CC BY
18
УДК 674.047
РАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НАЧАЛЬНОГО ПРОГРЕВА ЛИСТВЕННИЧНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ ПЕРЕД КОНВЕКТИВНОЙ СУШКОЙ
Ш.Г. Зарипов
ФБГОУ ВПО «Сибирский Государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира, 82; e-mail:
В статье приведены результаты исследований по проблеме рационального проведения начальной влаготеплообра-ботки лиственничных пиломатериалов. Изучены основные факторы, оказывающие влияние на процессы прогрева лиственничных пиломатериалов, на основе которых предложены режимы, позволяющие прогревать древесину, исключая впрыск воды в сушильную камеру в тонкодисперсном состоянии.
Ключевые слова температура прогрева, лиственничные пиломатериалы, энтропия, испарение, градиент температур
The results of studies on management of initial Moist Warm Treatment larch lumber. The basic factors that influence the processes of heating larch lumber, on which proposed mode allows you to heat the wood, except for water injection in the drying chamber in fine condition.
Key words: temperature of heating, Larch lumber, entropy, evaporation, temperature gradient
ВВЕДЕНИЕ
Начальная влаготеплообработка (НВТО) занимает особое место в технологии сушки пиломатериалов. Это связано с тем, что данная операция является пограничной с точки зрения тепловой обработки. В процессе проведения НВТО древесина за относительно короткий период времени прогревается от начальной температуры (/0) до температуры сушки (4). Цель НВТО - перевод древесины из застеклованного состояния в высокоэластичное, что позволяет уменьшить вероятность формирования растягивающих напряжений в поверхностном слое доски и, как следствие, предотвращает образование пластевых трещин. Такой эффект достигается путём повышения температуры древесины до уровня на 5 0С выше температуры сушки 1-й ступени (РТМ по сушке, 1985) при выполнении основного условия - влажность поверхностных слоёв пиломатериалов должна быть выше 30 %.
Прогрев древесины относится к типичному неравновесному прерывному процессу (Базаров И.П. и др., 1989), так как подача тепловой энергии в сушильную камеру переводит систему (агент сушки -прогреваемая древесина) из равновесного состояния в неравновесное на границе фаз (поверхность доски).
С целью установления закономерности распределения тепловой энергии при прогреве пиломатериалов был проведен специальный эксперимент -фиксировались температуры в сушильной камере, на поверхности доски, а также в центре доски. Полученные результаты исследований позволили установить величины градиентов температур в сушильной камере и на поверхности доски (А^), на поверхности доски и в центре (А/2) во времени, что является обязательным параметром необратимых процессов.
Проведённые экспериментальные исследования показали, что нарушение термодинамического рав-
новесия сопровождается резким повышением величины А в начале прогрева. Это указывает на то, что произведена локальная энтропия а = йз/йт положительного знака. В дальнейшем наблюдается постепенное снижение величины А^ (рис. 1, кривая 1). Процесс снижения А указывает на то, что происходит распределение произведённой энтропии на нагрев древесины (график 2 рис. 1) и испарение влаги с поверхности доски (график 3 рис. 1).
V
1
""■вед. 2
О SO 100 ISO zoo
Время профва, ьин
Рисунок 1 - Температурный скачок на границе раздела фаз
Нетрудно убедиться в том, что в изучаемом примере большая часть произведённой энтропии расходуется на испарение воды с поверхности древесины. Такое распределение а на поверхности древесины неизбежно приводит к интенсивному испарению влаги с поверхности пиломатериалов, что негативно скажется на напряжённо-деформированном состоянии поверхностного слоя доски.
Повышение температуры агента сушки увеличивает его влагоёмкость, что повышает интенсивность испарения влаги с поверхности доски. С целью снижения негативного эффекта скачка темпе-
ратур в настоящее время применяется такой технологический приём, как подача в сушильное пространство воды в тонкодисперсном состоянии. Насыщение агента сушки влагой выравнивает парциальные давления влаги в сушильной камере и на поверхности доски, что приводит к прекращению процесса испарения влаги с поверхности пиломатериалов.
Вода, находящаяся в тонкодисперсном состоянии, неизбежно конденсируется на пористой поверхности пиломатериалов. По данным (Горбанёв П.Б. и др., 2008), масса сконденсированной воды достигает 15 кг на 1 м3 высушиваемых лиственничных пиломатериалов. Исключить конденсацию воды на поверхности досок при такой технологии НВТО не представляется возможным. Из этого следует, что необходимо предусматривать дополнительно тепловую энергию в количестве 37,5 кДж/м3 для испарения сконденсированной массы воды с поверхности пиломатериалов. Поисковые исследования, проведённые автором статьи, указали на возможность достижения цели НВТО без использования впрыска воды в сушильное пространство камеры. Тогда цель работы формулируется следующим образом: установить режимы прогрева высушиваемых лиственничных пиломатериалов без использования впрыска воды в сушильное пространство камеры.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Были направлены на изучение влияния скорости подъёма температуры в сушильной камере в период прогрева: на скорость подъёма температуры в центре доски; на массу влаги, которая испаряется с поверхности доски.
