Центробежное обезвоживание и сушка бревен в целях сохранения качества при хранении Оти Мото Поль Максим

Содержание к диссертации

Введение

I. Состояние вопросы и задачи исследования 4

1. Способы сушки и удаления влаги из древесины 4

2. Удаление влаги в силовых полях 23

3. Выводы 29

II. Теоретические исследования процесса центробежного обезвоживания 30

1. Кинетика обезвоживания единичного капилляра 30

2. Модель капиллярно-пористой структуры древесины 35

3. Составление уравнение центробежного обезвоживания древесины 38

III. Методика экспериментальных исследований 55

1. Описание экспериментальной установки и оснащение приборно- измерительной аппаратурой 55

2. Определение гипотетического радиуса капилляра 62

IV. Результаты экспериментальных исследований 83

1. Интенсивность обезвоживания бревен 83

2. Оценка качества обезвоживания 89

3. Результаты исследований поровой структуры древесины 95

4. Результаты исследований центробежно-конвективного и ротационного обезвоживания древесины 101

V. Технические и технологические параметры результаты внедрения исследования 106

1. Расчет ожидаемой экономической эффективности центробежного способа обезвоживания лесоматериалов 106

Заключения 115

Список литературы

• Удаление влаги в силовых полях
• Модель капиллярно-пористой структуры древесины
• Описание экспериментальной установки и оснащение приборно- измерительной аппаратурой
• Результаты исследований поровой структуры древесины

Введение к работе

Актуальность работы. Сушка древесины является весьма ответственным этапом технологического процесса любого из деревообрабатывающие производств. Своевременность и качество сушки в значительной мере определяет долговечность и качество изделий сооружений из древесины в целом. В настоящие время вырабатывается более 100 млн.м пиломатериалов в год, из которых 70-75% требуют обязательной сушки. Поэтому проблема сокращения время и повышения объема и качества сушки древесины относится к числу важнейших проблем лесопильно-деревообрабатывающей промышленности. Одним из путей решения этой проблемы является разработка принципиально новых способов удаления влаги из древесины, отличающихся, малой энергоемкостью и-высокой интенсивностью.

Снижение энергоемкости процессов сушки приобретает большое значение в. связи с напряженным балансом энергоресурсов. Перспективным, в этом отношении являются механические способы обезвоживания материалов в поле центробежных сил в комбинации с тепловыми способами сушки. Применение центробежного способа обезвоживания длинномерных бревен стало возможным только после того, как группой ученых во главе с заслуженным деятелем науки и техники Р.Ф,⁴ д.т.н. В.И. Патякиным, к.т.м. В.И. Шаплыкой, Э.П.. Полесским было создано, конструктивное решение самобалансирующейся, центрифуги, не имеющей аналогов в отечественной и зарубежной практике.

Цель работы. Основные цели- диссертационной работы состояли в изучении особенностей и закономерностей процессов механического удаления свободной влаги в центробежном поле для создания условий благоприятных сохранению качества обезвоженной древесины при хранении, в снижении границы конечной влажности за счет введения в центробежное поле теплового поля: повышение эффективности сушки за счет механического удаления влаги. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи исследований:

провести анализ научных работ по способам сушки древесины, выяснить их энергоемкость и сроки сушки;

провести анализ особенностей строения водопроводящих путей древесины хвойных и лиственных пород;

экспериментально исследовать модель капиллярно-пористой структуры древесины;

разработать теоретические основы удаления свободной влаги из единичного капилляра и капиллярно-пористой системы древесины;

объяснить теоретически и подтвердить экспериментально причини сохранения качества обезвоженной древесины при хранении;

определить технико-экономическую эффективность центробежно-конвективной сушки бревен; найти техническое решения для реализации указанного способа в промышленности.

Объекты исследования: Лесоматериалы различных пород - бревна. Научную новизну имеют: Теоретические основы удаления влаги из единичных капилляров и системы капилляров - древесины;

параметры обезвоживания, угловая скорость, пределы обезвоживания, характер распределения оставшейся в древесине влаги, скопления её в конце пути движения при обезвоживании;

перспективные центробежно-конвективные способы обезвоживания; причин сохранения качества обезвоженной древесины при хранении бревен. Новое техническое решение самобалансирующейся установки (на карданном подвеске)

Значимость работы для науки и практики: Для теории имеют значения: Теоретические модели удаления свободной влаги из капилляра и капиллярно-пористой структуры древесины, закономерности распределения влаги по длине обезвоженного образца и влияния скопления влаги в торцевой части обезвоженного бревна на качестве древесины при хранении, закономерности обезвоживания, определяющиеся комплексным показателям - фактором обезвоживания, объединяющем размеры бревна и угловую скорость вращения. Все это углубляет понятие об обезвоживания и расширяет теорию науки о лесе. Практическое значение имеют результаты экспериментальных исследований,

-3-проведенных в производственных условиях на экспериментально-промышленном оборудовании, методика и результаты определения параметров капиллярно-пористой структуры древесных пород.

Кроме того, имеет большое значения рекомендации по обработке древесины перед хранением. Научные положения выносимые на защиту:

математическая модель процесса обезвоживания единичного капилляра, и

системы капилляров в центробежно-тепловом поле;

модель капиллярно-пористой структуры древесины;

методика определения и параметры капиллярно-пористой структуры

древесины;

режимы обезвоживания длинномерных бревен перед длительным

хранением;

результаты экспериментальных исследований в центробежном и

центробежно-тепловом поле; Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью математических моделей, относительной погрешностью результатов, не превышающей допустимой значение 5%, результатами математической обработки экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрения на заседании кафедры, научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПБГЛТА в 2006-2008 годах.

Промышленная проверка разработанных режимов обезвоживания и хранения бревен проводилась в условиях Васкеловской лаборатории ЦНИИлесосплава и производственной базы НПО "Центр" Белоруссия.

По результатам научных исследований опубликовано 3 печатные работы, в изданиях рекомендованных ВАК Минобразования РФ.

Структура и объем работы диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов ирекомендаций, списка литературы.

1.1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Фазовое состояние удаляемой влаги;

Обезвоживание — это процесс удаления влаги из материала независимо от формы и способа. Влага, находящаяся- в древесине, может быть> удалена в виде пара, жидкости и льда. Исходя из этого, все способы обезвоживания можно разделить на три группы — термические, механические и комбинированные. При термических способах обезвоживания- происходит фазовое превращение влаги в пар в результате теплового воздействия: выпаривания, испарения, вымораживания — сублимации (когда влага переходит из твердого непосредственно в газообразное состояние). Эти способы получили наибольшее распространение под названием способов' сушки древесины.-

При механических способах обезвоживания влага удаляется в виде жидкости в результате силового воздействия электрического, электромагнитного полей, а также ультразвука. Эти способы пока не нашли широкогопромышленного применения.

Третью группу составляют комбинированные способы, при которых используется как фазовое превращение влаги под действием тепла, так и удаление влаги в жидком виде под силовым воздействием. К этим способам можно отнести: высокочастотно-конвективный, центробежно-конвективный, пневмо-конвективный, центробежно-высокочастотный и*др.

Комбинированными способами при которых большая часть свободной влаги удаляется силовым воздействием, а необходимой конечной влажности древесины доводится в результате теплового воздействия (сушки). [1]

Термические способы обезвоживания.

-5-Термические способы обезвоживания.

Особенности термических способов обезвоживания

Термические способы обезвоживания в зависимости от вида используемого источника тепла делятся на 2 группы: естественные и искусственные.

К естественным способам относят атмосферную и транспирационную сушки, для осуществления которых используются естественные источники тепла — солнечная радиация и параметры окружавшего атмосферного воздуха.

К искусственным термическим способам обезвоживания относят следующие способы сушки: конвективную, контактную, в жидких гидрофобных средах, диэлектрическую.

При термических способах сушки перенос тепла материалу осуществляется: газообразной средой при сушке в воздухе, топочном газе, или перегретом паре; жидкостью при сушке в керосине, петролатуме, масле и т.д.; твердым телом при контактной сушке; тепловыми лучами от специальных излучателей, электрическим током, нагревающим влажную древесину при прохождения тока; электромагнитным полем высокой частоты, пронизывающим и нагревающим древесину.

Основными факторами, определяющими массоперенос при

термических способах сушки, являются градиенты влажности,

температуры и давления. Поток влаги і определяется известным

уравнением А.В.Лыкова.[18]

і = к_жРоьи-к_жРоШ-к_рЬр (1.1)

где A U, At, Ар - градиенты влагосодержания в %, температуры в С, и давления в Н/м²; к_р, к_ж - коэффициенты диффузии влаги, м²/с;

д - коэффициент термовлагопроводности, 1/град; ро - плотность сухого скелета капиллярно-пористого тела, кг/м .

-6-Конвективный способ сушки.

