Способ обработки древесины

Способ обработки древесины

Реферат

 

Использование: в области обработки древесины и древесных материалов в деревообрабатывающем производстве, а также при обработке других волокнистых материалов на основе древесины или имеющих аналогичную структуру. Сырую древесину нагревают в герметичной камере до достижения начального давления не менее 2 атм, выдерживают древесину при установившихся значениях начальной температуры и начальном давлении в течение времени, необходимого для полного прогрева всего объема древесины. Затем, не прекращая нагрева, снижают давление в камере со скоростью не более 0,1 атм/мин за счет отвода из камеры влаги в виде парогазовой среды. Далее продолжают обработку древесины до достижения значения остаточной влажности среды в камере, при котором величина остаточной влажности древесины не превышает заданной конечной влажности материала. Обеспечиваются повышение качества обработки древесины, улучшение ее структуры и технологических свойств. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области обработки древесины и древесных материалов, в частности к методам сушки, и может быть использовано в деревообрабатывающем производстве, а также при обработке других волокнистых материалов на основе древесины или имеющих аналогичные условия сушки.

При высушивании материалов одновременно происходят два основных процесса: передача тепла для испарения жидкости и перенос массы жидкости внутри обрабатываемого тела и с его поверхности. Факторы, влияющие на скорость этих процессов, определяют и скорость высушивания. В естественных условиях сушка (так называемая атмосферная сушка) материалов осуществляется воздухом, имеющим температуру окружающей среды, и требует значительного времени для получения заданного значения остаточной влажности. По сравнению с атмосферной сушкой использование сушки в специальных камерах позволяет существенно сократить длительность процесса за счет создания в камерах условий, интенсифицирующих процесс удаления жидкости из материала путем испарения.

Известен способ сушки древесины, в частности пиломатериалов, нагревом под давлением насыщенным водяным паром до температуры не ниже 110^oC с последующим удалением пара и снижением давления внутри камеры (см. з-ку Великобритании N 1446755, F 28 B 3/06, 1976). Способ предполагает периодичный напуск в камеру для сушки пара, которым вытесняется воздух, находящийся в камере. За счет снижения давления пара процесс вскипания влаги в пиломатериалах происходит при температуре 105^oC. Сушку данным методом осуществляют в специальной камере, имеющей патрубки для подачи и выхода пара и тележку для размещения пиломатериалов, перемещающуюся по рельсам. Использование камеры сокращает общее время сушки, но после завершения обработки пиломатериалов в камере целесообразно осуществлять дополнительную естественную сушку, т.к. не во всех случаях при использовании данного метода удается получить требуемую остаточную влажность обрабатываемых пиломатериалов. Кроме того, нагревание пиломатериалов водяным паром приводит к увеличению энергетических затрат, поскольку при вскипании влаги в древесине образуется дополнительный водяной пар, требующий в конечном счете конденсации и отвода.

Известен также способ сушки планок или реек из древесины, заключающийся в нагреве обрабатываемого материала и выдержку его при регулируемом пониженном давлении (см. патент США N 3521373, F 25 B /04, 1970). Указанный способ осуществляют в вакуумной камере с использованием электрических нагревателей, располагаемых между слоями древесины. Для уноса выделившегося пара и поддержания требуемой величины давления камера снабжена вакуумным насосом. Значительный объем пара, образующегося при вскипании влаги в древесине, предполагает существенное увеличение мощности насоса, следовательно, повышает удельные энергетические затраты и значительно увеличивает время сушки.

Наиболее близким к описываемому способу является способ обработки древесины, включающий нагревание древесины в камере до начальной температуры, меньшей, чем температура кипения влаги, содержащейся в древесине при начальном давлении в камере, снижение давления в камере и отвод выделяющейся влаги (см. патент Российской Федерации N 2045720, F 26 B 3/20, 1995).

Вышеотмеченные известные способы предусматривают после нагрева древесины достаточно резкий сброс давления, что вызывает существенное вскипание влаги и парообразование.

Интенсивное парообразование происходит в основном в приповерхностных объемах древесины, что способствует раскрытию пор древесного материала и высвобождению в дальнейшем связанной влаги. Пар, образующийся в приповерхностных объемах материала, выходит наружу, выталкивает свободную влагу из приповерхностных пор и подпирает влагу, содержащуюся в более глубинных слоях древесины, что приводит к увеличению в них давления, исключающего объемное вскипание влаги и раскрытие пор по всему профилю. При резком сбросе давления в камере происходит выброс до 60% влаги, содержащейся в древесине. При этом требуются дополнительные затраты энергии для отвода и конденсации выделившейся влаги. В этой ситуации слои древесины по толщине подвергаются разным воздействиям, что негативно сказывается на структуре обрабатываемого материала, приводя к разрушению структуры древесины.

