УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

Настоящая полезная модель относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использована для получения модифицированной древесины.
До последнего времени для изменения свойств древесины самой распространенной являлась химическая обработка древесины. Однако, в связи с вредностью получаемого продукта, с начала 2004 года в Евросоюзе был введен запрет на использование химически обработанного дерева. В связи с этим в настоящее время в мире активно развиваются различные технологии термообработки древесины, являющиеся единственной альтернативой химической обработки и приводящие при этом к существенному улучшению свойств древесины, что открывает новые области ее применения.
Существует различные способы высокотемпературной обработки древесины. Основная задача всех способов вывести температуру обработки в режим 190-230°С. Основными проблемами, возникающими в процессе высокотемпературной обработки, является высокая конечная температура, снятие внутренних напряжений в процессе выхода на конечную (рабочую) температура, поддержания однородности температурного режима во всем объеме камеры. Не решение вышеперечисленных проблем в процессе высокотемпературной обработки приводит к следующему.
1. Древесина может самовоспламенится при достижении температуры в 120 и более градусов.
2. Резкий (быстрый) нагрев приводит к деформации (растрескиванию) древесины в силу внутренних напряжений.
3. Не однородность температуры в камере дает разброс по цветовой гамме конечного изделия даже в одной закладке.
Например, из уровня техники известен способ обработки древесных заготовок, включающий пропитку древесных заготовок модифицирующим раствором, сушку посредством прогревания в вакууме с одновременным прессованием, причем сушку и прессование осуществляют в герметичной емкости до достижения требуемой влажности, отличающийся тем, что прогревание древесных заготовок осуществляют нагретыми до 200°С металлическими пластинами, установленными сверху и снизу от каждого слоя древесных заготовок, и ступенчатым увеличением усилия прессования от 0 до 10 мПа, находящимся в прямой корреляционной зависимости
от роста температуры упомянутых металлических пластин, и одновременным ступенчатым увеличением глубины вакуума до 43 кПа, причем по достижении предельных параметров температуры нагрева пластин 200°С, усилия прессования 10 мПа, глубины вакуума 43кПа последние выдерживают неизменными до окончания процесса сушки.
Для реализации этого способа используется устройство для обработки древесных заготовок, содержащее герметичную емкость, снабженную прижимной плитой с объемным приводом, расположенным в верхней части упомянутой герметичной емкости, средством для подачи модифицирующего раствора, средством для создания вакуума, средством для нагревания, объемный привод выполнен в виде нежесткого герметичного объемного элемента - сильфона, смонтированного над подвижной прижимной плитой, причем последняя выполнена с возможностью вертикального перемещения посредством упомянутого объемного привода (RU №2255857, В27К 5/04, опубл. 2005.07.10). Данный источник информации принят в качестве прототипа для заявленного объекта.
Недостаток данного устройства заключается в конструктивной сложности устройства, низком качестве полученного готового продукта.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по исключению использования химических реагентов, исключению взаимодействия древесины с кислородом при температурах прогрева до 250°С и исключении прямого нагрева масла в зоне контакта с древесиной.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности за счет сокращения времени модификации древесины, безопасности за счет исключения взаимодействия древесины с кислородом и упрощении за счет исключения конструктивной сложности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для обработки древесины, содержащем камеру в виде емкости для размещения древесины со средством нагрева, камера выполнена в виде ванны, заполненной маслом, а средство нагрева масла в ванне представляет собой нагревательное устройство для передачи тепла теплообменнику, заполненному маслом и сообщенному со змеевиком, расположены в масле в ванне, а так же насос для циркуляции масла по каналам теплообменника и змеевика.
При этом при использовании двух и более ванн оно снабжено смесительным узлом, сообщенным с теплообменником и выполненным с функцией раздачи нагретого в теплообменнике масла в отдельные магистрали сообщения со
змеевиками в ваннах.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - блок-схема устройства для реализации способа, для двух ванн.
В рамках настоящей заявки рассматривается устройство для обработки древесины, в котором реализуется технология обработки древесины, которая заключается в доведении конечной температуры обработки древесины до 190-250°С, по определенным временным графикам, с предварительной подготовкой (прогревам) древесины. Технология основана на использовании естественной термохимической реакции при температурах до 250°С без добавления каких-либо химических веществ. За счет высоких температур обработки в древесине разлагаются гемицеллюлозы, что на фоне низкой равновесной влажности устраняет условия для возникновения и размножения грибка и микроорганизмов.
В результате молекулярных изменений в структуре древесины, в первую очередь за счет деполимеризации целлюлозы и увеличении ее кристалличности, происходит стабилизация древесины - повышается ее химическая стойкость и стабильность геометрических размеров, То есть термообработка приводит к защите от деформаций (в т.ч. «разбухания» и «усыхания») при изменении влажности и температуры окружающей среды.
