close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

39.Осциллирующая сушка-пропитка крупномерной древесины в жидкостях. Монография

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
Е.Ю. Разумов, Н.Р. Галяветдинов, Р.Р. Сафин
ОСЦИЛЛИРУЮЩАЯ СУШКА-ПРОПИТКА КРУПНОМЕРНОЙ
ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ
Монография
Казань 2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 674.047.3:66.047.92
ББК (Ж/О)37.130.3
Разумов, Е.Ю.
Осциллирующая сушка-пропитка крупномерной древесины в
жидкостях: монография/ Е.Ю. Разумов, Н.Р. Галяветдинов, Р.Р.
Сафин; м-во образ. и науки РФ. – Казань: КГТУ, 2011. – 92 с.
ISBN 978-5-7882-1131-2
Проведены исследования крупномерной древесины как объекта
совмещенной сушки-пропитки: рассмотрена кинетика внутренних
напряжений в процессе влагопереноса, приведены реологические
свойства
древесины,
представлены
основные
тепловые
характеристики крупномерной древесины и агента сушки
Предназначена для студентов, обучающихся по лесотехническим
специальностям, а также для ИТР и аспирантов.
Подготовлена на кафедре «Архитектура и дизайн изделий из
древесины»
Казанского
государственного
технологического
университета и
Рецензенты: зам. ген. директора
ВКНИИЛП по научной работе,
канд. техн. наук, ст.науч. сотр. А.А. Аксянов
ген. директор
ЗАО «Ласкрафт»
канд. техн. наук.
ISBN 978-5-7882-1131-2
Е.К. Воронин
© Казанский государственный
технологический университет,
2011
© Галяветдинов Н.Р.,
Разумов Е.Ю., Сафин Р.Р.
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Древесина самый распространенный материал органического
происхождения, обладает рядом ценных физико-механических и
технологических свойств, и широко применяется в промышленности,
строительстве и для бытовых нужд. Однако вследствие
ограниченности прироста и все возрастающей потребности в ней
древесина становится все более дефицитным и дорогим материалом.
В связи с этим возникает необходимость в более экономичном и
эффективном ее использовании.
Одним из решений данной задачи является сушка древесины,
определяющая как экономические показатели производства, так и
качественные характеристики продукта. При этом сушка древесины
была и остается одним из самых энергоемких процессов
деревообрабатывающей промышленности. Наряду с сушкой
становится актуальной и защита древесины: придание долговечности
конструкциям без потери при этом своих первоначальных физикомеханических свойств.
В
настоящее
время
в
деревообрабатывающей
промышленности
существуют
разные
способы
сушки
пиломатериалов с соответствующим аппаратурным оформлением.
Однако использование многих из них затруднительно при удалении
влаги из крупномерных материалов. Так, распространенный в
смежных областях промышленности метод кондуктивной сушки,
когда
тепло
высушиваемому
материалу
передается
теплопроводностью от нагретой поверхности, не нашел применения
при сушке бревен, брусьев и т.п., вследствие трудоемкости процесса и
высоких внутренних напряжений, вызываемых неравномерным и
несимметричным распределением влаги, поскольку в контактном
слое у греющей поверхности влагосодержание на протяжении всего
процесса минимально, в центральных слоях – максимально. У
открытой поверхности влагосодержание ниже, чем в центральных
слоях, но выше, чем в контактном слое. Температура в направлении
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
от контактного слоя к открытой поверхности непрерывно убывает.
Перемещение влаги к поверхности материала обусловлено
градиентом температуры. Градиент
влагосодержания оказывает
тормозящее действие, в то время как именно влагопроводность
является одной из основных движущих сил для продвижения влаги
изнутри древесины.
При рассмотрении вакуумных методов сушки в жидкостях
крупномерных капиллярно-пористых коллоидных материалов
выделяют следующие технологии ведения процесса:
- осциллирующие (или «импульсные») технологии, при
которых сушильный процесс складывается из последовательно
чередующихся стадий прогрева и вакуумирования, при этом на
стадии прогрева используются гидрофобные или гидрофильные
жидкости;
-сушка в жидкой среде, давление над поверхностью которой
ниже атмосферного.
Процесс осциллирующей сушки (рис. 1) начинается с закачки
предварительно нагретого сушильного агента (жидкости) в рабочую
полость аппарата после чего следует стадия прогрева, которая
характеризуется увлажнением поверхностных слоев материала в
случае, когда в качестве сушильного агента используется водный
раствор гидрофильного вещества или характеризуется началом
совмещенной сушки-пропитки при использовании гидрофобных
составов.
После прогрева материала до определенной режимом
температуры производится слив жидкости из камеры сушки и
включением вакуумного насоса и конденсатора начинается стадия
вакуумирования, которую можно подразделить на два периода: сушка
при понижении давления и сушка материала в условиях вакуума. При
этом наряду с переносом влаги внутрь материала наблюдается
снижение влагосодержания поверхностных слоев.
Механизм протекания процесса сушки понижением давления
можно раскрыть, базируясь на известных положениях теории сушки и
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
законах равновесия между жидкостью и паром. Понижение давления
пара над поверхностью материала смещает динамическое равновесие
в сторону испарения влаги, то есть движущей силой процесса
выступает разность парциальных давлений паров удаляемой влаги
над поверхностью материала и в окружающей среде.
Стадия
вакуумирования
Стадия
прогрева
Ратм
0
τ
Т
Тж
Тпов.м
Т0
Тц.м
Т0.м
0
τпр
Цикл повторяется
τкн.ц
τ
Рис 1. Схема ведения осциллирующей сушки
пиломатериалов в жидкостях
При отсутствии подвода тепла извне температура
поверхностных слоев материала падает вследствие испарения.
Возникающий температурный градиент совпадает по направлению с
градиентом влагосодержания и тем самым интенсифицирует перенос
удаляемой влаги.
При сушке в жидкостях, над поверхностью которых создается
разрежение, подвод тепла к материалу осуществляется на протяжении
всего процесса, поэтому температурный градиент не оказывает
положительного действия на процесс удаления влаги, за исключением
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
периода сушки при понижающемся давлении. Однако возможность
ведения процесса при температуре, превышающей точку кипения
воды при данной глубине вакуума, позволяет интенсифицировать
влагоперенос к поверхности массообмена за счет возникновения
молярного переноса.
При сушке понижением давления внутри материала
образуется избыточное давление, величина которого может
контролироваться темпом снижения давления над материалом.
Необходимость регулирования избыточного давления связана с тем,
что при сушке древесины недопустимы внутренние напряжения,
влекущие за собой нарушение структуры и ухудшение качества.
После создания в камере рабочего вакуума при осциллирующих
технологиях влажный материал еще сохраняет тепловую энергию,
достаточную для удаления влаги, поэтому высушиваемая древесина
выдерживается при остаточном давлении до снижения температуры в
центре материала до значения, при котором градиент температуры не
будет оказывать существенного влияния на процесс удаления влаги.
После завершения стадии вакуумирования цикл «прогрев-вакуум»
повторяется.
Кинетика процесса сушки древесины от несвязанной влаги
однозначно определяется изменением давления водяных паров в
окружающей среде. При удалении связанной влаги такого
однозначного соответствия наблюдаться не будет, так как изменение
влагосодержания материала определяется внутренними процессами
переноса тепла и массы, обусловленными структурой и характером
связи распределенной фазы со скелетом.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ СУШКИ
И ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ
1.1. Анализ химических веществ
для сушки и пропитки древесины
Одним из важнейших вопросов сушки в жидкостях и
пропитки древесины является подбор пригодных для этих целей
химических веществ. В качестве критерия пригодности можно
принять способность химических веществ проникать в древесину. В
связи с этим можно выделить две технологии сушки древесины в
жидкостях: без пропитки и с одновременной пропиткой. В первом
случае жидкости должны иметь большую вязкость и малую
смачиваемость, а во втором – должны быть достаточно токсичными
по отношению к дереворазрушающим грибам, с малой вязкостью при
нагреве и высокой смачиваемостью по отношению к древесине.
По способности водных растворов, относящихся к различным
химическим группам, проникать в древесину, можно разделить их на
четыре класса.
К
первому
классу
относятся
вещества
плохо
распространяющиеся как в вертикальном, так и в тангенсальном
направлениях. Это коллоидные вещества: фуксин пара, хризоидин,
судан, лакмоид, ауромин, ауэозин, щелочный экстракт лигнита и др.
Они практически не проникают в древесину и не пригодны для ее
пропитки в свежесрубленном состоянии, поэтому могут применяться
для сушки в жидкостях без пропитки.
Второй класс составляют вещества, которые также плохо
распространяются поперек волокон, но несколько лучше в
направлении вдоль волокон: анилинвиолет; фуксин основной;
краситель кислотный желтый, кислотный темно-коричневый,
кислотный темно-красный. Эти вещества могут использоваться для
пропитки коротких бревен в свежесрубленном состоянии под
давлением через торец. Однако подобная технология является очень
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трудоемкая.
Третий класс – это вещества, удовлетворительно
распространяющиеся вдоль волокон древесины и ограниченно –
поперек волокон: сернокислый анилин, едкий натр, бром-пурпуркреозол, индиго-кармин. Все они пригодны для частичной пропитки
на корню и сплошной пропитки заболони в свежесрубленном
состоянии через торец.
Наконец, к четвертому классу отнесены вещества, хорошо
распространяющиеся вдоль волокон и удовлетворительно – поперек
их. Основную массу химикатов этого класса составляют соли
металлов: медь хлорная, медь серно-кислая, медь азотно-кислая,
железо хлорное, железо серно-кислое, железо щавелево-кислое, цинк
серно-кислый, цинк уксусно-кислый, калий железосинеродистый,
калий
железистосинеродистый,
калий
бромистый,
калий
марганцевокислый, калий йодистый, калий углекислый, натрий
углекислый, натрий
уксусно-кислый, натрий нитропрусидный,
натрий хлористый, натрий фтористый, никель хлористый, никель
азотно-кислый, никель серно-кислый, кобальт уксусно-кислый,
кобальт серно-кислый, кобальт хлористый, кобальт углекислый,
барий хлористый, аммоний роданистый, аммоний серно-кислый,
аммоний
щавелевокислый,
аммоний
хлористый,
свинец
уксуснокислый, хром азотнокислый, хром уксуснокислый, квасцы
хромовые, квасцы хромовокалиевые, кислота уксусная, кислота
щавелевая, кислота борная, кислота ортофосфорная, фенол, мочевина.
Хорошая проницаемость солей металлов объясняется их простым
строением, небольшой величиной молекул, высокой степенью
диссоциации и коагулирующим действием на плазму живых клеток.
Этих свойств не имеют вещества первых трех групп.
В процессе сушки древесины с одновременной пропиткой в
горячем масле постоянно диффундирует жидкая влага, которая
способствует образованию пены, существенно замедляющей процесс,
поэтому решение проблемы должно идти по пути разработки
эффективных конструкций технологического оборудования и самой
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
технологии, обеспечивающих обезвоживание пропиточных масел при
сушке-пропитке сырой древесины.
Пригодность жидкости для сушки-пропитки древесины также
определяется температурой кипения, которая должна быть не ниже
200 °С.
Технологический режим должен быть связан как с
физическими свойствами жидкости, так и с породой древесины.
Основу разработки технологических режимов должны составлять,
главным образом два параметра, характеризующие глубину пропитки
и степень высушивания, то есть удаления влаги из древесины.
В случае необходимости только пропитки древесины
основное значение имеет глубина проникновения масла (при
пропитке шпал, мостовых деталей, мачт, столбов и т.д.) При сушке
древесины без пропитки, большая глубина отрицательно влияет на
процесс сушки древесины. Кроме того, большая глубина пропитки
при сушке, например, некоторых строительных деталей оказывает
вредное воздействие как на сохранение естественной текстуры, так и
на клеящую способность древесины.
Глубина проникновения жидкости в древесину зависит не
только от анатомического строения последней, но и от вязкости
жидкости в нагретой ванне. Эспериментальные исследования
показали, что жидкости, приобретающие меньшую вязкость при
нагреве, проникают в древесину на большую глубину, и наоборот
[100].
1.2. Анализ древесины как объекта сушки-пропитки
Древесина обладает весьма сложной структурой, которая с
трудом поддается математическому описанию, поэтому для её
математического выражения используют приближенные модели
поровой структуры, а также качественные и количественные
характеристики
[147].
Качественными
характеристиками
описываются
массопроводные
свойства
материала.
Из
количественных характеристик первостепенное значение для оценки
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пористой структуры тела имеет функция распределения пор по
размерам.
Модель поровой структуры древесины представляют как
совокупность прямых, параллельных друг другу одинаковых по
размеру элементарных капилляров, вытянутых в аксиальном
направлении [143]. Формы пор моделируют в зависимости от
анатомического строения полости клеток в древесине в поперечном
сечении: у лиственных пород – в виде круга, у хвойных – в виде
прямоугольника. В связи с тем, что длина пор на два порядка больше
размеров ее поперечного сечения, длину во внимание не принимают.
С целью учета годичного кольца модель усложняют,
приближая к реальной структуре древесины; при этом годичный слой
представляют состоящим из ранней и поздней древесины (рис. 1.1).
Одним из условий моделирования пористой структуры является
равенство пористости модели и натуры. В связи с тем, что пористость
рассмотренных моделей зависит как от формы поры, так и от
плотности укладки, установлены
предельные значения плотности
абсолютно
сухой
[143]
древесины, при которой еще
можно
использовать
рассматриваемую
модель.
При математическом описании
структуры древесины удовлетвор
ительные результаты дает модель,
а
б
состоящая
из
системы
продольных
и
поперечных
Рис. 1.1. Модели пористости
капилляров различных радиусов,
древесины
(поперечный разрез):
распределенных в соответствии с
а – хвойные породы;
функцией
F(r),
которую
б – лиственные породы.
определяют как долю объема
порового пространства, приходящуюся на капилляры с радиусами,
заключенными между r и r + dr. При этом коэффициент
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проницаемости определяется зависимостью
n π r2 ∞ 2
k=
∫ r F(r ) dr ,
16ε и2 0
(1.1)
где n – число пор на единицу площади поперечного сечения образца;
εи – коэффициент извилистости равный отношению длины пути
движения жидкости к длине образца [87].
В работе [87] представлены результаты исследования
эквивалентного радиуса rэ гипотетического капилляра методом
смесимого вытеснения, свидетельствующие, что его величина
различна как по породам древесины, так и по длине и диаметру
ствола. Лиственные породы обладают большим значением rэ, чем
хвойные, а в пределах одной породы радиус rэ заболонной древесины
превышает значение rэ ядровой или спелой древесины (рис. 1.2).
F,%
40
30
20
10
1,0
3,0
rср 5,0
7,0
9,0
10
rэ⋅10-6, м
Рис. 1.2. Распределение объемов пор в древесине березы
по их радиусам.
Расчет значений равновесной влажности основан на известном
уравнении
зависимости
между
относительной
упругостью
насыщенного водяного пара в капилляре и его радиусом:
r=
2σ ⋅ γ п ⋅ cos Θ
p н ⋅ γ ж ⋅ g ⋅ ln 1 
 ϕ
,
(1.2)
где r – радиус капилляра, при котором пар в нем становится
насыщенным; σ – поверхностное натяжение; соs Θ – мера
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
смачиваемости стенок капилляра; рн – упругость насыщенного пара
над горизонтальной поверхностью; γп и γж – удельный вес пара и
–
жидкости соответственно; g – ускорение силы тяжести; ϕ
относительная влажность воздуха.
Wр, %
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 ϕ, %
Рис. 1.3. Кривая равновесной влажности древесины
при 20° С (пунктиром показана равновесная
влажность, вычисленная аналитически)
Расчетная кривая равновесной влажности (рис. 1.3)
достаточно точно совпадает с экспериментальной до значения
относительной влажности воздуха ϕ = 0,4 (Wр = 8 – 8,5%). При
дальнейшем повышении ϕ расчетная величина равновесной
влажности возрастает значительно быстрее экспериментальной.
Наиболее вероятно, что на начальной стадии поглощения сухой
древесиной влаги из воздуха имеет место только адсорбция влаги и
образование
полимолекулярных
прослоек
жидкости
в
межмицеллярных промежутках. До некоторого предела (ϕ = 0,4; Wр =
8 – 8,5%) образование прослоек влаги происходит равномерно по всей
поверхности микрофибрилл. Затем наличие непосредственных связей
между микрофибриллами начинает препятствовать равномерному
утолщению прослоек влаги (чем и объясняется понижение
фактической равновесной влажности по сравнению с расчетной). При
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Равновесная влажность древесины
влажности воздуха более 40% одновременно с адсорбцией начинается
капиллярная конденсация.
Обычно линии графика равновесной влажности древесины
при высыхании и увлажнении изображаются в виде кривых,
образующих
характерную
петлю
гистерезиса
(рис.1.4).
П.С. Серговский отмечает, что для древесины подобная форма
кривых в области вершин петли не вполне соответствует
действительности [130]. Получить
непосредственным эксперимен- 30
том крайние точки графика
равновесной влажности очень
трудно, а иногда и просто
невозможно (увлажнение при ϕ =
0 или высыхание при ϕ = 1).
Поэтому
кривые в области
вершин строятся путем экстраполяции. Однако экстраполяция,
1
0
Относительная влажность воздуха,
в результате которой кривые
ϕ
Рис. 1.4. Гистерезис равновесной
равновесной
влажности
влажности древесины.
приводятся к форме правильной
замкнутой петли, не является законной. В частности, кривая
равновесной влажности при высыхании в действительности не
проходит через точку начала координат, а пересекает ось абсцисс
несколько выше её. Это объясняется тем, что первый,
мономолекулярный, слой влаги находится в очень прочной связи с
веществом древесины, которая не нарушается при обычной
температуре даже в абсолютно-сухом воздухе.
В настоящее время различают два близких по содержанию
термина [87]: предел гигроскопичности Wп.г – достигаемая при
сорбции максимальная влажность клеточных стенок древесины,
выдержанной в насыщенном влагой воздухе; предел насыщения
клеточных стенок Wп.н – максимальная влажность клеточных стенок
свежесрубленной или выдержанной в воде древесины. Wп.н считают
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
частным случаем Wп.г, так как при температуре 0°С предел
гигроскопичности максимален и равен пределу насыщения клеточных стенок (при t >0°С Wп.г< Wп.н). Предел гигроскопичности зависит
от плотности древесины и температуры и характеризуется формулой:
W п . г = 12 + 19 , 5 е 0 , 055 t (1.3)
В работе Г.С. Шубина [153] предложена перестройка
диаграммы равновесной влажности в виде Wp= f(t) (значения ϕ в поле
диаграммы). В этом случае диаграмма с прием-лемой потерей
точности полу-чилась линейной, и появилась возможность нанести на
неё линии постоянных значений давления среды. Аппроксимировав
полученное
семейство
линий
равновесной
влажности,
пересекающихся в точке t = 220 °С, получили показательную
функцию, единую для всего диапазона ϕ:
(1.4)
Wp = 10,6 ϕ ⋅ (3,27 − 0,015t ) .
При сушке древесины в
W ,%
Р = 0,25 МПа
гидрофобных
жидкостях
24
0,5
равновесная влажность зависит от
22
1,0
давления и температуры жидкой
20
среды, в этом случае величина Wр
18
может
быть
определена
по
2,0
16
диаграмме на рис. 1.5 [122].
Микроскопический
14
3,0
перенос
влаги
в структурных
12
элементах гигроскопического тела
10
происходит в зависимости от
8
природы и структуры тела, его
6
влажности
и
условий
4
влагопереноса.
В
качестве
2
движущей силы переноса влаги
рассматриваются
градиенты
0
Т, К
70
90
110
130
150
капиллярного, осмотического и
Рис. 1.5. Диаграмма равновесной расклинивающего
давления,
влажности древесины
градиенты давления пара, газа и
р
при сушке в гидрофобной
