AN ASSESSMENT OF THE RESULTS OF THE STUDY OF THE DRYING PROCESSES OF LUMBER FROM LARCH

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.015

РАССМОТРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ ИЗ ЛИСТВЕННИЦЫ

Обзорная статья

Пировских Е.А.¹, Бегунков О.И.^{2, *}, Бегункова Н.О.³

² ORCID: 0000-0002-5046-4212;

³ ORCID: 0000-0001-5069-9604;

¹ ООО «Инко», Хабаровск, Россия;

^{2, 3} Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

^* Корреспондирующий автор (olegbeg[at]mail.ru)

Аннотация

Основу развития внутреннего рынка пиломатериалов должны составлять сухие пиломатериалы. На всех территориях Дальнего Востока, кроме Приморского края, лидирующее место по распространению с колоссальным преимуществом занимает лиственница, которая имеет большее количество особенностей в сравнении с такими породами как сосна, ель, пихта. Однако особенности анатомического строения лиственницы накладывают ряд существенных ограничений на ее сушку и переработку. Трудности сушки лиственницы усугубляются еще более низкой влагопроводностью этой древесины, чем у ели и сосны, поэтому системе регулирования процесса сушки необходимо уделять самое пристальное внимание. Из существующих, наиболее подходят для качественной сушки лиственницы системы регулирования, выпускаемые в ООО «ЕнисейПромАвтоматика».

Ключевые слова: сушка, пиломатериал, режим, лиственница.

AN ASSESSMENT OF THE RESULTS OF THE STUDY OF THE DRYING PROCESSES OF LUMBER FROM LARCH

Review article

Pirovskikh E.A.¹, Begunkov O.I.^{2, *}, Begunkova N.O.³

² ORCID: 0000-0002-5046-4212;

³ ORCID: 0000-0001-5069-9604;

¹ Inko LLC, Khabarovsk, Russia;

^{2, 3} Pacific National University, Khabarovsk, Russia

^* Corresponding author (olegbeg[at]mail.ru)

Abstract

The basis for the development of the domestic lumber market should be dry lumber. In all territories of the Russian Far East, except the Primorsky Krai, the leading place in distribution with a huge advantage is occupied by larch, which has a greater number of features in comparison with such breeds as pine, spruce, fir. However, the features of the anatomical structure of larch impose a number of significant restrictions on its drying and processing. The difficulties of drying larch are aggravated by the even lower moisture conductivity of this wood than that of spruce and pine, therefore, the system of regulating the drying process must be given the closest attention. Out of the existing ones, the most suitable for high-quality drying of larch are the control systems manufactured by LLC "Yeniseipromavtomatika".

Keywords: drying, lumber, mode, larch.

Введение

В сложившихся сегодня условиях наложения жестких санкций одной из первостепенных задач, стоящих перед деревообработчиками, является развитие внутреннего рынка пиломатериалов.

Развивая глубокую переработку древесины, необходимо учитывать, что национальной древесной породой России является лиственница [1]. Удивительные свойства лиственницы были известны миру еще со времен строительства города на воде – Венеции [2]. По физико-механическим свойствам лиственница лишь незначительно уступает дубу, а по такому показателю как влагостойкость не имеет себе равных. Несмотря на широкие возможности использования древесины лиственницы, ее доля в общем объеме переработки древесины мала и не соответствует ресурсам.

Лиственница не подлежит атмосферной сушке. Как отмечает В. П. Голицын [3], по сложности сушку лиственницы можно сравнить с сушкой дуба. Атмосферная подсушка лиственницы перед камерной сушкой ведет к короблению материала, образованию глубоких «паутинных» и торцовых трещин. Досушка таких пиломатериалов в камерах приводит к появлению дефектов: мелкие трещины значительно разрастаются и до 30 % пиломатериалов становятся непригодными для дальнейшей переработки [4].

Сушка древесины в этом процессе стоит на одном из первых мест. В настоящем обзоре рассмотрены результаты работы авторов по обоснованию режимов сушки пиломатериалов из лиственницы.

Основная часть

Одна из последних разработок профессора МГУЛ А. И. Расева посвящена сушке лиственницы [5], [6]. Суть ее состоит в следующем.

