CC BY
19
Нацюнальний лкотехшчний ушверситет УкраТни
3. ТЕХНОЛОГИ! ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674.047 Проф. О.О. Птчевська, д-р техн. наук;
доц. Р.В. Олшник, канд. фiз.-мат. наук; астр. А.К. Строчки -НУ бюресурав i природокористування Украти, м. Кшв
Ф1ЗИКА НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОГО СУШ1ННЯ ПИЛОПРОДУКЦН
Експериментально визначено енерпю активаци для деревини сосни, дуба та вшь-хи, що дае змогу розрахувати термодинамiчний коефщент за будь-яко! температури в рiвняннi кiнетики сушiння для визначення поточно! вологост на кожному етапi низько-температурного сушiння пилопродукци вiд вологосп нижче межi насичення клггинно! стшки в сучасних камерах. Проведено експериментальш дослiдження у промислових умовах для перевiрки рiвняння поточно! вологостi пилопродукци з урахуванням термо-динамiчного коефщента, визначеного запропонованим методом. Результати показали необхщшсть врахування другого термодинамiчного коефщента для нiвелювання р1зни-цi мiж експериментальними та розрахунковими даними на початку процесу.
Ключовг слова: пилопродукщя, сосна, дуб, вшьха, термодинамiчнi коефщенти, енергiя активаци, низькотемпературне сушiння.
Сушшня е обов'язковою i дуже важливою ланкою у технолопчному про-цес оброблення деревини. Будучи одним з найбшьш енергоемних процесiв у промисловосп, в деревообробцi воно ще е й найбшьш вщповщальним етапом, оскшьки вiд його якостi залежить довговiчнiсть виробу загалом.
З огляду на високу вартiсть та тривалiсть процесу, що ускладнюе прове-дення експериментальних дослiджень, велику увагу завжди придшяли матема-тичному описанню процесу руху вологи в деревинi пiд час сушшня. Для прогно-зування змши вологовмiсту довшьно! точки одновимiрного тша використовува-ли диференцiальне рiвняння вологопровщносп [1] за гранично! умови III роду:
dW ,d2W
де: t - тривалють процесу; а - коефiцiент вологопровщностц W - вологовмiст матерiалу.
Основним недолком цього способу е те, що для розв'язку рiвняння (1) зас-тосовують припущення, що единим видом вологоперенесення у разi низькотем-пературного сушiння е вологопровiднiсть. Також це рiвняння справедливе лише тд час сушiння деревини вiд вологосп нижче межi насичення та не враховуе ста-дiю початкового прозвания матерiалу в камерi, яка для сучасних "водяних" кон-вективних камер е досить тривалою та значно впливае на загальний процес. Вра-хувавши зазначенi недолiки, в робота [2] отримано рiвняння кiнетики сушшня для визначення перехщно! вологостi на кожному етат сушiння пилопродукци:
Win = (Wj%1) - wn) [Die-Klt-(0,2...0,4) De^ ] + Wp", (2)
де: n - шдекс етапу режиму; Wjnl - значення середньо! перехщно! вологосп на n -му етапi режиму, тобто математичного сподiвання, можна визначати за вщо-
Науковий вкник Н. |'|У Укра'ши. — 2014. — Вип. 24.3
мим виразом [2]; - значення перехщно! вологосп на попередньому етат
режиму, для початкових умов Щпер(п-1) = Щ0; Щ - початкова волопсть матерiалу; Щр(п) - рiвноважна вологiсть на п -му етат режиму; Д - коефiцieнт, що зале-жить вiд товщини матерiалу, 5 :
Д= 105,1х 5 Л (3)
де К1, К2 - термодинамiчнi коефiцieнти.
Особливу увагу необхiдно придiлити визначенню термодинамiчних ко-ефiцieнтiв, оскiльки вони характеризують вплив особливостей матерiалу та тем-ператури на досягнення необхщно! експлуатацшно! вологосп. Велика кiлькiсть процесiв, iнтенсивнiсть яких мае значну (типу експоненщально!) залежшсть вiд температури, поеднуються загальною назвою "релаксацiйнi". Саме до таких процешв можна вiднести сушiння деревини.
Важливою характеристикою таких процесiв е енерпя активацп. Феноме-нологiчна суть ще! величини полягае в тому, що вона визначае температурну залежшсть штенсивносп процеив. Цю величину використовують для опису прогнозування температурних залежностей кшетики процеив i можна визначи-ти з закону розподшення Больцмана [3]:
еа
т = тсгкТ , (4)
де: т - час релаксацп, тобто час впродовж якого молекули води знаходяться у сташ спокою; т0 - середнш час одного коливання молекул води; к - стала Больцмана; еа - енерпя активацп; Т - температура, К.
