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PROCEDE DE SECHAGE DE BOIS OU DE MATIERES ANALOGUES PAR DE LA VAPEUR
D'EAU SURCHAUFFEEo
Par suite de la grande demande de bois et de la compréhension croissante de la relation qui existe entre les propriétés les plus importan- tes du bois et son degré de sécheresse, le séchage artificiel du bois est ar- rivé à acquérir une importance toujours croissante. Les premières installations de séchage, dans lesquelles on effectuait le séchage par un mélange de gaz de cheminée et d'air, et où le bois étant en général fortement endommagé, en lais- sant entièrement de côté le danger d'incendie, ont été progressivement rempla- cées par le séchage au moyen d'un mélange de vapeur d'eau et d'air.
Ce der- nier procédé consiste en un séchage "par évaporation", étant donné qu'on pro- duit dans les installations des conditions intérieures (température de l'air et humidité relative de l'air) qui provoquent une¯chute de pression du pour- centage d'humidité du bois en le maintenant en-dessous de l'état iL'équilibre hygroscopique. Dans le cas où le bois contient de l'humidité sous forme d'eau libre, des forces capillaires deviennent actives pour déplacer l'humidité vers la surface du bois, tandis, que dans les autres cas, c'est-à-dire si l'hu- midité existe sous forme de vapeur d'eau ou bien sous forme d'absorption molé- culaire dans les parois de cellules,des forces de diffusion se manifestent.
On favorise l'évaporation à la surface du bois en augmentant la vitesse de l'air dans l'installation de séchage.
L'inconvénient inhérent au séchage par évaporation réside dans le fait que des pièces de bois très humides ou très denses ou épaisses, exigent des périodes de séchage extraordinairement longues,'et occasionnent par con- séquent des prix de revient élevés du séchage. Dans certains cas, les prix de revient du séchage peuvent dépasser les prix de revient du bois lui-même.
Une autre difficulté provient de ce que le bois est sensible aux erreurs com- mises lors de l'exécution du séchage par évaporation. Aussitôt que les condi- tions à l'intérieur de l'installation de séchage ne correspondent plus aux instructions données, la durée du séchage peut encore être augmentée davanta- ge ou bien une grande intensité de séchage peut ne pas se maintenir à cause des grandes résistances intérieures existant dans le bois. Les canaux d'hu-
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midité dirigés de l'intérieur vers l'extérieur se rompent, et les couches su- perficielles sèchent trop fort et durcissent en une croûte solide, et il en résulte des tensions dangereuses qui produisent des modifications de structu- re et des fissures ou craquelures dans le bois.
Dans le séchage par évapora- tion, il est nécessaire d'apporter une attention constante et spéciale à cette formation de croûtes, de manière à pouvoir l'observer et à l'écarter en temps vouluo
Une importante découverte réalisée dans le domaine de recherches re- latives au bois au cours des 15 dernières-années, consiste dans la constatation que les températures élevées ont une action favorable sur les propriétés de gonflement du bois. Il est établi., notamment, que des températures dépassant environ 100 C déplacent de façon permanente l'état d'équilibre hygroscopique à l'intérieur du bois dans ce sens que du bois traité de cette manière dans une certaine atmosphère, a tendance à atteindre une teneur en humidité d'équi- libre hygroscopique plus faible que le bois non traité.
Les phénomènes nui- sibles et fréquemment dangereux de retrait et de gonflement sont réduits de façon correspondante. Il est donc permis de parler d'une sorte de "stabilisa- tion par la chaleur".
Quand, en outre, il a été établi que la vitesse de séchage augmente au moins proportionnellement à une température croissante, il était indiqué d'exécuter des expériences ayant pour but le séchage du bois à l'aide de tem- pératures élevées, et de diriger les efforts vers l'introduction de procédés correspondants dans la pratique industrielle. Pour le séchage de matières tex- tiles et de papiers, des températures dépassant 100 C sont utilisées communé- ment depuis longtemps. Chacun de-ces cas se rapporte cependant au séchage de couche minces de structures très lâches, c'est-à-dire au séchage de matières dans lesquelles le problème du séchage réside dans l'absorption de la quantité d'humidité évaporée à la surface, et non dans les déplacements de liquide dans la matière à sécher proprement dite.
