Высокочастотная нормализация древесины

Существует 4 типа древесины:

1. растущая в лесу;

2. свежесрубленная в виде бревен 4 – 6 м длинной;

3. свежесрубленная, распиленная из бревен на брус и доски;

4. высушенная в виде досок или, что редко, бруса.

Качество (продажная стоимость) конечной древесины определяется ее конечной влажностью. Существуют нормы для равновесной влажности (когда при использовании древесина не трещит и не коробится). Это зависит от остаточной свободной воды. Фактически, существуют четыре типа качества:

- невысушенный распил (доски, брус) 35 – 50 % влажности, без гарантий от  трещин и коробления.

- наружного применения – доски, вагонка, брус и т.д. – для 

            использования на открытом воздухе, это не более 24-22 % 

            влажности;

- внутреннего применения, внутри помещения, это ниже 20 – 18 %;

- мебельная промышленность, ниже 10 %.

Само понятие равновесной влажности – фактически это «дыхание» древесины без отклонения от формы. В этом и ценность деревянных домов, при равновесной влажности в доме, при избытке влажности древесина ее поглощает, при низкой – отдает, т. е. создает комфортные условия для жизни. Бетон, кирпич, обои работают так же, но их эффективность в несколько раз ниже.

Сама задача сушки древесины – доведение ее до равновесной влажности, при которой не будет растрескивания и короблений для каждого условия применений (наружное, внутреннее, мебельное). 

Разница цен сухой и сырой доски за м3 примерно 2 раза – от 5 000 – 7 000 р (сырая) до 13 000 – 18 000 р (сухая).

Данные по доле рынка сырой и сухой древесины в России найти не удалось.

На сегодня существуют следующие способы сушки древесины: 

1. Естественная сушка в штабелях под навесом

Объемы неограничены. Длительность очень зависит от климатических условий и толщины - недели и месяцы. При условиях северо-запада это рискованно, для толщин более 40 – 50 мм летнего сезона может не хватить. При большом штабеле возможны отличия влажности для наружных и внутренних досок, желательно регулярно перештабилировать. Кроме этого, велика вероятность заражения плесенью и грибками.  

2. Сушка в камерах

Объемы от 10 – 100 до 1 000 м3 и выше, это уже капитальное строительство. Фактически, это центр, где сосредоточены распиловка, сушка, возможно профилирование после сушки. Так же там присутствует цех передела древесных отходов (ветки, опилки и т.д.) как правило, на пеллеты для котлов, обеспечивающие нагрев воздуха для сушки. Такая структура требует соответствующей логистики доставки и отправки. Такие центры оптимальны для лесных районов радиусом 20 – 30 км с хорошими дорогами и возобновляемыми ресурсами, что естественно для Европы, но проблематично для России. Как правило, такие центры принадлежат крупным деревообрабатывающим компаниям или располагаются непосредственно в них. Время сушки – несколько дней, зависит от толщины. Принцип – создание в герметичной камере 100% ой влажности при температуре 60 – 80 С, при этом на поверхности древесины создаются условия капиллярного выхода влаги.  Эквивалентные затраты тепла (в пересчете на электроэнергию) порядка 300 –500 кВт*час/м3. Стерилизация не гарантируется.

3. Вакуумная сушка

Объемы – 4 – 40 м3. Требует отдельного помещения, используется, как правило, при небольшой деревообрабатывающей фирме. Время сушки –   десятки часов, в зависимости от толщины. Затраты электроэнергии – 300 – 500 кВт*час/м3. Принцип основан на капиллярном выходе влаги за счет перепада давления в древесине и герметичной камере (0.4- 0.6 от атмосферного). При распиленной древесине через несколько дней капилляры у поверхности высыхают, поэтому требуется одновременный разогрев объема камеры до 60 – 70 С для повторного смачивания капилляров и выхода воды. Установка требует тщательного выбора режима сушки, при котором не образуются трещины.

4. СВЧ сушка

Объемы – 4 – 16 м3. Требует отдельного помещения, используется, как правило, при небольшой деревообрабатывающей фирме. Время сушки – десятки часов, в зависимости от толщины. Затраты электроэнергии – 300 – 500 кВт*час/м3.

В отличие от вакуумной сушки, принцип основан на внутреннем объемном прогреве древесины, создающем давление влаги, направленном к поверхности, при этом не требуется дополнительного нагрева.

Анализ способов сушки.

