Технология вакуумной сушки древесины

Вакуумная сушка пиломатериалов относится к сложному технологическому процессу, в основе которого лежит термическая обработка конструкций из дерева под воздействием вакуумной среды.

Впервые такую методику разработали в начале 1963 года. Итальянский учёный Эрнест Паньоционне доказал, что воздействие вакуума позволяет улучшить эксплуатационные характеристики древесины.

Особенности вакуумной сушки древесины

Подобную методику используют для обрабатывания древесины, полученной из лиственных и хвойных пород. У этих растений наблюдаются большое сечение волокна. Тепловую обработку проводят в больших камерах.

Выделяют несколько достоинств данного воздействия. К ним относят:

• Увеличенная скорость обрабатывания деревянной основы. Таким образом удается снизить затраты на производственные процессы;
• Пониженное давление препятствует образованию трещин, изгибов и каких-либо дефектов;
• Герметичность процессов предотвращает рост и размножение патогенной микрофлоры;
• Простая эксплуатация оборудования с сушильными камерами позволяет контролировать технологический процесс дистанционно. Таким образом удается самостоятельно контролировать скорость сушки и время её проведения;
• Безопасность. Процесс обработки пиломатериалов в больших сушильных камерах не приносит вреда окружающей обстановке.

Не стоит забывать о минусах подобной процедуры. Они заключаются в следующем:

• Большие затраты. Для бесперебойной работы оборудования потребуются большие объема электрической энергии, стоимость которой может приятно удивить;
• Высокая стоимость конструкции. В среднем цена на вакуумные сушилки для древесины варьируется в пределах от 370 000 рублей до 1 000 000 рублей;
• Минимальный объём камеры. При использовании подобного способа сушки не удаётся обработать большое количество пиломатериала за один раз.

Выделяют несколько режимов работы данного устройства. Они включают в себя:

• Мягкий. Его применяют для обрабатывания материалов с целью сохранения прочности и физических свойств древесины;
• Нормальный. Термическая обработка позволяет изменить окраску волокон массива, а также изменить его критерии износоустойчивости;
• Форсированный. Окраска пиломатериалов приобретает темный окрас, а внутреннее содержимое становится хрупким.

• Специалисты рекомендуют учитывать разновидность древесины, размер элементов, уровень влажности и свойства вакуумной сушилки.

Если внутреннее содержимое массива имеет уровень влажности более 25%, то проводить сушку необходимо при соблюдении температурного режима не выше 110 градусов.

Благодаря вакуумной сушке удаётся добиться следующих показателей влажности. К ним относят:

• Мокрые волокна. В них уровень влажности составляет более 55%;
• Воздушно — сухие. В данном случае процент влаги внутри волокон составляет 10-25 %;
• Комнатно – сухие. При измерении уровня влажности наблюдают коэффициент не выше 12%;
• Абсолютно сухие. В этих пиломатериалах не наблюдают влаги.

Определить влагу можно по весу пиломатериалов и состоянию их стружки. В ходе расчётов этих показателей рекомендуют учитывать коэффициент остаточного напряжения досок и показателей перепадов влажности.

Как проходит сушка древесины

1. Вакуумная сушка древесины осуществляется при соблюдении 3 этапов.
2. К ним относят:

• Начальный. Здесь осуществляется поверхностная обработка пиломатериалов. Сушка осуществляется при помощи прогревания без применения вакуума. Температура внутри камеры подбирается индивидуально с учетом разновидности древесины, её толщины;
• Сушение. Здесь применяется специальная помпа, которая позволяет быстро удалить воздушные массы из закрытого пространства. Благодаря этому удается равномерно распределить влагу внутри древесных волокон. Вакуумная помпа позволяет предотвратить деформацию и растрескивание внутреннего содержимого. Излишки жидкости быстро испаряются или выводятся через специальные каналы;
• Кондиционирование. В данном случае доски начинают равномерно охлаждаться. Таким образом им удается передать прочности и выносливости. На этапах кондиционирования сокращается риск деформации. После остывания пиломатериалы аккуратно извлекают из вакуумной емкости.

Контролировать работоспособность устройства можно при помощи специальных датчиков и панели управления на корпусе оборудования. Таким образом удается сохранить эксплуатационные характеристики досок.

Предварительно рекомендуется правильно настроить уровень давления, которое будет влиять на состояние деревянных изделий. Например, для сушки дуба, толщина которого превышает 30 мм подбирают температуру не менее 85 градусов.

Объём давления должен быть не более 520 кг на 1 кв. м. Сушить пиломатериалы из этой древесины будут на протяжении 30 дней.

