CC BY
35
УДК 674.047
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ В ДРЕВЕСИНЕ ЛИСТВЕННИЦЕ ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ
Ш.Г. Зарипов
ФБГОУ ВПО «Сибирский Государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира,82; e-mail:
Основываясь на результатах экспериментальных исследований, в работе предлагается гипотеза о механизме переноса влаги в древесине лиственницы при конвективной сушке. Силой переноса влаги рассматривается парогазовая смесь, формируемая в результате физико-химических процессов в древесине при повышении температуры, а проводимость древесины зависит от агрегатного состояния экстрактивных веществ, находящихся в древесине.
Ключевые слова: водяной пар, конвективная сушка древесины, избыточное давление, сила переноса, проводимость
Ased on the experimental results, we propose a hypothesis about the mechanism of moisture transfer in wood during convective drying of larch. Strength of moisture transfer is considered gas-vapor mixture, formed as a result of physical and chemical processes in the wood when the temperature rises, and the conductivity of wood depends on the physical state of extractives, located in the wood.
Keywords: water vapor, convective drying of wood, overpressure, force transfer, the conductivity
ВВЕДЕНИЕ
Движение влаги в древесине в целом слагается из разного по механизму микроскопического переноса её в полостях и стенках клеток, который целесообразно изучать отдельно, как перенос свободной и связанной воды (Чудинов Б.С., 1984, Серговский П.С., Рассев А.И., 1987). Это связано с тем, что влага в древесине движется как в виде пара по свободным пространствам, так и в виде жидкости по капиллярной системе. Потенциалы их движения различны: водяной пар диффундирует под действием градиента его парциального давления; жидкая влага движется под действием градиента капиллярного давления (Серговский П.С., Рассев А.И., 1987). Для описания потока влаги в древесине при сушке используется закон Фика:
• D дС i = - D—, дх
(1)
где I - поток влаги вдоль оси х, диффундирующего в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению диффузии;
Б - коэффициент диффузии;
дС / дх - градиент влагосодержания.
Движущей силой влагопереноса в этом законе является градиент влагосодержания. В работах (Серговский П.С., Рассев А.И., 1987, Шубин Г.С., 1973) обосновывается такой подход и указывается на его универсальность, которая достигается вводом определённых поправок на градиент температур д/ / дх (термодиффузия) и градиент избыточного давления дР / дх , учитывающий молярный перенос. Окончательно первый закон Фика имеет вид
i = - D
дС
dt
— + S— V дх дх,
+ D,
дР
п
дх
(2)
где БМ - коэффициент молярного переноса.
На несостоятельность применения данного закона для описания процессов переноса влаги в древесине при конвективной сушке указывается в работе (Чудинов Б.С., 1984) - градиент влагосодержа-ния не является движущей силой влагопереноса при конвективной сушке древесины. Поэтому не отражает в полной мере общую закономерность движения.
Скорость переноса = Сила переноса х х Проводимость. (3)
Градиент избыточного давления является той универсальной величиной (Чудинов Б.С., 1984), которая является функцией концентрации, как влаги, так и температуры, поэтому дР / дх может быть использовано в качестве силы переноса.
Изучая кинетику сушки лиственничных пиломатериалов при конвективной сушке низкотемпературными режимами, автор настоящей статьи подтвердил выводы, сделанные Б. С. Чудиновым о том, что градиент влагосодержания не является движущей силой влагопереноса.
Сила переноса. В процессе экспериментальных исследований было установлено, что источником силы переноса выступает парогазовая смесь, которая формируется в древесине лиственницы при её нагреве. Температурный интервал исследований составлял 440С ... 840С, что соответствует низкотемпературным режимам сушки. В таблице 1 приведены данные по определению наличия примесей в конденсате, полученном путём осаждения парогазовой смеси, выделяющейся из древесины лиственницы при сушке.
Таблица 1 - Содержание в конденсате примесей
№ п/п Наименование Содержание примесей в конденсате, мг/дм3, при температуре древесины
460С 650С
1 Нитрит - ион 0,03 0,04
2 Ион аммония 9 9
3 Нитрат - ион 0 0,2
4 Взвешенные 0 13
5 ХПК 110 100
6 Фенолы 0,06 0,2
7 Формальдегиды 0,12 0,3
8 Железо 1,77 0,3
9 Водородный показатель рН 4,8 4,8
10 Хлориды 2 5
11 Сульфаты 10 10
Из вышесказанного следует, что повышение температуры древесины лиственницы формирует физико-химические процессы, реализация которых приводит к возникновению парогазовой смеси. При этом каждому температурному уровню соответствует определённая система процессов (таблица 1). Расширяясь, газовая смесь совершает работу, перераспределяя влагу вместе с экстрактивными веществами по толщине доски.
