Об особенностях режимов сушки лиственничных пиломатериалов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 647.047

об особенностях режимов сушки лиственничных

пиломатериалов Ш.Г. Зарипов

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира, 82, t-mail: @ sibstu. Kts.ru

В статье предлагаются основные положения процесса конвективной сушки лиственничных пиломатериалов, где критерием оптимизации - время формирования блокирующего слоя в периферийной зоне доски. Внедрение полученных результатов позволяет значительно сократить сроки сушки пиломатериалов данной породы древесины.

Ключевые слова: лиственница, экстрактивные вещества, блокирующий слой, температура, влагоперенос

The article describes the main provisions of convective drying process of larch timber, where the optimizing criterion - is the time of formation of a blocking layer in the peripheral zone of the board. Implementation of the results can significantly reduce the time of lumber drying of the given wood species.

Keywords: larch, extractives, blocking layer, temperature, moisture transfer

Введение. Вопросам оптимизации процесса конвективной сушки пиломатериалов различных пород посвящено большое количество работ. Используемые в настоящее время режимы сушки, разработанные на основе определённых критериев оптимизации, позволяют в той или иной мере решать поставленные задачи.

Древесину лиственницы принято относить к категории трудносохнущих, так как сроки сушки лиственничных пиломатериалов превышают в сопоставимых величинах в несколько раз сроки сушки сосновых пиломатериалов. Одной из основных причин низкой массопроводности является повышенное содержание в древесине лиственницы различного вида экстрактивных веществ (Иванов и др., 1968), основная масса которых сосредоточена в ядровой зоне бревна (23,7% от массы древесины в абсолютно сухом состоянии) (Левин и др., 1978). Такой вывод встречается практически во всех работах, посвящённых данной проблеме, что говорит о доказанности указанного явления.

На практике не всё так однозначно. Опытные сушки лиственничных пиломатериалов показали, что процесс обезвоживания лиственничных пиломатериалов делится на два хорошо различимых периода. Первый характеризуется интенсивным выводом ^ = 0,12 кг/(м2хч)), что соответствует скорости вывода влаги из древесины сосны на начальном этапе, второй - резким снижением интенсивности ^ = 0,02 кг/(м2хч)) (рисунок 1). В этот период интенсивность вывода влаги из сосновых пиломатериалов в 2 ... 3 раза выше лиственничных. Причём данный эффект наблюдается как на пиломатериалах толщиной 25 мм, так и 50 мм.

Приведённый пример указывает на то, что вла-гопроводность древесины лиственницы в процессе сушки - величина переменная независимо от тол-

щины доски. Причём в обоих случаях время перехода составляет 55 ... 60 часов, что позволяет утверждать о принципиальном изменении влаго-проводящей системы поверхностного слоя доски в указанный период времени сушки. Следовательно, влияние экстрактивных веществ на процесс сушки лиственничных пиломатериалов зависит не только от наличия экстрактивных веществ в древесине вообще, но от их локализации в периферийной зоне высушиваемой доски, а также от их физического состояния, что доказывается в ряде работ (Зарипов, Ермолин, 2011), (Зарипов, 2012), (Зарипов, Корниенко, 2012) и др.

Экспериментально установлено, что блокирующий слой в лиственничной доске не формируется только при атмосферной сушке. Камерная сушка, которая проводится при > 50°С, способствует формированию блокирующего слоя. При этом остаётся не до конца выясненным вопрос о режимах сушки, применении которых позволяет в максимально короткие сроки выводить влагу. Тогда цель данной работы - сформулировать основные принципы оптимизации режимов сушки, где критерием оптимизации является время создания блокирующего слоя в периферийной зоне доски.

