EFFET DE BOUT ET

M I G E L ESTEBAN BORRERO COLMENARES

EFFET DE BOUT ET ÉVOLUTION DES PROFILS DES PAJ~WÈTRES R\ITRMSÈOUES LORS DU SÉCHAGE SOUS VIDE DISCONTINU

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de 1' Université Lava1

pour l'obtention du grade de maître ès sciences (M. Sc.)

Département des sciences du bois et de la forêt Faculté de forestene et de géomatique

Université Laval Québec

Février 1998

O Miguel Esteban Borrero Colmenares, 1998

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L'auteur a accordé une licence non exclusive permettant à la Bibliothèque nationale du Canada de reproduire, prêter, distribuer ou vendre des copies de cette thèse sous la forme de microfiche/bilm, de reproduction sur papier ou sur format électronique.

L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur qui protège cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation.

REMERCIEMENTS

L'auteur tient à remercier M. Yves Fortin, directeur du présent mémoire et professeur au

Département des sciences du bois et de la forêt, pour l'aide précieuse et l'encouragement

qu'il m'a apportés au cours de la réalisation de ce projet de recherche, ainsi que pour le

support financier obtenu. Je remercie également les professeurs, le personnel technique et

tous les membres du Dépanement des sciences du bois et de la forêt qui m'ont offen leur

appui et leur amitié tout au long de mon séjour au Québec pendant la réalisation de cette

étude.

Enfin. mes remerciements vont à tous ceux et celles qui, d'une façon ou d'une autre. ont

contribué a la réalisation de ce travail.

Ce mémoire de maîtrise a été réalisé grâce à l'obtention d'un prêt-étudiant de la

Fundacion Gran Mariscal de Ayacucho du Venezuela et d'une subvention du Ministère

des Ressources Naturelles du Québec.

............................................................................... REMERCIEMENTS i

. . TABLE DES MAT&RES ..................................................................... . . . i l1

LISTE DES FIGURES ........................................................................... vi

... LISTE DES TABLEAUX ...................................................................... xi11

INTRODUCTION .

CHAPITRE 1 . REVUE DE LITTÉRATURE

1 . 1 Classification des différents types de séchage sous vide ....................................... 4

1.2 Utilisation du séchage sous vide dans le monde ................................................. 1 1

1.2.1 Historique ............................................................................................ 1 1

1.2.2 Situation actuelle du séchage sous vide dans l'industrie ......................... 12

1 -3 Caractéristiques générales du procédé de séchage sous vide discontinu ............. 16

1.3.1 Equipement et régulation ........................................................ -18

1 -3 -2 Programmes de séchage ........................................................................ 20

1.3 -3 Temps de séchage ................................................................................. -21

iv

1 -3 -4 Consommation énergétique ................................................................. -23

................................................................................ 1.3.5 Qualité du séchage 2 8

1.4 Mesure des profils des paramètres intrinsèques de séchage ................................ 29

................................................... 1.4.1 Teneur en humidité ...................... .. 29

1 .4.2 Température ........................................................................................... 33

1.4.3 Pression .................................................................................................. 34

1.4.4 Potentiel hydrique ................................................................................ 35

CHAPITRE 2 . MATÉRIEL D'ESSAI ET MÉTHODES

2.1 Matériel d'essai .................................................................................................. 38

2.1.1 Caractéristiques des espèces étudiées .......................... ...... . . . . . . . . . 38

2.1.2 Détermination de l'effet de bout et de l'effet de longueur ....................... 40

2.1.3 Détermination des profils des paramètres intrinsèques ........................... -43

2.2 Méthodes ........................................................................................................... 44

2.2.1 Séchoir et équipements connexes .......................................................... 44

2.2.2 Détermination de l'effet de bout et de l'effet de longueur ........................ 48

2.2.3 Détermination des profils des paramètres intrinsèques ................... ... ... 54

3.1 Effet de bout et effet de longueur ....................................................................... 59

................... 3.1.1 Essai sur l'érable à sucre ... ............................................ 59

......................................................... 3.1.2 Essai sur le hêtre à grandes feuilles 62

.............................................................................. 3.1.3 Essai sur le pin blanc 64

3.2 Détermination des profils de paramètres intrinsèques ......................................... 67

............... 3.2.1 Courbe de séchage et variation de la teneur en humidité finale 67

............................... 3.2.2 Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité 74

............................................................................ Profils de température 8 1

........................................................................ Profils de pression totale 86

................................................................... Profils de potentiel hydrique 92

................................................................................................... Qualité 97

......................................................................................................... CONCLUSION 99

................................................................................................... BIBLIOGRAPHIE 102

ANNEXE A (données bmtes des mesures de profils de teneur en humidité) ............ 108

LISTE DE FIGURES

Figure 1.1 Installation de séchage sous vide en vapeur surchauffée de marque

................................................................ MOLDRUP (d'après DWT 199 1) 5

Figure 1.2 Coupe transversale d'un séchoir sous vide continu à plaques chauffantes

(d'après Joly et More-Chevalier 1980) .................................................... 7

Figure 1.3 Comparaison des temps de séchage de la planche de Dipterocqds sp.

de 3 cm d'épaisseur pour les procédés séchage conventionnel

(ACC(MT)), sous vide à plaques chauffantes (VPC) et sous

vide/fiéquence radio (VER) (d'après Kanagawa et Yasujima 1993) ............. 9

Figure 1.4 Déroulement d'un cycle de séchage d'un séchoir sous vide discontinu

................ avec le système de récupération d'énergie (d'après Aléon 1979) 14

Figure 1.5 Schéma du séchoir sous vide à presse de Maspell (d'apres Vacutherm

Inc. 1987) ............................................................................................. 15

Figure 1.6 Coupe transversale d'un séchoir sous-vide discontinu (d'après Joly et

More-Chevalier 1980 ) .............................................................................. 1 7

Figure 1.7 Schéma d'un séchoir de type LO-LA et des éléments de ventilation

............................................................................ (d'après Pagnozri 1987) 19

Figure 1.8

Figure 1.9

Figure 1.10

Figure 1.1 1

Figure 1.12

Figure 1.13

Figure 1.14

Figure 1.1 5

Figure 1.16

ni

Pompe à anneau liquide Sihi: a) coupe transversele, b) aspect externe

......................................................... ............. (d'après Sihi 199 1). ...... 19

Relation entre l'humidité relative, la température et la pression totale

................................................................................. (d'après D WT 1 99 1 ) 22

Courbe de séchage pour des carreltes de hêtre de 100 mm de côté lors du

séchage sous vide discontinu (adapté de Aléon 1979) ................................ 24

Courbe de séchage pour des avivés d'érable et d'épinette de 50 mm

d'épaisseur lors du séchage sous vide discontinu (adapté de Defo et al-

........................................................................................................ 1994) 24

Allure théorique d'une courbe de séchage pour les procédés à air chaud

................................... climatisé (adapté de Joly et More-Chevalier 1980). 30

Évolution des profils transversaux de teneur en humidité dans le bois

d'érable lors du séchage sous vide discontinu (d'aprks Defo et al. 1994) .. 32

Variation de la teneur en humidité h a l e suivant la longueur des débits

pour les rangs supérieurs de la pile lors du séchage du cèdre de l'Ouest

avec le procédé V/FR (adapté de Avrarnidis et al. 1994) ....................... .... 32

Évolution de la température à différents niveaux de l'épaisseur dans le

bois d'érable durant un cycle de séchage sous vide discontinu

(réchauffement: 0-30 min; vide: 3 0-1 20 min) (d'après Defo et al. 1 994) . . 3 3

Évolution de la pression totale dans le bois d'érable et dans le cylindre

durant la phase de vide 1 (H=S4,2%) lors du séchage sous vide

discontinu (d'a~rès Defo et al. 1994) ........................................................ 34

Figure 1.17 Évolution des profils de teneur en humidité et de potentiel hydrique au

cours du séchage à air forcé d'un morceau de peuplier faux-tremble à

partir de l'état vert (d'après Guillemette et Fortin 1987) ........................... 36

Figure 1.18 Évolution du potentiel hydrique a 11 mm de la surface d'un débit

d'érable de 50 mm d'épaisseur lors du séchage sous vide discontinu

(d'après Fortin 1994) ................................................................................ 3 7

Figure 2.1 Coupes microscopiques transversale, tangentieile et radiale de: a) érable

à sucre; b) hêtre à grandes feuilles; c) pin blanc (d'après Panshin et de

........................................................................................ Zeeuw 1 980).. 39

Figure 2.2 Méthode de découpage des morceaux de pin blanc pour les essais sur

................. ..............-..... l'effet de bout et l'effet de longueur ...... 4 1

Figure 2.3 Méthode de découpage des morceaux d'érable et de hêtre pour les essais

sur I'effet de bout et I'effet de longueur: a) premier madrier; b) . .

................ deuxieme madrier. .. ............................................................. 42

Figure 2.4 Méthode de découpage des morceaux d'érable, de hêtre et de pin pour la

mesure des profils des paramètres intrinsèques: a) premier madrier; . .

b) deuxieme madrier ............... .. .............................................................. 43

Figure 2.5 Vue extérieure de I'ensemble du séchoir .................................................... 45

Figure 2.6 Schéma de l'ensemble des dispositifs d'acquisition de domees et de

régulation du séchoir ................................................................................. 45

ix

Figure 2.7 Vue en coupe de l'hygromètre à themocouple Wescor PST-55 (d'après

....................................................................... Guiliemette et Fortin 1987) 47

Figure 2.8 Affichage à l'écran de la fenêtre principale de fonctionnement du logiciel

de régulation du séchoir ........................................................................... 48

Figure 2.9 Séchoir expérimental et arrangement de la charge de bois .......................... 49

Figure 2.10 Disposition des morceaux d'érable et de hêtre dans le séchoir pour les

essais sur l'effet de bout et l'effet de longueur ........................................... 50

Figure 2.11 Disposition des morceaux de pin blanc dans le séchoir pour les essais sur

l'effet de bout et l'effet de longueur .......................................................... 51

Figure 2.12 Disposition des débits dans le séchoir pour la mesure des profils des

paramètres intrinsèques de séchage ........................... .. ........................... 5 5

Figure 2.13 Schéma de la disposition des capteurs dans le morceau utilisé (no 4.1)

pour la mesure des paramètres intrinsèques de séchage ............ ... .......... 56

Figure 3.1 Courbes de séchage du bois d'érable obtenues lors de l'essai sur l'effet de

bout: (1) morceau long avec bouts non scellés; (2) morceau long avec

bouts scellés.. ............................................................................................ 60

Figure 3.2 Courbes de séchage du bois d'érable obtenues lors de l'essai sur l'effet de

longueur: (2) morceau long avec bouts scellés; (2.2) morceau court avec

bouts scellés.. ............................................................................................ 61

Figure 3.3 Courbes de séchage du bois de h ê e obtenues lors de l'essai sur I'effet

de bout: (1) morceau long avec bouts non scellés; (2) morceau long avec

bouts scellés .............................................................................................. 63

Figure 3.4 Courbes de séchage du bois de hêtre obtenues lors de l'essai sur l'effet de

longueur: (2) morceau long avec bouts scellés; (2.2) morceau coun avec

............. ............................................. bouts scellés ... 63

Figure 3.5 Courbes de séchage du bois de pin obtenues lors de l'essai sur l'effet de

bout: (1) morceau long avec bouts non scellés; (3) morceau long avec

.................................................................. ................... bouts scellés. .., 65

Figure 3.6 Courbes de séchage du bois de pin obtenues lors de l'essai de séchage

sur I'effet de longeur: (2) morceau long avec bouts scellés; (2.1 ) et (2.2)

morceaux courts avec bouts scellés ........................................................... 66

Figure 3.7 Courbes de séchage du bois d'érable obtenues lors de l'essai sur la

mesure des profils des paramètres intrinsèques. ......................... ....... 69

Figure 3.8 Courbes de séchage du bois de hêtre obtenues lors de l'essai sur la

mesure des profüs des paramètres intrinsèques .......................................... 70

Figure 3.9 Courbes de séchage du bois de pin obtenues lors de l'essai sur la mesure

des profils des paramètres in t~seques .................................................... 70

Figure 3.10 Évolution de la teneur en humidité au cours du séchage du bois d'érable

le long du débit no l (humidité moyenne des carottes) ................................ 74

Figure 3.1 1 Évolution de la teneur en humidité au cours du séchage du bois de hêtre

................................ le long du débit no l (humidité moyenne des carottes) 75

Figure 3.12

Figure 3.13

Figure 3.14

Figure 3.15

Figure 3.16

Figure 3.17

Figure 3.1 8

Figure 3.19

Figure 3.20

Évolution de la teneur en humidité au cours du séchage du bois de pin le

long du débit no 1 (humidité moyenne des carones) ..............-.-.--.-.. ..-...--. . 75

Évolution de la teneur en humidité dans l'épaisseur du débit no 1 au cours

du séchage du bois d'érable (moyenne de trois carottes) ...................... . - - - - - 77

Évolution de la teneur en humidité dans I'épaisseur du débit no 4.2 au

cours du séchage du bois d'érable (moyenne de trois carottes) .............. .... 77

Évolution de la teneur en humidité dans I'épaisseur du débit no 1 au cours

du séchage du bois de hêtre (moyenne de trois carottes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78


cours du séchage du bois de hêtre (moyenne de trois carottes) .................. 78

Évolution de la teneur en humidité dans l'épaisseur du débit no 1 au cours

du séchage du bois de pin (moyenne de trois carottes) ............................... 79


cours du séchage du bois de pin (moyenne de trois carottes) ..................... 79

Évolution des profils de température au cours du séchage du bois

d'érable: a) cycles 8, 9, 10, 1 1; b) cycles 22, 23, 24, 25 ; c) cycles 38,

39, 40, 41 ................................................................................. 82

Évolution des profils de température au cours du séchage du bois de

hêtre: a) cycles 4, 5, 6, 7; b) cycles 25, 26, 27, 28; c) cycles 40,41,

xi

Figure 3.21 Évolution des profils de température au cours du séchage du bois de pin:

a) cycles 1, 2, 3; b) cycles 7, 8, 9, 10; c) cycles 27, 28, 29, 30 ................. 84

Figure 3.22 Évolution de la pression totale dans le bois au coun du séchage du bois

d'érable: a) vide 1 ; b) vide 29; c) vide 5 1 . . . . . . . ... . ... . . ..... . . . ... . . . .. ...... . . . . . . . - 87

Figure 3.23 Évolution de la pression totale dans le bois au cours du séchage du bois

de hêtre: a) vide 1; b) vide 3 1; c) vide 45. ................--..-.------m.. ..... . . . . 88

Figure 3.24 Évolution de la pression totale dans le bois au cours du séchage du bois

de pin: a) vide 1; b) vide 12; c) vide 3 1 ................. ................................... 89

Figure 3.25 Évolution du potentiel hydrique du bois au cours de la période de vide

lors de l'essai de séchage avec l'érable: a) vide 1; b) vide 5; c ) vide 8;

d) vide 12.. . . . . . . . . . . ... . .. . .. . .... . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . - - 93


lors de l'essai de séchage avec le hêtre: a) vide 1; b) vide 5; c) vide 1 1;

d) vide 14.. . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . .. ... . .. . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . - . . . . 94


lors de I'essai de séchage avec le pin: a) vide 1; b) vide 3; c) vide 5;

d) vide 8 .................. . .................................................................... 95

Figure 3.28 Aspect des débits no 2 de la deuxième série d'essais après séchage ............. 98

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 Comparaison des caractéristiques de transfert de masse et d'énergie de

différents systèmes de séchage sous vide (d'après Lwigo 1 1993) .............. 9

Tableau 1 -2 Comparaison des caractéristiques de planches Y4 de chêne rouge

séchées par trois procédés différents (adapté de Lamb et Wengert 1 993) . . 10

Tableau 1.3 Temps de séchage typiques (d) pour le séchoir sous vide continu à

..................... ..... presse de Maspell (d'après Vacutherm Inc. 1987) .... 15

Tableau 1.4 Programme de séchage pour appareils à vide discontinu en fonction de

des groupes d'espèces, des catégories d'épaisseurs et des gammes de

teneurs en humidité (d'après Joly et More-Chevalier 1980 ) ..................... 22

Tableau 1.5 Temps de séchage moyens (d) pour les débits de 27 mm d'épaisseur en

fonction du procédé, de la teneur en humidité cible et du groupe

d'espèces (d'après Joly et More-Chevalier 1980) ...................... .... ..... 25

Tableau 1.6 Consommation énergétique par litre d'eau de différents procédés de

séchage (d'après Joly et More-Chevalier 1980 .......................................... 27

Tableau 2.1 Programme de séchage utilisé pour les essais sur l'effet de bout et I'effet

.... de longueur: a) érable à sucre; b) hêtre à grandes feuilles; c) pin blanc. 53

Tableau 2.2 Programme de séchage utilisé pour les essais sur la mesure des profils

des paramètres intrinsèques: a) érable à sucre; b) hêtre à grandes

................................................................................. feuilles; c) pin blanc 58

Tableau 3.1 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois d'érable au cours de

....................... 1' essai de séchage sur l'effet de bout et l'effet de longueur 60

Tableau 3.2 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de hêtre au cours

de l'essai de séchage sur l'effet de bout et l'effet de longueur ................... 62

Tableau 3.3 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de pin au cours de

................... l'essai de séchage sur l'effet de bout et de l'effet de longueur 64

Tableau 3.4 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois d'érable au cours de

... l'essai de séchage sur la mesure des profils des paramètres intrinsèques 68

Tableau 3.5 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de hêtre au cours

de l'essai de séchage sur la mesure des profils des paramètres

.............................................................................................. intrinsèques 68

Tableau 3.6 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de pin au cours de

... l'essai de séchage sur la mesure des profils des paramètres intrinsèques 69

Tableau 3.7 Teneur en humidité mesurée à la fin du séchage du bois d'érable a

différents positions de la longueur et de l'épaisseur du débit ................... .. 72

Tableau 3.8 Teneur en humidité mesurée à la fin du séchage du bois de hêtre à

..................... différents positions de la longueur et de l'épaisseur du débit 73

Tableau 3.9 Teneur en humidité mesurée à la fin du séchage du bois de pin à

différents positions de la longueur et de l'épaisseur du débit ..................... 73

Tableau Al Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit

d'érable no 1 (4 C: 15 cm des extrémités; B: centre du débit) ............... 109

Tableau A2 Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit

............ d'érable no 4.2 (4 C: 1 5 cm des extrémités; B : centre du débit) 1 10


............... de hêtre no 1 (A C: 15 cm des extrémités; B: centre du débit) 1 1 1


........... de hêtre no 4.2 (4 C : 15 cm des extrémités; B: centre du débit). 1 12

Tableau AS Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit

............. de pin no 1 (A C : 1 5 cm des extrémités; B : centre du débit). ... . 1 1 3


de pin no 4.2 (A C: 15 cm des extrémités; B: centre du débit) ............... 114

INTRODUCTION

Le séchage ariificiel du bois s'avère de plus en plus une condition indispensable à sa

mise en marché. Plus qu'un mal nécessaire, le séchage se veut une étape cruciale de la

transformation primaire du bois en vue d'une utilisation optimale de la ressource forestière.

