Сушка древесины

Почему и как сохнет древесина

При сушке древесины наблюдается перенос влаги из внутренних к поверхностным слоям, где происходит ее испарение. Традиционная сушка представляет собой совокупность двух процессов:

- перемещение воды из внутренних зон к поверхности сортимента;

- испарение воды с поверхности сортимента в атмосферу.

Для испарения воды необходимо, чтобы окружающий воздух был ненасыщенным, а для обеспечения внутреннего переноса влаги к поверхности по направлению к центральным зонам должен поддерживаться повышающийся градиент влажности (положительный градиент).

Градиент влажности обеспечивает движение воды и водяного пара внутри древесины из самой влажной зоны в наиболее сухую.

Процесс сушки начинается сразу же после контакта свежесрубленной древесины с воздухом за счет поверхностного испарения воды. Испарение с поверхности создает градиент влажности, возрастающий по направлению к центру.

Свежесрубленная древесина кроме воды, химически и физически связанной с клеточными стенками (гигроскопическая влага), всегда содержит и свободную воду, находящуюся в клеточных и межклеточных полостях. Ядровая древесина хвойных пород обычно имеет невысокую влажность (31-35%, примерно 100 кг/м3), в тоже время заболонь отличается высоким содержанием воды (120-160%, примерно 570 кг/м3; - исключения: сосна Веймутова и пихта белая с влажным ядром). Древесина лиственных пород имеет более высокую влажность (80-90% - 480-560 кг/м3, тополь даже более 200%), но при этом не наблюдается значительной разницы между влажностью заболони и ядра. (Лист 7 – Таблица 1).

Влажность древесины хвойных деревьев больше в вершинной части ствола, поскольку там преобладает заболонь, тогда как в лиственных деревьях такого различия практически нет. Обычно с повышением возраста дерева влажность древесины понижается, поэтому лесоматериалы из молодого леса имеет более высокую влажность, чем из взрослого леса. Как правило, из разновозрастного леса получаются более влажные лесоматериалы, чем из одновозрастного, а лесоматериалы из порослевого леса более влажные, чем из высокоствольного леса.

Скорость испарения зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха: она возрастает при увеличении температуры и понижении относительной влажности воздуха. В стационарных климатических условиях скорость испарения постоянна.

Процесс испарения подчиняется закону Дальтона, согласно которому пар (как все газы) распространяется в воздухе по направлению к области минимального давления, а скорость испарения пропорциональна разности давлений водяного пара в зоне поверхностного слоя воды и в воздухе.

Идеализированные распределения влажности на различных фазах сушки для древесины: а, проницаемой; b, средне проницаемой; с, непроницаемой. I-II-III -фазы сушки; А-В - подфазы фазы II.

1. диапазон изменения влажности для режима гигроскопического равновесия при сушке; 2. Возможная I критическая точка для проницаемой древесины и пограничная влажность между подфазами (А-В) фазы II для непроницаемой и средне проницаемой древесины; Ui начальная влажность; Uį точка насыщения волокна; Ueį равновесная влажность в начале сушки; Ueƒ равновесная влажность после сушки.

Схема проведения контроля за состоянием материала по секциям и контрольному образцу:

· А – схема выпиловки контрольных секций: секции для средней влажности, секции для послойной влажности, силовой секции и контрольного образца из контрольной доски.

· В – раскрой секции для определения влажности поверхностных и внутренних слоев при контроле градиента влажности в поперечном сечении контрольной доски (2 слоя для толщин до 3,8 см, 3 слоя для толщин более 3,8 см).

· С – силовая секция (U-образная или в форме вилки) для контроля внутренних напряжений в контрольной доске (2 зубца для толщин до 3,8 см, 4 зубца для толщин более 3,8 см).