Якщо розглядати коефщенти К1 1 К2 з точки зору фiзики, то можна стверджувати, що вони мають значення, як обернено пропорцiйнi тривалостi процесу сушшня, i, вiдповiдно, можуть бути виражеш через час релаксацп:
К1 = -, К2 = - (5), (6)
Т1 Т2
Аналiз кривих кшетики сушшня пиломатерiалiв з сосни, вшьхи та дуба в промислових умовах показав, що вплив термодинамiчного коефщента К2 вщ-буваеться лише тд час сушiння вiд початково! вологостi вище 25 %. Вщповщ-но, процес сушiння було умовно подшено на два етапи: вщ початково! вологос-тi Щ до Ш^Фр = 25 %, та вщ вологостi 25 % до кшцево! вологостi.
Для визначення термодинамiчного коефiцiента К1 було проведено ек-спериментальнi дослiдження в лабораторних умовах (табл.)
Табл. Умови проведення експеримепишлышх достджень
Порода Температура, оС Розм1ри зразюв, мм Щ0, % Марка суш. шафи
L ь И
Дуб, сосна, вшьха 40 103±2 84±2 28±2 25±1,5 2В-151
60
80
100
Нащональний лкотехшчний унiверситет Укршни
Процес сушшня проводився безперервно з перiодичним зважуванням зразюв до досягнення абсолютно сухого стану. Внаслщок проведених досль
джень побудовано кривi кiнетики сушiння у виглядi залежностi 1п
вiд
часу (рис. 1-3), де: тпоч - початкова маса зразка; тпот - поточна маса зразка через штервал часу 1 З отриманих кривих, шляхом графiчного диференщювання, для кожного дослщжуваного зразка було визначено час релаксацп.
Рис. 1. Крива мнетики суштня зразка з деревини дуба за температури 60 °С
Рис. 2. Крива ктетики суштня зразка з деревини сосни за температури 60 °С
Рис. 3. Крива ктетики суштня зразка з деревини втьхи за температури 60 °С
Для кожно1 породи з графiчноi залежност часу релаксацп ввд обернено1 температури було визначено енерпю активацп. Виявилось, що и значення для низькотемпературних процеав не залежить вщ породи деревини ^ вiдповiдно, дорiвнюe 0,30±0,3еВ. Оскiльки час релаксацп залежить ввд породи деревини, то, враховуючи залежнiсть (4) та отримане значення енергп активацii, було визначено т0, що характеризуе особливост видалення вологи, притаманнi ввдповщ-нiй будовi деревини. Отриманi результати дають змогу розрахувати термодина-мiчний коефщент К1 для рiзних температур у межах низькотемпературного процесу для дослщжуваних порщ деревини.
З метою перевiрки рiвняння кiнетики сушiння з отриманим значенням коефщента К1 були проведет експериментальш дослiдження у промислових умовах у сучасних сушильних камерах рiзних конструкцiй закордонного вироб-ництва. Дослщження проводили за методикою, наведеною в роботi [2] для пило-матерiалiв з деревини сосни, вшьхи, дуба товщиною 30 мм. Сушшня було подь лено на етапи вщповщно до змiни режимних параметрiв у камерi. Для кожного етапу за формулою (4) розраховували час релаксацп та за формулою (5) визна-чали термодинамiчний коефщент К1. Перехiдну вологiсть на кожному етат в
т
т
Науковий вкник НЛТУ
Укр
ани. - 2014. - Вип. 24.3
процес сушiння визначали з рiвняння (2) без врахування термодинамiчного ко-ефщента К2. Порiвняння розрахункових та експериментальних кривих для пи-ломатерiалiв з деревини сосни, вiльхи та дуба наведено на рис. 4-6 вщповщно.
Рис. 4. Експериментальна iрозрахунко-ва волог^ть деревини сосни тд час сушшня в камерi Nardi
Рис. 5. Експериментальна i розрахункова волог^ть деревини вльхи тд час сушшт в камерi Copcal 3
Рис. 6. Експериментальна i розрахункова вологють деревини дуба тд час сушшня в камерi ^^
Як видно з наведених рисунюв, основну рiзницю мiж розрахунковими та експериментальними кривими спостер^аемо на початку процесу, коли воло-псть значно вища 25 %. Шсля досягнення пиломатерiалiв у камерi вологостi 25 % рiзниця мiж кривими значно зменшуеться, i практично вiдсутня шсля досягнення кiнцевоi вологостi (8-10 %). Це свiдчить про те, що рiвняння (2) iз зап-ропонованим термодинамiчним коефiцiентом К1 для розрахунку поточноi воло-гостi в камерi пiд час сушiння дае досить точш результати. Для швелювання рiзницi мiж розрахунковими й експериментальними кривими на початку процесу необхщно врахувати термодинамiчний коефiцiент К2, який будуть описува-ти шшим активацiйним процесом, у разi сушiння вiд початковоi вологостi до вологосл 25 %.
