CC BY
53
УДК 674.Q47
СУШКА БРУСА ДЛЯ ДЕРЕВЯННОГО ДОМОСТРОЕНИЯ
В.Н. Ермолин
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира S2; e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты исследований процесса сушки бруса, который в деревянном домостроении используется для изготовления стеновых конструкций. На основании анализа литературных и экспериментальных данных определена величина влажности, до которой необходимо сушить брус. Она равна 15 %. Такая конечная влажность обеспечит минимальные влажностные деформации стен дома в процессе эксплуатации. Для сушки бруса приняты режимы с прерывистой циркуляцией агента сушки. Экспериментальным путем определены параметры режимов сушки. Разработанные режимы апробированы в производственных условиях. Установлено, что данные режимы обеспечивают высокие показатели качества сушки.
Ключевые слова: брус, камерная сушка, домостроение, прерывистые режимы
In article results of researches of process of drying of a balk which in wooden housing construction is used for manufacturing wall constructions are resulted. On the basis of the analysis literary and experimental data the humidity size to which it is necessary to dry a balk is defined. It is equal 15 %. Such final humidity will provide minimum moisture deformations of walls of the house while in service. For balk drying modes with faltering circulation of the agent of drying are accepted. Experimental parameters of modes of drying are by defined. The developed modes are approved under production conditions. It is established, that the given modes provide high indicators of quality of drying.
Keywords: a balk, chamber drying, housing construction, faltering modes
ВВЕДЕНИЕ
Вопросы сушки пиломатериалов больших сечений (толщиной 8 > 100 мм, т.е. бруса) до не давнего времени не представляли научного и практического интереса. В результате, режимы камерной сушки разработаны только для пиломатериалов толщиной < 75 мм (Руководящие..., 2000). Потребность в сушке толстых пиломатериалов хвойных пород возникла в связи с развитием технологий деревянного домостроения, в которых стены изготавливаются из массивной древесины. Обеспечить требования, предъявляемые в современном домостроении, не возможно без предварительной сушки древесины. В настоящее время нет научно обоснованных требований к качеству сушки бруса. В частности не известна величина конечной влажности, до которой необходимо его сушить. Также нет технологии сушки таких сортиментов.
Влажность древесины, как строительного материала, является важным показателем. От нее зависит целый ряд свойств древесины, таких как прочность, формостабильность, биостойкость, качество механической обработки. Все эти свойства улучшаются пропорционально снижению количества связанной влаги в древесине.
Древесина материал гигроскопичный. Ее влажность стремиться к равновесию с окружающим воздухом. Древесные сортименты, из которых изготавливают ограждающие конструкции, в процессе эксплуатации контактируют как с воздухом помещений, так и наружным. Величины равновесной влажности древесины для тех и других условий существенно отличаются. Равновесная влажность древесины в течение года в отапливаемом помещении изменяется от 2,4 % до 12,4 %, на открытом воздухе (под навесом) от 10,1 до 24,7 % (Гашкова, 1974). В отапливаемом помеще-
нии наименьшая равновесная влажность в зимнее время, наибольшая осенью. На открытом воздухе наибольшая зимой, наименьшая летом. Как показали наши исследования, влажность по толщине стены деревянного жилого здания в зимнее время распределена не равномерно. Внутренняя часть стены имела влажность 10±1 %, наружная 18±1,5 %. В летнее время влажность по толщине стены распределена более равномерно и составляет 12±2,5 %. Из выше сказанного следует то, что наиболее целесообразно сушить брус для изготовления стен до влажности 15 %. Такая влажность минимизирует влажностные деформации, возникающие в процессе эксплуатации и обеспечит хорошее качество механической обработки. Кроме того, исключается возможность поражения древесины грибами, т. к. для их развития необходима влажность древесины более 20 %. При выборе способа сушки крупномерных пиломатериалов в качестве главного критерия нами была принята - простота его промышленной реализации. Из всех известных способов данному критерию в первую очередь удовлетворяет конвективная камерная сушка. Конвективная сушка пиломатериалов крупных сечений представляет собой сложную техническую задачу. Как уже отмечалось, для пиломатериалов толщиной 8 < 100 мм режимы сушки не разработаны. Для сушки таких пиломатериалов рекомендуются режимы, разработанные для пиломатериалов толщиной 8 < 75 мм. Наши исследования показали, что при сушке пиломатериалов толщиной 100 мм указанными режимами 30 % высушенных сортиментов имели крыловатость и продольное коробление, более 80 % - глубокие пластевые трещины протяженностью более 1 м и, как правило, на обеих пластях. Можно утверждать, что при сушке более толстых пиломатериалов, качество будет еще хуже. Конвективный способ предопределяет наличие перепада влажности по толщине пиломатериалов в про-
