Зачем сушить древесину лиственных пород и что на самом деле значит «сухая»
Свежепиленая доска из дуба, бука или ясеня тяжела от воды: воды в ней намного больше половины её сухой массы, часто гораздо больше. Древесина отдаёт эту воду в два этапа. Сначала уходит свободная вода из полостей клеток, и размеры доски не меняются. Ниже предела насыщения клеточных стенок, около 30 % влажности, начинает уходить связанная вода из клеточных стенок, и с этого момента древесина усыхает, причём поперёк годичных слоёв сильнее, чем вдоль них. Именно эта неравномерная усушка превращает сушку в ремесло, а не в простое ожидание.
Поэтому «сухая» — это не ощущение, а число, и правильное число зависит от того, где древесина будет служить. Древесину лиственных пород камерной сушки для мебели, корпусных изделий и столярки обычно сушат до 6–8 % влажности, и её можно заказывать без остаточных сушильных напряжений.2 Этот уровень задаётся равновесной влажностью отапливаемого помещения. Наружный воздух в Центральной Европе удерживает древесину на гораздо более высоком уровне, поэтому доска, пролежавшая год под навесом на складе, — «воздушно-сухая», а не «мебельной сухости».
Атмосферная сушка: бесплатная энергия, за которую платят временем
При атмосферной сушке доски укладывают в штабели на прокладках под открытым небом или под навесом, и всю работу делает погода. Энергии она почти не требует, поэтому многие лесопильные предприятия, работающие с лиственными породами, до сих пор подсушивают древесину на воздухе перед камерой. Цена — время и риск: темп задаёт склад, а не оператор.
Сколько на самом деле длится атмосферная сушка?
Самые подробные открытые данные публикует Лаборатория лесных продуктов США (FPL): в её руководстве Drying Hardwood Lumber приведены сроки атмосферной сушки по породам, толщинам и регионам. Для сырых пиломатериалов толщиной 25 мм (4/4), высушиваемых примерно до 20 % в умеренном климате, сопоставимом с большей частью Центральной Европы, FPL указывает 45–80 дней для ясеня и бука и 50–90 дней для дуба с возвышенностей. В более прохладном северном климате белому дубу может понадобиться до 200 дней, чтобы достичь 25 %. При удвоении толщины сроки резко растут: ясеню, буку и американской вишне толщиной 50 мм (8/4) нужно 180–230 дней, дубу — 190–250 дней, и при этом они достигают лишь 23–27 % влажности.1
Показать данные
| Атмосферная сушка до ~20 % | Камера, от сырого состояния до конечной влажности | Камера, после атмосферной сушки | |
|---|---|---|---|
| Бук | 62 дней | 12 дней | 5 дней |
| Ясень | 62 дней | 10 дней | 4 дней |
| Американская вишня | 62 дней | 10 дней | 5 дней |
| Американская липа | 58 дней | 8 дней | 4 дней |
| Красный дуб | 70 дней | 21 дней | 5 дней |
| Белый дуб | 70 дней | 23 дней | 5 дней |
Диапазоны атмосферной сушки: бук, ясень, американская вишня 45–80 дней; американская липа 40–75; дубы 50–90. Американская липа в камере — 6–9 дней в зависимости от требований к цвету. Источник: Denig, Wengert & Simpson (2000), Drying Hardwood Lumber, USDA FPL-GTR-118, таблицы 4.2 и 7.25. Американские породы.
К диаграмме есть две оговорки. Данные FPL относятся к американским породам, поэтому «бук» — это американский бук, а «белый дуб» — Quercus alba. Европейский дуб (Quercus robur и Q. petraea) и европейский бук (Fagus sylvatica) так же «трудно сохнущие», то есть легко растрескиваются, поэтому порядок величин переносится. Кроме того, сроки атмосферной сушки заканчиваются примерно на 20 %: чтобы дойти до 6–8 %, каждой доске всё равно нужна камера.
