A fa hidrotermikus kezelése

| <img src="https://data.tesuli.hu/icon/i04/i4-0002.svg" width="200"> | **A fa hidrotermikus kezelése** Általánosan ismert tény, hogy a természetes faanyagok jelentős része gőz és/vagy forró víz hatására, bizonyos tulajdonságaikat előnyösen megváltoztatják. | | ------------------------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------- | > [!summary]+ összegzés: > > A tudásmorzsa a(z) A fa hidrotermikus kezelése témáját mutatja be. Általánosan ismert tény, hogy a természetes faanyagok jelentős része gőz és/vagy forró víz hatására, bizonyos tulajdonságaikat előnyösen megváltoztatják. A faanyagnak ilyen irányú hőkezelését nemesítésnek nevezzük. ## Faanyagok megmunkálása és alkalmazástechnikája ### A fa hidrotermikus kezelése #### Gőzölés Általánosan ismert tény, hogy a természetes faanyagok jelentős része gőz és/vagy forró víz hatására, bizonyos tulajdonságaikat előnyösen megváltoztatják. A faanyagnak ilyen irányú hőkezelését nemesítésnek nevezzük. A gőzölést mindig egy meghatározott célú faanyag-tulajdonság elérése érdekében végezzük: - a szín megváltoztatása, - a faanyag sterilizálása, - technikai szárítás megkönnyítése, faanyagfeltárás, - szárítási idő csökkentése, - faanyag megmunkálhatóságának javítása, - feszültség csökkentés, - a faanyag telíthetőségének előkészítése, - a vízben oldódó inkruszt anyagok eltávolítása. A faanyag gőzölése azonban nem kívánt hátrányos tulajdonságok kialakulását is eredményezheti: - csökken a hajlító- és néhány egyéb szilárdság, - a gomba- és rovartámadás lehetősége fokozódik, - a fülledés állapota nem javul, esetenként romlik. Általános tapasztalat, hogy: - a gőzölt faanyag vízfelvevő képessége megváltozik; ugyanazon fanedvességtartalom eléréséhez magasabb páratartalomra van szükség, mint a gőzöletlen faanyagnak, - a faanyag gőzölés hatására jól alakítható, formálható (Thonett- hajlítás, tömörítés), - gőzöléssel a szárítási károk mérsékelhetők, de nem szüntethetők meg, - a dagadási és zsugorodási képessége a gőzölés hatására negatív irányban változik, - a gőzölést okvetlenül magas faanyagnedvesség tartalom mellett végezzük, hogy megfelelő és egyenletes színárnyalatot kapjunk, - a fűrészárut vágás után lehetőség szerint azonnal gőzöljük, - a bükk fűrészrész-áru $20 \%$ nedvességtartalom alatt gőzölve alig mutat színváltozást. ##### Gőzölési eljárások Közvetlen (direkt) gőzölés. Közvetlen gőzölés problémamentesen, csak a rosttelítettségi határ feletti faanyagnedvesség-tartalomnál lehetséges, mivel itt közvetlen gőzbefújás történik. Előnye: - a gőzvezeték rendszer rendkívül egyszerű, - a faanyag nemesítéshez alacsony nyomású vízgőz ( $\mathrm{p}=1,08-1,1$ bar) elegendő, - egyszerű a kamra, ill. a gőzölő harang felépítése, - a faanyag alacsonyabb végső nedvességtartalommal rendelkezik. Hátránya: - rendkívül gyors, ezért a faanyag károsodásának veszélye áll fenn, - csak tiszta, olajtalanított gőz alkalmazható, külön gőzkazán szükséges, - a faanyag nedvességtartalmának a rosttelítettségi határ felett kell, hogy legyen ($u=50-80 \%$), - a kondenzvíz elvezetésére elfolyó beszerelését igényli (környezetvédelem!), - érzékeny fafajok gőzölésére nem ajánlott. Közvetett (indirekt) gőzölés. A közvetett gőzölés a faanyag szempontjából kíméletesebb és egyenletesebb