Suszenie drewna - Wood drying

Stos drewna suszącego się na powietrzu

Suszenia drewna (również przyprawy drzewny lub sezonowania ) redukuje się zawartość wilgoci w drewnie przed jego użyciem. Kiedy suszenie odbywa się w piecu , produkt jest znany jako suszone w piecu drewno lub tarcica , podczas gdy suszenie powietrzem jest bardziej tradycyjną metodą.

Są dwa główne powody suszenia drewna:

Obróbka drewna: Kiedy drewno jest używane jako materiał budowlany, czy to jako podpora konstrukcyjna w budynku, czy w obiektach stolarskich , będzie ono absorbować lub wydalać wilgoć, aż znajdzie się w równowadze z otoczeniem. Równoważenie (zwykle suszenie) powoduje nierównomierne kurczenie się drewna i może spowodować uszkodzenie drewna, jeśli zrównoważenie nastąpi zbyt szybko. Równowaga musi być kontrolowana, aby zapobiec uszkodzeniu drewna.
Spalanie drewna: Kiedy drewno jest spalone ( drewno opałowe ), zwykle najlepiej je najpierw wysuszyć. Uszkodzenia spowodowane skurczem nie stanowią tutaj problemu, jak może być w przypadku suszenia do celów obróbki drewna. Wilgoć wpływa na proces spalania, a niespalone węglowodory przedostają się do komina. Jeżeli 50% wilgotności dziennika jest spalana w wysokiej temperaturze, ze dobre odprowadzenie ciepła z gazów spalinowych, co prowadzi do wylotowego 100 ° C, temperatura około 5% energii dziennika jest zmarnowany przez odparowanie i ogrzewanie pary wodnej. Dzięki skraplaczom wydajność można dodatkowo zwiększyć; ale w przypadku normalnego pieca, kluczem do spalania mokrego drewna jest spalanie go bardzo gorącego, być może rozpalenie ognia suchym drewnem.

Małe kłody drewna opałowego suszone na miejscu

W niektórych celach drewno w ogóle nie jest suszone i jest używane na zielono . Często drewno musi być w równowadze z powietrzem na zewnątrz, jak w przypadku drewna konstrukcyjnego, lub z powietrzem w pomieszczeniu, jak w przypadku mebli drewnianych.

Drewno jest suszone na powietrzu lub suszone w specjalnie zbudowanym piecu ( piecu ). Zazwyczaj drewno jest piłowane przed suszeniem, ale czasami kłoda suszy się w całości.

Utwardzanie powierzchniowe opisuje tarcicę lub drewno, które zostało zbyt szybko wysuszone. Drewno początkowo wysycha z łupiny (powierzchni), obkurczając łupinę i poddając rdzeń kompresji. Gdy ta powłoka ma niską zawartość wilgoci, „twardnieje” i jest odporna na skurcz. Rdzeń drewna ma nadal wyższą wilgotność. Ten rdzeń zacznie wtedy wysychać i kurczyć się. Jednak wszelki skurcz jest odporny na już „ustawioną” powłokę. Prowadzi to do odwróconych naprężeń; naprężenia ściskające na powłoce i naprężenia rozciągające w rdzeniu. Skutkuje to nieodciążonym naprężeniem zwanym utwardzaniem powierzchniowym. Utwardzone [drewno] może się znacznie i niebezpiecznie wypaczać, gdy naprężenia są uwalniane przez piłowanie .

Rodzaje drewna

Drewno dzieli się ze względu na jego botaniczne pochodzenie na dwa rodzaje: iglaste z drzew iglastych i twarde z drzew liściastych. Drewno iglaste jest lżejsze i ogólnie ma prostą strukturę, podczas gdy drewno liściaste jest twardsze i bardziej złożone. Jednak w Australii, z drewna iglastego ogólnie opisuje lasach tropikalnych drzew i liściastego opisuje las zawsze zielony twardolistny gatunków ( Eucalyptus spp ).

Drewno miękkie, takie jak sosna, jest zazwyczaj znacznie lżejsze i łatwiejsze w obróbce niż drewno twarde, takie jak drewno owocowe. Gęstości z drewna miękkiego wynosi od350 kg / m ³ , aby700 kg/m ³ , podczas gdy drewno liściaste450 kg / m ³ , aby1250 kilogram / m ³ . Po wysuszeniu oba zawierają około 12% wilgoci ( Desch i Dinwoodie, 1996 ). Ze względu na gęstszą i bardziej złożoną strukturę drewna twardego, jego przepuszczalność jest znacznie mniejsza niż drewna iglastego, co utrudnia suszenie. Chociaż istnieje około sto razy więcej gatunków drzew liściastych niż drzew iglastych, możliwość szybszego i łatwiejszego suszenia i przetwarzania sprawia, że drewno iglaste jest obecnie głównym źródłem drewna komercyjnego.

Relacje drewno-woda

Drewno żywych drzew i świeżych bali zawiera dużą ilość wody, która często stanowi ponad 50% masy drewna. Woda ma znaczący wpływ na drewno. Drewno nieustannie wymienia wilgoć lub wodę z otoczeniem, chociaż na szybkość wymiany silnie wpływa stopień uszczelnienia drewna.

Drewno zawiera wodę w trzech postaciach:

Darmowa woda: Większość wody zawartej w prześwicie komórki jest utrzymywana tylko przez siły kapilarne. Nie jest związana chemicznie i nazywana jest wodą wolną. Wolna woda nie jest w takim samym stanie termodynamicznym jak woda w stanie ciekłym: energia jest potrzebna do pokonania sił kapilarnych . Co więcej, wolna woda może zawierać chemikalia zmieniające właściwości schnięcia drewna.
Woda związana lub higroskopijna: Związana woda jest związana z drewnem za pomocą wiązań wodorowych . Przyciąganie drewna do wody wynika z obecności wolnych grup hydroksylowych (OH) w celulozie , hemicelulozach i cząsteczkach ligniny w ścianie komórkowej. Grupy hydroksylowe są naładowane ujemnie. Ponieważ woda jest cieczą polarną, wolne grupy hydroksylowe w celulozie przyciągają i zatrzymują wodę poprzez wiązania wodorowe.
Para: Woda w świetle komórki w postaci pary wodnej jest zwykle znikoma w normalnej temperaturze i wilgotności.

Zawartość wilgoci

Wilgotność drewna oblicza się jako zmianę masy w stosunku do suchej masy, według wzoru (Siau, 1984):

{\text{wilgotność}}={\frac {m_{\text{g}}-m_{\text{od}}}{m_{\text{od}}}}\razy 100\%

Tutaj jest zielona masa drewna, jest to jego sucha masa w piecu (osiągnięcie stałej masy generalnie po suszeniu w piecu ustawionym na $m_{\tekst{g}}$ $m_{\tekst{od}}$ 103 ± 2 °C (218 ± 4 °F ) przez 24 godziny, jak wspomniał Walker i in. , 1993). Równanie można również wyrazić jako ułamek masy wody i masy suchego drewna w piecu, a nie procent. Na przykład,0,59 kg/kg (suchej masy) wyraża taką samą wilgotność jak 59% (piekarnik suchej masy).

Punkt nasycenia włókien

Te oznaczenia IPPC na palecie drewnianej wskazują KD: suszone w piecu, HT: poddane obróbce cieplnej i DB: okorowane. Zasadniczo wszystkie drewniane materiały opakowaniowe, które są eksportowane do państwa członkowskiego IPPC, muszą mieć taką pieczęć.

Kiedy zielone drewno wysycha, pierwsza odchodzi wolna woda z prześwitu komórki, utrzymywana tylko przez siły kapilarne. Usunięcie wolnej wody na ogół nie wpływa na właściwości fizyczne, takie jak wytrzymałość i skurcz. Punkt nasycenia włókien (FSP) definiuje się jako zawartość wilgoci, przy której wolna woda powinna całkowicie zniknąć, podczas gdy ściany komórek są nasycone wodą związaną. W większości gatunków drewna punkt nasycenia włókien wynosi od 25 do 30% wilgotności. Siau (1984) podał, że punkt nasycenia włókien (kg/kg) jest zależny od temperatury T (°C) zgodnie z następującym równaniem: $X_{\tekst{fsp}}$

{\ Displaystyle X_ {\ tekst {fsp}} = 0,30-0,001 (T-20) \;}

(1.2)

Key i in. (2000) posługują się inną definicją punktu nasycenia włókien (równowagowej wilgotności drewna w środowisku o wilgotności względnej 99%).

