CC BY
10
Науковий вкник НЛТУ Укра'ни. - 2015. - Вип. 25.5
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674.047 Проф. П.В. Бтей, д-р техн. наук;
доц. О.О. Шепелюк, канд. техн. наук; ст. викл. Р.Й. Салдан, канд. техн. наук - НЛТУ Украти, м. Льв1в
Ф1ЗИЧН1 ОСОБЛИВОСТ1 КОНВЕКТИВНОГО ПРОЦЕСУ СУШ1ННЯ ПОДР1БНЕНО1 ДЕРЕВИНИ
Охарактеризовано походження подрiбненоl деревини та галузi '11 застосування у нацiональному господарствi. Визначено типи сушильних установок, якi використову-ють для сушшня подабнено1 деревини. Серед них найбшьш поширеними е барабанш, через 1'х високу продуктивнiсть та просту конструкцiю. Для малих шдприемств, нап-риклад у виробнидтвi паливних брикетш i гранул, рекомендують використовувати ба-рабаннi та аерофонтаннi сушарки, як мають два контури, пристосоваш для видалення вшьно1 та зв'язано! вологи з матерiалу. Тривалiсть сушшня у першому та другому перь одах описано вiдповiдними формулами. Для теоретичних дослiджень прийнято геомет-ричну форму частинки подрiбненоl деревини у виглящ кулi, з характерним розмiром -еквшалентним радiусом. Передача тепла у шарi ш^^бнено1 деревини описано рiвнян-ням теплопровiдностi, а температурне поле в частинках подрiбненоl деревини - рiвнян-ням Фур'е для одш^рного кулеподiбного тша. Постiйною величиною прийнято коефь цiент температуропровiдностi частинки. Потш маси вологи описано ршнянням воло-гопровiдностi залежно вiд початково! вологостi, густини деревини в абсолютно сухому сташ та градiента вологи в частинках. Сушшня подрiбненоl деревини вщбуваеться за високих температур (бшьше 100 °С). У таких випадках наявна термовологопровiднiсть деревини. Розглянуто випадки сушсно1 та протилежно1 д11 явищ вологопровiдностi та термовологопровiдностi. Синтезовано фiзико-математичну модель, яка описуе нестащ-онарне поле вологовмюту для матерiалу, який мае кулеподiбну форму, постiйнi коефь цiенти вологопровiдностi та термовологопровiдностi.
Ключовi слова: процес сушшня подабнено1 деревини, вологовмют, вологiсть, гус-тина, теплопровщшсть, коефiцiент сушшня, вологопровiднiсть, температуропровiднiсть.
Подабнену деревину використовують у виробництвi деревиностружко-вих плит, паливних брикетiв, паливних гранул (пелепв) та iнших деревинних композицiйних матерiалiв. Подрiбнену деревину отримують iз дров, лiсосiчних вщходав, вiдходiв лiсопильного, фанерного, меблевого та шших деревооброб-них виробництв, i вживано!' деревини, яка вичерпала свiй ресурс використання. Вологiсть подрiбненоí деревини може змiнюватись вiд 8-15 % для сухих вiдхо-дiв до 80-120 % для лкоачних вiдходiв i дров.
Для сушiння подрiбненоí деревини використовують три типи конвектив-них сушарок: конвеeрнi з механiчним перемщенням матерiалу; барабаннi з пневмомеханiчним перемщенням матерiалу; аерофонтаннi з пневматичним перемщенням матерiалу [1-4]. Найпоширенiшими е барабаннi сушарки, завдяки високiй продуктивной та простотi конструкций У цих сушарках теплообмiн здiйснюеться шляхом конвекцл, частково вiд теплового випромiнювання та контакту з нагрггими поверхнями сушарки. Тривалкть процесу сушiння та кш-цева вологiсть матерiалу на виходi з сушарки визначаеться залежно ввд темпе-
3. Технологя та устаткування лковиробничого комплексу
165
ратури сушильного агента (топкових газш), швидкосп його циркуляци та кута нахилу барабана. Для малих шдприемств, як1 спещал1зуються на виготовленш паливних брикепв 1 гранул, дощльно використовувати мал1 барабанш та аеро-фонтанш сушарки. Оригшальним е застосування двоконтурних аерофонтанних сушарок, де процес сушшня подр1бнено1 деревини можна подшити на два перь оди [4]. Перший контур аерофонтанно! сушарки можна зор1ентувати на випаро-вування вшьно! вологи з матер1алу, а другий - для видалення зв'язано! вологи.