Висновки:
1. Запропоновано споЫб визначення термодинам1чних коефщенпв у р1внянн1 поточноi вологост пилопродукцii через час релаксацii.
2. За допомогою експериментальних дослщжень отримано значення енерги активацii еа та часу одного коливання молекул води т0 для деревини сосни, вшьхи та дуба, що дае змогу визначити час релаксацii т та, вiдповiдно, термодинамiчний коефiцiент К1 для будь-яко!" температури в межах низь-котемпературного процесу сушiння пиломатерiалiв.
3. Проведено експериментальнi дослiдження у промислових умовах для пере-вiрки рiвняння поточно! вологостi пилопродукцii (2) з врахуванням термо-динамiчного коефщента К1, визначеного запропонованим методом, аналiз
Нацюнальний л^отехшчний yHÎBepcHTeT УкраУни
результатiв яких показав необхщшсть проведення додаткових експеримен-
tîb для визначення термодинамiчного коефщента K2, який мае значний
вплив на початку процесу.
Л1тература
1. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины : учебник [для студ. ВУЗов] / П.С. Серговский. - Изд. 3-е, [перераб. и доп.]. - М. : Изд-во "Лесн. пром-сть", 1975. - 400 с.
2. Пшчевська О.О. Прогнозування якост сушшня пиломатер1ал1в / О.О. Пшчевська. - К. : ТОВ "Аграр Мед1а Груп", 2010. - 228 с.
3. Слуцкер А.И. Определение энергии активации сложных релаксационных процессов / А.И. Слуцкер, Ю.И. Поликарпов, К.В. Васильева // Физика твердого тела. - 2002. - Т. 44, вып. 8. - С. 1529-1535.
Пинчевская Е.А., Олийник Р.В., Спирочкин А.К. Физика низкотемпературной сушки древесины
Экспериментально определена энергия активации для древесины сосны, дуба, ольхи, что позволяет рассчитать термодинамический коэффициент при любой температуре в уравнении кинетики сушки для определения текущей влажности на каждом этапе низкотемпературной сушки пилопродукции от влажности ниже границы насыщения клеточной стенки в современных камерах. Проведены экспериментальные исследования в промышленных условиях для проверки уравнения текущей влажности пилопро-дукции с учетом термодинамического коэффициента, определенного предложенным методом. Результаты показали необходимость учета второго термодинамического коэффициента для нивелирования разницы между экспериментальными и расчетными данными в начале процесса.
Ключевые слова: пилопродукция, сосна, дуб, ольха, термодинамические коэффициенты, энергия активации, низкотемпературная сушка.
Pinckevska O.O., Oliynik R.V., Spirochkin A.K. The Physics of Sawn Timber Low Temperature Drying
Activation energy for pine, oak and alder timber is defined experimentally. It gives an opportunity to calculate thermodynamic coefficient for each temperature in drying kinetic equation for transition moisture estimation at low temperature drying below fiber saturation point in modern chambers. Experimental researches for verification of saw timber current humidity equation including calculated thermodynamic coefficient are conducted in pilot-scale. The results obtained have shown the necessity of including another thermodynamic coefficient for levelling the difference between experimental and calculated data at the beginning of the process.
Key words: sawn timber, pine, oak, alder, thermodynamic coefficients, activation energy, low temperature drying.
УДК 674.047:004.94 Проф. Я.1. Соколовський, д-р техн. наук; асист. Ю.В. Прусак;
ст. викл. 1.М. Крошний, канд. техн. наук - НЛТУ Украши, м. Львгв
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРУЖНОВ'ЯЗКОПЛАСТИЧНОГО СТАНУ ДЕРЕВИНИ У ПРОЦЕС1 СУШ1ННЯ
Здшснено математичне моделювання процешв тепломасоперенесення i пруж-нов'язкопластичного деформування з урахуванням механiко-сорбцiйноi повзучосп в деревиш зi змшними ашзотропними тепломехашчними характеристиками, що мае важ-ливе значення для ращонального вибору та обгрунтування енергозбережних технологш сушшня деревини за умови забезпечення необхiдноi якост продукцп. Реалiзовано сформульовану математичну модель деформування деревини пщ час сушшня, яка дае
