CC BY
17
О НАЧАЛЬНОМ ПРОГРЕВЕ ШТАБЕЛЯ ПРИ СУШКЕ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ БЕЗ ИСКУССТВЕННОГО УВЛАЖНЕНИЯ
ОБРАБАТЫВАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Гороховский А.Г. (УралНИИПДрев, г. Екатеринбург, РФ) Удачина О.А. (Уральский ИНПК кадров лесного комплекса, г. Екатеринбург, РФ) Шишкина Е.Е. (УралНИИПДрев, г. Екатеринбург, РФ)
During the process of initial warming up of a stack of lumber when drying without an artificial moistening of processing medium, the chamber air becomes saturated with moisture, while very small changes of moisture of lumber stack surfaces occur. At ф=1,0 the drying process practically stops, while there is no danger of loss of weight through drying in the surface zones, and no occurrence of internal stress.
При существующей технологии сушки в камерах периодического действия с целью повышения «безопасности» прогрева штабеля (а также при кондиционировании высушенных пиломатериалов) в пространство камеры подается распыленная вода достаточно высокой степени диспергирования. Испаряясь, эта вода доводит до требуемой насыщенность воздуха (ф) в камере. Естественно, что на испарение этой воды требуется энергия и немалая: более 12 % суммарных затрат тепловой энергии на сушку [1]. Кроме того, в 90 е годы в промышленности появилось достаточно много камер, не оборудованных устройствами распыления воды, а технологический пар, который также мог бы быть применен для целей увлажнения, также отсутствует на большинстве предприятий [2]. Однако, как показали проведенные теоретические и экспериментальные исследования возможно осуществление качественной сушки пиломатериалов с проведением первоначального прогрева без искусственного увлажнения среды.
При анализе процессов движения влаги в древесине при сушке некоторые авторы [3, 4, 5] выделяют две зоны в сечении высушиваемого сортимента: 1 - поверхностную; 2 - внутреннюю.
В начале процесса сушки поверхностное испарение будет вызывать снижение влажности наружных слоев. После того, как свободная влага с поверхности доски будет удалена, между внутренними слоями и поверхностью появляется разность капиллярных давлений, обеспечивающая подсос свободной влаги по мере ее испарения. В поверхностной зоне действует закон пропорциональности плотности потока влаги градиенту влажности. П.С. Серговский, например, называет ее зоной влагопроводности [3], а В.А. Баженов [4] - диффузной зоной.
Внутреннюю зону доски оба автора называют капиллярной зоной, поскольку в ней действуют силы капиллярного давления, под действием которого свободная влага подсасывается к поверхности соприкосновения указанных двух зон. В дальнейшем мы будем называть эту зону поверхностной.
Характеру распределения влажности по сечению высушиваемого сортимента посвящены многочисленные исследования [6, 7, 8, 9]. Однако практически авторы рассматривают период испарения связанной влаги, при этом, например, академик А.В.Лыков считает, что влажность распределяется по толщине материала по пара-
боле второй степени [5]. И.В. Кречетов [9] определил при этом, что средняя влажность материала Wсp достигается на глубине
У = 0,2^, (1)
где S - толщина доски.
А для начального периода испарения влаги точные данные в литературе отсутствуют, но И.В. Кречетов считает, что для периода испарения свободной влаги
= Wм - Ь х4
(2)
где Wх - текущее значение влажности на расстоянии х от средней линии доски; Wм - максимальное значение влажности древесины (в центре доски); Ь - некоторый коэффициент.
То есть в начальный период закон распределения влажности по толщине сортимента описывается параболой четвертой степени.
Тогда
= Г
Г Л4 ' х х
V Я у
* - Жп)
(3)
где Wп - влажность на поверхности материала; Я - половина толщины материала.
Преобразуем выражение (3). Для этого введем обозначение ДW = Wм - Wп и разрешив (3) относительно х получим
х
Я 4
- W„
(4)
(5)
ЛW •
Ведем обозначение у = Я - х ,
где у - размер поверхностной зоны.
Расчетная схема определения размера поверхностной зоны приведена на рис. 1, а ее величина составит:
г
У = я
1 - 4
\W - W
м х
ЛW
"Л
(6)
V "" У
Определим величину у для конкретного примера. Зададимся величинами Wм = Wн = 60 %, Wх = 59 % - снижение влажности на границе поверхностной и внутренней зон. ДW = 5 %
При этом средняя величина влажности в поверхностной зоне
Ж, + Wv
W
ср.п.з.
УУи №.