Растрескивание и коробление древесины возникает при критических перепадах влажности по сечению. Основная причина таких перепадов в том, что капилляры в свежераспиленной древесины при низкой влажности (ниже 40 – 30 %) и температуре выше 20 – 22 С у поверхности начинают высыхать за дни, что в разы снижает выход влаги. Таким образом, возникают критические перепады влажности. 

По этим причинам естественная сушка возможна при достаточно влажном климате и не очень высоких температурах, что не дает засыхания пор у поверхности. Она гарантирована для небольших толщин, не более 20 – 30 мм. У больших толщины необходимо увлажнять поверхность. Например, бревна укладываются в штабеля и периодически проливаются водой, что повышает риск гниения. Следует отметить, что для твердых пород проводимость капилляров (и скорость выхода влаги) меньше, поэтому естественная сушка для них предпочтительней, чем для легких пород.

Тропический климат при высокой влажности и температуре как правило, ведет к заражению и гниению древесины. 

В камерных сушках, распил происходит незадолго перед сушкой, поэтому нет необходимости «смачивания» засохших капилляров у поверхности. 100% - ная влажность и температура 60 – 80 С приводят к выходу влаги на поверхность вплоть до равновесного состояния. Так как плотность древесины на порядки выше плотности пара, то равновесное состояние (прекращение потока влаги к поверхности) достигается за несколько дней при 20 – 10 % влажности древесины, зависит от температуры, что занимает несколько дней.

Вакуумные, высокочастотные и СВЧ сушила объемом не превышают 4 – 20 м3, и, как правило, располагаются прямо на заводах, выпускающих продукцию из дерева. Поэтому покупается уже распиленная древесина, в которой (из-за времени транспортировки и хранения) поры у поверхности уже сухи. В вакуумной сушке «оживление» капилляров достигается за счет дополнительного нагрева. Далее, выход влаги осуществляется за счет перепада давления между объемом и поверхностью древесины, и эти сила, как и скорость сушки на порядок выше осмотических сил при камерной сушке. Правильно подобранное разряжение предотвращает растрескивание и коробление.

В СВЧ сушилах происходит объемный разогрев древесины до 70 – 90 С (не допуская узлов кипения), приводящий к созданию внутреннего давления влаги, направленного к поверхности. В камере СВЧ нагрева невозможно получить равномерное распределение СВЧ поля, а значит и однородности нагрева, особенно внутри штабеля.  В то же время, особенность СВЧ нагрева состоит в том, что темп нагрева зависит от концентрации влаги, а это значит то, что по мере высыхания одних участков поле (темп нагрева) перемещается к другим участкам. Тем не менее, скорости сушки в вакуумных и СВЧ сушилах примерно равны, от нескольких часов до суток.

Энергетические затраты.

Но, что интересно, все перечисленные типы сушек объединены одинаковыми энергозатратами – чтобы вода покинула поверхность, необходима энергия равная энергии кипения воды, порядка 0.7 кВт*час/кг. Даже при естественной сушке, где работу делает природа.

В камерной сушке это энергия от теплового котла, для вакуумной – энергия нагрева ТЭНов и водокольцевого откачивающего насоса, для СВЧ сушки - энергия нагрева СВЧ полем. 

Предлагаемый способ.

Предлагаемый способ основан на том, что быстрый равномерный нагрев древесины в СВЧ поле в небольшом резонаторе до температуры 80 – 90 С требует удельных затрат энергии (для 40 – 50 % влажности) не более 20 – 25  кВт*час/м3, или 0.065 кВт*час/кг воды, что на порядок меньше, чем на полное удаление влаги. При этом влага под давлением подходит к поверхности, смачивая поры для выхода и разрывая (снимая) кору. Если после обработки (температурной нормализации) поместить бревно на открытый воздух, то кумулятивный эффект - активный выход влаги (до засыхания пор у поверхности) будет продолжаться, в зависимости от климатических условий, от нескольких дней до недель. При этом снижение влаги будет не менее 15 – 20 %. При необходимости можно будет провести вторую обработку, что будет гарантировать сушку вплоть до 18 – 22 % .

При мощности СВЧ установки 30 – 40 кВт производительность может достигать 1.5 – 2 м3/ час, скорость перемещения бревна 20 – 50 см/мин. Можно организовать автоматическую работу, загрузку – нормализацию - разгрузку на 2 – 3 часа непрерывной работы.

В настоящий момент создан макет прототип для проверки различных условий работы нашего оборудования. Ведутся проектные и конструкторские работы по установке СВЧ нормализации древесины. В различном исполнении. 

06 июня 2021