Основи технології пропарювання і сушіння дров Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Науковий вкник НЛТУ Украши, 2017, т. 27, № 1

ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)

УДК 674.047 Article info Received 03.02.2017

ОСНОВИ ТЕХНОЛОГИ ПРОПАРЮВАННЯ I СУШ1ННЯ ДРОВ

Р. О. Рокунь

НЛТУ Украши, м. Львiв, Украша

Дослщжено процеси початкового названия i пропарювання деревини бука у виглявд профшь-них заготовок. Описано динамiку змши температури деревини загалом та поверхневих i внутрiшнiх шарiв деревини зокрема, а також зм^ теплових властивостей (коефщенлв теплопровiдностi i тем-пературопроввдносп та питомо'1 теплоeмностi) деревини. Змша теплових властивостей деревини призводить також до змши теплообмшннх критерГ1'в Фур'е та Нуссельта. Отже, використання дифе-ренцiйного рiвняння теплопровiдностi Фур'е можливе тшьки для визначеного перiоду процесу наг-рiвання. Проведено експериментальнi дослщження процесу сушiння профiльних заготовок (дров) з попередшм пропарюванням та без попереднього пропарювання, знайдено вiдповiднi величини швиIцкостi сушшня, коефiцiентiв вологопровiдностi i вологоввддач^ коефiцiента сушшня та масооб-мiнних критерй'в Фур'е i Нуссельта, за якими, врахувавши критерiй Рейнольдса, можна синтезувати ф!зико-математичну модель процесу сушшня. Розроблено структуру технологiчного процесу сушшня дров, яка охоплюе такi послiдовнi технологiчнi операцй: початкове на^вання - пропарювання -сушшня, що дае змогу значно штенсифкувати тепломасообмiннi процеси i, в шдсумку, скоротити тривалiсть процесу сушiння на 25 % та ввдповвдно заощадити витрати теплово'1 енергй.

Ключовi слова: волопсть, густина, теплопровiднiсть, питома теплоемшсть, температуропровiднiсть, швидкiсть сушiння, вологопровщнють, вологовщцача, деревина бука, на^вання, пропарювання.

Вступ. Досладження процесiв початкового нагрь вання i пропарювання деревини бука, як проводили дослiдники, виявили динамiку змши температури деревини та И фiзичних (вологостi, густини), теплових (теплопровщшсть, питома теплоeмнiсть, температу-ропровiднiсть), мехашчних (показник1в мiцностi) та реологiчних (деформаци деревини: пружнi, пружно-еластичнi, залишков^ властивостей, а також змiни кольору (наприклад, у бука, вiльхи та шших порiд) (БПе] й а1., 2012; БИе], 1993; Pavljust, 1986; Кгауее, 2000; Vintoniv, Sopushynskyj, & Tajshinger, 2007; БИе], 2005).

Найближчим аналогом технологи сушшня дров може послужити технолопчна схема сушiння про-фщьних заготовок (взуттевих колодок) з буково! деревини. По сутi, за зовншньою конфiгурацieю колотi дрова також можна ввднести до профiльних заготовок з масивно! деревини. Вони мають рiзний профiль тор-ц1в (у виглядi сектора, сегмента кола, трапецп, три-кутника ...), який може змiнюватись по довжинi заготовки.

Виробничий досвiд сушiння дров виявив деяк складностi проведения процесу, а саме: у початковий перюд процесу сушшня зменшуються радiуси макро-i мiкрокапiлярiв та iнших порожнин, особливо у тор-цевих зонах, що заблоковуе доступ вологи iз внутрш-тх до зовнiшнiх шарiв деревини, i цим самим змен-шуеться вологовщдача з поверхнi матерiалу. Тому ви-никае великий перепад вологостi по товщиш i довжи-нi матерiалу. Якщо би вологовiддача поверхнi матерь алу вiдповiдала внутрiшньому вологоперенесенню, то тодi було б створено в« умови для iнтенсивного вида-лення вологи, тобто сушiння. Окрiм цього, букова деревина мктить значну кшьюсть екстрактивних речо-вин та й шших включень, що гальмують вологопро-вiднiсть деревини. Отже, наявш всi аргументи, якi пiдтверджують доцшьшсть прийняття за основу тех-нолопчш схеми сушiния букових взуттевих колодок та iншi профiльнi заготовки: приклади та iншi части-

ни стршецько! збро!, деталi музичних шструменпв, меблевих i столярних вироб1в тощо (Pavljust, 1986; Kravec, 2000).