Des efforts ont également été effectués concernant le séchage'de bois sciés ou de rondins dans le but d'appliquer des températures dépassant 100 C, pour obtenir ainsi "un séchage" rapide". D'une manière générale, les procédé connus jusqu'à présent-dans ce but fonctionnent généralement comme suit : on chauffe le bois à l'intérieur d'une chambre de séchage fermée (cham- bre en tôles d'acier), suivant le procédé par circulation, après l'avoir au préalable partiellement arrosé d'eau, et l'air chaud en circulation est ainsi rendu plus humide au moyen de pulvérisateurs ou évaporateurs. Pendant le chauf- fage de la chambre, l'humidité relative de l'air augmente jusqu'environ 30 à 60 .
Lorsqu'on atteint une température de 120 à 130 C dans la chambre, on main- tient cette température, et on ouvre graduellement les vannes d'introduction d'air frais et de sortie de l'air dans le but de poursuivre l'opération de sé- chage à ces températures au moyen d'un mélange d'air chaud et d'air frais sec.
A l'état final de l'opération de séchage, on effectue un balayage partiel ulté- rieur au moyen d, air frais, après l'interruption de la période de chauffage.
Il est exact que dans beaucoup de cas, on peut réaliser par le pro- cédé ainsi décrit une réduction extraordinaire des périodes de séchage, mais l'opération de séchage se produisant de façon trop violentera entraîne la pro- duction de hautes tensions, et provoque ainsi fréquemment de grandes craquelu- res intérieures qui peuvent rendre inutilisables une charge entière de pièces de bois dans la chambre. Pour cette raison, ce procédé de séchage de bois à hautes températures n'a pas eu de succès, et a même abouti à ce que des entre- prises de l'industrie du bois, se prononçant particulièrement au point de vue de la qualité de leurs produits, ont appliqué le procédé de séchage à des tem- pératures inférieures à celles appliquées antérieurement.
Le procédé décrit plus haut pour le séchage à l'aide de températures élevées, n'a pas eu de succès pour la raison qu'on rn'a pas tenu compte physiques existant entre l'humidité du bois et la vapeur surchauf- fée dans le domaine de températures supérieures à 1000. Des essais de labora- toires ont permis de déterminer ces relations, qui ne sont pas faciles à dé- finir au point de vue physique, dans le but de découvrir les conditions de ba- se d'un contrôle nouveau et parfaitement sûr du séchage du bois à l'aide de
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températures élevées.
A ce point de vue, le point de base consiste en un pro- cédé qui, en partant de 1?état d'équilibre de l'humidité du bois par rapport à la vapeur d'eau surchauffée, permet un séchage rapide et économique du bois à l'abri d'erreurs.
Les recherches de base du nouveau procédé conforme à l'invention, ont établi que lorsqu'on chauffe du bois dans une atmosphère d'air dans une chambre à 120-130 C, il a immédiatement tendance à atteindre une teneur en humidité d'environ 4%. Pour cette raison, le bois sera rapidement séché à ce pourcentage d'humidité à sa surface, tout en restant encore très humide à l'intérieur. Le résultat en est la production citée plus haut d'une couche superficielle dure ou incrustée.
Le résultat en est les insuccès obtenus par Inapplication des procédés empiriques antérieurs d'exécution du séchage à l'ai- de de températures élevées
L'état d'équilibre de l'humidité du bois tel que cité signifie qu'à une certaine température de surchauffe d'une atmosphère de vapeur d'eau pure correspond un certain pourcentage d'humidité du bois, existant en équilibre à cette température, Les essais exécutés montrent que pour sécher le bois aux pourcentages d'humidité désirés en pratique, le degré de surchauffe de la va- peur d'eau doit être très modéré.
