ITRM20110314A1 - Procedimento per la modificazione termica di legname ad alta temperatura all interno di un autoclave a vuoto d ora in avanti per brevita denominato termovuoto - Google Patents

Description

" Procedimento per la modificazione termica di legname ad alta temperatura all’interno di un autoclave a vuoto (d’ora in avanti, per brevità, denominato “TERMOVUOTO†).

Si caratterizza per un innovativo procedimento di trattamento termico del legno ad alta temperatura in autoclave a vuoto, atto a produrre la modificazione della struttura legnosa attraverso le molteplici reazioni chimico-fisiche delle sostanze costituenti la stessa generate dall’esposizione del legno a temperature alle quali inizia il fenomeno di pirolisi (180°C-240°C) impedendone comunque la combustione.

DESCRIZIONE

Il procedimento che ci occupa à ̈ caratterizzato dal fatto che il riscaldamento del legno, per impedirne la combustione, à ̈ eseguito eliminando totalmente l’ossigeno contenuto nella cella grazie ad opportuni artifizi oggetto del presente brevetto, che consistono nel ridurne dapprima drasticamente la quantità iniziale grazie al vuoto parziale creato nella cella che rende l’aria estremamente rarefatta in quanto portata ad una pressione assoluta di 50-350 mBar, e, successivamente, nel “consumarne†totalmente la piccola quantità residua, inducendo una micro-combustione pilotata di una porzione infinitesimale della massa legnosa sottoposta a trattamento. Siffatto fenomeno à ̈ definito dallo scrivente di “auto-inertizzazione del legno“ in quanto à ̈ il legno stesso che genera la propria inertizzazione sacrificando una irrisoria parte di sé. Tali reazioni termochimiche inducono le seguenti macroscopiche modificazioni delle caratteristiche del legno:

1) COLORE: variazione (scurimento) ed omogeneizzazione del colore in tutto lo spessore del legno, la cui intensità può essere controllata tramite opportune regolazioni dei parametri di TERMO VUOTO, ossia temperatura, pressione e tempo di esposizione;

DURABILITÀ’: miglioramento della sua durabilità, nel senso che il legno trattato diventa più resistente agli attacchi di funghi ed altri microorganismi xilofagi e quindi specie legnose “tenere†con classe di durabilità 5 quali conifere (come abete, pino e larice) di facile reperibilità e basso valore economico, possono raggiungere la classe 1, tipica di legni “duri†notoriamente considerati molto durabili (come rovere, castagno e teak), il cui valore economico può essere di 3-10 volte superiore a quello delle conifere; IGROSCOPICITA’ : riduzióne della sua igroscopicità, ossia della sua capacità di assumere o assorbire Tumidità del ambiente circostante, rendendolo quasi insensibile alle variazioni climatiche (temperatura e umidità dell’aria);

STABILITA’ DIMENSIONALE: come conseguenza della riduzione dell’igroscopicità, il legno acquista una grande stabilità dimensionale in riferimento alle variazioni dell’ umidità ambientale, il cui effetto si riflette nella qualità dei prodotti finiti (mobili, parquet, serramenti, strumenti musicali etc.) che diventano praticamente insensibili alle variazioni climatiche;

CARATTERISTICHE MECCANICHE: à ̈ stato rilevato un peggioramento del 10-15% di alcune caratteristiche meccaniche (resistenza a frazione, compressione e taglio), ma un importante miglioramento della durezza: in altri termini il legno termo-trattato diventa un po’ più fragile, ma più duro. Questo fenomeno, che potrebbe essere parzialmente limitativo in riferimento alla realizzazione di travature strutturali po' costruzione edilizia, à ̈ assolutamente vantaggioso in tutte le altre applicazioni, in quanto l’aumento della durezza non solo agevola alcune delle lavorazioni della materia legnosa quali levigatura e verniciatura, ma permette di ottenere manufatti più resistenti alle scalfitture accidentali, risultato fondamentale per la qualità finale dei prodotti finiti, quali parquet, mobili e serramenti etc.

E' bene evidenziare che il legno, ancor prima di essere sottoposto alle temperature di trattamento termico, deve comunque essere essiccato a valori di umidità finale prossimi allo zero, per evitare che l’acqua residua contenuta nelle pareti cellulari della materia legnosa, portata a temperature di 180-230°C, generi delle pressioni tali da produrre il collasso delle stesse, producendo danni irrimediabili.

Preme innanzitutto descrivere l’attuale stato della tecnica in cui la presente invenzione trova applicazione.

Sul punto à ̈ bene chiarire che i processi di trattamento termico del legno attualmente utilizzati nell’industria consistono sostanzialmente nel succedersi delle seguenti tre fasi successive:

1) pre-riscaldamento del legname precedentemente essiccato a valori d’umidità prossimi allo zero di una cella fino a che la sua temperatura raggiunge la temperatura di inizio di pirolisi di circa 180-230°C, con artifici che ne impediscano la combustione;

2) trattamento termico vero e proprio, che consiste nel mantenere il legname alla temperatura prescelta per un tempo prestabilito, impedendone comunque e sempre la combustione;

3) raffreddamento del legno fino a portarlo a temperature comunque sotto 100°C, per poter successivamente esporre all’ambiente esterno senza pericoli di combustione e/o problemi di shock termici della materia legnosa.

Si conoscono attualmente tre tecnologie per ottenere legname trattato termicamente, che qui di seguito descriviamo evidenziandone le caratteristiche e mettendo in luce quelle limitazioni che il processo TERMO VUOTO intende superare.

Trattamento termico alla pressione atmosferica in celle con riscaldamento a vapore surriscaldato (metodo finlandese)

La catasta, composta dal legno preventivamente listellato ed essiccato in altri dispositivi, à ̈ caricata all’interno di una cella opportunamente coibentata e resa impermeabile al vapore, similare ad una cella classica per l’essiccazione del legno, dotata di ventole interne per generare la circolazione attraverso la catasta del fluido riscaldante, nel presente caso vapore surriscaldato a temperatura di 150-230°C, fornito da un generatore di vapore esterno e rigorosamente mantenuto, per motivi di sicurezza, a pressione atmosferica, tramite un condotto e/o camino di sicurezza aperto all’atmosfera di cui la cella deve necessariamente essere dotata per evitare pericolose sovrappressioni interne.