Основна частина. Перш шж вивчати процеси наг-piвання i сyшiння деревини, потpiбно визначити теп-лофiзичнi властивостi деревини. У процес початкового нагршання змiнюeться температура деревини, а ввдповщно з цим i коефiцieнти теплопроввдносп i тем-пеpатypопpовiдностi, а також питома теплоемшсть деревини.

Якщо в процес початкового нагршання буде вста-новлено така вологiсть середовища (ф=0,98...0,99), що не буде ввдбуватись вологообмiн (сyшiння), то можна вважати, що середня вологiсть не буде змiню-ватись, тобто W =const. Середню абсолютну вологiсть дослiдних зразюв визначають за формулою

- 1 n

W = -n,=1

(1)

де: n - кiлькiсть дослвдних зpазкiв, шт.; Wi - волопсть окремого зразка, яку визначають за формулою

Mt - M,

Wi =-

Moi

100%,

(2)

де: Mi - маса окремого зразка у вологому сташ, кг; Мо - маса окремого зразка в абсолютно сухому сташ, кг.

За величиною середньо! абсолютно! вологосп деревини визначають середню вщносну волопсть дере-вини

Wв = WM- , %. Moi

(3)

За середньою ввдносною волопстю деревини та се-редньою температурою у процес початкового нагpi-

вання (t = i (t0 -1,), де t0 - початкова температура де-

ревини, °С; tK - температура деревини в юнщ процесу початкового нагршання) за емпipичною формулою (Kravec, 2000) можна визначити середню питому теп-лоемнiсть

Citation APA: Rokun, R. (2017). The Basic Technology of Steaming and Drying of Wood. Scientific Bulletin of UNFU, 27(1), 168-171. Retrieved from http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/191

С = 1,172

Ш,

1 + -

100

Науковий вкник НЛТУ Украши, 2017, т. 27, № 1

0.2

, кДж/(кг °С). (4)

Коефщенти теплопровiдностi i температуропро-ввдносп доцiльно визначати для радiального напрям-ку та повздовж волокон. За експериментальними да-ними знайдено, що: С =2,54 кДж/(кг °С); Яр=0,385 Вт/(м °С); Ад=0,73 Вт/(м °С); ар=1,76^0-7 м2/с; ал=3,37^10-7 м2/с; р,=834 кг/м3.

Щоб забезпечити рiвномiрне поступове початкове названия деревини, потрiбно, щоб питома потуж-нiсть початкового на^вання була постiйною, тобто Мд=сот1. Тодi можна за видозмiненою формулою Ньютона визначити коефвдент теплообмiну

а = -

N0

■ {^с ¿пов )

Вт/(м2 °С),

(5)

де: N0 - питома теплота початкового на^вання, кВт/м ; Ку - спiввiдношения поверхиi теплообмiну до об'ему матерiалу (для експериментального матерiалу Яу=48,5 м2/м3); гс, гпов - вiдповiдно температура сере-довища та температура поверхнi матерiалу, °С.

Згiдно з розрахунками отримано, що коефщент теплообмiну зменшуеться вiд атах=37,1 Вт/(м2 °С) до атт=0,82 Вт/(м2 °С).

За отриманими вище даними можна визначити теплообмiннi критерií Фуре (Бод) та (№д) за вiдповiд-ними формулами:

ат

¥оа = —,

г К2' аК

Ша =-.

