Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 16
Строение и основные свойства древесины как природного биокомпозита 16
1.1. Компонентный химический состав, плотность и пористость древесины 16
1.2. Техническая анатомия древесины 27
1.3. Связи влажностных свойств древесины с её строением 42
1.4. Тепловые свойства древесины 73
1.4. 1. Теплоемкость 74
1.4.2. Теплопроводность 75
1.4.3. Температуропроводность 79
Г.4.4. Тепловое расширение древесины 80
ГЛАВА2 84
Древесина и электромагнитное излучение 84
2.1. Электрофизические явления при воздействии электромагнитного поля 84
2.2. Поляризация древесины 85
2.3. Диэлектрические свойства сухой древесины и древесинного вещества 92
2.4. Влияние температуры на диэлектрические показатели сухой древесины 102
2.5. Диэлектрические показатели агента сушки и влаги древесины 105
2.6. Диэлектрические показатели влажной древесины ПО
ГЛАВА 3 138
Тепло- и массообмен в древесине 138
3.1. Закономерности изменения температуры и влажности.древесины 138
3.1.1. Энергия связей воды с древесиной 138
3.1.2. Потенциалы переноса тепла и влаги 141
3.1.3 Движение влаги в древесине при сушке 147
312: Процессы камерной сушки древесины 151
3.2.1. Малоинтенсивные процессы сушки древесины 151
3.2.2. Интенсивные (высокотемпературные) процессы сушки древесины . 154
3.3. Процессы комбинированной камерной сушки при использовании электромагнитного излучения СВЧ 157
3.4: Поля влажности при использовании электромагнитного излучения СВЧ 159
ГЛАВА 4 169
Расчет процессов поглощения энергиисвчвлажной древесиной 169
4.1. Характеристики радиочастотного электромагнитного поля 169
4.2. Диэлектрическое нагревание древесины 171
4.3. Расчет диэлектрических показателей древесины на промышленных частотах 915 и 2450 МЕц 174
4.4. Распространение микроволнового электромагнитного излучения, в древесинеи штабеле пиломатериалов 181
ГЛАВА 5 190
Сушка пиломатериалов и возможности ее интенсификации при использовании энергии СВЧ 190
5.1. Сушильные напряжения вщревесине 190
5.2. Стержневая модель напряжений при сушке древесины 193
5.3. Напряжения при трех - ступенчатых режимах сушки 196
5.4. Многоступенчатые режимы сушки 199
5.5. Напряжения при высокотемпературных процессах и влияние энергии СВЧ 202
5.6. Экспериментальные исследования физических свойств древесины, ответственных за развитие внутренних напряжений 205
5.7. Инженерный метод расчета внутренних напряжений при сушке... 211
5.8; Исследования, выполненные на экспериментальнойлабораторной
установке СВЧ 216
5.9 Влияние воздействия энергии СВЧ на.эксплуатационную прочность древесины: 224
5.10. Сушка пиломатериалов на установках СВЧ 228
ГЛАВА 6
Установки СВЧ для сушки пиломатериалов 241
6.1. Конструктивные особенности установок СВЧ 241
6.2 СВЧ установки периодического действия» 242
6. 3 Конструктивные решения для.облучения материалов микроволновой энергией 246
6.4 Экспериментальная лабораторная установка» 254
6.5. Конвейерная лабораторно - промышленная установка 256
6. 6. Промышленная комбинированная сушилка СВЧСна.базе камеры ЦНИИМОД-90: 261
6.7. Промышленная высокопроизводительная комбинированная сушилка СВЧпериодического действия 266
6.8 Особенности контроля Иі регулирования технологического процесса сушки на установках СВЧ периодического действия 276
6.8.1 Измерение температуры внутренних зон пиломатериалов при воздействии микроволновой энергии 276
6.8.2 Измерение температуры и влажности сушильного агента на комбинированной сушилке СВЧ периодического действия 278
Общие выводы 280
Литература
- Тепловые свойства древесины
- Влияние температуры на диэлектрические показатели сухой древесины
- Интенсивные (высокотемпературные) процессы сушки древесины
- Расчет диэлектрических показателей древесины на промышленных частотах 915 и 2450 МЕц
Введение к работе
Актуальность темы. Камерная сушка пиломатериалов является неотъемлемой частью большинства технологических процессов деревообработки. Это достаточно сложный, энергоёмкий и длительный процесс. Одним из основных показателей экономической эффективности режима сушки является интенсивность процесса, обеспечивающая необходимое качество пиломатериалов. Стремление к сокращению продолжительности сушки побуждает специалистов осваивать новые способы обезвоживания древесины.
