RU2145693C1 - Wood treatment method - Google Patents

Abstract

FIELD: wood working production, namely treating wood materials and different wood base fibrous materials or materials with identical structure. SUBSTANCE: raw wood material is heated in fluid-tight chamber until initial pressure no less than 2 at holding out wood material at stable values of initial temperature and initial pressure for time period required for heating the whole volume of material. Then heating is going on and pressure in chamber is reduced at rate no more than 0.1 at/min due to removing from chamber moisture in the form of vapor-gas medium. Wood material is treated further until achieving value of residual moisture content of medium in chamber no more than predetermined final value of that parameter. EFFECT: enhanced quality, structure and technological properties of wood materials. 3 cl

Description

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. The invention relates to the field of processing wood and wood materials, in particular to drying methods, and can be used in wood processing, as well as in the processing of other fibrous materials based on wood or having similar drying conditions.

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. When drying materials, two main processes simultaneously occur: heat transfer to evaporate the liquid and mass transfer of the liquid inside the treated body and from its surface. Factors affecting the speed of these processes also determine the drying rate. Under natural conditions, drying (the so-called atmospheric drying) of materials is carried out by air having an ambient temperature, and requires considerable time to obtain a given value of residual moisture. Compared to atmospheric drying, the use of drying in special chambers can significantly reduce the duration of the process by creating conditions in the chambers that intensify the process of removing liquid from the material by evaporation.

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.A known method of drying wood, in particular lumber, by heating under pressure with saturated steam to a temperature of at least 110 ^o C followed by the removal of steam and pressure reduction inside the chamber (see UK shortcut N 1446755, F 28 B 3/06, 1976) . The method involves periodic inlet into the chamber for drying steam, which displaces the air in the chamber. Due to the reduction in steam pressure, the process of boiling moisture in lumber occurs at a temperature of 105 ^o C. Drying by this method is carried out in a special chamber having nozzles for supplying and exiting steam and a trolley for placing lumber, moving along rails. Using the camera reduces the overall drying time, but after processing the sawn timber in the camera, it is advisable to carry out additional natural drying, as not in all cases when using this method it is possible to obtain the required residual moisture of the processed lumber. In addition, heating the sawn timber with steam leads to an increase in energy costs, because when moisture boils in the wood, additional water vapor is formed, which ultimately requires condensation and removal.

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. There is also a method of drying planks or battens of wood, which consists in heating the processed material and holding it under controlled reduced pressure (see US patent N 3521373, F 25 B / 04, 1970). The specified method is carried out in a vacuum chamber using electric heaters located between the layers of wood. To entrain the released steam and maintain the required pressure, the chamber is equipped with a vacuum pump. A significant amount of steam generated during the boiling of moisture in the wood, implies a significant increase in pump power, therefore, increases the specific energy costs and significantly increases the drying time.

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). Closest to the described method is a method of processing wood, comprising heating the wood in the chamber to an initial temperature lower than the boiling point of moisture contained in the wood at the initial pressure in the chamber, reducing the pressure in the chamber and removing the released moisture (see patent of the Russian Federation 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. The aforementioned known methods provide for a sufficiently sharp pressure drop after heating the wood, which causes substantial boiling of moisture and vaporization.

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. Intensive vaporization occurs mainly in the surface volumes of wood, which contributes to the opening of the pores of the wood material and the release of further bound moisture. The vapor generated in the near-surface volumes of the material goes outside, pushes free moisture from the near-surface pores and props up the moisture contained in the deeper layers of the wood, which leads to an increase in pressure in them, which excludes volumetric boiling of moisture and opening of pores throughout the profile. With a sharp release of pressure in the chamber, up to 60% of the moisture contained in the wood is released. In this case, additional energy costs are required to remove and condense the released moisture. In this situation, the layers of wood in thickness are subjected to different influences, which negatively affects the structure of the processed material, leading to the destruction of the structure of wood.

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. In the known methods of wood processing, evaporation of moisture from the external surface, the emission of non-evaporated moisture from the layers following the (external) near-surface and insufficient evaporation or “blocking” of the moisture located in the deeper layers are constantly taking place, since identical conditions are created in all layers at the same time located sequentially in the direction of movement of moisture is impossible. In addition, the release of moisture in the liquid phase in the known methods due to the sharp vaporization significantly reduces the removal of other impurities - tar, tar, etc.