жидкости.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
набухания, концентрации влаги (влажности), химического потенциала
и температуры.
Основной движущей силой процесса является градиент
парциального давления водяного пара. В начале процесса сушки
наружные слои материала быстро обсыхают, и влажность здесь
становится ниже точки насыщения волокна. И как следствие,
давление водяного пара ниже, чем давление внутри древесины, где
есть свободная влага. Исследуя процесс сушки древесины с
применением тока высокой частоты, Н.А. Першаков [89] установил,
что повышение температуры в толще древесины на 1,5°С выше
температуры окружающей ее среды ускоряет сушку в 2,5 раза по
сравнению с обычной конвективной, при которой температура в
толще древесины была на 1,5° ниже, чем вне ее.
Вторым фактором, способным вызывать движение влаги в
древесине, является градиент статического давления. В известном
методе пропитки в холодной ванне с предварительным нагревом, вода
или растворы солей фильтруются по древесине под действием
градиента гидростатического давления. Если погрузить в горячую
воду кусок дерева с влажностью, значительно превышающей точку
насыщения волокон, то уже через короткое время можно обнаружить
заметное уменьшение веса образца за счет удаления части свободной
воды из полостей клеток [138]. Аналогично этому явлению более
значительный нагрев одной части образца по сравнению с другой
сопровождается проталкиванием пробок свободной воды в менее
нагретую часть образца. В обоих последних случаях движение влаги
возникает под действием избытка, или градиента, суммарного
давления паровоздушной смеси (или чистого пара) в толще образца.
Под действием градиента давления газовой фазы в древесине может
происходить движение влаги также в парообразном состоянии, но
количественно размер этого вида переноса относительно невелик.
Анализ механизмов переноса влаги в капиллярно-пористых
материалах при сушке показывает, что внутренний массоперенос в
изотермических условиях может быть описан уравнением
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
i = −kρ0 ⋅ gradC ,
(1.5)
а с учетом термодиффузии – уравнением
i = −kρ 0 ⋅ (gradC + δ grad t ) ,
(1.6)
где k – коэффициент массопроводности; С – молярная концентрация,
δ – относительный коэффициент термовлагопроводности [56, 101].
Определением коэффициента влагопроводности, являющегося
основным показателем, характеризующим интенсивность потока
влаги
внутри
древесины,
δ,
%/град
занимались многие исследователи
t = 30 °C
[1, 3, 119, 130]. Наиболее обсто40
6
ятельное
экспериментальное
50
исследование
было выполнено
60
5
70
П.С. Серговским [119, 130] на
80
4
древесине сосны, бука и дуба при
90
100
температурах 20 – 90 °С. Было
3
показано, что основное влияние
2
на
величину
коэффициента
влагопроводности оказывают тем1
пература древесины, базисная
плотность (чем плотнее древе0
20
40
60
80
W,%
сина, тем ниже влагопроводРис. 1.6. Номограмма
ность), направление потока влаги
зависимости
(в радиальном направлении больδ = f (W, t) для древесины сосны
ше, чем в тангенциальном),
местоположение в стволе дерева
(влагопроводность ядра и спелой древесины ниже, чем заболони). В
работе
[3]
было
проведено
дальнейшее
исследование
влагопроводности в области положительных температур древесины
ели, березы, лиственницы и осины методом контактного увлажнения
образцов. Для производственных расчетов в этой работе построена
диаграмма (рис. 1.7) средних коэффициентов влагопроводности
древесины поперек волокон для основных пород. Эксперименты,
проведенные Г.С. Шубиным [153], показали также влияние
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
направления потока влаги на влагопроводность относительно
волокон: при всех значениях температуры и плотности древесины
было установлено, что отношение коэффициента влагопроводности в
радиальном направлении к этому же коэффициенту в тангенциальном
направлении колеблется в пределах 1,23 – 1,28.
Количественной мерой термовлагопроводности, то есть
переноса влаги в капиллярно-пористом теле под влиянием
неравномерного
температурного
10
25 k⋅10 ,
поля, является термоградиентный
20
м2/с
15
коэффициент.
Результаты
12
2
экспериментальных исследований
8
1
по
данному
коэффициенту,
6
представленные в работе [153],
4
характеризуют его зависимость от
5
влажности древесины, в то время
3
4
как
температура
и
порода
2
1,5
3
древесины
в
пределах
гигроскопической влаги влияния не
1,0
20
40
60
80
t, °C
оказывают.
При
повышении
Рис. 1.7. Средние значения
влажности
выше
предела
коэффициента
насыщения
клеточных
стенок
влагопроводности поперек
термоградиентный
коэффициент
волокон древесины:
после
некоторого
увеличения
1 – сосны; 2 – березы; 3 – бука;
начинает уменьшаться и при
4 – лиственницы; 5 – дуба.
влагосодержании, близкой к 100%
стремится к нулю. При этом в отличие от области с низким
влагосодержанием опытные данные различаются по температуре, с
повышением которой наблюдается снижение значения δ. Кривые δ = f
(W) во всем диапазоне имеют точку перегиба при влажности 40 – 50
%, характерную для зависимостей различных коллоидных и
капиллярнопористых тел [59]. Разделение кривых в зависимости от
температуры начинается при влажности несколько более низкой, чем
предел гигроскопичности, а также наблюдается некоторая тенденция
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
смещения максимума кривых в сторону большей влажности по мере
снижения температуры. Автор указывает, что с достаточной для
практических целей точностью для определения значения
термоградиентного коэффициента всех пород древесины может быть
использована номограмма, представленная на рис. 1.6.
При нагреве материала до температуры выше 100 °С или при
действии внутренних источников тепла общее давление парогазовой
смеси внутри материала может превысить внешнее давление, что
приведет к возникновению фильтрационного потока пара
i = −k ф
∂P
,
∂n
(1.7)
где kф – коэффициент фильтрационного переноса пара. С учетом
фильтрационного переноса поток влаги в материале составляет
∂C
∂t
∂P
i = −kρ 0
− kρ 0 δ − k ф
.
(1.8)
∂n
∂n
∂n
В работе [87] приведены результаты экспериментальных
исследований газопроницаемости древесины и сделан вывод о том,
что в пределах скоростей 0–8 см/с фильтрационный поток
подчиняется закону Дарси. Подтверждается отсутствие прямой
зависимости между проницаемостью и плотностью древесины, в то
же время указывается на значительные различия проницаемости
древесины разных пород, а в пределах одной породы – для заболони и
ядра (спелой древесины). Некоторое увеличение проницаемости в
радиальном направлении по сравнению с тангенциальным и
значительное снижение поперечной проницаемости по сравнению с
продольной объясняется структурной анизотропией древесины в
исследуемых направлениях.
С точки зрения теории теплопроводности древесина –
сложная многофазная система с ярко выраженной анизотропией,
состоящая из твердой фазы – скелета древесного вещества, жидкой
фазы – воды, находящейся в связанном и свободном состояниях, и
газообразной фазы – паровоздушной смеси, заполняющей часть пор
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
древесины, которая не занята водой. Материалы такого рода с точки
зрения теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело.
Коэффициент теплопроводности λ в этом случае представляет собой
некоторую условную величину, так как передача тепла происходит
всеми тремя способами – теплопроводностью, конвекцией и
излучением. Через скелет древесного вещества тепло передается
теплопроводностью, через поры – теплопроводностью, конвекцией и
излучением одновременно, при этом теплопроводность каждого из
компонентов различная. Для древесинного вещества в плотном
состоянии коэффициент теплопроводности 0,42 Вт/(м⋅°С), для воды
при 20°С – 0,6 Вт/(м⋅°С), для воздуха при 20 °С – 0,026 Вт/м⋅°С; того
же порядка и коэффициент теплопроводности водяного пара [79].
Влага имеет самую высокую теплопроводность из всех
составляющих, поэтому коэффициент теплопроводности пористых
тел сильно зависит от влажности.
Эффективная теплопроводность пористых тел зависит от
градиента температуры, величина которого определяет интенсивность
массовых потоков влаги и паровоздушной смеси [79]. С увеличением
градиента температуры возрастает также передача тепла излучением
между стенками пор. Таким образом, эффективный коэффициент
теплопроводности – величина весьма условная, зависящая не только
от свойств материала, но и от процессов, протекающих в нем. Этим в
основном объясняется значительное расхождение экспериментальных
данных, полученных разными исследователями [19, 41, 144, 158].
Поэтому П.С. Серговский [127] предложил определять значения
теплопроводности λ по выражению
λ = λ ном ⋅k x ⋅k pλ ,
(1.9)
где λном – номинальное значение коэффициента теплопроводности
при фиксированных плотности древесины и направлении потока
тепла; kρλ – поправка на плотность древесины (рис. 1.8); kх – поправка
на направление теплового потока (в тангенциальном направлении в
зависимости от породы составляет 0,87 – 1,06 [153], в радиальном
направлении для всех пород на 1).
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
λном,
Вт/(м⋅°C )
0,6
kρλ
W = 120 %
100
80
0,5
1,4
2
1,2
0,4
60
0,3
40
20
1,0
0,2
10
0%
0,8
0,1
0
20
40
60
1
80 t, °C
300
400
500
ρб, кг/м3
а)
б)
Рис. 1.8. а) Диаграмма значений λном в радиальном направлении для березы
в зависимости от температуры при ρб = 500 кг/м
б) изменение kρλ в зависимости от плотности
(1 – по данным [392]; 2 – по данным [360]
Г.С. Шубиным [153] выявлены новые закономерности
изменения теплофизических свойств древесины и уточнены
имеющиеся
данные.
Установлено,
что
коэффициенты
температуропроводности (aт) и теплопроводности (λ) абсолютно
сухой древесины уменьшаются с увеличением температуры. Эту
закономерность, свойственную кристаллическим структурам, автор
объясняет наличием упорядоченных областей в целлюлозе,
являющейся основным компонентом древесинного вещества. При
наличии влаги в древесине линейный характер зависимости λ = f (t)
сохраняется.
Установлено, что с точностью до 5% влияние породы
древесины на теплопроводность и температуропроводность может
быть сведено к влиянию её условной плотности. При этом с
повышением условной плотности значения коэффициента теплопроводности увеличиваются, а значение коэффициента температуропроводности уменьшаются. Изменение теплопроводности в
различных направлениях поперек волокон объясняется влиянием
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сердцевинных лучей и различием плотности поздней и ранней
древесины и их объема. Наиболее полный анализ этого вопроса
проведен Б.С. Чудиновым [144].
Значение коэффициента температуропроводности для
практических расчетов Г.С. Шубин предлагает определять по
выражению
(1.10)
ат = ат ном ⋅ kх ⋅ kρа .
Данные по номинальной температуропроводности ат ном
при
радиальном токе влаги, ρб = 500 кг/м3 и U > 30% были приведены к
виду, изображенному на рис. 1.9. Видно, что с увеличением
плотности температуропроводность уменьшается при малых
значениях плотности существенно, а начиная с базисной плотности
500 кг/м3 весьма незначительно.
Согласно
современным
воззрениям
теплоемкость
многокомпонентных систем, каким является и древесина,
подчиняется закону аддитивности. Таким образом, удельная
теплоемкость древесины не должна зависеть от плотности, поскольку
теплоемкость сухой древесины и воздуха примерно одинакова. Этот
тезис подтверждается в работе К.Р. Кантера [41], удельная
ат ном,
м2/с
1,7
1,6
kρa
W = 30 %
60
1,5
1,2
1,2
80
1,4
1,3
1,3
100
1,1
120
1,0
1,1
1,0
20
40
60
80
t, °C
0,9
300
400
500
ρб, кг/м3
Рис. 1.9. Определение коэффициента температуропроводности древесины:
а) – ат ном , радиальный поток, береза, ρб = 500 кг/м3; б) – kρа = f(ρб)
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
теплоемкость древесины не зависит от ее породы и плотности. В этом
случае удельная теплоемкость влажной древесины будет зависеть
лишь от влажности и температуры и может быть определена по
известной диаграмме [117].
В работе [79] для расчета удельной теплоемкости влажной
древесины предлагается выражение
с=
100 с д + W c в
,
100 + W
(1.11)
где сд – удельная теплоемкость древесинного вещества; св – удельная
теплоемкость воды; W – абсолютная влажность древесины. При этом
удельная теплоемкость древесинного вещества может быть
определена в зависимости от температуры по эмпирической формуле
Данлопа [144]
с д = 1,114 + 0,00486⋅ t .
(1.12)
Процесс
сушки
пиломатериалов
сопровождается
возникновением и развитием внутренних напряжений в древесине,
которые являются одним из главных факторов, ограничивающих её
ускорение. Развитие внутренних напряжений свыше предела
прочности вызывает растрескивание материала, поэтому построение
эффективных режимов сушки сопряжено с необходимостью
разработки аналитических методов прогноза напряженного состояния
древесины на разных этапах процесса.
Первые
работы,
посвященные
расчету внутренних
напряжений, предпринимались на основе упрощенных представлений
о свойствах древесины и закономерностях распределения влаги по
сечению в процессе сушки. В работах Б.А. Поснова [93],
И.В. Кречетова [34, 35], А.В. Лыкова [56] древесина рассматривалась
как упругий материал, характеристики которого не зависят от
влажности. Предложенные формулы, полученные на базе одноосной
модели, позволяют весьма приближенно получить величину
влажностных напряжений, однако представляют возможность
проанализировать причины торцового растрескивания и коробления
пиломатериалов при камерной сушке.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В результате исследований поведения древесины при
переменных температуре и влажности сформулирован общий закон её
деформирования [136]:
σ′
σ
dτ + H 2
,
Ε(W , t )
0 Ε (W , t )
τ
ε = −αW + H 1 ∫
(1.13)
где ε – деформация; Ε(W, t ) – модуль упругости зависящий от
влажности и температуры; Н1, Н2 – функции Хевисайда; α –
коэффициент усушки; σ – напряжения; σ′ – производная напряжений
по времени.
На базе общего закона деформирования древесины, был
разработан метод расчета напряжений на протяжении всего процесса
сушки [120-122, 137]. Метод основан на моделировании доски в виде
одноосной многостержневой системы с использованием уравнений
кинетики сушки и реологических показателей древесины. В общем
случае величина напряжений в данный момент
(1.14)
σ = σ * + ∆σ ,
где σ* – напряжения на предшествующем этапе сушки; ∆σ –
приращение напряжений на данном этапе сушки.
Приращение напряжения в любом стержне многостержневой
модели можно определить по формуле
n
∆σ i =
[
]
α ∑ (W j − W j *) − (Wi − Wi *) ⋅ Ε j h j
j=1
,
(1.15)
1 n
∑ Ε jh j
Ε i j=1
где n – число стержней; j = 1, 2, i,… – номер стержня; α –
коэффициент усушки; W, W* – влажность соответственно на данном
и предшествующем этапах сушки; Ε – модуль упругости; h – толщина
стержня.
Таким образом, приращение напряжений в каком-нибудь i-м
стержне зависит как от его собственных параметров, так и от
параметров каждого j-го из остальных стержней, причем на данном
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
этапе по сравнению с предшествующим у любого стержня может
изменяться только величина модуля упругости, а толщина стержня
должна оставаться неизменной, чтобы не нарушать условия
равновесия напряжений в модели. Метод позволяет учесть эффект
перерождения
упругих
деформаций
в
квазиостаточные
(замороженные) деформации и повышение жесткости древесины при
разгрузке стрежней из-за исключения остаточных деформаций.
Б.Н. Уголевым предложен экспериментальный метод
определения внутренних напряжений [134], который позволяет учесть
изменение модуля упругости по толщине доски в зависимости от
влажности. Суть метода заключается в следующем. Из средней части
доски выпиливают два образца, один их которых служит для
определения модуля упругости; другой – размечается на отдельные
секции. Измеряют длину каждой секции в образце, после чего
образец раскалывают на отдельные секции и измеряют длину каждой
из них в свободном состоянии. Сравнив размеры секций в образце и в
свободном состоянии, определяют величину деформации, умножив
которую на значение модуля упругости, определенного на парном
образце, получают значение напряжений. Для построения функции
распределения влажности по толщине доски определяются
влагосодержание отдельных секций весовым методом. Достоинством
предложенного метода является его простота и отсутствие сложных
измерительных приборов, что делает возможным применение данного
метода в производственных условиях.
Дальнейшим развитием рассмотренного экспериментального
метода можно рассматривать способ определения напряжений в
высыхающей доске в любой момент сушки при комнатной
температуре [159]. Из доски выпиливают образец и раскалывают на
секции, для которых определяют величины деформации аналогично
рассмотренному выше методу. Полученные значения деформации
вводят в уравнения плоской задачи теории упругости, которые
решаются энергетическим методом (с помощью введения функций
напряжений). Полученное решение используют для построения поля
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
напряжений по перечному сечению доски. К
описываемого метода можно отнести наличие
вычислений, затрудняющих широкое использование.
25
недостатку
громоздких
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. СОВРЕМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ
СУШКИ И ПРОПИТКИ КРУПНОМЕРНОЙ
ДРЕВЕСИНЫ
2.1. Анализ способов сушки и пропитки
крупномерной древесины
В
настоящее
время
в
деревообрабатывающей
промышленности
существуют
разные
способы
сушки
пиломатериалов с соответствующим аппаратурным оформлением.
Однако применение многих из них является затруднительным при
удалении влаги из крупномерных материалов. Так, распространенный
в смежных областях промышленности метод кондуктивной сушки,
когда тепло высушиваемому материалу передается теплопроводностью от нагретой поверхности, не нашел применения при сушке
бревен, брусьев и т.п. вследствие трудоемкости процесса и высоких
внутренних
напряжений,
вызываемых
неравномерным
и
несимметричным распределением влаги. В контактном слое у
греющей поверхности влагосодержание на протяжении всего
процесса минимально, в центральных слоях максимально. У открытой
поверхности влагосодержание ниже, чем в центральных слоях, но
выше, чем в контактном слое. Температура в направлении от
контактного слоя к открытой поверхности непрерывно убывает.
Перемещение влаги к поверхности материала обусловлено
градиентом температуры; градиент
влагосодержания оказывает
тормозящее действие, в то время как именно влагопроводность
является одной из основных движущих сил для продвижения влаги
изнутри древесины.
В последние годы ведутся исследования по кондуктивной
сушке бревен с подводом тепла от нагревательного кабеля,
помещаемого в центр бревна. Однако подобная технология, а также
другая широко используемая технология – конвективная сушка, в
которой наблюдается омывание материала потоком нагретого
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
воздуха, применительно к бревнам и крупным брусьям используется
крайне редко и ограничивается областью, где к материалу не
предъявляются требования по качеству. Поскольку температура в
центре материала в процессе конвективной сушки ниже, чем на
поверхности, а влажность выше, то перемещение влаги к поверхности
материала обусловлено только градиентом влажности, градиент
температуры оказывает тормозящее действие. По данным
Н.А. Першанова, отрицательный температурный градиент снижает
общий поток влаги, создаваемый градиентом влажности, до 30%,
вследствие чего к недостаткам конвективного способа сушки следует
отнести ещё и высокую продолжительность процесса.
До сих пор в разряде перспективных технологий остаются
диэлектрическая сушка и сушка в СВЧ-поле. СВЧ-нагрев,
осуществляемый СВЧ-полем, создается в объёме штабеля
соответствующими
генераторами.
Несмотря
на
известные
преимущества СВЧ-энергии для сушки пиломатериалов (наибольшая
скорость сушки благодаря выделению тепла во всем объёме
древесины), данная технология еще не нашла широкого применения
вследствие дороговизны как самих установок, так и их эксплуатации
и необходимости привлечения квалифицированного персонала для их
обслуживания. КПД такой установки невелик: КПД высокочастотных
генераторов колеблется в пределах 55 – 60 %, КПД контура даже при
оптимальной настройке составляет не более 90 % [122]. Поэтому
неизбежен большой удельный расход электроэнергии. Эксплуатация
