ООО "Центр Независимой Экспертизы" Брянск

Основы бездефектной сушки древесины

В.Г. Савенко – ООО «Центр Независимой экспертизы»

А.В. Савенко– ООО «Центр Независимой экспертизы»

Ю.П. Петрухин – д-р экон. наук – ООО «Адмирал»

И.В. Шубин – ООО «Радиоавтоматика»

В этой статье авторы предлагают новые пути решения проблемы снижения напряжений и деформаций, возникающих в древесине при её сушке и, как следствие, повышения качества высушиваемых пиломатериалов.

Процесс сушки древесины сопровождается неравномерным по её объему распределением влажности. Это вызывает неравномерную усушку, что в свою очередь служит причиной образования внутренних напряжений /1/.

В начальный момент процесса, когда влажность всего образца выше влажности предела гигроскопичности, усушки еще нет и напряжения в древесине отсутствуют. Когда влажность поверхностных слоев опустится ниже предела гигроскопичности, они будут стремиться к усушке. Однако это стремление не может проявиться в полной мере следствии противодействия внутренних слоев, усушка которых еще не началась. Таким образом, в данный момент времени поверхностные слои испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои - сжимающие напряжения.

Если бы древесина была идеально упругим материалом, внутренние напряжения, появившиеся в ней в первой стадии процесса, в дальнейшем постепенно уменьшались бы по мере перепада влажности и, наконец, исчезли бы при окончательном выравнивании влажности. В действительности напряжения в древесине исчезают на некотором промежуточном этапе процесса, а затем, к концу сушки изменяют свой знак. Причина этого - развитие в древесине остаточных деформаций.

Остаточные деформации возникают в древесине, длительно находящейся под напряжением, даже при ее стабильном влажностном состоянии. Но, кроме того, при высыхании в напряженной древесины упругие деформации перерождаются в остаточные в связи с тем, что при понижении влажности существенно повышается модуль ее упругости.

В начальной стадии процесса, когда влажная нагретая древесина обладает повышенной пластичностью, в поверхностных слоях под влиянием действующих в них растягивающих напряжений возникают остаточные деформации удлинения, а во внутренних слоях - остаточные деформации укорочения. В результате этого в конце процесса сушки усадка на поверхности окажется меньше, чем усадка внутри сортимента. Другими словами в древесине появятся сжимающие напряжения снаружи и растягивающие напряжения внутри.

Если внутренние напряжения в той или иной точке сортимента достигнут предела прочности, произойдет разрушение материала.

Считается, что совершенно избежать возникновения в древесине напряжений при сушке невозможно, но можно их значительно уменьшить и даже ликвидировать влаготермообработкой.

Влаготермообработка состоит в том, что на древесину воздействуют сушильным агентом повышенной температуры и влажности. Увлажнение поверхностных слоев при наличии сжимающих напряжений ведет к развитию в них остаточных деформаций укорочения, компенсирующих ранее возникшие остаточные деформации удлинения.

Что бы было более понятно все, что будет описано далее, целесообразно напомнить некоторые этапы развития напряжений и методы их расчета.

Действующие в древесине полные внутренние напряжения можно рассматривать как алгебраическую сумму противоположных по знаку влажностных и остаточных напряжений. Влажностные напряжения, обусловлены неравномерной усушкой древесины по объему. Они имеют временной характер и исчезают при выравнивании влажности. Остаточные напряжения обоснованы наличием в древесине неоднородных остаточных деформаций.

Следовательно, в любом случае нельзя говорить об отсутствии напряжений в конце сушки. Можно утверждать лишь то, что сжимающие остаточные напряжения в наружных слоях сортимента уравновешиваются растягивающими остаточными напряжениями во внутренних слоях сортимента.

Теперь еще раз вернемся к конечной влаготермообработке и рассмотрим целесообразность ее проведения с точки зрения остаточных напряжений. Под действием полных сжимающих напряжений остаточные деформации удлинения уменьшаются, что приводит и к уменьшению остаточных напряжений. Это уменьшение, однако, очень невелико, поскольку древесина вследствие снижения влажности стала менее податливой. Численные значения некоторых реологических показателей древесины, влияющих на возможность изменения остаточных деформаций, представлены в таблице 1 /2/.