В настоящие время конвективный способ сушки из искусственных способов является основной в лесной и деревообрабатывающей промышленности. Он характеризуется главным образом конвективной циркуляцией специально подогретого воздуха, как сушильного агента, по высушиваемому материалу. Кроме воздуха, в качестве сушильного агента могут применяться топочные газы и перегретый пар.

Особенностью указанного способа сушки является то, что процесс интенсивного вывода влаги протекает в древесине, нагретой до изотермического состояния.

Таким образом, конвективный способ эффективен при значительном перепаде влажности между внутренними и наружными слоями, так как удаление влаги стимулируется только градиентом влажности, другими словами, чем, больше толщина образца, тем больше должна быть разница во- влажности между слоями. В больших сечениях пиломатериалов и тем более круглых лесоматериалов создание большого градиента влажности приведет к появлению трещин.

Достоинства конвективного способа сушки состоит в следующем: сравнительно высокая интенсивность процесса, возможность управления процессом, достижение заданной конечной влажности, возможность осуществления сушки независимо от сезона, защитные функции сушки - уничтожение инфекции и насекомых в древесине.

К недостаткам конвективного способа относятся: необходимость сооружения специальных сушильных установок, большой' расход топлива и энергии (1,6-3,0 кВт.ч на I кг удаленной влаги), большая длительность процесса сушки и сложность регулирования его а так же сложность качественной сушки лесоматериалов больших сечений.

-7-Кондуктивный (контактный) способ сушки.

Этот способ сушки древесины находит широкое применение в фанерном и мебельном производствах, при изготовлении древесных плит, лыжном производстве. Этот процесс характеризуется высокой эффективностью.

Имеются теоретические предположения и ряд экспериментальных исследований указывающих на то, что электромагнитное поле промышленной частоты, влияя на молекулярные связи влаги в капиллярно-пористых телах, интенсифицирует процесс вывода влаги из материала и устраняет пластические деформации.

Проведенные эксперименты на модельной и промышленной установке показали: улучшение качества материала; равномерное влагосодержание по слоям материала после сушки 1-1,5%/м; малый разброс по конечной влажности (1-2%) партий сортаментов, загруженных для сушки с большим разбросом начальной влажности (30-130%); расход электроэнергии 1,25-1,45 кВт.ч на 1 кг удаленной влаги.

Срок сушки контактным способом в электромагнитных камерах определяется по формуле:

/ = 2680Ж?,⁰⁷⁶ (1.2)

Где R- радиус отрубка, м;

_Q W„-W_{K (1 3)}

W_H- начальная влажность, %;

W_K- конечная влажность, %.

Произведенный расчет срока сушки образцов круглых лесоматериалов ( 2R= 20 см, W_H =180%, W_K=80%) показывает, что для отрубков в коре t =200 ч, а для окоренных отрубков t =193 ч.

Учитывая такую длительность срока сушки и сравнительно высокий удельный расход энергии применение этого способа для

-8-сушки в рассматриваемых условиях подготовки древесины вряд ли будет целесообразен.

Сушка древесины в расплавленных гидрофобных составах.

Этот способ рекомендуется для сушки строительных элементов (мостов, ферм), а так же столбов, шпал, бонов и т.д., предназначенных для эксплуатации в атмосферных условиях. Чаще всего в качестве гидрофобного состава применяют петролатум, а так же пропиточные масла и антисептики. Процесс сушки протекает при температурах выше 100 С и характеризуется высокой интенсивностью снижения влажности.

Например, свежесрубленные сосновые окоренные бревна диаметром 22 см за 12 ч высыхают до влажности Wk =25%.

К недостаткам способа сушки в гидрофобных составах относятся:
большой расход гидрофобной жидкости, снижение технологических
качеств (пропитанная древесина хуже склеивается),

пожароопасность процесса.

Имеет ограничения применительно к условиям сушки заготовок, которые в дальнейшем будут использоваться для изготовления тары для хранения продуктов, по санитарно-гигиеническим условиям.

Сушка токами высокой частоты (ТВЧ)

Сущность способа заключается в том, что влажная древесина, как несовершенный слоистый диэлектрик, помещенный в переменное электрическое поле, нагревается вследствие колебательного движения полярных молекул, непрерывно ориентирующихся в направлении меняющегося поля (молекулярное трение). Древесина, будучи сложным молекулярным комплексом, взаимодействует с электромагнитным полем как среда, состоящая из полярных (дипольных) и неполярных молекул.

Испарение влаги при высокочастотном способе сушке - следствие ее нагрева. При этом температура, давление, а иногда и влажность во внутренних слоях выше, чем на поверхности, это способствует движению влаги к поверхностным слоям.

При высокочастотном нагреве направление передвижения влаги за счет температурного градиента, градиента влажности и давления будет совпадать с направлением удаления влаги из внутренних слоев к поверхности тела.

Влага при высокочастотном способе нагрева из материала удаляется в виде пара, в жидкой или смешанной фазе.

В том случае, когда значения температуры и давления ниже критических, превращение влаги в пар не происходит и влага удаляется в жидкой фазе. Некоторые исследователи наблюдали удаление влаги в жидкой фазе при воздействии длинных волн на очень влажную древесину.

При достаточно высокой температуре влага превращается в пар и в таком виде продвигается к поверхности материала, где удаляется внешним агентом (воздух, газ и т.д.).

В том случае, когда температура и давление во внешних слоях будут ниже, чем во внутренних слоях, содержащих жидкость в виде пара, то при прохождении пара через внешние слои возможна конденсация пара и дальнейшее движение влаги в жидкой фазе.

Температура диэлектрика за время At увеличивается на величину

AT.

AT _2xfstgSE² _{(l 4)}
At pC_T

где f - частота тока;

є - диэлектрическая проницаемость; р - удельная плотность диэлектрика, кг/м ; Ст - удельная теплоемкость диэлектрика, Вт/кг.С; д - угол потерь (характеризует скорость превращения

электромагнитной энергии в тепловую) Е - напряженность поля, Вт.

Проведенными исследованиями установлено, что 1% градиента температуры дает увеличение скорости вывода влаги в 5-7 раз больше, чем 1% градиента влажности; при этом сушка материала токами высокой частоты - от 10 до 20 раз идет быстрее и более качественнее конвективной, так как влияние пластических деформаций может быть сведено до минимума. Большой расход энергии для высококачественной сушки 1,5-4 кВт.ч/кг удаляемой влаги и сложное оборудование пока сдерлсивают широкое применение этого способа. Большой расход энергии объясняется: низким к.п.д. лампового генератора высокой частоты (по данным научно-исследовательского института токов высокой частоты НИИТВЧ, 0,5-0,7); нерациональным использованием энергии (10%-нагрев, 60%- испарение влаги с поверхности материала, 20%-тепловые потери и только 10% - создание положительного температурного градиента, ускоряющего продвижение влаги к поверхности).

При сушке бревен с большим конечным значением влажности (40-50%) необходимо иметь в виду следующее: во-первых, диэлектрическая постоянная древесины є резко меняется в

зависимости от влажности (например,—^« 5^ 6.)

Вследствие высокого значения диэлектрической проницаемости обеспечивается хорошая загрузка генератора высокой частоты по мощности, а ввиду резкого сокращения времени прогрева значительно сокращается энергия, расходуемая на покрытие различных теплопотерь.

Во-вторых, критерий Лыкова Lu , характеризующий инерционность поля потенциала влаги по отношению к полю потенциала тепла, для древесины с высокой влажностью будет больше. Это означает, что влага опережает в своем движении тепло, за счет которого она

-11 -движется. Таким образом, удельный расход тепла на единицу веса удаленной влаги будет при интересующих нас влажностях меньше.

В-третьих, подбор соответствующей частоты генератора даст возможность за счет скин-эффекта локализовать выделение тепла определенным поясом в сечении бревна (нагрев, например только заболони или коры и т.д.), что дает возможность снизить удельный расход анергии.

НИИТВЧ экспериментально установлено, что наиболее оптимальная частота высокочастотного генератора для сушки круглых лесоматериалов - 1,96 МГц. На основании анализа преимуществ высокочастотного способа сушки можно заключить, что этот способ может в перспективе найти широкое применение.

Сушка со сбросом давления (сушка в воде).

Способ во многом аналогичен способу сушки в петролатуме. Сушка происходит следующим* образом. В емкость с подкисленной водой погружают лесоматериалы или образцы древесины.

Затем через воду пропускают электрический ток, который избирательно направляется в сырую древесину которая обладает большой электропроводностью и, нагревая, подсушивает ее.

Через определенное время (в зависимости от режима сушки) лесоматериалы вынимают из воды, и они на открытом воздухе быстро досыхают за счет отдачи влаги с поверхности в окружающий воздух.

