Sušenje lesa je energetsko najbolj potraten in drag proces v lesni industriji [42]. Velika količina vode, ki jo les vsebuje takoj po poseku, ne zagotavlja dimenzijske stabilnosti in biološke odpornosti. Ker je s tem omejena njegova nadaljnja obdelava in predelava, je sušenje nujna in največkrat prva faza predelave lesa v končne izdelke [43]. Cilj sušilnega postopka je, da v najkrajšem času in pri najmanjši porabi energije kakovostno osušimo les do ravnovesne vlažnosti, ki je najprimernejša za nadaljnjo uporabo [43,44]. Tedaj je doseženo higroskopsko ravnovesje s klimo okolja in les se ne krči oziroma nabreka (les ne vpija in oddaja vlage) [44].
To še dodatno preprečimo z raznimi premazi s kemikalijami (npr. anhidrid ocetne kisline), ki hidroksilne skupine nadomestijo z drugimi hidrofobnimi funkcionalnimi skupinami [45]. Na kvaliteto sušenja vplivajo številni dejavniki (način sušenja, pogoji za sušenje, tehnološka oprema, lastnosti lesa), ki jih nikakor ne moremo obravnavati ločeno [43]. Posušen les je dimenzijsko stabilnejši, biološko odpornejši, ima boljše mehanske lastnosti, zmanjša se mu gostota (posledično je les lažji), kar pripomore k boljši manipulaciji in nižjim stroškom transporta [43,44]. Spremenijo se mu tudi toplotne, energijske, električne in akustične lastnosti [31].
2.5.1 Mehanizem sušenja lesa
Les se suši od zunaj proti notranjosti [46]. S površine lesa najprej izhlapeva prosta voda v okoliški zrak, iz sredine pa se voda giblje v obliki pare ali tekočine proti površini [44]. Sušenje se zaključi, ko je dosežena točka nasičenosti celičnih sten. Tedaj je vlažnost lesa povsod enaka [47]. Od gibanja vode je odvisno, kako hitro se les suši [44]. Proces sušenja traja več časa za
29
debelejši kos lesa ter je 15-krat hitrejše vzdolž vlaken, kot pravokotno na vlakna [47]. Na hitrost sušenja vplivajo še drugi dejavniki [45,47]:
-Temperatura: Višja kot je temperatura okoliškega zraka, večja je hitrost sušenja pri konstantni relativni vlažnosti in kroženju zraka, saj toplejši zrak lahko zadrži več vlage.
-Relativna vlažnost zraka: Manjša kot je relativna vlažnost, večja je hitrost sušenja ob konstantni temperaturi ter kroženju zraka, saj voda izhlapi hitreje, če je okoliški zrak suh.
-Kroženje zraka: Večja kot je hitrost kroženja zraka nad površino sušečega se lesa, večja je tudi hitrost sušenja ob konstantni temperaturi ter relativni vlažnosti.
Gibanje vode v lesu
Posledica sušilnih procesov je gibanje vode skozi strukturo lesa. Gibanje poteka kot masni tok proste ali kapilarne vode in kot difuzijski transport vezane vode in pare. Difuzija vezane vode sestoji iz difuzije vezane vode skozi celične stene in difuzije pare skozi porozno strukturo (celične lumne) (Slika 18) [43].
Slika 18: Pretok vode v lesu med sušenjem [43].
Masni tok vode v lesu
Les je heterokapilaren sistem, ki ga tvorijo celični lumni in piknje, oziroma odprtine v pikenjskih membranah. Porozna prostorska struktura lesa s sklenjenimi medsebojnimi povezavami omogoča učinkovito prevajanje tekoče vode [43,44].