Для чего предназначена сушильная камера

Современные сушильные камеры для пиломатериалов выполненный в виде сложной установки, задача которой направлена на равномерное прослушивание деревянных материалов после их погружения. Внутри емкости удаётся достичь пониженного давления и нужной температуры.

Такое оборудование помогает сократить уровень теплопотерь в процессе обработки досок и окраску внутреннего содержимого. Современные конструкции сушильной камеры имеют гидравлический пресс.

Эти детали помогают сохранить форму пиломатериала в процессе их термической обработки. Наличие пресса позволяет сократить уровень деформации деревянных заготовок и избавиться от серьезных дефектов.

Устройство сушильной камеры оснащено автоматизированным механизмом. Таким образом работать с подобным оборудованием достаточно просто. В конструкции изделия предусмотрены следующие элементы:

• Автоматизированная система контроля. Благодаря этому механизму удается задать необходимый режим для правильной вакуумной сушки;
• Автоматизированный дисплей. В меню данной конструкции отображаются показатели температуры, уровня влажности;
• Световые точки. Благодаря им удаётся избежать неправильной работы устройства, а также предупредить об окончании работы.

Эксплуатационные характеристики модели зависят от её производителя. Наличие дополнительных опций позволяют расширить функционал конструкции.

Фото вакуумной сушки древесины

Вакуумная сушка древесины

Вакуумная сушка древесины – технологический процесс, представляющий собой термическую обработку деревянных конструкций под действием постоянного вакуума. Эта технология была разработана в 1964 г. итальянским ученым Эрнесто Паньоцци. Вакуумная сушка сокращает период обработки пиломатериалов и улучшает их физические свойства.

Особенности сушки в вакууме

Вакуумная сушка применяется при обработке лиственных пород древесины и деревьев с большим сечением. Она осуществляется в компрессионных сушильных камерах. Этот метод сушения имеет следующие достоинства:

1. Высокая скорость обработки пиломатериалов, что сокращает длительность производственного процесса.
2. Низкое давление на поверхность древесины. На обрабатываемых досках не образуются трещины, изгибы и иные внешние дефекты.
3. Герметичность процедуры, что предотвращает бактериальное заражение древесины.
4. Легкость эксплуатации сушильного оборудования. Аппараты для обработки досок имеют низкие габариты и управляются при помощи электронных устройств. Это позволяет регулировать режим сушки.
5. Экологичность процедуры. Обработка древесины в вакууме не оказывает негативное влияние на окружающую среду.

Вакуумная сушка имеет следующие недостатки:

1. Высокие энергетические затраты. Для питания сушильного оборудования необходимо большое количество электричества.
2. Высокая стоимость оборудования. Сушилки для пиломатериалов стоят 360 000 руб.
3. Малый объем загрузки. Данный метод сушения не позволяет обрабатывать большое количество деревянных конструкций.

Сушка в вакууме обладает следующими показателями:

1. Потребление электричества: 2,8 кВт/м3.
2. Удаление влаги: 180-300 л/м3.
3. Потребление тепловой энергии: 129-762 Ккал/м3.

Существуют 3 основных режима вакуумной сушки древесины:

1. Мягкий: обрабатываемые материалы сохраняют свою прочность и физические свойства.
2. Нормальный: в результате термической обработки изменяется окрас дерева и изменяется его износоустойчивость.
3. Форсированный: после сушки материалы становятся хрупкими и приобретают темный окрас.

При выборе режима сушки необходимо учитывать породу дерева, размер обрабатываемых пиломатериалов, значение влажности, особенности сушильных аппаратов и категорию качества растительного сырья. Если влажность дерева составляет более 20%, то сушка должна проводится при температуре ниже 100 °С.

В результате термической обработки можно получить следующие категории древесины в зависимости от показателя влажности:

1. Мокрая: влажность равняется более 50%.
2. Воздушно-сухая: влажность составляет 15 – 20%.
3. Комнатно-сухая: влажность равняется 8 – 12%.
4. Абсолютно сухая: в ней полностью отсутствует влага.

Влажность определяется по массе досок и стружке. При расчете этого показателя необходимо учитывать остаточное напряжение пиломатериалов и коэффициент перепада влажности.

Этапы сушки

Сушка деревянных конструкций осуществляется в 3 этапа:

1. Начальный прогрев досок. На этом этапе проводится первичная термическая обработка поверхности древесины. Прогревание производится без вакуумного давления. Температура материала изменяется в зависимости от режима сушки.
2. Сушение. На этом этапе включается помпа, предназначенная для удаления воздуха из сушильной камеры. Во время этого процесса влага скапливается на внешних слоях древесины. Вакуумная помпа равномерно распределяет влагу, что предотвращает растрескивание и коробление материала. Вышедшая на поверхность вода испаряется и выводится из корпуса сушильного аппарата.
3. Кондиционирование. На этом этапе обрабатываемые доски охлаждаются. Они восстанавливают свою твердость и прочность. Процесс кондиционирование осуществляется при включенной помпе, предотвращающей деформацию обрабатываемых заготовок. Когда доски охладились до комнатной температуры, их вынимают из камеры.