СВЧ-оборудования требует соблюдения жестких требований техники
безопасности. Кроме того, при этом способе сушки не всегда удается
обеспечить удовлетворительную однородность пиломатериалов по
конечной влажности и довольно сложно локально контролировать
текущую влажность и температуру древесины, что необходимо для
управления процессом.
Диэлектрические сушильные камеры [7, 13] основаны на
нагревании высушиваемого материала, обладающего диэлектрическими свойствами, в электрическом поле высокой частоты. Тем
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
самым, казалось бы, должен осуществляться равномерный по
толщине прогрев материала. Однако при сушке толстых
пиломатериалов (толщиной более 60 мм) и пиломатериалов из
древесины твердых пород (дуб, лиственница и др.) кипение воды
проходит не по всему объему материала, а только в поверхностных
слоях [95]. В центральных зонах кипение отсутствует, а вода
движется к границе фазового превращения за счет градиента
температуры. При таком механизме процесса непрерывный подвод
высокочастотной энергии к материалу приводит к большим
перепадам влажности по толщине материала и сушильным
напряжениям, в результате чего происходит растрескивание
древесины [95]. Кроме того, большой расход электроэнергии и
высокая стоимость оборудования сдерживают активное применение
вакуумно-диэлектрических сушилок.
В странах с высокоразвитой деревообрабатывающей
промышленностью получила широкое распространение вакуумная
сушка. Сушка под вакуумом – один из способов получения
положительного температурного градиента. Результаты экспериментальных данных ряда исследователей свидетельствуют, что сушка
древесины за счет положительного градиента температуры
характеризуется не только высокой скоростью, по сравнению с
конвективной, но и качеством. При рабочем давлении в камере 10-13
кПа температура кипения воды не превышает 45-50 °С, – при этом
реализуется легкий режим сушки, не повреждающий органику
древесины. Однако существует проблема подвода тепловой энергии в
условиях вакуума: использование контактного, СВЧ- и ТВЧ- методов
нагрева ограничивается указанными выше недостатками, поэтому в
последние годы получает распространение вакуумно-конвективная
технология, которая может осуществляться осциллирующими
режимами или сушкой материала при стационарном пониженном
давлении среды. При этом в качестве среды традиционно выступают
горячий воздух или перегретый пар.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс сушки осциллирующими режимами складывается из
последовательно чередующихся стадий нагрева древесины и ее
вакуумирования. На стадии нагрева материал омывается потоком
теплоносителя при атмосферном давлении. В этот период
температура древесины повышается, что сопровождается испарением
влаги с ее поверхности. Влажность несколько снижается. Движение
влаги внутри материала происходит под действием градиента
влажности. Древесину нагревают до определенной температуры,
после
чего
начинается
стадия
вакуумирования,
которая
характеризуется интенсивным испарением влаги с поверхности
материала. Температура поверхности снижается. В полостях клеток
происходит вскипание воды, образовавшийся водяной пар движется к
поверхности под избыточным давлением. При этом часть пара
удаляется из древесины, а часть ее, при контакте с охлажденными
поверхностными зонами конденсируется. Водяной пар, покинувший
древесину, образует вокруг нее среду практически чистого
насыщенного или перегретого пара. В результате этого влага
удаляется при достаточно высокой влажности поверхности и,
следовательно, малом ее перепаде по толщине материала, что
позволяет избежать значительных сушильных напряжений и больших
остаточных деформаций [97].
В период выдержки досок в вакууме при удалении свободной
влаги ее движение проходит под действием градиентов давления,
влажности и температуры, а при влажности древесины ниже предела
насыщения – под действием градиентов влажности и температуры.
Этим и обеспечивается высокая интенсивность вакуумноконвективной сушки. Вакуумирование прекращается после падения
температуры в центре материала до определенного значения. Число
стадий прогрев-вакуум зависит от требуемой конечной влажности
высушиваемых досок.
Известна также схема, разработанная сотрудниками МГУЛ,
по которой процесс проводят в вакууме глубиной 0,085 – 0,090 МПа с
конвекцией сушильного агента при скорости 15 – 20 м/с. Сушка
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ведется циклами «работа-пауза» при постоянной глубине вакуума. На
стадии «работа» происходит сушка в среде, температура которой
выше температуры точки кипения воды при заданном давлении. Эта
стадия характеризуется высокой интенсивностью процесса за счет
большого градиента влажности по толщине материала. Ввиду малой
продолжительности
возникающие
сушильные
напряжения
сравнительно малы, а деформации носят в основном упругий
характер. На стадии «пауза» система циркуляции отключается и
происходит выравнивание влажности по толщине материала и
уменьшение сушильных напряжений. Продолжительность стадии
«работа» определяется возникающими сушильными напряжениями,
которые не должны превышать предела упругости. На стадии «пауза»
продолжительность устанавливается из условия выравнивания
температуры центра и поверхности и прекращения движения влаги
под действием градиента температуры.
Однако технологические режимные параметры данных
технологий были получены эмпирическим путем для узкого класса
пиломатериалов и поэтому не могут быть распространены для
широкого использования. В частности, данный способ не
апробирован для сушки крупномерной древесины.
Наибольшее распространение при сушке крупномерных
древесных материалов до сих пор имеет естественная атмосферная
сушка, именно поэтому шпалопропиточные заводы при всей
скромности технологического процесса занимают огромные
территории, а продолжительность строительства малоэтажных зданий
и сооружений из оцилиндрованного бревна «под ключ» достигает
года и более, поскольку требуется время на естественную усадку
сруба.
В связи с вышеизложенным в производствах, когда
завершающей операцией технологического процесса является
пропитка древесного изделия, для ускорения процесса сушки
предпочтительным является метод совмещенной сушки-пропитки
древесины. По данной технологии сушильным агентом является
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пропитывающий состав, поэтому удаление влаги из материала
происходит под действием молярного переноса, который возможен
при температуре выше температуры точки кипения воды при данной
величине давления.
Таблица 2.1
Классификация отечественных пород древесины
по пропитываемости защитными средствами
Группа
1 –я
легкопропитываемые
2- я умеренно
пропитываемые
3-я трудно
пропитываемые
Заболонь
Береза, бук
Порода древесины
Ядро
–
Обыкновенная сосна,
сибирская сосна (кедр),
Сибирская сосна (кедр),
европейская
обыкновенная сосна,
лиственница, граб, дуб,
осина, ольха
клен, липа, ольха,
осина
Ель, европейская
лиственница, сибирская
Ель, сибирская
лиственница, пихта,
лиственница, пихта
береза, дуб, вяз, бук,
ясень
При этом различают следующие технологии совмещенной
сушки-пропитки: сушка в ванне петролатумом с последующей
пропиткой в автоклаве пропиточной жидкостью (СП-ДВ); сушка в
автоклаве пропиточной жидкостью при атмосферном давлении с
последующей пропиткой в том же автоклаве (СА-ДВ); сушка в
автоклаве пропиточной жидкостью под вакуумом с пропиткой в том
же автоклаве (CВ-ДВ). Отличием данных методов, характеризующим
его с положительной стороны по сравнению со всеми остальными,
является необходимость малого количества времени для
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
осуществления данного процесса, (так как протекают одновременно
как сушка, так собственно и пропитка) и большая глубина пропитки
при относительно недорогой стоимости самого процесса пропитки.
Однако следует отметить, что технологии СП-ДВ и СА-ДВ в
настоящее время практически не используются вследствие
необходимости ведения процесса сушки при температурах,
значительно превышающих 100 °С, что вызывает потемнение
древесины и снижение ее механической прочности. Поэтому
наиболее интересным с практической точки зрения является сушка в
автоклаве пропиточной жидкостью, над поверхностью которой
давление ниже атмосферного.
Такое ведение процесса позволяет не только сократить
продолжительность процесса изготовления высушенного и
пропитанного изделия, но и снизить себестоимость его изготовления
по сравнению с суммой расходов при раздельной сушке и пропитке.
Однако не позволяет избежать больших перепадов влажности по
толщине материала, что вызывает развитие внутренних напряжений
и затрудняет использование данного способа сушки в рамках
деревянного домостроения. В таблице 2.1. приведена классификация
отечественных пород древесины по пропитываемости защитными
составами.
Наиболее приемлемым видом пропитки по всем показателям
является совмещенная сушка-пропитка, которую для изделий из
круглых лесоматериалов проводят в три ступени вакуума на стадии
сушки:
- первая ступень - глубина вакуума от 0,02 до 0,03 МПа;
- вторая ступень - глубина вакуума от 0,06 до 0,07 МПа;
- третья ступень - глубина вакуума не менее 0,08 МПа.
При проведении сушки-пропитки шпал и брусьев
устанавливают две ступени вакуума:
- первая ступень - глубина вакуума от 0,05 до 0,07 МПа;
- вторая ступень - глубина вакуума от 0,07 до 0,075 МПа.
На второй ступени сушки наколотых шпал периодически в течение
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15-20 мин создают избыточное давление от 0,4 до 0,6 МПа. Глубина
пропитки наколотых сосновых, еловых и пихтовых шпал в зоне
расположения сеток наколов должна быть не менее 60 мм, наколотых
лиственичных шпал – не менее 50 мм.
Однако данный способ не нашел широкого применения ввиду
высокого трещинообразования в процессе сушки и отсутствия
разработанных технологических регламентов по различным породам
древесины.
2.2. Исследования процессов осциллирующей сушки и пропитки
древесины в жидкостях
Для исследования процессов совмещенной сушки-пропитки
древесины разработана установка, (рис. 2.1 и 2.2), которая состоит из
вакуумной камеры 1 с крышкой 2, с внутренней стороны которой
смонтирован электронный датчик веса 3. Сигнал от датчика 3
преобразуется АЦП 4 и поступает в ЭВМ 5 для записи и дальнейшей
обработки.
Вакуумная камера 1 заполнена гидрофобной жидкостью 6 с
погруженным в неё исследуемым образцом 7. Камера 1 снабжена
рубашкой 8, теплоноситель 9 которой получает тепловую энергию от
трубчатого электронагревателя 10. Температура теплоносителя 9
контролируется с помощью погруженной в него термопары 11 и
электронного регулятора ТРМ 12. Температура внутри образца
измеряется с помощью термопары, находящейся внутри самой
древесины. Внутренняя полость камеры 1 сообщается с линией
вакуумирования, состоящей из конденсатора 13 со стеклянным
мерным сборником конденсата и вакуум-насоса 14, через вентили 15
и 16, а также с атмосферой – через вентиль 17 и с емкостью 18 для
хранения гидрофобной жидкости 6 – через вентиль 19. Емкость 18
снабжена электрической системой обогрева для предварительного
прогрева гидрофобной жидкости, а внутренняя полость емкости
сообщается с атмосферой через вентиль 20. Для определения уровня
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гидрофобной жидкости в камере 1 используется мерная трубка 21.
Остаточное давление в полости аппарата контролируется с помощью
манометра 22.
2
3
22
15
16
12
17
4
5
11
1
9
7
8
10
6
13
14
~
20
21
~ 220
В
19
18
Рис. 2.1. Схема установки для исследования кинетики совмещенной
вакуумной сушки-пропитки пиломатериала
б)
а)
Рис. 2.2. Установка для исследования кинетики совмещенной
вакуумной сушки-пропитки пиломатериала:
а – внешний вид установки;
б – внешний вид датчика давления
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методика проведения исследований на представленной
установке состоит из трех этапов: подготовка исследуемых образцов,
проведение экспериментов и компьютерная обработки полученных
результатов.
При разработке экспериментальной установки учитывались
характерные особенности процессов, проявляющиеся в условиях
теплообмена твердое тело – жидкость при пониженном давлении, что
позволило в лабораторных условиях исследовать явления,
протекающие в промышленных аппаратах.
1 000
Рис. 2.3. Схема раскроя заготовок в процессе подготовки
к проведению эксперимента
Подготовка исследуемых образцов предполагает выбор
крупномерного сортамента и определение его начальной массы,
объема и влажности. В экспериментах по изучению совмещенной
сушки-пропитки древесины используются образцы
длиной 1м,
выпиливаемые
из
промышленных
шпал-заготовок или
оцилиндрованных бревен (рис.2.3.). Из оставшейся части заготовки
выпиливаются два среза: один – для определения среднего
влагосодержания, второй – для дальнейшего определения позонной
влажности. По среднему влагосодержанию древесины определяется
теоретическое значение массы всей влаги, содержащейся в
исследуемом образце. Для определения начальной массы образец
взвешивают на электронных весах с точностью до 1 г. Объем
исследуемого образца определяемым с помощью замеров
штангенциркулем, служит для нахождения объема вытесненной
жидкости.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экспериментальные исследования проводят следующим
образом. Согласно плану эксперимента выбирают исследуемую
технологию сушки: совмещенная сушка-пропитка древесины в
жидкостях, осциллирующая сушка древесины в жидкостях.
По первой технологии высушиваемая древесина на
протяжении всего процесса выдерживается в жидкости, над
поверхностью которой создается разрежение. При осциллирующей
сушке процесс складывается из последовательно чередующихся
стадий нагрева древесины в жидкости и вакуумирования. При этом
перед проведением стадии вакуумирования сушильный агент
сливается из аппарата. Процесс сушки начинается с загрузки
исследуемого образца и сушильного агента в камеру 1 и герметизации
камеры с помощью крышки 2.
При проведении совмещенной сушки-пропитки вследствие
удаления влаги из древесины и проникновения в неё пропитывающей
жидкости плотность образца изменяется. Для определения текущей
плотности древесины с внутренней стороны крышки 2 установлен
тензометрический датчик, который служит для определения
подъемной силы, действующей на образец, погруженный в жидкость.
При этом текущая плотность образца может быть определена по
уравнению:
ρм =
g ⋅ V ⋅ ρ ж − Fрез
g⋅V
.
(2.1)
После достижения древесиной заданной плотности осуществляют
разгерметизацию камеры и извлекают опытный образец.
При осциллирующей сушке после загрузки материала и
сушильного агента в камеру 1 начинают стадию прогрева.
Температура обработки задается с помощью регулятора ТРМ 1 и
поддерживается автоматически. После достижения в центре
материала заданной температуры камера 1 разгерметизируется, и из
неё сливается жидкость 6. Далее начинается стадия вакуумирования.
Для этого производят герметизацию камеры 1 и включают в работу
конденсатор 13 и вакуумный насос 14. Выдержка под вакуумом
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
осуществляется до снижения температуры материала до заданного
значения. Далее цикл «прогрев-вакуумирование» повторяется.
После окончания сушки (в зависимости от плана)
эксперимент заканчивается или начинается процесс пропитки путем
отключения нагревательных элементов 10 и охлаждения всей
конструкции. Для этого из рубашки 8 сливается теплоноситель 9 и
подается хладагент. Открытием вентиля 17 над поверхностью
гидрофобной жидкости создается атмосферное давление. При
охлаждении древесины давление в полостях клеток снижается
отчасти за счет собственно температурного эффекта, а главным
образом за счет конденсации водяного пара. В результате
образовавшегося перепада давлений жидкость проникает в древесину.
Продолжительность данной стадии эксперимента определяется
снижением интенсивности роста плотности образца.
После окончания эксперимента образец подвергается
детальному исследованию, при котором определяются конечные
влажность, масса, объем, и глубина пропитки, а также плотность
образца в его непропитанной части с целью точного определения
массы жидкости, пропитавшей древесину. Средняя и послойная
влажность определяются методом досушки.
2.3. Экспериментальная установка для пропитки древесины в
циркулирующем потоке агента сушки
Описанная в предыдущем разделе экспериментальная
установка (см. рис. 2.1.) позволяет проводить исследования по сушке
и пропитке древесины без циркуляции агента сушки и с подводом
тепловой энергии от рубашки. При этом на стадии вакуумирования
для предотвращения нагрева высушиваемого материала излучением
необходимо производить предварительный слив теплоносителя из
рубашки, что существенно повышает трудоемкость проведения
экспериментальных исследований. С целью снижения трудоемкости
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
экспериментов была создана установка для осциллирующей сушки
капиллярно-пористых коллоидных материалов (рис. 2.4.).
Установка состоит из пропиточной камеры 1, сетчатого
держателя 2, устройства для ввода возвратно-поступательного
движения со штоком 3, крышки камеры 4, конденсатора 5,
вакуумного насоса 6, манометра 7, высушиваемого материала 8,
вентиля 9, соединяющего вакуум-насос с камерой 1, напускного
клапана 10, компрессора 11 и насоса для циркуляции агента пропитки
12. Установка работает следующим образом. После подготовки образ3
9
7
1
0
4
2
8
1
5
6
1
а)
12
б)
Рис. 2.4. Общий вид экспериментальной установки для
комбинированной пропитки (а) и его схема (б).
цов к эксперименту их помещают в сетчатый держатель 2, который
закреплен на подвижном штоке 3, представляющем собой возвратнопоступательный механизм, способный перемещаться в вертикальном
направлении относительно камеры сушки. Камера сушки наполовину
заполнена гидрофобной жидкостью. После того как крышка камеры
герметично закрывается, в ней создается разрежение путем открытия
вентиля 9 и включения вакуум-насоса 6. Пропитываемые образцы
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
выдерживаются в вакууме в течение заданного времени. Далее
производят погружение сетчатого кармашка, с находящимися в нем
образцами в пропитывающую жидкость в камере с помощью
устройства для ввода возвратно-поступательного движения, при этом
шток 3 должен опуститься в нижнее положение. На стадии выдержки
материала в жидкости давление в камере поднимают до
атмосферного. Выдержка образцов в предварительно нагретой
жидкости осуществляется в течение заданного времени. Время
выдержки зависит от породы древесины, начальной влажности и
температуры агента обработки. Далее шток с пиломатериалами
поднимают в верхнее положение и производят вакуумирование.
Давление на стадии вакуумирования поддерживают на минимально
возможном уровне, создаваемом вакуум-насосом. После понижения
температуры в центре образца до заданного значения цикл «прогреввакуумирование» повторяют.
С помощью данной экспериментальной установки могут быть
исследованы процессы автоклавной пропитки древесины (вакуум-атм.
давление- вакуум (ВАДВ), вакуум-давление-вакуум (ВДВ), давлениедавление-вакуум (ДДВ).
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ
ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ
3.1. Математическое описание переноса тепла и массы
внутри крупномерной древесины в процессе сушки
Анализ физической картины процессов осциллирующей
сушки древесины в жидкостях показал, что совокупность физических
явлений, составляющих исследуемый способ сушки, согласно
блочному принципу построения математического описания процесса
[43] следует рассматривать, решая внешнюю (тепломассоперенос в
разреженной среде и её тепломассообмен с материалом) и
внутреннюю – (тепломассоперенос внутри материала) задачи.
Для выявленной структуры потоков в процессах вакуумной
сушки древесины в жидкостях основными характеристиками
являются разность парциальных давлений паров удаляемой влаги над
поверхностью влажного материала и в окружающей среде и
интенсивность подвода тепла к поверхности пиломатериала.
Аналитический расчет процессов сушки и нагревания
коллоидных капиллярно-пористых тел основывается на решении
дифференциальных уравнений тепломассопереноса. Для описания
изменения во времени полей влажности и температуры по толщине
материала
воспользуемся
уравнениями,
предложенными
А.В. Лыковым в следующей форме [56]:
 ∂2U 1 ∂U 
 ∂2Tм 1 ∂U 


