CC BY
144
УДК 65.011.56:630*812.14
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ТЕРМОХИМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Платонов Алексей Дмитриевич д.т.н., доцент
Воронежская государственная лесотехническая академия, Воронеж, Россия
Рассмотрены процессы тепломассообмена термохимически обработанной древесины, как объекта для моделирования технологии конвективной сушки древесины трудносохнущих пород
Ключевые слова: МОДЕЛИРОВАНИЕ, СУШКА ДРЕВЕСИНЫ, ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА, ОБЪЕКТ, ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Сушка древесины представляет собой очень сложный процесс, закономерности которого определяются одновременным протеканием ряда физических явлений, принадлежащих к классу явлений переноса. Главнейшие из них: поглощение тепла поверхностью материала (теплообмен); перемещение тепла по материалу (теплопроводность); перемещение влаги по материалу (влагоперенос) испарение влаги с поверхности материала (вла-гообмен).
Конвективная сушка характеризуется различной интенсивностью перемещения влаги внутри материала (влагопроводность) и последующего ее испарения с поверхности (влагообмен). Главная трудность сушильного процесса заключается в перемещении влаги из средней зоны сортимента.
Эффективность конвективной сушки во многом определяется возможностью оперативного управления этим процессом и поддержания режимных параметров на заданном уровне. В основе любой системы управления лежит математическое описание процесса. Рассмотрим процесс конвективной сушки, как объект возможного моделирования и математического описания сложных физических явлений тепломассопереноса.
UDK УДК 65.011.56:630*812.14
BASES OF MODELLING OF PROCESS OF CONVECTIVE DRYING OF THERMOCHEMICAL PROCESSED WOOD
Platonov Aleksey Dmitrievich Dr.Sci.Tech., associate professor
Voronezh State Academy of Forestry and Technologies, Voronezh, Russia
Processes of heat-mass exchange the thermo chemical processed wood, as object for modeling technology of convectional dryings of difficultly drying breeds of wood are considered
Keywords: MODELLING, DRYING OF WOOD, PROCESSES HEAT-MASS EXCHANGE, OBJECT, THERMOCHEMICAL PROCESSING
Единственный используемый в настоящее время технический прием, стимулирующий ток влаги к поверхности материала заключается в дополнительном прогреве материала. С повышением температуры диффузия влаги в древесине ускоряется. Температура относится к факторам, влияние которых на влагопроводность наиболее существенно.
Подвод к материалу тепла в процессе конвективной сушки осуществляется влажным воздухом при ф < 1 и коэффициенте теплообмена а < да. При этом температура поверхности материала будет ниже температуры среды на величину Д! (рис. 1, а), которая и определяет интенсивность теплообмена между средой и телом.
При конвективной сушке поверхностные слои древесины пересыхают и довольно быстро достигают равновесной влажности. Температура поверхности материала все время повышается и при испарении гигроскопической влаги постепенно приближается к температуре среды. Величина Д! уменьшается и, соответственно, интенсивность теплообмена снижается (кривая 2, рис. 1, а) и соответственно возрастает продолжительность сушки. Очевидно, чтобы сократить общую продолжительность сушки, необходимо избавиться от пассивных периодов, соответствующих минимальным значениям Д! [2]. Для этого необходимо уменьшить интенсивность испарения влаги с поверхности материала и, тем самым, поддерживать более высокую влажность поверхности материала в процессе сушки. Более высокая влажность поверхности будет иметь температуру близкую к температуре смоченного термометра. Поэтому на протяжении всего процесса сушки будет сохраняться больший перепад температур, а, следовательно, и более интенсивный теплообмен. Для достижения большего перепада температур, сохранения более интенсивного теплообмена при конвективной сушке можно путем предварительной химической обработки древесины растворами гигроскопических веществ [3].
Целью исследования было изучение распределения температурных полей в материале при нестационарном теплообмене после химической обработки позволит реально с достаточной точностью производить расчет затрат тепловой энергии на сушку, а также произвести корректировку существующих режимов.
а б
Рисунок 1. Характер кривых последовательного распределения температур при теплообмене плоского тела в условиях регулярного режима: а - конвективная сушка; б - конвективная сушка после предварительной химической обработки; 1, 2 - кривые распределения температур при удалении свободной влаги; 3, 4 - кривые распределения температур при удалении связанной влаги
Процесс конвективной сушки после предварительной химической обработки, характеризуется кривыми сушки и температуры. Исследование этих кривых проводилось на свежесрубленной древесине дуба, ясеня, бука и лиственницы. Начальная влажность древесины 55-80 %, размер заготовок 40х100х400 мм и 50х100х400 мм. Каждая заготовка была подвергнута химической обработке в течение 3 часов. После обработки торцы загото-
вок были покрыты двойным слоем нитроцеллюлозного лака, что позволило исключить испарение влаги с торцов.
Далее заготовки высушивали в сушильной камере низкотемпературным режимом в интервале температур 60-80 °С. Определение текущей влажности древесины в процессе сушки осуществлялось весовым методом.
Температура древесины в процессе сушки измерялась хромель-копелевыми термопарами. За пределами сушильной установки термопары изолировались кембриком. В качестве вторичного прибора был использован милливольтметр ППР6.
Для обеспечения требуемой точности замеров термопары заделывались в боковые кромки образцов. Для этого в боковых кромках были просверлены отверстия диаметром 2 мм при строгой фиксации вертикального положения образцов, куда термопары вставлялись вместе с сухими пробками, в их боковых прорезях. Погрешности, связанные с жесткостью нависающих термопар, исключались тем, что последние размещались в свободном, но строго фиксированном положении, а перед каждым опытом образцы взвешивались на весах с термопарами и без них.
Результаты исследования температурных полей и кривых влажности на примере древесины лиственницы представлены на рисунках 2-5. На рисунке 2 приведены кривые, характеризующие режим сушки на первой ступени: температура агента сушки 1с температура смоченного термометра 1м, а также характер изменения температуры на поверхности натуральной древесины и пропитанной хлоридом натрия.
Установлено, что температура древесины в процессе сушки постоянно повышается. Температурный перепад между температурой среды и поверхностью не пропитанных заготовок к концу первой ступени оказался равным 0,2 °С (кривая 2, рис. 2). При таком небольшом перепаде температур интенсивность теплообмена мала, внутрь древесины подводится недостаточно тепла и процесс сушки замедляется, несмотря на то, что влаж-
ность внутри материала еще довольно высокая (рис. 3, а). Температурный перепад между температурой среды и поверхностью заготовок пропитанных хлоридом натрия к концу первой ступени составил 0,4 °С (кривая 3, рис. 2). Такая же закономерность распределения температур наблюдается на второй и третьей ступени, а также при сушке пиломатериалов других пород и толщин.
Время, ч
Рисунок 2. Температурные кривые конвективной сушки пиломатериалов из древесины лиственницы толщиной 40 мм на первой ступени:
1 - температура агента сушки 2 - температура поверхности натуральной древесины; 3 - температура поверхности древесины пропитанной хлоридом натрия; 4 - температура смоченного термометра 1;м
По данным Кротова [1], в процессе сушки максимальный перепад температуры по сечению доски, отмечается в начале каждой ступени и составляет 2-3 °С. В это время происходит интенсивное испарение влаги из материала. Указанный перепад сохраняется не продолжительное время. Затем он быстро уменьшается и к концу каждой ступени составляет 0,1—0,4 °С. В конце каждой ступени процесс сушки замедляется и испаре-
ние влаги происходит настолько медленно, что в отдельных случаях не фиксируется убыль веса пиломатериалов, несмотря на наличие психрометрической разности и градиента влажности.
^ ™ 10 20 30 40
Толщина, мм Толщина, мм
а *
О
Рисунок 3. Кривые влажности конвективной сушки пиломатериалов из древесины лиственницы толщиной 40 мм: а - необработанная древесина: б - обработанная древесина
На рисунке 3 представлены кривые влажности в процессе конвективной сушки натуральной древесины и после химической обработки. Древесина, обработанная гигроскопическим раствором, имеет более равномерное распределение влаги по сечению материала в процессе сушки. Это объясняется снижением интенсивности испарения влаги с поверхности пропитанной древесины. Что способствует более длительному сохранению перепада температур Д1 между температурой поверхности материала и температурой среды по сравнению с натуральной древесиной.
Температурные кривые в древесине лиственницы в конце первой ступени представлены на рисунке 4. Из рисунка 4 хорошо видно, что в конце
первой ступени температурный перепад Д1 между температурой среды и поверхностью пропитанной древесины составил 0,4 °С, а с поверхностью непропитанной древесины 0,2 °С. Кроме того, пропитанный слой еще дополнительно понижает температуру древесины на 0,2-0,3 °С.
«Оболочка», в отличие от натуральной древесины, содержит раствор хлорида натрия. Теплопроводность хлорида натрия примерно в два раза выше теплопроводности натуральной древесины. Поэтому «оболочка» обладает лучшей тепловой проводимостью, а, следовательно, и меньшим термическим сопротивлением Я, чем натуральная древесина.
Рисунок 4. Температурный перепад по сечению пиломатериалов из древесины лиственницы в конце первой ступени:
а - с химической обработкой; б - без химической обработки; 1;с - температура агента сушки; 1;П - температура поверхности древесины; 1ц - температура центра древесины; 1ГР - температура на границе «оболочки» и натуральной древесины
Древесина является анизотропным материалом, т. е. обладает неодинаковыми свойствами в различных направлениях. Поэтому ее термическое сопротивление зависит также и от направления теплового потока. Обу-
словлено это тем, что 75-90 % клеточных стенок всех анатомических элементов ориентированы вдоль оси ствола дерева. Наибольшее термическое сопротивление древесина имеет в тангенциальном направлении, несколько меньшее в радиальном и самое малое вдоль волокон.
У лиственных пород с хорошо развитыми сердцевинными лучами различие термического сопротивления в радиальном и тангенциальном направлении достигает 12-15 %. Практически не наблюдается различий термического сопротивления в тангенциальном и радиальном направлении у древесины хвойных пород. Поскольку имеющиеся сердцевинные лучи узкие и однорядные.
На рисунке 5 показаны кривые термического сопротивления древесины пропитанной раствором хлорида натрия и без пропитки. Большое влияние на термическое сопротивление «оболочки» оказывает влажность.
0,0035 т----------------------------------------------------------
0,0005
0 10 20 30 40 50 60 70
Влажность УУ, %
Рисунок 5. Термическое сопротивление древесины лиственницы в поперечном направлении при 1 = 20 °С: 1 - без химической обработки; 2 - после химической обработки
Максимальное значение термическое сопротивление «оболочки» достигается в абсолютно сухом состоянии. При повышении влажности кон-
центрация соляного раствора понижается и термическое сопротивление «оболочки» уменьшается.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что предварительная термохимическая обработка растворами гигроскопических веществ оказывает большое влияние на теплофизические свойства и механизм последующей конвективной сушки древесины:
- интенсивность убыли влаги на всем протяжении процесса сушки носит более равномерный характер;
- в процессе конвективной сушки древесины понижается интенсивность испарения влаги с поверхности материала;
- характер кривых влажности в материале параболический, но с меньшим перепадом влажности между центром и поверхностью;
- более высокий перепад температур Д1 между температурой среды и поверхностью материала способствует более интенсивному теплообмену и позволяет также дополнительно стимулировать ток влаги в материале.
- снижение термического сопротивления «оболочки» способствует более интенсивному перемещению тепла во внутренние слои, тем самым дополнительно стимулирует ток влаги к поверхности материала.
Установленные закономерности должны быть учтены при моделировании процессов конвективной сушки термохимически обработанной древесины.
Список использованной литературы
1. Кротов Л. Н. Отчет по теме « Исследование процесса комбинированной сушки лиственничных пиломатериалов» / СибТИ. - Красноярск, 1970. - 49 с.
2. Курьянова Т. К., Платонов А. Д., Петровский В.С. Эффективная химическая обработка подлежащих сушке пиломатериалов из древесины твердых пород // Деревообрабатывающая промышленность. - 2004. - № 6. - С. 22 - 24.
3. Малеев В. И., Баженов В. А. Ускоренная сушка древесины // Лесная индустрия. - 1937. - № 9. - С. 65-71.