Wiele właściwości drewna ulega znacznym zmianom w miarę suszenia drewna poniżej punktu nasycenia włókien, w tym:

objętość (najlepiej nie kurczenie się, dopóki część związanej wody nie zostanie utracona, to znaczy, dopóki drewno nie wyschnie poniżej FSP);
wytrzymałość (wytrzymałości generalnie stale rosną, gdy drewno suszy się poniżej FSP (Desch i Dinwoodie, 1996), z wyjątkiem wytrzymałości na zginanie i, w niektórych przypadkach, wiązkości);
oporność elektryczna , która rośnie bardzo szybko wraz z utratą związanej wody, gdy drewno wysycha poniżej FSP.

Wilgotność równowagowa

Drewno jest substancją higroskopijną . Posiada zdolność wchłaniania lub oddawania wilgoci w postaci pary. Woda zawarta w drewnie sama wytwarza ciśnienie pary, które jest określane przez maksymalny rozmiar naczyń włosowatych wypełnionych wodą w dowolnym momencie. Jeżeli prężność pary wodnej w otaczającej przestrzeni jest niższa niż prężność pary w drewnie, następuje desorpcja. Największe naczynia włosowate, które w tym czasie są pełne wody, opróżniają się jako pierwsze. Ciśnienie pary w drewnie spada, ponieważ woda jest sukcesywnie zamykana w mniejszych kapilarach. W końcu osiąga się etap, w którym prężność pary w drewnie równa się prężności pary w otaczającej przestrzeni nad drewnem i dalsza desorpcja ustaje. Ilość wilgoci, która pozostaje w drewnie na tym etapie pozostaje w równowadze z ciśnieniem pary wodnej w przestrzeni otoczenia i jest określana jako wilgotność równowagowa lub EMC (Siau, 1984). Ze względu na swoją higroskopijność drewno ma tendencję do osiągania wilgotności, która jest w równowadze ze względną wilgotnością i temperaturą otaczającego powietrza.

EMC drewna zmienia się znacząco w zależności od wilgotności względnej otoczenia (funkcja temperatury), w mniejszym stopniu wraz z temperaturą. Siau (1984) stwierdził, że EMC również różni się bardzo nieznacznie w zależności od gatunku, naprężenia mechanicznego, historii suszenia drewna, gęstości, zawartości substancji ekstrakcyjnych i kierunku sorpcji, w którym zachodzi zmiana wilgotności (tj. adsorpcja lub desorpcja).

Zawartość wilgoci w użytkowanym drewnie

Drewno po oddaniu do użytku zachowuje swoje właściwości higroskopijne. Jest on następnie poddawany zmiennej wilgotności, która jest dominującym czynnikiem określającym jego EMC. Wahania te mogą być mniej lub bardziej cykliczne, takie jak zmiany dobowe lub roczne zmiany sezonowe.

Aby zminimalizować zmiany wilgotności drewna lub przemieszczanie się obiektów drewnianych podczas użytkowania, drewno jest zwykle suszone do wilgotności bliskiej przeciętnym warunkom EMC, na które będzie narażone. Warunki te różnią się w przypadku zastosowań wewnętrznych w porównaniu z zastosowaniami zewnętrznymi w danej lokalizacji geograficznej. Na przykład, zgodnie z Australian Standard for Timber Drying Quality (AS/NZS 4787, 2001), zaleca się, aby EMC w większości stanów australijskich wynosiło 10–12%, chociaż skrajne przypadki wynoszą od 15 do 18% w niektórych miejsca w Queensland, Terytorium Północnym, Australii Zachodniej i Tasmanii. Jednak EMC wynosi zaledwie 6 do 7% w suchych, centralnie ogrzewanych domach i biurach lub w budynkach ze stałą klimatyzacją.

Skurcz i obrzęk

W przypadku zmiany wilgotności drewna może wystąpić skurcz i pęcznienie (Stamm, 1964). Kurczenie następuje wraz ze spadkiem zawartości wilgoci, natomiast pęcznienie ma miejsce, gdy wzrasta. Zmiana głośności nie jest jednakowa we wszystkich kierunkach. Największa zmiana wymiarów następuje w kierunku stycznym do słojów. Skurcz od rdzenia na zewnątrz lub promieniowo jest zwykle znacznie mniejszy niż skurcz styczny, podczas gdy skurcz wzdłużny (wzdłuż włókien) jest tak niewielki, że zwykle jest pomijany. Skurcz wzdłużny wynosi od 0,1% do 0,3%, w przeciwieństwie do skurczu poprzecznego, który wynosi od 2% do 10%. Skurcz styczny jest często około dwa razy większy niż w kierunku promieniowym, chociaż u niektórych gatunków jest nawet pięć razy większy. Skurcz wynosi około 5% do 10% w kierunku stycznym i około 2% do 6% w kierunku promieniowym (Walker i in. , 1993).

Różnicowy skurcz poprzeczny drewna związany jest z:

przemienność przyrostów późnego i wczesnego drewna w obrębie słojów rocznych;
wpływ promieni drewna na kierunek promieniowy (Kollmann i Cote, 1968);
cechy struktury ściany komórkowej, takie jak modyfikacje kątów mikrowłókien i jamki;
skład chemiczny środkowej lameli.

Suszenie drewna można opisać jako sztukę zapewniania, że duże zmiany wymiarów poprzez skurcz ograniczają się do procesu suszenia. Idealnie, drewno jest suszone do takiej wilgotności równowagowej, jaka zostanie później (w eksploatacji) osiągnięta przez drewno. W ten sposób dalsze zmiany wymiarów będą ograniczone do minimum.

Prawdopodobnie niemożliwe jest całkowite wyeliminowanie zmiany wymiarów w drewnie, ale eliminację zmiany wymiarów można przybliżyć przez modyfikację chemiczną. Na przykład, drewno można traktować chemikaliami w celu zastąpienia grup hydroksylowych innymi hydrofobowymi grupami funkcyjnymi środków modyfikujących (Stamm, 1964). Wśród wszystkich istniejących procesów, modyfikacja drewna bezwodnikiem octowym została zauważona ze względu na wysoką skuteczność przeciwskurczową lub przeciw pęcznieniu (ASE) osiągalną bez uszkadzania drewna. Jednakże acetylowanie drewna jest wolno wprowadzane na rynek ze względu na koszty, korozję i uwięzienie kwasu octowego w drewnie. Istnieje obszerna literatura dotycząca chemicznej modyfikacji drewna (Rowell, 1983, 1991; Kumar, 1994; Haque, 1997).

Suszenie drewna to jedna z metod podniesienia wartości tarcicy z przemysłu pierwotnego przetwórstwa drewna. Według Australian Forest and Wood Products Research and Development Corporation (FWPRDC), zielone przetarte drewno liściaste, które jest sprzedawane po około 350 USD za metr sześcienny lub mniej, wzrasta do 2000 USD za metr sześcienny lub więcej po suszeniu i przetwarzaniu. Jednak obecnie stosowane konwencjonalne procesy suszenia często powodują znaczne problemy z jakością wynikające z pęknięć, zarówno zewnętrznych, jak i wewnętrznych, obniżając wartość produktu. Na przykład w Queensland (Anon, 1997), przy założeniu, że 10% wysuszonego drewna iglastego jest zdewaluowane o 200 dolarów za metr sześcienny z powodu wad suszenia, tartaki tracą około 5 milionów dolarów rocznie. W Australii strata może wynieść 40 milionów dolarów rocznie w przypadku drewna iglastego i taką samą lub wyższą kwotę w przypadku drewna twardego. Dlatego właściwe suszenie w kontrolowanych warunkach przed użyciem ma ogromne znaczenie w użytkowaniu drewna w krajach, w których warunki klimatyczne różnią się znacznie w różnych porach roku.

Suszenie, jeśli jest przeprowadzane zaraz po ścięciu drzew, chroni również drewno przed pierwotnym próchnicą, zagrzybieniem i atakiem niektórych rodzajów owadów. Organizmy, które powodują próchnicę i plamy, na ogół nie mogą się rozwijać w drewnie o wilgotności poniżej 20%. Kilka, choć nie wszystkie, szkodniki owadzie mogą żyć tylko w zielonym drewnie.

