CC BY
15
3. ТЕХНОЛОГИЯ ТА УСТАТКУВАННЯ
НАТУ
УКРЛ1НИ
t ,
Hl/IUB
Науковий в!сн и к НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40271015 Article received 08.12.2017 р. Article accepted 28.12.2017 р.
УДК 674.047
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
[^1 Correspondence author V. Yo. Labai wlabay@i.ua
В. И. Лабай1, Л. Я. Сорока2
1 Нацюнальнийутверситет "Львiвська полтехтка", м. Львiв, Украша 2Нацюнальний лкотехтчний утверситет Украши, м. Львiв, Украша
К1НЕТИЧН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНВЕКТИВНОГО ПРОЦЕСУ СУШ1ННЯ
КАШЛЯРНО-ПОРИСТИХ КОЛО1ДНИХ МАТЕР1АЛ1В
Визначено, що складшсть тепломасообмшинх процеав деревообробки полягае саме у складностi явищ перенесення теп-лоти i вологи, як всерединi матерiалу, так i на межi розподiлу фаз середовище - тверде тiло та складност змiни фiзико-меха-нiчних характеристик деревини тд час теплового оброблення. За дослщний матерiал прийнято сосновi пиломатерiали зав-товшки 40 мм, яю висушують м'якими режимами. В основу дослщження покладено побудову криво! сушшня, де вказано на змiну середньо! вологостi та вологостi поверхневих i центральних шарiв деревини пiд час сушшня. За цими даними визначено величини: швидюсть сушшня, коефщенти сушшня, вологопровщност та волопдаддач^ а також величини масообмшинх критерив Нуссельта, Фур'е та Юртчова. За величинами коефщента сушiння можна визначити тривалють сушiння пилома-терiалiв з деревини сосни завтовшки 40 мм будь-яко! початково! i юнцево! вологостi та за величиною коефщента вологоп-ровщност будь-яких соснових пиломатерiалiв рiзно!' товщини та початково! i кiнцево! вологост й iнших характеристик про-цесу сушшня. Визначення масообмшного критерiю Юртчова (критерто трiщиноутворення) показуе наскiльки обраний режим е безпечним з точки зору виникнення надлишкових внутршшх напружень у деревиш. За отриманими даними показни-кiв кiнетики процесу сушшня i масообмiнних критерив Нуссельта та Фур'е з доповненням до цих аеродинамiчних характеристик сушильного обладнання, iз врахуванням критерто Рейнольдса, можна скласти фiзико-математичну модель процесу сушшня пиломатерiалiв i заготовок. Ця фiзико-математична модель визначае вплив на юнетику процесу сушiння параметрiв сушильного середовища, теплофiзичних властивостей деревини та аеродинамiчних характеристик сушильних камер.
Ключовi слова: деревина; волопсть; вологопровiднiсть; вологов^ача; коефiцiент сушiння; тривалiсть процесу.
Вступ. Проблема конвективного сушшня катлярно-пористих коло1дних матер1ал1в, до яких належить 1 деревина, полягае у комплексному виршенш питань перенесення теплоти 1 вологи (маси) як всередиш матерь алу, так 1 на поверхш матер1алу (на меж1 розподшу фаз середовище - тверде тшо). Тепломасообм1нш процеси конвективного сушшня деревини мають складну структуру, тому що процеси нагр1вання та видалення вологи з матер1алу супроводжуються як змшою параметр1в середовища, так 1 ф1зико-мехашчних властивостей деревини. Процес конвективного процесу сушшня катляр-но-пористих коло!дних матер1ал1в прийнято подшяти на два перюди: стало! та сповшьнено! швидкосп сушш-ня. Перехш вш стало! до сповшьнено! швидкосп сушш-ня, який ще називають критичною волопстю деревини, визначити дуже важко, тому що величина критично! во-логосп залежить вш температурно-волопсного стану середовища 1 матер1алу.
Насамперед потр1бно описати законом1рност1 зов-шшнього тепло- 1 вологообмшу м1ж висушуваним мате-
р1алом 1 агентом сушшня, яш е одним 1з визначальних чинник1в процесу. Кшетичш характеристики цих явищ, а саме коефщенти теплообмшу 1 волого обмшу, потр1б-т для анал1зу 1 розрахунку самого процесу (Ozarkiv, Soroka & Нгузшк, 1997). Вони входять у формули для розрахунку тривалосп процесу суш1ння, в р1вняння теплового балансу 1 балансу вологи, яш потр1бш також для характеристики об'екта сушшня, для автоматичного регулювання процесу.