Pour ce faire, on a le choix entre divers procédés qui peuvent a re regroupés en trois grandes

catégories: 1) le séchage à basse température (TcSO°C) où l'on retrouve le préséchage et le

séchage par déshumidification en début de cycle; 2) le séchage à moyenne température

(50°C(T<1000C) qui comprend le séchage par deshumidification (P.A.C.). le séchage à air

chaud climatisé à moyenne température (A.C.C.(M.T.)), communément appelé séchage

conventionnel, et le séchage sous vide; 3) le séchage a haute température (P10O0C) où l'on

retrouve le séchage à air chaud climatisé à haute température (AC.C.(H.T.)), le séchage à

fiequence radio et le séchage micro-ondes.

Le présent projet porte sur le procédé de séchage sous vide discontinu, lequel est

caractérisé par l'alternance de phases de chauffage et de vide. Lorsque le séchage sous vide

discontinu est utilisé, deux phénomènes contribuent à accélérer la vitesse de séchage. II y a

d'une part création d'un gradient de pression totale et d'un gradient de température qui sont

favorables au mouvement de I'eau du centre du débit vers la surface. D'autre part, le vide

abaisse la température d'ébullition de l'eau, d'où une intensification de l'évaporation en

surface et à l'intérieur du bois. Le séchage sous vide discontinu est de deux à quatre fois plus

rapide que les procédés à air chaud climatisé et pemet généralement l'obtention d'un produit

d'excellente qualité.

Le potentiel de ce procédé est très grand comme en font foi les nombreuses

installations de séchage sous vide discontinu en Europe. En Amérique, ce potentiel fût

jusqu 'a ce jour peu exploité. Au Québec, plusieurs industriels projettent cependant d'avoir

recours au séchage sous vide dans un avenir rapproché afin de raccourcir leur temps de

séchage ou de rendre plus flexibles leurs installations. Même s'il existe plusieurs variantes

intéressantes du séchage sous vide qui fonctionnent en continu, le séchage sous vide

discontinu demeure toujours une option valable à considérer.

A f h de bien évaluer les avantages et les inconvénients de ce procédé pour le séchage

de nos espèces indigènes, il est important de bien comprendre les mécanismes de base de

transfert de masse et de chaleur au cours des diverses phases de chauffage et de vide.

Le but principal de ce travail était de déterminer l'importance relative des penes

d'humidité suivant l'épaisseur et la longueur des débits (effet de bout) au cours du séchage

sous vide discontinu et de suivre l'évolution des profils transversaux des paramètres

intrinsèques de séchage dans des bois de stmctures anatomiques différentes. Les objectifs

spécifiques étaient: 1) évaluation de l'effet de bout; 2) évaluation de l'effet de longueur par

rapport au dimensionnement des planches témoins; et 3) mesure de l'évolution des profils de

teneur en humidité, de température, de pression totale et de potentiel hydrique dans le bois au

cours du séchage sous vide discontinu. Le projet a débuté par la construction d'un séchoir

sous vide à paxtir d'un cylindre d'imprégnation. Un logiciel de régulation fut développé pour

l'opération automatique du séchoir. Trois espèces ont été considérées pour les essais, soit

l'érable a sucre, le hêtre à grandes feuilles et le pin blanc.

Le premier chapitre de ce mémoire porte sur une revue de littérature qui présente

l'historique du séchage sous vide en général ainsi que les caractéristiques propres au séchage

sous vide discontinu. Le deuxième chapitre présente une description de la méthodologie et du

matériel d'essai utilisés dans cette étude. Le troisième chapitre porte sur la présentation et la

discussion des résultats obtenus.

3

Le présent travail devrait constituer une source très utile de connaissances pratiques et

scientifiques sur le séchage sous vide discontinu. 11 vient combler plusieurs lacunes

existantes dans l'opération du séchage sous vide discontinu et la compréhension des

mécanismes de transfert de masse et de chaleur qui régissent ce procédé. Enfin, ce travail

devrait donner aux industriels intéressés par ce procédé une idée plus précise de son potentiel

vis-à-vis les espèces étudiées.

1.1 Classification des diflérents types de séchage sous vide

Dans le séchage artificiel du bois, l'apport d'énergie calorifique est nécessaire pour

réchauffer et au besoin humidifier l'air ambiant, pour évaporer I'eau du bois et pour réchauffer

le bois au-dessus de la température ambiante de façon à favoriser le mouvement de I'eau dans

le bois. L'un des critères de base pour la classification des diffërents procédés de séchage sous

vide est la nature de la source de chauffage: la chaleur peut alors être transmise au bois par

convection, conduaion ou rayonnement.

Si la transmission de chaleur se fait par convection, on parle soit de séchage sous vide

discontinu où il y a alternance de phases de réchauffement et de vide, soit de séchage sous

vide continu en vapeur surchauffée. Le premier procédé est décrit en détail à la sedion 1.3;

quant au dernier procédé, la vapeur surchauffée est circulée sous vide partiel à travers la pile

de bois à une vitesse très élevée. La vapeur surchauffée avec ses propriétés absorbantes capte

l'humidité à la surface du bois et transmet en même temps sa chaleur au bois. Le surplus

d'humidité est alors condensé sur un élément fioid ou simplement aspiré par la pompe à vide.

La figure 1.1 montre les différentes composantes d'une installation de séchage sous vide en

vapeur surchauffée.

1) *yt 2) Cbuiatt 3) vcntil.taps

4) Rampc&-' 5) Ponipc i cirarluiai de M a g e 6) Pompe i vide pour te vide initial 7) Poaipe rspirrntt d'air 8) Cuve & aoduge pour l'eau & &idkanent 9) a i ~ d c ~

Figure 1.1 Installation de séchage sous vide en vapeur surchauffk de marque MOLDRUP (d'après DWT 1991)

6

Si la transmission de chaleur se fait par conduaion, on parle de séchage sous vide

continu sur plaques métalliques chauffites. A l'instar du séchage sous vide en vapeur

surchauffée, ce procédé a l'inconvénient de maintenir la température de la surface du débit

supérieure à celle du mur, ce qui induit un gradient de température défavorable à la

circulation de l'eau. Le fait que le vide se fasse en continu compense cependant largement

pour cet inconvénient. Tel qu'observé à la figure 1.2, le bois est disposé par couches

successives sur des plaques de conception identique à celle des plateaux d'une presse

chauffante. Celles-ci sont constituées de deux feuilles d'aluminium entre lesquelles circulent

un tube en serpentin véhiculant un fluide chauffant. Dans certains cas, le tube serpentin peut

être remplacé par des résistances électriques. Il y a autant de plaques, plus une. que de

couches de bois. Les plaques constituent en quelque sorte les baguettes utilisées pour le

séchage traditionnel.

Les plaques sont reliées par des tuyaux flexibles à la source d'énergie qui est générée

soit par une petite chaudière ne fonctio~ant que pour le séchoir, soit par le circuit général de

chauffage de l'usine. Le bois est chauffé au contact des plaques dont on peut régler

exactement la température par une circulation plus ou moins importante du fluide caloporteur.

Le vide est maintenu en permanence par la pompe à vide, qui en fin de cycle fonctionne

généralement de façon intermittente. La pression absolue peut, selon les espèces, descendre

jusqu'a 60 mm~, L'eau s'échappant du bois vient se condenser sur la paroi de la cuve ou sur

une batterie froide, ou est aspirée par la pompe à vide.

On peut aussi opérer en vide continu en transmettant la chaleur par rayonnement

hf?arouge, par courant diélectrique (f = 13,s MHz) et par micro-ondes (f = 2450 MHz). La

première technique a une action limitée à cause de la faible pénétration du rayonnement

infiarouge dans le bois. Les deux dernières techniques permettent de générer l'énergie au

coeur même du matériau à sécher. Cependant, le chauffage par courant diélectrique auquel

l'on réfère généralement pour les vocables "chauffage haute fféquence" ou "chauffage à

fiéquence radio" est plus efficace que le chauffage par micro-ondes, le courant diélectrique

pénétrant plus facilement dans le bois que les micro-ondes.

1 ) Entrie d ' a u fioidc 2) Sortie d'eu h i d e 3) Envie d ' a c h u d e 4) Retour d'au chtude 5 ) Vas la pompe a vide

6) Plaqua 6roides pour la modeusaion 7) Pl~quesdrIunmus 8) Sortit d'mu disude 9) Bois 10) wagonnet

Figure 1.2 Coupe transversale d'un séchoir sous vide continu à plaques chauffantes (d'après Joly et More-Chevalier 1980)

Même si le séchage combiné sous viddfréquence radio a un grand potentiel, celui-ci a

plusieurs inconvénients dont une forte consommation en énergie électrique et une distribution

de chaleur dans la pile difficile à contrôler. Un consortium de l'Ouest canadien a travaillé au

cours des dix dernières années à relancer ce procédé en tentant de l'adapter au séchage des

bois résineux (Zwick et al. 199 1. Avramidis et Zwick 1992). Les résultats des recherches

effectuées semblent intéressants mais les applications pratiques se font toujours attendre.

8

Le tableau 1.1 compare pour différents procédés de séchage sous vide et le séchage

conventionnel l'importance relative des gradients d'humidité, de température et de pression

totale ainsi que le coefficient de transfert de chaleur convectif (Swigon 1993). Le séchage

combiné sous vide/fiéquence radio (VIFR) possède des avantages évidents sur les autres

procédés de séchage sous vide ou sur le séchage conventionnel, que ce soit au niveau des

gradients de température ou de pression totale ou au niveau de la transmission de chaieur. Le

séchage sous vide discontinu par convection (WC) avec son gradient de pression très

favorable et son gradient de température favorable est également avantagé par rapport aux

autres procédés. Cet avantage ne se traduit cependant pas par un temps de séchage plus

rapide à cause du temps perdu lors des phases de réchauffement.

Le séchage VER est également de loin le procédé le plus rapide. En effet, comme

l'indiquent la figure 1.3 et le tableau 1.2, les temps de séchage de ce procédé sont jusqu'à

quinze fois inférieurs aux temps de séchage du procédé ACC(MT), et de deux à cinq fois

inférieurs aux temps de séchage des autres procédés sous vide. Le séchage en bout est en

partie responsable de cette rapidité de séchage. Ceci se traduit cependant par une plus grande

fourchette de teneurs en humidité finales et des gradients de teneur en humidité plus

importants dans le sens de la longueur (Lamb et Wengen 1993). Le séchage sous vide

discontinu se compare assez bien au séchage conventionnel sur ces deux aspects (tableau 1.2).

Les développements récents des divers procédés de séchage sous vide s'expliquent

d'abord par des temps de séchage très coufis et par une dégradation minimale du bois,

notamment au niveau de la couleur du bois (tableau 1.2). La réduction des temps de séchage

permet entre autres de réduire les inventaires et de répondre plus rapidement aux demandes

des clients. Du point de vue technique, l'amélioration des systèmes de pompage, la

fabrication d'autoclaves beaucoup plus volumineux et la possibilité de sécher des bois de

fortes épaisseurs avec une qualité très acceptable rendent le séchage sous vide plus attrayant

et plus accessible. Pour les manufacturiers de produits forestiers à valeur ajoutée, ce mode de

séchage devient particulièrement une option à considérer.

Tableau 1.1 Comparaison des caractéristiques de transfert de masse et dVénergîe de différents systèmes de séchage sous vide (d'après Swigoi 1993)

Séchage sous vide

Convection Conduction Diélectrique

Séchage Chau5ge C h a a g e Chauffàge Chaufbge Chairffage ChauEage conventionnel continu périodique continu périodique continu périodique

Gradient d'humidité

Gradient de température - - + - tt- tt tt

Gradient de pression O + f+ + +t ++ i-+

Coeffi tient de transfert - O O O -H + thermique

-- -

" Tris favorable. ' Favorable. O Neutre. - Non favorable

Figure 1.3 Comparaison des temps de séchage de la planche de Dipterocarpus sp. de 3 cm d'épaisseur pour les procédés séchage conventionnel (ACC(MT)), sous vide à plaques chauffantes (VlPC) et sous viddfréquence radio (V/FR) (d'après Kanagawa et Yasujima 1993)

Tableau 1.2 Comparaison des caractéristiques de pianches 5/4 de chêne muge séchées par trois procédés différents (adapté de Lamb et Wengert 1993)

Humidité à l'état vert (Yi)

Humidité finaie ai le (%)

Fourchette d'humidité(%)

Gradient d7 humidité

% de pièces avec un AH > 2% d'un bout à l'autre

% de pi& avec un AH> 2% du cœur a la d a c e

Temps de séchage (d)

Retrait (%)

% de pi- avec fléche excessive de la face

% de pièces avec tuiiage excessif

% de pièces avec fiéche excessive de chant

Fentes

% de pi- avec fentes en surface

% de pi& avec fentes en bout

% de pièces avec fentes internes

Couleur

85

6.0

2,9 - 26,s

15

3

2

11.2

5

1

4

11

33

O

La plus claire

9

50

3

La plus foncée

' Sous vide/ frequence radio

' Sous vide discontinu avec convection

Résécke combiné au séchage a moyenne température

1.2 Utilisation du séchage sous vide dans le monde

1.2.1 Historique

Le séchage sous vide n'est pas une technique récente, mais il est dacile de situer

exactement son origine. Indéniablement, le séchage sous vide origine de l'Europe.

Bematowicz et 02. (1992) cite que déjà au XIXe siècle, en Angleterre, les principes du

séchage sous vide ont été utilisés. Par contre, Kanagawa (1993) remonte les origines du

séchage sous vide au début des années 20 en Suède. Le Japon et 1'Ailemagne ont suivi

quelques années plus tard. La contribution des Allemands à l'effort de recherche fut

particulièrement intéressante. On peut citer les travaux de Schwalbe et Ender (1932) qui ont

étudié le comportement du pin séché sous vide et ceux de Voigt et aL (1940) qui ont

expérimenté le séchage sous vide continu et discontinu sur des éprouvettes en bois de hêtre.

Deux décennies plus tard, Malrnquist et Noack (1960) ont réalisé des essais de séchage sous

vide en vapeur surchauffée avec du bois de chêne et de hêtre.

Indépendamment des approches utilisées ou de l'intérêt qui a motivé les chercheurs sur

le sujet avant 1965, les résultats obtenus furent peu concluants. L'application commerciale est

demeurée bien en deçà des projections, I'industrie du bois y portant peu d'attention pendant

longtemps. Après 1965, une nouvelle course s'amorce pour offrir à l'industrie les avantages

du séchage sous vide. Akishenkov et Vaenskaya (1993) citent les travaux réalisés pendant les

années 60 en Russie en utilisant différentes techniques dans le domaine de la vapeur

surchauffée. L'un des pionniers indiscutables en la matière est l'Italien Vicenzo Pagnozzi

pour ses travaux et la mise sur le marché des séchoirs sous vide continu avec plaques

métalliques chauffantes. Malgré les améliorations réalisées, ce système n'a pas eu un grand

succès compte tenu principalement de son investissement initial très élevé et le surcroît de

travail causé par la manutention des plaques. Un fois de plus, entre 1975 et 1980, différentes

industries introduisent à l'échelle mondiale des séchoirs plus compétitifs. Mais, ce n'est

qu'après 1985 que le séchage sous vide commence vraiment a participer au marché du

12

séchage du bois, spécialement en Europe. Quant à l'Amérique du Nord, entre autres au

Québec, l'application commerciale du séchage sous vide jusqu'à ce jour s'est limitée a

quelques installations du côté des séchoirs sous vide discontinu et des séchoirs à plaques

chauffantes.

Du point de vue des travaux de recherche, on a vu au cours des dix dernières années

renaître l'engouement sur le sujet. Au Canada, on peut citer les travaux de Zwick et al.

(1 99 1), Avramidis et Zwick (1 992) et de Avrarnidis et al. (1 994) dans l'Ouest canadien avec

le séchage VIFR et ceux de Defo et al. (1 994) dans l'Est avec le séchage sous vide discontinu.

Ailleurs dans le monde, l'intérêt grandissant pour le séchage sous vide au cours des dix

dernières années s'est manifesté par la multiplication des articles scientifiques sur le sujet,

principalement dans le cadre de deux confërences sur le séchage sous vide tenues en Slovaquie

(Trebula 1993, 1995) ainsi que les cinq confërences internationales de I'llFRO sur le séchage

du bois tenues depuis 1987, la dernière s'étant déroulée à Québec en août 1996.

1.2.2 Situation actuelle du séchage sous vide dans l'industrie

À l'échelle mondiale, on peut regrouper en trois grandes catégories les méthodes

industrielles de séchage du bois, soit le séchage à ai. chaud climatisé, le séchage par

déshumidification et le séchage sous vide. Une étude de la situation du marché par Vanicek

( 1993) montre l'importance relative des différents procédés: le procédé à air chaud climatisé,

avec une participation entre 9 LW%; le procédé par déshumiditication, avec une participation

du marché de 1-3% et une tendance à la baisse; le procédé sous vide, avec une participation

de 2-6% et une tendance à la hausse.

Par rapport aux caractéristiques de grandeur et du nombre des entreprises liées au bois

et à l'ameublement, et à leur expérience, le marché européen rassemble les meilleures

conditions pour une expansion dans le secteur du séchage sous vide. Un étude réalisée par

Cevidini (1993) sur la situation actuelle et les perspectives fùtures du séchage sous vide estime

13

qu'avec la mise en marché des nouveaux modèles de séchoirs de grandes dimensions (e.g.

Tetra et Goliath de Maspeil), le séchage sous vide peut atteindre 10% du marché mondial.

Garrahan (1989) fait une étude d'évaiuation du séchage sous vide en Europe et

indique que le séchage sous vide a été utilisé intensivement dans quelques secteurs de

l'industrie, principalement pour les feuillus épais de haute valeur ajoutée en Europe centrale.