Si par exemple le bois doit être séché à un pourcentage d'humidité de 7% et si on part d'une atmosphère de vapeur d'eau saturée de 100 , la température correspondante pour atteindre l'état d'équili- bre.dans le bois est d'environ 110 , et cette température ne doit pas être no- tablement dépassée. Pour une teneur en humidité de 4%, la température de sur- chauffe, correspondante est de 120 , et pour une teneur de 10%, elle est d'en- viron 106, La courbe représentant la relation existant entre la teneur en hu- midité du bois et la température de la vapeur d'eau n'est pas une ligne droi- te, mais est représentée par une ligne légèrement courbe aux hautes teneurs en humidité, et qui monte ensuite rapidement à des teneurs en humidité plus basses.
Suivant la présente invention, après'avoir préalablement chauffé le bois par de la vapeur saturée de manière à égaliser la température dans ses différentes parties, on surchauffe la vapeur uniquement par une augmentation de la température limitée seulement à la mesure voulue pour que l'humidité de la matière s'adapte à un état d'équilibré existant dans l'atmosphère de vapeur d'eau ayant déjà la teneur à laquelle la matière doit être séchée. On évite ainsi les modifications de la structure du bois mentionnées plus haut.
On effectue le procédé conforme à l'invention dans une chambre de séchage fermée, dans laquelle on introduit une atmosphère de vapeur saturée de 100 au début de l'opération de séchage (par exemple par traitement par de la vapeur). Pendant cette opération, on évacue l'air de la chambre, de manière que celle-ci- ne contienne pratiquement que de la vapeur d'eau (procédé qui est connu en soi). On surchauffe ensuite la vapeur à une température telle que déterminée plus haut. Ch maintient la pression constante dans la chambre au cours de l'opération de séchage, grâce à ce que la chambre porte une vanne d'échappement par laquelle la vapeur d'eau s'échappe à mesure qu'on expulse l'humidité du bois.
On fait circuler la vapeur d'eau dans la chambre et on la fait passer à travers un appareil de chauffage pendant la période de chauf- rage
Suivant une autre caractéristique importante de l'invention, on aug- mente progressivement la température de surchauffe, de manière qu'elle n'attei- gne la valeur produisant la teneur désirée en humidité du bois soumis au sécha- ge, qu'à l'étage final de l'opération de séchage. De cette façon., on assure en outre qu'un séchage excessif des parties extérieures du bois, accompagné comme conséquence de la formation de croûtes dures, est évité.
Sous ce rapport, le rapport existant entre la teneur en humidité de la matière à la températu- re de saturation de la vapeur,et la teneur en humidité pour laquelle l'équi- libre est atteint dans le bois après la surchauffe de la vapeur à une certaine température, peut être convenablement réglé. Ce rapport doit de préférence être inférieur à 1,8-2,0 et doit de préférence.être compris entre 1,3 et 1,5.
Une réduction de ce rapport en dessous de ces valeurs peut être trouvée utile, quand on doit sécher des variétés de bois de qualités,particulièrement hautes et délicates.
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A titre d'exemple, on suppose qu'une certaine variété de bois ait une teneur initiale en humidité de 50%. On amorce l'opération de séchage en traitant le bois par de la vapeur d'eau saturée à 100 . Au cours de cette opé- ration, la teneur en humidité du bois descend à 25%. Au cours de la surchauf- fe ultérieure on réduit d'abord la teneur en humidité du bois, en se basant sur un rapport de 1,5 tel que défini plus haut, c'est-à-dire à une teneur de 25 : 1,5 = 16,9%, qui correspond à une température de la vapeur de 101,2 .
Lorsque le bois a atteint cette teneur en humidité, on élève la température de la vapeur à 104,6 , qui produit une teneur en humidité du bois de 16,9 : 1,5 = 11,1%.
On peut réaliser progressivement l'augmentation de la température de surchauffe de la vapeur, par exemple en maintenant un rapport déterminé d'a- vance des teneurs en humidité au cours de l'opération de séchage jusqu'à ce qu'on obtienne la teneur en humidité désirée du bois.
Puisque après l'étage de chauffage, la chambre ne renferme théori- quement que de la vapeur surchauffée, l'humidité relative de l'air, qui sans cela est capitale dans le séchage du bois, perd sa signification et n'a par conséquent pas besoin d'être mesurée. La seule mesure devant être effectuée à présent est celle de la température au moyen d'un thermomètre sec.