Il legname à ̈ al riparo da innesco di combustione in quanto riscaldato alla temperatura di trattamento termico 180-230°C in un ambiente che risulta inerte, poiché l’aria presente inizialmente (e quindi l’ossigeno in essa contenuto) à ̈ stata sostituita dal vapore surriscaldato.

Le prime due fasi di pre-riscaldamento-e trattamento sono dunque eseguite con la stessa metodologia di circolazione di vapore surriscaldato.

La terza fase di raffreddamento à ̈ eseguita interrompendo l’ingresso di vapore surriscaldato ed iniettando nella cella dell’acqua demineralizzata tramite appositi spruzzatori che provvedono a “polverizzare†il getto di acqua, la quale, trasformandosi istantaneamente in vapore, sottrae calore alla cella di trattamento, nella ragione di circa 540 Kcal per ogni litro d’acqua evaporato, producendo il raffreddamento del legname in essa contenuto; il vapore così generato à ̈ smaltito nell’atmosfera tramite il sopramenzionato “camino†.

Vi sono ovviamente alcune varianti sul metodo di produzione del vapore di riscaldamento, che qui per brevità omettiamo, ma che si riconducono comunque e sempre all’utilizzo di vapore surriscaldato come mezzo di riscaldamento ed inertizzazione della cella.

I limiti di questa tecnica consistono nei seguenti punti: '

essiccazione: il legno da trattare deve essere preventivamente essiccato a bassi valori di umidità in altro dispositivo, quindi raffreddato e, finalmente, introdotto nella cella di trattamento per essere nuovamente riscaldato, con grande spreco di tempo, mano d’opera e, soprattutto, di energia termica;

- riscaldamento: necessità di installazione di un generatore di vapore completo di tutte le sicurezze necessarie per la sua utilizzazione;

- inertizzazione: eseguita tramite iniezione di vapore surriscaldato;

- raffreddamento : per abbassare la temperatura del legno da 230°C a 100°C Ã ̈ richiesta una sottrazione di energia termica pari a circa 45.000 Kcal/m3, cui corrisponde un consumo di acqua demineralizzata di 70-80 litri per ogni m3 di legno trattato e la conseguente produzione di circa 150 m3 di vapore per ogni m3 di legno trattato;

- inquinamento: il vapore d’acqua uscente dal camino della cella fa inevitabilmente da veicolo ad un insieme importante di gas e di sostanze chimiche volatili risultanti dalla trasformazione chimica del legno (resine, emicellulose, cellulosa etc). E’ dunque importante sapere che una camera di trattamento termico cori 10 m3 di stivaggio di legno produce ad ogni ciclo di trattamento 1.500 m3 di vapore potenzialmente inquinante;

- sicurezza: à ̈ evidente che in caso di mancata mancanza di alimentazione elettrica dovuta ad un guasto esterno e/o interno del macchinario, si deve in qualche modo provvedere al mantenimento della temperatura interna per evitare che il vapore di riscaldamento possa condensare all’interno della cella stessa diminuendo drasticamente di volume e richiamando aria dell’ambiente esterno dal camino di sicurezza, col che la massa legnosa potrebbe istantaneamente prendere fuoco.

Tratamento termico ata pressione atmosferica in cella saturata con gas inerte (azoto)

Il procedimento à ̈ analogo a quello precedente, con la variante che interno della cella à ̈ saturato con azoto, che, essendo un gas inerte, impedisce l’innesco della combustione della materia legnosa.

I limiti di questa tecnica consistono nei seguenti punti:

- essiccazione: vedere caso precedente;

- riscaldamento: impianto à ̈ dotato di scambiatori di calore olio diatermico-fluido interno e/o elettrici e di ventole per la circolazione dell’azoto attraverso la catasta di legno;

- inertizzazione: eseguita tramite iniezione di azoto, per cui rimpianto deve essere equipaggiato con un generatore di azoto e/o con un serbatoio di stoccaggio opportunamente dimensionato, in quanto il consumo di gas à ̈ rilevante; rimpianto deve essere inoltre provvisto di un dispendioso analizzatore di concentrazione di ossigeno per garantire che la sua concentrazione sia semp inferiore ai limiti pericolosi.

- raffreddamento: vedere caso precedente;

- inquinamento: vedere caso precedente;

sicurezza: la mancanza occasionale di tensione risulta più facilmente gestibile del metodo precedente; tuttavia una particolare attenzione deve essere dedicata alla costante monitorazione della concentrazione di ossigeno all’interno della cella, per evitare rischi di combustione. Inoltre à ̈ assolutamente necessario prevedere un accurato e sicuro smaltimento dell’azoto di inertizzazione dalla cella al termine del processo, per evitare, all’apertura della stessa, il perìcolo di soffocamento del personale per inalazione di azoto.

Tratamento con vapore surriscaldato in autoclave in pressione

Tale procedimento differisce totalmente dai due precedenti e consiste nell’ introdurre il legno all’interno di un’autoclave opportunamente coibentata ed atta a resistere a pressione interna fino a 19 Bar.

Il riscaldamento viene eseguito iniettando direttamente vapore surriscaldata all’interno dell’autoclave e non prevede quindi dispositivi di ventilazione e/o scambiatori interni.

Il processo avviene secondo le seguenti fasi:

- preriscaldamento: dopo aver eseguito un pre-vuoto con pressione residua di 200 mBar, si immette nella cella vapore surriscaldato prodotto da un apposito generatore, fino a che il legno raggiunge la temperatura di trattamento 180-230°C;

- trattamento: si mantiene la temperatura al valore desiderato tramite opportuna immissione di vapore;

- raffreddamento: eseguito con spruzzaggio d’acqua, come nei metodi precedenti, e termina con un vuoto finale seguito da immissione d’aria esterna.

