1

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Лесосибирский филиал федерального государственного бюджетного образовательного
учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М.Ф. Решетнева»

Теория и практика конвективной сушки
лиственничных пиломатериалов

Зарипов Ш.Г.

2

Теория и практика конвективной сушки
лиственничных пиломатериалов
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУ в качестве
монографии

Красноярск 2026

3

УДК 674.047
ББК 37.13
Зарипов Ш.Г. Теория и практика конвективной сушки лиственничных
пиломатериалов. – Красноярск: СибГТУ, 2026. 123 с.
Монография представляет собой обобщающее исследование по проблеме
конвективной

сушки

лиственничных

пиломатериалов.

Предлагается

принципиально новый подход механизма удаления влаги при конвективной
сушке лиственничных пиломатериалов. В основе механизма удаления воды из
лиственничных

пиломатериалов

при

конвективной

сушке

заложен

баромембранный процесс. В результате на поверхности высушиваемой доски
формируется блокирующий слой водорастворимых экстрактивных веществ,
который определяет интенсивность эмиссии воды из древесины лиственницы.
Образование дефектов в лиственничных пиломатериалах рассматривается
как типичный реологический процесс со всеми вытекающими выводами.
Поэтому образование дефектов в лиственничных пиломатериалах при сушке в
меньшей степени зависит от режимов сушки. Основной фактор – это
анизотропия усушки, которая в свою очередь устанавливается схемой раскроя
бревна.
Значительное внимание уделено таким вопросам как экономия тепловой
энергии при осушении агента сушки. Даётся обоснование применения
осушителя вместо приточно-вытяжных каналов. В предлагаемых осушителях в
качестве хладоагента применяется холодная вода, взятая из водопровода.
Технология сушки лиственничных пиломатериалов – экологически
вредное производство. Ситуация осложняется тем, что сушильные мощности
располагаются в большинстве случаях в городской черте. В этой связи
необходимо предусмотреть мероприятия, применение которых не должно быть
затратным и в полной мере вписывалось бы в существующую технологию.
Таким мероприятием является осушитель, применение которого позволяет весь

4

спектр загрязняющих веществ переводить в конденсат. Полученный конденсат
можно очищать на стандартных очистных установках.
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников,
специалистов в области конвективной сушки древесины лиственницы и
производства изделий.
Рецензенты:

© Ш.Г. Зарипов
©ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева»

5

Оглавление
Введение …………………………………………………………………… ...

7

1. Древесина лиственницы как объект сушки ………………………………

13

1.1 Общие сведения о древесине лиственницы …………………… …

13

1.2 Строение древесины лиственницы ………………………………

15

1.3 Пористость древесины лиственницы ………………………………

21

1.4 Усушка древесины лиственницы ………………………………….

28

1.5 Набухание древесины лиственницы …………………………

31

1.6 Плотность древесины лиственницы ……………………………….

34

1.4 Влажность древесины лиственницы ………………………………

37

2. Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов ………………………

43

2.1 Влияние физико-химических процессов на кинетику сушки
лиственничных пиломатериалов ……………………………………………...

43

2.2 Проницаемость древесины лиственницы при конвективной
сушке ………………………………………………..………………………….

63

3. Реология лиственничных пиломатериалов при сушке ……………………

78

3.1 Древесина – реологическая система ………………………………..

78

3.2 Разрушение связей между элементами древесинного вещества
при воздействии повышенных температур …………………………………..

94

3.3 Модель микротрещины лиственничной доски при сушке ………. 104
3.4 Поперечное коробление лиственничных пиломатериалов –
реологический процесс ……………………………………………………….. 109
4. Технология и оборудование сушки лиственничных пиломатериалов ….. 122
4.1 Влияние схем раскроя пиловочного сырья из древесины
лиственницы на образование трещин и поперечного коробления
пиломатериалов ……………………………………………………………….. 122

6

4.2

Анализ

схем

раскроя

пиловочного

сырья

древесины

лиственницы в производстве клеёный материалов ………………………… 126
4.3 Прогрев лиственничных пиломатериалов перед сушкой ……….. 133
4.4 Режимы сушки лиственничных пиломатериалов в сушильных
камерах периодического действия …………………………………………… 139
4.5 Экономия тепловой энергии при сушке лиственничных
пиломатериалов ……………………………………………………………….. 156
4.6 Экологичность процесса сушки лиственничных пиломатериалов 161
Заключение ……………………………………………………………

173

Библиографический список …………………………………………… 177

7

Введение
Сушка пиломатериалов – обязательная технологическая операция по
приданию древесине свойств, которые востребованы в готовом изделии:
биостойкость, стабильность формы и размеров заготовки. Эти характеристики
обеспечиваются

тепломассообменом

и

тепломассопереносом,

т.е.

многообразием процессов, которые происходят в высушиваемой системе.
Исследование данных процессов усложняется тем, что древесина – это полимер
природного происхождения, который формируется в определённых природных
условиях. Необходимо учитывать особенности строения каждой породы
древесины. Следовательно, с позиции исследования древесина – это «чёрный»
ящик.
Для изучения строения древесины и её реакции на повышенные
температуры используется два способа: разрушающий и неразрушающий. Оба
эти способа имеют свои плюсы и минусы. При использовании разрушающего
способа нарушается тонкая структура древесины, что приводит к искажению
результатов измерения. Основное преимущество данного способа исследования
– прямой способ измерения. Применение неразрушающих способов также
сопровождается некоторым искажением полученных параметров, так как
анализируется реакция древесины на определённые технологические операции
без чёткого представления процессов внутри древесины.
В обоих случаях приходится абстрагироваться для упрощения условия
задачи до некоторой стандартной. Такой подход позволяет использовать
известные аналогии, которые дают возможность выстраивать логическую
последовательность процессов, сопровождающих эмиссию влаги из древесины.
Однако любая аналогия только в первом приближении позволяет установить
последовательность процессов, которые протекают при сушке в древесине.
По своим физико-механическим свойствам древесина лиственницы
существенно отличается от других древесных пород. Поэтому при разработке

8

технологии конвективной сушки лиственничных пиломатериалов важно
учитывать особенности реакции древесины лиственницы на воздействие
повышенных температур.
Вопросам переноса влаги в древесине при конвективной сушке посвящено
большое количество работ как отечественных [29, 30, 34, 35, 41, 43, 60, 77, 100,
101], так и зарубежных [108, 109, 110, 114, 115, 117, 120, 121, 123, 126 и др.]
специалистов. При всём разнообразии древесных пород, мест произрастания
древесину принято относить к капиллярно-пористому коллоидному телу.
Наличие открытой капиллярной системы позволяет рассматривать древесину в
виде пучка микрокапилляров различной формы и размеров, которые заполнены
водой. Такой подход к структуре древесины дает возможность в полной мере
применять основные принципы физики капиллярных явлений и устанавливать
тесную связь между процессами влагообмена и влагопереноса.
В зависимости от усилия взаимодействия с древесинным веществом вода
подразделяется на связанную и свободную [57, 72, 73, 77, 106, 125]. На
преодоление

сил,

которые

удерживают

воду

в

древесине,

требуется

значительный объём энергии. Поэтому должны учитываться дополнительные
условия: наличие экстрактивных веществ, их вид, зону доски (ядро, заболонь)
[40, 100, 101, 118, 129] и другие факторы.
Основной причиной длительности процесса сушки лиственничных
пиломатериалов принято считать два взаимодополняющих друг друга фактора –
плотность [77, 81] и повышенное содержание экстрактивных веществ [36, 44].
Полагать, что повышенная плотность влияет на интенсивность сушки,
неверно. Данный вывод основан на результатах сравнения сроков сушки
пихтовых и лиственничных пиломатериалов, которые в сопоставимых условиях
практически одинаковы. При этом плотность пихты в 1,7 раза меньше
лиственницы [11, 14, 83]. Влияние наличия экстрактивных веществ на
влагопроводяющую систему очевидно [7, 90]. Однако механизм воздействия
указанного фактора малоизучен.

9

Зарубежными

специалистами

значительное

внимание

уделяется

паровоздухопроницаемости и водопроницаемости древесины [111, 119].
Проницаемость – это параметр, во многом зависящий от избыточного давления.
Поэтому в качестве движущей силы при влагопереносе в пределах
низкотемпературных режимов рассматривается капиллярное давление, при
использовании высокотемпературных режимов (tс  100 ºС) [55] движущая сила
формируется избыточным давлением.
Есть мнение [90], что сосредоточение экстрактивных веществ в
окаймлённых

порах

Применительно

к

препятствует
процессу

движению

сушки

пропиточных

лиственничных

веществ.

пиломатериалов

целесообразно рассматривать в целом наличие экстрактивных веществ, так как
вся поверхность клеточных стенок, независимо от анатомического направления,
насыщена окаймлёнными порами. Следовательно, массоперенос вообще и
влагоперенос в частности в древесине лиственницы происходит через
окаймлённые поры. Поэтому наличие экстрактивных веществ в окаймлённых
порах оказывает существенное влияние на массоперенос как при пропитке, так и
в процессе сушки.
Б. С. Чудинов, Ф. Т. Тюриков, П. Е. Зубань [98] обращают внимание на
изменение пропускной способности влагопроводящей системы древесины
лиственницы в процессе сушки: «При средней скорости снижения влажности
древесины 6,5 % в сутки в течение первых двух суток влажность снижалась по
20 %. Затем скорость сушки понижалась и при влажности древесины ниже 25 %
составляла 2-3 % в сутки. За первые пять суток влажность пиломатериалов
снизилась на 55 %, а за последние шесть суток только на 16 %».
Из вышеприведённого фрагмента следует вывод: интенсивность сушки
лиственничных пиломатериалов изменяется в процессе сушки. Данное явление
имеет простое объяснение: изменяется соотношение движущей силы и
сопротивления среды. Поэтому одной из задач, которая требует своего решения
– установить режимные показатели оптимального соотношения движущей силы

10

и сопротивления, что позволит максимально сократить время сушки
пиломатериалов. Решению данной задачи в работе уделено значительное
внимание.
Не менее

важной

задачей

в технологии

сушки

лиственничных

пиломатериалов является сокращение возникновения различного вида трещин и
покоробленности в готовом изделии. В настоящее время технология сушки
пиломатериалов, независимо от породы древесины, настроена на снижение
видимых дефектов в доске. Такой подход в полной мере отвечает требованиям
товарной продукции, которой является пиломатериал. Это справедливо, так как
первое, на что обращает внимание покупатель – внешний вид.
При производстве изделий из клеёного древесного массива необходимо
учитывать дополнительные условия, которые позволяют предотвратить
появление трещин и покоробленность уже в готовом изделии. Такими
дополнительными

условиями

является

реология

древесины.

Согласно

руководящих материалов по технологии камерной сушки степень готовности
пиломатериалов к дальнейшей переработке определяется по такому показателю
как остаточные напряжения (относительная деформация зубцов).
Данный метод отличается повышенной степенью неопределённости при
относительно высокой трудоёмкости. Расположение годичных слоёв на торце
каждого зубца оказывает соразмерное влияние на его деформацию, что и перепад
влажности по сечению доски. Поэтому какой из факторов является
превалирующим определить достаточно сложно. Всё вышеперечисленное не
позволяет данный способ определения готовности пиломатериалов использовать
в качестве базового.
При подготовке заготовок для производства клеёного массива из
древесины лиственницы вопрос готовности относится к основополагающим. В
процессе эксплуатации изделий, изготовленных из древесины лиственницы,
возникает коробление и растрескивание. В подавляющем большинстве случаев
указанные дефекты проявляются в первые месяцы эксплуатации. Любое

11

исправление дефектов в готовом изделии связано с повышением расхода
дорогостоящего материала. В работе данный вопрос дополнительно изучен.
Предлагается дополнительный перечень мероприятий, позволяющий снизить
вероятность появления дефектов в готовом изделии.
В настоящее время разработано множество конструкций сушильных
камер, в которых реализуется основных два условия – конвективный нагрев
пиломатериалов и удаление с поверхности доски влаги. Здесь требуются
определённые уточнения. Сушильная камера типичная тепловая установка, в
которой производимая калориферным узлом тепловая энергия распределяется
определённым

образом

по

двум

основным

направлениям.

Основные

теплопотери приходятся на поддержание температурного уровня самой
древесины. Значительные теплопотери приходятся на поддержание режимных
показателей: воздухообмен, потери через ограждения, утечка через неплотности
в ограждениях сушильной камеры и др.
Первая группа теплопотерь зависит от хорошо просчитываемых факторов
– объём древесины, начальная и конечная температура древесины, скорость
изменения температурного уровня. Практика сушки пиломатериалов указывает
на значительные теплопотери при воздухообмене. В подавляющем большинстве
конструкций сушильных камер периодического действия воздухообмен при
осушении агента сушки производится путём удаления увлажнённого воздуха
через приточно-вытяжные каналы. Удаление увлажнённой паровоздушной
смеси

производится

периодически,

что

позволяет

изменять

степень

насыщенности от максимального значения  → 100 % до   20 … 30 %. В
результате в сушильной камере поддерживается среднее значение степени
насыщенности на уровне режимного показателя.
Такой способ осушения относится к группе малоэффективных, так как с
увлажнённой частью в окружающую среду попадает сухая часть нагретого
паровоздушной смеси. Для повышения эффективности указанной операции в
конструкцию сушильной камеры периодического действия монтируется

12

конденсаторы. Данная установка заменяет работу приточно-вытяжных каналов.
Работает по такому же принципу – накопление влаги – глубокое осушение и
вновь накопление воды.
При повышенной эффективности осушения данная установка не нашла
широкого применения по причине сложности эксплуатации. В работе данный
вопрос дополнительно изучен. Предлагается один из вариантов решения данной
проблемы использования в сушильных камерах периодического действия
постоянно действующего конденсатора (работа экономайзера в сушильных
камерах непрерывного действия). При этом в качестве хладоагента в виде
дорогостоящего и экологически опасного фреона предлагается холодная вода.
Данный метод успешно прошёл испытания на полупромышленной сушильной
камере.

13

1 Древесина лиственницы как объект сушки
1.1 Общие сведения о древесине лиственницы
В

Российской

Федерации

сосредоточены

значительные

запасы

лиственницы сибирской. Её запасы составляют более одной трети общего
объема древесины (около 28 млрд. м3 из примерно 82 млрд. м3 [11]), что является
источником получения ряда полезных компонентов [59]. Основные насаждения
находятся в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Данная порода древесины
обладает

уникальными

природными

характеристиками:

повышенной

прочностью на истирание, стойкостью к гниению, обладает красивой текстурой
и др.
Деревья лиственницы достигают высоты 30 … 60 м. Диаметр ствола у
комля достигает 175 см (рис. 1.1). Возраст дерева доходит до 300 … 600 лет [98].
Дерево

устойчиво

против

мороза

и

засух.

Обладает

повышенными

прочностными характеристиками. Повышенное содержание экстрактивных
веществ придают данной породе древесины повышенную биостойкость.
Красивая

текстура

позволяет

использовать

её

в

производстве

высококачественных изделий.
Данная порода относится к группе ядровых. Объём ядра в некоторых
случаях достигает 90 % (рис. 1.1).
Обладая уникальными физико-механическими свойствами, данная порода
древесины не находит широкого применения в производстве изделий.
Широкому применению лиственницы препятствует такие характеристики как
повышенная твёрдость, что затрудняет её механическую обработку; наличие
экстрактивных веществ предъявляют повышенные требования режущему
инструменту при распиловке брёвен; из-за крайне неравномерной плотности
древесины в пределах одного годичного слоя достаточно сложно получить
поверхность

обработки

высокой

чистотой

обработки;

неравномерность

14

плотности ранней и поздней древесины осложняет качественную отделку; в
процессе

эксплуатации

наблюдается

значительная

формо-

и

размер

изменяемость, особенно в условиях переменной влажности окружающей среды;
трудности

качественной

сушки

лиственничных

пиломатериалов,

очень

склонного к растрескиванию и различного вида коробления при повышенных
сроках конвективной сушке.

1

2

Рис. 1.1 - Торец лиственничного бревна: 1 – ядро; 2 - заболонь
Всё вышесказанное указывает на недостаточно полное изучение свойств
данной породы древесины. Системному изучению физико-механических
свойств

древесины лиственницы посвятили свои работы учёные Н.Н.

Чулицкий, И.С. Мелехов, Н.И. Стрекаловкий, Л.М. Перелыгин, В.Е. Вихров,
В.Е. Москалёва, Б.Н. Тихомирова и др. Особенности раскроя лиственничных
брёвен рассматривался Ф.Т. Тюриковым, В.Ф. Ветшевой и др. Технология
конвективной сушки лиственничных пиломатериалов изучалась в работах
Л.Н. Кротова, В.Н. Ослоновича, Н.В. Дзыги, А.А. Орлова и др.

15

1.2 Строение древесины лиственницы
Макроскопическое строение.
Древесина лиственницы представляет сложную растительную ткань.
Ткань состоит из клеток с одревесневшими оболочками, которые выполняют
проводящую, механическую, запасающую функции.
Принято изучать строение на макро- и микроуровне. Под макро строением
понимается структура древесины, различаемая невооружённым глазом.
Разрезы ствола дерева лиственницы. Строение древесины лиственницы
оказывают значительное влияние на ее физико-механические и технологические
свойства, поэтому их рассмотрение позволяет лучше понять и оценить
возможности её переработки и применения.
Рассмотрим три взаимно перпендикулярных разреза ствола лиственницы:
торцовый, радиальный и тангенциальный (рис. 1.2). На всех трёх разрезах
древесины лиственницы отчётливо обозначены границы между ранней и
поздней древесиной, что указывает на наиболее резкий переход от ранней
древесины к поздней.

а)

б)

в)

Рис. 1.2 - Разрезы ствола лиственницы: торцовый (а), тангенциальный (б) и
радиальный (в)

Следовательно, факторы, определяющие строение древесины, постепенно
изменяются в течение летнего вегетативного периода, в конце которого

16

происходит полное прекращение роста, фиксирующееся границей годичного
слоя.
На всех разрезах резко выделяются участки ядровой древесины 70 - 75 %
(рис. 1.3), находящиеся в центральной части дерева и заболони - наружные слои
древесины, примыкающие к камбию и коре [19]. С движением от комля к
вершине удельный объем ядровой древесины в общей массе уменьшается.
Ядро у лиственницы яркое, красновато-бурого цвета. Заболонь у
лиственницы белая с лёгким буроватым оттенком. Таким образом, лиственница
относится к ядровым породам.
Заболонь у лиственницы узкая, в среднем 8 … 20 мм. Поэтому объём
ядровой части высок и составляет в среднем 70 … 75 %. У ели объём спелой
древесины не превышает 20 %. У древесины сосны содержание ядра несколько
выше, по сравнению с елью, но не достигает столь высокого значения, как у
лиственницы. Относительное содержание ядровой древесине в лиственнице
уменьшается с высотой дерева.

3

1

2

Рис. 1.3 – Образец лиственничный: 1 – кора; 2 – заболонь; 3 - ядро
Живые элементы в ядровой древесине лиственницы в значительной части
отмирают, и в них накапливаются камеди, смолы и другие вещества. Вследствие

17

этого имеются предположения, что ядро лиственницы не принимает участия в
передвижении веществ в растущем дереве, а накапливающиеся в ядре вещества
придают древесине повышенную биостойкость: стойкость к гниению,
поражению грибами и насекомыми.
Заболонь лиственницы наряду с мёртвыми анатомическими элементами
содержит живые клетки древесной и лучевой паренхимы. Заболонь более
проницаема для жидкостей и газов по сравнению с ядром. Кроме этого, заболонь,
являясь более молодой частью ствола, содержит меньше сучков, а также
обладает большей эластичностью, чем древесина ядра. Древесина заболони
менее прочная по сравнению с ядровой.
Кора. По внешнему виду кора лиственницы чешуйчато-бороздчатая. Цвет
красно-бурый (рис. 1.7) [98]. Кора в лиственнице составляет в среднем 13 … 17
%. При этом объём коры сосны равен 10 … 17 % от объёма ствола, ели – 7 – 15
%. В целом, в объём коры зависит от возраста дерева, условий произрастания и
места по длине ствола.
Смоляные кармашки. При механической обработке лиственничных
пиломатериалов большое значение имеет наличие и распространение различных
смоловместилищ (рис. 1.4). Расположение смоляных кармашков по поперечному
сечению среза ствола неравномерное. Они могут располагаться близко к
периферии и при снятии коры видны в виде вздутий. Основная масса кармашков
расположена в пределах 2 см от камбиального слоя. Здесь их количество
составляет 68 %, т. е. в пределах заболонного кольца их расположено
большинство. На глубине 2 - 4 см от поверхности встречается 19,3 % от общего
количества смоляных кармашков, на глубине 4 - 6 см - 4,9, 6 - 8 см - 2,4, 8 - 10 см
- 1,7%. С дальнейшим движением к оси бревна количество смоляных кармашков
продолжает уменьшаться и составляет на двухсантиметровых участках лишь
доли процента.
Приведенные данные позволяют утверждать, что при исключении
заболонной части бревна из обработки резко снижается вероятность встречи со

18

смоляными кармашками в процессе механической обработки древесины. В
практике заболонь в заготовках и деталях часто ограничивается, а в шпоне и
фанере не допускается. Поэтому неверно считать пиломатериалы из древесины
лиственницы трудно обрабатываемыми из-за наличия смоляных кармашков.

а

б

Рис. 1.4 - Смоляной ход древесины лиственницы: а – вид с торца; б – продольный
разрез

Годичный слой — важнейший элемент строения древесины, видимый
невооруженным глазом (рис. 1.2).
Ширина годичного слоя обычно находится в пределах 1 - 3 мм и зависит
от возраста дерева, различных условий питания, климата, освещенности. С
увеличением возраста дерева ширина годичных слоев уменьшается.
Поздняя древесина древесины лиственницы имеет красновато-бурую
окраску и состоит из толстостенных клеток. Различие в цвете ранней и поздней
древесины большим различием создаёт разнообразную красивую текстуру.
Между ранней и поздней древесиной обнаруживается третий, промежуточный
слой.
Соотношение между объемом ранней и поздней древесины годичного слоя
лиственницы меняется как в различных деревьях, так и в пределах одного дерева.
Это соотношение (удельный объем поздней древесины) колеблется от 10 - 13 до
40 - 47 % и составляет в среднем 30 - 35 %.

19

Микростроение.
Древесная ткань лиственницы всех видов состоит из разнородных клеток,
скреплённых между собой межклеточным веществом. В древесине лиственницы
различают такие виды клеток: трахеиды, сердцевинные лучи, клетки древесной
паренхимы.
До 90 % в древесине лиственницы составляют сосудообразные клетки –
это трахеиды. Трахеиды выполняют водопроводящие и механические функции,
располагаются вдоль ствола дерева. Размеры трахеид древесины лиственницы
зависят от условий произрастания, возраста дерева и др. На поперечном разрезе
годичного слоя (рис. 1.4) размер трахеид неодинаков. Весной дерево
откладывает широкие трахеиды с тонкими стенками, образуя раннюю древесину.
С приближением осени трахеиды в поперечном сечении меняют свою форму сплющиваются в радиальном направлении, стенки утолщаются. Таким образом
формируется поздняя древесина (рис. 1.4).
1

2

3

Рис. 1.4 - Годичный слой лиственницы под микроскопом: 1 - поздняя
древесина; 2 – ранняя древесина; 3 – сердцевинный луч

Ранняя и поздняя зоны годичного слоя древесины лиственницы
значительно отличаются друг от друга по строению, физико-механическим

20

свойствам и химическому составу древесины. Микроскопические исследования
трахеид по радиальным рядам годичного слоя от его внутренней до внешней
границы на поперечном срезе позволило определить размер по внешнему
диаметру, диаметр полости в тангенциальном и радиальном направлениях и
толщину клеточных оболочек.
Площадь сечения трахеид из ранней зоны годичного слоя составляет 1752
мкм2, из поздней 614 мкм2; площадь полостей соответственно 1236 мкм2 и 125
мкм2; площадь оболочек 527 мкм2 и 492 мкм2 (рис. 1.4). Периметр ранних
трахеид составляет 166 мкм, поздних 99 мкм, диаметр в радиальном направлении
ранних и поздних трахеид соответственно 52 мкм и 22 мкм. Длина трахеид
находится в пределах 2,5 - 2,7 мм. Поверхностная пористость трахеид ранней
древесины 66 %, поздней 21 %, толщина оболочки соответственно 3,3 и 6,6 мкм
[16].
Полученные данные показывают, что трахеиды ранней древесины имеют
площадь поперечного сечения почти в 3 раза больше, чем в поздней древесине.
Площадь поперечного сечения оболочек ранних и поздних трахеид практически
одинакова, но данные о поверхностной пористости показывают, что размеры
пустот в ранней древесине в три раза больше, чем в поздней. Диаметр трахеид
поздней древесины в тангенциальном направлении немного меньше диаметра
трахеид ранней древесины, тогда как в радиальном направлении их размер почти
в 2,5 раза меньше размера трахеид ранней древесины. При этом толщина
оболочек трахеид поздней древесины в 2 раза больше, чем в ранней, при
практически одинаковой длине.
Сердцевинные лучи

(рис. 1.8) состоят из радиально

вытянутых

паренхимных клеток. Сердцевинные лучи предназначены для проведения воды
в радиальном направлении. Удельный вес их в общей массе составляет для
лиственницы 8,8 - 10 %, что значительно больше, чем для сосны и ели
(соответственно 4,7 % и 5,5 %) [14]. Сердцевинные лучи состоят из радиально
вытянутых паренхимных клеток и гладкостенных лучевых трахеид.

21

Смоляные ходы. Древесина лиственницы содержит вертикальные и
горизонтальные смоляные ходы. Вертикальные смоляные ходы достаточно
редко встречаются и располагаются в поздней древесине или переходной зоне
между ранней и поздней древесиной. На поперечном разрезе древесины
лиственницы вертикальные смоляные ходы различаются в виде редких белых
точек в поздней древесине годичного слоя.
Горизонтальные и вертикальные смоляные ходы формируют единую
капиллярную систему, что позволяет проводит такую операцию как подсочка.
На 1 мм2 древесины лиственницы приходится от 1 … 4 горизонтальных
смоляных хода и 6 … 9 вертикальных. Диаметр смоляных ходов: вертикальные
– 60 … 90 мкм; горизонтальные – 25 мкм. Горизонтальные смоляные ходы
располагаются между клетками сердцевинных лучей. Основное назначение
смоляных ходов – это защитные. Система смоляных ходов при ранении дерева
позволяет выделять и проводить смолу и эфиры.
1.3 Пористость древесины лиственницы
Физические свойства во многом определяют её эксплуатационные
характеристики: сушка, отделка, механическая обработка и др. В связи с тем, что
данная работа посвящена изучению особенности процессов удаления воды при
конвективном теплообмене, особое внимание будет уделено свойствам, которые
связаны именно с эмиссией влаги.
Пористость древесины. Пористость — свойство, присущее любой
древесине. Пористость древесины обусловлена ее клеточной структурой и
выражается наличием полостей в клетках. В более широком понимании под
пористостью древесины следует иметь в виду не только полости клеток, но и
макро- и микро капиллярную систему клеточных оболочек. Пористость
древесины определяет ее многие свойства: влажность, плотность, прочность и
т.д. и поэтому имеет большое практическое значение.

22

Пористость достаточно ёмкое понятие. Под данным термином может
рассматриваться наличие полостей в клетках древесины, в которых может
содержаться парогазовая смесь, водный раствор экстрактивных веществ и др. –
это объёмная пористость, наличие каналов различного вида, а также
поверхностная пористость.
Объёмная пористость. Пористость древесины П в долях объема
определяется её плотностью в абсолютно сухом состоянии и плотностью стенок
клеток, которая обычно приравнивается к плотности древесинного вещества.
Пористость определяется по формуле [72, 83]

П =1 −

o
,
s

(1.2)

где о - плотность древесины в абсолютно сухом состоянии, кг/мЗ;

s - плотность древесинного вещества, кг/м3.
Вопрос объёмной пористости имеет принципиальное значение. Это
связано с тем какой объём парогазовой смеси может разместится в порах
древесины лиственницы при реализации принципа Ле Шателье при сушке. Об
этом будет сказано ниже. Современная теория сушки предполагает, что в
древесине лиственницы имеет место только паровоздушная смесь [56], [97]. Это
не так. Эксперименты показали, что в древесине лиственницы при повышении
температуры выше 35 … 40 0С формируется парогазовая смесь. Процесс
формирования парогазовой смеси не прекращается в течении всего периода
сушки. В связи с тем, что в древесине лиственницы создаётся избыточное
давление, то можно сделать вывод – объём парогазовой смеси превышает
свободную ёмкость древесины.
Объемная пористость древесины лиственницы отдельно для ранней и
поздней древесины была определена в Институте леса АН СССР В. Е. Вихровым
[16]:
- для ранней древесины - 75,3%;

23

- для поздней - 46,7%.
Сравнение данных по пористости древесины разных пород показывает, что
пористость ранней древесины сосны, ели и лиственницы практически одинакова,
а пористость поздней древесины лиственницы значительно меньше, чем у
поздней древесины сосны и ели. Следовательно, у лиственницы различий в
строении ранней и поздней древесины гораздо больше, чем у сосны и ели, за счет
повышенной плотности поздней части годичного слоя.
Из приведённых данных следует вывод – древесина лиственницы имеет
ограниченные

возможности

накапливать

парогазовую

смесь,

которая

формируется в результате реакции гидролиза. Следовательно, даже небольшой
объём парогазовой смеси позволяет создавать избыточное давление в центре
высушиваемой доски.
Результаты расчета пористости приведены в табл. 1.1.
Таблица1.1 – Результаты расчета пористости
Порода
Сосна
Лиственница
Ель

Плотность абсолютно сухой
древесины, кг/м
470
630
420

Пористость

З

0,69
0,59
0,73

Система каналов сообщения между клетками. Для механизма сушки
лиственничных пиломатериалов важным является наличие системы каналов,
соединяющих полости клеток. Различают пористость открытую – в виде каналов
и капилляров, соединённых между собой, закрытую – в виде изолированных друг
от друга пор. В древесине вообще [97] и лиственницы в частности следует
считать пористость открытой [98], «так как в клеточных оболочках отдельных
клеток имеются поры обеспечивающие сообщения между клетками. Через
открытые поры и капилляры под действием перепада давления может
происходить движение жидкостей и газов (фильтрация). При закрытой
пористости фильтрация жидкости была бы невозможна».

24

С таким мнением можно согласиться только отчасти. Такой вывод следует
из того, что древесина – это производное дерева, в котором осуществляется
снабжение живых клеток различного вида растворами. При этом одним из
основных регулирующих элементов выступает полупроницаемая мембрана,
которая является обязательным элементом клеточной стенки.
В специальной литературе нет сведений о том, что в период от спиливания
дерева, его разделки на отдельные сортименты в древесине происходят
процессы, коренным образом меняющие его строение. Поэтому при
рассмотрении движения жидкости и газов в древесине вообще и лиственницы в
частности за исходный материал следует взять строение биологической клетки.
Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Оболочка
клетки хорошо проницаема как для воды, так и для растворённых веществ. При
этом плазмолемма и токопласт обладают полупроницаемостью, пропускают
воду и слабопроницаемы, а в некоторых случаях совсем непроницаемы для
растворённых веществ. Поэтому говорить о том, что поры в древесине
лиственницы открыты некорректно. В то же время рассматривать древесину как
закрытую систему также неверно. Механизм переноса как воды, так и других
растворённых в воде веществ много сложнее, чем просто перенос чистой воды
через открытую систему пор.
В этой связи следует обратить внимание на некоторые особенности
строения

мембран

(плазмалемма,

растительного

цитолемма,

происхождения.

плазматическая

Клеточная

мембрана)

—

мембрана

эластическая

молекулярная структура, отделяющая содержимое любой клетки от внешней
среды и обеспечивающая её целостность [105].
Функции клеточной мембраны:
- образует избирательный барьер, который отделяет содержимое клетки от
окружающей среды, что позволяет поддерживать постоянными химический
состав цитоплазмы и её физические свойства;

25

-

регулирует

транспорт

веществ

между

содержимым

клетки

и

окружающим клетку раствором.
Для рассмотрения процессов удаления воды из древесины важной
функцией является регулирование транспорта веществ. Не вдаваясь в детали
механизмов переноса различного вида комплекса веществ, которые детально
рассмотрены в специальной литературе [105 и др.], остановимся на некоторых.
Различают два основных вида поглощения питательных веществ:
пассивный, активный. Пассивное поглощение не требует дополнительных затрат
энергии. Оно связано с процессом диффузии и идёт по градиенту концентрации
данного вещества и описывается первым законом Фика

𝐽=−

𝐷𝑘
𝑑

(𝐶1 − 𝐶2 ),

(1.3)

где J – поток вещества, перемещаемого путём диффузии;
D – коэффициент диффузии;
d – толщина мембраны;
k – коэффициент распределения вещества, зависящий от растворимости
вещества в органических растворителях, но не в воде;
С1, С2 – концентрация раствора внутри и вне клетки
Таким образом, мембрана хорошо проницаема для липидорастворимых
веществ (спирты, эфиры), не имеющих биологического значения. Мелкие
молекулы могут проникать через мембрану путём свободной диффузии. Таким
свойством обладают молекулы воды, кислорода, углекислого газа.
Но такие гидрофильные вещества как сахара, аминокислоты не способны
проникать через биологическую мембрану посредством свободной диффузии.
Существует несколько гипотез, объясняющих проникновение ионов через

26

мембрану. Наиболее распространённое мнение, что ионы проникают через
мембрану с помощью переносчиков.
Относительно механизма переносчиков в мембране существует несколько
гипотез [105] (рис. 1.5):
1. Переносчик диффундирующий.
2. Переносчик скользящий (предполагает наличие в мембране пор, в этом
случае он мигрирует по стенкам поры).
3. Переносчик, поворачивающийся в мембране.
Транспорт с участием переносчиков может идти по направлению
химического или электрического градиента. В этом случае поступление ионов не
требует затрат энергии – это пассивный процесс. Формирование в древесине
лиственницы различного вида ионов, которые образуются в полостях клеток в
результате реакции гидролиза [34], приводит к избирательной их концентрации
на поверхности мембран. Избыточное давление, которое формируется в центре
доски [44] приводит к активному переносу ионов против градиента
концентрации.
Одним из эффективных переносчиков ионов может выступать пиноцит. Сам
процесс переноса называется пиноцитоз — это активное поглощение клеткой из
окружающей среды жидкостей или коллоидных растворов с содержащимися
в них веществами. Доказано, что данное явление характерно для клеток
растений. Процесс этот можно разделить на несколько фаз (рис. 1.5, г):
1. Адсорбция ионов на определённом участке мембраны.
2. Впячивание, которое происходит под влиянием заряженных ионов.
3. Образование пузырьков с раствором, которые могут мигрировать по
мембране.
По такому механизму в клетки (из клеток) могут попадать не только
ионы, но и различные растворимые органические вещества.
Изменение баланса веществ, включая воду и растворённые в воде вещества
при различных условиях приводит к возникновению осмотических процессов.

27

Для этого растительная клетка рассматривается как осмотическая система [105].
Реализация осмотических явлений связана с осмотическим давлением, значение
которого колеблется от 0,1 до 20 Мпа.
Осмотическое давление определяет сосущую силу поступления воды в
клетку. Чем больше поступает воды в клетку, тем больше растёт тургорное
давление и противодавление оболочки. Наступает момент, при котором
клеточная оболочка растягивается до предела. В этом случае осмотическое
давление уравновешивается противодавлением оболочки, а сосущая сила
становится равной нулю.

Рис. 1.5 – Схемы гипотетических механизмов переносчиков: а –
диффундирующие; б – вращающиеся; в – скользящие; г - пиноцитов

28

Из

вышесказанного

следует,

что

клетка

проявляет

себя

как

саморегулирующая система. Величина сосущей силы определяется степенью
насыщенности клетки: чем меньше клетка насыщена водой, тем больше её
сосущая сила. Следовательно, любое изменение влажности в древесине при её
сушке включает механизм равновесия системы.
Для более полного механизма выравнивания системы необходимо
учитывать тот факт, что в клетке присутствуют растворённые вещества. Наличие
этой группы веществ уменьшают концентрацию воды, снижая тем самым её
активность [67]. По мере увеличения количества растворённых веществ водный
потенциал становится более всё более отрицательным.
Следовательно, водный потенциал

–

это

есть фактор, который

способствует поступлению воды в клетку при данных условиях, по величине
равен сосущей силе, но противоположная ей по знаку [105]. Таким образом,
энергетическое

состояние

воды,

способность

совершать

работу

и

её

подвижность определяются водным потенциалом. Из этого следует вывод
водный потенциал может рассматриваться одной из составляющей движущей
силы, которая способна выполнять работу по переносу влаги из одной полости в
другую в процессе сушки.
1.4 Усушка древесины лиственницы
Усушка древесины вообще и лиственницы в частности – это специфичный
вид деформации, который присущ древесинному веществу. Спецификой данного
вида деформации заключается в том, что она реализуется при удалении воды,
которая находится в плёночном состоянии между отдельными элементами
древесинного вещества.
Связанная влага находится в клеточных стенках преимущественно в
промежутках между микро фибриллами. Микро фибриллы – это элементы
древесинного вещества, которые ориентированы по направлению продольной

29

оси клетки. Удаление связанной влаги приведет к уменьшению толщины
клеточных оболочек и, соответственно, уменьшению поперечных размеров
клетки. Следовательно, наибольшая усушка древесины должна быть в
поперечном сечении – тангенциальном и радиальном направлении. Продольная
усушка, которая обусловлена некоторым наклоном микрофибрилл, значительно
меньше, так как составляет лишь долю от основной поперечной деформации. В
инженерных

расчётах

усушка

древесины

в

продольном

направлении

принимается за нулевое значение.
Усушка в радиальном и тангенциальном направлении также неодинакова.
Усушка древесины лиственницы в тангенциальном направлении в 2 … 2,2 раза
превышает тот же показатель в радиальном направлении [83]. Причины этого
различия еще недостаточно выяснены. Одним из факторов, который формирует
анизотропию усушки древесины лиственницы, может рассматриваться наличие
сердцевинных лучей.
Размеры сосудов и паренхимных клеток обычно уменьшаются в
тангенциальном направлении и несколько увеличиваются в радиальном;
древесные же волокна усыхают примерно одинаково в обоих направлениях.
Сердцевинные лучи сильнее усыхают по ширине, чем по длине. Установлено,
что у хвойных пород между радиальной и тангенциальной усушкой древесины
поздней зоны годичных слоев существует небольшое различие, а тангенциальная
усушка древесины ранней зоны годичных слоев в 2—3 раза превосходит
радиальную. При этом поздняя древесина поперек волокон усыхает значительно
больше, чем ранняя, а вдоль волокон, наоборот, поздняя древесина усыхает
меньше, чем ранняя (табл. 1.2) [16].
Таблица 1.2 Усушка элементов годичного слоя древесины лиственницы
Усушка, %
объемная полная
тангенциальная
радиальная

Среднестатистические данные
13,43/22,8
7,87/13,9
1,57/7,1

30

Имеющиеся данные по усушке указывают на то, что усушка древесины в
целом занимает среднее положение между усушкой ранней и поздней
древесины, но выше средней арифметической. Из этого следует, что усушка
поздней зоны для тангенциального направления имеет особо важное значение.
Если учесть, что сердцевинные лучи по ширине усыхают больше, чем по длине,
этими двумя причинами уже можно удовлетворительно объяснить различие
между радиальной и тангенциальной усушкой древесины. При этом для
древесины лиственницы главное значение имеет повышенное значение
тангенциальной усушки поздней зоны годичных слоев. Именно в поздней зоне
годичного

слоя

зарождается

микротрещина,

которая

перерастает

в

магистральную.
Усушку

древесины

следует

также

рассматривать

как

результат

деформирования некоторой ячеистой конструкции. При этом большое значение
приобретает упругая анизотропия такой системы, обусловленная главным
образом особенностями расположения ячеек — полостей клеток. Большая
усушка должна быть в направлении меньшей жесткости системы и наоборот. Как
будет показано далее, в радиальном направлении жесткость (модуль упругости)
выше, чем в тангенциальном направлении. Это также должно служить
объяснением большей усушки в тангенциальном направлении.
Мерой усушки является относительная не

силовая влажностная

деформация. Для расчёта усушки образца (Yw) его влажностная деформация
должна быть отнесена к размеру (объему) образца при пределе гигроскопичности

𝑌𝑤 =

𝑎п.г. −𝑎𝑤
𝑎𝑤

∙ 100%,

где ап.г. – размер образца при пределе гигроскопичности;
аw – размер образца при данной влажности

(1.4)

31

Под полной усушкой Y понимают уменьшение линейных размеров или
объема

древесины

при

удалении

всего

количества

связанной

влаги.

Следовательно, для установления полной усушки влажность должна быть
снижена от предела гигроскопичности до нулевого значения.
Наибольшая полная линейная усушка, равная 6 … 10%, наблюдается в
тангенциальном направлении; в радиальном направлении полная усушка
составляет 3 … 5%, а вдоль волокон величина усушки в десятки раз меньше и
равна 0,1 … 0,3%. Полная объемная усушка в среднем составляет 12 … 15%.
Расчеты влажностных деформаций древесины принято проводить через
коэффициент усушки, определяющий величину усушки при снижении
содержания связанной влаги в древесине на 1%. Принимается, что между
усушкой и убылью связанной влаги имеется линейная зависимость. Тогда
коэффициент усушки Ку определяется по формуле
𝐾𝑦 =

𝑌
𝑊п.г.

%.

(1.5)

С увеличением плотности древесины величина усушки, как правило,
увеличивается. Средняя величина усушки поперек волокон (радиальной и
тангенциальной)

хвойных

пород

меньше,

чем

лиственных,

однако

неравномерность усушки, т. е. отношение тангенциальной усушки к радиальной,
наоборот, у хвойных пород больше, чем у лиственных.
1.5 Набухание древесины лиственницы
При увлажнении древесины в результате увеличения содержания
связанной влаги микро фибриллы в клеточных оболочках раздвигаются. Это
вызывает увеличение размеров (объема) анатомических элементов и древесины
в целом - разбухание. Разбухание представляет собой явление, обратное усушке,

32

и практически подчиняется одним и тем же количественным закономерностям.
Оно

особо

актуально

для

лиственницы.

Одним

из

основных

эксплуатационных недостатков изделий из древесины лиственницы – это
нестабильность их формы и размеров при эксплуатации при переменных
температурно-влажностных условиях. Как следствие, появление различного
вида дефектов – различного вида разрушения по клеевому шву, а также
возможно проявление покоробленности в виде выпучивания.
Мерой разбухания является влажностная деформация, отнесенная к
размеру (объему) образца в абсолютно сухом состоянии

𝑃𝑤 =

𝑎𝑤 −𝑎0
𝑎0

∙ 100%,

(1.6)

где Pw - разбухание образца при достижении дайной влажности;
аw - размер (объем) образца при данной влажности W;
aо - размер (объем) образца в абсолютно сухом состоянии (W=0%)
Полное разбухание Р наступает при увлажнении древесины от абсолютно
сухого состояния до предела гигроскопичности. Дальнейшее увеличение
влажности древесины вследствие повышения содержания свободной влаги
разбуханием не сопровождается. Объем разбухшей древесины получается
несколько меньше суммы объемов древесины до разбухания п поглощаемой ею
воды. Это уменьшение объема системы (древесина — вода) называется
контракцией и объясняется сжатием (уплотнением) воды, происходящим под
большим давлением. Полученные данные указывают на то, что контракция
происходит при увеличении влажности от 0 до примерно 6 %; последующие
количества поглощаемой воды не претерпевают сжатия.
Коэффициент разбухания Кp, если известно частичное Pw или полное Р
разбухание, определяется по формуле

33

𝑃

𝐾𝑝 =
Для

характеристики,

посредственным

𝑊п.г.

явления

экспериментальным

.

(1.7)

разбухания

ограничиваются

определением

полного

не-

линейного

радиального и тангенциального разбухания Р. Коэффициент разбухания Кр
древесины лиственницы в радиальном направлении составляет 0,2, в
тангенциальном – 0,39 [83].
Полное разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях
вычисляют по формуле
𝑃=

𝑎п.г. −𝑎0
𝑎0

.

(1.8)

Изучение микроскопического строения древесины лиственницы при
увеличении в 800 раз поперечных срезов поздних трахеид в сухом и влажном
состояниях показало, что величина разбухания оболочек трахеид в процентах
составляет в тангенциальном направлении 35,8%, а в радиальном 24,85%.
Разбухание трахеид в диаметре составляет соответственно 9,8 и 9,6%. В целом
трахеиды в тангенциальном и радиальном направлениях разбухают одинаково.
Оболочки трахеид в тангенциальном направлении разбухают в значительно
большей вроде переносы лучше исключить степени, чем в радиальном.
Если воспрепятствовать свободному увеличению размеров и объема
древесины

при

влагопоглощении,

вследствие

стеснения

влажностных

деформаций возникнут усилия — давления набухания.
В начале процесса величина давления возрастает, а затем стабилизируется
на одном уровне. Максимальное давление зависит от характеристики
исследуемой

древесины

(породы,

ядра

пли

заболони,

структурного

направления), а также предварительной ее обработки. Давление разбухание,
которое удалось зафиксировать при испытании древесины лиственницы:
радиальное направление заболонь – 7,4 кг/см2, ядро – 9,1 кг/см2; тангенциальное
направление – заболонь 16,9 кг/см2, ядро – 17,1 кг/см2 [72].

34

1.6 Плотность древесины лиственницы
Так как древесина представляет собой пористый материал, поры которого
заполнены воздухом или водным раствором экстрактивных веществ, удобнее
оперировать плотностью древесины. Плотность древесинного вещества для
лиственницы почти не отличается от плотности других древесных пород и равна
в среднем 1,53 г/см3 [97].
Плотность древесины лиственницы зависит от ее объемной пористости и
от влажности: чем больше объемная пористость древесины и ниже влажность,
тем меньше её плотность. При высыхании древесины ее линейные размеры, а,
следовательно, и объем остаются постоянными вплоть до влажности 30%, масса
же уменьшается.
Уже в силу этого плотность древесины оказывается величиной
непостоянной и зависящей от влажности. Кроме того, при понижении влажности
древесины ниже гигроскопической точки изменяется не только масса древесины,
но и объем, а следовательно, и характер зависимости плотности древесины от
влажности. При таком непостоянстве показателя плотности древесины
целесообразно ввести другое понятие плотности, которая сохраняет свое
значение для любого влажностного состояния древесины.
Поэтому в большинстве расчетов, связанных с определением плотности
древесины, а также расчетов изменения её влажности и размеров, уместно
предварительно ввести понятие базисной плотности. Под базисной плотностью
древесины понимается отношение массы абсолютно сухой древесины к её
объему, который она имела при влажности выше 30% [97].
Базисная плотность б рассчитывается по уравнению

𝜌б =

𝑚0
𝑉в

,

(1.3)

35

где m0 - масса древесины в абсолютно сухом состоянии, г;
Vв - объем влажного образца в см3.
Согласно имеющимся литературным данным, плотность древесины
лиственницы

колеблется

в

широких

пределах.

Плотность

древесины

лиственницы во многом зависит от её вида и условий произрастания. Чаще всего
колебания значений б для лиственницы находятся в пределах 0,49 - 0,56 г/см3.
Плотность древесины лиственницы при различной влажности может быть
определена через значение базисной плотности посредством следующих
соотношений.
Плотность абсолютно сухой древесины, г/см3,

𝜌0 =

100𝜌б
100−𝑌0

,

(1.4)

где Y0 — величина полной объемной усушки древесины, %.
Плотность древесины меньше плотности древесинного вещества, так как
содержит полости, заполненные в абсолютно сухом состоянии парогазовой
смесью. Зависимость между 0 и д устанавливается соотношением

𝜌0 = 𝜌д (1 −

П
100

),

()

где П – пористость древесины
Пористость древесины – это относительный объём полостей в образце
абсолютно сухой древесины и определяется по формуле 1.2.
Плотность влажной древесины рассчитывается по формуле

36

𝜌𝑤 =

𝑚𝑤
𝑉𝑤

,

()

где w - плотность древесины при влажности W;
mw – масса образца древесины при влажности W;
Vw – объём образца древесины при влажности W
Плотность древесины лиственницы в большой степени зависит от
содержания в ней поздней древесины: чем выше содержание поздней древесины,
тем выше плотность. Эта зависимость для различных пород древесины, в том
числе и для лиственницы, выражается следующим эмпирическим уравнением
прямой линии. По исследованиям Н. Н. Чулицкого [99], для лиственницы
уравнение, по которому рассчитывается плотность, выглядит следующим
образом
𝜌15% = 0,44 + 0,007𝑚.

(1.5)

Из абсолютных цифр плотности древесины лиственницы следует, что она
относится к умеренно тяжелым древесным породам с плотностью 0,61- 0,70 г/см3
при влажности 15%.
Соотношение между плотностью ранней и поздней древесины у
лиственницы свидетельствует о большой неравномерности ее строения, что
вызывает ряд технических трудностей при ее использовании. Согласно С. И.
Ванину [14], плотность ранней древесины у лиственницы в абсолютно сухом
состоянии равна 0,36 г/см3, а поздней - 1,04 г/см3, т. е. это соотношение равно
1:2,9.

37

1.4 Влажность древесины лиственницы
Влажность древесины – ключевой аспект при рассмотрении технологии
производства изделий. Она оказывает существенное влияние на её физикомеханические свойства, во многом определяя прочность, качество склеивания,
качество отделки, сушку и т. д.
Для количественной оценки содержащейся в древесине влаги пользуются
понятием влажности древесины, выражаемой обычно в процентах. Различают
абсолютную и относительную влажность древесины. При рассмотрении
процессов

сушки

принято

пользоваться

только

понятием

абсолютной

влажности.
Абсолютная влажность древесины определяется как отношение массы
влаги, содержащейся в древесине, к массе той же древесины в абсолютно сухом
состоянии

𝑊=

𝑚в
𝑚0

∙ 100%,

(1.6)

где W- абсолютная влажность древесины, %;
mв и m0 – соответственно масса воды и масса древесины абсолютно сухом
состоянии, г.
Представляя древесину в виде капиллярно-пористого коллоидного тела,
воду традиционно разделяют на две крупные фракции — свободную и
связанную. Свободная вода находится в макрокапиллярах, т. е. в порах и
капиллярах с радиусом выше 10-5 см. Расположенная в капиллярах меньшего
размера влага относится к связанной.
В специальной литературе вопросу наличия воды в древесине и её влияние
на физико-механические свойства древесного сырья, а также механизму

38

удаления, посвящено большое количество работ [29, 77, 100, 108, 121]. Во всех
работах авторами берётся за основу классификация академика II. Д. Ребиндера
[73], согласно которой рассматривается две основных формы связи влаги с
древесиной: физико-химическая или адсорбционная (связанная влага) и физикомеханическая или связь в микро- и макрокапиллярах (свободная вода). Влага в
микрокапиллярах древесины не может считаться свободной, так как их радиус
обычно не превышает 3 • 10-7 см, и поэтому вся влага относится к адсорбционной.
Согласно той же классификации, вода в макрокапиллярах (радиус от 10-5 до 10-3
см) удерживается в теле силами механической связи.
Такая классификация воды в древесине лиственницы только отчасти
отражает суть вопроса и вот почему. Древесина – это производное растущего
дерева. Поэтому за основу следует рассматривать содержимое растущего дерева.
Не углубляясь в тонкости строения древесной клетки, обратим внимание на
такой элемент клетки как цитоплазма.
Химический состав цитоплазмы очень разнообразен и изменчив. Анализы
показывают, что цитоплазма на 80-85% состоит из воды. Большое количество
воды определяет многие свойства цитоплазмы. На каждую молекулу белка в
цитоплазме приходится около 18 тыс. молекул воды. Цитоплазма обладает
высокой вязкостью. Вязкость цитоплазмы зависит от содержания воды в ней, от
сил сцепления между отдельными молекулами белка, от конфигурации белковых
молекул. В среднем вязкость цитоплазмы в 18-25 раз выше вязкости воды [105].
Из вышесказанного следует, что так называемая свободная вода на самом деле
не свободная, а связанная с группой веществ, которые формируются в процессе
роста дерева.
В древесине лиственницы в процессе роста формируется значительное
количество веществ, которые в той или иной мере растворимы в воде. Поэтому
активность воды снижается [67]. Следовательно, более корректно говорить о
водном растворе группы веществ, содержащихся в клетке древесины
лиственницы. Наличие сухого остатка экстрактивных веществ (рис. 1.6) в виде

39

кристалликов дают основание утверждать о корректности наличия раствора в
полости клетки.
Наличие водного раствора, а не чистой воды в полости клетки древесины
лиственницы

устанавливается

влагомерами,

когда

при

определяется

измерении
не

само

влажности
содержание

древесины
влаги,

а

электропроводимость. Известно, что электоропроводимость воды зависит от
наличия в воде радикалов.
Из

анализа

многочисленных

измерений

влажности

древесины

лиственницы электровлагомерами можно сформулировать основополагающие
выводы:
- количество растворенных веществ в древесине лиственницы тем больше,
чем выше начальная влажность;
- с увеличением содержания воды в древесине наблюдается увеличение
количества растворенных экстрактивных веществ [13, 33];
- растворенные вещества по стволу дерева располагаются крайне
неравномерно, что приводит к погрешностям измерения начальной влажности
древесины электровлагомерами при WН> 30 %.

а

б

Рис. 1.6 - Поперечный разрез ранней зоны годичного слоя древесины
лиственницы сибирской под микроскопом (× в 200 раз): а – полости клеток без

40

кристалликов экстрактивных веществ; б – полости клеток, наполненные кристалликами
экстрактивных веществ; 1 – стенка клетки ранней древесины; 2 – полость клетки ранней
древесины; 3 – кристаллики экстрактивных веществ

Для древесины лиственницы наиболее значимым полисахаридом является
арабиногалактан, обладающий полиэлектролитными свойствами и способный
удерживать большое количество молекул воды за счет гидроксильных и
альдегидных групп [61, 62, 104].
Данному явлению способствует то, что молекула воды полярная и
поляризуема. Следовательно, благодаря содержанию воды в сырой древесине в
виде разно заряженных радикалов (ОН–, Н+) [61] создаются условия, при которых
молекулы арабиногалактана, окруженные диполями растворителя (воды),
находятся в разобщенном состоянии [87]. В древесине лиственницы
превалируют положительно заряженные радикалы, создавая кислую среду (рН =
4,8) [34].
Общее количество водорастворимых экстрактивных веществ в ядровой
зоне древесины лиственницы достигает 21 % [58] от массы абсолютно сухой
древесины.

Эти

неравномерно.

вещества
Установлено,

по

стволу
что

дерева

распределяются

арабиногалактан

крайне

преимущественно

концентрируется в комлевой части ствола [13, 19], а также в ядровой зоне бревна,
прилегающей к заболонной.
Замеры влажности, проведённые в лиственничных пиломатериалах перед
сушкой (сырые), в полной мере подтвердили утверждение о корреляционной
зависимости между содержанием влажности и экстрактивными веществами. В
табл. 1.3, 1.4, а также графически (рис. 1.7) представлены результаты
определения весовым способом, из которых следует, что разброс влажности в
одной доски варьируется от W  7,19 % до 60 %.

41

Таблица 1.3 – Распределение влажности по длине доски
Среднее

№

Влажность в точке, %

п/п

значение
Wср., %

Разброс влажности W, %

1

31,3; 30,5; 26,9; 31,2; 37,0

31,38

10,1

2

39,97; 43,55; 32,07; 37,83

38,36

11,48

3

56,1; 59,0; 62,38; 64,72; 64,89; 62,6; 60,93

61,52

8,79

4

42,67; 49,86; 44,0; 47,45

46,0

7,19

5

57,24; 39,0; 63,84; 46,48; 85,19

58,35

46,19

6

58,69; 65,82; 59,36; 74,39

64,57

15,7

7

45,42; 34,96; 36,89; 38,99; 38,21

38,89

10,46

8

48,0;45,3; 46,6; 38,0

44,48

10,0

9

31,21; 38,67; 43,03; 41,1

38,50

11,82

10

55,3; 50,7; 51,5; 45,0

50,63

10,3

11

60,98; 65,69; 70,0; 63,0

64,92

9,02

Таблица 1.4 – Начальная влажность лиственничных пиломатериалов в зависимости от
толщины доски
Наименование параметра

Толщина доски, мм
25

50

1

2

3

Размер выборки, шт

120

89

Среднее значение, %

46,26

48,56

Дисперсия (2)

206,69

178,88

Среднее квадратичное отклонение ()

14,38

13,37

Коэффициент вариации, 

31,1

27,53

W,%:

56,59

58,23

- min;

30,2

30

- max

86,79

88,23

Влагосодержание, %

42

120
2

100

4

5

80

60

1

40

3

20
0
1

3
5
7
9
Порядковый номер точки измерения по
ширине доски

Рис. 1.7 – Распределение начальной влажности по сечению
лиственничной доски размерами 25х100мм (Wср. = 71,9%): 1 – 1-й ряд по толщине
доски; 2 – 2-й ряд по толщине доски; 3 – 3-й ряд по толщине доски; 4 – 4-й ряд по толщине
доски; 5 – 5-й ряд по толщине доски

Полученные результаты соответствуют ядровой зоне бревна. При
определении влажности длина испытуемых образцов составила 500 мм. Поэтому
пробы на определение влагосодержания отбирались через 500 мм по длине
доски. Часть массива данных, полученных в процессе исследований, которые
отражают суть вопроса, представлены в табл. 1.3 [34].
Из полученных данных следует вывод о том, что содержание влаги
ядровой зоны свежесрубленной древесины является параметром, имеющим
значительную изменчивость как по длине доски, так и по поперечному сечению.
Следовательно, водорастворимые экстрактивные вещества влияют на
количественное содержание свободной влаги в свежесрубленной древесине, а по
количеству свободной влаги можно прогнозировать наличие водорастворимых
веществ.

43

2 Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов
2.1 Влияние физико-химических процессов на кинетику конвективной
сушки лиственничных пиломатериалов
Древесина лиственницы – это сложный химический комплекс (табл. 2.1), в
состав которого входят как органические, так и неорганические соединения.
При изучении физико-химических процессов, сопровождающих эмиссию
воды из древесины лиственницы необходимо оценить роль воды, которая
содержится в древесине. Это связано с тем, что вода – универсальный
растворитель. Сама структура формулы воды формирует условия её физикохимической активности. Одна молекула Н2О одновременно проявляет
кислотные свойства и, реагируя с другой молекулой как с основанием, даёт
основание ОН- и кислоту Н3О+. Примерно 1 из 5109 молекул воды подвергается
диссоциация по схеме [85]
𝐻2 𝑂 + 𝐻2 𝑂 ⇔ 𝐻3 𝑂+ + 𝑂𝐻− .

(2.1)

Такой обмен протоном между двумя молекулами воды не приводит к
химическому изменению в системе, однако образование ионов гидроксония
(ионов водорода) и свободных гидроксильных групп создает весьма
реакционно–способную среду в древесине. Есть мнение, что при повышении
температуры интенсивность диссоциации увеличивается. Следовательно,
увеличение температуры древесины лиственницы повышает химическую
активность системы.
В результате наблюдается гидролиз древесины независимо от породы.
Разрушающий

эффект

увеличивается

с

повышением

температуры

и

44

длительностью

термического

воздействия:

изменение

цвета,

снижение

прочности на изгиб, растяжение и др. [51], [31], [69].
Многочисленный класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает
такие полярные органические соединения, как сахара, альдегиды, кетоны,
спирты [68]. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к
образованию полярных связей с полярными функциональными группами этих
веществ, например с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом
кислорода карбонильной группы альдегидов и кетонов.
Таблица 2.1 - Химический состав лиственницы сибирской (в пересчете на абсолютно

28,42

41,18

38,34

годичного слоя
Остаток

заболони
Ядро

прилегающий к

коре
Луб,
4

годичного слоя
Древесина 2-5

3

Древесина 1

2

камбию
Камбий

1
Вещества, экстрагируемые
горячей водой
Вещества, экстрагируемые
спирто-бензолом
Вещества, экстрагируемые
метанолом

Луб,

Кора

Компоненты

прилегающий к

сухой образец), % [58, 86]

5

6

7

8

9

30,21 11,82 9,53

8,30

23,70

2,89

6,38

6,15

2,49

9,56

4,48

2,17

2,00

—

—

—

27,82

—

—

—

—

23,53
19,65
19,52 16,50 23,87 27,41 28,92 26,68
37,16
37,47
29,14 41,79 30,36 32,00 32,30 35,90
14,93
16,76
17,17 13,41 37,57 39,20 38,16 29,36
Целлюлоза
21,73
31,96
30,93 33,96 47,78 45,35 42,62 39,51
1,88
4,02
3,24
1,35 2,48 1,47 1,02 0,37
Пентозаны в целлюлозе
2,73
7,66
5,83
3,42 3,15 1,71 1,14 0,49
13,05
22,74
13,93
12,06 35,09 36,73 37,14 28,99
Целлюлоза без пентозанов
19,00
24,30
25,10
30,54 44,63 43,64 41,48 39,01
Легкогидролизуемые
16,50
14,13
13,85
7,20 16,71 18,13 19,97 18,08
полисахариды
24,02
26,94
24,95 18,23 21,25 21,08 22,23 24,33
14,05
9,20
8,08
3,47 9,00 9,09 9,20 7,65
Пентозаны
20,45
17,54
14,55
8,78 9,00 10,57 10,27 10,29
2,45
4,93
5,77
3,73 7,71 9,04 10,77 10,43
Гексозаны
3,57
9,40
10,40
9,45 9,81 10,51 11,96 14,04
Зольность
4,04
5,10
5,32
5,46 1,19 1,18 1,01 0,98
Примечание. В числителе - до удаления экстрактивных веществ, в знаменателе - после
Сернокислотный лигнин

удаления экстрактивных веществ

45

Химическая активность древесины вообще и лиственницы в частности при
температурах tс  100 … 150 0С активно обсуждается в специальной литературе,
так как затрагиваются вопросы экстракции отдельных компонентов древесины.
Процессы конвективной сушки, целью которых является максимальное
сохранение природных характеристик древесины, ограниваются температурами
tс = 40 … 80 0С. Сведения о химических процессах в древесине лиственницы в
указанном интервале температур ограничены.
Принято считать, что в указанном интервале температур каких - либо
значимых процессов происходить не может. Такой вывод следует из анализа
литературных источников по конвективной сушке пиломатериалов. Основная
проблема, которая решается в этом интервале температур – это эмиссия воды.
Однако, как показывает практика сушки лиственничных пиломатериалов,
не всё так однозначно. Сушка лиственничных пиломатериалов сопровождается
выделением из древесины экстрактивных веществ (рис. 2.1, 2.2). Выделение
экстрактивных веществ осуществляется под действием избыточного давления
(рис. 2.1), которое формируется в толще доски. Сведений о механизме данного
явления применительно к сушке древесины практически отсутствует
4

1

3
2

Рис. 2.1 – Выделенные экстрактивные вещества в процессе сушки: 1 –
выделение экстрактивных веществ; 2 – высушиваемый образец лиственницы; 3 – пружинная
стяжка; 4 – подложка из сырой резины

2

46

В специальной литературе имеется ограниченная информация по вопросу
влияния градиента давления на влагоперенос. Рассматриваются отдельно два
процесса:

низкотемпературный

и

низкотемпературном процессе (tc  100

высокотемпературный.
0

При

С) в качестве движущей силы

принимается капиллярное давление, действие которого способствует эмиссии
воды по системе постоянно действующих открытых пор. Для описания
направленного диффузного процесс переноса воды при сушке пиломатериалов
применяется фундаментальный закон Фика [60]
𝑑𝑢

𝑖 = −𝑎′ ⋅ 𝜌0 (

𝑑𝑥

+𝛿

𝑑𝑡

𝑑𝑝

) − 𝑏 𝑑𝑥 ,
𝑑𝑥

(2.2)

где i - плотность потока влаги (ее масса, проходящая в единицу времени через
единицу площади);
а' - коэффициент влагопроводности;

0 - плотность вещества в абсолютно сухом состоянии;
u – влагосодержание высушиваемого материала;

 - термоградиентный коэффициент;
t - температура;
р - давление паровоздушной смеси в высушиваемой древесине;
b – коэффициент молярного переноса.

1

Рис. 2.2 – Наличие пятен экстрактивных веществ на пласти высушенной
лиственничной доски: 1 – пятна экстрактивных веществ; 2 – пласть доски

47

По форме закон Фика в полной мере отражает основные процессы,
которые протекают в высушиваемой древесине, как постоянно действующая
открытая система пор [97]. При изучении механизма переноса воды при сушке
древесина представляется в виде открытой системы пор различного диаметра капилляры клеточных оболочек (r<10-5см) и макро капилляры полостей клеток
(r>10-5см) [8]. При этом капилляры клеточных оболочек принято относить к
переменным, так как их размер зависит от количества связанной влаги, а размеры
макро капилляров полостей клеток остаются постоянными при изменении в них
влагосодержания [97].
Из уравнения 1 следует, что интенсивность влагопереноса во многом
зависит от плотности древесины или её пористости. Предполагается, что с
увеличением

плотности

количество

пор

с

минимальным

диаметром

увеличивается. В этой связи сопротивление среды увеличивается. Такой
упрощенный подход к сопротивляемости древесины не позволяет раскрыть всю
сложность процесса удаления воды из древесины лиственницы.
Открытость системы пор предопределяет тесную взаимосвязь между
внешним и внутренним переносом тепла и влаги, наличие нестационарных полей
температур и скоростей в обрабатывающей среде (сушильном агенте),
нестационарных полей температуры и влагосодержания внутри материала. В
этих условиях любое изменение температуры и относительной влажности агента
сушки оказывает значительное влияние на температурные и влажностные поля в
центре

доски.

Сформулированы

граничные

условия,

при

которых

осуществляется сушка пиломатериалов [77]:

𝑑𝑢

𝑎′ [ ]

𝑑𝑥 𝑥=0

где  - коэффициент влагообмена;

= 𝛼 ′ (𝑢пов. − 𝑢у ),

(2.3)

48

uпов., uу – влагосодержание поверхности доски и устойчивое влагосодержание,
соответствующее состоянию среды.
Поэтому можно говорить о возможности управлять процессом переноса
влаги в доске посредством изменения интенсивности влагообмена. Точки
перегиба на кривых распределения воды в сосновой доске формируют ось
симметрии (рис. 2.3). Данный факт предопределяет отсутствие дополнительных
условий в процессе удаления воды.
Таким образом, для создания движения влаги по поперечному сечению
доски необходимо создать движущую силу в виде градиента влагосодержания,
который формируется в начальный период сушки в поверхностном слое доски.
Предполагается, что сушка начинается с испарения свободной влаги с
поверхности доски. Удаление свободной воды происходит в относительно
короткий период времени. В результате между внутренними слоями и
поверхностью формируется разность капиллярных давлений, обеспечивающая
подсос к поверхности доски свободной воды [77].
При понижении влагосодержания ниже предела насыщения древесины
происходит образование градиента связанной влажности du. По мнению многих
специалистов [77], [100], [120, 122] в области сушки пиломатериалов указанный
параметр является основным фактором, определяющим интенсивность удаления
влаги из древесины.
Из этого следует, что чем выше показатель градиента влагосодержания,
тем выше интенсивность удаления воды. Если при сушке пиломатериалов из
такой породы как сосна (рис. 2.3) прослеживается тесная связь между
влагопереносом и влагообменом, то при сушке лиственничных досок такой связи
нет (рис. 2.4). Для лиственничных пиломатериалов характерно более высокое
значение du по сравнению с сосновыми (рис. 2.3, 2.4). При этом интенсивность
удаления воды в 2,5 … 3,0 раза ниже.
Следовательно, градиент влагосодержания при сушке лиственничных
пиломатериалов не является движущей силой. По наличию перепада влажности

49

по сечению доски опосредованно оценивается напряжённо – деформированное
состояние доски, готовность высушенной доски к дальнейшей переработке.
Таким

образом,

механизм

удаления

воды

из

лиственничных

пиломатериалов в процессе сушки принципиально отличается от сосновых (рис.
2.4). В начальный период сушки (tс  8 ч.) перепад влагосодержания в
периферийной зоне доски (глубина 3 … 4 мм) достигает ΔW ≥ 36%, что указывает
на существенное превышение интенсивности влагообменных процессов над
скоростью переноса воды в самой доске.

Рис. 2.3 - Кривые распределения воды
в древесине при её сушке ядровой
древесины сосны, h = 30 мм, tc =70 °С,
tm =52 °С [101]

Рис. 2.4 - Кривые распределения
воды в древесине лиственницы при
её сушке, h = 50 мм, tc =108 °С, tm =
100 °С [56]

Корректирующим кинетику сушки лиственничных пиломатериалов
принято считать повышенное значение плотности. Данный параметр не может
являться корректирующим. Данный вывод основывается на сравнительных
данных времени сушки лиственничных и пихтовых пиломатериалах. В
сопоставимых

условиях

время

сушки

лиственничных

и

пихтовых

50

пиломатериалов одинаково. При этом плотность лиственницы в 1,7 раза
превышает аналогичный параметр пихты.
В современной теории сушки древесины в общем и лиственницы, в
частности градиент температуры, dt принято относить к одному из
основополагающих факторов, оказывающих влияние на процесс удаление влаги
[29, 77, 100]. По форме действительно dt может оказывать определённое влияние
на процесс сушки пиломатериалов. Предполагается, что градиент температуры
оказывает запирающий эффект, который направлен против потока влаги.
В то же время, достаточно сложно представить прямое воздействие
градиента температуры на процесс влагопереноса. Температура указывает на
степень нагрева точки. Следовательно, температура, как фактор переноса, может
оказывать определённое действие на указанный процесс, но опосредованно.
Фактором переноса может быть избыточное давление, которое формируется при
определённом температурном уровне. Здесь важен

временной

фактор

воздействия температурного эффекта. На рис. 2.5 представлены результаты
экспериментальных исследований [34].
Перепад температур между центром доски и её поверхностью через 6 ч.
составляет, 1 … 2 0С. Следовательно, степень нагрева древесины лиственницы в
процессе сушки величина переменная. При этом какого-либо запирающего
эффекта градиент температуры оказывать не может. Более корректным следует
изучать влияние температурного режима на механизм удаления воды из
древесины лиственницы.
Вышеприведённый материал не раскрывает особенность механизма
удаления воды из лиственничных пиломатериалов. Наличие значительного
перепада влажности в начальный период сушки (рис. 2.4), наличие
экстрактивных веществ на поверхности высушенной доски (рис. 2.1, 2.2) не
подпадают под описание механизма сушки лиственничных пиломатериалов
законом Фика.

51

Для получения необходимой информации проведены экспериментальные
исследования.

Обработка

экспериментальных

данных

опытных

сушек

лиственничных пиломатериалов позволила сделать основной вывод о том, что
процесс сушки лиственничных пиломатериалов аналогичен технологии
экстракции водорастворимых веществ.

Рис. 2.5 – Изменение температуры в высушиваемой системе: 1 – перепад
температуры системы «сушильная камера – поверхность доски»; 2 – перепад температуры
системы «поверхность доски – центр доски» [34]

Выделение экстрактивных веществ на поверхность лиственничной доски
осуществляется под действием избыточного давления (рис. 2.1) наблюдается
преодоление сопротивления пружинной стяжки. Следовательно, перенос
водного раствора водного раствора экстрактивных веществ (табл. 2.2) следует
отнести к барометрическому. Древесина – производное растущего дерева, в
котором все процессы регулируются системой мембран. Поэтому массоперенос
по толще доски в процессе сушки следует рассматривать как баромембранный.
Следует обратить внимание на то, что процесс вытеснения происходит при
сушке низкотемпературными режимами.

52

Таблица 2.2 – Распределение водоэкстрактивных веществ по сечению лиственничных
пиломатериалов
Содержание водоэкстрактивных веществ (% к массе абсолютно сухой древесины)
до сушки

после сушки

периферийная зона

центральная зона

периферийная зона

центральная зона

14,05

26,4

21,5

13,5

Тогда удельная производительность при переносе экстрактивных веществ
через мембрану представляется в виде произведения параметра, учитывающего
сопротивление мембраны (коэффициент проницаемости) и градиента давления
на сторонах мембраны [50, 54, 76] без учёта процесса обратного осмоса
Gi = KG ∙Δр,

(2.4)

где Gi - удельная производительность;
Δр - градиент давления на сторонах мембраны;
КG - коэффициент проницаемости (параметр, учитывающий сопротивление мембраны).

Ключевым элементом при баромембранном процессе выступает сама
мембрана. Исторически основное расхождение в подходах касалось вопроса о
наличии или отсутствии пор в мембране. Если в последнем случае (для
непористой среды) механизм переноса основывается только на диффузии, то в
первом – на сочетании диффузии с конвективным переносом в поровом
пространстве.
При рассмотрении процессов сушки пиломатериалов, независимо от
породы древесины, в основу закладывается первый вариант – наличие поровой
среды.

Предполагается,

что

перераспределение

воды,

а

не

раствора

осуществляется через постоянно действующую систему каналов. Однако, в
растущем дереве, как было указано ранее, перенос осуществляется через
мембранную систему, в которых отсутствует постоянно действующая система

53

каналов. Для массопереноса через мембрану должно быть выполнено такие
условия:
- наличие активной влаги;
- разность концентраций и др.
Большинство мембран природного происхождения имеют сходный
химический состав – это липопротеидные образования, содержащие около 60%
белков и 40% липидов, среди которых значительная доля принадлежит
фосфолипидам [80, 105]. Важнейшим свойством молекулы фосфолипидов
является полярность (наличие полярной гидрофильной головки и двух
гидрофобных углеводородных хвостов). Толщина мембран составляет 6 -10 нм.
Двойной липидный слой, благодаря своей гидрофобности, создает
относительно непроницаемый барьер для большинства водорастворимых
молекул (полярных молекул), что предотвращает утечку содержимого клеток.
В то же время клетка имеет специальные механизмы для транспорта
растворённых в воде веществ через мембрану. Такая проницаемость называется
избирательной.

Она

обусловлена

белковыми

компонентами

мембраны,

способными узнавать определенные соединения и транспортировать их через
мембрану по градиенту концентраций или против.
Трансмембранные белки, представляющие собой заполненные водой
каналы – гидрофильные поры в липофильной мембране, могут пропускать
молекулу с молекулярной массой до 6000 ед. [105], что предопределяет её
селективность.

Поэтому

мембрану

природного

происхождения

следует

лиственницы

показал

рассматривать как полупроницаемую.
Анализ

химического

состава

древесины

значительное содержание водорастворимых экстрактивных веществ - до 35 %
[58] - в зависимости от места положения ствола дерева (см. табл. 2.1). Основным
элементом водорастворимых веществ является арабиногалактан. Наибольшее
содержание арабиногалактана в сухих веществах экстракта ((87…89) % и более)
было зафиксировано в водной экстракции древесины при 100 °С [17].

54

Арабиногалактан относится к группе мембранотропных. Данное свойство
объясняется относительно невысокой молекулярной массой (9000 … 13000) и
небольшой степенью полидисперсности (1,9 … 2,3) [61]. Макромолекулы
арабиногалактана преимущественно находятся в свёрнутом в клубки состоянии.
Повышенная

мембранотропность

макромолекулы

арабиногалактана

объясняется её энергетически рациональной организацией (рис. 2.6). Форма иона
арабиногалактана [61], а также наличие гидратного слоя [15], частично
нейтрализующего

макромолекулу

арабиногалактана,

обеспечивают

ей

повышенную проникающую способность.
Арабиногалактан по физическому состоянию - аморфное вещество, так как
в его макромолекуле отсутствуют структурированные области [3, 5, 17].
Макромолекула арабиногалактана содержит гидроксильные (ОН-), альдегидные
группы, может содержать карбоксильные группы (СООН). Наличие в
макромолекуле

разноимённо

заряженных

групп

определяет

её

многофункциональность, в том числе способность удерживать значительное
количество воды и, как следствие, придаёт ей полиэлектролитные свойства [104].

Рис. 2.6 – Гидратированный ион арабиногалактана: 1 - молекула
арабиногалактана; 2 - потенциалоопределяющие ионы; 3 - гидратный слой; 4 – поверхность
скольжения в дисперсной среде; 5 – противоионы

Важным показателем водного раствора арабиногалактана является
вязкость. В работе [91] приводится зависимость вязкости водного раствора
арабиногалактана от таких показателей как рН и визуальной гидротации. По

55

значению рН равной 4,8 [34] µ4,8 = 1,160·10-3 Па·с; по визуальной гидратации
арабиногалактана (рис. 2.7), где массовая доля арабиногалактана составила 10 %
(подвижная мутная жидкость, непрозрачный, цвет коричневый, на поверхности
устойчивая пена, сладковатый аромат), µ10% = 1,768·10-3 Па·с.
Сравнивая возможности переносчиков макромолекул через мембрану
(молекулы с молекулярной массой до 6000 ед, минимальное значение
молекулярной массы макромолекул арабиногалактана, равное 9000 ед.), можно
сделать вывод о том, что для массопереноса требуется создание на одной из
сторон мембраны лиственничной доски избыточного давления.
Для рассмотрения данного вопроса необходимо оговорить следующие
условия. Градиент давления следует рассматривать для пограничных мембран, а
значит как разность между давлением в центре высушиваемой доски и
атмосферным давлением Δр = ризб. – ратм..

1
2
3
Рис. 2.7 - Водный экстракт из влажной древесины лиственницы: 1 – водный
экстракт; 2 – стеклянный сосуд; 3 – граница сред

На начальном этапе следует определиться с таким вопросом как природа
возникновения избыточного давления в центре доски. С этой целью были
проведены специальные исследования. Было установлено, что избыточное
давление в центре доски – это результат гидролиза [37, 47]. Концептуально
систему реакций гидролиза можно представить в следующем виде (рис. 2.8)

56

Рис. 2.8 – Обобщённая схема диссоциации полярных частиц [20]
Здесь необходимо сделать пояснение «система реакций гидролиза». В
результате системы реакций гидролиза в центре доски формируется парогазовая
смесь. Ниже приведён химический анализ парогазовой смеси, которая была
получена в результате нагрева лиственничного образца до температуры tс = 84
С. Анализ проводился методом ИК-спектроскопии.
При проведении экспресс-анализа было снято два типа спектров:
- 1 – ИК–спектр равновесия парогазовой смеси над конденсатом в газовой
кювете относительно сухого воздуха камеры;
- 2 – ИК–спектр жидкого конденсата, нанесённого слоем определённой
толщины на таблетку KBr относительно чистого KBr.
Оба спектра прилагаются в общем и фрагментарном видах. Фрагмент
области «отпечатков пальцев» ИК–спектра парогазовой смеси представлен с
отдельной нумерацией максимумов пиков поглощения. В общей сложности на
ИК–спектре парогазовой смеси в газовой камере пронумеровано и отнесено к
определённым структурным единицам 139 пиков. На ИК–спектре конденсата на
таблетке KBr всего 10 пиков.
Результаты экспресс-анализа парогазовой смеси:
1. В парогазовой среде присутствует смесь летучих с паром веществ с
функциональными группами воды (в том числе кристаллизационной в гидратах),
спиртов, фенолов, карбоновых кислот алифатического и ароматического рядов,
а также непредельных соединений (табл. 2.3) [34].
2. В области «отпечатков пальцев» ИК–спектра парогазовой смеси
обнаружены полосы поглощения таких структурных единиц молекул как -C-S;

57

=C-H; -C-O-; NO2. В парогазовой смеси конденсата присутствуют соединения, в
состав которых входят эти структурные единицы.
3. ИК–спектр конденсата на таблетке бромистого калия показывает
наличие веществ с функциональными группами органических серосодержащих
соединений, воды, спиртов, фенолов, карбоновых кислот.
Таблица 2.3 – Отнесение полос поглощения ИК–спектра конденсата, образовавшегося
Оптическая
плотность
(поглощение,

образца, см-1

Волновое число  ИК – спектра

соответствующий структурный элемент

валентные;  - деформационные и

Тип основных колебаний:  -

ИК–области, см-1

характеристических частот колебаний в

Волновое число  в таблице

№пика на ИК – спектре образца

в процессе сушки древесины лиственницы.

абсорбция),
интенсивность
полосы
поглощения
(сильная,
средняя,
слабая)

1

550 – 705, ср., сл.

, -С-S

551,43

0,505, ср.

2
3
4
5
6
7

1010 – 1050, с.

, -С-О-

1080 – 1150, ср.

, -С-О-

1200 – 1250, с.
1050 – 1290, ср., с.
1370 – 1390, с.
1340 – 1420, ср.,
сл.

, -С-О, -С-О, -С-Н3

1045,76
1077,25
1142,86
1224,21
1262,57
1373,79

0,222, сл.
0,256, ср.
0,144, сл.
0,087, сл.
0,087, сл.
0,095, сл.

, -О-Н

1394,78

0,087, сл.

9

1615 – 1630, ср.

, Н-О-Н

1636,21

0,441, ср.

10

3300 – 3500, с.
широкая полоса

, -О-Н
связанная
группа

3439,23
широкая
полоса

1,210, с

8

Соединения

Органические
серосодержащие
соединения
Вторичные спирты
Спирты, фенолы,
карбоновые кислоты
Кристаллизационная
вода в гидратах
Н2О, спирты,
фенолы, кислоты,
ксикетоны, эфиры
оксикислот

58

Предполагается, что получение каждого элемента парогазовой смеси
происходит

в

определённой

последовательности.

На начальном

этапе

наблюдается поляризация молекулы путём притягивания к концам полярной
макромолекулы молекул воды, что приводит к расхождению её полюсов. Такая
поляризация в сочетании с колебательным тепловым движением атомов в
рассматриваемой молекуле, а также с непрерывным тепловым движением
окружающих молекул раствора приводит к распаду полярной молекулы на ионы
[3, 4].
Таким образом, формируется парогазовая смесь, состоящая из элементов,
не взаимодействующих друг с другом химически. Тогда каждый компонент
смеси создаёт своё парциальное давление. В результате в толще доски
формируется суммарное давление
∑𝑛𝑖=1 𝑝𝑖 = 𝑝см. .

(2.5)

Несколько слов о самом эксперименте. Цель: изучить механизм
формирования парогазовой смеси в лиственничных пиломатериалах при сушке.
Задачи:
1. Установить наличие парогазовой смеси: объёмы, удельная скорость
эмиссии.
2. Изучить химический состав выделяемой парогазовой смеси.
Исследования проводились на экспериментальной установке, схема
которой представлена на рис. 2.9.
Условия проведения эксперимента:
1. Нагрев образца происходил в сушильном шкафу, в котором
поддерживался выбранный температурный уровень с точностью ±1,50С.
2. Вывод парогазовой смеси из нагреваемого образца осуществлялся через
4 медные трубки, внутренний диаметр которых составлял 3 мм. Трубки
монтировались в образце с интервалом 4 … 5 см одна от другой по длине

59

лиственничного образца.

3
1

А
9

8

2
4

7

5
А

6

30

1 - испытуемый образец; 2 - сушильный шкаф; 3 - термометр; 4 - трубка медная;
5 - коллектор-сборник; 6 - резиновый шар; 7 - резервуар; 8 - штуцер;
9 - резиновая обжимка

Рис. 2.9 – Схема установки по сбору парогазовой смеси, образующейся в
древесине при её нагреве: 1 – испытуемый образец; 2 – сушильный шкаф; 3 –
термометр; 4 – трубка медная; 5 – коллектор-сборник; 6 – резиновый шар; 7 – резервуар;
8 – штуцер; 9 – резиновая обжимка

3. Трубки собирались в пучок в резиновый коллектор-сборник.
4. Парогазовая смесь собиралась в резиновый шар, горловина которого
натягивалась на коллектор-сборник, обеспечивая тем самым герметичность
соединения. Для каждого температурного интервала использовался новый шар.
5. В исследуемом образце высверливались гнёзда глубиной l = 30 мм,
диаметром d = 5,0 мм. Суммарная площадь каналов, с которой происходит
эмиссия парогазовой смеси, составила S = 25,7 см2.
6. Парогазовая смесь собиралась в резиновый шар (п.6) в интервале
температур нагрева древесины от 44С до 84С. Перед извлечением парогазовой
смеси торцы образцов герметично гидроизолировались.
7. Определение объёма парогазовой смеси производилось путём измерения
количества вытесненной воды в мерном стакане.
8. Извлечение парогазовой смеси производилось из образцов при
последовательном повышении температуры. При определённой температуре
извлечение заканчивалось тогда, когда в течение 8…10 часов выдержки
выделение газа не наблюдалось. Каждый переход на следующий температурный

60

уровень сопровождался сменой резинового шара, что позволяло определить
объём смеси отдельно для каждого температурного уровня.
9.

Опыты

по

извлечению

парогазовой

смеси

проводились

на

лиственничных пиломатериалах, выпиленных из различных мест ствола дерева.
Обработка полученных данных.
Во всех без исключения 6 опытных сушках наблюдалось выделение из
образцов парогазовой смеси в объёмах, достаточных для заполнения резиновых
шаров без напряжения, начиная с температуры нагрева равной tизв. = (43…44)°С.
На графике (кр.2 рис. 2.10) проиллюстрированы результаты одного из
опытов в виде кинетики выделения парогазовой смеси. Обобщённые
характеристики процесса содержатся в табл. 3.1.
60

250

50

1

200

40

150

30
2

100

20

50

10

0
0

50

100

150

200

250

300

Температура агента
0
сушки, С

Объём выделенной
парогазовой смеси, мл

300

0
350

Продолжительность сушки, ч

Рис. 2.10 – Кинетика выделения парогазовой смеси: 1 – температура агента
сушки; 2 – объём паровоздушной смеси

Проведённые эксперименты показали:
1. Древесина лиственницы при нагреве является источником образования
парогазовой смеси в объёмах, превышающих ёмкость пор, что является
выполнением

1-го

условия

формирования

избыточного

давления

в

61

высушиваемой системе.
2. Каждому температурному уровню соответствует предельное значение
объёма смеси и длительность образования, что соответствует периоду
определённой ступени сушки.
Таблица 2.4 - Обобщённые характеристики процесса эмиссии парогазовой смеси
Температура,
0
С
44
50
57

Время, ч
86,7
83,3
145
∑с = 315

Площадь
эмиссии, см2
25,7
25,7
25,7

Объём эмиссии
парогазовой
смеси, мл
84
90
109
283

Удельная
скорость эмиссии,
мл/(см2·ч)
0,037
0,047
0,034
Gгаз=0,039

3. Общая продолжительность эмиссии парогазовой смеси при различных
температурах составила от 12 до 14 суток, что соответствует времени сушки
пиломатериалов.
4. Выделение парогазовой смеси из древесины лиственницы протекает по
цикловому принципу (рис. 2.11).
5. В каждом цикле хорошо различимы два периода – наполнение и
собственно выделение. Период наполнения характеризуется повышением
давления. По достижению некоторого значения избыточного давления
происходит «пробой» стенок микрополостей. В результате наблюдается
собственно выделение парогазовой смеси.
6. Результаты эксперимента в полной мере подтвердили предположение о
том, что древесину лиственницы при сушке следует рассматривать как систему
замкнутых микрополостей, стенки которых при повышении давления
становятся проницаемыми.

0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0

60
2

50
40

1

30
20
10

Температура, 0С

Интенсивность эмиссии
парогазовой смеси,
мл/(см2*ч)

62

0
0

100

200

300

Продолжительность эмиссии парогазовой смеси, ч

Рис. 2.11 – Зависимость удельной скорости эмиссии парогазовой смеси от
температуры: 1 – интенсивность эмиссии парогазовой смеси; 2 – температура древесины
Обрабатывая экспериментальные исследования, было обращено внимание
на то, что интенсивность эмиссии парогазовой смеси величина не постоянная
(рис. 2.11). Максимальная интенсивность эмиссии наблюдается в момент
повышения температуры. Со временем интенсивность эмиссии парогазовой
смеси снижается. Следовательно, в пределах каждого температурного уровня
режима экстракции движущая сила изменяется от ризб.max до ризб.mix, что
является одним из ключевых положений при формировании технологии сушки
лиственничных пиломатериалов.
Таким образом, в первом приближении цикл эмиссии парогазовой смеси
можно сравнить с циклом Брайтона, который реализуется в цилиндре двигателя
внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объёме [46] с
определённой разницей, которая заключается в последовательности выполнения
процессов. Тогда механизм эмиссии парогазовой смеси следует рассматривать
как политропный процесс.

63

2.2 Проницаемость древесины лиственницы при конвективной сушке
При рассмотрении процессов переноса влаги при конвективной сушке
принято

оперировать

влагопроводностью

таким

понятием

понимается

как

физическое

влагопроводность.
свойство

Под

древесины,

характеризующее способность материала проводить влагу [77]. Отличительной
особенностью указанного параметра заключается в том, что влагопроводность
характеризует древесину без действия избыточного давления. Здесь основным
параметром, под действием которого происходит перенос воды по толще доски
– это градиент связанной воды (уравнения 2.2, 2.3).
Результаты

исследований,

которые

были

получены

в

рамках

диссертационной работы [34], указали на необходимость предложить механизм
удаления воды из древесины лиственницы при конвективной сушке через
проницаемость. Для этого есть все предпосылки, которые были изложены ранее
и более подробно будут рассмотрены ниже. При изучении механизма сушки
лиственничных пиломатериалов, который протекает под действием избыточного
давления, правильно вести речь о проницаемости - это фильтрующий параметр
мембраны, характеризующий её способность пропускать через себя жидкости и
газы при перепаде давления.
Основные положения проницаемости древесины. Проблемы пропитки
древесины является предметом изучения многих учёных и специалистов –
Баженов В.А., Горшин С.Н., Джапаридзе Л.И., Брегадзе Н.Н., Ермолин В.Н.,
Харук Е.В., Шамаев В.А. и многие другие. Работы этих учёных позволили
сформулировать основные положения механизма пропитки древесины с целью
разработки технологии получения новых композиционных материалов.
Пропитка

как

таковая

призвана

улучшение

эксплуатационных

характеристик древесины: продление срока службы изделия из древесины
(шпалы,

энергостолбы

и

др.),

улучшение

эстетических

характеристик

64

(прокрашивание), повышение огнестойкости и др. путём её наполнения
определённой категорией веществ.
Перед специалистами стояла и стоит проблема наполнения структуры
древесины на определённую глубину необходимым количеством веществ
выбранных. Доказано [90], что проницаемость древесины в основном зависит от
структурного направления, влажности, породы положение в стволе. В меньшей
степени на проницаемость влияет ширина годичных слоёв, процентное
содержание поздней древесины, плотность, условия произрастания. Наибольшая
проницаемость наблюдается вдоль волокон. Различие между проницаемостью
вдоль и поперёк волокон у хвойных пород составляет несколько порядков [70].
Данные по проницаемости древесины в радиальном и тангенциальном
направлениях

неоднозначны.

По

мнению

одних

авторов

для

сосны

проницаемость в радиальном направлении превышает тот же параметр в
тангенциальном направлении в 3 … 5 раз, для ели в 10 раз. Другие исследования
существенную разницу не определили.
Влияние изменения влажности в пределах гигроскопичности древесины
хвойных пород на проницаемость не отмечено. При дальнейшем увлажнении
проницаемость постепенно снижается. По достижению влажности 70 … 90 %
древесина становится газонепроницаемой.
Особенно большие различия в проницаемости установлено между
заболонью и ядром. Проницаемость заболони как вдоль, так и поперёк волокон
больше, чем ядра на несколько порядков. Не прослеживается корреляционной
зависимости между плотностью и проницаемостью.
Согласно ГОСТ 200.2-80 Защита древесины. Классификация ядро
древесины лиственницы по пропитываемости относится к относится к группе
труднопропитываемых. В подавляющем большинстве случаях режимы пропитки
предполагают: перепад давления составляет не менее рпр.= 0,5

.

103 кПа,

температура древесины при пропитке tпр.  30 0С. Глубина пропитки за один цикл
не превышает 2 … 3 мм.

65

Приведённый краткий литературный обзор по общепринятым положениям
проницаемости древесины основывается на макропоказателях отдельных
элементов древесины и древесных пород – плотность, заболонь, ядро. Между тем
проникновение пропитывающих веществ в древесину происходит через систему
мембран природного происхождения.

Поэтому целесообразно обратить

внимание на тонкости процесса - пропускная способность мембраны зависит от
её химического содержания самой мембраны.
Поэтому

есть

необходимость

учитывать

физико-химическую

совместимость поверхностного слоя мембраны. От степени совместимости
пропитывающего вещества и поверхностного слоя мембраны зависит такая
операция как поглощение. Перенос через мембрану макромолекулы также
зависит от её размера. Это второй фактор, который лимитирует процесс переноса
через мембрану макромолекул.
Все процессы поглощения макромолекул, их перенос через мембрану в
древесине лиственницы протекают на начальном этапе сушки при значениях
избыточного давления не превышающие ризб. = 20 кПа, что уточнится ниже.
Такое давление на порядок меньше, чем то которое устанавливается при
пропитке из вне.
Ниже приводится концепция механизма удаления влаги из древесины
лиственницы при конвективной сушке на основе проницаемости.
Особенности

процесса

конвективной

сушки

лиственничных

пиломатериалов низкотемпературными режимами.
Древесина лиственницы – это система ячеек (рис. 1.7, 1.9). Между собой
ячейки сообщаются через окаймлённые поры. В каждой поре функционирует
мембрана, которая отвечает за баланс веществ в каждой полости клетки [67],
[105]. Поэтому, при изучении процессов удаления воды из древесины
лиственницы её следует рассматривать как условно непроницаемой. В то время
при определённых условиях в работу вступают переносчики, с помощью
которых происходит перенос группы веществ через мембрану.

66

Непосредственно процесс проникания газа через непористую полимерную
мембрану происходит по принципу диффузной проницаемости [74], которая
состоит из следующих основных стадий:
- сорбция газа на поверхности мембраны со стороны разделяемой смеси;
- диффузия газа через мембрану;
- десорбция газа с другой стороны поверхности мембраны.
Обычно лимитирующей стадией данного процесса является вторая стадия
- диффузия газа через мембрану, которая описывается диффузным уравнением
[54]
𝐺 = 𝐾𝐺

(𝐶1 −𝐶2 )
𝑙

,

(2.6)

где G - количество газа, прошедшего через мембрану;
KG - коэффициент диффузной проницаемости;
l - толщина мембраны;
С1 и С2 – концентрации проникающего компонента с обеих сторон мембраны.
Коэффициент проницаемости КG включает в себя все физико-химические
взаимодействия между компонентами системы, т.е. прежде всего между
приникающим

компонентом

и

материалом

мембраны.

Рассчитывается

коэффициент проницаемости КG произведением коэффициента диффузии D и
коэффициента растворимости S.
В связи с тем, что определить точное значение коэффициента диффузной
проницаемости парогазовой смеси не представляется возможным, количество
парогазовой смеси, которое проникает через мембрану, представим через
перепад давления на сторонах мембраны. С учётом закона растворимости Генри
формула расчёта удельной скорости переноса парогазовой смеси через мембрану
толщиной х в обобщённом виде запишется [54]

67

𝐺п.г. = 𝐷п.г. ∙ 𝑆

(𝑝1 −𝑝2 )
𝑥

.

(2.7)

Работа l1-2, которую совершает парогазовая смесь при переносе через
мембрану при политропном процессе, может быть представлена в следующем
виде [9, 46]
𝑣

𝑝а 𝑣𝑎 −𝑝1 𝑣1

1

1−𝑛

𝑙1−2 = ∫𝑣 2 𝑝𝑑𝑣 =

,

(2.8)

где n – показатель политропы;
р1 и ра – соответственно давление в микрополостях клеток и атмосферное;

1 и а – соответственно объём микрополостей клеток и сушильного
пространства
𝑛=

𝑐𝑛 −𝑐𝑝
𝑐𝑛 −𝑐𝑣

.

(2.9)

Из уравнения (2.7) следует вывод, что работа по переносу совершится
только в том случае, если имеет место градиент объёма. При сушке
пиломатериалов данное условие выполняется только в поверхностных слоях
доски. На это указывают данные по распределению влажности в высушиваемом
образце (рис. 2.4).
Таким образом, выстраивается логическая цепочка, которая протекает во
времени:
- происходит нагрев древесины, в результате инициируется реакция
гидролиза;
- происходит формирование парогазовой смеси, что приводит к
повышению давления в полостях клеток;
- при достижении давления в полостях клеток уровня сопротивления
мембраны происходит перенос части водного раствора водорастворимых

68

веществ. Результат: в толще доски остаётся концентрат; на поверхности доски
пермеат (рис. 2.12).
В составе пермеата на поверхность доски выводится вода. Очевидно,
количество воды, которая выводится из древесины тем больше, чем больше
вытесняется пермеат. Учитывая связь между количеством вытесненных
экстрактивных веществ и удалённой воды, можно оценить проницаемость
мембранной системы древесины лиственницы (рис. 2.13) в определённый период
сушки.
Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов делится на два ярко
выраженных периода: интенсивный и замедленный. Из приведённых данных
следует, что проницаемость в интенсивный период сушки более высокая, по
сравнению с замедленным. Одним из основных параметров, по значению
которого определяется проницаемость мембран является давление в центре
доски.

Рис. 2.12 – Соотношение между концентрациями исходного раствора С0 и
пермеата Ср

69

0,07
1

60

0,06

50

0,05

40
30

0,04

3

2

0,03

20

0,02

10

0,01

0
0

20

40

60

80

100

120

Удельная скорость
2
сушки, кг/(м ч)

Влажность древесины, %
0
Температура, С

70

0
140

Продолжительность сушки, ч

Рис. 2.13 - Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов сечением
25х100 мм: 1 – температура агента сушки; 2 – влагосодержание древесины; 3 - удельная
скорость сушки

Применяя датчики давления ПД100-Ди-0,5, удалось зафиксировать
избыточное давление в центре доски. На начальном этапе сушки значение
избыточного давления (рис. 2.14) не превышало ризб. = 20 кПа. Следовательно,
повышение давления до указанного уровня переводит мембранную систему из
условно непроницаемой в проницаемую, т. е. природное сопротивление
мембраны древесины лиственницы не превышает 20 кПа. При этом какого-либо
заметного блокирующего эффекта наличия пермеата в указанный период сушки
не отмечается. Обращает на себя внимание цикличность изменения избыточного
давления – нагнетание давления – вытеснение раствора – удаление воды с
поверхности доски.
С с  15 ч. сушки давление в центре доски скачком увеличивается с 10 кПа
до 20 кПа. Такой эффект объясняется частичным блокированием мембраны
пермеатом с её внешней стороны. При этом какого-либо заметного влияния на
интенсивность переноса раствора через мембрану не оказало. Такой эффект
объясняется достаточным потенциалом парогазовой смеси.

70

Рис. 2.14 – Избыточное давление в центре доски при температуре агента
сушки в начальный период tс = 44 0С: 1 – температура агента сушки; 2 – давление в
центре доски

К с  40 ч. (рис. 2.13) удельная скорость сушки ступенчато снизилось в 4
раза.

Эффект

скачкообразного

перехода

от

интенсивного

периода

в

замедленному является ключевым при сушке лиственничных пиломатериалов.
Поэтому требует специального анализа. Такой скачок интенсивности удаления
воды указывает на снижение проницаемости системы за счёт качественного
изменения пермеата. Эти изменения происходят только в том случае, когда
формируется критический слой пермеата.
Если при начальной температуре сушки равной tс = 44 0С критический слой
формируется за с  40 ч., то при tс  55 0С время образования критического слоя
составляет с  12 … 20 ч. Полученное соотношение времени формирования
критического слоя в зависимости от температурного режима сушки объясняется
объёмом работы, которая совершает парогазовая смесь в зависимости от
температуры (см. уравнение 2.10) [46]
𝑙1−2 =

𝑅𝑇1
𝑛−1

𝑝𝑎

[1 − ( )]
𝑝
1

𝑛−1
𝑛

,

(2.10)

71

где R – газовая постоянная;
T1 – температура в центре доски
Таким образом, период интенсивной сушки во многом определяется
температурным уровнем первой ступени. В качестве подтверждения данного
вывода ниже приведён результат специального эксперимента. Эксперимент
проводился в два этапа: на первом этапе сушка проводилась при температуре tс
= 44 0С; на втором - tс = 60 0С.
В обоих случаях устанавливалась интенсивность удаления воды из
лиственничных пиломатериалов в лабораторных условиях. Перед сушкой торцы
досок надёжно герметизировались, что позволило на относительно коротких
образцах (l  1,0 м, Wн >> 30 %) смоделировать процесс сушки длинномерных
досок.
Результаты опытных сушек представлены на рис. 2.15, 2.16 [34]. В первом
случае (рис. 2.15) на удаление свободной воды в количестве 38% потребовалось
53 ч., что в пересчёте на 1% составляет 0,72 %/ч. Во втором случае (рис. 2.16) на
удаление 30% потребовалось 67 ч., что в пересчёте на 1% составило 0,45%/ч.
Таким образом, скорость сушки при tс = 44С в 1,6 раза превышает тот же
показатель, полученный при tс = 60С.
Сравнения интенсивности удаления воды указывают на то, что в первом
случае в течении всего периода сушки значение G40  0,4 … 0,7 кг/(м2* ч). Во
втором - G60  0,18 … 0,1 кг/(м2* ч). При этом значительное время интенсивность
сушки составляла в пределах G60  0,3 кг/(м2* ч). Из этого следует, режимы сушки
лиственничных пиломатериалов по ГОСТ 19774 – 83 требует коррекции.

72

1

0,08

50

3

40

0,06
2

30

0,04

20
0,02

10
0

2

60

кг/(м ч)

0,1

Удельная скорость сушки,

0,12

70

Температура, 0С

Влажность древесины, %;

80

0
0

10

20

30

40

50

60

Продолжительность сушки, час

Рис. 2.15 – Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов сечением
50х125 мм при tс = 44С от Wн = 68 % до 30%: 1 – кривая изменения влажности; 2 –
удельная скорость сушки; 3 – температура агента сушки

Невыясненным остаётся фактор, из-за действия которого происходит
скачкообразное изменение давления в центре доски (рис. 2.17) и как следствие
падение интенсивности удаления воды.
Для понимания данного явления следует обратить внимание на физикохимические свойства пермеата, сформированного из водного раствора
арабиногалактана. Сформированный слой на ощупь – липкая вязкая жидкость,
химический состав которого принципиально не отличается от исходного
раствора. При определенной концентрации начинается межмолекулярное
ассоциирование

высокомолекулярных

пространственной сетки.

соединений

с

образованием

73

80

0,2

50

0,12
2

40

0,1
0,08

30

0,06
20

0,04

10

2

0,14

1

кг/(м ч)

Температура, оС

Влажность древесины, %

0,16

3

60

Удельная скорость сушки,

0,18

70

0,02

0

0
0

10

20

30

40

50

60

70

Продолжительность сушки, час

Рис. 2.16 – Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов сечением
50х125 мм при tс = 60С от Wн = 60 % до 30%: 1 – кривая изменения влажности; 2 –
удельная скорость сушки; 3 – температура агента сушки

Рис. 2.17 – Избыточное давление в центре доски рц при температуре
агента сушки в начальный период сушки tс = 55С: 1 – температура агента сушки; 2
– давление в центре доски

74

Это состояние вещества принято рассматривать в виде геля, и возникает
оно за счет уменьшения гидратных оболочек функциональных групп молекул
высокомолекулярных соединений и реализации водородных связей между
молекулярными цепями [71]. Для растворов высокомолекулярных соединений
существует характеристическая концентрация гелеобразования, при которой
внутри геля нет свободной воды, эта система имеет определенную плотность,
вязкость и другие параметры.
Для конвективной сушки важным свойством полученных растворов сушки
является способность значительно набухать с последующим коллапсом.
Способность значительного набухания полиэлектролитных гелей в воде
обусловлен общими физическими причинами, а не конкретным химическим
строением полимерных цепей. Поэтому водный раствор арабиногалактана
универсален, то есть характерен для всех заряженных полимерных гелей [87, 88,
92, 93].
Из вышесказанного следует основополагающее для сушки лиственничных
пиломатериалов предположение – способность полученного на поверхности
доски геля проходить стадии не только набухания, но и коллапса. Механизм
коллапса гидрогелей подробно описан в [87]. Остановимся на некоторых
положениях, которые важны для сушки лиственничных пиломатериалов.
При набухании происходит диссоциация молекул арабиногалактана, что
неизменно приводит к накоплению одинаково заряженных ионов [87]. Тогда
звенья полимерной сетки, одинаково заряженные, отталкиваются друг от друга.
Поэтому цепи, исходно свёрнутые в клубки, сильно вытягиваются, что
предопределяет их разбухание [87].
В период набухания молекул арабиногалактана удаление воды с
поверхности доски не происходит. Следовательно, вся вода, которая выделяется
из древесины в составе раствора, задерживается в слое экстрактивных веществ,
что способствует накоплению низкомолекулярных противоионов, которые
свободно

перемещаются

в

растворителе

внутри

геля.

Наличие

75

низкомолекулярных противоионов [87] создаёт «распирающее» осмотическое
давление, что вызывает дополнительное набухание геля.
Таким образом, сильное набухание экстрактивных веществ, находящихся
на поверхности лиственничной доски, обусловлено как электростатическим
отталкиванием одноимённо заряженных звеньев, так и осмотическим давлением
противоионов. Эффект набухания наблюдается даже в том случае, когда
количество заряженных звеньев невелико. Тогда арабиногалактан может
набухать за счёт осмотического давления противоионов.
Набухшие гели очень чувствительны к изменениям внешней среды:
температуры, давления, рН и др. [87], [88]. Наиболее вероятно изменение
температуры

при

сушке

лиственничных

пиломатериалов.

Изменение

температуры обуславливается как необходимостью перехода на следующую
ступень режима сушки, так и испарением воды с поверхности доски.
Небольшое изменение внешних условий приводит к лавинообразному
увеличению силы притяжения между звеньями сетки. В итоге объём геля
уменьшается в сотни раз, что приводит к уплотнению пермеата [87] (рис. 2.18).
Результат – мгновенное увеличение сопротивления массопереносу за счёт
появления дополнительного источника сопротивления. Создаётся блокирующий
процесс экстрактивными веществами, что неизменно приводит к мгновенному
увеличению избыточного давления (рис. 2.17 [34].
Лавинообразное изменение объёма арабиногалактана приводит к таким
процессам как выброс воды из геля на поверхность слоя. В результате влажность
доски снижается на 3 … 4 % в зоне связанной воды в течении 20 … 30 мин. Таким
образом, изменение избыточного давления происходит по цикловому принципу,
который состоит из двух основных этапов. На первом этапе избыточное давления
в центре доски стабильное ризб.=const. Продолжительность этого этапа
исчисляется пл. = 8 … 20 ч.
В течении указанного периода происходит формирование определённого
объёма пермеата, который сопровождается его набуханием. В этот период

76

удаления влажности древесины не наблюдалось. На втором этапе избыточное
давление в центре доски изменяется мгновенно. В результате наблюдается
наслоение блокирующего слоя пермеата, увеличивая тем самым сопротивление
выводу раствора из высушиваемого пиломатериала, уменьшая проницаемость
системы. Для повышения проницаемости необходимо увеличить величину
движущей силы. Для этого достаточно повысить температуру древесины на ti+1
= ti + (3 … 5) 0С.

Рис. 2.18 - Коллапс полимерного геля при нагревании [87]
Анализ процессов на сторонах системы граничных мембран будет
неполным, если не обратить внимание на такой показатель как осмотическое
давление раствора. В общем случае осмотическое давление определяется [48] по
уравнению Вант-Гоффа
𝑥

𝜋 = 𝑖𝑅𝑇 ,
𝑀

где i - коэффициент Вант-Гоффа;
R- газовая постоянная;

(2.11)

77

Т - абсолютная температура раствора;
хi - концентрация растворенного вещества;
М - масса 1 моль растворенного вещества
і = 1 + 1,

(2.12)

где 1 - степень диссоциации растворенного вещества
Через некоторый период

сушки на сторонах

системы

мембран

формируется водный раствор макромолекул арабиногалактана не прошедших
через полупроницаемую мембрану (концентрат) с одной стороны, который
характеризуется определённым значением осмотического давления - 1. Для
раствора макромолекул арабиногалактана меньших размеров (пермеат) с другой
стороны мембраны (см. рис. 2.12) характерен свой параметр осмотического
давления - 2.
Если концентрацию раствора арабиногалактана с внутренней стороны
системы мембран можно принять величиной постоянной, то с внешней стороны
концентрация раствора пермеата величина переменная. Тогда в поверхностных
слоях доски действует разность осмотических давлений, которые действует
разнонаправлено в зависимости степени наполненности водой пермеата.

 = (1 - 2).

(2.13)

Знак (+) выполняется в том случае, если x1  x2. Если x1  x2, то действует
запирающий эффект. Тогда, движущая сила определяется выражением
∆𝑝 = 𝑝изб. − (±∆𝜋).

(2.14)

78

Откуда концептуально процесс переноса водного раствора экстрактивных
веществ в древесине лиственницы при конвективной сушке описывается
уравнением (2.15) [76]:

𝐺𝑚 = ∑𝑛𝑖=1 𝑞𝑚𝑖 = ∑𝑛𝑖=1

𝐴1
𝜇𝑛

∙ 𝐶в [𝑝изб. − ((𝜋1 − 𝜋2 ))],

(2.15)

где qmi – количество раствора, которое проникает через i-тую мембрану в
единицу времени;
n – количество мембран, расположенных в единице площади доски в
направлении, перпендикулярном потоку веществ;
А1 – константа, зависящая от вида мембраны;

п. – вязкость раствора после прохождения через мембрану;
св – доля свободной воды в разделяемом растворе у поверхности мембраны.
Приведённое уравнение 2.15 отражает основные положения механизма
переноса водного раствора экстрактивных веществ через систему мембран на
границе сред с учётом осмотического давления.
3 Реология лиственничных пиломатериалов при сушке
3.1 Древесина – реологическая система
Реология

–

наука

о

деформациях

и

текучести

сплошных

сред. Реологические свойства материалов зависят от его состояния и условий
нагружения, поэтому целесообразно определить основные свойства для каждого
конкретного случая. Основными реологическими свойствами материалов
являются: упругость, вязкость, пластичность, прочность и твердость, изменение
которых целесообразно рассматривать во времени (урав. 3.1) [74] в зависимости

79

от режимных показателей
Е

 = 𝜏0 ⋅ е−𝑅𝑇 ,

(3.1)

где 0 – период колебания частицы;
Е – энергетический барьер, разделяющий положение равновесия;
Т – температура;
R – универсальная газовая постоянная.
По данному уравнению возможно оценить степень тепловой подвижности
некоторой материальной точки. Средняя продолжительность времени , в
течение которого материальная точка колеблется около положения равновесия,
не перемещаясь в другое, изменяется с температурой. Уравнение 3.1
устанавливает

влияние

температуры

на

разрыв

связей

элементов

в

деформируемой среде.
В зависимости от температурно-влажностных условий, а также от режимов
эксплуатации древесина проявляет те или иные реологические свойства.
Поэтому первое, на что требуется обратить внимание – это её строение.
На микроскопическом уровне в древесине можно выделить три зоны, рис.
3.1 [14, 72, 83]: две из которых – клеточная стенка, а одна – межклеточное
пространство.
Структура древесины на микроскопическом уровне представляет собой
непрерывный

жёсткий

каркас,

образуемый

жёстко

скреплёнными,

сообщающимися между собой пустотелыми клеточными оболочками.
Главными компонентами клеточной оболочки являются целлюлоза,
гемицеллюлоза, лигнин и пектин. Пектины представляют собой группу
полисахаридов растительного происхождения, основу которых составляют
галактуроновая кислота.

80

Целлюлоза, гемицеллюлозы, пектин, крахмал – углеводные полимеры.
Лигнин входит в состав одревесневших клеточных стенок всех наземных
растений и по своей распространенности среди натуральных органических
веществ занимает второе место после целлюлозы. Под термином «лигнин»
объединяют группу не углеводных полимеров, содержащихся в растениях.
Четкое определение лигнина как химического вещества пока отсутствует; оно
часто

подменяется

перечислением

физических

и

химических

свойств

материалов на основе лигнина.
Основу, каркас клеточной стенки, образует целлюлоза (линейный
полимер). Гемицеллюлозы (разветвлённые короткие полимеры), лигнин и
пектин

образуют

аморфный

матрикс

–

мягкую,

пластичную

массу,

заполняющую промежутки между микрофибриллами целлюлозы.

Рис. 3.1 – Конструкционная модель древесины (поперечное направление): а поперечный разрез; б - модель строения оболочки; М - межклеточное пространство; Р –
первичная стенка; S – вторичная стенка

Волокнистое строение клеточной стенки рассматривают на уровне
микрофибрилл целлюлозы – простейших структурных единиц волокна, которые

81

принимаются в качестве морфологических единиц целлюлозы. Микрофибрилла
хорошо различима в электронном микроскопе.
По поводу строения микрофибриллы возникало и возникает много
различных теорий. В работе используется подход, который изложен в [97].
Микрофибрилла имеет форму эллипса или ленты с шириной в 2 … 3 раза
больше толщины и длиной на два порядка больше поперечного размера.
Толщина микрофибриллы варьируется от 5 до 20 нм, ширина – от 10 до 30 нм,
длина составляет несколько микрометров. Отмечается постоянство продольного
размера микрофибрилл натуральных и искусственных волокон.
Микрофибриллы объединяются в плоские ленты (слои) – ламели, часто
состоящие из одного слоя микрофибрилл, которые могут переходить из одной
ламели в другую. Многие клетки растений и стенки волокон построены в виде
ламели, причем микрофибриллы в ламели укладываются примерно параллельно
друг другу, но ориентация их в разных ламелях различна. Во многих случаях
микрофибриллы заметно скручены.
Клеточная стенка древесины имеют слоистое строение: наружный,
промежуточный и внутренний слои, которые наблюдаются в световом
микроскопе.

Клетки

древесины

скреплены

межклеточным

аморфным,

изотропным веществом, образующим срединную пластинку M толщиной от 0,2
до 0,5 мкм. В основном она состоит из лигнина (от 60 до 90 %) – аморфного
ароматичекого вещества, гемицеллюлоз и пектина – аморфного, гидрофильного,
очень пластичного вещества. Срединная пластинка имеет большую пористость:
содержит капилляры диаметром около 10 нм, занимающие около (от 20 до 30) %
её площади.
К срединной пластинке примыкает более тонкая первичная (наружная)
оболочка клеточной стенки Р, состоящая из редкой сетки микрофибрилл,
находящихся в матриксе. Внешняя поверхность первичной оболочки состоит из
переплетающихся друг с другом микрофибрилл. На внутренней поверхности они
расположены почти в поперечном направлении, образуя угол около 70

0

по

82

отношению к оси волокна, благодаря чему первичная оболочка способна
сдерживать набухание волокна вторичной оболочки.
Ширина микрофибрилл в Р - оболочке по различным данным варьируется
от 10 до 40 нм, толщина от 5 до 10 нм. Содержание целлюлозы в первичной
оболочке ниже 12 %, остальное составляет матрица. Толщина первичной
оболочки у древесных и хлопковых волокон примерно одинакова и составляет
около 0,1 мкм … 0,5 мкм, в сухом состоянии 0,03 мкм, т.е. примерно равна
толщине 3 микрофибрилл.
Первичная оболочка и срединная пластинка отличаются по своему
строению и являются различными элементами структуры, но поскольку это
очень тонкие слои, срединную пластинку вместе с прилегающими к ней по обеим
сторонам первичными оболочками соседних клеток называют сложной
срединной пластинкой.
Вторичная оболочка (S) в 10 раз толще первичной, имеет сложное,
неоднородное строение. В трахеидах хвойных и в волокнах лиственных пород
она трёхслойна. Слои отличаются друг от друга химическим составом,
субмикроскопическим строением и характером ориентации микрофибрилл, но
чётко выраженной границы между слоями не наблюдается. Во вторичной
оболочке принято различать тонкий внешний слой S1, примыкающий к
первичной оболочке P, толстый средний S2 и тонкий внутренний слой S3. Эти
слои в свою очередь состоят из тонких слоёв микрофибрилл (ламель).
Толщина слоя S1 равна 0,12 мкм … 0,5 мкм (соответствует толщине 2  6
микрофибрилл), слоя S2 - 1,7 мкм  3,7 мкм, слоя S3 - 0,07 мкм  0,17 мкм. Слой
S2 занимает около 78 % всей площади поперечного сечения оболочки. Толщина
слоя S2 меняется в зависимости от типа клетки и от места расположения её в
годичном слое. Так, в слое S2 ранней древесины насчитывается от 30 до 40
тонких слоёв микрофибрилл, а поздней – 150 и более. Соотношение масс слоёв
вторичной оболочки S1: S2: S3 = 10 : 78 : 10. Вследствие значительной массы и
толщины слой S2 считается основным носителем сорбционных свойств

83

клеточной стенки. Он придаёт клетке окончательную форму, определяет
механические свойства древесной ткани и древесины в целом.
Основными химическими компонентами вторичной оболочки являются
целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Состав вторичной оболочки: 50 %
целлюлозы, 30 % лигнина и 20 % гемицеллюлоз. Микрофибриллы целлюлозы
окружены аморфной матрицей. Примерный химический состав в различных
слоях клеточной оболочки у хвойных пород представлен в [83] (рис. 3.2).
Анизотропия структуры и свойств слоёв вторичной оболочки обусловлена
высоким содержанием в них целлюлозы, образующей микрофибриллы.
Микрофибриллы

во

вторичной

оболочке

ориентированы

в

основном

параллельно друг другу (рис. 3.3), что обуславливает их наибольшее уплотнение
и высокую прочность древесины на разрыв.

П ри бл из ит е ль но е ко ли че ст во в е щ е ст в
о т но си т е ль но а бс ол ю т н о с у хо й м а сс ы , %

100
1

80

2

60

40
3
20

0
М+Р

S2

S1

S3

S

Слои клеточной стенки
Рис. 3.2 - Основные химические компоненты в различных слоях
клеточной оболочки у хвойных пород: 1 – лигнин; 2 – гемицеллюлоза; 3 – целлюлоза;
М + Р – сложная срединная пластинка; S – вторичная оболочка

84

Расположение микрофибрилл в оболочках клеточной стенки древесины и
целлюлозного волокна всегда спиралеобразное. Угол наклона микрофибрилл
может быть разный в различных оболочках и слоях. Микрофибриллы среднего
слоя S2 вторичной оболочки ориентированы в виде правонаправленных Z образных крутых спиралей с углом наклона от 5 до 15 0 (реже до 300) или почти
параллельно продольной оси клетки. Благодаря такой структуре волокно
становится прочным и жёстким. В слоях S1 и S2 микрофибриллы расположены
почти под прямым углом к оси клетки (от 50 до 90 0), образуя восходящие,
плоские перекрещивающиеся лево- и правонаправленные спирали (перекрёстная
текстура); причём, чем ближе к слою S2, тем больше крутизна.
Спиральное расположение микрофибрилл сочетается со слоистым
строением оболочек. Так, слой S1 состоит из двух и более слоёв – ламель. В
первой ламели ориентация микрофибрилл, в результате обматывания клетки
лентообразной ламелей, образует левонаправленную спираль, во второй –
правонаправленную. Между слоями Р и S1, S1 и S2, S2 и S3 наблюдаются
переходные ламели. Слой S3, так же как и слой S1, состоит из нескольких ламель.
Ориентация микрофибрилл в S3 постепенно изменяется, заканчиваясь у полости
клетки плоской левонаправленной спиралью; в результате образуются переходы
ориентаций микрофибрилл типа «раскрытого веера».
Средний слой S2, как самый массивный и толстый, содержит несколько
десятков (в клетках ранней древесины) и сотен (в клетках поздней древесины)
слоёв ламели. Ламели в слое S2 более тонкие, чем в S1. Каждая ламель в
большинстве случаев состоит из одного слоя микрофибрилл; ламели отличаются
друг от друга углом наклона микрофибрилл.
Принято считать, что гемицеллюлозы клеточной стенки древесины
представляют собой аморфную массу, размещённую между микрофибриллами
целлюлозы. Исследования выявили определённую организацию гемицеллюлоз.
Однако в литературе имеются предположения, что гемицеллюлозы могут
находиться между микрофибриллами целлюлозы как

кристаллические или

85

аморфные гранулы, так и могут образовывать свои микрофибриллы, имеющие и
не имеющие кристаллические области.
В структурном отношении лигнин резко отличается от других
компонентов своим нерегулярным строением, сильной разветвленностью.
Макромолекулу лигнина можно представить в виде беспорядочно свёрнутого
клубка – микрогеля, на поверхности которого сосредоточены отрицательно
заряжены сульфогруппы. Размер гранул лигнина в слое S2 варьирует от 25 до 75
нм и в среднем составляет 38 нм; они чаще расположены нерегулярно. Выделяют
также слои лигнинных частиц, взаимосвязанных и ориентированных в
направлении оси клетки.
В целом древесинное вещество представляет собой армированную
полимерную композицию, состоящую из фибриллярной целлюлозной арматуры
и аморфной лигниногемицеллюлозной матрицы. Нецеллюлозные углеводы
матрицы и лигнин по взаиморастворимости являются несовместимыми и не
могут существовать в виде термодинамически равновесного гомогенного
твёрдого раствора. Вместе с глобулярным строением лигнина это определяет
существование

в

матрице

микрообластей,

состоящих

из

лигнина,

нецеллюлозных углеводов и переходного слоя между ними. Известно, что связь
между матрицей и элементарными фибриллами, из которых состоит
микрофибрилла, осуществляется через переходный слой в периферийной части
фибриллы.
Результаты рентгенографических исследований, опытов деградации
целлюлозы, электронно-микроскопических наблюдений и других исследований
привели к ряду концепций относительно расположения молекул целлюлозы в
фибриллярных элементах (рис. 3.3).
Общее для всех моделей, описанных в литературе — существование упорядоченных

участков,

образованных

продольно

идущими

цепями

с

параллельной или антипараллельной ориентацией. Эти модели, таким образом,

86

различаются в основном представлением о строении менее упорядоченных
участков. Все модели можно свести к трем основным принципам (рис. 3.3):
- продольно расположенные молекулы переходят из одного упорядоченного участка в другой, образуя менее упорядоченные зоны (система
«бахромчатых» мицелл) (рис. 3.3 а1, а2);
- фибриллярные элементы представляют собой отдельные нити, состоящие
из продольно расположенных молекул с чередованием упорядоченных и
неупорядоченных участков (рис. 3.3 б1, б2);
- упорядоченные участки представляют собой пачки цепей, складывающихся в продольном направлении, причем области поворота цепей
(складок) образуют менее упорядоченные участки (рис. 3.3 в1, в2).

Рис. 3.3 - Три основных модели структуры целлюлозных фибрилл (а1, б1,
в1) и их варианты (a2, б2, в2) [97]

87

В

настоящее

время

относительно

строения

аморфной

матрицы

существуют две основные точки зрения, отдельные положения которых имеют
определенное сходство:
1. Матрица является твердым раствором, где взаимосвязь между
компонентами осуществляется в основном водородными связями, но имеются и
редкие химические связи, так называемые «точки спайки» [103]. Наличием точек
спайки, а также встраиванием гемицеллюлоз в сетку лигнина с образованием
лабиринтных структур объясняется невозможность перевести в раствор
гемицеллюлозы и лигнин из цельной древесины.
2. Лигнин в матрице образует с нецеллюлозными углеводами общую сетку
с помощью валентных связей. В таком случае строение каждого из компонентов
играет существенную роль. Нецеллюлозные углеводы имеют линейные или
слабо разветвленные молекулы, которые, вероятно, связаны между собой лишь
физически. Что же касается лигнина, то все больше исследователей склоняется к
мнению, что он является сетчатым полимером.
Пространственная структура матрицы представляет собой суперпозицию
трех сеток (табл. 3.1) [103]:
1. Сетки, образуемой водородными связями и силами физического
взаимодействия (Н-сетка). В образовании этой сетки участвуют оба компонента
матрицы — лигнин и углеводы.
2.

Сетки,

нецеллюлозными

образуемой
углеводами

валентными
(ЛУ-сетка).

связями

между

Основную

роль

лигнином
в

и

системе

лигноуглеводных связей играют сложноэфирные связи между лигнином и
звеньями уроновых кислот углеводов. В образовании этой сетки также
принимают участие оба компонента.
3. Сетки, образуемой за счет структуры лигнина (Л-сетка). Дополнительную связь между компонентами создают механические зацепления
сегментов макромолекул, образуя так называемые «лабиринтные структуры».

88

Таким образом, аморфная лигноуглеводная матрица клеточных стенок
древесины является полимерной композицией, имеющей строение, подобное
строению взаимопроникающих сеток, но с тем отличием, что углеводы образуют
сетку за счет водородных связей и сил физического взаимодействия (ван-дерваальсовы взаимодействия), а сетка углеводов и сетка лигнина соединены
валентными связями. Исходя из этого, можно предположить о том, что
наибольшая энергия связи наблюдается между сетками углеводов и лигнина,
значительно меньшая энергия связи наблюдается между элементами углеводной
сетки.
Таблица 3.1 - Основные типы строения аморфной матрицы древесины
№
типа
1
2
3
4
5

6

Молекулярное
Молекулярное
Виды связей
Тип полимерной
строение
строение
композиции
гемицеллюлоз
лигнина
Линейные,
Разветвленный Н - связи (включая
Твердый раствор*
слаборазветвленные
физические связи)
Линейные,
Разветвленный Н-связи, точки спайки Твердый раствор слаборазветвленные
сетчатый
Н-связи,
Линейные,
Твердый раствор Сетчатый
механические
слаборазветвленные
сетчатый
зацепления
Линейные,
Разветвленный Н - связи, валентные
Сетчатый
слаборазветвленные
связи
Линейные,
Н - связи, валентные
Сетчатый Сетчатый
слаборазветвленные
связи, механические взаимопроникающие
зацепления
сетки**
Н - связи, валентные
Сетчатые
Сетчатый
Взаимопроникающие
связи, механические
сетки
зацепления
* Понятие «твердый раствор» условное, употреблено применительно к терминологии,

используемой в химии древесины, так как образование твердого раствора возможно лишь при
совместимости компонентов.
** В данном случае существует химическая связь между сетками

Матрица микрогетерогенная, что обусловлено в основном глобулярным
строением лигнина и выражается в неоднородной доступности матрицы. Между
микро областями матрицы, состоящими из индивидуальных компонентов —

89

лигнина и не целлюлозных углеводов, находится переходный слой, в котором
осуществляется валентная связь между лигнином и углеводами. В разных слоях
клеточной стенки (S3, S2, S1,P, M) состав матрицы неодинаков, что в основном
выражается в изменении доли отдельных компонентов. Плотность сетки лигнина
внутри глобул зависит от его содержания и химического строения. В
зависимости от этого меняется и количество связей между соседними глобулами,
определяющее плотность общей сетки лигнина.
Лигнин и не целлюлозные углеводы не являются полностью совместимыми полимерами, поэтому при увеличении подвижности их сегментов
происходит процесс, изменяющий структуру переходного слоя - микро
расслаивание.
Матрица представляет собой сетчатую полимерную композицию,
ответственную за пористость древесины. При деструкции сетки матрица
набухает сильнее, что повышает пористость древесины и приводит к
увеличению критических размеров высокомолекулярных фрагментов матрицы и
ее компонентов, способных диффундировать из клеточных стенок в раствор.
Валентные сетки матрицы не достигают 100 %-ной степени конверсии, и
при увеличении подвижности сегментов процесс конверсии продолжается, что
особенно заметно в Л-сетке. Соответственно значению Мс Л-сетка во влажной
древесине в основном определяет жесткость, а ЛУ-сетка — эластичность
матрицы. Изменения структуры и свойств матрицы, а следовательно, и
древесины в значительной степени обуславливаются изменением плотности трех
составляющих суперпозицию сеток. Таким образом, древесинное вещество - это
сложный комплекс веществ, состав которого за счёт экстракции определённой
группы веществ при сушке, постоянно находится в динамическом равновесии.
Физико-механические свойства древесины формируются содержанием
связанной воды, а точнее толщиной водяной плёнки в клеточной стенке.
Толщина водяной плёнки устанавливает межэлементное взаимодействие.
Данный вопрос чрезвычайно важен при рассмотрении релаксационных

90

переходов. Предполагая, что при максимальном насыщении водой клеточной
стенки и межклеточного пространства (30%), толщина водяной плёнки между
элементами древесинного вещества достигнет максимального значения – 30-35
нм [97]. При этом каждый элемент системы будет удален от другого на
максимально возможное расстояние (r→max) (рис. 3.4).
При удалении связанной воды из древесины (рис. 3.6) происходит
поляризация элементов древесинного вещества, что приводит к разбалансировке
системы. Система находится в «возбуждённом состоянии». Происходит
переориентация взаимного положения на плоскости каждой микрофибриллы как
за счёт возникновения нового баланса сил притяжения и/или отталкивания (рис.
3.4), так и дипольного момента (рис. 3.5).

Водородная
связь

Элементы
древесинного
вещества
Силы ван-дер-ваальса

Водяная плёнка

r = var
Рис. 3.4 - Схема взаимодействия элементов древесинного вещества
При произвольном взаимном расположении элементов древесинного
вещества наряду с притяжением или отталкиванием возможен разворот диполей
относительно друг друга, который в конечном итоге приводит к одной из многих
наиболее благоприятных ориентаций, соответствующий притяжению диполей.

91

Поэтому

между

моментами,

частицами,

обладающими

осуществляется

притяжение

постоянными
за

счёт

дипольными

ориентационного

взаимодействия [52, 102].
Среднее

значение

энергии

ориентационного

взаимодействия

рассчитывается по формуле

𝑈𝑏 = −

где

ре1,

ре1-

2⋅р2е1 ⋅р2е2

1
(4⋅𝜋⋅𝜀0

постоянный

)2

3⋅𝑘⋅𝑇

⋅

1
𝑟6

,

дипольный

(3.2)

момент

соответствующих

взаимодействующих элементов системы;

0 - электростатическая постоянная;
k – постоянная Больцмана;
Т – абсолютная температура;
r – расстояние между элементами системы.

l



F=+Q

l sin 

+Q

-Q

F=-Q

Рис. 3.5 – Пара сил, действующих на электрический диполь в
электрическом поле напряжённостью  [52]
Напряженность электрического поля, создаваемая диполем, может быть
рассчитана по формуле

𝜀=

2Р𝑒
4⋅𝜋⋅𝜀0 ⋅𝑟 3

.

(3.3)

92

Целлюлоза
О

Целлюлоза

О

Н Н Н
О
О
Н Н Н Н Н
О
О
Н Н Н Н
О
О

Целлюлоза

О

О
Н Н Н Н
О
О
Н Н Н Н
О
О

О

О
Н Н Н Н
О
О

Целлюлоза

Целлюлоза

Целлюлоза

Рис. 3.6 – Схема удаления воды из древесинного вещества [86]
Видно, что напряженность электрического поля диполя убывает обратно
третьей степени расстояния от диполя r. Схему взаимодействия между двумя
элементами древесинного вещества представим в виде диполь-дипольных
взаимодействий, рис. 3.7.
Диполь, создавая вокруг себя электрическое поле, индуцирует момент
диполя

у

другой

частицы,

оказывая

дисперсионное

ориентационное

взаимодействие. Энергия связи между элементами древесинного вещества
зависит от электрических дипольных моментов и расстояния между ними r
(толщины водяной пленки, связанной воды)

𝑈(𝑟) = −

Р𝑒1 ⋅Р𝑒2
2⋅𝜋⋅𝜀0 ⋅𝑟 3

.

(3.4)

Таким образом, устанавливается определённое равновесное состояние
элементов надмолекулярной структуры при определённой толщине водяной
плёнки r. Отсюда следует, что энергия ван – дер - ваальсового взаимодействия
будет увеличиваться с уменьшением содержания связанной влаги и достигнет
максимального значения при толщине водяной плёнки равной 3 нм.

93

l

l

1

-Q

1

2

-Q

+Q

2

1

+Q

2

r=var
Рис. 3.7 – Схема диполь-дипольного взаимодействия
На близких расстояниях наряду с силами ван – дер – ваальсового
притяжения действуют силы отталкивания между одноименно заряженными
электронными оболочками. В результате этого поверхности элементов
древесинного вещества сближаются лишь до определенного минимального
расстояния, отвечающего равенству сил притяжения и отталкивания, т. е.
минимуму энергии взаимодействия.
Приближенно определить энергию ван – дер – ваальсового взаимодействия
можно используя выражение потенциала Леннарда – Джонса [10]

U =−

где


r6

+


r 12

,

(3.5)

/r6 – выражение, описываемое энергию притяжения;
β/r12 – выражение, описываемое энергию отталкивания.
Таким образом, в пленочной воде на близких расстояниях в древесине

между элементами древесинного вещества действуют силы притяжения и
отталкивания. Притяжения между структурами принимают существенное
значение уже на довольно больших расстояниях r (≈10 нм), а достигает
максимального значения при r = (3 … 5) нм. Энергия ван – дер – ваальсового
взаимодействия в среднем колеблется (0,155 … 5) кДж/моль.

94

Водородные связи между отдельными структурными элементами в
древесине реализуются на более близких расстояниях r = (0,27 … 0,28) нм, когда
удаляется практически вся связанная вода. Энергия Н-связей между элементами
древесинного вещества достигает 28 кДж/моль.
3.2 Разрушение связей между элементами древесинного вещества при
воздействии повышенных температур
Основная масса пиломатериалов высушивается при температурах от 40 0С
до 100

0

С, т.е. низкотемпературными режимами. Длительность процесса

составляет от 2 суток до нескольких месяцев. Как показывает практика сушки
пиломатериалов, при длительном воздействии повышенных температур
механические характеристики древесины снижаются. Такая закономерность
наблюдается у всех пород древесины [45, 57, 128, 148].
Здесь важно вычленить влияние каждого фактора на снижение прочности
древесины. Повышенные температуры снижают прочность древесины за счёт
резонансных явлений, т.е. разрушение межэлементных связей при постоянной
толщине водяной плёнки. Фактор «длительность» процесса сушки предполагает
ослабление межэлементных связей за счёт химических процессов, а также
напряжений усушки.
С целью вычленения влияния температурного эффекта был проведён
специальный эксперимент. Проведены испытания образцов лиственничных
пиломатериалов на разрыв на разрывной машине ИР-100. Факторы и пределы
варьирования: температура нагрева древесины tд = 20, 50, 75 0С; скорость
нагружения н = 0,1 и 1,0 кН/с; влажность древесины Wд  5 % и Wд  30%.
Выходной параметр: модули упругости при растяжении в тангенциальном и
радиальном направлениях.
Результаты проведенных механических испытаний позволили получить
численные значения модуля упругости древесины лиственницы при растяжении

95

в

тангенциальном

и

радиальном

направлениях

без

учёта

действия

растягивающих напряжений усушки (рис. 3.8).

Модуль упругости
в тангенциальном
направлении, МПа

300
250

4
3

200

150
100

2

50

1
20

30

40
50
60
Температура древесины, ˚С

70

Модуль упругости
в радиальном
направлении, МПа

а
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100

4
3
2
1

20

30

40

50

Температура древесины,

60

70

˚С

б
Рис. 3.8 - Модуль упругости древесины лиственницы при растяжении
в тангенциальном (а) и радиальном (б) направлениях при различной
температуре нагрева древесины в зависимости от влажности древесины Wд и
скорости нагружения д: 1 – Wд 30 %; д = 1 кН/с; 2 – Wд 30 %;
д = 0,1 кН/с; 3 – Wд 5 %;д = 0,1 кН/с; 4 – Wд 5 %; д = 1 кН/с

96

Суммарное относительное удлинение рабочей части испытуемого образца
при растяжении как в радиальном, так и в тангенциальном направлении
(независимо от температуры и влажности древесины, а также скорости
нагружения) не превышает 1%, что указывает на линейность связи между
напряжениями растяжения р и относительными деформациями . Такая
зависимость характерна для упругих тел и подчиняется закону Гука [49]

р = Е,

(3.6)

где Е – модуль упругости.
Полученная закономерность растяжения даёт основание утверждать о том,
что одной из основных факторов повышенной склонности к растрескиванию
является ограниченная деформативность древесины лиственницы при сушке, а
также температура древесины.
В специальной литературе [10, 82, 84] значительное внимание уделяется
влиянию на образование трещин в полимере такого фактора, как скорость
нагружения (скорость усушки) (рис. 3.8). Из полученных данных видно, что
скорость нагружения не изменяет структуру материала. Она влияет на характер
отклика системы на интенсивность действующих сил. Поэтому влияние
скорости

нагружения

на

прочность

древесины

лиственницы

следует

рассматривать в совокупности с такими параметрами как температура и
влажность древесины [34].
Из полученных данных следует, что при температуре древесины 34... 36
0

С (тангенциальное растяжение) и 410С (радиальное растяжение) влияние

скорости растяжения на прочность древесины лиственницы ничтожно мало,
независимо от влажности древесины. С увеличением температуры древесины
сопротивление растяжению, независимо от направления действия сил,
снижается по закону прямой линии.

97

Влияние

степени

нагревания

на

деформативность

древесины

прослеживается на графиках (рис. 3.9). Приведенная выше полимерная
композиция

древесины

древесины

лиственницы

позволяет
при

объяснить

растяжении

цикличность

поперек

разрушения

волокон.

Графики

«деформация–разрушение» (рис. 3.9) указывают на то, что разрушение образца это многоцикличный процесс. Каждый цикл состоит из двух периодов.
Цифровое обозначение на графике указывает на реперные точки периодов цикла.
Вначале происходит пластическое деформирование при постоянном
значении растягивающих сил (горизонтальный участок: 1-1m; 2-2m…13-13m),
что указывает на своеобразное «вытягивание» связей путём «разворачивания»
клубка определенной группы макромолекул до некоторого предельного
значения.

Рис. 3.9 - Цикличность разрушения образцов древесины лиственницы при
действии растягивающей силы в радиальном направлении (Wд= 30%, д= 0,1
кН/с) и различной температуры нагрева древесины: 1– 20 0С; 2 – 50 0С

98

По достижении предельного значения пластической деформации сетки
растягивающая сила начинает воздействовать на узлы сетки (вертикальные
отрезки:

1m-2;

2m-3…13m-14),

происходит

натяжение

связей

без

деформирования (упругое растяжение), что приводит к разрушению узла сетки.
Следующий цикл растяжения соответствует сопротивлению более длинных, по
сравнению с предыдущими, связей. Разрушение этих связей осуществляется по
аналогичной

схеме.

Обращает

на

себя

внимание

зависимость

продолжительности цикла от температуры. С повышением температуры
увеличивается продолжительность цикла растяжения за счёт пластической
составляющей.
Исключительное значение на прочностные характеристики древесины
лиственницы оказывает наличие сердцевинных лучей, которых, как было
сказано выше достигает 11 % от объёма доски.
Зарождение трещины возникает по сердцевинному лучу в зоне поздней
древесины (рис. 3.10). Микротрещина сходит на нет в зоне ранней древесины.
Данный

эффект

объясняется

определённым

соотношением

прочности

сердцевинного луча в поперечном сечении с ранней и поздней древесины в
тангенциальном направлении.
Наличием сердцевинных лучей и характерным их расположением в стволе
дерева объясняется повышенная прочность древесины лиственницы при
растяжении в радиальном направлении - модуль упругости при растяжении в
радиальном направлении превышает аналогичный показатель в тангенциальном
направлении в 1,67–2,50 раза, независимо от физического состояния древесины.
Таким образом, разрушение древесины в процессе прогрева и растяжения
может рассматриваться как система элементарных актов разрушения связей,
которые имеют термофлутуационную природу, в которых потенциальный
барьер U() преодолевается за счёт локальных флуктуаций энергии при
одновременном действии растягивающих напряжений.

99

3
2

1

Рис. 3.10 – Формирование микротрещины: 1 – микротрещина; 2 – поздняя
древесина; 3 – ранняя древесина
Здесь должно выполняться равенство [6, 10]
𝑈(𝜎) = 𝑈0 − 𝑓(𝜎) = 𝑈0 − 𝛾 ⋅ 𝜎,

(3.7)

где  - коэффициент, зависящий от структуры материала;

 - напряжения, действующие на связь;
U0 - энергия активации связи
Коэффициент  характеризует отдельные перенапряженные цепи в объёме
полимера в наиболее напряжённых местах структуры. Так как величины
перенапряжения зависят от длины трещин, величина  будет тем больше, чем
больше длина опасного дефекта. Поэтому 

сильно зависит от степени

дефектности материала. Для древесины лиственницы наиболее опасным
дефектом при сушке является сердцевинный луч.
Пользуясь отдельными положениями физики твёрдого тела, можно
объяснить механизм воздействия повышенных температур на прочностные
характеристики древесины c определённой влажностью. При относительно
низкой температуре каждый элемент древесинного вещества способен
осуществлять гармонические колебания в окрестностях точки А (рис. 3.11).

100

Расстояние r0 между взаимодействующими элементами может быть рассчитано
по формуле [52]

6

𝑟0 = √

2⋅𝛽
𝛼

.

(3.8)

Данная точка указывает на равновесное положение элемента, при котором
достигается

максимальная

энергия

взаимодействия

двух

элементов

древесинного вещества [52]

𝑈0 =

𝛼
2⋅𝑟06 𝑚𝑎𝑥

.

(3.9)

Разрыв её возможен только при больших отклонениях от положения
равновесия, когда нарушается закон Гука, и тепловые колебания становятся
асимметричными (притяжение () и отталкивания ()). Траектория колебания
элемента древесинного вещества представлена на рис.

3.10 (явление

ангармонизма).
На каждом участке формируется свой энергетический баланс между
энергией активации разрыва связи U0 и произведением . Энергия активации
разрыва U0 зависит как от температурно-влажностного состояния древесины, так
и от структуры древесины на данном участке. Произведение  зависит от
структуры древесины и растягивающих напряжений, действующих на данном
участке.

Тогда

целостность

определённого

участка

при

его

нагреве

устанавливается одним из соотношений
𝑈0 < 𝛾 ⋅ 𝜎;

(3.10)

𝑈0 ≥ 𝛾 ⋅ 𝜎.

(3.11)

101

U
r

r

r

m

0

U

0

0

А



m

Рис. 3.11 - Потенциальная энергия взаимодействия двух элементов
древесинного вещества
Пользуясь потенциалом Леннарда-Джонса, энергию активации разрыва
связи выразим через амплитуду теплового колебания [10]

𝑈0 =

𝛼
2𝑟06

,

(3.12)

где 𝛼/𝑟06 - потенциал Леннарда-Джонса
Для рассмотрения механизма разрушения древесины под действием
температурного

ангармонизма

воспользуемся

основными

положениями

вынужденных колебаний взаимосвязанных материальных точек. Для этого
воспользуемся моделью колебательного контура двух материальных точек так
называемых «симпатических» маятников [53].
В колебательной системе «симпатических» маятников предполагается
передача энергии индукционно от одной материальной точки другой, тем самым
подкачивая энергией вторую точку. В данном случае каждая из двух элементов
системы совершает биение. В процессе этих биений элементы обмениваются
энергией, т.е. происходит своеобразная «перекачка» энергии от одного элемента
другому.

102

В начальный период нагрева древесина (tн=const.) получает определённые
порции

тепловой

энергии.

Происходит

постепенное

проникновение

температуры во внутренние слои древесины. Учитывая относительно низкую
теплопроводность древесины, процесс нагрева занимает значительное время.
Можно предположить, что во время начального прогрева происходит
формирование хаотичного колебательного контура, состоящего из элементов
древесинного вещества различной массы и с различными связями. В таком
случае процесс перекачки энергии за счёт соударений осуществляется в
настроечном варианте (рис. 3.12).

Колебательный контур 1-го элемента



m

Амплитуда колебаний

h

t

m



m

0



0



m

t

Колебательный контур 2-го элемента

Рис. 3.12 - Кривые колебаний двух элементов колебательной системы в
начальный период нагрева древесины
Взаимный обмен энергией вследствие слабой настройки осуществляется
не в полной мере. Амплитуда колебаний элемента системы h не превышает m.
Таким

образом,

система

взаимодействующих

элементов

не

обладает

достаточной энергией разрыва связей между собой. Древесина сохраняет свои
основные физико-механические свойства.

103

При увеличении времени воздействия температуры колебательный контур
переходит в своё относительно упорядоченное состояние. Процесс «перекачки»
энергии между элементами системы при соударениях осуществляется в полной
мере. Тогда часть колебательной системы переходит в так называемое
«резонансное» состояние, когда амплитуда колебаний отдельно взятого
элемента превышает допустимую величину расстояния, при котором уже
теряется связь с другими элементами (рис. 3.13).

h
m


0

t

0

t



m

Амплитуда колебаний

Колебательный контур 1-го элемента

Колебательный контур 2-го элемента

Рис. 3.13 - Кривые колебаний двух элементов колебательной системы
древесинного вещества в режиме «резонанса»

1
3
2

Рис. 3.14 - Вид трещины в лиственничном образце в процессе сушки
(tс =75 0С) 150 кратное увеличение: 1 - трещина; 2 – торец доски; 3 – пласть доски

104

Для данных условий долговечность связи описывается уравнением проф.
С.Н. Журкова [10]
𝜏 = 𝜏0 ⋅ 𝑒𝑥𝑝

𝑈0 −𝛾⋅𝜎
𝑘⋅𝑇

,

(3.13)

где k – постоянная Больцмана
Физический смысл полученного параметра (урав. 3.13) заключается в
следующем. При действии двух видов полей - механического и теплового,
суммарное воздействие не превышают значение U0. Однако распределение
тепловой энергии в древесине неоднородно: оно носит флуктуационный
характер. Это, в свою очередь, означает, что тепловая энергия может
концентрироваться в локальном микрообъеме высушиваемой древесины.
В результате в данном микрообъеме указанная сумма механической и
тепловой энергии может превысить энергию диссоциации связи и вызвать ее
разрыв и образование дефекта. С течением времени подобные дефекты
накапливаются в материале, что в итоге приводит к макроскопическому
разрушению высушиваемой древесины (рис. 3.14).

3.3 Модель микротрещины лиственничной доски при сушке

Древесина лиственницы относится к группе пород, которые обладают
повышенной упругостью. Как следствие повышенная склонность к образованию
различного вида трещин. Образование трещин – это процесс, зависящий от
множества факторов. Разработаны и с определённым успехом применяются на
практике различные подходы к объяснению возникновения микротрещин,
которые переходят в макроразрушение.
Древесина лиственницы полимер природного происхождения. В состав
древесины лиственницы входят различные структурные единицы. Особого

105

внимания заслуживает годичный слой (рис. 3.15), так как данная структурная
единица является концентратором напряжений. Анализ реологии данной
структурной единицы позволяет ответить на основные вопросы образования
трещин в лиственничных пиломатериалах при сушке. Состав и относительное
расположение отдельных элементов годичного слоя в процессе сушки могут как
упрочнять, так и ослаблять в целом конструкцию данной структурной единицы.
1
r

2


3
Рис. 3.15 - Фрагмент годичного слоя древесины лиственницы: 1 – поздняя
древесина; 2 - сердцевинный луч; 3 - ранняя древесина;  - тангенциальное направление; r –
радиальное направление

В определённый период сушки каждый элемент годичного слоя
подвергается либо тепловому воздействию, либо оказывается суммарное
воздействие: тепловому и напряжениям растяжения i (сжатия). Камерная сушка
пиломатериалов начинается с прогрева. В этот период формируется хаотичный
колебательный контур – вероятность разрушения связей невелика. Дальнейшее
тепловое

воздействие

на

связь

приводит

к

формированию

условий

возникновения резонансных явлений, значительно ослабляя энергию активации
разрыва связи U0, но не достигая критических значений разрыва.

106

Длительное тепловое воздействие приводит к удалению из годичного слоя
связанной воды, а также отдельных компонентов клеточной стенки [94], что
сопровождается усыханием отдельных элементов годичного слоя (урав. 3.14)
𝑌𝑖 = 𝑏𝑖 𝛼𝑗 (𝑊п.г. − 𝑊т )/100,

(3.14)

где bi – базовый размер элемента годичного слоя;
Wп.г. – предел гигроскопичности древесины, Wп.г.30 %;
Wт. – текущая влажность древесины, %;

j – коэффициент усушки.
Наибольшая усушка наблюдается в зоне поздней древесины в
тангенциальном направлении л (рис. 3.15, п. 1). Растягивающие напряжения,
которые формируются в поздней зоне при сушке растягивают в поперечном
направлении сердцевинный луч. Нетрудно убедится в том, что относительные
деформации поздней древесины в тангенциальном направлении многократно
превышает тот же показатель сердцевинного луча в поперечном сечении

п.д.с.л.
Прочность

поздней

древесины

также

превышает

сопротивление

сердцевинного луча. Из вышесказанного следует, что в зоне поздней древесины
выполняется

соотношение

𝑈0 < 𝛾 ⋅ 𝜎,

что

приводит

к

образованию

микротрещины под действием растягивающих напряжений при усушке поздней
древесины (рис. 3.10).
Распространение микротрещины имеет конечную величину и равна
половине усушки поздней древесине между смежными сердцевинными лучами.
По мере проникновения вершины микротрещины (подвижная система
координат рис. 3.16) в зону ранней древесины происходит ослабление
растягивающих напряжений. Данный эффект объясняется снижением усушки

107

ранней древесины по сравнению с усушкой поздней древесины в 1,77 раза
(7,87/13,9) [83].

Рис. 3.16 – Схема разрушения стенки сердцевинного луча в результате усушки
поздней древесины
Достоверность

данного

вывода

нашло

экспериментальное

подтверждение (рис. 3.10) - микротрещина образовалась в поздней зоне
годичного слоя вдоль сердцевинного луча и сходит на нет в зоне ранней
древесины.
Вышеприведённая

информация

позволяет

определить

источник

возникновения микротрещин в высушиваемой доске – это сердцевинный луч в
поздней зоне годичного слоя. Система микротрещин (рис. 3.17), которые
образуются по сердцевинному лучу поздней зоне годичного слоя в процессе
сушки формируют магистральную трещину.
Обзор реологии годичного слоя будет неполным, если не обратить
внимание на образование микротрещины в месте перехода поздней древесины в
раннюю (весенний период года) (рис. 3.18).
Процесс прогрева принципиально не отличается от прогрева других
элементов годичного слоя – наблюдается некоторое ослабление связей поздней
и ранней древесиной.

108
2

1

3

Рис. 3.17 - Распространение трещин в различных средах: 1 – микротрещина;
2 – поздняя древесина; 3 – ранняя древесина

Данное явление в центральных досках провоцирует образование
разрушения в виде «отлупных» сколов (рис. 3.19).

Рис. 3.18 – Скол при продольном сдвиге на границе ранней и поздней
древесины (весенний период роста)

Рис. 3.19 – «Отлупная» трещина лиственничной доски

109

Через некоторый промежуток времени наблюдается удаление связанной
влаги как из ранней, так и поздней древесины годичного слоя. Учитывая разницу
в усушках ранней и поздней древесины в 1,77 раза, на границе сред формируются
сдвиговые напряжения. Сформированные сдвиговые напряжения разрушают не
только связи на границе сред, но также «срезают» сердцевинный луч (рис. 3.18).

3.4

Поперечное

коробление

лиственничных

пиломатериалов

–

реологический процесс
Поперечному короблению подвержена значительная часть изделий из
древесины лиственницы как в пиломатериалах, так и в готовых изделиях. Одной
из основных причин возникновения поперечного коробления является различие
значений коэффициентов радиальной и тангенциальной усушки [21, 24, 38].
Повышенное различие коэффициентов усушки достигает 2 … 2,2 раз, которое
фиксируется у лиственницы и предопределяет встречаемость данного порока в
лиственничных пиломатериалах.
В то же время поперечное коробление – это типичный релаксационный
процесс, т.е. коробление формируется во времени. Такое утверждение
основывается на том, что для достижения влажности в определённой точке
высушиваемой доски, при которой возможна усушка, требуется время.
Коробление следует ожидать только по достижению определённого
значения связанной влаги по всей толще доски. Следовательно, расчёт величины
поперечной покоробленности доски необходимо знать распределение влажности
по сечению доски во времени. Для достижения указанной цели были проведены
специальные экспериментальные исследования по ниже приведённой методике.
Поле

влагосодержания

определялось

следующим

образом.

Из

высушиваемого образца выпиливалась секция, длина которой вдоль волокон
составляла (30 … 40) мм (рис. 3.20). Полученная секция предварительно
размечалась, после чего раскалывалась на ламели (рис. 3.21), размеры которых

110

составляли 5х(8 … 10)х(30 … 40) мм. Далее определялась масса каждой ламели.
После этого ламели подвергались сушке до абсолютно сухого состояния. На
заключительном этапе устанавливалась масса каждой ламели.
Полученные таким образом влажность ламели позволили рассчитать
влажность в определённой точке поперечного сечения доски в данный момент
времени. Точность измерения влагосодержания составила на уровне 98 … 99 %
от общепринятой по ГОСТ 16588-91 (ИСО 4470-81) «Пилопродукция и
деревянные детали. Методы определения влажности». Полученная точность
удовлетворяет точности измерения влагосодержания для древесины.
Применение одного метода измерения влагосодержания указывает на
наличие системной ошибки, равной (1 … 2) % для всех секций. Поэтому
полученные результаты сравнимы между собой и могут быть использованы для
анализа

распределения

влагосодержания

в

целом

в

лиственничных

пиломатериалах данного региона. К основным недостаткам данного способа
получения информации по распределению влагосодержания можно отнести его
трудоёмкость.

10-12

500

10-12

30

Секция для измерения
влажности по сечению
доски

Секции для
измерения
влажности

Рис. 3.20 – Схема отбора проб для измерения влажности по длине доски
Полученные указанным методом данные позволили выявить ряд
закономерностей, которые дали возможность уточнить и дополнить имеющиеся

111

сведения по распределению влажности в пиломатериалах в процессе сушки
лиственничных пиломатериалов. Распределение воды по поперечному сечению
доски позволило спрогнозировать относительное положение определённой
точки поперечного сечения доски. Результаты мониторинга распределения
влажности представлены в табл. 3.2 … 3.12. Режимы сушки – мягкие,

1. 1
2.1
3. 1
4.1
5. 1
6.1

1. 2
2. 2
3. 2
4. 2
5. 2
6. 2

1. 3
2. 3
3. 3
4. 3
5. 3
6. 3

1. 4
2.4
3. 4
4.4
5. 4
6.4

1. 5
2.5
3. 5
4.5
5. 5
6.5

1. 6
2. 6
3. 6
4. 6
5. 6
6. 6

1. 7
2. 7
3. 7
4. 7
5. 7
6. 7

1. 8
2. 8
3. 8
4. 8
5. 8
6. 8

5

многоступенчатые. Температура первой ступени составляла tс = 44 0С.

30

1. 8
12-15

Рис. 3.21 – Разметка секции для определения поля влажности по сечению
доски: первая цифра координаты пробы – номер строки; вторая цифра координаты пробы –
номер столбца
Таблица 3.2 - Распределение влажности по сечению доски (с = 23 ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1
27,4
30,2
31,9
31,2
31,8
31,9
31,2
31,8
28,7
21,3

Порядковый номер столбца
2
3
4
5
23,3
26,9
25,0
32,9
32,3
33,5
31,7
35,6
43,3
43,6
32,3
41,4
40,4
39,5
33,2
39,5
43,2
41,4
39,3
41,0
43,3
43,6
42,3
41,4
40,4
39,5
33,2
39,5
43,2
41,4
39,3
41,0
39,9
40,4
40,3
30,0
38,3
39,6
33,8
22,5

6
31,0
28,6
37,1
37,4
37,2
37,1
37,4
37,2
36,1
38,9

112

Таблица 3.3 Распределение влажности по сечению доски (с = 46 ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1
22,6
18,9
20,3
23,7
30,5
29,1
28,9
22,0
20,9
15,5

2
19,0
22,8
29,2
46,8
46,1
47,9
36,7
33,3
21,7
20,0

Порядковый номер столбца
3
4
5
6
19,0 19,3
18,1
18,7
24,2 31,8
35,3
28,9
44,9 56,0
58,6
56,1
57,4 33,2
55,1
55,7
51,8 53,8
53,3
52,1
51,3 52,4
50,7
51,8
45,3 47,9
48,1
47,4
32,8 35,7
33,0
41,1
25,9 25,7
25,7
26,3
19,1 18,6
19,3
17,3

7
18,5
20,0
28,2
46,7
50,3
48,1
49,6
42,2
27,2
18,7

8
24,1
20,9
19,5
22,3
30,2
33,0
33,9
34,4
25,7
18,3

Таблица 3.4 Распределение влажности по сечению доски (с = 68 ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1
12,5
16,2
19,4
25,2
28,3
27,8
25,9
20,3
17,2
13,2

2
15,6
20,4
36,1
45,4
48,0
50,7
39,7
25,9
21,3
14,5

Порядковый номер столбца
3
4
5
6
16,3 16,0 16,0
14,6
26,6 39,5 28,1
22,4
52,7 51,2 50,0
51,3
52,6 33,2 48,2
46,1
50,4 51,7 51,7
53,5
51,3 48,7 50,3
51,0
38,6 40,4 45,3
49,5
26,8 26,1 28,0
30,9
22,7 20,0 21,1
24,5
15,2 14,1 15,8
16,5

7
14,7
20,8
36,1
50,3
55,9
52,2
50,3
36,2
23,9
16,4

8
13,5
16,3
18,3
23,4
32,0
30,6
26,9
23,4
19,3
14,7

Таблица 3.5 Распределение влажности по сечению доски (с = 92 ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1
13,8
13,9
15,4
19,0
21,4
23,1
21,2
20,0
16,9
12,6

2
14,5
18,5
22,9
35,1
51,5
50,3
39,7
26,3
21,3
14,1

Порядковый номер столбца
3
4
5
6
13,7 14,4
12,5 14,0
19,4 20,0
22,1 19,6
32,6 39,2
42,4 39,8
46,9 33,2
48,6 49,8
53,0 50,0
51,1 50,6
49,4 50,0
48,2 48,9
39,7 39,5
38,2 41,1
25,9 25,2
26,2 25,9
21,9 19,6
22,7 23,9
14,3 13,1
15,7 16,5

7
14,6
16,3
21,8
34,8
46,9
47,4
47,2
31,6
22,2
14,8

8
14,3
12,2
14,8
17,1
20,5
24,5
25,2
20,9
17,7
13,7

113

Таблица 3.6 Распределение влажности по сечению доски (с = 119 ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Порядковый номер столбца
1
12,5
15,4
16,9
17,8
19,4
18,7
18,2
17,1
15,8
12,7

2
13,6
19,2
24,0
27,2
32,9
32,1
27,1
24,0
19,9
13,2

3

4

5

6

7

8

14,8
20,2
24,7
32,4
40,0
37,0
31,0
26,2
21,7
14,3

13,9
19,9
25,3
33,2
36,8
36,9
29,8
24,4
20,4
14,0

13,6
20,5
24,0
30,2
36,4
36,8
28,4
24,4
20,1
13,2

12,8
18,8
23,7
27,9
36,6
32,9
28,3
23,5
19,8
13,5

13,4
17,3
19,6
22,5
23,8
23,8
22,6
20,8
17,2
12,1

11,2
12,2
14,5
15,3
15,7
16,1
14,4
13,3
12,5
10,4

Таблица 3.7 Распределение влажности по сечению доски (с = 143ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Порядковый номер столбца
1
12,3
13,3
15,3
16,0
16,9
15,9
15,8
15,1
13,6
12,6

2
13,0
18,9
22,8
25,5
28,5
27,6
23,4
20,7
17,9
12,5

3

4

5

6

7

8

14,8
21,7
25,4
34,0
40,5
33,8
27,1
22,7
18,8
13,2

13,3
18,8
24,1
33,2
39,0
34,6
25,9
23,5
17,5
11,4

12,4
18,2
24,2
32,8
38,0
33,8
26,8
23,2
19,6
12,7

12,3
18,8
22,5
29,8
35,7
34,1
26,9
21,6
18,3
13,3

12,6
17,9
20,1
24,4
25,5
24,8
21,8
20,0
16,7
11,9

10,6
12,3
14,5
16,5
15,7
15,2
15,0
12,9
11,5
9,0

Таблица 3.8 Распределение влажности по сечению доски (с = 163ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Порядковый номер столбца
1
10,3
12,0
14,5
15,8
15,2
15,9
14,7
13,3
13,5
10,7

2
12,6
16,3
20,7
22,5
23,4
23,3
21,3
18,3
16,1
11,3

3

4

5

6

7

8

12,3
18,1
22,1
26,6
29,5
29,3
25,1
21,6
18,4
13,3

12,5
18,9
22,5
33,2
34,7
33,7
26,9
23,0
18,2
13,4

12,0
18,0
22,1
26,1
34,4
33,8
26,4
24,1
19,9
13,5

12,1
17,8
21,1
26,1
30,7
32,3
26,0
22,9
20,1
13,5

11,2
15,9
19,6
22,3
25,5
25,1
23,9
21,2
18,6
13,0

9,2
10,8
13,0
14,4
15,3
14,4
14,5
13,9
12,0
10,2

114

Таблица 3.9 Распределение влажности по сечению доски (с = 193ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Порядковый номер столбца
1
8,5
11,1
12,2
13,8
13,0
13,1
13,3
11,7
11,7
8,8

2
9,6
15,4
18,4
20,7
20,8
20,7
19,1
17,3
14,9
10,4

3

4

5

6

7

8

11,2
16,8
20,5
23,4
25,4
24,8
22,5
19,6
16,1
10,7

10,4
17,2
20,7
33,2
28,5
28,3
23,7
20,0
15,2
10,8

10,8
16,0
20,7
24,3
29,9
28,6
25,2
22,0
17,7
12,0

9,9
15,0
19,7
23,0
25,1
26,7
24,0
20,8
17,9
11,6

10,2
15,0
17,4
19,3
20,1
21,4
19,7
19,4
15,5
10,3

8,0
10,0
11,3
12,8
12,9
12,0
13,4
12,5
14,3
10,6

Таблица 3.10 Распределение влажности по сечению доски (с = 217ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Порядковый номер столбца
1
3,1
5,8
8,9
11,1
13,4
11,9
13,1
11,3
9,2
7,4

2
8,2
11,0
15,6
19,1
21,3
20,1
18,8
16,8
13,5
9,0

3

4

5

6

7

8

9,7
16,6
22,5
24,2
31,4
31,0
23,9
20,3
16,4
10,6

10,5
19,3
23,1
33,2
40,1
36,4
26,8
22,0
17,8
11,4

11,5
20,0
24,2
27,0
43,7
39,4
27,3
23,0
17,7
11,0

6,5
14,3
21,9
26,3
36,5
44,8
29,8
23,5
19,2
11,2

7,1
9,3
15,4
21,6
24,7
29,0
25,2
19,6
16,6
10,4

6,4
6,0
8,0
12,6
14,4
14,6
13,5
13,0
11,2
7,7

Таблица 3.11 Распределение влажности по сечению доски (с = 241ч.)
Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Порядковый номер столбца
1
7,1
7,1
10,4
12,6
10,8
10,5
10,1
8,6
10,5
6,7

2
7,9
13,5
17,2
18,6
18,7
19,2
16,7
14,7
11,9
6,4

3

4

5

6

7

8

9,8
17,1
20,6
23,8
31,3
27,2
22,2
16,8
12,7
7,5

9,8
15,3
19,2
33,2
32,8
29,4
23,4
19,3
14,0
6,4

8,0
13,4
18,4
22,5
26,8
27,0
23,4
20,0
14,8
10,2

9,4
14,6
16,7
19,8
22,8
23,3
21,9
18,8
14,9
9,7

6,6
11,0
15,7
16,2
17,6
18,2
17,9
17,4
13,6
8,7

4,7
4,1
8,5
10,8
12,2
11,9
11,5
10,7
9,6
6,9

115

Таблица 3.12 Распределение влажности по сечению доски (с = 265ч.)
Порядковый номер столбца

Порядковый
номер строки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1
6,2
6,5
8,0
10,0
12,5
10,4
10,5
9,2
7,3
5,2

2
6,2
10,6
14,4
16,1
17,1
17,3
16,2
14,1
11,1
7,0

3

4

5

6

7

8

8,7
15,8
18,6
19,7
20,0
20,5
19,8
16,4
12,1
6,9

11,0
18,6
19,5
33,2
26,6
26,6
22,8
19,8
14,3
8,7

10,7
17,9
20,5
24,1
31,5
29,7
24,7
20,8
15,4
9,6

8,2
16,0
19,8
21,2
26,5
29,4
25,3
20,7
15,9
9,2

6,4
9,2
14,8
17,9
18,0
17,1
16,7
15,6
12,2
7,3

5,3
4,4
6,3
9,5
10,0
9,6
9,7
10,1
8,4
6,5

Основные выводы по результатам эксперимента:
1.

В

течении

всего

периода

сушки

имеет

место

повышенная

неравномерность распределения влажности по сечению доски, достигающая W
= 35 %.
2. В процессе сушки, начиная с с  68 ч., формируются «эллипсы»
однородной влажности.
3. В результате анизотропии усушки как по форме, так и по величине
формируется сложное напряжённо-деформированное состояние.
4. Каждая точка поперечного сечения доски смещается относительно
некоторого центра, совершая тем самым сложное плоскопараллельное
движение.
5. Поперечное коробление лиственничных пиломатериалов целесообразно
рассматривать как множество кусочно-непрерывных функций, определённых на
конечном числе элементов.
6. Поперечное коробление зависит от рисунка годичного слоя на торце
доски.
При
определиться

прогнозировании
с

поперечного

«магистральным»

годичным

коробления
слоем,

целесообразно

усушка

которого

устанавливает форму доски (дуга АВ рис. 3.22). Многочисленные наблюдения

116

дают основание утверждать, что под магистральным годичным слоем следует
принимать тот, относительная длина которого максимальна в изучаемом
рисунке.

Рис. 3.22 – Расчётная схема усушки годичного слоя в лиственничных
пиломатериалах тангенциальной распиловки, выпиленных из бревна на
расстоянии Н от сердцевины
При этом каждый объём характеризуется направленным действием
сжимающих напряжений при изменении связанной воды во времени. Такой
подход позволяет учитывать особенности усушки как конкретно исследуемой
точки доски, так и в целом всей доски. Для этого каждый годичный слой по длине
может быть аппроксимирован дискретной моделью, которая на рис. 3.22
обозначена цифровой индикацией.
Размер каждого элемента в предлагаемой модели принимается 5х10 мм,
что соответствует принятым ранее в эксперименте параметрам ламелей. Тогда
усушка годичного слоя по длине равна сумме усушек древесины в пределах
каждого элемента аппроксимированной модели

117

n

У г.с. = К  bi (30 − WTi ),

(3.15)

i =1

где К - коэффициент усушки древесины лиственницы в тангенциальном
направлении;
bi – длина годичного слоя в i-м элементе аппроксимированной модели;
WTi– текущая влажность i-го элемента.
Данные табл. 3.2 … 3.12 указывают на повышенный разрыв по влажности
в

высушиваемых

пиломатериалах.

Поэтому

появление

поперечной

покоробленности возможна при условии достижения однородности влажности
по всему сечению доски. Такое условие выполняется на заключительном этапе
сушки.
Учитывая неразрывность деформируемой системы, следует суммировать
усыхание годичного по длине магистрального годичного слоя в тангенциальном
направлении с учётом усыхания в радиальном направлении. В результате
формируется траектория относительного смещения внешней и внутренней
пластей доски.
Следует обратить внимание на то, что полученные данные по влажности
(табл. 3.2 … 3.12) позволяют спрогнозировать поперечное коробление доски
практически любого сечения, выпиленной из разных мест бревна, так как
изменение влажности периферийной зоны доски не зависит от её сечения и места
выпиловки. Для этого достаточно на торец доски наложить сетку влажности
(рис. 3.23).
Анализ распределения влажности по поперечному сечению доски
указывает на то, что поперечная покоробленность начинает формироваться с с
 217 ч. при средней влажности древесины Wср. = 20,44 %. По мере выравнивания
влажности по сечению доски величина поперечного коробления будет

118

увеличиваться

и

достигнет

максимального

значения

по

достижению

равновесного состояния.
150

50

13,2
16,5
21,1
29,3
43,0
57,6
53,4
44,7
32,6
24,8

14,7
21,1
27,7
31,4
52,1
51,9
45,7
43,0
35,8
26,8

12,1
19,4
27,3
31,7
37,8
39,4
40,5
40,4
34,0
25,4

0'
11,9
17,6
23,8
28,8
34,7
35,4
37,3
37,6
35,6
25,0
0

11,8
18,3
23,9
26,4
26,2
29,6
33,3
37,2
34,7
22,5

11,3
16,8
21,2
23,1
26,6
27,7
38,1
32,6
27,8
22,8

10,5
16,2
18,1
21,3
22,8
25,6
26,7
26,3
22,9
19,2

Рис. 3.23 – К вопросу о прогнозировании поперечной покоробленности
лиственничных пиломатериалов при сушке

Из вышесказанного следует основополагающий вывод о том, что процесс
формирования поперечного коробления - это неотъемлемый эффект удаления
связанной влаги из древесины лиственницы. Непосредственно в процессе сушки
и сразу после неё этот негативный эффект может не проявиться, особенно в
толстомерных пиломатериалах при сушке жёсткими режимами. Однако это не
значит, что пиломатериалы удалось высушить без поперечного коробления. К
сожалению, оно может проявиться готовом изделии в период выравнивания
влажности и релаксации внутренних напряжений (см. подразд. 3.4).
Для

предотвращения

возникновения

поперечного

коробления

пиломатериалов используются стяжки различной конструкции. По нашему
мнению,

применение

таких

конструкций

при

сушке

лиственничных

пиломатериалов не решают проблему предотвращения появления указанного
дефекта. Внутренние напряжения в лиственничных пиломатериалах должны
реализоваться в виде коробления или растрескивания, которые проявляются во

119

времени.
Обзор по вопросу изменения влажности в лиственничных пиломатериалах
следует дополнить информацией об интенсивности сушки. Для изучения данной
проблемы была проведена опытная сушка лиственничных пиломатериалах
сечением 25х100 мм. Общее время сушки составило 185 ч. Результаты опытной
сушки сгруппированы в табл. 3.13.
Таблица 3.13 – Интенсивность изменения влажности в лиственничных пиломатериалах
в период сушки

№
п/п

Влажность
Влажность
начальная Wн., конечная Wк,
%
%

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

38
38,5
63
70
53,6
48
26
30
31
50,4

9,29
10,53
14,19
13,6
11,9
10,63
8,4
7,17
6,69
8,77

Масса
удалённой
воды, %
(Wн. - Wк.)

Интенсивность
сушки, %/ч.

28,71
27,97
48,81
56,4
41,7
37,37
17,6
22,83
24,31
41,63

0,16
0,15
0,26
0,30
0,23
0,20
0,10
0,12
0,13
0,23

(WН − WК )

C

Основные параметры опытной сушки:
- среднее

значение

влажности

в

конце

сушки

составило

к

=

10,12 %;
- средняя интенсивность изменения влажности в каждой доске (табл.
3.13) варьируется от 0,12%/ ч. до 0,3%/ ч.;
- разброс влажности в пиломатериалах, который наблюдался на начальном
этапе сушки, значительно снизился, но не приобрёл нулевого значения.
Полученные данные по интенсивности сушки указывают на то, что на
окончательном этапе процесса сушки в высушиваемых пиломатериалах
наблюдается сложная разбалансированная система по влажности, а значит по

120

напряжённо – деформированному состоянию. Спрогнозировать это состояние не
представляется возможным. Такой вывод следует из анализа распределения
экстрактивных веществ по сечению конкретно взятой доски. В качестве
дополнительного фактора, оказывающих влияние на интенсивность сушки –
реакция гидролиза, которая не поддаётся контролю.
Для исключения негативного эффекта в готовом изделии РТМ по сушке
предлагается проведение таких операций как кондиционирование или конечная
влаготеплообработка. Эффективность таких операций очень незначительная.
Это связано с тем, что любая из этих операций связана с повышением
температуры агента сушки относительно последней ступени сушки. Как
следствие - повышение избыточного давления в центре доски. При этом
разбалансированность системы сохраняется.
Для выравнивания влажности по сечению доски после остывания
древесины целесообразно предусмотреть такую операцию как выдержка перед
дальнейшей механической обработки в течении определённого периода
времени. Снижение температуры древесины «глушит» химическую реакцию
гидролиза. Тогда 𝑝изб. → 0. В результате начинает проявляться эффект
осмотического давления ±(1 - 2). На эффективность указанного мероприятия
указывают результаты эксперимента (рис. 3.24). Влажность наружных слоёв
доски в течении всего периода выдержки остаётся без изменения, а во
внутренних - снижается.
Полученные результаты эксперимента указывают на то, что наиболее
интенсивное выравнивание влажности наблюдается в первые 72 ч. выдержки.
Это минимальный период выдержки. Он не учитывает время достижения
относительно равновесного положение элементов древесинного вещества.
Следовательно, необходимо предусмотреть дополнительное время, в течении
которого релаксируются напряжения.

121

Влагосодержание древесины, %

30
25

2

20
3
15
4
10
1
5
0
1

3
5
7
Номер элемента по толщине доски

9

Рис. 3.24 – Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах
(толщина доски 50 мм.): 1 – после выдержки 2160 ч. при tс = 250С; 2 – после камерной
сушки (время выдержки 0 ч.); 3 – после камерной сушки (время выдержки 72 ч.); 4 – после
камерной сушки (время выдержки 496 ч.)

Приведённый выше пример изменения влажности отражает общую
кинетику сушки лиственничной доски. Поэтому необходимо в каждом
конкретном случае отрабатывать технологию сушки.
4 Технология и оборудование сушки лиственничных пиломатериалов
4.1 Влияние схем раскроя пиловочного сырья из древесины лиственницы
на образование трещин и поперечного коробления пиломатериалов
Согласно науке о раскрое пиловочного сырья, независимо от породы
древесины, в процессе составления плана раскроя учитываются такие критерии
как

объёмный

выход,

качественный

выход,

ценностный

выход,

спецификационный выход. Каждый критерий в той или иной мере учитывает
условия, которые акцентируют внимание на выполнение определённых
показателей к готовой продукции.

122

Объёмный выход – наиболее часто встречаемый показатель, который
учитывает объёмный выход обезличенных пиломатериалов, т.е. не учитывает по
сортный, спецификационный состав пиломатериалов. Выполнение требований
по объёмному выходу предусматривает максимально вписывать многоугольник
в окружность [12, 113]. Спецификационный выход накладывает дополнительные
требования

к

пиломатериалам

[22,

23,

70].

В

результате

выход

спецификационных пиломатериалов снижается по сравнению с объёмным.
Теория и практика получения сухих лиственничных пиломатериалов
указывает на значительное влияние схем раскроя пиловочного сырья на
появление трещин и поперечного коробления [18, 22, 38].
В качестве примера рассмотрим два характерных примера образования
трещин (рис. 4.1, 4.2).
В приведённых вариантах образования трещин есть общая характеристика
– выход на внешнюю пласть доски в тангенциальной области. Более детальное
изучение данного феномена указывает на ряд особенностей. Согласно
результатам эксперимента (табл. 3.19, 3.20) в поверхностном слое доски
формируется значительный перепад связанной влажности (рис. 4.4), которая
составляет 6 … 12 %. В результате по всей пласти доски формируются
значительные растягивающие напряжения.

1

2

Рис. 4.1 - Трещина усушки в лиственничных пиломатериалах: 1 –
магистральная трещина усушки; 2 – торец доски; 3 – пласть доски.

123

2
1

Рис. 4.2 – Трещина в области сердцевинной трубки: 1 – сердцевинная трубка;
2 – трещина усушки

Максимального значения эти напряжения растяжения достигают в
тангенциальной зоне. При этом модуль упругости тангенциальной зоны
древесины лиственницы в среднем в два раза ниже радиальной зоны.
Следовательно, тангенциальная зона поверхностного слоя доски является
своеобразным концентратором растягивающих напряжений.
Результаты ранее проведённого эксперимента

[38] позволили

уточнить и дополнить данное утверждение (табл. 4.1). Пояснения к табл. 4.1 см.
рис. 4.5.
Основной вывод, который следует из данных табл. 4.1 – схема раскроя
пиловочных бревен древесины лиственницы оказывает существенное влияние на
образование трещин различного вида и поперечной покоробленности. Основным
источником

возникновения

указанных

дефектов

является

древесина,

прилегающая непосредственно к сердцевинной трубке.
Переходный
слой



Слой равновесной
влажности

Зона начальной
влажности

Рис. 4.3 - Распределение влажности в поверхностном слое в начальный
период сушки [32]

124

1

3

Рис. 4.4 – Выход трещины на пласть доски: 1 – трещина; 2 - пласть доски
Специфическое расположение годичных слоёв в указанной зоне бревна
способствует проявлению анизотропии усушки древесины при удалении
связанной влаги из древесины, что в свою очередь способствует образованию
трещин и короблению.
Таблица 4.1 – Влияние положения доски в поставе на образование поперечного
коробления и растрескивания лиственничных пиломатериалов при сушке [38]
Местоположение
Способ раскроя
доски в поставе (вид
доски)
сердцевинные
с получением 1-го
центральные
бруса на 1-м
проходе
боковые
с получением 2-х
брусьев на 1-м
проходе

Общее
количество
досок,
шт./%
47/100
41/100
135/100
29/100

Качество досок после сушки по наличию
поперечного коробления и растрескивания
понизивпонизившие
сохранившие
шие сорт до
сорт до 4,
сорт, шт./%
3, шт./%
шт./%
0/0
0/0
47/100
2/4,9
5/12,2
34/82,9
118/87,4
29/100

0/0
0/0

17/12,6
0/0

радиальные
полуради34/100
34/100
0/0
0/0
альные
остальные
70/100
70/100
0/0
0/0
Приложение: 1. Поперечное коробление сердцевинных досок в 95% случаях
сопровождалось образованием пластевых трещин.
2. Сорт доски по трещинам и поперечному короблению определялся по
ГОСТ 8486-66.

125

а)

б)

с)
Рис. 4.5 – Пояснения к табл. 4.1. Распиловка брёвен с брусовкой: а – с
получением 1-го бруса на 1-м проходе; б – с получением 2-х брусьев на 1-м проходе; с – с
получением 3-х брусьев на 1-м проходе

Результаты экспериментальных исследований показали [38], что наличие
в лиственничной доске сердцевинной трубки (сердцевинная доска) гарантирует
появление трещины

и

поперечного коробления

практически

в 100%

пиломатериалов. Выход сердцевинной трубки на пласть доски в 95 % из 100 %
также гарантирует появление в лиственничной доске трещины и поперечной
покоробленности при сушке. Следовательно, вырезка данной зоны из доски

126

позволяет удалить основной источник образования трещин и поперечного
коробления в доске, заготовке, ламели.
Исследования показали, что источником указанных дефектов в процессе
сушки лиственничных пиломатериалов возникают в области сердцевинной
трубки (рис. 4.2). Поэтому целесообразно ещё на стадии планирования
распиловки брёвен указанную зону выпиливать. О необходимости выпиловки
данной зоны бревна рассмотрим на примере получения заготовок для
производства клеёных материалов.
4.2 Анализ влияния схем раскроя пиловочного сырья древесины
лиственницы в производстве клеёный материалов
Клеёное

изделие

из

древесного

массива

относится

к

многофункциональному объекту, которое предполагает производство большого
многообразия изделий по размерам и форме, а также возможность эксплуатации
его в переменных температурно-влажностных условиях.
Основные требования к сборке щитов из древесного массива [63]:
– строго рекомендованная влажность используемого материала должна
составлять Wк = 8 %, с допускаемой небольшой погрешностью ΔW = ± 2 %;
– клееный мебельный щит должен иметь однородную поверхность. Все
сучки, боковые ламели, любые неравномерности цвета, отпечатки в местах
сращивания по длине нужно более или менее равномерно распределять по всей
площади мебельного щита;
– важно соблюдать расположение ламелей при склеивании по принципу
«левая сторона доски к правой стороне доски», что снижает вероятность
коробления щита в процессе эксплуатации;
– ламели должны быть без поперечной и продольной покоробленности;
– ламели не должны содержать сердцевину;
– лучше, если годовые кольца ламелей идут по направлению склеивания.

127

Для выполнения указанных требований необходима соответствующая
сырьевая база. Наиболее распространённым вариантом получения радиальных и
полурадиальных заготовок являются пиловочные брёвна диаметром d ≥ 30 см.
Из брёвен указанного диапазона диаметров возможен максимальный выход
радиальных и полурадиальных пиломатериалов с минимальным содержанием
пороков роста: метиковые трещины, сердцевинная гниль, а также сучки.
Однако пиловочное сырьё в указанном диапазоне диаметров относится к
категории дефицитных. Поэтому целесообразно изучить вопрос производства
заготовок для клеёных изделий, отвечающих высоким требованиям качества из
пиловочного сырья диаметром менее 30 см.
Классическая технология производства заготовок для дальнейшего
склеивания предполагает раскрой бревен на радиальные или полурадиальные
пиломатериалы с дальнейшей их сушкой в сушильных камерах полноформатных
штабелях. После сушки пиломатериалы проходят раскрой по ширине и длине. В
результате формируются заготовки соответствующего качества.
Применение пиловочных брёвен диаметром менее 30 см требует
принципиально другого подхода получения заготовок для производства
заготовок. Отличительной особенностью является то, что получить радиальные
пиломатериалы из данного сырья не представляется возможным. Можно
получить только черновые заготовки.
Сформировать полноформатный штабель для сушки из заготовок не
представляется возможным по ряду причин. Следовательно, требуется и
специальная конструкция малоформатной сушильной установки. Следует
оговориться – расход тепловой энергии при сушке резко снижается, так как
сокращается время сушки и время выдержки. Кроме этого – высокая степень
прогнозируемости качества заготовок. Поэтому эффективность предлагаемой
технологии в производстве клеёных материалов из древесного массива требует
специальной

проработки

технологического случая.

для

каждого

конкретного

производственно-

128

Наряду с дефектами сушки (трещины и коробление) на качество клеёной
продукции из древесного массива значительное влияние оказывают сучки
различной формы и размеров, сердцевинная гниль, трещины роста (метиковые).
Поэтому необходимо максимально учитывать их влияние на качество заготовок.
Для прогнозирования влияния пороков роста на качество заготовок были
составлены карты (рис. 4.6) распределения пороков роста в лиственничных
брёвнах в диапазоне диаметров d = 18 – 28 см [38, 83].
Бездефектная зона бревна

Сучки

Трещины роста

Гниль сердцевинная

Сердцевина

Все сортообразующие пороки

6000

d = 22 см

d = 26 см

d = 30 см

6000

6000

Рис. 4.6 – Расположение пороков в лиственничном пиловочном сырье [83]
Наиболее распространенным пороком в бревнах являются сучки, которые
при раскрое брёвен переходят в пиломатериалы и заготовки. Сучковатость
бревен тесно связана с их размером. Так, у брёвен диаметром d = 18–20 см
порядка 80 % сучков выходят на поверхность. При этом в брёвнах диаметром d
= 32– 34 см только 64 % сучков заметны на поверхности бревна [83].

129

Трещины роста (метиковые) встречаются примерно в 1/3 бревен, что
значительно снижает сортность брёвен. Трещины встречаются, в основном, в
досках, выпиленных из центральной части бревен. Сердцевинная гниль
определяет сортность около 5 % лиственничного сырья. Гниль чаще встречается
в центральных и в сердцевинных досках. Их встречаемость во многом зависит от
расположения бревна в стволе дерева – наибольшая встречаемость отмечается в
комлевой части.
Из вышесказанного следует вывод о том, что основная группа
сортообразующих пороков (дефектов) в бревне легко проецируется на
пиломатериалы (заготовки). Следовательно, составленная карта расположения
пороков в лиственничном пиловочном сырье в диапазоне диаметров d = 18–28
см (рис. 4.6) позволяет с высокой долей вероятности установить качество доски
(заготовки), а значит, и степень пригодности для производства клеёных изделий.
Из рис. 4.6 видно, что в каждой группе диаметров лиственничного
пиловочного сырья выделяются определённые зоны, которые могут быть
использованы с максимальной эффективностью. Основная часть дефектов роста
и сушки расположена в центральной зоне бревна. Это несколько упрощает
рациональный раскрой лиственничного пиловочного сырья всего спектра
диаметров. В качестве примера приведены результаты расчётов плана раскроя
брёвен диметром d = 18 – 28 см. (см. рис. 4.7 … 4.12) для получения радиальных
и полурадиальных заготовок с учётом как расположения дефектов роста, так и
сушки.
Присутствующие в брёвнах сучки, гниль, а также метиковые трещины на
качество заготовок оказывают значительно меньшее влияние, так как все
указанные дефекты вырезаются в процессе получения однородных по внешним
признакам заготовок.

130

Рис. 4.7 - Схема раскроя d =18 см.: размеры заготовок: 50x50 - 6 шт.; сердцевинная
вырезка 50x60 - 1 шт.; L = 3,9 м;  = 56,2%; ηрад = 46,8%

Рис. 4.8 - Схема раскроя d =20 см.: размеры заготовок: 50x50 - 4 шт.; 50x60 - 2 шт.;
сердцевинная вырезка 50x60 - 1 шт.; L= 3,9 м.  = 55,58%; рад = 43,68%

131

Рис. 4.9 - Схема раскроя d = 22 см.: размеры заготовок: 50x50 - 4 шт.; 50x75 - 4 шт.;
сердцевинная вырезка 50x32 - 1 шт.; L = 3,9 м.;  = 64,29%; рад = 54,7%

Рис. 4.10 - Схема раскроя d = 24 см.: размеры заготовок: 50x50 - 4 шт.; 50x85 - 4 шт.;
сердцевинная вырезка 50x50 - 1 шт.; L = 3,9 м.;  = 57,52%; рад = 52,65%

132

Рис. 4.11 – Схема раскроя d = 26 см.: размеры заготовок: 50х50 – 8 шт.; 50х75 – 4 шт.;
сердцевинная вырезка 50х32 – 1 шт.; L = 3,9 м.; η = 57,09%; рад = 54,6%

Рис. 4.12 - Схема раскроя d =28 см.: размеры заготовок: 50x50 - 16 шт.; сердцевинная
вырезка 50x50 - 1 шт.; L = 3,9 м.;  = 49,7%; рад = 46,8%

133

Приведённые данные указывают на возможность получения радиальных и
полурадиальных заготовок квадратного сечения или близко к ним из
лиственничного пиловочного сырья диаметром d = 18–28 см.
4.3 Прогрев лиственничных пиломатериалов перед сушкой
Прогрев лиственничных пиломатериалов перед сушкой – доведение
температуры древесины в центре доски до уровня первой ступени сушки. При
этом решается ряд таких задач как повышение эластичности древесины, не
допустить процесса усушки поверхностных слоёв доски, тем самым снизить
вероятность

появления

различного

вида

трещин

в

высушиваемых

пиломатериалах.
Процесс прогрева пиломатериалов - сложный теплообменный процесс,
который сопровождается переносом тепловой энергии от более нагретой
паровоздушной смеси (агент сушки) твёрдому телу (поверхность доски).
Доставленная на поверхность доски тепловая энергия расходуется на
непосредственный прогрев древесины доски (теплопроводность) и перенос
вещества (пар, частицы жидкости).
Процесс распределения тепловой энергии в высушиваемой системе
рассмотрим на графиках изменения температуры в трёх точках высушиваемой
системы: 1 – изменение температуры агента сушки (t1); 2 – изменение
температуры в центре доски (t2); 3 – изменение температуры на поверхности
доски (t3) (рис. 4.13) [42].
В начале прогрева наблюдается максимальный разрыв температур в
отдельных

точках

высушиваемой

системы.

Со

временем

происходит

постепенное смыкание температур агента сушки и поверхностного слоя доски.
Полученная закономерность указывает на равновесное состояние системы, т.е. t3

→ t1. В то же время сохраняется перепад температур поверхностного слоя и
центра доски, что указывает на постоянство сопротивления среды.

134

Повышение температуры паровоздушной смеси приводит к увеличению
влагоёмкости среды. Следовательно, увеличивается вероятность интенсивности
испарения влаги с поверхности прогреваемой доски. Такой эффект следует
отнести к категории нежелательных, так как высока вероятность процесса
усыхания поверхностных слоёв доски. Тогда неизбежно появление напряжений
растяжения. Как следствие – появление трещин.

0
Температура, С

14
12
10
8
1

6

3

4
2

2

0
0

50

100

150

200

Время прогрева, мин

Рис. 4.13 – Относительное изменение температуры в отдельных точках
высушиваемой системы (hд = 25 мм): 1 – изменение температуры агента сушки (t1);
2 – изменение температуры в центре доски (t2); 3 – изменение температуры на поверхности
доски (t3)

Для древесины лиственницы данная проблема весьма актуальна, так как
она обладает повышенной упругостью. В этой связи целесообразно обратить
внимание

на

вопрос,

касающийся

рационального

режима

прогрева

лиственничных пиломатериалов перед сушкой.
В настоящее время разработана технология прогрева в начальный период
сушки, которая основывается создании условий снижения влагоёмкости агента
сушки путём впрыска воды в сушильную камеру в тонкодисперсном состоянии.

135

Данная операция позволяет довести степень насыщенности агента сушки  до
100 % и поддерживать указанный режим в течении определённого периода из
расчёта 1 … 1,5 ч на 1см толщины доски.
Удельный расход впрыскиваемой воды в сушильную камеру составляет
порядка 15 кг на 1 м3 высушиваемых лиственничных пиломатериалов. Нетрудно
убедится в том, что в сушильную камеру дополнительно вводится значительная
масса воды, которую впоследствии необходимо удалить путём испарения. Для
этого требуется тепловая энергия, которая составляет порядка 37,5 кДж/м3 для
испарения сконденсированной массы воды с поверхности пиломатериалов.
Первое, на что следует обратить внимание на целесообразность впрыска
дополнительных масс воды [95, 96]. Такой вывод следует из того, что механизм
эмиссии воды из древесины основывается не за счёт градиента влагосодержания,
а за счёт действия избыточного давления. Формирование избыточного давления
– это результат реакции гидролиза, а не увеличенной влагоёмкости агента сушки.
Данное утверждение указывает на неоднозначность выводов об эффективности
впрыска в период прогрева на образование различного вида трещин в
высушиваемых пиломатериалах.
В виду действия избыточного давления в центре доски эмиссию воды с
поверхностных слоёв при прогреве предотвратить невозможно. В то же время
утверждать о том, что влагоёмкость не оказывает какого-либо влияния на
процесс усушки, было бы некорректно, так как на определённом этапе прогрева
степень насыщенности может оказывать сдерживающий усушку эффект.
Поэтому вопрос влияния впрыска при прогреве лиственничных пиломатериалов
требует дополнительного изучения.
Согласно закону Ньютона-Рихмана (уравнение 4.1) плотность теплового
потока q, Вт/м2 на поверхности доски пропорциональна температурному напору
Δt ≡ t1 – t3, K, Коэффициент теплообмена α, Вт/(м2 . K), зависит от геометрии
поверхности, скорости обтекания, теплофизических свойств агента сушки. В

136

данном случае может быть принят для гладкой поверхности при скорости
движения агента сушки по поверхности доски от  = 1 … 2 м/с.
Коэффициент

теплообмена

для

конкретного

процесса

сушки

в

определённой точке сушильной камеры является величиной постоянной, так как
весовая

скорость

()

циркуляции

агента

сушки

по

поверхности

пиломатериалов практически не изменяется при прогреве. Тогда qсум. в основном
зависит от температурного градиента (t1−t3) (рис. 4.13).
Подведённая тепловая энергия расходуется на прогрев древесины доски и
на испарение воды, которая находится на поверхности
qсум. = α(t1−t3) = qT + qис,

(4.1)

где qT – расход тепловой энергии на нагрев древесины;
qис. – расход тепловой энергии на испарение воды.
Расход тепловой энергии на прогрев древесины во многом зависит от
теплопроводности древесины

(). Тогда,

расходуемая

температуры

на

изменение

плотность теплового
древесины,

потока,

устанавливается

теплопроводностью древесины и рассчитывается
𝑞т. = −𝜆∇𝑡,

(4.2)

где t – градиент температур по толщине доски.
Плотность тепловой энергии, которая расходуется на испарение
рассчитывается по формуле

qис. = Lm,

(4.3)

137

где L – удельная теплота парообразования;
m – масса воды.
Удельная теплота парообразования во многом зависит от температуры
древесины. Следовательно, L при прогреве величина переменная – в начале
процесса прогрева L →min. По мере повышения температуры древесины L
→max. Здесь необходимо учитывать некоторую особенность процесса
разделения тепловой энергии на поверхности доски. Процессы поглощения
тепловой энергии древесиной и испарения протекают во времени. Тогда
необходимо учитывать скоростные режимы протекания процессов, что было
установлено экспериментально.
Для изучения особенности протекания процессов нами были проведены
специальные эксперименты, основные результаты которых представлены
графически на рис. 4.14.
Цель исследования: установить влияния интенсивности подачи тепловой
энергии в сушильную камеру на испарение влаги с поверхности доски. За
базовую температуру нагрева была взята tн = 60 0С. В первом варианте
установленная температура достигалась в течении н1 =30 мин (кр. 1 рис. 4.14),
а во втором - н2 =100 мин (кр. 2 рис. 4.14). Тогда средняя интенсивность
нарастания температуры в сушильной камере в первом

случае составила 1 =

(60-23)/30 = 37/30 = 1,23 0C/мин. Во втором - 2 = 37/100 = 0,37 0C/мин.
Здесь прослеживается распределение тепловой энергии по направлениям –
прогрев доски и испарение влаги с поверхности доски. Как ожидалось на
интенсивность прогрева древесины скорость нарастания температуры в
сушильной камере какого-либо значимого влияния не оказало. В обоих случаях
средняя скорость нарастания температуры древесины составила порядка др. =
0,22 0C/мин (кр. 3, 4 рис. 4.14).

138

70

55,5

1
2

55

3
4

Температура, 0С

50

54,5

40
54

30
53,5

6

20

Влажность древесины, %

60

53

10
5
0

52,5

0

20

40
60
80
100
120
Продолжительность прогрева, мин

140

160

Рис. 4.14 – Изменение температуры в сушильной камере и в центре доски,
изменение влагосодержания древесины в период прогрева лиственничных
досок толщиной 25 мм: 1, 2 – изменение температуры в сушильной камере; 3, 4 изменение температуры в центре образца; 5, 6 - изменение влажности, соответственно, при
подъёме температуры за 60 минут, при подъёме температуры за 100 минут

Расход тепловой энергии на испарение определялась по изменению массы
образца в процентах в единицу времени. В первом варианте при интенсивности
нарастания температуры в сушильной камере 1 = 1,23 0C/мин. скорость сушки
составила с1 =1,28 %/ч. Во втором варианте при 2 = 0,37 0C/мин. с1 =0,56 %/ч.
Не останавливаясь на тонкостях процесса теплообмена между отдельными
элементами системы, можно сделать однозначный вывод о том, что в первую
очередь тепловая энергия, поступающая в сушильную камеру, расходуется на
прогрев древесины. На испарение расходуется тепловая энергия по остаточному
принципу.

139

Такое соотношение расхода тепловой энергии объясняется инерцией
передачи энергии на нагрев и испарение. Время накопления энергии на
испарение превышает время поглощения тепла древесиной. Из этого следует
основополагающий вывод о том, что прогрев лиственничных пиломатериалов
перед сушкой можно проводить без впрыска при определённом условии –
соблюдать интенсивность подачи тепловой энергии равной t  0,21 … 0,23
0

C/мин. При этом впрыск воды в тонкодисперсном состоянии при прогреве

какого-либо значимого влияния не оказывает.
4.4 Режимы сушки лиственничных пиломатериалов в сушильных камерах
периодического действия
Режим сушки

древесины

в сушильной

камере

-

это

заданная

последовательность условий (температуры, влажности воздуха, скорости подачи
теплоносителя), при которых проходит обезвоживание древесины. Правильные
режимы позволяют сохранить структуру волокон, избежать внутренних
напряжений и снизить влажность до оптимального уровня для хранения,
обработки или эксплуатации.
Ранее в данной работе достаточно подробно были изучены основные
условия удаления воды из древесины лиственницы, а также факторы
оказывающие влияние на процесс формирования дефектов сушки. Обобщая
полученные данные, есть возможность сформулировать режимные показатели
сушки. Здесь необходимо учесть интенсивность таких процессов как
массоперенос и связанный с ним влагоперенос. При этом необходимо учитывать
влияние этих процессов на образование дефектов.
При рассмотрении режимов сушки за основу возьмём трёхступенчатые
режимы по ГОСТ 19773–84 «Пиломатериалы хвойных и лиственных пород.
Режимы сушки в камерах периодического действия» (табл. 4.2). Структура
режимов предусматривает ужесточение параметров от ступени к ступени (табл.

140

3.1): минимальная температура t соответствует 1-й ступени, максимальная – 3-й.
При этом максимальное значение относительной влажности () соответствует 1й ступени, минимальная – 3-й. Такая структура режимов сушки с определённой
эффективностью используется в подавляющем большинстве производственных
процессов независимо от породы и толщины доски.
Таблица 4.2 - Режимы низкотемпературного процесса сушки пиломатериалов из
древесины лиственницы
Номер и индекс
Средняя влажность
пиломатериалов, %

35

35-25

25

Л1

Л2

Л3
Л4
Л5
Л6
Л7
Толщина пиломатериалов, мм
Параметры
до св.22 св. 25 св. 32 св. 40 св. 50 св. 60
режима
22 до 25 до 32 до 40 до 50 до 60 до 75
Нормальные режимы (Н)
70
70
70
65
60
60
60
t, C
9
8
6
5
4
3
2
t, С
0,64 0,68
0,76
0,78
0,81
0,86
0,90

75
75
75
70
65
65
65
t, C
15
15
15
10
9
7
5
t, С
0,49 0,49
0,49
0,61
0,63
0,71
0,78

80
80
80
75
70
70
70
t, C
26
25
25
20
19
18
15
t, С
0,28 0,29
0,30
0,38
0,37
0,39
0,47


Структура режимов предложенная в табл. 4.2 предполагает постепенное
ужесточение условий сушки. Первая ступень – мягкие условия, что позволяет
максимально снизить вероятность появления трещин. По мере упрочнения
древесины происходит ужесточение режимов. С таким подходом в полной мере
следует согласиться. К недостатку следует отнести – это высокая температура
первой ступени сушки. Это касается всех толщин пиломатериалов. При таком
температурном уровне максимально сокращается период интенсивной сушки по
причине образования запирающего слоя (рис. 2.13). Этот эффект проявляется
независимо от толщины доски. Степень насыщенности, равный  =0,90 для
толщины доски равной св.60 мм до 75 мм целесообразно распространить и на
более тонкие пиломатериалы.

141

Особенностью

начального

периода

сушки

является

интенсивное

вытеснение водного раствора экстрактивных веществ, который характеризуется
удалением с поверхности пиломатериалов воды в капельножидком состоянии.
Продолжительность этого периода составляет порядка 25 … 30 ч. В этот период
психрометрическая разность приближается к нулевому значению t → 0. После
указанного периода сушка переходит в циклический процесс (рис. 2.13).
При

достижении

пиломатериалами

влажности

Wд

=

35-25

%

предусматривается переход на более жёсткую ступень режима. При этом
жёсткость режима поддерживается не только повышением температуры агента
сушки, что приводит к повышению его влагоёмкости, но также осушением
агента сушки путём воздухообмена с внешней средой. Тогда снижая степень
насыщенности до  = 47 … 78 %, дополнительно увеличивается влагоёмкость
агента сушки. Здесь необходимо задаться вопросом насколько целесообразно
снижать до таких низких значений величину .
Интенсивность испарения влаги с поверхности древесины в среде данного
состояния с учетом скорости воздуха над материалом N, кг/(м2ч.) может быть
рассчитана по формуле [26]

N = 0,04075 0,8  p = 0,04075 0,8  ( pн − pп ) ,

(4.4)

где  - скорость воздуха над материалом, м/сек;

р - разность давлений водяного пара в воздушной пленке над материалом и
в проходящем воздухе, кПа; p = ( p н − p п ) ;
рн – давление насыщения, кПа;
рп – давление парциальное, кПа.
При скорости циркуляции агента сушки  = 1,5 м/с, рн = 30 кПа, рп = 24
кПа интенсивность испарения составляет N = 0,34 кг/(м2ч.). По имеющимся

142

экспериментальным данным с = 92 ч. (табл. 3.5). На данный период сушки
запирающий слой уже сформировался, среднее значение массы воды, которая
имеется на поверхности доски (рис. 2.13) не превышает Gм = 0,01 кг/(м2ч.).
Сравнивая полученные данные с потенциалом агента сушки, можно
сделать вывод о том, поверхностных слой доски подвергается интенсивному
обезвоживанию. В результате пермеат, который находится на поверхности доски
кристаллизуется, уплотняя тем самым запирающий слой. Третья ступень режима
повторяет те же ошибки, которые присущи второй ступени. Таким режимом
процесс сушки практически прекращается.
Общие замечания по предложенным в ГОСТ 19773–84:
- повышенная продолжительность каждой ступени сушки не способствует
поддержанию

повышенного

потенциала

движущей

силы

(рис.

2.11).

Следовательно, необходимо предусматривать многоступенчатый режим сушки;
- нет строгого назначения температурного режима первой ступени сушки
от влажности древесины.
В специальной литературе предлагается большое количество вариантов
совершенствования режимов предложенных в ГОСТ 19773–84.
В работе [69] предлагается оптимизированный режим сушки для
лиственничных пиломатериалов (рис. 4.15). Такая структура обосновывается
прочностными характеристиками древесины лиственницы – чем ниже начальная
влажность древесины, тем более жёсткий режим первой ступени сушки. По
мнению разработчиков указанной структуры режимов предлагаемый подход
позволяет максимально сократить время сушки при сохранении целостности
древесины.
Особого внимания заслуживает комбинированная структура режимов,
которая предлагается в работе [89] финскими специалистами. Предлагаемая
структура режимов реализуется на ряде лесопильно-деревообрабатывающих
предприятиях России в двухзонных сушильных камерах непрерывного действия
(рис. 4.16).

143

Рис. 4.15 – Структура режимов сушки лиственничных пиломатериалов
Рассматривается возможность применения многоступенчатых режимов
независимо от породы древесины в камерах непрерывного действия.
Особенностью данного предложения заключается в том, что сушильная камера
непрерывного действия делится на две зоны: зона с противоточной циркуляцией;
зона с прямоточной циркуляцией.
В первой, противоточной зоне, реализуется классический вариант сушки
пиломатериалов в сушильных камерах непрерывного действия. Положение,
которое занимает штабель в тоннеле, соответствует определённому значению
жёсткости режима сушки. Следовательно, по мере перемещения штабеля от
«сырого» конца камеры к «сухому» в пределах первой зоны режим сушки
ужесточается. Конструктивное отличие данной зоны от классических камер
непрерывного действия – ограниченность штабелей, что позволяет эффективно

144

организовать циркуляцию агента сушки по тоннелю. Поэтому принципиального
отличия структуры режимов сушки в пределах данной зоны предложенная в
работе [30] не отличается.

Рис. 4.16. Принципиальная схема функционирования двухстадийной
сушильной камеры проходного типа: 1, 9 – рекуператор; 2 – сушильная камера; 3, 8 –
вентиляторный узел; 4, 7 – калорифер; 5 – штабель пиломатериалов; 6 – внутрикамерные
ворота;

В

противоточном

отсеке

сушильной

камеры

предусматривается

движение агента сушки против перемещения сушильных штабелей по отсеку –
от «сухого» конца к «сырому». Перед подачей в штабеля пиломатериалов
паровоздушная смесь предварительно проходит двухэтапное осушение. Первый
этап осушения осуществляется перед вентиляторным узлом (рис. 4.16 поз. 3), где
смешиваются два потока воздуха: один поток – увлажненный нагретый (после
прохождения по сушильным штабелям), а второй поток – сухой с пониженной
температурой (подача с «улицы»).
Сушильные штабеля, последовательно проходя по сушильной камере
непрерывного действия (рис. 4.16), подвергаются различным температурно-

145

влажностным воздействиям. Для анализа изменения температурно-влажностных
условий воспользуемся уравнением расчета теплосодержания в сушильной
камере [1]:

Iвх = Iвых = iсух + iвл,

(4.5)

где Iвх, Iвых – теплосодержание соответственно на входе в штабель (штабеля) и на
выходе из него (них);
iсух, iвл – соответственно сухая и влажная составляющие теплосодержания.
Такой подход основывается на следующих постулатах. При прохождении
через штабеля суммарное теплосодержание агента сушки остается практически
без изменения. В то же время наблюдается перераспределение тепловой энергии
в агенте сушки. Значительная часть тепловой энергии расходуется на испарение
влаги с поверхности пиломатериалов, что приводит к понижению температуры.
По мере увеличения времени контакта с влажной поверхностью доски разность
температур агента сушки увеличивается [1]:

𝑡𝑖 =

𝐼𝑖 −2,49𝑑𝑖
1,0+0,00193𝑑𝑖

,

(4.6)

где ti – температура агента сушки в i-й точке сушильной камеры;
Ii – теплосодержание в i-й точке сушильной камеры;
di – текущее значение влагосодержания в i-й точке сушильной камеры.
Следовательно, температура в «сыром» конце сушильной камеры или
отсека зависит как от температуры агента сушки на входе в зону, так и от его
насыщенности влагой. В свою очередь, процесс насыщения зависит от скорости
циркуляции агента сушки по поверхности пиломатериалов и наличия влаги на

146

поверхности. Изучение влияния скорости циркуляции агента сушки на процесс
насыщения является предметом специального рассмотрения.
Второй этап осушения реализуется непосредственно в калорифере (рис.
4.16 поз. 4), где повышается температура парогазовой смеси без влагообмена,
что приводит к снижению её относительной влажности. Таким образом,
подсушенный и с повышенной температурой агент сушки направляется в
штабеля пиломатериалов (рис. 4.16 поз. 5). Данная циркуляция агента сушки
позволяет выполнить одно из основных условий – сохранение целостности
пиломатериалов при эффективном удалении влаги.
Схематично изменение влажности в лиственничных пиломатериалах и
температуры агента сушки по длине каждой стадии показано на рис. 4.17.
Изменение влажности и температуры древесины в первой зоне
сушильной камеры следует рассматривать в виде двух периодов. Деление на
периоды связано с образованием на поверхности пиломатериалов слоя пермеата.
Образование пермеата приводит к резкому уменьшению интенсивности вывода
влаги из древесины (точка перегиба 1 на рис. 4.17), что автоматически приводит
к снижению влагосодержания. Температура агента сушки замедляет своё
снижение (точка перегиба 2 на рис. 4.17).
Во второй зоне сушильной камеры (прямоточная зона) процесс удаления
воды из пиломатериалов производится на фоне наличия на поверхности доски
слоя пермеата. При этом реализуется прямоточная схема циркуляции агента
сушки (см. рис. 4.16) – направление движения воздушных потоков в отсеке
сушильной камеры совпадает с траекторией штабелей.
Прохождение агента сушки по штабелям выстроено таким образом, что
температура на входе в указанную зону имеет максимального значения. Перед
подачей в сушильное пространство агент сушки, как и при реализации первого
этапа, подвергается двухстадийному осушению - при смешивании с сухим, но
охлажденным воздухом, а также при прохождении через калориферный узел (см.
рис. 4.16 поз. 7) за счет увеличения теплосодержания без влагообмена. По мере

147

прохождения по штабелям температура агента сушки снижается.
Понижение температуры древесины приводит к приостановке образования в древесине парогазовой смеси, что автоматически приводит к падению
потенциала сушки. Следовательно, эффективность сушки лиственничных
пиломатериалов во второй зоне камеры близка к нулевому значению.
Таким образом, при наличии на поверхности доски блокирующего слоя
пермеата

вывод

раствора

целесообразно

не

уменьшать

температуру

(противоточная зона), а увеличивать, что и осуществляется в традиционных
конструкциях противоточных сушильных камер непрерывного действия.
Поэтому ожидать от двухзонной конструкции сушильной камеры более высокой
производительности по сравнению с традиционной не следует.
Обобщение материала по выстраиванию режимов сушки пиломатериалов,
а также основываясь на информации по особенности кинетики древесины
лиственницы, позволяет сформулировать основные положения структуры
режимов сушки лиственничных пиломатериалов, которые максимально снизят
негативное влияние пермеата на интенсивность сушки.

Рис. 4.17 - Изменение основных параметров процесса сушки по длине
сушильной камеры: температуры агента сушки и средней влажности пиломатериалов

148

Опираясь на представленные во второй главе настоящих исследований
автором, были сформулированы основные положения технологии получения
сухих лиственничных пиломатериалов. Технологию следует разделить два
самостоятельных этапа: раскрой пиловочного сырья с учётом образования
дефектов сушки; непосредственно сушка, которая учитывает особенности
кинетики сушки.
При

планировании

пиломатериалов.

Отгрузка

раскроя

брёвен

обезличенных

учитывается

пиломатериалов

назначение
предполагает

использование группового способа раскроя. Результатом такого подхода –
получение пиломатериалов по закону случайных чисел. Вероятность появления
дефектов во многом определяется диаметром пиловочного сырья. Уменьшение
диаметра распиливаемых брёвен увеличивает долю досок с сердцевинной
трубкой, т.е. в толщу доски запускается концентратор напряжений. При
распиловке брёвен диаметром свыше 32 см увеличивается доля тангенциальных
досок. В этом варианте наличие на наружной пласти доски удлинённой
тангенциальной зоны также является концентратором напряжений.
Такой подход основывается на неизбежности появления дефектов сушки,
независимо от применяемого режима сушки. Данное утверждение основывается
на образовании повышенного перепада связанной влаги в начальный период
сушки, что неизбежно приводит к формированию растягивающих напряжений и,
как следствие - микротрещина. Сформированная микротрещина в зоне
концентрации напряжений разрастается до уровня магистральной трещины.
Здесь важно поддерживать значение относительной влажности агента сушки на
уровне  = 87 … 90 % независимо от толщины высушиваемой доски и
влажности.
Реализация данной рекомендация не даёт разрастанию сформированной в
начальный период сушки трещины до сквозной. Расчёты указывают на то, что
потенциал влагообмена при скорости циркуляции воздуха по поверхности доски
в пределах  = 1 … 2 м/с вполне достаточный для удаления вытесненной воды.

149

Удаление в процессе распиловки пиловочного сырья концентраторов
напряжений автоматически упрочняет поверхностный слой доски. В результате
не наблюдается эффекта перенапряжения при формировании перепада
влажности.
В основе предлагаемой структуры режимов сушки лиственничных
пиломатериалов - основные принципы, сформулированные в ГОСТ 19773-84
«Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах
периодического действия» (табл. 4.2), когда каждая последующая ступень
режима сушки более жёсткая по сравнению с предыдущей по температурному
уровню. Такой подход позволяет постоянно создавать и сохранять избыточное
давление в центре доски, тем самым обеспечивать массоперенос по толщине
высушиваемого сортимента.
Для поддержания необходимого потенциала массопереноса необходимо
предусмотреть своевременный переход с одной ступени режима на другую. Если
в ГОСТ 19773-84 таким критерием является текущая влажность, то в
рассматриваемом варианте наиболее приемлемым параметром является
интенсивность

изменения

влажности.

Тогда

систему

автоматического

регулирования режима сушки целесообразно настраивать на с, %/ч.
Для каждого технологического участка интенсивность изменения будет
своя. На интенсивность изменения влажности существенной влияние оказывает
сама древесина (наличие экстрактивных веществ, место выпиловки и др.),
техническое состояние сушильного хозяйства и др. факторы.
Обобщения полученных экспериментальных данных позволили составить
расписание

температурно-влажностных

условий,

применение

которых

позволило максимально сократить время эмиссии влаги из древесины (табл. 4.3).
Достоверность данных, полученных в лабораторных условиях, была
проверена в производственных условиях, что подтверждено соответствующими
актами. Испытания проводились на двух лесоэкспортных предприятиях: на ОАО
«Лесосибирский ЛДК №1» в сушильных камерах периодического действия

150

итальянской фирмы «Nardi»; на ОАО «Маклаковский ЛДК» в сушильных
камерах периодического действия производства фирмы «Eisemann».
Сушка

лиственничных

пиломатериалов

в

сушильных

камерах

периодического действия итальянской фирмы «Nardi».
Исходные характеристики сушки:
- порода древесины – лиственница сибирская;
- сечение – 50 х 150 мм;
- начальная влажность - 55 ... 60%;
- конечная влажность - 202%;
- объём загрузки в 1 камеру – 200 м3.
Цель опытной сушки: проверка эффективности разработанных режимов
сушки лиственничных пиломатериалов в сушильных камерах периодического
действия.
Таблица 4.3 – Рекомендуемые режимы сушки лиственничных пиломатериалов
экспортного назначения
Температура агента сушки при толщине доски, 0С
№ ступени
Время
п/п
сушки, ч
25
32
38
50
1
40 … 45
44
44
44
44
2
30 … 40
48
48
48
48
3
30 … 40
52
52
52
52
4
30 … 40
56
56
56
5
30 … 40
60
60
6
30 … 40
64
Примечание: 1. Режимы ориентированы на конечное влагосодержание Wк =20±2%.
2. Степень насыщенности агента сушки в течении всего периода
обезвоживания поддерживается на уровне  = 87 … 90 %.

Задачи проведения опытной сушки:
- установить влияние низкотемпературного этапа проведения сушки (tc
= 44 ... 45°С) в начальный период на интенсивность обезвоживания
лиственничных пиломатериалов;

151

- уточнить продолжительность проведения низкотемпературного этапа
проведения сушки (tc= 44 ... 45°С) в начальный период;
- уточнить продолжительность сушки от начального влагосодержания 55
... 60% до транспортной влажности 20 ±2%;
-

установить

качественные

характеристики

высушенных

пиломатериалов.
Проведение испытания и подготовка камеры:
- перед испытанием сушильная камера была осмотрена – все узлы и
агрегаты находились в рабочем состоянии;
- для контроля текущей влажности по продольному сечению камеры было
установлено 6 датчиков влажности;
- обеспечение тепловой и электрической энергией осуществлялось в
полном объёме;
- применяемые режимы представлены в табл. 4.4.
Выводы по результатам производственных испытаний:
1. Общее время сушки лиственничных пиломатериалов толщиной 50 мм
составляет 8,5 – 10,5 суток, что в среднем на 2 … 3 суток меньше по сравнению
с предлагаемым временем сушки итальянскими специалистами.
2. Среднее содержание влаги в пиломатериалах составляет 18%, что
соответствует требованиям продукции экспортного назначения.
3. Значимого разброса влажности по длине доски и в штабеле не
установлено.
4. Сортность пиломатериалов по трещинам после сушки принципиально
не изменилась по сравнению с сортностью пиломатериалов, полученной при
режимах, рекомендованных итальянскими специалистами.
5. Геометрия пиломатериалов сохраняется в пределах требований ГОСТ
26002-83 «Пиломатериалы хвойных пород северной сортировки, поставляемые
на экспорт».

152

С учётом полученных в ходе испытаний результатов испытаний, которые
изложены в пунктах 1 … 5, предложенные режимы сушки лиственничных,
пиломатериалов были приняты к эксплуатации с сентября 2010 г. на ОАО
«Лесосибирский ЛДК № 1».
Изменение температурных режимов во времени в двух точках сушильной
камеры периодического действия фирмы «Nardi» указано в колонках 3 и 5. В
течение первых 24 ч. нахождения пиломатериалов в сушильной камере
пиломатериалы прогреваются и сушатся при tс = (43 … 44) 0С. При этих
температурах пиломатериалы продолжают сохнуть ещё 24 ч. Таким образом,
суммарное время воздействия температурного режима при tс = (43 … 44) 0С на
начальном этапе составляет (40 … 50) ч.
Второй и последующие температурные ступени увеличиваются на
(3 … 5)

0

С по сравнению с предыдущей. Продолжительность второй и

последующих ступеней составляет порядка 30 … 50 ч. Здесь следует обратить
внимание на то, что переход на следующую температурную ступень
производится по мере необходимости, которая диктуется непрерывностью
изменения влагосодержания в пиломатериалах.
Изменение влагосодержания в пиломатериалах в процессе сушки
устанавливается по 6 датчикам, установленным в сушильной камере. Результаты
измерения представлены в колонках 6 … 11 табл. 4.4 и графически (рис. 4.18).
Общая закономерность изменения влажности в пиломатериалах соответствует
результатам лабораторных исследований – максимальная интенсивность
удаления влаги наблюдается в начальный период сушки.
На

последующих

этапах

интенсивность

сушки

снижается

и

поддерживается на определённом уровне за счёт своевременного перехода на
следующую степень путём повышения температурного режима.

153

Таблица 4.4 – Сушка лиственничных пиломатериалов толщиной 50 мм
с использованием предлагаемого режима
Дата
1
17.09

Период
сушки
2
Прогрев,
сушка

18.09

Сушка

19.09

Сушка

20.09

Сушка

21.09

Сушка

22.09

Сушка

23.09

Сушка

24.09

Сушка

25.09

Сушка

26.09

Сушка

27.09

Сушка

Температура, 0С
t1
tзад.
t2
UGL1 UGLзад. UGL2
3
4
5
44
45
43
18
14,5
15
44
45
43
18
14,5
15
50
50
50
13
13
13,5
55
55
54
13,5
13
13,8
57
58
56
13
12
13,7
57
58
57
13,5
12
13
60
60
60
13
12
13
62
62
63
9,5
9,5
10
63
63
64
8,5
9,5
8
64
64
65
7
7,5
7,7
29
25
27

3

3

3

Влажность по датчикам, %
1

2

3

4

5

6

6

7

8

9

10

11

51

50

48

63

45

49

42

41

42

41

41

40

37

47

38

37

37

36

35

45

37

37

36

34

33

46

35

35

35

32

32

46

34

35

33

30

30

37

32

34

32

28

28

34

29

33

28

24

26,7

31

24

26

24

20

24

25

21

23

21

18

24

20

20

21

19

17

Общее время сушки – 9 сут.21 ч.. (237 ч.)

70

4

Влагосодержание, %

60
50

2

5

40
30
20

6

1
3

10
0

50

100

150

200

250

300

Продолжительность сушки, ч

Рис. 4.18 – Изменение влагосодержания в процессе сушки по датчикам

154

Полученные по датчикам данные дополнительно дублируются весовым
способом. В табл. 4.5, 4.6 представлены данные влажности в лиственничных
пиломатериалах сечением 50х100 мм после сушки.
Таблица 4.5 – Распределение влажности по поперечному сечению лиственничной
доски после сушки предлагаемыми режимами
Влажность, %
Номер элемента по толНомер элемента по ширине
щине
1
2
3
4
5
6
7
1
13,9 13,8
8,9
9,4 14,1 13,1 14,3
2
14,6 17,2 17,3 17,2 17,8 15,6 17,1
3
15,0 16,7 17,9 17,9 17,7 17,6 18,1
4
15,9 17,0 18,3 19,1 18,5 18,2 18,7
5
16,0 17,3 17,9 18,5 18,1 18,0 18,7
6
15,5 16,7 18,3 17,7 18,5 18,8 18,7
7
15,0 17,1 17,8 17,1 17,9 18,4 18,6
8
14,8 16,2 18,0 17,8 17,1 18,1 18,7
9
14,2 15,0 15,7 15,4 15,6 15,2 17,7
10
11,0 12,0
12,9 13,8 13,4 12,4 14,7
Примечание: Wср.= 16,3%

8
15,3
18,1
18,7
18,5
18,8
18,4
18,5
18,1
17,5
14,1

9
14,3
17,2
17,9
18,4
18,8
18,6
18,8
18,6
17,1
17,2

10
12,6
15,0
15,3
15,9
16,1
16,6
16,3
15,3
14,2
13,3

На предприятии предусмотрен 100 %-й замер влагосодержания в
высушенных пиломатериалах, который производится на линии торцовки
сортировки и пакетирования шведской фирмы «Almab».
Данные, полученные в производственных условиях, в полной мере
подтверждают результаты лабораторных испытаний. Применение в начальный
период сушки температурного режима tс = (43 … 44) 0С позволяет поддерживать
непрерывный поток воды из высушиваемых пиломатериалов сечением 50х100
мм и завершить процесс сушки за 230 … 250 ч.
В

сырых

пиломатериалах

имеет

место

значительный

разброс

влагосодержания пиломатериалов в пределах одного штабеля, который
достигает порядка 10 % (рис. 4.19).
Аналогичные испытания были проведены в сушильных камерах
периодического действия

фирмы

«Eisemann»,

установленные

на ОАО

«Маклаковский ЛДК». По результатам испытаний разработанные режимы

155

сушки были приняты к эксплуатации. Испытания режимов проводились в марте
2011 года.
Таблица 4.6 – Распределение влажности по поперечному сечению лиственничной
доски после сушки предлагаемыми режимами
Влажность, %
Номер элемента по толНомер элемента по ширине
щине
1
2
3
4
5
6
7
1
12,1 13,5 14,7 15,0 14,9 13,1 14,7
2
12,4 16,2 18,0 18,2 19,3 18,7 20,1
3
13,7 17,6 18,8 23,1 21,4 22,5 22,6
4
13,2 17,8 19,5 21,8 22,7 24,3 22,8
5
13,6 17,5 20,1 23,4 23,7 25,4 23,4
6
14,9 17,2 19,4 20,6 24,2 26,1 22,7
7
14,6 17,1 19,4 20,0 23,2 25,0 22,5
8
13,9 16,9 18,4 19,6 20,6 27,4 22,3
9
12,7 15,5 17,2 17,8 18,9 24,3 21,7
10
11,0 12,3 12,8 13,9 14,0 18,2 16,7
Примечание: Wср.= 18,4%

8
13,8
18,0
19,9
21,6
20,9
20,8
21,3
21,0
19,5
16,1

9
12,2
15,5
17,3
18,9
19,4
17,9
19,3
19,0
16,8
14,1

10
10,3
10,7
12,2
12,7
14,3
13,1
13,4
12,9
12,3
11,1

26

2

Влагосодержание, %

24
22
20

1

18
16
14
12

10
0

10

20

30

40

50

Толщина доски, мм

Рис. 4.19 – Распределение воды в пиломатериалах после сушки: 1 – проба 1
(таблица 4.8, колонка 5); 2 – проба 2 (таблица 4.9, колонка 5)

156

4.5

Экономия

тепловой

энергии

при

сушке

лиственничных

пиломатериалов
Сушка пиломатериалов вообще и лиственничных в частности отличается
повышенным расходом энергозатрат. По данным Гороховского А.Г., Шишкиной
Е.Е. [28] на сушку 1 м3 пиломатериалов требуется порядка 1,522 ГДж/м3
тепловой энергии. Для сушки лиственничных пиломатериалов целесообразно
данное значение увеличить в 2 раза. В анализе принимается порядка 3,0 ГДж/м3.
В указанный баланс расхода тепловой энергии входят такие основные
статьи: испарение влаги из древесины (1,036), нагрев камеры и древесины (0142),
нагрев наружного воздуха (0,94), потери через ограждения камеры (0,552),
испарение увлажняющей воды (0,374).
Весь перечень энергозатрат следует разделить две группы – постоянные и
переменные. К постоянным относятся с определёнными допущениями:
испарение влаги из древесины, нагрев камеры и древесины, потери через
ограждения. К переменным относятся нагрев наружного воздуха, а точнее
теплопотери связанные с осушением агента сушки.
При многократной циркуляции агента по поверхности высушиваемых
пиломатериалов агент сушки насыщается влагой, достигая тем самым значений,
при которых поглощение испарённой влаги прекращается ( → 100 %). Для
приведения агента сушки в рабочее состояние осуществляется воздухообмен с
окружающей средой. Влажный нагретый агент сушки удаляется из сушильной
камеры через приточно-вытяжные каналы.
Такая технология осушения сопровождается удалением из сушильной
камеры части сухого нагретого компонента агента сушки. Доля таких
теплопотерь достигает 30 % [28] от общих тепловых затрат на сушку. Для
сокращения

этих

затрат

рекомендуются

различные

конструктивные

приспособления. В сушильных камерах непрерывного действия широко
применяются

рекуператоры

(экономайзеры).

В

сушильных

камерах

157

периодического действия в некоторых случаях используются тепловые насосы
(конденсационные камеры).
Использование тепловых насосов позволяет значительно экономить
тепловую энергию. Теоретически конденсационный сушильный цикл с
холодильником, играющим роль теплового насоса, характеризуется нулевым
расходом тепла на испарение влаги. Затраты электроэнергии здесь идут на
прогрев материала и теплопотери, а также на привод компрессора и
вентиляторов [78, 79].
Из-за свойств фреона, который используется в качестве хладагента, в
конденсационных камерах применяются низкотемпературные режимы сушки с
температурой не выше 45°С. При повышении температуры сушильного агента
более 45°С КПД таких сушилок понижается. Поэтому производительность их
малая, так как продолжительность процесса в 2 - 3 раза больше, чем в камерных
сушилках [8].
В сушильных камерах периодического действия не нашло применения
рекуператоров, так как периодическое его функционирование не даёт нужного
эффекта. Это связано с тем, что применение рекуператоров эффективно только в
том случае, если они задействованы в работе постоянно. В сушильных камерах
непрерывного процесс осушения производится непрерывно, что предопределяет
постоянную работу рекуператора.
Решение проблемы сокращения энергозатрат на этапе осушения агента
сушки было найдено Расевым А.И. и Кучером С.А. [75]. Оригинальное по своей
сути и простое по исполнению воплотило все функции осушения, которые
используются как в сушильных установках периодического действия, так и
непрерывного.
Для реализации эффективного осушения агента сушки в основной контур
циркуляции дополняется ещё один, смысл которого заключается в следующем.
Определённая часть агента сушки отбирается из сушильного пространства и
пропускается через конденсатор.

158

Конденсатор

Материал
2

Теплообменник
наружний
вода

I = const
2

1
4
2

1

t

3, 4

5

Насос

Конденсат
Вентилятор
Калорифер
Дополнительный контур
Основной контур
циркуляции
циркуляции

 =

4

5

3

0
d

I=0

а

б

Рис. 4.20 – Принципиальная схема (а) и график процесса на Id-диаграмме
сушилки (б), оборудованной тепловым насосом с открытым контуром

Отличительной особенностью работы предложенной системы осушения
заключается:
- нет выброса горячего сухого агента сушки, а значит вся тепловая энергия
остаётся в сушильной камере;
-

процесс

осушения

происходит

непрерывно,

что

предполагает

стабильность режимов;
- в качестве хладоагента используется вода;
- реализуется данная установка при любых низкотемпературных режимах,
а значит производительность сушильной камеры не снижается.
Единственным недостатком в данной схеме – это дополнительные затраты
на привод вентилятора охлаждающий воду после конденсатора.
Предложенная схема осушения была успешно апробирована при
проведении

опытных

сушек

лиственничных

пиломатериалов.

Была

159

спроектирована и изготовлена полупромышленная (ёмкость 1 м3) сушильная
установка (рис. 4.21).

Рис. 4.21 - Схема экспериментальной сушильной камеры рабочим
объёмом по условному материалу 1 м3: 1 – вентилятор; 2 – калорифер; 3 – осушитель;
4 - воздуховод; 5 – штабель пиломатериалов; 6 – ограждения камеры; 7 – защитный кожух; 8
– контейнер для сбора конденсата; 9 – кран подачи холодной воды; 10 – спираль охладителя;
11 – корпус осушителя; 12 – шланг слива конденсата; 13 - психрометр

Конструктивной особенностью данной установки заключается в том, что
функционирует
дополнительный.

два

контура
Основной

циркуляции
контур

агента

сушки:

циркуляции

основной

и

предусматривает

последовательное прохождение агента сушки через вентилятор (рис. 4.21 п.1),
калорифер (рис. 4.21 п. 2), штабель пиломатериалов (рис. 4.21 п. 5) и возврат в
вентиляторный узел. Средняя скорость циркуляции агента сушки по штабелю
составляет Vc = 0,73 м3/с.
Дополнительный контур циркуляции предназначен для осушения агента
сушки. Для этого из основного контура циркуляции отбирается небольшая часть
( 0,01 часть) циркулирующего агента сушки, который пропускается через

160

конденсатор (рис. 4.21 п.3), где производится перевод парогазовой смеси,
находящейся в сушильной камере, в жидкую фазу.
Конденсация парогазовой смеси осуществляется при её контакте с
охлаждёнными стенками медной трубки (п.10, рис. 4.21), свёрнутой в спираль,
через которую пропускается водопроводная вода (tв = (18 … 20) С).
Производительность осушителя в процессе сушки регулировалась шиберной
заслонкой

путём

регулирования

объёма

пропускаемого

воздуха

по

дополнительному контуру.
Количество выделяемой из древесины воды изменялось в зависимости от
её влагосодержания. Поэтому в начальный период степень насыщенности агента
сушки составляла   100%. В этот период сушки, как отмечалось ранее,
основная

масса

влаги

с

поверхности

пиломатериалов

удаляется

в

капельножидком состоянии. Поэтому система осушения через конденсацию
малоэффективна. Продолжительность периода сушки в капельножидком виде не
превышает 30 ч. После указанного периода основная масса влаги с поверхности
пиломатериалов в виде парогазовой смеси.
В дальнейшем рабочее состояние агента сушки поддерживается работой
конденсатора. На протяжении всего периода сушки в сушильной камере степень
насыщенности  = (90 … 87) % за счёт сохранения влажности, которая выводится
из древесины. Конденсат, полученный при работе конденсатора, утилизировался
через канализацию.
Описанная система осушения принципиально не отличается от осушения
агента сушки, которая применяется в тепловом насосе. Отличительной
особенностью предложенной системы – это простота конструкции, отсутствие
фреона, работает в любом диапазоне температур до tc = 100 0C.

161

4.6 Экологичность процесса сушки лиственничных пиломатериалов
В работах [65, 66] установлено, что при сушке таких пород как бук, дуб
кроме воды выделяется фурфурол, формальдегид. В работах [112, 116, 130 и др.]
указывается на необходимость обратить внимание на вредные выбросы при
конвективной сушке пиломатериалов.
При

изучении

особенности

конвективной

сушки

лиственничных

пиломатериалов было обращено внимание на такой аспект как экологичность
процесса. Обзор литературных источников по вопросу

экологичности

технологии конвективной сушки пиломатериалов указал на недостаточную
проработку данной проблемы. Рассматривая сушку пиломатериалов как
исключительно процесс по удалению воды либо в виде жидкости и/или в газовом
состоянии, вопрос об экологичности не возникал. Но если рассматривать
процесс удаления воды как составная часть экстракции, то первым вопросом
является, а что выделяется из древесины?
Ранее указывалось, повышение температуры в древесине лиственницы
активизируются химические процессы. В следствие чего формируется
парогазовая смесь. Для определения её химического состава использовался
метод инфракрасной спектроскопии. Метод основан на поглощении группами
атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном
диапазоне.
Поглощение электромагнитных излучений связано с возбуждением
молекулярных колебаний квантами инфракрасного света. При облучении
молекулы инфракрасным излучением поглощаются только те кванты, частоты
которых соответствуют частотам валентных, деформационных и вибрационных
колебаний молекул. Таким способом оценивается парогазовая смесь с позиции
потенциала сушки.
При контакте с холодным воздухом полученная парогазовая смесь до
полного перехода из газовой фазы в жидкую проходит стадию конденсации. На

162

этом этапе изучения химического состава рассматривался уже с позиции
изменения химического состава при конденсации. С этой целью был подвергнут
химическому анализу конденсат паровоздушной смеси, которая содержится в
сушильной камере. Сбор конденсата производился на сушильной установке (рис.
4.21). Анализ проводился с помощью индикаторных реагентов на предмет
наличия определённых групп веществ. Результаты исследований сгруппированы
в табл. 4.7.
Полученные соединения (табл. 4.7) [34] условно можно разделить на 3
группы: сильно загрязняющие, умеренно загрязняющие и безвредные. К сильно
загрязняющей группе относятся формальдегид, фенол, ион аммония, а также
химическое

потребление

кислорода.

Группу

умеренно

загрязняющих

формируют нитрит-ион, нитрат-ион и сульфаты. В группу веществ, не
оказывающих вредного воздействия, входят хлориды [2].
Ввиду того, что сушка древесины в подавляющем большинстве случаев
проводится

при

температуре

>30

ºС,

целесообразно

рассмотреть

количественную сторону вопроса при указанных условиях. Для этого
необходимо определиться с производственной мощностью по производству
сухих лиственничных пиломатериалов.
Для расчета общей массы сильных загрязнителей, которые выделяются из
древесины лиственницы, воспользуемся данными табл. 4.7. При сушке из 1 м3
древесины выводится порядка 200...250 л воды. Тогда масса веществ группы
сильных загрязнителей, которые выделяются из древесины объемом 1 м 3,
составит в 200...250 раз больше.
Сушильные
круглогодично,
загрязняющих

установки

поэтому
веществ

(сушильные

необходимо
в

интервале

камеры)

учитывать

эксплуатируются

физическое

отрицательных

и

состояние

положительных

температур окружающей среды. Температура газов, выделяющихся в атмосферу,
во многом определяется режимом сушки.

163

Таблица 4.7 – Содержание химических соединений в парогазовой смеси сушильной
камеры при сушке древесины лиственницы
№
п/п

Наименование

Содержание примесей в конденсате, мг/дм3, при температуре
древесины
48С
65С

1

Нитрит-ион

0,03

0,04

2
3
4
5
6
7

Ион аммония
Нитрат-ион
Взвешенные
ХПК
Фенолы
Формальдегиды
Водородный
показатель рН
Хлориды
Сульфаты

9
0
0
110
0,06
0,12

9
0,2
13
100
0,2
0,3

4,8

4,8

2
10

5
10

8
9
10

Технология

сушки,

сохраняющая

основные

природные

свойства

высушиваемой древесины, предусматривает группу мягких или нормальных
режимов, что соответствует температурному интервалу 45–70 °С. При этом
современные сушильные установки не оснащаются фильтрами. Следовательно,
все вещества, вытесняемые из древесины, в свободном режиме выбрасываются
в окружающую среду.
В

целях

изучения

загрязняющего

эффекта

технологии

сушки

пиломатериалов целесообразно остановиться на двух наиболее значимых с точки
зрения загрязнения компонентах – феноле и формальдегиде. Загрязняющий
эффект растянут во времени, в течение которого возможны изменения
физического состояния изучаемой группы веществ.
Формальдегид в газообразной форме стабилен при температуре 80–100 °С.
При

температуре

ниже

80

°С

формальдегид

начинает

медленно

полимеризоваться до муравьиного альдегида [2].
В нормальных условиях простейшие фенолы представляют собой
низкоплавкие вещества с характерным запахом. Они имеют кристаллическую

164

структуру, при хранении на открытом воздухе темнеют вследствие окисления,
приобретая розовый цвет. Температура плавления фенолов 42 °С, температура
кипения 181 °С. Фенол обладает резким характерным запахом, мало растворим
в холодной воде. При повышении температуры от 70 °С и выше растворяется в
любых соотношениях [2].
Структура указанной смеси устойчива в рабочем диапазоне температур –
40…70 °С. В указанном интервале какого-либо значимого изменения как
физического состояния, так и химической структуры фенолформальдегидной
смеси не происходит. По этой причине наблюдается накопление данной группы
веществ.
Схематично распространение фенолформальдегидной смеси представлено
на рис. 4.22 [64]. Распространение смеси подчиняется основным законам физики
– движению массива частиц различных размеров и массы. Четко различимо ядро
частиц.

Ядро

формируется

из

частиц,

близких

по

усредненным

аэродинамическим характеристикам. По мере отклонения от усредненных
характеристик частицы распределяются по некоторой кривой. На полученной
кривой явно выделяется ядро сосредоточения фенолформальдегидной смеси.

Рис. 4.22 – Схема распространения фенолформальдегидной смеси

165

Значимой величиной в данном случае является положение ядра. Именно
ядро

является

местом

сосредоточения

основной

массы

загрязняющих

территорию частиц. Положение ядра зависит от высоты горловины приточновытяжной трубы сушильной камеры над уровнем земли.
Наиболее распространенной моделью сушильных камер является
установка периодического действия с вертикальной системой циркуляции. При
такой конструкции сушильной камеры горловина приточно-вытяжной трубы
располагается на уровне 10–12 м над землей. Тогда расстояние от горловины
приточно-вытяжного канала до центра ядра фенолформальдегидной смеси Хм
зависит от аэродинамических характеристик частиц смеси и других факторов. К
таким факторам должны быть отнесены скоростные режимы перемещения
воздушных потоков u, м/с, а также масса влаги, испаряемая из камеры в секунду
mс, кг/с.
Скоростные

режимы

воздушных

потоков

являются

трудно

контролируемым фактором, поэтому в расчетах значение данного фактора
принимается за постоянную величину.
Масса воды и удаляемой вместе с ней части водорастворимых веществ –
это величина, зависящая от таких факторов, как объем одновременно
высушиваемых пиломатериалов, толщина высушиваемых досок, порода
древесины, режим сушки.
Для

расчета

максимального

значения

приземной

концентрации

загрязняющих веществ при выбросе отработанного сушильного агента одной
сушильной камерой Cм, мг/м3, при неблагоприятных метеорологических
условиях (при опасной скорости ветра uм) на расстоянии Хм, м, от источника
определяли по формуле [64]

𝐶𝑚 =

𝐴∙𝑀∙𝑚∙𝑛∙𝜂
𝐻 2 ∙ 3√𝑉ух.г ∙∆𝑇

,

(4.7)

166

где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;
М – масса отработанного агента сушки, выбрасываемого в атмосферу в
единицу времени, г/с;
F

–

безразмерный

коэффициент, учитывающий скорость оседания

загрязняющих веществ в атмосфере;
m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода отработанного
сушильного агента из камеры (коэффициенты, учитывающие подъем факела над
трубой);
η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности;
Н – уровень горловины приточно-вытяжного канала над уровнем земли, м;
Vух.г. – объем уходящих газов, м3/ч;
∆Т – разность между температурой выбрасываемого отработанного
сушильного агента (Тг) и температурой окружающего атмосферного воздуха (Тв).
Результаты расчетов по максимальной концентрации загрязняющих
веществ Cм, выбрасываемых из сушильной камеры с отработанным агентом
сушки в зависимости от времени года (температура атмосферного воздуха Тв) на
определенном расстоянии от горловины приточно-вытяжного канала сушильной
камеры Хм, представлены на рис. 4.23.
Расчеты максимального значения приземной концентрации загрязняющих
веществ при выбросе отработанного сушильного агента одной сушильной
камерой Cм выполнены при расположении горловины приточно-вытяжного
канала над уровнем земли Н = 10 м, температуре отработанного сушильного
агента Тг = 60 °С, на расстоянии Хм = 130 м от горловины приточно-вытяжного
канала сушильной камеры до ядра сосредоточения фенолформальдегидной
смеси при скорости ветра в = 1,6 м/с.

167

Концентрация загрязняющих
веществ, мг/м3

0,6

-40

0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
-20
0
20
40
Температура окружающего атмосферного воздуха, °С

Рис. 4.23 – Расчетные данные концентрации загрязняющих веществ в
зависимости от температуры окружающего атмосферного воздуха
Данные рис. 4.23 свидетельствуют о том, что температурный уровень
атмосферного воздуха какого-либо значимого влияния на концентрацию
загрязняющих веществ не оказывает. Следовательно, степень накопления
загрязняющих веществ не зависит от времени года.
Направление и сила ветра влияют на распространение вредных веществ.
При сильном ветре они разносятся на большую территорию, и их концентрация
снижается. Более слабый ветер способствует увеличению концентрации вредных
веществ за счет ограничения площади распространения. Таким образом, облако
загрязненного воздуха может передвигаться по ветру на значительное
расстояние от участка сушки.
На рассеивание загрязняющих веществ влияет не только высота трубы Н,
но также и высота подъема отработанного агента сушки над устьем трубы.
Высота подъема газов зависит как от скорости выхода газовоздушной смеси 0
из приточно-вытяжного канала, так и от температурной стратификации
атмосферы. Вредные вещества распространяются по направлению ветра в
пределах сектора, ограниченного довольно малым углом раскрытия факела

168

вблизи выхода из трубы 10…20 °. Здесь следует обратить внимание на
относительно небольшую высоту приточно-вытяжного канала (10 –12 м.).
Поэтому скорость выхода отработанного агента сушки невелика, что не
предполагает значительного угла раскрытия факела для выхода загрязняющих
веществ.
Существенное влияние на уровень приземной концентрации оказывает
температурная стратификация атмосферы. При обычном градиенте температур
создаются благоприятные условия для «всплывания» выбросов, восходящие
потоки более теплого воздуха интенсифицируют перемешивание газов. В
условиях инверсии эти процессы ослабляются, что способствует накоплению
примесей в приземном слое. Следовательно, параметр температурной
стратификации атмосферы трудно прогнозировать, поэтому в расчетах
принимается А = 160.
На концентрацию вредных веществ в определенной точке местности в
условиях

конвективной

сушки

пиломатериалов

из

сушильных

камер

периодического действия оказывает влияние интенсивность выделения вредных
веществ. Исследования показали, что интенсивность выброса вредных веществ
из сушильной камеры Gi во многом зависит от породы древесины, режима
сушки, а также от объема одновременно высушиваемого пиломатериала.
Проведем анализ интенсивности выброса фенола и формальдегида при
сушке лиственничных пиломатериалов в условиях экспортного лесопиления:
режим сушки – мягкий; сушильная камера периодического действия объемом
загрузки Vк = 200 м3; время сушки с = 11 суток.
При относительно низкой концентрации загрязняющих веществ в
парогазовой смеси, удаляемой из древесины лиственницы (по фенолу –
0,06…0,20, по формальдегиду – 0,12…0,30 мг/дм3 конденсата [34]) суммарные
значения выброса значительны.
Так, из 1 м3 пиломатериалов необходимо удалить порядка 250 л жидкости,
что соответствует суммарному выбросу в окружающую среду фенола 15…50

169

мг/м3. Тогда за один оборот суммарная масса фенола, попадающего в
окружающую среду в период сушки из сушильной камеры емкостью 200 м 3,
составит 3000,00…10000,00 мг.
Из 1 м3 пиломатериалов выделяется 30…75 мг/м3 формальдегида. Из
объема пиломатериалов при загрузке 200 м3 масса выделяемого формальдегида
составит 6000,00…15000,00 мг.
Учитывая, что накопление указанной массы загрязняющих веществ
происходит в течение всего периода сушки, среднесуточная величина выброса
из одной сушильной камеры составляет 72,00…909,10 мг по фенолу и
545,45…1363,63 мг по формальдегиду.
Таким образом, преимущественное накопление вредных веществ с
максимальной их концентрацией происходит вблизи сушильной установки.
Отягчающим фактором в распределении и концентрации загрязняющих веществ
является

сосредоточение

относительно

небольшой

большого

количества

площади.

При

этом

сушильных

камер

на

деревообрабатывающие

предприятия обычно размещают сушильное оборудование в любом месте,
исходя из площади и планирования территории предприятия, т.е. без учета розы
ветров на местности.
При рассмотрении вопроса загрязнения окружающей среды парогазовой
смесью необходимо учитывать, что часть выделенных веществ со временем
будет подвергаться нейтрализации за счет ультрафиолетового излучения под
действием высоких и низких температур. Но при непрерывном процессе сушки
происходит пополнение и накопление вредных веществ. При этом отдельные
вредные вещества проявляют стойкость к влиянию природных факторов.
Таким образом, где бы ни располагались сушильные установки, экологии
наносится серьезный вред. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем
зона загрязнения сдвигается ближе к источнику выбросов, увеличивая тем
самым концентрацию вредных веществ в этой части. Можно предположить, что
в зимний период вредные вещества менее подвержены разрушению под

170

действием природных факторов, поэтому в зимний период происходит
значительное их накопление.
При низких температурах вредные вещества сохраняют свои негативные
свойства в течение длительного времени. В зимний период они могут быть
прикрыты слоем снега, но с таянием снега вновь проявляют негативные свойства
и в колоссальных количествах попадают в почву и подземные воды.
Из вышесказанного следует вывод о том, что технология конвективной
сушки лиственничных пиломатериалов следует отнести к экологически вредным
производствам. Поэтому при организации сушильного хозяйства целесообразно
предусматривать систему очистки, которая не допускала бы загрязнение
окружающей среды.
Установка фильтров на каждую сушильную камеру вряд можно считать
экономически эффективным мероприятием. Такой вывод следует из ряда
предположений, основные из которых – объём парогазовой смеси, перечень
веществ подлежащих удержанию, наличие отдельной технологии по утилизации
использованных фильтров. В этой связи необходимо предусмотреть систему
очистки агента сушки с целью недопущения попадания вредных ингредиентов в
окружающую среду без предварительной очистки.
Один из вариантов решения указанной проблемы является система
осушения агента сушки, основные положения которой изложены ранее в данной
работе. Система осушения способна выполнять двойную функцию: осушения
агента сушки и утилизация вредных выбросов при конвективной сушке
лиственничных пиломатериалов.
При этом основные требования, которые необходимо учитывать при
разработке системы утилизации вредных ингредиентов, следующие:
- замкнутость системы циркуляции агента сушки в пределах сушильной
камеры;
- производить сбор экологически в пределах сушильной установки;

171

- предусмотреть эффективный способ нейтрализации экологически
опасных ингредиентов;
- не создавать дополнительных условий сушки, т.е. не предусматривать
регулирование дополнительных параметров, определяющих режимы сушки;
- не создавать ограничения по температурному режиму.
Основное конструктивное изменение, которое необходимо внести в
конструкцию сушильной камеры любого типа – это установка осушителя вместо
приточно-вытяжного канала в сушилке периодического действия (рис. 4.24) или
рекуператора в камерах непрерывного действия. Технологическая схема
конденсаторов принципиально не должна отличаться от работы приточновытяжных каналов как по месту установки, так и по производительности
осушения.
Предлагается устанавливать конденсатора на месте расположения
приточно-вытяжного канала в подвешенном состоянии, что принципиально не
изменяет аэродинамику сушильной камеры. Конденсатор необходимо оснастить
шиберной заслонкой. Установка шиберной заслонки в конденсаторе позволяет в
полной мере заменить работу приточно-вытяжного канала, обеспечивая тем
самым поддержания относительной влажности воздуха в сушильной камере.
Тогда

работа

осушителя

представляется

следующим

образом.

Вентилятором (п. 4) последовательно прогоняется увлажнённый и охлаждённый
воздушный поток через осушитель (п. 1), где производится первый этап
восстановления параметров агента сушки путём частичного отъёма влаги через
конденсацию. Прохождение частично осушенного и охлаждённого воздуха через
калорифер (п. 5) позволяет в полной мере восстановить параметры агента сушки.
Далее воздушный поток поступает в штабеля пиломатериалов (п. 7).

172

Рис. 4.24 – Технологическая схема работы конденсатора (осушитель) в
сушильной камере периодического действия: 1 – осушитель; 2 – корпус сушильной
камеры; 3 – лоток сбора конденсата; 4 – вентилятор; 5 – калорифер; 6 – ворота; 7 – штабеля
пиломатериалов; 8 – ложный потолок; 9 – трубопровод сброса конденсата в канализацию; 10
– шиберная заслонка

Следует обратить внимание на относительно щадящий режим работы
осушителя, так как отъём влаги от отработанного агента сушки после каждого
цикла. Конденсат, полученный при осушении, собирается в лоток (п. 3) и
сливается по трубопроводу (п. 9) в канализацию или септик для дальнейшей
утилизации. Наличие шибера перед осушителем (п. 10) позволяет управлять
производительностью узла по осушению.

173

Заключение
Приведённые
лиственничных

исследования

пиломатериалов

по

проблеме

позволили

конвективной

сформулировать

сушки
концепт

конвективной сушки лиственничных пиломатериалов на принципиально новой
платформе.
Особенности строения древесины лиственницы, а также её химический
состав не позволяют в полной мере выстроить технологический процесс
конвективной сушки, опираясь на положениях физики капиллярных явлений.
Как

показали

результаты

теоретических

и

экспериментальных

исследований повышение температуры древесины лиственницы от 30 0С и выше
переводит её в химически активное состояние. Концептуально все процессы
химического характера можно сформулировать как реакция гидролиза. В
результате реализуется принцип Ле Шателье — Брауна, когда равновесное
состояние смещается в сторону образования парогазовой смеси в центре доски.
Объём парогазовой смеси многократно превышает ёмкость самой
древесины. В результате формируются условия создания избыточного давления,
что является движущей силой процесса экстракции комплекса водорастворимых
веществ. Следовательно, конвективная сушка лиственничных пиломатериалов
относится к группе баромембранных процессов (ультрафильтрация). Почему
мембранных?

Древесина

лиственницы

–

это

полимер

природного

происхождения. В процессе роста дерева сообщение между клетками
осуществляется через систему мембран, которые регулируют жизнедеятельность
клеток.
Перенос водорастворимых веществ через систему полупроницаемых
мембран приводит к разделению раствора на два основных вида компонентов –
концентрат и пермеат. Обращает на себя внимание тот факт, что основу водного
раствора экстрактивных веществ такой полисахарид как арабиногалактан
способный к набуханию.

174

Концентрат, оставаясь в центре доски какого-либо значимого влияния на
дальнейший процесс сушки не оказывает. Пермеат, концентрируясь на
поверхности доски формирует «запирающий» слой, что снижает в несколько раз
интенсивность эмиссии водного раствора экстрактивных веществ. Именно
образование запирающего слоя из пермеата переводит древесину лиственницы в
группу трудно сохнущих, а не её плотность.
Полученные

результаты

исследований

позволили

сформулировать

основные положения режимов сушки лиственничных пиломатериалов. Это
многоступенчатая технология. Для реализации принципа Ле Шателье — Брауна
достаточно через с = 30 … 45 часов повышать температуру в сушильной
камере на tc = 3 … 5 0С. Температура первой ступени должна составлять t1ст. =
42 … 44 0С, что обеспечивает максимальный период интенсивной сушки.
Количество ступеней зависит от конечной влажности. На протяжении всего
периода сушки степень насыщенности целесообразно поддерживать на уровне 
= 87 … 90 %.
Удаление влаги из древесины лиственницы протекает во времени.
Сопутствующие процессы усушки также протекают во времени. Поэтому
образование таких дефектов сушки как различного вида коробление и
растрескивания формируются во времени. Данное положение позволило автору
утверждать, что конвективная сушка лиственничных пиломатериалов –
реологический процесс со всеми вытекающими последствиями.
Образование видимых дефектов в лиственничных пиломатериалах во
многом определяются схемой раскроя пиловочного сырья. Из этого следует
вывод – управлять процессом образования видимых дефектов в лиственничных
пиломатериалах при конвективной сушке достаточно сложно, а точнее
невозможно.

Образование

видимых

дефектов

определяется

схемой

расположения годичных слоёв на торце доски или планом раскроя пиловочного
сырья.

175

Поддержание в процессе всего длительного периода сушки, который
исчисляется от несколько десятков часов до сотен часов, эндотермического
процесса требует значительных энергозатрат. Для снижения энергозатрат в
работе обоснован метод сокращения энергозатрат на этапе поддержания степени
насыщенности агента сушки. Для этого достаточно вместо приточно-вытяжных
каналов, которые обеспечивают поддержание степени насыщенности агента
сушки в сушильной камере путём воздухообмена, внедрить осушитель. При этом
хладоагентом используется холодная вода. Тогда потери тепловой энергии
сокращаются до уровня конденсации воды из увлажнённого агента сушки. По
литературным данным сокращается до 30 % от общих тепловых затрат на сушку.
Было установлено, что сушка древесины лиственницы – это экологически
вредное

производство.

Ситуация

осложняется

тем,

что

деревоперерабатывающие производства устанавливаются во многих случаях в
городской черте. Следовательно, вредное воздействие на городской климат
осуществляется

в

течении

всего

периода

функционирования

деревоперерабатывающего предприятия. Поэтому для нейтрализации вредного
воздействия технологии сушки – это вынос действующего производства за
пределы населённых пунктов, что трудно решаемая задача. Следовательно, есть
необходимость предусмотреть относительно недорогие мероприятия по
нейтрализации вредного воздействия действующей технологии сушки на
окружающую среду.
Таким

конструктивным

элементом

может

выступить

осушитель,

применение которого позволит перевести агент сушки в конденсат. Пропуская,
агент сушки через осушитель, выполняется первый этап утилизации вредных для
окружающей среды элементов – это их сбор. Конденсат, который образуется в
результате осушения агента сушки, можно транспортировать до очистных
установок.
Конструктивная

особенность

работы

осушителя

заключается

в

использовании в качестве хладоагента водопроводной воды, температура

176

которой не превышает 18 – 20 0С. При этом какого-либо ограничения по
температурному режиму не имеется. Использование такого метода сбора
вредных компонентов не требует принципиального изменения конструкции
сушильной камеры и не изменяет схему циркуляции агента сушки, независимо
от типа сушильной установки.

177

Библиографический список
1. Акишенков С.И., Корнеев В.И. Проектирование лесосушильных камер
и цехов. 3-е изд., перераб и доп. СПб.: ЛТА, 1992. 87 с.
2. Антоневич И. П.

Органическая химия. Спирты, фенолы. Простые

эфиры. Альдегиды и кетоны : тексты лекций. – Минск : БГТУ, 2014. – 148 с.
3. Антонова Г. Ф. Некоторые вопросы экстракции водорастворимых
полисахаридов древесины лиственницы сибирской// Изв. СО АН СССР, сер. хим.
наук, 1967, вып. 2. - № 4. - С. 151-157.
4. Антонова Г. Ф. Сравнительное изучение методов экстракции
водорастворимых веществ древесины лиственницы сибирской // Исследования в
области химии и химической технологии древесины. - М., 1963. - С. 13-25.
5. Антонова Г. Ф., Тюкавкина Н. А. Водорастворимые вещества
лиственницы и возможности их использования // Химия древесины. – 1983. - №
2. - С. 89-96.
6. Аскадский А.А. Деформация полимеров. - М.: Химия, 1973. - 448 с.
7. Баженов В. А., Москалева В. Е. О проницаемости древесины заболони и
ядра сосны жидкостями и о возможности ее регулирования // Труды Ин-та леса.
1953. Т. 9. С. 205–215.
8. Болдырев П.В. Сушка древесины: практическое руководство. – СПБ.:
«ПРОФ ИКС». – 2002. - 156 с
9. Базаров И. П., Геворкян Э. В., Николаев П. Н. Неравновесная
термодинамика и физическая кинетика. - М.: МГУ, 1989. - 240 с.
10. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. - М.:
Химия, 1984. - 280 с.
11. Бокщанин Ю. Р. Обработка и применение древесины лиственницы. – 2е изд., перераб. и доп. – М.: Лесн. пром-сть, 1982. – 216 с.

178

12. Бокщанин Ю. Р., Тихонова М.В. Распиловка лиственничного сырья на
пиломатериалы радиального вида // Лиственница: межвуз. сб. науч. трудов. 1974.
Т. 5. - С. 161–168.
13. Бочков А.Ф., Афанасьев В.А., Заиков Г.Е. Образование и расщепление
гликозидных связей. - М.: Наука, 1978. 179 с.
14. Ванин С. И. Древесиноведение. - Гослесбумиздат, 1949. - 472 с.
15. Василевская B.B., Хохлов A.P. К теории заряженных полимерных сеток
// Математические методы для исследования полимеров: материалы II всесоюз.
совещ.: сб. / под ред. И.М. Лифшица и А.М. Молчанова. Пущино: АН СССР,
Науч. центр биол. исслед., 1982. С. 45–52.
16. Вихров В. Е. Строение и физико-механические свойства ранней и
поздней древесины сибирской лиственницы // Труды Ин-та леса АН СССР. –
1949. - Т.4. - С. 174-195.
17. Влияние арабиногалактана на свойства бумаги / Т. В. Алексеева [и др.]
// Химия древесины. - 1978. - № 5. - С. 104-109.
18. B27B1/00 Способы распиловки брусьев или бревен. Глухих Владимир
Николаевич (RU), Краснюк Наталья Григорьевна (RU), Зарипов Шакур Гаянович
(RU). Подача заявки: 03.02.2012; начало действия патента: 03.02.2012;
публикация патента: 27.07.2013
19. Гвоздева Э.Н., Шарков В.И. Об изменении химического состава
древесины лиственницы сибирской (LARIX SIBIRIKA) с возрастом// Химия
древесины. 1972. № 12. - С. 45–48.
20. Глинка Н. Л. Общая химия. 30-еизд., испр. - М. : Химия, 2003. - 728 с.
21. Глухих, В.Н. Повышение качества сушки пиломатериалов на основе
учета анизотропии древесины при составлении схем раскроя бревен: дис. … дра техн. наук 05.21.05 : защищена / Владимир Николаевич Глухих СПб.
лесот.акад, 2008. - 291 с.

179

22. Глухих В. Н., Зарипов Ш.Г. Улучшение качества пиломатериалов при
сушке с помощью рационального расчета поставов. - М.: ВНИПИЭИЛесПром,
1977. - 31 с.
23. Глухих В. Н., Зарипов Ш.Г. Определение наибольшей разности
коэффициентов усушки пластей доски // Лиственница: межвуз. сб. науч. тр. Красноярск, 1975. - С. 109-111.
24. Глухих В. Н., Зарипов Ш. Г., Краснюк Н. Г. К вопросу о
прогнозировании качества сушки пиломатериалов, получаемых при распиловке
сырья по индивидуальным схемам // Известия СПбЛА. - 2012. - № 198. - С. 139148.
25. Глухих В.Н., Акопян А.Л., Охлопкова, А.Ю. Природные особенности
древесины. – СПб.: Изд.-во Политехн.ун-та. 2018. – 392 с.
26. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической
технологии: В двух книгах. - М.: Химия, 1981. - 812 с.
27. Голицын В. П., Голицына Н. В. Сравнительная оценка энергозатрат на
сушку пиломатериала в сушильном оборудовании различного типа и способа
сушки // Лесной эксперт. – 2004. - № 16. - С. 18-25.
28. Гороховский А.Г., Шишкина Е.Е. Энергосбережение в камерной сушке
пиломатериалов [Электронный ресурс] // материалы межвузовской НТК
факультета механической технологии древесины УГЛТУ. - Екатеринбург 2005 Режим доступа: famous-scientists.ru
29 Гороховский А. Г. Технология сушки пиломатериалов на основе
моделирования и оптимизации процессов тепломассопереноса в древесине:
автореферат дис. ... д-ра техн. наук: 05.21.05. Санкт-Петербург, 2008. 38 с. EDN:
NKKNSF.
30. Дзыга Н. В. Структура режимов сушки лиственничных пиломатериалов
// Химико-лесной комплекс – проблемы и решения: сб. ст. по материалам
Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск: СибГТУ,
2001. – 410 с.

180

31. Дъяконов К.Ф. Влияние гидротермической обработки на прочность
древесины берёзы и лиственницы // Деревообраб. пром-сть. – 1967. - № 4 – С.9 –
12.
32. Зарипов Ш. Г. Физико-механические основы разрушения древесины
лиственницы в процессе конвективной сушки. – Новосибирск: Изд-во СО РАН,
2009. – 110 с.
33. Зарипов Ш.Г. Влияние водорастворимых веществ на распределение
влажности в лиственничных пиломатериалах перед сушкой/Ш.Г. Зарипов и др.//
Лесной журнал. - 2019. № 6. С. - 185 – 193
34. Зарипов Ш.Г. Совершенствование технологии сушки лиственничных
пиломатериалов: дис. … д-ра техн. наук 05.21.05: защищена 29.06.2016/ Шакур
Гаянович Зарипов ; Северный Арктический Федеральный университет. Архангельск, 2016. - 244 с.
35. Зарипов Ш.Г., Корниенко В.А. Массоперенос при конвективной сушке
лиственничных пиломатериалов// Хвойные бореальной зоны. - 2022.–Том XL. № 3. - С. 208-216
36. Зарипов Ш. Г., Ермолин В.Н. Перераспределение водорастворимых
экстрактивных веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной
сушки // Хвойные бореальной зоны. - 2010. - № 3-4. - С. 352-354.
37. Зарипов Ш.Г., Корниенко В.А. Гидролиз при конвективной сушке
лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами // Хвойные
бореальной зоны. - 2018. –Том XXXVI. - № 6. - С. 542-548
38 Зарипов Ш. Г. Исследование влияния размерно-качественных зон
древесины лиственницы на качество сухих пиломатериалов: автореф. дис. …
канд. техн. наук. Л. : ЛTA, 1981. 21 с.
39.

Зарипов

Ш.Г.,

Корниенко

В.А.

Особенности

изготовления

лиственничной клеёной продукции из древесного массива // Хвойные
бореальной зоны. - 2020. –Том XXXVIII. - № 3-4. - С. 171-177

181

40 Зарипов Ш. Г. Систематизация факторов, влияющих на образование
трещин в лиственничных пиломатериалах при сушке // Лесн. журн. 2018. № 3. С.
127–136.
41. Зарипов Ш.Г., Корниенко В.А. Совершенствование управлением
процесса сушки лиственничных пиломатериалов // Хвойные бореальной зоны. 2022.–Том XL. - № 2. - С. 145-153.
42. Зарипов Ш.Г. Рациональная технология начального прогрева
лиственничных пиломатериалов перед конвективной сушкой // Хвойные
бореальной зоны. 2012. Т. XXХ, № 3-4. С. 347–350.
43. Зарипов Ш. Г. Режимы сушки лиственничных пиломатериалов в
сушильных камерах периодического действия // Лесной журнал. 2018. № 5. С.
151-160. (Изв, высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536- 1036.2018.5.151
44. Зарипов Ш. Г., Ермолин В. Н. Избыточное давление в лиственничных
пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке // Лесной журнал.
2011. № 4. С. 52–57.
45. Зархина Е.М., Кротов, Л.Н., Ослонович, В.Н. Влияние высоких
температур на механические свойства и химический состав древесины
лиственницы//Лиственница. – Красноярск, 1968. – С.462 – 469.
46. Зысин Л. В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции:
учеб. пособие. – СПб. : Изд.-во Политехн. ун-та, 2010. – 368 с.
47. Интенсификация процесса водной экстракции арабиногалактана из
древесины лиственницы / С. А. Кузнецова [и др.] // Химия растительного сырья.
2005. № 1. C. 53-58.
48. Ишанходжаева М. М. Физическая химия. Диффузия в системах с
твёрдой фазой. Часть 1 : учебно-метод. пособие. – СПб.: СПбГТУРП., 2012 – 35 с.
49. Кауш Г. Разрушение полимеров / пер. с англ.; под ред. С.Б. Ратнера. М.:
Мир, 1981. 440 с.

182

50. Кафаров В. В. Основы массопередачи. Системы газ-жидкость, паржидкость, жидкость-жидкость. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк.,
1979. - 440 с.
51. Качалин Н.В. Изменение прочности древесины при нагревании в
автоклавах // Деревообраб. пром-сть. – 1971. – № 8. – С. 9 – 10.
52. Кноррре Д. Г., Крылова Л.Ф, Музыкантов В.С. Физическая химия :
учебник для биол. фак-тов университетов и пед. вузов. - 2-е изд., испр. и доп. М.: Высш. шк., 1990. - 416 с.
53. Зоммерфельд, А. Механика Пер.с нем.; под ред. Д.В.Сивухина. – М.:
Гос.издат.иностр.литературы, 1947. – 381 с.
54. Кочаров Р. Г. Основы технологического расчёта мембранных
аппаратов для разделения жидких смесей // Труды МХТИ им. Д. И. Менделеева.
1982. Вып. 122. С. 39-51.
55. Кротов Л. Н., Ослонович В.Н. Температурные поля, поля влажности и
давление в древесине

при

высокотемпературной

сушке // Лиственница. –

1968. – Т. III. - С. 408-419.
56. Кротов Л. Н., Ослонович В.Н.

Высокотемпературные режимы и

технология сушки лиственничных пиломатериалов // Лиственница: сб.ст. Т. 3. Красноярск, 1968. - С. 398-408
57. Кречетов И. В. Сушка древесины. - М.: 1949. – 527 с.
58. Левин Э.Д., Денисов О.Б., Пен Р.З. Комплексная переработка
лиственницы. - М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 224 с.
59. Лиственница как источник получения ряда полезных веществ / К. И.
Анисимова [и др.] //

Растительные

ресурсы. - 1965. - Т. 1. - вып. 1. - С. 14 –

83.
60. Лыков А. В. Теория сушки : учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп.
– М. Энергия, 1968. - 472 с.

183

61. Медведева С.А., Александрова Г.П., Танцырев А.П.

Гель-

проникающая хроматография арабиногалактана // Лесн. журн. 2002. - № 6. - С.
108–114.
62 Медведева Е.Н., Бабкин В.А., Остроухова Л.А. Арабиногалактан
лиственницы – свойства и перспективы использования (обзор) // Химия растит.
сырья. 2003. №1. С.27-37
63. Межов Р. С., Осипова Л. К. Производство радиальных пиломатериалов
и заготовок // Деревообраб. пром-сть. 1996. № 3. С. 8–11.
64. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных
веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. – Ленинград :
ГОСКОМГИДРОМЕТ, ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ. – 1987. - 93 с
65. Михайлова Ю.С. Оценка содержания фурфурола в отработанном агенте
сушки после предварительной термохимической обработки древесины бука и
дуба // Лесотехн. журн. 2011. № 3. С. 24–27.
66. Михайлова Ю.С., Платонов А.Д. Исследование воздействия фурфурола
и формальдегида на окружающую среду при сушке древесины бука и дуба //
Науч. журн. КубГАУ. 2011. № 70(06). С. 306–317.
67. Нобел П. Физиология растительной клетки (физико-химический
подход); пер. с англ. Москва: Мир, 1973. 288 с.
68. Оводов Ю. С. Полисахариды цветковых растений: структура и
физиологическая активность // Биоорганическая химия. - 1998. - Т. 24. - № 7. –
С. 483–501.
69. Орлов А.А., Дзыга Н.В. Прогнозирование снижения прочности
древесины лиственницы в процессе сушки //Химико-лесной комплекс –
проблемы и решения: Сборник статей по материалам Всероссийской научнопрактической конференции. – Красноярск: СибГТУ, - 2001.
70. Оснач Н.А. Проницаемость и проводимость древесины. - М.: Лесная
пром-сть,1964. – 181 с.

184

71. Папков С.П. Студнеобразное состояние полимеров. – М.: Химия, 1974.
– 256 с.
72. Перелыгин Л. M. Древесиноведение. - 2-е изд., перераб. и доп. доц.
Б.Н.Уголевым. - М.: Лесн. пром-сть, 1969. – 320 с.
73. Ребиндер П. А. О формах связи влаги с материалом в процессе сушки
// ВНТС по сушке. Пленарные заседания. Москва, 1958. С. 20-33.
74. Рейтлингер С.А.

Проницаемость полимерных материалов. - М.:

Химия, 1974. - 272 с.
75. Расев А. И., Кучер С. А. Утилизация тепловой энергии в сушильных
камерах // Дерево.RU. - 2011. - № 6. - С. 118-122.
76. Свитцов А. А. Введение в мембранные

технологии. - М.: ДеЛи

принт, 2007. - 208 с.
77. Серговский П. С., Расев А. И. Гидротермическая обработка и
консервирование древесины. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Лесн. пром-сть, 1987. 360 с.
78. Серговский П.С. Расход энергии на сушку пиломатериалов и пути его
сокращения //Деревообраб.пром. 1983. № 1. С. 9-10
79. Серговский П.С. Расход энергии на сушку пиломатериалов и пути его
сокращения //Деревообраб.пром. 1983. № 1. С. 9-10
80.

Соколик

А.

И.

Введение

в

системную

биологию.

bsu.bio›fbr/files/10_SB.pdf
81. Старова, Е.В. Технология

сушки

пиломатериалов режимами

оптимизированной структуры: дис. … к-та техн. наук (05.21.05) / Старова Елена
Владимировна ; Уральский гос.лес университет. - Екатеринбург, 2018. - 20 с.
82. Тугов И. И., Кострыкина Г.И. Химия и физика полимеров: учеб.
пособие для вузов. - М.: Химия, 1989. - 432 с.
83. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. –
М.: Лесн. пром-сть, 1975. – 384 с.

185

84. Уголев Б.Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке. М.: Лесн. пром-сть, 1971. - 176 с.
85.

Уразаев

В.

А.

Растворители

//

Технологии

электронной

промышленности. - 2006. - №1. – С. 44-49.
86. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакция) :
пер. с англ.; под ред. А. А. Леоновича – М.: Лесн. пром-сть, 1988. – 512 с.
87. Филиппова О. Е. “Умные” полимерные гидрогели // Природа. - 2005. №8. – С. 11–17.
88. Филиппова О. Е.

Восприимчивые

полимерные

гели

//

Высокомолекулярные соединения. - Серия С. - 2000. - Т. 42. №12. - С.2328 - 2352.
89. Финская компания Tekmawood. URL: http://www.758.wood.ru/ [Finnish
Company Tekmawood].
90 Харук Е. В. Проницаемость древесины газами и жидкостями.
Новосибирск : Наука, 1976. - 189 с.
91. Хайдукова Е. В., Новокшанова А. Л. Исследование физико-химических
характеристик водного раствора арабиногалактана. e.haidukowa@yandex.ru
92. Хохлов А. Р., Дормидонтова Е.Е. Самоорганизация в ион-содержащих
полимерных системах // Успехи физ. наук. - 1997. - Т.167, №2. - С.113 - 128.
93. Хохлов A. P., Василевская B. B. К теории заряженных полимерных
сеток // Математические методы для исследования полимеров: сборник / под ред.
И. М. Лифшица и А. М. Молчанова. - Пущино, 1982. - С. 45-52.
94. Цините В.А. Влияние удаления лигнина на набухание и механические
свойства древесины / В.А. Цините [и др.] // Химия древесины. 1976. № 1. - С. 12–
20.
95.

Чернышев

А.

Н.

Физико-механические

показатели

и

энергосберегающие режимы сушки древесины ольхи чёрной без искусственного
увлажнения

в

конвективных

камерах

периодического

Лесотехнический журнал. 2013. № 4. С. 138–142.

действия

//

186

96. Чернышев А. Н., Ефимова Т. В. Физико-механические показатели и
режимы сушки дуба скального без искусственного увлажнения в конвективных
камерах периодического действия // Лесотехнический журнал. 2014. № 1. С. 146–
150.
97. Чудинов Б. С. Вода в древесине . – Новосибирск: Наука, 1984. – 267 с.
98. Чудинов Б. С., Тюриков, Зубань П.Е. Древесина

лиственницы и

ее обработка. - М.: Лесн. пром–сть, 1965. – 144 с.
99. Чулицкий Н. Н. Исследование водопроводности и водопоглощаемости
древесины различных пород // Труды ЦАГИ. – 1932. - Вып. 122. - С. 24.
100. Шубин Г.С. Физические основы и расчёт процессов сушки древесины.
- М.: Лесн.пром-сть, 1973. - 248 с.
101. Шубин Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины. М.: Лесная
промышленность, 1990. 336 с.
102. Щукин Е. Д., Перцов А.В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. - М.:
Высш. шк., 1982. – 352 с.
103. Эриньш П.П., Цините В.А., Витоле И.М. Взаимосвязь между
изменениями в химическом составе, субмикроскопической структуре и
механических свойствах березовой древесины при обработке растворами
щелочей и кислот в мягких условиях // РЖХим. 1972. - С. 21–28.
104. Эффективный антиоксидант из древесины лиственницы / В. А.
Бабкин [и др.] // Хвойные бореальной зоны. - 2003. - №1 - С. 108-113.
105. Якушкина Н.И., Бахтенко Е.Ю Физиология растений. - М.: Владос,
2005. - 464 с.
106. Aleon D., Chanrion P., Negrie G., Perre P. Forma Xylos 4 - Le sechage
(Training in Wood Science: Drying, Vol. 4), CD-Rom franc¸ais/English, CTBA, Paris,
2003.
107. Wengert E.M. Drying Oak Lumber. Madison, WI, University of Wisconsin,
Department of Forestry, 1990. 167 p.

187

108.

Avramidis

S.,

Hatzikiriakos

S.G.,

Siau

J.F.

An

Irreversible

Thermodynamics Model for Unsteady-State Nonisothermal Moisture Diffusion in
Wood // Wood Science and Technology. 1994. No. 28. Pp. 349–358.
109. An improved drying schedule for Australian ironbark timber: optimisation
and experimental validation / T. A. G. Langrish, A. S. Brooke, C. L. Davis, et al. //
Drying Technology. 1997. Vol. 15, № 1. P. 47-70. DOI: 10.1080/07373939708917218.
110. Alexiou P. N.. Wilkins P. Hartley J. Effect of PreSteaming on Drying Rate.
Wood Anatomy and Shrinkage of Regrowth Eucalyptus pilularis Sm. // Wood Science
Technology. 1990. No. 24. Рp. 103-110.
111. Beakler B.W., Blankenhorn P.R., Brown N.R., Scholl M.S., Stover L.R.
Quantification of the VOCs Released during Kiln-Drying Red Oak and White Oak
Lumber. Forest Products Journal, 2007, vol. 57, iss. 11, pp. 27–32.
112. Beakler B.W., Blankenhorn P.R., Stover L.R., Ray C.D. Total Organic
Compounds Released during Dehumidification of Air-Dried Hardwood Lumber.
Forest Products Journal, 2005, vol. 55, iss. 2, pp. 57–61.
113. Bergman R.D., Bowe S.A. The Environmental Impact of Manufacturing
Softwood Lumber in Northeastern and North Central Parts United States. Wood Fiber
Science, 2010, vol. 42, suppl. 1, pp. 67–78.
114. Bois P.J. The Four Stages of Drying Thick Oak. Lumber Drying
Sourcebook: 40 Years of Practical Experience. Ed. by E.M. Wengert, R. Toennisson.
Madison, WI, Forest Products Society, 1998. 371 p.
115. Baronas R. Ivanauskas F. Reducing Spatial Dimensionality in a Model of
Moisture Diffusion in a Solid Material // International Journal of Heat and Mass
Transfer. 2004. Vol. 47, iss. 4. Pp. 699–705.
116. Bengtsson P.. Sanati M. Measurement and Mathematical Modeling of the
Hydrocarbon Emissions from Wood Drying // Proceedings of the 14th International
Drying Symposium. São Paulo, Brazil. August 22-25, 2004. São Paulo, Brazil, 2004.
Vol. B. Pp. 1352-1359.

188

117. Chen P., Pei D.C.T. A Mathematical Model of Drying Processes //
International Journal of Heat and Mass Transfer. 1989. Vol. 32, no. 2. Pp. 297–310.
118. Comstock G.L. Moisture Diffusion Coefficients in Wood as Calculated
from Adsorption Desorption and Steady State Data // Forest Products Journal. 1963.
Vol. 13, no. 3. Pp. 97–103.
119. Dahlen J., Prewitt L., Shmulsky R., Jones D. Hazardous Air Pollutants and
Volatile Organic Compounds Emitted during Kiln Drying of Southern Pine Lumber to
Interior and Export Moisture Specifications. Forest Products Journal, 2011, vol. 61, iss.
3, pp. 229– 234. DOI: 10.13073/0015-7473-61.3.229
120. Dullien F. A. L. Porous Media: Fluid Transport and Pore Structure. London:
Academic Press, 1992. 574 p. DOI: 10.1016/C2009-0-26184-8.
121. Hardtke H.-J., Militzer K.-E., Fischer R., Hufenbach W. Entwicklung und
Identifikation eines kontinuumsmechanischen Modells fur die numerische Simulation
der Trocknung von Schnittholz // Research report DFG-project Ha 2075/3-2. Dresden,
1997.
122. Haghi A.K. A Mathematical Model of the Drying Process // Acta
Polytechnica. 2001. Vol. 41, no. 3. Pp. 20–23.
123. Krischer O., Kast W. Die wissenschaftlichen Grundlagen der
Trocknungstechnik. Berlin: Springer Verlag, 1978. 489 S.
124. Krischer O. Der Wärme- und Stoffaustausch im Trocknungsgut. Die
analytische und grafische Behandlung der Trocknung poriger hygroskopischer Güter
VDI-Forschungsheji 415. Berlin: NW 7 VDIVerlag GmbH. 1942. Хвойные
бореальной зоны. XL, № 2, 2022
125. Lumber Drying Sourcebook: 40 Years of Practical Experience. Ed. by E.M.
Wengert, R. Toennisson. Madison, WI, Forest Products Society, 1998. 371 p.
126. Langrish T.A.G., Booker A.S., Davis C.L., Muson H.E., Barton, G.W. An
improved drying schedule for Australian ironbark timber: optimisation and
experimental verification, Drying Technol., 1997. 15. P. 47–70.

189

127. Milota M.R. Warp and Shrinkage of Hem-Fir Stud Lumber Dried at
Conventional and High Temperatures // Forest Products Journal. 2000. No. 50(11). Pp.
79‒84.
128. Mindess S., Bentur A. Crack Propagation in Notched Wood Specimens
with Different Grain Orientations // Wood Science and Technology. 1986. Vol. 20, iss.
2. Pp. 145‒ 155.
129. McMillen J.M. Accelerated Kiln Drying of Presurface 1-Inch Northern Red
Oak. Research Paper FPL–RP–122. Madison, WI, U.S. Department of Agriculture,
Forest Service, Forest Products Laboratory, 1969. 31 p.
130. Milot32a M., Mosher P. Emissions of Hazardous Air Pollutants from
Lumber Drying. Forest Products Journal, 2008, vol. 58, no. 7/8, pp. 50–55.
131. Milota M.R. Warp and Shrinkage of Hem-Fir Stud Lumber Dried at
Conventional and High Temperatures // Forest Products Journal. 2000. No. 50(11). Pp.
79‒84.
132. Niemz P. Holz. Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe.
LeinfeldenEchterdingen: DRW-Verlag, 1993. 243 p.
133. Nijdam J.J., Langrish T.A.G., Keey R.B. A high-temperature drying model
for softwood timber, Chem. Eng. Sci., 2000. 55. P. 3585–3598.
134. Northcote, D. H. The cell walls of higher plants: their composition, structure
and growth / D.H. Northcote // Biol. Revs Cambridge Philos. Soc. - 1958. - V. 33. №1. - Р. 53-102.
135. Niemz P. Holz. Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. Leinfelden
Echterdingen: DRW-Verlag, 1993. 243 p.
136. Oltean L., Teischinger A., Hansmann C. Influence of Temperature on
Cracking and Mechanical Properties of Wood during Wood Drying – a Review //
BioResources. 2007. Vol. 2, no. 4. Pp. 789–811.
137. Pandey C. N. Systemization of kiln drying schedules for commercial Indian
woods // Proceedings of the Seventh International IUFRO Wood Drying Conference.
Tsukuba, Japan, 2001. P. 78-83.

190

138. Pang S., Keey R. B., Walker J. C. F. Modelling of the high-temperature
drying of mixed sap and heartwood boards // Proceedings of the 4th IUFRO Wood
Drying Conference. Rotorua, New Zealand, 1994. P. 430-439.
140. Perre´P. The drying of wood: the benefit of fundamental research to shift
from improvement to innovation, Proceedings of the Seventh International IUFRO
Wood Drying Conference, Tokyo, Japan, 2001. P. 2–13.
141. Perré P., Martin M. Drying at high temperature of heartwood and sapwood:
theory, experiment and practical consequence on kiln control // Drying Technology.
1994. Vol. 12, № 8. P. 1915-1941. DOI: 10.1080/07373939408962213.
142. Perré P., Keey R. B. Drying of Wood: Principles and Practices // Handbook
of Industrial Drying. Boca Raton: CRC Press, 2014. P. 822-872.
143. Perré P., Moser M., Martin M. Advances in transport phenomena during
convective drying with superheated steam or moist air // International Journal of Heat
and Mass Transfer. 1993. Vol. 36, № 11. P. 2725-2746. DOI: 10.1016/00179310(93)90093-L.
144. Perré P., Degiovanni A. Simulation par volumes finis des transferts couplés
en milieux poreux anisotropes: séchage du bois à basse et à haute temperature //
International Journal of Heat and Mass Transfer. 1990. Vol. 33, № 11. P. 2463-2478.
DOI: 10.1016/0017-9310(90)90004-E.
145. Perré P., Turner I. The use of macroscopic equations to simulate heat and
mass transfer in porous media // Mathematical Modeling and Numerical Techniques in
Drying Technology. Boca Raton: CRC Press, 1996. 74 p.
146. Salin J.-G. Remarks on the influence of heartwood content in pine boards
on final moisture content and degrade // Proceedings of the Second International
IUFRO Wood Drying Symposium. Seattle, WA, 1989. P. 4-6.
147. Schniewind A. P. Concise Encyclopedia of Wood and Wood-based
Materials. Oxford: Pergamon, 1989. 384 p.
148. Stamm A.J. Thermal Degradation of Wood and Cellulose // Industrial &
Engineering Chemistry. 1956. Vol. 48, iss. 3. Pp. 413‒417.

191

149. Stamm A. J. Wood and Cellulose Science. New York: Ronald Press, 1964.
549 p.
150. Thompson A., Ingram Jr. L.L. Variation of Terpenes in Sapwood and
Heartwood of Loblolly Pine: Impact on VOC Emissions from Drying Lumber Samples.
Forest Products Journal, 2006, vol. 56(9), pp. 80–83.
151. Tuttle F. A Mathematical Theory of the Drying of Wood // Journal of the
Franklin Institute. 1925. Vol. 200. iss. 5. P. 609-614. 26. Wengert E. M. Principles and
Practices of Drying Lumber. Blacksburg Virginia. 2006. 59 р.