Важную роль в развитии технологии сушки сыграло открытие Н.С. Селюгина возможности нагрева и обезвоживания древесины с помощью электромагнитных полей (ЭМП), создающих в материале токи высокой частоты (ТВЧ). Этот метод получил достаточно интенсивное развитие. Однако дефицит электрической энергии ограничивал его использование для сушки в чистом виде. Комбинация УВЧ–метода с другими видами обезвоживания позволила не только уменьшить себестоимость, но и дополнительно повысить эффективность процесса. Диэлектрический способ нагрева и сушки нашел определённые области применения: выпускаются вакуумные сушильные камеры, оборудование для склеивания древесины и шпона.
В последние годы в связи с развитием микроволновой (СВЧ) техники появилась возможность применения этого вида электромагнитных излучений для сушки древесины. Однако для решения проблемы необходимо было исследовать особенности поведения древесины при микроволновом воздействии.
Современные условия экономики стимулируют внедрение в промышленность высоких технологий, позволяющих удовлетворять изменчивые запросы потребителей изделий из древесины, которые должны быть изготовлены в минимальные сроки. Разработка древесиноведческих основ технологии микроволнового обезвоживания древесины даёт возможность создать эффективные режимы для высококачественной сушки трудно сохнущего лесоматериала не только отечественных, но и экзотических пород.
На основании результатов проведенных исследований должно быть создано специализированное оборудование для микроволновой сушки пиломатериалов.
Цель и задачи исследования. Попытки интенсифицировать процесс сопряжены с опасностью растрескивания материала или изменением формы и размеров при механической обработке высушенной древесины. Цель работы состояла в изучении воздействия электромагнитного поля СВЧ на анизотропную и неоднородную по составу древесину, разработке методов подвода СВЧ энергии к материалу, разработке технологии и макетных образцов промышленного сушильного оборудования. В соответствии с поставленной целью в работе должны быть решены следующие основные задачи:
-
Выявить особенности строения древесины, определяющие её поведение как объекта сушки в поле СВЧ.
-
Исследовать явления, определяющие напряженно – деформированное состояние древесины и вызывающие растрескивание материала, а также недопустимые остаточные сушильные напряжения.
-
Разработать режимы сушки на комбинированных установках СВЧ различного типа, обеспечивающие требуемое качество пиломатериалов.
-
Исследовать параметры изменения напряженности ЭМП в древесине и штабеле пиломатериалов и разработать критерии, обеспечивающие допустимое затухание электромагнитной энергии, не влияющее на качество сушки.
-
Разработать методы подвода микроволновой энергии к сортименту и штабелю пиломатериалов, учитывающие неоднородность строения и анизотропию древесины.
-
Разработать и изготовить макетные образцы комбинированных сушильных установок различного типа, пригодные для промышленного тиражирования, безопасные для человека и не оказывающие вредного воздействия на окружающую среду.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
1. Дано новое представление о механизме усушки древесины, учитывающее роль адсорбционной и микрокапиллярной воды.
2. Уточнено представление о пределе насыщения клеточных стенок древесины, отражающее влияние повышенной температуры.
3. Установлены зависимости между усушкой и влажностью, а также зависимости, позволяющие вычислять значения дифференциального коэффициента усушки, обеспечивающие необходимую точность инженерных расчетов.
4. Экспериментально установлено существенное влияние растягивающей нагрузки на коэффициент усушки древесины и разработан уточненный метод расчета сушильных напряжений.
5. Дано электрофизическое обоснование процесса обезвоживания древесины в единичном сортименте и штабеле пиломатериалов при воздействии микроволновой энергии.
6. Разработаны режимы сушки пиломатериалов на комбинированных СВЧ-конвективных установках.
7. Определены удельные энергетические затраты на сушку в зависимости от начальной влажности древесины и соотношения затрат конвективной и микроволновой энергии.
