СПОСОБ СУШКИ И ТЕРМОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ КРУПНОМЕРНОЙ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD OF DRYING AND THERMO-WET PROCESSING OF LARGE-SIZED WOOD

Изобретение относится к технологии сушки крупномерной древесины и может быть использовано в деревообрабатывающей и других отраслях промышленности при изготовлении изделий из крупномерной древесины.
Известен способ термической обработки древесины для улучшения ее основных характеристик, включающий нагревание древесины до 140-150°С в атмосфере воздуха в течение 2-3 часов, дальнейший нагрев древесины в атмосфере водяного пара до 210-220°С в течение 2-3 часов, осуществляемый посредством постоянного дозированного впрыска воды в камеру и вытеснения воздуха и иных газов из камеры образующимся водяным паром, саморазогрев до 230-240°С в течение 30-60 мин, остановку саморазогрева с помощью управляемого впрыска воды и охлаждение древесины в атмосфере 100% пересыщенного водяного пара путем регулируемого впрыска воды, также описывается устройство для осуществления вышеописанного способа, содержащее теплоизолированный от окружающей среды корпус с герметично закрываемым отверстием для загрузки древесины, расположенную внутри корпуса камеру, соединенную через воздуховоды с тепловым высокотемпературным вентилятором для нагнетания воздуха, со скруббером для очистки выбрасываемой воздушной смеси, с блоком управления нагревом воздуха, включающим воздушные ТЭНы и управляющие термопары, датчики измерения и контроля температуры, сигналы с которых поступают в шкаф управления, связанный с впрыскивающим устройством для дозированной подачи воды, связанным с камерой, а также блоком нагрева и вентилятором, см. патент RU 2 277 045 C2, МПК B27K 3/02 (2006.01), B27K 3/10 (2006.01).
Недостатком данного способа является необходимость предварительной качественной сушки, что влечет дополнительные энергозатраты и увеличение продолжительности технологического процесса.
Известен способ, который включает в себя размещение древесного топлива, например отходов древесины, в топку для получения дымового газа, сжигание его и ввод высокотемпературного дымового газа в камеру, в которой размешена древесина для тепловой сушки. Причем в камере, кроме процесса сушки древесного материала, осуществляется и процесс термомодифицирования, включающий в себя стадию постепенного нагрева древесины до температуры 160-170°С путем подачи в камеру дымовых газов высокой концентрации, поддерживаемой на уровне 95-100 об.%, и их непрерывной многократной циркуляцией в камере, а при достижении 160-170°С происходит подача дымовых газов из топки в теплообменник, и дальнейший нагрев до 180-220°С осуществляется за счет теплопередачи между парогазовой смесью, циркулирующей в камере, и дымовыми газами, подаваемыми в теплообменник. Камера термомодифицирования представляет собой теплоизолированную металлическую камеру со створками, имеющую два газохода, снабженных шиберными заслонками. Внутри камеры находятся фальш-пол и фальш-потолок, система трубопроводов, по которым осуществляется циркуляция парогазовой смеси центробежным вентилятором, эжектирующие устройства. RU 2437043 C1, МПК F26B 3/04, F26B 9/06 (2006.01).
Недостатком такого способа сушки и термомодифицирования является то, что данный способ не позволяет осуществить качественную термомодификацию крупномерной высоковлажной древесины (брусы, кругляки) вследствие развития высоких внутренних напряжений в процессе высокотемпературной сушки.
Известен способ сушки и пропитки древесины, осуществляемый при удалении свободной влаги путем чередования стадии нагрева древесины при температуре 80-90°С с одновременными увлажнением и пропиткой и стадии вакуумирования, при котором увлажнение и пропитку древесины пропитывающей жидкостью проводят с одновременным нагревом древесины до заданной температуры, в процессе нагрева древесину умеренно- и труднопропитываемых пород круглого сечения диаметром более 180 мм полностью погружают в циркулирующую нагретую гидрофильную жидкость, после окончания стадии вакуумирования древесина подвергается воздействию воздушного давления в 2-2,5 атм на протяжении 10-15 мин, чередование стадий нагрева древесины в гидрофильной жидкости, выдержки под воздушным давлением и вакуумирования проводится до достижения среднеобъемной влажности 28-35% в зависимости от породы древесины, а при удалении связанной влаги стадию нагрева древесины проводят радиационно-контактным способом. RU 2386912 C1, МПК F26B 3/04, 5/04 2006 г.
