Осциллирующая сушка-пропитка крупномерной древесины в жидкостях. Монография

сердцевинных лучей и различием плотности поздней и ранней

древесины и их объема. Наиболее полный анализ этого вопроса проведен Б.С. Чудиновым [144].

теплоемкость древесины не зависит от ее породы и плотности. В этом

случае удельная теплоемкость влажной древесины будет зависеть лишь от влажности и температуры и может быть определена по известной диаграмме [117].

В работе [79] для расчета удельной теплоемкости влажной древесины предлагается выражение

В результате исследований поведения древесины при

переменных температуре и влажности сформулирован общий закон её деформирования [136]:

по времени.

, (1.15)

где n – число стержней; j = 1, 2, i,… – номер стержня; α – коэффициент усушки; W, W* – влажность соответственно на данном

и предшествующем этапах сушки; Ε – модуль упругости; h – толщина стержня.

этапе по сравнению с предшествующим у любого стержня может изменяться только величина модуля упругости, а толщина стержня должна оставаться неизменной, чтобы не нарушать условия равновесия напряжений в модели. Метод позволяет учесть эффект перерождения упругих деформаций в квазиостаточные (замороженные) деформации и повышение жесткости древесины при разгрузке стрежней из-за исключения остаточных деформаций.

Б.Н. Уголевым предложен экспериментальный метод определения внутренних напряжений [134], который позволяет учесть изменение модуля упругости по толщине доски в зависимости от влажности. Суть метода заключается в следующем. Из средней части доски выпиливают два образца, один их которых служит для определения модуля упругости; другой – размечается на отдельные секции. Измеряют длину каждой секции в образце, после чего образец раскалывают на отдельные секции и измеряют длину каждой из них в свободном состоянии. Сравнив размеры секций в образце и в свободном состоянии, определяют величину деформации, умножив которую на значение модуля упругости, определенного на парном образце, получают значение напряжений. Для построения функции распределения влажности по толщине доски определяются влагосодержание отдельных секций весовым методом. Достоинством предложенного метода является его простота и отсутствие сложных измерительных приборов, что делает возможным применение данного метода в производственных условиях.

Дальнейшим развитием рассмотренного экспериментального метода можно рассматривать способ определения напряжений в высыхающей доске в любой момент сушки при комнатной температуре [159]. Из доски выпиливают образец и раскалывают на секции, для которых определяют величины деформации аналогично рассмотренному выше методу. Полученные значения деформации вводят в уравнения плоской задачи теории упругости, которые решаются энергетическим методом (с помощью введения функций напряжений). Полученное решение используют для построения поля

напряжений по перечному сечению доски. К недостатку описываемого метода можно отнести наличие громоздких вычислений, затрудняющих широкое использование.

В последние годы ведутся исследования по кондуктивной сушке бревен с подводом тепла от нагревательного кабеля, помещаемого в центр бревна. Однако подобная технология, а также другая широко используемая технология – конвективная сушка, в которой наблюдается омывание материала потоком нагретого

воздуха, применительно к бревнам и крупным брусьям используется крайне редко и ограничивается областью, где к материалу не предъявляются требования по качеству. Поскольку температура в центре материала в процессе конвективной сушки ниже, чем на поверхности, а влажность выше, то перемещение влаги к поверхности материала обусловлено только градиентом влажности, градиент температуры оказывает тормозящее действие. По данным Н.А. Першанова, отрицательный температурный градиент снижает общий поток влаги, создаваемый градиентом влажности, до 30%, вследствие чего к недостаткам конвективного способа сушки следует отнести ещё и высокую продолжительность процесса.

До сих пор в разряде перспективных технологий остаются диэлектрическая сушка и сушка в СВЧ-поле. СВЧ-нагрев, осуществляемый СВЧ-полем, создается в объёме штабеля соответствующими генераторами. Несмотря на известные преимущества СВЧ-энергии для сушки пиломатериалов (наибольшая скорость сушки благодаря выделению тепла во всем объёме древесины), данная технология еще не нашла широкого применения вследствие дороговизны как самих установок, так и их эксплуатации и необходимости привлечения квалифицированного персонала для их обслуживания. КПД такой установки невелик: КПД высокочастотных генераторов колеблется в пределах 55 – 60 %, КПД контура даже при оптимальной настройке составляет не более 90 % [122]. Поэтому неизбежен большой удельный расход электроэнергии. Эксплуатация СВЧ-оборудования требует соблюдения жестких требований техники безопасности. Кроме того, при этом способе сушки не всегда удается обеспечить удовлетворительную однородность пиломатериалов по конечной влажности и довольно сложно локально контролировать текущую влажность и температуру древесины, что необходимо для управления процессом.

Диэлектрические сушильные камеры [7, 13] основаны на нагревании высушиваемого материала, обладающего диэлектри­ческими свойствами, в электрическом поле высокой частоты. Тем

самым, казалось бы, должен осуществляться равномерный по толщине прогрев материала. Однако при сушке толстых пиломатериалов (толщиной более 60 мм) и пиломатериалов из древесины твердых пород (дуб, лиственница и др.) кипение воды проходит не по всему объему материала, а только в поверхностных слоях [95]. В центральных зонах кипение отсутствует, а вода движется к границе фазового превращения за счет градиента температуры. При таком механизме процесса непрерывный подвод высокочастотной энергии к материалу приводит к большим перепадам влажности по толщине материала и сушильным напряжениям, в результате чего происходит растрескивание

высокая стоимость оборудования сдерживают активное применение вакуумно-диэлектрических сушилок.

Процесс сушки осциллирующими режимами складывается из последовательно чередующихся стадий нагрева древесины и ее вакуумирования. На стадии нагрева материал омывается потоком теплоносителя при атмосферном давлении. В этот период температура древесины повышается, что сопровождается испарением влаги с ее поверхности. Влажность несколько снижается. Движение влаги внутри материала происходит под действием градиента влажности. Древесину нагревают до определенной температуры, после чего начинается стадия вакуумирования, которая характеризуется интенсивным испарением влаги с поверхности материала. Температура поверхности снижается. В полостях клеток происходит вскипание воды, образовавшийся водяной пар движется к поверхности под избыточным давлением. При этом часть пара удаляется из древесины, а часть ее, при контакте с охлажденными поверхностными зонами конденсируется. Водяной пар, покинувший древесину, образует вокруг нее среду практически чистого насыщенного или перегретого пара. В результате этого влага удаляется при достаточно высокой влажности поверхности и, следовательно, малом ее перепаде по толщине материала, что позволяет избежать значительных сушильных напряжений и больших остаточных деформаций [97].

В период выдержки досок в вакууме при удалении свободной влаги ее движение проходит под действием градиентов давления, влажности и температуры, а при влажности древесины ниже предела насыщения – под действием градиентов влажности и температуры. Этим и обеспечивается высокая интенсивность вакуумно­конвективной сушки. Вакуумирование прекращается после падения температуры в центре материала до определенного значения. Число стадий прогрев-вакуум зависит от требуемой конечной влажности высушиваемых досок.

Известна также схема, разработанная сотрудниками МГУЛ, по которой процесс проводят в вакууме глубиной 0,085 – 0,090 МПа с конвекцией сушильного агента при скорости 15 – 20 м/с. Сушка

ведется циклами «работа-пауза» при постоянной глубине вакуума. На стадии «работа» происходит сушка в среде, температура которой выше температуры точки кипения воды при заданном давлении. Эта стадия характеризуется высокой интенсивностью процесса за счет большого градиента влажности по толщине материала. Ввиду малой продолжительности возникающие сушильные напряжения сравнительно малы, а деформации носят в основном упругий характер. На стадии «пауза» система циркуляции отключается и происходит выравнивание влажности по толщине материала и уменьшение сушильных напряжений. Продолжительность стадии «работа» определяется возникающими сушильными напряжениями, которые не должны превышать предела упругости. На стадии «пауза» продолжительность устанавливается из условия выравнивания температуры центра и поверхности и прекращения движения влаги под действием градиента температуры.

Наибольшее распространение при сушке крупномерных древесных материалов до сих пор имеет естественная атмосферная сушка, именно поэтому шпалопропиточные заводы при всей скромности технологического процесса занимают огромные территории, а продолжительность строительства малоэтажных зданий и сооружений из оцилиндрованного бревна «под ключ» достигает года и более, поскольку требуется время на естественную усадку сруба.

В связи с вышеизложенным в производствах, когда завершающей операцией технологического процесса является пропитка древесного изделия, для ускорения процесса сушки предпочтительным является метод совмещенной сушки-пропитки древесины. По данной технологии сушильным агентом является