В работе С.Г. Романовского [26] показано, что электромагнитное поле оказывает большое влияние на кинетику процесса сушки. Под воздействием поля в капиллярно-пористом теле происходит перемещение молей. Это перемещение приводит к возникновению нерелаксируемого градиента общего давления, интенсифицирующего процесс сушки и преобладающего над видами переноса, связанными с наличием градиентов влагосодержания и температуры. По данным

-12-указанного выше автора перепад температуры между внутренними и наружными слоями составил 1-2С, а конечное влагосодержание 12-15%.

К достоинствам метода можно отнести низкую (37С) температуру среды, в которой протекает сушка, и в связи с этим относительно небольшие теплопотери; высокое качество сушки - отсутствие трещин у обезвоженных образцов; малый расход энергии (по сравнению с конвективным способом сушки). Недостаток способа сушки со сбросом давления - длительность процесса: например, сушка дубового образца 20x20x120 см от начальной» влажности W„ =84% до конечной W_K =18% составляет 234г. При сушке образцов малых сечений продолжительность рассматриваемой сушки равна или несколько меньше конвективной.

Способ сушки со сбросом давления или как его иногда называют, способ сушки в воде, может оказаться перспективным только в сочетании с другими механическими способами, например центробежным или электрокинетическим, так как в этом случае сравнительно малая энергоемкость сочетается, с возможностью бездефектной сушки бревен любых сечений. Этот способ для условий сушки изделий из древесины - представляет интерес в комбинаций с механическими.

Атмосферная сушка.

Для снижения плотности древесины производилась атмосферная сушка круглых лесоматериалов или хлыстов, предназначенных для пуска в сплав. Для этих целей применялись: атмосферная сушка в рядовых штабелях бревен в коре, окоренных пятнами или пролышенных в течении 60 суток теплого периода года.

Атмосферная сушка круглых лесоматериалов в штабелях достигается путем испарения воды через боковую и торцевые поверхности бревна под воздействием метеорологических факторов,

-13-из которых наибольшее значение имеют температура и влажность воздуха.

Под воздействием тепла, поступающего из воздуха, с поверхности бревен испаряется влага, что вызывает капиллярный и диффузный приток влаги к поверхности испарения из внутренних слоев древесины и снижение влажности по длине и диаметру бревен. При этом резкое снижение влажности по длине не распространяется далее, чем на 15-25 см от торца. Основная масса влаги удаляется через боковую поверхность.

Способы атмосферной сушки имеют ряд существенных недостатков:

1. Велики сроки сушки.

2. Низкая степень механизации труда на подготовительных
операциях для осуществления ускоренной сушки (окорка пятнами и
пролыска производятся, как правило, ручными инструментами).

3. Эффективна сушка только в период устойчивых положительных температур.

4. Потеря качества древесины при сушке. Древесина резко снижает качество: березовая - от грибкового поражения, а хвойная - кроме того, и от повреждения насекомыми.

Несмотря на отмеченные недостатки, применение атмосферной сушки позволяет снизить плотность древесины и может за счет малой энергоемкости процесса в сочетании с механическими способами быть эффективной. Из рассмотренных ранее способов обезвоживания атмосферная сушка наименее энергоемка, так как при этом используются естественные источники тепла.

Механические способы обезвоживания. Особенности механических способов.обезвоживания.

Наряду с традиционными термическими способами сушкш находит применение механические способы обезвоживания, в основе которых лежит движение влаги в. жидкой фазе под действием градиента давления. На основании анализа форм связей влаги с древесиной можно заключить, что механическими способами обезвоживания удаляется свободная влага. Необходимо отметить, что энергетически многие механические способы обезвоживания значительно выгоднее по сравнению с термическими, так как влага при механических способах выводится в жидкой фазе, и поэтому не требуется энергии на испарение, составляющей более 60% всей подводимой энергии

[4].

Пневматический способ обезвоживания

Одним из механических способов обезвоживаний является пневматический; который основан на создании повышенного давления сжатого воздуха на одном из торцов отрубка или сортимента. Результаты исследований; показали, что удаление влаги происходит при давлении, большем 0,8 МН/м [4]< с повышением» давления количество удаляемой влаги возрастает. В опытах достигнуто максимальное снижение влажности образцов длиной 200 мм до 10% при начальной влажности; 30% и давление сжатого воздуха 2,5 МН/м?

Эксперименты и анализ технологических факторов доказывают, что эффективность пневматического способа обезвоживания мала и он не может быть рекомендован для широкого применения.

Вибрационный способ.

Теоретический анализ сил, действующих на столбик жидкостиі в единичном капилляре [4], показал возможность удаления жидкости

-15-из капилляра вибрационным способом. Установлено, что количество влаги зависит от интенсивности колебаний. Минимальная интенсивность, при которой начинается обезвоживание капилляра, определяется из уравнения

U"²L=-^(l + cos0) (1.5)

^ГРж^Х

где А₀ - амплитуда колебаний; со - частота колебаний; а_п - коэффициент поверхностного натяжения; р_ж - плотность жидкости;% х- длина столбика жидкости; в - краевый угол смачивания. Произведенный аналитический расчет показал, что максимальная интенсивность колебаний для березы, при которой начинается обезвоживание древесины, составляет 80g. Существенного лее обезвоживания можно достичь при интенсивности колебаний, превышающей 200g.

В настоящее время наша промышленность выпускает виброустановки с интенсивностью колебаний, не превышающих 10g.

Из механических способов обезвоживания вибрационный способ наиболее энергоемкий, так как большая доля энергии здесь затрачивается на разгон и торможение всей массы образца в процессе вибрации.

Центробежный способ.

В 1943г. М Kastmark (Швеция) обнаружил высокую эффективность центробежного способа обезвоживания. Былс установлено, что при вращении штабеля пиломатериалов на центрифуге со скоростью 0,3 рад/с интенсивность сушки увеличивается в 2-3 раза по сравнению с обычной сушкой в камере. Отмечалась высокая интенсивность сушки пиломатериалов на вращающейся карусели [4] (при радиусе

-16-вращения 3 -м) выше 6,3-10,5 рад/с не приводило к сокращению влажности (это справедливо для конечной влажности 8-10%). В указанных выше экспериментах производился только подвод влаги к поверхности испарения (боковой поверхности пиломатериалов) за счет центробежных сил, а удаление влаги с поверхности производилось нагретым воздухом или газом, т.е. применялся ротационный способ обезвоживания.

Результаты экспериментов ротационной сушки показали помимо высокой интенсивности процесса высокое качество лесоматериалов после сушки (малое колебание влажности - 1,5-3,0%, отсутствие трещин и т.д.) [4].

Из отечественных работ в области центробежного способа обезвоживания древесины можно указать работу А.И. Рассева, В.И. Патякиа.

В промышленных условиях работают стационарные и мобильные ротационные сушилки Eisenmann (ФРГ) со следующими характеристиками:

емкость установки, м³ 6-28

скорость вращения, рад/с 6,3

удельная мощность на привод

карусели, кВт/м³ 0,1-0,15

относительная себестоимость

сушки в сравнении с камерной в 3 р. меньше

Таким образом, из рассмотренных способов механического
обезвоживания по всем показателям наиболее эффективный -
центробежный, который может получить широкое

распространение в условиях, требующих быстрого обезвоживания пиломатериалов и заготовок при высоком их качестве после сушки.

Электрокинетическое обезвоживание древесины

(электроосмос).

Электроосмос - перемещение жидкости относительно твердого скелета под действием электрического поля в направлении, определяемом знаком электрокинетического потенциала.

Современное представление о механизме электрокинетических явлений основывается на идее о существовании двойного электрического слоя на границе раздела фаз. На поверхности твердого диэлектрика согласно ионной природе двойного слоя существуют в растворе ионные пары (диполи), которые способны определенным образом ориентироваться по отношению к границе раздела фаз. Слой ориентированных диполей на межфазной границе представляет собой двойной электрический слой. Этот слой, не являясь диффузным, может индуцировать вторичные диффузные слои, распространяясь в глубь обеих фаз по обе стороны* от поверхности раздела.

Заряд ионного двойного слоя определяется избыточным количеством ионов одного знака в структурной геометрической единице. Под поверхностным избытком ионов понимается та разность, которая существует между количеством ионов объема, включая и область поверхности, и тем количеством, которое находилось бы, если бы фазы были полностью однородны вплоть до разделяющей их границы. Движение ионов диффузного слоя под действием электрического поля увлекает вследствие внутреннего трения всю массу жидкости, заполняющую капилляры.

Скорость движения жидкости определяется по формуле

4тг rjxr а объемная скорость движения будет равна

-18-».-/=- (1.7)

Где: v₇ - электроосмотическая скорость линейная; v_r - гидростатическая скорость; vo - электроосмотическая скорость объёмная; / - сила тока;

е - диэлектрическая проницаемость; X - удельная электропроводность жидкости; ц - вязкость жидкости; г - радиус капилляра; С - электрокинетический потенциал.

