CC BY
14
УДК 674.047
Хвойные бореальной зоны. 2021. Т. XXXIX, № 2. С. 136-140 РЕЖИМЫ ПРОГРЕВА ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ ПЕРЕД СУШКОЙ Ш. Г. Зарипов1*, В. А. Корниенко2, М. И. Кормишкина1**
1Лесосибирский филиал Сибирского государственного университета науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 662543, г. Лесосибирск, ул. Победы, 29 E-mail: [email protected], [email protected] 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Прогрев пиломатериалов перед конвективной сушкой относится к обязательной технологической операции, целью которой является максимально подготовить древесину к сушке. Изменяя реологические свойства древесины лиственницы, снижает вероятность появления различного вида трещин в высушиваемых пиломатериалах.
В связи с тем, что при повышении температуры в сушильной камере увеличивается влагоёмкость агента сушки, автоматически увеличивается интенсивность такого нежелательного явления как влагообменные процессы на поверхности высушиваемых пиломатериалов. Для нейтрализации негативных последствий (образование трещин в поверхностных слоях доски) в период прогрева рекомендуется впрыск воды в сушильную камеру в тонкодисперсном состоянии.
В то же время имеющиеся в специальной литературе данные, которые в определённой мере получили подтверждение на практике, указывают на возможность удовлетворительно сушить пиломатериалы без впрыска воды в сушильную камеру. Данное утверждение указывает на неоднозначность выводов об эффективности впрыска, в период прогрева, на образование различного вида трещин в высушиваемых пиломатериалах.
В работе предлагается своё видение решения данной проблемы: подъём температуры в сушильной камере следует осуществлять с такой интенсивностью, которая бы максимально учитывала деформационное состояние древесины. Цель работы: уточнить режимы прогрева древесины лиственницы перед сушкой с учётом деформационного состояния
Ключевые слова: лиственничные пиломатериалы, впрыск воды, сушильная камера, деформационное состояние, агент сушки.
Conifers of the boreal area. 2021, Vol. XXXIX, No. 2, P. 136-140
MODES OF LARCH WOOD HEATING BEFORE DRYING
Sh. G. Zaripov1*, V. A. Korniyenko2, M. I. Kormishkina1**
:Lesosibirsk Branch of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 29, Pobedy St., Lesosibirsk, 662543, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected] 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Heating of lumber before convective drying refers to a mandatory technological operation, the purpose of which is to prepare the wood for drying as much as possible. Changing of the rheological properties of larch wood reduces the likelihood of various types of cracks in the dried lumber.
Due to the fact that with increasing temperature in the drying chamber the moisture capacity of the drying agent increases, the intensity of such an undesirable phenomenon as moisture exchange processes on the surface of the dried lumber automatically increases. To neutralize the negative consequences (cracking in the surface layers of the board) during the heating period, it is recommended to inject water into the drying chamber in a finely divided state.
At the same time, the data available in the special literature, which to a certain extent have been confirmed in practice, indicate that it is possible to dry lumber satisfactorily without injecting water into the drying chamber. This statement indicates the ambiguity of the conclusions about the injection efficiency, the formation of various types of cracks in the dried lumber during the heating period.
The paper offers its own vision of solving this problem: the temperature rise in the drying chamber should be carried out with such intensity that would take into account the deformation state of the wood as much as possible.
The purpose of the given article is to clarify the modes of larch wood heating before drying, taking into account its deformation state.
Keywords: larch lumber, water injection, drying chamber, deformation state, drying agent.
ВВЕДЕНИЕ
Прогрев пиломатериалов перед конвективной сушкой относится к обязательной технологической операции, целью которой является максимально увеличить деформативность древесины. Изменяя реологические свойства древесины лиственницы, снижает вероятность появления различного вида трещин в высушиваемых пиломатериалах.
Для этого рекомендуется в сушильную камеру подавать воду в тонкодисперсном состоянии через увлажнительные трубы [1]. Насыщение агента сушки парами воды (ф ^ 100 %) позволяет максимально снизить интенсивность испарения влаги с поверхности пиломатериалов, тем самым предотвращается усушка древесины поверхностного слоя доски.
Такой подход в полной мере согласуется с феноменологической версией конвективной сушки пиломатериалов, когда древесина рассматривается как система открытых микропор. Поэтому, увеличивая степень насыщенности в сушильной камере до ф = 100 %, происходит блокирование испарения влаги с поверхности доски.
В настоящее время эксплуатируются значительное количество сушильных камер без увлажнительной системы, что является определённым нарушением стандартизованных режимов сушки. В специальной литературе [2; 3] описываются примеры получения сухих пиломатериалов без впрыска воды в сушильную камеру в период прогрева перед сушкой. При этом качество сушки удовлетворительное. Причинно-следственная связь в указанных работах между проведением впрыска и появлением трещин в работах не указывается.