Сушка древесины проводится циклами, каждый из которых включает две стадии: «импульс» и «пауза».

На стадии импульса проходит аккумулирование тепла материалом; сушка проходит в воздухе повышенной температуры и низкой влажности при циркуляции сушильного агента через штабель. Приточно-вытяжные каналы открыты. Эта стадия характеризуется высокой интенсивностью процесса за счет большого градиента влажности по толщине материала. Ввиду малой продолжительности возникающие сушильные напряжения сравнительно малы, а деформации носят, в основном, упругий характер.

На стадии паузы теплообменники и вентиляторная установка отключены. Приточно-вытяжные каналы могут оставаться открытыми. Для этой стадии характерно:

• возрастание степени насыщенности воздуха вследствие продолжающегося испарения воды из материала;
• увлажнение поверхности древесины из-за роста величины равновесной влажности, что ведет к выравниванию влажности по толщине материала и снижению сушильных напряжений;
• понижение температуры на поверхности материала, что приводит к появлению положительного градиента температуры, ускоряющего движение влаги к поверхности. Это полностью компенсирует некоторое снижение интенсивности перемещения воды при понижении градиента влажности.

Число циклов зависит от характеристики материала: его породы, толщины, начальной и конечной влажности.

Приведенная ниже таблица 1 режимов сушки составлена с учетом обеспечения бездефектной сушки при практически полном сохранении природной прочности древесины с возможным незначительным изменением ее цвета.

Мы считаем, что эти режимы оправдают себя на камерах с низким уровнем автоматизации, где регулируется только температура, увлажнение отсутствует, а приточно-вытяжные каналы управляются вручную. Необходимо эти камеры дополнить простейшей автоматикой управления вентиляторами.

На наш взгляд трудности сушки лиственницы усугубляются еще более низкой влагопроводностью этой древесины, чем у ели и сосны. Попытки качественной сушки лиственницы в вакуумных камерах с конвективным и кондуктивным нагревом к успеху не привели, так как в материале сохраняются значительные остаточные напряжения, которые вполне реально могут реализоваться в готовом изделии.

Таблица 1 – Режимы сушки пиломатериалов из древесины лиственницы

Влажность древесины, %	Параметры режима	Толщина пиломатериалов, мм
		16 19	22 25	32 40	50	60
>35	Продолжительность (τ им) импульса (вентиляторы включены), час	4,0	3,0	2,0	2,0	2,0
	Температура (tº), ºС	75	75	70	65	65
	Продолжительность (τпау) паузы (вентиляторы выключены), час	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0
35 – 20	Продолжительность (τ им) импульса (вентиляторы включены), час	4,0	3,0	2,0	2,0	2,0
	Температура (tº), ºС	65	65	65	70	70
	Продолжительность (τпау) паузы (вентиляторы выключены), час	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0
< 20	Продолжительность (τ им) импульса (вентиляторы включены), час	4,0	3,0	2,0	2,0	2,0
	Температура (tº), ºС	75	75	70	75	75
	Продолжительность (τпау) паузы (вентиляторы выключены), час	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0

Для исследований в области сушки лиственницы в СССР была образована отраслевая лаборатория сушки лиственницы при кафедре теплотехники Сибирского технологического института. Исследования, проводимые в этой лаборатории на протяжении более 10 лет, показали реальную возможность качественной сушки пиломатериалов из лиственницы толщиной до 50 мм включительно при температуре до 90ºС. В этих работах отмечалась первостепенная роль качества проведения начального прогрева древесины и начальной стадии сушки, то есть процессов, проходящих при больших значениях относительной влажности сушильного агента [7], [8], [9].

Для практической реализации этого посыла авторами была разработана трехпараметровая система регулирования параметров сушильного агента. Эта система позволила оптимизировать выход на режим начального прогрева, качественно вести процесс начального прогрева и сушки при больших значениях относительной влажности сушильного агента. Данная система основана на психрометрическом способе измерения параметров сушильного агента и была апробирована на лесосушильной камере в ООО «Партнер» на Сахалине с очень хорошими результатами. Далее эта система была внедрена в ООО «Сахлес» на камерах фирмы Incoplan для сушки елового бруса 150 ´ 150 мм, который профилировался для малоэтажного домостроения. Суть этой системы заключается в том, что в общепринятую систему регулирования по температуре по сухому (Т_с) и мокрому термометру (Т_м) включен третий параметр, а именно психрометрическая разность.