Основные закономерности [26] электрокинетического обезвоживания:

количество перенесенной жидкости т пропорционально силе тока 1(1,23-1,24);

объем перенесенной жидкости, отнесенной к единице силы тока, не зависит от площади сечения капиллярной системы и от толщины диафрагмы (длины капилляров) и возрастает с увеличением сопротивления раствора (с уменьшением концентрации электролита).

В ряде работ [4] отмечается значительная эффективность применения электроосмоса для сушки стен зданий, кварцевого песка, осушки торфа, при возведении плотин, дамб и других гидротехнических сооружений, когда они возводятся намывом грунта из водоемов. В последнем случае возникает необходимость быстрого удаления избыточной влаги: Для этого в намытый грунт вводят металлические перфорированные электроды (иглофилътры), соединенные попеременно с различными полюсами внесенного источника тока. Включение электрического тока приводит к электроосмотическому переносу воды к катодам, откуда её

-19-откачивают насосами. Аналогичным методом осушают болота.

Применение электроосмоса для обезвоживания древесины исследовалось А.А.Власовым и Н.А.Крыловым. Исследование проводилось на образцах длиной 5 см при напряжении 1200 В.

Истечение жидкости происходило у катода, прианодная область
высыхала, и процесс прекращался. Исследование поля
влагосодержания показало, что распределение влажности в
заболонной и ядровой древесине неравномерное и неодинаковое:
влажность от анода к катоду возрастает. Расход электроэнергии на
удаление I г воды -от 2650 до 5870 Вт. Все эти данные послужили
основанием для заключения о неэффективности

электрокинетического обезвоживания.

Однако более поздние эксперименты, проведенные в ЦНИИ лесосплава под руководством В.И. Патякине показали, что при определенных условиях электрокинетическое обезвоживание может конкурировать со всеми эффективными¹ способами обезвоживания.

Комбинированные способы обезвоживания. Вибрационно-конвективный.

Сущность способа- заключается, в том, что при вибрировании материалау его поверхности возникает разряжение, пульсирующее с частотой вибратора за счет быстро-меняющихся циклов сжатиям расширения среды у поверхности при ее вибрировании. При этом под действием колебаний над поверхностью материала создается турбулизация газа. Оба эти фактора влияют на» скорость испарения' влаги' в процессе сушки. Создаваемая дополнительно конвекция ускоряет процесс сушки и дает возможность уменьшить интенсивность колебаний. В практике этот способ не нашел применения из-за отсутствия вибро-установок с необходимыми параметрами для этого способа.

-20-
На основании проведенного анализа способов сушки и удаления
влаги из древесины составлена таблица 1.1, в которой
j рассматриваются достоинства и недостатки способов

обезвоживания.

Из указанных данных полученных в таблице можно остановиться на способе центробежного обезвоживания имеющего высокую интенсивность обезвоживания круглых лесоматериалов, в сочетании с др. способами снижения влажности до 8-10% и.т.д.

Таблица. 1.1. Сравнительная оценка различных способов обезвоживания

древесины.

Проведенный анализ способов обезвоживания древесины показал следующее:

1. Широко известные способы сушки (атмосферная и транспирационная) в силу присущих им недостатков не полностью

-22-удовлетворяют все возрастающие требования к сушке древесины.

2. Для решения проблемы рационального использование
природных ресурсов в лесной промышленности необходимо, чтобы
способы обезвоживания обладали следующими качествами:
минимальным временем обезвоживания; малой энергоемкостью;
технологичностью.

3. Из рассмотренных способов обезвоживания наиболее
удовлетворяют сформулированным требованиям центробежный;
электрокинетический и центробежно-высокочастотный способы
обезвоживания древесины.[4]

1.2 УДАЛЕНИЕ ВЛАГИ В СИЛОВЫХ ПОЛЯХ.

СВЧ сушка древесины

Основные причины возникновения внутреннего нагрева в диэлектриках, помещенных в переменное электрическое поле.

Дипольнаяі поляризация. Молекулы диэлектрика размещаются в электрическом поле хаотично и имеют равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды (диполи). При помещении диэлектрика в электрическое поле переменного тока,на полярные молекулы воздействуют силы, стремящиеся перемещать молекулы в» соответствии, с изменением направления поля. В результате трения молекул при их перемещении выделяется тепло.

Чем больше напряжение поля, тем больше угол поворота молекул; чем больше частота.тока, тем чаще меняется направление поля, тем чаще молекулы меняют свое положение и тем интенсивнее нагревается диэлектрик. Структурная поляризация. Она характеризуется смещением диполей и -ионов в ограниченном^ пространстве с возникновением* при этом ударов молекул друг о друга, сопровождающихся выделением тепла. Чем плотнее строение вещества диэлектрика, тем меньше структурные потери.

Электропроводность, обусловленная передвижением ионов (ионным током). Помимо перечисленных явлений, ві диэлектриках, помещенных в переменное электрическое поле, возникает ряд других явлений, вызывающих выделение тепла: -электронная поляризация (деформация электронных орбит); низкочастотная поляризация (передвижение ионов внутри, диэлектрика^ с образованием объемных зарядов);ионная поляризация» (упругая деформация ионов). Удельная мощность. Удельная мощность, выделяемая в 1 см³ материала вследствие возникновения' диэлектрических потерь, определяется по формуле

p=0,558tg8fE²l(r¹² вт/см³ (1.8) где р-удельная мощность в ваттах на 1 см (вт/см );

є- диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

tgS- тангенс угла потерь, или коэффициент потерь;

Е- напряженность электрического поля (градиент напряжения) в в/см;

f- частота тока в Гц.

Как видно из формулы (1.8) теплота, выделяемая в древесине под действием электромагнитного поля с одной стороны, зависит от частоты и напряженности этого же поля с другой стороны зависит от диэлектрических параметров нагреваемой древесины. Частота тока для СВЧ источника является постоянной величиной. Она выбирается, из разрешенных для промышленного применения частот, а также с учетом глубины проникновения электромагнитных волн в древесину.

Напряженность электрического поля является управляемой
величиной и зависит от исходной мощности СВЧ источника.
Электрическая характеристика диэлектрика (древесины)

определяется диэлектрической проницаемостью материала є и тангенсом угла потерь tg. Величины є и , tg зависят от строения древесины, ее влажности, а также от частоты, направления тока и других факторов. Произведение диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь , e"=8*tg8 называется* коэффициентом диэлектрических потерь и характеризует свойства материала при высокочастотном нагреве.

Влажная древесина имеет наибольшую величину коэффициента потерь и поэтому нагревается интенсивнее. В процессе сушки

коэффициент потерь древесины уменьшается, следовательно и уменьшается выделяемая в древесине теплота. Это характеризует избирательность СВЧ-нагрева. Проникая в древесину напряженность электрического поля затухает по экспоненте

Е = ₀е~*

где, Е₀ — напряженность на поверхности древесины, Вт/см е.—2,7 - основание натурального логарифма, а - коэффициент затухания волны,

х- расстояние от поверхности древесины до точки на котором определяется напряженность, см

На рисунке 1.1 показан график зависимости напряженности

ЭЛеКТрИЧеСКОГО ПОЛЯ ОТ ГЛубиНЬІЇ ПрОНИКНОВенИЯ ЄВЧ ПОЛЯ: в

древесину при; разных частотах. Сплошная линия при влажности? древесины 30%, пунктирная линия* при* влажности древесины; 10%; Е₀ = 1

Рис. 1.1. График зависимости напряженности электрического поля от глубины проникновения СВЧ поля в древесину при разных частотах.

На рисунке 1.2 показан график суммарной напряженности электрического поля при двухстороннем СВЧ облучении пакета пиломатериалов толщиной 50 см. Сплошная линия при влажности древесины 30%, пунктирная линия при влажности древесины 10%. Е₀= 1.

Рис. 1.2. График суммарной напряженности электрического поля при двухстороннем СВЧ облучении пакета пиломатериалов толщиной 50 см.

Как видно из рисунка 1.2 приемлемой частотой для СВЧ сушки пакета пиломатериалов являются частоты 0,433 ГГ и 0,915 ГГ. На частоте 2,45 ГГ работают бытовые СВЧ печи и источники СВЧ энергии работающие на этой частоте пригодны только для сушки тонких материалов.

Грамотное управление выделяемойтеплотой в процессе нагрева и сушки древесины составляет основу технологического процесса. Выделяемая теплота^ расходуется на нагрев сырой древесины до температуры кипения воды в древесине и на испарение влаги. Так как влага внутри древесины находится в замкнутом пространстве,

с началом кипения воды внутри древесины начинается повышение избыточного давления. С повышением избыточного давления в древесине соответственно повышается температура кипения воды. При СВЧ сушки древесины именно избыточное давление является двигателем влаги к поверхности древесины. Опасными для древесины параметрами являются избыточное давление и температура. Если избыточное давление превышает предел прочности древесины при растяжении древесины поперек волокон, то в древесине образуются трещины. Воздействие более высоких температур на древесину начинает сказываться, если продолжительность обработки превышает определенную величину. Древесина имеет анизотропное строение и проницаемость древесины газами (жидкостью) вдоль и поперек волокон сильно отличается. Для примера у древесины березы коэффициент проницаемости вдоль волокон в 16 000 раз больше чем. поперек волокон. Поэтому при СВЧ сушке пиломатериалов под, избыточным давлением основная масса влаги двигается к торцам пиломатериала. При этом влага удаляется не только в виде пара но и в жидкой фазе, что уменьшает затраты энергии на сушку. Избыточное давление в пиломатериале зависит от выделяемого в древесине тепла, расстояния до поверхностей, фазового состава влаги движущегося по порам древесины, вязкости влаги при данной температуре.