Проводимость. Результаты исследований, проведённых нами ранее, дали возможность утверждать, что проводимость влаги древесиной лиственницы в процессе сушки изменяется. На изменение влагопроводимости древесины лиственницы существенное влияние оказывают водорастворимые экстрактивные вещества, концентрируясь в определённых зонах доски.
На основе вышесказанного формулируется цель работы: установить и сформулировать основные положения механизма переноса влаги лиственничных пиломатериалов при конвективной сушке низкотемпературными режимами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Были проведены комплексные исследования, позволившие сформулировать основные положения по процессу обезвоживания лиственничных пиломатериалов при конвективной сушке низкотемпературными режимами.
ОБСУЖДЕНИЯ
Образуемая в древесине парогазовая смесь, расширяясь, совершает работу в виде перераспределения веществ, входящих в состав древесины, включая влагу. Идентификация газов, входящих в смесь даёт основание утверждать, что каждый компонент создаёт своё парциальное давление (рт). Тогда полное давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме парциальных давлений её компонентов (закон Дальтона) (Трофимова Т.И., 2001):
Р = X Р , (4)
лг см . ± т '
1 = 1
где к - количество компонентов, входящих в
состав газовой смеси.
Для каждого температурного уровня характерны свои физико-химические процессы, происходящие в древесине с определённой скоростью и формирующие как парциальные объёмы (У) элементов газовой смеси, так и в целом смеси (Усм.):
V = У V.. (5)
см . 1
1=1
Перераспределение влаги по толщине доски в процессе сушки осуществляется парогазовой смесью по системе пор древесины. Для вывода парогазовой смеси из древесины через систему пор совершается работа:
А = Р см. ■ (Усм.1 - ^м^ = Рсм. ‘А ^ ,
(6)
где ЛУТ - объём газовой смеси, полученный в результате физико-химических процессов при данной температуре.
Общий объём работы, которую совершает газовая смесь, установить на данный момент не представляется возможным. При сушке древесины важным является работа, совершаемая газовой смесью по выносу влаги. Для этого вводится такой параметр, как удельная скорость сушки (О)
- масса влаги, выносимой на поверхность доски газовой смесью через площадь в 1 м2 в 1 час (кг/(м2-час)) (рис. 2).
Наличие различного вида водорастворимых экстрактивных веществ, к которым относится арабиногалактан (АГ), образует с влагой поли-электролитный раствор (Медведева С.А. и др.,
2002). Поэтому процесс перераспределения влаги по толщине доски необходимо изучать в растворе различной концентрации. Для доказательства данного положения обратимся к результатам экспериментальных исследований.
Ранее нами было установлено (Зарипов Ш.Г., Ермолин В.Н., 2010), что в процессе сушки водорастворимые экстрактивные вещества (ВрЭВ) перераспределяются по сечению доски (табл. 2). Интенсивность перераспределения будет тем выше, чем выше температура древесины и её влажность. Этот вывод следует из графиков, представленных на рисунке 1 (Бабкин В.А. и др.,
2003).
Таблица 2 - Распределение водоэкстрактивных веществ по сечению лиственничных пиломатериалов
Содержание водоэкстрактивных веществ (% к массе абсолютно сухой древесины)
До сушки После сушки
Периферийная зона Центральная зона 14,05 26,4 Периферийная зона 21,5 Центральная зона 13,5
Аналогичная зависимость была получена автором статьи при изучении процессов извлечения влаги из древесины лиственницы в зависимости от температуры и влажности (О, кг/(м2-час)), (рис. 2). Максимальное извлечение влаги из древесины наблюдается при влажности древесины свыше 30 % и температуре 70 0С (влияние более высоких температур не изучалось).
Уравнения, аппроксимирующие зависимости величины О от температуры и влажности древесины, приведены в виде полиномов второй и третьей степени в таблице 2. Полученные уравнения указывают на сложную зависимость величины О от температуры и влажности древесины.