В известных способах обработки древесины постоянно имеют место испарение влаги с внешней поверхности, выброс не испарившейся влаги из слоев, следующих за (внешними) приповерхностными и недостаточное испарение или "запирание" влаги, находящейся в более глубоких слоях, поскольку одновременное создание идентичных условий во всех слоях, располагаемых последовательно по ходу движения влаги, невозможно. Кроме того, выброс влаги в жидкой фазе в известных способах за счет резкого парообразования существенно снижает удаление иных примесей - дегтя, смол и пр.

Задачами, на решение которых направлено настоящее изобретение, являются создание способа обработки древесины, обеспечивающего повышение качества обработки древесины, улучшение ее структуры и технологических свойств.

В результате решения данных задач реализуются новые технические результаты, заключающиеся в предотвращении нарушения структуры древесины при сохранении ее геометрии за счет равномерного раскрытия пор по всему профилю древесины, исключении возможности возникновения локальных зон повышенной влажности, повышении устойчивости древесины к намоканию и гниению за счет равномерного распределения и заполнения пор и каналов древесины смолами.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе обработки древесины, включающем нагревание древесины в камере до начальной температуры, меньшей, чем температура кипения влаги, содержащейся в древесине при начальном давлении в камере, снижение давления в камере и отвод выделяющейся влаги, древесину нагревают до достижения в камере начального давления не менее 2 атм, выдерживают древесину при установившихся значениях начальной температуры и начальном давлении в течение времени, необходимого для полного прогрева всего объема древесины, затем, не прекращая нагрева, снижают давление в камере со скоростью не более 0,1 атм/мин за счет отвода из камеры влаги в виде парогазовой среды и продолжают обработку древесины до достижения значения относительной влажности среды в камере, при котором величина остаточной влажности древесины не превышает заданной конечной влажности.

Целесообразно выбрать значение начальной температуры нагревания древесины от 120 до 200^oC, а завершение процесса обработки осуществить при давлении в камере, равном 0,3 атм.

Отличительная особенность описываемого способа состоит в том, что после изначального предварительного нагревания древесины осуществляют не максимально возможный сброс давления, приводящий к резкому, существенному вскипанию влаги, особенно в приповерхностных слоях, и запиранию ее во внутренних слоях древесины образовавшейся парогазовой смесью, а плавное снижение давления в камере со скоростью не более 0,1 атм/мин за счет выпуска из камеры парогазовой смеси. При этом небольшие порции парогазовой смеси образуются во всем объеме древесины и эти порции по открытым каналам древесины свободно выходят в камеру, исключая выброс из пор свободной влаги, приводящий к разрушению пор. Таким образом, ограничение по скорости сброса давления предполагает удаление влаги в виде парогазовой среды, т.е. так же, как в естественных условиях сушки, но c существенно большей производительностью. Одновременно с удалением влаги происходит удаление смол, которые являясь менее подвижными чем вода, после удаления основной части воды равномерно заполняют каналы и поры древесины, препятствуя в дальнейшем проникновению паров воды в высушенную древесину и тем самым повышая устойчивость древесины к намоканию и гниению.

Экспериментально было установлено, что при давлении в камере менее 2 атм и соответствующей температуре, при последующем сбросе давления даже с незначительной скоростью наблюдается резкое выделение свободной влаги из пор. Данное явление, по видимому, объясняется тем, что при давлении менее 2-х атм, поры самопроизвольно схлопываются за счет упругих деформаций. Если скорость снижения давления будет более 0,1 атм/мин, то даже при давлении, существенно большем 2 атм, происходят резкое снижение давления в порах и выталкивание свободной влаги. Поэтому обеспечение практически полного испарения влаги без свободного ее выталкивания парогазовой смесью из пор наблюдается только при вышеуказанных режимах обработки. Создание и поддержание наличия парогазовой среды в камере, а следовательно, и обеспечение режима удаления влаги только за счет испарения, возможно при условии постоянного подвода тепла, т.е. не прекращая нагрев после сброса давления. В противном случае за счет тепломассопереноса при удалении парогазовой смеси из камеры изменится термодинамическое равновесие среды в камере и произойдет свободный выброс влаги. Кроме этого, подвод дополнительного тепла, обеспечивая повышенную подвижность смол, создает условия для равномерного заполнения каналов и пор древесины этими смолами. Данное обстоятельство является совместно с другими факторами еще одной особенностью настоящего изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретений.