ігосов

HftfiOC

iwoog

» сое в» ОМ 7D0OO 66 ОМ SOW» «CM JO 000

го ом ном

«»»< -ч« »»- I ..111111 ! .1- ч і ». її . М*ч » ~~*У -4 Ы iilinii. it .

в х «і go ее іооїгоі^ібоиеамгаогівлогоозтозаі^'озеезвоздосо^'іочочвояоїгоїчі иогмБоо

Рис. 1.3. График возрастания избыточного давления в древесине.

На рисунке 1.3 показана диаграмма возрастания избыточного давления в древесине. Диаграмма получена методом компьютерного моделирования. Как видно из диаграммы, при равномерном выделении тепла в древесине избыточное давление стремится к равновесному давлению. Именно это давление не должно превышать предел прочности древесины при растяжении древесины поперек волокон. Избыточное давление можно повысить сушкой древесины под прессом.

Скорость СВЧ сушки древесины зависит от длины пиломатериалов и коэффициента проницаемости древесины вдоль волокон. Для примера, березовые заготовки длиной 30-50 см были качественно высушены за 15 минут.

1.3 Выводы.

Исходя из анализа состояния проблем, направлений повышения эффективности использования древесного сырья и соблюдения закона об охране природы, были поставлены следующие задачи исследований.

1. Исследовать параметры капиллярно-пористой структуры древесины,
определяющие движение влаги, и разработать теоретические основы: удаления
влаги при центробежной' сушке круглых лесоматериалов и хлыстов,
центробежно-конвективном и ротационном обезвоживании деревьев;
обезвоживания единичного капилляра и древесины, как системы капилляров, в
поле центробежных сил.

2. Разработать методику исследований основных факторов, определяющих
указанные процессы, и экспериментально в лабораторных и в производственных^
условиях проверить полученные аналитические зависимости.

3. Выявить, теоретически* и» показать экспериментально возможности
внедряемых способов повышения и сохранения качества, найти новые,
отвечающие требованиям рационального»использования древесного сырья и
соблюдения закона об охране природы.

4. Установить технологические параметры и найти техническое решение,
позволяющие реализовать способ обезвоживания круглых лесоматериалов в
поле центробежных сил в промышленных условиях.

5. Разработать научно обоснованный комплекс организационных и
технических мероприятий по сохранению качества древесины и
сформулировать основные направления проведения исследований по
применению новых способов обезвоживания в других подотраслях лесной* и
деревообрабатывающей промышленности.

-ЗОЇЛ. Кинетика обезвоживания единичного капилляра. Уравнение движения жидкости в капилляре.

Если погрузить капиллярную трубку в смачивающую стенки

капилляра жидкость, последняя будет подниматься по капиллярной

трубке до тех пор, пока капиллярное давление не будет

уравновешено гидростатическим. Подъем жидкости обуславливается

тем, что в капиллярной трубке поверхность жидкости вогнута.

Внутреннее молекулярное давление жидкости для вогнутой

поверхности меньше, чем для плоской, на величину капиллярного

давления: Р^-Р -Р

о пл вог

Из условия равновесия P=hg\p -р ) учитывая значение Р

2а (

согласно выражению р_а - — = <т

Где р_а - величина избыточного давления;

1 \(\ \^л

—+—

\^R\ ^R2j

средняя кривизна поверхности;

R 2

R_UR₂ - радиусы кривизны.

определяют высоту подъема жидкости

, . 2<х 2crcos# ,~ т л
^h= _п \ = (^2л)

2<х Rgip -р )

где а - поверхностное натяжение, Н/м; R - радиус кривизны мениска, м; g - ускорение силы тяжести, м/сек ; р_ж - плотность жидкости, кг/м³;

г - радиус капилляра, м;

р„ - плотность насыщенного пара, кг/м^:

Ввиду малости р„ по сравнению с р_ж ею пренебрегают. Радиус капилляра ( г ) равен: r^Rcosd.

В случае полного смачивания в = 0, cos 9 = 1,0, т.е. радиус капилляра равен радиусу мениска.

Движение смачивающейся жидкости в одиночном сквозном цилиндрическом капилляре под действием сил поверхностного натяжения при ламинарном режиме определяется [25] уравнением

d²l Ifdl']² Sijdl . 26cos6 _{Л /0 0}.

+7T +-^ +gsm - = 0 (2.2)

^dt 'W _r²pdt г_Рж1

Пренебрегая в уравнении (2.2) двумя первыми членами ввиду их малости, получают: для горизонтального капилляра {q>= 0).

dl IScosdr

(2.3)

dt Щ для вертикального капилляра (tp = 90)

dt 8irf\ г ^ною^ъ ) ^v >

где 7 - длина капилляра, м; t- время движения, с; (р - угол наклона капилляра, рад;

ц - коэффициент вязкости, Нс/м . ( Па.с) Уравнения движения влаги в капиллярно-пористых телах, полученные на основе уравнений (2.3) и (2.4), не учитывают влияние защемленного воздуха и могут быть применимы для- капиллярно-пористых структур, имеющих сплошное заполнение жидкостью. Рассмотренные ранее коэффициенты насыщения поровой структуры древесины показывают, что заполнение пор далеко от максимального значения, так как в поровой структуре находится воздух. Тиллы- в сосудах и трахеидах, старческие сдвиги торуса, замкнутые включения защемленного воздуха - все это говорит о том, что для решения

вопроса кинетики движения жидкости по древесине при неполном насыщении пор в основу необходимо брать уравнение движения жидкости в тупиковом капилляре.

Скорость движения жидкости в тупиковом капилляре с учетом растворения и диффузии защемленного в нем газа [13,14] описывается уравнением Б.В.Дерягина и М.А.Альтшуллера.

dl dkDRT _п _.

dt 4ЇШ '

где а= ——- , (2.6)

rp + 2<>cos0

к - постоянная Генри, моль/см.Н;

R - универсальная газовая постоянная, Н.см/моль.град;

Т - температура защемленного газа, С;

D - коэффициент диффузии воздуха, см²/с;

р_а - атмосферное давление, Н/см².

Опытным путем установлено, что замена труднорастворимого газа в пористом теле - воздуха на легкорастворимый - аммиак влечет увеличение скорости пропитки почти в 600 раз [14].

При защемлении легкорастворимых газов процесс растворения идет настолько быстро, что защемленный газ не успевает сжиматься, давление при этом не повышается и газ не препятствует проникновению жидкости в капилляр. В таких случаях тупиковые капилляры будут вести себя как сквозные. В случае защемления труднорастворимых газов наиболее медленной стадией будет являться стадия растворения и диффузии растворенного газа, которая и определит время окончательного заполнения капилляра.

Влияние воздушных включений на движение жидкости.

При движении жидкости по древесине, поровая структура которой имеет пузырьки воздуха, существенное значение имеет эффект Жамена [22] , который заключается в увеличении гидродинамического сопротивления среды.

Н.А.Оснач [22], рассматривая каплю жидкости в капилляре (рис.2.1), приходит к следующим выводам, что при увеличении давления в области L, капля остается неподвижной, а ограничивающие ее мениски деформируются.

р+щ} /р+и7) (р+т) -г**р) \

Рис.2.1. Эффект Жамена;

а - мениски капилляра;

б - четки Жамена;

в - изменение менисков;

г - распределение давления по цепочке пузырьков воздуха

Для движения капли необходимо, чтобы внешнее давление на

рассматриваемом участке было увеличено на некоторую величину

(рис.2.1г). Цепочка пузырьков может быть приведена в движение

только тогда, когда избыточная разность давления на концах

капилляра будет больше, чем 5Р. Предполагая, что каждый пузырек

вносит дополнительное сопротивление <#> =—, узкие капилляры при

большом количестве пузырьков слаборастворимого газа практически могут оказаться непроходимыми.

2.2. Капиллярно-пористые модели

Теоретические модели пористой среды. Под теоретической моделью капиллярно-пористой структуры понимают воображаемое тело, состоящее из системы гипотетических капилляров, эквивалентное в отношении тех или иных свойств — гидродинамических, капиллярных и др. — исследуемому пористому телу. Геометрия порового пространства древесины отличается исключительной сложностью и не поддается, непосредственному математическому описанию. Поэтому для решения вопросов теории движения жидкостей и газов в пористой среде создаются упрощенные модели структуры.