I limiti di questa tecnica consistono nei seguenti punti:

- essiccazione: vedere casi precedenti;

- riscaldamento: necessità dir installazione di un generatore di vapore completo di tutte le sicurezze necessarie per la sua utilizzazione;

- inertizzazione: eseguita con iniezione di vapore surriscaldato;

- raffreddamento: vedere casi precedenti;

- inquinamento: vedere casi precedenti;

- sicurezza: la cella, in quanto autoclave in pressione, deve essere sottoposta alle verifiche periodiche previste dalla normative vigenti.

Trattamento termico TERMO VUOTO.

II procedimento TERMOVUOTO intende superare tutte le implicazioni negative dei procedimenti attualmente esistenti, mantenendo, peraltro, una qualità del prodotto finale decisamente superiore e più precisamente:

- essiccazione: la cella a tenuta stagna, del TERMOVUOTO à ̈ concepita in modo tale da assolvere alla duplice funzione di essiccatoio sottovuoto e dispositivo per il trattamento termico, così da evitare la trasposizione della catasta di legno da un apparecchio all’altro, con grande risparmio di tempo, lavoro e soprattutto di energia termica.

- riscaldamento: eseguito in vuoto parziale tramite circolazione forzata di aria rarefatta (circuito chiuso) attraverso la catasta di legno ed appositi scambiatori di calore utilizzanti una qualsiasi fonte di energia termica (elettricità, olio diatermico, acqua surriscaldata) senza necessità di alcuna iniezione di vapore e/o azoto e/o di altro gas.

- inertizzazione: il TERMOVUOTO à ̈ un processo di “AUTO-INERTIZZAZIONE†del legno, che non necessita pertanto dell’iniezione di vapore e/o azoto e/o altro gas per rendere inerte l’interno della cella. Per comprendere la dinamica del fenomeno di auto-inertizzazione si deve partire dal fatto che l’intemo della cella-autoclave (coibentata e perfettamente stagna) à ̈ un sistema praticamente adiabatico, che non permette, cioà ̈, scambi di energia con l’estemo.

Ciò significa che, una volta caricato il legname all’interno della cella, il sistema risulta essere completamente isolato e contenente i soli-seguenti elementi : il legno da trattare termicamente e l’aria che ne riempie il restante volume libero interno. Quando il legno raggiunge la temperatura di pirolisi (180°C-230°C) alla pressione di 70-350 mBar, l’atmosfera interna della cella à ̈ formata da aria resa, come visto, molto rarefatta dall’effetto combinato del vuoto e della temperatura, ma pur sempre con un contenuto d’ossigeno che, per quanto ormai molto basso, potrebbe comunque indurre nel legno un innesco di combustione.

Per prendere conoscenza della dimensione e quindi dell’eventuale pericolosità del summenzionato fenomeno di combustione, si vuole conoscere la quantità di massa legnosa che potrebbe essere indotta alla combustione dall’ossigeno esistente nell’aria residua contenuta dentro la cella-autoclave una volta raggiunta il punto di lavora del trattamento.

Per questioni costruttive di geometria, di meccanica ed aerodinamica, qualunque siano le dimensioni interne della cella-autoclave, il rapporto fra il volume libero di aria interna e quello netto di legno stivato à ̈ di circa 3 : 1 = 3: ciò significa che per ogni m3 di legno effettivamente stivato à ̈ disponibile una quantità di ossigeno pari, circa, a quella contenuta in 3 m3 di aria alla temperatura ambiente di 25°C e alla pressione atmosferica di 1013 mBar.

E’ noto dalla fisica che la densità dell’aria varia col variare di temperatura e pressione ed in particolare si riduce all’aumentare della temperatura e al ridursi della pressione.

Alcuni valori significativi per la presente trattazione sono riportati nella seguente Tab.l:

TABELLA 1 : Coeff. di riduzione della densità dell’aria.

Stato deta cella Temperatura Pressione Densità aria Coeff. Riduzione °C mBar Kg/m3 densità aria % Stato iniziale “normale’ 25°C 1013 mBar 1,185 Kg/m3

1° punto di trattamento 180°C<" ->350 mBar 0,269 Kg/m3 - 77 % 2° punto di trattamento 180°C 200 mBar 0,154 Kg/m3 - 87 % 3° punto di trattamento 180°C "70 mBar 0#54 Kg/m3 - 95 % Dalla tabella si deduce che la riduzione della densità dell’aria nel corso del processo à ̈ drastica ed à ̈ compresa fra il 77% ed il 95% rispetto alla densità a pressione e temperatura normali.

Riportando tale considerazione al rapporto volume d’aria interna su volume di legno stivato (che abbiamo visto essere originariamente 3:1 = 3), à ̈ come se la quantità d’aria disponibile si fosse ridotta di un valore pari al Coeff. di Riduzione della densità, ossia secondo la Tab. 2 :

TABELLA 2: Rapporto tra volume aria interna e volume legno stivato. Stato deta cella Temperatura Pressione Coeff. Riduzione Rapporto °C mBar densità % m3 aria/m3 legno tato iniziale “normale†25 °C 1013 mBar 0 % 3 ° punto di trattamento 180°C 350 mBar - 77 % 0,69

/

° punto di trattamento 180°C 200 mBar - 87 % 0,39 ° punto di trattamento 180°C 70 mBar - 95 % 0,15 Dall’analisi dei differenti valori del Rapporto volume aria/volume di legno in vari punti di lavoro si vede come, aumentando la temperatura e riducendo la pressione, la quantità d’aria disponibile si riduca enormemente e con essa la quantità d’ossigeno disponibile per una eventuale combustione.

La chimica insegna che la quantità di ossigeno necessaria per generare la combustione di 1 Kg di massa legnosa in condizioni normali ( e cioà ̈ alla pressione atmosferica ed alla temperatura di 25°C) à ̈ pari circa a quella contenuta in 5 m3 di aria, da cui si può facilmente ricavare la quantità di massa legnosa “bruciabile†per ogni m3 di legno stivato all’interno della cella-autoclave a seconda dei parametri di temperatura e pressione utilizzati durante il trattamento:

TABELLA 3: Quantità di legno combustibile.

