Вакуумная и пресс-вакуумная сушка древесины
В среде российских специалистов по деревообработке довольно давно обсуждается способ сушки пиломатериалов в вакууме. Интерес к проблеме возник после появления сообщений в СМИ об установках итальянского производства, а затем и продукции фирмы WDE Maspell на нашем рынке. Через некоторое время выпуск аналогичных сушильных камер освоили и ряд отечественных компаний: «Энергия-Ставрополь», Wood-Lander, «МВ-Импульс», «Вояджер-Восток» и др.
Повышенное внимание к подобным установкам объясняется тем, что их производители анонсируют сушку пиломатериала в небывало короткие сроки: в течение 1-4 суток в зависимости от породы древесины и толщины пиломатериалов - и при этом гарантируют высокое качество получаемых досок или заготовок. Такие сроки сушки вызвали недоверие у тех, кто не имел возможности на практике проверить качество продукции, высушенной в подобных камерах. Развеять эти сомнения не позволяет крайне скудная информация производителей оборудования для вакуумной сушки о сути процесса. Попытаемся разобраться.
Сушка пиломатериалов при пониженном давлении (обычно рабс = 0,15-0,4 бар абсолютного давления или рразр = 0,85-0,6 бар разрежения, чему соответствует температура насыщения tнас = 54,0-75,9°С) относится к т. н. высокотемпературному процессу сушки. Такой тип процесса имеет место в случае, когда температура древесины tдр превышает температуру насыщения tнас водяного пара при заданном давлении. Протекание высокотемпературного процесса сушки отличается большей интенсивностью по сравнению с низкотемпературным процессом, когда температура древесины ниже температуры насыщения (tнас= tкип, tкип - температура кипения). Скорость бездефектной вакуумной сушки в сравнении с нормативным ГОСТовским режимом конвективной камерной сушки выше в 4-5 раз. Так, например, для группы твердолиственных пород (бука, клена, ясеня, вяза и др.) нормативное время сушки для низкотемпературного конвективного режима при толщине доски 50 мм составляет 12-14 суток, время же сушки в пресс-вакуумных установках для этих же сортиментов - 3-4 суток. Процесс высокотемпературной сушки описан в отечественной литературе еще в 1957 году. Ниже приведена информация по древесиноведению и из теории высокотемпературного процесса сушки, взятая из литературных источников.
«Вода может находиться в двух основных структурных элементах древесины: в полостях клеток и сосудов - свободная влага, а в стенках клеточных оболочек гигроскопическая, или связанная, влага. При сушке влажной древесины в первую очередь в пределах клетки полностью удаляется свободная влага и лишь затем, ниже предела гигроскопичности (wпг), одновременно являющегося пределом усушки, начинает испаряться из ее оболочки связанная. При уменьшении содержания в древесине связанной влаги древесина усыхает».*
«Рассмотрим случай сушки сырой (wн > wпг) древесины в форме неограниченной пластины в газовой среде с температурой tс > 100°C. На некотором промежуточном этапе процесса (рис. 2) из наружных зон пластины толщиной x удалена вся свободная влага. Влажность этих зон изменяется от равновесной на поверхности до предела насыщения внутри и имеет некоторое среднее значение wпер. Внутренняя зона толщиной (S - 2x) на этом этапе остается сырой, ее влажность близка к начальной. Температура внутренней зоны поддерживается на уровне точки кипения воды tкип, а в поверхностных зонах и пограничном слое постепенно повышается до tс. На границе зон происходит выпаривание свободной влаги, за счет чего эта граница постепенно заглубляется».**
Объяснить возможность сохранения безупречного качества сушки при столь значительной интенсивности высокотемпературного (даже необязательно с использованием вакуума) процесса можно, учитывая тот факт, что при достижении температуры насыщения tнас сначала на поверхности, а затем и в толще пиломатериала происходит интенсивное испарение свободной воды (псевдокипение) и продвижение образовавшегося водяного пара наружу. В зоне псевдокипения у паровой среды относительная влажность φпар = 100%, а влажность древесины w стремится к равновесной влажности wр = 10,6 (φ/100) (3,27-0,015t), %, соответствующей пределу гигроскопичности wр = wпг (wпг= 26,1% при t = 54°С и wпг = 22,6% при t = 75,9 °С). Влажность wпг, %, является функцией только температуры: wпг = (34,66-0,159t) - и характеризуется тем, что является границей, ниже которой свободной влаги нет ни в полостях, ни в стенках клеток древесины. При условии w < wпг начинается усушка древесины. Таким образом, свободная вода интенсивно удаляется из древесины при w = wпг и отсутствии усушки, а следовательно и при минимальных напряжениях в наружных слоях древесины. По мере продвижения зоны парообразования в толщу пиломатериала температура наружных слоев tнар = (tнас + ∆t) повышается относительно температуры насыщения, их равновесная влажность wнар = (wпг - ∆w) снижается на ∆ w относительно предела гигроскопичности wпг и наружные слои испытывают деформации растяжения є = У, подвергаясь стесненной усушке У = α∆ w и испытывая при этом напряжения растяжения σ = Еє. Здесь є - относительное растяжение поверхностных слоев; У - относительная свободная усушка поверхностных слоев, У = (Шпг - Шw)/Шпг; Шпг - ширина доски при ее влажности w ≥wпг; Шw - ширина доски при влажности w для свободной усушки; σ - коэффициент усушки; Е - длительный модуль упругости древесины при заданных w и t. Регулированием подводимой тепловой мощности можно поддерживать требуемое значение ∆t (и соответственно ∆w и є) и тем самым, ограничивая нарастание напряжений σ, добиться бездефектной сушки, чему способствует и постоянное пропаривание наружных слоев древесины паром, движущимся от внутренних слоев наружу. На втором этапе сушки при удалении связанной влаги опасности возникновения дефектов почти нет. Для обеспечения эффективной работы установок, не использующих конвекцию для реализации высокотемпературного процесса, - атмосферных, вакуумных и пресс-вакуумных (безотносительно конструктивных отличий и особенностей исполнения оборудования конкретным производителем), следует учитывать три обязательных условия.