Этапы сушки в вакууме контролируются автоматические устройствами, получающими данные от датчиков безопасности. Эти технологии позволяют сохранить рабочие свойства пиломатериалов. Перед началом сушки необходимо настроить давление, оказываемое помпой на дерево, и температуру.

Эти параметры настраиваются в зависимости от разновидности обрабатываемого сырья. Сушка дуба толщиной 25 мм производится при температуре 80 °C, давление помпы должно равняться 500 кг/м2. Сушение этого материала производится в течение 28 дней.

Процедура сушения сосны толщиной 25 мм осуществляется при температуре 45 °C, давление составляет 550 кг/м2. Этот материал необходимо сушить в течение 8 дней.

Вакуумные камеры для сушки древесины

Вакуумная сушильная камера для древесины – установка, предназначенная для сушки деревянных конструкций в сыром виде. В них создается пониженное давление. Температура во внутренней части сушилки не превышает 100 °C. Данное оборудование позволяет уменьшить теплопотери при обработке пиломатериалов и сохранить окрас древесины.

Большинство сушильных камер оснащаются гидравлическим прессом. Эта деталь предназначена для сохранения формы досок во время их термической обработки. Пресс при вакуумной сушке позволяет предотвратить деформацию заготовок и устранить их внешние дефекты.

Сушильная камера полностью автоматизирована. Она оснащается следующими устройствами:

1. Автоматическая система управления. Она задает режимы сушки пиломатериалов на основе шаблонов и пользовательских программ.
2. Цифровой дисплей. На этом приборе отображаются показатели влажности и температуры обрабатываемых пиломатериалов.
3. Световые индикаторы и звуковые динамики. Они предназначены для оповещения пользователя о поломке оборудования.

При выборе сушильных камер необходимо учитывать следующие критерии:

1. Материал изготовления. Все детали должны быть произведены из металлов, не подвергающихся воздействию коррозии. Чаще всего комплектующие камер изготавливаются из алюминиевых сплавов и нержавеющей стали.
2. Герметичность. Сушилка должна изолировать обрабатываемые доски от влаги и атмосферного воздуха.
3. Наличие вентиляции. Моторы сушильных камер должны равномерно обдувать пиломатериалы, обеспечивая стабильную скорость воздушного потока.

Срок службы сушилок зависит от качества сушильного оборудования, планируемых объемов сушки и условий эксплуатации аппарата.

Устройство сушильной камеры

Современные сушильные камеры производятся в форме цилиндра или параллелепипеда. Они состоят из следующих элементов:

1. Силиконовая мембрана.
2. Рамка.
3. Резиновый уплотнитель.
4. Нагревательные пластины.
5. Шланги.
6. Вакуумная помпа.
7. Нагреватель.
8. Термоизоляционные механизмы.

Загрузка и выгрузка древесины производится в выходной зоне сушилки, оснащенной крышкой. Термообработка досок осуществляется при помощи нагревательных пластин. Они устанавливаются под каждым пластом пиломатериала. Пластины изготавливаются из алюминия, имеющего высокую теплопроводность.

Температура нагревательных элементов повышается при контакте с горячей водой. Циркуляция жидкости обеспечивается водяным насосом со шлангами. Герметичность процесса обеспечивается при помощи силиконовой мембраны и резиновых уплотнителей. Вакуум при сушении дерева образуется посредством помпы.

Она оказывает давление на заготовку и выводит весь воздух из сушилки.

Вакуумная сушка древесины своими руками

Чтобы высушить деревянные конструкции своими, нужно приобрести вакуумную камеру. Промышленное оборудование отличается высокой стоимостью, поэтому рекомендуется самостоятельно собрать сушильный аппарат. Процесс изготовления вакуумной сушилки для древесины своими руками выглядит следующим образом:

1. Постройка фундамента.
2. Возведение каркаса.
3. Обшивка корпуса металлическими пластинами.
4. Установка теплоизоляционных материалов и опорных механизмов.
5. Монтаж нагревательных элементов и вентиляторов.

Стенки самодельной камеры выполняются из бетона, металла и древесины. Их необходимо утеплить фольгой, пенополистиролом или древесной стружкой. Толщина утеплителей составляет должна составлять не менее 0,15 м. Каркас аппарата обшивается листовым металлом. Дверь сушилки нужно загерметизировать.