Недостатком этого способа является нагрев древесины в жидкости, что применимо только для процессов одновременной сушки-пропитки древесины и что снижает экологичность древесины.
Задачей изобретения является создание способа сушки и одновременной термовлажностной обработки высоковлажной крупномерной древесины с целью сокращения времени сушки и возможностью равномерной термомовлажностной обработки крупномерной высоковлажной древесины по всей толщине. Термовлажностная обработка позволяет повысить биостойкость древесины без снижения ее экологичности.
Техническая задача решается способом сушки и термовлажностной обработки крупномерной древесины, осуществляемым при удалении свободной влаги путем чередования стадии нагрева древесины и вакуумирования, стадии создания воздушного давления на протяжении 10-15 минут, а при удалении связанной влаги стадию прогрева древесины проводят радиационно-контактным способом, в процессе нагрева древесину подвергают воздействию насыщенного водяного пара температурой 150-180°С, на стадии вакуумирования давление в аппарате поддерживается по закону
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>3,0814</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>0,0334</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mi>T</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>ц</mi><mo>.</mo><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mo>.</mo><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
нагр
пов.м
ц.м
т
ц.м
пов.м
a
2
где T - температура древесины после предыдущей стадии нагрева, °C; T - температура поверхности древесины, °C; T - температура центра древесины, °С; R - радиус или половина толщины древесины, м;  - коэффициент температуропроводности древесины, м/с; τ - текущая продолжительность стадии вакуумирования, сек; разница температур поверхности и центра древесины (T-T)=10÷12°C; после окончания стадии вакуумирования древесина подвергается воздействию воздушного давления 5-10 атм.
Отличительной особенностью способа является то, что в процессе нагрева древесину подвергают воздействию насыщенного водяного пара температурой 150-180°C, на стадии вакуумирования давление в аппарате поддерживается по закону
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>3,0814</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>0,0334</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mi>T</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>ц</mi><mo>.</mo><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mo>.</mo><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
нагр
пов.м
ц.м
т
ц.м
пов.м
a
2
где T - температура древесины после предыдущей стадии нагрева, °C; T - температура поверхности древесины, °C; T - температура центра древесины, °C; R - радиус или половина толщины древесины, м;  - коэффициент температуропроводности древесины, м/с; τ - текущая продолжительность стадии вакуумирования, сек; разница температур поверхности и центра древесины (T-T)=10÷12°C; после окончания стадии вакуумирования древесина подвергается воздействию воздушного давления 5-10 атм.
Пример осуществления способа поясняется чертежом, на котором представлена установка для сушки с одновременной термовлажностной обработкой крупномерной древесины (фиг.1).
Установка для сушки с одновременной термовлажностной обработкой (фиг.1) состоит из емкости 1 с маслом, куда вварены камеры 2 в виде труб. В камеры 2 через входное отверстие в торце помещается крупномерная древесина 3, затем камеры 2 герметично закрываются крышками 4. На дне емкости 1 помещен нагревательный бак 5 с водой, который по многочисленным трубам 6 соединен с камерами 2. В результате нагрева масла до t=150-180°С, в баке 5 нагревается и начинает вырабатываться пар, который по трубам поступает в полости камер 2.
В начальной стадии воздух из камер 2 стравливается с помощью поступающего пара через вентиль 7. Далее нагрев древесины осуществляется в насыщенной паровой среде под избыточным давлением для чего закрывают вентиль 7. Заданная температура нагрева древесины поддерживается в течении 3-5 часов в зависимости от целей, диаметра и породы крупномерной древесины.
Нижняя граница диапазона измерения температуры в камере в процессе нагрева 150°С используется для проведения только процесса сушки крупномерной древесины и обусловлена необходимостью аккумулирования достаточного количества тепловой энергии. Верхняя граница температурного диапазона 180°С используется для проведения сушки крупномерной древесины с одновременной термовлажностной обработкой, позволяющей повысить биостойкость крупномерной древесины, и обусловлена высоким давлением, которое создается насыщенным паром в процессе нагрева.
