Кинетика бездефектной сушки пиломатериалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 674.047 И.М. Меркушев

Московский государственный университет леса

Меркушев Иван Михайлович родился в 1932 г., окончил в 1957 г. Московский лесотехнический институт, кандидат технических наук, профессор кафедры технологии мебели и изделий из древесины Московского государственного университета леса. Имеет свыше 100 печатных работ в области деревообработки и развития лесо-сушильной техники и технологии сушки древесных материалов. Тел.: (8495) 512-75-92

КИНЕТИКА БЕЗДЕФЕКТНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Выведены уравнения для расчета продолжительности сушки пиломатериалов; обоснованы принципы построения безопасных режимов конвективной сушки пиломатериалов; получены формулы для прогнозирования текущей влажности пиломатериалов в процессе сушки и графическая интерпретация безопасных режимов сушки пиломатериалов.

Ключевые слова: кинетика, полный период, бездефектная сушка, трансцендентные функции, психрометрическая разность, режимы.

Концепция построения и расчета безопасных режимов конвективной сушки пиломатериалов для повышения эффективности процесса дает возможность оценивать конечную влажность материала по состоянию сушильного агента и длительности процесса. Это требует простого и доступного метода оценки продолжительности безопасной сушки разных пиломатериалов при различных условиях.

В работе были поставлены следующие задачи:

разработать методы расчета продолжительности полного периода и режимов бездефектной сушки пиломатериалов, координированных по ее продолжительности;

построить диаграммы оптимальных режимов бездефектной сушки пиломатериалов основных древесных пород, координированных по продолжительности сушильного процесса.

Метод расчета продолжительности полного периода бездефектной сушки пиломатериалов

Вывод формул для расчета продолжительности полного периода бездефектной сушки пиломатериалов (Т, сут) основан на отношении массы (М, кг) удаляемой из них влаги

М = 0,01 Е рб А ^ (1)

к скорости ее перемещения (1, кг/с) изнутри к поверхности сортимента:

1 = ^ р0 а' duldx. (2)

Здесь Е - объем партии высушиваемого материала, м3; рб и р0 - плотность базисная и сухой древесины, кг/м3:

Ро ~ 1,2 Рб; (3)

АIV% - снижение влажности сортимента в 7-й фазе за время

Т, %:

- в 1-й фазе, от начальной WH до первой переходной W влажности:

А WXo i = WH - WCi = AW./3; (4)

- во 2-й фазе простого режима сушки с учетом гистерезиса сорбции

AWK = 2,5 %:

А W^ = WH - AWs/3 - 2,5; (5)

- во 2-й фазе постоянной скорости сушки форс-режима:

А WTi 2 = W4 - WC2 = Wн - А Wv - А Ws; (6)

- в 3-й конечной фазе форс-режима:

А WX2 к = 2/3 АWs + А Wv - 2,5; (7)

А WS - перепад влагосодержания по толщине сортимента;

F - площадь поверхности испарения всех досок в штабе-

2

ле, м :

F = 2E/S; (8)

S - расчетная толщина сортимента при ее реальных размерах а и в, м:

S = ав/(а + в); (9)

а' - коэффициент влагопроводности древесины, определяемый по диаграммам П.С. Серговского [4] или по соответствующим им формулам автора [1], см2/с или м2/с:

- для заболони:

а'3 = 112рб■ 4 t2 или 0,0112 t2/рб4; (10)

- для ядра:

а'я = 76рб - 4 t2 или 0,0076 t 2/рб 4; (11)

- в среднем:

а' = 94рб-4 t2 или 0,0094 t2/рб4. (12)

du/dx - средняя величина градиента влагосодержания древесины:

- в начальной фазе режима: du/dx = 2/3 ■ 0,01 АWs : (0,1S) = 0,0666 AWS/S; (13)

- в фазе стационарного режима: du/dx = 0,01 ■ 2/3 ■ AW. : (S/5) = 0,0333 AW./S; (14)

- в конечной фазе сушильного процесса: du/dx = 0,01 ■ 1/3 ■ AWS : (S/5) = 0,01666 AWJS. (15)

Преобразованием выражений (2)-(15) получены уравнения для расчета полной продолжительности сушильного процесса (Ti ,с): T = 0,01А W рЕ : ^^(du/dx)) = 0,4433р При Т в сутках и S в миллиметрах имеем

T = 5,13 ■ 10 -12 рб4 St ~ 2 (А W : (du/dx)).