Oprócz powyższych zalet suszenia drewna, ważne są również następujące punkty (Walker i in. , 1993; Desch i Dinwoodie, 1996):

Suszone drewno jest lżejsze, a koszty transportu i przeładunku są zmniejszone.
Suszone drewno jest mocniejsze niż drewno zielone pod względem większości właściwości wytrzymałościowych.
Drewno przeznaczone do impregnacji środkami konserwującymi musi być odpowiednio wysuszone, aby zapewnić odpowiednią penetrację, szczególnie w przypadku środków konserwujących typu olejowego.
W zakresie modyfikacji chemicznej drewna i wyrobów z drewna materiał powinien zostać wysuszony do określonej wilgotności, aby zaszły odpowiednie reakcje.
Suche drewno generalnie pracuje, obrabia, wykańcza i klei lepiej niż świeże drewno (chociaż są wyjątki; na przykład, świeże drewno jest często łatwiejsze do toczenia niż suche). Farby i wykończenia trwają dłużej na suchym drewnie.
Dzięki suszeniu poprawia się właściwości termoizolacyjne drewna.

Szybkie suszenie drewna bezpośrednio po ścięciu w ten sposób znacznie poprawia jakość i dodaje wartości surowemu drewnu. Suszenie umożliwia znaczną długoterminową ekonomię poprzez racjonalizację wykorzystania zasobów drewna. Suszenie drewna jest więc obszarem badań i rozwoju, które dotyczą wielu badaczy i firm drzewnych na całym świecie.

Mechanizmy ruchu wilgoci

Woda w drewnie zwykle przemieszcza się ze stref o wyższej zawartości wilgoci do stref o niższej wilgotności (Walker et al. , 1993). Suszenie zaczyna się od zewnętrznej strony drewna i przesuwa się do środka, a suszenie na zewnątrz jest również konieczne, aby usunąć wilgoć z wewnętrznych stref drewna. Drewno następnie osiąga równowagę z otaczającym powietrzem pod względem wilgotności.

Korytarze wilgoci

Siłą napędową ruchu wilgoci jest potencjał chemiczny. Jednak nie zawsze łatwo jest powiązać potencjał chemiczny drewna z powszechnie obserwowalnymi zmiennymi, takimi jak temperatura i wilgotność (Keey et al. , 2000). Wilgoć w drewnie przemieszcza się w drewnie jako ciecz lub para przez kilka rodzajów kanałów, w zależności od charakteru siły napędowej (np. gradientu ciśnienia lub wilgotności) oraz zmian w strukturze drewna (Langrish i Walker, 1993), jak wyjaśniono w następny rozdział dotyczący sił napędowych ruchu wilgoci. Drogi te składają się z jam naczyń, włókien, komórek promieniowych, komór zagłębień i ich otworów błonowych zagłębień, przestrzeni międzykomórkowych i przejściowych korytarzy w ścianach komórkowych.

Ruch wody odbywa się w tych kanałach w dowolnym kierunku, wzdłuż komórek, jak również poprzecznie od komórki do komórki, aż dotrze do bocznych powierzchni suszenia drewna. Większa przepuszczalność wzdłużna bieli drewna liściastego jest zwykle spowodowana obecnością naczyń. Przepuszczalność boczna i przepływ poprzeczny są często bardzo niskie w przypadku drewna twardego. Jak wspomniano wcześniej, naczynia w twardym drewnie są czasami blokowane przez obecność tyloz i/lub przez wydzielanie gum i żywic u niektórych innych gatunków. Obecność żył dziąseł, których powstawanie jest często wynikiem naturalnej ochronnej reakcji drzew na zranienia, jest powszechnie obserwowana na powierzchni tartych desek większości eukaliptusów. Pomimo ogólnie większego udziału promieni w drewnie twardym (zwykle 15% objętości drewna), promienie nie są szczególnie skuteczne w przepływie promieniowym, podobnie jak wgłębienia na powierzchniach promieniowych włókien nie są skuteczne w przepływie stycznym (Langrish i Walker, 1993). .

Przestrzeń ruchu wilgoci

Dostępna przestrzeń dla powietrza i wilgoci w drewnie zależy od gęstości i porowatości drewna. Porowatość to ułamek objętości pustej przestrzeni w ciele stałym. Podano, że porowatość wynosi od 1,2 do 4,6% suchej objętości ściany komórkowej drewna (Siau, 1984). Z drugiej strony przepuszczalność jest miarą łatwości, z jaką płyny są transportowane przez porowate ciało stałe pod wpływem pewnych sił napędowych, np. gradientu ciśnienia kapilarnego lub gradientu wilgotności. Oczywiste jest, że ciała stałe muszą być porowate, aby były przepuszczalne, ale niekoniecznie wszystkie ciała porowate są przepuszczalne. Przepuszczalność może istnieć tylko wtedy, gdy puste przestrzenie są połączone otworami. Na przykład drewno liściaste może być przepuszczalne, ponieważ w membranach znajdują się wżery między naczyniami (Keey et al. , 2000). Jeśli te membrany są zatkane lub inkrustowane lub jeśli wgłębienia są odsysane, drewno przyjmuje strukturę zamkniętokomórkową i może być praktycznie nieprzepuszczalne. Gęstość jest również ważna dla nieprzepuszczalnego drewna twardego, ponieważ na jednostkę odległości przemierza się więcej materiału ścian komórkowych, co zapewnia zwiększoną odporność na dyfuzję (Keey et al. , 2000). W związku z tym lżejsze drewno na ogół schnie szybciej niż drewno cięższe. Transport płynów jest często przepływem masowym (przenoszenie pędu) dla przepuszczalnego drewna iglastego w wysokiej temperaturze, podczas gdy dyfuzja zachodzi dla nieprzepuszczalnego drewna twardego (Siau, 1984). Mechanizmy te omówiono poniżej.

Siły napędowe dla ruchu wilgoci

Trzy główne siły napędowe stosowane w różnych wersjach modeli dyfuzji to zawartość wilgoci, ciśnienie cząstkowe pary wodnej i potencjał chemiczny (Skaar, 1988; Keyy i in. , 2000). Omówiono je tutaj, w tym działanie kapilarne, które jest mechanizmem swobodnego transportu wody w przepuszczalnym drewnie iglastym. Całkowita różnica ciśnień jest siłą napędową podczas suszenia próżniowego drewna.

Działanie kapilarne

Siły kapilarne determinują ruchy (lub brak ruchu) swobodnej wody. Wynika to zarówno z adhezji, jak i kohezji. Adhezja to przyciąganie wody do innych substancji, a kohezja to wzajemne przyciąganie cząsteczek wody.

Gdy drewno wysycha, parowanie wody z powierzchni powoduje powstanie sił kapilarnych, które wywierają przyciąganie wolnej wody w strefach drewna pod powierzchnią. Kiedy w drewnie nie ma już wolnej wody, siły kapilarne nie mają już znaczenia.

Różnice w zawartości wilgoci

Wyjaśniono tutaj potencjał chemiczny, ponieważ jest on prawdziwą siłą napędową transportu wody zarówno w fazie ciekłej, jak i parowej w drewnie (Siau, 1984). Energia swobodna Gibbsa na mol substancji jest zwykle wyrażana jako potencjał chemiczny (Skaar, 1933). Potencjał chemiczny powietrza nienasyconego lub drewna poniżej punktu nasycenia włókien wpływa na schnięcie drewna. Równowaga pojawi się przy równowagowej zawartości wilgoci (jak zdefiniowano wcześniej) drewna, gdy potencjał chemiczny drewna stanie się równy potencjałowi otaczającego powietrza. Potencjał chemiczny sorbowanej wody jest funkcją wilgotności drewna. Dlatego gradientowi wilgotności drewna (pomiędzy powierzchnią a środkiem), a dokładniej aktywności, towarzyszy gradient potencjału chemicznego w warunkach izotermicznych. Wilgoć będzie się rozprowadzać w drewnie, aż potencjał chemiczny będzie jednolity, co skutkuje zerowym gradientem potencjału w równowadze (Skaar, 1988). Zakłada się, że strumień wilgoci próbujący osiągnąć stan równowagi jest proporcjonalny do różnicy potencjałów chemicznych i odwrotnie proporcjonalny do długości drogi, na której działa różnica potencjałów (Keey et al. , 2000).

