CC BY
126
ДЕРЕВООБРАБОТКА
РЕЖИМЫ ИМПУЛЬСНОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
А.А. КОСАРИН, ст. преподаватель каф. сушки и защиты древесины МГУЛ,
А.И. РАСЕВ, проф. каф. сушки и защиты древесины МГУЛ
kosarin@mgul.ac.ru; rasev@mgul.ac.ru
Импульсная сушка пиломатериалов и заготовок проводится повторяющимися циклами. Каждый цикл складывается из двух стадий: «импульс», когда к высушиваемому материалу подводится тепловая энергия, и «пауза», во время которой подача тепловой энергии прекращается. Анализ процесса импульсной сушки на базе разработанной физической модели [1, 2] позволил установить, что основными параметрами режима на стадии «импульс» являются температура среды t и продолжительность импульса т , а на стадии «пауза» - продолжительность паузы тп. При разработке режимов импульсной сушки пиломатериалов той или иной характеристики при заданных показателях их качества сохраняется 3-5-ступенчатая структура, которая была принята при построении режимов традиционной конвективной сушки [3, 4].
Уровень температуры на стадии «импульс». Интенсивность процесса сушки зависит в значительной степени от температуры сушильного агента. Однако воздействие высокой температуры может вызвать снижение эксплуатационной прочности и изменение цвета древесины. В соответствии с РТМ [4] температура сушильного агента в зависимости от породы древесины и толщины сортиментов колеблется в широких пределах от 38 до 125 °С.
Подавляющее число современных предприятий деревообрабатывающей промышленности в качестве теплоносителя использует горячую воду 90...95 °С. По этой причине выполнение РТМ не может быть полностью реализовано. Это обстоятельство было причиной пересмотра и корректировки режимов сушки [1]. Высший уровень температуры установлен равным 75 °С. Такая температура, с одной стороны, соответствует реально достижимой в сушильных камерах, а с другой - обеспечивает полное сохранение природной прочности древесины. Этот же
уровень температуры принят нами при разработке режимов импульсной сушки. При более низкой температуре, предусмотренной стандартными режимами, ее повышали на 5 °С, но не более 75 °С.
Продолжительность стадии «импульс». На стадии «импульс» степень насыщенности может быть существенно ниже уровня, рекомендованного стандартными режимами. Непрерывная сушка в среде с такой пониженной степенью насыщенности неизбежно приведет к тому, что сушильные напряжения превысят предел прочности и произойдет образование трещин. Из этого следует, что продолжительность стадии «импульс» должна быть такой, при которой развивающиеся напряжения не достигают предела прочности.
Применим для последующего анализа критерий безопасности Б режима [3], который определяет, насколько он предохраняет высушиваемые сортименты от разрушения (растрескивания). Величина этого критерия характеризуется отношением предела прочности о^ древесины к максимальным сушильным напряжениям о , возникающим в высушиваемом материале.
Б = о / о . (1)
Имеющиеся в литературе [3, 5] графики зависимости предела прочности при растяжении поперек волокон от температуры и влажности древесины даны для средних значений опр. Действительная величина предела прочности древесины отдельных досок может иметь отклонения от среднего значения на величину показателя изменчивости (коэффициента вариации) v предела прочности древесины. Для предела прочности на растяжение поперек волокон v = 0,15 (15 %) [6]. Эта величина подтверждается результатами исследования П.С. Серговского [3], М.В. Николайчу-ка [5]. По закону нормального распределения с вероятностью ~ 95 % отклонения отдельных вариант от среднего арифметического лежат
118
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
в пределах ± 2о. Тогда для рассматриваемого случая диапазон отклонений составит ± 2v.
Расчетный предел прочности о будет равен вероятному нижнему пределу опр. Следовательно
а = а - 2va = 0,7а . (2)
пр.р пр пр 7 пр 4 у
Применительно к импульсной сушке amax следует рассматривать как напряжения в поверхностной зоне сортимента. Это обосновывается тем, что при импульсной сушке наиболее опасными являются поверхностные напряжения растяжения. Растягивающие напряжения во внутренних зонах, обусловленные остаточными деформациями, не являются критическими, поскольку остаточные напряжения существенно ниже, чем при сушке классическими режимами.
Применительно к импульсной сушке критерий безопасности Би режима следует записать
Б = 0,95-а / а , (3)
где апов - напряжения в поверхностном слое
сортимента;
0,95 - коэффициент запаса.
Продолжительность стадии «импульс» рассчитывается следующим образом:
- определяются напряжения, развивающиеся в поверхностной зоне, при заданной температуре и различной степени насыщенности сушильного агента, в зависимости от глубины гигроскопической зоны хг ;
- устанавливается критическая глубина гигроскопической зоны х , при которой возникающие в поверхностной зоне напряжения будут соответствовать критерию безопасности Б = 1,0;
и
- рассчитывается продолжительность процесса тим, при которой глубина гигроскопической зоны равна х . Полученная величина принимается за режимный параметр для пиломатериалов той толщины и породы древесины, для которых проводился расчет.
