УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
DEVICE FOR WOODWORKING

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано при термовлажностной обработке древесины, древесных материалов, а также многообразных изделий из древесины: досок, брусков, паркета, заготовок и изделий различной формы и пр. и особенно эффективно для сушки и тонирования как при обработке древесины твердых пород, таких как дуб, бук ясень и т.п.так и древесины малоценных пород, таких как осина, сосна и т.п.
Уровень техники
Известно устройство для сушки древесины, содержащее сушильную камеру, в которой размещают штабель заготовок, приточный и вытяжной воздуховоды, калориферы, вентилятор и увлажнительное устройство (RU 2023963 F26B 3/04, 1994). Известное устройство предназначено для высушивания древесины твердых пород при максимальной температуре теплоносителя (влажного пара) не более 85°С. Поэтому древесина не нагревается выше температуры ее взаимодействия с кислородом воздуха, при которой происходит возгорание древесины.
Известно также устройство для сушки древесины, содержащее камеру, в которой установлены сопла для подачи горячего воздуха к штабелю древесины (SU 94719, F27K 5/04, 1960). В известном устройстве для изменения скорости конденсации пара в камере одна из ее стенок выполнена из теплопроводного материала и перекрыта снаружи откидными керамическими подушками. В результате обеспечивается возможность регулирования скорости сушки. Однако в известном устройстве имеет место неоднородный прогрев штабеля древесины вдоль его длины, что обусловлено неравномерным расходом горячего воздуха по длине штабеля, вследствие уменьшения давления в соплах с увеличением расстояния и расположения от вентилятора.
Известно устройство для обработки древесины, содержащее камеру, имеющую зону, предназначенную для размещения штабеля древесины, нагревательные элементы и побудитель циркуляции теплоносителя, находящегося в камере, включающий вход и выход (RU 2182293, F26B 9/06, 2002). В известном устройстве в зоне, предназначенной для размещения штабеля древесины, размещен контейнер, в котором выполнены стеллажи для размещения обрабатываемых заготовок или контейнер может быть снабжен прокладками, располагаемыми между слоями древесины, образующими штабель. В противоположных стенках контейнера, например в полу и потолке, выполнены отверстия, площадь которых зависит от площади входного и выходного отверстий средства для циркуляции среды, заполняющей камеру. Тем самым обеспечивается равномерный расход среды, заполняющей камеру через штабель древесины вдоль его длины. Однако, с другой стороны, наличие стенок не позволяет полностью выровнять расход среды, заполняющей камеру, при обработке штабеля древесины, а также увеличивает сопротивление среды, заполняющей камеру, при ее циркуляции внутри камеры.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является устройство для обработки древесины, содержащее камеру, имеющую зону, предназначенную для размещения штабеля древесины, нагревательные элементы и побудитель циркуляции теплоносителя, находящегося в камере, которая разделена, по крайней мере, одной перегородкой на две полости с возможностью перетекания теплоносителя из одной полости в другую полость через зону, предназначенную для размещения штабеля древесины, причем вход побудителя циркуляции теплоносителя гидравлически соединен с одной полостью, а выход - с другой (RU 2235636, В27К 5/00, 10.09.2004). Известное устройство позволяет производить обработку древесины с большой эффективностью и качеством, в частности обеспечивается возможность обработки древесины, толщина которой более 200 мм, расширяется ассортимент пород деревьев, древесина которых подвергается термообработке, уменьшается средняя величина остаточной влажности обработанной древесины, уменьшается равновесная влажность, повышается однородность древесной структуры, повышается равномерность ее плотности и снижаются энергетические затраты на обработку древесины.
Однако при проходе теплоносителя через зону, предназначенную для размещения штабеля древесины, расход теплоносителя через данную зону в направлении, перпендикулярном продольной оси камеры, неодинаков. В результате имеют место отличия в обработке древесины, находящейся в различных местах штабеля вдоль его продольной оси. Это обусловлено тем, что в объеме штабеля древесины имеет место явление запирания потока теплоносителя, а также тем, что наблюдается клапанный эффект. Это приводит к росту гидравлического сопротивления объема штабеля древесины. Кроме того, в объеме штабеля древесины образуется непроточная зона, которая лимитирует интенсивность теплообмена в штабеле древесины.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание и разработка устройства для обработки древесины, обеспечивающего получение древесной структуры с улучшенными, в частности, более однородными, характеристиками.