Parmi les plus importants fabricants de séchoirs sous vide, on retrouve: 1) Moldmp Innovative

Wood Technology (I.W.T.), au Danemark auparavant connu comme D.W.T., avec huit

années dans la production et la vente des équipements de séchage sous vide continu en vapeur

surchauffée; 2) Maspeu Ltd, d'Italie fondée par Vicenzo Pagnozzi il y a 30 ans qui a vendu

plus de 1200 séchoirs; Maspeil continue présentement à développer de nouveaux modèles de

séchoirs sous vide discontinu avec ventilation longitudinale-latérale type LO-LA et les

systèmes GOLIATH 1 00 de grandes dimensions (Gilbert et al. 1995). La figure 1 -4 montre un

schéma du système de récupération d'énergie et le fonctionnement en tandem d'un séchoir

sous vide discontinu. La figure 1.5 présente les spécifications techniques du séchoir sous vide

continu à presse de MaspeU destiné à la petite industrie. Des temps de séchage typiques

obtenus avec ce séchoir a presse sont donnés au tableau 1.3.

Brunner-Hildebrand d'Allemagne tente également de percer le marché des séchoirs

sous vide avec des séchoirs à plaques chauffantes et un nouveau type de séchoir sous vide

en vapeur surchauffée (modèle High Vac). Une vingtaine de séchoirs High Vac aurait été

vendus à ce jour, dont trois aux États-unis et un au Québec.

En Amérique du Nord, les marchés se développent plus lentement. Toutes les

compagnies mentionnées cidessus ont fait des efforts en ce sens mais les résultats se font

attendre, ceci principalement à cause d'un manque d'infrastnicnire au niveau du suivi

technique et d'études qui identifient les secteurs d'application. Du côté des utilisateurs, l'un

des plus importants est la fume Brookville Wood Products de Pennsylvanie avec huit

séchoirs sous vide à plaques (Vacutech) et trois séchoirs combinés sous vide/Mquence

radio (Power Dry-Velta). Quant à la situation au Québec, les industriels qui utilisent le

\ Pompe à vidc

CeIlule A : Cellule B : Phau de rkhaufhge Pbrzc dc vide

cellule A d u u li cellule B C

Cellule A : Phase de vide

Cdlule B : Phase de rkhiufhge

. - P-ge de la vapeur de crl1ule B dans t. cellule A

Figure 1.4 Déroulement d'un cyde de séchage d'un séchoir sous vide discontinu avec le système de récupération d'énergie (d'après Aléon 1979)

1 ) Pompe à circuluion d ' e u 2) Cburdiire ilcctrique 3) Pompe a vide 4) Rëscrvoir d'huile pour ia pompc à vide 5 ) Rails pour le couvaclc

Figure 1.5 Schéma du séchoir sous vide à presse de Maspell (d'après Vacuthenn Inc. 1987)

Tableau 1.3 Temps de séchage typiques (d) pour le séchoir sous vide continu à presse de Maspeii (d'après Vaeuthem Inc 1987) '

Espéce/épaissew

Pin blanc

Chêne rouge

Érable à sucre

-

PO& le pin, le séchage s ' a &~COD~ a partir de l'état vert Pour les feuillus, le séchage s'est aecaté à pattu de 40% H

Érable rouge

Cerisier tardif

414

0.8

3

2

2

2.5

614

1.1

4

3

3

4

8/4

2

7

4.5

4.5

6

1 0/4

2,3

9

6

124

2.9

1 I

8

6

7.5

8

9

16

séchage sous vide pour la production de masse sont peu nombreux. Il y aurait moins d'une

douzaine d'installations, les plus importantes étant des séchoirs sous vide continu à plaques

(e.g. Boiseries Sainte-Gertrude, avec six séchoirs Vacu-Kiln-2000 de Wood-Mwr Produas,

Indianapolis, U.S.A) (Gilbert et aL 1995).

1.3 Caractéristiques générales du procédé de séchage sous vide discontinu

Lors du séchage sous vide discontinu la transmission de chaleur se f i t par convection

en utilisant I'air à la pression atmosphérique comme fluide caloporteur. Pour ce faire' le bois

est soumis périodiquement à des phases de réchauffement à la pression atmosphérique. Le

réchauffement se fait de façon graduelle et uniforme en évitant les chocs thermiques jusqu'à la

température maximale du bois permise selon l'espèce utilisée. L'alternance des phases de

chauffage et de vide est favorable à l'évacuation de l'humidité et à la relaxation mécanique du

bois. De plus, le séchage sous vide discontinu est I'une des techniques de séchage sous vide

les plus simples par rapport à l'équipement utilisé et à son opération. L'interruption du vide,

par contre, a comme inconvénient d'augmenter le temps de séchage.

Le mode de fonctionnement d'un cycle typique de séchage peut être décrit de la façon

suivante:

1) Phase de réchauffement: l'air est soufflé sur le bois par l'intermédiaire d'un diffuseur

placé généralement du côté opposé aux ventilateurs. La figure 1.6 montre le

mouvement de l'air dans la pile et la disposition du bois dans le séchoir. Le temps de

réchauffement dépend de la température à atteindre au coeur de la pièce;

2) Phase de vide: lorsque la température désirée au m u r de la pièce est atteinte, la

ventilation s'arrête et la pompe à vide se met en route en extrayant I'air et la vapeur

d'eau de la cuve. La pression diminuant, la température d'ébullition de l'eau diminue,

favonsant ainsi 1' accélération du séchage. Le taux d'évaporation progresse de la

surface de la pièce vers le mur. Au début de la phase envisagée, le gradient de

température dans le bois est élevé de même que le gradient de pression; tous deux

tendent ensuite à diminuer jusqu'à ce que la température au coeur du bois devienne

1) Paroi urtanc 2) Circuit d'eau chaude 3) Paroi midiant 4) Pvoi incaicurt 5 ) hcrtc deauchaude

Figure 1.6 Coupe transversale d'un séchoir sous vide discontinu (d'après Joly et More-Chevalier 1980 )

égaie à celie de la surface. Le séchage ralentit beaucoup lorsque la température du bois dans

sa masse diminue en dessous du point d'ébullition de l'eau. It faut alors revenir à la pression

atmosphérique et réchauffer à nouveau (Joly et More-Chevalier 1980).

La vitesse de circulation de l'eau dans le bois au cours du séchage sous vide discontinu

est donc favorisée par deux nouveaux types de gradients par rapport au séchage

conventionnel: 1) un gradient de tempéraîure, parce que la température au coeur du bois

pendant la phase séchage est supérieure à celle de la surface; 2) un gradient de pression totale,

car le milieu ambiant est sous vide. Ainsi, les gradients de température et de pression totale

risquent fort de provoquer un mouvement d'humidité sous forme de vapeur beaucoup plus

important que dans le cas du séchage à air chaud climatisé.

Le séchage sous vide discontinu est une technologie utilisée depuis plus de 20 ans et

l'équipement de base utilisé n'a pas beaucoup changé. Les composantes principales sont

l'enceinte à vide communément appelée autoclave, dont la capacité peut varier de quelques

mètres cubes à une centaine de mètres cubes, la pompe à vide, les radiateurs et les

ventilateurs.

L'homogénéisation du flux d'air dépend du type et de l'emplacement des ventilateurs.

Généralement, les ventilateurs sont placés pour créer un flux d'air vertical. La figure 1.6

montre le système classique où l'air est souffié sur le bois par l'intermédiaire d'un diaiseur

placé du côté opposé aux ventilateurs. La figure 1.7 montre un système plus récent tel que

celui de la série BSILO-LA de Maspeu où le système de ventilation est composé de deux

ventilateurs qui produisent deux flux d'air opposés entre eux courant parallèlement à la paroi

du séchoir. Un déflecteur, perpendiculaire à la paroi de la cellule, et mobile d'une extrémité à

l'autre du séchoir, transfome les deux flux opposés dans un flux unique perpendiculaire à la

paroi, ayant une portée d'air égale à la somme des portées des flux partiels. Sur la partie

Uiféneure de l'autoclave, on retrouve généralement des rails pour le chariot de chargement qui

sert à l'empilage des débits sur baguettes.

Un élément de grande importance dans le séchage sous vide est le type de pompe

utilisé ainsi que sa capacité. Pendant le cycle de vide la pompe aspire l'air chargé d'humidité,

ce qui limite l'usage de certains types de pompe (e-g. pompe à piston), même si l'on fait usage

d'un condenseur. Les pompes les plus recommandables sont ceiles du type à anneau d'eau qui

utilisent un flux d'eau pour assurer l'étanchéité entre le rotor et le stator. Ce type de pompe

qui est montré à la figure 1.8 est composé d'une roue à ailettes radiales qui projette le Liquide

par la force centrifuge à la périphérie en formant un anneau concentrique. Comme l'axe de

rotation est excentré par rapport au corps de la pompe, les ailettes sont beaucoup plus près de

la lumière d'aspiration que du refoulement. Ainsi, en premier Lieu (A) est créée une dépression

Figure 1.7

1) Cylindre extirleur. 1) Cylicdre Intérieur rbchsuflanl 3) Intervalle pour .au chaude. 4) Calorifuge thermique, SI Pile fonnbe 8vec bois bagueCr& 6) Charlot de churgement t) Ventilateurs. 8) Odflecteur moblle.

Schéma d'un séchoir de type LO-LA et d a Pagnozzi 1987)

éléments de ventilation (d'après

Figure 1.8 Pompe à anneau liquide Sihi: a) coupe truisversde; b) aspect externe (d'après Sihi 1991)

20

qui fat admettre les gaz par la lumière d'aspiration. En deuxième lieu (B) est créée une

dépression qui fait échapper le mélange par la lumière de refoulement. La pompe doit donc

être corninuellement alimentée avec un flux d'eau auxiiiaire selon la quantité de liquide

retournée ou recyclée.

Un autre aspect important de l'équipement se rapporte au dispositif de régulation.

D'abord, il faut avoir au moins des capteurs capables de mesurer la pression dans le cylindre,

la température sèche (Ts) et la température humide (Tb) au murs de la phase de réchauffement,

et la température du bois. Avec les données de ces capteurs on peut établir un programme de

séchage pour la régulation automatique du processus de séchage. Généralement le critère

principal à considérer pour la durée de la phase de réchauffement et de la phase de vide est la

température au centre du débit.

Finalement il est important d'avoir un système de drainage pour I'eau condensée et un

système d'humidification de l'air pour la phase de réchauffement et le conditionnement du

bois en fin de séchage.

1.3.2 Programmes de séchage

La conduite des opérations de séchage sous vide discontinu repose aussi. de façon

générale, sur la compréhension des concepts théoriques de base du séchage qui fait appel aux

mécanismes de transfert de chaleur, de masse et de changement de phase (transfert de la

chaleur de l'air a la surface du bois; transfert de chaleur de la surface vers l'intérieur du bois

par conduction; "décrochement" de I'eau liée au bois; mouvement de l'eau du centre de la

pièce vers la surface par convection et par diffusion; transfert de l'humidité de la sunace du

bois au milieu ambiant). Mais à cause de l'effet du vide, certains de ces mécanismes prennent

place dans des conditions différentes et leur importance relative peut changer

considérablement par rapport au séchage à air chaud climatisé.

21

Le bois étant un matériau aux caractéristiques très complexes, plusieurs variables

peuvent orienter le développement d'un bon programme de séchage. Lors du séchage sous

vide discontinu, la vitesse de séchage est beaucoup plus rapide que lors du séchage

conventionnel mais on doit s'assurer que ceci ne se fasse pas au détriment de la qualité du

séchage.

Le tableau 1.4 donne un exemple de programme pour le procédé de séchage sous vide

discontinu. Celui-ci présente pour quatre groupes d'espèces, trois catégories d'épaisseurs et

quatre gammes de teneurs en humidité les conditions précises de température sèche à aflïcher

lors du réchauffement et la température au coeur de la pièce à obtenir avant d'amorcer la phase

de vide. En ce qui a trait à l'humidité relative de l'air pendant la phase de réchauffement, les

auteurs du tableau 1.4 recommandent de la régler de façon à obtenir un gradient de séchage

(H&I+.J de - 2,5 pour le groupe 4, de - 3 pour le groupe 3, de - 3,s pour le groupe 2 et de

- 4 pour le groupe 1.

La détermination correcte de la durée de réchauffement est intimement liée à la

température du bois en n'oubliant pas que l'objectifde cette étape n'est pas de sécher le bois,

mais bien de le réchauffer. Par conséquent, il est très important de réguler avec précision l'état

hygrométrique de l'air. Quant à la phase de vide, sa durée est aussi déterminante. Dans le

séchage sous vide discontinu, c'est pendant la phase de vide que le séchage est réalisé et à ces

faibles niveaux de pression absolue, comme on peut le constater à la figure 1.9, l'humidité

relative est très basse. Donc, l'évaporation en surface doit être contrôlée avec la durée de la

phase de vide, où encore avec le niveau de vide, afin d'éviter des gradients de teneur en

humidité extrêmes et des contraintes de séchage qui mettraient en péril la qualité du bois.

1.3.3 Temps de séchage

Le temps de séchage est un facteur déterminant du coût de l'opération de séchage.

Aléon (1979) rapporte que pour des feuillus séchés depuis l'état vert jusqu'a une humidité

finale d'environ IO%, le séchage sous vide discontinu peut réduire les temps de séchage de

Tableau 1.4 Programme de séchage pour appareils à vide discontinu en fonction des groupes d'espèces, des catégories d'épaisseurs et des gammes de teneurs en humidité (dlapréJ Joly et More-Chevaiier 1980)

GROUPE 3 1

mm La courbe YOiûRUP

Figure 1.9 Relation entre l'humidité relative, la température et la pression totale (d'après DWT 1991)

23

deux et quatre fois (selon l'épaisseur) en comparaison aux méthodes de séchage par air chaud

climatisé. Comme on peut l'observer à ia figure 1.10, l'auteur a réussi par exemple à sécher

des carrelets de hêtre de 100 mm de côté en 18 joun, ce qui est évidemment très rapide par

rapport au séchage à moyenne température. Des courbes de séchage obtenues par Defo et ai.

(1994) sur des colombages (50 mm x 100 mm x 400 mm) d'épinette et d'érable sont

également montrées à la figure 1.1 1. On a ainsi séché de l'érable de 55 à 7% H en moins de 70

h et de l'épinette de 50 à 18% H en 48 h. Le temps de séchage pour l'érable est au moins trois

fois plus rapide que le séchage conventionnel mais pour l'épinette7 il est équivalent au séchage

à haute température. La perméabilité du bois aux gaz jouerait donc un rôle important dans le

transfert d'humidité dans le bois au cours du séchage sous vide.

Le séchage sous vide discontinu est cependant le moins rapide de toutes les variantes

du séchage sous vide. Comme l'indique le tableau 1.5, le séchage sous vide discontinu serait

de 20 à 50 % plus long que le séchage sous vide continu à plaques chauffantes. Il en serait de

même par rapport au séchage en vapeur surchaunée (Gilbert et al. 1995).

1.3.4 Consommation énergétique

La consommation énergétique est un aspect difncile et controversé à évaluer compte

tenu du fait que chaque installation de séchage est spécifique (source d'énergie, capacité de

séchage, essence, épaisseur, humidité hale, qualité du bois, etc.). Malgré cette situation, les

paragraphes suivants présentent quelques données de consommation énergétique pour le

séchage sous vide discontinu en comparaison aux autres procédés.

Triibswetter (1993) a évalué la consommation énergétique de dsérents systèmes de

séchage sous vide. Dans cette étude, l'auteur présente une consommation énergétique totale

moyenne d'environ 1,s kWh par litre d'eau extrait dans le cas du séchage sous vide discontinu

pour des avivés d'épinette de 50 mm d'épaisseur. Néon (1979) rapporte que la consommation

énergétique totale du séchage sous vide discontinu peut varier entre 3 et 4 kWh par Litre d'eau

Figure 1.10 Courbe de séchage pour des carrelets de hêtre de 100 mm de côté lors du séchage sous vide discontinu (adapte de Aiéon 1979)

Figure 1.11 Courbe de séchage pour des avivés d'érable et d'épineîte de 50 mm d'épaisseur ion du séchage sous vide discontinu (adapté de Defo et al. 1994)

Tableau 1.5 Temps de séchage moyens (d) pour les débits de 27 mm d'épaisseur en fonction du procédé, de la teneur en humidité cible et du groupe d'espèces (d'après Joiy et More-Chevaiier 1980)

Ressuyage Séchage à Séchage à Séchage de Procédé de séchage jusqu'à 30% 18% 10% 30 à 10%

(2 10%) (* 20Yo)

Séchage a l'air

Séchage tradi tionneI

F' 80 a 140 150 à 250 Impossible Impossible

D~ 100 à 170 190 à 340 - -

R 3 84 7à8 10a 12 7 à 8 Séchage a basse température @&humidification; chambres F 7 à 8 12 a 14 18 a 21 11 à13 chaudes et séchoirs de ressuyage)

D 10 a 12 22 à 24 28 a 32 18 à 20

R Déconseillé 1-5 2 1 Séchage sous vide continu a plaques F Déconseillé 3 à 4 4 à 5 2 à 3

D Déconseillé 4 à 5 5à6 2.5 a 3.5

R Déconseille 2 2-5 1-5

Séchage sous vide discontinu F Déconseillé 3.5 A43 5 à 6 2,5 a 3'5

D Déconseillé 5 9 6 6 a 7 3 3 a 4'5

26

extrait selon l'espèce, l'épaisseur et l'humidité initiale. Lorsque connecté en tandem avec un

autre séchoir semblable et muni d'un système de récupération d'énergie, la consommation

calorifique diminue de près de la moitié.

Le tableau 1.6 présente une comparaison de la consommation énergétique entre

différents procédés de séchage. On peut ainsi observer que pour le séchage sous vide

discontinu les valeurs de consommation calorifique oscillent entre 1,s et 2 kWh s'ii n'y a pas

de récupération d'énergie, alors que la consommation électrique varie entre 0,7 et 2'1 kWh

par litre d'eau extrait. Ceci en fait donc un procédé très énergivore si aucun recyclage

d'énergie calorifique n'est effectué et si on n'optimise pas le fonctionnement de la pompe à

vide (fonctionnement intermittent ou utilisation d'une pompe de relève une fois le vide

effectué dans le cylindre).