Экспериментальные исследования. Проведённые опытные сушки показали:

- в процессе сушки лиственничных пиломатериалов наблюдается перераспределение экстрактивных веществ по толщине доски (таблица 1) (Зарипов, Ермолин, 2011). Это значит, что в процессе сушки по толщине доски перераспределяется водный раствор экстрактивных веществ, а не вода в чистом виде. Поэтому экстрактивные вещества способны локализоваться в периферийной зоне доски;

пп

Л н 50

и

с

е

в е 40

р

д

ь

т mi

с

о

н

ажн 20

л

щ

10

ч ¡

f h

I f -i -i

P Л Г 4 VT

S

а

о ¡T

о ^

о

х

-с -

£

40 60 80 100 120

Продолжительность сушки, ч

0,12 0,1 0,08 0,06

-- 0,04 g - о

-- 0,02 § И

ь

0 К

О.'К

о

100 150 200 250 300 Продолжительность сушки, ч

350

е

Рисунок 1 - Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов: а - сечением 25x100 мм; б - сечением 50x100 мм: 1 - изменение влажности; 2 - изменение удельной скорости сушки

Таблица 1 - Распределение водоэкстрактивных веществ по сечению лиственничных пиломатериалов

Содержание водоэкстрактивных веществ (% к массе абсолютно сухой древесины)

До сушки

После сушки

Периферий- Центральная Периферий- Центральная ная зона зона ная зона зона

14,05_26,4_21,5_13,5

- перераспределение водного раствора экстрактивных веществ осуществляется за счёт избыточного давления, создаваемого в центре доски парогазовой смесью (Зарипов, 2012). Вывод парогазовой смеси из древесины осуществляется циклически (рисунок 2).

60

50 р

40 1а

£

30 р

20 § Н

10 0

0,2

к s 0,18

I <u в 0,16

u 0,14

s s 0,12

í <u 0,1

■J o S o 0,08

X « 0,06

s o 2 o 0,04

X Ё 0,02

X O 0

S аро п

— — — 2 -

♦ 1 ' -

-fhr

t— 1

—4p w -1 \\

100 200 300

Продолжительность извлечения парогазовой смеси, ч

Рисунок 2 - Зависимость скорости извлечения парогазовой смеси от температуры: 1 - скорость извлечения парогазовой смеси; 2 -температура нагрева древесины (Зарипов, 2012)

Обсуждение. Полученные результаты опытных сушек лиственничных пиломатериалов указывают на то, что в процессе сушки в лиственничных пиломатериалах формируется блокирующий слой в периферийной зоне доски. Экспериментально установить количественные параметры экстрактивных веществ, при которых формируется блокирующий слой в периферийной зоне доски, не представляется возможным. Поэтому было принято решение об определении наличия блокирующего слоя по косвенным показателям системы, к которому относится давление в центре доски (рц) в виде некоторого фона.

Возможность использования указанного показателя основывается на таком свойстве парогазовой смеси, образованной в древесине, как повышенная по сравнению с водным раствором экстрактивных веществ проницаемость. Поэтому, фиксируя изменение давления в центре доски парогазовой смеси относительно некоторого нулевого значения, возможно, установить наличие блокирующего слоя в периферийной зоне доски.

Любое сдерживание выхода парогазовой смеси из доски неизбежно приводит к повышению давления. Поэтому, измеряя давление парогазовой смеси в центре доски при различных режимах, устанавливается влияние последних на образование блокирующего слоя в поверхностной зоне доски. При этом мониторинг давления в центре доски производился по методике, описанной в источнике (Зарипов, 2012).

Основной вывод, который следует из полученных результатов, заключается в том, что в периферийной зоне лиственничной доски, которая подвергается камерной сушке, происходят качественные изменения водопроводящей системы практически в любом температурном диапазоне. На рисунке 3 приведены результаты одной из опытных сушек. Анализ полученных данных указывает на то, что формирование блокирующего слоя в поверхностной зоне доски - многоэтапный процесс.

На начальном этапе повышается температура в центре доски, что приводит к образованию парогазовой смеси. Наличие давления активизирует перенос водного раствора экстрактивных веществ из центра доски в периферийную. На заключительном этапе происходит разделение раствора на влагу и сухой остаток. При этом каждый этап характеризуется определённой продолжительностью, зависящей как от влажности, так и температуры древесины.