2
= 57%
УУм УУх
УУ/ср п.д.
ф
\
7 йW 1 Ч \ \
- V 1 У
< И
Рисунок 1 - Расчетная схема определения размера поверхностной зоны предел гигроскопичности древесины)
AWCр.п, = 60 - 57 = 3 %,
где AWср.п.з. - изменение средней влажности поверхностной зоны.
С достаточной для практики точностью изменение влажности доски в поверхностной зоне (1 - 2) можно аппроксимировать прямой линией.
Размер поверхностной зоны при этом составит
у = 6,62 мм
В дальнейшем принимаем у = 7 мм.
Для проведения дальнейших рассуждений нам необходимо ввести понятие влагоемкости, которое представляет для нас наибольший интерес, т.к. зная его величину можно определить количество влаги, которое необходимо испарить из поверхностной зоны для полного насыщения влагой воздуха во внутреннем объеме сушильной камеры.
Широко известна формула для определения влагосодержания воздуха [8]:
^ = 622 в ^ Н( (к , г/кг абс. сухого воздуха (7)
в ~ФРн ( )
где Рн 0) - давление насыщенного пара в функции температуры, Па; В - атмосферное давление, Па.
При ф = 1,0 d представляет собой ни что иное как влагоемкость, обозначим ее как d', тогда
Р )
^' = 622 В "р (/0) , г/кг абс. сухого воздуха (8)
Анализ (8) показывает, что влагоемкость воздуха очень сильно зависит от температуры. При ^ = 100 0С влагоемкость становится бесконечно большой. В то же время, скажем при ^ = 80 0С, его влагоемкость составляет d' = 570 г/кг абс. сухого воздуха.
Рассмотрим взаимодействие поверхностной зоны штабеля пиломатериалов с воздушной средой камеры на примере.
Исходные данные:
1. Тип камеры - УЛ-1
-5
2. Габаритная емкость штабеля - 15,3 м условного пиломатериала
-5
3. Свободный внутренний объем камеры - 61,7 м
-5
4. Объем поверхностной зоны всех досок штабеля - 6,12 м
5. Количество влаги в поверхностной зоне (начальная влажность древесины 60 %) - 1470 кг
Далее мы моделируем ситуацию прогрева штабеля пиломатериалов при закрытых приточно-вытяжных каналах.
На рис. 2 приведен график полной влагоемкости среды камеры УЛ-1. Прямая 1 - это зависимость массы влаги, испаряемой из поверхностной зоны досок, формирующих сушильный штабель, от изменения средней влажности поверхностной зоны. Из графика следует, что при изменении AWсp.п.з. от 0,5 до 3,0 % в воздух камеры испаряется соответственно от 12 до 73 кг влаги. Кривая 2 - зависимость полной влагоемкости камеры от температуры, т.е. она показывает, сколько влаги содержится в воздухе камеры при относительной влажности ф = 1,0. Так при ^ =
50 0С для полного насыщения воздуха камеры необходимо всего 5 кг влаги, а при 100 0С - уже около 35 кг. При рассмотрении взаимного расположения зависимостей 1 и 2 видно, что влаги, содержащейся в поверхностной зоне, с избытком хватает, чтобы насытить влагой воздух камеры в диапазоне температур 50 - 100 0С даже без учета того, что воздух изначально имеет обычно достаточно высокую относительную влажность (ф = 0,6 - 0,8). Так при 1:с = 100 0С воздух камеры насытится влагой уже при изменении ДWсpп3 всего на 1,4 % (при 1:с = 80 0С ДWсpпз ~ 0,7 %).
Таким образом, из всего вышесказанного следует, что в процессе первоначального прогрева штабеля пиломатериалов, при сушке без искусственного увлажнения среды, воздух камеры насыщается влагой при очень небольших изменениях влажности древесины поверхностной зоны досок (доли и единицы процентов). При достижении ф = 1,0 процесс сушки практически прекращается, точнее говоря интенсивность испарения становится настолько малой, что ей можно пренебречь. Опасности возникновения усушки в поверхностной зоне, а значит, и появления внутренних напряжений при этом нет.
Температура среды, ОС ^в)
40 50 60 70 80 90 100
80
Масса влаги, испаренная из поверхностной 60 зоны, кг
Полная влагоемкость камеры, кг
1 *
А
/
А
/
/ \*
/ / 1 /
У
л 1 —-
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,1 Изменение средней влажности поверхностной зоны, % (¿"Мср.п.з.)
Рисунок 2- График полной влагоемкости среды лесосушильной камеры УЛ-1