A titre de comparaison avec d'autres procédés sous vide, Stavros et al. (1994) ont

rapporté pour le séchage V E R une consommation énergétique autour de 1.3 kWh par kg

d'eau extrait. Les mêmes auteurs avancent que la consommation énergétique totale de ce

procédé pour du bois de forte épaisseur peut être réduite entre 40-50 % en comparaison avec

les méthodes de séchage conventiomeiles. Quant au séchage sous vide en vapeur surchauffée,

Hedlund (1994) rappone pour des avivés de Pims sylvestris de 75 mm d'épaisseur séchés

avec le système D.W.T. une consommation énergétique totale variant entre 0,74 a 0-99 k W h

par kg d'eau extrait selon l'humidité ha l e du bois. Pour des essais équivalents réalisés avec

les méthodes de séchage dites conventiomelles, la consommation énergétique a varié entre

1,42 à 1,70 kWh par kg d'eau.

II est cependant bien difficile de comparer la consommation énergétique de différents

procédés de séchage lorsqu'il est déjà difficile d'effectuer des comparaisons à l'intérieur d'un

même procédé. En effet, comme les teneurs en humidité initiale et finale, le programme de

séchage utilisé de même que l'épaisseur des débits ont un effet important sur la consommation

énergétique du séchage. il n'est pas surprenant de voir beaucoup de données contradictoires

dans la littérature à cet effet.

Tableau 1.6 Consommation énergétique par iitre d'eau extrait de différents procédés de séchage (d'après Joly et MoreChevalier 1980)

Humidité Humidité COnsommntion Consommation initiale W e calorifique par Litre élearique par litre

h-océdé d'eau évaporé d'eau évaporé

Vert 10-12% 1 à 1,41n1 0.1 0.35 Traditionnel

Ressuyé IO-12% 1.5à 2 Th 0,24 0.7 1

Vert IO-12% 0.7 à 1.2 kWh La consommation éIectrique pour la ventilation est déja prise

D & h ~ ~ c a ~ o n Ressuy é 10-12% 1,2 à 1-6 k W h en compte. Pour des ventilateurs additionnels, il faut les rajouter

18% 10- 12% 1.8 a 2.2 k W h - max. 0.03kWh.

Vide continu Queues que soient les 1.2 a 1.8 Th humidités initiales et

finales

Vide discontinu Quelles que soient les 1.5 a 2 Th humidités initiaies et

finales

Quelles que soient les Vide en tandem humidités initiales et 0-90 a I Th

finales

Vert 10-12% 0-9 à 1.1 Th Chambre chaude

Re~uyé 10-12% 1-6 à 1,9 Th

- --- -

l 1 thermie - 1.16 kWh

1.3.5 Qualité du séchage

La qualité du bois après séchage dépend en premier heu des caractéristiques du bois

brut avant séchage (e-g. nœuds, déviation du fil, proportion d'aubier, de bois de m u r et de

bois juvénile, etc.). En général, meilleure est la qualité du bois avant séchage, meilleure sera la

qualité du bois après séchage. Cependant, dépendant des programmes de séchage et du mode

de régulation utilisé, la qualité du bois sera plus ou moins affectée par le processus même de

séchage. Les forts gradients d'humidité ou de température engendrent des champs de

contraintes importants susceptibles de conduire à plusieurs types de défauts de séchage (e.g.

gauchissement, gerces, fendillement interne, encroûtement, etc.).

Dans le cas du séchage sous vide discontinu, le mouvement d'eau du centre des pièces

vers la surface est accéléré de façon importante. Mais, l'évaporation de l'eau en surface est

aussi plus rapide. Par conséquent, ceci peut engendrer de forts gradients de teneur en humidité

capables de produire des défauts similaires à ceux du séchage conventionnel. Dans le cas des

espèces imperméables particulièrement, on peut devoir contrôler la vitesse d'évaporation

pendant la phase de vide. La phase de réchauffement dans ce cas, en plus de réchauffer le bois,

peut contribuer à redistribuer l'humidité dans l'épaisseur de la planche pour ainsi diminuer les

gradients d'humidité. Cette phase peut égaiement permettre une certaine relaxation mécanique

du bois. Ce type de conditionnement intermittent constitue d'aiileurs un avantage certain du

séchage sous vide discontinu par rapport aux procédés en continu. Le fait qu'on puisse ouwir

le séchoir entre une phase de vide et une phase de réchauffement pour jeter un coup d'œil sur

la qualité du bois est également un autre avantage par rapport aux procédés en continu.

Un problème fréquent au cours du séchage en air chaud climatisé est celui des

colorations chimiques dues à des réactions d'oxydation enzymatique. On sait que la

température de séchage joue un rôle important sur ces réactions; par exemple pour le pin

blanc, on doit limiter en début de séchage la température à 65' C et moins (Asselin 1993).

Dans le w spécifique du séchage sous vide discontinu, les phases de réchauffement en début

de séchage se déroulent dans des gammes de températures entre 50 et 65°C et les phases de

29

vide sont réalisées à basse concentration d'oxygène, ce qui limite les réactions d'oxydation et

de là les risques de coloration.

Surikova et al. (1993) évalua l'intluence sur la qualité du bois du processus du séchage

sous vide discontinu en comparaison au séchage conventionnel pour des avivés verts de hêtre

de différentes épaisseurs. Les résultats de cette étude indiquent que le procédé sous vide

discontinu présente une meilleure alternative en rapport à la diminution du déclassement

économique à la fin du séchage.

Aléon (1979) rapporte que pour des bois préalablement ressuyés, la qualité du séchage

sous vide continu et discontinu est aussi bonne qu'en séchoir conventionnel par air chaud

climatisé. Lamb et Wengert (1993) ont comparé la qualité de bois séché avec le séchage sous

vide discontinu et le procédé VlFR à la qualité de bois séché par le procédé conventionnel

suivant un préséchage. À cette fin, l'auteur a séché jusqu'à 6% H des avivés verts de 32 mm

d'épaisseur en bois de chêne de première qualité. Les résultats de cette étude montrent que les

procédés sous vide évalués présentent des résultats semblables et quelques fois supérieurs par

rapport au procédé conventionnel, mais ceci dans des temps de séchage considérablement plus

courts.

1.4 Mesure des profils des paramètres intrinsèques de séchage

1.4.1 Teneur en humidité

Le séchage est un traitement qui consiste à retirer la plus grande partie de l'eau

contenue dans le bois et de l'amener à une teneur en humidité voisine de celle correspondant à

l'équilibre hygroscopique des conditions d'utilisation. Généralement, pour les méthodes de

séchage à air chaud climatisé, l'évolution de la teneur en humidité moyenne est représentée en

fonction du temps par une courbe de séchage dont l'allure suit presque toujours le même

comportement. À la figure 1.12 on peut distinguer principalement les trois phases typiques,

dont une phase plus ou moins linéaire en début de cycle.

3 Phase de &hage

Figure 1.12 Allure théorique d'une courbe de séchage pour les procédés à air chaud climatisé (adaptée de Job et MoreChevalier 1980)

Shehtov (1993) a comparé les courbes de séchage théoriques pour le séchage

ACC(MT) et pour le séchage sous vide discontinu. L'auteur démontre que le comportement

quaiitatif des deux systèmes de séchage ont des caractéristiques très semblables. Par contre.

Aléon (1979) ainsi que Defo et al. (1 994) ont montré (figures 1.10 et 1.1 1) que l'une des

caractéristiques du séchage sous vide pour les essences perméables est la tendance de la

courbe de séchage à épouser la forme d'une droite. Dans un tel cas, le point de saturation des

fibres n'est plus le point critique de la cinétique du séchage et la partie de la courbe de

séchage en dessous du point de saturation des fibres s'en trouve nécessairement raccourcie.

La diminution de la pression totale ainsi que I'occurrence de gradients de pression totale

causent alors un flux d'humidité plus important que lors du séchage a la pression

atmosphérique (Perré et QI. 1995; Swigon et Kurasiak 1995). Noack (1965) a conclu que le

séchage en dessous du point de saturation des fibres impliquait principalement un flux de

vapeur en réponse à la différence entre la pression de vapeur dans les cavités cellulaires et la

pression ambiante.

31

L'dure de la courbe de séchage est fortement influencée par les caractéristiques de

l'air et du bois, ce qui se reflète directement sur l'évolution des pronls de teneur en humidité.

À l'instar du séchage à air chaud climatisé, le séchage sous vide discontinu est susceptible de

mener à des gradients d'humidité plus ou moins importants à la fois dans le plan transversal et

dans le sens de la longueur.

Defo et al. (1994) ont mesuré les gradients de teneur en humidité ii travers l'épaisseur

pour des morceaux de bois d'épinette et d'érable de 50 mm d'épaisseur lors du séchage sous

vide discontinu. La figure 1.13 montre pour les essais sur l'érable à sucre des profils de teneur

en humidité qui dans la première partie du séchage sont assez similaires à ceux normalement

observés avec le séchage conventionnel, mais qui tendent à être plutôt plats aux teneurs en

humidité en dessous de 20%. Neumann et al. (1992) n'ont pas observé ce dernier phénomène

pour le séchage sous vide en vapeur surchauffée, les profils ayant la forme caractéristique en

cloche observée lors du séchage convectif à la pression atmosphérique.

La présence des périodes d'équilibrage d'humidité lors des phases réchauffement

favoriserait dans le cas du procédé sous vide discontinu un séchage plus uniforme dans

I'épaisseur de la pièce, du moins aux faibles teneurs en humidité. Cet effet serait

particulièrement bénéfique pour les bois peu perméables qui ont tendance à montrer de fons

gradients d'humidité dans l'épaisseur de la pièce en fin de séchage.

Quant aux profils d'humidité suivant la longueur, Fortin (1994) observe que le

procédé sous vide discontinu conduit à un certain séchage en bout, mais l'importance de celui-

ci est fonction de l'espèce. Harris et Taras (1984) ont observé pour le chêne rouge des profils

longitudinaux de teneur en humidité pratiquement plats lors du séchage VER. Pour le cèdre

de l'ouest, séché avec le procédé V/FR Avramidis et al. (1994) ont même observé une teneur

en humidité plus élevée aux extrémités qu'à l'intérieur de la pièce. La figure 1.14 montre la

variation de teneur en humidité en fin de séchage pour les rangées supérieures. L'allure des

profils s'expliquerait par un mouvement important de l'eau en direction longitudinale

(Avramidis et al. 1994).

Épaisseur (mm)

Figure 1.13 Évolution des profüs transversaux de teneur en humidité dans le bois d'érable lors du séchage sous vide discontinu (d'après Defo et al. 1994)

O 0.2 0,4 0.6 098 1

Longueur (XIL)

Figure 1.14 Variation de la teneur en humidité finale suivant la longueur des débits pour les rangs supérieurs de la pile lors du séchage du cèdre de l'Ouest avec le procédé V/FR (d'après Stavros et ai. 1994)

1.4.2 Température

Le mouvement de I'eau dans le bois est aussi influencé par les gradients de

température. L'occurrence de gradients de température favorables dans le sens du mouvement

de l'eau contribue en effet à augmenter la force motrice globale responsable de ce

mouvement. Defo et al. (1994) ont suivi l'évolution des profils de température au cours des

diverses phases de vide et de réchauffement lors du séchage sous vide discontinu. La figure

1.15 montre les résultats des mesures réalisées à trois niveaux de l'épaisseur d'un morceau de

bois d'érable de 50 mm d'épaisseur. On peut observer comment les gradients de température

s'inversent pendant la phase de réchauffement et de vide, avec un gradient favorable au

mouvement de I'eau pendant la phase de vide. Ceci est évidemment à l'opposé de l'évolution

des gradients de température lors du séchage à air chaud climatisé.

O 20 40 60 80 100 120

Temps (min)

Figure 1.15 Évolution de la température a différents niveaux de l'épaisseur dans le bois d'érable durant un cycle de séchage sous vide discontinu (réchauffement : O-30min; vide : 3û-120 min) (d'après Defo et ai. 1994)

1.4.3 Pression

Les études sur les gradients de pression totale dans le bois lors du séchage sous vide

discontinu sont peu nombreuses. Defo et al. (1994), dans leur étude sur le séchage sous vide

discontinu, ont évalué l'évolution de la pression totale dans le cylindre et à l'intérieur du bois

au cours du séchage. La figure 1.16 montre l'écart de la pression à trois positions dinérentes à

travers l'épaisseur pour des avivés de bois d'érable de 50 mm en début de séchage. Comme le

bois contient encore beaucoup d'eau, l'équilibre de pression entre le bois et le milieu ambiant

se fait donc très lentement. À l'intérieur d'une phase de vide donnée, surtout en début de

séchage, le gradient de pression totale entre le coeur et la surface de la pièce peut donc être

relativement important.

Temps (min)

Figure 1.16 Évolution de la pression totale dans le bois d'érable et dans le cylindre durant la phase de vide 1 (H=54,2./0) lors du séchage sous vide discontinu (d'après Defo ef al. 1994)

1.4.4 Potentid hydrique

Le potentiel hydnque du bois est une quantité thennodynamique fondamentale qui

peut être utilisée comme indice de l'énergie libre de l'eau dans le bois. Le potentiel hydnque

désigne la différence entre l'énergie libre spécifique de Gibbs de l'eau du bois, G, et celle de

1'- à l'état libre et pur à la même température, Ga, soit (Fortin 1979):

Les dimensions de base du potentiel hydnque sont celles d'énergie par unité de masse d'eau.

Notons que le potentiel hydrique de l'eau libre et pure est nul.

Une différence de potentiel hydrique entre deux points d'un système isolé ou une

différence de I'énergie iibre de Gibbs représente une mesure a du travail utile maximal » qui

peut être accompli par ce système subissant un processus réversible à température et pression

constantes. Donc, seules les difFérences de y d'un point à l'autre dans le bois ont besoin d'être

connues afin de pouvoir prédire la direction du mouvement de l'eau, i. e. :

- d tyldx = force motrice

En régime transitoire, le flux isotherme de l'eau dans le bois est décrit par l'équation

(Cloutier et Fortin 1993):

3 3 ou GH est le poids spécifique du bois à la teneur en humidité H (kg-, m , / m ,-kg,J,

p w la masse volumique de l'eau, et H la teneur en humidité (100 kg,J k~,).

Guillemette et Fortin (1987) ont vérifié la fiabilité de l'hygromètre à thennocouple

(HTC) pour mesurer l'évolution du potentiel hydrique (y ) a l'intérieur d'une pièce de bois

lors du séchage. La figure 1.17 montre les résultats obtenus lors d'un essai de séchage a air

forcé d'un morceau de peuplier faux-tremble à partir de l'état veri. La relation H- r,v déduite

de ces données correspondait très bien avec la relation H- y statique correspondante.

Figure 1.17 Évolution des profils de teneur en humidité et de potentiel hydrique au cours du séchage à air forcé d'un morceau de peuplier faux-tremble à partir de l'état vert (d'après Guillemette et Fortin 1987)

Fortin (1994) a également utilisé les HTC pour mesurer l'évolution du potentiel

hydrique lors du séchage sous vide discontinu. La figure 1.18 montre l'évolution du potentiel

hydrique à 11 mm de la surface d'un débit d'érable de 50 mm d'épaisseur lors des phases de

vide et de réchauffement pour les 1600 premières minutes du séchage. La teneur en humidité

moyenne du bois pendant ce temps a varié de 58 à 30%. On peut d'abord noter que le

potentiel hydrique tend à suivre une tendance nomiale lors des périodes de vide mais subit une

forte augmentation ( i e . revient vers zéro) à chaque période de chauffage. Ce phénomène est

intéressant mais il est impossible de dire s'il s'agit d'un effet d'hystérèse ou tout simplement

d'un effet de température. Pour les phases de vide, le potentiel hydrique commence vraiment

à changer à partir de 500 minutes et devient stable après 1000 minutes (H = 35%). À partir

de ce moment, le potentiel hydrique du bois est en dehors de la gamme d'application des HTC

de sorte que les valeurs mesurées n'ont plus vraiment de sigrufication.

O 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Temps (min)

Figure 1.18 Évolution du potentiel hydrique a 11 mm de la surface d'un débit d'érable de 50 mm d'épaisseur Ion du séchage sous vide en discontinu (d'après Fortin 1994)

MATÉRIEL D'ESSAI ET ICIÉTEIODES

2.1 Matériel d'essai

2.1.1 Caractéristiques des espèces étudiées

Le comportement du bois au séchage peut varier sensiblement d'une espèce à l'autre.

Les différences dans les caractéristiques anatomiques des espèces en sont largement

responsables. Dans le présent travail, des essais de séchage ont été réalisés sur l'érable à sucre

(Acer succhmum, Marsh.), le hêtre à grandes feuilles (Fagrs grandijolilia, Ehrh.) et le pin

blanc (Pims srrabus, L.). L'érable à sucre et le hêtre appartiennent aux feuillus dits à pores

diffus. Les vues microscopiques des trois plans Ligneux de ces deux espèces sont montrées aux

figures 2. la et 2. lb. Les deux espèces ont aussi des propriétés physico-mécaniques

semblables. Leur masse volumique anhydre est d'environ 700 kg/m3 et leur résistance en

tension perpendiculaire aux fibres se situe entre 6 et 7 MPa (Jessome 1977). Leur teneur en

humidité à l'état vert est aussi comparable, celle-ci se situant entre 60 et 70% (Cech et Pfaff

1978). Ces deux espèces dWerent cependant en ce qui concerne leur résistance en

compression perpendiculaire aux fibres où le hêtre est sensiblement plus Faible que I'érable.

Eues dinerent également pour leurs propriétés de rétractabilité. En effet, le hêtre a un plus fort

coefficient de retrait transversal que l'érable, ce qui le rend plus susceptible aux gerces et aux

fentes de séchage, d'autant plus que ses rayons sont plus volumineux que ceux de l'érable.

Figure 2.1 Coupes microscopiques transversaie, tangentielle et radiale de: a) érable P sucre; b) hêtre à grandes feuilles; c) pin blanc (d'après Panshin et de Zeeuw 1980)

40

Compte tenu du fort retrait tangentiel et de l'orientation des rayons, les débits sur

dosse risquent don d'être plus susceptibles aux gerces et aux fentes que les débits sur

quartier. Finalement, le duramen du hêtre est beaucoup moins perméable en direction

longitudinale que celui de l'érable à cause de la présence de tyloses dans les éléments de

vaisseaux du premier (Panshin et de Zeeuw 1980, Siau 1984).