При температуре 180°С происходит разложение гемицеллюлозы и изменение цветовой гаммы материала, а благодаря высокому влагосодержанию развитие внутренних напряжений в древесине не происходит, тем самым не вызывая растрескивание материала.
Далее стадия нагрева сменяется стадией вакуумирования. Для этого включается в работу система создания вакуума 8 и отключается подача пара из бака 5 в камеры 2 путем закрытия вентелей 9. Тем самым в камерах создается разрежение до остаточного давления 20 кПа. На этой стадии удаление влаги из крупномерной древесины происходит за счет аккумулированной тепловой энергии. При этом важную роль в конечном качестве крупномерной древесины играет скорость понижения давления, поскольку чрезмерно быстрое создание разрежения ведет к растрескиванию древесины из-за вскипания влаги в крупномерной древесине. Медленное понижение давления увеличивает продолжительность процесса и снижает величину влагосъема за один цикл «прогрев-вакуумирование». Поэтому в результате проведенных экспериментальных исследований стадии вакуумирования, текущее давление в аппарате поддерживают согласно закону
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>3,0814</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mn>0,0334</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mi>T</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>ц</mi><mo>.</mo><mi>м</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mo>.</mo><mi>м</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
нагр
пов.м
ц.м
т
ц.м
пов.м
a
2
где T - температура древесины после предыдущей стадии нагрева, °C; T - температура поверхности древесины, °С; T - температура центра древесины, °С; R - радиус или половина толщины древесины, м;  - коэффициент температуропроводности древесины, м/с; τ - текущая продолжительность стадии вакуумирования, сек; разница температур поверхности и центра древесины (T-T)=10÷12°C; после окончания стадии вакуумирования древесина подвергается воздействию воздушного давления 5-10 атм.
цм.
пов.м.
Выбор разницы температур поверхности и центра древесины (T-T) в диапазоне 10÷12° обсловлен тем, что разница менее 10° вызывает увеличение продолжительности процесса, а разница температур более 12° приводит к растрескиванию древесины. Пример изменения давления на стадии вакуумирования применительно к древесине сосны диаметром 20 см и температурой нагрева 140°С представлен в виде таблицы 1.
Таблица 1
τ<sub>вак, сек</sub>
0
600
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
5400
6000
6600
7200
7800
T<sub>нагр</sub>, °C
150
T<sub>ц.м</sub>, °С
150
150
142
134
126
118
112
105
97
93
85
80
76
67
T<sub>пов.м</sub> °C
140
140
132
124
116
108
102
95
87
83
75
70
66
57
P, кПа
400
363,18
285,55
224,51
176,52
138,8
109,12
85,8
67,46
53,04
41,70
32,78
25,78
20,27
Стадия вакуумирования сменяется стадией воздушного давления в 5-10 атм в зависимости от температуры на последующей стадии нагрева. Стадия воздушного давления осуществляется включением компрессора 10 и длится 10-15 минут. В этот момент поры в древесине заполняются воздухом, что не дает на последующей стадии нагрева насыщенному пару глубоко проникнуть внутрь древесины, вызывая ее нагрев без значительного увлажнения.
Нижняя граница диапазона измерения воздушного давления 5 атм подбирается с учетом температуры насыщенного водяного пара на последующей стадии нагрева и соответствует температуре насыщенного пара при 150°С. Верхняя граница диапазона измерения давления 10 атм аналогично соответствует температуре насыщенного пара при 180°С.
Далее цикл «нагрев древесины-вакуумирование» повторяется до достижения древесиной влажности 35%. После чего стадия нагрева осуществляется без подачи водяного пара в камеры 2, а только за счет теплового излучения и контакта с горячими стенками камер 2, нагреваемых маслом. Процесс сушки заканчивается при достижении крупномерной древесиной влажности 12-15%.
Решение технической задачи позволяет осуществить одновременную сушку и термовлажностную обработку высоковлажной крупномерной древесины.