74

Capitolul 6.

Procedee de uscare artificială a cherestelei

Uscarea artificială oferă posibilitatea de reducere controlată a umidităţii cherestelei, într-un timp mult mai scurt decât uscarea naturală. În timp, s-au dezvoltat o multitudine (peste 40) de procedee, din încercarea de a usca mai rapid, mai calitativ, mai ecologic etc.

6.1. Clasificarea procedeelor de uscare artificială a cherestelei În funcţie de modul de transmitere a căldurii, procedeele de uscare se

împart în: procedee de uscare prin convecţie, conducţie şi radiaţie termică sau electromagnetică (Fig. 6.1).

Fig. 6.1. Clasificarea procedeelor de uscare a cherestelei.

Procedeele de uscare prin convecţie sunt cele mai numeroase. În funcţie

de tipul agentului de uscare, ele pot fi:

• procedee de uscare în mediu gazos (aer, vapori supraîncălziţi, vaporii unor substanţe organice sau gaze de ardere);

• procedee de uscare în mediu lichid (uleiuri fierbinţi sau solvenţi organici).

75

O altă clasificare se poate face în funcţie de temperatura agentului de uscare. În acest caz deosebim:

• procedee de uscare la temperaturi sub 100°C (ex: uscarea convenţională, uscarea prin condensare, uscarea cu energie solară ş.a.);

• procedee de uscare la temperaturi peste 100°C (ex: uscarea la temperaturi înalte, uscarea în uleiuri fierbinţi ş.a.);

• procedee de uscare la temperaturi sub 0°C (ex: uscarea prin îngheţare-sublimare).

În funcţie de presiunea agentului de uscare, deosebim:

• procedee de uscare la presiune atmosferică (p=1 bar) (ex: uscarea convenţională, uscarea prin condensare ş.a.);

• procedee de uscare la presiuni joase (p<1 bar) (ex: uscarea în vid);

• procedee de uscare la presiuni ridicate (p>1 bar) (ex: uscarea prin presare, uscarea la temperaturi peste 100°C în vapori supraîncălziţi puri ş.a.);

• procedee de uscare la presiune variabilă (ex: uscarea prin incubaţie-decomprimare, uscarea în vaporii unor substanţe organice ş.a.).

6.2. Procedee industriale În timp s-au dezvoltat peste 40 de procedee diferite de uscare (Fig. 6.2).

Dintre acestea, în prezent se aplică la scară industrială doar uscarea convenţională, uscarea prin condensare, uscarea la temperaturi înalte, uscarea în vid şi uscarea în CIF şi cu microunde.

Uscarea prin schimb de aer cu mediul exterior, numită şi uscare convenţională, fiind cel mai vechi, cel mai cunoscut şi cel mai răspândit procedeu de uscare artificială a cherestelei, constă în circularea forţată a agentului de uscare (aer cald şi umed) prin stivele de cherestea, asigurându-se astfel cedarea continuă de căldură către materialul lemnos şi totodată preluarea umidităţii îndepărtată din acesta. Atunci când umiditatea aerului circulat devine prea mare, el este parţial exhaustat în exterior prin coşuri prevăzute cu clapete reglabile, simultan fiind admisă o cantitate egală de aer proaspăt. Circa 85% din instalaţiile industriale de uscare a cherestelei funcţionează în prezent după acest procedeu.

Principalul dezavantaj al uscării convenţionale îl constituie bilanţul energetic defavorabil, din cauza exhaustării în atmosferă a aerului care a înmagazinat o cantitate importantă de energie termică, în timp ce aerul proaspăt admis, rece, trebuie reîncălzit, deci necesită un nou aport de energie.

76

Fig.

6.2

. Ist

oric

ul d

ezvo

ltări

i dife

rite

lor

proc

edee

de

usca

re a

rtifi

cială

a ch

eres

tele

i (C

âmpe

an 2

010)

.