Quant au pin blanc, dont une vue microscopique est montrée a la figure 2. lc, il est

caractérisé principalement par la présence de nombreux canaux résiniferes, ce qui contribue a

rendre ce bois très perméable aux gaz en direction radiale. Notons que la teneur en humidité à

l'état vert de ce bois dinee beaucoup en fonction de la position radiale du débit dans la bille.

l'aubier pouvant atteindre 175% H et le duramen seulement 50% (Cech et Pfaff 1978). Son

retrait transversal est relativement faible bien que le ratio retrait tangentievretrait radiai soit

supérieur à 2.

2.1.2 Détermination de I'effet de bout et effet de longueur

Dans cette étude, I'effet de bout réfëre au phénomène selon lequel les pièces sèchent

normalement plus vite aux extrémités que sur les faces latéraies. Ceci induit des gradients

d'humidité suivant la longueur des pièces comme c'est le cas entre autres pour le séchage à

haute température (Fabns 1993). Quant à l'effet de longueur, il réfêre dans cette étude à la

différence de vitesse de séchage entre deux débits de longueur différentes scellés aux

extrémités. On utilise fréquemment des pièces de faible longueur scellées aux extrémités

comme planches témoins ou comme éprouvettes pour la mesure in siru de la teneur en

humidité evou de la température du bois. On se doit alors de s'assurer que la longueur de ces

pièces n'influence pas les résultats et que ceux-si sont représentatifs des pièces de dimension

nature.

Les essais sur l'effet de bout et I'effet de longueur ont été réalisés sur du matériel

provenant d'une scierie de la région de Portneuf et transporté par camion dans les laboratoires

du Département des sciences du bois et de la forêt. Aucune sélection spéciale n'a été faite en

41

rapport à la qualité du bois acheté, sauf que les madriers provenaient de billes aaîchement

débitées. Les madriers obtenus avaient 55 mm d'épaisseur et entre 150 et 220 mm de largeur.

À leur arrivée au Département les madriers ont été enveloppés avec du polyéthylène et gardés

au congélateur en dessous de -100 C jusqu'à leur utilisation.

Pour les essais avec le pin blanc, le matériel provenait de trois madriers de 55 mm x

150 mm x 3,6 m de dimension. La figure 2.2 montre le mode de débitage des débits à sécher.

De chaque madrier on a prélevé de la partie centrale un morceau de 50 mm x 100 mm x 2,12

m (na 1, 2 et 3). La partie restante des extrémités des madriers après le prélèvement du

morceau de 2,12 m de longueur fut utilisée pour préparer deux autres petits morceaux de 50

mm x 100 mm x 340 mm (na 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3.1, 3.2). Le morceau no 1.1 a servi pour le

suivi de la température du bois en cours de séchage.

Quant aux essais avec l'érable et le hêtre, le matériel fut préparé à partir de deux

madriers (55 mm x 220 mm x 3,6 m) au lieu de trois, de manière à obtenir un meilleur

jumelage entre les morceaux. Ainsi, comme il est montré à la figure 2.3% deux morceaux

jumelés de 2,12 m de longueur (na 1 et 2) ont été prélevés d'un premier madrier dont les

Figure 2.2 Méthode de découpage des morceaux de pin blanc pour les essais sur l'effet de bout et l'effet de longueur

Figure 2.3 Méthode de découpage des morceaux d'érable et de hêtre pour les essais sur l'effet de bout et l'effet de longueur : a) premier madrier; b) deuxième madrier

extrémités ont servi à faire des morceaux de 340 mm de longueur (na 1.1, 1 -2, 2.1 et 2.2).

Avec le deuxième madrier on a produit les morceaux jumelés nœ 3 et 4 d'une longueur de 2,12

et 1,06 m respectivement (figure 2.3b). La plus faible longueur pour le no 4 était dictée par

I'étude sur l'effet de longueur. Le morceau no 1.1 a servi au suivi de la température du bois et

le morceau no 1.2 comme matériel de réserve.

2.1.3 Détermination des prof& des paramètres intrinsèques

La préparation du matériel pour la mesure des profils des paramètres intrinsèques de

séchage s'est effectuée a partir du même lot de madriers que le matériel utilisé pour les essais

sur l'effet de bout et l'effet de longueur. Pour chacune des trois espèces à l'étude (érable à

sucre, hêtre et pin blanc), les morceaux à sécher ont été préparés à partir de deux madriers de

55 mm x 220 mm x 3.6 m de dimension. La figure 2.4 montre la façon dont chaque morceau

a été débité. De la p d e centrale de l'un des madriers (figure 2.4a), on a prélevé deux

morceaux de 50 mm x 100 mm x 2,12 m (na 1 et 2). Avec l'autre madrier (figure 2.4b), on a

produit les morceaux nQ3, 4.1 et 4.2 de longueurs respectives de 2,12 m, 1,06 m et 1,06 m.

Figure 2.4 Méthode de découpage des morceaux d'érable, de hêtre et de pin pour la mesure des profiis des paramètres intrinsèques: a) premier madrier; b) deuxième madrier

2.2 Méthodes

2.2.1 Séchoir et équipements connexes

Les différents essais de séchage ont été réalisés dans un cyiindre de traitement

transformé en séchoir sous-vide discontinu. Il s'agit d'un cyiindre de 2,4 m de longueur et 0'5

m de diamètre d'un volume net d'environ 0,3 m3. Ce séchoir pilote qui est montré aux figures

2.5 et 2.6 comprend toutes les composantes de base d'un séchoir industriel.

Le système de chauffage consiste en quatre éléments électriques de 750 W chacun, ce

qui permet d'atteindre des températures supérieures à 80°C dans le séchoir. La ventilation se

fait au moyen de six petits ventilateurs de réfrigérateur qui sont installés dans le fond de la

cuve. La vitesse moyenne de circulation de l'air entre les rangées d'avivés est d'environ 1 rnk

L'homogénéisation du flux d'air est assurée par trois déflecteurs amovibles dués sur une tige

métallique.

Le système d'humidification est connecté au circuit de vapeur basse pression (101

Wa) du laboratoire. L'humidification se fait à une pression variant entre 30 et 60 kPa

(pression au manomètre). Le drainage des condensats et de l'excédent d'eau d'imbibition du

thermomètre humide est réalisé grâce a un drain placé au fond du cylindre.

Le vide est obtenu à l'aide d'une pompe à vide à anneau liquide Sihi XPa-103 de 2 hp

de puissance nominale. Une trappe froide consistant en deux tubes concentriques dans

lesquels I'eau froide et la vapeur circulent en sens opposé est installée entre le cylindre et la

pompe à vide. Les condensats de la trappe froide tombent par gravité dans un réservoir sous

vide. Le vide maximal pouvant être obtenu avec cme pompe à vide est fonction de la

température de I'eau de refroidissement. Ainsi, à 15' C le vide maximal serait d'environ 74,7

cmb, ce qui signifie une pression absolue de 1'3 cm~,

Figure 2.5 Vue extérieure de l'ensemble du séchoir

Thermocouples

Capteurs de pression

O Relais

Vannes saldno?dts

Figure 2.6 Schéma de l'ensemble des dispositifs d'acquisition de données et de régulation du séchoir

46

L'isolation du séchoir est assurée par une couche de laine minérale de 80 mm

d'épaisseur. Un chariot sur rails qui peut recevoir de quatre à six avivés de 50 mm d'épaisseur

complète l'installation.

La mesure de la température au centre de la pièce pour le suivi du séchage a été

effectuée à l'aide d'un thennocouple cuivre-constantan TT-T-30. Le même type de

thermocouple fut utilisé pour la mesure des ternpéraîures sèche et humide lors des phases de

réchauffement. Le choix d'un thermocouple pour la mesure de température nous a pani la

meilleure option en considérant les critères coût, simplicité de mesure, précision et robustesse.

Il est important cependant de ne pas faire courir les fils conducteurs des thermocouples trop

près d'une source de chaieur intense ou d'un circuit électrique de courant alternatif

La pression absolue dans le cylindre fut mesurée à l'aide d'un capteur de pression

modèle P27EH-50 de Tram Metrics d'une gamme de O à 330 kPa (0-50 ~ b / ~ o ~ ) . Ce capteur

était situé à l'extérieur du séchoir afin de prévenir les erreurs de lecture dues à l'effet des

fluctuations de température et d'humidité sur le capteur. Le capteur était relié au cylindre par

l'intermédiaire d'une petit tube flexible de 2,s mm de diamètre interne. La courbe

d'étalonnage du capteur peut être trouvée dans Defo (1994).

Quant au potentiel hydrique, il fut mesuré a l'aide d'un hygromètre a thermocouple

(modèle PST-55) fabriqué par la compagnie Wescor inc. de Logan, Utah. Tel que montré à la

figure 2.7, cet hygromètre consiste en un thermocouple différentiel protégé par une cage de

toile métallique d'environ 5 mm de diamètre. Le thermocouple dinérentiel est constitué de fils

de chrome1 et de constantan de 25 pm de diamètre soudés ensemble à une extrémité (jonction

sensible) et insérés à l'autre extrémité dans deux trous pratiqués dans un petit cylindre de

teflon où ils entrent en contact avec une mince tige de laiton plaquée or (jonctions de

référence). Chaque tige de laiton est reliée à un fil conducteur en cuivre qui transmet le signai

du thermocouple à l'appareil de lecture.

Figure 2.7 Vue en coupe de l'hygromètre à thennocouple Wescor PST-55 (d'après Guillemette et Fortin 1987)

Le système de régulation du séchoir est composé principalement d'un ordinateur PC

386, un logiciel maison développé en langage Turbo Pascal spécialement conçu à cette fin et

un carte d'acquisition de données à huit entrées analogiques (Strawberry Tree Ltd.). La figure

2.8 montre I'atfichage de la fenêtre principale du logiciel a l'écran de l'ordinateur. Le

fonctionnement du logiciel de séchage est expliqué dans un document séparé disponible au

Département des sciences du bois et de la forêt (Boulanger et ai. 1994).

La version actuelle du séchoir résulte de plusieurs modifications apportées au

prototype initial suite aux-essais préhninaires. Ces essais ont permis d'identifier différents

problèmes techniques qui ont conduit au remplacement de la pompe à vide, à la modification

de la ligne d'alimentation en vapeur et de I'aéraulique du séchoir, à la construction d'un

nouveau condenseur et à la mise au point d'un nouveau logiciel de régulation.

Figure 2.8 Affichage à l'écran de la fenêtre principale de fonctionnement du logiciel de régulation du séchoir

2.2.2 Détermination de l'effet de bout et de I'effet de longueur

Pour l'étude de I'effet de bout et de I'effet de longueur, un essai de séchage complet

fut réalisé pour chaque espèce utilisée. Les morceaux de différentes longueurs étaient alors

placés sur deux rangées tel que montré à la figure 2.9. Les rangées étaient espacées par des

baguettes de 12 mm d'épaisseur. Notons que les pièces de faible longueur étaient toujours

positionnées à la rangée inférieure droite. La photo de la figure 2.9 montre d'ailleurs que le

chargement pouvait être retiré partiellement du séchoir sans avoir a déconnecter les capteurs,

la pièce servant au suivi de la température du bois étant alors simplement retirée du

chargement au cours de I'ouvemtre du séchoir et remise en place lors de la fermeture. Ceci

permettait de retirer toutes les autres pièces du chargement pour les pesées périodiques au

cours du séchage.

Figure 2.9 Séchoir expérimental et arrangement de la charge de bois

Pour les essais avec l'érable et le hêtre, les morceaux n" 2, 4 et 2.2 (figure 2.3) furent

scellés aux extrémités d'une couche de silicone recouverte d'une plaque d'aluminium retenue

en place a l'aide de vis à bois. Le mode de disposition des morceaux dans le séchoir est

montré à la figure 2.10. Dans le cas du pin blanc, les morceaux 2 et 3 ainsi que tous les

morceaux courts (figure 2.2) furent scellés aux extrémités. La figure 2.1 1 montre

l'arrangement des morceaux dans le séchoir.

Comme on peut l'observer aux figures 2.10 et 2.1 1, des morceaux bidons de 50 mm x

50 mm de section furent placés du côté de l'entrée d'air de façon à obtenir un flux d'air plus

uniforme sur les deux morceaux en largeur et ainsi minimiser l'effet de bord. L'espacement

latéral entre les morceaux était d'environ 3 mm.

Figure 2.10 Disposition des morceaux d'érable et de hêtre dans le séchoir pour les essais sur l'effet de bout et I'eCCet de longueur

Figure 2.11 Disposition des morceaux de pin blanc dans le séchoir pour les essais sur l'eflet de bout et l'effet de longueur

Tous les essais ont été réalisés de l'état vert jusqu'à une humidité cible moyenne

d'environ 7%. La masse et les dimensions de chaque morceau (excepté celui utilisé pour le

suivi de la température) ont été prises avant le séchage et périodiquement tout au long du

séchage. La teneur en humidité initiale des différents morceaux fut évaluée au moyen de

sections de 25 mm de longueur prélevées au moment du débitage h a i e des éprouvettes, ce

qui s'est toujours réalisé juste avant le début des essais. Aucun lestage n'a été utilisé sur la

charge de bois, mais l'ajustement du faux-plafond à l'aide de vis a contribué à maintenir en

place le chargement pendant le séchage.

Le processus de séchage s'est effectué en trois étapes. La première étape était le

réchauffement du séchoir et du bois en présence d'air. Lorsque la température du séchoir et

du centre de la pièce de bois avait atteint entre 35 et 40 OC, la deuxième étape ou l'étape du

séchage proprement dit débutait automatiquement suivant un programme de séchage

spécifique à chaque espèce. Le tableau 2.1 montre les programmes de séchage utilisés pour

chacune des espèces.

Pendant la phase de chauffage, tous les éléments du séchoir à l'exception de la pompe

à vide sont en fonction (les radiateurs, les ventilateurs, les vannes électriques de drainage,

I'entrée d'air. l'entrée d'eau pour l'imbibition du thermomètre humide, le système

d'humidification). Quand la température au cœur du bois (T,,J atteint la valeur de

température maximale fixée dans le programme de séchage, la pompe à vide est

automatiquement activée et le fonctionnement de tous les autres éléments arrêté. Le vide se

prolonge jusqu'au moment où la température au centre de la pièce atteint la valeur fixée

comme température minimale. La phase de vide est dors interrompue et un autre cycle de

réchauffementhide recommence.

Tableau 2.1 Programme de séchage utilisé pour les essais sur I'effet de bout et l'effet de longueur: a) érable a sucre; b) hêtre à grandes feuilles; c) pin blanc

........ ........................... ............... .R&hauffcment Vide..

Teneur en humidité Ts T b T -1 T min) Durée H W

(W (OC) ( O C ) ("Cl ( O C ) (hl - - - -

a) Réchauffement initial 40.0 39.0 - - - > 35 60.0 57.0 50.0 42.0 1 ,O

35-25 62.0 a . 0 52.0 43 .O 1 .O

25- 15 65.0 o . 0 55,O 46.0 1.5

< 15 68.0 60.0 58.0 46.0 1.5

........... ............................ ............... .Réchauffement Vide..

Teneur en humidité Ts Tt, T ma=, T min, Dur& H

(%) (OC) (OC) F o (OC) m) b, Réchauffement initiai 40.0 39.0 - - -

> 35 58.0 56.0 53.0 42.0 1 .O

35-25 65.0 60.0 57.0 44.0 1 ,O

25- 15 67 .O 57.0 59.0 45.0 1.5

< 15 72.0 52.0 63 ,O 48.0 2.0

........... ............... .Réchauffement ............................ Vide..

C) Réchauffement initial 40.0 39.0 - - - > 35 60.0 55.0 53,O 43 ,O 1 .O

35-25 65.0 55.0 55.0 45,O 1.0

25-15 70.0 55.0 58.0 43.0 1.5

< 15 75.0 55-0 60.0 45.0 2.0

2.2.3 Détermination des profüs des paramètres intrinsèques

La figure 2.12 montre la disposition dans le séchoir des morceaux utilisés pour la

mesure des profils de teneur en humidité, de température, de pression et de potentiel hydrique

au cours du séchage sous vide discontinu. Ainsi, pour les trois espèces étudiées, les débits na

1, 2 et 3 furent séchés sans scellant aux extrémités. Seuls les morceaux n" 4.1 et 4.2 étaient

sceiiés aux extrémités. Tous les capteurs de mesure furent installés dans le morceau no 4.1. La

disposition des capteurs dans ie morceau est montrée à la figure 2.13.

La mesure des profils de teneur en humidité fut effectuée en prélevant périodiquement

en cours de séchage des carottes à trois positions de la longueur (au centre et à 15 cm des

deux extrémités) à I'aide d'une mèche à goujon. Ces prélèvements ont été pratiqués sur les

morceaux n" 1 et 4.2. Les carottes de 10 mm de diamètre furent par la suite sectionnées en

tranches d'environ 10 mm d'épaisseur qui furent alors pesées et séchées à l'étuve pour

déterminer les profils d'humidité à travers l'épaisseur et la longueur des morceaux. Les trous

laissés par le prélèvement des carottes étaient remplis d'un scellant au silicone avant de

retourner les morceaux au séchoir. Les autres morceaux (na 2 et 3) étaient pesés à chaque

ouverture du séchoir pour la détermination de la courbe de séchage.

La teneur en humidité initiale de chaque morceau fut évaluée en prélevant une section

de 25 mm de longueur à chaque extrémité lors de leur débitage final juste avant de monter la

charge pour le séchage. On a dors supposé que la teneur en humidité était uniforme à travers

l'épaisseur.

Tel que mentionné plus haut, le suivi de la pression absolue dans le cylindre fut

effectuée à I'aide d'un capteur de pression relié à une sonde par l'intermédiaire d'un tube

flexible. Quant aux profils de pression à l'intérieur du bois, ils furent mesurés à I'aide de

colomes de mercure reliées aux sondes de pression installées dans le bois. La sonde de

pression consistait en une aiguille hypodermique de 2 mm de diamètre insérée dans un trou

Figure 2.12 Disposition des débits dans le séchoir pour la mesure des prof& des paramètres intrinsèques de séchage

Silicone Ploque métallique 7

LiTC Capteurs de pression

Figure 2.13 Schéma de la disposition des capteurs dans le morceau utilisé (no 4.1) pour la mesure des paramètres intrinsèques de séchage

préalablement percé jusqu'au centre de la pièce de bois. La pression fût mesurée à trois

dinérents niveaux de profondeur, soit à la surface, au quart et à la demie de l'épaisseur. Pour

assurer leur étanchéité, les aiguilles ont été enfoncées sous pression à l'aide d'un petit

marteau.