Stato della cella Temperatura Pressione Rapporto Quantità di legno °C mBar m3 aria/m3 legno combustibile Kg/m3 ato iniziale “normale’ 25°C 1013 mBar — T 0,6 Kg/m3 ° punto di trattamento 180°C 350 mBar 0,69 0,138 Kg/m3 ° punto di trattamento 180°C 200 mBar 0,39 0,06 Kg/m3 ° punto di trattamento 180°C 70 mBar 0,15 0,03 Kg/m3 Tenuto conto che il Peso Specifico del legno anidro varia, per le specie europee, da 400 a 650 Kg/m3, risulta evidente che la quantità di massa legnosa eventualmente sacrificata nel fenomeno di combustione dovuto all’ossigeno residuo à ̈ infinitesimale e così calcolabile :

TABELLA 4 : Legno di Abete bianco ( 400 Kg/m3) : perdita % di massa per combustione.

Stato della cella Temperatura Pressione Quantità di legno Perdita % massa °C mBar combustibile Kg/m3 per combustione ato iniziale “normale†25°C 1013 mBar 0,6 Kg/m3 0,15 % 1° punto di trattamento 180°C 350 mBar 0,138 Kg/m3 0,0345 % 2° punto di trattamento 180°C 200 mBar 0,06 Kg/m3 0,015 % 3° punto di trattamento 180°C 70 mBar 0,03 Kg/m3 0,0075 % TABELLA 5 t Legno Rovere (650 Kg/m3) : perdita % di massa per combustione.

Stato della cella Temperatura Pressione Quantità di legno Perdita % massa °C mBar combustibile Kg/m3 per combustione tato iniziale “normale†25°C 1013 mBar 0,6 Kg/m3 0,09 % ° punto di trattamento 180°C 350 mBar 0,138 Kg/m3 0,021 % ° punto di trattamento 180°C 200 mBar 0,06 Kg/m3 0,0092 % ° punto di trattamento 180°C 70 mBar 0,03 Kg/m3 0,0046 % Per valutare la pericolosità insita nella combustione delle summenzionate minuscole masse legnose, si deve conoscere la quantità di energia termica sprigionata dal processo chimico esotermico durante la loro combustione.

Tenuto conto che il potere calorico del legno à ̈ , come massimo., pari a 4200 Kcal/kg, si può facilmente calcolare l’energia termica liberata dal processo di combustione :

TABELLA 6 : Energia termica specifica sprigionata dalla combustione del legno durante il procedimento.

Stato deta cella Temperatura Pressione Quantità di legno Energia termica totale °C mBar combustibile Kg/m. Kcal/m3 ato iniziale “normale†25°C 1013 mBar 0,6 Kg/m3 2520 Kcal/m3 punto di trattamento 180°C 350 mBar 0,138 Kg/m3 580 Kcal/m3 punto di trattamento 180°C 200 mBar 0,06 Kg/m3 252 Kcal/m3 punto di trattamento 180°C 70 mBar 0,03 Kg/m3 126 Kcal/m3 Questa energia, anche se fosse sprigionata istantaneamente, non à ̈ in grado di produrre alcuna variazione di temperatura significativa dell’ambiente interno della cella e pertanto non può generare alcun pericolo né alla struttura meccanica, né al legno, né, tantomeno, al personale di controllo.

In realtà l’ossigeno O non à ̈ “sparito†, bensì si à ̈ combinato col carbonio C del legno durante la reazione chimica esotermica di combustione :

C 02 = C02 energia termica

trasformandosi in anidride carbonica, che, essendo un gas inerte, impedisce ogni ulteriore combustione: da qui discende la definizione iniziale secondo la quale il TERMOVUOTO à ̈ un processo di “AUTO-INERTIZZAZIONE†del legno.

Resta evidente che, essendo questa percentuale di legno bruciabile assolutamente insignificante, il fenomeno di ossido-riduzione che sta alla base della combustione di questa minuscola quantità non fa altro che rendere assolutamente inerte l’atmosfera interna della cella, in quanto la piccola percentuale di ossigeno ancora presente nell’ aria residua prima della combustione, combinandosi col carbonio contenuto nel legno, si trasforma in anidride carbonica C02, annullando totalmente il numero di molecole di ossigeno presenti nella cella e rendendo totalmente inerte la miscela finale di gas contenuti nella cella-autoclave TERMOVUOTO.

Vale la pena analizzare le differenti composizioni della: miscela di gas alTintemo della cella prima del raggiungimento della temperatura di pirolisi e durante il processo di auto-inertizzazione del legno causato dal TERMOVUOTO:

PRIMA: Azoto 78% ; ossigeno 21% ; argon 0,9 % ; anidride carbonica 0,04 % ; 0,06 varie,

DURANTE: Azoto 78%; argon 0,9%; anidride carbonica 21,04%; 0,06% varie .

- raffreddamento: tramite un metodo nuovo ed originale, scambiatori di calore provvedono a trasferire il calore del legno della cella (che à ̈ costantemente mantenuta in vuoto parziale ed in ambiente autoinertizzato) alla atmosfera esterna senza immissione di acqua e/o altri gas e senza produzione di vapore inquinante.

- inquinamento: il dispositivo TERMOVUOTO non produce alcun inquinamento dell’ambiente esterno, in quanto dalla sua cella-autoclave, che si trova sempre ad una pressione inferiore a quella atmosferica, non può fuoriuscire alcun gas e/o vapore. L’eventuale piccola quantità di vapor d’acqua residua e/o di gas che si generano durante il trattamento termico son fatti transitare, prima di essere aspirati dalla pompa del vuoto, attraverso un opportuno condensatore che provvede a riconvertirli alla fase liquida, permettendone un facile recupero in un apposito serbatoio, così da poter essere successivamente smaltiti secondo la nonna di legge.

sicurezza: l’unico vero pericolo che si corre nel riscaldare il legname a temperature superiori a 160°C à ̈ quello di innescare la combustione del legno, quando, per cause fortuite, avvenga l’ingresso di aria nella cella di trattamento, sia esso “Trattamento Tradizionale†o TERMOVUOTO.