У теоретичному плаш перший перюд називають перюдом стало!' швид-кост1 сушшня, тривалкть якого визначають за формулою
т, = WоzWр с, (1)
' N
де: - початкова волога подр1бнено1 деревини %; Wкр - перех1дна або критична волопсть, що характеризуе перехвд вщ стало!' до сповшьнено! швидкосп сушшня, приймають Wкр = 28-35 %; N - швидккть сушшня, %/с.
Тривалкть другого перюду, перюду сповшьнено! швидкосп сушшня, визначають за формулою
тп _ — 1пWкр с, (2)
К Wк
де: Wк - кшцева волопсть подр1бнено! деревини %; К - коефщент суш1ння (який знаходять за експериментальними даними або визначають теоретичним шляхом). Волопсть деревини визначають ваговим способом. Для цього певний об'ем (приблизно 1 дм3) подр1бнено! деревини засипають у сичастий контейнер 1 зва-жують, тобто визначають (без тари) його початкову масу шцт. Потш контейнер помщають у лабораторну сушильну шафу, де подр1бнена деревина висушуеться до абсолютно сухого стану - ш0. Тод1 за вщомою формулою визначають волопсть подр1бнено! деревини для будь-якого перюду сушшня за формулою
W _ .100%. (3)
шо
Для теоретичних дослщжень геометричну форму частинки подр1бнено! деревини можна прийняти у вигляд куш з еквшалентним рад1усом г. Якщо процес сушшня ввдбуваеться в певному шар1 подр1бнено! деревини, то нагршання здшснюеться зпдно 1з законом теплопров1дност1 Фур'е:
д = -Л- — ■ ¥ Вм, (4)
йг
де: 1 - коефщент теплопровщносп деревини, Вт/(м2С); ¥ - площа поверхш, через яку передаеться тепло, м2; Диференцшне р1вняння, яке описуе темпера-турне поле частинок, що мають форму кул1, мае такий вигляд:
дг _ а ( д2г + 2 дг ^ (5)
дт ^ дт2 г дт)
де: а - коефщент температуропров1дност1 деревини а _1/(с. р), м2/с; С - пито-ма теплоемнкть деревини, кДж/(кг °С); р - густина деревини кг/м3.
Науковий вкник НЛТУ У кражи. - 2015. - Вип. 25.5
Потш маси вологи, яка перемщуеться в деревиш, описуеться р1внянням волого пров1дност1:
т ди
Лш _ аш- рот— —(6)
дг м2с
де: аш- коефщкнт вологопровщносп деревини, який залежить в1д породи 1 гус-тини деревини, ц температури 1 вологосп, м2/с; р0 - густина деревини в абсолютно сухому сташ, кг/м3; ди / дг - градкнт вологовмкту по товщиш деревини, 1/м.
Нестащонарне поле вологовмкту в процес1 сушшня у частинках подр1б-нено! деревини описано р1внянням
ди _ | д2и + 2 ди | (7)
дт ^ дг2 г дг)
Якщо у вологому тш кнуе градкнт вологовмкту та температури, то во-лога буде переноситись як за рахунок градкнта вологовмкту, так 1 за рахунок градкнта температури, поки параметри цих градкнпв збкаються. Коли не збь гаються, як це часто бувае у процес суш1ння деревини, то якщо вологопровщ-нкть е бшьшою за термовологопров1днкть, волога буде перемщатися у бгк зменшення вологовмкту, а термовологопров1днкть буде гальмувати процес ви-далення вологи. У випадку, якщо термовологопров1днкть е бшьшою за воло-гопроввднкть, то потш вологи перемщуеться у бгк зниження термовологопро-вщносп, а вологовмкт е гальм1вним фактором.
У такому випадку потк вологи можна охарактеризувати таким р1внянням:
^ш _-ашро ^^ + ), (8)
де: д - коефщкнт термовологопровщносп, 1/°С.
Висновок. У кшцевому вар1ант1 нестащонарне поле вологовмкту для матер1алу, який мае геометричну форму куш, за постшних коефщкнтк воло-гопров1дност1 та термовологопров1дност1 буде мати вигляд тако! ф1зико-мате-матично! модели
ди I д2и 2 ди 1 Л д2г 2 дг 1
_ аш I + -■ —\ + ашдо I ^ + -■ (9)
дт ^ дг2 г дг) ^ дг2 г дг)
Для розв'язку отриманого р1вняння (8) потр1бно сформулювати початко-в1 та граничш умови. Як правило, початков1 умови можна прийняти так1:
г |т_о_ го, аи |т_о_ ио. (9)
Граничш умови залежать в1д характеру процесу суш1ння та штенсивнос-т1 тепломасообмшу.
