Оборудование для гидротермической обработки древесины

Гидротермообработкой называют воздействие на материал влаги и высо­ких температур с целью изменения свойств этого материала в нужном направ­лении. В деревообработке операциями гидротермообработки являются пропар­ка и проварка древесины в производстве шпона, сушка пиломатералов, пропит­ка их специальными растворами, термомодификация сухой древесины.

1. Сушилки для пиломатериалов

Влажность древесины выражается в процентах и показывает содержание влаги по отношению к массе абсолютно сухой древесины, влажность которой равна 0%. Начальная влажность сырых досок после лесопильного цеха изменя­ется в широких пределах от 40 до 100 и более процентов.

В древесине следует различать свободную влагу, находящуюся в полостях клеток, и связанную вла­гу, пропитывающую стенки клеток древесины. Связанная влага содержится в древесине с влажностью примерно до 30%. Эту величину называют пределом гигроскопичности. Удаление этой влаги приводит к усушке и деформированию пиломатериалов. Свободная влага находится только в древесине, влагосодержание которой более 30%. Удаление этой влаги не приводит к изменению раз­меров и формы пиломатериалов.

По влагосодержанию принято различать пиломатериалы сырые (влаж­ность более 30%), пиломатериалы транспортной влажности (18-22%) и пило­материалы производственной влажности (6-10%).

Сушка пиломатериалов может быть атмосферной и камерной. Атмосфер­ная сушка, т. е. сушка на открытом воздухе в специальных пакетных штабелях до влажности примерно 22%, возможна с апреля по сентябрь (в южных районах с марта по октябрь). Время сушки составляет 1-2 месяца в зависимости от тол­щины пиломатериалов и климатической зоны предприятия.

Камерной называют сушку в специальных сушильных камерах при высо­ких температурах воздуха и скорости его циркуляции. Пиломатериалы могут быть высушены до любой требуемой влажности в течение нескольких дней.

Подготовка к камерной сушке заключается в формировании сушильного штабеля. Штабели собирают из горизонтальных рядов досок на прокладках, в качестве которых используют строганые рейки толщиной обычно 25 мм и ши­риной 40-50 мм. Размеры штабеля зависят от размеров сушильной камеры. Обычно штабель имеет ширину 1,8-2 м, высоту — до 3 м и длину, соответ­ствующую длине пиломатериалов (6-7 м). Укладка пиломатериалов в штабеле может быть сплошными рядами или с промежутками (шпациями) между от­дельными досками. В первом случае достигается повышенная вместимость штабеля, но воздух в этом случае может перемещаться только в горизонталь­ном направлении. В штабеле со шпациями возможно движение воздуха как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях.

Укладка штабелей может выполняться вручную, с помощью специально­го лифта либо с использованием штабелеформирующих машин (ШФМ). Ранее Вологодский станкозавод выпускал машину ПФМ-10 и линию формирования сушильных пакетов ПФЛ-1 с производительностью до 30 досок/мин. Совре­менные высокопроизводительные ШФМ позволяют работать со скоростью до 200 досок/мин. Цикл их работы состоит из операций разобщения досок, по­штучной их подачи, выравнивания торцов, укладки щита, укладки прокладок, опускания штабеля, перемещения тележек, перемещения штабелей.

Прокла­дочный автомат укладывает сушильные прокладки с высокой точностью, со­блюдая заданный интервал между ними. На отечественных лесопильных пред­приятиях работают линии формирования сушильных пакетов финских фирм Valmet, Sateko и др.

Оборудование для сушки пиломатериалов довольно разнообразно. В ос­новном это позиционные сушильные камеры, внутри которых создаются усло­вия для удаления влаги из древесины.

2. Конвективные камеры

В сушильных камерах этого типа циркулирует так называемый агент сушки, обычно горячий сухой воздух, который отбирает влагу из древесины. Конвективные камеры представляют собой закрытые помещения с системой нагрева и циркуляции горячего воздуха. Нагревательными элементами являют­ся обычно трубчатые калориферы, в которых циркулирует теплоноситель (го­рячая вода, пар, топочные газы).

Циркуляцию обеспечивают вентиляторы раз­личной конструкции. Основная проблема качества сушки заключается в том, что наружные поверхности досок высыхают быстрее, чем внутренние. По этой причине в сушилках имеется система увлажнения для выравнивания перепадов влажности по толщине пиломатериала.

Принцип работы конвективной камеры показан на рисунке 1. В про­странстве между потолком и промежуточным перекрытием размещены венти­ляторы, которые служат для движения воздуха в камере, теплообменники и клапаны для воздухообмена. Воздух в камере нагревается посредством тепло­обменников.

Рис. 1. Схема конвективной сушильной камеры Katres (Чехия)

Вентиляторы обеспечивают течение воздуха сквозь штабеля. Проходя че­рез штабеля, воздух отводит влагу из древесины. Как только температура и влажность воздуха достигают требуемых значений, открываются клапаны — горячий, пропитанный влажностью воздух выпускается. Затем в сушильную камеру впускается такое же количество воздуха, которое было выпущено. Этот новый воздух нагревают, так что он готов впитать в себя следующую влагу из древесины. Таким порядком происходит понижение содержания относительной влажности воздуха и влаги в древесине до тех пор, пока влажность древесины не достигнет требуемого значения.

Основное оборудование конвекционных камер можно разделить на тепло­вое, вентиляторное, транспортное оборудование и систему увлажнения воздуха.

Теплообменные установки предназначены для передачи тепловой энер­гии от теплоносителя или теплоисточника. Это может быть небольшая котель­ная, работающая на отходах древесины и подающая пар в калориферы суши­лок. При отсутствии котельной используют калориферы с электронагревом.

