Спосіб модифікації деревини

1. Спосіб модифікації деревини, що включає завантаження сировини в герметичну ємність, контрольоване датчиками нагрівання, охолодження деревини та вивантаження готового продукту, який відрізняється тим, що в ємність завантажують деревину вологістю 6-8 % з забезпеченням вертикальних та горизонтальних каналів між дошками, нагрівають деревину в герметичній теплоізольованій ємності, порожнину якої з'єднують з зовнішнім середовищем не менше ніж через один регульований отвір, причому нагрівають ззовні нижню частину стінок ємності протягом 20-35 годин до нагріву деревини до температури 150-210 °С конвективними потоками вологого повітря, нагрітого від нижньої частини стінок, після досягнення заданої температури підтримують її ще 8-16 годин, в залежності від типу деревини та заданого ступеня модифікації, потім охолоджують зі швидкістю в межах 9-12 °С за годину, яку регулюють подачею теплообмінної рідини в теплообмінний контур або періодичним включенням нагріву нижньої частини U 2 49535 1 3 Найбільш близьким є відомий спосіб модифікації деревини, описаний в деклараційному патенті України на корисну модель № 43885, що опублікований 10.09.2009, бюл. № 17, індекс МПК В27К 5/00. Відомий спосіб модифікації деревини включає завантаження сировини в герметичну ємність, нагрівання деревини, остигання й вивантаження готового продукту, причому після завантаження сировини в герметичній ємності підтримують вакуум 20-90кПа протягом 2-24 годин, при цьому деревину нагрівають до температури 45-260°С, а потім виключають нагрівання й виконують природне остигання готового продукту протягом 4-12 годин. Операцію сушіння сирої деревини виконують при температурі 45-65°С протягом від 2-8 годин до 7-10 днів, а природне остигання здійснюють протягом 4-6 годин. Операцію модифікації деревини виконують при температурі 140-260°С протягом 4-16 годин, а природне остигання здійснюють протягом 10-12 годин. Режими обробки сировини вибирають залежно від вологості, породи та геометричних розмірів деревини. Режими обробки сировини контролюють за допомогою датчиків температури й вологості та вакуумметра. Задані режими обробки сировини підтримують за допомогою автоматичного програмувального пристрою. Недоліками відомого способу є те, що спосіб дуже енерговитратний та складний, так як створюється і підтримується вакуум, а потім в розрідженому зі зниженою здатністю до теплопередачі середовищі виконується нагрів деревини конвективними потоками, а так як, крім теплового розширення, при нагріванні з деревини виділяється пара, то для підтримки вакууму постійно повинен працювати вакуумний насос, що призводить до підвищеного зниження вологості як деревини, так і повітря в ємності, що пожежонебезпечно та призводить до зниження якості деревини. Підвищені енерговитрати зв'язані з тим, що теплообмін з зовнішнім середовищем має майже таку ж інтенсивність, як у ємності. Температура нагрівання вище 210°С пожежонебезпечна, особливо в умовах низької вологості повітря у ємності, а швидкий нагрів до такої високої температури призводить до короблення деревини та нерівномірного різних тонів кольору. Температура нижче 150°С недостатня для якісної модифікації та потребує багато часу для навіть мінімальних ефектів модифікації. Процес остигання нерегульований і залежить від пори року, а не від технологічних вимог. Загальними суттєвими ознаками є те, що спосіб модифікації деревини включає завантаження сировини в герметичну ємність, контрольоване датчиками нагрівання, охолодження деревини й вивантаження готового продукту Метою корисної моделі є якісна модифікація деревини, зниження браку, при спрощенні процесу модифікації, та підвищення економічності, за рахунок зниження зайвих втрат. Суттєвими ознаками є те, що спосіб модифікації деревини включає завантаження сировини в герметичну ємність, контрольоване датчиками 49535 4 нагрівання і охолодження деревини й вивантаження готового продукту. Причому в ємність завантажують деревину вологістю 6-8% з забезпеченням вертикальних та горизонтальних каналів між дошками, нагрівають деревину в герметичній теплоізольованій ємності, порожнину якої з'єднують з зовнішнім середовищем не менше ніж через один регульований отвір, причому нагрівають ззовні нижню частину стінок ємності протягом 20-35 годин до нагріву деревини до температури 150210°С конвективними потоками вологого повітря, нагрітого від нижньої частини стінок, після досягнення заданої температури підтримують її ще 8-16 годин, в залежності від типу деревини та заданого ступеня модифікації, потім охолоджують, при охолодженні, швидкість охолодження забезпечують в межах 9-12°С в годину, яку регулюють подачею теплообмінної рідини в теплообмінний контур, або періодичним включенням нагріву нижньої частини стінок, по досягненні температури в межах від 80°С до 50°С, відкривають ємність та вивантажують деревину з ємності. В ємності протягом процесу модифікації контролюють вологість деревини та температуру деревини датчиками, які встановлюють безпосередньо на деревині, температуру та вологість повітря в ємності датчиками, які встановлюють на стінках ємності, а також регулюють тиск в ємності зміною запірним клапаном перерізу отвору, яким ємність з'єднана з зовнішнім середовищем, та контролюють критичну зміну тиску запобіжними односторонніми клапанами, причому підтримують абсолютний тиск в ємності в межах від 0,92 до 1,1кг/см2. При першому запуску та періодично не менше одного разу на рік, до початку процесу після закривання ємності, під'єднують вакуумний насос, створюють у ємності вакуум 0,92кг/см2 та контролюють відсутність зміни тиску в ємності більше ніж на 0,01кг/см2 за годину, а потім від'єднують вакуумний насос та вирівнюють тиск з атмосферним. Це гарантує, що відсутні отвори та щілини, які негативно скажуться на якості деревини та створять можливість загоряння деревини від припливу надлишків кисню. Деревину штабелюють в ємності з використанням поперечних горизонтальних прокладок товщиною 15-30мм та з наскрізними вертикальними зазорами від 10 до 100мм. Суттєвими відмітними ознаками, дійсними у всіх випадках, є те, що в ємність завантажують деревину вологістю 6-8% з забезпеченням вертикальних та горизонтальних каналів між дошками, нагрівають деревину в герметичній теплоізольованій ємності, порожнину якої з'єднують з зовнішнім середовищем не менше ніж через один регульований отвір, причому нагрівають ззовні нижню частину стінок ємності протягом 20-35 годин до нагріву деревини до температури 150-210°С конвективними потоками вологого повітря, нагрітого від нижньої частини стінок, після досягнення заданої температури підтримують її ще 8-16 годин, в залежності від типа деревини та заданого ступеня модифікації, потім охолоджують зі швидкістю в межах 9-12°С в годину, яку регулюють подачею теплообмінної рідини в теплообмінний контур, або періодичним включенням нагріву нижньої частини 5 стінок, по досягненні температури деревини в межах від 80°С до 50°С відкривають ємність та вивантажують деревину з ємності. Суттєвими відмітними ознаками дійсними в окремих випадках є те, що в ємності контролюють вологість деревини та температуру деревини датчиками, які встановлюють безпосередньо на деревині, температуру та вологість повітря в ємності датчиками, які встановлюють на стінках ємності, а також регулюють тиск в ємності, зміною запірним клапаном перерізу отвору, яким ємність з'єднана з зовнішнім середовищем, та контролюють критичну зміну тиску запобіжними односторонніми клапанами, причому підтримують абсолютний тиск в ємності в межах від 0,92 до 1,1кг/см2. До початку процесу, після закривання ємності, під'єднують вакуумний насос створюють у ємності вакуум 0,92кг/см2 та контролюють відсутність зміни тиску в ємності більше ніж на 0,01кг/см2 за годину, а потім від'єднують вакуумний насос та вирівнюють тиск з атмосферним. Деревину штабелюють в ємності з використанням поперечних горизонтальних прокладок товщиною 15-30мм та наскрізними вертикальними зазорами від 10 до 100мм. Покращена якість одержаної модифікованої деревини, так як оптимальна швидкість нагріву та охолодження забезпечує таку різницю вологості та температури між деревиною та повітрям в ємності і між шарами деревини, що контролюється датчиками, що зменшені деформації і забезпечена рівномірність кольору та необхідний рівень хімічних перетворень модифікованої деревини по всій товщині, а ще й виключена необхідність в зайвих енерговитратах, пов'язаних з створенням і підтримкою вакууму, та нагріву деревини через повітря зі зниженим тиском та вологістю. Виключена можливість пересушування деревини та пожежі. Спосіб в межах температури 150-210°С дозволяє модифікувати деревину, як мінімально, забезпечивши тільки стерилізацію, так і змінити колір, досягнути вологовідштовхування, при якому поглинання води знижене і вологість вже не може перевищувати 4%, забезпечити стабільності розмірів при перепадах температури та вологості, та біологічну стійкість, що в 20 разів підвищує довговічність необробленої деревини у несприятливих умовах. На фіг. 1 зображений загальний вигляд пристрою для виконання способу модифікації; На фіг. 2 зображений переріз А-А; Пристрій для виконання заявленого способу модифікації деревини включає ємність 1, поздовжня частина 2 ємності має циліндричну форму, а торець 3 та кришка 4 сферичну форму, кришка 4 закріплена шарнірно на петлі 5 та закривається герметично. Вздовж поздовжньої частини 2 ємності 1 ззовні знизу електрозварюванням закріплена коробчаста секція 6 теплообмінної сорочки, а по бокам від неї закріплені повздовжні коробчасті секції 7 та 8 теплообмінної сорочки, які об'єднані двома рядами поперечних перемичок 9, що мають форму букви - П, закріплених електрозварюванням, як до стінки ємності, так і до повздовжніх коробчастих секцій, та рознесених по довжині секцій 49535 6 6, 7, 8 теплообмінної сорочки, довжина секцій теплообмінної сорочки дорівнює довжині циліндричної повздовжньої частини 2 ємності 1. Ємність 1 та секції теплообмінної сорочки 6, 7 та 8 і перемички 9 покриті шаром теплоізоляції 10 ззовні. Секції 6, 7 та 8 теплообмінної сорочки займають 40% площі знизу циліндричної частини ємності 1. До низу самої нижньої секції 6 теплообмінної сорочки під'єднаний піддон 11, в секції 6 в порожнині піддону встановлений електричний нагрівач 12. В порожнині ємності встановлений колектор 13, до якого підходить ринва 14 з нахилом відносно горизонту 3 градуса, над якою по довжині повздовжньої частини встановлена труба 15 верхнього теплообмінного контуру теплообмінної рідини. До колектора 13 під'єднаний кінець трубопроводу 16, на якому встановлений запірний клапан 17. Порожнина ємності через трубу 18, на який встановлений мановакуумметр 19 перекрита запірним клапаном 20. Труба 18 встановлена не вище середини висоти ємності для зменшення виходу з ємності вологи з повітрям при підвищенні тиску. В порожнині ємності 1 встановлені датчики температури 21, вологості повітря 22, також, в ємності встановлені датчики вимірювання вологості деревини 23, та датчики температури деревини 24. Також з порожниною ємності з'єднані запобіжні односторонні клапани: випускний клапан 25 налагоджений на відкриванні при тиску 1,1кг/см2, та впускний клапан 26, який налагоджений на відкри2 вання при тиску нижче 0,92кг/см . Пульт 27 системи управління встановлений на задньому торці 3. На секції 6 теплообмінної сорочки встановлений запірний клапан 28, а на секції 8 теплообмінної сорочки встановлений запірний клапан 29. Ємність 1 встановлена на опірних ніжках 30, та в порожнині має повздовжні направляючі 31. Перед використанням способу, спочатку перевіряють, що в порожнину секцій 6, 7 та 8 теплообмінної сорочки та перемичок 9 залитий рідкий теплоносій, наприклад теплообмінне мастило, а якщо відсутнє - то з використанням запірних клапанів 28 та 29 заливається теплообмінне мастило. Потім деревина призначена для модифікації, наприклад дошки, яки мають вологість 6-8% або завантажуються через отвір який закривається кришкою 4 на платформі в складованому вигляді по направляючим 31, або дошки складуються на направляючі 31 і кришка 4 герметично закривається. При складуванні залишається проміжок між дошками для забезпечення проходу повітря, наприклад наскрізні вертикальні зазори 40мм, та горизонтальні - 20мм. Під'єднуються до кількох дощок датчики вологості 23, та між дошками ставлять датчики температури дощок 24. Параметри контролюють по датчикам температури 21 й вологості повітря 22 в ємності, також, датчикам вимірювання вологості деревини 23, та датчикам температури деревини 24 данні яких виведені на пульт 27 системи управління. При перших застосуваннях, та періодично для контролю герметичності ємності, відкривають запірний клапан 20, закривають запірний клапан 17, під'єднують до запірного клапана 20 вакуумний 7 насос (на фігурах насос умовно не показаний, так як не є штатним пристроєм, а також відсутністю необхідності створення вакууму для виконання безпосередньо заявленого способу), створюють 2 вакуум, наприклад 0,92кг/см , та контролюють по мановакуумметру, чи не піднявся тиск більше ніж на 0,01кг/см2 за годину. Потім від'єднують вакуумний насос і, не закриваючи повністю запірний клапан 20, включають на нагрів електричний нагрівач 12. Температура в ємності підіймається протягом 20-35 годин з швидкістю від 5°С до 9°С в годину до 150°С-190°С в залежності від виду деревини, його стану та необхідної ступені модифікації. В процесі нагріву з деревини виділяється волога, також в результаті теплового розширення повітря у ємності, підвищується тиск у ємності, надлишки повітря виходять через отвір у запірному клапані 20, а при перевищенні тиску в ємності вище 1,1кг/см2, відкривається запобіжний випускний клапан 25, якщо протягом години знов відкривається запобіжний випускний клапан 25, то відкривають більше отвір запірним клапаном 20. Після досягнення заданої температури, температура підтримується від 8 до 12 годин, а потім ємність 1 з деревиною охолоджується до 50-80°С - безпечної для доступу кисню до розігрітої деревини. В залежності від пори року, для витримки режиму: для зниження швидкості охолодження періодично включають на нагрівання електричний нагрівач 12, або для прискорення охолодження подають холодну теплообмінну рідину у труби 15 верхнього теплообмінного контуру. При цьому конденсат з труби 15 попадає в ринву 14 та колектор 13, з якого, при необхідності, зливається через клапан 17. Тиск у ємності протягом усього процесу нагрівання перевищує атмосферний, а при охолодженні нижче атмосферного, і не перевищує діапазон від 0,92 до 1,1кг/см2, завдяки відкритому запірному клапану 20, та одностороннім запобіжним клапанам 25 та 26. При досягненні температури нижче 80°С відкривають кришку 4, та вивантажують деревину. Якщо, деревина призначена для модифікації, має вологість вище 8%, то вона, також, або завантажується через отвір який закривається кришкою 4 на платформі в складованому вигляді по направляючим 31, або складується на направляючі 31 і кришка 4 герметично закривається. Під'єднуються до кількох дощок датчики вологості 23, та між дошками ставляться датчики 24 температури дощок. Включається на нагрів електричний нагрівач 12, температура в ємності підіймається до 170°С210°С. Параметри контролюють по датчикам температури 21 й вологості повітря 22 у ємності, також, датчикам вимірювання вологості деревини 23, та датчикам температури деревини 24 дані яких виведені на пульт 27 системи управління. При необхідності зниження вологості деревини, в процесі охолодження відкривається запірний 49535 8 клапан 17, та подається холодна теплообмінна рідина у труби 15, наприклад вода, або з місцевого водоймища, або з градирні, при замкнутому циклі охолодження, і конденсат з труб 15 збирається у ринву 14 та зливається через колектор 13, та запірний клапан 17. Цей процес зниження вологості можливо виконувати і в процесі нагрівання, але волога корисна при модифікації, тому це оптимально використовувати тільки при надлишку вологи або особливостей деревини, і після досягнення заданої вологості продовжують нагрів з метою модифікації деревини, описаний раніш. Також, в залежності від пори року, для витримки режиму, або в зимовий період періодично включають на нагрівання електричний нагрівач 12, або в жарку погоду подають холодну охолоджувальну рідину у труби 15 охолоджувального контуру. При досягненні безпечної температури від 80°С до 50°С відкривається кришка 4 та вивантажується модифікована деревина. При проведенні досліджень по використанню способу модифікації, виявилось, що при нагріванні деревини до температури 210°С менше ніж за 20 годин, створювався такий перепад температури та вологості між деревиною, та повітрям у ємності, та між шарами деревини, що, навіть м'які породи деревини, змінювали свої властивості нерівномірно та коробились, тобто якість деревини по рівномірності кольору, та залишковим деформаціям була знижена. Нагрівання деревини до температури 210°С, а особливо до 150°С за час що перевищує 35 годин, економічно не вигідне, так як відносні тепловтрати навіть через ізольовані стінки ємності за цей час збільшувались у 1,5 рази, а також знизилась продуктивність модифікації, без підвищення якості одержаної модифікованої деревини у порівнянні з виконанням способу модифікації згідно винаходу. Час витримки при постійній заданий температурі від 8 до 16 годин є оптимальним, так як цей час, з урахуванням часу нагрівання та охолодження достатній для завершення хімічних процесів, що відбуваються в деревині, яки призводять до зміни кольору, зменшенню гігроскопічності, зменшенню температурних деформацій, що в результаті забезпечує біологічну стійкість, довговічність, та гарний зовнішній вигляд деревини. При перевищенні швидкості охолодження 12°С в годину досягнута якість модифікації могла знижувалась, так як на частині дощок деревині з'являлись тріщині, деревина коробилась, тому швидкість охолодження 12°С в годину вибрана для пористої деревини з перерізом не більше 25см2, а швидкість охолодження менше 9°С в годину, економічно не вигідна, так як в зимовий період потрібно було включати періодично нагрівання для зниження швидкості охолодження, та знижалась продуктивність, за рахунок подовження циклу. 9 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 49535 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601