77

Ca răspuns la acest neajuns s-a dezvoltat uscarea cu desumidificarea aerului prin condensare, bazată pe un brevet de invenţie lansat în SUA în anul 1976. La acest procedeu, aerul încărcat cu vaporii de apă eliminaţi din lemn este absorbit într-un agregat care funcţionează pe principiul pompei de căldură. Aici, aerul trece mai întâi peste o baterie de răcire, ceea ce conduce la condensarea vaporilor pe care îi conţine. Apoi aerul este reîncălzit la temperatura de regim şi reintrodus în instalaţie. Procedeul a cunoscut o răspândire vivace în contextul dezvoltării durabile, prin promovarea avantajului de reducere a consumului energetic şi înlocuirea agentului de răcire folosit la instalaţiile mai vechi cu unul ecologic.

Temperatura este recunoscută ca un factor de accelerare a procesului de uscare, aşa că încă din anul 1867, când Allen şi Campbell au lansat primul brevet privind uscarea în vapori supraîncălziţi (Kollmann şi Cote 1968), ideea uscării la temperaturi peste 100°C a lemnului a suscitat interesul specialiştilor. Cunoaşterea mai aprofundată a legilor fizice ale uscării a permis înţelegerea că uscarea în vapori supraîncălziţi puri este rapidă şi menajează lemnul, dar este tehnologic foarte greu de realizat (necesită instalaţii cu etanşeitate deosebită), aşa că în prezent se aplică în practică doar uscarea în amestec de vapori supraîncălziţi şi aer, caracterizată de un regim dur de uscare, agresiv, posibil de aplicat numai la speciile care se usucă uşor (în special răşinoasele). Procedeul este aplicat îndeosebi în ţările care usucă cantităţi mari de răşinoase (ţările scandinave, Rusia, Canada).

Bazată pe un brevet care datează din anul 1893 al lui Charles Howard, uscarea în vid a câştigat teren în ultimii ani datorită cercetărilor intense efectuate de specialişti din toată lumea, dictate de dorinţa găsirii unor soluţii de uscare mai rapide şi mai calitative.

Uscarea în CIF a început să fie investigată după cel de-al Doilea Război Mondial. Duratele extrem de reduse şi calitatea foarte bună a uscării datorită generării căldurii în interiorul lemnului au promovat procedeul, în special în vederea aplicării la specii fragile, predispuse la colaps, care nu pot fi uscate calitativ prin niciun alt procedeu.

Detalii privind tehnologia, performanţele, avantajele, dezavantajele şi domeniul optim de aplicabilitate al acestor procedee sunt prezentate în capitolele următoare. Celelalte procedee, având un domeniu de aplicabilitate mai restrâns, sunt aplicate doar în situaţii speciale, în anumite zone geografice sau la scară de laborator, motiv pentru care ele sunt prezentate doar rezumativ în continuare, în calitate de Procedee speciale.

6.3. Procedee speciale de uscare Uscarea cu energie solară se poate realiza în două tipuri de instalaţii:

78

• Instalaţii de tip “seră”, la care pereţii şi planşeul sunt acoperite cu panouri de sticlă cu colectori integraţi (Fig. 6.3). Aerul încălzit cu ajutorul energiei solare este introdus prin intermediul ventilatoarelor direct în stiva de cherestea. Stocarea energiei termice (ex: pe timp de noapte sau în cazul vremii nefavorabile) nu este posibilă. Aceste instalaţii sunt simple şi ieftine.

Fig. 6.3. Instalaţie de uscare cu energie

solară, tip seră.