Об'екти та методика дослiдження. За експеримен-тальний матер1ал обрано соснов1 обр1зш дошки завтовшки 40 мм, завширшки понад 150 мм 1 початковою волопстю деревини понад 60 %. Отже, отримаш шнетичш характеристики пор1внювали з уже опублшованими ма-тер1алами. Процес сушшня проводили за м'яким режимом у лабораторий сушильнш установщ, яка укомплектована засобами для вим1рювання вологосп деревини (середню за товщиною, а також поверхневих 1 внутр1шшх шар1в), фшсацп та регулювання параметр1в середовища (температури 1 р1вноважно! вологосп дере-
1нформащя про aBTopiB:
Лабай Володимир Йосипович, д-р техн. наук, професор кафедри теплогазопостачання i вентиляцп. Email: wlabay@i.ua Сорока Любомир Ярославович, канд. техн. наук, доцент кафедри технолопй захисту навколишнього середовища i деревини, безпеки жип^яльност та со^альних комунiкацiй. Email: bzd@nltu.edu.ua
Цитування за ДСТУ: Лабай В. Й., Сорока Л. Я. Кшетичш характеристики конвективного процесу сушшня каптярно-пористих
колоТдних матерiалiв. Науковий вiсник НЛТУ УкраТни. 2017. Вип. 27(10). С. 86-88. Citation APA: Labai, V. Yo., & Soroka, L. Ya. (2017). Kinetic Characteristics of Convection Drying Process of Capillary-Porous Colloidal Materials. Scientific Bulletin of UNFU, 27(10), 86-88. https://doi.org/10.15421/40271015
вини). Оброблення результапв експериментальних дос-лвджень проводили за рекомендацiями фахово! i спець ально! лiтератури (RTM, 1985; Bilei et al., 2010; Bilei, 2005; Sergovskii & Rasev, 1987; Bilei & Pavliust, 2008; Brunner - Hildebrand, 1987).
Результата дослщження та ix обговорення. Ре-зультати експериментальних дослвджень процесу су-шшия наведено у табл. 1, де внесено залежносп се-редньо! вологосп деревини (W, %) та вологосп повер-хневих (Жпов) i внутрiшнiх шарiв матерiалу вщ трива-лостi сушiння та рiвноважна вологiсть деревини (Wр, %).
Табл. 1. Результати дослвдження кшетики процесу
Трива- 1нтервал Волопсть деревини W, %
№ з/п лють сушшня, т • 10"4, c часу сушшня Ат • 10"4, c W 11 пов Wy W AW* Wp
1 0 0 61,8 63,1 62,2 - -
2 4,32 4,32 50,6 56,5 54,6 7,6 13,0
3 8,64 4,32 43,5 50,1 47,9 6,7 13,0
4 12,96 4,32 35,0 45,0 41,7 6,2 12,0
5 17,28 4,32 30,1 41,2 36,5 5,2 12,0
6 21,60 4,32 25,5 36,7 31,9 4,6 12,0
7 25,92 4,32 20,3 32,4 27,4 4,0 10,0
8 30,24 4,32 17,4 27,4 24,4 3,5 10,0
9 34,56 4,32 14,2 24,5 21,1 3,0 8,0
10 38,88 4,32 12,0 21,6 18,4 2,7 8,0
11 43,20 4,32 9,8 17,2 15,8 2,6 6,0
12 47,52 4,32 6,9 15,6 14,7 2,1 6,0
13 51,84 4,32 6,0 13,5 12,0 1,7 4,0
14 56,16 4,32 5,6 12,1 10,5 1,5 4,0
15 60,48 4,32 5,2 10,8 9,2 1,3 4,0
Примжа: *Змша середньо! вологост деревини.
За даними табл. 1 можна визначити основнi кшетич-m характеристики процесу сушiння за такими залеж-ностями:
• швидюсть сушшня (AWJАт,) -10 5, —
• коефщент вологопровщност
д (aW7 Ат )• R 5 см
am — —;-ч--10 , —
(Wy-Wпов), с
коефщент вологов1ддач1
в— (W AT'lR •10-5.
(W-Wp), с
• 10-5, .см
коефщент сушшня
K, — 1ln W- - WP- •10-6,1.
(1)
(2)
(3)
т W,+1 - Wp,
За величинами коефщеипв вологопровiдностi та вологовiддачi i швидкостi сушiния можна визначити масообмiннi критерп Нуссельта, Фур'е та Юршчова, як1 описано такими формулами:
р^ R
критерiй Нуссельта Num —J
критерiй Фур'е
am am • • т
R
2
• критерiй Юршчова Kim — (AW'/At' ) R
am • Wmax
(4)
(5)
(6)
Кшетичш характеристики процесу сушшня пилома-терiалiв сосни наведено у табл. 2.