цессе сушки, т.к. это является движущей силой переноса влаги. Чем больше толщина пиломатериалов, тем больше перепад и соответственно больше влажностные напряжения и вероятность появления трещин (Шубин, 1990). Для предотвращения образования трещин в режимах сушки предусматривается создание на начальной стадии процесса высокой влажности агента сушки. Так при сушке досок толщиной 75 мм, психрометрическая разность должна быть 2 оС (Руководящие ..., 2000). Это соответствует влажности воздуха 90 %. Из логики построения режимов следует, что для более толстых пиломатериалов психрометрическая разность должна быть еще меньше. Но как показывает практический опыт реально в процессе сушки можно поддерживать психрометрическую разность 3. 4 оС. Большая психрометрическая разность агента сушки на начальной стадии процесса - главная причина низкого качества сушки. Невозможность поддержания малой психрометрической разности обусловлена тем, что ограждения сушильной камеры, в т.ч. ворота, всегда имеют температуру ниже, чем агент сушки, особенно в зимний период. Вследствие высокой влажности агента сушки на ограждениях создается точка росы и образуется конденсат. Это осушает агент сушки. Для обеспечения требуемой влажности необходимо дополнительно вносить влагу в камеру, например, путем ее распыления. Как показали замеры, расход воды составит не менее 60.80 л на 1 м3 высушиваемой древесины. Это увеличит энергозатраты на сушку более чем на 20. 25 %. Кроме этого следует подчеркнуть следующий момент. В процессе сушки из древесины выделяются летучие кислоты (муравьиная, уксусная, пропио-новая). В результате кислотность конденсата, образующегося на ограждениях может быть от слабо- до сильнокислой (pH = 3,4.4,2) (Гринькова, 1985). Это приводит к быстрой коррозии и выходу из строя ограждений камеры. Таким образом обеспечить качественную сушку пиломатериалов толщиной более 100 мм и в первую очередь исключить появление трещин, используя традиционные принципы построения режимов сушки, не представляется возможным. Это предопределяет необходимость других подходов к сушке таких пиломатериалов. Снизить растрескивание при сушке пиломатериалов можно за счет введения в поверхностные слои препаратов снижающих упругость паров (Добрынин, 1983). Это позволяет при более жестких режимах сушки обеспечить целостность пиломатериалов. Но как показывают исследования (Ермолин, 2007), существенный эффект достигается только при введении в древесину значительного количества препарата, что предопределяет необходимость специальной технологической операции. Кроме того, создаются сложности последующей обработки древесины. Более перспективным является использование режимов с прерывистой циркуляцией агента сушки (Кречетов, 1980; Косарин, 2010). Данные режимы заключаются в циклическом чередовании периодов циркуляции агента сушки («работа») и пре-
кращения циркуляции («пауза»). На стадии «работа» осуществляется циркуляция воздуха через штабель работающими вентиляторами и подвод теплоты с помощью калориферов для поддержания требуемой температуры. При этом происходит активный воздухообмен через приточновытяжные трубы. Влажность агента сушки не регулируется. В течение этой стадии происходит интенсивное испарение влаги из древесины и снижение влажности поверхностных слоев. В результате по сечению пиломатериалов возникает градиент влажности, под действием которого происходит диффузионный перенос влаги из центральных слоев к поверхности. Но при этом из-за перепада влажности по сечению в пиломатериалах возникают влажностные напряжения. На стадии «пауза» отключаются вентиляторы, закрываются воздухообменные трубы. Возникший на предыдущей стадии градиент влажности способствует переносу влаги из центральных слоев к поверхности. Влажность агента сушки постепенно увеличивается и испарение прекращается, что приводит к увеличению влажности поверхностных слоев. В результате уменьшается перепад влажности по сечению и как следствие снижается величина влажностных напряжений. Происходит своего рода влаготеплообработка. Меняя продолжительность периодов работы и паузы, появляется возможность активного воздействия на процессы вла-гопереноса и развития напряжений в пиломатериалах при сушке.