= am ⋅
+ ⋅
+ a ⋅ δ⋅ 
+ ⋅ 
 ∂x2 x ∂x  m  ∂x2 x ∂x  ,
∂τ


 ∂ 2 Tм 1 ∂Tм  r ⋅ ε  ∂U 
∂Т м
= a T ⋅  2 + ⋅
+

 .
∂τ
x ∂x  c m  ∂τ 
 ∂x
∂U
( 3.1 )
( 3.2 )
В процессе прогрева древесины в жидкой среде, температура которой
ниже температуры точки кипения воды при данном давлении в
аппарате, внутри пластины отсутствуют фазовые превращения. Тогда
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
критерий парообразования ε в уравнении (3.2) равен нулю а
дифференциальное
уравнение
сводится
к
уравнению
теплопроводности Фурье:
 ∂ 2 Tм 1 ∂Т м 
∂Т м
.
= a m ⋅ 
+ ⋅
(3.3)
2
∂τ
х ∂х 
 ∂х
Рассмотрим краевые условия для решения дифференциальных
уравнений (3.1), (3.3)
Условия симметрии:
∂U
= 0,
∂τ х =R
∂Т м
=0;
∂τ х =R
(3.4)
(3.5)
Начальные условия, характеризующие начало всего сушильного
процесса, вытекают из допущений, представленных в разделе
«Формализация»
U(0; x ) = U0 ,
(3.6)
Tм (0; x ) = Tм.0 .
(3.7)
Начальные условия для каждой последующей стадии процесса будут
представлять собой поля температур и влажности по сечению
материала после предыдущей стадии. Граничные условия для
решения дифференциальных уравнений выбираются исходя из
условий внешней задачи.
3.2. Математическое описание стадии прогрева материала
в жидкостях
В процессе осциллирующей сушки древесины в жидкостях
при загрузке предварительно нагретого жидкого сушильного агента в
камеру температура последнего снижается. В условиях идеального
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перемешивания жидкости тепловой баланс на поверхности древесины
в процессе загрузки жидкого сушильного агента в камеру (при
α → ∞) можно представить в следующем виде
c µ .ж
⋅ ρ ж ⋅ Vж ⋅ dТ = К ⋅ ∆t ⋅ Fкал ⋅ dτ − q ⋅ Fм ⋅ dτ .
(3.8)
µж
Левая часть уравнения (3.8) характеризует изменение внутренней
энергии теплоносителя; первое слагаемое правой части – приток
тепла от калорифера, второе слагаемое – отток тепла с поверхности
материала за счет теплопроводности. Отсюда, определим изменение
значения температуры жидкой среды в процессе загрузки материала
dT (К ⋅ ∆t ⋅ Fкал − q ⋅ Fм ) ⋅ µ ж
=
.
dτ
ρ ж ⋅ Vж ⋅ cµ.ж
(3.9)
Выражение (3.9) справедливо лишь в начальный момент процесса
прогрева древесины. В дальнейшем нагрев материала происходит за
счет циркуляции жидкой среды через камеру сушки и нагревательный
блок (рис.2.1).
Тепловой баланс процесса прогрева сушильного агента в
точке выхода из калорифера можно представить в виде
К ⋅ ∆t ⋅ Fкал ⋅ dτ =
cµ.см
⋅ ρсм ⋅ V ⋅ dТ .
µ см
(3.10)
Левая часть уравнения (3.10) характеризует приток тепла от
калорифера, правая часть – изменение внутренней энергии
выделенного объема теплоносителя. Отсюда, получаем зависимость
изменения температуры жидкой среды при прохождении через
калорифер:
dТ К ⋅ ∆t ⋅ Fкал ⋅ µ см
=
.
dτ
ρсм ⋅ V ⋅ cµ.см
(3.11)
При прохождении вдоль пиломатериала теплоноситель
отдает свое тепло древесине, в результате чего материал
прогревается. Теплообмен между теплоносителем и пиломатериалом
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(при учете термического сопротивления последнего) происходит
одновременно с процессом теплопроводности внутри материала.
Перенос тепла и влаги внутри пиломатериала в процессе его прогрева
описывается дифференциальными уравнениями (3.1) и (3.3).
Граничные условия для системы уравнений (3.1), (3.3) в
случае использования в качестве сушильного агента гидрофильных
жидкостей могут быть представлены в следующем виде (рис. 3.1):
Т пов .м . = Т ж ,
U пов =
(3.12)
(ρд.в − ρб )⋅ ρж
ρ д .в ⋅ ρ б
,
(3.13)
где влагосодержание поверхности определяется из условия
максимального заполнения капилляров влагой. Применительно к
древесным пиломатериалам может быть использовано выражение для
максимальной влажности данной породы древесины.
Т пов.м. = Т ж
U пов =
x=R
(ρ д.в − ρ б )⋅ ρ ж
ρ д.в ⋅ ρ б
0
Рис. 3.1. Схема граничных условий в процессе нагрева в
гидрофильных жидкостях
В случае проведения процесса прогрева в гидрофобных
жидкостях
(рис.
3.2)
граничное
условие
для
решения
дифференциального уравнения (3.1) примет вид
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
1
1
Р
U рав = −14,69 + 16795,18 + 7,47 − 6,43 ⋅106 2 − 0,26Р 2 − 5998,64 +
Т
Р
Т
Т
(3.14)
2
1
Р
Р
+ 8,25 ⋅ 108 3 + 0,009Р 3 + 91,44 + 1,21⋅106 2
Т
Т
Т
U пов = U р (Т; Р )
Т пов.м. = Т ж
0
x=R
Рис. 3.2. Схема тепловых и материальных потоков для
гидрофобных жидкостей в процессе нагрева
Данная зависимость в графическом виде представлена на рис. 3.3 и
3.4.
Рис.3.3. Диаграмма равновесной
влажности древесины в процессе
сушки в гидрофобных жидкостях
44
Рис. 3.4. Диаграмма равновесной
влажности древесины в процессе
сушки в гидрофобных жидкостях в
трехмерной системе координат
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поток влаги к поверхности массообмена можно определить
из соотношения
 ∂U
jпов = ρ 0  a m
 ∂x
+ a mδ
x =0
∂Tм
∂x