По нашему мнению, степенная зависимость формируется из-за изменения способности древесины проводить влагу в процессе сушки. Это связано с тем, что в процессе сушки происходит перераспределение клейких веществ (арабинога-лактан) в водном растворе по толщине доски, что приводит их концентрации в периферийной зоне доски. Влага выводится на поверхность доски и испаряется, а экстрактивные вещества осаждаются на стенках структурных элементов древесины: внутриклеточного пространства, пор. Осаждение клейких веществ на стенках внутриклеточного пространства какого-либо значимого влияния на влагопроводящую систему поверхностного слоя доски не оказывает, осаждение на стенках пор приводит к частичному или полному блокированию вывода влаги через этот канал.
Схематично трансформация условного диаметра пор экстрактивными веществами в зависимости от режима сушки дана на рисунке 3. Использование жёсткого режима сушки нарушает влажностный баланс в зоне влагопроводящей системы, что приводит к пересыщению экстрактивных веществ на стенках пор. Из раствора
испаряется влага в большем объёме, чем в него поступает из центра доски. Пересыщение экстрактивных веществ на стенках пор преобразует гель (рисунок 3, б) в ксерогель (рисунок 3, в), т.е. в твёрдое тело.
20
ЗС
40 50 60
Темкрнура цреаеоиы, ОС
Рисунок 1 - Средняя степень извлечения экстрактивных веществ от температуры при различной влажности щепы: 1 - влажность 60%; 2 - влажность 30%; 3 -влажность 15%; 4 - влажность 0,5% (Бабкин В.А и др., 2003)
Темкротура древеоны, ОС
Рисунок 2 - Зависимость удельной скорости сушки О древесины лиственницы от температуры при влажности W: 4 - свыше 30%; 1 - 30 ... 20%; 2 - 20 ... 10%; 3 -10 ... 5%
Таблица 3 - Уравнения аппроксимации экспериментальных кривых удельной скорости сушки
Фд, % Уравнение аппроксимации О Величина достоверности аппроксимации
>30 О = 5Е-07-13 - 0,0001-і2 + 0,0079-1 - 0,127 Я2 = 1
30 ... 20 О = 1Е-06-13 - 0,0002-12 + 0,0136-1 - 0,2703 Я2 = 1
20 ... 10 О= 1Е-06-13 - 0,0003-12 + 0,0187-1 - 0,4252 Я2 = 1
10 ... 5 О= -1Е-05-12 + 0,0017-1 - 0,0561 Я2 = 1
Клейкие частицу/ раствора
а
Проход влаги через канал б
Рисунок 3 - Трансформация условного диаметра пор: а - проходной; б - граничный; в - непроходной
Следует отметить, что наличие открытых пор (рисунок 3, а) предполагает вывод влаги на поверхность доски в таких количествах, когда речь может идти о выводе влаги из древесины в капельножидком состоянии (молярный перенос). В этот период в сушильной камере наблюдается значительный переизбыток влаги, которая конденсируется на стенках камеры, на поверхности доски, а также накапливается в значительном количестве на полу камеры. При этом глубина доски, с которой так интенсивно исходит влага, составляет не более 5 ... 7 мм.
Время интенсивного вывода влаги зависит от режима сушки. Применение мягкого режима позволяет продлить период интенсивного вывода влаги из древесины, сохраняя в проходном состоянии поры. Применение более жёсткого режима сушки сокращает время интенсивного вывода влаги путём перевода условного диаметра пор из проходного состояния (рис. 3, а) в граничное (рис. 3, б).
Стремление ускорить процесс вывода влаги из центральной зоны доски повышением температуры в сушильной камере при одновременном снижении степени насыщенности приводит к преобразованию геля, расположенного по стенкам пор, в ксерогель. Перекрытие канала ксерогелем является сдерживающим фактором вывода влаги из центральной зоны доски. При проходе через канал, перекрытым ксерогелем, влага конденсируется на внутренней стороне слоя и диффундирует в него, одновременно растворяя этот слой. На заключительной стадии прохождения влаги через слой ксерогеля происходит вынос влаги на поверхность (Рейтлингер С.А., 1974).
Сдерживающий эффект вывода влаги из древесины прослеживается на рисунке 4. Интенсивный вынос влаги с 19 часа сушки по 31 ч. (в = 0,054). В дальнейшем - в течение 12,5 ч. в = 0. Далее в течение получаса происходит своеобразный выброс влаги на 1 %. Таких циклов в период повышенного давления наблюдалось 4.