Tale evento può avvenire per cause esterne al macchinario ( sospensione per guasto dell’ alimentazione di energia elettrica) o per cause proprie del macchinario stesso (guasto o malfunzionamento di un componente del macchinario ).

Qui di seguito sono analizzate le possibili avarie esterne ed interne e la tecnica messa in pratica dal sistema TERMO VUOTO. -Per ovviare a questo inconveniente, a causa del quale tutti gli organi e sensori del macchinario si arresterebbero, TERMOVUOTO à ̈ stato dotato di un sistema di sicurezza composto dai seguenti elementi : -♦ un gruppo di continuità UPS, in grado di intervenire senza soluzione di continuità nel momento della mancanza di tensione generale e di alimentare i dispositivi di controllo (PLC) del macchinario e di sicurezza qui di seguito descritti per un periodo continuativo di almeno 6 ore;

♦ un combinatore telefonico che avvisa immediatamente con messaggio vocale e SMS di allarme i responsabili (fino a 4 persone) dell’a enuta mancanza di tensione;

♦ una pompa a vuoto di sicurezza, dì relativamente piccola capacità, atta a mantenere il vuoto esistente nella cella al giusto valore, impedendo che la pressione nella cella possa risalire, garantendo che la concentrazione d’ossigeno restia valori insignificanti;

Tenuto conto che la pompa a vuoto di sicurezza non ha certamente funzionamento continuo, bensì, grazie alla perfetta tenuta d'autoclave, avrà brevi periodi di marcia alternati a lunghi periodi di arresto, la capacità di alimentazione del gruppo di continuità UPS permetterà al TERMOVUOTO di stare in fase stand-by per un tempo anche superiore alle 24 ore e comunque, in caso di funzionamento continuativo, per un periodo di tempo non inferiore a 6 ore.

Questo rimedio semplicissimo ha l’enorme vantaggio di preservare la materia legnosa mantenendola nelle condizioni attuali, in modo tale da permettere al TERMOVUOTO la ripresa automatica del ciclo di trattamento termico dal punto interrotto, senza perdere nessuna informazione sullo stato attuale del macchinario e del legno ed in massima sicurezza.

Per sopperire al problema della possibilità di guasto di uno dei componenti del macchinario che sono elettrici ( motori, valvole, sensori etc), ogni componente à ̈ supervisionato da un dispositivo ( per esempio: protezioni magneto-termiche, sonde ausiliarie etc ) che segnala immediatamente al controllore PLC a enuta avaria, in modo tale che il PLC possa prendere le adeguate contromisure:

♦ arresto immediato di tutti i componenti

♦ attivazione del gruppo di continuità UPS

♦ invio di allarmi telefonici agli operatori tramite combinatore telefonico 4 attivazione della pompa a vuoto di sicurezza per mantenere la pressione nella cella al valore desiderato

Anche in questo caso, il sistema reagisce immediatamente garantendo la preservazione del legno e permettendo ai tecnici di intervenire per ovviare all’inconveniente e far ripartire l’impianto.

Il dispositivo TERMOVUOTO à ̈ comunque dotato di un sistema d’emergenza contro l’eventualità di incendio del legname contenuto nella cella: tale dispositivo provvede ad inertizzare l’interno della cella tramite immissione d’azoto o di acqua.

Qualora si presenti l’evento remoto di innesco di incendio all’interno della cella TERMOVUOTO per una causa quale, per esempio, una perdita di tenuta stagna che fa penetrare aria ambiente nella cella causando un aumento della concentrazione di ossigeno e quindi l’innesco di combustione, appositi sensori di pressione e temperatura avvisano il controllore PLC che provvede ad attivare il processo di INERTIZZAZIONE RAPIDA, che consiste essenzialmente nelle seguenti operazioni:

♦ arresto immediato di tutti i componenti

♦ attivazione del gruppo di continuità UPS

♦ invio di allarmi telefonici agli operatori tramite combinatore telefonico ♦ introduzione di azoto o spray di acqua nella cella tramite un’apposita elettrovalvola, in modo da saturare il volume interno della cella con un gas o con un vapore, fino a che la pressione interna della cella eguaglia o sia leggermente superiore alla pressione atmosferica, impedendo in tal modo all’aria ambiente di penetrare nella calla e soffocando in ogni caso la combustione del legno.

♦ Ativazione del sistema di raffreddamento, in modo-da abbassare rapidamente la temperatura della cella a valori inferiori a 100°C, molto al di sotto della temperatura di combustione ( 160°C)

DESCRIZIONE GENERALE DEL TROVATO

Da quanto precede risulta evidente che il dispositivo oggeto della presente domanda deve essere in grado di eseguire in successione e/o separatamente i due processi fisici:

1. essiccazione sottovuoto del legno a temperature variabili fra 50°C e 100°, a seconda che si tratti di legni duri o legni teneri, con pressione variabile fra 70-350 mBar;

2. trattamento termico del legno nel vuoto con pressioni assolute comprese nell’intervallo 70-350 mBar e con temperature variabili fra 160-240 °C e composto dalle tre fasi:

- preriscaldamento fino a raggiungere la temperatura di lavoro

- trattamento termico vero e proprio

raffreddamento della massa legnosa tramite un nuovo metodo che non preveda l’uso d’evaporazione dell’acqua per il raffreddamento del legname

11 dispositivo à ̈ composto sostanzialmente dai seguenti elementi:

1) una camera a tenuta di vuoto (autoclave) atta a contenere il legno, dotata di un portellone a tenuta stagna per l’introduzione e l’estrazione del legno

2) un carrello di supporto alla catasta di legname che deve essere sottoposto al trattamento stesso;

3) un sistema di riscaldamento dell’interno della cella, che può essere formato da batterie elettriche, o da radiatori a tubi alettati per il riscaldamento tramite vapore e/o olio diatermico, o da una camicia d’olio diatermico esterna alla cella d’essiccazione; 4) un sistema di ventilazione composto da una serie di ventilatori atti ad trasferire l’energia termica dal sistema di riscaldamenti alla materia legnosa tramite circuitazione del gas interno alla cella ;

5) un gruppo di pompaggio a vuoto, composto da un pompa a vuoto e da un condensatore che à ̈ interposto fra la pompa e la camera di trattamento, cosi da condensare qualsiasi vapore e/o gas uscente dal legno, al fine di poter provvedere al suo stoccaggio in un opportuno serbatoio in modo da poter provvedere al suo smaltimento secondo i requisiti di legge;

6) un sistema di raffreddamento del legno, che può variare nella sua attuazione a seconda della versione del metodo di riscaldamento, ma che comunque non usa spruzzaggio di acqua all’interno della cella;

7) un sistema di sicurezze ed allarmi che permetta di gestire eventuali situazioni di pericolo.