В этой связи принципиально важным этапом является разделение раствора на влагу и сухой остаток, который может происходить либо в центре доски, либо на поверхности. Если процесс разделения раствора происходит в центре доски, то в периферийную зону доски выводится в основном влага, что увеличивает время сушки доски без блокирующего слоя. При разделении раствора на фракции в периферийной зоне доски неизбежно образование блокирующего слоя в короткие промежутки времени (20 ... 25 ч), что явно недостаточно для вывода основной массы влаги из доски.

80

70

о

60

я

с ^ 50

ь

Щ 40

о.

® г 30

S 20

1-

10

0

о--------2

ÍT

300

О)

250 Q.

Н

I

200 ш ш с

150 ю

5 и

Т

100 0)

Ц

QQ

50 ч:

0 10 20 30 40 50 60

Продолжительность сушки, ч

Рисунок 3 - Формирование избыточного давления в центре доски: 1 - температура; 2 - давление в центре доски

При этом разделение раствора связано с разрушением связей различного типа. Поэтому для изучения процессов переноса отдельных компонентов водного раствора экстрактивных веществ в древесине лиственницы при сушке, применима термофлуктуа-ционная теория массопереноса (Рейтлингер, 1974) и разрушения полимеров (Бартенев, 1984).

Тогда средняя продолжительность времени т, в течение которого молекула (комплекс молекул) колеблется около положения равновесия при определённой температуре, примет следующий вид (Бартенев, 1984):

t = т0ехр

Ер-ст

RT ''

- Е0 > ст ■ - Е0 < ст ■

Из вышесказанного следует, что температура и влажность древесины устанавливают некоторую инерционность переноса влаги и экстрактивных веществ, что предопределяет различие в параметрах режимов, при которых происходит диффузия различных веществ. Продолжительность колебания молекулы воды, находящейся в растворе, зависит только от температуры древесины - с увеличением температуры увеличивается вероятность разрыва связи как с древесиной, так и с экстрактивными веществами (Бартенев, 1984). Вследствие того, что время покоя экстрактивных веществ зависит как от температуры, так и от влажности древесины, то снижение содержания влажности в растворе экстрактивных веществ увеличивает их вязкость, снижая тем самым их проницаемость.

Зависимость проницаемости от вязкости раствора анализируется по нижеприведённому соотношению (Горшков, Кузнецов, 2006), согласно которому проницаемость раствора повышается при снижении его вязкости:

Л/? - р - (k2 + Xn)

(2)

(1)

где Ед - энергетический барьер связи; ст - величина сдвиговых напряжений, действующая на связь;

tg - период колебания частицы; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Режим сушки пиломатериалов характеризуется определённой интенсивностью массопереноса (эффективность действия силы переноса), что предопределяет соотношение величин Ед и ст:

массоперенос отсутствует; массоперенос имеет место; - Ед @ ст - наблюдается неустойчивое состояние. Величину сдвиговых напряжений следует принимать за постоянную величину, так как объём извлекаемой парогазовой смеси и интенсивность извлечения в интервале температур 44°С ... 65°С практически одинаковы. Тогда перенос экстрактивных веществ определяется величиной Е0, которая зависит от температуры и влажности древесины (Бабкин и др., 2003). С увеличением температуры увеличивается амплитуда колебаний молекул (комплекса молекул), что способствует разрушению связи (Бартенев, 1984) макромолекулы с древесинным веществом, а с уменьшением содержания влаги в растворе увеличивается размер молекул, что предусматривает наличие увеличенного размера проходного канала. Поэтому коэффициент диффузии молекул в полимере экспоненциально убывает с увеличением их размеров (Barrer, 1948).

где k1, k, п - константы, характеризующие конкретную систему «мембрана - раствор»;

х - концентрация исходного раствора;

р - плотность раствора;

т - вязкость раствора.

Практическое применение данного положения позволяет разделить потоки влажности и экстрактивных веществ в центре доски, а не на поверхности. Для этого достаточно на начальном этапе сушки из периферийной зоны доски (@ 5 ... 8 мм) вывести основную массу влаги, что приводит к повышению вязкости раствора экстрактивных веществ. Тогда большая часть экстрактивных веществ ввиду повышенной связи с древесиной остается в исходном положении, тем самым, исключается возможность вывода их в поверхностный слой доски и, как следствие создание блокирующего слоя.