В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что обеспечивается возможность более однородной обработки древесины, из которой сформирован штабель древесины, уменьшаются затраты на прокачку теплоносителя (рабочего тела) за счет существенного снижения вихревых перетоков теплоносителя по полостям камеры, уменьшается средняя величина остаточной влажности обработанной древесины, уменьшается равновесная влажность, повышается однородность древесной структуры, повышается равномерность ее плотности.
Данные технические результаты достигаются тем, что в устройстве для обработки древесины, содержащем камеру, имеющую зону, предназначенную для размещения штабеля древесины, нагревательные элементы и побудитель циркуляции теплоносителя, находящегося в камере, которая разделена, по крайней мере, одной перегородкой на две полости с возможностью перетекания теплоносителя из одной полости в другую полость через зону, предназначенную для размещения штабеля древесины, причем вход побудителя циркуляции теплоносителя гидравлически соединен с одной полостью, а выход - с другой, по меньшей мере, одна упомянутая полость вдоль продольной оси камеры выполнена сужающейся в направлении потока теплоносителя, проходящего через' полость, соединенную с выходом побудителя циркуляции теплоносителя.
Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что по меньшей мере одна упомянутая полость вдоль продольной оси камеры выполнена сужающейся в направлении потока теплоносителя, проходящего через полость, соединенную с выходом побудителя циркуляции теплоносителя. В результате обеспечивается оптимальное распределение потока теплоносителя при его прохождении через штабель древесины.
Предпочтительно древесину в камере располагать в виде штабеля, а слои древесины в штабеле располагать с зазором относительно друг друга.
Целесообразно величину зазора между слоями древесины в штабеле выбрать от 5 мм до 20 мм.
Предпочтительно в камере создавать циркуляцию парогазовой среды и при циркуляции парогазовой среды пропускать ее через штабель.
Целесообразно, чтобы, по меньшей мере, одна упомянутая полость, расположенная вдоль продольной оси камеры, была выполнена сужающейся в направлении потока теплоносителя, проходящего через полость, соединенную с выходом побудителя циркуляции теплоносителя путем выполнения внутренней полости камеры, сужающейся в упомянутом направлении.
Целесообразно также, чтобы, по меньшей мере, одна упомянутая полость, расположенная вдоль продольной оси камеры, была выполнена сужающейся в направлении потока теплоносителя, проходящего через полость, соединенную с выходом побудителя циркуляции теплоносителя путем формирования расширяющегося штабеля древесины в упомянутом направлении.
Предпочтительно, чтобы сужение полостей вдоль продольной оси камеры в упомянутом направлении составляло от 1,6% до 24,1%.
Экспериментально установлено, что при величине сужения менее 1,6% эффект отсутствия запирания потока теплоносителя практически не наблюдается, а при величине сужения более чем 24,1% большая часть теплоносителя будет поступать в зону, предназначенную для штабеля древесины на входе теплоносителя.
В процессе обработки древесины в камере возможно поддерживать избыточное давление не более 0,2 МПа.
Различные конструкционные элементы и заготовки, выполненные из древесины, могут быть обработаны способом по настоящему изобретению.
Целесообразно устройство снабдить источником водяного пара, выход которого соединен с полостью камеры, а также системой отвода конденсата.
Предпочтительно камеру снабдить съемными теплоизоляционными матами, устанавливаемыми, по крайней мере, на части наружной поверхности камеры.
Побудитель циркуляции теплоносителя может быть установлен внутри камеры или снаружи камеры.
Предпочтительно вход и выход побудителя циркуляции теплоносителя гидравлически соединить с соответствующими полостями посредством 2-позиционного распределителя, выполненного с возможностью попеременного подключения входа и выхода к полостям камеры.
Устройство может содержать, по крайней мере, один дополнительный побудитель циркуляции теплоносителя, который может быть установлен внутри камеры или снаружи камеры.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 схематично приведен общий вид устройства для обработки древесины, на фиг.2 приведена схема устройства в плане, на фиг.3 приведен другой вариант схемы устройства в плане, на фиг.4 приведена схема устройства со стороны дверного проема, на фиг.5 приведен другой вариант схемы устройства со стороны дверного проема, на фиг.6 приведен другой вариант схемы устройства со стороны дверного проема.