Цель работы: уточнить режимы прогрева древесины лиственницы перед сушкой с учётом деформационного состояния.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ процессов в высушиваемой системе при повышении температуры.
Многогранность и сложность процессов, происходящих в самой древесине лиственницы, прослеживается на опыте, результаты которого представлены на рис. 1 [4]. Лиственничный образец, торцы которого плотно гидроизолировались, нагревался в воде при 4 = 86±0,5 °С в течение 37 часов. Уникальность полученных результатов заключается в том, что в процессе нагрева древесины лиственницы при температуре, не превышающей низкотемпературный режим сушки, произошло перераспределение влаги из центра образца в периферийную зону.
По мнению авторов, перенос свободной влаги в образце произошёл под воздействием градиента избыточного давления, которое образуется в процессе нагревания за счёт расширения воздуха, находящегося в полостях клеток. Вода в этом случае удаляется из образца по механизму фильтрации через каналы в мембранах окаймлённых пор.
Не менее наглядным примером, доказывавшим наличие избыточного давления в толще лиственничной доски при нагреве, являются результаты другого опыта [5] (рис. 2). На фотографии зафиксированы затвердевшие экстрактивные вещества на торцовой части образца. Данное явление наблюдалось в процессе нагрева древесины лиственницы при температуре 4 = 80±0,5 °С, что соответствует уровню низкотемпературного режима.
Из вышеприведённого материала следует основополагающий вывод для определения эффективности начальной влаготеплообработки - при нагреве древесины лиственницы перед сушкой в толще доски формируется избыточное давление (ршб) независимо от вида среды, в которой происходит теплообмен. По модулю избыточное давление в толще доски превышает значение давление насыщения пара (рн), которое создаётся в сушильной камере при ф ^ 100 % (ризб > рн).
Поэтому эффективность такой операции как подача воды в сушильную камеру в тонкодисперсном состоянии при начальном прогреве ничтожно мала -влага не удерживается в поверхностных слоях доски. На эффект вытеснения воды из древесины указывается в статье [6]. Авторами указывается на то, что влага из древесины выводится в капельно-жидком состоянии.
При проведении экспериментальных исследований нами было обращено внимание на такой аспект как влияние интенсивности подачи тепловой энергии в сушильную камеру в период прогрева на интенсивность вывода влаги. Было установлено, что интенсивность вывода влаги из древесины возрастает с увеличением интенсивности подачи тепловой энергии в сушильную камеру [7] (рис. 3).
Так, при подъёме температуры в сушильной камере от 24 до 60 °С за 30 мин (кр. 1 рис. 3) влажность в образце в среднем снижалась с интенсивностью 2,9 %/час (кр. 5 рис. 3); при изменении температур в аналогичном интервале, но за 100 мин (кр. 2 рис. 3) влажность в образце снижалась с интенсивностью 1,56 %/час (кр. 6 рис. 3).
Указанный эффект объясняется объёмом тепловой энергии в единицу времени, которая расходуется на запуск процессов [11] в древесине поверхностного слоя доски, способствующих увеличению ризб.
Следовательно, для снижения вероятности усыха-ния поверхностного слоя лиственничной доски целесообразно максимально ограничить скорость подъёма температуры в сушильной камере, что позволит удерживать значение ризб на минимальном уровне.
При этом какого-либо значимого влияния на изменение температуры в центре доски (4) интенсивность подачи тепловой энергии в сушильную камеру не оказывает (кр. 3, 4 рис. 3). Данная закономерность объясняется тем, что интенсивность теплопереноса в древесине определяется коэффициентом теплопроводности X, Вт/м-К.
75 70 65 60 55 50 45 40
2
4 \ /
V
д
1
10
20 30
Толщина, мм
40
50
Рис. 1. Кривые распределения влажности по толщине образца до и после опыта: 1 - распределение начальной влажности; 2 - распределение конечной влажности
Рис. 3. Изменение температуры в сушильной камере, на поверхности и в центре лиственничной доски толщиной 25 мм:
1, 2 - изменение температуры в сушильной камере при различной интенсивности подачи тепловой энергии; 3, 4 - изменение температуры в центре образца; 5, 6 - изменение влажности, соответственно, при подъёме температуры за 30 мин, при подъёме температуры за 100 мин
Из вышесказанного следует, что оптимальная скорость подъёма температуры в сушильной камере в период прогрева лиственничных пиломатериалов перед сушкой составляет (0,21.. .0,23) °С/мин [8].
Деформационное состояние древесины лиственницы при прогреве. Данный вопрос является одним из ключевых при проведении прогрева лиственничных пиломатериалов перед сушкой. Повышение
температуры полимерного материала (древесины) неизменно приводит к изменению его физического состояния.