Простейшая капиллярная модель пористого тела состоит из пучка прямых параллельных капиллярных трубок одинаковой длины, равной длине рассматриваемого тела в направлении потока фильтрующейся через него жидкости, и одинакового радиуса.

В этом случае количество жидкости, прошедшей через' все капилляры образца древесины, будет равно

nS*r*Apt

где Q - расход жидкости, м /сек; п — число капилляров на единицу площади образца; S — площадь поперечного сечения образца, м²; г—радиус капилляров, м;

Ар — разность давлений на концах капилляров, Н/м²; ц— динамическая вязкость жидкости, Н-с/м²; / — длина капилляров, м; /- время движения, сек. Из формулы (2.7) можно определить радиус капилляров

г = «р5Г (2.8)

VnSKApt

При описании ряда процессов, в том числе и движения жидкости через капиллярно-пористую среду с анизотропным строением, которой является древесина, недостаточно только среднего значения эффективного радиуса капилляра. В подобных случаях Парселл [32], Бурдайн [29]^! и Гендерсон [30] предложили рассматривать систему капилляров, радиусы которых образуют некоторую непрерывную^ (по Парселлу) или дискретную (по Бурдайну) статистическую совокупность, характеризующуюся функцией распределения q>(r). В этом случае ф(г) —доля общего числа капилляров образца, радиусы которых заключены между г и r+dr.

Введем другую функцию распределения F(r), в которой F(r)dr—доля объема порового пространства, приходящаяся^ на капилляры с радиусами, заключенными между г и r+dr. Объем пор с радиусами от г до r+dr, выраженный через функцию распределения ф(г) равен, mfS ip(r)drl^ а через F(r)—соответственно т FfrJdrloS. Приравнивая одно выражение другому, получим связь между q>(r) viF(r):

/^) = 2.^) (2.9)

где = — —гидродинамический коэффициент извилистости;

/о — длина образца;

/— длина пути движения жидкости (длина гипотетического капилляра);

т — коэффициент пористости,

т — пп г². Дальнейшим развитием капиллярной модели древесины является пучок капилляров, сечение которого изменяется) либо по г длине по гармоническому закону [20], либо в соответствии с функцией распределения F(r) [28]'

«г*
-i =*F(r)dr.

* nr*dl

Проницаемость для этой модели определяется выражением

^г²и²

ШІ^г <М0)

Подинтегральное выражение, имея высокую степень при г, существенно зависит от функции F(r) при малых значениях г, при которых особенно известные экспериментальные методы определения; F(r) дают наибольшую ошибку. Таким образом, эту модель очень трудно экспериментально проверить.

Существует еще целый ряд моделей капиллярно-пористых тел: модель

Чайрдса, Коллис-Джорджа, сетчатая модель Фэтта, Николаевского [35]] в которых в качестве основной характеристики используется; функция распределения объема пор по их радиусам.

Ряд авторов [16] предлагает моделировать пористую среду совокупностью плотно упакованных шаров одинакового диаметра- Отличаются эти предложения авторов только способом перехода к капиллярной модели.

Древесина по структуре отличается исключительной сложностью, анизотропностью и-по?сравнению с неорганическими пористыми системами—-более высокой структурной организацией;

Так как ни одна; модель, не может учесть всех свойств; реальной >среды, то иногда; к; одному и? тому же пористому телу применяют различные моделит в зависимости от решаемой задачи.

При математическом! описании структуры; древесины большинство авторов использует модель пучка круговых капилляров одинакового радиуса и отмечает хорошую сходимость теоретических и экспериментальных результатов;

Однако) некоторые технологические процессы, связанные с движением жидкости; через капиллярно-пористую структуру под давлением^ не; могут быть теоретически описаны при использовании; модели пучка круговых капилляров одинакового радиуса; (например; движение жидкости* под действием центробежных сил). В таких случаях в? качестве модели следует принимать, пучок параллельных цилиндрических капилляров различных радиусов; распределенных в соответствии с функцией F(r).

2.3. Составление уравнения обезвоживания древесины. Уравнение обезвоживания капилляра.

Поместим заполненный жидкостью капилляр в центробежное поле (рис.2.2) и рассмотрим действующие силы. Предварительно сделаем следующие допущения: столбик жидкости в капилляре сплошной (нет воздушных перемычек); течение жидкости ламинарное; освобождающийся объем со стороны оси вращения заполняется паровоздушной смесью; гравитационные и кариолисовые силы незначительны по сравнению с центробежными.

F = F₄+F„+F_C (2.11)

Исходя из оценки сделанных допущений, выделяют следующие силы, действующие на отсек жидкости: I. Центробежная сила

F₄ =]m(rydr=]p=*rWdr=p„iir²a²---,

где со- угловая скорость вращения капилляра, 1/с; Г -длина столбика жидкости в капилляре, м; R - радиус вращения, м; р_ж- плотность жидкости, кг/м ; г - радиус капилляра, м.

(2.12)

А' Ь".{

-Ев

~Ж.

—л&-

-1-ї* КА

гс .F*aj4

со>о)_кр; в

Рис.2.2. Этапы удаления жидкости из капилляра: а - оз«о_кр; б -1>2б

2. Сила поверхностного натяжения

F_H=-2a.2nrcos0 (2.13)

где о — сила поверхностного натяжения, Н/м; в — краевой угол смачивания.

3. Сила сопротивления движению (сила внутреннего трения) при
длине выделенного отрезка ( R-1)

F =-8^(i?-/)^ (2.14)

;/ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Н-с/м (Па. с).

Соотношение между гравитационными и центробежными силами

составляет:

F„_ 2nr²{R-l)_Pxg _ 2g

F₄ дгЪ²(Л^г-/^аК~*²(Я-/) ^

Согласно исследованиям Н.В.Зарубаева [36] движение жидкости в капиллярной трубке можно рассматривать как движение с перемен ной массой. Уравнение динамики с переменной массой может быть представлено в виде

„ d(mv) dv dm ,~ . ,.

F = —-—^L-m— + v— (2.15)

dt dt dt ^{K J}

где m- масса отсека жидкости в капилляре;

F - сумма сил, действующих на отсек жидкости в капилляре;

v - скорость движения жидкости вдоль оси. Масса жидкости в цилиндрическом капилляре (см.рис.2.2). (при 1>г , где /- расстояние от оси вращения до мениска жидкости) равна

т = р_жг²п{К-1) (2.16)

Учитывая скорость изменения массы (т)

dm о dl

~-р г'п —

dt dt

и скорость движения жидкости (v)

_v_d{R~l)^ dl
dt dt'

подставим значения m , v в уравнение (2.15)

(2.17)

dt) ^Jdt²

Так как F = F₄ + F_H + F_C, то будем иметь

^{V J}dt² [dt) p_xr^2K 'dt 2 p_xr

Что касается области применимости выражения (2.18), то надо отметить экспоненциальный характер скорости движения столбика жидкости в капиллярах. Можно предположить, что при любых оборотах центрифуги существует отрезок времени, при котором скорость перемещения жидкости мала и режим потока жидкости имеет явно ламинарный характер. Такой же режим может существовать и весь период вывода влаги, в случае малых угловых скоростей вращения (ускорение на торце капилляра менее 30-^-50 g) или больших сопротивлений выходу влаги.

Одной из причин больших сопротивлений, вероятно, может
служить возникновение подсоса воздуха через сечение выхода влаги,
уменьшающее эффективное сечение капилляра.
> Анализ уравнения обезвоживания капилляра.

Проанализируем условие движения жидкости в капилляре под действием центробежных сил при различных значениях угловой скорости вращения.

1. Угловая скорость вращения капилляра со < со_кр- Столбик жидкости неподвижен, /= 0. Равнодействующая всех сил равна нулю (см.рис.2.2-а) F₄+F_H-F_X=Q или

, o(R-5f-l² ,

р_жтгг^га>~ + 2(тгсо5в-л:г¹/_ж =0

-41 -где лr^f - сила, обуславливающая нормальное напряжение в

столбике

жидкости;

д ~ г - расстояние от оси мениска столбика жидкости до плоскости,

проходящей через торец капилляра;

/_ж- величина нормального напряжения в сечении капиллярного

столбика

жидкости в плоскости, проходящей через ось вращения капилляра и

перпендикулярной к оси капилляра. В данном случае 1=0 Разделив члены уравнения на рте г², получим

а>^г

(R-5)²-l² ^lacose f_x __{0 (2 19)}

2 Р_хг Р_ж

2. Угловая скорость вращения капилляра со > а)_кр. Столбик жидкости в капилляре разрывается в плоскости, проходящей через ось вращения капилляра, и начинает двигаться под действием внешних сил. На рассматриваемом этапе знак кривизны мениска жидкости (см.рис.2.2-<5) на конце капилляра меняется на обратный и мениск становится выпуклым. В этом случае 0<1<2д. Допустим, что изменение силы поверхностного натяжения при изменении знака мениска происходит по гармоническому закону

F =<УЛГСО$в 1-3COS7T —

" V 25

Из уравнений (2.15) и (2.17) следует, что так как масса жидкости еще не изменилась (jn = соті)то

-42-Тогда уравнение динамики столбика жидкости в указанном выше диапазоне изменения / можно записать в виде F'=F₄ ~2F_K -F_e или

d²l R² —I² С l Л dl

Р_жяг²(іІ-І)—- + р_жяг²Ф² стяг² cos0x 1-3costt—-8^77(^-/)- = 0

v j _dt2 г_{ж 2} ^ 25) ^K ' dt

Удаление влаги в силовых полях

Основные причины возникновения внутреннего нагрева в диэлектриках, помещенных в переменное электрическое поле.