4 1

(6) (7)

" (м

г=г0+а ^

°С,

(8)

де: п - кшьисть ступеней процесу нагр1вання; Лг/Лт -градiент змiни температури деревини, °С/год.

Структура технологiчного процесу сушшня дров, як зазначено вище, складаеться з таких технологiчних операцiй: початкове на^вання - пропарювання - сушшня. Результати сушшня дров без попереднього пропарювання: початкова середня волопсть зразив зменшилась вiд початкового значення Ш/ =69,7 % до кшцевого Ш/ =18,5 %. Вологiсть центральних шарiв зменшилась вiд Шц=71,0 % до Шц=22,9 %, а поверхне-вих шар1в зменшилась вiд Шпов=67,0 % до Шпов=9,5 %. Загальна тривалiсть сушiння те=120 год, а середня швидисть становить ЛШ/Лт=1,18^10-4 %/с. Криву су-шiния непропарених зразкiв зображено на рис. 1.

>104112120

Тривалють процесу сушшня, Рис. 1. Крива сушшня непропареного зразка деревини

Результати експериментального дослвдження по-передньо пропарених зразкiв такi: середня волопсть деревини за час сушшня (те=72 год) змшилась вiд Ш0 =68,6 % до Шк =15,2 %. Волопсть центральних ша-рiв зменшилась ввд Шц=70,1 % до Шц =17,9 %, а повер-хневих - ввд Шпов=65,6 % до Шпов =9,7 %. Середня швидисть сушiния становила ЛШ/Лт=2,05^10-4 %/с. Криву сушшня зображено на рис. 2.

де: т - тривалкть певного перюду нагрiвания, с; К -половина товщини матерiалу (для полш - це радiус вписаного кола торця сортименту), м.

Очевидним також е те, що теплообмшш критерií змiнюються у процесi нагршання. Реальним е визна-чення цих критерiíв для певного перiоду процесу нагревания.

За умови постгйно! потужностi процесу початкового на^вання деревини ^д=сот'г) характер змiни температури деревини загалом можна описати т-нiйною залежнiстю за формулою

Тривалють процесу сушшня, Рис. 2. Крива сушшня пропареного зразка деревини

У табл. наведено порiвияльну характеристику процесу сушшня непропарено!' та пропарено!' деревини бука.

Табл. Порiвняння кiнетичних характеристик процесу сушшня непропареноТ та пропарено!' деревини

Вид оброб-лення Кiнетичнi характеристики

сушiння К, 1/с вологоп-ровщнють ат, см3/с вологовщ-дача в, см/с NN ¥о

Непро- парений зразок 5,05-10"6 0,5810-3 3,46 -10"5 7,24 0,47

Пропаре-ний зразок 10,86-10"6 1,15-10-3 7,35 -10"5 0,79 0,69

Характер змши Зростае у 2,15 раза Зростае у 2 раза Зростае у 2,12 раза Змен-шуетьс я Зрос-тае у 1,5 раза

Згiдно з даними табл., величина кшетичних коефь цiентiв зростае бшьш нiж удвiчi для попередньо пропарено! деревини порiвняно з непроперено!, що озна-чае зменшення загально! тривалостi процесу сушiния. На рис. 3 показано сумщеш графши швидкостi су-шiния пропарених та непропарених зразив деревини.

г

Науковий вкник НЛТУ

Тривалкть сушшня, год. Рис. 3. Kpmi швидкостi сушшня

)аши, 2017, т. 27, № 1 названия матерiалу вiдбуваeться в насиченому парою середовищ (ф=98) i по сутi для поверхневих шарiв деревини процес пропарювання починаеться iз середи-ни тривалостi початкового на^вання деревини.

• Пiсля процеив початкового нагрiвання i пропарювання з деревиною бука вщбуваютъся деяю змiни: змен-шуеться вологiстъ на 10,7 % завдяки вид1ленню iз деревини екстрактивних речовин. На початку процесу сушшня перепад вологост по товщиш становив АЩ=4 %, а в кiнцi процесу A W=13,4 %.