8. Разработаны и изготовлены макетные образцы комбинированных СВЧ- конвективных установок для промышленного тиражирования: конвейерная сушильная установка, камера периодического действия с односторонним импульсным облучением штабеля, камера периодического действия с импульсным облучением штабеля пиломатериалов из четырёх точек с боковых сторон.
Практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении в производство опытных образцов комбинированных СВЧ–конвективных, промышленных конвейерных и высокопроизводительных сушильных установок периодического действия. Результаты научных исследований, полученные в данной работе, могут использоваться в расчетах напряженно– деформированного состояния древесины при сушке, процессов тепло-массопереноса при воздействии микроволновой энергии, в учебном процессе вузов при подготовке специалистов по деревообработке. Технические решения и результаты, полученные в данной работе, позволяют развивать современные технологии и проектировать установки СВЧ для обработки различных материалов, характеризующихся анизотропией и неоднородностью диэлектрических характеристик.
На защиту выносятся:
1. Новая интерпретация понятия «предел насыщения клеточных стенок древесины», значение которого убывает при повышении температуры за счет перехода микрокапиллярной воды в свободную. Это позволяет более правильно исчислять коэффициент усушки, как величину, зависящую от температуры.
2. Уточнённый метод расчета напряжений, учитывающий не только замороженные упруго-эластические деформации, но и зависимость коэффициента усушки древесины от уровня нагрузки.
3. Обоснование специфики процессов тепло-массопереноса в древесине под воздействием электрического поля СВЧ. Обобщенные закономерности процессов диэлектрического нагрева влажной древесины. Порог повышения удельной мощности СВЧ, обеспечивающий сохранение целостности материала.
4. Способ комбинированной конвективной–СВЧ сушки пиломатериалов при импульсном облучении древесины микроволновой энергией. Экспериментальная универсальная комбинированная СВЧ- конвективная конвейерная установка как прототип промышленной сушильной установки. Промышленная комбинированная СВЧ–конвективная сушильная установка периодического действия высокой производительности.
5. Технология и режимы сушки пиломатериалов в комбинированных СВЧ-конвективных конвейерных установках и сушилках периодического действия.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждались на:
-Научно-технических конференциях МЛТИ-МГУЛ 1989, 1991-1993, 1997, 1999, 2003-2005, 2007-2010 гг.;
-XVII Научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности», Киев, 1989;
-всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития сушки древесины», Архангельск, 1990;
-XVIII Научно–технической конференции «Научно–технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности», Киев, 1991;
-Втором международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины», Москва, 1996;
-I-й Международной научно–практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов», СЭТТ – 2002, Москва, 2002;
-IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины – 2004», С-Петербург, 2004;
-II-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии, (сушка и термовлажностная обработка материалов), СЭТТ – 2005», Москва, 2005;
-Всероссийской конференции, посвященной 50–летию Сибирского отделения РАН «Дендрология и лесоведение», Красноярск, 2007;
-III-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ – 2008», Москва-Тамбов, 2008;
-Конференции международной академии наук о древесине IAWS-2009, Санкт-Петербург – Москва, 2009;
-VI Международном симпозиуме IUFRO-TUZVO «Строение и свойства древесины», Подбанске, Словения, 2010.
Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при проектировании, изготовлении и эксплуатации комбинированной СВЧ–конвективной опытно–промышленной конвейерной установки, а также комбинированных СВЧ-конвективных сушильных установок периодического действия.
Комбинированная СВЧ-конвективная сушильная установка периодического действия, предназначенная для сушки штабеля пиломатериалов объемом 10 м3, была изготовлена и внедрена на фирме «ЛАТХИ», г. Москва. В течение 7 лет сушильная установка находится в непрерывной эксплуатации.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли отражение в 12 научных отчетах, которые были выполнены в рамках Государственной научно-технической программы «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья», заданием Федерального агентства по образованию в соответствии с профилем головного совета «Науки о земле» и хоздоговоров между МГУЛ и ЦНИИМОДом.
Результаты работы используются в учебном процессе МГУЛ при подготовке специалистов по курсу дисциплины «ФИЗИКА ДРЕВЕСИНЫ».