• Instalaţii cu pereţi izolaţi termic şi colector extern (Fig. 6.4). Colectorul este acoperit cu 1-3 straturi dintr-un material transparent numit “glazură”. Acesta poate fi sticlă, vată de sticlă, panouri ranforsate de poliester, pelicule de plastic; în orice caz, glazura trebuie să fie rezistentă la îmbătrânire şi degradare UV, dar şi la radiaţia IR emisă de absorbant. Sub glazură se aşează absorbantul, menit sa capteze toată energia incidentă (reflexie minimă); de regulă este realizat din lemn sau metal vopsit negru. Temperatura suprafeţei sale poate atinge 100oC. Între glazură şi absorbant se afla un spaţiu, prin care circulă aer (care preia căldura captată). Aceste instalaţii utilizează un sistem de circulare a apei (ţevi izolate), care preia energia captată de colectori şi o transportă în spaţiul de uscare unde o cedează mediului de uscare Suprafata colectoare poate fi mărită prin intermediul unor suprafeţe reflectoare mobile. De asemenea, aceste instalaţii permit stocarea energiei termice prin intermediul unor conducte de beton grosier-poros, vopsite in negru.

Fig. 6.4. Instalaţie de uscare cu energie solară cu colector extern

(după Trübswetter 2006).

79

Uscarea cu gaze de ardere a fost primul procedeu de uscare artificială. Gazele fierbinţi (600-900°C) rezultate în urma arderii deşeurilor lemnoase pot fi utilizate direct ca agent de uscare după o prealabilă filtrare (pentru eliminarea cenuşei şi scânteilor), de regulă în amestec în proporţie de 1:3 cu gaze recirculate. Un procedeu modern de uscare cu gaze de ardere este Ecologic Drying System (EDS), bazat pe un brevet japonez (Ishii 1991). Acesta promovează ideea uscării şi tratării termice a buştenilor şi cherestelei în aceeaşi instalaţie (Fig. 6.5), la care energia termică este asigurată prin arderea deşeurilor lemnoase în subsolul instalaţiei, gazele de ardere rezultate fiind introduse în instalaţia de uscare printr-un controller. Expuşi mediului cu temperatură ridicată (t=70…200°C), buştenii (necojiţi) îşi reduc umiditatea la cca. 40-50% în 3-5 zile. Coaja previne crăparea şi se desprinde mult mai uşor după acest tratament.

După tratare, buştenii sunt debitaţi în cherestea, fără ca piesele să se deformeze, efortul de tăiere fiind şi el redus datorită efectului tratării. Piesele de cherestea pot fi uscate la umiditatea finală (8-10%) în aceeaşi instalaţie, durata uscării fiind de 3-7 zile, în funcţie de specie. Trebuie menţionate mirosul şi culoarea specifică pe care lemnul le dobândeşte în urma uscării prin acest procedeu.

Fig. 6.5. Instalaţie de uscare prin procedeul EDS (Japonia).

Uscarea în ozon (Lyon 1893) arată că prezenţa ozonului în aerul cald şi

umed determină condensarea vaporilor conţinuţi de agentul de uscare, menţinând astfel umiditatea la suprafaţa lemnului şi prevenind cementarea. Un alt avantaj al uscării în ozon este oxidarea substanţelor secundare (gume, răşini) conţinute în lemn, cu obţinerea efectului de îmbătrânire artificială.

Uscarea prin îngheţare şi sublimare se realizează în autoclave de vid, la presiune joasă (p=0,00027...0,0027bar) şi temperaturi de cca. - 30 °C. După această fază de îngheţare a apei din lemn, urmează o încălzire până la 160°C, apa trecând la această temperatură din starea solidă direct în starea de vapori (sublimare). Prin aceasta, mişcarea apei prin lemn nu mai are loc sub formă lichidă.

80

Acest procedeu corespunde unui regim dur de uscare, deoarece la temperaturi reduse umiditatea de echilibru a lemnului scade puternic (de exemplu, la t = -10 °C, Ue = 3%). Datorită consumului mare de energie electrică, procedeul nu s-a extins în practică decât ca procedeu de conservare a obiectelor arheologice depozitate mult timp în apă.