• Порiвняння кiнетичних характеристик процесу сушшня показало бшъш н1ж удвiчi зростання коефiцiентiв сушшня, вологопровщност i вологовщдач^ загалъна тривашстъ циклу початкового нагрiвання, пропарювання i сушiння деревини становитъ 90 год. Тобто за-галом тривашсть процесiв нагрiвання, пропарювання i сушшня е на 25 % меншою, н1ж тривалiстъ сушiння непропарено! деревини.

Шд час пропарювання зменшуеться середня воло-гiсть деревини на 10,7 % завдяки видшенню з деревини екстрактивних речовин. Своерщним е розподщ во-логостi по довжиш сортименту (полiна) пiсля пропарювання: середня волопсть у торцевих зонах станови-ла ^„=37,8 %, а в середиш зразка Щш=69,3 %. Гра-дiент вологостi по довжиш зразка становив ЛW/Лl=1,9 %/см, що вказуе на процес видалення основно! маси вологи через торщ. Масопровiднiсть деревини пiд час екстрагування становила 810-см2/с. Шсля сушiння розпод1л вологостi по довжиш зразка збертае таку ж тенденцию: вологiсть торцьово! зони W т =8,9 %, а всерединi зразка Wс =18,0 %.

Висновки. На основi складених методик проведено експериментальш дослiдження початкового нагрь вання, пропарювання i сушiння дров. За результатами експериментальних дослiджень можна зробити таю висновки:

• 1нтенсившсть початкового на^вання деревини зале-житъ вiд етапу процесу нагрiвання. На початку процесу (до досягнення значення ¿й=0,6 1^) швидкiстъ початкового на^вання становила Aг/Aт=8 °С/год, а в дiапа-зонi температур 0,6гc...0,99гc штенсившсть нагрiвання становила Aг/Az=2,8 °С/год. Загалом, середня штенсив-нiстъ процесу початкового на^вання деревини становила Aг/Aг=6 °С/год. Продовженням процесу початкового на^вання е короткочасне (тривалiстъ до 3 год) пропарювання деревини бука. Процес початкового

nepe^ÏH BHHopHCTaHHX g^epe^

Bilej, P. V. (1993). Tehnologija kamernoj sushki tverdyh listvennyh porod. Doctoral dissertation for technical sciences (05.17.08 -Processes and apparatuses of chemical technology). Lvov, p. 314. [in Russian].

Bilej, P. V. (2005). Teoretychni osnovy teplovoi obroblennja i sus-hinnja derevyny: monografija. Kolomyja: Vik, p. 364. [in Ukrainian].

Bilej, P. V., Kunynec, Ye. P., Sokolovskyj, I. A. et al. (2012). Teori-ja teplovoi obroblennja derevyny. - Lviv: ZUKC, p. 200. [in Ukrainian].

Bilej, P. V., Sokolovskyj, I. A., & Rokun, R. O. (2016). Sposib sus-hinnja derevyny. Patent Ukrainy № 107440 na korysnu model. Bjul. № 11 vid 10.06.2016. [in Ukrainian].

Bilej, P. V., Sokolovskyj, I. A., Bilej, P. P., Plesha, Yu. Yu., & Rokun, R. O. (2016). Ustanovka dlja proparjuvannja i sushinnja derevyny. Patent Ukrainy № 107506 na korysnu model. Bjul. № 11 vid 10.06.2016. [in Ukrainian].

Kravec, I. P. (2000). Identyfikacija zakonomirnostej procesu proparjuvannja bukovyh pylomaterialiv. Candidate dissertation for technical sciences (05.05.07 - Machines and processes of forest complex). Lviv, p. 152. [in Ukrainian].

Pavljust, V. N. (1986). Usovershenstvovanie tehnologii sushki bu-kovyh profilnyh zagotovok. Candidate dissertation for technical sciences (05.17.08 - Processes and apparatuses of chemical technology). Krasnojarsk, p. 184. [in Russian].