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 37 печатных работах, в том числе одной монографии, статей в центральных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАКом – 7, патентов - 5.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений; содержит 331 стр. машинописного текста, включая 2 приложения, 26 таблиц, 110 рисунков и библиографии из 338 наименований.
Тепловые свойства древесины
Многообразие компонентного состава и пространственная структура строения позволяют рассматривать древесину с позиций природных композиционных материалов. Композиционный материал — это система разных материалов, каждый из составляющих которой обладает своими конкретными свойствами. Совместная композиция разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого и качественно и количественно отличаются от свойств каждого из - его составляющих. Как природный биологический композит, древесина имеет строение гораздо более сложное по сравнению с материалами, созданными человеком.
Строение древесины в зависимости от размеров исследуемых элементов принято рассматривать на трех уровнях: макро-, микро- и субмикроскопическом. Согласно современной материаловедческой классификации1 на первом уровне рассматривается мезоструктура, охватывающая объекты геометрическим размером от 10 до 500 мкм, достаточно хорошо видимые невооруженным глазом или с помощью увеличительной лупы. Второй уровень рассмотрения - микроструктуры представлен объектами размером от 100 нм до 10 мкм. На третьем уровне рассматривается наноструктура, к которой относятся объекты размером от 1 до 100 нм.
Основные макроскопические признаки древесины - ядро и заболонь, ранняя и поздняя древесина годичных слоев, сердцевинные лучи, сердцевинные повторения, сосуды, смоляные ходы и др. Микроструктура обнаруживается с помощью оптических световых и различных электронных микроскопов. Микроскопы позволяют рассматривать отдельные элементы наноструктуры размером до 0,1 нм.
Очевидно, что граница между макро- и микро- строением древесины весьма условна, но такое деление принято и поддерживается многими-авторами, исследовавшими строение древесины. Такого подхода придерживаются многие авторы: Н.Н. Чулицкий [225], В.Е. Москалева [99, 100], Л.М. Перелыгин [153], СР. Лоскутов [88], Е.С. Чавчавадзе [222] и др.
Наноуровень рассматривает строение слоев клеточных стенок, строение древесинного вещества и молекулярное строение его компонентов. Строение древесины рассмотрено в работах И.И. Бейнарт и др. [63], П.П. Эринып [237], V.A. Cote [255] и других зарубежных авторов [261, 278, 304, 307, 308, 337].
Характерные особенности композита проявляются в древесине на каждом из трех - мезо-, микро- и наноуровней. Древесина анизотропна, чередование ранней и поздней древесины годичных слоев образует слоистую структуру, полости клеток, и межклеточные пространства содержат пустоты, клеточные стенки имеют многослойное строение.
В1 растущей древесине принято выделять ткани, выполняющие проводящую, запасающую и механическую функции.
Проводящие ткани включают сосуды и трахеиды. Эти элементы приспособлены для проведения- растворов: Сосуды представляют собой трубки длиной около 2 см, а в отдельных случаях более 10 см. Диаметр сосудов от 0,02 до 0,5 мм зависит от места расположения и породы древесины.
Лиственные породы делятся на две группы: . кольцесосудистые и рассеяннососудистые. У кольцесосудистых пород в ранней зоне имеется кольцо крупных сосудов, диаметр которых значительно больше, чем диаметр сосудов поздней части годичного слоя.
Рассеяннососудистыми называются породы, у которых сосуды имеют примерно одинаковый диаметр в ранней и поздней древесине и равномерно распределены по годичному слою. Между типичными представителями кольцесосудистых и рассеяннососудистых пород существуют переходные формы с самым разнообразным распределением сосудов в ранней и поздней древесине.
В- сосудах присутствуют поры. Форма, величина и расположение пор могут изменяться на протяжении одного и того же сосуда.
Древесина хвойных пород состоит на 95 % из трахеид. Трахеиды - это волокновидные вертикально вытянутые мертвые клетки, сообщающиеся друг с другом посредством окаймленных пор. Концы трахеид заострены. В зависимости от принадлежности к тому или иному семейству хвойных пород длина трахеид колеблется от десятых долей миллиметра до 11 - 12 мм.
Различие в строении ранней и поздней частей годичного слоя хвойных пород сказывается на показателях физико - механических свойств. В связи с большей плотностью поздней древесины она обладает более высокими механическими показателями [21].