· D – растягивающие напряжения в поверхностных зонах и сжимающие напряжения внутри контрольной доски: 1 - распределение напряжений, 2 - изгиб двух половинок секции после ее раскалывания по средней линии доски, 3 - удлинение внутренних слоев при одновременном укорочении наружных слоев, 4 - изгиб наружу зубцов силовой секции;

· Е – растягивающие напряжения внутри и сжимающие напряжения в поверхностных зонах контрольной доски: 1 - распределение напряжений, 2 - изгиб двух половинок секции после ее раскалывания с образованием зазора между ними (в плоскости распила), 3 - укорочение внутренних слоев при одновременном удлинении наружных слоев, 4 - изгиб вовнутрь зубцов силовой секции (типичное состояние материала после сушки).

Скорость внутреннего переноса влаги зависит от градиента влажности и температуры внутри древесины: в большинстве случаев (за исключением проницаемой древесины с очень высокой влажностью) она определяется количеством влаги в клеточных стенках (градиент влажности), массой клеточных стенок (плотность древесины) и температурой, и падает с понижением влажности древесины.

Перенос воды внутри древесины в первую очередь зависит от ее проницаемости для воды и пара. Клеточная стенка древесины непроницаема, что означает, что движение потока жидкости или газа (пара) через стенки невозможно. Перемещение потоков, однако, возможно внутри полостей клеток (в частности, в сосудах лиственных пород) и через поры, точнее, через микроотверстия в менбрамах пор. Если указанные проходы не закупорены, то древесина проницаема, а если закупорены, то древесина непроницаема.

Механизм перемещения обусловлен наличием градиента сил поверхностного натяжения в менисках капилляров древесины (иногда также проявлением осмоса жидкости, возникающим при появлении градиента соляной концентрации), а также газовой диффузией в направлении градиента давления пара в полостях близлежащих клеток. Скорость диффузии пара через полости клеток, открытые сосуды и открытые поры в тысячу раз больше по сравнению с другими описанными выше потоками, что обеспечивает очень высокую скорость сушки проницаемой и очень влажной древесины, особенно, если в древесине происходит внутреннее кипение.

Подобное «движение» влаги происходит до тех пор, пока в близлежащих клетках есть свободная вода. Скорость этих потоков остается постоянной до тех пор, пока не изменится скорость испарения.

После удаления свободной влаги в клеточных стенках остается только гигроскопическая влага, перенос которой происходит за счет перемещения молекул воды через клеточные стенки в направлении градиента концентрации влаги, а также благодаря диффузии водяного пара через полости клеток по направлению градиента давления пара, т. е. в направлении градиента относительной влажности воздуха.

Совокупность двух описанных процессов переноса в технологии сушки называется термином «диффузия». В среднем, скорость диффузии в направлении вдоль волокон в 10 раз больше, чем в поперечном направлении; она также выше в радиальном направлении за счет сердцевинных лучей, по сравнению с тангенциальным направлением.

В непроницаемой древесине (Лист 7 – Таблица 4) свободная вода (вода и пар, содержащиеся в клеточных и межклеточных полостях) также перемещается в соответствие с механизмом молекулярного движения через стенки клеток. Увеличение скорости диффузии за счет градиента концентрации влаги имеет определенный предел, связанный с понижением «смачиваемости» абсолютно сухой древесины, что может блокировать влагоперенос (формирование напряженного состояния и образование водяных карманов ).

Скорость диффузии увеличивается с повышением температуры и уменьшается при понижении влажности (обезвоживание).

Водонепроницаемость древесины возрастает с увеличением плотности, количества тил, а также содержания масел и смол.

Кроме того, влагоперенос внутри древесины может быть вызван градиентом температуры, благодаря которому влага перемещается из более нагретых слоев в более холодные. Скорость этого переноса возрастает при увеличении градиента температуры.

С другой стороны, при высокой температуре понижается механическое сопротивление, противодействующее напряжениям, возникающим в древесине в процессе сушки (при влажности выше PS они минимальны). И, наконец, повышенная относительная влажность воздуха вместе с температурой создают условия для изменения цвета древесины.