Gradient potencjału chemicznego jest powiązany z gradientem zawartości wilgoci, jak wyjaśniono w powyższych równaniach (Keey et al. , 2000). Model dyfuzji wykorzystujący gradient zawartości wilgoci jako siłę napędową został z powodzeniem zastosowany przez Wu (1989) i Doe et al. (1994). Chociaż zgodność między profilami zawartości wilgoci przewidywanymi przez model dyfuzji oparty na gradientach zawartości wilgoci jest lepsza przy niższych zawartościach wilgoci niż przy wyższych, nie ma dowodów sugerujących, że istnieją znacząco różne mechanizmy transportu wilgoci działające przy wyższej wilgotności zawartość dla tego drewna. Ich obserwacje są zgodne z procesem transportu, który jest napędzany przez całkowite stężenie wody. W pracy tej zastosowano model dyfuzji oparty na dowodach empirycznych, że gradient zawartości wilgoci jest siłą napędową suszenia tego rodzaju nieprzepuszczalnego drewna.

Różnice w zawartości wilgoci między powierzchnią a środkiem (gradient, różnica potencjału chemicznego między fazą międzyfazową a objętością) przesuwają związaną wodę przez małe przejścia w ścianie komórkowej na zasadzie dyfuzji. W porównaniu z ruchem kapilarnym dyfuzja jest procesem powolnym. Dyfuzja jest ogólnie sugerowanym mechanizmem suszenia nieprzepuszczalnego drewna twardego (Keey et al. , 2000). Ponadto wilgoć migruje powoli, ponieważ substancje ekstrakcyjne zatykają małe otwory w ścianach komórkowych w twardzieli. To dlatego biel zazwyczaj schnie szybciej niż drewno twardzielowe w tych samych warunkach suszenia.

Kierunki ruchu wilgoci w celu dyfuzji

Podaje się, że stosunek szybkości dyfuzji wzdłużnej do poprzecznej (promieniowej i stycznej) dla drewna waha się od około 100 przy wilgotności 5% do 2–4 przy wilgotności 25% (Langrish i Walker, 1993). ). Dyfuzja promieniowa jest nieco szybsza niż dyfuzja styczna. Chociaż dyfuzja wzdłużna jest najszybsza, ma praktyczne znaczenie tylko wtedy, gdy suszy się krótkie kawałki. Generalnie deski drewniane są znacznie dłuższe niż pod względem szerokości lub grubości. Przykładowo typowy rozmiar zielonej deski użyty do tych badań to 6 m długości, 250 mm szerokości i 43 mm grubości. Jeżeli deski są cięte w ćwiartkę, to szerokość będzie w kierunku promieniowym, podczas gdy grubość będzie w kierunku stycznym, i odwrotnie w przypadku desek gładkich. Większość wilgoci jest usuwana z drewna przez ruchy boczne podczas suszenia.

Przyczyny pęknięć i pęknięć podczas suszenia drewna i ich kontrola

Główną trudnością przy suszeniu drewna jest tendencja do szybszego wysychania warstw zewnętrznych niż wewnętrznych. Jeśli pozwoli się tym warstwom wyschnąć znacznie poniżej punktu nasycenia włókien, podczas gdy wnętrze jest nadal nasycone, powstają naprężenia (zwane naprężeniami suszącymi), ponieważ kurczenie się warstw zewnętrznych jest ograniczone przez mokre wnętrze (Keey et al. , 2000). . W tkankach drewna dochodzi do pękania, aw konsekwencji do pękania i pękania, jeśli te naprężenia w poprzek włókien przekraczają wytrzymałość w poprzek włókien (wiązanie włókien z włóknami).

Skuteczna kontrola defektów suszenia w procesie suszenia polega na utrzymaniu równowagi pomiędzy szybkością parowania wilgoci z powierzchni a szybkością wyprowadzania wilgoci z wnętrza drewna na zewnątrz. Teraz zostanie wyjaśniony sposób, w jaki można kontrolować suszenie. Jednym z najskuteczniejszych sposobów suszenia lub sezonowania drewna jest suszenie w piecu, w którym drewno jest umieszczane w komorze pieca w stosach i suszone na parze i powoli uwalniając parę.

Wpływ temperatury, wilgotności względnej i szybkości cyrkulacji powietrza

Zewnętrzne warunki suszenia (temperatura, wilgotność względna i prędkość powietrza) kontrolują zewnętrzne warunki brzegowe suszenia, a tym samym szybkość suszenia, jak również wpływają na szybkość wewnętrznego ruchu wilgoci. Na szybkość suszenia mają wpływ zewnętrzne warunki suszenia (Walker i in. , 1993; Keyy i in. , 2000), co zostanie teraz opisane.

Temperatura: Jeśli wilgotność względna jest utrzymywana na stałym poziomie, im wyższa temperatura, tym wyższa szybkość suszenia. Temperatura wpływa na szybkość suszenia, zwiększając zdolność zatrzymywania wilgoci w powietrzu, a także przyspieszając szybkość dyfuzji wilgoci przez drewno.
Rzeczywista temperatura w suszarni to temperatura termometru suchego (zazwyczaj oznaczana przez Tg), która jest temperaturą mieszaniny parowo-gazowej określaną przez włożenie termometru z termometrem suchym. Z kolei temperaturę termometru wilgotnego (TW) definiuje się jako temperaturę osiągniętą przez odparowanie niewielkiej ilości cieczy w dużej ilości nienasyconej mieszaniny parowo-powietrznej. Czujnik temperatury tego termometru jest wilgotny za pomocą rękawa z porowatej tkaniny (tkaniny), zwykle umieszczanego w zbiorniku z czystą wodą. Potrzebny jest minimalny przepływ powietrza 2 m/s, aby zapobiec powstawaniu strefy zastoju wilgotnego powietrza wokół tulei (Walker i in. , 1993). Ponieważ powietrze przepływa przez mokrą tuleję, woda odparowuje i chłodzi termometr z wilgotnym termometrem. Różnica między temperaturą termometru suchego i mokrego, podciśnienie termometru mokrego, jest wykorzystywana do określenia wilgotności względnej ze standardowego wykresu higrometrycznego (Walker i in. , 1993). Większa różnica między temperaturą termometru suchego i mokrego wskazuje na niższą wilgotność względną. Na przykład, jeśli temperatura termometru suchego wynosi 100 °C, a temperatura termometru mokrego 60 °C, to wilgotność względna jest odczytywana jako 17% z wykresu higrometrycznego.
Wilgotność względna: Wilgotności względnej powietrza jest zdefiniowana jako ciśnienia cząstkowego pary wodnej, podzielona przez ciśnienie nasycenia pary wodnej w tej samej temperaturze i ciśnieniu całkowitym (Siau, 1984). Jeśli temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie, niższe wilgotności względne skutkują wyższymi szybkościami suszenia ze względu na zwiększony gradient wilgoci w drewnie, wynikający ze zmniejszenia zawartości wilgoci w warstwach powierzchniowych przy zmniejszeniu wilgotności względnej powietrza. Wilgotność względna jest zwykle wyrażana w procentach. Przy suszeniu innym istotnym parametrem związanym z wilgotnością względną jest wilgotność bezwzględna, czyli masa pary wodnej na jednostkę masy suchego powietrza (kg wody na kg suchego powietrza). Jednak ma na to wpływ ilość wody w ogrzanym powietrzu.
Szybkość cyrkulacji powietrza: Czas schnięcia i jakość drewna zależą od prędkości powietrza i jego równomiernej cyrkulacji. Przy stałej temperaturze i wilgotności względnej, najwyższą możliwą szybkość schnięcia uzyskuje się dzięki szybkiej cyrkulacji powietrza po powierzchni drewna, dającej szybkie usuwanie wilgoci odparowującej z drewna. Jednak wyższa szybkość suszenia nie zawsze jest pożądana, szczególnie w przypadku nieprzepuszczalnego drewna twardego, ponieważ przy wyższych szybkościach suszenia powstają większe naprężenia, które mogą powodować pękanie lub zniekształcanie drewna. Przy bardzo niskich prędkościach wentylatora, poniżej 1 m/s, przepływ powietrza przez komin jest często przepływem laminarnym, a wymiana ciepła między powierzchnią drewna a poruszającym się strumieniem powietrza nie jest szczególnie efektywna (Walker i in. , 1993). Niska efektywność (zewnętrzna) wymiany ciepła niekoniecznie stanowi problem, jeśli wewnętrzny ruch wilgoci jest kluczowym ograniczeniem ruchu wilgoci, jak to ma miejsce w przypadku większości gatunków drewna twardego (Pordage i Langrish, 1999).

