CC BY
23
УДК 674.047
О МЕХАНИЗМЕ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ В ДРЕВЕСИНЕ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ ПРИ СУШКЕ
Ш.Г. Зарипов
ФГБОУ ВПО «Сибирский Государственный технологический университет» 662543, Красноярский край, г. Лесосибирск, ул. Победы, д. 29 e-mail zaripov_sh@mail.ru
Основываясь на результатах экспериментальных исследований, автор предлагает гипотезу о механизме вывода влаги из древесины лиственницы при конвективной сушке. При этом особое внимание уделено клеткам пограничного слоя доски, в которых наблюдаются циклические процессы заполнения и вывода водного раствора экстрактивных веществ в сушильное пространство сушильной камеры.
Ключевые слова: градиент влагосодержания, конвективная сушка древесины, избыточное давление, сила переноса, проводимость
Based on the results of experimental studies, the author proposes a hypothesis about the mechanism of withdrawal of water from larch wood in convective drying. Particular attention is given to the cells of the boundary layer board, in which there are the filling process and cyclic output aqueous extractables into the drying space of the drying chamber.
Key words: moisture gradient, convective drying of wood, excess pressure, force of transfer, conductivity
При большом разнообразии решения задач по переносу влаги в древесине при конвективной сушке основным положением является то, что изменение влагопотенциала связано только с изменением влагосодержания окружающей среды (Серговский, Расев, 1987, Шубин, 1973). При этом плотность потока влаги пропорциональна градиенту влагосодержания и коэффициенту влагопроводности:
z = - a ■ р 0
du dx
(1)
где а' - коэффициент влагопроводности (аналог коэффициенту температуропроводности);
р0 - плотность вещества в абсолютно сухом состоянии;
ёы/ёх - градиент влагосодержания. Изменение влагосодержания в произвольной точке одномерного тела по времени т в зависимости от влагосодержания окружающей среды описывается уравнением (Серговский, Расев, 1987):
du dx
= а ' (u ,
(2)
где а'- коэффициент влагообмена; ыпое, ыу - влагосодержание поверхности доски и устойчивое влагосодержание, соответствующее состоянию среды.
Из уравнения 2 видно, что при понижении вла-госодержания окружающей среды относительно влагосодержания поверхности доски повышается влагопотенциал. В результате формируется градиент влагосодержания между поверхностным слоем и точкой одномерного тела, которая находится на глубине «х». Следовательно, поток влаги в древесине тем выше, чем больше разница между влаго-содержанием на поверхности доски и устойчивым
влагосодержанием агента сушки.
При изучении особенности конвективной сушки лиственничных пиломатериалов вышеприведённые материалы получили своё подтверждение только частично - установлено влияние температуры древесины на процесс обезвоживания (Зарипов, 2012). Не установлено влияние изменения влагосо-держания агента сушки на плотность потока влаги в древесине. Из этого следует, что градиент влагосо-держания между поверхностным слоем и точкой одномерного тела, которая находится на глубине «х», не является тем влагопотенциалом, посредством которого осуществляется влагоперенос в лиственничной доске. Такое утверждение в полной мере согласуется с выводом, который изложен проф.Чудиновым Б.С. (Чудинов, 1984). В таблице 1 проиллюстрированы результаты пробы, взятой из высушенной партии пиломатериалов температурами, не превышающими 60 °С, которые указывают на то, что наличие значительного перепада влажности не только по сечению доски, но и в смежных точках не способствует переносу влаги. Дополнительная сушка в течение 72 ч не изменила имеющееся распределение влажности. Между тем, было установлено, что древесина лиственницы при tс > 44 °С проявляет химическую активность, которая выражается в виде образования в центре доски парогазовой смеси (Зарипов, Ермолин, 2011). В составе извлечённой парогазовой смеси при tс = 84°С было обнаружено, в общей сложности, порядка 139 компонентов. При этом каждый компонент смеси создаёт своё парциальное давление. В результате в центре доски создаётся суммарное избыточное давление, которое, по нашему мнению, является тем влагопотенциалом, посредством которого производится перераспределение не только влаги, но также водорастворимых экстрактивных веществ (Зарипов, Ермолин, 2010).
a
u
x = 0
Таблица 1 - Распределение влажности по сечению доски (НхЪ = 50x150 мм). Время сушки - 350 часов. №гср.= 30,41%
Влажность, %
Номер элемента по -
толшине Номер элемента по ширине
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 14,1 18,3 20,3 20,3 18,8 19,4 18,9 17,8 13,7
2 17,6 28,3 29,6 31,6 28,3 28,9 29,7 26,5 19,1
3 21,0 38,6 52,8 51,4 45,0 39,2 45,2 42,2 22,7
4 22,3 42,3 53,7 45,6 44,9 40,9 43,5 49,1 23,7
5 20,2 29,2 31,9 30,7 30,9 28,9 30,3 31,5 22,6
6 15,3 19,8 19,0 18,8 19,7 19,2 19,3 20,3 16,4
Примечание: Среднее значение начальной влажности высушиваемой партии пиломатериалов составляло 50,5 %.