Полная продолжительность сушильного процесса:

- начальной фазы:

Tq-1 = 0,257-1010 рб4 (S/t)2;

- конечной 2-й фазы:

TV. = 3,078-10-1V(S/02(^h - 2,5)/(AW - 0,333)); (19)

- средней фазы:

T1-2 = 1,54 ■ 10-1V(S/02(Wh - AWV - AWS)/AWS; (20)

- конечной 3-й фазы:

Т2-к = 3,078 ■ 10-1V(S/t)2(AWV - 2,5)/(A Ws + 0,666)). (21) Суммарная продолжительность сушильного процесса:

- простого:

Тп = Т2ф = (рб/284)4 (S/t)2 [(2 Wh - 5)/(A Ws - 0,5)]; (22)

- форс-процесса:

Тф = Т3ф = (рб/284)4(S/t)2 [(Wh + AWv - 5)/(AWs+ 0,5)]; (23)

- оптимального:

То = Т = (рб /284)4(S/t)2 (1,5 Wh + 0,5AWv - 5)/AWx; (24)

- или осредненного при Wh ~ 70 % и AWV = 6/v:

Т0 = (3v-1 + 100)284-4p64S2t^2AWs^1. (25)

Метод расчета и построение режимов бездефектной сушки пиломатериалов, координированных по ее продолжительности Характер снижения текущей влажности высушиваемого сортимента от начальной Wh до конечной WE влажности в относительном времени

0 = т/Т (26)

может быть описан трансцендентной функцией

mQ) = (wu-wy-3°1 . (27)

Для сушильного процесса в реальном времени (т, сут) при конечной влажности, близкой к гистерезису сорбции Щк = 2,5 %, функция Щт) из формул (25) - (27) принимает следующий вид:

Г 284^ t~S - \!Г. 1 , J pe'llOO+iv-1 J Ж(т) = (Жн-2,5)2"3 + 2,5. (28)

Рациональное ведение процесса требует в целях обеспечения безопасности режима соблюдать величину допустимого перепада влажности по толщине сортимента, а в целях его интенсификации не стабилизировать равновесную влажность на определенных уровнях, как в стандартных ступенчатых режимах, а непрерывно снижать ее по мере уменьшения влажности сортимента по нижеприведенной формуле:

получена функциональная зависимость режимной психрометрической разности сушильного агента от продолжительности процесса сушки А( (т) = ^ (У, S, рб , х, V, Жн т), представленная в развернутом виде следующей формулой:

А/(т) =

(146-/1 ' ^-

, „17

400

1.44---

91

( 3

4 1 100+-рб -5" V

2.5+( И'к-2.5)"

I! и III > | х" Лх

0

И'н-Л Ц'и-

0.006 + 0.00001 (120 -Г)

. (31)

2.6

0.66+

6

10

2

2

,„,4 2

- 1

6

V

1

Построение режимов бездефектной сушки пиломатериалов, координированных по продолжительности процесса, приведено на рисунке (в логарифмической координатной сетке) в виде универсальных графиков оптимальных режимов сушки пиломатериалов разных пород с использованием формул (28) и (31).

а б

Оптимальные режимы сушки еловых, кедровых, сосновых (а, р6 = 377 кг/м3) и дубовых, буковых, ясеневых, кленовых, лиственничных (б, р6 = 533 кг/м3) пиломатериалов (Щ, = 70 %; АЖ, = 35 %; х = 1) при различных значениях Г, и т: 1, 1', 3, 3', 5, 5', 7, 7' - г = 90 °С; 2, 2', 4, 4', 6, 6', 8, 8' - г = 45 °С; 1, 1', 2, 2', 5, 5', 6, 6' - £ = 22,5 мм; 3,3', 4, 4', 7, 7', 8, 8' - £ = 90,0 мм; 1 - 8 - V = 2,4 м/с; 1' - 8' - 0,3 м/с

Продолжительность сушки (т, сут) до заданной конечной влажности Щ рекомендуется прогнозировать по следующей формуле:

т =

100+Зу"1 t2S~2AWs

Рб

259'

-log

2-

log(rK-2,5)

log(rH-2,5)

Данные режимы сушки прошли проверку в производственных условиях, в частности в тент-сушилках [3], и показали высокую эффективность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Меркушев И.М. К вопросу построения режимов конвективной сушки пиломатериалов // Технология и оборудование для переработки древесины: Сб. науч. тр. - Вып. 335. - М.: МГУЛ, 2006.

2. Меркушев И.М. Психрометрическая диаграмма равновесной влажности древесины // Лесн. журн. - 2010. - № 3. - С. 90-93. - (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Пат. 2170896 РФ. Способ сушки пиломатериалов / И.М. Меркушев. 29.12.1999.

4. Серговский П.С. Исследование влагопроводности и разработка методов расчета процесса сушки и увлажнения древесины: дисс. ... докт. техн. наук. - М., 1954.

Поступила 25.06.09

I.M. Merkushev

Moscow State Forest University

Kinetics of Defect-free Sawn Timber Drying

The equations for calculating the time of sawn timber drying are derived; the principles of building safe modes for convection drying are justified; the formulae are obtained for predicting the current moisture content of sawn timber in the drying process and graphical interpretation of the safe drying mode.

Keywords: kinetics, complete period, defect-free drying, transcendent functions, psychometric difference, modes.