Klasyfikacja tarcicy do suszenia

Drewno klasyfikuje się w następujący sposób, w zależności od łatwości suszenia i podatności na degradację:

Drewno wysoce ogniotrwałe: Takie drewno jest powolne i trudne do wyschnięcia, jeśli produkt końcowy ma być wolny od wad, w szczególności pęknięć i pęknięć. Przykładami są ciężkie drewno konstrukcyjne o dużej gęstości, takie jak żelazokora ( Eukaliptus paniculata ), czarniak ( E. pilularis ), południowa guma ( E. globulus ) i pędzel ( Lophostemon cofertus ). Dla uzyskania najlepszych rezultatów wymagają znacznej ochrony i pielęgnacji przed szybkim wysychaniem (Bootle, 1994).
Drewno umiarkowanie ogniotrwałe: Drewno te wykazuje umiarkowaną tendencję do pękania i pękania podczas sezonowania. Mogą być sezonowane bez wad w umiarkowanie szybkich warunkach schnięcia (tzn. można stosować maksymalną temperaturę termometru suchego 85 °C). Przykładami są niebieska guma Sydney ( E. saligna ) i inne drewno o średniej gęstości (Bootle, 1994), które potencjalnie nadają się na meble.
Drewno nieogniotrwałe: Takie drewno może być szybko sezonowane, aby było wolne od wad, nawet poprzez zastosowanie wysokich temperatur (temperatura termometru suchego powyżej 100 °C) w piecach przemysłowych. Jeśli nie wyschną szybko, mogą pojawić się przebarwienia (sinienie) i pleśń na powierzchni. Przykładami są drewno iglaste i drewno o niskiej gęstości, takie jak Pinus radiata .

Model

Szybkość schnięcia drewna zależy od wielu czynników, z których najważniejszymi są temperatura, wymiary drewna i wilgotność względna. Simpson i Tschernitz opracowali prosty model suszenia drewna w funkcji tych trzech zmiennych. Chociaż analizę wykonano dla dębu czerwonego, procedurę można zastosować do dowolnego gatunku drewna, dostosowując stałe parametry modelu.

W uproszczeniu model zakłada, że szybkość zmian wilgotności M względem czasu t jest proporcjonalna do odległości próbki drewna od wilgotności równowagowej , która jest funkcją temperatury T i wilgotności względnej h : $M_{e}$

{\ Displaystyle {\ Frac {dM} {dt}} = - {\ Frac {M-M_ {e}} {\ tau}}}

gdzie jest funkcją temperatury T i typowego wymiaru drewna L i ma jednostki czasu. Typowy wymiar drewna to mniej więcej najmniejsza wartość ( ), które są odpowiednio wymiarami promieniowymi, stycznymi i podłużnymi, w calach, przy czym wymiar podłużny jest podzielony przez dziesięć, ponieważ woda dyfunduje około 10 razy szybciej w kierunku podłużnym (wzdłuż słojów) niż w wymiarach bocznych. Rozwiązaniem powyższego równania jest: ${\ Displaystyle \ tau}$ ${\ Displaystyle L_ {R}, \ L_ {t}, \ L_ {L}/10}$

{\ Displaystyle {\ Frac {M-M_ {e}} {M_ {0}-M_ {e}}} = e ^ {- {\ Frac {t} {\ tau }}}}

Gdzie jest początkowa zawartość wilgoci. Stwierdzono, że dla tarcicy dębu czerwonego „stałą czasową” dobrze wyrażano jako: $M_{0}$ ${\ Displaystyle \ tau}$

{\ Displaystyle \ tau = {\ Frac {L ^ {n}} {a + bp_ {\ tekst {sob}} (T)}}}

gdzie a , b i n są stałymi i jest prężnością pary nasyconej wody w temperaturze T . Dla czasu mierzonego w dniach, długości w calach i mierzonego w mmHg, dla tarcicy dębu czerwonego uzyskano następujące wartości stałych. ${\ Displaystyle p_ {\ tekst {sob}} (T)}$ $p_{\tekst{sob}}$

a = 0,0575

b = 0,00142

n = 1,52

Obliczanie czasu schnięcia daje:

{\ Displaystyle t = - \ tau \, \ ln \ lewo ({\ Frac {M-M_ {e}} {M_ {0}-M_ {e}}} \ prawej) = {\ Frac {-L ^ { n}}{a+bp_{\text{sat}}(T)}}\,\ln \left({\frac {M-M_{e}}{M_{0}-M_{e}}}\ dobrze)}

Na przykład, w temperaturze 150 °F, stosując równanie Arden Bucka , stwierdzono, że ciśnienie pary nasyconej wody wynosi około 192 mmHg (25,6 kPa). Stała czasowa suszenia płyty z czerwonego dębu o grubości 1 cala (25 mm) w temperaturze 150 °F wynosi zatem dni, czyli czas wymagany do zmniejszenia zawartości wilgoci do 1/e = 37% jej początkowego odchylenia od równowagi. Jeśli wilgotność względna wynosi 0,50, to stosując równanie Hailwooda-Horrobina zawartość wilgoci w drewnie w równowadze wynosi około 7,4%. Czas na zmniejszenie wilgotności tarcicy z 85% do 25% wilgotności wynosi wtedy około 4,5 dnia. Wyższe temperatury spowodują skrócenie czasu schnięcia, ale spowodują również większe naprężenia w drewnie, ponieważ gradient wilgotności będzie większy. W przypadku drewna opałowego nie stanowi to problemu, ale w przypadku obróbki drewna wysokie naprężenia spowodują pękanie drewna i stanie się bezużyteczne. Normalne czasy schnięcia w celu uzyskania minimalnej kontroli sezonowania (pęknięć) w grubości 25 mm (1 cal lub 4/4 tarcica) Red Oak waha się od 22 do 30 dni, a w 8/4 (50 mm lub 2 cale) waha się od 65 do 90 dni. ${\ Displaystyle \ tau = 3,03}$

Metody suszenia drewna

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwie metody suszenia drewna:

suszenie naturalne lub suszenie powietrzem
sztuczne suszenie

Suszenie powietrzem

Suszenie powietrzem to suszenie drewna poprzez wystawienie go na działanie powietrza. Technika suszenia powietrzem polega głównie na wykonaniu stosu tarcicy (z warstwami desek oddzielonych naklejkami) na podniesionych fundamentach, w czystym, chłodnym, suchym i zacienionym miejscu. Szybkość schnięcia w dużej mierze zależy od warunków klimatycznych oraz ruchu powietrza (ekspozycja na wiatr). Aby suszenie powietrzem było skuteczne, należy zapewnić ciągły i równomierny przepływ powietrza przez stos drewna (Desch i Dinwoodie, 1996).

Szybkość utraty wilgoci można kontrolować, powlekając deski dowolną substancją, która jest stosunkowo nieprzepuszczalna dla wilgoci; zwykły olej mineralny jest zwykle dość skuteczny. Pokrycie końców kłody olejem lub grubą farbą poprawia ich jakość po wyschnięciu. Owijanie desek lub bali materiałami, które pozwolą na pewien ruch wilgoci, generalnie działa bardzo dobrze, pod warunkiem, że drewno zostanie najpierw zabezpieczone przed infekcją grzybiczą poprzez pokrycie benzyną/benzyną lub olejem. Olej mineralny zazwyczaj nie wsiąka głębiej niż 1–2 mm pod powierzchnię i można go łatwo usunąć przez struganie, gdy drewno jest odpowiednio suche.

Korzyści: Ta metoda suszenia może być mniej kosztowna (nadal są koszty związane z przechowywaniem drewna i wolniejszym procesem wprowadzania drewna na rynek), a suszenie powietrzem często daje wyższą jakość, łatwiej obrabialne niż z suszeniem w piecu.
Wady: W zależności od klimatu suszenie drewna na powietrzu zajmuje od kilku miesięcy do kilku lat.

Suszenie piecowe

Duży piec do suszenia drewna, używany do klonu

Proces sztucznego suszenia lub suszenia „w piecu” polega zasadniczo na wprowadzaniu ciepła. Może to być bezpośrednio, przy użyciu gazu ziemnego i/lub energii elektrycznej, lub pośrednio, poprzez wymienniki ciepła ogrzewane parą. Energia słoneczna jest również opcją. W tym procesie celowa kontrola temperatury, wilgotności względnej i cyrkulacji powietrza stwarza zmienne warunki do uzyskania określonych profili suszenia. Aby to osiągnąć, drewno jest układane w stosy w komorach, które są wyposażone w sprzęt do kontrolowania temperatury atmosferycznej, wilgotności względnej i szybkości cyrkulacji (Walker i in., 1993; Desch i Dinwoodie, 1996).