Существует множество феноменологических версий, которые в определённой мере характеризуют процессы деформирования, происходящие в древесине при её прогреве. Необходимость изучения указанных процессов основывается на том, что наблюдается неравномерное распределение связанной влаги в начальный период сушки в поверхностных слоях доски, которая достигает 12 % [9], что повышает вероятность появления трещин в указанных зонах.
В этих условиях важно определить реакцию древесины на действие растягивающих напряжений. Предполагается, что прогрев пиломатериалов перед сушкой - это технологическая операция, которая позволяет увеличить эластичность древесины. Для выяснения указанной проблемы были проведены специальные исследования, результаты которых опубликованы [9].
Основной вывод, который следует из полученных данных указывает линейность связи между напряжениями растяжения стр и деформациями е. Такая зависимость характерна для упругих тел и подчиняется закону Гука [10]: ст = Ее, где Е - модуль упругости; е - относительная деформация. Таким образом, кардинально изменить физическое состояние древесины лиственницы при прогреве с целью увеличения способности растягиваться без разрушения при прогреве не представляется возможным.
Тогда необходимо установить температурные показатели, при которых деструктивные процессы, происходящие в древесине лиственнице при прогреве, оказывали бы минимальное влияние. Решение данной проблемы представлено в [9]. На рис. 4, 5 представлены результаты реакции древесины лиственницы на растяжение поперёк волокон при варьировании таких факторов как анатомическое направление действия растягивающих сил: рис. 4 - тангенциальное направление, рис. 5 - радиальное; влажность древесины -Wata 5 %; WR > 30 %; скорость нагружения ин = 0,1 кН/с, 1 кН/с; температура древесины tR = 20 °С, 50 °С, 75 °С.
Рис. 4. Модуль упругости древесины лиственницы при растяжении в тангенциальном направлении в зависимости от:
1 - £ 30 %; ид = 1 кН/с; 2 - £ 30 %; ид = 0,1 кН/с; 3 - я 5 %; ид = 0,1 кН/с; 4 - я 5 %; ид = 1 кН/с
■Ъ 550 500
¡I 450
400 350 300 250 200 150 100
М !|Ё 4 Я
II
— -i—
20
30
40
50
S0
70
Температура доевсога^ °С
Рис. 5. Модуль упругости древесины лиственницы при растяжении в радиальном направлении в зависимости от:
1 - £ 30 %; ид = 1 кН/с; 2 - Wд £ 30 %; ид = 0,1 кН/с; 3 - я 5 %; ид = 0,1 кН/с; 4 - Wдя 5 %; ид = 1 кН/с
Из полученных данных наиболее важным является вывод о том, что при температуре древесины tд = 34 -36 °С (тангенциальное растяжение) и ^ = 41 °С (радиальное растяжение) влияние скорости усыхания на жёсткость древесины лиственницы ничтожно мала (точки пересечения кривых). Такая зависимость прослеживается независимо от влажности древесины.
Следовательно, для максимального предотвращения появления трещин в начальный период сушки в лиственничных пиломатериалах смешанной распиловки температура прогрева должна составлять не более ^ = 36 °С.
ВЫВОДЫ
1. Интенсивность удаления влаги с поверхности лиственничной доски при прогреве зависит от скорости подъёма температуры в сушильной камере.
2. Для снижения интенсивности удаления влаги с поверхности древесины при прогреве необходимо установить подъём температуры в сушильной камере на уровне (0,21.. .0,23) °С/мин.
3. При прогреве лиственничных пиломатериалов перед сушкой кардинально изменить деформационное состояние древесины лиственницы с не представляется возможным.
4. Для максимального предотвращения появления трещин в начальный период сушки в лиственничных пиломатериалах смешанной распиловки температура прогрева должна составлять не более ^ = 36 °С.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Руководящие материалы по технологии камерной сушки древесины / под ред. Е. С. Богданова. Архангельск : ЦНИИМОД, 1985. 152 с.
2. Чернышев А. Н. Физико-механические показатели и энергосберегающие режимы сушки древесины ольхи чёрной без искусственного увлажнения в конвективных камерах периодического действия // Лесотехнический журнал. 2013. № 4. С. 138-142.
3. Чернышев А. Н., Ефимова Т. В. Физико-механические показатели и режимы сушки дуба скального без искусственного увлажнения в конвективных камерах периодического действия // Лесотехнический журнал. 2014. № 1. С. 146-150.
4. Горбанёв П. Б., Ковейша А. В., Глеб Н. А. Исследования переноса свободной воды в древесине
лиственницы // Химико-лесной комплекс: проблемы и решения: сб. статей студентов и молодых учёных. Т. II. Красноярск, 2002. С. 43-46.