Из вышесказанного следует, что решающее значение в явлении блокирования влаги в центре доски принадлежит экстрактивным веществам, находящимся в водном растворе. Поэтому режимы в начальный период сушки необходимо выстраивать таким образом, чтобы экстрактивные вещества максимально длительное время оставались в местах их первоначального сосредоточения, что позволит не допускать пересыщения этих веществ в порах по-
верхностного слоя доски в период вывода основной массы влаги из центральной зоны доски.
> 36 38,5 41 43,5 46 48,5 51 53,5 56 58,5 61 63,5 66 68,5
Время сушки, час
Рисунок 4 - Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов в период подъёма избыточного давления: а -период рабочего давления; б - период повышения избыточного давления; 1 - изменение влажности; 2 -изменение избыточного давления (ризб); 3 - температура в центре образца (1обр, )
В лабораторных условиях были определены режимы сушки в начальный период сушки, при которых исключается процесс закупоривания свободной влаги в центральной зоне лиственничной доски: ?с1 = 44 0С ... 46 0С, Т1 = 35 ... 40 ч; следующая температурная ступень ?с2 = 48 0С ... 50 0С - т2 = 35 ... 40 ч. Степень насыщенности агента сушки поддерживается на уровне 90 ... 85 %. За указанный период сушки из центральной зоны доски выносится значительная часть свободной влаги, что позволяет частично разделить потоки влаги и экстрактивных веществ.
Необходимость разделения потоков в начальный период сушки основывается на том, что интенсивное перераспределение экстрактивных веществ при более высоких температурах происходит вместе с влагой, что создаёт критические концентрации быстрее, чем выводится основная масса влаги из центральной зоны доски.
Вышеприведённая гипотеза прошла промышленную апробацию в сушильных камерах, как периодического действия, так и непрерывного. Так, увеличение времени выдержки при загрузке в сушильную камеру непрерывного действия «Уа1ше1 -3» лиственничных пиломатериалов сечением 50 х 150 мм с 12 ч. (норматив) до 30 ч. при температуре 48 . 50 0С позволило:
- снизить объём высушенных пиломатериалов с влажностью выше нормативных значений (нулевая категория качества сушки) с 30 ... 50 % до 8 ...
в
10 %;
- высушивать пиломатериалы без локализации свободной влаги в центре доски;
- сократить время сушки, в среднем, на 10 %.
ВЫВОДЫ
1. Движущей силой перераспределения влаги в процессе конвективной сушки является парогазовая смесь, образующаяся в древесине в результате физико-химических процессов.
2. Перераспределение влаги в лиственничных пиломатериалах осуществляется в составе раствора с водорастворимыми экстрактивными веществами.
3. Одним из значимых факторов, определяющих влагопроводящую способность древесины лиственницы, является концентрация водорастворимых экстрактивных веществ в периферийной зоне доски и отложение их на стенках пор.
4. Применение сверхмягких режимов сушки (1с = 44 ... 460С, ф = 90 ... 85%, т = 30 ... 40 ч.) позволяет разделить потоки влаги и экстрактивных веществ, предотвращая блокирование свободной влаги в центре доски.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Чудинов, Б.С. Вода в древесине /Б.С.Чудинов. - Новосибирск: Наука, Сиб.отд-ние, 1984. - 267 с. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины: учеб. для вузов; /
П.С.Серговский, А.И.Расев.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Лесн.пром-сть, 1987. - 360 с.
Шубин, Г.С. Физические основы и расчёт процессов сушки древесины / Г.С.Шубин. - М.: Лесн.пром-сть, 1973. - 248 с.
Зарипов, Ш.Г. Перераспределение водорастворимых веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной сушки /Ш.Г.Зарипов, В.Н.Ермолин // Хвойные бореальной зоны. - 2010. - №3-4 - С. 352354.
Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа,
2001. - 542 с.
Медведева, С. А., Гельпроникающая хроматография арабиногалактана / С. А. Медведева, Г. П. Александрова, А.П. Танцырев // Изв. вузов. Лесной журнал. -
2002. - № 6 - С. 108-114.
Эффективный антиаксидант из древесины лиственницы / В.А. Бабкин [и др.] // Хвойные бореальной зоны. -
2003. - №1 - С. 108-113.
Рейтлингер, С. А. Проницаемость полимерных материалов / С. А.Рейтлингер. - М.: Химия, 1974. - 272 с.
Поступила в редакцию 3 мая 2012 г. Принята к печати 7 сентября 2012 г.