Задачами, на решение которых направлено настоящее изобретение, являются создание способа обработки древесины, обеспечивающего повышение качества обработки древесины, улучшение ее структуры и технологических свойств. The tasks to be solved by the present invention are directed are the creation of a method of wood processing, which provides an increase in the quality of wood processing, improvement of its structure and technological properties.

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. As a result of solving these problems, new technical results are realized, which consist in preventing a violation of the wood structure while maintaining its geometry due to the uniform opening of pores throughout the wood profile, eliminating the possibility of localized areas of high humidity, increasing the resistance of wood to getting wet and rotting due to uniform distribution and filling pores and channels of wood with resins.

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. These technical results are achieved by the fact that in the method of processing wood, comprising heating the wood in the chamber to an initial temperature lower than the boiling point of moisture contained in the wood at the initial pressure in the chamber, reducing the pressure in the chamber and removing the released moisture, the wood is heated until in the initial pressure chamber not less than 2 atm, the wood is held at steady-state values of the initial temperature and initial pressure for the time necessary for complete heating of the whole wood, then, without stopping heating, reduce the pressure in the chamber at a rate of not more than 0.1 atm / min by removing moisture from the chamber as a vapor-gas medium and continue processing the wood until the relative humidity of the medium in the chamber is reached, at which the residual humidity of wood does not exceed the specified final humidity.

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.It is advisable to choose the value of the initial temperature of wood heating from 120 to 200 ^o C, and the completion of the processing process is carried out at a pressure in the chamber of 0.3 atm.

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. A distinctive feature of the described method is that after the initial preliminary heating of the wood, not the maximum possible pressure release is carried out, which leads to a sharp, substantial boiling of moisture, especially in the surface layers, and its closure in the inner layers of the wood by the combined-gas mixture, and a gradual decrease in pressure in chamber with a speed of not more than 0.1 atm / min due to the release of the gas-vapor mixture from the chamber. In this case, small portions of the gas-vapor mixture are formed in the entire volume of wood and these portions freely open into the chamber through open wood channels, excluding the release of free moisture from the pores, leading to the destruction of pores. Thus, a limitation in the rate of depressurization involves the removal of moisture in the form of a vapor-gas medium, i.e. the same as in vivo drying, but with significantly greater productivity. Simultaneously with the removal of moisture, resins are removed, which are less mobile than water and, after removal of the main part of the water, uniformly fill the channels and pores of the wood, preventing the further penetration of water vapor into the dried wood and thereby increasing the resistance of the wood to getting wet and decaying.

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. It was experimentally established that at a pressure in the chamber of less than 2 atm and an appropriate temperature, with a subsequent pressure release, even with an insignificant speed, a sharp release of free moisture from the pores is observed. This phenomenon, apparently, is explained by the fact that at a pressure of less than 2 atm, the pores spontaneously collapse due to elastic deformations. If the pressure reduction rate is more than 0.1 atm / min, then even at a pressure substantially greater than 2 atm, a sharp decrease in pressure in the pores and the expulsion of free moisture occur. Therefore, the provision of almost complete evaporation of moisture without free pushing it out by the vapor-gas mixture from the pores is observed only under the above processing conditions. The creation and maintenance of the presence of a vapor-gas medium in the chamber, and, consequently, the provision of a moisture removal regime only due to evaporation, is possible under the condition of constant heat supply, i.e. without stopping heating after depressurizing. Otherwise, due to heat and mass transfer, when the vapor-gas mixture is removed from the chamber, the thermodynamic equilibrium of the medium in the chamber will change and a free emission of moisture will occur. In addition, the supply of additional heat, providing increased mobility of the resins, creates conditions for uniform filling of the channels and pores of wood with these resins. This fact is, together with other factors, another feature of the present invention.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретений. Information confirming the possibility of carrying out the inventions.

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. Wood processing is carried out in any sealed drying chamber, providing a maximum working pressure of up to 16 atm and equipped with a heater, a valve for releasing a gas-vapor mixture, a pressure and temperature sensor in the chamber, a vacuum pump and a system for monitoring and regulating the wood processing process.