L'usage d'une colonne de mercure pour la mesure de la pression dans le bois fut

rendue nécessaire dû au bris de deux des trois capteurs électroniques achetés à cet effet. Ceci

a certainement affecté quelque peu la précision des mesures en temps réel, principalement en

début de séchage oii le bois est moins perméable à l'air. Malgré un certain délai possible entre

la lecture et le changement réel de pression dans le bois, nous avons jugé que la technique

utilisée était suffisamment fiable pour étudier l'importance relative des pressions absolues à

dinérents Nveaux de l'épaisseur.

Les profils de température ont été mesurés à l'aide de thermocouples cuivre-

constantan miniahires TT-T-30. Les thermocouples ont été installés à proximité des capteurs

de pression à trois niveaux de l'épaisseur (figure 2.13).

Quant aux profils de potentiel hydrique du bois, trois hygromètres à thennocouple

(figure 2.7) ont été installés également aux mêmes trois niveaux de I'épaisseur que les deux

autres capteurs (figure 2.13). Pendant le séchage, les lectures furent prises en continu à l'aide

d'un système d'acquisition de domees (Système HP-1 15 de Wescor hc.). Une équation

moyenne d'étalonnage tirée de Guillemette (1987) fut utilisée pour transformer les valeurs de

voltage en termes de potentiel hydrique. Comme on s'intéressait seulement a l'dure générale

des résultats, il n'y avait pas lieu d'étalonner chacun des capteurs.

La conduite du processus de séchage fut effectuée selon la même méthodologie que

celie décrite antérieurement en 2.2.3. Le tableau 2.2 montre les programmes de séchage

utilisés pendant l'exécution de ces essais. On remarquera que ces programmes sont beaucoup

plus doux en ce qui a trait à la phase de réchauffement que les programmes utilisés pour

l'étude sur l'effet de bout et l'effet de longueur (tableau 2.1).

Après refroidissement du bois, des mesures de teneur en humidité avec I'hurnidimètre

à résistance ont été effectuées à deux niveaux de profondeur, soit au quart et à la demie de

l'épaisseur, et à tous les 300 mm de la longueur.

Tableau 2.2 Programme de séchage utilisé pour les essais sur la mesure des profils de paramètres intrinsèques : a) érable à sucre; b) hêtre a grandes feuilles; c) pin blanc

.................. ................. .Réchairnement ................ Vide ................

a) Réchauffement initial 40.0 39.0 - - > 35 63.0 60.0 52.0 46,O .O

35-25 62.0 6 a O 52-0 44.0 1 -0

25- 15 66.0 64.0 56.0 46.0 1.5

- - - --

.................. ................. .Réchauffement ................ Vide ................

.................. ................. .Réchaaement ................ Vide ................

CHAPITRE 3

RÉSULTATS ET DISCUSSION

3.1 EfFet de bout et effet de longueur

Rappelons que les notions "d'effet de bout" et "d'effet de longueur" ont été définies à

la section 2.12. On ne s'attardera pas dans cette section à l'impact possible des écarts de

régulation du séchoir sur l'allure des courbes de séchage car tous les morceaux dans une

fournée donnée étaient soumis au même traitement. Disons cependant comme on le verra plus

bas que la durée moyenne des cycles réchauffementhide a excédé considérablement dans

certains cas la durée prévue dans les programmes de séchage du tableau 2.1. Même si le

logiciel de régulation devait relâcher le vide après la période maximale prévue, on a dû

modifier à plusieurs reprises cette période maximale pour maintenir un taux de séchage

minimal. Nous avons également expérimenté quelques pannes avec le logiciel de régulation au

cours de la phase de vide, ce qui étirait celle-ci jusqu'au moment où on puisse s'en rendre

compte.

3.1.1 Essai sur l'érable à sucre

Le tableau 3.1 montre l'évolution de la teneur en humidité moyenne du bois d'érable

au cours de l'essai de séchage sur l'effet de bout et I'effet de longueur. La figure 3.1

représente graphiquement les résultats obtenus pour les morceaux jumelés no 1 et 2. Ainsi, le

morceau long no 1 non sceiié aux extrémités a séché à peu près à la même vitesse que le

Tableau 3.1 p vol ut ion de ia teneur en humidité moyenne du bois d'érable au cours de l'essai de séchage sur I'effet de bout et l'effet de longueur

Owerture Cycle Temps Morceau

1' z2 3' 2.22 2. l' 4'

# # (n) . . . . . . . . .. .. . . Teneur en humidité (%) -. .. . . .. .. .. . .. .

8 42 123 6.9 6.0 9.4 7.3 6-9 13.7

Sans sceliant aux extrémités - -r

' Avec scellant aux extrémités

Figure 3.1 Courbes de séchage du bois d'érable obtenues lors de l'essai sur I'effet de bout: (1) morceau long avec bouts non scellés; (2) morceau long avec bouts scellés

61

morceau long no 2 avec scellant, accusant même un certain retard en fin de séchage sur ce

dernier. L'effet de bout dans ce cas fut donc ine>tiaant. Il est par contre relativement

important si on compare les taux de séchage des morceaux jumelés nm 3 et 4 au tableau 3.1.

En effet, le morceau non sceUé aux extrémités montre un séchage sensiblement plus rapide

que le morceau scellé. On peut également comparer les vitesses de séchage des n" I et 2.1 qui

provenaient du même madrier et qui n'avaient pas de scellant aux extrémités. Le fait que le

morceau court (no 2.1) ait séché plus rapidement que le morceau long, du moins jusqu'à 10%

II, indique bien la présence d'un effet de bout.

La figure 3.2 compare la vitesse de séchage d'un morceau long scellé aux extrémités

(no 2) à celle d'un morceau jumelé de faible longueur également scellé aux extrémités (no 2.2).

On ne peut y détecter qu'un très faible effet de longueur dans la deuxième moitié du séchage,

le morceau coun accusant un retard d'à peine 5 h sur le morceau long.

Morceau

Figure 3.2 Courbes de séchage du bois d'érable obtenues lors de l'essai sur l'effet de longueur: (2) morceau long avec bouts scellés; (2.2) morceau court avec bouts scellés

3.1.2 Essai sur le hêtre à grandes feuilles

Le tableau 3.2 montre l'évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de hêtre

au cours de l'essai de séchage sur l'effet de bout et l'effet de longueur. Les figures 3.3 et 3.4

comparent graphiquement une partie de ces résultats. La figure 3.3 montre un effet de bout

évident, le morceau long non scellé aux extrémités (no 1) ayant séché plus rapidement que le

morceau long scellé (no 2). À 15% H, on peut noter une différence d'environ 15 h entre les

deux temps de séchage. La comparaison des résultats obtenus avec les morceaux nm 3 et 4

n'indique par contre aucun effet de bout.

Quant à la figure 3.4, elle indique que l'effet de longueur, s'il existe, est une fois de plus très faible.

Tableau 3.2 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de hêtre au cours de l'essai de séchage sur l'effet de bout et l'effet de longueur

Owerture Cycle Temps Morceau -

1' 2' 3 ' 2.2: 2.1' J

# # @) . . . ... . ... . . .. . .. Teneur en humidité (%) . .. . . ... . . . . .. . . .

' Sans scellant aux exeémités ' Avec scellant aux extrémités

Figure 3.3 Courbes de séchage du bois de hêtre obtenues lors de l'essai sur l'effet de bout: (1) morceau long avec bouts non scellés; (2) morceau long avec bouts scellés

Figure 3.4 Courbes de séchage du bois de hêtre obtenues lors de l'essai sur l'effet de longueur: (2) morceau long avec bouts scellés; (2.2) morceau court avec bouts sceliés

3.1.3 Essai sur le pin blanc

Le tableau 3.3 montre I'évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de pin au

cours de l'essai de séchage sur I'effet de bout et l'effet de longueur. La figure 3.5 compare les

courbes de séchage d'un morceau long non scellé (no 1) et d'un morceau long scellé (no 3).

Comme ces deux morceaux n'étaient pas jumelés (section 2.2.2)' leurs teneurs en humidité

initiales étaient légèrement différentes. Si on compare les pentes des deux courbes de séchage

qui sont presque Iinéaires jusqu'à 10% H, on observe que la vitesse de séchage du morceau

non scellé fut d'environ 15% supérieure à celle du morceau scellé. Ceci indique donc un effet

de bout assez important.

Tableau 3.3 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de pin au cours de l'essai de séchage sur I'effet de bout et l'effet de longueur

O~va-ture Cycle Temps Morœau

1' 2' 3' 1.1' 2. l 2 2.2' 3.1' 3 -2'

# # (hl ................... Teneur en humidité (%) .....................

Sans sceiiant aux extrémités * Avec scellant aux extrémités

Morceau

Figure 3.5 Courbes de séchage du bois de pin obtenues Ion de l'essai sur l'effet de bout: (1) morceau long avec bouts non scellés; (3) morceau long avec bouts scellés

D'autre part. à I'instar des autres espèces? la figure 3.6 ne montre aucun effet de

longueur s iwcatif . Quant à la comparaison du morceau no 3 avec les morceaux n" 3.1 et

3.2, elle est impossible à effectuer à cause d'une trop forte différence dans les teneurs en

humidité initiales.

La longueur des planches témoins avec extrémités scellées aurait donc peu d'effet sur

leur comportement au séchage. En autant que Ia longueur des planches témoins corresponde à

au moins une fois l'espacement entre les baguettes, celles-ci donneraient une bonne image de

la cinétique du séchage, pourvu évidemment que les caractéristiques de l'air ne change pas le

long de la pile de bois ou suivant sa hauteur. Comme les planches témoins scellées aux

extrémités risquent de sécher un peu plus lentement que les débits de pleine longueur sans

Figure 3.6 Courbes de séchage du bois de pin obtenues lors de I'essai sur l'effet de longueur: (2) morceau long avec bouts scellés; (2.1) et (2.2) morcenux courts avec bouts scellés

scellant, on aura dors intérêt à les placer dans des endroits de la pile ou les conditions de

séchage sont les plus rigoureuses.

Quant à l'effet de bout. il peut difficilement être évité dans le cas du séchage sous vide

discontinu, mais celui-ci ne semble pas plus imponant que celui observé lors du séchage à

haute température (Fabris 1993). Cette dernière étude a démontré l'existence d'un fort

gradient de teneur en humidité dans les premiers 600 mm de chaque extrémité. Le séchage

axial dans le cas du procédé sous vide discontinu serait par ailleurs beaucoup plus faible que

celui observé pour le procédé V/FR (Avramidis et al. 1994). L'explication probable de ce

comportement serait que dans le premier cas les gradients de pression et de température dans

le sens axial du débit seraient beaucoup plus faibles (sauf pour les premiers quelques cm de

chaque extrémité) que les gradients transversaux. ce qui ne favorise pas le mouvement d'eau

sous forme de vapeur le long des cavités cellulaires des fibres ou des vaisseaux.

3.2 Détermination des profa des paramètres intrinsèques

3.2.1 Courbe de séchage et variation de la teneur en humidité finaie

Les tableaux 3.4, 3.5 et 3.6 présentent respectivement pour le bois d'érable, de hêtre

et de pin I'évoiution de la teneur en humidité moyenne des débits n" 2 et 3 au cours des essais

de séchage réalisés pour la détemination des profils des paramètres intrinsèques de séchage.

Les résultats sont représentés graphiquement aux figures 3.7 à 3.9. Bien que nous ayons

mieux contrôlé la durée des cycles réchauffementhide que lors des essais sur l'effet de bout et

l'effet de longueur, nous avons quand même expérimenté des pannes du logiciel de régulation

à quelques reprises de sorte que certaines phases de vide ont perduré. De plus, une période

d'une heure ou plus était perdue à chaque ouverture du cylindre pour la pesée des débits et le

prélèvement des carottes pour les profils de teneur en humidité. Ces périodes de temps ne

furent pas comptabilisées dans le calcul du temps de séchage.

Le temps requis pour sécher le bois d'érable d'une teneur en humidité initiale moyenne

de 72'5% à une humidité finale de 10% fut de 100 h, soit un taux moyen de séchage de 0,62

%/h. Ces résultats sont très semblables à ceux donnés au tableau 1.5 et à ceux obtenus par

Defo et al. (1 994) (figure 1.11). 11s dîfEerent cependant sensiblement de ceux de la première

série d'essais (figure 3.1) où le taux de séchage est plus fort au début de la fournée et plus

fable vers la fin. Une diminution de la durée de la phase de vide (température minimale du

bois plus élevée) lors de la deuxième série d'essais expliquerait l'obtention d'un taux de

séchage plus constant. Dans la période entre 40 et 50 h, la durée de la phase de vide fut

cependant trop courte provoquant ainsi un ralentissement du séchage.

Le bois de hêtre a également montré un taux de séchage relativement constant du

début à la fin du cycle (figure 3.8). Il a fallu 93 h pour passer d'une teneur en humidité initiale

moyenne de 55% à une humidité h a l e de 8'5%' soit un taux moyen de séchage de 0'50 %/h

Ces résultats sont semblables a ceux de la figure 3.3. Dans ce cas, la diminution de la durée

de la phase de vide n'a donc pas accéléré le séchage.

Tableau 3.4 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois d'érable au cours de l'essai de séchage sur la mesure des prof& des paramètres intrinsèques

.....

Ouverture Cycle Temps Durée Morœau

Par cycle 2 3

# # ........ ........ @) Teneur en humidité (Yo)

Tableau 3.5 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de hêtre au cours de l'essai de séchage sur la mesure des profüs des paramètres intrinsèques

Owerture Cycle Temps Durée Morceau

# # 0i> ....... ....... fi) Teneur en humidité (%)

Tableau 3.6 Évolution de la teneur en humidité moyenne du bois de pin au cours de l'essai de séchage sur la mesure des prof i des paramètres intrinsèques

Owerture Qcle Temps Durée Morceau

# # (h) fi) ........ Teneur en humidité (%) ........ O O 0.0 - 59.6 62.3

Figure 3.7 Courbes de séchage du bois d'érable obtenues lors de l'essai de séchage sur la mesure des profds des paramètres intrinsèques

Figure 3.8 Courbes de séchage du bois de hêtre obtenues lors de l'essai de séchage sur la mesure des profils des paramètres intrinsèques

Figure 3.9 Courbes de séchage du bois de pin obtenues lors de l'essai de séchage sur la mesure des profils des paramètres intrinsèques

71

Quant au bois de pin, il a f d u 80 h pour faire descendre la teneur en humidité du bois

de 62'5% à 12%, soit un taux moyen de séchage de 0'63 Y&. Le séchage a quelque peu

traîné dans les dernières 24 heures à cause d'un problème de régulation du séchoir, la durée de

la phase de vide ayant été beaucoup trop longue pour trois cycles sur cinq.

On doit rappeler ici que dans le cas du hêtre et du pin, les températures maximales de

séchage utilisées en cours de réchauffement durant cette deuxième série d'essais (tableau 2.2)

étaient plus faibles que ceiies utffsées lors de la première série (tableau 2.1). Malgré cela, il

semble que la vitesse de séchage n'ait pas été trop affectée. Le fait que les phases de

réchauffement dans la deuxième série d'essais aient été réalisées en c h a t plus humide a

probablement favorisé le mouvement d'humidité au cours des vides subséquents.

Les temps de séchage obtenus dans cette étude sont de deux à quatre fois plus courts

que ceux normalement expérimentés dans la pratique avec le procédé à air chaud climatisé à

moyenne température (Simpson 1991). Notons cependant que la régulation du séchage ne

prenait pas en compte la qualité du séchage et que la teneur en humidité finale cible (7% H)

n'a été atteinte que dans le cas du hêtre. Même si peu de débits étaient séchés en même temps

dans le séchoir, les résultats obtenus ne semblent pas indiquer un effet très marqué de la

teneur en humidité initiale sur la teneur en humidité finale. Si on met de côté les aspects

énergétiques, le séchage sous vide discontinu pourrait donc s'appliquer directement sur du

bois vert tombant de scie.

En accord avec la Littérature, les courbes de séchage montrées aux figures 3.1 à 3.9

tendent en générai à être beaucoup plus linéaires que les courbes de séchage normalement

observées avec les procédés à air chaud climatisé et le point de saturation des fibres ne semble

plus être un point critique de la cinétique du séchage. Le séchage sous vide serait donc moins

dépendant du phénomène de das ion aux faibles teneurs en humidité, l'humidité se déplaçant

alors probablement en grande partie par convection sous forme de vapeur. Ceci expliquerait

d'ailleurs pourquoi le séchage sous vide est beaucoup moins &eaé par l'épaisseur des débits

que les procédés conventionnels (Joly et More-Chevalier 1980).

72

Les tableaux 3.7, 3.8 et 3.9 montrent pour les morceaux nœ 2 et 3 la teneur en

humidité en fin de séchage mesurée avec I'humidimètre à résistance électrique à différentes

positions de la longueur et de I'épaisseur. D'abord dans le cas du hêtre (tableau 3.8) où la

teneur en humidité cible f i t atteinte, la variation de teneur en humidité est faible, tant suivant

l'épaisseur que suivant la longueur, une seule mesure s'écartant considérablement des autres.

Pour les deux autres espèces, les tableaux 3.7 et 3.9 indiquent une assez forte variation dans

les deux directions, spécialement dans le cas du pin blanc. Ceci n'est pas vraiment surprenant

car le séchage s'est arrêté prématurément dans les deux cas.

Comme le séchage sous vide est très rapide, on ne peut s'attendre à ce que les

gradients de teneur en humidité suivant l'épaisseur soient nuls en fin de séchage (Aléon 1979).

Une période d'équilibrage en fi de cycle serait donc de mise dans le cas du séchage sous vide

en discontinu, préférablement à la pression atmosphérique car il dacile de contrôler avec

précision le climat du séchoir en présence de vide. En effet, l'ajout de quelques cycles

réchauffementhide en fin de fournée risque d'amener les débits les plus secs à une teneur en

humidité en dessous de 5% facilement et d'affecter ainsi la qualité du bois séché.

Tableau 3.7 Teneur en humidité mesurée à la fin du séchage du bois d'érable a différentes positions de la longueur et de I'épaisseur du débit

- -

Débit Position le iong du débit (cm)

15 45 75 106 136 167 198

# Profondeur .................. Teneur en humidité (%) .....................

Tableau 3.8 Teneur en humidité mesurée i la fin du séchage du bois de hêtre a différentes positions de la longueur et de l'épaisseur du débit

Débit Position le Iong du débit (cm)

....................... .................... # Profondeur .. Teneur en humidité (%)

Tableau 3.9 Teneur en humidité mesurée à la fin du séchage du bois de pin à différentes positions de la longueur et de l'épaisseur du débit

Débit Position le long du débit (cm)

....................... ..................... # Profondeur Teneur en humidité (%)

3.2.2 Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité

Les figures 3.10, 3.1 I et 3.12 montrent I'évolution de la distribution de la teneur en

humidité le long du morceau no 1 au cours du séchage pour chacune des espèces étudiées.