У лиственных пород прочность стволу дерева придают древесные волокна - либриформ. Длина древесных волокон 0,3 - Г,5 мм. Толщина стенок древесных волокон различна у разных пород, различно и их содержание в древесине. Поры, волокон очень редки и малы. У кольцесосудистых пород ранняя и поздняя древесина годичного слоя существенно отличаются. У рассеяннососудистых пород это различие выражено меньше.
К запасающим тканям древесины относится паренхима, составляющая основную массу сердцевинных лучей, и древесная паренхима, то есть паренхимные клетки, слегка вытянутые по длине ствола.
Интересующая нас срубленная древесина, как природный биокомпозит, состоит из клеток с отмершим протоплас і ом, точнее из одних клеточных оболочек. Эти оболочки, называемые клеточными стенками, образуют структуру, состоящую, в основном, из трех q ynn биополимеров: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.
Влияние температуры на диэлектрические показатели сухой древесины
Вышесказанное является схемой увлажнения вещества при сорбционных явлениях. В процессе сорбции, в первую очередь, увлажняются поверхностные слои и потом, за счет диффузии, более отдаленные. Динамика таких процессов сопровождается более влажной поверхностью по сравнению с удаленными зонами, или, более строго, градиентами влажности по толщине материала. Зависимости влажности древесины от степени насыщенности (влажности) воздуха, при постоянное температуре, называют изотермами, сорбции древесины. Изменяя температуру, получают семейство изотерм сорбции. Усредненные для разных пород изотермы сорбции, полученные Н.Н. Чулицким [225], приведены на рис. 1.8.
Аналогичные зависимости приведены И.В. Кречетовым в работе [70]. Рассматриваемые зависимости, в целом, носят нелинейный характер. При степени насыщенности воздуха ср до 10 % зависимость равновесной влажности, во всем рассматриваемом температурном диапазоне, имеет выпуклый вид. Рассматриваемый участок до равновесной влажности, равной 4-5 %, характеризуется максимальной энергией связей при образовании мономолекулярного адсорбционного слоя-. Сушка древесины на этом этапе требует дополнительных энергетических затрат на преодоление сил химико -физических сил взаимодействия, - энергии дегидратации. Если увлажнять, абсолютно сухую древесину, то повышенные затраты энергии на разрыв связей при сушке, проявляются в виде экзотермической реакции. По данным [104], количество выделяемой энергии составляет 65-85 Дж на 1 г абсолютно сухой древесины. Энергетические затраты на десорбцию, в рассматриваемом диапазоне, возрастают на 1300 - 1700 кДж/кг испаренной, влаги. Если принять, что сушка выполняется при температуре 80 С, в процентном- отношении энергии потребуется на 50 -70 % больше.
Дальнейшее увлажнение, характеризующееся образованием полимолекулярного слоя, также сопровождается выделением-теплоты. По мере-увеличения молекулярного слоя, происходит снижение количества выделяемой теплоты. Выделяемая при увлажнении теплота подтверждает наличие физико — химических связей при сорбировании воды в полимолекулярном слое. Вода, сорбируемая клеточным веществом, приобретает специфические свойства: часть ее не замерзает даже при низких температурах, она не текуча и обладает повышенной плотностью - 1100 кг/м [223, 315]. В диапазоне влажности ср=10 — 70 % изотермы имеют линейный характер, указывающий на присутствие, в основном, адсорбционной влаги, силы і взаимодействия которой с древесиной-превосходят взаимодействие сил капиллярно- конденсационной влаги. При дальнейшем увлажнении изотермы приобретают нелинейный выпуклый- вид, что свидетельствует о возрастании доли капиллярно - конденсационной влаги WKK при увеличении влажности воздуха. По данным Б.С. Чудинова [224], капиллярная конденсация при температуре 20 С начинается при влажности около 12 %. В работе [232] указано, что влияние капиллярной конденсации при сорбции- влаги древесиной относительно невелико. Количество WK.K при ф=100 % составляет около 6% по отношению к массе сухой древесины. Исследования, выполненные с использованием метода ЯМР [64], определили значение WKK близкое к 10 %.