В качестве источника тепла рекомендуется использовать электрический бойлер, тепловентилятор или радиатор отопления. Важно обеспечить циркуляцию горячей воды при помощи насоса. Равномерное распределение тепла обеспечивается при помощи вентиляторов. Чтобы контролировать влажность и температуру в камере, рекомендуется установить влажный и сухой термометр.

После сооружения вакуумной камеры необходимо загрузить в нее пиломатериалы. Для этого можно использовать вилочные погрузчики. После погрузки начинается процедура сушения досок. Необходимо контролировать процесс при помощи термопар и датчиков давления. Чтобы материалы не сместились во время обработки, на них торцевые части нужно нанести смесь из олифы и мела.

Вакуумная сушка древесины

Процесс вакуумной сушки привлекателен, прежде всего, тем, что он отличается реальной возможностью существенно уменьшить длительность сушки, сохранив при этом высокое качество высушенных пиломатериалов, а в некоторых случаях даже повысив его.

Вакуумные камеры для сушки древесины

В вакуумных камерах лесоматериалы сушатся в условиях высокого давления 700 мм рт. ст., но низкой температуры 45 С. В этих устройствах специально создается вакуум, что влечет за собой большие затраты электроэнергии.

Вакуумная сушка является крайне дорогим методом сушения лесоматериалов по ряду причин:

• дорогостоящие вакуумные камеры
• огромное количество мощности электроэнергии для правильной работы
• небольшая загрузка, примерно 5-8 м3. 

В подобных устройствах лесоматериалы сушатся на протяжении одного-двух дней. Например, чтобы высушить 40 м3 доски понадобится примерно от 8-16 дней. А если осуществляется вакуумная сушка бруса, то времени понадобится еще больше.

Вследствие дороговизны процесса вакуумная сушка древесины осуществляется, преимущественно, для дорогостоящих сортов лесоматериалов, таких как дуб, ясень, бук, кедр. В таких случаях требуется высушить не большое количество пиломатериала. Для массового изготовления пиломатериалов применяют конвективные сушильные камеры, потому что они более доступны и имеют низкую себестоимость.

Несколько примеров вакуумной сушки:

• дубовые доски толщиной 52 мм с уровнем влажности 50 % высохнут до уровня влажности 4-5 % примерно за 28 — 35 дней
• дубовые доски толщиной 52 мм с уровнем влажности 30 % высохнут до уровня влажности 4-5 % за 16 — 18 дней
• дубовые доски толщиной 25 мм с уровнем влажности 50 % высохнут до уровня влажности 4-5 % примерно за 15 дней
• дубовые доски толщиной 25 мм с уровнем влажности 30 % высохнут до уровня влажности 4-5 % за 9 дней
• сосновые доски толщиной 55 мм с уровнем влажности 50 % высохнут до уровня влажности 5 -6 % примерно за 8 дней
• сосновые доски толщиной 55 мм с уровнем влажности 30 % высохнут до уровня влажности 5-6 % за 6 дней
• строительный брус 100 х 100 мм и 150 х 200 мм с уровнем влажности 65 % высохнет до уровня влажности 6 % на протяжении 8 — 12 дней. Брусу 200 х 300 мм для достижения таких же параметров понадобится 22 дня.

В условиях вакуума сушка древесины происходит более мягко. Однако и при таком методе сушения возможно растрескивание. Дерево — это живое сырье. Древесины присущи разные виды напряжений. Эти напряжения зависят от местности, в которой выросло дерево, от метода распила, от возраста. Во время сушки древесины даже в таких камерах не все напряжения снимаются равномерно.

Как происходит вакуумная сушка древесины

Нагнетание вакуума внутри камеры, где осуществляется высушивание лесоматериалов, в значительной степени изменяет физический характер протекания тепло-массообменных процессов в древесине. Сушка реализуется по действием постоянного вакуума 0.

95 Мпа и пара, образующегося из влаги лесоматериалов. Поскольку происходит естественное движение агента сушки со скоростью до 0.3 м/сек нет необходимости использовать вентиляторы, системы увлажнения пиломатериалов, устанавливать сухой /мокрый термометр.

Контролируют сушку датчики влажности пиломатериала. К примеру, в ходе сушки дубовых пиломатериалов от начального уровня влажности 65 % до остаточного — 6%, выделяется около 450 литров влаги.

Если загрузить в камеру максимальные 12 м3 дуба толщиной 55 мм, то суммарное количество влаги достигнет 5 400 литров.

Сегодня все компании, выпускающие сушильные вакуумные камеры, имеют сертификаты соответствия европейским стандартам. В таких устройствах можно сушить одновременно различные сорта древесины.

Качество сушки:

• остаточный уровень важности составляет от 6 до 0.5%
• перепад уровня влажности по штабелю не превышает 1 % 
• перепад уровня влажности по толщине и длине доски не превышает 0.9 %.