Vintoniv, I. S., Sopushynskyj, I. M., & Tajshinger, A. (2007). De-revynoznavstvo. Lviv: Apriori, p. 312. [in Ukrainian].

Р. А. Рокунь

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОПАРИВАНИЯ И СУШКИ ДРОВ

Исследованы процессы начального нагрева и пропаривания древесины бука в виде профильных заготовок. Описана динамика изменения температуры древесины в целом и поверхностных и внутренних слоев древесины в частности, а также изменение тепловых свойств (коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости) древесины. Изменение тепловых свойств древесины приводит также к изменению теплообменных критериев Фурье и Нуссельта. Таким образом, использование дифференциального уравнения теплопроводности Фурье возможно только для определенного периода процесса нагревания. Проведены экспериментальные исследования процесса сушки профильных заготовок (дров) с предварительным пропариванием и без предварительного пропаривания, найдены соответствующие величины скорости сушки, коэффициентов влагопроводности и влагоотдачи, коэффициента сушки и массообменных критериев Фурье и Нуссельта, по которым, учитывая критерий Рейнольдса, можно синтезировать физико-математическая модель процесса сушки. Разработана структура технологического процесса сушки дров, которая включает такие последовательные технологические операции: начальное нагревание - пропаривание - сушка, что позволяет значительно интенсифицировать тепло-массообменные процессы и, в конечном итоге, сократить продолжительность процесса сушки на 25 % и соответственно сэкономить расходы тепловой энергии.

Ключевые слова: влажность, плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность, скорость сушки, вологопроводность, влагоотдача, древесина бука, нагревание, пропаривание.

Науковий вкник НЛТУ Украши, 2017, т. 27, № 1

R. O. Rokun

THE BASIC TECHNOLOGY OF STEAMING AND DRYING OF WOOD

Drying is a complex heat and mass transfer process which is affected by operating parameters environment and thermophysical properties of wood. Basis for classification of methods of drying is a method of transmission of heat to material. The basic method of drying is convective, but it is accompanied by a conductivity of wood (from the material surface to its center) and thermal radiation. The research investigates the processes of initial heating and steaming of beech wood in the form of profile pieces, which describes the dynamics of change in temperature of wood in general and particularly of surface and inner layers of wood, as well as changing the thermal properties (coefficients of heat-conducting, diffusivity and specific heat capacity) of wood. The change of thermal properties of wood causes the change of heat-exchange criteria of Fourier and Nusselt. So the use of differential equalization of heat-conducting of Fourier is possible only for the certain period of process of heating. Firstly, experimental studies of process of drying of profile workpiece (firewoods) are undertaken with a previous steaming and without a previous steaming; the corresponding sizes of speed of drying, coefficients of moisture conductivity and output of moisture are found. Consequently, taking into account the criterion of Reynolds the coefficient of drying and mass transfer coefficient of Fourier and Nusselt it is possible to synthesize the physical-mathematical model of process of drying. In the course of the study we have elaborated the structure of technological process of drying of firewoods. It is proved to include such successive technological operations as the initial heating, steaming, drying, that allows considerably to intensify mass transfer processes and, to the eventual result, shorten duration of process of drying on 25 % and accordingly to economize the charges of thermal energy. As a conclusion the author proposes structure of the technological process of drying wood that involves the use of environmentally-friendly drying agent for heating and steaming, and drying process steam-air mixture received from the combustion of waste wood. In general, the structure provides an energy saving of realization of technological process and reduces its overall duration.

Keywords: humidity; closeness; thermal conductivity; specific heat; diffusivity; speed of drying; of moisture conductivity; output of moisture; beech wood; heating; steaming.

1нформащя про автора:

Р. О. Рокунь, асшрант, НЛТУ Украши, м. Львiв, УкраТна.

E-mail: [email protected]