Вентиляторная система в сушильных камерах необходима для обеспече­ния равномерной циркуляции нагретого воздуха. Для равномерной сушки пи­ломатериалов скорость воздуха по поверхности пиломатериала должна быть не менее 3 м/с. Для устройства вентиляторной системы применяют осевой или ро­торный вентилятор, подключенный к воздуховодам.

Транспортное оборудование обычно представляет собой рельсовый путь с подштабельной тележкой, на которой уложен штабель пиломатериалов. В больших сушилках может использоваться вилочный погрузчик.

Система увлажнения и вытяжки воздуха необходима для обеспечения по­стоянно заданной влажности воздуха. Она состоит из нержавеющих форсунок, воздуховода, роторного вентилятора и электромагнитного клапана. При пони­жении влажности вытяжка перестает работать, а электромагнитный клапан от­крывается и подает воду на форсунки. Вода быстро испаряется, увлажняя при этом воздух. Если, наоборот, влажность стала слишком высокой, автоматиче­ски включается вытяжка, которая удаляет влажный воздух из камеры.

В настоящее время конвективные сушильные камеры остаются самыми востребованными из-за рентабельности, невысокой стоимости, малого потреб­ления электроэнергии, изученности технологического процесса, высокого каче­ства высушенных пиломатериалов. Они просты в обслуживании и надежны в эксплуатации. Себестоимость сушки в этих камерах существенно снижается при использовании в топках котельных древесных отходов, образующихся на самом д/о предприятии.

Камеры непрерывного действия изготавливают скандинавские компании Valutec, Jartek, Heinola, а также австрийская компания Miihlbock-Vanicek. В этих камерах с одного конца тоннеля штабели пиломатериалов загружают на рельсовые тележки, которые постепенно двигаются по тоннелю и, пройдя теп­ловую обработку, выгружаются с другого конца. Поскольку воздух, проходя сквозь древесину, становится менее горячим и более влажным, чем при началь­ной подаче, каждый штабель по мере продвижения по потоку оказывается в разных «климатических» условиях.

Возможности сушильных тоннелей нового поколения позволяют каче­ственно сушить пиломатериалы до влажности 8-12%. Существует несколько разновидностей камер непрерывного действия. При использовании технологии ТС, предлагаемой компанией Valutec (аббревиатура шведского tvarcirkulation — перекрестная циркуляция), можно одновременно сушить в тоннеле пи­ломатериалы разного сечения и разной начальной влажности. Дело в том, что штабели в подобных камерах ориентированы вдоль направления движения те­лежки, а воздух для циркуляции подается в поперечном движению направле­нии. Эта технология позволяет создать для каждого штабеля или группы шта­белей индивидуальный климат, соответствующий определенной программе сушки. Различие между сушкой в камерах непрерывного и периодического действия таким образом фактически исчезает.

Распространение получили также двухзонные и трехзонные сушильные камеры, в которых выделены зоны с отдельным климатом и направлением дви­жения воздуха: в первой зоне осуществляются нагрев и выравнивание влажно­сти по сечению, во второй выполняется сушка, в третьей (если речь о трехзон­ной камере)— досушивание до низкой влажности и кондиционирование. В пределах зоны для каждого штабеля в зависимости от направления циркуля­ции воздуха меняется температурно-влажностный режим.

Стремление конструкторов применять загрузку на тележках для повыше­ния производительности камер периодического действия привело к появлению так называемых маятниковых камер. У этих камер загрузка ведется с двух сто­рон. После завершения сушки тележки со штабелями выкатываются в ту же сторону, с какой были загружены. В это время с другой стороны загружаются тележки с другими штабелями для нового цикла сушки, за счет чего рацио­нально используется рабочее время камеры, не тратится лишнее тепло на разо­грев и нет необходимости перемещать тележки — они всегда возвращаются в ту сторону, с которой поступили со штабелями в камеру. Зоны загрузкивыгрузки штабелей, как и в случае с тоннелями, находятся под навесами.

Используя комбинацию сушильных тоннелей нового поколения и высо­копроизводительных камер периодического действия, лесопильное предприя­тие обеспечивает требуемую производственную мощность и гибкость, необхо­димую для работы в условиях современного рынка.

3. Вакуумные сушилки

Сушилки с использованием вакуума могут быть конвективного или кондуктивного типа. В вакуумно-конвективных сушилках процесс идет с циркуля­цией агента сушки при цикличном нагревании и вакуумном удалении влажного воздуха. Сушка в вакуумной камере происходит в 5-10 раз быстрее, чем в кон­векционных сушилках без использования вакуума. Время сушки и расход энер­гии зависят от исходной влажности, породы древесины, толщины досок, перво­начальной и необходимой конечной влажности древесины.

Процесс сушки древесины на примере установки ВС-1М (рис. 2) выгля­дит следующим образом. Штабель на подштабельной тележке перемещают по рельсовым путям в сушильную камеру. Откидная крышка сушильной камеры герметично закрывается. При открытых вакуумных клапанах включается вен­тилятор, затем— электрокалорифер. Начинается прогрев древесины потоком горячего воздуха. Когда температура в пиломатериале достигает 52-53°С, ста­дия прогрева завершается. Вакуумные клапаны закрываются, вентилятор и электрокалорифер выключаются. Специальным насосом в герметической су­шильной камере создается пониженное давление 0,015 МПа. При этом давле­нии температура кипения воды равна всего 40-50°С, поэтому с поверхности древесины начинает интенсивно испаряться влага, которая конденсируется и удаляется через дренажную систему.

Рис. 2. Общий вид и разрез вакуумной сушилки ВС-1М (Красноярский ЭХЗ)

Циклы нагрева штабеля и вакуумирования камеры повторяются в соот­ветствии с режимом сушки, параметры которого задаются со щита управления и зависят от породы, толщины и начальной влажности древесины.