Вакуумная сушка древесины своими руками

Процесс сушки очень выгоден при осуществлении своими руками. Однако приобретать заводскую вакуумную камеру дороговато, в этом разделе мы расскажем, как сделать ее своими руками. Сушку в домашних условиях можно осуществить в специальной камере, для обустройства которой нужно просторное помещение, источник тепла, а также вентилятор для распределения тепла внутри камеры.

Наилучшим вариантом для создания камеры является железный конвейер. Не обязательно покупать новый, можно найти и б/у. Кроме этого можно сварить камеру самостоятельно из старого железа.

Для того, чтобы сохранить тепло внутри камеры стены нужно утеплить пенопластом и обделать вагонкой. Кроме пенопласта подойдет минеральная вата и любой другой утеплительный материал. Для того чтобы тепло отражалось от поверхности необходимо постелить специальный материал. Можно воспользоваться фольгой или пенофолом. Кстати, теплоотражающие и сохраняющие качества пенофола намного выше.

Еще один важным моментом можно назвать создание системы погрузки пиломатериала в камеру. Для этой цели можно воспользоваться тележками, которые двигаются по рельсам или вилочным погрузчиком.

Сырье на просушку складывают на полки или же прямо на пол. Чтобы осуществлять контроль за процессом сушки нужно установить специальные датчики — термопары и датчики давления.

Если грамотно подойти к этому мероприятию, то у вас получится камера для сушки качественных пиломатериалов.

После загрузки сырья в камеру дверь плотно закрывается и начинается процесс сушки.

В таких условиях связанная и свободная жидкость будет плавно перемещаться от центра к периферии, что гарантирует качественную и равномерную сушку материала.

Сухие верхние клетки пиломатериала впитывают жидкость из клеток, находящихся ближе к сердцевине. Вначале просыхают тонкие места, далее влага из толстых слоев перемещается в уже высохшие, делая их влажными.

Для предотвращения смещения на пиломатериалы наносят специальную смесь, которая делается из мела и олифы. Чаще всего эту смесь наносят на торцевые части заготовок.

Традиционная сушка	Вакуумная сушка
Кол-во суток	Рпотреб., кВт/ч	Гарант. брак, %	t, °С	Гарант. влажность, %	Кол-во суток	Рпотреб., кВт/ч	Гарант. брак, %	t, °С	Гарант. влажность, %
7	10 000	20	150	15	1	500	5	50	10

Нетрадиционная сушка древесины: вакуумная и СВЧ

Сушка - процесс удаления влаги из материала путем ее испарения. В настоящее время основным промышленным способом сушки древесины является конвективная сушка. При конвективной сушке древесины испарение влаги происходит при температуре ниже точки кипения. Мы в данной статье рассмотрим и сравним два вида нетрадиционных способов сушки древесины - вакуумную и СВЧ.

Эти два способа сушки древесины объединяет то, что испарение влаги из древесины происходит при температуре выше точки кипения. Процесс испарения можно объяснить в рамках кинетической теории. Молекулы воды движутся с различными скоростями. Между этими молекулами имеются значительные силы притяжения, которые и удерживают их вместе в жидком состоянии.

Благодаря своим скоростям молекулы, находящиеся в верхних слоях жидкости, на некоторое время могут покинуть жидкость. Но точно так же, как брошенный в воздух камень возвращается на землю, силы притяжения других молекул могут вернуть «сбежавшую» молекулу назад на поверхность жидкости (при условии, разумеется, что ее скорость не слишком велика).

Если молекула имеет достаточно высокую скорость, то она окончательно оторвется от жидкости и станет частью газовой фазы. Только те молекулы, кинетическая энергия которых больше некоторого определенного значения, могут перейти в газообразное состояние.

Согласно кинетической теории, число молекул с кинетической энергией, большей некоторого конкретного значения, увеличивается при повышении температуры. Это согласуется с хорошо известным наблюдением: при более высоких температурах скорость испарения больше. Поскольку самые быстрые молекулы улетают с поверхности жидкости, средняя скорость оставшихся молекул уменьшается.

А если средняя скорость уменьшается, то и абсолютная температура понижается. Таким образом, испарение представляет собой процесс охлаждения. Воздух обычно содержит водяные пары, причем они попадают в воздух главным образом за счет испарения.

Для того чтобы изучить этот процесс несколько более детально, рассмотрим закрытый сосуд, частично заполненный водой, из которого удален воздух. Наиболее быстрые молекулы испаряются в пространство над жидкостью.