Les données détaillées sur les profils d'humidité axiaux et transversaux mesurés sur les

morceaux nm 1 et 4.2 sont présentées aux tableaux Al à A6 de l'Appendice A.

Si on prend en compte les variations axiales de la teneur en humidité initiale, entre

autres dans le cas du pin, on est tenté de conclure que les gradients axiaux de teneur en

humidité ont été relativement faibles tout au long du séchage, du moins jusqu'à 15 cm des

extrémités. Les profils ont même tendance à se creuser vers l'intérieur tel qu'observé par

Avramidis et al. (1994) avec le procédé V m mais à un degré beaucoup plus faible (figure

1.15). Si on se réfëre aux tableaux A2, A4 et A6 de l'Appendice A, on peut observer que le

53 106 1 59

Distance (cmj

Temps

Figure 3.10 Évolution de la teneur en humidité au cours du séchage du bois d'érable le long du débit no 1 (humidité moyenne des carottes)

Temps

O I I I i I O 53 106 159 212

Distance (cm)

Figure 3.11 Évolution de la teneur en humidité au cours du séchage du bois de hêtre le long du débit na 1 (humidité moyenne des carottes)

Distance (cm)

Figure 3.12 Évolution de la teneur en humidité au cours du séchage du bois de pin le long du débit no 1 (humidité moyenne d u carottes)

morceau no 4.2, qui était scellé aux extrémités, a montré un comportement

1 pour I'évolution des pronls d'humidité axiaux. Ceci signifie donc que le

ce dernier cas fiit très faible.

76

très similaire au no

séchage axial dans

Si on rapponait les valeurs moyennes de teneur en humidité (moyenne des trois

carottes) des tableaux Al à A6 sur les figures 3.7 à 3.9 pour les espèces respectives. on

devrait pour le morceau nOl retrouver une courbe de séchage qui s'approche de celle du n02

(morceaux jumelés). C'est ce qui effectivement arrive dans le cas de l'érable et du hêtre, mais

dans le cas du pin, les deux courbes sont très différentes. La raison de cette différence n'est

vraisemblablement pas la précision des valeurs de teneur en humidité déterminées à partir de la

technique du prélèvement de carottes, lesquelles peuvent être sousestirnées tout au plus de 2 à

5% AH à cause de l'effet de réchauffement de la mèche et des pertes d'humidité lors des

manipulations.

Les morceaux na 1 et 2 de pin provenaient d'un madrier sur dosse découpé dans la

transition aubierlbois de cczur. La teneur en humidité initiale variait donc sensiblement à

l'intérieur du madrier en question, d'autant plus que celui-ci avait subi un séchage partiel sur

une face (tableau AS) lors d'une montée accidentelle en température de la chambre de

congélation. La même remarque vaut pour les morceaux jumelés na 3 et 4.2.

Les figures 3.13 à 3.18 montrent l'évolution des profils transversaux de teneur en

humidité (moyenne des trois carottes) mesurés à partir des débit nœ 1 et 4.2. La teneur en

humidité au temps zéro n'a pas été déterminée à l'aide des carottes mais à partir de sections

entières découpées à chaque extrémité des morceaux. La Ligne pointillée indique cette teneur

en humidité initiale qui est alors considérée comme étant uniforme à travers l'épaisseur des

débits. Cependant, l 'dure des profils d'humidité en début de séchage démontre que la teneur

en humidité initiale n'était pas uniforme dans tous les cas. Ceci complique quelque peu

I'analyse des résultats mais dans l'ensemble, il est quand même possible d'en dégager les

grandes tendances.

Distmce (mm)

Figure 3.13 Évolution de la teneur en humidité dans l'épaisseur du débit no 1 au cours du séchage du bois d'érable (moyenne de trois carottes)

Figure 3.14 Évolution de la teneur en humidité dans l'épaisseur du débit no 4.2 au cours du séchage du bois d'érable (moyenne de trois carottes)

Distance (mm)

Figure 3.15 Évolution de la teneur en humidité dans l'épaisseur du débit no 1 au cours du séchage du bois de hêtre (moyenne de trois carottes)

O I O 20 30 40 50

Distance (mm)

Figure 3.16 volu ut ion de la teneur en humidité dans l'épaisseur du dCbit no 4.2 au cours du séchage du bois de hêtre (moyenne de trois carottes)

- I - -

O 10 20 30 40 50

Distance (mm)

Figure 3.17 Évolution de la teneur en humidité dans l'épaisseur du débit no 1 au cours du séchage du bois de pin (moyenne de trois carottes)

O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Distance (mm)

Figure 3.18 Évolution de la teneur en humidité dans I'épaisseur du débit no 4.2 au cours du séchage du bois de pin (moyenne de trois carottes)

80

Les profils de teneur en humidité pour l'érable à sucre montrés à la figure 3.13 sont

similaires à ce que l'on observe normalement lors du séchage wnvectif à la pression

atmosphérique? un gradient d'humidité relativement important se développant dans la

première partie du séchage entre la surface et le quart de l'épaisseur environ. Ceci est le

résultat d'un séchage plus intense près de la surfàce que dans l'intérieur de la pièce. Ce

comportement est moins évident à la figure 3.14. Les deux figures montrent par contre des

profils d'humidité qui s'aplatissent en dessous de 30% H de sorte que les gradients d'humidité

en fin de fournée sont relativement faibles, soit une dfirence de moins de 4% H entre le coeur

de la pièce et la surface. Les résultats des mesures de teneur en humidité à l'aide de

l'humidimètre montrés au tableau 3.7 pour les morceaux 2 et 3 vont dans le même sens. il

en est de même des résultats de Defo et al. (1 994) montrés à la figure 1.13. Donc, les profils

caractéristiques en forme de cloche que l'on observe lors du séchage conventionnel en

dessous de 30% H ne semblent pas se manifester lors du séchage sous vide discontinu.

Quant aux profils de teneur en humidité mesurés avec le hêtre, les figures 3.15 et 3.16

montrent des gradients plus ou moins fons en début de séchage et à l'instar de l'érable un

séchage relativement uniforme en épaisseur par la suite. Aussitôt que la pression peut

s'abaisser rapidement dans toute l'épaisseur de la pièce, le séchage prendrait place de façon

plus ou moins uniforme de la surface jusqu'au coeur. Notons que l'allure particulière du profil

à 50 h pour le morceau 4.2 ne s'explique pas, si ce n'est que par la présence de données

erratiques.

L'évolution des profils de teneur en humidité pour le pin blanc (figures 3.17 et 3.18)

est plutôt difficile à analyser à cause d'une distribution non uniforme de la teneur en humidité

initiale à travers l'épaisseur des débits, particulièrement dans le cas du débit no 1. En dépit de

cela, les profils de teneur en humidité tendent à s'aplatir rapidement, la face la plus humide

ayant séché beaucoup plus rapidement que la face qui était relativement sèche au départ.

81

À la lumière de ces observations, on peut conclure que le séchage sous vide discontinu

lorsqu'il est appliqué sur du bois pennéable aux gaz et partiellement séché a l'air s'avère un

procédé moyennement doux en ce qui a trait aux réactions mécaniques du bois puisque les

gradients de teneur en humidité demeurent toujours relativement faibles. Cependant, ceci

n'est pas nécessairement le cas pour le séchage des bois tombant de scie car les gradients de

teneur en humidité en début de séchage sont sufnsamment forts pour induire des contraintes

importantes à la surfâce des débits. Il demeure néanmoins que les gradients de teneur en

humidité en fin de fournée peuvent être encore trop élevés pour les bois destinés à la seconde

transformation si le programme de séchage ne prévoit une phase d'équilibrage sous vide (en

étirant la phase vide) ou à la pression atmosphérique. Une étape conditionnement à la

pression atmosphérique peut égaiement être de mise afin de relâcher les contraintes résiduelies

de séchage, car le fait de minimiser les gradients de teneur en humidité ne libèrent pas pour

autant toutes les contraintes de séchage.

3.2.3 Profils de température

Les figures 3.19, 3 -20 et 3 -2 1 montrent des patrons représentatifs de l'évolution de la

température dans I'épaissseur des débits pour différents cycles de pressionhide au cours du

séchage de l'érable, du hêtre et du pin blanc respectivement. Rappelons que la température

fut mesurée à trois positions de l'épaisseur des morceaux, soit à la demie, au quart et à la

surface. Rappelons également que cette dernière fût mesurée à un mm de la surface, ce qui ne

donne pas la vraie température de surface. On considère cependant que I'erreur effectuée en

ne positionnant pas le thermocouple exactement à la sufice est minime. Afin de pouvoir

situer les cycles pressiodvide montrés dans les illustrations en fonction de la teneur en

humidité moyenne du bois, on peut se référer aux tableaux 3.4 à 3.6 qui établissent cette

correspondance pour divers cycles au cours de chacune des fournées. On peut enfin se référer

aux programmes de séchage du tableau 2.2 pour comparer les résultats obtenus en fonction

des consignes de séchage afnchées.

- T(s u rf.) - T( 1 14) -T(1/2) ,

Figure3.19 Évolution des profils de température au cours du séchage du bois d'érable: a) cycles 8, 9, 10, 11; b) cycles 22, 23, 24, 25; c) cycles 38, 39, 40,41

Figure 3.20 Évolution des profüs de température au cours du séchage du bois de hêtre: a) cycles 4,5, 6, 7; b) cycles 25,26,27,28; c) cycles 40,41,42,43

Figure 3.21 Évolution des profils de température au cours du séchage du bois de pin: a) cycles 1,2,3; b) cycles 7,8,9,10; c) cycles 27,28,29,30

85

Pour les trois espèces utilisées, la phase de réchauffement correspond aux montées en

température, tandis que la phase de vide correspond aux descentes en température. Durant la

phase de réchauffement, le flux d'air chaud et humide permet de réchauffer graduellement le

bois, toujours de la surface vers l'intérieur, jusqu'à ce que le cœur du débit atteigne la

température maximale désirée (Tin -.). À ce moment, commence la phase de vide et le

gradient de température est inversé à cause de l'évaporation intense (ébullition) de I'eau en

surface. Ce comportement général est tout à fait logique et en accord avec la Littérature sur le

sujet (Joly et More-Chevalier 1980, Pagnozzi 1987, Defo el al. 1994).

Si on compare d'abord pour les trois espèces la température mesurée au centre du

morceau avec la consigne correspondante (Le. TIn ru et TIR -) donnée au tableau 2.2, on

réalise que la température minimale au moment du vide suit de près la consigne dans presque

tous les cas mais que la température maximale atteinte au niveau du réchauffement excède

souvent la consigne de 2 à 3 O C . Cette apparente anomalie s'explique principalement par le

fait que le bois continuait à se réchauffer dans sa masse même après avoir coupé la chaleur

pour amorcer le vide. La transition entre le réchauffement et le vide correspond

approximativement au maximum du profil de la température de surface. Or tel qu'on peut

l'observer dans les figures 3.19 à 3.21, la température maximale au centre et au quart de

l'épaisseur était atteinte de 10 à 20 minutes après la température maximale en surface.

Suite au phénomène expliqué ci-dessus, les 10 à 20 premières minutes de la période de

vide sont caractérisées par des gradients thermiques défavorables au mouvement de I'eau dans

le bois, situation équivalente au séchage convectif à la pression atmosphérique. Au delà de

cette période, on peut se rendre compte que les gradients de température sont inversés suite

au refroidissement de la surface du bois causé par l'ébullition de I'eau. L'importance de ces

gradients diminue dans le temps mais en début de séchage, des différences de température

supérieures à 5'C peuvent se présenter entre le centre du morceau et la surface. Ceci est

particulièrement évident dans le cas de l'érable et du hêtre. L'allure des profils mesurés pour

l'érable est très sirnilaire à celle obtenue pour la même espèce par Defo et al. (1 994).

86

Dans le cas du pin blanc, les gradients thermiques au cours de la période de vide sont

beaucoup moins importants. Le diagramme au centre de la figure 3.21 montre même une

tendance inverse, soit une température qui demeure plus forte à la surface qu'à l'intérieur du

débit tout au long de la période de vide. Ce dernier comportement est cependant diaicile à

expliquer, si ce n'est que par une évaporation plus forte au centre de la pièce qu'à la surface.

Ceci n'est pas impossible avec un bois aussi perméable que le pin si un gradient d'humidité

assez fort existe dans la pièce au départ du séchage.

L'dure des gradients de température pendant la période de vide reflète assez bien le

niveau de perméabilité aux gaz des espèces concernées. En effet, I'irnportance des gradients

thermiques aux teneurs en humidité élevées va dans le sens inverse de la perméabilité, soit

hêtre-érable-pin. Plus le bois est perméable aux gaz, plus profond tend à se produire le

changement de phase, voire l'ébullition, à une teneur en humidité donnée. Dans le cas du

hêtre, il semble que l'évaporation ait été longtemps plus intense dans les couches de surface

qu'à l'intérieur du débit si on juge d'après l'allure des gradients de température. On peut

cependant difficilement parler de véritable front de séchage dans le cas du séchage sous vide,

l'évaporation pouvant prendre place à n'importe quelle teneur en humidité et niveau de

l'épaisseur si les conditions de température et de pression totale le permette. Comme on verra

plus bas, le niveau de perméabilité du bois aux gaz jouerait un rôle prépondérant dans

l'établissement des conditions propices au phénomène d'ébullition de l'eau à l'intérieur de la

pièce.

3.2.3 Profds de pression totale

Les figures 3.22, 3.23 et 3.24 montrent l'évolution des profïis de pression totale pour

les trois espèces étudiées à trois positions de l'épaisseur (Pd, P1,4, PIR) et à trois périodes de

vide du séchage. Rappelons que ces pressions furent mesurées dans le même débit que les

profils de température (morceau 4.1) et que la pression à la surface du bois correspond à la

pression ambiante dans le cylindre. Aucun contrôle ne fut effectué par rapport au maximum

Figure 3.22 Évolution de la pression totale dans le bois au cours du séchage du bois d'érable: a) vide 1; b) vide 29; c) vide 51

Figure 3.23 Évolution de la pression totale dans le bois au cours du séchage du bois de hêtre: a) vide 1; b) vide 31; c) vide 45

Temps (min)

Ternps (min)

Figure 3.24 Évolution de 1.1 pression totale dans le bois au cours du séchage du bois de pin: a) vide 1; b) vide 12; c) vide 31

90

de vide à atteindre, celui-ci étant fonction de la puissance de la pompe à vide et de l'étanchéité

du système. Comme la mesure de la pression s'est effectuée manuellement à l'aide de

manomètres a mercure, les points de mesure sont peu nombreux mais quand même suffisants

pour en déduire les tendances générales.

D'abord, les figures 3.22 a 3.24 montrent que le vide maximal dans le cylindre ou a la

surface du bois est pratiquement atteint dans les trois cas après seulement dix minutes de vide.

Ceci indique que le système était étanche et que la capacité de la pompe à vide était suffisante

pour établir le vide rapidement et en même temps retirer l'eau évaporée du séchoir. Le niveau

de vide atteint était cependant légèrement pius élevé en fin de séchage comparativement au

début. En termes de pression absolue, ces niveaux de vide correspondaient à 50-60 mm& en

début de séchage et à environ 30 m m ~ , en fin de séchage. Ces pressions totales donnent des

températures d'ébullition de l'eau de 40 et 30°C respectivement. Comme la température du

bois à la surface des débits n'est jamais descendue en dessous de 40°C (figures 3.18 à 3.2 1).

l'eau Libre à la surface pouvait bouillir pour la plus grande partie de la période du vide.

Concernant l'évolution de la pression totale à l'intérieur des débits, celle-ci diminue

plus ou moins rapidement à l'intérieur d'une phase de vide donnée ou d'un cycle

réchauffementhide à l'autre. Plus le séchage progresse, plus la pression totale après une

heure de vide est faible. Dans le cas de l'érable par exemple, la pression totale apres 60 min

de vide en tout début de séchage est encore aussi élevée que 420 m m ~ , au quan de l'épaisseur

et de 520 mm*, au centre de la pièce. Ces vdeurs sont très similaires à celies obtenues par

Defo et al. (1994) pour des conditions semblables (figure 1.16). Le fait que le bois ait

contenu un assez fort pourcentage d'humidité à ce moment Ia aurait donc empêché l'air

captive dans le bois de s'y échapper facilement. La concordance de nos données avec celles

de Defo et al. (1994) indique également que l'erreur causée par l'utilisation des manometres à

mercure pour mesurer la pression totale est probablement assez faible. Une comparaison

effectuée dans un projet subséquent entre cette technique de mesure et l'utilisation de capteurs

de pression électroniques a montré en effet des lectures comparables entre les deux techniques

bien qu'en début de séchage les lectures au manomètre aient été légèrement surestimées

91

(pression trop élevée) par rapport aw lectures affichées par les capteurs électroniques,

accusant donc un certain délai dû au plus fort volume d'air à déplacer entre la sonde et

l'appareil de lecture.

Pour les trois espèces étudiées, la pression totale au centre des débits demeure en tout

temps au cours de la période de vide supérieure a la pression totale au quart de l'épaisseur, et

cette dernière est toujours plus élevée que la pression totale à la surface. Les gradients de

pression totale suivant l'épaisseur des débits au cours de la période de vide sont donc

favorables au mouvement de l'eau du centre vers la surface. L'importance de ces gradients

diminue avec la progression du séchage, mais en tout temps ceux-ci demeurent suffisamment

importants pour provoquer des mouvements massiques de vapeur qui expliqueraient la

rapidité de ce procédé de séchage. Notons enfin que moins le bois est perméable aux gaz,

plus le gradient de pression totale entre le centre et la surface demeure fon plus longtemps. ce

qui peut compenser dans une certaine mesure pour la plus faible perméabilité.