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.Boards folded into a stack of 1.2 m ³ are placed in a chamber, metal plates are placed between them, designed to equalize the temperature field in the stack. Seal the chamber and heat the wood. Heating is continued until the pressure in the chamber reaches at least 2 atm. The specific pressure value is selected depending on the type of wood and the required quality of processing. To obtain a natural color of dry wood, the pressure in the chamber is adjusted to 2.3 atm, at a pressure of, for example, 8 atm, coniferous wood acquires a brownish tint. The wood is held at a given pressure for the time necessary to completely warm up the entire volume of wood placed in the chamber to, for example, a temperature of 120 ^o C. The warming up of the stack lasts 2-4 hours depending on the initial moisture content of the wood. The best results are obtained when processing raw wood. Then, without stopping heating, smoothly, at a speed of not more than 0.1 atm / min, the pressure in the chamber is reduced, releasing a vapor-gas mixture. To prevent uneven shrinkage of wood, the pressure in the chamber is reduced, for example, at a rate of 0.03 atm / min. Within 20 minutes, the pressure in the chamber is reduced from 2.3 atm to atmospheric, and then within 20 minutes a vapor-gas mixture is pumped out of the chamber by a vacuum pump until the pressure in the chamber reaches 0.3 atm or less.

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.The steam-gas mixture produced and pumped out can be collected, condensed and useful components extracted from it. So, for example, from 1 m ^{3 of} coniferous boards up to 10 l of turpentine is allocated.

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. Cycle: heating - reducing the pressure can be repeated several times as necessary, taking into account the volume, humidity and type of wood being processed. In this case, there is no danger of disturbing the structure of wood or disturbing its geometry, or the appearance of a leash.

Окончание сушки для каждого сорта и размеров древесины определяют экспериментально, проведя несколько испытаний. The end of drying for each type and size of wood is determined experimentally by conducting several tests.

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.The proposed method of wood processing allows to obtain structural elements of almost any curved shape from wood without breaking the wood fibers. To do this, before processing the wood preforms, they are impregnated with water, or before heating, a container of water is placed in the chamber together with the preforms, or after heating until the pressure in it reaches at least 2 atm, heated steam is supplied under pressure until the pressure reaches 3- 3.5 atm. Then the wood is aged for the time necessary to warm up the entire volume of processed wood. The exposure time depends on the initial moisture content, volume and type of wood. With a volume of 1 m ³ and an initial humidity of 60%, the shutter speed is 3-5 hours. After the shutter speed, the pressure in the chamber is gradually reduced to 0.1 atm, removing the vapor-gas mixture from it, similarly to drying wood. The preforms removed from the chamber after such processing have a very high ductility. They are given the necessary shape, which is fixed in any known manner, and dried naturally or in the processing chamber.

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. Obviously, the actually listed means of changing the processing conditions, maintaining the required modes and the corresponding regulators can be performed in any known way, based on the specified functions that these elements must perform. The described method can be carried out on any of the existing chambers, designed for an internal pressure of more than 2 atm.

Claims (3)

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. 1. A method of processing wood, comprising heating the wood in the chamber to an initial temperature lower than the boiling point of the moisture contained in the wood at an initial pressure in the chamber, reducing the pressure in the chamber and removing evolved moisture, characterized in that the wood is heated until the initial temperature in the chamber is reached pressure not less than 2 atm, withstand the wood at steady-state values of the initial temperature and initial pressure for the time required to completely warm up the entire volume of wood, then, without stopping heating, reduce the pressure in the chamber with a speed of not more than 0.1 atm / min due to the removal of moisture from the chamber in the form of a vapor-gas medium and continue processing the wood until the relative humidity of the medium in the chamber is reached, at which the value of the residual moisture of the wood does not exceed the specified final humidity . 2. Способ обработки древесины по п.1, отличающийся тем, что начальная температура нагревания древесины составляет от 120 до 200^oС.2. The method of processing wood according to claim 1, characterized in that the initial temperature of the wood is from 120 to 200 ^o C. 3. Способ обработки древесины по п.1 или 2, отличающийся тем, что давление в камере снижают до 0,3 атм. 3. The method of processing wood according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure in the chamber is reduced to 0.3 atm.