Поскольку они движутся вблизи поверхности жидкости, некоторые из них будут сталкиваться с ней и возвращаться в жидкое состояние; этот процесс называется конденсацией. Число молекул пара возрастает до тех пор, пока не будут достигнуты такие условия, когда число возвращающихся в жидкость молекул равно числу молекул, покидающих жидкость за тот же промежуток времени.

При этом мы имеем состояние равновесия, и про пространство над жидкостью говорят, что оно насыщено. Давление насыщенного пара не зависит от объема сосуда. Если бы мы уменьшили объем пространства над жидкостью, то плотность молекул в газообразном состоянии возрастала бы. При этом за единицу времени с поверхностью воды сталкивалось бы больше молекул.

Образовался бы результирующий поток молекул, возвращающихся обратно в жидкую фазу, и этот поток существовал бы до тех пор, пока не было бы вновь достигнуто равновесие, которое возникнет при том же давлении насыщенного пара. Давление насыщенного пара любого вещества зависит от температуры. При более высоких температурах больше молекул имеют кинетическую энергию, достаточную для перехода с поверхности жидкости в газообразное состояние. Следовательно, состояние равновесия будет достигнуто при более высоком давлении.

При обычной сушке испарение воды происходит не в вакуум, а в воздух над ней. Это существенно не изменит приведенных выше рассуждений.

Состояние равновесия по-прежнему будет достигаться в момент, когда достаточное число молекул окажется в газообразном состоянии и число возвращающихся в жидкость молекул станет равно числу молекул, покидающих ее.

Это число не зависит от присутствия воздуха, хотя столкновения с его молекулами могут удлинить время, необходимое для достижения состояния равновесия. Таким образом, равновесие будет при том же значении давления насыщенного пара, что и в отсутствие воздуха.

Давление насыщенного пара жидкости растет с повышением температуры. Когда температура достигает той точки, в которой давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению, начинается процесс кипения.

Вакуумная сушка

Основы вакуумной сушки. На границе раздела двух фаз жидкость-пар имеет место равновесное протекание процессов испарения и конденсации. Испарение представляет собой процесс превращения жидкости в пар со скоростью, превышающей скорость обратного явления - конденсации.

В обоих случаях происходит теплообмен, связанный с поглощением или выделением теплоты фазового перехода при изменении агрегатного состояния вещества: при испарении тепло поглощается, а при конденсации высвобождается. Конденсация происходит при соприкосновении насыщенного пара с поверхностью, температура которой ниже температуры насыщения.

Если температура поверхности превышает температуру насыщения, то никакой конденсации не происходит. Различают два вида конденсации: пленочную и капельную. В пленочной конденсации жидкий конденсат смачивает поверхность и образует на ней непрерывную пленку, которая оказывает значительное сопротивление тепловому потоку.

В случае капельной конденсации пары конденсируются на охлаждаемой поверхности в центрах конденсации в виде капель. Они не смачивают полностью всю поверхность и растут только за счет конденсации в них пара и слияния их с другими, рядом расположенными каплями.

Они увеличиваются до тех пор, пока под действием гравитационных или других сил не оторвутся от поверхности и не стекут по ней. Сухие и мокрые участки на поверхности чередуются, и она приобретает пятнистый вид. При капельной конденсации самая высокая интенсивность теплоотдачи.

Для инициирования формирования капелек поверхность охлаждения обрабатывают тонким слоем вещества, которое имеет чрезвычайно низкую смачиваемость жидкостью. Таким образом, при вакуумной сушке происходит 2 фазовых перехода жидкость-пар и пар-жидкость.

Процессы сушки древесины в вакууме. Процесс сушки состоит из перемещения пара и влаги к поверхности древесины и испарения в окружающую среду. Образовавшийся пар путем диффузии переходит в окружающую среду.

В вакууме по мере уменьшения давления среды в поверхностном слое слабеют межмолекулярные связи, и те молекулы, у которых силы взаимодействия меньше других, отрываются и диффундируют в среду. При вязкостном режиме в камере они испытывают много столкновений на пути к стенке камеры.

Поэтому часть их возвращается обратно, способствуя созданию пограничного слоя, часть остается в пространстве, объединяясь в ассоциации, а часть конденсируется, достигая стенки камеры и отдавая ей тепло конденсации.

Температура стенки повышается, часть адсорбированных на ней молекул снова отражается, поэтому стенку необходимо интенсивно охлаждать. Чем ниже температура охлаждения, тем больше конденсация водяного пара. Для интенсивного испарения необходимо, чтобы относительная влажность среды не увеличивалась, а поддерживалась в соответствии с режимом.

Интенсивное испарение влаги с поверхности древесины вызывает быстрое снижение ее влажности до предела гигроскопичности. После этого влага начинает перемещаться к поверхности древесины. По ее толщине образуется две зоны: околоповерхностная - диффузионная и внутренняя — капиллярная. По мере высушивания диффузионная зона углубляется.