kezelést biztosít, valamint a hő-felhasználás szempontból is előnyösebb. A közvetett gőzölés során a gőzölő alján $30-60 \mathrm{~cm}$ magasságú vízfürdőt kell alkalmazni, melyben perforált csőkígyó található. A fűtőközeg (fáradt gőz, esetleg friss gőz, forró víz) a perforáción keresztül bejutva melegít és így elősegíti az egyenletes párolgást. Előnye: - egyenletes és kíméletes faanyag felmelegítést, ill. kezelést biztosít, - gazdaságos üzemeltetés a kondenzvíz visszanyerése miatt, - alacsony olajtartalmú használt gőz is alkalmazható, - nincs szükség nagynyomású forró víz előállítására (kazán), - a kondenzvíz folyamatos elvezetéséről nem kell gondoskodni. **Hátránya** - a direkt fűtésnél kissé magasabb nyomás szükséges ( $1,3-1,4$ bar) tekintettel a hỏátadás módjára, - nagykiterjedésű és költséges csővezeték rendszer kiépítését igényli, - túlnedvesedés léphet fel egyes helyeken a rakatokban a pangó gőz és kondenzáció miatt. ##### Gőzölő berendezések Gőzölő tartályok (autoklávok). A gőznyomás növelhetősége céljából hengeres kivitelben készülnek 1,2-2,5 m átmérővel, 30 m hosszúságig. Előnye: - csekély a hővesztesség a jó szigetelés és a jó tömítettség miatt. - magas korrózióállóság, - megnövelt túlnyomás esetén rövidebb gőzölési idő (3-6 óra), - a gőzölt fűrészáru egyenletes minősége. Gőzölő kamrák. Földbe helyezett, vasbeton falazattal vagy saválló klinker felhasználásával készülnek. A kamara fedelét alumíniumborítású vörösfenyőből, vagy vasbetonból alakítják ki, és a hővesztesség csökkentése érdekében körbefutó „vízzárral” látják el. A gőzölő kamara közvetett, vagy közvetett fútésmódjától függetlenül a csőrendszer csak alumíniumból, vagy rézből készülhet. Gőzölő harangok. A gőzölő harang abban különbözik a kamrától, hogy a faanyagot egy függőleges irányba mozgatható fém burával fedjük le, melynek pereme „U” alakú vízzáró betonhoronyba helyezkedik el. Merevségét idomacél váz biztosítja, ami üzemeltetés szempontjából rendkívül előnyös. ##### A gőzölési idő A fűrészáru gőzölése során három fő szakaszt különböztetünk meg: felfütés, gőzölés és hűtés. Felfűtés: feladata a faanyag feltárása és az előírt maximális gőzölési hőmérséklet elérése a fokozatosság figyelembevétele mellett. A gőzölés kezdetén a gőz egy része érintkezik a hidegebb fa-anyaggal, és hőmérséklete lecsökken. A fa felületére eközben vízgőz csapódik le, melynek következtében a fa felületi rétegei átnedvesednek. A kondenzáció során felszabaduló hőmennyiség felmelegíti a faanyagot és a fában lévő vizet. Ennek eredményeképpen kialakul egy gőz-folyadék gradiens és megindul egy áramlás a gőzölési hőmérséklet elérése érdekében. Gőzölés: a faanyag teljes keresztmetszetű átmelegedését követően a gőzölési hőmérsékletet állandó értéken kell tartani. A legfontosabb feladat a kondenzvíz elvezetés és/vagy 30-60 cm vastagságú párologtató felület biztosítása. Hütés: egyenletes hőmérséklet és relatív páratartalom csökkentés mellett történő gőzölő berendezés nyitás a felületi párolgás és feszültség csökkentés érdekében. A fűrészáru gőzölés idejének meghatározására konkrét számítás módszer nem használnak. Jó kiindulási alapként szolgálhat a rönk gőzölési idő - a faanyag sűrűségtől és átmérőtől függő értékének meghatározása és a korábbi tapasztalati értékek, pl.: - a fűrészáru gőzölésének