30
Prosta voda se giblje proti površini zaradi tako imenovane kapilarne tenzije (površinske napetosti vode), ki je obratno sorazmerna s premerom meniska. Meniski z majhnim radijem nastanejo, ko se vodna gladina s površine sušečega se lesa umakne v drobne piknje. Pri tem nastane tlačni in vlažnostni gradient. Kapilarni vlek se vzpostavi vse do sredice deske pri zelo prevodnih lesovih. Kadar meniski vztrajajo na površini, vlažnost površine pa ima vsaj vlažnost TNCS, je to stanje, ko se transportirajo maksimalne količine vode ob najmanjši porabi energije [43].
Točka nasičenosti celičnih sten pri sušenju predstavlja točko, ko preidemo iz konstantne hitrosti sušenja v pojemajočo, kar je posledica difuzijskega upora. Ob tem se pojavi tudi vlažnostni gradient, ki povzroči nastanek sušilnih napetosti, te pa ob prekoračitvi trdnosti lesnega tkiva povzročijo trajne deformacije [43].
Difuzijski tok vode v lesu
Za razliko od gibanja vezane ali higroskopske vode je permeabilnost oziroma prevodnost lesnega tkiva pomembna lastnost za transport proste vode. Difuzijski tok vode je značilen za vlažnost lesa pod TNCS. Ta sestoji iz difuzije vezane vode skozi celične stene in difuzije pare skozi celične lumne. Kljub temu, da je difuzija pare od 100 do 1000-krat hitrejša, ta skorajda ne poteka skozi piknje, saj so te premajhne in premalo številčne. Difuzija poteka skozi lumne veliko hitreje kot skozi celične stene. Iz tega sledi, da je difuzijski koeficient odvisen predvsem od količine stenskega materiala (gostote lesa), difuzivnost pa je obratno sorazmerna z gostoto lesa. Najpomembnejši dejavniki, ki vplivajo na difuzivnost lesnega tkiva so: gostota, temperatura, vlažnost, smer toka in usmerjenost vlaken [43].
V radialni smeri je difuzija od 17 do 25 % večja od tiste v tangencialni smeri (Slika 19). Razlog za to so radialno potekajoči trakovi in razporeditev mikrofibril v radialnih smereh. Največji difuzijski koeficient vezane vode je v vzdolžni smeri. Ta je kar 3-krat večji kot v tangencialni smeri ter 2-krat večji kot v radialni smeri. Koeficient difuzije vezane vode je veliko manjši od koeficienta difuzije pare v lumnih [43].
31
Slika 19: Tangencialna, radialna in vzdolžna smer.
Izhlapevanje vode s površine lesa
Okoliški zrak običajno prevzema vlago, ki izhlapi s površine lesa. Količina vlage, ki jo zrak lahko sprejme, je odvisna od nasičenja (ko je zrak 100 % nasičen z vlago, je ne more več sprejemati). Dokler je površina lesa vlažna, je hitrost sušenja konstantna. Ko se vlažnost površine zmanjša, se posledično zmanjša tudi vlažnostna razlika med površino in zrakom. Pri tem se tik pod površino oblikuje difuzijski upor, ki v nadaljevanju upočasnjuje sušenje [43].
2.5.2 Metode sušenja
Ljudje so poskušali sušiti les že odkar ga uporabljajo. Sprva so ga sušili zgolj s pomočjo vetra in Sonca. To metodo še danes uporabljamo in jo uvrščamo med naravne metode. Težava tovrstnih metod je, da so počasne ter odvisne od vremenskih razmer [15]. Prav to je spodbudilo razvoj novih tehničnih postopkov, s katerimi se je začelo umetno sušenje. Prevladujoči mehanizmi, ki nadzirajo pretok vlage v lesu med umetnim sušenjem, so odvisni od higroskopske narave in lastnosti lesa ter tudi od pogojev segrevanja in načina dovajanja toplote.