Qui di seguito provvediamo a presentare tre fra le possibili configurazioni del dispositivo TERMOVUOTO;

♦ CONFIGURAZIONE 1: TERMO VUOTO con riscaldamento a resistenze elettriche dirette e raffreddamento a camicia d’aria;

♦ CONFIGURAZIONE 2: TERMOVUOTO con riscaldamento e raffreddamento a scambiatori di calore aria-olio ;

♦ CONFIGURAZIONE 3: TERMOVUOTO con riscaldamento a camicia ad olio diatermico e raffreddamento a scambiatore di calore aria-olio.

Anticipate le tre possibili configurazioni, passiamo alla analisi descrittiva dettagliata di ogni singola previsione applicativa:

CONFIGURAZIONE 1): TERMOVUOTO con riscaldamento a batterie elettriche e raffreddamento ad intercapedine d’aria

DESCRIZIONE DEL DISPOSITIVO :

Con riferimento alla Figura 11 di cui alla tavola allegata, il dispositivo à ̈ composto dai seguenti elementi:

- una cella di trattamento (1) a tenuta di vuoto (autoclave) composta da un cilindro di acciaio preferibilmente inox;

- un carrello di caricamento (2) sul quale à ̈ deposta la catasta di legno da trattare termo-chimicamente (3), formatarda strati di tavole e/o semilavorati di legno separati fia loro da listelli distanziatori per permettere il passaggio del fluido di riscaldamento;

- una porta a tenuta stagna (4);

- un sistema di riscaldamento formato dalle batterie a resistenza elettrica (5A) e (5B);

- un sistema di ventilazione composto dai ventilatori (6A) e (6B) che provvedono, tramite circuitazione dell’aria interna, a trasferire l’energia termica dalle batterie di riscaldamento al legname disposto sulla catasta;

- una involucro di acciaio (7) concentrico alla cella di trattamento (1) e formante con questa un’intercapedine (8) : tale intercapedine comunica con l’atmosfera inferiormente tramite la feritoia (9) che si estende per tutta la lunghezza della camicia stessa, superiormente tramite il collettore d’aspirazione (10) la valvola intercettazione aria (17) ed il ventilatore (11);

- un gruppo di pompaggio a vuoto, composto dalla tubazione di aspirazione (12), il condensatore (14), un serbatoio di recupero e stoccaggio dei vapori condensati (15) e la pompa a vuoto (13);

La cella à ̈ isolata termicamente dall’ambiente esterno tramite la coibentazione Tralasciamo la descrizione del funzionamento del dispositivo come essiccatoio sottovuoto in quanto già noto, essendo stato oggetto di numerosi brevetti ottenuti nel passato dal richiedente e facente parte del know-how concesso in licenza dal richiedente a numerose aziende sia in Italia che all’estero (esempio brevetto USA 4.223.451; brevetto italiano 1187959).

FUNZIONAMENTO DEL DISPOSITIVO

Dopo aver caricato la catasta di legname (3) sull’apposito carrello (2) ed aver introdotto il carrello nella cella di trattamento (autoclave) (1) attraverso la porta (4), si deve provvedere alla sua chiusura ermetica tramite gli appositi dispositivi .

A questo punto può iniziare il ciclo di trattamento vero e proprio che consiste, come visto nell’ introduzione, nella successione delle seguenti 3 fasi:

<â– >FASE 1: pre-riscaldamento del legno

<â– >FASE 2 : trattamento vero e proprio

<â– >FASE 3 : raffreddamento della massa legnosa

FASE 1 ; PRE-RISCALDAMENTO DEL LEGNO

Durante questa fase i ventilatori (6A) e (6B) (secondo gli insegnamenti del brevetto italiano N° 1187959 del richiedente riguardanti il sistema di ventilazione tipo “LO-LA†longitudinale-laterale) provvedono a fare circolare l’aria intern attraverso le batterie elettriche di riscaldamento (5A) e (5B) e la catasta di legname, cosi da trasferire l’energia termica da queste prodotta al legno stesso (ovviamente à ̈ possibile disporre batterie e ventilatori in altro modo, purché la circolazione del fluido risulti egualmente efficiente).

Un sistema di almeno due sonde di temperatura immerse nella corrente d’aria permette di misurare le temperature a monte e a valle della catasta di legname e conseguentemente effettuarne la regolazione secondo il programma definito dall’operatore.

Contemporaneamente il sistema di pompaggio a vuoto provvede ad aspirare l’aria dall’interno della cella (1) fino a raggiungere e mantenere nella cella il valore di pressione assoluta desiderato.

"Secondo la necessità, tale valore può essere compreso fra 70 mBar e la pressione atmosferica (1023 mBar) fino a che la temperatura interna della camera à ̈ inferiore a 180°C, che à ̈ la temperatura alla quale si può innescare nel legno un principio di combustione, dopodiché il dispositivo deve procedere ad abbassare la pressione ad un valore compreso fra 70-350 mBar in modo da garantire che, raggiunta la temperatura di inizio della pirolisi, atmosfera interna sia già estremamente povera d’ossigeno, cosicché, come visto, la quantità di materia legnosa “bruciabile†per fenomeni di ossido riduzione fra l’ossigeno residuo ed il carbonio del legno sia infinitesimale e produca il fenomeno desiderato di “auto-inertizzazione†.