В этой системе увлажнение включается и отключается по сигналу от соответствия заданной режимом величине Т_м и ΔТ. Эти параметры при регулировании имеют одинаковый приоритет. Внедрение такой системы позволило значительно улучшить качество регулирования процесса и решить проблему по сушке бруса.

Ниже приведен фактический ход сушки лиственницы толщиной 30 мм до конечной влажности 10 % в камере емкостью 40 м³. Принятые сокращения: Т_с – температура по сухому термометру; Т_м – температура по мокрому термометру; ΔТ – психрометрическая разность; W_т – текущая влажность материала.

1. Предварительный прогрев пиломатериалов: Т_с= 40ºС, Т_м и ΔТ не регламентированы. Воздухообмен и увлажнение закрыты и заблокированы. Заданная продолжительность – 2 часа после достижения Т_с = 40ºС. Фактическая продолжительность – 9 часов.
2. Начальный прогрев пиломатериалов: Т_с= 63ºС, Т_м = 61,5ºС, ΔТ = 1,5ºС. Увлажнение разблокировано. Заданная продолжительность – 4 часа после выхода на Т_с = 62ºС. Фактическая продолжительность – 14 часов.
3. I ступень режима сушки: Т_с= 65ºС, Т_м = 60ºС, ΔТ = 5ºС. Воздухообмен разблокирован через 4 часа после перехода на I ступень режима. Заданная продолжительность до W_т = 35 %. Фактическая продолжительность – 43 часа.
4. II ступень режима сушки: Т_с= 68ºС, Т_м = 58ºС, ΔТ = 10ºС. Заданная продолжительность до W_т = 25 %. Фактическая продолжительность – 24 часа.
5. Промежуточная тепловлагообработка: Т_с= 65ºС, Т_м = 63ºС, ΔТ = 2ºС. Воздухообмен закрыт и заблокирован. Заданная продолжительность – 6 часов после достижения ΔТ = 3ºС. Фактическая продолжительность – 7 часов.
6. III ступень режима сушки: Т_с= 77ºС, Т_м = 57ºС, ΔТ = 20ºС. Воздухообмен разблокирован. Заданная продолжительность до W_т = 10 %. Фактическая продолжительность – 33 часа.
7. Конечная тепловлагообработка: Т_с= 67ºС, Т_м = 65ºС, ΔТ = 2ºС. Воздухообмен заблокирован. Заданная продолжительность – 10 часов после фактического перехода. Фактическая продолжительность – 10 часов.
8. Кондиционирование. Т_с= 77ºС, Т_м = 63ºС, ΔТ = 14ºС. Воздухообмен разблокирован. Заданная и фактическая продолжительность – 10 часов.

Общий расход воды на увлажнение составил 5080 литров, что составило: 5080 / 40 = 127 л/м³ – этот расход вполне нормальный.

Лиственница является трудносохнущей породой и поэтому системе регулирования процесса сушки необходимо уделять самое пристальное внимание [10]. Точность измерения параметров сушильного агента, естественно, имеет первостепенное значение в регулировании процесса сушки. Если температура сушильного агента практически во всех камерах измеряется при помощи термометров сопротивления, то влажность сушильного агента в импортных камерах и в некоторых отечественных камерах измеряется опосредованно через равновесную влажность древесины. Это возможно, потому что определенному состоянию воздуха соответствует уравновешенная с ним влажность древесины, называемая равновесной.