Поскольку количественный1 компонентный состав древесных пород различен (таблица 1.1), следует ожидать вариации зависимости Wp=f((p) . Такого мнения придерживаются многие авторы, а некоторые из них пришли к выводу, что не только компонентный состав, но и его топохимические особенности, а также расположение в клеточной стенке оказывает влияние на сорбционные свойства древесины [303]. Наименее гигрофильна первичная оболочка и внутренний слой вторичной оболочки. Наиболее гигрофильны -средний слой вторичной оболочки.
Многие специалисты придерживаются мнения, что для практических целей вполне допустимо считать, что древесная порода не оказывает существенного влияния на равновесную влажность и формы связи влаги с древесиной [188, 211, 230]. Такой вывод следует и из опытов Н.Н. Чулицкого [225], выполненных на древесине различных пород,, хотя отсутствие сопоставления данных в широком диапазоне изменения влажности не позволяют получить количественную оценку. Нет однозначного ответа и в работах других ученых, занимавшихся и исследующих процессы сорбции и определяющих значения предела гигроскопичности [105, 316]. В связи с различной пористостью,, строением и размером пор, различные породы содержат неодинаковое количество капиллярно - конденсационной влаги, что сказывается на значении предела насыщения. Так, например, по данным из Интернета (см. www.oborud.les.ru), для достаточно близких по плотности пород: березы и ясеня пределы насыщения соответственно равны 32 и 24 %. Авторы работ [223, 224, 310] делают одинаковый вывод, что предел гигроскопичности Wn.r Для древесины различной породы и плотности отличается только за счет влаги микрокапиллярной конденсации. Аналогичный вывод следует из работ Г.С. Шубина [231, 235]. На рис. 1.9 представлены экспериментальные данные сорбции различных пород древесины [231].
В целом приведенные на рис. 1.9 данные не противоречат кривым сорбции, полученным другими авторами. Нелинейный участок начала изотермы, приблизительно ср=15 -20 %, отражает процесс связывания воды в мономолекулярном слое. Затем зависимость приобретает более линейный вид и до ф=60- 70 %, образуется полимолекулярный слойпри отсутствии влаги микро капиллярной конденсации. Подтверждением отсутствия капиллярной воды в рассматриваемом диапазоне ф является высокая кучность разброса по влажности между различными древесными породами, что свидетельствует о независимости равновесной влажности от плотности древесины. В диапазоне более высоких ф сказывается образование капиллярно конденсационной влаги, возникает искривление кривой сорбции и наблюдается разброс данных, но закономерности зависимости Wp=f(p) не прослеживается. Между тем из рассматриваемого графика видно, что при ф 70 % породы занимают определенные места и очередность между ними, при увеличении влажности, практически не изменяется. Разброс данных с сохранением очередности является свидетельством того, что количество микро капиллярной воды зависит от строения капиллярной системы древесины, т.е. от геометрических характеристик капиллярной структуры присущих конкретной древесной породе. Такой же вывод следует из исследований пустот в полостях и клеточной стенке методом ртутной парометрии [306].
Интенсивные (высокотемпературные) процессы сушки древесины
Следует отметить, что наблюдаемые значения влажности происходят при нормальной температуре древесины.
В зависимостях тангенциальной и радиальной усушки от влажности древесины наблюдается искривление графика, которое происходит как раз в указанном диапазоне влажности. На рисунке 1.17. приведены зависимости радиальной и тангенциальной усушки от влажности древесины сосньг [29].
При влажности менее 12 — 15 % рассматриваемые зависимости имеют линейный характер, свидетельствующий" об отсутствии влаги капиллярной конденсации. При увеличении влажности зависимость приобретает криволинейный характер в результате появления микрокапиллярной воды. Если экстраполировать линейный участок зависимости до пересечения с осью абсцисс, то отсекаемый отрезок характеризуется так называемой экстраполированной влажностью начала линейной усушки W3 [29]. Величина значений W3y составляет около 23 %, что указывает на количество адсорбционной воды.