5. Зарипов Ш. Г., Ермолин В. Н. Избыточное давление в лиственничных пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке // Лесной журнал. 2011. № 4 С. 52-57.
6. Голицын В. П., Голицына Н. В. Сравнительная оценка энергозатрат на сушку пиломатериала в сушильном оборудовании различного типа и способа сушки // Лесной эксперт. 2004. № 16. С. 18-25.
7. Зарипов Ш. Г. Совершенствование технологии сушки лиственничных пиломатериалов : дис. ... д-ра техн. наук (05.21.05 - древесиноведение, технология и оборудование деревообработки). Архангельск, 2016. 243 с.
8. Зарипов Ш. Г. Рациональная технология начального прогрева лиственничных пиломатериалов перед конвективной сушкой // Хвойные бореальной зоны. 2012. Т. XXХ. № 3-4. С. 351-354.
9. Зарипов Ш. Г. Систематизация факторов, влияя-ющих на образование трещин в лиственничных пиломатериалах при сушке // Лесной журнал. 2018. № 3. С. 127-136.
10. Кауш Г. Разрушение полимеров : пер. с англ. ; под ред. С. Б. Ратнера. М. : Мир, 1981. 440 с.
11. Зарипов Ш. Г., Корниенко В. А. Гидролиз при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами // Хвойные боре-альной зоны. 2018. Т. XXKVI, № 6. С. 542-548.
REFERENCES
1. Rukovodyashchiye materialy po tekhnologii kamernoy sushki drevesiny / pod red. E. S. Bogdanova. Arkhangelsk, TsNIIMOD, 1985 152 s.
2. Chernyshev A. N. Fiziko-mekhanicheskiye pokaza-teli i energosberegayushchiye rezhimy sushki drevesiny ol'khi chernoy bez iskusstvennogo uvlazhneniya v konvektivnykh kamerakh periodicheskogo deystviya // Lesotekhnicheskiy zhurnal. 2013, No. 4, S. 138-142.
3. Chernyshev A. N., Efimova T. V. Fiziko-mekha-nicheskiye pokazateli i rezhimy sushki duba skal'nogo bez iskusstvennogo uvlazhneniya v konvektivnykh kame-rakh periodicheskogo deystviya // Lesotekhnicheskiy zhurnal. 2014, No. 1, S. 146-150.
4. Gorbanev P. B., Koveysha A. V., Gleb N. A. Issledovaniya perenosa svobodnoy vody v drevesine listvennitsy // Khimiko-lesnoy kompleks: problemy i resheniya: sb. statey studentov i molodykh uchenykh. T. II. Krasnoyarsk, 2002, S. 43-46.
5. Zaripov Sh. G., Ermolin V. N. Izbytochnoye davle-niye v listvennichnykh pilomaterialakh pri nizkotempera-turnoy konvektivnoy sushke // Lesnoy zhurnal. 2011, No. 4, S. 52-57.
6. Golitsyn V. P., Golitsyna N. V. Sravnitel'naya otsenka energozatrat na sushku pilomateriala v sushil'nom oborudovanii razlichnogo tipa i sposoba sushki // Lesnoy ekspert. 2004, No. 16, S. 18-25.
7. Zaripov Sh. G. Sovershenstvovaniye tekhnologii sushki listvennichnykh pilomaterialov : dis. . d-ra tekhn. nauk (05.21.05 - drevesinovedeniye, tekhnologiya i oborudovaniye derevoobrabotki). Arkhangel'sk, 2016, 243 s.
8. Zaripov Sh. G. Ratsional'naya tekhnologiya nachal'nogo progreva listvennichnykh pilomaterialov pered konvektivnoy sushkoy // Khvoynyye boreal'noy zony. 2012, T. XX^ No. 3-4, S. 351-354.
9. Zaripov Sh. G. Sistematizatsiya faktorov, vliyayu-shchikh na obrazovaniye treshchin v listvennichnykh pilomaterialakh pri sushke // Lesnoy zhurnal. 2018, No. 3, S. 127-136.
10. Kaush G. Razrusheniye polimerov : per. s angl. ; pod red. S. B. Ratnera. Moskva, Mir, 1981, 440 s.
11. Zaripov Sh. G., Korniyenko V. A. Gidroliz pri konvektivnoy sushke listvennichnykh pilomaterialov nizkotemperaturnymi rezhimami // Khvoynyye boreal'-noy zony. 2018, T. XXХVI, No. 6, S. 542-548.
© Зарипов Ш. Г., Корниенко В. А., Кормишкина М. И., 2021
Поступила в редакцию 09.09.2020 Принята к печати 19.03.2021