Suszenie komorowe jest sposobem na pokonanie ograniczeń narzuconych przez zmienne warunki pogodowe. W przypadku suszenia w piecu, podobnie jak w przypadku suszenia powietrzem, jako medium suszące stosuje się powietrze nienasycone. Prawie wszystkie rodzaje drewna komercyjnego na świecie są suszone w piecach przemysłowych. Porównanie suszenia powietrzem, konwencjonalnego pieca i suszenia słonecznego przedstawiono poniżej:

Drewno można suszyć do dowolnej pożądanej zawartości wilgoci za pomocą konwencjonalnego lub słonecznego suszenia, ale w przypadku suszenia powietrzem zawartość wilgoci poniżej 18% jest trudna do osiągnięcia w większości lokalizacji.
Czasy suszenia są znacznie krótsze w konwencjonalnym suszeniu w piecu niż w suszeniu w piecu słonecznym, po którym następuje suszenie powietrzem.
- Oznacza to, że jeśli w grę wchodzą nakłady kapitałowe, to kapitał ten utrzymuje się dłużej, gdy stosuje się suszenie powietrzem. Z drugiej strony instalacja, obsługa i konserwacja pieca przemysłowego jest kosztowna.
- Ponadto drewno suszone powietrzem zajmuje miejsce, co również może kosztować.
W przypadku suszenia powietrzem istnieje niewielka kontrola nad warunkami suszenia, więc nie można kontrolować szybkości suszenia.
Temperatury stosowane w suszeniu w piecu zwykle zabijają wszystkie grzyby i owady w drewnie, jeśli maksymalna temperatura termometru suchego wynosi powyżej 60°C w harmonogramie suszenia. Nie jest to gwarantowane w przypadku suszenia powietrzem.
Jeśli suszenie powietrzem zostanie wykonane niewłaściwie (wystawione na działanie promieni słonecznych), tempo suszenia może być zbyt szybkie w suchych miesiącach letnich, powodując pękanie i pękanie oraz zbyt wolne w zimnych miesiącach zimowych.

Istotnymi zaletami konwencjonalnego suszenia w piecu są wyższa przepustowość i lepsza kontrola końcowej zawartości wilgoci. Zarówno konwencjonalne piece, jak i suszenie słoneczne umożliwiają suszenie drewna do dowolnej zawartości wilgoci, niezależnie od warunków pogodowych. W przypadku większości operacji suszenia na dużą skalę suszenie słoneczne i konwencjonalne suszenie w piecu jest bardziej wydajne niż suszenie powietrzem.

Piece typu komorowego są najczęściej używane w firmach drzewnych. Piec komorowy jest wypełniony statyczną partią drewna, przez którą krąży powietrze. W tego typu piecach drewno pozostaje nieruchome. Warunki suszenia są sukcesywnie zmieniane w zależności od rodzaju suszonego drewna. Ta metoda suszenia jest dobrze dostosowana do potrzeb firm drzewnych, które muszą suszyć drewno różnych gatunków i grubości, w tym ogniotrwałe drewno twarde, które jest bardziej podatne na kontrolę i pękanie niż inne gatunki.

Głównymi elementami suszenia komorowego są:

Materiały budowlane: Komory są zazwyczaj zbudowane z muru ceglanego lub pustaków cementowo-betonowych. Blacha lub prefabrykowane aluminium w konstrukcji dwuściennej z przekładkową izolacją termiczną, taką jak wełna szklana lub pianki poliuretanowe, to materiały stosowane również w niektórych nowoczesnych piecach opalanych drewnem. Jednakże komory murowane z cegły, z tynkiem wapiennym i (zaprawowym) od wewnątrz i pomalowane nieprzepuszczalnymi powłokami, są szeroko stosowane i okazały się zadowalające dla wielu zastosowań.
Ogrzewanie: Ogrzewanie odbywa się zwykle za pomocą parowych wymienników ciepła i rur o różnych konfiguracjach (np. rur gładkich lub żebrowanych (poprzecznych lub wzdłużnych)) lub za pomocą dużych rur spalinowych, przez które przepuszczane są gorące gazy z pieca opalanego drewnem. Tylko sporadycznie do ogrzewania wykorzystuje się energię elektryczną lub gaz.
Nawilżanie: Nawilżanie jest zwykle realizowane przez wprowadzenie świeżej pary do pieca przez rurę rozpylającą parę. W celu ograniczenia i kontrolowania wilgotności powietrza, gdy duże ilości wilgoci szybko odparowują z drewna, zwykle we wszystkich typach pieców istnieje możliwość wentylacji komory.
Cyrkulacja powietrza: Cyrkulacja powietrza to sposób na odprowadzanie ciepła i wilgoci ze wszystkich części ładunku. Najczęściej stosuje się piece z wymuszonym obiegiem powietrza, w których cyrkulacja powietrza odbywa się za pomocą wentylatorów lub dmuchaw, które mogą być instalowane na zewnątrz komory pieca (piec z wentylatorem zewnętrznym) lub wewnątrz (piec z wentylatorem wewnętrznym).

W trakcie całego procesu konieczna jest ścisła kontrola zawartości wilgoci za pomocą systemu miernika wilgotności, aby ograniczyć przesuszenie i umożliwić operatorom wiedzieć, kiedy należy wyciągnąć wsad. Najlepiej, jeśli ten miernik wilgotności w piecu będzie miał funkcję automatycznego wyłączania.

Harmonogramy suszenia w piecu

Zadowalające suszenie w piecu można zwykle osiągnąć poprzez regulację temperatury i wilgotności powietrza obiegowego w celu kontrolowania zawartości wilgoci w tarcicy w dowolnym momencie. Warunek ten osiąga się, stosując harmonogramy suszenia w piecu. Pożądanym celem odpowiedniego harmonogramu jest zapewnienie suszenia tarcicy w najszybszym możliwym tempie bez powodowania niepożądanej degradacji. Następujące czynniki mają duży wpływ na harmonogramy.

Gatunki: Różnice we właściwościach anatomicznych, fizycznych i mechanicznych między gatunkami wpływają na czas suszenia i ogólne wyniki.
Grubość tarcicy: Czas schnięcia jest odwrotnie proporcjonalny do grubości i do pewnego stopnia szerokości tarcicy.
Niezależnie od tego, czy deski tarcicy są piłowane na ćwierć, piłowane na płasko, czy piłowane (mieszane): Wzór piłowania wpływa na zniekształcenie spowodowane anizotropią skurczu.
Dopuszczalny rozkład suszenia: Agresywne harmonogramy suszenia mogą powodować pękanie i zniekształcanie drewna.
Przeznaczenie drewna: Wymagania mechaniczne i estetyczne będą wymagać różnych docelowych poziomów wilgotności w zależności od zamierzonego zastosowania.

Biorąc pod uwagę każdy z czynników, żaden harmonogram nie jest koniecznie odpowiedni, nawet dla podobnych ładunków tego samego gatunku. Dlatego tak wiele badań nad suszeniem drewna koncentruje się na opracowaniu efektywnych harmonogramów suszenia.

Piec osuszający

Komora osuszająca może być systemem niewentylowanym (pętla zamknięta) lub systemem częściowo wentylowanym, który wykorzystuje pompę ciepła do skraplania wilgoci z powietrza przy użyciu zimnej strony procesu chłodzenia (parownik). Ciepło w ten sposób zebrane jest przesyłane do gorącej strony proces chłodzenia (skraplacz), aby ponownie ogrzać powietrze i zawrócić suche i cieplejsze powietrze do pieca. Wentylatory przedmuchują stosy jak w normalnym piecu. Piece te tradycyjnie pracują w temperaturach od 100°F do 160°F i zużywają około połowy energii w porównaniu do pieca konwencjonalnego.

Piec próżniowy

Te piece mogą być najszybciej suszące i najbardziej wydajne pod względem zużycia energii. W próżni woda wrze w niższej temperaturze. Oprócz szybkości piec próżniowy może również zapewnić lepszą jakość drewna.

Niskie ciśnienie otoczenia obniża temperaturę wrzenia wody, ale ilość energii wymagana do przemiany cieczy w parę jest taka sama. Oszczędności wynikają z braku konieczności ogrzewania ogromnego budynku i braku konieczności odprowadzania ciepła przy jednoczesnym obniżeniu wilgotności.

Ponieważ cała wolna woda może być usunięta w temperaturze poniżej 45 stopni Celsjusza, poprawia się jakość.