Una sonda di temperatura (18), collocata in un foro praticato al centro di una tavola di legno scelta come campione, permette di misurare & regolare la temperatura di trattamento termochimico, generalmente compresa fra 180°C e 230°C, che può essere raggiunta in vari passi successivi e/o con una pendenza desiderata a seconda del tipo di legno, del suo spessore etc.

FASE 2 ; TRATTAMENTO TERMOCHIMICO VERO E PROPRIO.

Una volta accertato tramite l’apposita sonda cuore legno che la massa legnosa ha raggiunto la temperatura di trattamento desiderata, il dispositivo provvede a mantenere costante tale temperatura per il tempo deciso dall’operatore, la cui durata dipende dal risultato di variazioni delle caratteristiche del legno che si intende ottenere (colore, durabilità, igroscopicità etc), dallo spessore del legno, dal suo tipo etc .. .

In questa fase sono attivi i ventilatori e, quando necessario, le batterie di riscaldamento, nonché il gruppo di pompaggio a vuoto che provvede a mantenere la pressione all’ interno della cella al valore di lavoro, anche questa variabile secondo le esigenze fra 70 e 350 mBar assoluti.

I vapori ed i gas eventualmente prodotti dalla massa legnosa durante il trattamento sono aspirati dalla pompa a vuoto (13), la quale, tramite la tubazione (12) provvede a farli passare attraverso il condensatore (14), dove essi vengono raffreddati fino a farli scendere alla temperatura di rugiada e quindi, trasformati in fase liquida, raccolti nel serbatoio di stoccaggio (15) , da dove, a fine del ciclo, possono essere estratti ed inviati, qualora necessario, allo smaltimento, secondo i requisiti di legge.

FASE 3 : RAFFREDDAMENTO DELLA MASSA LEGNOSA

Terminata la fase trattamento, il legno si trova alla temperatura di 180-230 °C e pertanto non può essere estratto dalla cella se non dopo essere stato raffreddato in atmosfera inerte fino farlo scendere al di sotto di 80°C, per evitarne l’esposizione all’aria ambiente quando ancora si trovi ad una temperatura pericolosa per la combustione, per non sottoporlo a dannosi shock termici ed infine per permetterne la manipolazione senza pericolo di ustioni per l’operatore.

Il metodo usato per il raffreddamento del legno à ̈ nuovo ed originale e consiste nel sottoporre tutta la superficie esterna della cella-autoclave ad un flusso forzato di aria ambiente fresca, così da creare, attraverso la parete della cella stessa, un grande salto di temperatura fra l’interno (180°-230°C) e l’esterno (25°C), che genera un corrispondente flusso di energia termica secondo le note leggi della termodinamica, dove la quantità di calore che à ̈ trasferita all’ambiente esterno à ̈ pari a:

Q =k S (Ti -Te) ove:

K = coeff. di scambio termico dell’acciaio AISI 304

S = superficie esterna della cella-autoclave

Ti = temperatura interna della cella = 180-230°C

Te = temperatura media dell’aria esterna = 25°C

da cui si comprende la grande efficienza della cella-autoclave considerata come scambiatore di calore aria-aria a superficie totale.

Le operazioni di raffreddamento consistono nell’aprire il portello d’intercettazione aria (17), nell attivare il ventilatore (11) che, tramite il collettore superiore (10), provvede ad aspirare l’aria ambiente fresca dalla feritoia inferiore della camicia di raffreddamento (9) e a farla passare nell ’ intercapedine (8) con velocità tale da generare un flusso turbolento che, lambendo esternamente la parete della cella di trattamento (1), ne produce il rapido raffreddamento, instaurando, come visto, un efficientissimo scambio termico fra Tintemo della cella (con tutto il suo contenuto di legno) e l’aria ambiente, senza che fra questi vi sia alcun contatto diretto: grazie a questo artificio termodinamico la parete della cella à ̈ trasformata in uno scambiatore di calore gas-aria a superficie totale a grande efficienza.

I ventilatori interni (6A) e (6B), producendo come visto la circolazione dell’aria interna, provvedono a sottrarre il calore immagazzinato del legno e ad inviarlo alla superficie interna della parete della cella di trattamento, attraverso la quale avviene lo scambio termico ed il trasferimento di energia termica alla corrente d’aria fresca circolante nell’intercapedine.

Tutto ciò avviene nell’assoluto rispetto- dell’ambiente, in quanto non vi à ̈ alcun contatto e/o miscelamento fra il fluido interno (mescolanza di aria, vapori e gas del legno) e l’aria di raffreddamento. Ovviamente l’aria calda uscente dal ventilatore (11) può, nei perìodi invernali, essere recuperata ed utilizzata per riscaldamento di capannoni industriali.

Una volta che il legno à ̈ stato raffreddato alla temperatura desiderata, à ̈ possibile aprire la porta stagna ed estrarre il carrello..

CONFIGURAZIONE 2): TERMOVUOTO con riscaldamento e raffreddamento a scambiatori di calore

II processo à ̈ sostanzialmente uguale a quello del Paragrafo 1.2, con le seguenti varianti tecnologiche (vedi Figura 2) :

- il riscaldamento del legno à ̈ ottenuto tramite radiatori interni (5A) e (5B) nei quali à ̈ fatto circolare olio diatermico riscaldato da una apposita caldaia (7);

- il raffreddamento del legno à ̈ ottenuto deviando, tramite la valvola a 3 vie (8), il flusso dell’olio diatermico dalla caldaia al radiatore esterno di raffreddamento (10), in modo tale da stabilire un flusso di energia termica dai radiatori (5A) e (5B) posti all’interno della cella (ad alta temperatura) all’aria ambiente.

Per l’essiccazione ed il trattamento vero e proprio valgono tutti gli espedienti utilizzati nel precedente Paragrafo.

CONFIGURAZIONE 3): TERMOVUOTO con riscaldamento a camicia ad olio diatermico e raffreddamento a scambiatore di calore aria-olio.