Датчики равновесной влажности широко применяются в автоматике импортных сушильных камер (UGL, EMC-контроль). Сам датчик – это тонкая прессованная пластина из целлюлозы, которая увлажняется при увеличении влажности воздуха и подсыхает при ее уменьшении. Влажность пластины измеряется кондуктометрическим способом. Фактически это тот же влагомер древесины со всеми его недостатками, но измеряет влажность пластины. К достоинствам этого метода относят дешевизну пластины, удобство применения в автоматике сушильных камер. Для этого датчика, в отличие от психрометра, не требуется подвод воды. Недостатками здесь являются отсутствие метрологического обеспечения, загрязнение пластины, которое влияет на точность измерения. Но самые главные недостатки данного метода измерения – это большая погрешность при высокой влажности сушильного агента и большая инерционность измерения (десятки минут). Если в диапазоне равновесной влажности ниже 15 % разрешающая способность этого метода приемлема, то в диапазоне более 15 % – очень проблематична. Это значит, что при высокой относительной влажности сушильного агента (примерно 85 % и выше) точность измерения, а соответственно и регулирования, на порядок ниже, чем при относительной влажности сушильного агента 30 %. Причем это происходит на первых фазах процесса сушки, являющихся наиболее ответственными. В этой системе датчик температуры имеет инерционность не более 2-х минут, а датчик влажности сушильного агента имеет инерционность более 20 минут. Однако при работе такой системы регулирования возникают неопределенности, в результате чего проходят ложные команды, которые снижают эффект регулирования процесса сушки. Приведем только один пример. В установившемся режиме температура и равновесная влажность сушильного агента находятся на заданном уровне. В какой-то момент времени температура повышается, равновесная влажность, естественно, снижается. Проходит команда на уменьшение подачи теплоносителя в калориферы. При этом проходит ложная команда (ведь влагосодержание не изменилось) на закрытие заслонок приточно-вытяжной системы, а иногда и на включение увлажнения. Под действием команды на калориферы температура возвращается на заданный уровень. При этом проходит команда на отключение увлажнения, если оно успело открыться, и на открытие заслонок приточно-вытяжной системы. Происходит откачка из камеры влаги из сушильного агента, которая туда попала в результате ложных срабатываний по каналу равновесная влажность. Таким образом, система делает совершенно ненужное включение и параметр равновесная влажность получает совершенно ненужное возмущение. Постоянное повторение таких ситуаций приводит к ухудшению качества регулирования и увеличению затрат на сушку.

Все вышеперечисленные недостатки исключены в системах регулирования, выпускаемых в ООО «ЕнисейПромАвтоматика» (г. Красноярск). Эта фирма также выпускает современные лесосушильные камеры под маркой Draylab, в которых очень хорошо высушиваются пиломатериалы из древесины лиственницы. Управление процессом сушки происходит без участия человека и может осуществляться под контролем производителя через удаленный доступ. Цена камер значительно ниже импортных, кроме Китая. Но китайские камеры, система регулирования и режимы сушки в них не приемлемы для оптимальной сушки пиломатериалов из лиственницы. В процессоры камер Draylab забиты оптимальные, апробированные на протяжении нескольких лет, режимы сушки лиственницы, которые легко реализуются системой регулирования системами управления этих камер.

Заключение

На основании проведенного обзора можно утверждать, что предлагать режимы сушки, особенно трудносохнущих пород, совершенно нецелесообразно, так как фактическая реализация этих режимов зависит от конкретных условий: конструкции камеры, тепловой мощности, наличия частотных преобразователей, идеологии регулятора параметров сушильного агента. Эти факторы должны быть учтены именно режимами сушки. Но вполне можно констатировать, что массовая экономичная качественная сушка лиственницы до эксплуатационной влажности в конвективных камерах периодического действия на сегодняшний день является решаемой задачей.