Podczas gdy konwencjonalne suszenie wykorzystuje ciepłe, suche powietrze do usuwania wody z powierzchni, piece próżniowe mogą zagotować wodę z wnętrza drewna. Dzięki temu dobry piec próżniowy może bardzo szybko wysuszyć bardzo grube drewno. Możliwe jest wysuszenie 12/4 Red Oak prosto z piły do 7% w ciągu 11 dni.

Ponieważ drewno suszy się z gradientem pary - ciśnienie pary do ciśnienia otoczenia - wilgotność może być utrzymywana na bardzo wysokim poziomie. Z tego powodu dobry piec próżniowy może wysuszyć biały dąb o grubości 4,5 cala prosto z piły do 8% w mniej niż miesiąc. Wyczyn, który wcześniej uważano za niemożliwy.

Piec słoneczny

Piec słoneczny to skrzyżowanie suszenia w piecu z suszeniem na powietrzu. Piece te są zazwyczaj szklarniami z wentylatorem wysokotemperaturowym i otworami wentylacyjnymi lub systemem kondensacji. Piece słoneczne są wolniejsze i zmienne ze względu na pogodę, ale są tanie.

Przyprawa do wody

Zanurzenie w bieżącej wodzie szybko usuwa sok, a następnie drewno suszy się na powietrzu. "... zmniejsza elastyczność i trwałość drewna, a także sprawia, że staje się kruche." Ale istnieją konkurencyjne perspektywy, np. „Duhamel, który przeprowadził wiele eksperymentów na ten ważny temat, stwierdza, że drewno na użytek stolarza najlepiej jest na jakiś czas zanurzyć w wodzie, a następnie wysuszyć, ponieważ sprawia to, że drewno jest mniej podatne na wypaczanie i pękają podczas wysychania, ale dodaje, „gdzie siła jest potrzebna, nie należy jej wkładać do wody”.

Przyprawa do gotowania lub na parze

Zanurzenie we wrzącej wodzie lub zastosowanie pary przyspiesza suszenie drewna. Mówi się, że ta metoda powoduje mniejszy skurcz „… ale jest kosztowna w użyciu i zmniejsza wytrzymałość i elastyczność drewna”.

Przyprawa chemiczna lub solna

Przyprawa solna polega na zanurzeniu drewna w roztworze mocznika, azotanu sodu, które działają jak środki odwadniające. Następnie drewno jest suszone na powietrzu.

Przyprawa elektryczna

Przyprawa elektryczna polega na przepływie prądu elektrycznego przez drewno, powodując nagrzewanie się drewna. Ta metoda jest kosztowna, ale zapewnia szybką i jednolitą jakość.

Wady suszenia

Wady wysychania są najczęstszą formą degradacji drewna, obok naturalnych problemów, takich jak sęki (Desch i Dinwoodie, 1996). Istnieją dwa rodzaje defektów suszenia, chociaż niektóre defekty mają obie przyczyny:

Wady wynikające z anizotropii skurczu, powodujące wypaczenia: bańki, wyginanie, skręcanie, wykrzywianie, sprężystość i diamentowanie.
Wady wynikające z nierównomiernego wysychania, powodujące rozerwanie tkanki drzewnej, takie jak pętelki (powierzchniowe, końcowe i wewnętrzne), rozdarcia końcówek, tworzenie się plastra miodu i utwardzanie powierzchniowe. Może również wystąpić zapadanie się, często objawiające się pofałdowaniem, czyli tzw. washboardingiem powierzchni drewna (Innes, 1996). Zapadnięcie się jest defektem wynikającym z fizycznego spłaszczenia włókien powyżej punktu nasycenia włókien, a zatem nie jest formą anizotropii skurczu.

Organizacje normalizacyjne w Australii i Nowej Zelandii (AS/NZS 4787, 2001) opracowały normę jakości drewna. Pięć miar jakości suszenia obejmuje:

gradient wilgotności i obecność szczątkowych naprężeń wysychających (nawęglanie);
kontrole powierzchni, wewnętrzne i końcowe;
zawalić się;
zniekształcenia;
przebarwienia spowodowane wysuszeniem.

Piec do suszenia drewna

Obecnie istnieje wiele różnych technologii suszenia drewna: konwencjonalne, osuszające, słoneczne, próżniowe i radiowe.

Konwencjonalne suszarnie do drewna (Rasmussen, 1988) mają konstrukcję typu pakietowego (z wózkiem bocznym) lub torowego (tramwajowego). Większość pieców do wypalania drewna liściastego to piece z ładowaczem bocznym, w których do załadunku pakietów tarcicy do pieca używane są wózki widłowe. Większość pieców do tarcicy z drewna iglastego to piece torowe, w których pakiety tarcicy są ładowane do pieca/wózków gąsienicowych w celu załadunku pieca.

Nowoczesne, wysokotemperaturowe piece konwencjonalne z dużą prędkością powietrza mogą w ciągu 10 godzin suszyć surową tarcicę o grubości 25 mm, osiągając wilgotność 18%. Jednak zielony dąb czerwony o grubości 1 cala potrzebuje około 28 dni na wyschnięcie do wilgotności 8%.

Ciepło jest zwykle wprowadzane za pomocą pary przepływającej przez wymienniki ciepła lamelowo-rurowe sterowane zaworami pneumatycznymi typu on/off. Mniej powszechne są proporcjonalne zawory pneumatyczne, a nawet różne siłowniki elektryczne. Wilgoć usuwana jest poprzez system otworów wentylacyjnych, których specyficzny układ jest zwykle specyficzny dla danego producenta. Ogólnie rzecz biorąc, chłodne, suche powietrze jest wprowadzane z jednego końca pieca, a ciepłe, wilgotne powietrze jest usuwane z drugiego. Konwencjonalne piece do drewna liściastego wymagają również wprowadzenia wilgoci za pomocą natrysku parowego lub systemu zraszania zimną wodą, aby utrzymać wilgotność względną wewnątrz pieca przed zbyt niskim spadkiem podczas cyklu suszenia. Kierunki wentylatorów są zwykle odwracane okresowo, aby zapewnić równomierne suszenie większych wsadów pieca.

Większość pieców do wypalania drewna iglastego pracuje w temperaturze poniżej 115 °C (239 °F). Harmonogramy suszenia tarcicy liściastej w piecu zwykle utrzymują temperaturę termometru suchego poniżej 80 °C (176 °F). Gatunki trudne do wyschnięcia nie mogą przekraczać 60 °C (140 °F).

Piece z osuszaniem są bardzo podobne do pieców konwencjonalnych w podstawowej konstrukcji. Czasy schnięcia są zwykle porównywalne. Ciepło jest dostarczane przede wszystkim przez zintegrowany zespół osuszający, który służy również do usuwania wilgoci. Ciepło pomocnicze jest często dostarczane na wczesnym etapie harmonogramu, gdy wymagane ciepło może przekroczyć ciepło wytwarzane przez jednostkę ciepłowniczą.

Piece słoneczne to piece konwencjonalne, zwykle budowane przez hobbystów, aby utrzymać niskie początkowe koszty inwestycji. Ciepło jest dostarczane przez promieniowanie słoneczne, natomiast cyrkulacja powietrza wewnętrznego jest zwykle pasywna.

W 1949 roku firma z Chicago wprowadziła piec do suszenia drewna, w którym zastosowano lampy na podczerwień, które, jak twierdzili, skróciły standardowy czas suszenia z 14 dni do 45 minut.

Nowsze technologie suszenia drewna obejmowały użycie obniżonego ciśnienia atmosferycznego w celu przyspieszenia procesu suszenia. Istnieje wiele technologii próżniowych, różniących się przede wszystkim sposobem wprowadzania ciepła do wsadu drzewnego. Wałowe piece próżniowe z gorącą wodą wykorzystują aluminiowe płyty grzewcze z krążącą w nich wodą jako źródło ciepła i zazwyczaj pracują przy znacznie obniżonym ciśnieniu bezwzględnym. Nieciągły i SSV (para przegrzana) wykorzystują atmosferę do wprowadzenia ciepła do wsadu pieca. Technologia nieciągła pozwala na osiągnięcie pełnego wsadu w piecu do pełnego ciśnienia atmosferycznego, następnie podgrzewanie powietrza w komorze i podciśnienie. SSV pracują w atmosferach cząstkowych (zwykle około 1/3 pełnego ciśnienia atmosferycznego) w hybrydzie technologii próżniowej i konwencjonalnej (piece SSV są znacznie bardziej popularne w Europie, gdzie lokalnie pozyskiwane drewno jest łatwiejsze do wysuszenia w porównaniu z gatunkami występującymi w Ameryce Północnej) . Piece RF/V (częstotliwość radiowa + próżnia) wykorzystują promieniowanie mikrofalowe do ogrzewania wsadu i zazwyczaj mają najwyższe koszty operacyjne ze względu na ciepło parowania dostarczane przez energię elektryczną, a nie lokalne źródła paliw kopalnych lub odpadów drzewnych.

