее, градиент водной активности, сопровождается градиентом химического потенциала при изотермических условиях. Влажность будет перераспределяться по всей древесине до тех пор, пока ее химический потенциал не станет однородным, что приведет к нулевому градиенту потенциала в состоянии равновесия (Skaar, 1988). Предполагается, что поток влаги, стремящийся к достижению равновесного состояния, пропорционален разности химических потенциалов и обратно пропорционален длине пути, на котором действует эта разность потенциалов (Keey et al., 2000). Градиент химического потенциала связан с градиентом содержания влаги, как показано в вышеуказанных уравнениях (Keey et al., 2000). Диффузионная модель, использующая градиент содержания влаги в качестве движущей силы, была успешно применена Wu (1989) и Doe et al. (1994). Хотя соответствие между профилями содержания влаги, предсказанными диффузионной моделью на основе градиентов содержания влаги, лучше при более низком содержании влаги, чем при более высоком, нет оснований полагать, что при более высоком содержании влаги действуют существенно иные механизмы транспорта влаги для данной древесины. Их наблюдения согласуются с транспортным процессом, обусловленным общей концентрацией воды. Диффузионная модель используется здесь, основываясь на эмпирических данных о том, что градиент влажности является движущей силой сушки этого типа непроницаемой древесины. Различия в содержании влаги между поверхностью и центром (градиент, разница химического потенциала между поверхностью и объемом) перемещают связанную воду через небольшие каналы в клеточной стенке посредством диффузии. По сравнению с капиллярным движением, диффузия – медленный процесс. Диффузия обычно рассматривается как основной механизм сушки непроницаемых лиственных пород (Keey et al., 2000). Кроме того, влага мигрирует медленно из-за того, что экстрактивные вещества закупоривают небольшие отверстия в клеточных стенках сердцевины. Именно поэтому древесина заболони обычно сушится быстрее, чем древесина сердцевины, при одинаковых условиях сушки.
Направления движения влаги для диффузии
Сообщается, что отношение продольной к поперечным (радиальной и тангенциальной) скоростям диффузии в древесине изменяется от примерно 100 при влажности 5% до 2–4 при влажности 25% (Langrish и Walker, 1993). Радиальная диффузия несколько быстрее тангенциальной. Хотя продольная диффузия является наиболее быстрой, она имеет практическое значение только при сушке коротких заготовок. Как правило, пиломатериалы значительно длиннее, чем в ширину или толщину. Например, типичный размер сырой доски, использованной в данном исследовании, составлял 6 м в длину, 250 мм в ширину и 43 мм в толщину. Если доски распилены по четверти, то ширина будет соответствовать радиальному направлению, а толщина – тангенциальному, и наоборот для досок радиального распила. Большая часть влаги удаляется из древесины посредством латерального перемещения в процессе сушки.
Причины трещин и трещин при сушке древесины и их контроль
Главная трудность, возникающая при сушке древесины, заключается в том, что ее внешние слои высыхают быстрее, чем внутренние. Если этим слоям позволено высохнуть значительно ниже точки насыщения волокна, в то время как внутренние слои остаются насыщенными, возникают напряжения (так называемые напряжения при сушке), поскольку усадка внешних слоев ограничена влажным внутренним слоем (Keey et al., 2000). Происходит разрушение древесных тканей, и, как следствие, образуются расщелины и трещины, если эти напряжения, действующие поперек волокон, превышают прочность древесины на поперечный разрыв (связь волокон между собой). Успешное предотвращение дефектов сушки в процессе сушки заключается в поддержании баланса между скоростью испарения влаги с поверхности и скоростью перемещения влаги изнутри древесины наружу. Далее будет объяснено, как можно контролировать процесс сушки. Одним из наиболее эффективных способов сушки или подготовки древесины является сушка в камере, где древесину укладывают в штабеля в сушильной камере и сушат с помощью пара, постепенно снижая его подачу.
Влияние температуры, относительной влажности и скорости циркуляции воздуха
Внешние условия сушки (температура, относительная влажность и скорость воздуха) контролируют внешние граничные условия сушки, и, следовательно, скорость сушки, а также влияют на скорость внутреннего перемещения влаги. На скорость сушки влияют внешние условия сушки (Walker et al., 1993; Keey et al., 2000), что будет описано ниже. Температура. Если относительная влажность поддерживается постоянной, то чем выше температура, тем выше скорость сушки. Температура влияет на скорость сушки, увеличивая влагоудерживающую способность воздуха, а также ускоряя скорость диффузии влаги в древесине. Фактическая температура в сушильной камере – это температура сухого термометра (обычно обозначается Tg), которая представляет собой температуру газовой смеси пара, определяемую путем введения термометра с сухим колбой. С другой стороны, температура влажного термометра (TW) определяется как температура, достигаемая небольшим количеством жидкости, испаряющейся в большом объеме ненасыщенной парогазовой смеси. Чувствительный элемент этого термометра поддерживается влажным с помощью пористой тканевой оплетки (обычно помещенной в резервуар с чистой водой). Для предотвращения образования зоны застойного влажного воздуха вокруг оплетки требуется минимальный поток воздуха 2 м/с (Walker et al., 1993). Поскольку воздух проходит через влажную оплетку, вода испаряется и охлаждает влажный термометр. Разница между температурой сухого и влажного термометров, депрессия влажного термометра, используется для определения относительной влажности по стандартной гигрометрической диаграмме (Walker et al., 1993). Большая разница между температурой сухого и влажного термометров указывает на более низкую относительную влажность. Например, если температура сухого термометра составляет 100 °C, а температура влажного термометра – 60 °C, то относительная влажность по гигрометрической диаграмме составляет 17%. Относительная влажность. Относительная влажность воздуха определяется как парциальное давление водяного пара, деленное на давление насыщенного пара при той же температуре и общем давлении (Siau, 1984). Если температура поддерживается постоянной, то более низкая относительная влажность приводит к более высокой скорости сушки из-за увеличения градиента влажности в древесине, вызванного снижением влагосодержания в поверхностных слоях при уменьшении относительной влажности воздуха. Относительная влажность обычно выражается в процентах. Для сушки другим важным параметром, связанным с относительной влажностью, является абсолютная влажность, которая представляет собой массу водяного пара на единицу массы сухого воздуха (кг воды на кг сухого воздуха). Однако на нее влияет количество воды в нагретом воздухе. Скорость циркуляции воздуха. Время сушки и качество древесины зависят от скорости воздуха и его равномерной циркуляции. При постоянной температуре и относительной влажности максимальная скорость сушки достигается при быстрой циркуляции воздуха по поверхности древесины, что обеспечивает быстрое удаление влаги, испаряющейся из древесины. Однако более высокая скорость сушки не всегда желательна, особенно для труднопроницаемых пород дерева, поскольку более высокие скорости сушки создают большие напряжения, которые могут привести к растрескиванию или деформации древесины. При очень низких скоростях вентилятора, менее 1 м/с, поток воздуха через штабель часто является ламинарным, и теплопередача между поверхностью древесины и движущимся потоком воздуха не особенно эффективна (Walker et al., 1993). Низкая эффективность теплопередачи (внешней) не обязательно является проблемой, если внутреннее перемещение влаги является ключевым ограничением перемещения влаги, как это происходит для большинства твердых пород дерева (Pordage и Langrish, 1999).
Сушка воздухом
Сушка на воздухе – это сушка древесины путем ее выдержки на открытом воздухе. Техника сушки на воздухе заключается главным образом в составлении штабеля из пиломатериалов (со слоями досок, разделенными обвязками) на приподнятом фундаменте, в чистом, прохладном, сухом и затененном месте. Скорость сушки во многом зависит от климатических условий и движения воздуха (под воздействием ветра). Для успешной сушки на воздухе необходимо обеспечить непрерывный и равномерный поток воздуха по всему штабелю древесины (Desch и Dinwoodie, 1996). Скорость потери влаги можно регулировать, покрывая доски веществом, относительно непроницаемым для влаги; обычное минеральное масло обычно достаточно эффективно. Покрытие торцов бревен маслом или густой краской улучшает их качество при сушке. Оборачивание досок или бревен материалами, позволяющими некоторую циркуляцию влаги, как правило, очень эффективно, при условии предварительной обработки древесины против грибковых поражений путем нанесения бензина/газолина или масла. Минеральное масло обычно проникает не глубже чем на 1–2 мм под поверхность и легко удаляется строганием, когда древесина достаточно высохнет. Преимущества: использование этого метода сушки может быть менее затратным (хотя все равно существуют расходы на хранение древесины и более длительный процесс ее вывода на рынок), а сушка на воздухе часто дает древесину более высокого качества, с которой легче работать, чем при сушке в сушильной камере. Недостатки: в зависимости от климата, сушка древесины на воздухе может занимать от нескольких месяцев до нескольких лет.
Графики сушки печи
Удовлетворительную сушку в печи обычно можно достичь, регулируя температуру и влажность циркулирующего воздуха для контроля содержания влаги в древесине на любом этапе. Это достигается путем применения графиков сушки. Основная цель правильно подобранного графика – обеспечить сушку древесины максимально быстро, не допуская значительного ухудшения ее качества. На выбор графиков сушки оказывают существенное влияние следующие факторы:
Вид древесины. Различия в анатомических, физических и механических свойствах между разными видами влияют на время сушки и конечный результат.
Толщина древесины. Время сушки обратно пропорционально толщине и, в некоторой степени, ширине древесины.
Способ распила досок: четвертый, плановый или смешанный. Схема распила влияет на деформацию, вызванную анизотропией усадки.
Допустимые потери качества при сушке. Слишком интенсивные графики сушки могут привести к растрескиванию и деформации древесины.
Предназначение древесины. Механические и эстетические требования определяют целевой уровень влажности в зависимости от области применения.
Учитывая все эти факторы, не существует универсального графика, подходящего даже для однородных партий древесины одного и того же вида. Именно поэтому значительная часть исследований в области сушки древесины направлена на разработку эффективных графиков сушки.
Огневая печь для обезвоживания
Камера для осушки может быть системой с замкнутым контуром или частично вентилируемой системой, в которой используется тепловой насос для конденсации влаги из воздуха, используя холодную сторону холодильного цикла (испаритель). Выделенное тепло направляется на горячую сторону холодильного цикла (конденсатор) для повторного нагрева воздуха, после чего более сухой и теплый воздух возвращается внутрь сушильной камеры. Вентиляторы продувают воздух через штабеля, как и в обычной сушильной камере. Эти камеры традиционно работают при температуре от 38 °C до 71 °C и потребляют примерно вдвое меньше энергии, чем традиционные сушильные камеры.
Вакуумная печь
Эти печи могут быть самыми быстрыми для сушки и наиболее энергоэффективными. В вакууме вода кипит при более низкой температуре. Помимо увеличения скорости, вакуумная печь также может улучшить качество древесины. Низкое атмосферное давление снижает температуру кипения воды, однако количество энергии, необходимое для превращения жидкости в пар, остаётся неизменным. Экономия достигается за счёт отсутствия необходимости нагревать большое помещение и отводить тепло при понижении влажности. Поскольку вся свободная вода может быть удалена при температуре ниже 63 °C, улучшается качество древесины. В то время как при традиционной сушке тёплый сухой воздух удаляет воду с поверхности, вакуумные печи способны вызывать кипение воды внутри древесины. Это позволяет качественной вакуумной печи быстро сушить очень толстую древесину. Например, можно высушить до 7% влажности доску красного дуба размером 12/4, сразу после распила, за 11 дней. Поскольку древесина сушится с градиентом давления пара к атмосферному давлению, можно поддерживать очень высокую влажность. Благодаря этому, хорошая вакуумная печь может высушить доску белого дуба толщиной 4,5 дюйма, сразу после распила, до 8% влажности менее чем за месяц, что ранее считалось невозможным.
Солнечная печь
Солнечная сушилка – это нечто среднее между сушкой в печи и сушкой на воздухе. Эти сушилки обычно представляют собой теплицу с высокотемпературным вентилятором и либо вентиляционными отверстиями, либо системой конденсации. Солнечные сушилки медленнее и зависят от погодных условий, но при этом недороги. Однако существуют разные точки зрения, например, "Дюамель, который провел множество экспериментов по этому важному вопросу, утверждает, что древесину для столярных работ лучше сначала выдержать в воде некоторое время, а затем высушить, поскольку это снижает вероятность ее коробления и растрескивания при сушке; но он добавляет: "если требуется прочность, ее не следует помещать в воду"".