időigénye elsősorban a fafajtól, a faanyag vastagságától, kezdeti nedvességtartalmától, külső hőmérséklettől és az adott berendezés paramétereitől függ. - a gyakorlati tapasztalat azt mutatja, hogy minél alacsonyabb a kezdeti nedvességtartalom - a megnövekedett felfűtési idő miatt - annál hosszabb ideig kell gőzölni. | Fafaj | Gőzölési hőmérséklet, ${ }^{\circ} \mathbf{C}$ | Gőzölési idő, óra | | :---: | :---: | :---: | | Bükk | $95-100$ | $6-28$ | | Éger | $85-95$ | $6-30$ | | Tölgy, dió | $70-80$ | $8-36$ | | Köris, juhar | $50-60$ | $10-45$ | | Nyír, hárs | $40-50$ | $12-52$ | > [!caption] > Fűrészáru gőzölésének fafajtól függő paraméterei Megjegyzés: A fenti értékek a gőzölés módjától függően, és $\mathrm{v}=25 \mathrm{~mm}$ vastagságnál alkalmazhatók | Fűrészáru vastagság, mm | Felfűtés (óra) | Gőzölés (óra) | Hűtés (óra) | Összesen (óra) | |--------------------------|-----------------|----------------|--------------|-----------------| | 19 – 28 | 5 | 17 | 5 | 27 | | 30 – 40 | 7 | 25 | 7 | 39 | | 45 – 58 | 9 | 33 | 9 | 51 | | 68 – 78 | 14 | 50 | 14 | 78 | | 88 – 98 | 19 | 67 | 19 | 105 | > [!caption] > Gőzölési időtartamok a fúrészáru vastagság függvényében Megjegyzés: A megadott értékek $\mathrm{U}=50-70 \%$ kezdeti fanedvesség tartalomra és $\mathrm{T}=20^{\circ} \mathrm{C}$ környezeti hőmérsékletre vonatkoznak. Ha a környezeti hőmérséklet alacsonyabb a táblázat felfűtési és hűtési értékei $\mathrm{f}=1,2-1,5$ faktorral növelendők. Ha a kezdeti fanedvesség tartalom $\mathrm{U}<30 \%$ akkor a gőzölési időt kell $\mathrm{f}=1,25-1,3$ értékkel szorozni. Abban az esetben. ha: - a faanyag kezdeti nedvességtartalma rosttelítettségi határ alá esik, - nehezen gőzölhető faanyagról van szó (juhar, dió, mahagóni), - cserzőanyagot, gyantát tartalmaz (tölgy, erdeifenyő) akkor főzést célszerű alkalmazni. A főzés ugyan erősebb változásokat okoz a fában, de egyes estekben kíméletesebben és gazdaságosabban alkalmazható (gyanta elszappanosítása szódaoldattal). A főzést általában rönk formában végzik. #### Szárítás ##### Természetes szárítás Szabadlevegős szárítás. A szabadlevegős szárítás során a faanyag nedvességét a levegő relatív páratartalmának, hőmérsékletének és mozgásának hatására változtatja. A száradás folyamata közvetett, ill. közvetlen módon egyaránt függ a napsugárzástól is, ezért változó és szabálytalan annak lefutása. Ismeretes, hogy a meleg levegő több nedvességet tud felvenni, mint a hideg levegő, ezért a mindenkori klimatikus viszonyok döntő befolyással bírnak. Természetes szárítással ennek következtében éves viszonylatban általában $\mathrm{u}=12-18 \%$ végnedvesség érhető el. **A természetes szárítást befolyásoló tényezők** a fafaj, a faanyag sűrűsége, a rakat elhelyezésnek módja (szélirány), a rakat sűrűsége, a rakatokban áramló levegő sebessége, a fűrészáru tér kialakítása, a máglyázás módja és a tűző naptól, esőtöl való védelem. Előnye: - nem szükséges légszáraz állapot eléréséhez mesterséges szárítás alkalmazása, - nagyobb faanyagkészletek száríthatók, - közel egyenletes nedvességtartalom érhető el különösen akkor, ha a légszáraz állapot elérése előtt fedett szín alatti tárolás lehetséges (pl. parkett fríz), - a nehezen szárítható fafajok (tölgy, bükk, akác, erdei fenyő) kíméletesen és egyenletesen adják