Različne metode sušenja lahko razvrstimo glede na način prenosa toplote. Toplota prehaja iz toplejših območij proti hladnejšim na tri različne načine, ki jih poznamo kot prevajanje, konvekcija ter sevanje. Čeprav je vpliv vseh treh načinov prenosa toplote vedno prisoten, lahko nastanejo razlike glede prevladovanja določenega načina. V sušilni praksi se prenos toplote običajno pojavi zaradi konvekcije med lesom in okoliškim medijem (kot je zrak), kjer tok
32
toplega zraka, ali drugega ogrevalnega medija, prenaša toploto na površino lesa. Pri prevajanju se toplota prenaša samo znotraj lesa, pri sevanju toplote, ki je redko uporabljen način za sušenje lesa, pa ta prehaja med površino lesa in okoliškim medijem. Čeprav je konvekcija primarni način prenosa toplote v najpogosteje uporabljenih metodah je jasno, da prenos toplote ne poteka samo na enega od treh načinov. Med sušenjem se pojavi kompleksni prenosni proces, ki vključuje vse tri vrste prenosa toplote na različnih ravneh [48].
Danes se najpogosteje uporablja takšen način sušenja, ki temelji na konvekciji (prenos toplote iz krožečega vročega zraka na površino lesa), čemur sledi prevajanje (prenos toplote s površine v sredino lesa). Imenujemo ga konvencionalni način. Ta zahteva znatno količino energije ter dolg čas sušenja za to, da dobimo na koncu visoko kvaliteten les [42,43]. Zaradi tega se za določene namene čedalje večkrat poslužujemo postopkov tehničnega sušenja, ki izkoriščajo prenos toplote s sevanjem. Takšen način sušenja materialov, ki je v zadnjih desetletjih v središču zanimanja, je mikrovalovno sušenje [48]. V nasprotju z običajnim sušenjem na zraku in konvencionalnim sušenjem, ki temeljita na konvekciji, mikrovalovno sevanje prodira in istočasno segreva večino materiala, brez segrevanja okoliškega zraka. To prinaša številne prednosti, kot so krajši čas sušenja, visoka energetska učinkovitost ter izboljšava kvalitete produkta za različne industrijske namene [42]. Temu se lahko približamo zgolj z izpopolnjeno opremo konvencionalnega sušenja [43]. V empiričnem delu sušimo les z mikrovalovi, zato se v nadaljevanju osredotočimo zgolj na to metodo sušenja.
Elektromagnetno segrevanje in sušenje lesa
Elektromagnetno segrevanje in sušenje lesa temelji na delovanju elektromagnetnega polja na les [43]. Les absorbira elektromagnetno valovanje; energijski tok elektromagnetnega valovanja se pri prehodu skozi les eksponentno zmanjša, ker se del energije valovanja pri tem spremeni v notranjo energijo lesa [23]. Pri takšnem načinu se segreva zgolj les (absorber), ne pa tudi okoliški zrak. Ker mikrovalovi prodirajo v notranjost lesa, se segreva tudi notranjost in ne zgolj zunanjost oziroma površina lesa. Na hitrost višanja temperature vpliva specifična toplota, toplotna prevodnost in dielektrične lastnosti lesa ter frekvenca in moč naprave, ki jo uporabljamo za segrevanje z mikrovalovi [48,49]. Takšen način segrevanja, ki se razlikuje od ostalih metod, vpliva na značilno temperaturno polje v lesu, mehanizem ter hitrost sušenja [43].
Za vzpostavljeno temperaturno polje je značilno, da je temperaturni gradient istosmeren z vlažnostnim, kar ugodno vpliva na pretok vode v lesu. Hitrost sušenja se poveča, ko se sredina
33
lesa v električnem polju visoke frekvence segreje na 100 °C in voda začne prehajati iz tekočega v plinasto agregatno stanje. Ker se tlak vodne pare v lesu s tem povečuje, se poveča tudi notranji tlak. Posledično vodna para prehaja iz notranjosti (višji tlak) na površino (nižji tlak). Prevodnost lesnega tkiva postane pomembna pri povečani tlačni razliki. Pri tovrstnem sušenju voda pretežno izpareva. To pomeni, da se tako vezana kot tudi prosta voda izločata v obliki vodne pare, in sicer z difuzijo pare skozi porozno strukturo. Difuzija poteka predvsem v vzdolžni smeri, saj je vzdolžni tok po celičnih lumnih ugodnejši [43].
Konstrukcija mikrovalovne pečice
Tipični mikrovalovni sistem je sestavljen iz dveh glavnih komponent, in sicer iz vira mikrovalov oziroma generatorja ter votline [49]. Mikrovalovno sevanje v pečici proizvaja visoko frekvenčni generator, ki se imenuje magnetron [50]. Tovrstne generatorje so začeli uporabljati okrog leta 1940 v industrijskem mikrovalovnem segrevanju in sušilni opremi.
Takrat so bili zelo dragi, danes pa so takšni magnetroni za 915 MHz in 2,45 GHz relativno poceni, najdemo jih v mikrovalovnih pečicah, ki se jih masovno izdeluje (Slika 20) [49]. V sodobnih mikrovalovnih pečicah so večinoma vgrajeni magnetroni s frekvenco 2,45 GHz.
Frekvenca je izbrana na osnovi pričakovane velikosti ogrevane hrane ter dejstva, da pri tej frekvenci voda zmerno absorbira mikrovalove. Če bi na primer uporabili tako imenovano resonančno frekvenco, pri kateri je absorpcija največja, bi se zaradi majhne vdorne globine močno segrele zunanje plasti, sredica pa bi ostala hladna [23].
Druga glavna komponenta mikrovalovnega sistema je tako imenovana votlina. To je kovinska škatla (Faradayeva kletka), v katero vstopajo mikrovalovi, ki se odbijajo od kovinskih sten in tako ostajajo znotraj pečice. Mikrovalove zadržujejo tudi prozorna vrata pečice, saj so narejena iz kovinske mrežice z luknjicami, veliko manjšimi od valovne dolžine mikrovalov. Zaradi odbijanja mikrovalov znotraj votline pečice, se valovi med seboj seštevajo oziroma interferirajo [23,49]. Posledica interference valov je lahko stoječe valovanje, ki nastane v notranjosti.
Dimenzije pečic so enake večkratniku polovice valovne dolžine, torej takšne, da ustrezajo pogojem za nastanek stoječega valovanja. Porazdelitev polja s površine proti notranjosti materiala, ki ga segrevamo v pečici, tako ni več eksponentna funkcija. V določenih primerih je v središču materiala lahko največja gostota in največje polje [23,42]. Na to porazdelitev polja imajo vpliv tudi dielektrične lastnosti in položaj snovi. Vozli in hrbti pri nastalem stoječem valovanju so vzrok za neenakomerno segrevanje. Zaradi teh v snovi nastanejo hladnejše in
34
toplejše točke. V kolikor uporabljamo mikrovalovno toplotno tehnologijo za sušenje, je posledica neenakomernega segrevanja neenakomerno sušenje, ki lahko povzroči napetosti v snovi [49]. Rešitev te težave je bodisi posebni mešalnik, ki porazdeli sevanje bolj enakomerno, bodisi vrtljiva plošča, ki zagotavlja bolj enakomerno segrevanje hrane kljub neugodni porazdelitvi sevanja [50].
Slika 20: Shema (levo) in fotografija mikrovalovne pečice (desno) [23].
Poleg magnetrona, votline in vrteče plošče, mikrovalovna pečica vsebuje še ventilator za hlajenje magnetrona, pretvornik napetosti ter elektroniko, ki upravlja delovanje pečice.
Elektronika vklaplja in izklaplja delovanje magnetrona, ki deluje ves čas z enako močjo in s tem regulira povprečno moč pečice [23].
Magnetron
Glavni del mikrovalovne pečice je magnetron. Njegova naloga je, da pretvarja električno energijo v mikrovalovno energijo. V ta namen uporablja nizko napetostni izmenični tok in visoko napetostni enosmerni tok. Transformator spremeni vhodno napetost na želeni nivo, kondenzator v kombinaciji z diodo pa odstrani neželene šume (radiofrekvenčne motnje) visoke napetosti ter jo pretvori v enosmerni tok [50].
Magnetron je vakumska elektronska cev, ki sestoji iz električno ogrevane valjaste katode v središču ter cilindrične anode, ki katodo obdaja [23,51]. Anoda ima na notranji strani sodo število krilc, ki so usmerjena proti katodi in se končajo nekaj milimetrov od nje. Med krilci se nahajajo resonančne votline, ki so oblikovane za določeno frekvenco (Slika 21) [23].
35
Slika 21: Shematični prikaz magnetrona [23].
Ko je moč dovedena (običajno od 500 W do 1100 W [17] ), vzbujeni elektroni zapuščajo katodo in gredo v radialni smeri proti pozitivno nabiti anodi, ki privlači elektrone. Trajna magneta, ki sta nameščena ob obeh osnovnih ploskvah anode in je njuno magnetno polje usmerjeno vzdolž osi katode, prisilita elektrone v kroženje okoli katode. Pri prehajanju elektronov mimo krilc anode se poveča pozitivni naboj na enem in negativni naboj na sosednjem krilcu anode, saj sta med seboj povezana. Posledično nastane v delu anode okrog resonančne votline električni nihajni krog. Ta je podoben nihajnemu krogu s kondenzatorjem in tuljavo (Slika 22) [23,50].
Slika 22: Delovanje magnetrona [23].
36 Postopek sušenja
Da pridobimo občutek o hitrosti segrevanja oziroma sušenja v mikrovalovni pečici uporabimo testni vzorec. Ta mora biti čimbolj primerljiv s kosom lesa, ki ga bomo uporabili za merjenje oziroma v druge namene, saj se bo les drugačne vrste, debeline in oblike sušil drugače. S testnim vzorcem najprej preverimo, koliko časa ga lahko segrevamo, da se ne segreje preveč. Po določenem času segrevanja pri najmanjši moči vzorec vzamemo iz mikrovalovne pečice in kar z dlanjo preverimo, ali je topel ali celo vroč. Če vzorec ni vroč, ga lahko postavimo nazaj v mikrovalovno pečico za čas, ki ga določimo glede na to, v kolikšni meri se je segrel pri začetnem segrevanju. Čase segrevanja si sproti beležimo. Postopek ponavljamo toliko časa, dokler vzorec ne postane vroč na otip. Tedaj ga previdno odstranimo iz pečice. Počakamo, da se na zraku ohladi in šele nato nadaljujemo s sušenjem. Na osnovi zabeleženih časov segrevanja testnega vzorca pričnemo s sušenjem kosov lesa, ki jih bomo kasneje uporabili.
Testni vzorec lahko poizkusimo segrevati tudi z večjimi močmi mikrovalovne pečice, a kot smo zapisali v teoretičnem uvodu, s tem tvegamo pojavitev napak v strukturi lesa [52]. Če les prehitro segrevamo, lahko pride do kolapsa (Slika 23). Kolaps ali udor celičnih sten nastane, ko s previsoko temperaturo segrevamo les, katerega vlažnost je še vedno nad TNCS. Na zunaj se kaže kot valovitost, ki je posledica sesedanja celičnih sten (Slika 23). Da se tovrstnim težavam izognemo, moramo les sušiti pri nizki temperaturi, dokler še vsebuje prosto vodo [43,44]. Pogoste so tudi površinske razpoke, ki nastanejo kot posledica krčitvenih napetosti. Ko je vlažnost zunanjih plasti lesa pod TNCS, se te začnejo krčiti. Notranje plasti se krčenju upirajo, saj je vlažnost le-teh še vedno nad TNCS. Zunanje plasti so tako natezno, notranje pa tlačno obremenjene [43].
Slika 23: Kolaps (levo) in površinske razpoke (desno) [44].
37