Первое условие заключается в том, что пиломатериал загружается в камеру послойно с плоскими нагревателями - греющими пластинами, чем обеспечивается равномерная и интенсивная теплопередача. Второе условие: температура поверхности нагревателей должна превышать температуру насыщения (кипения) при созданном в установке давлении (разрежении) по определению.
Третье условие (не являющееся обязательным для атмосферных установок) заключается в том, что в полости камеры создается пониженное относительно атмосферного давление. Если верхняя крышка камеры выполнена в виде гибкой мембраны (обычно из силиконовой резины), то за счет разности значений давления создается прижимающее усилие между слоями пиломатериала и нагревателями, передаваемое послойно на металлическую конструкцию днища камеры. Это прижимающее усилие обеспечивает идеально плоскую форму досок и плотное прилегание поверхности пиломатериалов к нагревателям, что очень важно в случае, если теплопередача межу ними осуществляется кондуктивным способом. При этом варианте необходима точная калибровка по толщине пиломатериала для исключения неплотности прилегания досок к нагревателям.
Для того чтобы обеспечить равномерность теплопередачи от нагревателей к поверхности досок без их калибровки, разумно организовать нагрев тепловым излучением через небольшой зазор между плоскостью нагревателей и пиломатериалом, специально созданный за счет специальных выступов греющих пластин (такие выступы есть, например, в установках, которые выпускает компания «Энергия-Ставрополь»). Теплопередача излучением в плоском зазоре не зависит от его величины и от неизбежного разбега пиломатериала по толщине.
Как было сказано выше, вакуумирование для высокотемпературного процесса сушки не является обязательным условием, однако у пресс-вакуумных сушильных камер есть несомненные плюсы, например возможность понижения давления, а следовательно температуры насыщения. Во-первых, снижение температуры процесса способствует уменьшению тепловых потерь в установке и минимизации изменения цвета древесины при сушке. Во-вторых, использование мембранного пресса помогает добиться идеального фиксирования плоскости высушиваемых досок и заготовок. В-третьих, плотный прижим слоев нагревателей и слоев пиломатериала обеспечивает равномерность теплопередачи в процессе сушки.
Для сушки толстых сортиментов трудносохнущих пород (например, дуба) применяются специальные режимы на стадиях влажности древесины выше и ниже предела гигроскопичности. Применение этих режимов обеспечивает бездефектную сушку 50-миллиметрового дубового сортимента в течение 6-8 суток.
Процесс пресс-вакуумной сушки древесины реализуется в установках с разовой загрузкой от 0,5 до 10 м3, обеспечивая для доски толщиной 50 мм твердолиственных пород (при сушке в течение 4 суток) - семь с половиной оборотов камеры (циклов сушки) в месяц, а в случае сушки пиломатериалов хвойных пород (при сушке в течение двух суток) - 15 оборотов камеры, для доски толщиной 30 мм твердолиственных пород (при сушке в течение двух суток) - 15 оборотов, хвойных пород (при сушке в течение суток) - 30 оборотов камеры в месяц.
Вода, испаряющаяся из древесины (около 250 л на 1 м3 пиломатериала), конденсируется на металлических стенках камеры, а также в теплообменнике-конденсаторе (если таковой предусмотрен конструкцией). Конденсат сливается в канализацию.
Коротко о некоторых особенностях конструктивного исполнения установок для пресс-вакуумной сушки древесины «Энергия» (производитель - ООО «Энергия-Ставрополь», Россия) и Wood-Lander (производитель - ГК Wood-Lander), а также WDE Maspell (производитель - компания WDE Maspell srl, Италия). В этих установках применяются водяные плоские нагреватели. В камерах других производителей, например ООО «МВ-Импульс» и ООО «Вояджер-Восток» (обе компании - г. Уфа, Россия), применяются нагреватели с электрическими омическими греющими элементами. Камеры фирмы WDE Maspell комплектуются электрическими водяными котлами, а конструкция камер компаний «Энергия-Ставрополь» и Wood-Lander позволяет использовать в качестве источников нагрева как электрические, так и газовые водонагревательные котлы. Стоимость 1 МДж тепловой энергии, полученной при использовании электроэнергии, пропана и природного газа, составляет сейчас 1,5, 0,75 и 0,1 руб. соответственно, по-этому выгоднее всего для сушки древесины использовать котлы, работающие на природном газе. Понятно, что качество высушенного пиломатериала не зависит от вида используемого энергоносителя, а определяется технологическими режимами сушки и корректной работой автоматики.
Сергей БОНДАРЬ