Механизм перераспределения как влаги, так и экстрактивных веществ при наличии избыточного давления в центре лиственничной доски, который создаётся парогазовой смесью при различной концентрации водного раствора экстрактивных веществ, не изучался. В настоящей работе предлагается гипотеза, в которой излагаются основные положения механизма по выводу влаги из древесины лиственницы под действием избыточного давления.
ОБСУЖДЕНИЕ
При изучении вопроса по распределению влаги в ядровой зоне лиственничного бревна была установлена высокая степень неравномерности -38,2 % в одной точке и 94,1 % - в другой (ДWн = 55,9 %). Обращает на себя внимание различие влажности древесины в смежных точках - 60,6 % и 41,0 %, 94,1 % и 69,8 % и т.д. При этом какой-либо закономерности распределения влажности по сечению определить не удалось. Также не удалось установить закономерности при изучении вопроса распределения водорастворимых экстрактивных веществ. Имеющиеся в литературных источниках данные дают самые общие сведения по данной проблеме, которые не позволяют конкретизировать решение поставленной задачи.
Повышенная неопределённость в распределении водорастворимых экстрактивных веществ связана с особенностями жизнедеятельности дерева, что на данный момент не поддаётся анализу. Неравномерность распределения водорастворимых экстрактивных веществ может быть отслежена при анализе фотографий (рис. 1), на которых представлен поперечный разрез клеток ранней древесины лиственницы. На фотографиях достаточно чётко различимо наличие определённого вида веществ, не характерных для древесного вещества. Снимки были получены из одного образца без предварительной экстракции срезов, что позволило зафиксировать содержимое внутриклеточного пространства. Нетрудно убедиться в том, что общая площадь полости клетки в обоих случаях одинакова. В то же время в первом варианте (рис. 1а) только некоторая часть площади занята экстрактивными веществами, а остальная часть площади может заполняться либо во-
дой, либо парогазовой смесью. Во втором варианте (рис. 1б) всё с точностью наоборот - только некоторая часть площади остаётся под накопление воды или парогазовой смеси, а на остальной части внутриклеточного пространства расположены экстрактивные вещества.
Следовательно, содержание свободной влаги как по количеству, так и по виду связи в ранней древесине годичного слоя зависит от наличия экстрактивных веществ, содержащихся в указанной точке доски. Из вышеприведённого материала следует, что во внутриклеточном пространстве ранней древесины лиственницы формируется водный раствор экстрактивных веществ определённой концентрации, который характеризуется, с одной стороны, осмотическим давлением, а с другой - водным потенциалом (ув), относящимся к термодинамическому показателю системы (Крамер, Козловский, 1983).
При условии равновесного состояния (состояние плазмолиза) выполняется условие, при котором ув = уосм. Многочисленные наблюдения за древесиной лиственницы при её сушке и хранении указывают на то, что неравномерность распределения влажности в центре доски (состояние плазмолиза) сохраняется достаточно длительное время. Изменение влажности в доске начинается с поверхностного слоя, последовательно продвигаясь к центру. Подача в сушильную камеру тепловой энергии приводит к нарушению первоначального равновесного термодинамического состояния в высушиваемой древесине - повышается давление за счёт образования парогазовой смеси. В результате ув = уосм + удавл., что способствует выводу водного раствора экстрактивных веществ из периферийной зоны доски в сушильное пространство камеры. Вывод раствора на поверхность доски осуществляется до момента ув = уосм. (рис. 2), пока в полостях клеток поверхностного слоя не установилось некоторое равновесное состояние с агентом сушки. В то же время, полученное равновесное состояние, которое установилось относительно агента сушки, не является равновесным относительно смежных клеток по толщине доски, где сохраняется ув = уосм + удавл. За счёт избыточного давления, которое сохраняется в полостях смежных клеток, происходит перераспределение водного
раствора экстрактивных веществ до ув = уосм. (рис. 3). Из представленной гипотезы обезвоживания лиственничной доски очевидно, что в клетках пограничного слоя наблюдаются циклические процессы, при реализации которых из центра доски выводится водный раствор экстрактивных веществ (рис. 4).
Агент сушки
а б
Рисунок 1 - Поперечный разрез древесины лиственницы сибирской ранней зоны годичного слоя под микроскопом (увеличение 200 раз): а - сосредоточение экстрактивных веществ по периферии внутриклеточного пространства; б - заполнение указанной группы веществ большей части внутриклеточного пространства
Агент сушки
Ар"иэ5.~> ПЖ
Ар'ззб.->0
Рисунок 2 - Эффект действия избыточного давления внутри клетки, находящейся в пограничном слое (первый этап)
Динамика вывода влаги из поверхностного слоя доски толщиной 5 мм наглядно прослеживается по данным таблицы 2.