Экспериментально удалось установить оптимальную температуру, при которой следует проводить начальную ступень сушки лиственничных пиломатериалов - 44 ... 46 °С. Сушка в указанном температурном интервале сохраняет в первоначальном виде влагопроводящую систему периферийной зоны доски максимально длительное время (до 50 ... 60 ч.), что позволяет сократить общее время сушки. Применение вышеуказанных положений позволяет высушивать лиственничные пиломатериалы толщиной 50 мм от Ж @ 50 % до Ж =20±2 % в сушильных камерах периодического действия «Ыа^Ьу за 9 ... 10 суток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сдерживающий эффект выводу влаги из доски экстрактивные вещества древесины лиственницы оказывают только в случае перехода в твёрдое состо-

о

яние, которое формируется при значительном снижении влажности в растворе.

2. Сушку лиственничных пиломатериалов следует рассматривать как двухэтапный процесс. Первый этап характеризуется интенсивным выводом влаги, что соответствует скорости вывода влаги из древесины сосны, второй - резким снижением скорости сушки. Причём данный эффект наблюдается как на пиломатериалах толщиной 25 мм, так и 50 мм.

3. Экспериментально доказано, что температурный режим в начальный период сушки 44 ... 46 °С наиболее эффективным, так как применение такого режима сохраняет в первоначальном виде влагопро-водящую систему периферийной зоны доски максимально длительное время, что позволяет сократить общее время сушки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Левин, Э.Д. Комплексная переработка лиственницы [Текст) / Э.Д. Левин, О.Б. Денисов, Р.Э. Пен. - М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 224 с. Смолистые вещества древесины и целлюлозы [Текст) / М.А. Иванов [и др.). - М: Лесная пром-сть, 1968. - 352 с. Зарипов, Ш.Г. Избыточное давление в лиственничных пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке [Текст) / Ш.Г. Зарипов, В.Н. Ермолин// Лесной журнал. - 2011. - № 4. - С.52-57. Зарипов, Ш.Г. Влияние водорастворимых экстрактивных веществ на процесс переноса влаги при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов [Текст) / Ш.Г. Зарипов // Известия СПбЛА., 2012. - № 201. - С.178-186.

Зарипов, Ш.Г. Особенности переноса парогазовой смеси через окаймлённую пору в процессе конвективной сушки лиственничных пиломатериалов [Текст) / Ш.Г. Зарипов, В.А. Корниенко // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч.тр. / под общей редакцией Е.А.Памфилова. Сборник научных трудов. - Брянск. - Вып. 34. - 2012. - С.44 - 49.

Зарипов, Ш.Г. Перераспределение водорастворимых экстрактивных веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной сушки [Текст) / Ш.Г. Зарипов, В.Н. Ермолин // Хвойные бореаль-ной зоны. - 2010. - № 3-4 - С. 352-354.

Зарипов, Ш.Г. «Сила переноса» влаги в древесине лиственницы при конвективной сушке [Текст) / Ш.Г. Зарипов // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. / под общей редакцией Е.А.Памфилова. - Брянск. - Вып. 34. - 2012. -С.39 - 44.

Рейтлингер, С.А. Проницаемость полимерных материалов [Текст) / С.А. Рейтлингер.- М.: Химия, 1974. - 272 с.

Бартенев, Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров [Текст) / Г.М. Бартенев. - М.: Химия, 1984. - 280 с.

Эффективный антиоксидант из древесины лиственницы [Текст) / В.А. Бабкин [и др.) // Хвойные бо-реальной зоны. - 2003. - №1 - С. 108-113.

Barrer, R.M. Transport and equilibrium phenomena in gas-elastomer systems. II. Equilibrium phenomena [Text) / R.M. Barrer, G. Skirrow // J. Polym. Sci. -1948. - v.3. - №4. - Р.599.

Горшков, В. И. Основы физической химии [Текст) / В. И. Горшков, И.А.Кузнецов. - 2-е изд., испр. и доп. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.- 407 с.