Дипольнаяі поляризация. Молекулы диэлектрика размещаются в электрическом поле хаотично и имеют равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды (диполи). При помещении диэлектрика в электрическое поле переменного тока,на полярные молекулы воздействуют силы, стремящиеся перемещать молекулы в» соответствии, с изменением направления поля. В результате трения молекул при их перемещении выделяется тепло.

Чем больше напряжение поля, тем больше угол поворота молекул; чем больше частота.тока, тем чаще меняется направление поля, тем чаще молекулы меняют свое положение и тем интенсивнее нагревается диэлектрик. Структурная поляризация. Она характеризуется смещением диполей и -ионов в ограниченном пространстве с возникновением при этом ударов молекул друг о друга, сопровождающихся выделением тепла. Чем плотнее строение вещества диэлектрика, тем меньше структурные потери.

Электропроводность, обусловленная передвижением ионов (ионным током). Помимо перечисленных явлений, ВІ диэлектриках, помещенных в переменное электрическое поле, возникает ряд других явлений, вызывающих выделение тепла: -электронная поляризация (деформация электронных орбит); низкочастотная поляризация (передвижение ионов внутри, диэлектрика с образованием объемных зарядов);ионная поляризация» (упругая деформация ионов).

Электрическая характеристика диэлектрика (древесины) определяется диэлектрической проницаемостью материала є и тангенсом угла потерь tg. Величины є и , tg зависят от строения древесины, ее влажности, а также от частоты, направления тока и других факторов. Произведение диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь , e"=8 tg8 называется коэффициентом диэлектрических потерь и характеризует свойства материала при высокочастотном нагреве.

Грамотное управление выделяемойтеплотой в процессе нагрева и сушки древесины составляет основу технологического процесса. Выделяемая теплота расходуется на нагрев сырой древесины до температуры кипения воды в древесине и на испарение влаги. Так как влага внутри древесины находится в замкнутом пространстве, с началом кипения воды внутри древесины начинается повышение избыточного давления. С повышением избыточного давления в древесине соответственно повышается температура кипения воды. При СВЧ сушки древесины именно избыточное давление является двигателем влаги к поверхности древесины. Опасными для древесины параметрами являются избыточное давление и температура. Если избыточное давление превышает предел прочности древесины при растяжении древесины поперек волокон, то в древесине образуются трещины. Воздействие более высоких температур на древесину начинает сказываться, если продолжительность обработки превышает определенную величину. Древесина имеет анизотропное строение и проницаемость древесины газами (жидкостью) вдоль и поперек волокон сильно отличается. Для примера у древесины березы коэффициент проницаемости вдоль волокон в 16 000 раз больше чем. поперек волокон. Поэтому при СВЧ сушке пиломатериалов под, избыточным давлением основная масса влаги двигается к торцам пиломатериала. При этом влага удаляется не только в виде пара но и в жидкой фазе, что уменьшает затраты энергии на сушку. Избыточное давление в пиломатериале зависит от выделяемого в древесине тепла, расстояния до поверхностей, фазового состава влаги движущегося по порам древесины, вязкости влаги при данной температуре.

Модель капиллярно-пористой структуры древесины

Теоретические модели пористой среды. Под теоретической моделью капиллярно-пористой структуры понимают воображаемое тело, состоящее из системы гипотетических капилляров, эквивалентное в отношении тех или иных свойств — гидродинамических, капиллярных и др. — исследуемому пористому телу. Геометрия порового пространства древесины отличается исключительной сложностью и не поддается, непосредственному математическому описанию. Поэтому для решения вопросов теории движения жидкостей и газов в пористой среде создаются упрощенные модели структуры.

Простейшая капиллярная модель пористого тела состоит из пучка прямых параллельных капиллярных трубок одинаковой длины, равной длине рассматриваемого тела в направлении потока фильтрующейся через него жидкости, и одинакового радиуса.

При описании ряда процессов, в том числе и движения жидкости через капиллярно-пористую среду с анизотропным строением, которой является древесина, недостаточно только среднего значения эффективного радиуса капилляра. В подобных случаях Парселл [32], Бурдайн [29]! и Гендерсон [30] предложили рассматривать систему капилляров, радиусы которых образуют некоторую непрерывную (по Парселлу) или дискретную (по Бурдайну) статистическую совокупность, характеризующуюся функцией распределения q (r). В этом случае ф(г) —доля общего числа капилляров образца, радиусы которых заключены между г и r+dr.

Введем другую функцию распределения F(r), в которой F(r)dr—доля объема порового пространства, приходящаяся на капилляры с радиусами, заключенными между г и r+dr. Объем пор с радиусами от г до r+dr, выраженный через функцию распределения ф(г) равен, mfS ip(r)drl а через F(r)—соответственно т FfrJdrloS.

При математическом! описании структуры; древесины большинство авторов использует модель пучка круговых капилляров одинакового радиуса и отмечает хорошую сходимость теоретических и экспериментальных результатов;

Однако) некоторые технологические процессы, связанные с движением жидкости; через капиллярно-пористую структуру под давлением не; могут быть теоретически описаны при использовании; модели пучка круговых капилляров одинакового радиуса; (например; движение жидкости под действием центробежных сил). В таких случаях в? качестве модели следует принимать, пучок параллельных цилиндрических капилляров различных радиусов; распределенных в соответствии с функцией F(r).

Поместим заполненный жидкостью капилляр в центробежное поле (рис.2.2) и рассмотрим действующие силы.

Что касается области применимости выражения (2.18), то надо отметить экспоненциальный характер скорости движения столбика жидкости в капиллярах. Можно предположить, что при любых оборотах центрифуги существует отрезок времени, при котором скорость перемещения жидкости мала и режим потока жидкости имеет явно ламинарный характер. Такой же режим может существовать и весь период вывода влаги, в случае малых угловых скоростей вращения (ускорение на торце капилляра менее 30- -50 g) или больших сопротивлений выходу влаги.

Описание экспериментальной установки и оснащение приборно- измерительной аппаратурой

Лабораторные установки. Для проведения экспериментов- по центробежному обезвоживанию круглых лесоматериалов были разработаны шизготовлены, установка ОКЛ-1, ОКЛ-2 и ОКЛ-3. Центрифуги ОКЛ-1 и ОКЛ-3 предназначены для обезвоживания образцов древесины в вертикальном, а» ОКЛ-2 - в горизонтальном центробежном» поле. Конструктивно установки ОКЛ-1 и ОКЛ-3 почти не отличаются, а по назначению служат для обезвоживания образцов соответственно длиной О,5-1,0миО,5-2м/ ОКЛ-3 состоит из следующих основных узлов (рис.3.1): рамы сварной конструкции, которая анкерными болтами» крепится к бетонному фундаменту; вала со шкивом для клиноременной передачи и ступицей узла крепления бревна; электродвигателя постоянного тока мощностью 16,0 кВт; ограждающего, кожуха каркасной конструкции диаметром 2,2 м. Электрическая схема включения двигателя центрифуги позволяла производить плавное регулирование числа оборотов в пределах от 0 до 250 рад/с. Центрифуга ОКЛ-2 предназначена для проведения экспериментального обезвоживания бревен- длиной до 6 м« (рис.3.2;3.3). Установка состоит из рамы сварной конструкции, электродвигателя постоянного тока, цепной» передачи, узла крепления бревна, системы пуска и управления, защитного двухстеночного кожуха с заполнителем, электротали для загрузки бревен в установку.

Теоретические модели капиллярно-пористой структуры. Геометрия порового пространства древесины отличается исключительной сложностью, поэтому для математического описания движения жидкости и газов в пористой среде используют упрощенные структурные модели. Под теоретической моделью капиллярно-пористой структуры понимают тело, состоящее из системы гипотетических капилляров, эквивалентное в отношении исследуемых свойств, например, гидродинамических, капиллярных, исследуемому пористому телу. Простейшая теоретическая модель - модель пористого тела состоит из пучка прямых параллельных капиллярных трубок одинакового радиуса и одинаковой длины, равной длине рассматриваемого тела в направлении потока фильтрующейся через него жидкости.