Табл. 2. Кшетичш характеристики процесу сушшня
Швид- Коефщенти Критерй
воло-гопро-вдаосп am-105 , см2/с воло-говвд-дачi в • 105 , см2/с
№ з/п юсть сушшня — -105 Ат сушш- ня K •Ю6 , 1/с Нус-сельта Num Фур' е FOm Юрпь чова Kim
1 2 3 17,6 15,5 14,4 11,93 9,39 5,76 0,85 0,89 0,97 3,89 4,07 4,40 0,14 0,19 0,34 0,13 1,02 0,62 0,11 0,13 0,22
4 5 6 7 12,0 10,6 9,3 8,1 4,32 3,79 3,07 3,24 0,98 1,02 1,04 1,13 4,26 4,81 4,65 5,05 0,45 0,54 0,68 0,70 0,47 0,41 0,33 0,35 0,26 0,30 0,37 0,29
8 9 10 11 6,9 6,3 6,0 4,9 32,68 2,63 3.24 2.25 1,05 1,21 1,22 1,27 5,21 5,45 5,48 5,58 0,78 0,92 0,75 1,13 0,29 0,28 0,35 0,24 0,42 0,44 0,43 0,56
12 13 14 3,9 3,5 3,0 2,08 2,15 2,14 0,98 1,09 1,15 4,47 4,81 5,16 0,94 1,00 1,07 0,22 0,23 0,26 0,55 0,54 0,52
Се-
редт зна- 8,26 4,19 1,06 4,79 0,62 0,37 0,37
чения
Як видно з даних табл. 2, за результатами експериментальних дослвджень соснових пиломатерiалiв зав-товшки S1 = 40 мм з початковою волопстю W0=62,2 %, та концевою Wk=9,2 %, тривалiсть сушiния становить т=168 год або тс=7 дiб.
Отримано так1 середнi даиi показник1в кшетики процесу сушiния:
• швидюсть сушшня AW/ Ат = 8,26 -10"5, см2/с;
• коефiцiеит вологопроввдносп am = 4,19 • 10-5, см2/с;
• коефiцiеит вологовiддачi в = 1,06 -10"5, см/с;
• коефщент сушiння K = 4,79 • 10-5,1/с;
• масообмiнний критерш Нуссельта Nu m = 0,62;
• масообмшний критерiй Фур'е Fom = 0,37;
• масообмшний критерш Юршчова Kim = 0,37.
Висновки. Отримаш результати експериментальних
дослвджень можна використати для сушшня пиломате-рiалiв сосни завтовшки вiд 19 до 75 мм з будь-якого початковою i шнцевою вологiстю. Для розрахунку трива-лостi сушiния соснових пиломатерiалiв завтовшки S1 = 40 м можна скористатись середшм значениям коефь цiента за формулою
К
Wп - Wp Wk - Wp
с
(7)
або для визначения тривалостi сушiния соснових пило-матерiалiв будь-яко! товщини та значения початково! i кшцево! вологостi за формулою
т — Cт-• C •Af AUlgС,
6 - -Р ^ , , (8) am •106 ^°Wk
де: CT - коефiцiент, який залежить вiд товщини матерь алу; C - коефiцiент, який враховуе сповшьнения процесу сушiния у штабелц am - середне значения коефь цiента вологопровiдиостi, см2/с; Ap - коефiцiент, який враховуе реверсившсть циркуляцп; Аф - коефiцiент, який залежить вщ вадносно! вологостi повиря (як агента сушiния) на першому ступенi режиму.
Значения масообмiнного критерiю Кiрпiчова, який ще називають критерiем трiщиноутворения, становить 0,37, що е меншим за допустиме значения [Kim] = 1,0. Тобто, у процеа сушiния внутрiшнi напружения будуть
2
FOm —
незначними i не призведуть до утворення будь-яких трiщин (торцьових, пластових i внутрiшнiх).
За отриманими даними показнишв кинетики процесу сушiння i масообмшних критерпв Нуссельта та Фур'е з доповненням до цих аеродинамiчних характеристик сушильного обладнання, враховуючи критерш Рейнольдса, можна скласти фiзико-математичну модель процесу сушшня пиломатерiалiв i заготовок. Ця фiзико-математична модель визначае вплив на кинетику процесу сушшня параметрiв сушильного середовища, тепло-фiзичних властивостей деревини та аеродинамiчних характеристик сушильних камер.
Перелiк використаних джерел
Bilei, P. V. (2005). Teoretychni osnovy teplovoi obrobky i sushinnia derevyny. Kolomyia: Vik. 364 p. [in Ukrainian].
Bilei, P. V., & Pavliust, V. M. (2008). Sushinnia i zakhyst derevyny.