Как показали исследования указанных выше авторов, режимы с прерывистой циркуляцией позволяют экономить электроэнергию на циркуляцию ( 50 ... 75 %), уменьшается продолжительность сушки (10.15 %), обеспечивается высокое качество сушки. Кроме этого снижаются требования к герметичности сушильных камер. В настоящее время такие режимы сушки разработаны для пиломатериалов основных древесных пород, но только толщиной до 60 мм (Косарин, 2010).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Режимы сушки с прерывистой циркуляцией представляют собой расписание температуры, продолжительности периодов «работы» и «паузы» скоординированные по текущей влажности пиломатериалов. Разработка таких режимов заключается в первую очередь в определении продолжительности периодов. Критерием определения продолжительности периодов нами было принято отсутствие пластевых трещин в пиломатериалах при обеспечении высокой скорости сушки. Это будет обеспечено в том случае, если в период циркуляции агента сушки, растягивающие влажностные напряжения в поверхностных слоях сортиментов не достигнут предела прочности. В период «паузы» успеет произойти перераспределение влаги из центральных слоев сортиментов в поверхностные. Исследования проводились на сосновых брусьях сечением 125^200 мм. Начальная влаж-
ность составляла 48..53 %. В пиломатериалах не допускалось наличие водослоя, крени, засмолка. Сортименты раскраивались на образцы длиной 1 м. Торцы гидроизолировались. Для удобства выявления трещин пласти образцов предварительно прострагивались. По уровню температуры было принято подразделить режимы на две категории: нормальные (Н) с температурой 65 0С в начале процесса и повышением до 750С в конце; форсированные (Ф) с температурой соответственно от 80 0С до 90 0С. Для определения продолжительности периода циркуляции были проведены исследования динамики снижения влажности сортиментов. Для этого образцы в процессе циркуляции через каждые 10 минут взвешивались. Результаты исследований приведены на рисунке 1. Как следует из полученных результатов, наиболее интенсивно снижение влажности древесины происходит в течение первых 60 минут. Исходя из этого, была принята продолжительность циркуляции агента сушки равной 1 ч. Продолжительность периода «пауза» определялась следующим образом. Образцы после начального прогрева подвергались сушке с прерывистой циркуляцией. Продолжительность периода циркуляции была 1 ч. Продолжительность пазы в разных опытах была: 1 ч, 2 ч, 3 ч. Проводилось 10 циклов. После этого образцы обследовались. Критерием оценки было принято появление пластевых трещин. С этой целью с помощью увеличительной линзы обследовались пласти образцов для выявления трещин. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Время, мин.
Рисунок 1 - Снижение массы образца в течение периода циркуляции агента сушки
Таблица 1 - Результаты исследований
Продолжительность периода, ч Доля образцов с
«работа» «пауза» трещинами, %
1 1 80
1 2 25
1 З 0
Как следует из полученных результатов, продолжительность паузы 3 ч является чрезмерной. Это будет увеличивать сроки сушки. Продолжительность 2 ч недостаточна. Учитывая это, была принята продолжительность паузы 2,5 ч.
Для проверки полученных режимных параметров были проведены опытные сушки сосновых брусьев сечением 125^200 мм мягкими и нормальными режимами. После каждой сушки определялись показатели качества и вносились коррективы в режимы. Доработанные таким образом режимы приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Режимы сушки с прерывистой циркуляцией пиломатериалов из сосны, ели, пихты толщиной >100 мм
Категория режима сушки
Влажность Нормальный Форсированный
древесины, % Режимные параметры Режимные параметры
О о Т, ч ,ч Т, о О Тц , ч Тп , ч
> З5 65 ,5 п 2, 80 1 2,5
З5-20 70 1 2,5 85 1 2,5
< 20 75 1 2 90 1 2
Т - температура; тр - продолжительность периода «работа»; тп - продолжительность периода «пауза»
На рисунке 2 показана кинетика процесса высыхания сортиментов с использованием разработанных режимов. Продолжительность процесса сушки сосновых пиломатериалов сечением 125x200 мм от начальной влажности до 15 % при форсированных режимах составляет ~ 19 суток, при нормальных ~ 26 суток. Показатели качества сушки опытной партии приведены в таблице 3. При сушке форсированными режимами отмечено потемнение поверхностных слоев и выплавление смолы. После строгания данная древесина имела цвет близкий к первоначальному. При сушке нормальными режимами изменение цвета незначительное.
Время, с
нормальный режим мягким режим 1 •
Рисунок 2 - Сушка сосновых брусьев сечением 125^200 мм
З5З
Таблица 3 - Показатели качества сушки сосновых пиломатериалов сечением 125x225 мм
Показатель качества сушки Категория режима мягкий нормальный
Средняя конечная влажность партии Шср , % 15,2 14,4
Среднее квадратическое отклонение влажности, % ±1,6 ±2,2
Перепад влажности по толщине пиломатериалов, % 4,6 5,8
Пластевые трещины, % 7 11
Очень важным показателем качества бруса используемого в строительстве является формоста-бильность. Изменение формы в процессе эксплуатации (продольное коробление, крыловатость и т.д.) обусловлено в основном остаточными напряжениями, которые образуются в процессе сушки. У пиломатериалов больших сечений измерить остаточные напряжения стандартным способом (Руководящие.,2000) не представляется возможным. При разработке способа оценки величины остаточных напряжений исходили из следующего. Остаточные напряжения уравновешены в сечении сортимента. Если несимметрично прострогать сортимент то равновесие нарушится и возникнет изгибающий момент, который может привести к изменению формы. По этому параметру можно оценить величину напряжений.