Эксперименты проводились в сушильной камере (рис. 2), которая оснащена всеми измерительными приборами, позволяющими управлять режимом сушки, одновременно фиксируя температуру по сухому (4) и смоченному (/т) термометрам, температуру в центре контрольного образца (4бр), текущую массу (тт) контрольного образца. Начальная (^н), текущая влажности (^т) контрольного образца определялись весовым способом.
4 - образцу! испытуемые; 5 - образец контрольный;
6 - датчик температурный; 7 - весь; 8 - противовес;
9 - психрометр
Рисунок 2 - Схема экспериментальной сушильной камеры
Параметры прогрева: начальная температура системы (сушильная камера - древесина) составляла 22+2 0С; конечная температура прогрева - 60 0С; психрометрическая разность (Ж) составляла 4 ... 6 0С, что соответствовало степени насыщенности агента сушки 70 ... 85 %. Объект исследования: древесина - лиственница сибирская; размеры поперечного сечения - 25х100 мм, 50х100, длина - 500 мм. Торцы образцов тщательно гидроизолирова-лись липкой строительной лентой, которая фиксировалась пластинками из ДВП.
На рисунке 3 приведены результаты измерения температуры в период прогрева лиственничных образцов толщиной 25 мм: 1, 2 - изменение температуры в сушильной камере; 3, 4 - изменение температуры в центре доски. В таблице 1 представлены уравнения, описывающие изменения скорости температуры в соответствующем процессе, и результаты решения этих уравнений в виде среднего значения изменения скорости температуры.
Изменение влажности древесины в период прогрева приведено на рисунке 4; уравнения, описывающие экспериментальные влажностные кривые, представлены в таблице 2.
Таблица 1 - Уравнения, описывающие соответствующий процесс рисунка 2
№ Изменение Величина достоверности
, Уравнение
п/п температуры г аппроксимации (К)
1 В сушильной камере (процесс 1) у = -0,0078х2 +1,4588х +23,428 и41= -0,0156х + 1,459; Ои.ср. = 1,22 0С/мин 0,9992
2 В сушильной камере (процесс 2) у =0,00002х3 - 0,0064х2 + 0,8377х +23,833 и42 = 0,00006х2 - 0,0128х + 0,837; и42.ср. = 0,39 0С/мин 0,9988
3 4 В центре доски (процесс 1) В центре доски (процесс 2) у = -0,00001х3 +0,0008х2 +0,3283х + 21,108 и41ц = -0,00003х2 + 0,0016х + 0,3283; Оиц.ср. = 0,21 0С/мин у = 0,00001х3 - 0,0044х2 + 0,6409х + 19,313 и42ц = 0,00003х2 - 0,0088х + 0,6409; ^гаот. = 0,23 0С/мин 0,9991 0,9891
Таблица 2 - Уравнения, описывающие закономерность изменения влажности на поверхности доски (рис. 3)
№ Т1. Величина достоверности
п/п
Изменение влажности
Уравнение
аппроксимации (Я )
При изменении у = 9Е-11х5 - 7Е-08х4 + 2Е-05х3 - 0,0014х2 -
1 температуры в камере 0,0236х + 55,086 0,995
(процесс 1) ср = 0,037 %/мин
При изменении у = -4Е-09х4 + 5Е-07х3 + 2Е-05х2 - 0,011х +
2 температуры в камере 54,577 0,9621
(процесс 2) о*2.ср. = 0,015 %/мин
а /о
I-
е- зо
I «
30 20 10 О
1х 4
/
Г/
50
100
150
200
Время профва, ии
Рисунок 3 - Изменение температуры в период прогрева лиственничных досок толщиной 25 мм: 1, 2 - изменение температуры в сушильной камере; 3, 4 - изменение температуры в центре образца
5
8 55
0
I54
1 " 52
51
50
49
48
47
с\> ' ГП ОВ-В-[ ^ГП^ЕЦ ш
\
50
100
150 Время профе
200
Рисунок 4 - Изменение влажности древесины лиственницы в период прогрева при различной интенсивности: 1 - при Ои.ср, = 1,22 0С/мин; 2 - при ии.ср. = 0,39 0С/мин
ОБСУЖДЕНИЕ
Закономерность изменения температур в сушильной камере и в центре доски (рис. 2, табл. 1) указывает на то, что средняя скорость изменения температуры в центре доски не зависит от скорости изменения температуры в сушильной камере, а зависит от теплофизических характеристик древесины: влажность, температура. При этом визуально на графиках 3, 4 рисунка 3 определимо, что температура в центре доски более интенсивно изменяется первые 60 . 80 мин прогрева, а в последующем интенсивность несколько снижается.