Сушилка ВС-1М оснащена специальными завихрителями, благодаря ко­торым обеспечивается равномерная скорость прохождения воздуха через шта­бель со скоростью до 5 м/с. В сушилке есть также прижимные устройства, со­здающие давление на штабель общим усилием 6000 кг и снижающие покоробленность сухих досок. Для снятия внутренних напряжений в древесине и для дополнительного прогрева выполняется увлажнение штабеля горячей водой с помощью специально встроенных форсунок.

Этот способ наиболее рентабелен при сушке твердолиственных пород больших сечений, когда продолжительность процесса является наиболее суще­ственным фактором.

При сушке древесины в вакуумной камере используется низкая по срав­нению с процессом сушки при атмосферном давлении температура. Это создает низкую тепловую нагрузку на древесину и значительно снижает внутренние напряжения в высушенном материале. Кроме того, более высокая производи­тельность вакуумных сушильных камер по сравнению с обычными конвектив­ными сушилками дает возможность уменьшения геометрических размеров ка­меры, что само по себе важно с точки зрения экономии производственных площадей.

Немаловажную роль при выборе сушильной камеры играет наличие теп­лоносителя необходимых параметров. Часто строительство котельных для ле­сосушильных камер вызывает большие трудности по различным, в том числе экологическим, причинам. В этом случае применение теплоэнергонагрева часто является единственно возможным вариантом.

Таким образом, можно назвать следующие преимущества вакуумных су­шилок перед обычными конвекционными камерами.

1. Продолжительность сушки пиломатериалов твердолиственных пород древесины в вакуумной камере в 2,5-3 меньше, чем в конвективной.
2. При сушке древесины твердолиственных пород себестоимость сушки в вакуумной камере ВС-1 значительно ниже по сравнению с сушкой в конвек­тивных сушильных камерах (на примере камеры СК1-12Э). Комплексный за­тратный показатель составляет для вакуумной камеры 1,4; для конвективной — 3,8 тыс. руб./м³ (данные с сайта).
3. В вакуумной сушилке обеспечивается более высокое качество высуши­вания древесины. Этому способствует низкая температурная нагрузка на древе­сину.
4. Вакуумная сушилка не требует наличия паросилового хозяйства.

Вакуумно-кондуктпивные (контактные) сушильные камеры отличаются тем, что нагревательные элементы в них выполнены в виде пластин, которыми переложен каждый ряд штабеля. Такие сушилки не имеют вентиляторов. Их называют также пресс-вакуумными, если в них предусмотрен жесткий зажим пиломатериалов с целью снижения их возможной покороблености при усушке. Пример такой сушилки показан на рисунке 3.

Рис. 3. Пресс-вакуумная сушильная камера от WDE Maspel (Италия): 1 — камера; 2 — резиновая мембрана; 3 — рамка; 4 — резиновый уплотнитель; 5 — древе­сина; 6 — нагревательные пластины; 7 — резиновые бронированные шланги; 8 — водяная помпа; 9 — электронагреватель; 10 — термоизоляция; 11 — вакуумная помпа.

Сушилка состоит из нержавеющей стальной, полностью герметичной ка­меры. Верх камеры закрыт эластичным резиновым покрытием в металлической рамке. Доски укладываются внутрь камеры послойно, чередуясь с алюминие­выми нагревательными пластинами. Водяная помпа обеспечивает циркуляцию горячей воды внутри пластин. Вода нагревается внешним бойлером, а вакуум внутри камеры создает жидкостная вакуумная помпа. При создании вакуума резиновая мембрана под действием атмосферного давления прижимает штабель досок к полу камеры с давлением до 10 т/м² и не дает доскам коробиться при их высушивании.

4. Сушилки конденсационные

Принцип данного вида сушки (рис. 4) состоит в том, что удаление испа­ренной из древесины влаги осуществляется в жидком виде после конденсации этой влаги в специальной охладительной установке.

Рис. 4. Схема конденсационной сушилки

В сушильной камере, кроме вентилятора, устанавливается компрессорная холодильная установка, состоящая из испарителя, конденсатора и компрессора. Под испарителем расположен приемник конденсата. Выходящий из штабеля воздух с повышенным влагосодержанием проходит через испаритель, где охлаждается. При этом влага, содержащаяся в воздухе, конденсируется и через приемник удаляется из камеры.

Осушенный воздух проходит через конденса­тор холодильной установки и нагнетается вентилятором через ТЭНы в сушиль­ную камеру. По принципу действия конденсационный способ относится к зам­кнутому циклу, т. е. сушильный агент совершает циркуляцию по камере без выброса в атмосферу и, соответственно, без подпитки свежим воздухом. Воз­дух, насыщенный влагой, отобранной из древесины, омывает холодную по­верхность испарителя и охлаждается до температуры ниже точки росы. Часть влаги, содержащейся в воздухе, конденсируется, а теплота, выделенная при этом, используется для подогрева сушильного агента. В качестве охладителя используется фреон.

Конденсационный сушильный цикл с холодильной установкой, играю­щий роль теплового насоса, характеризуется нулевым расходом тепла на испа­рение влаги. Затраты электроэнергии здесь идут на прогрев пиломатериала, а также на привод компрессора и вентиляторов. Конденсационные сушильные камеры эффективно использовать в тандеме с традиционными конвективными сушилками. Пиломатериалы сначала высушиваются в конденсационной камере, а потом досушиваются по необходимости до эксплуатационной влажности в конвективной камере. При таком варианте будет обеспечено высокое качество пиломатериалов и затраты на сушку будут минимальными.

Энергопотребление холодильной установки составляет 0,25-0,5 кВт/ч на 1 л испаренной воды в зависимости от влажности. Это примерно в два-три ра­за меньше расхода электроэнергии при аэродинамической или конвективной сушке.