le nedvességtartalmukat. A természetes szárítás időszükségletét (tájékoztató adatok) a táblázatban foglaltuk össze. | Fafaj | Faanyagvastagság, mm | Száradási idő, nap | | :--- | :--- | :--- | | Erdei fenyő | 25-80 | 75-200 | | Lucfenyő | 25-80 | 60-200 | | Bükk | 25-50 | 70-200 | | Tölgy | 25-50 | 100-300 | | Cser | 25-50 | 60-200 | | Akác | 25-50 | 100-250 | | Nyár | 25-80 | 70-250 | > [!caption] > Fűrészáru természetes szárításának időszükséglete **Hátránya** - a száradási idő időjárás-függő, - légszáraz állapot alá a faanyag nem szárítható, - a szárítási hibák megnövekedhetnek, - nő az átfutási idő (lekötött költségek!). Gyorsított természetes szárítás. A gyorsított természetes szárítást fél-technikai szárításnak is szokták nevezni. Alkalmazását annak köszönhette, hogy a magas nedvességtartalmú faanyagok viszonylag könnyen és gyorsan a rosttelítettségi határig ($\approx 30 \%$) leszáríthatók, mivel a levegő áramlását felgyorsítják (pl. ventilátorok alkalmazásával). ##### Mesterséges, vagy technikai szárítás **a) Konvekciós (elgőzölőgtető) szárítás** Jellemző tulajdonságai: - Hőmérséklettartomány: $30-100^{\circ} \mathrm{C}$; - Alkalmazási terület: valamennyi fafaj; - Nedvességelvonás: bármely kezdőnedvességről 6\% végnedvességig; - Faanyag méret: kötetlen vastagság - Szárítás intenzitás: közepes, gyors (éles) szárítás. Előnye: - valamennyi fafaj, bármilyen kezdőnedvességgel és vastagságban szárítható, - rendkívül nagy szárítási kapacitás is lehetséges, - gyors száríthatóság a magas hőmérséklet miatt, - különböző fűtőanyag felhasználás eredményeképpen energiatakarékos üzemmód (alacsony nyomású vízgőz, melegvíz, forró víz, termo olaj, közvetlen olaj vagy gázfűtés, elektromos energia), - számítógépes vezérlés. Hátránya: - a magas teljesítőképesség miatt hibás szárítás veszélye („éles“ szárítás), - a szárító telepítése általában együtt jár egy modern kazán beszerzésével, - környezetvédelmi probléma a kondenzvíz elhelyezése, - a frisslevegő és elhasznált levegő cseréje — hőkicserélő alkalmazása nélkül — a magasabb energiaszükséglet miatt, relatíve gazdaságtalan üzemeltetést biztosít. A fentiek figyelembevétele mellett is ma még a konvekciós szárítás a legelterjedtebb eljárás. **b) Kondenzációs szárítás** A kondenzációs szárításnál a rakatból kilépő meleg, magas nedvességtartalmú levegőből eltávolítják víz-gőz tartalmának jelentős részét. Jellemző tulajdonságai: - Hőmérséklettartomány: 25-50-(70) ${ }^{\circ} \mathrm{C}$; - Alkalmazási terület: valamennyi fafaj; - Nedvesség elvonás: $70 \% \rightarrow 12 \%(10 \%)$; - Szárítás intenzitás: lassú vagy igen lassú. **Előnyei** - kíméletes szárítást biztosít a vastag nehezen szárítható lombos és exóta fafajok esetén, - villamos energia elviekben bárhol rendelkezésre áll, és elsősorban ott alkalmazható, ahol más energiaforrás nincs, vagy nem áll gazdaságosan rendelkezésre, - nagyobb lehetőséget biztosít a különböző nedvességtartalmú és vastagságú faanyagok esetében, - a hő-visszanyerés által gazdaságos energiafelhasználást biztosít, - előszárítóként nehezen szárítható fafajoknál $20 \%$ nedvességtartalomig ajánlható. **Hátrányai** - hosszabb szárítási idő, és ezáltal növekvő tőkelekötés, - magas üzemi költség, mindenekelőtt az elektromos energiával történő felfűtés miatt, - aránytalanul növekvő energiaköltség és szárítási idő, ha az előírt végnedvesség $12-14 \%$ alatt kell legyen, - a kékülésre hajlamos fafajok (erdeifenyő, lucfenyő) erősen veszélyeztetettek a „melegház klíma" következtében, - tűlevelű és lágylombos fafajoknál gazdaságtalan a szárítás, mivel ezek magasabb hő-mérsékleten gyorsabban száríthatók. **c) Magas hőmérsékletű szárítás** Jellemző tulajdonságai: - Hőmérséklettartomány: $100-130-(150)^{\circ} \mathrm{C}$; - Alkalmazási terület: fenyőfélék; - Nedvesség elvonás: bármely kezdő nedvességről, $6 \%$ ($4 \%$) végnedvességig. - Favastagság: 18-100 mm ; - Szárítás intenzitás: gyors vagy nagyon gyors Előnye: - rendkívül gyors szárítást tesz lehetővé, - nagyobb mennyiségű fenyő fűrészáru szárításánál, - ( $50000 \mathrm{~m}^{3} /$ év felett) gazdaságosabbnak mondható. **Hátránya** - az energiát szolgáltató fűtőanyag hőmérséklete $170^{\circ} \mathrm{C}$ feletti, - a szükséges fútőteljesítmény legalább 5-10-szer nagyobb, mint a hagyományos konvek-ciós szárításnál, - a lombos fák (nyár, nyír, hárs) szárítására csak bizonyos feltételekkel (egyenletes induló nedvesség és faanyag vastagság) alkalmasak, - kemény lombos faanyagok nem száríthatók károsodás (felületi- és belső repedések) nélkül, - magas a hőenergia-szükséglet, - nagyteljesítményű ventillátorok és léghevítők alkalmazása szükséges. **d) Vákuum szárítás** A vákuum szárítás elmélete azon az ismert törvényszerűségen alapul, hogy nyomáscsökkenés hatására a fában lévő víz forráspontja jelentős mértékben lecsökken, ezért a módszer alkalmazásakor ezt használják ki. Egyenletes, ugyanakkor gyors szárítást eredményez, melynek során az alacsony hőmérsékletű szárítás kíméletességét (kondenzációs szárítás) és egy intenzív nedvesség eltávolítást (magas hőmérsékletű szárítás) kell összehangolni. Vákuum-szárításnál a faanyag nedvességének eltávolítása, a légnyomás csökkentésével érhető el. Ilyenkor a kapillárisokból a víz négy-, ötszörös sebességgel távozik, miközben a fa belső rétegei is felmelegednek. **Előnye** - kíméletes és egyben gyors szárítás, - a faanyag belső részei is egyenletesen száradnak, - az alkalmazott 100 mbar nyomásnál elegendő $40-500^{\circ} \mathrm{C}$ hőmérséklet is, - nagysűrűségű és vastag lombos és trópusi fafajok is száríthatók. **Hátránya** - nyomásálló, henger alakú tartály szükséges, mely kb. 0,9 bar vákuum értéket, azaz 90 kN falfelületi nyomást is el kell, hogy bírjon, - nagyobb szárítási kapacitás esetén több szárító szükséges, - jelentős a beruházás igény. **e) Nagyfrekvenciás szárítás.** Elve a dielektromos polarizáció következtében előálló belső hőképződés alapul, melynek során a nedves faanyag dielektrikumként szerepel. A faanyag felmelegedése elsősorban a nagyfrekvenciás váltóáram hatására, a dipól vízmolekulák és ionok belső súrlódásának hatására jön létre. Általában végszárítóként alkalmazzák ott, ahol a villamos energia viszonylag olcsóbb, tehát: Előszárítás: konvekciós úton $15-18 \%$-ig, Végszárítás: nagyfrekvenciás módszerrel 6\%-ig. Előnye: - gyors szárítás, - teljes keresztmetszetben közel azonos nedvességtartalom, - vastag faanyagok is jól száríthatók, - nagymennyiségű rövid, vastag anyag szárítása gazdaságosan megoldható (játékgyártás, kaptafa, fegyvertus, stb.). Hátránya: - érzékeny a magas faanyag