В результате интенсивного испарения влаги поверхность древесины быстро охлаждается до температуры окружающей среды и образуется пограничный слой, поэтому сушка резко замедляется.

Чтобы интенсифицировать процесс испарения при таких условиях, необходимо либо разрушить пограничный слой над поверхностью, либо максимально уменьшить его толщину. Таким образом, материал при вакуумной сушке необходимо постоянно нагревать.

Способ конвективного нагрева в данном случае отпадает, так как при снижении давления окружающей среды теплопроводность ее снижается. Отсюда вытекает необходимость комбинирования вакуумной сушки с другим способом нагрева.

Тепло может передаваться контактным, радиационным или диэлектрическими методами. Передача тепла материалу при вакуумно-диэлектрическом способе позволяет реализовать эту возможность в полной мере.

Что предлагает рынок? В последние годы на рынке сушилок древесины доминирует два вида вакуумных камер. Первый вид с циклическим нагревом и второй с контактным нагревом древесины. В циклических камерах сначала производится нагрев древесины, а потом вакуумирование.

Весь этот процесс повторяется несколько раз до тех пор, пока древесина не высохнет. При этом способе сушки передача тепла материалу производится конвективным способом. Предположим, что нам необходимо высушить древесину с циклическим конвективным нагревом древесины до температуры 900С и сушкой в вакууме при температуре 450С.

Затраты на нагрев сырой древесины на 450С (от 450С до 900С) составят 28946 + 66352 = 95298 кДж/м3 (см. таблицу 2). При скрытой теплоте испарения воды 2392,1 кДж/кг за первый цикл испаряется 95298: 2392,1 = 40 кг воды. В процессе сушки после каждого цикла теплоемкость сырой древесины снижается.

В каждый последующий раз из древесины будет испаряться все меньше и меньше влаги. Как показывают эти расчеты, циклов должно быть не менее 10.

Недостатком этого способа сушки является большая продолжительность сушки древесины (продолжительность сушки приближается к продолжительности сушки конвективным способом), большие энергетические затраты (от 450 кВт/м3 и выше). Высокие затраты связаны с многократным нагревом и охлаждением не только древесины, но и всей сушильной камеры.

В вакуумных камерах с контактным нагревом передача тепла материалу производится пластинами, которые укладываются в штабель пиломатериалов. Пластины чередуются с пиломатериалами. Пластины нагреваются горячей водой или электроэнергией. Электрические нагреватели применяются жесткие или гибкие.

Гибкие нагреватели изготовлены из прочной прорезиненной синтетической ткани с протянутой внутри углеродной нитью, и иногда их называют «электрополотенцами».

Недостатками этого способа сушки являются сложность укладки штабеля, низкий коэффициент использования пространства камеры, закрытие пластин пиломатериалов нагревательными элементами. В 80-е годы прошлого века хорошие результаты были получены при комбинировании вакуумной и диэлектрической сушки.

В качестве источника энергии использовались высокочастотные (ВЧ) генераторы, работающие на частотах 5,28 МГц, 13,56 МГц, 26 МГц, 30 МГц. Однако, из-за громоздкости ВЧ-оборудования, данные сушилки распространения не получили.

К сожалению, на рынке сушилок встречаются вакуумные камеры с фантастическими затратами на сушку пиломатериалов — от 50 кВт/м3 за сушку древесины от начальной влажности 60 % до конечной влажности 10 %. Такие низкие расходы производители объясняют образованием холодного тумана или выдавливанием почти всей влаги в жидкой фазе.

Но физические процессы, происходящие при вакуумной сушке, никто не отменил. При КПД 0,6 расход энергии при сушке свежесрубленной древесины до влажности 10 % составит 400 кВт/м3. Но с учетом, что древесина в сушилку попадает с влажностью 40 - 60 %, расход энергии не может быть менее 250 - 300 кВт/м3.

Поэтому на рынке есть такие вакуумные камеры, которые не сушат древесину или время сушки больше чем при конвективной сушке. В процессе сушки из 1 м3 древесины испаряется около 200 кг воды. Из штабеля объемом 5 м3 необходимо удалить 1 т воды. При продолжительности сушки 24 часа ежеминутно из древесины удаляются 700 г воды.

Среда в камере может вмещать только до 1,4 кг влаги в виде пара. (При давлении 0,01 МПа среда в вакууме может вместить только 68 г воды в одном кубометре (см. таблицу 1)). При этом среда полностью насыщается, дальнейшая сушка прекращается, поэтому водяной пар из окружающей среды необходимо конденсировать и удалить из камеры.