Обработку древесины проводят в любой герметизированной сушильной камере, обеспечивающей максимальное рабочее давление до 16 атм и снабженной нагревателем, клапаном для выпуска парогазовой смеси, датчиком давления и температуры в камере, вакуумным насосом и системой контроля и регулирования процесса обработки древесины.

Доски, сложенные в штабель объемом 1,2 м³, помещают в камеру, между ними укладывают металлические пластины, предназначенные для выравнивания температурного поля в штабеле. Герметизируют камеру и нагревают древесину. Нагрев продолжают до достижения давления в камере не менее 2 атм. Конкретную величину давления выбирают в зависимости от вида древесины и требуемого качества обработки. Для получения естественной окраски сухой древесины давление в камере доводят до величины 2,3 атм, при давлении, например, 8 атм древесина хвойных пород приобретает коричневатый оттенок. Выдерживают древесину при заданном давлении в течение времени, необходимого для полного прогрева всего объема древесины, помещенного в камеру до, например, температуры 120^oC. Прогрев штабеля продолжается 2-4 ч в зависимости от начальной влажности древесины. Наилучшие результаты получаются при обработке сырой древесины. Затем, не прекращая нагревание, плавно, со скоростью не более 0,1 атм/мин, снижают в камере давление, выпуская парогазовую смесь. Для предотвращения неравномерной усадки древесины снижают давление в камере, например, со скоростью 0,03 атм/мин. В течение 20 мин снижают давление в камере от 2,3 атм до атмосферного, а затем в течение 20 мин вакуумным насосом откачивают из камеры парогазовую смесь до достижения в камере давления 0,3 атм или меньше.

Выпускаемую и откачиваемую парогазовую смесь можно собирать, конденсировать и извлекать из нее полезные компоненты. Так, например, из 1 м³ досок хвойных пород выделяется до 10 л скипидара.

Цикл: нагрев - уменьшение давления может быть повторен несколько раз по мере необходимости, с учетом объема, влажности и сорта обрабатываемой древесины. При этом не возникает опасности нарушения структуры древесины или нарушения ее геометрии, или появления поводок.

Окончание сушки для каждого сорта и размеров древесины определяют экспериментально, проведя несколько испытаний.

Предлагаемый способ обработки древесины позволяет получать из дерева элементы конструкций практически любой криволинейной формы без разрушения древесных волокон. Для этого перед обработкой заготовки из дерева пропитывают водой, или перед нагревом в камеру вместе с заготовками помещается емкость с водой, или в камеру после нагрева до достижения в ней давления не менее 2 атм подается нагретый водяной пар под давлением до достижения в камере давления 3-3,5 атм. Затем древесина выдерживается в течение времени, необходимого для прогрева всего объема обрабатываемой древесины. Длительность выдержки зависит от исходной влажности, объема и сорта древесины. При объеме 1 м³ и начальной влажности 60% выдержка составляет 3-5 ч. После выдержки плавно уменьшают давление в камере до 0,1 атм, удаляя из нее парогазовую смесь, аналогично как и при сушке древесины. Заготовки, извлеченные из камеры после такой обработки, имеют очень высокую пластичность. Им придают необходимую форму, которую закрепляют любым известным способом, и досушивают естественным образом или в камере для обработки.

Очевидно, что собственно перечисленные средства изменения условий обработки, поддержания требуемых режимов и соответствующие им регуляторы могут быть выполнены любым известным путем, исходя из указанных функций, которые должны выполнять данные элементы. Описываемый способ может быть осуществлен на любой из существующих камер, рассчитанных на внутреннее давление более 2 атм.

Формула изобретения

1. Способ обработки древесины, включающий нагревание древесины в камере до начальной температуры меньшей, чем температура кипения влаги, содержащейся в древесине при начальном давлении в камере, снижение давления в камере и отвод выделяющейся влаги, отличающийся тем, что древесину нагревают до достижения в камере начального давления не менее 2 атм, выдерживают древесину при установившихся значениях начальной температуры и начальном давлении в течение времени, необходимого для полного прогрева всего объема древесины, затем, не прекращая нагрева, снижают давление в камере со скоростью не более 0,1 атм/мин за счет отвода из камеры влаги в виде парогазовой среды и продолжают обработку древесины до достижения значения относительной влажности среды в камере, при котором величина остаточной влажности древесины не превышает заданной конечной влажности.

2. Способ обработки древесины по п.1, отличающийся тем, что начальная температура нагревания древесины составляет от 120 до 200^oС.

3. Способ обработки древесины по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление в камере снижают до 0,3 атм.