Prawidłowe badania ekonomiczne różnych technologii suszenia drewna opierają się na całkowitej energii, kapitale, ubezpieczeniu/ryzyku, wpływie na środowisko, pracy, konserwacji i kosztach degradacji produktu dla zadania usuwania wody z włókna drzewnego. Koszty te (które mogą stanowić znaczną część kosztów całej instalacji) obejmują zróżnicowany wpływ obecności sprzętu suszącego w konkretnym zakładzie. Przykładem tego jest to, że każdy element wyposażenia (w zakładzie produkcji drewna) od przycinarki do zielonego przycinarki do systemu podającego w strugarce jest „systemem suszenia”. Ponieważ na całym świecie istnieją tysiące różnych rodzajów zakładów produkujących wyroby z drewna, które mogą być zintegrowane (tarcica, sklejka, papier itp.) lub wolnostojące (tylko drewno), prawdziwe koszty systemu suszenia można określić tylko porównując całkowite koszty instalacji i ryzyko z suszeniem i bez.

Całkowite (szkodliwe) emisje do powietrza wytwarzane przez piece opalane drewnem, łącznie ze źródłem ciepła, mogą być znaczące. Zazwyczaj im wyższa temperatura, w której piec pracuje, tym większa ilość emisji jest wytwarzana (na funt usuniętej wody). Dotyczy to zwłaszcza suszenia cienkich fornirów i suszenia drewna iglastego w wysokiej temperaturze.

Normy OSHA dotyczące suchych pieców

1910.265(f)(3)(i)(a): Główne drzwi pieca powinny być wyposażone w sposób utrzymywania ich otwartych podczas załadunku pieca.

1910.265(f)(3)(i)(b): Przeciwwagi na drzwiach windy pionowej powinny być zapakowane lub zabezpieczone w inny sposób.

1910.265(f)(3)(i)(c): Należy zapewnić odpowiednie środki do trwałego zabezpieczenia głównych drzwi, gdy są one odłączone od nośników i wieszaków, aby zapobiec ich przewróceniu.

1910.265(f)(3)(ii)(a): Jeżeli procedury operacyjne wymagają dostępu do pieców, piece powinny być wyposażone w drzwi ewakuacyjne, które działają łatwo od wewnątrz, odchylają się w kierunku wyjścia i są zlokalizowane w lub w pobliżu główne drzwi na końcu przejścia.

1910.265(f)(3)(ii)(b): Drzwi ewakuacyjne muszą mieć odpowiednią wysokość i szerokość, aby pomieścić przeciętnego człowieka.

1910.265(f)(4): Doły . Doły powinny być dobrze wentylowane, osuszane i oświetlone oraz powinny być wystarczająco duże, aby bezpiecznie pomieścić operatora pieca wraz z urządzeniami roboczymi, takimi jak zawory, przepustnice, pręty przepustnic i pułapki.

Zobacz też

Koktajle (drewno)

Bibliografia

Dalsza lektura

BARU (2000). Krajowa Inwentaryzacja Plantacji, marzec 2000. 4p.
Zaraz. (1997). Rynki drewna, w domu i na wyjeździe: australijscy plantatorzy wykorzystujący międzynarodowy popyt. Pie, Biuletyn australijskich międzynarodowych i krajowych organizacji badawczo-rozwojowych zajmujących się przemysłem pierwotnym i energią (PIE). Tom 7 (wydanie letnie): s.14.
Butelka, KR (1994). Drewno w Australii: rodzaje, właściwości i zastosowania. McGraw-Hill Book Company, Sydney. 443 pkt.
Desch, HE i Dinwoodie, JM (1996). Drewno: struktura, właściwości, konwersja i użytkowanie. 7 wyd. Macmillan Press Ltd., Londyn. 306p.
Doe, PD, Oliver, AR i Booker, JD (1994). Nieliniowy model odkształcenia i zawartości wilgoci w różnych harmonogramach suszenia drewna liściastego. Proc. IV Międzynarodowa Konferencja Suszenia Drewna IUFRO, Rotorua, Nowa Zelandia. 203-210 s.
Haque, MN (1997). Chemiczna modyfikacja drewna bezwodnikiem octowym. Praca magisterska. Uniwersytet Walii, Bangor, Wielka Brytania. 99 pensów.
Hoadley, R. Bruce (2000). Understanding Wood: A Craftsman's Guide to Wood Technology (2nd. ed.). Taunton Naciśnij . Numer ISBN 1-56158-358-8.
Innes, T. (1996). Poprawa jakości sezonowanego drewna liściastego ze szczególnym uwzględnieniem zawalenia. Praca doktorska. Uniwersytet Tasmanii, Australia. 172 pkt.
Keyy, RB, Langrish, TAG i Walker, JCF (2000). Suszenie tarcicy w piecu. Springera w Berlinie. 326p.
Kollmann, FFP i Cote, WAJ (1968). Zasady nauki i technologii drewna. I. Lite drewno. Springer-Verlag, Nowy Jork. 592p.
Kumar, S. (1994). Modyfikacja chemiczna drewna. Wood and Fibre Sci., 26(2):270-280.
Langrish, TAG i Walker, FKŻ (1993). Procesy transportowe w drewnie. W: Walker, JCF Pierwotna obróbka drewna. Chapman i Hall, Londyn. s. 121–152.
Panshin, AJ i de Zeeuw, C. (1970). Podręcznik Technologii Drewna. Tom 1, wydanie trzecie. McGraw-Hill, Nowy Jork, 705 s.
Pordage, LJ i Langrish, TAG (1999). Symulacja wpływu prędkości powietrza na suszenie drewna liściastego. Technologia suszenia - Międzynarodowy Dziennik, 17 (1 i 2): 237-256.
Rasmussen, EF (1988). Laboratorium Produktów Leśnych, Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych. (red.). Instrukcja obsługi suchego pieca . Rada ds. Badań nad Drewnem Liściastym.
Rowell, RM (1983). Modyfikacja chemiczna drewna. Streszczenie produktów leśnych, 6(12):363-382.
Rowell, RM (1991). Modyfikacja chemiczna drewna. W: Hon, DN-S i Shiraishi, N. (red.), Chemia drewna i celulozy. s. 703-756. Marcel Dekker, Inc., Nowy Jork.
Siau, JF (1984). Procesy transportu w drewnie. Springer-Verlag, Nowy Jork. 245 pkt.
Sjostrom, E. (1993). Chemia drewna: podstawy i zastosowania. Academic Press Limited, Londyn. 293 pkt.
Skaar, C. (1988). Stosunki wodne drewna. Springer-Verlag, Nowy Jork. 283 pkt.
Stamm, AJ (1964). Nauka o drewnie i celulozie. Ronalda Press, Nowy Jork. 509p.
Standardowa Australia (2000). Drewno - podział na grupy wytrzymałościowe. Norma australijska/nowozelandzka (AS/NZS) 2878. Sydney. 36p.
Standardowa Australia (2001). Drewno - ocena jakości suszenia. Norma australijska/nowozelandzka (AS/NZS) 4787. Sydney. 24p.
Strumillo, C. i Kudra, T. (1986). Suszenie: zasady, zastosowania i projektowanie. Gordon and Breach Science Publishers, Nowy Jork. 448p.
Walker, JCF, Butterfield, BG, Langrish, TAG, Harris, JM i Uprichard, JM (1993). Podstawowa obróbka drewna. Chapman i Hall, Londyn. 595 pensów.
Wise, LE i Jahn, WE (1952). Chemia drewna. Tom 2. Reinhold Publishing Corp., Nowy Jork. 1343 pensów.
Wu, Q. (1989). Badanie niektórych problemów w suszeniu tasmańskiego drewna eukaliptusowego. mgr inż. Sc. Praca dyplomowa, Uniwersytet Tasmanii. 237 pkt.

Linki zewnętrzne

Czasopismo technologii suszenia
Bois, Paul J.. „Obchodzenie się, suszenie i przechowywanie ciężkiego drewna dębowego” Biuletyn techniczny US Forest Products Laboratory nr 8 1978.

Languages

In other projects