Лiтература
1. Стерлин Д.М. Мушка в производстве фанеры и древостружечных плит / Д.М. Стерлин. -М. : Изд-во "Лесн. пром-сть", 1977. - 383 с.
2. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Сер-говский. - М. : Изд-во "Лесн. пром-сть", 1987. - 360 с.
3. Бшей П.В. Сушшня та захист деревини / П.В. Бшей, В.М. Павлюст. - Львш : Вид-во "Кольорове набо", 2008. - 312 с.
3. Технологи та устаткування лковиробничого комплексу 167
4. Бшей П.В. Установка для сушшня подр1бнено1 деревини / П.В. Бшей, В.М. Павлюст, Б.1. Приставський. Патент Украши на корисну модель № 75600 вщ 10.12.2014 р.
Билей П.В., Шепелюк О.О., Салдан Р.И. Физические особенности конвективного процесса сушки измельченной древесины
Охарактеризовано происхождение измельченной древесины и области ее применения в национальном хозяйстве. Определены типы сушильных установок, используемых для сушки измельченной древесины. Среди них наиболее распространенными являются барабанные, из-за их высокой производительности и простой конструкции. Для малых предприятий, например в производстве топливных брикетов и гранул, рекомендуется использовать барабанные и аэрофонтанные сушилки, которые имеют два контура, приспособленные для удаления свободной и связанной влаги из материала. Продолжительность сушки в первом и втором периодах описана соответствующими формулами. Для теоретических исследований принята геометрическая форма частицы измельченной древесины в виде шара, с характерным размером - эквивалентным радиусом. Передача тепла в слое измельченной древесины описана уравнением теплопроводности, а температурное поле в частицах измельченной древесины - уравнением Фурье для одномерного шарообразного тела. Постоянной величиной в данном случае принят коэффициент температуропроводности частицы. Поток массы влаги описан уравнением влагопроводности в зависимости от начальной влажности, плотности древесины в абсолютно сухом состоянии и градиента влаги в частицах. Сушка измельченной древесины происходит при высоких температурах (более 100 оС). В таких случаях имеет место и термовлагопроводность древесины. Рассмотрены случаи совместного и противоположного действия явлений влагопроводности и термовлагопроводности. Синтезирована физико-математическая модель, которая описывает нестационарное поле влагосодер-жания для материала, который имеет шарообразную форму, постоянные коэффициенты влагопроводности и термовлагопроводности.
Ключевые слова: процесс сушки измельченной древесины, влагосодержание, влажность, плотность, теплопроводность, коэффициент сушки, влагопроводность, температуропроводность.
Biley P.V., Shepelyuk O.O., Saldan R.Yo. Physical Properties of Convecti-ve Drying of Shredded Wood
The origin of shredded wood and industries of its application in the national economy are characterized. The main types of dryers that are used for shredded wood drying are identified. Drum dryers are the most common among them because of their great performance and simple design. Drum and air-fountain dryers, which have two contours adapted for removal of free and bound moisture from the material, are highly recommended for applying at small enterprises, in the manufacture of fuel briquettes and granules. Drying duration in the first and second periods is described by appropriate formulas. The geometric shape of shredded wood particle in the form of a ball with a typical size - equivalent radius is approved for theoretical studies. The transfer of heat in a layer of shredded wood is described by a heat equation and a temperature field in shredded wood particles - by Fourier's equation for one-dimensional spherical body. The coefficient of thermal diffusivity of the particle is taken a constant. The flow of moisture mass is described by a moisture conductivity equation depending on the initial moisture content, wood density in a completely dry condition and moisture gradient in particles. Shredded wood drying takes place at high temperature (over 100 0 C). In such cases thermal moisture conductivity of wood occurs. The cases of compatible and opposing actions of moisture conductivity and thermal moisture conductivity phenomena are studied. A physical-mathematical model describing non-stationary field of moisture content for the material that has a spherical shape and constant coefficients of moisture conductivity and thermal moisture conductivity is synthesized.
Keywords: drying of shredded wood, moisture content, moisture, density, thermal conductivity, drying rate, moisture conductivity, thermal conductivity.