Dans le séchage dans de la vapeur surchauffée, il n'est plus ques- tion de phénomènes de diffusion pure; l'eau du bois commence à s'évaporer, et la résistance du bois à l'échappement de la vapeur a pour résultat une diffé- rence de pression entre l'intérieur du bois et l'espace de la chambre., qui ac- cèlére l'opération de séchage.
On peut également effectuer le séchage à la vapeur surchauffée à des températures inférieures à 100 , par exemple par l'application d'une pres- sion correspondante inférieure à la pression atmosphérique à la vanne d'é- chappement d'air. Inversement, on peut retarder le séchage à des températures dépassant 100 par l'application d'une pression supérieure à la pression atmos- phérique à la vanne d'échappement d'air.
Dans des expériences de séchage dans les conditions telles qu'el- les se présentent d'habitude en pratique, on atteint des vitesses de séchage qui s'élèvent à environ 0,5 à 0,4% de l'humidité du bois par heure dans l'in= tervalle hygroacopique (compris entre 30 et 6% d'humidité du bois) pour les pièces de sapin, bois de bouleau et bois de chêne ayant une épaisseur de 45- 50 mm, ces chiffres représentant ainsi des vitesses de séchage beaucoup de fois supérieures à celles obtenues généralement jusqu'à présent.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de séchage de matières fibreuses, principalement du bois, dans une chambre de séchage fermée dans laquelle la matière à sécher n'est soumise, après expulsion de l'air, qu'à une atmosphère de vapeur d'eau, où la vapeur d'eau qui s'échappe de la matière au cours de l'opération de sé- chage est enlevée par une vanne d'échappement, caractérisé en ce qu'on chauf- fe préalablement la matière au moyen de vapeur saturée pour égaliser la tem- pérature dans ses différentes parties, puis qu'on surchauffe ensuite la vapeur uniquement par une élévation de la température, effectuée seulement dans une mesure telle que la teneur en humidité dans la matière s'adapte au moins sub- stantiellement à un état d'équilibre de l'atmosphère de vapeur ayant déjà la teneur à laquelle la matière doit être séchée,
et sans qu'ainsi la structure de la matière ne soit modifiée de façon nuisible.
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PROCESS FOR DRYING WOOD OR SIMILAR MATERIALS BY STEAM
OF SUPERHEATED WATER
As a result of the great demand for wood and the growing understanding of the relationship between the most important properties of wood and its degree of dryness, artificial drying of wood has come to acquire ever increasing importance. The first drying plants, in which the drying was carried out by a mixture of flue gas and air, and where the wood was generally badly damaged, leaving entirely aside the danger of fire, were gradually replaced by drying with a mixture of water vapor and air.
The latter process consists of "evaporative" drying, given that indoor conditions (air temperature and relative air humidity) are produced in the installations which cause a drop in the pressure of the air. percentage of moisture in the wood, keeping it below the state of hygroscopic equilibrium. In the case where the wood contains moisture in the form of free water, capillary forces become active to move the moisture to the surface of the wood, while, in the other cases, i.e. if Moisture exists in the form of water vapor or in the form of molecular absorption in the walls of cells, diffusing forces are manifested.
Evaporation is promoted on the surface of the wood by increasing the air speed in the drying installation.
The inherent disadvantage of evaporative drying is that very wet or very dense or thick pieces of wood require extraordinarily long drying periods, and therefore result in high drying costs. In some cases, the cost of drying may exceed the cost of the wood itself.
Another difficulty arises from the fact that the wood is sensitive to errors made when performing evaporative drying. As soon as the conditions inside the drying system no longer correspond to the instructions given, the drying time may be further increased or a high intensity of drying may not be maintained due to the high levels of drying. internal resistances existing in the wood. The oil channels
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moisture directed from the inside to the outside will rupture, and the surface layers dry too hard and harden into a solid crust, and dangerous stresses result which produce structural changes and cracks or cracks in the structure. wood.
In evaporative drying it is necessary to pay constant and special attention to this crusting, so that it can be observed and removed in due time.
An important discovery made in the field of research relating to wood during the past 15 years is the finding that high temperatures have a favorable effect on the swelling properties of wood. It is established, in particular, that temperatures exceeding about 100 C permanently displace the state of hygroscopic equilibrium inside the wood in the sense that wood treated in this way in a certain atmosphere, tends to reach a lower hygroscopic equilibrium moisture content than untreated wood.
The harmful and frequently dangerous phenomena of shrinkage and swelling are correspondingly reduced. It is therefore permissible to speak of a kind of "heat stabilization".
When, moreover, it was established that the rate of drying increases at least proportionally with increasing temperature, it was advisable to carry out experiments aimed at drying wood with the aid of high temperatures, and of direct efforts towards the introduction of corresponding processes into industrial practice. For drying textiles and papers, temperatures in excess of 100 ° C. have long been used in common. Each of these cases, however, relates to the drying of thin layers of very loose structures, i.e. to the drying of materials in which the drying problem lies in the absorption of the amount of moisture evaporated from the surface. , and not in the movements of liquid in the material to be dried itself.
Efforts have also been made with regard to the drying of sawn timber or logs with the aim of applying temperatures in excess of 100 ° C., thereby obtaining "" rapid drying. "In general, the methods known up to present-for this purpose generally work as follows: the wood is heated inside a closed drying chamber (chamber made of steel sheets), following the circulation process, after having previously partially watered it water, and the warm circulating air is thus made more humid by means of sprayers or evaporators.As the chamber is heated, the relative humidity of the air increases to about 30 to 60.
When a temperature of 120 to 130 C is reached in the chamber, this temperature is maintained, and the fresh air inlet and air outlet valves are gradually opened in order to continue the operation. drying at these temperatures using a mixture of hot air and cool dry air.
In the final state of the drying operation, a subsequent partial sweeping is carried out by means of fresh air after the heating period has been interrupted.
It is true that in many cases an extraordinary reduction in the drying times can be achieved by the process thus described, but the drying operation occurring too violently will result in the production of high voltages, and cause thus frequently large interior cracks which can render an entire load of pieces of wood in the chamber unusable. For this reason, this method of drying wood at high temperatures has not been successful, and has even resulted in companies in the wood industry, expressing themselves particularly from the point of view of the quality of the wood. their products have applied the drying process at lower temperatures than previously applied.
The process described above for drying using elevated temperatures has not been successful for the reason that the physical existing between moisture in the wood and the superheated steam in the wood has not been taken into account. temperature range above 1000. Laboratory tests have made it possible to determine these relationships, which are not easy to define from the physical point of view, with the aim of discovering the basic conditions of a new and perfectly safe control of wood drying using
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high temperatures.
From this point of view, the basic point consists of a process which, starting from the equilibrium state of the humidity of the wood with respect to the superheated water vapor, allows rapid and economical drying of the wood. wood error-free.
Basic research into the new process according to the invention has established that when wood is heated in an air atmosphere in a chamber at 120-130 C, it immediately tends to reach a moisture content of about 4%. For this reason, the wood will be quickly dried to this percentage of humidity on its surface, while still remaining very wet inside. The result is the aforementioned production of a hard or encrusted surface layer.
The result is the failure achieved by the application of previous empirical methods of performing drying at elevated temperatures.
The state of equilibrium of the humidity of the wood as mentioned means that at a certain superheating temperature of an atmosphere of pure water vapor corresponds a certain percentage of humidity of the wood, existing in equilibrium at this temperature. The tests carried out show that in order to dry the wood to the moisture percentages desired in practice, the degree of superheating of the water vapor must be very moderate.
If, for example, the wood has to be dried at a humidity percentage of 7% and if one starts from an atmosphere of saturated water vapor of 100, the corresponding temperature to reach the equilibrium state in the wood is about 110, and this temperature should not be significantly exceeded. For a moisture content of 4%, the corresponding superheating temperature is 120, and for a content of 10% it is about 106, The curve representing the relationship between the moisture content. Wood moisture and water vapor temperature is not a straight line, but is represented by a slightly curved line at high moisture contents, and which then rises rapidly at lower moisture contents.
According to the present invention, after having previously heated the wood with saturated steam so as to equalize the temperature in its different parts, the steam is superheated only by increasing the temperature limited only to the extent desired so that the humidity matter adapts to a state of equilibrium existing in the atmosphere of water vapor already having the content to which the matter is to be dried. This avoids the modifications of the structure of the wood mentioned above.
The process according to the invention is carried out in a closed drying chamber, into which a saturated steam atmosphere of 100 is introduced at the start of the drying operation (for example by treatment with steam). During this operation, the air is evacuated from the chamber, so that the latter contains practically only water vapor (a process which is known per se). The steam is then superheated to a temperature as determined above. Ch maintains constant pressure in the chamber during the drying operation, thanks to the chamber carrying an exhaust valve through which water vapor escapes as moisture is expelled from the wood .
The water vapor is circulated in the chamber and passed through a heater during the heating period.
According to another important feature of the invention, the superheating temperature is gradually increased, so that it does not reach the value producing the desired moisture content of the wood subjected to drying, only at 1 hour. final stage of the drying operation. In this way, it is further ensured that overdrying of the exterior parts of the wood, accompanied as a consequence of the formation of hard crusts, is avoided.
In this connection, the ratio existing between the moisture content of the material at the saturation temperature of the steam, and the moisture content at which equilibrium is reached in the wood after the superheating of the steam at a certain temperature, can be suitably adjusted. This ratio should preferably be less than 1.8-2.0 and should preferably be between 1.3 and 1.5.
A reduction of this ratio below these values can be found useful, when it is necessary to dry varieties of wood of quality, particularly high and delicate.
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As an example, it is assumed that a certain variety of wood has an initial moisture content of 50%. The drying operation is initiated by treating the wood with 100% saturated water vapor. During this operation, the moisture content of the wood drops to 25%. During the subsequent overheating, the moisture content of the wood is first reduced, based on a ratio of 1.5 as defined above, that is to say at a content of 25: 1. , 5 = 16.9%, which corresponds to a vapor temperature of 101.2.
When the wood has reached this moisture content, the steam temperature is raised to 104.6, which produces a wood moisture content of 16.9: 1.5 = 11.1%.
The increase in the superheating temperature of the steam can be achieved gradually, for example by maintaining a predetermined ratio of the moisture contents during the drying operation until the content is obtained. in the desired moisture content of the wood.
Since after the heating stage, the chamber theoretically only contains superheated steam, the relative humidity of the air, which otherwise is essential in the drying of wood, loses its significance and therefore has no effect. no need to be measured. The only measurement that needs to be taken now is the temperature with a dry thermometer.
In drying in superheated steam, there is no longer any question of pure diffusion phenomena; the water in the wood begins to evaporate, and the resistance of the wood to the escape of steam results in a pressure difference between the interior of the wood and the chamber space., which ac- This is the drying operation.
The superheated steam drying can also be carried out at temperatures below 100, for example by applying a corresponding pressure lower than atmospheric pressure to the air exhaust valve. Conversely, drying can be retarded at temperatures in excess of 100 by applying a pressure greater than atmospheric pressure to the air exhaust valve.
In experiments with drying under the conditions as usual in practice, drying rates are achieved which amount to about 0.5-0.4% of the wood moisture per hour. in the hygroacopic space (between 30 and 6% wood moisture) for pieces of fir, birch and oak wood having a thickness of 45- 50 mm, these figures thus representing drying speeds many times higher than those generally obtained so far.
CLAIMS.
1.- Method of drying fibrous materials, mainly wood, in a closed drying chamber in which the material to be dried is subjected, after expulsion of air, only to a water vapor atmosphere, where the water vapor which escapes from the material during the drying operation is removed by an exhaust valve, characterized in that the material is preheated by means of saturated steam in order to equalize the temperature in its different parts, and then superheating the steam only by raising the temperature, effected only to such an extent that the moisture content in the material adapts at least substantially to a state equilibrium of the vapor atmosphere already having the content to which the material is to be dried,
and without thereby the structure of matter being adversely modified.