 .
x =0 
(3.15)
В процессе сушки древесины по мере удаления влаги плотность её
потока изнутри материала к поверхности постепенно падает, что в
результате приводит к выравниванию взаимообратных потоков
естественной влаги и окружающей материал жидкости, стремящейся
проникнуть в капилляры древесины (в том случае, если жидкость
смачивает пиломатериал). В этот момент начинается пропитка
древесины, которую можно рассматривать как движение
смачивающей жидкости в капилляре с защемленным газом. При этом
основное влияние на продвижение жидкости в капилляре оказывают
процессы растворения и диффузии находящихся в капилляре водяных
паров в пропитывающую жидкость.
Скорость движения жидкости в тупиковом капилляре
определяется скоростью растворения и диффузии защемленного в
нем газа и описывается уравнением [17]
dh α* ⋅ k ⋅ R ⋅ Tм D 1
=
⋅
,
dτ
π
τ
где
(3.16)
2σ ж ⋅ cos θ
.
(3.17)
rкап ⋅ Р + 2σж ⋅ cos θ
Для определения меры смачивания пористого тела получена
зависимость [87]
1
cos θ = 1 − ϕ т
.
(3.19)
 1 2σ ж 1 
3(1 − С пов ) 2
− 
ρ ж g 2 
h
α* =
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент диффузии вещества в свободном растворе DO
может быть приближенно определен по уравнению Эйнштейна [128]:
D0 =
R ⋅T
1
.
N а 6π ⋅ µ ⋅ r0
Соотношения между коэффициентом диффузии молекул
вещества в свободном растворе D0 и коэффициентом диффузии этого
же вещества в свежесрубленной древесине хвойных пород
характеризуются следующими выражениями [128]:
- в направлении вдоль волокон D = 0,649 ⋅ D 0
D = 0,045 ⋅ D 0
- в направлении поперек волокон
На основании экспериментальных исследований для
поверхностной пористости древесины установлена зависимость [87]
100
.
(3.19)
Спов = 146(1 − 0,649ρс.м ) −
ρ д .в
Поверхностное натяжение жидкости в первом приближении можно
выразить в следующем виде [67]
σж =
Плотность потока
выражения
r  µ⋅ρ
⋅
2π  N A
пропитывающей
jж = ρж ⋅
2
1
3

 .

жидкости
dh
.
dτ
(3.20)
определим
из
(3.21)
Отсюда расход жидкости на сушку одной партии материала можно
рассчитать следующим образом:
dm ж
= С пов ⋅ Fм ⋅ z '⋅ j .
(3.22)
dτ
Представленная система уравнений с учетом краевых
условий позволяет полностью описать процессы, протекающие при
прогреве древесины в жидкостях.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3. Математическое описание стадии вакуумирования
Математическое описание процесса переноса тепла и массы
для парогазовой фазы в условиях понижения давления, а также при
отсутствии полей скорости, температуры, плотности пара и инертного
газа [44] во внешней среде основано на уравнениях материального и
теплового балансов. Для нестационарных условий протекания
процесса разница между притоком и отводом составит накопление
массы и энергии в свободном объеме аппарата:
Vсвdρп = dmп − dmс.п ,
(3.23)
Vсв dρ г = −dm с.г ,
ρ см c см Vсв dT = α(Tм.пов − T )Fм dτ − Q с.пг ρ см с см Tdτ +
(3.24)
(3.25)
+ с п Fм jпов Tпов dτ.
Левая часть уравнения (3.23) характеризует изменение массы
пара в парогазовой фазе в единице свободного объема аппарата;
первое слагаемое правой части – подвод массы пара в парогазовую
фазу, а второе слагаемое – отвод в вакуумную линию. Соотношение
(3.24)
отличается
от
(3.25)
отсутствием
слагаемого,
характеризующего подвод массы воздуха в единицу свободного
объема, вследствие герметичности аппарата.
В уравнении переноса энергии (3.26) левая часть
представляет собой изменение теплосодержания парогазовой фазы;
первый член правой части уравнения характеризует подвод или отвод
тепла за счет теплообмена с поверхностью влажного материала;
второй член – отвод тепла с удаляемой в вакуумную линию
парогазовой смесью; третий – приток тепла с парами влаги,
удаляемыми из материала.
В системах твердое тело-пар, имеющих поверхность раздела
фаз, приток массы пара в свободный объем аппарата можно
представить в виде выражения
dm п = jп Fdτ .
(3.27)
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В то же время отвод массы пара из свободного объема аппарата в
вакуумную систему характеризуется интенсивностью системы
удаления парогазовой смеси
dm п = Q с.пг ρ п dτ .
(3.27)
Аналогично отвод массы газа из свободного объема аппарата
определится соотношением
dm г = Q с.г ρ г dτ .
(3.28)
В уравнениях (3.25) и (3.27) фигурирует объемная
производительность системы удаления пара и газа Q с.пг , которая
складывается из объемных производительностей системы удаления
пара ( Q с.п ) и системы удаления газа ( Q с.г ). Обычно при сушке
понижением давления сушильная камера подключается к вакуумному
насосу через конденсатор, который работает как своеобразный насос
по пару. Очевидно, что в этом случае объемная производительность
системы
удаления
пара
будет
определяться
объемными
производительностями вакуумного насоса и конденсатора:
Q с.п = Q вн + Q кон ,
(3.29)
а объемная производительность системы удаления газа в уравнении
( 3.29 ) будет равна объемной производительности вакуумного насоса
Q с.г = Q вн .
(3.30)
Объемная производительность системы удаления газа зависит
от конструкции вакуумного насоса и определяется его рабочей
характеристикой [118]. Так, для ротационного вакуумного насоса [42]
P 

Qвн = Q 0 1 − k * атм  .
(3.31)
Р 

в случае использования водокольцевого вакуумного насоса его
производительность можно определить, задавая время, в течение
которого давление в камере необходимо понизить с барометрического
Ратм до рабочего остаточного значения Рост [148]:
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vсв
P
⋅ ln атм .
(3.32)
τ0
Р ост
Для процессов, протекающих при отсутствии инертного газа
(воздуха) в рабочей полости аппарата, интенсивность отвода пара
будет определяться объемной производительностью конденсатора:
Q с .п = Q кон .
(3.33)
Объемная производительность конденсатора может быть определена
из уравнения теплового баланса [75]
Q кон ρ п [с п .пер (Т − Т нас ) + с п Т нас + rп ] = К кон ∆t кон Fкон , (3.34)
где левая часть уравнения учитывает тепловой эффект охлаждения
пара до состояния насыщения и конденсации; правая часть
характеризует количество тепла, переданного в единицу времени пару
от хладагента. Отсюда
Q вн =
Q кон =
К кон ∆t кон Fкон
.
ρп с п.пер (Т − Т нас ) + с п Т нас + rп
[
]
(3.35)
В формуле (3.35) коэффициент теплопередачи – Ккон для
процесса конденсации парогазовой смеси рассчитывается по
параметрам холодильного агента с использованием методики
Кольборна-Хоугена или модели Уарда [65].
Температура пара в состоянии насыщения может быть
определена по уравнению Антуана [30]
В
Т нас =
.
(3.36)
А − ln рнас
Уравнения (3.23), (3.24) с учетом уравнений (3.26) – (3.28)
можно представить в виде
dρп
= jп F − Qс.пρп ,
dτ
dρ
Vсв г = −Qс.г ρп .
dτ
Vсв
Плотность
парогазовой
49
смеси
в
(3.37)
(3.38)
уравнении
(3.25)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
определяется как сумма плотностей компонентов [84], взятых при
своих парциальных давлениях:
ρсм = ρг + ρп .
(3.33)
Плотность компонента идеальной парогазовой смеси можно
связать с давлением с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона
[75]
ρг ( п ) =
рг (п ) ⋅µг (п )
.
R⋅ T
(3.40)
Тогда плотность смеси можно выразить как
µг рг + µп рп
.
R⋅ T
(3.41)
µ см = µ г у г + µ п у п .
(3.43)
ρсм =
Полное давление смеси определяем по закону Дальтона [76]
Р = рг +рп .
(3.42)
Для случаев, когда теплоносителем является перегретый пар
при отсутствии инертного газа в рабочей полости аппарата, полное
давление определяется давлением водяного пара в камере сушки.
Молекулярная масса парогазовой смеси определяется как
сумма произведений молекулярных масс водяного пара и газа,
составляющих смесь, на их мольные доли:
Мольную долю компонента в смеси определяем из условия
у г (п ) =
р г (п )
Р
.
(3.44)
Отсюда, выражение для молекулярной массы парогазовой смеси с
учетом уравнения (3.46) можно представить в виде
µ см =
µг ⋅ рг + µп ⋅ рп
.
рг + рп
(3.45)
Аналогично уравнению (3.45) по правилу аддитивности [75]
определяем молярную теплоемкость парогазовой смеси:
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
с µ.см =
с µ .г ⋅ р г + с µ .п ⋅ р п
рг + рп
.
(3.46)
После подстановки в выражения (3.37), (3.38) значений
плотностей в виде соотношений (3.40) и некоторых преобразований
получаем
уравнения,
определяющие
скорости
изменения
парциальных давлений пара и газа:
Q
dp п F ⋅ R ⋅ T
1 dT 
 ,
=
jп − p п  с.п −
(3.47)
dτ
Vсв µ п
 Vсв T dτ 
 1 dT Q с.г 
dp г
 .
= p г 
−
(3.48)
dτ
 T dτ Vсв 
Поделив уравнение (3.25) на dτ и подставив в него выражение (3.41),
после некоторых преобразований получим дифференциальное
уравнение изменения температуры паровой среды
dT  (αFм (Tм.пов − T ) + с п Fм jTпов )R Q с.пг 
=
−
(3.49)
T .
(µ п р п + µ г р г )c см Vсв
dτ 
Vсв 
Тепломассоперенос в пиломатериале в процессе понижения
давления описывается дифференциальными уравнениями (3.1) и (3.2)
при граничных условиях в виде выражений [11]
n
U пов
 p 
= a  п  ,
 р нас 
(3.50)
∂Tм
(3.51)
= jпов ⋅ r + Tм .пов ⋅ с п ⋅ jпов + α ⋅ (Tм .пов − Т ) .
∂x х = 0
Левая часть (3.50) характеризует поток тепла из глубины за счет
теплопроводности; первое слагаемое правой части уравнения −
затраты тепла на испарение; второе слагаемое − отвод тепла с парами
влаги; третий член учитывает теплообмен с парогазовой фазой. Схема
граничных условий для влажного пиломатериала в процессе
вакуумирования представлена на рис. 3.3.
−λ⋅
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Qc.пг ⋅ ρсм ⋅ dτ
Х
Tпов ⋅ c ⋅ jпов
α (Tпов – Т)
jпов ⋅ r
 P 

U пов = a ⋅ 
 Pнас 
n
0
−λ
∂Т
∂х
 ∂U
jпов = ρ 0  a m
 ∂x
+ a mδ
x =0
∂Tм
∂x


x =0 
R
Рис. 3.3. Схема граничных условий для влажного
пиломатериала в процессе вакуумирования
Коэффициент теплоотдачи в уравнении (3.51) может быть
определен из выражения [152]
Nu = 0,072 Re0,8 .
(3.52)
На основе системы уравнений (3.47) – (3.49), описывающей
тепломассоперенос в парогазовой фазе при понижении давления
внешней среды системой аппаратов вакуумный насос – конденсатор,
получены частные решения.
В случае ведения процесса прогрева материала при полном
предварительном удалении инертного газа из рабочей полости
аппарата можно считать, что процесс протекает в парах испаряемой
влаги, а общее давление и температура в камере описываются
дифференциальными
уравнениями
изменения
давления
и
температуры пара, записанными в виде
Q
dP F ⋅ R ⋅ T
1 dT 
 ,
=
⋅ jпов − P⋅  c.п − ⋅
(3.53)
d τ Vсв ⋅ µ
 Vсв Т d τ 
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
dT  (αFм (Tм .пов − T ) + с п Fм jп Tпов )R Q с.пг 
=
−
(3.54)
T .
dτ 
Р µ c п Vсв
Vсв 
Для процесса сушки древесины в петролатуме, протекающего
при понижении давлений паров над поверхностью жидкости, на
практике в качестве источника разрежения целесообразно
использовать жидкоструйные эжекторы [4, 10, 126], поскольку при
применении поверхностных конденсаторов возможно загрязнение
поверхности теплопередачи вследствие конденсации испаренного
петролатума. Показателем эффективной работы эжекторов является
объемный
коэффициент
инжекции
[126],
зависящий
от
конструктивных параметров оборудования и температуры рабочей
жидкости:
U *v. max =
Q п.г 0,35(р р − р ср )
=
.
Qр
0,37 р ср − р нас
(3.55)
В технике лесной и деревообрабатывающей промышленности
используется пропитка древесных изделий под давлением. При
совмещении процессов сушки и пропитки целесообразно после
завершения стадии сушки выдержать материал в пропитывающей
среде до его остывания. Для этого в резисторы прекращают подачу
теплоносителя и подают хладагент, а над поверхностью жидкости
устанавливают атмосферное давление. Температура материала
падает, что вызывает падение температуры в полостях клеток за счет
конденсации содержащегося в ней водяного пара. Таким образом,
давление жидкости становится избыточным по отношению к
давлению внутри древесины. В результате перепада давления
происходит проникновение пропитывающей жидкости.
Процесс охлаждения агента сушки описывается уравнением
(3.11), процесс теплопереноса внутри материала – уравнением (3.3)
при граничном условии (3.12).
Давление внутри материала на i-м слое можно определить в
зависимости от температуры данного слоя:
при пропитке древесины с влажностью, равной или выше
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предела гигроскопичности, давление рассматривается по уравнению
Антуана