В то же время интенсивность удаления влаги (рис. 4, табл. 2) с поверхности доски зависит от скорости подъёма температуры в сушильной камере. Так, при скорости температуры в сушильной камере, равной 1,22 0С/мин, скорость изменения влажности составляет |0,037| %/мин, а при и42ср. = 0,39 0С/мин - и„2ср. = |0,015| %/мин. Из этого следует, что снижение скорости подъёма температуры в сушильной камере в 4 раза снижает скорость изменения влажности древесины в 2,5 раз.
Из вышесказанного следует, что подаваемая в сушильную камеру тепловая энергия расходуется, в первую очередь, на прогрев стен сушильной камеры и высушиваемой древесины. Оставшаяся часть энергии расходуется на испарение влаги с поверхности ограждений и древесины. Тогда, соблюдая определённый тепловой баланс в сушильной камере в период прогрева, можно добиться нулевого значения скорости изменения влажности высушиваемых пиломатериалов.
Количество тепловой энергии, подводимой к 1
2
м площади пиломатериалов в единицу времени (Оуд.), при конвективном переносе зависит от коэффициента теплообмена, а также температурного градиента Ж]) и рассчитывается по формуле (Шо-рин С.Н., 1964)
О д = О + О = а- (?-1 ) = а- р- с • (Г - ? ),
^уд. 2~-пр. *~-исп. V С пов./ г р V с пов./*
(2)
где а - коэффициент теплообмена, величина зависящая от скорости циркуляции, Вт/(м2 К) или Дж/(с • м2-К);
?с - температура агента сушки по сухому термометру, 0С;
(пов.- температура поверхности доски, 0С; со - скорость циркуляции агента сушки по поверхности пиломатериалов, м/с;
р - плотность агента сушки, кг/м3;
ср - теплоёмкость агента сушки, кДж/(кг • К).
Коэффициент теплообмена для конкретного процесса сушки является величиной постоянной, так как весовая скорость (со • р) циркуляции агента сушки по поверхности пиломатериалов практически не изменяется при прогреве. Тогда Оуд. в основном зависит от температурного градиента (ЖД Управляя значением температурного градиента, выполняем основное условие НТВО - прогреть пиломатериал без впрыска воды в сушильное пространство.
Для этого предлагается поддерживать скорость подъёма температуры в сушильной камере в период прогрева на уровне (0,21 ... 0,23)0С/мин. Такой
подъём температуры в сушильной камере исключает какое-либо значимое нарушение термодинамического равновесия системы в конкретный момент времени. При этом подводимая к поверхности доски энергии будет расходоваться на прогрев древесины, а не на испарение.
Общее время прогрева соответствует времени, которое рекомендуется в руководящих материалах по камерной сушке (РТМ по сушке, 1985) для определённой толщины - 1,0 ... 1,5 часа на каждый сантиметр толщины доски. Следует обратить внимание на то, что данные рекомендации прошли апробацию при ^ > 00С.
Результаты опытной сушки, проведённой в полупромышленной сушильной камере (1 м3 высушиваемых пиломатериалов) по предлагаемому режиму прогрева, подтвердили правильность предлагаемых режимов.
ВЫВОДЫ
1. Повышение температуры в сушильной камере при прогреве приводит к нарушению термодинамического равновесия на поверхности высуши-
ваемых пиломатериалов.
2. Тепловая энергия, подводимая к поверхности пиломатериалов в результате теплообмена, в первую очередь, расходуется на прогрев древесины, а оставшаяся часть - на испарение влаги с поверхности доски.
3. Подъём температуры в сушильной камере со скоростью 0,21 ... 0,23 0С/мин позволяет весь объём подводимой тепловой энергии к поверхности доски направить на её прогрев.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Базаров, И. П. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика / И. П. Базаров, Э. В. Геворкян, П. Н. Николаев. - М.: МГУ, 1989. - 240 с. Горбанёв, П. Б. Прогрев пиломатериалов в процессе сушки / П. Б. Горбанёв, Д. Л. Павлов, Н. А. Глеб // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: научно-практическая конференция. - Красноярск, 2008. - С. 216 - 218. Руководящие и технические материалы / под ред. Е. С.
Богданова. - Архангельск: цНИиМОД, 1985. - 143 с. Шорин, С. Н. Теплопередача / С. Н. Шорин. - М.: Высш. шк., 1964. - 490 с.
Поступила в редакцию 3 мая 2012 г. Принята к печати 7 сентября 2012 г.