kezdő nedvességtartalomra, - az álgesztes bükk és a gyűrűs likacsú lombos fák könnyen károsodnak, - az energiafelhasználás jelentős ( $1-1,5 \mathrm{kWh} / \mathrm{kg}$ víz). **f) Mikrohullámú szárítás** Ez az eljárás a technikai szárítás területén új lehetőségként kínálkozik. A nagyfrekvenciás szárítás egy továbbfejlesztett változata, mely kb. 30\%-kal magasabb teljesítmény leadására képes. **g) Szárítás szerves oldószerben** A nedvességtartalmat a fában hidrofil oldószerek (etilalkohol, aceton, éter) segítségével extrakciós (kivonásos) eljárással távolítjuk el. Az oldószer és víz közötti koncentráció különbség eredményeképpen a nedvesség az extrakt anyagokkal (gyanta, tannin, zsír-savak stb.) együtt távozik el. **h) Szárítás forró olajban** Elméletileg, és fizikai lefolyását tekintve a magas hőmérsékletű szárítási eljárással egyezik meg. A forró folyadékba (lenolaj, paraffin, vagy fémolvadék $\mathrm{T}=60^{\circ} \mathrm{C}$ forrásponttal) helyezett faanyagban a vízgőz nyomása ($\mathrm{p}_{\mathrm{g}}$) nagyobb, mint a forró folyadék ($\mathrm{p}_{\mathrm{f}}$) és a környezeti levegő ($\mathrm{p}_{\mathrm{l}}$) nyomása, mely erős buborékképződéssel jár. **i) Szárítás higroszkópikus vegyszerben** A faanyag védelmi eljárásoknál is említést érdemelt már, mint „kémiai" szárítási mód, melyben oldott anyagok segítségével a száradás sebességét befolyásolni lehet. Az alapelv az, hogy a maximális relatív páratartalom értéke a sóoldatok felett alacsonyabb, mint a közvetlenül párolgó tiszta vízfelszínén ($\mathrm{T}=20^{\circ} \mathrm{C}$; $\mathrm{c} \sim=100 \%$). **j) Szárítás szerves gőzökben** Tulajdonképpen egy desztillációs eljárás, melynek során a faanyag szárításával azonos időben impregnálást is végzünk. Szerves oldószere toluol, xylol, tetracloretilén. Va-lamennyi oldószerre jellemző, hogy nem elegyedik a vízzel. **k) Szárítás préslapok között** A kontakt szárítási eljárás során a faanyagot többemeletes présberendezésekben, nyomás és $\mathrm{T}=170^{\circ} \mathrm{C}$ hőmérséklet mellett kezeljük **) Mélyhűtéses (szublimációs) szárítás** Az élelmiszeriparban már ismert megoldásnak a faiparban, mint módosított vákuumszárítási eljárás nyert kipróbálást. A faanyagot $\mathrm{T}<-30^{\circ} \mathrm{C}$ hőmérsékleti tartományba lehűtve a nedvességtartalom jégállapotba kerül. Ezt követően a hirtelen alkalmazott vákuum együttes hatására a jégből közvetlenül vízgőz keletkezik, akár szabad, akár kötött víz formájában volt jelen a nedvesség a faanyagban. **m) Szárítás sugárzással (IR)** A nap infravörös sugarainak felhasználásával rendkívül jó eredmények érhetők el faanyag szárításánál. Az IR sugárral történő szárításnál a fa adszorbeálja az őt érő sugarakat. Minél magasabb a faanyag nedvességtartalma, annál nagyobb az abszorpció foka, amely akár 6096\% értékhatár között is mozoghat. > [!summary]- kompetenciák > | | | > |---|---| > | <img src="https://data.tesuli.hu/icon/k00/tf-komp.svg" style="width:50px; height:50px; display:block;">[[n0.01669]] | **A fa hidrotermikus kezelése szakmai értelmezése** A hallgató képes a(z) A fa hidrotermikus kezelése fő fogalmait, jellemzőit és alkalmazási következményeit felismerni és röviden megmagyarázni. | > > [!summary]- hivatkozás > #Szabó_Imre, #date_2009, #Faanyagok_alkalmazástechnikája