Таблица 1

Значение при влажности, МПа
12%,	30 %,
Длительный модуль упругости при растяжении поперек волокон	340	80
Модуль остаточных деформаций при растяжении поперек волокон	650	330
Модуль остаточных деформаций при сжатии поперек волокон	390	320

Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что проведение конечной влаготермообработки не может создать условий, при которых пластичность поверхностных слоев сортимента достигнет таких значений, при которых остаточные деформации переродятся в упругие и исчезнут. Большая часть остаточных сжимающих деформаций в поверхностной зоне компенсируются растягивающимися влажностными деформациями, возникающими из-за увлажнения поверхностных слоев во время проведения влаготермообработки.

Следовательно, в конце сушки мы имеем сортимент, в котором даже при отсутствии внешних проявлений, в то же время имеются:

- сжимающие остаточные напряжения в поверхностной зоне;

- растягивающие влажностные напряжения в поверхностной зоне;

- растягивающие остаточные напряжения в центральной зоне.

Внутренние напряжения после атмосферной сушки в несколько раз меньше, чем после камерной. Так, после атмосферной сушки сосновых и еловых пиломатериалов сжимающие напряжения в поверхностных зонах не превышали 0,5 МПа, а растягивающие во внутренней зоне – 0,2 МПа. После камерной сушки напряжения в поверхностной и внутренней зонах тех же досок составляли соответственно 4,4 и 1,7 МПа. Остаточные напряжения в древесине твердых лиственных пород и лиственницы выше, чем остальных пород. Например, в древесине бука сжимающие внутренние напряжения на поверхности достигают 7,2 МПа /2/.

Численные значения внутренних напряжений можно определить только в лабораторных условиях. Внутренние напряжения в поверхностных и центральной зонах противоположны по знаку и их алгебраическая сумма может быть равна нулю (или не превышать критических значений, приводящих к разрушению древесины) и при незначительных значениях напряжений и при критических. Особенно это становится заметно при раскрое сортиментов на заготовки. В случае продольного и (или) поперечного раскроя сортиментов наличие напряжений может остаться незамеченным, но в случае раскроя или не симметричной обработке сортимента по толщине имеющие место напряжения сразу проявят себя в виде изгиба заготовки.

Таким образом, сушку древесины необходимо проводить таким образом, чтобы возникающие в процессе сушки влажностные и остаточные напряжения не превышали значений и времени которые вызывали бы остаточные деформации.

Для того чтобы провести сушку по вышеуказанным условиям необходимо осуществлять контроль напряжений в различных слоях древесины в течении всего времени её сушки.

Существующие способы качественного и количественного контроля внутренних напряжений основаны на анализе контрольных образцов, высушиваемых вместе с пиломатериалами.

Эти методы требуют достаточно много времени и специального оборудования, а также прерывания процесса сушки для извлечения контрольных образцов. Для расчета напряжений по этому способу используется многостержневая модель доски /3 /.

Б.Н. Уголев /4/, решая одноосно статически неопределенную задачу расчета напряжений в такой модели (теоретические выкладки не приводим), показал, что напряжения в любом стержне зависят от значения послойной влажности и показателя жесткости древесины.

Распределение влажности по сечению в любой момент времени может быть установлено путем измерения её специальным датчиком. Значение показателя жесткости может быть определено по диаграммам или путем расчета в зависимости от влажности и температуры древесины.

Зная значения влажности и показателя жесткости для каждого стержня (слоя) в любой момент времени, можно провести сушку (изменять параметры сушильного агента) таким образом, что бы приращение напряжений было равно нулю или не вызывало остаточных деформаций.

Исходя из этих предпосылок, авторами был разработан и запатентован /5/ влагомер, позволяющий определять послойную влажность древесины.

Датчики влагомера представляют собой стержень, на котором через прокладки установлены кольцевые электроды. От каждого кольцевого электрода электросигнал поступает к измерительному блоку влагомера.