Lviv: Kolorove nebo. 312 p. [in Ukrainian]. Bilei, P. V., Sokolovskyi, I. A., Pavliust, V. M., & Kunynets, Ye. P. (2010). Kerivni tekhnichni materialy z tekhnolohii kamernoho sushinnia pylomaterialiv. Uzhhorod: Karpaty. 140 p. [in Ukrainian]. Brunner - Hildebrand. (1987). Die Schnitholztrocknung (S. Auflage)
Buchdruckverkstatten. Hannover. Gm.bH. 322 p. RTM. (1985). Rukovodiashhie tekhnicheskie materialy po tekhnologii kamernoi sushki drevesiny. Arkhangelsk: TcNIIMOD. 143 p. [in Russian].
Ozarkiv, I. M., Soroka, L. Ya., & Hrytsiuk, Yu. I. (1997). Osnovy aerodynamiky i teplomasoobminu: navch. posibnyk. Kyiv: Vyd-vo IZMN. 280 p. [in Ukrainian]. Sergovskii, T. K., & Rasev, A. I. (1987). Gidrotermicheskaia obrabot-ka i konservirovanie drevesiny. Moscow: Lesnaia promyshlennost. 360 p. [in Russian].
В. И. Лабай1, Л. Я. Сорока2
1 Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина 2Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина
КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНВЕКТИВНОГО ПРОЦЕССА СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ КОЛЛОИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Определено, что сложность тепломассообменных процессов деревообработки состоит, собственно, в сложности явлений переноса тепла и влаги, как внутри материала, так и на границе разделения фаз среда - твердое тело и сложности изменения физико-механических характеристик древесины во время тепловой обработки. Как экспериментальный материал принято составные пиломатериалы толщиной 40 мм, которые высушиваются мягкими режимами. В основу исследования положено построение кривой сушки, где указано на изменение средней влажности и влажности поверхностных и внутренних слоев древесины во время сушки. По этим данным определены величины: скорости сушки, коэффициенты сушки, влагопровод-ности и влагообмена, а также величины массообменных критериев Нуссельта, Фурье и Кирпичева. За величинам коэффициента сушки можно определить продолжительность сушки пиломатериалов из древесины сосны толщиной 40 мм какой-либо начальной и конечной влажности, а по величинам коэффициента влагопроводности можно определить продолжительность процесса каких - либо сосновых пиломатериалов различной толщины, начальной и конечной влажности и других характеристик процесса сушки. Определение массообменного критерия Кирпичева (критерия трещинообразования) показывает насколько избранный режим сосны безопасен с точки зрения возникновения излишних внутренних напряжений в древесине. По полученным данными показателей кинетики процесса сушки и массообменных критериев Нуссельта и Фурье с дополнением к этим данным аэродинамических характеристик сушильного оборудования, включая критерий Рейнольдса, можно составить физико-математическую модель процесса сушки пиломатериалов и заготовок. Эта модель определяет влияние на кинетику процесса сушки параметров среды теплофизических свойств древесины и аэродинамических характеристик сушильных камер.
Ключевые слова: древесина; влажность; влагопроводность; влагообмен; коэффициент сушки; продолжительность процесса.
V. Yo. Labai1, L. Ya. Soroka2
1 Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine 2 Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine
KINETIC CHARACTERISTICS OF CONVECTION DRYING PROCESS OF CAPILLARY-POROUS COLLOIDAL MATERIALS
It is known that the complexity of the heat-and-mass exchange processes in woodworking consists in the complexity of the phenomena of heat-and-moisture transfer both within the material and at the phase interface environment-solid body, as well as the complexity of changing physical-and-mechanical characteristics of wood during heat treatment. The test material was pine lumber with a thickness of 40 mm, which had been dried by a soft drying schedule. The objective of the study is the construction of the drying curve which indicates the change in the average moisture and the moisture content of the surface and middle layers of wood during drying. By this data, the values were found for drying rate, drying coefficients, moisture conductivity and moisture-yielding ability, as well as mass-exchange numbers of Nusselt, Fourier, and Kirpichov. By the values of the drying coefficient, we can determine the drying time for 40 mm thick pine-wood lumber of any initial and final moisture content, and by the magnitude of the conductivity coefficient we can determine drying time for any pine wood of various thicknesses and various initial and final moisture and other characteristics of the drying process. Determination of mass exchange number of Kirpichov (criterion of crack formation) shows how the selected mode is safe in terms of the occurrence of excessive internal stresses in wood. Thus, a physical-mathematical model of the process of drying of lumber and blanks can be constructed using the obtained data on the kinetics of the drying process as well as Nusselt's and Fourier's mass exchange criteria, with the addition to this of the aerodynamic characteristics of the drying equipment, including the Reynolds criterion. This physical-mathematical model identifies the influence of the drying environment parameters, the thermophysical properties of the wood and the aerodynamic characteristics of the drying chambers on the kinetics of the drying process.
Keywords: wood; moisture; moisture conductivity; moisture-yielding ability; drying coefficient; process time; kinetic characteristics; capillary-porous colloidal materials.