Правило «год на дюйм» и почему оно вводит в заблуждение
Каждый столяр слышал, что древесине нужен год атмосферной сушки на каждый дюйм (25 мм) толщины. Это эмпирическое правило, а не стандарт. Данные FPL показывают, что дуб толщиной 25 мм может достичь примерно 20 % за два–семь месяцев в зависимости от климата и сезона укладки, а дубу толщиной 50 мм нужно гораздо больше, чем удвоенный срок для первого дюйма, потому что влаге приходится проходить вдвое больший путь.1 Кроме того, правило скрывает реальный предел: никакое время на улице не опустит влажность древесины ниже уровня, который задаёт наружный воздух.2
Что идёт не так на складе
Атмосферная сушка — игра с погодой. Солнце и сухой ветер вызывают поверхностные и торцовые трещины у дуба; тёплые, безветренные и влажные недели провоцируют грибные окраски у светлой древесины — бука, ясеня и клёна, где цвет составляет часть стоимости. FPL оценила это в цифрах: потери качества при обычной атмосферной сушке могут превышать 75 долларов США на тысячу досковых футов (около 2,36 м³) против всего 10 долларов, если те же пиломатериалы подсушивают под навесом или в складской сушилке.1 Цифры приведены в долларах конца 1990-х годов, но важно именно соотношение.
Предварительная подсушка: золотая середина для дуба и бука
Между открытым складом и камерой находится камера предварительной подсушки — закрытое здание с вентиляторами и мягким нагревом, обычно работающее при 27–38 °C и относительной влажности 65–85 %. По тому же принципу работает ускоренная атмосферная сушка под навесами с вентиляторами. Для трудно сохнущих пород, таких как дуб и бук, FPL оценивает подсушку под навесом или в складской сушилке с последующей камерной сушкой как «отличный» вариант.2
Подсушка экономит и энергию камеры. Каждый процентный пункт влаги, удалённый до камеры, экономит 50–85 Btu на досковый фут последующей камерной энергии, то есть примерно 6–11 кВт·ч на кубический метр за каждый пункт.1 Поэтому если довести загрузку от сырого состояния до 25 % ещё до камеры, экономия составит сотни киловатт-часов на кубометр.
Как устроена конвективная сушильная камера
Конвективная камера управляет тремя параметрами: температурой, влажностью и скоростью воздуха. Калориферы нагревают воздух, вентиляторы прогоняют его через штабель на прокладках, приточно-вытяжные каналы выпускают влажный воздух, а пар или водяное распыление добавляют влажность, когда древесина сохнет слишком быстро. Оператор не просто выбирает температуру и ждёт, а ведёт процесс по режиму — последовательности температур по сухому термометру и влажностей, которые ужесточаются по мере высыхания древесины.
Лиственные породы сушат по режимам, привязанным к влажности: параметры меняются, когда самые влажные контрольные образцы достигают заданных значений влажности, а не через фиксированное число часов. Типичный режим для лиственных пород начинается примерно с 49 °C и 80 % относительной влажности на сырых пиломатериалах и доходит примерно до 82 °C к моменту, когда влажность древесины снижается до 15 %.2 Хвойные породы, напротив, обычно сушат по режимам, привязанным ко времени.
Как читать коды режимов сушки
Код режима FPL выглядит загадочно, но читается просто. В «T3-C2» число после T — это температурный режим, от T1 (самого мягкого) до T14; буква — класс влажности, связанный с начальной влажностью породы; последняя цифра — режим психрометрической разности, от 1 (самый мягкий, самый влажный воздух) до 8 (самый жёсткий).1 Для более толстых пиломатериалов назначают более мягкий код, а дуб толщиной 6/4 сушат по режиму для 8/4.
| Порода (американская) | 25–38 мм | 50 мм |
|---|---|---|
| Белый дуб | T3-C2 | T3-C1 |
| Красный дуб | T3-D2 | T3-D1 |
| Бук | T7-C2 | T5-C1 |
| Белый ясень | T7-C3 | T5-C2 |
| Американская вишня (black cherry) | T8-B4 | T5-B3 |
| Американская липа | T11-E7 | T9-E6 |
Источник: Denig, Wengert & Simpson (2000), Drying Hardwood Lumber, USDA FPL-GTR-118. Дуб толщиной 38 мм (6/4) сушат по режиму для 50 мм.