 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Справочник для учета лесных ресурсов Дальнего Востока : справочное издание / отв. сост. В. Н. Корякин. – Хабаровск : Изд-во ФГУ ДНИИЛХ, 2010. – 527 с.
2. Бокщанин Ю.Р. Обработка и применение древесины лиственницы / Ю.Р. Бокщанин. – М. : Лесн. пром-сть, 1973. – 200 с.
3. Голицын В.П. Сравнительная оценка энергозатрат на сушку пиломатериала в сушильном оборудовании различного типа и способа сушки / В.П. Голицын, Н. В. Голицына // Лесной эксперт. – 2004. – № 16. – С. 18–25.
4. Гороховский А.Г. Совершенствование системы требований к качеству сушки пиломатериалов / А.Г. Гороховский, Е. Е. Шишкина, Е. В. Старова и др.// Системы. Методы. Технологии. – 2017. – № 2 (34). – С. 133–138.
5. Расев А.И. Сушка древесины : учебное пособие / А.И. Расев. – М. : МГУЛ, 2005. – 224 с.
6. Расев А.И. Тепловая обработка и сушка древесины : учебник / А.И. Расев. – М. : МГУЛ, 2009. – 360 с.
7. Дьяконов К.Ф. Пособие по сушке пиломатериалов / К.Ф. Дьяконов, А. М. Гукалов. – М. : Лесная промышленность, 1978. – 131 с.
8. Богданов Е.С. Справочник по сушке древесины / Е.С. Богданов, В. А. Козлов, В. Б. Кунтыши др. – М. : Лесн. пром-сть, 1990. – 304 с.
9. Дьяконов К.Ф. Влияние гидротермической обработки на прочность древесины березы и лиственницы /К.Ф. Дьяконов // Деревообрабатывающая промышленность. – 1967. – № 4. – С. 44–47.
10. Гороховский А.Г. Синтез оптимальной по быстродействию системы управления сушкой пиломатериалов / А.Г. Гороховский, Е. Е. Шишкина // Системы. Методы. Технологии. – 2021. – № 1 (49). – С. 98–103.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Spravochnik dlja ucheta lesnyh resursov Dal'nego Vostoka : spravochnoe izdanie [Handbook for accounting of the Far Easten forest resources : a reference edition] / resp. comp. V. N. Korjakin. – Habarovsk : Publishing houseFGU DNIILH, 2010. – 527 p. [in Russian]
2. Bokshhanin Ju.R. Obrabotka i primenenie drevesiny listvennicy [Processing and application of larch wood] / Ju. R. Bokshhanin. – M. : Lesn. prom-st', 1973. – 200 p. [in Russian]
3. Golicyn V.P. Sravnitel'naja ocenka jenergozatrat na sushku pilomateriala v sushil'nom oborudovanii razlichnogo tipa i sposoba sushki [Comparative Assessment of Energy Consumption for Drying Lumber in the Equipment of Various Types and Methods of Drying] / V. P. Golicyn, N. V. Golicyna // Lesnoj jekspert [Forest expert]. – 2004. – № 16. – P. 18–25. [in Russian]
4. Gorohovskij A.G. Sovershenstvovanie sistemy trebovanij k kachestvu sushki pilomaterialov [Improving the system of quality requirements for drying timber] / A. G. Gorohovskij, E. E. Shishkina, E. V. Starova, A. A. Mikov, S. V. Bulatov // Sistemy. Metody. Tehnologii [Systems. Methods. Technologies]. – 2017. – № 2 (34). – P. 133–138. [in Russian]
5. Rasev A.I. Sushka drevesiny : uchebnoe posobie [Drying of wood : manual] / A. I. Rasev. – M. : MGUL, 2005. – 224 p. [in Russian]
6. Rasev A.I. Teplovaja obrabotka i sushka drevesiny : uchebnik [Heat treatment and drying of wood : a textbook] / A. I. Rasev. – M. : MGUL, 2009. – 360 p. [in Russian]
7. D'jakonov K.F. Posobie po sushke pilomaterialov [Lumber drying guide] / K. F. D'jakonov, A. M. Gukalov. – M.: Lesnaja promyshlennost', 1978. – 131 p. [in Russian]
8. Bogdanov E.S. Spravochnik po sushke drevesiny [Wood drying handbook] / E. S. Bogdanov, V. A. Kozlov, V. B. Kuntysh, V. I. Melehov. – M. : Lesn. prom-st', 1990. – 304 p. [in Russian]
9. D'jakonov K.F. Vlijanie gidrotermicheskoj obrabotki na prochnost' drevesiny berezy i listvennicy [The influence of hydrothermal treatment to the strength of birch and larch wood] / K. F. D'jakonov // Derevoobrabatyvajushhaja promyshlennost' [Woodworking industry]. – 1967. – № 4. – P. 44–47. [in Russian]
10. Gorohovskij A.G. Sintez optimal'noj po bystrodejstviju sistemy upravlenija sushkoj pilomaterialov [Synthesis of an optimal speed control system for drying lumber] / A. G. Gorohovskij, E. E. Shishkina // Sistemy. Metody. Tehnologii [Systems. Methods. Technologies]. – 2021. – № 1 (49). – P. 98–103. [in Russian]