Поэтому вакуумные камеры должны снабжаться системой охлаждения. Особенно важно, что скорость конденсации пара внутри камеры должна быть больше или равной скорости испарения влаги. Согласно фазовым переходам жидкость-пар-жидкость, сколько тепла тратится на испарение воды, столько же тепла должно отводиться системой охлаждения камеры от конденсации пара.

Некоторые производители думают, что вся влага будет конденсироваться на поверхности внутренней стенки камеры, и систему охлаждения не делают. Это приводит к прекращению процесса сушки или к увеличению сроков сушки древесины в 2 - 3 раза.

СВЧ-сушка

Одним из перспективных направлений в интенсификации сушки древесины является использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ).

В результате быстрого повышения температуры внутри древесины, что характерно для СВЧ-нагрева, повышается давление водяных паров, то есть появляется избыточное давление пара внутри древесины по отношению к давлению среды.

Этот градиент избыточного давления резко интенсифицирует процесс сушки, так как в этом случае перенос пара происходит как путем молекулярной диффузии, так и путем фильтрации через поры и капилляры древесины. Этот вид переноса при СВЧ-нагреве подавляет остальные виды переноса.

В последние годы повышенное внимание привлекает использование в технологических процессах токов СВЧ. Привлекательность применения СВЧ-энергии для сушки древесины заключается в следующем:

• будучи влажным материалом, древесина обладает очень высокой поглощаемостью энергии электромагнитного поля СВЧ;
• возможность со скоростью света подвести и выделить в единице объема древесины мощность, недоступную ни одному из традиционных способов подвода энергии;
• возможность осуществить бесконтактный избирательный нагрев и получить требуемое распределение температур в древесине, в т. ч. в режиме саморегулирующегося нагрева;
• возможность мгновенного включения и выключения теплового воздействия, что обеспечивает режим тепловой безынерционности и высокую точность регулирования нагрева;
• практически 100 % КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую, выделяемую в нагреваемом материале, низкие потери энергии в подводящих трактах и рабочих камерах;
• возможность использовать в сушке древесины заложенные природой механизмы транспортации больших объемов жидкости вдоль волокон.

Основным недостатком СВЧ-сушки является то, что из-за большой концентрации в сучках смолы при СВЧ-нагреве она вытекает из сучка.

Более подробно о проблемах и перспективах СВЧ-сушки древесины Вы можете прочитать в первом номере журнала за 2004 г.

Что предлагает рынок? Ничего. В настоящее время ни в России, ни за рубежом рынка СВЧ-сушилок нет. Иногда появляются предложения СВЧ-сушилок. Но через год или два исчезают и распространения не получают. Причиной тому создание неконкурентоспособных СВЧ-сушилок. Сушилки создаются без понимания процессов СВЧ-сушки древесины.

Вакуум + СВЧ-сушка

Несомненно, идеальным вариантом является комбинирование вакуумной сушки с СВЧ-сушкой. Но стоит ли комбинировать вакуумную и СВЧ-сушку? Рассмотрим положительные и отрицательные стороны комбинирования вакуумной и СВЧ-сушки.

Все хорошо помнят, наверное со школьного курса физики, лабораторную работу, когда под вакуумом воду кипятили при комнатной температуре. Поэтому многие думают, что сушка под вакуумом — самый экономичный способ сушки, не требующий больших энергетических затрат.

Так ли это, и насколько экономичнее вакуумная сушка? В таблице 2 дается расчет энергетических затрат на сушку одного кубометра пиломатериалов вакуумным и СВЧ-способом. Затраты приведены без учета КПД установок. Как показывает расчет энергетические затраты на сушку отличаются всего на 9 %.

Но здесь не учтены энергетические затраты на создание вакуума (работа вакуумного насоса) и на конденсацию пара внутри камеры (работа охладителя и циркуляционного насоса). Кроме того, при глубине вакуума 0,01 МПа удельное давление на стену вакуумной камеры составляет 9 тонн на квадратный метр.

Поэтому стена вакуумной камеры должна быть в десять раз толще, чем стена в СВЧ-камере. Это приводит к увеличению металлоемкости камеры.

Из вышесказанного следует:

• вакуумные сушильные камеры не такие же экономичные, как думают;
• комбинирование вакуумной сушки с диэлектрическим нагревом требует дополнительных затрат на сушилку и на сушку древесины;
• СВЧ-способом древесину можно также быстро сушить, как и при вакуумной сушке;
• при СВЧ-сушке происходит стерилизация древесины;
• СВЧ-камеры более компактны и имеют меньшую массу;
• и в заключение: вакуумно-диэлектрические камеры выгодно применять там, где по технологии требуется низкотемпературная сушка древесины.

Фаузат Хамитович Гареев, к.т.н., НТЦ «ПИК»