Дуб и бук, ступень за ступенью
Режимы для дуба и бука имеют одинаковые ступени по влажности, но начинаются с разных температур. Дуб (T3) начинается примерно с 43 °C при воздухе, близком к насыщению; бук (T7) — примерно на 11 °C выше. Оба режима становятся теплее и суше, когда древесина проходит предел насыщения клеточных стенок и риск поверхностного растрескивания снижается. Режим для дуба затем заканчивается ступенями выравнивания и кондиционирования при 77–82 °C.
Показать данные
| Ступень влажности | Бук, сухой термометр | Дуб, сухой термометр | Дуб, смоченный термометр |
|---|---|---|---|
| >40 % | 54 °C | 43 °C | 41 °C |
| 40–35 % | 54 °C | 43 °C | 41 °C |
| 35–30 % | 54 °C | 43 °C | 39 °C |
| 30–25 % | 60 °C | 49 °C | 41 °C |
| 25–20 % | 66 °C | 54 °C | 38 °C |
| 20–15 % | 71 °C | 60 °C | 35 °C |
| <15 % | 71 °C | 71 °C | 46 °C |
| Выравнивание | – | 77 °C | 53 °C |
| Кондиционирование | – | 82 °C | 77 °C |
Чем больше разность между сухим и смоченным термометром, тем суше воздух. Источник: Denig, Wengert & Simpson (2000), Drying Hardwood Lumber, USDA FPL-GTR-118, таблицы 7.4–7.7 и 7.13 (пересчёт из °F).
В европейской практике бук часто сушат мягче и при более низких температурах, чем по американскому режиму. Исследование сербских сушильных камер для бука описывает конвективные камеры с приточно-вытяжной вентиляцией и водяным обогревом около 90 °C, работающие в диапазоне примерно от 35 до 60 °C и заканчивающие процесс кондиционированием продолжительностью 20–40 часов.3 Более низкие температуры помогают сохранить равномерный цвет бука, что важно для видимых деталей мебели; по той же причине по-разному сушат пропаренный и непропаренный бук.
Почему дуб нельзя торопить
Причина мягкого режима для дуба хорошо видна по максимальной безопасной скорости сушки во влажном состоянии. Доска белого дуба толщиной 25 мм должна терять не более 2,5 процентного пункта влажности в сутки; красный дуб выдерживает 3,8, бук — 4,5, белый ясень — 10,4. При толщине 50 мм пределы снижаются более чем вдвое.1 Если сушить быстрее, поверхность высыхает, усыхает поверх ещё влажной сердцевины и разрывается: возникают поверхностные трещины, а в худшем случае — внутренние трещины. Подробно они разобраны в статье о дефектах сушки.
Показать данные
| 25 мм (4/4) | 50 мм (8/4) | |
|---|---|---|
| Белый дуб | 2,5 % | 1,0 % |
| Красный дуб | 3,8 % | 1,5 % |
| Бук | 4,5 % | 1,8 % |
| Американская вишня | 5,8 % | 2,3 % |
| Белый ясень | 10,4 % | 4,1 % |
Источник: Denig, Wengert & Simpson (2000), Drying Hardwood Lumber, USDA FPL-GTR-118, таблица 8.6. Американские породы.
Выравнивание и кондиционирование: два шага, которые делают древесину камерной сушки пригодной к работе
В конце цикла сушки доски никогда не имеют одинаковой влажности: тонкие доски с большим количеством заболони суше толстых ядровых, а каждая доска на поверхности суше, чем в сердцевине. Это исправляют два заключительных шага.
- Выравнивание влажности сокращает разброс между досками. Оно начинается, когда самый сухой контрольный образец оказывается на 2 пункта ниже целевой влажности, и в камере поддерживается равновесная влажность на 2 пункта ниже целевой (обычно при 77 °C по сухому термометру), пока самые влажные образцы не дойдут до нужного уровня.1
- Кондиционирование (конечная влаготеплообработка) снимает напряжения между поверхностными слоями и сердцевиной — так называемые остаточные напряжения. В камере устанавливают равновесную влажность примерно на 4 пункта выше целевой, в идеале при температуре примерно на 6 °C выше, чем при выравнивании, чтобы пересохшая поверхность немного забрала влагу обратно. FPL рекомендует его для любых пиломатериалов, высушенных ниже 11 % влажности, которые будут повторно раскраиваться по толщине или ширине. Если переусердствовать, получится обратная проблема — обратные остаточные напряжения.1
Практическая проверка — испытание силовой секции («вилки»): поперечный срез доски распиливают на зубцы и оставляют сохнуть. Если наружные зубцы изгибаются внутрь, в доске остались остаточные напряжения, и при продольном раскрое она изогнётся или зажмёт пилу.1 Для производителя мебельных комплектующих это не теория: древесина без кондиционирования — частая причина того, что детали деформируются после обработки.
Сколько длится камерная сушка
При хорошей циркуляции воздуха FPL приводит следующие ориентировочные минимальные сроки в конвективной камере для пиломатериалов лиственных пород толщиной 25 мм от сырого состояния до конечной влажности: белый дуб — 23 дня, красный дуб — 21, бук — 12, ясень — 10, американская вишня — 10, американская липа — 6–9 дней. Тем же породам после атмосферной сушки нужно лишь 3–5 дней. В плохих камерах со скоростью воздуха менее 1 м/с сырым пиломатериалам требуется на несколько дней — неделю больше.1
Это минимальные сроки. Более толстые доски, смешанные загрузки, режим, подобранный ради сохранения цвета, а также выравнивание и кондиционирование — всё это добавляет время. Реалистичная загрузка сырых дубовых заготовок для мебели измеряется неделями, а не днями.
Энергия на кубический метр
Сушка — самый энергоёмкий этап производства пиломатериалов.1 Для европейского бука сербское исследование рассчитало около 435 кВт·ч на м³ для досок толщиной 25 мм и около 480 кВт·ч на м³ для досок толщиной 50 мм при сушке от 80 % до 8 % влажности в конвективных камерах с приточно-вытяжной вентиляцией; старым или небольшим камерам может потребоваться примерно на 20 % больше. В той же работе приводится 400–560 кВт·ч/м³ для бука толщиной 60 мм и отмечается, что удаление воды ниже предела насыщения клеточных стенок требует примерно вдвое больше энергии на килограмм, чем удаление свободной воды выше него.3
Поэтому сушильные камеры ставят рядом с лесопильными цехами, которые сами производят топливо. Кора, обрезки и опилки с лесопильной линии идут в котёл, так что самый энергоёмкий этап работает в основном на собственных отходах предприятия.
Конденсационные, вакуумные камеры и камеры непрерывного действия
Конвективные камеры периодического действия с паровым или водяным обогревом и приточно-вытяжной вентиляцией — основной инструмент сушки древесины лиственных пород, но не единственный.1,2
- Конденсационные камеры (с тепловым насосом) не выпускают влажный воздух наружу, а конденсируют из него воду. Они работают при более низких температурах, что подходит для трудно сохнущих пород и древесины, чувствительной к цвету, и распространены на небольших предприятиях.
- Вакуумные камеры понижают температуру кипения воды, и древесина сохнет быстрее при умеренных температурах. Они подходят для толстых ценных пиломатериалов небольшими партиями.