Исследования проводились следующим образом. Из сортиментов после сушки вырезали образцы длиной 1 м. Со смежной пласти и кромки сострагивался слой древесины 15 мм ( рисунок 3). С помощью монтажной линейки определялась плоскостность. После этого образцы помещались в не отапливаемом помещении, где выдерживались в течение 4 месяцев. Затем снова определялась плоскостность. Исследования проводились на 10 образцах.
200
Снимаемый спой
Рисунок 3 - Схема обработки образцов
В результате исследований было получено следующее. У шести образцов не обнаружено изменение формы. У остальных образов было обнаружено продольное коробление по пласти. У трех образцов стрела прогиба составила /<0,25 %. У одного образца / -0,4 %.
Следует отметить, что при исследовании были созданы условия близкие к экстремальным. При этом величина коробления, у основной массы сортиментов, имеет малые значения. Это дает основания для утверждения, что при сушке пиломатериалов большого сечения по режимам с прерывистой циркуляцией возникают остаточные напряжения малой величины. В связи с этим отпадает необходимость в проведении промежуточных и конечных
влоготеплообработок для снятия напряжений.
Таким образом, высушенный по разработанной технологии брус представляет собой достаточно хороший строительный материал. По своим свойствам он мало уступает клееному брусу. Он также может профилироваться, обеспечивая высокое качество фрезерования. При строительстве домов из такого бруса также нет необходимости в выдержке и чистовую отделку можно проводить сразу, т.к. деформации будут минимальными. Цена такого бруса существенно ниже чем, у клееного. Кроме того, у него нет клеевых соединений и при эксплуатации не может произойти ни каких расслоений. Соответственно долговечность его выше.
Реализация разработанных режимов не представляет технических сложностей. Необходимо в действующих сушильных камерах изменить настройки автоматики. При этом существенно снижаются требования к герметичности камер. Поэтому сушку по данным режимам можно осуществить в большинстве сушильных камер.
ВЫВОДЫ
1. Брус, из которого изготавливают стены в домостроении, следует сушить до влажности 15 %. Это обеспечит минимальные деформации в процессе эксплуатации.
2. Сушка бруса по режимам с прерывистой циркуляцией позволяет получать высокое качество сушки, обеспечить целостность и формостабиль-ность.
3. Высушенный брус по своим эксплуатационным качествам не уступает клееному брусу, но при этом значительно дешевле.
4. Проведение сушки бруса по режимам с прерывистой циркуляцией снижает требования к герметичности ограждений и поэтому может осуществляться в большинстве отечественных и импортных сушильных камерах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Гашкова, А.К. Влияние влажности на качество столярностроительных изделий из древесины [Текст] / А.К. Гашкова.- М.: Лесная промышленность, 1974. - 80 с. Гринькова, О.И. Антикоррозийная защита лесосушильных камер [Текст] / О.И. Гринькова // Актуальные направления развития сушки древесины : сб. докладов.- Архангельск, 1985. - С. 217 - 221 Добрынин, С. В. Сушка пилопродукции, пропитанной гигроскопичными защитными препаратами [Текст] / С.В. Добрынин // Рациональное использование энергетических ресурсов при сушке пиломатериалов: тезисы докладов. - Саласпилс, 1983. - С. 117 - 120 Ермолин, В.Н., Ермолина, Т.В., Кенжебаев, К.А. Особен-
ности сушки пропитанной древесины [Текст] / В.Н. Ермолин, Т.В. Ермолина, Кенжебаев К.А. //Хвойные бореальной зоны. - 2007. Т. XXIV, № 1. - С. 115 - 121.
Косарин, А.А. Особенности импульсной сушки пиломатериалов / А.А. Косарин // Лесной весник. - 2010.- № 4 (73). - С. 119-125.
Кречетов, И.В. Сушка древесины [Текст] / И.В. Кречетов.-
М.: Лесная промышленность, 1980. - 432 с.
Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины. - Архангельск: Изд - во оАо «Научдревпром - ЦНИИмОд», 2000. - 125 с.
Шубин, Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины [Текст]/ Г.С. Шубин. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 335 с
Поступила в редакцию 1 мая 2012 г. Принята к печати 7 сентября 2012 г.