р-р'А"' "" пах
Рисунок 3 - Эффект действия избыточного давления внутри клетки, находящейся в пограничном слое (2 этап)
60
0.2
р
и 1 0.15
@ вГ
§ £ в § 1 $ М Н о 0,1 0.05
К и
1 & к с 0
■ ШШ '
т т
Й 1 1 ¡1
г
50 о
о
«Г
40
Д)
30 | 20 £ 10 0
0 100 200 300
Продопжш'бпьность нзьпечения парогазовой смеси, ч
Рисунок 4 - Зависимость скорости извлечения парогазовой смеси от температуры: 1 - скорость извлечения парогазовой смеси; 2 -температура нагрева древесины (Зарипов, 2012)
Удаление влаги осуществляется равномерно. Граница водораздела хорошо различима. При этом влажность поверхностного слоя характеризуется высокой степенью однородности значений по влажности, что является отличительной особенностью от слоёв, находящихся в центре доски, в которых наблюдается значительный разброс влажности. Из этого следует, что перенос влаги в равной степени осуществляется как в радиальном, так и в тангенциальном направлении.
Таблица 2 - Распределение влажности по сечению доски сечением 25х100 мм после 33,5 часов сушки ((с = 44 °С)
Влажность, %
Номер элемента по -—-
тпптттинр Номер элемента по ширине
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 16,6 19,3 18,8 17,2 17,2 18,5 16,8 17,0 17,4 14,0
2 16,7 41,6 30,9 26,1 26,6 30,5 28,1 26,9 26,5 17,8
3 19,1 56,6 46,1 40,4 38,1 46,8 39,8 38,6 36,5 20,7
4 18,4 41,5 27,2 29,7 28,3 27,8 28,4 28,5 27,8 19,6
5 17,8 19,6 18,9 18,2 18,5 18,4 18,0 18,4 18,2 14,9
Средняя влажность ■ - 26,8%
ВЫВОДЫ
1. При сушке лиственничных пиломатериалов не прослеживалось изменение влагопотенциала, связанного только с изменением влагосодержания окружающей среды.
2. В свежесрубленной древесине лиственницы формируется водный раствор экстрактивных веществ, характеризуемый определённой концентрацией. Каждому значению концентрации соответствует осмотический потенциал.
3. Влажность и водорастворимые экстрактивные вещества распределяются в ядровой зоне бревна по достаточно сложной трудноанализируемой схеме, которая формируется под действием жизнедеятельности дерева.
4. Влагосодержание древесины при сушке лиственничных пиломатериалов может выражаться через водный потенциал, посредством которого устанавливается наличие влаги в растущем дереве.
5. Наличие парогазовой смеси в центре высушиваемой доски выступает тем возмущающим фактором, посредством которого создаются условия, при которых клетки пограничного слоя активно принимают участие в выводе влаги на поверхность доски.
6. Цикл вывода влаги из древесины состоит из двух основных этапов - на начальном этапе посредством избыточного давления водный раствор экстрактивных веществ выводится на поверхность доски за счёт перепада давления. В процессе выравнивания давления внутри доски в свободное внутриклеточное пространство поступают из цен-
тра доски новые порции раствора из смежных клеток.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины [Текст] : учебник для вузов / П.С. Серговский, А.И. Расев. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесн. промышленность, 1987. - 360 с.
Шубин, Г.С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины [Текст] / Г.С. Шубин. - М.: Лесн. промышленность, 1973. - 248 с. Зарипов, Ш.Г. «Сила переноса» влаги в древесине лиственницы при конвективной сушке [Текст] / Ш. Г. Зарипов // Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник научных трудов / под общей редакцией Е. А. Памфилова. - Брянск. - Вып. 34. - 2012. - С.39 - 44. Чудинов, Б.С. Вода в древесине [Текст] / Б.С. Чуди-
нов. - Новосибирск : Наука, 1984. - 267 с. Зарипов, Ш. Г. Избыточное давление в лиственничных пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке [Текст] / Ш. Г. Зарипов,
B.Н. Ермолин // Лесной журнал. - 2011. - № 4 -
C.52-57.
Зарипов, Ш. Г. Перераспределение водорастворимых экстрактивных веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной сушки [Текст] / Ш.Г. Зарипов, В.Н. Ермолин // Хвойные бореальной зоны : теоретический и научно-практический журнал. - 2010. - Т.ХХУ11. - № 3-4. - С. 352 -354. Крамер, П. Физиология древесных растений [Текст] : пер. с анг. / П. Крамер, Т. Козловский. - М. : Лесн. пром-сть, 1983. - 464 с.
Поступила в редакцию 24 апреля 2013 г. Принята к печати 16 мая 2013 г.