Лучший вариант раскрытия изобретения
Устройство 1 для обработки древесины содержит герметичную камеру 2 камеру, имеющую, по крайней мере, один дверной проем, закрывающийся посредством двери 3, которая герметизирует камеру 2. Внутри камеры предусмотрена зона, предназначенная для размещения штабеля 4 древесины. Внутри камеры 2 размещены нагревательные элементы 5, которые могут располагаться внутри камеры 2 любым известным образом. В качестве нагревательных элементов могут быть использованы любые известные устройства, например термонагревательные элементы. Устройство 1 содержит также побудитель 6 для циркуляции теплоносителя, находящегося в камере. Побудитель 6 имеет вход 7 и выход 8, через которые, соответственно, происходит всасывание и нагнетание теплоносителя. Камера разделена, по крайней мере, одной перегородкой 9 на две полости 10 с возможностью перетекания теплоносителя из одной полости 10 в другую полость 10 через зону, предназначенную для размещения штабеля 4 древесины. По меньшей мере одна полость 10 вдоль продольной оси камеры 2 выполнена сужающейся в направлении потока теплоносителя, проходящего через полость 10, соединенную с выходом побудителя 6 циркуляции теплоносителя. Вход 8 побудителя 6 циркуляции теплоносителя гидравлически соединен с одной полостью 10, а выход 8 - с другой полостью 10. Целесообразно, чтобы, по меньшей мере, одна упомянутая полость 10, расположенная вдоль продольной оси камеры, была выполнена сужающейся в направлении потока теплоносителя, проходящего через полость 10, соединенную с выходом 8 побудителя 6 циркуляции теплоносителя, путем выполнения внутренней полости камеры 2 сужающейся в упомянутом направлении. По другому варианту возможно также, чтобы, по меньшей мере, одна упомянутая полость 10, расположенная вдоль продольной оси камеры 2, была выполнена сужающейся в направлении потока теплоносителя, проходящего через полость 10, соединенную с выходом 8 побудителя 6 циркуляции теплоносителя, путем формирования расширяющегося штабеля 4 древесины в упомянутом направлении (см. фиг.3).
Устройство 1 снабжено источником 11 водяного пара, выход которого через арматуру 12 соединен с полостью камеры 2. Для отвода сконденсированной влаги устройство 1 снабжено системой 13 отвода конденсата. Система 13 функционирует практически на всех этапах обработки, и особенно нагружена при воздействии на древесину водяным паром. Камера 2 может быть снабжена съемными теплоизоляционными матами 14, устанавливаемыми, по крайней мере, на части наружной поверхности камеры 2. Побудитель 6 циркуляции теплоносителя установлен внутри камеры 2, а также снаружи камеры 2. Для обеспечения реверсивного перетекания теплоносителя из одной полости 10 в другую полость 10 вход 7 и выход 8 побудителя 6 циркуляции теплоносителя гидравлически соединены с соответствующими полостями 10 посредством 2-позиционного распределителя 15, выполненного с возможностью попеременного подключения входа 7 и выхода 8 к полостям 10 камеры 2. Устройство может содержать, по крайней мере, один дополнительный побудитель 16 циркуляции теплоносителя. Дополнительный побудитель 16 циркуляции теплоносителя может быть установлен как внутри камеры 2, так и вне ее. Клапан 17 предназначен для отвода из камеры 2 парогазовой среды. Штабель целесообразно располагать на тележке 18, которая может перемещаться, в частности, по рельсам 19.