Un fait assez surprenant est que la pression totale au quart et à la demie de l'épaisseur

soit demeurée tout au long du séchage trop élevée pour permettre le phénomène d'ébullition

de l'eau aux températures mesurées à ces profondeurs dans le bois. Ceci s'applique pour les

trois espèces étudiées, sauf pour le pin en fin de séchage. Ces résultats se comparent à ceux de

Neumann et al. (1992) qui rapportent que l'augmentation de la vitesse de séchage dans le

procédé sous vide en vapeur surchauffée n'est pas reliée au phénomène d'ébullition de l'eau a

l'intérieur du bois, mais plutôt à un mouvement massique de vapeur d'eau. Le fait que le bois

se refroidisse sensiblement au cours de la période du vide ne favorise évidemment pas le

phénomène d'ébullition de l'eau en profondeur. Il n'y a donc pas nécessairement intérêt dans

ces conditions à prolonger indéfiniment le vide car plus la température du bois s'abaisse, plus

le vide devra être poussé pour provoquer I'ébuiIition de l'eau. Le séchage sous vide en

vapeur surchauffée a un avantage indéniable sur le séchage sous vide en discontinu concernant

cet aspect car la température du bois augmente au Lieu de diminuer en cours de séchage.

3.2.4 Prof& de potentiel hydrique

Les figures 3.25, 3.26 et 3.27 montrent l'évolution du potentiel hydnque pour les trois

espèces étudiées à trois positions de l'épaisseur (su&, 1/4, 1/2) et à quatre périodes de vide

différentes. Si on se réfëre aux tableaux 3.4 à 3.6, on peut se rendre compte que les périodes

de vide en question concernent le début du séchage. On sait que la technique des hygromètres

à thermocouples n'est valable qu'au-dessus du point de saturation des fibres, gamme de

teneurs en humidité qui correspond à des humidités relatives d'équilibre variant entre 95 et

100% environ (Fortin 1979). Notons également que le potentiel hydnque fut mesuré durant la

phase de réchauffement mais les valeurs obtenues durant cette période étaient à l'instar de

Fortin (1994) (figure 1.18) plutôt incohérentes. Enfin, la composante potentiel de pression

ne fut pas prise en compte dans le calcul du potentiel total, les valeurs présentées étant alors la

somme des composantes potentiel matriciel et potentiel osmotique.

La teneur en humidité moyenne du bois pour chaque période de vide concernée n'est

pas indiquée dans les figures 3.25 à 3.27, mais on peut facilement en obtenir une bonne

approximation en se référant d'abord aux tableaux 3.4 a 3.6 pour trouver l'équivalence des

temps de séchage avec les cycles de séchage concernés, et puis en se rendant aux figures 3.14,

3.16 et 3.18 respectivement pour trouver les teneurs en humidité correspondantes. On doit

alors supposer que le morceau 4.2 avait la même teneur en humidité que le morceau 4.1 sur

lequel la mesure du potentiel hydrique fut effectuée, ce qui était probablement le cas car les

deux morceaux avaient été jumelés en longueur.

Si on débute avec les profils de potentiel hydrique de l'érable, on devrait normalement

s'attendre à ce que le potentiel hydrique en surface soit plus faible @lus négatif) que celui au

quart de l'épaisseur, et ce dernier plus faible que celui au centre du débit. Cet ordre relatif est

assez bien respecté sur les diagrammes 3.25a et 3.25b mais que partiellement sur les

diagrammes 3.2% et 3.25d. Quant à la précision des valeurs du potentiel hydrique, il est

difficile de statuer sur ce point à cause de l'effet d'hystérèse sur la relation H-yr . II semble

15 30 45 60 Temps (min)

-15000 m 15 30 45 60

Tenps (min)

(b)

- 1 m -liau m 15 30 45 60

Temps (min) Temps (mm)

Figure 3.25 Évolution du potentiel hydrique du bois au cours de la période de vide lors de l'essai de séchage avec I'érable: a) vide 1; b) vide 5; c) vide 8; d) vide 12

Figure 3.26 Évolution du potentiel hydrique du bois au cours de la période de vide lors de l'essai de séchage avec le hêtre: a) vide 1; b) vide 5; c) vide 11; d) vide 14

15 30 45 60

Temps (min)

Figure 3.27 Évolution du potentiel hydrique du bois au cours de la période de vide lors de l'essai de séchage avec le pin: a) vide 1; b) vide 3; c) vide 5; d) vide 8

qu'elles évoluent normalement d'un vide a l'autre mais si l'on prend en compte le fait qu'il

s'agit d'une désorption à partir de l'état vert, elles seraient trop f&bles pour les teneurs en

humidité impliquées (entre 50 et 3 5% H) (Fortin 198 1, Hemindez et Bk03 1994). Il est

cependant intéressant de noter que ces valeurs correspondent plutôt bien avec celles de Fortin

(1994) (figure 1.18) pour les périodes de vide visées. L'évolution du potentiel hydrique

durant une période de vide est aussi similaire.

Le fait que la différence entre le potentiel hydrique du centre et celui de la surface

reste a peu près constante durant une période de vide donnée est nomale car la teneur en

humidité du bois à ces deux endroits change peu pendant ce court laps de temps. Quant au

hêtre, l'allure des profils de potentiel hydrique est également correcte sur ce dernier aspect

mais les potentiels hydriques du centre et de la surface semblent inversés. Puisque cette

anomalie se perpétue sur chacun des diagrammes, il est probable qu'il s'agisse d'une erreur

d'assignation des hygromètres par rapport à leur position dans l'épaisseur du débit.

En ce qui a trait au pin, la gamme de teneurs en humidité visée par les diagrammes de

la figure 3.27 si situe entre 40 et 25% H environ. L'allure des profils de potentiel hydrique

semble avoir une certaine sigrilfication mais une fois de plus le potentiel hydrique au centre du

débit semble anormalement faible (trop négatif). Par contre, l'évolution de la valeur mesurée

en surface paraît tout à f i t raisonable et se compare bien avec les valeurs obtenues par Fonin

(1 994) sur l'épinette.

Dans l'ensemble, les résultats sur l'évolution du potentiel hydrique (composantes

matricielle et osmotique) montrent des tendances intéressantes, entre autres que le potentiel

hydrique atteint rapidement des valeurs qui rendent la composante potentiel de pression (entre

O et -90 J/kg) négligeable. Les résultats montrent également que le potentiel évolue à

l'intérieur d'un cycle dans le même sens que la quantité d'eau dans le bois et que la différence

relative de potentiel entre le centre et la surface tend à diminuer rapidement, indiquant par là

l'aplatissement des profils d'humidité. Ces mesures ne sont vraisemblablement pas assez

97

précises pour seMr dans des calculs de gradients de séchage mais elles montrent tout au

moins la complexité de la tâche de détermination de la force motrice de séchage Ion du

séchage sous vide en discontinu. Il serait particulièrement intéressant à cet effet d'effectuer

une série de cycles pressionlvide sans réchauffement du bois pour analyser l'évolution du

potentiel hydrique en fonction de l'effet d'hystérèse. Maheureusement, les forts gradients

thermiques impliqués dans cette étude nous ont empêché de voir cet effet.

3.2.5 Qualité

Quant à la qualité du bois en £in de séchage. on doit d'abord se rappeler que celle-ci

dépend en grande partie de la qualité du bois au départ. Comme dans la présente étude la

qualité du bois n'était pas nécessairement un critère de sélection du matériel d'essai, certains

débits à l'état vert présentaient divers défauts d'orientation ou anomalies de croissance (e.g.

présence de fibre torse. nœuds). Donc, seulement les débits ayant le moins de défauts avant

séchage ont fait l'objet d'une évaluation visuelle au niveau de la qualité du bois après séchage.

La figure 3.28 montre à cet effet I'aspea superficiel des morceaux no 2 pour les essais

de séchage sur la dé teda t ion des paramètres intrinsèques. Ces débits étaient tous de très

bonne qualité. Les déformations de gauchissement étaient relativement faibles et les gerces de

surface ou le fendillement en bout étaient à toute fin pratique inexistants. U en est de même

pour le collapse, défaut qui a sérieusement affecté les débits de hêtre lors de la première série

d'essais, d'où la raison d'adoucir le programme de séchage de cette espèce pour la deuxième

série d'essais. La couleur du bois était normale même si cela n'est pas évident à pmir de la

photographie de la figure 3.28. Cet échantillonnage est évidemment beaucoup trop faible pour

nous permettre de généraliser a partir des observations effectuées. Cependant, compte tenu

de la présence des faibles gradients de teneur en humidité lors du séchage en dessous du point

de saturation des fibres ii e a tout à fait logique de déduire que le séchage sous vide en

discontinu constitue un séchage particulièrment apte à fournir un produit de qualité, entre

autres dans le cas des bois épais. La popularité en Europe pour ce procédé depuis plus de 30

ans dans le cas du séchage des feuillus fait d'ailleurs foi de ce constat.

Figure 3.28 Aspect des débits no 2 de la deuxième série d'essais après séchage

CONCLUSION

Cette étude de nature entièrement expérimentale avait pour but de mieux comprendre

les mécanismes de base de transfert de masse, de chaleur et de pression dans le bois au

cours du séchage sous vide discontinu. À cet effet, on a évalué l'importance relative des

pertes d'humidité suivant l'épaisseur et la longueur des débits (effet de bout) au cours du

séchage sous vide discontinu et on a suivi l'évolution des profils transversaux des paramètres

intrinsèques de séchage dans des bois de structures anatomiques différentes. On a aussi

étudié la représentativité des planches témoins de faible longueur scellées aux extrémités

pour suivre la cinétique du séchage. Ces mesures ont été effectuées sur des débits de 50 mm

x 100 mm en section provenant de trois espèces différentes, soit l'érable à sucre, le hêtre à

grandes feuilles et le pin blanc.

Un effet de bout plus ou moins important fut observé pour chacune des trois espèces

étudiées démontrant bien que le séchage axial n'est pas négligeable. Ce dernier ne semble

cependant pas plus important que le séchage axial pour le procédé à haute température, et

beaucoup moins important que dans le cas du procédé combiné sous viddfiéquence radio.

D'ailleurs les mesures de profils axiaux de teneur en humidité montrent que ceux-ci

demeurent relativement plats tout au long du séchage, et cela au moins jusqu'à 15 cm des

extrémités. Ce comportement s'expliquerait par le fait que les gradients de température et de

pression totale restent faibles le long des débits lors du séchage sous vide discontinu,

contrairement a ce qui se passe dans le plan transversal.

100 L'étude a aussi révélé que l'utilisation de planches témoins de faible longueur

scellées aux extrémités est justifiée pour le suivi de la cinétique du séchage. L'utilisation de

planches témoins de faible longueur permet de réduire les risques d'erreur au niveau de

l'évaluation de la teneur en humidité initiale et facilite grandement la prise de mesures.

Comme les planches scellées aux extrémités ont tendance à sécher un peu plus lentement que

les débits de pleine longueur non scellés aux extrémités, elles doivent être placées dans des

endroits de la pile où les conditions de séchage sont les plus rigoureuses.

Les temps de séchage mesurés avec les trois espèces étudiées ont varié entre 80 et 100

heures. Le séchage sous vide discontinu est donc de deux à quatre fois plus rapide que le

séchage à moyenne température. Ceci se reflète sur l'allure de la courbe de séchage qui tend

alors à être beaucoup plus linéaire que la courbe de séchage typique à moyenne ou à haute

température. Le point de saturation des fibres n'est plus un point critique de la cinétique du

séchage. le séchage sous vide étant moins dépendant du phénomène de difision aux faibles

teneurs en humidité que les procédés conventionnels. Les vitesses de séchage plus élevées

aux faibles teneurs en humidité seraient alors reliées à un mouvement convectif de vapeur

important.

Pour les trois espèces étudiées, des gradients de teneur en humidité assez importants

se forment entre le centre du débit et sa surface en début de séchage mais ces gradients

diminuent considérablement en dessous du point de saturation des fibres. Les profils de

teneur en humidité à travers l'épaisseur deviennent alors plus ou moins plats, ce qui semble

être une caractéristique du séchage sous vide discontinu. Le mouvement convectif de vapeur

dû aux gradients de pression totale est probablement responsable de ce comportement. Les

faibles gradients de teneur en humidité en dessous du point de saturation des fibres

contribueraient à réduire les contraintes de séchage, d'où une meilleure qualité de bois. Les

gradients de teneur en humidité suivant l'épaisseur en fin de séchage demeurent cependant

encore trop fons pour ne pas justifier une étape d'équilibrage. et éventuellement un

traitement de conditionnement.

Quant aux profils de température à travers l'épaisseur des débits, on note un

renversement des gradients de température entre le centre et la s u f i c e après 10 à 20 minutes

de vide au cours d'une phase de vide donnée. Les gradients de température qui peuvent

excéder facilement 5°C deviennent donc favorables au mouvement d'humidité vers la

surface. L'importance relative des gradients de température d'une espèce à l'autre augmente

dans le sens contraire de la perméabilité du bois aux gaz, soit hêtre-érable-pin.

L'évolution des profils de pression s'effectue également en rapport avec la

perméabilité du bois aux gaz. Moins le bois est perméable aux gaz, plus long est le temps

d'équilibre des pressions entre le bois et le milieu ambiant. Ceci résulte en des différences de

pression totale assez importantes qui peuvent persister tout au long d e la phase de vide. Les

gradients de pression totale diminuent avec la perte d'humidité mais demeurent non

négligeables jusqu'à la fin du séchage. Compte tenu des températures impliquées, le niveau

de pression totale au centre du débit et au quart de l'épaisseur ne favorise pas le phénomène

d'ébullition de l'eau dans le bois pour la plus grande partie du séchage.

Les mesures de profils transversaux de potentiel hydrique ont montré que le potentiel

hydrique au cours de la phase de vide évolue normalement en rapport avec la diminution de

teneur en humidité. Avant même d'atteindre le point de saturation des fibres, le potentiel

hydrique (composante matricielle et composante osmotique) atteint des valeurs qui rendent la

composante potentiel de pression négligeable. Ceci risque de soulever un problème au

niveau de l'utilisation d'une force motrice globale du mouvement de l'eau dans le bois

(somme des composantes matricielle et de pression) aux faibles teneurs en humidité, surtout

si on est en présence d'un mouvement convectif de vapeur imponant.

Enfin, les résultats de cette étude montrent que le séchage sous vide discontinu est un

procédé qui implique des mécanismes très complexes de transfert de masse et de chaleur.

Seule une bonne connaissance de ceux-ci permettra l'utilisation optimale et sécuntaire de

cette approche de séchage.

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Appendice A

Données des mesures de profds de teneur en humidité transversaux et axiaux

suivant la méthode du préièvemeot de carottes

Tableau A l Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit d'érable no 1 (A, C : 15 cm des extrémités ; B : centre du débit)

Carotte 12 25 48 70 90 100

. .,. . . . . .. . .. ... ........................ Teneur en humidrté (Yo) .... ... .. ... .. ..... .. ... . . .. ... . .... .- -.. - - -. .-. .- .-

Al 56.8 40.3 33.3 22.5 16.1 11.2

A2 52.8 69,4 42.6 29,l 20,9 15.4

A3 65.4 72.1 52.3 27.7 20,2 13.6

A4 78.2 6 1,8 45.9 19-6 15.9 10,O

A5 60.2 32,8 29.3 13.7 11.6 8-2

A (Moyenne) 62.7 55,3 40.7 22.5 17.0 11.7

Moy e ~ e

(4B.c) 64.4 55.2 39.0 22-2 13.6 10,9

Tableau A2 Prof* axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit d'érable n04.2 (A, C : 15 cm des extrémités ; B : centre du débit)

Carotte

Dl D2 D3 D4 D5

D(Moy e ~ e )

El E2

E3 E4

E5

Ewoy enne)

. . . . . . , . . . . . . .. . . . . .. . .. . . . .. . . . . . -. . . .Teaeur en humidité (%). . . . ... .. . . . .. .. . .. .. .. ... . . . . . . . . .. .. ... .. . . ... . . . . 37.3 36-2 3 1.8 14.2 10,4 83

52.1 38-0 28.4 14.0 10,4 8,1

37.3 36.8 27-3 15.2 10.5 8-0

34.1 29,2 27.1 17.5 10.5 8.6

28.0 25.7 23.2 19.0 10-2 8.8

Moyenne

Tableau A3 ProfiIs axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit de hêtre no 1 (A, C : IS cm des extrémités ; B : centre du débit)

- . --

Carotte i 5 27 35 50 71 93

... .. .-. .- ,. .. . .. .. ... ...a..-. .- .. ... Teneur en humidité (O/). . .- ... .. ... . . ..... .. ... .... -.. .. ... .... ... .. .-

Al 40-9 36.0 34.5 32.7 21-0 10.3

A2 43-3 35.7 32.8 29.7 19.9 9.8

A3 52.7 44-1 3 2.8 24.5 16.9 9.1

A4 49,6 41-3 28.5 2 1,4 14-5 8-5

A5 33.1 28,3 23.1 19,6 13.6 6-7

B (Moyenne) 40.6 33.0 30.2 22.5 14-3 8.6

Moyenne

41.2 34-7 30-9 24.9 15.7 (4B.C) 8-4

Tableau A4 Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit de hêtre n04.2 (A, C : 15 cm des extrémités ; B : centre du débit)

Carotte

Dl D2

D3 D4 D5

D(Mo y enne)

E l

E2

E3 EJ

E5

E(Moyenne)

F1 F2

F3

FS

F5

F(Mo y eme)

Mo y enne

15 27 35 50 71 93

....................................... Teneur en humidité (Yo) .... ... ..... .... ... .. . -. .. .. -.. . . . . . . . ... .. .. ... .. ..

Tableau A5 Profils aUaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur ie débit de pin no 1 (A, C : 15 cm des extrémités ; B : centre du débit)

Carotte

A l

A2

A3

A4

A5

A (Moyenne)

B1

B2

83

B4 B5

B (Moyenne)

Cl

C2

C3

C4

CS

C (Moyenne)

Moyenne

(4B.C)

7 18 27 37 43 58 80

.-. .. .. ... . . ... .... ... .. .--.-...-...... Teneur en humidité (%).. .. ..... ... . . .. .- - .. ... -. .. .-. -. ... .-. .. -. .. .-. -- ..

Tableau A6 Profils axiaux et transversaux de teneur en humidité obtenus sur le débit de pin no 4.2 (A, C : 15 cm des extrémités ; B : centre du débit)

Carorte

Dl D2 D3

DQ D5

D(Moyenne)

El

E2

E3 EJ

E5

E(Mo yenne)

F1

F2

F3

F4

FS

F(Moy enne)

Moyenne

@.EF)

7 18 27 37 43 58 80

. . . . . .. -. . .. . . . . . .. . .. . . -. . . . *. . . . ....- Teneur en humidité (%). . . . ... . . . . . . . .. .. . .. ...... . .. . ., .. . . .. . .. . .

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