Uscarea prin incubaţie/decomprimare (procedeul I/D) se realizează în autoclave şi constă în expunerea lemnului unor cicluri foarte dese (de ordinul minutelor) de suprapresiune p = 20 - 40 bar ( faza de “incubaţie”) şi de relaxare a presiunii la valoare atmosferică ( faza de “decomprimare”). Un ciclu durează cca. 20 minute. Fără niciun aport de energie termică, se poate reduce umiditatea în domeniul apei libere. Pentru uscarea sub PSF aportul de căldură devine obligatoriu. În ciuda costurilor de investiţie destul de ridicate, amortizarea costului instalaţiei este evaluată la mai puţin de 2 ani.

Uscarea în vaporii unor substanţe organice (Robbins 1865) reprezintă o distilare. Stivele de material se introduc într-o autoclavă (Fig. 6.6), care are la partea inferioară o baie de substanţe organice cu punctul de fierbere mai ridicat decât apa, nemiscibile cu aceasta (xilol, toluol, tetracloretilenă, percloretilenă). Uscarea se realizează în cicluri succesive de încălzire la temperatura de 120°C cu suprapresiune şi de răcire la presiuni joase.

Fig. 6.6. Instalaţie de uscare în vaporii unor solvenţi organici:

1-solvent; 2-ţevi de încălzire; 3-condensator; 4-pompă de vid; 5-separator; 6-rezervor pentru măsurarea cantităţii de apă; 7-pompă; 8-rezervor pentru

solvent (Marinescu 1980)

Avantajele procedeului constau în posibilitatea de recuperare a solventului organic prin răcire într-un condensator şi în durata scurtă de uscare. Se recomandă la sortimentele care urmează a fi impregnate (de exemplu, traverse de cale ferată, stâlpi de telegraf). Dezavantajul procedeului constă în costul

81

ridicat al instalaţiei şi proporţia mare de defecte (crăpături, colaps) datorate regimului dur de uscare.

Uscarea lemnului în solvenţi organici hidrofili este un procedeu de uscare prin extracţie, apa şi substanţele auxiliare din lemn (răşini), fiind extrase cu ajutorul unor solvenţi organici hidrofili (de exemplu, alcool etilic, eter, acetonă). Cheresteaua este stivuită vertical într-o autoclavă, cu spaţii între piese. Solventul supraîncălzit la presiune atmosferică (de exemplu acetona la 55°C) este pulverizat continuu pe suprafaţa lemnului. Datorită transferului de căldură intens, durata de uscare este foarte redusă. Un alt avantaj este posiblitatea de valorificare în industria farmaceutică a substanţelor auxialiare extrase din lemn în acest fel, după separarea de apă. Dezavantajul procedeului constă în pericolul de inflamabilitate şi costul ridicat atât al instalaţiei, cât şi al uscării.

Uscarea în lichide hidrofobe (uleiuri fierbinţi) constă în imersarea stivei de cherestea într-un lichid hidrofob, cu punct de fierbere mai ridicat decât apa (la început s-a utilizat petrolatumul uleios), care este încălzit şi menţinut la o temperatură de cca. 120°C, suficient de ridicată pentru a vaporiza apa din lemn. La temperaturi ale uleiului până la 130°C, datorită diferenţei mari între presiunea vaporilor de apă din interiorul lemnului şi presiunea de la suprafaţa acestuia, are loc o accelerare a evaporării apei şi a mişcării acesteia prin lemn.

Uscarea în lichide hidrofobe se poate realiza şi sub vid (procedeu cunoscut sub denumirea de Royal Process)(Häger 1971). Procedeul se aplică la cherestea verde, stivuită într-o autoclavă care se umple cu un ulei cu punct de fierbere ridicat (150-400°C). uleiul este încălzit la 60-90°C şi concomitent se realizează vidul (0,03-0,16bar). Presiunea scăzută conduce la evaporarea apei. Durata de uscare este de ordinul a 4-6 ore pentru cherestea de 25mm grosime şi 6-8 ore pentru 50mm grosime.