B 
,
р м.i = р н = exp A −
(3.56)
Tм.i 

при влажности древесины ниже предела гигроскопичности
давление определяется произведением p м.i = p н ⋅ ϕ , где значение
для равновесной степени насыщенности пара в полостях клеток
может быть определено логарифмированием выражения (1.4). Отсюда

Ui
B 
 ⋅ log10 , 6
.
(2.57)
р м .i = exp A −
Tм.i 
3,27 − 0,015(Tм.i − 273)

Плотность потока пропитывающей жидкости определяется из
выражения, полученного на основе уравнения Пуазейля
jж =
4
π ⋅ rкап
⋅ ∆p ,
8Fм ⋅ ν ⋅ x
(2.58)
где радиус капилляров древесины может быть принят как среднее
эквивалентное значение радиуса, полученное методом смесимого
вытеснения (рис. 1.2) [87].
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
СУШКИ-ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ
4.1. Исследования сушки-пропитки
в гидрофильных жидкостях
Результаты физического моделирования процессов сушки
сосновых, еловых, пихтовых и березовых бревен в гидрофильных
жидкостях графически представлены на рис. 4.1 (а–г).
Математическое моделирование изучаемого процесса представляет
собой исследование влияния различных режимных и конструктивных
параметров на кинетику и продолжительность процесса сушки.
Анализ
зависимостей
показывает
значительную
интенсификацию процесса при осциллирующей сушке сосны, ели и
пихты по сравнению с традиционной сушкой в гидрофильных
жидкостях. Наилучший эффект наблюдается при осциллирующей
сушке пихты, что объясняется высокой стойкостью данной породы к
увлажнению на стадии прогрева. Напротив, сушка березы подобным
образом практически невозможна (рис. 4.1г.) ввиду хорошей
проницаемости древесины.
Проверка адекватности формализованных моделей реальным
процессам производится сопоставлением результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических расчетов в
идентичных условиях. (рис. 4.2.). На графических зависимостях,
сплошными линиями изображены данные, полученные расчетным
путем, точками – результаты экспериментов. На рис. 4.2. показаны
экспериментальные данные и расчетные кривые осциллирующей
сушки в гидрофильной жидкости соснового оцилиндрованного
бревна диаметром 180 мм, полученные для первого цикла «прогрев –
вакуумирование» в случае прогрева при температуре 363 К и
остаточном давлении на стадии вакуумирования, равном 10 кПа.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
U, %
80
1
60
40
20
2
0
0
10
20
30
40
а)
50
60
τ, ч
U, %
80
1
60
40
2
20
0
0
10
20
б)
30
τ, ч
40
U, %
80
1
60
40
2
20
0
0
10
20
30
в)
40
50
U, %
60
τ, ч
30
τ, ч
1
80
2
60
40
20
0
0
5
10
15
г)
20
25
Рис. 4.1. Кривые сушки древесины различных пород
в гидрофильной жидкости:
а) – пихта; б) – ель; в) – сосна; г) – береза:
1 – сушка при постоянной температуре; 2 – осциллирующий способ сушки.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
P, кПа
125
100
75
50
25
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
τ, ч
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
τ, ч
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
τ, ч
T, K
368
R = 90
353
338
R=0
323
R = 45
308
293
0
U, %
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
130
110
R = 85
R = 45
R = 90
90
70
R=0
U
50
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Рис. 4.2. Сравнение экспериментальных данных и расчетных
кривых осциллирующей сушки соснового оцилиндрованного бревна
в гидрофильной жидкости
С целью проверки адекватности разработанной модели при
расчетах процессов осциллирующей сушки применительно к другим
хвойным породам древесины были проведены исследования по сушке
пихтовых и еловых бревен диаметром 180 мм (рис.4.3).
U, %
90
80
70
60
50
40
30
20
10
сосна
пихта
ель
0
0
10
20
30
40
50
60
τ, ч
Рис. 4.3. Кривые осциллирующей сушки различных пород
древесины в гидрофильной жидкости
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На основе представленных на рис 4.4а кинетических кривых
изменения
средней
влажности
сосновой
древесины
при
осциллирующей сушке в гидрофильной жидкости с различной
температурой были получены кривые скорости сушки (рис. 4.4 б).
б) N, 1/c
363 °К
1,
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
а) U, %
100
3353 °К
343 °К
0
20
40
60
80
100
120
U, %
80
343 °К
60
363 °К
40
353 °К
20
0
20
40
60
80
τ, ч
Рис. 4.4. Кривые сушки (а) и скорости сушки (б) сосновых бревен
в гидрофильной жидкости
Как видно из графиков экспериментальных кинетических
кривых изменения количества впитавшейся в 1м2 поверхности
древесины влаги в процессе нагрева сосновых бревен различной
влажности в водном растворе поваренной соли с температурой 353 К
(рис.4.5). в случае высокой влажности древесины даже на стадии
нагрева наблюдается ее сушка; при низкой влажности древесины,
напротив, происходит впитывание жидкости. В результате обработки
экспериментальных
данных
эксперимента
были
получены
кинетические
кривые
изменения
результирующего
потока
пропитывающей жидкости, по характеру которых можно сделать
вывод, что наибольшее значение поток имеет в начале процесса
прогрева (рис. 4.6).
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
∆m 1
mн·F, м2
1,0
10 %
20 %
0,8
0,6
0,4
30 %
0,2
50 %
0
-0,2
0
0,
5
1
1,
5
2
2,
5
3
3,
5
4
4,
5
-0,4
τ, ч
5
80 %
100 %
-0,6
Рис. 4.5. Относительное количество влагивпитавшейся в 1 м2
поверхности древесины в зависимости от ее влажности
jж, кг/(см 2)
1,5
1
10 %
20 %
30 %
50 %
0,5
0
0
-0,5
0,580 %1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
τ, ч
100 %
-1
-1,5
Рис. 4.6. Изменение потока пропитывающей жидкости
на стадии прогрева
Далее
представлены
результаты
экспериментальных
исследований изменения относительного количества впитавшейся в
1м2 поверхности древесины влаги на стадии прогрева сосновых
бревен в водном растворе поваренной соли в зависимости от времени
(рис. 4.7а)и температуры прогрева древесины (рис.4.7б). Как видно из
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
графиков, с повышением температуры количество впитавшейся влаги
увеличивается, что объясняется снижением вязкости раствора.
∆m 1
mн·F, м2
0,4
0,35
373° К
363°
353° К
К
0,3
343° К
0,25
0,2
0,15
0,1
0,0
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
а)
∆m 1
mн·F, м2
0,4
5
τ, ч
τ=5ч
τ=4ч
τ=3ч
τ = 2 час
0,35
0,3
τ=1ч
0,25
τ = 30 мин
0,2
0,15
0,1
τ = 15 мин
0,0
0
340
345
350
355
360
365
370
Т, К
б)
Рис. 4.7. Относительное количество впитавшейся в 1 м2
поверхности древесины влаги в зависимости от времени (а) и
температуры (б) прогрева
Для определения относительного количества впитавшейся
влаги на стадии прогрева в зависимости от радиуса бревна были
проведены экспериментальные исследования, результаты которых
представлены на рис. 4.8. Анализ кривых показывает, что с
увеличением радиуса относительное количество впитавшейся влаги
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
уменьшается, что объясняется увеличением
приходящейся к 1 м2 ее поверхности.
массы
∆m 1
mн·F, м2
бревна,
R=0,09
0,4
R=0,10
R=0,11
R=0,12
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
τ, ч
Рис. 4.8. Относительное количество впитавшейся влаги в
зависимости от продолжительности нагрева
∆m 1
mн·F, м2
0,4
0,35
τ = 5 часов
τ = 4 часа
τ = 3 часа
τ = 2 час
0,3
0,25
0,2
τ = 1 час
0,15
0,1
τ = 30 мин
0,05
лиственн
τ = 15 мин
0
0,08
0,09
0,095
0,1
0,105
0,11
0,115
0,12
R, м
Рис.4.9. График зависимости относительного
количества впитавшейся влаги в зависимости от
радиуса бревна
В результате математической обработки результатов
экспериментальных исследований, представленных на рис. 4.9 – 4.9
была рассчитана необходимая минимальная разница температур на
стадиях прогрева и вакуумирования при осциллирующей сушке
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
древесины в гидрофильных жидкостях, обеспечивающая на стадии
вакуумирования удаление влаги, поглащенной древесиной при её
прогреве в жидкости (рис. 4.10). Так, для возможности сушки
оцилиндрованных
бревен
применительно
к
деревянному
домостроению (минимальный диаметр бревен 180 мм) до конечной
влажности 10 и 20 % минимальная разница температур на стадиях
прогрева и вакуумирования должна составлять более 50°. Отсюда,
если принимаем на стадии вакуумирования температуру среды 29 К,
то температура жидкости на стадии прогрева должна быть 353 – 363
К, что соответствует нормальным режимам сушки древесины и не
вызывает снижения физико-механических свойств. Кроме того, из
графиков видно, что с увеличением радиуса высушиваемого бревна и
с высокой текущей влажностью разница температур на стадиях
нагрева и вакуумирования может быть уменьшена, что объясняется
увеличением
количества аккумулированной энергии на стадии
нагрева.
∆Т, К
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,05
Uкон= 10 %
Uкон= 20 %
0,07
0,11
0,09
0,13
0,15
R, м
Рис. 4.10. Минимальный перепад температур на стадиях
нагрева и вакуумирования в зависимости от радиуса
соснового бревна
В результате математического моделирования была
определена зависимость величины влагосъема от разности
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
температур на стадиях нагрева и вакуумирования и от радиуса бревен
(рис. 4.11 и 4.12). Из графиков видно, что чем больше диаметр бревна
и разность температур, тем больше величина влагосъема, что
объясняется существенным увеличением количества аккумулированной тепловой энергии на стадии нагрева при незначительном
увеличении площади поверхности материала, способного впитать
влагу на стадии прогрева.
∆ U, %
R=0,15 м
R=0,12 м
R=0,10
R=0,09
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
15
20
25
30
35
40
∆Т, К
Рис. 4.11. Зависимость влагосъема древесины от разности
температур на стадиях нагрева и вакуумирования
∆ U, %
∆Т=40° К
5
∆Т=30° К
4
∆Т=20° К
3
2
0,08
0,09
0,1
0,15
R, м
Рис. 4.12. Зависимость величины влагосъема древесины за
один цикл «нагрев-вакуумирование» от радиуса бревна
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из графика изменения температурного поля березового
образца с начальной температурой Тм = 293 К в процессе
нестационарного нагрева в среде гидрофильной жидкости,
полученного в результате математического моделирования.
(рис. 4.13), видно, что кривые распределения температуры по
сечению материала носят параболический характер.
Т, К
τ = 240 мин
340
τ = 210 мин
τ = 180 мин
330
τ = 150 мин
320
τ = 120 мин
310
τ = 90 мин
τ = 60 мин
300
τ = 30 мин
Тм. нач
290
0
2
4
6
8
10
12
14
s, мм
Рис. 4.13. Изменение температурного поля пиломатериала
в процессе нестационарного нагрева
На рис 4.14 представлены кривые, характеризующие время прогрева
круглой крупномерной древесины в зависимости от радиуса и
температуры среды. Как видно из графиков, с повышением
температуры и уменьшением радиуса время прогрева сокращается.
Из графика зависимости величины влагосъема за 1 цикл
осциллирующей сушки сырых бревен (U > 30%) в гидрофильных
жидкостях от остаточного давления в камере после первого периода
(рис. 4.15). Становится ясно, что при влажности материала выше 30%
разрежение в аппарате на стадии вакуумирования должно быть
максимальным, то есть должно определяться техническими
характеристиками вакуумного оборудования.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Проведенные экспериментальные исследования по осцилли-рующей
сушке бревен с влажностью менее 30% в гидрофильных жидкостях
доказали необходимость регулирования глубины вакуума при
удалении связанной влаги в зависимости от текущей температуры и
радиуса бревна. Это объясняется низким массопереносом внутри
материала
при
данной
τ, ч
а 16
влажности,
поэтому
)
14
существенное понижение
343 °К
12
10
давления на этой стадии
8
353 °К
приводит к интенсивному
6
4
испарению влаги с поверх363 °К
2
ностных слоев, и, как
0
0,14
R, м
0,12
0,1
0,08
следствие,
вызывает
τ, ч
большой перепад влажносб) 16
ти по толщине и развитие
14
343 °К
12
внутренних
напряжений
10
выше допустимых преде8
353 °К
6
лов. В связи с этим были
4
проведены иссле-дования
363 °К
2
величины остаточ-ного дав0
R, м
0,1
0,12
0,14
0,08
ления в аппарате в зависимости от толщины и в)τ, ч
18
текущей температуры пило16
14
материала. В процессе
343 °К
12
экспериментов значение Ра10
ционального давления, не
8
353 °К
6
вызывающего
сущест4
363 °К
венных внутренних напря2
0
жений, определялось визуR, м
0,12
0,14
0,08
0,1
ально по развитию поверхРис. 4.14. Кривые зависимости времени
ностных
трещин.
прогрева крупномерной древесины:
Результаты
исследований
а) сосна ; б) ель; в) береза
представлены на рис. 4.16.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
∆U,%
ель
10
сосна
8
береза
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
P, кПа
Рис. 4.15. Зависимость величины влагосъема за один цикл
осциллирующей сушки в гидрофильных жидкостях от давления в камере
на стадии вакуумирования
Р, кПа
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
323
343
333
353
120
90
363
Т, К
150, мм
Рис. 4.16. Экспериментальные данные зависимости рационального
давления на стадии вакуумирования от температуры материала
(сосна)
Как видно из графика, пиломатериалы большего диаметра
более подвержены развитию внутренних напряжений, и поэтому
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
регулирование давления в аппарате должно производиться в
зависимости от текущей температуры материала.
4.2. Исследования сушки-пропитки древесины
в гидрофобных жидкостях
Исследования сушки-пропитки древесины в гидрофобных
жидкостях проводились на описанной выше экспериментальной
установке (см. рис. 2.1 и 2.2). Результаты исследований совмещенной
сушки-пропитки представлены в виде графических зависимостей на
рис. 4.18 где сплошными линиями изображены изменения средних
плотностей и влажностей древесины, подвергшейся совмещенной
сушке-пропитке, а штриховыми линиями показаны значения средней
плотности,
соответствующей
сушке
материала в гидрофобной жидкости без
пропитки.
Для
определения
средней
плотности образца при сушке в гидрофобной жидкости без пропитки поверхность
высушиваемой
древесины
укрывалась
непроницаемой пленкой из термостойкого
материала (рис. 4.17). При этом верхний
торец древесины оставался открытым, влага,
содержащаяся в древесине, в процессе
сушки удалялась через зазор между
материалом и влагонепроницаемой пленкой.
Расхождение между сплошной и
штриховой линиями характеризует начало
Рис. 4.17. Подготовка
процесса пропитки древесины гидрофобной
образца для проведения
сушки в жидкостях без
жидкостью (сплошная линия). Анализ
одновременной
данных кривых позволяет сделать вывод о
пропитки.
том, что процесс пропитки древесины при
высоких температурах агента сушки
начинается при более низкой средней влажности материала, что
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
может быть объяснено большим фильтрационным переносом
свободной влаги древесины, препятствующим проникновению