Свидетельство влияния капиллярной влаги на нелинейный участок зависимости усушки от влажности заключается в снижении значений усушки на рассматриваемом участке при увеличении температуры в камере. На рисунке 1.18 приведены зависимости тангенциальной усушки микросреза древесины сосны, полученные при различной начальной температуре. Эксперименты выполнялись на микросрезах, изготовленных последовательным строганием одного образца древесины. В рабочей камере [29] устанавливались различные значения начальной температуры при ф=100 %. Затем влажность постепенно снижалась путем уменьшения температуры смоченного термометра на 1 С. Усушка измерялась после стабилизации ее значений, соответствующих данной температуре и влажности.
Как видно из приведенных зависимостей, при увеличении температуры протяженность нелинейного участка зависимости усушки от влажности сокращается, что свидетельствует о снижении количества микро капиллярной воды. Следует ожидать, что при температуре выше 100 С нелинейный участок зависимости усушки от влажности практически исчезнет. Экстраполяция линейного участка до пересечения с осью абсцисс происходит при влажности немного более 20 %, значение которой соответствует количеству адсорбционной воды. 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Аналогичные зависимости усушки от влажности при различной температуре, приведенные на рисунке 1.19, были получены на образцах древесины ясеня в тангенциальном направлении. Образцы сечением 4x18 мм и протяженностью рабочей части 30 мм (в тангенциальном направлении) были получены последовательными резами из одной заготовки. Они высушивались в камере с регулируемыми параметрами воздуха: температурой и влажностью. Описание установки приводится в главе 5. Начальная влажность образцов составляла около 100 %. Усушку измеряли при стабильных значениях температуры 60, 70 и 80 С. Эксперименты выполняли по следующей методике. В камере создавали насыщенное состояние воздуха и требуемую температуру. Потом влажность воздуха в камере снижали, чтобы показания смоченного термометра отличались на 2 С и выдерживали образец до тех пор, пока не стабилизируется его влажность. Затем ступенчато, через 1 С продолжали снижать показания смоченного термометра, каждый раз выдерживая образец до тех пор, пока показания влагомера не станут постоянными. В первой серии опытов, при возникновении усушки, эксперимент прекращали, выкалывали из образца центральную часть размером 10-12 мм и весовым методом уточняли влажность древесины. Другие эксперименты выполняли до тех пор, пока увеличивается усушка, при заданной температуре, а далее постепенно повышали температуру до 103 С, добиваясь полной усушки древесины. I
Из приведенных на рисунке 1.19 зависимостей следует, что с повышением температуры уменьшается влажность возникновения усушки. Это происходит в результате уменьшения воды микрокапиллярной конденсации, происходящее в результате увеличения температуры. Экстраполяция линейного участка до оси абсцисс приводимых зависимостей, как и на микросрезах, указывает на количество адсорбционной воды, близкое к 20 %. Следует отметить, что получаемое значение адсорбционной воды практически совпадает со значением предела насыщения древесинного вещества, получаемым из формулы (1.20), при значении плотности древесинного вещества, равном 1,53 г/см .
На рисунке 1.20 приведены зависимости усадки образцов сосновой доски размерами 60x170x300 мм в радиальном и тангенциальном направлении. В автоклаве с образцами досок создавалась температура 100-103 С при ф=100 %, затем влажность постепенно снижалась путем сообщения автоклава с атмосферой через трубку с внутренним диаметром 3 мм.
В процессе эксперимента периодически измерялись масса образцов и их размеры в тангенциальном и радиальном направлении. Усадка возникла при влажности менее 30 %, а начало линейной зависимости приходится на значение влажности 22 - 24 %. Следует отметить, что толщина образцов составляла 60 мм, продолжительность сушки составила 27 суток.
Расчет диэлектрических показателей древесины на промышленных частотах 915 и 2450 МЕц
Значение .степени п зависит от режима? конвекции. При ламинарном режиме (вынужденная конвекция); п=0;33; а турбулентном (вынужденная конвекция) п=0!,44;
Для камерной; сушки древесины, по экспериментальным данным Г.С. Шубина, число Нуссельта может быть вычислено из уравнения: :Nu=0,072Re s.