Термическая обработка так же придает обычной древесине необычные декоративные свойства, эффектно проявляется текстура древесины. Причем оттенок, который приобретает древесина в результате термической обработки вызван не тонировкой, а изменениями в самой древесине под воздействием высоких температур, и цвет древесины однороден по всему сечению. В зависимости от заданного режима термообработки можно добиваться разных цветов дерева (от светло-бежевого и золотистого до темно-коричневого).
Высокая температура обработки позволяет придать древесине ряд дополнительных свойств:
- Повышение устойчивости к воздействиям факторов внешней среды;
- Уничтожение биоповреждающих агентов в материале;
- Устойчивость против гниения;
- Низкая гигроскопичность (сохраняется изначальная геометрия изделия);
- Теплопроводность уменьшается и не зависит от влажности окружающей среды;
- Объемный вес термообработанной древесины в 2,5 раза ниже древесины, высушенной традиционным способом;
- Термообработанная модифицированная древесина, в зависимости от технологических режимов, имеет различную цветовую гамму, вплоть до цветовой гаммы тропических пород древесины;
- Получаемый при термообработке цвет такой содержится в полном объеме изделия, что освобождает от периодического его подкрашивания.
Изменения в древесине при такой высокотемпературной обработке обусловлены ее строением и химическим составом. Природная древесина - гигроскопичный материал капиллярнопористой структуры, способный удерживать влагу в макропорах (в полости клеток - свободная влага) и микропорах (между фибриллами клеточной стенки - связанная, или гигроскопичная влага). При удалении связанной влаги древесина уменьшается в размерах. В сформировавшейся древесине имеются пустые или заполненные различными веществами пространства между округленными углами клеток - межклетники. Срубленная древесина состоит из клеток с отмершим протопластом (клетка состоит из оболочки и живого содержимого - протопласта), т.е. из одних клеточных оболочек. Оболочку вполне сформировавшейся взрослой клетки называют клеточной стенкой.
Главные компоненты клеточной стенки
Целлюлоза 41...58%
Гемицеллюлозы 15...38% (Гексозаны+Пентозаны)
Лигнин 17...34%
Экстрактивные вещества (смолы, камеди, танниды, жиры и др.) 0,8...6,9%
Минеральные вещества 0,1...1%
Целлюлоза обеспечивает механическую прочность и эластичность тканей. Представляет собой углеводный полимер - полисахарид с высокой степенью полимеризации (6000...14000). Мельчайшее, структурное образование - элементарная фибрилла - представляет собой пучок макромолекул целлюлозы. Элементарные фибриллы включают участки с упорядоченным (кристаллические области, до 70-80%) и беспорядочным (аморфные области) расположением
молекул целлюлозы. Структурные элементы, различное расположение которых создает слоистое строение клеточной стенки, называются микрофибриллами. Целлюлоза является тем компонентом древесины, который при термообработке при повышении температуры до 240-250°С подвергается незначительному разрушению. При повышении температуры процесса до 240°С степень полимеризации целлюлозы уменьшается. Это объясняется тем, что образовавшаяся в результате гидролиза гемицеллюлозы уксусная кислота деполимеризует микрофибрилы целлюлозы на аморфных участках. В итоге уменьшается длина полимерных цепочек и увеличивается кристалличность целлюлозы, повышается ее химическая стойкость и снижается активность. При этом удаляется связанная вода, оксид и диоксид углерода.
Данные изменения положительно влияют на показатели равновесной влажности и стабильности размеров термомодифицированной древесины (она значительно утрачивает способность к впитыванию влаги - «набуханию», что в свою очередь ведет к повышению стабильности ее размеров). Несколько увеличатся показатели твердости древесины при незначительном уменьшении прочности. Пространства между целлюлозными микрофибриллами заполнены неуглеводным полимером лигнином, а также гемицеллюлозами.
Гемицеллюлозы - это полисахариды, выполняющие в клеточной стенке функцию аморфного цементирующего состава. Гемицеллюлоза состоит из относительно коротких макромолекул, молекулярная масса которых значительно меньше, чем у целлюлозы. Степень полимеризации обычно равна 60...200. Гемицеллюлозы входят в состав клеточной стенки, а также откладываются в клетках и служат запасными питательными веществами. Гемицеллюлоза является тем компонентом древесины, которая подвергается наибольшей деструкции в процессе термообработки.
При повышении температуры процесса до 120°С из ацетилированной гемицеллюлозы путем гидролиза образуется уксусная кислота, которая при дальнейшем повышении температуры процесса служит катализатором гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров (арбидозы, галактозы, ксилозы, маннозы). Эти сахара выводятся из технологического процесса за счет своей растворимости в воде.
Температура полного разложения гемицеллюлозы в зависимости от условий процесса варьируется в интервале от 200 до 260°С. При известных условиях термообработки древесины лишь небольшая часть гемицеллюлозы остается в ней,
но это уже не влияет на приобретаемые древесиной новые качества. Результат - существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению (на несколько порядков) показателей устойчивости к разрушению под воздействием грибка по сравнению с древесиной мягких пород, высушенной в обычной печи. С разложением гемицеллюлозы снижается концентрация водопоглощающих гидроксильных групп, что приводит улучшению показателей формоустойчивости обработанной древесины.
Лигнин, как аморфный полимер, является своего рода связующим между фибриллами целлюлозы, придавая прочность и жесткость клеточной стенке (если целлюлоза по своим свойствам соответствуют арматуре, то лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, - бетону). Лигнин нерастворим в воде и органических растворителях, устойчив к действию ферментов, не участвует в обмене веществ. При низких температурах процесса (до 200°С) преобладающими являются реакции гидролитического разложения углеводов древесины и частичная деполимеризация лигнина с образованием низкомолекулярных фрагментов, способных растворяться в органических растворителях (диоксан - вода, этанол-вода, ацетон-вода) и в водных растворах щелочей. Повышение температуры процесса усиливает степень деструкции углеводов древесины, а между тем с реакциями деполимеризации лигнина начинают конкурировать реакции его реполимеризации. Поэтому, при изменении температуры технологического процесса до 200°С количество лигнина в древесине падает, а с увеличением температуры процесса количество лигнина заметно возрастает, достигая 33,0-36,0%. По видимому, этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что в древесина в процессе термообработки практически не теряет своих прочностных качеств, так как содержание своеобразного «цемента» в ее структуре практически не меняется.
Для решения возникающих проблем в процессе высокотемпературной обработки по заявленному способу в качестве теплоносителя в камере по обработке древесины воздушная среда заменяется масляной средой (маслом), основное условие к выбору масла это температура вспышки (температура вспышки должна быть выше конечной температуры, нагнетаемой в камере).
При сушке и прогревании нагрев масла в камере осуществляют передачей тепла от нагретого масла, циркуляционо пропускаемого через камеру по трубам теплообменника. Для каждой породы древесины вырабатывается свой температурно-временной график.
Предлагаемый технологический процесс реализуется устройством для
обработки древесины, содержащим камеру для размещения древесины, в которой производится нагрев древесины от средства нагрева, камера выполнена в виде заполненной маслом ванны для размещения древесины в масле ниже уровня масла, средство нагрева масла в ванне представляет собой источник тепла для нагрева масла в теплообменнике, который через насосный механизм сообщен со змеевиком, расположенным в масле в ванне ниже уровня масла, выход которого сообщен с теплообменником.
При использовании двух и более ванн оно снабжено смесительным узлом, сообщенным с теплообменником и выполненным с функцией раздачи нагретого в теплообменнике масла в отдельные магистрали сообщения со змеевиками в ваннах. А в магистраль сообщения теплообменника со змеевиком сообщена с расширительным баком.
Ниже приводится пример исполнения устройства на две ванны.
Устройство состоит из энергокотла 1 (выступает котел на отходах деревообработки), теплообменника 2, заполненного маслом, которое разогревается от тепла энергокотла 1, смесительного узла 3, расширительного бака 4, первой ванны 5 (камеры) для обработки древесины, второй ванны 6 (камеры) для обработки древесины, блока управления 7, магистрального насосного блока 8, первого циркуляционного насоса 9 для первой ванны и второго циркуляционного насоса 10 для второй ванны. Ванны выполнены с механизмами загрузки в них древесины и выгрузки. В каждой ванне размещен змеевик 11 в качестве системы отдачи тепла от протекающего по нему масла. Ванны выполнены с механизмом загрузки и выгрузки древесины.
Принцип работы такого устройства заключается в следующим. Существуют три независимых и непересекающихся контура с маслом:
- первый контур - масло, заполняющие первую ванну 5;
- второй контур - масло, заполняющие вторую ванну 6;
- третий контур - масло, нагретое в теплообменнике 2, поступает по прямому трубопроводу на смесительный узел 3, а затем разделяется на каждую из ванн 5 и 6, затем пройдя по змеевику 11 внутри каждой из ванн (в ванной происходит отдача температуры более теплого масла третьего контура маслу в каждой из ванн) возвращается по обратному трубопроводу в теплообменник 2.
Циркуляция осуществляется за счет магистрального насосного блока 8
(теплообменник - смесительный узел), а так же за счет циркуляционных насосов каждой из ванн (смесительный узел - первая и вторая ванны).
Скоростью разогрева масла в ваннах и соответственно в третьем контуре управляет автоматика (блок управления 7) по прописанным графикам температур.
Применение масляной среды позволяет:
1. Полностью исключить возможность контакта древесины с воздухом, как на низких температурах, так и на температурах выше 120 градусов, что позволяет исключить возможность горения и обугливание древесины в процессе обработки.
2. За счет более высокой теплоотдачи масла и использование наработанных экспериментальным путем режимов с постепенным нагревом позволяет снизит деформацию древесины.
3. Применение масляной среды так же позволяет решить проблему с однородностью температуры в общем объеме камеры.
Настоящая полезная модель промышленно применима, реализована и показала высокие результаты при обеспечении безопасности проведения работ по прогреву древесины до 250°С.