Физические явления, связанные с сушкой древесины

Физические явления, связанные с сушкой древесины

Сушка древесины происходит в результате удаления влаги с поверхности ее и влагопереноса, т. е. перемещения влаги внутри древесины. Перемещение влаги внутри материала может происходить в следующих условиях: если содержание влаги в различных участках будет неодинаковое, она будет переме­щаться в направлении участков с меньшей влажностью из-за перепада влажности; если температура различных участков бу­дет неодинакова, влага будет перемещаться в направлении по­нижающейся температуры из-за перепада температуры; если давление на отдельных участках объема древесины будет раз­личное, влага будет перемещаться к участкам с пониженным давлением из-за перепада давления.

Движение влаги под действием перепада влажности назы­вается влагопроводностью. Влагопроводность древе­сины зависит от коэффициента влагопроводности, температуры, породы древесины, влажности материала, направления движе­ния влаги относительно волокон, местоположения древесины в стволе (ядро, заболонь). Движение влаги под действием пере­пада температуры называется термовлагопроводно-стью. Под действием перепада давления движение влаги ха­рактеризуется молярным влагопереносом, т. е. образованием непрерывного направленного потока влаги. При сушке древесины возможно одновременное действие всех пере­численных факторов.

Конвективная сушка древесины в воздушной среде делится по уровню начальной влажности на две группы: сушка с на­чальной влажностью древесины ниже предела насыщения и сушка с начальной влажностью выше предела насыщения. По уровню температуры воздушной среды сушка делится на низ­котемпературную (температура воздуха ниже 100 °С) и высо­котемпературную (температура выше 100 °С).

Рассмотрим этап сушки, наиболее ответственный по уровню начальной влажности и наиболее распространенный в производ­стве по уровню температуры - низкотемпературную сушку при начальной влажности ниже предела насыщения. Древесина помещена в среду влажного горячего воздуха. Температура и влажность воздуха таковы, что соответствующая его состоянию равновесия влажность древесины значительно ниже начальной влажности высушиваемой древесины. С поверх­ности древесины начинается испарение влаги и влажность по­верхностных слоев снижается. В результате перепада влажно­сти влага из глубинных слоев начинает перемещаться к по­верхностным слоям. Температура поверхности сначала быстро, а потом замедленно повышается, приближаясь к температуре воздуха. Температура средней части также повышается с неко­торым отставанием от температуры периферийной зоны.

Средняя влажность древесины в период прогрева (время от 0 до определенного момента) почти не изме­няется. Это объясняется тем, что влага не перемещается, так как под действием перепада влажности жидкость должна была бы двигаться наружу, а под действием перепада температуры - внутрь. В последующие моменты времени, когда перепад тем­пературы по сечению материала становится незначительным, начинается перемещение влаги наружу в результате влагопро­водности и средняя влажность древесины снижается. К концу процесса температура поверхности древесины и ее центра почти выравнивается и становится близкой к температуре воздуха. Влажность древесины приближается к равновесной. Однако вследствие значительного замедления процесса уменьшения влажности сушку не доводят до состояния равновесной влаж­ности, а заканчивают раньше - при достижении заданной ко­нечной влажности.

В процессе конвективной сушки влажность по сечению ма­териала уменьшается неравномерно — на протяжении всего про­цесса влажность наружных слоев меньше, внутренних больше. Перепад влажности в первом периоде больше, во втором периоде меньше. Нерав­номерное распределение влажности приводит к неравномерной усушке материала - наружные слои усыхают больше, чем внут­ренние.

Усадке наружных слоев препятствует их связь с внутрен­ними слоями. В результате этого в материале возникают напря­жения, растягивающие на поверхности и сжимающие внутри. Обнаружить напряжения можно, вырезав из материала торцо­вую пластинку секцию и распилив ее на ряд слоев. Так как пропилами нарушили связь между слоями древесины по ее сечению, каждый слой свободно уменьшился на величину усушки и наружные слои стали короче внутренних. Для того чтобы их вернуть в прежнее состояние, необходимо наружные слои растянуть. Значит, при этом возникнут напряжения растяжения. Так как наружные слои были связаны с внутренними, растягивающие усилия наружных слоев уравновешивались на­пряжениями сжатия внутренних слоев.

Если бы древесина была идеально упругим материалом, к концу сушки, когда влажность по сечению выравнивается, исчезли бы и напряжения. Однако вследствие пластичности древесины возникшие напряжения приводят к тому, что в ней по­являются остаточные деформации, т. е. наружные слои под дей­ствием растягивающих сил как бы удлиняются, а внутренние укорачиваются. Этому способствует и то, что при повышенной температуре и влажности древесина становится более пластич­ной.

При дальнейшей сушке влажность внутренних слоев умень­шается и приближается к влажности наружных слоев. Напря­жения также уменьшаются. Они должны были бы исчезнуть, но, так как за это время произошла остаточная деформация, т. е. внутренние слои укоротились, а наружные вытянулись, они пре­пятствуют нормальной усадке древесины и появляются напря­жения обратного знака. Обнаружить эти напряжения можно по секции, вновь вырезанной из высушиваемого материала. Эти напряжения исчезнуть не могут, так как влаж­ность древесины стала меньше и древесина - менее пластичной.

Для снижения или полной ликвидации напряжений обрат­ного знака древесину подвергают термовлагообработке, заклю­чающейся в обработке воздухом повышенной влажности и тем­пературы. При этом наружные слои нагреваются и увлажня­ются, становясь пластичными. Из-за увлажнения они разбухают и стремятся увеличиться в размере. Появляются дополнитель­ные остаточные деформации сжатия, компенсирующие ранее возникшие остаточные деформации растяжения.

Термовлагообработка назначается незадолго до конца про­цесса сушки, в момент перемены знака напряжения. Этот мо­мент можно установить по вырезанной секции. В момент пере­мены знака напряжения исчезают и все слои секции становятся одинаковой длины. Такой же вид секции должен быть у древесины после сушки и выравнивания влажности, если в ней нет внутренних напряжений.