Проходя через штабель пиломатериалов, агент сушки перемещается в поперечном направлении между соседними рядами досок. При-применяемых в камерах, с принудительноит циркуляцией скоростях движения \ сушильного агента образуется; турбулентный режим? движения воздуха (Red3, ж № ) ш коэффициент конвективного: теплообмена рассчитывается; по следующей; критериальной; зависимости:
Интенсивные (высокотемпературные)«процессы сушки древесины Процессами высокотемпературной сушки занималисьч А.И-;. Фоломин[216, 217], F. Kollman [280; 281], экспериментальное и; аналитическое описание интенсивной сушки: было-выполнено ЮїА. Михайловым [94 и др.], подробно эти вопросы рассмотрены.Г.Є. Шубиным в следующих работах [229-232, 234 и ДР-] Также как, в низкотемпературных процессах, массоперенос в древесине происходит за счет тепловой энергии, подводимой извне. Температура агента сушки позволяет нагревать материал до состояния кипения свободной воды находящейся в: древесине. При этом количество энергии, поступающей в центральные зоны, зависит от свойств материала. Древесина обладает малым коэффициентом теплопроводности. Даже для древесины влажностью более 120 %, значение А, остается менее 0,4 Вт/(м С). Таким образом, древесина обладает весьма высоким термическим сопротивлением. Поэтому для подвода энергии требуется достаточно много времени. Процесс переноса массы при такой сушке описывается уравнением (3.39). Сушка интенсифицируется за счет молярного, или фильтрационного переноса дР паро-воздушнои смеси, определяемого членом уравнения а р —. В дх рассматриваемом случае перенос влаги определяется градиентом влагосодержания и градиентом избыточного давления.
Процесс такой сушки описывается системой уравнений для случая движения границы фазовых переходов. Реальные процессы могут быть рассмотрены как частные случаи, позволяющие обосновать упрощение решения аналитических уравнений. Решения для. одномерной задачи при коэффициентах, зависящих от потенциалов переноса, времени и координат рассмотрены Г.С. Шубиным в работах [231, 232, 234].
Процесс высокотемпературной сушки сырой древесины подобен оттаиванию замороженной древесины, когда граница фазового перехода перемещается от поверхности к центру доски. Температура поверхности не достигает температуры сушильного агента за счет охлаждения паром выкипающей воды. Значение температуры поверхности увеличивается при увеличении скорости сушильного агента (в результате увеличения коэффициента теплообмена а). Температура более удаленных зон древесины поддерживается на уровне кипения воды.
Влажность поверхности в процессе выкипания превышает равновесную влажность, значение которой определяется параметрами агента сушки. Увеличение влажности поверхности, по сравнению с равновесным значением, происходит в результате более насыщенной среды, образуемой в поверхностном слое за счет пара выкипающей воды.
По мере углубления зоны кипения растет термическое сопротивление древесины, в результате чего снижается тепловой поток энергии к зоне кипения. Другими словами, интенсивность кипения снижается по мере заглубления зоны кипения. Это сопровождается увеличением температуры поверхности и снижением ее влажности. После выкипания всей свободной воды температура поверхности становится равной температуре агента сушки, а влажность поверхности равной равновесной влажности. В1 дальнейшем, процесс переносапрактически-не отличаетсяотнизкотемпературного.
Следует отметить, что равновесная влажность агента сушки для интенсивных процессов составляет на первой ступени всего 6-9 %, что приблизительно в два раза меньше, по сравнению с аналогичным показателем низкотемпературной сушки. Это означает увеличение остаточных внутренних напряжений по сравнению с мало интенсивным процессом сушки. Также, следует отметить, что разница температуры между поверхностью и центральными зонами древесины приблизительно равна разности между температурой, агента сушки и температурой кипения. В результате того, что режимы сушки.допускают температуру агента до 130 С, в древесине создаются отрицательные градиенты температуры, значительно превышающие аналогичные показатели неинтенсивных процессов и препятствующие переносу массы, наружу. Чтобы уменьшить внутренние напряжения и сохранить интенсивность процесса, приходится увеличивать значение равновесной влажности и температуры в камере. Однако при воздействии высокой температуры снижаетсяшрочность древесины и темнеет ее цвет.
При обычной конвективной сушке перегретыми газами ограничиваются возможности интенсификации процесса. Возникают следующие противоречия. Высокая влажность агента в камере позволяет снизить внутренние напряжения, но при этом снижается внешний влагообмен, что увеличивает продолжительность процесса. Снижение влажности агента сокращает сроки сушки, но снижает качество в результате образования- значительных внутренних напряжений.