Il processo fisico à ̈ sostanzialmente uguale a quello dei precedenti paragrafi, con le seguenti varianti tecnologiche (rappresentate graficamente dalla Figura 3):

- il riscaldamento à ̈ ottenuto tramite una intercapedine esterna alla cella di trattamento termico del legno (8), nella quale, tramite una pompa (9), à ̈ fatto circolare l’olio diatermico riscaldato da una apposita caldaia (7), cosicché l’intera parete della cella diventa uno scambiatore di calore a superficie totale, in quanto esternamente assume calore dall’olio diatermico ed internamente lo trasferisce all’aria della cella, che viene fatta circolare dai ventilatori (6Λ) e (6B) tangenzialmente alla parete stessa per poi deviare attraversando la catasta di legno.

- il raffreddamento à ̈ ottenuto facendo circolare l’olio diatermico attraverso uno scambiatore di calore aria-olio esterno (10) in grado-produrre il raffreddamento dell’olio e quindi, tramite lo scambio termico della superficie interna, del legno contenuto nella cella di trattamento.

Per l’essiccazione ed il trattamento vero e proprio valgono tutti gli espedienti utilizzati nel precedente Paragrafo.

Claims (1)

1. Rivendicazion i Quanto alle caratteristiche tecniche dell’ invenzione per le quali si chiede la protezione, si precisa che il procedimento per il trattamento termico del legno ad alta temperatura in cellaautoclave a vuoto (c.d. “TERMOVUOTO†) si contraddistingue per le seguenti peculiarità che, in quanto tali, formano oggetto delle seguenti rivendicazioni: Rivendicazione 1): procedimento per il trattamento di modificazione termo-chimica del legno caratterizzato dal fatto che tale modificazione à ̈ ottenuta tramite le molteplici reazioni chimiche delle sostanze costituenti la struttura legnosa generate dall’esposizione del legno a temperature alle quali inizia il fenomeno di pirolisi (180°C-240°C) in cella-autoclave a vuoto mantenendo la pressione interna sempre inferiore alla pressione atmosferica, prevalentemente, ma non esclusivamente, in un intervallo di valori di 70-350 mBar di pressione assoluta, essendo un ciclo di trattamento completo costituito dalle tre fasi di preriscaldamento, di trattamento termico vero e proprio e di raffreddamento della massa legnosa; Rivendicazione 2): procedimento per il trattamento termico del legno ad alta temperatura in cella-autoclave a vuoto secondo la rivendicazione 1), nel quale il riscaldamento del legno, al fine di impedirne la combustione, à ̈ eseguito eliminando totalmente l’ossigeno contenuto nella cella in virtù di peculiari accorgimenti che consistono nel “ridurne†dapprima la quantità iniziale grazie al vuoto parziale creato nella cella che rende l’aria estremamente rarefatta e, successivamente, nel “consumarne†totalmente la piccola quantità residua, inducendo una micro-combustione pilotata di una porzione infinitesimale della massa legnosa sottoposta a trattamento; Rivendicazione 3): procedimento per il trattamento termico del legno ad alta temperatura in cella-autoclave a vuoto secondo la rivendicazione 2) per il quale si produce l’inertizzazione dell’atmosfera interna dell’ autoclave, grazie al fenomeno di ossido-riduzione che sta alla base della micro-combustione del poco ossigeno residuo ancora presente nell’aria rarefatta, nel quale l’ossigeno, combinandosi col carbonio contenuto nel legno, si trasforma in anidride carbonica, annullando totalmente il numero di molecole libere di ossigeno presenti nella cella e rendendo pertanto totalmente inerte la miscela finale dei gas contenuti nella cella-autoclave; Rivendicazione 4): procedimento per il trattamento termico del legno ad alta temperatura in cella-autoclave a vuoto secondo le precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che, grazie ad opportuni accorgimenti, la cella a tenuta stagna può assolvere alla duplice funzione di essiccatoio sottovuoto e dispositivo per il trattamento termico, in modo da provvedere dapprima al essiccazione del legno con temperature comprese fra 50-100°C e pressioni comprese fra 50-350 mBar, in modo da non danneggiar il legno stesso pur abbassandone l’umidità fino a valori prossimi allo zero, e, successivamente, poterlo esporre alle “brutali†temperature del trattamento di modificazione termo-chimica, con temperature di 180-240°C e pressioni di 70-350 mBar, utilizzando sempre la stessa cella; Rivendicazione 5): procedimento per il trattamento termico del legno ad alta temperatura in cella-autoclave a vuoto secondo la rivendicazione 5) laddove il trovato può trovare applicazione per uno solo dei processi, quindi o come essiccatoio, o come trattamento termico; Rivendicazione 6): procedimento per il trattamento termico del legno ad alta temperatura in cella-autoclave a vuoto secondo le precedenti rivendicazioni caraterizzato da una particolare modalità di riscaldamento, che viene eseguito in vuoto parziale tramite circolazione forzata di miscela di gas inerti in circuito chiuso attraverso la catasta di legno ed appositi scambiatori di calore, potendo il dispositivo utilizzare una qualsiasi fonte di energia termica (eletricità, olio diatermico, acqua surriscaldata); Rivendicazione 7): procedimento per il tratamento termico del legno ad alta temperatura in cella-autoclave a vuoto secondo le precedenti rivendicazioni caratterizzato da una particolare modalità di raffreddamento della massa legnosa al termine del trattamento termico, che à ̈ otenuto mediante opportuni sistemi di scambio termico fra l’atmosfera interna della cella e l’atmosfera esterna senza che queste vengano mai in contatto direto tra di loro; Rivendicazione 8): procedimento per il trattamento termico del legno ad alta temperatura in cella-autoclave a vuoto secondo le precedenti rivendicazioni caraterizzato dal fatto che il vuoto parziale mantenuto nella cella-autoclave durante il trattamento à ̈ usato sia per evitare fuoriuscite di vapori e/o gas dalla cella, sia per abbassarne la temperatura di evaporazione (e di conseguenza il c.d. “punto di rugiada†), cosicché gli stessi durante il ciclo possano essere trasformati in fase liquida facendoli transitare attraverso un opportuno condensatore, potendoli quindi recuperare onde provvedere ad un adeguato smaltimento.