гидрофобной жидкости. При удалении связанной влаги, когда
интенсивного молярного переноса не наблюдается, интенсивность
пропитки древесины растет: кривая плотности образца начинает
расти, после чего наблюдается её стабилизация.
ρ,
6503
кг/м
600
550
Tср = 363 К
500
Tср = 373 К
450
400
Tср = 383 К
350
0
5
10
15
20
25
30
35
ч
τ,40
а)
U, %
Tср = 363 К
Tср = 373 К
Tср = 383 К
τ, ч
б)
Рис. 4.18. Кинетические кривые изменения плотности и средней
влажности соснового пиломатериала в процессе сушки в
жидкостях
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Снижение температуры среды в процессе пропитки при
одновременном повышении давления в аппарате до атмосферного
приводит к интенсификации проникновения гидрофобной жидкости в
материал, вследствие конденсации водяных паров в поверхностных
зонах
древесины
и кг/мρ,
Т, К
созданию разрежения в
полостях клеток (рис. 575
390
4.19).
На
рис.
4.20 525
380
редставлены
кривые
изменения влажности об370
475
разца по времени при
различных режимах суш360
ки в гидрофобной жидкос- 425
ти. Анализируя получен350
ные кривые. можно сде- 375
τ, час
40
0
8
16
32
24
лать вывод, что при
осциллирующем режиме
ведения процесса сушки в
Рис. 4.19. Кинетические кривые
гидрофобной жидкости, изменения температуры и плотности
скорость процесса ниже,
в процессе совмещенной сушкипропитки березы в расплавленном
чем при классической
парафине
технологии с постоянной
выдержкой материала в
гидрофобной жидкости. Однако анализ высушенных образцов
показал, что осциллирование позволяет снизить перепад влажности
по сечению материала (рис. 4.21). Поэтому сушку в гидрофобных
жидкостях целесообразно проводить по классической технологии, но
при переходе на следующую ступень режима производить слив
жидкости и осуществлять выдержку под вакуумом, что позволит
периодически выравнивать влажность по сечению материала.
3
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
U, %
70
60
333 К
50
40
343 К
353 К
30
358 К
20
10
5
0
25
20
15
10
30
40
35
τ, ч
а)
U, %
90
80
70
60
333 К
50
343 К
40
353 К
30
358 К
20
10
0
5
15
10
20
25
30
35
40
τ, ч
б)
N, 1/с
8
7
2
1,5
1
3
4
1
5
0,5
2
6
0
0
1
3
в) 4
6
U, %
Рис. 4.20. Кривые сушки и скорости сушки сосновых бревен в
гидрофобной жидкости: а) постоянный режим сушки; б)
осциллирующий режим сушки; в) кривые скорости сушки:
1 – при тепературе 80 °С; 2 – при осциллирующем режиме 80 °С;
3 – при осциллирующем режиме 70 °С; 4 – при температуре 70 °С; 5
– при температуре 60 °С; 6 – при осциллирующем режиме 60 °С; 7 –
при осциллирующем режиме 90°С; 8 – при температуре 90°С
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме того, по кривым можно сделать вывод о низкой эффективности
сушки древесины при температурах ниже 80 °С. Причем при
температуре агента сушки 60 °С удаления влаги практически не
происходит. Однако при низких температурах возможна сушка в
осциллирующем режиме.
Uп=0,250
Uп=0,219
U2=0,337
U2=0,234
U1=0,379
U1=0,268
Uц=0,428
Uц=0,284
а)
б)
Uп=0,180
Uп=0,234
U2=0,241
U2=0,255
U1=0,363
U1=0,300
Uц=0,410
Uц=0,323
в)
г)
Рис. 4.21. Позонное распределение влажности по сечению древесины березы
после сушки в гидрофобных жидкостях.
а) – при постоянной сушке при t=70 °C;
б) –при осциллирующей сушке при t=70 °C;
в) – при постоянной сушке при t=80 °C;
г) – при осциллирующей сушке при t=80 °C;
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
τ, ч
250
Р=40 кПа
200
150
Р= 30 кПа
100
Р=20 кПа
50
858
Т, ºК
363
858
Т, ºК
363
0
348
353
а)
τ, ч
250
Р=40 кПа
200
Р=30 кПа
150
100
Р=20 кПа
50
0
348
353
б)
τ, ч
250
Р=40 кПа
200
150
Р=30 кПа
100
Р=20 кПа
50
0
348
Т, ºК
353
в)
858
363
Рис. 4.22. Графики зависимости времени сушки от
температуры и давления
для различных пород древесины:
а) – сосна; б) – лиственница; в) – ель
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рис. 4.22 приведены результаты моделирования,
характеризующие
зависимость времени сушки-пропитки от
температуры процесса при различных давлениях (20, 30, 40 кПа.). Из
кривых видно, что чем выше вакуум, тем интенсивней проходит
процесс сушки-пропитки.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В последние годы в связи с постоянным ростом тарифов на
энергоносители актуальным становится вопрос энергосбережения в
производственно-хозяйственной деятельности предприятия. Поэтому
внедрение энергосберегающих технологий – важнейшая задача
повышения эффективности производства. При этом известно, что
одним из самых энергоемких процессов в деревообрабатывающей
промышленности является сушка древесины, затраты на которую
достигают 30 % от себестоимости сухих пиломатериалов.
Промышленная сушка древесины относится к отраслям
индустрии, технологические процессы которых практически не
вызывают загрязнения окружающей среды. Тем не менее роль
процессов сушки в вопросах охраны природы достаточно велика.
Некачественные сушка и защита древесины приводят к резкому
сокращению сроков службы деревянных конструкций и изделий,
значительным потерям материала при его транспортировании, а в
конечном итоге – к громадному перерасходу древесины, поскольку
для покрытия этого перерасхода необходима дополнительная вырубка
леса. Известно, что для получения 1 млн.м3 пиломатериалов
вырубается около 20 тыс.га. леса.
Современная качественная сушка в достаточных объемах
способствует сохранению лесных запасов и является одной из мер по
реализации требований закона об охране природы.
Как показал анализ литературных источников, наиболее
распространенным в области сушки крупномерной древесины
является конвективный метод. Однако большая продолжительность
процесса и как следствие высокие энергозатраты при сушке
крупномерной древесины затрудняют промышленное использование
данных технологий. В то же время известна технология сушки
древесины,
при
которой
сушильным
агентом
является
пропитывающий состав, над поверхностью которого в процессе
сушки создается разрежение. Данный способ сушки древесины в
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жидкостях до сих пор остается недостаточно востребованным
вследствие отсутствия должного технического обеспечения и
рациональных технологических режимов ведения процесса.
В
данной
работе
предложена
новая
технология
осциллирующей сушки древесины в жидкостях, получена
математическая модель
процесса, моделированием на ЭВМ
исследовано влияние режимных параметров процесса на кинетику
сушки. В качестве агентов сушки были предложены гидрофильные и
гидрофобные жидкости. Анализ результатов моделирования показал,
что величина влагосъема прямо пропорциональна диаметру бревен, а
также зависит от разности температур на стадиях нагрева и
вакуумирования. Осциллирующая сушка в гидрофильных жидкостях
целесообразна при сушке бревен умеренно и труднопропитываемых
пород древесины диаметром более 180 мм. Кроме того, было
выявлено, что при осциллирующем режиме ведения процесса сушки в
гидрофобной жидкости скорость процесса ниже, чем при постоянной
выдержке материала в гидрофобной жидкости. Однако анализ
высушенных образцов показал, что осциллирование позволяет
снизить перепад влажности по сечению материала. Поэтому сушку в
гидрофобной жидкости целесообразно проводить по классической
технологии, а при переходе на следующую ступень процесса –
осуществлять слив жидкости и выдержку материала под вакуумом.
Кроме того, установлено, что величина влагосъема за один
цикл «прогрев-вакуумирование» в случае сушки в гидрофильной
жидкости увеличивается с увеличением концентрации раствора соли,
что объясняется снижением парциального давления водяных паров на
стадии вакуумирования за счет кристаллов соли, образовавшихся на
поверхности материала. Кроме того, при высокой текущей влажности
древесины удаление влаги наблюдается не только в процессе
вакуумирования, но и на стадии нагрева материала в гидрофильной
жидкости.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Т – температура, К;
Р – давление, Па;
m – масса, кг;
V – объем, м3;
ρ – плотность, кг/м3;
U – влагосодержание материала, кг/кг;
µ – молекулярная масса, кг/кмоль;
с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К);
r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;
ε – критерий парообразования;
R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К);
А, В – коэффициенты в уравнении Антуана;
λ – коэффициент теплопроводности, Дж/(м·с·К);
ат – коэффициент температуропроводности, м2/с;
аm – коэффициент массопроводности, м2/с
δ – относительный термоградиентный коэффициент, 1/К;
α – коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2·с·К);
β – коэффициент массотдачи, м/с;
К – коэффициент теплопередачи, Дж//(м2·с·К);
τ – текущее время, с
х – координата, м
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R – радиус материала, м
F – площадь поверхности пиломатериалов, м2
j – поток массы, кг/(м2·с);
∆U – изменение интегрального влагосодержания материала, кг/кг;
z – количество пиломатериалов в аппарате, шт.;
F – полная поверхность тепломассобмена материала, м2;
Q – объемная производительность, м3/с;
Sкон – поверхность теплообмена конденсатора, м2;
N – мощность, Вт;
Nа – число Авогадро (6,023-10-23);
rо – радиус диффундирующих молекул, м;
Fрез – суммарная архимедова сила, Н;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
ρж – плотность жидкости, кг/м3.
Индексы:
вн. – вакуум-насос;
кал. – калорифер;
атм. – атмосферное;
н.– начальный;
к. – конечный;
пр. – прогрев;
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рав. – равновесное;
ж. – жидкость;
нас. – насыщенный;
д.в. – древесинное вещество;
г. – газ в свободном объеме камеры;
п. – пар в свободном объеме камеры;
см. – парогазовая смесь;
м. – материал
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алпаткина Р.П. Исследование влагопроводности
древесины главнейших отечественных пород: Автореф. дис.
канд. техн. наук. – М.:1971. – 28 с.
2. Ананьин П.И., Петри В.Н. Высокотемпературная
сушка древесины. – М.: Гослесбумиздат, 1963. – 127 с.
3. Баженов В.А., Карасев Е.Д., Мерсов Е.Д. Технология
и оборудование производства плит и пластиков. –
М.:Экология, 1992. – 146 с.
4. Брагина
Л.В., Романенко И.Г., Ройтман В.М.
Теплофизические свойства древесины. // Нов. исслед. в обл.
изготовления деревянных конструкций. – М., 1988. – С.28-34.
5. Богданов Е.С. Сушка пиломатериалов. – М.: Лесн.
пром-сть, 1988. – 248 с.
6. Виноградский В.Ф. Скоростная вакуумная сушка
древесины в поле ТВЧ.// Деревообр. пром-ть, 1960. – № 7. – С.
7-8.
7. Галяветдинов Н.Р., Юнусов Л.Р., Иманаев Р.М.
Экспериментальная установка вакуумной сушки-пропитки
древесины. // Третья Российская научно-техническая
конференция «Вакуумная техника и технолоия», Казань, 2007,
С. 140-142.
8. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты
химической технологии. В 2-х т. – М.: Химия, 1981. – 812 с.
9. Герг С., Син К. Адсорбция, удельная поверхность,
пористость. М., 1970.
10. Голеницев А.Н. Сушка и защитная обработка
древесины. М.:1984.
11. Гернет М.Г., Кулакова В.В., Попова М.В.
Интенсифицированные
режимы
сушки
экспортных
пиломатериалов. // Деревообрабатывающая пром-ть. – 1933, №
1. – С. 7-3.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12. Девочкина С.И., Бровкин Л.А. Температурное поле
неограниченной пластины с переменными теплофизическими
характеристиками.// ИФЖ. – 1970. – Т. 18. – №1. – С. 180-183.
13. Дерягин Б.В., Альтшуллер Н.А. О диффузионном
извлечении из пористых материалов в процессе капиллярной
пропитки. // Коллоидный журнал. – 1946. – Т. 8 – № 1-2. – С.
83-87.
14. Дьяконов К.Ф. Сохранение прочности древесины при
камерной сушке.// В кн.: Сушка древесины. Архангельск, 1953.
– С. 885-896.
15. Емченко
Н.П.
Термические
коэффициенты
древесины: Дис. канд. техн. наук. – Л.:1955.
16. Иванов Ю.М. О природе деформаций древесины и
путях изучения внутренних напряжений приее сушке. // Сушка
древесины. Материалы Всесоюзного совещания. –М.;
Профиздат, 1953. – С. 78-92.
17. Иванов Ю.М., Баженов В.А. Исследования
физических свойств древесины. АН СССР, 1959.
18. Идельчик И.Е.Справочник по гидравлическим
сопротивлениям. М., «Машиностроение», 1975.
19. Исаев С.М., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др.
Теория тепломассобмена. М.: Высшая школа, 1979, 495с.
20. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. – М.:
Энергия, 1977.
21. Исследование закономерностей процесса сушки
древесины
при
повышенных
скоростях
циркуляции
сушильного агента: Отчет НИС МЛТИ. – м.: 1970. – 196 с.
22. Исследование и внедрение высокотемпературных
режимов сушки пиломатериалов, МЛТИ. Отчет по научноисследовательской теме № 121, 1961.
23. Кассандрова О.П., Лебедев В.В. Обработка
результатов наблюдений. – М.: Наука, 1970. – 104 с.
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24. Кирилов Н.М. Расчет процесса тепловой обработки
древесины
при
интенсивном
теплообмене.
–
М.:
Гослесбумиздат, 1959. – 87 с.
25. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие
между жидкостью и паром. М.: Наука, 1966. – 1426 с.
26. Красухина Л.П. О рациональных режимах сушки
березовых пиломатериалов. // Сб. науч. трудов МЛТИ. – 1983.
Вып. 201. – С. 43-52.
27. Кречетов И.В. Влажностные деформации древесины.
// Деревооб. пром-сть, 1958. – №4 – С. 10-14.
28. Кречетов И.В. Сушка древесины. – М.: Лесн. промсть, 1980. – 432 с.
29. Кречетов И.В Сушка пиломатериалов. – М.:
Гослестехиздат, 1946.
30. Кречетов И.В Сушка древесины топочными газами.
– М.: Гослесбуиздат,1961.
31. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. –
Новосибирск: Высшая школа, 1970. – 438 с.
32. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и
кипении. – М.: Энергоатомиздат, 1952. – 323 с.
33. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Теплообмен и
трение в турбулентном и пограничном слое. – М.: Энергия,
1972. – 341 с.
34. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Турбулентный
пограничный слой газа на проницаемой стенке. //ПМТФ, № 1,
1962.
35. Куц П.С., Гринчик Н.Н. Тепло- и массоперенос в
капиллярно-пористых
телах
при
интенсивном
парообразовании с учетом движения фронта испарения //
Материалы VI Всесоюзн. конф. по тепломассобмену в
капиллярно-пористых телах: Т. VII. – Минск: ИТМО АН
БССР, 1980. – С. 93-96.
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
36. Кантер К.Р. О тепловых свойствах древесины.//
Деревообраб. пром-ть. – 1957. – № 7. – С. 17-18.
37. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты
химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 784 с.
38. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и
химической технологии. – М.: Химия, 1976. – 464 с.
39. Кафаров. В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ
процессов химической технологии. Основы стратегии. – М.:
Наука, 1976. – 500 с.
40. Киреев В.А. Курс физической химии. – М.: Химия,