Конденсационный метод сушки древесины является наиболее выгодным для любого деревообрабатывающего предприятия, так как не требует значи­тельных вложений, строительной реконструкции и перепланировки существу­ющего сушильного хозяйства. А самое главное — он обеспечивает мягкий ре­жим сушки, при котором сохраняются геометрические размеры материала, от­сутствуют внутренние напряжения и, как следствие, сводятся к минимуму ко­робление древесины и образование трещин.

Таким образом, происходит экономия средств не только за счет уменьше­ния затрат на энергопотребление, но и за счет уменьшения поверхностного де­фектного слоя, идущего на припуск для последующей механической обработки древесины, а значит, увеличения выхода готовой продукции из того же объема пиломатериала. Следует учитывать, что сроки сушки в конденсационных су­шильных камерах в 2 раза больше (при использовании фреона), чем при приме­нении традиционных способов.

5. Аэродинамические камеры

Работа сушильной аэродинамической камеры основана на принципе аэродинамического нагрева. Интенсивное перемещение воздуха в замкнутом объеме камеры центробежным колесом специального типа вызывает его нагрев и циркуляцию. Эффект повышения температуры воздуха достигается вслед­ствие трения перемещающихся воздушных масс о лопатки колеса. Циркуляция сушильного агента со скоростью порядка 2 м/с обеспечивает интенсивное ис­парение влаги по всему объему штабеля и сокращает продолжительность суш­ки. При сушке древесины в аэродинамических сушилках периодического дей­ствия одним из основных факторов, определяющих качество итогового продук­та, является эффективное распределение и направленность воздушных потоков.

Аэродинамические сушильные камеры получили широкое распростране­ние из-за относительно невысокой стоимости, простоты конструкции, надежно­сти в эксплуатации. Они не требуют специфических знаний обслуживающего персонала, рентабельны в малых предприятиях при сушке до 2000 м³ в год хвойных пород. Недостатками сушилок данного типа являются высокая энерго­емкость и трудности регулирования процесса сушки.

На рисунке 5 показана аэродинамическая сушилка КАС от фирмы «Адаптика» (Брянск).

Сушилка имеет сварной цельнометаллический каркас, обшитый изнутри оцинкованным или алюминиевым листом, снаружи— оцинкованным профнастилом. Боковые, торцовая стены, усиленный пол и потолочные перекрытия теплоизолированы материалом «URSA» или «Isover», гарантирующим нор­мальный режим работы в интервале внешних температур от -30 до +30°С. Су­шильная камера оборудована утепленной, герметически закрывающейся две­рью. Камера поступает к заказчику в собранном виде и не требует дополни­тельных затрат на монтаж.

Рис. 5. Аэродинамическая сушильная камера КАС

6. СВЧ и прочие установки для сушки пиломатериалов

СВЧ-нагрев отличается избирательностью— диэлектрические потери, преобразуемые в тепло, в жидкости гораздо выше, чем в сухом материале. По­этому под действием высокочастотного излучения во влажной древесине сво­бодная и связанная влага начинают интенсивно нагреваться. В древесине воз­никает избыточное давление, которое способствует движению влаги от внут­ренних слоев к наружным.

При СВЧ-сушке древесины штабель пиломатериалов размещается между электродными пластинами, к которым от ВЧ-генератора подводится перемен­ное высокочастотное электрическое напряжение. Равномерность нагрева по всему объему высушиваемой древесины способствует тому, что даже в толстых сортиментах не возникает внутренних напряжений, которые могут привести к растрескиванию и короблению досок.

На рисунке 6 показаны две вакуумные СВЧ-сушилки, в которых сочета­ется ваакуум и СВЧ-нагрев, что позволяют снизить время сушки и сделать его почти независимым от толщины высушиваемых лесоматериалов. Вакуумные СВЧ-сушилки позволяют сушить брус и оцилиндрованные бревна в течение примерно 24 ч при хорошем качестве лесоматериалов. Несмотря на высокую стоимость оборудования, оно может окупиться за 1,5-2 года.

Рис. 6. СВЧ-сушилки «Инвестстрой» (слева) и VACUUM-E («Ками», РФ)

В сушильной камере нет ни двигателей, ни вентиляторов, ни нагрева­тельных пластин. Волноводы спрятаны в герметичные каналы. Тепловая энер­гия передается бесконтактным способом без потерь. В агрессивной среде нахо­дится только древесина. Нет необходимости создавать систему охлаждения ка­меры, все происходит без привлечения каких-либо механизмов. СВЧ-генерато­ры последних поколений легки и компактны. Появление таких современных компонентов, как твердотельные реле, ультрабыстрые диоды, варисторы, филь­тры подавления электромагнитных помех и т. д., позволило упростить кон­струкцию этих генераторов, а соответственно, уменьшить их размеры и вес и повысить надежность. Последние магнетроны имеют КПД = 0,9, а гарантийный срок их эксплуатации составляет 4—6 тыс. ч.

В заключение назовем еще сушилку с конвективно-лучистым теплообме­ном (рис. 7). Для районов с большим количеством солнечных дней предлага­ется вариант сушилки, работающей на энергии солнечного излучения.

Рис. 7. Схема и фото сушилки с солнечными коллекторами (Woodmizer, Канада)

Наклонная крыша сушилки имеет плоские коллекторы, в которых про­гревается воздух, масло или вода. Вентиляторы обеспечивают циркуляцию прогретого воздуха через штабель пиломатериалов. Калориферы в таких су­шилках не требуются, поэтому их строительство может быть оправдано в опре­деленных климатических зонах.

Ниже приведен список наиболее крупных отечественных производителей сушильного оборудования для пиломатериалов.

1. АДАПТИКА, Брянск — сборные камеры КСС с объемом загрузки от 36 до 120 м³; конвективные камеры КСТО с объемом загрузки от 8 до 25 м³.
2. ВАККУМ ПЛЮС — «VACUUMTERM» для сушки и термомодифика­ции древесины; конвективные камеры СПКТ-15, -20.
3. СКРОН, Брянск— конвективные камеры РЕВЕРСИВ, AUTO DRY, ЭКОНОМ; конденсационная камера ЭЛЕКТРО, аэродинамические камеры АЭРО, ЛКА.
4. ТЕРМОТЕХ, Брянск — конвективные камеры СКФ, модульные камеры СКМ, аэродинамические камеры СКА, РАСК; вакуумно-компрессионные каме­ры ВК-СК.
5. Тюменский станкозавод— конвективные камеры КСК, аэродинамиче­ские камеры САТ-8, -12,-16, -24.
6. УРАЛДРЕВ-СК, Екатеринбург — сборно-металлические камеры СКС, КОС; камеры с фронтальной и продольной загрузкой штабелей пиломатериа­лов, мобильные камеры СКМ.

7. Средства измерения влажности древесины и древесных материалов

Информация о влажности древесины очень важна для правильного по­строения технологических процессов деревообработки. Слишком высокая влажность древесных материалов чревата опасностью биологического пораже­ния древесины, а также последующей усушки деревянных деталей и их покоробленности при эксплуатации в условиях повышенных температур и низкой влажности воздуха. Слишком сухая древесина становится сравнительно хруп­кой, она плохо деформируется, становится трудной для гнутья и обработки ре­занием.

Контроль процесса сушки пиломатериалов неразрывно связан с необхо­димостью текущего контроля влажности древесины. Существуют различные методы измерения влагосодержания в древесине и древесных материалах — ве­совой, кондуктометрический, индукционный, микроволновый, инфракрасный.

Весовой метод является самым точным. Он предназначен для лаборатор­ных условий и требует от 5 до 8 ч для получения результата. От контролируе­мого материала (доски) на расстоянии 300-500 мм от торца отпиливают пробу толщиной 10-12 мм, которую тщательно очищают и немедленно взвешивают на лабораторных весах с точностью до 0,001 г. Затем пробу помещают в элек­трический сушильный шкаф и сушат при температуре 100-105°С. Во время сушки пробу периодически вынимают и взвешивают. Первое взвешивание вы­полняют через 5 ч после закладки пробы в шкаф, остальные — через каждые 1- 2 ч. Древесина достигает абсолютно сухого состояния, когда масса пробы пере­станет изменяться. Разница в массе влажного и сухого образца (пробы), отне­сенная к массе абсолютно сухого образца, показывает влажность древесины в момент его первого взвешивания.

Ускоренный сушильно-весовой метод предусматривает сушку образцов при температуре (120±2)°С в сушильных шкафах с принудительной циркуляци­ей. Продолжительность сушки в этом случае составляет 2-2,5 ч. Конечную мас­су определяют после охлаждения образцов в комнатных условиях в течение 2- 5 мин.

Известен также экспресс-метод определения влажности древесины весо­вым способом. От пиломатериала или заготовки острой стамеской снимают тонкую стружку, которую тотчас взвешивают с высокой точностью и помеща­ют в сушильный шкаф. После полного высушивания стружки в течение не­скольких минут ее охлаждают и снова взвешивают. При высокой точности взвешивания достигается высокая точность определения влажности. В одном агрегате размещаются точные аналитические весы, зона сушки образца с нагре­вателем и вентилятором, а также электронный узел для фиксации результатов измерений и расчета влажности. Для получения более объективного результата пробу следует сначала расколоть, а потом снять стружку с внутренней поверх­ности образа.

Некоторую качественную информацию о влажности древесины можно получить без использования приборов, изучая тонкую стружку, снятую острой стамеской. Если древесина имеет высокую влажность, то стружка при смина­нии будет легко деформироваться. Сухая же стружка будет крошится и ломать­ся. Слишком влажная древесина режется очень легко, а на месте пореза от ста­мески можно заметить влажный след.

Все остальные методы измерения влажности древесины выполняются специальными приборами— влагомерами. Наиболее распространенными яв­ляются влагомеры, измеряющие электрическое сопротивление между иголка­ми, внедряемыми в древесину (кондуктометрический способ). Ток, проходя­щий через испытываемую древесину, усиливается и затем измеряется микроам­перметром, шкала которого отградуирована в процентах влажности древесины.

Это сопротивление зависит от влажности древесины, а также от плотно­сти и температуры материала. Особенность работы электровлагомеров состоит в том, что они достаточно надежно измеряют влажность в диапазоне от 7 до 30%. Влажность выше 30% измеряется с большой погрешностью.

Электровлагомер может быть использован для дистанционного измере­ния влажности древесины, находящейся в сушильной камере. Для достоверного суждения о влажности целой доски необходимо произвести замеры в большом количестве точек по длине и ширине доски, взяв среднее значение из этих пока­заний. При этом контрольные образцы с заглубленными иглами датчика укла­дываются внутрь штабеля, а прибор помещается вне камеры. При таких заме­рах обязательно делают поправку на истинную температуру древесины. Однако опыт показывает, что дистанционный метод замера не дает точных результатов, в частности из-за того, что иглы датчика доставляют лишнее тепло к древесине в местах заглубления. Из-за подсушки древесины в этих местах контакт между датчиком и материалом нарушается и показания прибора искажаются.

Современные электровлагомеры имеют погрешность измерения 1-2% абс. в диапазоне до 30% и шкалы для различных пород древесины, например бук, ель, клен, лиственница, дуб, сосна.

Индукционный (диэлъкометрический) способ измерения основан на ис­пользовании электромагнитных волн и определении диэлектрической проница­емости древесины, которая зависит от ее влагосодержания. Диэлектрической проницаемостью называется величина, показывающая, во сколько раз увеличи­вается емкость конденсатора, если воздушную прослойку между пластинами заменить такой же толщины прокладкой из данного материала. Этот показатель зависит от частоты тока и влажности древесины. С увеличением влажности древесины диэлектрическая проницаемость вдоль волокон увеличивается, что особенно заметно при меньшей частоте тока.

С увеличением влажности древесины изменяется также тангенс угла ди­электрических потерь — величина, характеризующая степень нагрева материа­ла в переменном электромагнитном поле. Вдоль волокон он резко растет при малой (до 100 Гц) и большой (10⁹ Гц) частоте и почти не меняется при частоте 10⁶-10⁷Гц.

Принцип действия соответствующего прибора основан на использовании датчика индуктивного типа, который представляет собой плоский излучатель­ный контур, установленный внутри корпуса влагомера под цифровым табло. Напряжение от датчика подается на цифровой вольтметр, расположенный на передней плате прибора.

Данный метод измерения малочувствителен к температуре древесины, что позволяет работать без таблиц температурной коррекции. Бесконтактные индукционные влагомеры работают в диапазоне 5—45% влажности древесины с точностью до 1-1,5% абс. Они способны учитывать плотность измеряемой дре­весины. Большим преимуществом индукционного способа является то, что толщину контролируемого слоя можно задать от 10 до 50 мм, а время измере­ния не превышает 5 с. При выходе результата измерения за верхнюю границу требуемого диапазона влажности некоторые устройства имеют соответствую­щую сигнализацию.

Индукционные влагомеры, принцип измерения которых основан на взаи­мосвязи диэлектрических свойств влажного материала с количеством содержа­щейся в нем влаги, выпускают многие фирмы, в том числе российские «Интер­прибор» и MetronX.

В отечественной практике применяется портативный цифровой измери­тель влажности ВСКМ-12У, предназначенный для различных строительных ма­териалов, в том числе для древесины твердых и мягких пород. Теперь ему на за­мену выпускается экспресс-измеритель теплопроводности и влажности строи­тельных материалов ИВТП-12 (рис. 8). В основу прибора положены корреля­ционные связи между диэлектрическими и физическими свойствами капилляр­но-пористых тел.

Рис. 8. Экспресс-измеритель теплопроводности и влажности строительных материалов ИВТП-12

Диапазон измерения влажности у данного прибора — от 0,3 до 60% с по­грешностью 1,5-2,5% абс. Глубина зоны контроля — не менее 50 мм, время од­ного измерения — не более 10 с.

Помимо задачи оперативного определения влажности пиломатериалов и заготовок (т. е. массивной древесины), в деревообработке не менее актуальной является задача определения влажности измельченной древесины и древесных плит. Для текущего и выходного контроля продукции в плитном производстве применяют специальные электровлагомеры.

Прибор ДИ-2М комплектуется двумя датчиками— отдельно для определения влажности стружки и плит, и электронным измерительным блоком с автономным питанием. Датчик для из­мерения влажности измельченной древесины представляет собой разъемный стакан, в котором между двумя дисковыми электродами с помощью пресса уплотняется навеска материала. С помощью этих электродов измеряется элек­трическое сопротивление уплотненного материала— стружки или волокна.

Датчиком для измерения влажности древесностружечных плит служит четырехигольчатый зонд, укрепленный на ручке. Электровлагомер позволяет изме­рять влажность стружки от 5 до 25%, а влажность древесностружечных плит — от 6 до 22%. Погрешность измерения ±(1-2)%

Сверхвысокочастотные (СВЧ) влагомеры для сыпучих материалов ис­пользуют значительное (в десятки раз) различие электрических свойств воды и сухого материала. Концентрацию влаги измеряют по ослаблению СВЧ-излуче­ния, проходящего через слой анализируемого материала. В таких влагомерах лента материала проходит между передающей и приемной антеннами.

Переда­ющая антенна соединена с СВЧ-генератором, приемная— с измерительным устройством. Чем больше влажность анализируемого материала, тем меньше сигнал, попадающий в измерительное устройство. СВЧ-влагомеры позволяют измерять влажность в широком диапазоне (0-100%) с высокой точностью. На рисунке 9 показана схема влагомера M-Sens 2.

Рис. 9. Схема СВЧ-влагомера M-Sens 2 (SWR Engineering, Германия)

Метод измерения влажности, применяемый в M-Sens 2, использует прин­цип поглощения микроволнового излучения материалом. Чем больше влаж­ность, тем больше энергии микроволн поглощается и превращается в тепло, со­ответственно тем меньше возвращается на сенсор датчика измерения влажно­сти. Отраженное высокочастотное поле преобразуется и подвергается цифро­вой обработке, что обеспечивает высокую разрешающую способность измери­теля влажности.

Структура материала и равномерность увлажнения оказывают влияние на результаты измерения, поэтому измеренная влажность приводится к среднему значению через объемную плотность контролируемого материала. Для этих целей проводится предварительная калибровка прибора, при которой в датчик вводятся опорные данные влажности сырья. Случайные изменения влажности, вызванные неоднородностью материала и его насыпной плотно­стью, отсеиваются программными инструментами. Датчик влажности сыпучих материалов снабжен функцией автоматической компенсации изменения темпе­ратуры окружающей среды.

Для измерения влажности сыпучего материала прямо на конвейерной ленте разработаны влагомеры проходного типа, например влагомер MOISTSCAN МА-500 (рис. 10).

Рис. 10. Влагомер MOISTSCAN МА500

Принцип его действия основан на измерении фазового сдвига и ослабле­нии сигнала микроволн, проходящих через материал и конвейерную ленту. Микроволны проникают через ленту конвейера и материал. Качество измере­ния не зависит от размера кусков материала и скорости движения конвейерной ленты. Влагомер автоматически компенсирует влияние изменения скорости по­дачи продукта, используя стоящий рядом измеритель веса ленты либо инте­гральный монитор толщины слоя материала. Толщина слоя исследуемого мате­риала может колебаться от 20 до 500 мм, измеряемый диапазон содержания влаги — от 0 до 90%, основная погрешность лежит в пределах 0,1-0,5%.

Немецкая фирма GreCon выпускает прибор Moisture Analyser MWF 3000 LD. Он работает по принципу измерения микроволнового резонанса. Прибор использует свойства дипольного характера молекул воды. Электромагнитное поле генерируется посредством планарного сенсора и обеспечивает глубину проникновения от 30 до 100 мм в зависимости от типа сенсора. Изменения в ре­зонансном поле регистрируются сенсором и передаются на процессор. Резо­нансная частота микроволнового поля притупляется в зависимости от содержа­ния влаги (увеличивается ширина резонансной кривой).

Измерение параметров поля позволяет отдельно оценивать влажность и плотность материала. Облуче­ние не вызывает нагрев или какие-либо химические реакции в древесине. Из­мерения эффективны независимо от плотности, структуры поверхности и цвета материала. Благодаря большой глубине проникновения сигнала становится возможным регистрировать как связанную, так и свободную влагу в древесине. Для использования прибора для различных материалов предварительно должны быть установлены калибровочные кривые. Прибор применяется в производстве древесных плит на участках сушки стружки или волокна, на участке смешива­ния компонентов и формирования ковра, при контроле качества готовой про­дукции. Точность измерения ±2%.

В случае склеивания древесины с высокочастотным нагревом требуется более тщательное измерение влажности, чем проверка в одной точке автомати­ческим резистивным влагомером, например, марки GANN Hydromat. Необхо­дим контроль влажности пиломатериала по всей длине и по всему сечению доски. Этого можно добиться только при применении встраиваемых в линию бесконтактных влагомеров микроволнового принципа. Такие устройства изго­тавливают голландская компания Brookhuis (влагомеры серии FMI) и итальян­ская Microtec (рис. 11). В сканерах для сортировки пиломатериалов бескон­тактный влагомер обычно уже имеется.

Рис. 11. Схема влагомера Microtec М3 Scan

Еще один принцип измерения влажности различных материалов реализо­ван в инфракрасном влагомере Spectra Quad (рис. 12). Бесконтактная измери­тельная система, работающая в онлайн-режиме, оборудована оптическим устройством сбора измеряемых параметров. При этом применяется свет, обла­дающий свойством абсорбироваться влажным материалом. Это значит, что чем сырее измеряемый материал, тем меньше света он отразит.

Рис. 12. Схема работы ИК-влагомера Spectra-Quad: 1 — образец; 2 — датчик; 3 — фокусирующее зеркало; 4 — вращающееся колесо фильтров; 5 — источник ИК-изл учения.

Влагомер Spectra-Quad работает на принципе поглощения инфракрасного участка спектра. Интенсивность поглощения излучения определенной длины волны пропорциональна содержанию влаги в материале. Кварцево-галогенный источник испускает свет в определенном диапазоне длин волн. Свет от источ­ника проходит через вращающиеся фильтры. Оптические ИК-филыры разде­ляют световой поток на измерительные и опорные лучи, которые соответствен­но, поглощаются и не поглощаются анализируемым компонентом. Отраженная энергия лучей преобразуется в электрические сигналы, соотношение уровня ко­торых пропорционально величине контролируемого параметра. Дополнитель­ные оптические каналы (внутренние лучи) компенсируют любую нестабиль­ность оптических и электронных компонентов. Свет, прошедший через фильтр, направляется на образец. Частично свет поглощается, частично отражается. От­раженный свет собирается и фокусируется на датчик. Сигнал с датчика обраба­тывается так, чтобы показания стали пропорциональны содержанию влаги в материале.

8. Установки для пропитки древесины

Целями пропитки древесины являются антисептирование (защита древе­сины от гниения), антипирирование, т. е. пропитка материалом, повышающим огнестойкие свойства древесины, и крашение древесины с помощью красите­лей, что повышает эстетические показатели древесины. Пропитка древесины чаще всего осуществляется путем погружения пиломатериалов в раствор соот­ветствующего материала. Для ускорения процесса и повышения глубины про­питки применяют также автоклавный метод, при котором в закрытой емкости (автоклаве) создается сначала вакуум, а затем повышенное давление. Этим са­мым сначала удаляется воздух из древесины, а затем достигается глубокая про­питка материала.

Простая ванна с гидравлическим погружением пакета пиломатериалов в раствор антисептика показана на рисунке 13. Ванна имеет емкость 23 м³, ра­бочий ход штока гидроцилиндра — 1800 мм.

Установки ВАП-1 с ручным управлением трубопроводной арматурой и ВАП-2 (с электрическим приводом) предназначены для пропитки изделий из древесины водорастворимыми антисептиками, антипиренами и красителями способом «вакуум — атмосферное давление — вакуум» (рис. 14).

Рис. 13. Ванна для пропитки пиломатериалов IHV-6,7 (Техника Ауце, Латвия)

Рис. 14. Установки вакуумной пропитки древесины ВАЛ (Электрохимический завод, Красноярский край)

При этом удается достигать глубины пропитки по здоровой заболони 5 мм, а для органикорастворимых жидкостей — 10 мм.

Процесс пропитки осуществляется следующим образом. Пропиточная жидкость подается в автоклав после загрузки древесины при созданном вакуу­ме 0,085 МПа. Затем вакуум сбрасывается. Давление в автоклаве повышается до атмосферного, и древесина впитывает антисептик, антипирен или другую пропиточную жидкость. Пиломатериал выдерживают в растворе 30-60 мин, по­сле чего удаляют (выкачивают) раствор и снова создают вакуум. Общее время одного цикла 1 ч 20 мин. Ведущими изготовителями автоклавов для пропитки являются также датские компании Moldrup и WTT.

Весьма перспективным является и такой метод защиты древесины, как ацетилирование. Суть метода состоит в пропитке древесины в автоклаве уксус­ным ангидридом. В ходе обработки связываются гидроксильные соединения, наличие которых на поверхности пиломатериала обусловливает легкое усваи­вание влаги древесиной, а значит, ее усушку, разбухание и биопоражение.

Без гидроксильных групп на поверхности древесина устойчива к поражению гриб­ками и насекомыми, включая термитов. Основанный на той же научной базе, что и термомодификация, этот метод обеспечивает высокую степень защиты и подходит даже для изделий, которые эксплуатируются в контакте с грунтом, причем цвет ацетилированной древесины не меняется.

На различного рода строительный погонаж, балки и брус для деревянного домостроения пропиточный раствор можно наносить методом распыления. Ав­томатический станок для этих целей показан на рисунке 15.

Рис. 15. Станок Scorpion (Италия) для нанесения пропиточных растворов методом распыления в проходном режиме

Подача заготовок в станке происходит за счет приводных роликов. Ско­рость подачи бесступенчато регулируется в пределах от 8 до 50 м/мин. После подачи заготовки в станок она попадает в камеру, где методом распыления наносится необходимый материал. Это может быть как морилка (бейц), анти­септическая пропитка, так и адгезионный грунт. Распылительные сопла регу­лируются индивидуально и позволяют обрабатывать только выбранные по­верхности.

9. Термомодификация древесины

Термомодификация — это процесс нагревания предварительно высушен­ной древесины до высоких температур (160-215°С) с целью повышения био­стойкости материала. Во время термообработки происходит изменение химиче­ского состава древесины, понижается гигроскопичность древесных волокон. Древесина приобретает уникальные для себя свойства — устойчивость к воз­действию влаги, стабильность форм и размеров. Уменьшение влагопоглощения и распад гемицеллюлозы (древесного сахара) улучшают биостойкость древеси­ны.

Термообработанная древесина не требует дополнительной обработки анти­септиками, так как в такой древесине не остается достаточных условий для жизнедеятельности микроорганизмов, что придает материалу долговечность. Кроме того, термообработка улучшает эстетические качества древесины — де­рево приобретает равномерный красивый темный цвет, тон которого зависит как от температуры обработки, так и от породы дерева.

Термомодификации могут подвергаться древесина практически всех по­род. Однако в качестве сырья чаще всего используются сосна, ель, осина. В ре­зультате обработки получается твердый, экологически чистый и красивый ма­териал. Благодаря уникальным свойствам и превосходному внешнему виду термомодифицированная древесина широко используется как для внутренней отделки помещений (в том числе и саун), покрытия полов, так и для наружной обшивки строений; идеально подходит для изготовления террас, садовой мебе­ли, причалов, лодок. Очень интересные решения получаются при использова­нии данного материала при организации дорожек в саду, изготовлении лестниц.

Сам процесс происходит по установленной программе в камере (рис. 16) при повышенном давлении и температуре с подачей влаги, за счет чего древесина не самовозгорается. Обработка ведется в течение 2-3 ч.

Рис. 16. Камера для термомодификации древесины

Датская компания WTT (Wood Treatment Technology) скорректировала разработанный ею процесс термомодификации древесины. Теплообмен осу­ществляется через котел высокого давления из нержавеющей стали с двойной рубашкой. Особенностью этого процесса является то, что дерево не высушива­ют окончательно. В нем сохраняется остаточная влажность на уровне примерно 6%. Это хорошо для чувствительной древесины и снижает затраты. Под давле­нием тепловой процесс достигает своей полной производительности в диапа­зоне температур 160-180°С. Традиционный же процесс позволяет древесине достигать нужных параметров только при температурах выше 200°С.

При пониженных температурах можно получать не только темную, но и легко окрашенную древесину и древесину среднекоричневых оттенков. Как правило, пиломатериалы твердолиственных и хвойных пород толщиной до 60 мм обрабатываются 24-40 ч. При этом все расходы остаются в пределах, со­ответствующих нормальной пропитке под высоким давлением.

Каждая из таких установок с годовой производительностью 1500-5000 м³ включает в себя тепловой генератор, автоматическое загрузочное устройство и полностью автоматическое управление. Агрегат, размещаемый в цехе, готов к работе после подключения к основному источнику питания, магистралям водо­снабжения и канализации.

В России аналогичное оборудование выпускают несколько предприятий. «Энергия— Ставрополь» предлагает мобильную камеру ТМ-мини (рис. 17) для термомодификации древесины сразу после конвективной сушки.

Рис. 17. Камера для сушки и термомодификации древесины ТМ-мини («Энергия — Ставрополь»)

Камера в полной заводской готовности включает теплогенератор, стяжки штабеля для прижима общим усилием 2-3 т (для предотвращения коробления пиломатериала), управление на базе электронного программного задатчика, подключение к ПК. Предназначена для работы на природном/сжиженном газе, электричестве. Объем разовой загрузки — до 5 м³. Время термообработки — 1- 4 сут. Расход на сушку и дальнейшую термомодификацию 1 м³ твердолиствен­ной древесины составляет около 1 тыс. руб.

Установки для термомодификации на базе вакуумных сушилок Vacuumterm производит российская компания «Вакуум плюс». Выпускаются 4 модификации установок Vterm с длиной рабочей части от 4,3 до 8,5 м, шири­ной и высотой 1,92-2,3 м. Объем разовой загрузки пиломатериалов — 4 12 м³. Создаваемое разряжение — 0,92 кгс/см². Установки рекомендуются для твер­долиственных и экзотических пород древесины. Остаточная влажность древе­сины составляет 6,0 ±0,5%. Цикл термообработки сухого пиломатериала скла­дывается из трех составляющих: выход на режим — 24 ч, термообработка от 12 до 24 ч, остывание 24-48 ч.