Кипячение или приправы на парах
Погружение в кипящую воду или обработка паром ускоряют сушку древесины. Утверждается, что этот метод вызывает меньшую усадку, но он дорогостоящий в применении и снижает прочность и упругость древесины.
Химические или солевые приправы
Соление древесины – это погружение её в раствор мочевины и нитрата натрия, которые действуют как обезвоживающие вещества. Затем древесину сушат на воздухе.
Электрическая приправа
Электрическая сушка древесины заключается в пропускании электрического тока через пиломатериал, что приводит к выделению тепла и высушиванию древесины. Этот метод дорогостоящий, но обеспечивает высокую скорость и равномерное качество сушки. Новые технологии сушки древесины включают использование пониженного атмосферного давления для ускорения процесса. Существует множество вакуумных технологий, различающихся главным образом способом подачи тепла в древесный заряд. В вакуумных печах с водяной рубашкой используются алюминиевые нагревательные плиты с циркулирующей внутри водой в качестве источника тепла и обычно работают при значительно сниженном абсолютном давлении. Технологии с периодической загрузкой и SSV (сверхнагретым паром) используют атмосферу для подачи тепла в древесный заряд. Технология периодической загрузки позволяет полностью выровнять давление в печи с атмосферным, затем нагревается воздух в камере, и, наконец, создается вакуум. SSV работают при частичном давлении (обычно около 1/3 от полного атмосферного давления), представляя собой гибрид вакуумной и традиционной технологий сушки (печи SSV значительно более популярны в Европе, где местная древесина легче сушится по сравнению с породами, распространенными в Северной Америке). Печи RF/V (радиочастотная + вакуумная) используют микроволновое излучение для нагрева древесного заряда и, как правило, имеют самые высокие эксплуатационные расходы из-за того, что тепло испарения обеспечивается электричеством, а не местным ископаемым топливом или отходами древесины. Обоснованные экономические исследования различных технологий сушки древесины основаны на совокупных затратах на энергию, капитал, страхование/риск, воздействие на окружающую среду, труд, техническое обслуживание и потери продукта при удалении воды из древесного волокна. Эти затраты (которые могут составлять значительную часть общих затрат на предприятие) связаны с дифференцированным влиянием наличия сушильного оборудования на конкретном производстве. Например, каждое устройство (на деревообрабатывающем предприятии) от обрезного станка для свежего пиломатериала до системы подачи на фуговальном станке является частью "сушильной системы". Поскольку во всем мире существуют тысячи различных предприятий по производству изделий из древесины, которые могут быть интегрированы (пиломатериалы, фанера, бумага и т. д.) или работать автономно (только пиломатериалы), истинные затраты на сушильную систему могут быть определены только путем сравнения общих затрат и рисков предприятия с сушкой и без нее. Общие (вредные) выбросы в атмосферу, производимые сушильными печами, включая их источник тепла, могут быть значительными. Как правило, чем выше температура, при которой работает печь, тем больше выбросов образуется (на килограмм удаленной воды). Это особенно актуально при сушке тонкого шпона и высокотемпературной сушке хвойных пород.
Нормы OSHA относительно сухих печей
1910.265(f)(3)(i)(a): Главные двери печи должны быть оснащены устройством для фиксации их в открытом положении во время загрузки. 1910.265(f)(3)(i)(b): Противовесы на вертикально поднимающихся дверях должны быть заключены в кожух или иным образом защищены. 1910.265(f)(3)(i)(c): Должны быть предусмотрены надежные средства для крепления главных дверей, когда они отсоединены от транспортных и подвесных устройств, чтобы предотвратить их опрокидывание. 1910.265(f)(3)(ii)(a): Если рабочие процедуры требуют доступа внутрь печи, печи должны быть оборудованы аварийными выходами, которые легко открываются изнутри, открываются по направлению выхода и расположены в конце прохода или рядом с главной дверью. 1910.265(f)(3)(ii)(b): Аварийные выходы должны иметь достаточную высоту и ширину для прохода человека среднего роста. 1910.265(f)(4): Ямы. Ямы должны быть хорошо вентилируемыми, оборудованы дренажом и освещением, а также иметь достаточный размер для безопасного размещения оператора печи вместе с рабочими устройствами, такими как клапаны, заслонки, тяги заслонок и ловушки.