- Камеры непрерывного действия перемещают штабели через зоны с разными параметрами и подходят для больших объёмов однородной продукции.
Ни один тип камеры не снимает основного ограничения: трудно сохнущая древесина, такая как дуб, может сохнуть не быстрее, чем влага способна перемещаться от сердцевины к поверхности, не вызывая трещин.
Контроль качества: как оператор узнаёт, что древесина высохла
Влажность контролируют по контрольным образцам — коротким отрезкам представительных досок, которые взвешивают и высушивают в сушильном шкафу для определения влажности, а затем повторно взвешивают в ходе сушки. Ступени режима переключаются по самым влажным образцам, а выравнивание начинается по самым сухим.1
В Европе способы измерения влажности стандартизированы. EN 13183-1 описывает метод высушивания (эталонный), EN 13183-2 — электрический влагомер сопротивления.5 EN 14298 описывает оценку качества сушки партии пиломатериалов, включая разброс влажности между досками.6 Поставщик, ссылающийся на эти стандарты, сообщает вам, как получено число, а не только само число.
Сушильная камера также уничтожает насекомых в древесине. Для деревянной тары, перемещаемой между странами, международный стандарт МСФМ 15 (ISPM 15) требует термообработки при температуре не ниже 56 °C в течение 30 минут непрерывно по всему объёму древесины — уровень, который режим сушки лиственных пород превышает с запасом.4
Как мы сушим древесину в SARAL
Покупка древесины камерной сушки: что спросить у поставщика
- Целевая влажность и допуск. Слова «камерной сушки» сами по себе мало что значат. Для мебели в интерьере запрашивайте целевое значение, например 8 %, и диапазон допуска.
- Как измерялась влажность. Методом высушивания образцов или калиброванным влагомером, и по какому стандарту.
- Проводились ли выравнивание и кондиционирование. Это важнее всего, если вы будете повторно раскраивать доски по толщине или ширине либо обрабатывать их.
- Порода и толщина в загрузке. Смешанные загрузки сушат по самой медленно сохнущей доске.
- Хранение после сушки. Древесина камерной сушки, хранящаяся на улице или в неотапливаемом складе, снова набирает влагу. Спросите, как она хранилась и была упакована.
Если вы покупаете пиломатериалы или готовые раскроенные комплектующие, эти вопросы точно так же актуальны: влажность готовой детали определяется в сушильной камере.
Часто задаваемые вопросы
Сколько сохнет дуб?
Атмосферная сушка дуба толщиной 25 мм примерно до 20 % занимает от двух до семи месяцев в зависимости от климата и сезона; дубу толщиной 50 мм нужно от шести месяцев до года, чтобы достичь примерно 25 %.1 Камерная сушка сырого дуба толщиной 25 мм до мебельной влажности занимает не менее трёх недель; после атмосферной сушки — 3–5 дней.1
Можно ли сушить дуб в камере сразу из сырого состояния?
Да, по мягкому режиму, например T3-C2 для толщины 25 мм. Многие предприятия сначала подсушивают дуб в камере предварительной подсушки или на воздухе, потому что это сокращает время в камере, расход энергии и риск растрескивания.1,2
Достаточно ли атмосферной сушки для мебели?
Для отапливаемых помещений сама по себе — нет. Атмосферная сушка останавливается примерно на влажности, которую задаёт наружный воздух, на практике около 20 %, а мебель должна иметь 6–8 %.1,2 Древесина атмосферной сушки в помещении продолжает усыхать.
Становится ли древесина слабее от камерной сушки?
При правильно подобранном режиме — нет. Большинство показателей прочности при высыхании древесины ниже предела насыщения клеточных стенок даже возрастают. Повреждения возникают из-за режимов, слишком жёстких для данной породы и толщины, которые вызывают трещины и внутренние разрывы.1