Система управления процессом сушки древесины работает следующим образом.

В контролируемом образце, располагаемом в штабеле высушиваемых пиломатериалов, устанавливаются датчики влагомера и датчик температуры. Микропроцессор поочерёдно «запрашивает» значение влажности в отдельных слоях контрольного образца и температуру образца. По специальной программе микропроцессором определяются значения напряжений между слоями древесины и сравнивается с расчётным, величина которых не должна вызывать остаточных деформаций. Если по фактическим значениям послойной влажности древесины и её температуре окажется, что в отдельных слоях древесины возникли напряжения, вызывающие в ней остаточные деформации, микропроцессор «даёт» команду на исполнительные механизмы управления парогенератором, воздушной заслонки или теплоносителя на «смягчение» режима сушки. Если по фактическим значениям послойной влажности древесины и ёё температуре окажется, что в отдельных слоях древесины напряжения не достигли ещё значений, вызывающие в ней остаточные деформации, микропроцессор «даёт» команду на исполнительные механизмы управления сушильного агента, например, парогенератором, воздушной заслонки или теплоносителя, на интенсификацию процесса сушки. «Опрос» микропроцессором состояния высушиваемого контрольного образца может проводиться с любым интервалом времени.

Таким образом, система управления работает в автоматическом режиме до достижения заданной конечной влажности.

Использование в комплекте с микропроцессором печатающего устройства позволит зафиксировать весь процесс сушки и выдать протокол сушки. Наличие протокола сушки является документальным подтверждением показателей процесса сушки – состояние сушильного агента, влажность древесины, её температура, время, величину внутренних напряжений и деформаций.

На основе изложенного авторами разработана автоматизированная система управления процессом сушки древесины «Адмирал».

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

- подключение напряжения сети для питания оборудования;

- включение и отключение до четырёх вентиляторов;

- включение и отключение парогенератора;

- включение и отключение до четырёх клапанов долива воды;

- включение и отключение до четырёх сервоприводов управления воздушными заслонками и шаровыми кранами подачи воды или пара;

- контроль температуры окружающего воздуха и сушильного агента;

- контроль температуры теплоносителя;

- послойный контроль влажности пиломатериалов в четырёх контрольных образцах;

- световую индексацию работы оборудования;

- диагностику состояния оборудования и измерителей;

- автоматическую реализацию процесса сушки по параметрам допустимых внутренних напряжений в древесине;

- автоматическое протоколирование параметров цикла сушки (запись истории, протокол процесса сушки).

Выводы

1 Использование влагомера для измерения послойной влажности древесины в комплексе с системой управления процессом сушки позволит проводить сушку древесины более качественно без образования остаточных деформаций и напряжений.

2 Создание условий для сушки пиломатериалов без остаточных деформаций позволит существенно снизить припуски на усушку и дальнейшую механическую обработку.

3 Сушка древесины при условии контроля напряжений и сравнения их с допустимыми значениями позволит избежать расслаивания древесины по границам ранней и поздней древесины, что особенно характерно для древесины хвойных пород.

4 Использование системы управления процессом сушки древесины «Адмирал» позволяет снизить продолжительность процесса сушки в (1,5 – 2,0) раза и снизить энергопотребление до 30%.

Список литературы

1 Уголев Б.Н. Внутренние напряжения в древесине при её сушке.-М.: Гослесбумиздат, 1969

2 Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине: Справочник/Под ред. Б.Н. Уголева.-М.: Лесн. пром-сть,1989

3 ГОСТ 11603-73 Древесина. Метод определения остаточных напряжений

4 Уголев Б.Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке.-М.: Лесн. пром-сть, 1977

5 Решение о выдаче патента на изобретение по заявке

№ 2004109401/28(009910 от 29.03.2004 г. - Влагомер для измерения влажности древесины. - смотри патент

6 Добавить первый патент

Авторы:

А.В. Савенко

В.Г. Савенко

Ю.П. Петрухин

И.В. Шубин