1975. – 776 с.
41. Комиссаров
А.П.
Тепловые
коэффициенты
лиственницы. // Деревообр. пром-ть. – 1969. – № 6. – С. 9-10.
42. Кротов Л.Н. Рациональная структура режимов сушки
пиломатериалов. Деревообрабатывающая промышленность,
1988, № 1. – С. 14-15.
43. Кришер О. Научные основы техники сушки. – М.:
Иностранная литература, 1961 г. – 232 с.
44. Кутателадзе
С.С.
Теплопередача
и
гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. – М.:
Энергоатомиздат, 1990. – 367 с.
45. Лабунцов Д.А., Зудин Ю.Б. Процессы теплообмена с
периодической интенсивностью. – М.: Энергоиздат, 1984. –
284 с.
46. Лапшин Ю.Г. Некоторые задачи деформирования
материалов при переменных температурах и влажности. //
Лесной журнал, – 1970, № 1.
47. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы
конструирования и расчета химической аппаратуры. – Л.:
Машиностроение, 1970 г. – 752 с.
48. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных
установок. – М.: Энергия, 1972. – 320 с.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
49. Леонтьев Н.Л. Упругие деформации древесины.
Гослесбумиздат, 1952.
50. Лыков А.В. О системах дифференциальных
уравнений тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах.
– ИФЖ. – 1974. – Т.XXVI. – № 1 – С. 18-25.
51. Лыков М.В. Теория сушки. М.,1968. – 472 с.
52. Лыков А.В. Теория теплопроводности, ГИТЛ, 1952.
53. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки.
– Л.: Госэнергоиздат, 1956. – 464 с.
54. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярнопористых телах. – М., 1954. – 448 с.
55. Любимов Н.Я. Теория и практика сушки дерева.
Москва, 1932.
56. Лыков А.В. Тепломассообмен. – М.: Энергия, 1978. –
463 с.
57. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и
массопереноса. – М.- Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 535 с.
58. Марчук Г.Н. Методы вычислительной математики. –
Новосибирск: Наука, 1973. – 455 с.
59. Маньковский О.Н.,Толчинский Л.Р., Александров
М.В. Теплообменная аппаратура химических производств. –
Л.: Химия, 1976. – 368 с.
60. Мартыненко О.Г., Павлюкевич Н.В. Тепло- и
массоперенос в пористых средах. // ИФЖ. – 1998. – Т. 71. – №
1. – С. 5-18.
61. Микит Э.А., Уиманис К.К. Интенсификация сушки
пиломатериалов в камерах периодического действия.
Гослесбумиздат, 1957.
62. Мингазов М.Г., Качалин Н.В. Осциллирующие
режимы сушки пиломатериалов. – М., 1976. – 49 с.
63. Миронов
В.П.
Исследование
термической
массопроводности древесины: Автореф. дис. кан. техн. наук: –
М., 1959 – 12 с.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
64. Миронов В.П. Исследование термовлагопроводности
древесины: // «Сушка древесины», сб. научн. трудов,
Архангельск, 1958
65. Митропольский А.К. Техника статистических
вычислений. – М.: Наука, 1971. – 576 с.
66. Михайлов Ю.А. Тепло- и массообмен при сбросе
давления. //ИФЖ. – 1961. – Т. IV. – № 2. –С. 33-43.
67. Мухачев Г.А.,Щукин В.К. Термодинамика и
теплопередача. – М., Высшая школа, 1991. – 480 с.
68. Муштаев В.И., Ульянов В.М., Тимонин А.С. Сушка в
условиях пневмотранспорта. – М.:Химия, 1984. – 232 с.
69. Нестеренко А.В. Экспериментальное исследование
тепло- и массобмена при испарении жидкости со свободной
водной поверхности. //ЖТФ. – 1954. –Т. XXIV. – Вып. 4. – С.
729-741.
70. Нудельман
А.Б.
Многокорпусная
вакуум
кристаллизационная
установка.//
Химическая
промышленность. – 1951. – № 1. – С.10.
71. Обливин А.Н., Воскресенский А.К., Семенов Ю.П.
Тепло-и массоперенос в производстве древесностружечных
плит. – М.: Лесн. пром-сть, 1978. – 192 с.
72. Огарков
Б.И.
Определение
температурновлажностных напряжений и деформаций в пластических
массах и древесине.// Машиностроение. – 1966, № 6.
73. Огарков Б.И., Апостол А.В., Огаркова Т.В.
Теоретическое
обоснование
продолжительности
технологических процессов сушки древесины. // Технология и
оборудование деревообрабатывающих производств: Межвуз.
сб. науч. тр. ЛТА, 1988, С. 16-19.
74. Определение реологических показателей древесины.
// Деревообрабатывающая промышленность. – 1963, № 2. – С.
17-19.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
75. Орловский М.А., Кукушкина Т.Н. Оборудование
сушильных производств. – М.: Пищевая пром-сть, 1973. – 240
с.
76. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., Примеры и
задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. – Л.: Химия, 1969. – 432 с.
77. Патент РФ. № 2027127, МКИ F 26 В 3/04. Способ
сушки пиломатериалов / А.И. Рассев, Г.Н. Курышов, С.А.
Чучков, С.В. Ляшенко. – 4 с.
78. Патент РФ № 2004132294 МПК F6 B /06 2006 г.
Установка для сушки и пропитки древесины / Голицын В.П.,
Голицына Н.В.
79. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М.
Техническая гидродинамика древесины. – М.: Лесн. пром-сть,
1990. – 304 с.
80. Перелыгин Л.М. Строение древесины. – М.: Лесная
промышленность 1954. – 200 с.
81. Першаков Н.А. Комбинированная сушка древесины.
ЦНИИМОД, 1952.
82. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследования
процессов деревообработки. – М.: Лесная промышленность,
1984. – 231 с.
83. Полонская Ф.М. Тепло- и массобмен в период
постоянной скорости сушки. // ЖТФ. – Т. XXIII. Вып. 5., 1953.
84. Поснов Б.А. Внутренние напряжения в древесине
при ее сушке. Отчет по научно-исследовательской теме
ЦНИИМОД, 1939.
85. Поснов Б.А. Некоторые теоретические вопросы
сушки древесины. // Лесопромышленное дело. – 1932, № 7,8,9.
86. Протодьяконов И.О., Марцулевич Н.А.., Марков А.В.
Явления переноса в процессах химической иехнологии. – Л.:
Химия, 1981. – 264 с.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
87. Рассев А.И. Особенности развития техники и
технологии сушки пиломатериалов на современном этапе.//
Лесной вестник, - 1998. – № 1. – С. 28-34.
88. Рассев А.И. Сушка древесины: Учебное пособие. –
М.: МГУЛ, 2000. – 228 с.
89. Рассев А.И., Олексив Д.М. Конвективно-вакуумная
сушилка для пиломатериаловю. // Деревообраб. пром-ть. –
1993. – № 4. – С. 9-10.
90. Рамм В.Н. Абсорбция газов. – М.: Химия, 1976. – 655
с.
91. Ребиндер П.А. О формах связи влаги с материалом в
процессе сушки./ Научно-техн. совещание по сушке. М., 1958
сю 20-33.
92. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой
фазой. – М.: МИХМ, 1976. – 93 с.
93. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой
фазой. – М.: МИХМ, 1980. – 248 с.
94. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия,
1984. – 320 с., ил.
95. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Галяветдинов Н.Р.
Технология вакуумной сушки оцилиндрованных бревен. //
Материалы Всероссийской студенческой научно-технической
конференции
«Интенсификация
тепломассообменных
процессов, промышленная безопасность и экология», Казань,
2005 г., С. 104-105.
96. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Галяветдинов Н.Р.
Тепломассообмен в процессах совмещенной сушки-пропитки
деревянных шпал. // Материалы докладов национальной
конференции по теплоэнергетике «НКТЭ-2006», Казань, 2006
г. Т.1, С.249-253.
97. Сафин Р.Г., Иманаев Р.М., Галяветдинов Н.Р.
Исследование процессов совмещенной сушки-пропитки
массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов. //
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вестник Казанского государственного технологического
университета, Казань, 2006 г., № 6, ч. II, С. 78-85.
98. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Галяветдинов Н.Р.
Экспериментальные исследования сушки-пропитки древесины
в гидрофобных жидкостях. // Тезисы докладов XX
Международной
научной
конференции
«ММТТ-20»,
Ярославль, 2007г., С.189-190.
99. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Хасаншин Р.Р., Тимербаев
Н.Ф., Лашков В.А., Мустафин З.Р., Юнусов Л.Р., Иманаев Р.М.
Положительное решение на выдачу патента № 2007100542/20
(000566) «Сушильная камера».
100. Сафин Р.Р., Юнусов Л.Р., Галяветдинов Н.Р.
Исследование процессов пропитки древесины при различных
способах воздействия давления. // Четвертая международная
научно-техническая конференция «Актуальные проблемы
развития лесного комплекса», Вологда, 2007. – С. 60-62.
101. Сафин Р.Р., Галяветдинов Н.Р., Гильмиев Р.Р.
Сушка-пропитка
древесины
в
вакууме.//
Седьмая
республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в 21
веке», Казань 2007. – С. 176-178.
102. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Галяветдинов Н.Р.
Исследование процессов сушки древесины в гидрофильных
жидкостях. // Третья международная научно-практическая
конференция «Современные энергосберегающие тепловые
технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)
СЭТТ-2008» Москва 2008. – 152-154.
103. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Галяветдинов Н.Р.,
Валиев Ф.Г. Разработка энергосберегающей технологии сушки
древесины в жидкостях.// Известия высших учебных
заведений. Проблемы энергетики. – Казань, 2008. – С. 152-155.
104. Серговский П.С. Влагопроводность древесины. //
Деревообраб. пром-сть. 1955. № 2 – С.3-8.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
105. Серговский П.С., Уголев Б.Н., Скуратов Е.В.
Внутреннее напряжение и режимы сушки древесины.// Сб.
трудов БНТК. Архангельсть: ЦНИИМОД, – 1980. – С. 63-72.
106. Серговский П.С., Уголев Б.Н., Скуратов Е.В. Об
оптимизации режимов сушки пиломатериалов на основе
анализа внутренних напряжений. // Сб. научн. трудов МЛТИ, –
1960. Вып. 124 – С. 37-42.
107. Серговский П.С., Уголев Б.Н., Скуратов Е.В.
Система режимов камерной сушки хвойных пиломатериалов,
оптимизированных с учетом напряженного состояния
древесины. // Сб. научн. трудов МЛТИ. – 1971. Вып. 131. – С.
38-41.
108. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и
консервирование древесины. – М.: Лесн. про-ть, 1981. – 304 с.
109. Соколов П.В. Проектирование сушильных и
нагревательных установок для древесины. – М.: Лесн. пром-ть,
1965. – 332 с.
110. Соколов П.В. Сушка древесины. – М.: Лесн. промсть, 1965. – 332 с.
111. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. –
М.: Энергоиздат, 1970. – 352 с.
112. Серговский П.С. Гидротермическая обработка
древесины, Гослесбубиздат, 1958. – 440 с.
113. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и
консервирование древесины. – М.: Лесн. пром-ть, 1981. – 304
с.
114. Серговский П.С. О принципах построения
рациональных режимов сушки пиломатериалов.// Сушка
древесины. Архангельск, 1968. – С. 36-55.
115. Серговский П.С. Исследование влагопроводности и
разработка методов расчета процессов сушки и увлажнения
древесины. Дисс. … док. техн. наук, Москва 1953.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
116. Спиридонов В.П., Лопаткин А.А. Математическая
обработка физико-химических данных. – М.: МГУ, 1970. – 222
с.
117. Теория
тепломассобмена. / Под ред. А.И.
Леонтьева. – М.: Высшая школа, 1979. – 496 с.
118. Уголев Б.Н. Внутренние напряжения в древесине
при ее сушке. – М. – Л.,1959.
119. Уголев Б.Н. Деформативность древесины и
напряжения при сушке. М.: Лесн. пром-сть, 1971. – 174 с.
120. Уголев Б.Н. Общие закономерности развития
напряжений в древесине в процессах тепломассопереноса. //
Теоретические аспекты модифицированной древесины. Рига,
1983. – С. 73-77.
121. Уголев Б.Н., Лапшин Ю.Г., Кротов Е.В. Контроль
напряжений при сушке древесины. – М.: Лесная
промышленность, 1980. – 208 с.
122. Уголев
Б.Н.
О
расчете
напряжений
в
пиломатериалах при асимметричном распределении влажности
в процессе сушки. // Лесной журнал. – 1982, № 11. – С. 66-70.
123. Фоломин А.И. Движение влаги в древесине и
высокотемпературная ее сушка в неводных жидкостях. //
«Сушка древесины», сб. науч. трудов, Архангельск, 1958.
124. Фоломин А.И. Физические основы процессов
пропитки и тепловой сушки. Автореф. дисс. докт. техн. наук. –
Москва, 1957.
125. Ханмамедов К.М. Ускоренная сушка древесины в
безводных жидкостях с одновременной ее пропиткой. М.:
1960. – 625 с.
126. Харук Е.В. Проницаемость древесины газами и
жидкостями. – Новосибирск: Наука, 1976. – 190 с.
127. Чудинов Б.С. Вода в древесине. Новосибирск:
Наука, 1984. – 270 с.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
128. Чудинов Б.С. Теория тепловой обработки
древесины. – М.: Наука, 1968. – 225 с.
129. Чулицкий Н.Н. Исследование водопроводности и
водопоглощаемости древесины различных пород. //Науч. тр. /
М.: ЦАГИ. – 1932. – 122. С. 23.
130. Штейнберг С.Е. Высокотемпературная сушка
древесины в петролатума. М.: Лесн. пром-ть, 1962 – 1962.
131. Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка
древесины. – М.: Лесн. пром-ть, 1990. – 336 с.
132. Шубин Г.С. Вопросы тепломассопереноса и расчета
процесса сушки древесины. // Сушка древесины. Труды
всесоюз. науч.-технич. конференции, Архангельск, 1968.
133. Шубин Г.С. О влагопереносе в древесине.// Науч.
тр. МЛТИ. – 1983. – Вып. 149. С. 36-39.
134. Шубин Г.С. Сорбционные свойства древесины. //
Тез. докл. научно - техн. конф. – С. 189-191.
135. Шубин Г.С. Физические основы и расчет процессов
сушки древесины. – М.: Лесная пром-сть, 1973. – 248 с.
136. Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка
древесины. – М.: Лесн. пром-ть, 1990. – 336 с.
Ю.А.
Исследование
охлаждения
137. Шурчкова
перегретой жидкости в вакууме: Дисс. …канд. техн. наук: –
Киев, 1974. – 184 с.
138. Юдаев Б.Н. Теплопередача. – М.: Высшая школа,
1981. – 319 с.
139. Ягов В.В., Городов А.К., Лабунцов Д.А.
Экспериментальное исследование теплообмена при кипении
жидкостей при пониженных давлениях в условиях
естественной конвекции. //ИФЖ. – 1970. – Т. XVIII. – № 4. –
С. 624.
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение
I.
Состояние теории и практики сушки и пропитки
древесины
1.1. Анализ химических веществ для сушки и
пропитки древесины
1.2.Анализ древесины как объекта сушкипропитки
II. Современное исследования в области сушки
и пропитии крупномерной древесины
2.1. Анализ способов сушки и пропитки
крупномерной древесины
2.2. Исследования процессов осциллирующей
сушки и пропитки древесины в жидкостях
2.3. Экспериментальная установка для пропитки
древесины в циркулирующем потоке агента
сушки
III. Математическое описание процессов сушки
древесины в жидкостях
3.1. Математическое описание переноса тепла и
массы внутри крупномерной древесины в
процессе сушки
3.2. Математическое описание стадии прогрева
материала в жидкостях
3.3. Математическое описание стадии
вакуумирования
91
3
7
9
26
33
37
40
41
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
IV
Математическое
моделирование
и
экспериментальные исследования процессов
сушки-пропитки древесины в жидкостях
4.1. Исследования сушки-пропитки в
гидрофильных жидкостях
4.2.
Исследования
сушки-пропитки
в
гидрофобных жидкостях
Заключение
Основные обозначения
Библиографический список
92
55
67
74
76
79
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа