CC BY
10
3. ТЕХНОЛОГИЯ ТА УСТАТКУВАННЯ
НАТУ
УКРЛ1НИ
t ,
Hl/IUB
Науковий в!сн и к НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270913 Article received 03.11.2017 р. Article accepted 28.11.2017 р.
УДК 674.047
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
[^1 Correspondence author P. V. Biley p.biley@ukr.net
П. В. Быей1,1. А. Соколовський1, П. П. Быей2, Г. В. Сомар1
1 Нацюнальний лкотехтчний утверситет Украгни, м. Львiв, Украгна 2Хартвський нацюнальний техтчнийутверситет стьського господарства iм. П. Василенка, м. Харюв, Украгна
ОСОБЛИВОСТ1 ВПЛИВУ Х1М1ЧНОГО ТА Ф1ЗИКО-Х1М1ЧНОГО ЗВ'ЯЗКУ ВОЛОГИ
З ДЕРЕВИНОЮ НА К1НЕТИКУ ПРОЦЕСУ СУШ1ННЯ
Розглянуто питання впливу на процеси зволоження i сушшня деревини хiмiчного та фiзико-хiмiчного зв'язку вологи з деревиною. Виявлено, що найбшьш складна фiзико-хiмiчнi явища вщбуваються з деревиною в разi змши !! початково! во-логоси, а подальше насичення стiнок капiлярiв деревних стшок водою приводить до утворення зв'язано! вологи. Деревина мае складний хiмiчний вмiст i будову, а вода - специфiчну структуру. У процес взаемодп змiнюються властивостi обох компоненив: деревинна речовина переходить вiд склоподiбного в коло'дний стан, а вода з вшьного стану у зв'язаний. О^м цього до зв'язано!' вологи в коло'дних матерiалах не можна застосовувати закони катлярних явищ, пдростатики i пдродина-мiки тому, що вона знаходиться в адсорбцшному зв'язку з деревиною. Процес зв'язування вологи (рщини) з коло'дним тiлом на першш стадп е аналогiчним до змшуванням двох рiдин з рiзною молекулярною вагою. Пiд час поглинання рщини коло-!'дним тiлом видшяеться деяка кiлькiсть тепла (теплота набухання) аналопчно до видiлення тепла тд час розчинення спирту чи арчано! кислоти у водi. Користуючись законом збереження енергп i маси речовин, можна встановити взаемозв'язок се-редшх iнтегральних значень вологовмiсту i температури з штенсившстю тепло- i масообмшу, а вiдповiдно - i зi швидкiстю сушiння у виглядi балансу тепла. Зпдно iз законом збереження енерги, все тепло, яке тдводиться до тiла, дорiвнюе теплу, яке йде на випаровування вологи i тому, що йде на на^вання тша. Видалення зв'язано!' вологостi вщбуваеться в перiод за-повiльнення швидкост сушiння. Iнтенсивнiсть сушiння та штенсившсть теплообмiну з протягом часу безперервно змен-шуеться. Змiна iнтенсивностi сушшня вщбуваеться за складною закономiрнiстю, яка визначаеться формою зв'язку вологи з матерiалом i механiзмом перемiщення тепла i вологи всерединi матерiалу. Виведено основне ршення кiнетики - швидюсть процесу сушiння зв'язано!' вологи, яке можна використовувати для будь-яких деревних матерiалiв i будь-якого способу сушшня. Виршення питання впливу на технолопчш процеси форм зв'язку вологи з деревиною залежить вщ двох аспекив: складностi хiмiчноi' будови деревинно! речовини та складних унiкальних властивостей води, що е у деревиш.
Кл^чов^ слова: деревина; зв'язана волога; сушшня; катлярно-пориси коло'дш матерiали; хiмiчний, фiзико-хiмiчний зв'язок; кiнетика процесу.
Вступ. Зпдно 1з класифжащею вологих матер1ал1в деревина належить до категори кашлярно-пористих ко-ловдних, як1 в процеа зволоження утворюють обмеже-но набухаюч1 гел1, бо поглинають тшьки певну шль-к1сть вологи, що е м1рою максимального набухання. Коловдт матер1али (еластичш гел1) поглинають найближч1 за поляршстю рщини, а кашлярно-порисп матер1али поглинають будь-яку рвдину, яка !х змочуе незалежно в1д х1м1чного складу (В^ et а1., 2013; ВПе^ 2005; Chudinov, 1984). Тепловий ефект набухання характеризуемся диференцшною теплотою набухання ^и), тобто к1льк1стю теплоти, яка видшилась за поглинання 1 кг рщини, кДж/кг. Отже, Qu=dQ/dU/. Експери-
ментально встановлено, що теплота змочування водою сухого пдрофшьного тша (Q0) та к1льк1сть адсорбцшно зв'язано! води (иа) пропорцшш одне одному, тобто
Q0/Uа=const.
Пдротерм1чне оброблення (спшьна д1я тепла 1 вологи) вологих деревинних матер1ал1в змшюе !х ф1зико-ме-хашчш властивосп, що зумовлено молекулярним характером зв'язку поглинено! вологи (у вигляд1 рвдини або пари), а також внутршньою теплотою катлярно-пористого тша. Отже, дослщження впливу вид1в зв'язку тшо - волога е актуальним питанням у дослвдженш фь зичних процеав тепломасообмшу та тепломасоперене-сення в деревиш.
1нформащя про aBTopiB:
Бiлей Петро Васильович, д-р техн. наук, професор, завщувач кафедри технологiй сушiння та ЗД. Email: p.biley@ukr.net
Соколовський 1гор Андршович, канд. техн. наук, доцент кафедри безпеки жит^яльносп. Email: s.ia@ukr.net
Бшей Петро Петрович, канд. техн. наук, ст. викладач кафедри деревооброблювальних технолопй та системотехнiки лiсового
комплексу. Email: p.p.biley@gmail.com Сомар Галина Володимирiвнa, канд. техн. наук, доцент кафедри безпеки жит^яльносп. Email: s.gv@ukr.net Цитування за ДСТУ: Бтей П. В., Соколовський I. А., Бтей П. П., Сомар Г. В. Особливост впливу хiмiчного та фiзико-хiмiчного
зв'язку вологи з деревиною на кшетику процесу сушшня. Науковий вкник НЛТУ Укра'ни. 2017. Вип. 27(9). С. 60-63. Citation APA: Biley, P. V., Sokolovskyy, I. A., Biley, P. P., & Somar, H. V. (2017). Peculiarities of the Influence of Chemical and Physico-Chemical Bonding of Moisture with Wood on the Kinetics of Drying Process. Scientific Bulletin of UNFU, 27(9), 60-63. https://doi.org/10.15421/40270913
Виклад основного матерiалу досл1дження. Процес видалення вологи з капiлярно-пористого колошного ма-терiалу супроводжуеться порушенням И зв'язку з тшом, на що потрiбно витрачати значну к1льк1сть теплово! енергп. Форми зв'язку вологи з капiлярно-пористим ма-терiалом подiляють на три групи: хiмiчний, фiзико-хi-мiчний та фiзико-механiчний зв'язки.
Хгмгчно зв'язана волога (вода) утримуеться наймщ-нiше, бо вона е в деревиш у виглядi гiдросильних груп i видаляеться з деревини тiльки завдяки високотемпера-турним режимам сушiння, коли температур матерiалу е вищою за 4=120 °С. Чистий хiмiчний зв'язок вологи з будовою деревини практично не розглядають у проце-сах сушшня деревини у виглад пиломатерiалiв i заготовок, де застосовують, в основному, низькотемпературш режими з температурою середовища 4<100 °С.
Ф1зико-х1М1чний зв'язок вологи з деревиною е над-звичайно складним явищем. Деревина за своею будо-вою е дисперсно зв'язаною системою, де частки дисперсно! фази утворюють досить стшш просторовi каркаси. Особливiсть будови деревини полягае в тому, що в про-цесi початкового зволоження вона мае яскраво вираже-нi коло!дш властивостi, а в процесi полiмолекулярноl конденсацп вологи яскраво вираженi властивосп кат-лярно-пористого матерiалу. Тому фiзико-хiмiчний та фiзико-механiчний зв'язки деревини з вологою будуть рiзними для рiзних перiодiв зволоження i сушiння. У техшчнш лiтературi (Krzysik, 1974; ^о^, 1986; ^Шо-niv, Sopushynskyi, Taishinger, 2007) вологу, що е в деревини, прийнято подiляти на двi групи: зв'язану i вшьну. Однак деревина мае складний хiмiчний вмiст i будову, а вода - специфiчну структуру. У процеа взаемодп змь нюються влaстивостi обох компоненпв: деревинна ре-човина переходить ввд склоподiбного в колощний стан, а вода з вшьного стану у зв'язаний. Окрiм цього, до зв'язано! вологи в коло!дних мaтерiaлaх не можна зас-тосовувати закони катлярних явищ, гiдростaтики i пд-родинaмiки тому, що вона перебувае в адсорбцшному зв'язку з деревиною. На думку Б. С. Чудшова (^о^, 1986), деревину можна вважати катлярно-пористим мaтерiaлом, тому з погляду технологiй сушiння i просо-чування в деревинi видiляють двi водопровщш систе-ми: мaкрокaпiлярну та мшрокашлярну. Мaкрокaпiлярнa водопровiднa система утворена порожнинами судин з мiнiмaльним рaдiусом макрокатляра >10-5см, а м^о-кaпiляри - системою сполучених судин у кттинних стiнкaх судин з рaдiусом катляра, що не перевищуе значення 3 • 10-7 см.
Якщо дотримуватися трaдицiйного подiлу, то в деревиш перебувае вшьна i зв'язана волога. Вшьна волога знаходиться в порожнинах судин i мiжсудинних про-шарках i утримуеться в них мехашчно. Однак термiн "вшьна волога" е умовним, оскшьки вона не е вшьною вiд взаемодп з поверхнею судин i утримуеться силами катлярно! взаемодп досить сильно, тому для 11 видалення мехашчним способом потрiбно прикласти знач-них зусиль. Тому Б. С. Чудшов (^о^, 1986) запропо-нував ввести термш "кашлярна вода" зaмiсть термша "вшьна волога". У цiй робот нaдaлi розглядатимемо тiльки видалення зв'язано1 вологи з мaтерiaлу, яке характеризуемся перiодом зaповiльнення швидкостi сушшня, що вшбуваеться у межах змши вологостi деревини ввд меж1 насичення () до абсолютно сухого
стану (W0=0 %) - у процесах сушшня або ввд (W0, %) до (Wm.„, %) - у процесах зволоження деревини.
Зв'язану вологу подшяють на адсорбцшну, яка утво-рюе мiжмiкрофiбрилярнi прошарки на клiтиннiй стшш, та мшрокашлярну, яка знаходиться у вшьних вiд дере-винно! речовини порожнинах мiкрокапiлярiв клггинно! стiнки (Yavorskyi, 2008).
Процес зв'язування вологи (рвдини) з коло!дним ть лом на першш стадп е аналогiчним до змшування двох рвдин з рiзною молекулярною вагою. Пiд час поглинан-ня рвдини коло!дним тiлом виднеться деяка к1льк1сть тепла - Q (теплота набухання) аналогiчно до видшення тепла пiд час розчинення спирту чи арчано! кислоти у водг К1льк1сть видiленого тепла точно визначають так
Q = а U , кДж / кг , b + U
(1)
де и - кшьшсть поглинуто1 вологи, кг/кг сухо1 речовини; а, Ь - коефiцiенти рiвняння, яш визначають експе-риментальним шляхом.
У формулi (1) величина (Ц) характеризуе питомий вологовмiст, якщо рiдинa поглинаеться абсолютно сухим тшом (Ш0=0 %). На початку процесу поглинання (коли утворюеться на поверхнi абсолютно сухо1 деревини або шшого гiдрофiльного тiлa) молекулярного шару вологи вшбуваеться процес контракцп (стискання сис-теми коло1дне тiло - рвдини) з поверхневим тиском де-кшька сотень МПа (Ugolev, 1986). Шсля цього настае перiод полiмолекулярноl конденсацп рвдини на повер-хнi мaтерiaлу, яка приводить до збiльшення розмiру ть ла завдяки розчиненню сухих "запасливих речовин" (бiлкiв, вуглеводiв та iнших оргaнiчних включень) та зменшення об'ему деревинно1 речовини. Але юнуе рiз-ниця мiж величиною об'ему набухлого тша (Ун.т) та су-ми об'ему абсолютно сухого тша (№с.т.) та об'ему погли-нено1 тiлом рвдини (Ур), тобто
AV = (V,,+ Vp)- VXJ
(2)
Тепловий ефект набухання характеризуеться дифе-ренцшною теплотою набухання (<2и), тобто кшьшстю теплоти, яка видiлилaсь за поглинання 1 кг ршини, кДж/кг. Отже, Qu= dQ/dU/. Експериментально встанов-лено, що теплота змочування водою сухого пдрофшь-ного тiлa ^0) та кшьшсть aдсорбцiйно зв'язано1 води (Ца) пропорцiйнi одне одному, тобто Q0/Uа=const. Тодi
Q - Ut I QJU
иа U а о
(3)
Тiло, яке поглинае рвдину, мае тиск набухання, який е аналопчним до осмотичного тиску розчинено! речовини. 1з збiльшенням кiлькостi поглинено! вологи тиск набухання швидко зменшуеться. Тиск набухання (Р) за-лежить вiд концентрацп сухого тiла в рвдиш (C=p0/U) -величини зворотно! до вологовмiсту тiла - U та вш тем-ператури (Т), який описують класичним рiвнянням
С
Р = —RT + ACK ,
М P '
(4)
де перший член рiвняння е аналогом осмотичного тиску розчиненого твердого тша в рвдиш, а другий член вра-ховуе взаемодiю частинок тiла (рт) з розчином. Тут
СК = C-р /C + Рт, (5)
а коефщент к=3.
Для системи ршина - тiло можна записати основне рiвняння термодинамiки в такому виглядi
Т¿Б = PdV + ¿Е , (6)
де ¿Е, ¿Б - вшносна змша внутршньо1 енергп та ен-тропп. З цього рiвняння отримаемо, що
= Т М (¿Е)
р=Т
¿V )Т \ ¿V )
(7)
(С0т0 + Свтв) ¿1 / ¿т, (9)
де 7 - середня температура тiлa. К1льк1сть тепла, яка витрачена на випаровування вологи, дорiвнюе
(10)
dтв ¿и
г-= гт0-,
¿т ¿т
Якщо тиск набухання вiдбувaеться без видiлення тепла, то ¿Е / ¿V = 0 . У цьому рaзi збiльшення об'ему тала вiдбувaеться внaслiдок збшьшення ентропп
¿V = TdS / р . (8)
Зв'язана вода (за вологосп деревини 0<^<5 %) мае низку властивостей, за якими вона вiдрiзняеться вiд звичайно1 води. Одшею вiдмiннiстю е нездaтнiсть зв'язано1 води розчиняти електролiти, що можна вико-ристати пiд час розроблення методики визначення кшь-костi зв'язано1 води. Другою вiдмiннiстю е те, що у вка-заному вище дiaпaзонi, густина води зростае до 1,25 г/см3. Зв'язана вода вiдрiзняеться i тим, що вона за-мерзае за температури нижчо1 шж 0 °С. За температури води 5 °С, частка незамерзло1 рвдини становить близько Шгр= 27 %; за температури води 20°С частка незамерзло! води становить близько Wгр= 15 %, а за темперaтурi води 50 °С частка незамерзло1 рщини становить близько Wг = 10...12 %.
Отже, фiзико-хiмiчнi влaстивостi зв'язано1 води в де-ревинi змiнюються залежно вiд И вологостг Найсклад-нiшi явища у процесах сушiння - зволоження вшбу-ваеться в дiaпaзонi змiни вологосп вiд абсолютно сухого стану, де ^0~0 % до вологосп ^=5...6 %. Однак у техшщ i технологи сушiння рiдко застосовують режи-ми, де к1нцева волопсть деревини становила б 6 %. Тому цей дiaпaзон змши вологостi у практичних дослi-дженнях не використовують.
Видалення зв'язано1 вологостi вiдбувaеться в перюд зaповiльнення швидкостi сушiння. Iнтенсивнiсть сушш-ня та iнтенсивнiсть теплообмiну з протягом часу безпе-рервно зменшуеться. Змiнa iнтенсивностi сушiння ввд-буваеться за складною зaкономiрнiстю, яка визна-чаеться формою зв'язку вологи з мaтерiaлом i мехашз-мом перемщення тепла i вологи всерединi мaтерiaлу.
Визначити iнтенсивнiсть теплообмiну qn за формулами Ньютона i Дальтона е неможливим через те, що коефщенти тепло- i мaсообмiну з часом змшюються, а температура i вологообмiн на поверхнi тiлa визнача-ються сполученням пiдведення тепла i вологи (внутрш-нiй тепло- i мaсообмiн) до поверхнi тiлa та вщведення тепла i вологи з поверхш тiлa в навколишне середови-ще (зовнiшнiй тепло- i масообмш). Тут визначення швидкостi сушiння залежить вiд розв'язку системи ди-ференцшних рiвнянь тепло- i масоперенесення за вщпо-вiдних граничних умов. Однак, користуючись законом збереження енергп i маси речовин, можна встановити взаемозв'язок середшх iнтегрaльних значень вологов-м^у и i температури 7 з штенсившстю тепло- i ма-сообмшу ]„ та qn, а вшповщно - i зi швидк1стю сушшня у виглядi балансу тепла.
Зпдно iз законом збереження енергп, все тепло, яке тдводиться до тша, дорiвнюе теплу, яке йде на випаровування вологи i тому, що йде на названия тша. Нехай загальна поверхня вологого тша - Б, в ньому метиться маса вологи - тъ i маса сухого тiлa - т0. Позначимо теплоемнiсть води - Св, а сухого тiлa - С0. Тодi кшь-к1сть тепла, яке потрiбно для нaгрiвaння тша за одини-цю часу, дорiвнюе
де и = тв / т0, а г = г0 / гзм, тобто сумi питомо1 теплоти випаровування рiдини г0 та теплоти змочування гзм .
Середнш питомий потiк тепла, пiдведеного на оди-ницю поверхнi за одиницю часу, можна записати так:
| qndF = qnF. (11)
(р)
Порiвнявши суму (9) та (10) з (11) i роздiливши обидвi частини на V, отримаемо
1п = (С0 + Свй) раНу^- + рЕг^, (12)
¿т ¿т
де Я - вiдношення об'ему абсолютно сухого тша V0 до поверхнi вологого тiлa - F , Я = V0/ F.
Якщо всихання (всiдaння) поверхш тша вшбу-ваеться за залежшстю
F = Fo (1 + рРй )п, (13)
де рР - коефiцiент поверхневого всихання, п - пос-тiйнa, то величина
Я =-
Е 0
(14)
(1+ви)
де Я0 = V0/ - вшношення об'ему до поверхнi абсолютно сухого тша.
Позначимо теплоемшсть вологого тша через С = С0 + СЦЦ , тодi рiвняння (12) можна записати так:
¿и
qn
1
,1 . (15)
¿т роЕу-г ^ г-¿и)
Вiдношення d7 / ¿и характеризуе вiдношення се-редньо1 температури тiлa за змши вологовмюту на одиницю в процеа сушiння. Ця величина е важливою характеристикою кинетики процесу сушiння.
„ С - ¿1 - .
Величина-= е безрозмiрною, вона характеризуе
г - ¿и
вщношення кiлькостi тепла С - ¿7, яке витрачено на на^вання тша, до кшькосп тепла г-¿и , яке йде на випаровування вологи за малий пром1жок часу ¿т .
Результата дослщження та 1х обговорення, диску-с1йм1 моменти. Вирiшення питання впливу на техноло-гiчнi процеси форм зв'язку вологи з деревиною залежить вш двох аспекпв: складносп хiмiчноl будови де-ревинно1 речовини та складних унiкaльних властивостей води, що е у деревиш У грунтовнш прaцi В. Т. Яворського (Yavorskyi, 2008) вiдзнaчено ушкальш влaстивостi води, що е у природа Очевидно, цi власти-восп води впливають на перебiг явищ перетворення де-ревинно1 речовини iз "склоподiбного" абсолютно сухого стану в колошну систему, а за подальшого зволоження деревини - в катлярно-пористу систему iз зв'язаною вологою, яка мiститься в мшрокапшярах та стiнкaх де-ревинних клггин. Деревина також якимось чином здат-на "запам'ятовувати" зусилля, як1 над нею здшснюва-лись рaнiше. Це явище в деревинознавсга сформували як "заморожеш" деформaцil, до яких деревина вже не реагуе на прикладене зусилля. Тут, не зрозумшо, що впливае на "пам'ять" про минулi деформaцil - вода чи деревна речовина?
Висновки. У процеа зволоження деревини вшбу-ваеться низка складних фiзико-хiмiчних явищ. На по-
верхш деревини спочатку утворюеться мономолекуляр-ний шар вологи з розширювальним ефектом, що приводить до явищ контракцп. Дал1 на поверхш матер1алу вщбуваеться пол1конденсащя вологи, яка поступово проникае у внутр1шш судини. При цьому деревина з1 склопод1бного стану стае коло!дною речовиною у зв'яз-ку з розчиненням оргашчних та шших включень, що е в деревиш. Шсля цього формуються просторов1 каркаси - кашлярно-пориста структура деревини, а спнки кль тин 1 м1крокашляри заповнюються зв'язаною вологою. Процес видалення ф1зико-х1м1чно1 зв'язано! вологи ха-рактеризуеться перюдом заповшьнення швидкосп су-шшня - основного шнетичного параметра процесу. Шляхом аналогичного розв'язку задач1 впливу зв'язку вологи 1з деревиною отримано р1вняння швидкосп су-шшня (15), яке пов'язуе штенсившсть та теплообмшу та
характеристику деревини i к1льк1сть теплово! енергп,
яка витрачаеться на нагрiвання та сушшня деревини.
Перелiк використаних джерел
Bilei, P. V., Petryshak, I. V., Sokolovskyi, I. A., & Soroka, L. Ya.
(2013)._Teplomasoobminni protsesy derevoobroblennia. Lviv:
ZUKTs. 375 p. [in Ukrainian].
Bilei, P. V. (2005). Teoretychni osnovy teplovoi obrobky i sushinnia derevyny._Kolomyia: Vik. 364 p. [in Ukrainian].
Chudinov, B. S. (1984). Voda v drevesine. Novosibirsk: Nauka. 270 p. [in Russian].
Krzysik, F. (1974). Nayka oDrewnie. Warszawa: PWN. 653 p.
Ugolev, B. N. (1986). Drevesinovedenie s osnovami lesnogo tovaro-vedeniia. Moscow: Lesnaia promyshlennost. 386 p. [in Russian].
Vintoniv, I. S., Sopushynskyi, I. M., & Taishinger, A. (2007). De-revynoznavstvo. (2nd ed.). Lviv: Apriori. 312 p. [in Ukrainian].
Yavorskyi, V. T. (2008). Osnovy teoretychnoi khimii. Lviv: Vydavnytstvo Natsionalnoho universytetu "Lvivska politekhnika". 348 p. [in Ukrainian].
П. В. Белей1, И. А. Соколовский1, П. П. Белей2, Г. В. Сомар1
1 Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина 2Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко, г. Харьков, Украина
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ВЛАГИ
С ДРЕВЕСИНОЙ НА КИНЕТИКУ ПРОЦЕССА СУШКИ
Рассмотрены вопросы влияния на процессы увлажнения и сушки древесины химической и физико-химической связи влаги с древесиной. Выявлено, что наиболее сложные физико-химические явления происходят с древесиной при изменении ее начальной влажности, а дальнейшее насыщение стенок капилляров деревянных стен водой приводит к образованию связанной влаги. Древесина имеет сложный химический состав и строение, а вода - специфическую структуру. В процессе взаимодействия изменяются свойства обоих компонентов: древесное вещество переходит от стекловидного в коллоидное состояние, а вода из свободного состояния в связанное. Кроме этого, к связанной влаге в коллоидных материалах нельзя применять законы капиллярных явлений, гидростатики и гидродинамики потому, что она находится в адсорбционном связи с древесиной. Процесс связывания влаги (жидкости) с коллоидным телом на первой стадии является аналогичным смешиванию двух жидкостей с разной молекулярной массой. При поглощении жидкости коллоидным телом выделяется некоторое количество тепла (теплота набухания) аналогично выделению тепла при растворении спирта или серной кислоты в воде. Пользуясь законом сохранения энергии и массы веществ, можно установить взаимосвязь средних интегральных значений влагосодержания и температуры с интенсивностью тепло- и массообмена, а соответственно - и со скоростью сушки в виде баланса тепла. Согласно закону сохранения энергии, все тепло, которое подводится к телу, равно теплу, которое идет на испарение влаги и тому, что идет на нагрев тела.
Ключевые слова: древесина; связанная влага; сушка; капилярнопористые коллоидные материалы; химическая связь; физико-химическая связь; кинетика процесса.
P. V. Biley1,1. A. Sokolovskyy1, P. P. Biley2, H. V. Somar1
1 Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine 2 Kharkiv Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture, Kharkiv, Ukraine
PECULIARITIES OF THE INFLUENCE OF CHEMICAL AND PHYSICO-CHEMICAL BONDING OF MOISTURE WITH WOOD ON THE KINETICS OF DRYING PROCESS
The authors have considered some issues of influence of chemical and physical-chemical bonding of moisture with wood on the processes of moistening and drying of wood. We have found that the most complex physical and chemical phenomena occur in wood when changing its initial moisture content, and the subsequent saturation of the capillaries of wood walls with water leads to the formation of bound moisture. Wood has a complex chemical composition and structure, and water has a specific structure. In the process of interaction, the properties of both components change: the wood substance passes from the glassy to the colloidal state, and the water from the free state to bound state. In addition, the laws of capillary phenomena, hydrostatics and hydrodynamics cannot be applied to the bound moisture in colloidal materials because it is in adsorption with wood. The process of binding moisture (fluid) to a colloidal body at the first stage is similar to mixing of two fluids of different molecular weights. During the absorption of liquid by a colloidal body, a certain amount of heat (heat of swelling) is released, similarly to the heat release when dissolving alcohol or sulphuric acid in water. Using the law of conservation of energy and mass, one can establish the relationship of mean integral values of moisture content and temperature with the intensity of heat-and-mass transfer, and, accordingly, with the rate of drying in the form of a heat balance. According to the law of energy conservation, the amount of heat that is supplied to the body is equal to the amount of heat that goes to the evaporation of moisture plus the heat going to heat the body itself. Removal of the bonded moisture occurs during the deceleration of drying. The intensity of drying and the intensity of heat transfer continuously decrease over time. The change in the intensity of drying occurs in a complicated fashion, which is determined by the form of moisture bonding with the material and by the mechanism of movement of heat and moisture within the material. Thus, the main solution of kinetics is derived -the rate of the process of drying bound moisture, which can be applied to any wood material and any method of drying. The resolution of the issue of the influence of the forms of moisture bonding with wood on the technological processes depends on two aspects: the complexity of chemical structure of the wood material and the complex unique properties of water in the wood.
Keywords: wood; bound moisture; drying; capillary-porous colloidal materials; chemical bond; physical-chemical bond; kinetics of the process.