Функционирует устройство в соответствии с настоящим изобретением следующим образом. На тележке 18 или непосредственно в камере 2 (см. фиг.5, фиг.6) формируют штабель древесины. При этом слои древесины в штабеле укладывают на расстоянии от 5 мм до 20 мм друг от друга по высоте, например, посредством прокладок. После формирования штабеля на тележке 18 ее закатывают в камеру 2 по рельсам 19. Камеру 2 закрывают дверью 3. На наружную поверхность камеры 2 навешивают теплоизоляционные маты 14, уменьшающие потери тепла в окружающую среду (в принципе стенки камеры могут быть изначально выполнены теплоизоляционными, что не требует наличия матов). Приводят в действие нагревательные элементы 5 и начинают предварительный нагрев древесины в камере 2 путем подогрева воздуха в камере со скоростью 30-45 град/час до температуры 130-165°С. При нагревании древесины начинает испаряться содержащаяся в ней влага. Для более эффективного нагрева воздуха в камере осуществляют циркуляцию теплоносителя (парогазовой среды) в камере 2 посредством побудителя 6 циркуляции. При достижении в камере температуры 130-165°С в полость камеры 2 в течение 0,5-1,75 часа направляют водяной пар из источника 11 водяного пара. Парогазовая среда отводится из камеры 2 через клапан 17. Далее осуществляют подогрев образовавшейся парогазовой среды в камере со скоростью 4-8 град/час до температуры 160-200°С, затем повторно воздействуют на древесину водяным паром в течение 0,5-1,75 часа. После чего вновь осуществляют подогрев парогазовой среды в камере со скоростью 4-8 град/час до температуры 160-200°С и выдерживают древесину при этой температуре 2,5-6 часа. Затем в очередной раз воздействуют на древесину водяным паром в течение 0,5-1,75 часа, после чего осуществляют подогрев парогазовой среды в камере со скоростью 4-8 град/час до температуры 160-200°С. Затем отключают нагревательные элементы 5 и прекращают подогрев парогазовой среды в камере. Через 1-3,5 часа после прекращения подогрева парогазовой среды последний раз воздействуют на древесину водяным паром в течение 0,5-1,75 часа.
Теплоноситель проходит через слои древесины штабеля 4 с равномерным расходом по длине штабеля 4, обеспечивая более идентичную обработку всех слоев древесины штабеля 4.
После завершения операций термообработки с наружной поверхности камеры 2 снимают, при необходимости, термоизоляционные маты 14, увеличивая, тем самым скорость охлаждения штабеля древесины за счет повышения отвода тепла от камеры 2 в окружающую среду. После завершения охлаждения древесины в камере ниже 60°С открывают дверь 3 и штабель 4 извлекают из камеры 2 наружу, где происходит окончательное охлаждение древесины.
Очевидно, что все процессы термообработки в достаточной степени могут быть автоматизированы путем установки соответствующих датчиков и регулирующей аппаратуры. В качестве таких элементов могут быть использованы любые известные устройства.
Проведение всех этапов термообработки осуществляют при циркуляции парогазовой среды в камере, которую осуществляют побудителями циркуляции. При использовании оного побудителя циркуляции возможно осуществление реверса теплоносителя посредством 2-позиционного распределителя 15. Наличие, по крайней мере, одного дополнительного побудителя 16 циркуляции также позволяет проводить обработку древесины в режиме реверса циркуляции теплоносителя. Для этого вход основного побудителя 6 циркуляции теплоносителя подключен к одной из полостей 10, а вход дополнительного побудителя 16 - к другой полости 10. Соответственно подключены выходы побудителей 6 и 16 (фиг.6). Проведенные исследования показали, что остаточная влажность древесины во всех интервалах обработки не превышает 6,2%.
Таким образом, благодаря красивому внешнему виду и уникальным свойствам термообработанной древесины ее можно использовать во многих областях, в том числе для внутренней отделки помещений, например бань и саун, для наружной обшивки строений, устройства полов, изготовления мебели, музыкальных инструментов и пр.
При термообработке меняется клеточная структура дерева, становясь такой, как если бы древесину сушили несколько сотен лет. Водяной пар выступает в качестве защитной среды и предотвращает возгорание древесины при повышенных температурах за счет вытеснения кислорода. При термообработке происходит разложение сахаров, отсутствие которых лишает питательной среды микроорганизмов, которые также погибают при повышенных температурах.
Промышленная применимость
Устройство в соответствии с настоящим изобретением промышленно применимо при термовлажностной обработке древесины, древесных материалов, а также многообразных изделий из древесины: досок, брусков, паркета, заготовок и изделий различной формы и пр. Устройство в соответствии с настоящим изобретением не требуют создания специального оборудования и оснастки.