Существует еще несколько моделей капиллярно-пористых тел [21], в которых используется функция распределения объема пор по их радиусам. При математическом описании движения, жидкости через пористую среду на основе гидравлического радиуса рассматривается движение через пучок капилляров, но в отличие от капиллярных моделей в конечном виде устанавливается зависимость от макропараметров, характеризующих среду в целом.

Наиболее простая теория была разработана Козени [16] для условий движения жидкости через капилляры, произвольного поперечного сечения. В качестве меры гидравлического радиуса Козени взято отношение коэффициента пористости8 к удельной поверхности среды.

Для описания- движения жидкости через пористую среду разработана модель, представляющая собой совокупность плотно уложенных шаров [16,18,28]. В этом случае сечение порового пространства имеет форму криволинейных треугольников, а элементы порового канала определяются диаметром шаров. Экспериментальная проверка показала, что такие модели дают хорошие результаты для описания процесса движения жидкости через сыпучие среды.

Древесина по- структуре отличается, большой сложностью, анизатропностью и по сравнению с неорганическими пористыми системами1 более высокой структурной организацией.

Когда, ни одна модель не- может учесть всех свойств реальной среды, то иногда к одному и тому же пористому телу применяют различные, модели в зависимости от решаемой задачи.

Анализ показывает, что применение модели капиллярно -66-пористого тела в виде пучка круговых капилляров одинакового радиуса для математического описания процесса движения жидкости в древесине под давлением может вызвать большую погрешность. В этом случае более надежно в качестве модели принимать пучок параллельных капилляров различных радиусов, характеризующихся функцией распределения F(r) (рис.3.6).

Понятие о гипотетическом капилляре. Пористость характеризует только максимальное количество жидкости, которое при соответствующих условиях может в себе содержать древесина. Для физического и математического описания процесса движения жидкости через пористые структуры сложную поровую структуру заменяют моделью, состоящей из системы гипотетических капилляров, равной по пористости естественному материалу и эквивалентной в отношении рассматриваемых свойств (гидродинамических, электрических и др.).

Результаты исследований поровой структуры древесины

Главной задачей повышения эффективности лесозаготовительного производства, является более полное освоение отводимого в рубку лесосечного фонда за счет вовлечения в комплексную переработку лиственной, лиственничной и низкокачественной древесины, а также доставка древесного сырья потребителям с минимальными трудозатратами, без количественных и качественных потерь.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены приведенные ниже результаты, из которых сделаны выводы и рекомендации. 1. Используя теорию движения жидкости по капилляру и установленные в диссертации параметры капиллярно-пористой структуры древесины, определяющие движение свободной влаги, разработаны теоретические основы обезвоживания единичного капилляра и древесины, как системы капилляров в поле центробежных сил. 2. Установлена закономерность интенсивности процессов изменения плотности древесины при центробежном обезвоживании: которая гласит, что интенсивность процессов прямо пропорциональна потенциалу капиллярной влагоемкости и обратно пропорциональна времени течения процесса. 3. Основными параметрами капиллярно-пористой структуры древесины являются: количество и размеры водопроводящих элементов, плотность в абсолютно-сухом состоянии, объемная и поверхностная пористость, процент поздней древесины. Каждая древесная порода, несмотря на значительные колебания, характеризуется вполне определенными средними значениями этих параметров, которые отражают особенности макро- и микростроения. 4. При повышении дефицита влажности окружающего воздуха влажность древесины уменьшается в результате увеличения интенсивности транспирационного удаления влаги из ствола. Каждому фенологическому сезону с характерным для него состоянием водного баланса деревьев, наступающему при определенной температуре воздуха, соответствует определенное значение плотности. Годовой минимум плотности древесины растущих деревьев наступает в летний период, годовой максимум у хвойных пород - в зимний, а у лиственных пород - в весенний период (апрель-май). 5. Колебания плотности древесины отдельных бревен или частей ствола растущих деревьев подчиняются законам нормального распределения. Размах колебания в зависимости от породы и периода заготовки составляет: березы - 150-220 кг/м ; осины - 210-320 кг/м и сосны - 300 кг/м ; ели - 350 кг/м . 6. При удалении влаги из древесины коэффициент капиллярной влагопроводности зависит от коэффициента диффузии водяного пара, величины парциального давления, относительной влажности и температуры окружающего воздуха, соотношения объема продольных и поперечных капилляров и их размеров, характеризующих породу. 7. Наиболее эффективным способом повышения потребительских свойств является обезвоживание древесины в поле центробежных сил. Коэффициент интенсивности центробежного обезвоживания древесины прямо пропорционален квадрату, угловой скорости, квадрату эквивалентного радиуса капилляра, плотности жидкости и обратно пропорционален вязкости жидкости. Предельная плотность в конце обезвоживания зависит от силы поверхностного натяжения, меры смачиваемости, плотности жидкости, угловой скорости и радиуса вращения, минимального радиуса обезвоживаемого капилляра. Показатели эффективности процесса: - конвективной- 1,6-3,0 кВт.ч; - кондуктивный - 1,25-1,45кВт.ч; - центробежный- 0,015 кВт.ч 8. Распределение влаги по длине и диаметру обезвоженного бревна характеризуется наличием влажных зон в приторцевых частях за счет оставшихся столбиков жидкости в капиллярах и относительно малым содержанием и ровным распределением влаги в центральной части бревна, распределение влаги по диаметру бревна имеет синусоидальный характер - пониженную влажность в поверхностных слоях (в зоне крупных капилляров) и повышенную влажность в центральной части сечения, особенно в концевых сечениях бревна. 9. Критерием достижения конечной плотности при центробежном обезвоживании бревен различной длины является фактор обезвоживания, который равен удвоенной линейной скорости движения торца бревна F0-2a R = coL. Величина фактора обезвоживания зависит от породы, начальной плотности древесины и конечной плотности, которую необходимо получить после обезвоясивания, длины. 10. Для достижения конечной плотности, при которой уже не происходит столь существенного обезвоживания, фактор обезвоживания (при температуре жидкости в древесине 10-30С) для хвойных - 230-250 м/с. При этом время вращения составляет для хвойных - 900-1200 с. Вращение в этих режимах обеспечивает снижение плотности для лиственной древесины 15-20% и для хвойной - 35-40. При этом достигается влажность в конце обезвоживания круглых лесоматериалов 50-60% и пиломатериалов -35-40%. 11. Производственная и лабораторная проверка показала, что полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований обладают достоверностью, вычисленные значения по установленным зависимостям к полученным в производственных или лабораторных условиях отличаются не более, чем на ±3%. 12. Ожидаемый экономических эффект от внедрения научно-обоснованного комплекса организационно-технических мероприятий обезвоживание древесины в поле центробежных сил, составит более 162 млн. руб. 13. Основными направлениями расширения областей применения найденного технического решения самобалансирующейся центрифуги и проведенных исследований в других подотраслях лесной и деревообрабатывающей промышленности являются: разработка новых технологических процессов и создание оборудования для механического и физико-механического обезвоживания древесины до транспортной влажности; разработка технологических процессов и средств комплексной механизации обработки древесины в поле центробежных сил с целью повышения технологических и потребительских свойств лиственной и низкокачественной древесины, а также получение новых видов материала.

Похожие диссертации на Центробежное обезвоживание и сушка бревен в целях сохранения качества при хранении

Повышение качества сушки пиломатериалов на основе учета анизотропии древесины при составлении схем раскроя бревенГлухих, Владимир Николаевич

Сохранение качества биодизельного топлива за счет совершенствования технологии его храненияЛевин, Максим Юрьевич

Исследование влияния пищевых покрытий на сохранение качества и сокращение потерь массы охлажденных тушек птицы при храненииДибирасулаев Дибирасулав Магомедович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ СЕМЯН ВЫСОКОМАСЛИЧНОГО ПОДСОЛНЕЧНИКА В ПЛОТНОМ СЛОЕ С ЦЕЛЬЮ СОХРАНЕНИЯ КАЧЕСТВА СОДЕРЖАЩЕГОСЯ В НИХ МАСЛАКостенко, Юрий Васильевич

Влияние условий выращивания, способов переработки и хранения на качество различных сортов тыквы Попов Андрей Александрович

Влияние условий выращивания, режимов послеуборочной обработки и хранения на качество зерна ячменяЛинчак, Михаил Степанович

КАЧЕСТВО И ХРАНЕНИЕ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ В НДРЙАбдулла, Омер Баховар

Влияние низкотемпературного хранения на качество мясоовощных изделий азербайджанской кухни Мусаев Низами Хыдыр оглы

Влияние условий хранения на качество плодов яблони, выращенных в Саратовской областиСураева, Александра Васильевна

Микологические аспекты хранения и качества плодов яблониРожукалне, Вия Яновна