Cea mai recentă dezvoltare a uscării în uleiuri fierbinţi vine din Germania, unde a fost brevetată sub denumirea de Oil Heat Treatment (OHT™)(Fig. 6.7). Fig. 6.7. Uscarea şi tratarea termică a lemnului prin procedeul OHT™ (Sailer ş.a. 2000).

82

Procedeul OHT foloseşte uleiuri vegetale încălzite la o temperatură mai ridicată (180-220°C), ceea ce determină nu numai uscarea, ci şi modificarea compoziţiei chimice a lemnului. Principalele efecte secundare ale uscării în uleiuri fierbinţi constau în mirosul specific şi prelucrabilitatea mai dificilă a lemnului tratat.

Uscarea centrifugală (numită şi uscare pe cale mecanică) constă în stivuirea orizontală sau verticală a cherestelei pe o platformă circulară (Fig. 6.8), care se roteşte cu 50-300 rot/min. Prin asigurarea unei curgeri turbulente a aerului prin stivă, cu viteze de 3 - 5m/s este posibilă o accelerare a eliminării apei libere din lemn, fără niciun aport de energie termică. Experimentele efectuate cu turaţii mai mari, de 1300 - 1500 rot/min, au arătat că este posibilă chiar şi reducerea umidităţii sub punctul de saturaţie al fibrei în condiţii calitative foarte bune.

Procedeul nu a cunoscut aplicare la scară industrială, nefiind posibilă o reglare controlată a parametrilor, dar nici nu a fost uitat: în anul 2004, germanul Krämer construieşte un carusel pe acest principiu, pentru uscarea lobdelor pentru lemn de foc (Fig. 6.8).

b. a. Fig. 6.8. Instalaţie de uscare centrifugală

(a - Eisenmann 1950; b-Krämer 2004). Uscarea cu mişcare alternativă a aerului prin stivă este un procedeu care

are la bază un brevet de invenţie românesc (Stănăşilă şi Stănăşilă 1991). Particularitatea acestui procedeu o constituie modul de realizare a circulaţiei

83

aerului, rolul ventilatoarelor fiind preluat în acest caz de o paletă din aluminiu (Fig. 6.9), care oscilează la 64° în plan vertical, refulând aerul din stivă la cursa de coborâre şi aspirându-l din aceasta la cursa de ridicare.

Cercetările efectuate pe instalaţia experimentală construită în cadrul Laboratorului de Tratamente Termice ale Lemnului al Facultăţii de Industria Lemnului din Braşov, cu cherestea de răşinoase, au arătat că prin acest procedeu este posibilă uscarea cherestelei de la starea verde la umiditatăţi finale Uf = 8 - 10 %, în condiţiile unor durate de uscare reduse (cca. 44 ore la cherestea de răşinoase de 24 mm, Ui = 80 %, Uf = 10 ± 1 %), la un consum specific de energie electrică de 30 kWh/m3 (Câmpean 2002).

Fig. 6.9. Instalaţie de uscare cu mişcare alternativă a aerului în stivă (Câmpean

2002). Uscarea prin presare este un procedeu la care transmiterea căldurii se

realizează prin contact între platanele unei prese multietajate şi piesele de cherestea. În Danemarca s-au efectuat experimentări privind uscarea frizelor de fag aburite cu umiditatea iniţială Ui ≈ 80 %. Acestea au fost aşezate pe platanele preîncălzite la t = 100 °C şi apoi presate la temperatura t = 165°C şi presiunea p = 12 bar, ele atingând în numai 2 ore umiditatea finală de 1…3 %.

Efectele acestui procedeu sunt: - comprimarea lemnului (grosimea scade, densitatea creşte); - modificarea culorii; - îmbunătăţirea stabilităţii dimensionale.

Procedeul se recomandă numai la specii cu pori împrăştiaţi deschişi.

84

Uscarea prin inducţie este bazată pe transmiterea căldurii către material de la elemente feromagnetice (plase din bare de oţel moale). Stiva, împreună cu aceste elemente aşezate între rândurile de scânduri, se introduce în câmpul electromagnetic alternativ de frecvenţă industrială (50Hz), creat cu ajutorul unui solenoid. Solenoidul se montează din conductori cu secţiune mare în interiorul camerei de uscare, echipată cu ventilatoare, canale de admisie-evacuare şi cu bare pentru înfăşurarea stivei. El constă din câteva secţiuni care pot fi legate la o reţea de curent trifazat în serie, în paralel, precum şi “în stea” şi “în triunghi”. Folosirea diferitelor variante de cuplare a solenoidului dă posibilitatea să se mărească sau să se reducă tensiunea câmpului electromagnetic şi să se regleze temperatura plaselor care se încălzesc cu curent inductiv.

La uscarea prin inducţie are loc o transmitere de căldură combinată: prin contact (de la plasele încălzite), prin convecţie (de la aerul circulat încălzit de aceleaşi plase) şi prin radiaţie, datorită câmpului electromagnetic. Datorită acestui fapt, durata de uscare se reduce de 2 ori faţă de uscarea convenţională. Consumul de energie este similar cu cel de la uscarea în CIF, astfel încât costul uscării este considerabil mai ridicat decât la uscarea convenţională.

6.4. Rezumat • În funcţie de modul de transmitere a căldurii, procedeele de uscare se clasifică în trei categorii: procedee de uscare prin convecţie, conducţie sau radiaţie.

• Procedeele de uscare aplicate în prezent la scară industrială în Europa sunt: uscarea convenţională (prin schimb de aer cu mediul exterior), uscarea prin condensare, uscarea la temperaturi înalte şi uscarea în vid.

• Se numesc procedee speciale de uscare acele procedee care au un domeniu de aplicabilitate mai restrâns şi care se aplică industrial doar în unele zone geografice ale lumii sau numai la o gamă restrânsă de sortimente.

• Uscarea cu energie solară este un procedeu ecologic şi poate fi utilizat chiar şi în zonele temperate ca un procedeu eficient de preuscare a cherestelei.

• Uscarea cu gaze de ardere este un alt procedeu ecologic, prin valorificarea deşeurilor lemnoase ca şi combustibil pentru producerea energiei necesare la uscare. Datorită temperaturilor ridicate, produce şi modificarea compoziţiei chimice a lemnului, mărindu-i omogenitatea şi stabilitatea dimensională.

85

• Uscarea în uleiuri fierbinţi este o soluţie eficientă pentru uscarea şi impregnarea simultană de protecţie a lemnului pentru utilizări speciale (traverse de cale ferată, stâlpi pentru telecomunicaţii etc.).

• Uscarea centrifugală este un procedeu eficient de preuscare cu aport redus de energie termică. Poate fi utilizat eficient pentru uscarea lemnului de foc.

6.5. Test de evaluare a cunoştinţelor 1. Prin corelaţie cu noţiunile învăţate în capitolul 2, să se precizeze diferenţa între uscarea prin convecţie, conducţie, radiaţie şi să se dea cel puţin un exemplu de procedeu aplicat la uscarea cherestelei din fiecare categorie. 2. Clasificaţi procedeele de uscare în funcţie de temperatura şi de presiunea agentului de uscare. Daţi exemple. 3. Să se specifice cel puţin un avantaj al uscării cu energie solară. 4. Care este particularitatea definitorie a procedeului I/D şi ce avantaje determină? 5. Care consideraţi că este domeniul optim de aplicabilitate al uscării în solvenţi organici hidrofili? 6. Care este diferenţa între procedeele de uscare în uleiuri fierbinţi cunoscute sub denumirile Royal Process şi Oil Heat Treatment? 7. Care este particularitatea definitorie a uscării cu mişcare alternativă a aerului în stivă şi ce avantaje determină? Aţi observat valorificarea acestui efect şi la alte procedee de uscare?

NOTĂ: Soluţiile exerciţiilor tip To Do şi ale testului de evaluare sunt indicate la sfârşitul cursului, în Anexa 2.