Для расчета напряжений использована известная методика, разработанная проф. Уголевым Б.Н. [7], согласно которой доска в поперечном сечении рассматривается как многостержневая модель, при этом длина стержня равна ширине доски, а суммарная толщина стержней - ее толщине.
Напряжения в процессе сушки в каждом (i-м) стержне характеризуется формулой [8]
а=E(VAW - уЛ (4)
где Е - показатель жесткости данного стержня;
ky - коэффициент усушки;
AW. - перепад гигроскопической влажности;
у. - уравновешивающая деформация.
В качестве примера на рисунке построены графики (кривые б), характеризующие напряжения в гигроскопической зоне при различных значениях степени насыщенности сушильного агента при сушке обрезных пиломатериалов из древесины березы толщиной 25 мм. Толщина стержня во всех расчетах принималась равной 0,1 мм.
Для определения показателя жесткости древесины Е, МПа, при растяжении поперек волокон, в зависимости температуры и влажности использованы результаты, полученные проф. Н.В. Скуратовым [9],
Одновременно на эти графики нанесены кривые, характеризующие расчетный предел прочности (кривые а) древесины на растяжение поперек волокон (тангенциальное направление) с учетом коэффициента запаса 0,95-о для /-го слоя. Для расчета о использовали аппроксимирующие уравнения [9]. Точка пресечения кривых определяла координату критической глубины гигроскопической зоны х .
гк
Из анализа кривых следует, что по мере снижения степени насыщенности сушильного агента критическая глубина зоны хгк уменьшается. Вероятный диапазон изменения степени насыщенности в начальный период процесса (ф = 0,75.. .0,55) установлен нами в результате анализа многочисленных опытных сушек пиломатериалов различной толщины и породы, проведенных в производственных условиях. Наиболее опасным с точки зрения сохранения целостности материала является нижний предел, для которого и определялась критическая глубина. Так, в рассматриваемом примере для нижнего предела ф = 0,55 критическая глубина хгк = 2,5 мм. Эта величина взята нами для расчета продолжительности стадии «импульс».
Продолжительность стадии «импульс» т рассчитывали по уравнению
им
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
119
ДЕРЕВООБРАБОТКА
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 0,3
Глубина гигроскопической зоны x мм
Рисунок. Определение критической глубины x гигроскопической зоны для пиломатериалов из древесины березы толщиной 25 мм
f 2W. + W - 3W ^
т, = -
6,76 • а'
(5)
3(W - W)
где а' - коэффициент влагопроводности;
Wu, Wau, Wii - влажность древесины начальная, предела насыщения и поверхности, соответственно.
Уравнение (5) было получено в результате анализа решений известного уравнения влагопроводности [11], характеризующего нестационарный процесс, на стадии нерегулярного режима. Используя данные приведенного выше примера, находим тим = 2,04 ч.
Продолжительность стадии «пауза» т является, как отмечалось выше, следующим режимным параметром. Расчет этого параметра проводится в определенном порядке:
- определяется влажность на поверхности материала в момент окончания паузы;
- рассчитывается продолжительность т , требуемая для достижения полученной поверхностной влажности.
Величина поверхностной влажности Wn определяется по уравнению (6), составленному на основе балансовых уравнений влагообмена на поверхности высушиваемого материала
f а л /f,
W =
+ О- Wp-Хгк
а„„
а
v а
V эк
х, +1
(6)
где а' - коэффициент влагоотдачи;
а’ - эквивалентный коэффициент влагопроводности, учитывающий перенос влаги за счет термовлагопроводности; W - равновесная влажность.
Величина эквивалентного коэффициента влагопроводности а’эк определяется исходя из следующих соображений.
Интенсивность переноса влаги под действием градиента температуры характе-
2
x
ризуется, как известно, коэффициентом термовлагопроводности 5, который в первом приближении показывает, что при численном равенстве температурного и влажностного перепада (градиента) интенсивность потока влаги за счет градиента температуры возрастает в 5 раз. Это эквивалентно повышению коэффициента влагопроводности в 5 + 1 раз. При неравенстве перепадов температуры и влажности эквивалентный коэффициент влагопроводности определяется по выражению
<=а'(1+ф. (7)
Для рассматриваемого случая
аЭк = а'(1 + 5 tr ~tn- ), (8)
эк у W - W
_ _ п.н п
где tz и tn - средняя температура на поверхности и внутренней границе гигроскопической зоны на стадии «пауза», соответственно;
Wn - средняя влажность на поверхности на стадии «пауза».
В результате анализа многочисленных кривых изменения температуры по толщине высушиваемых сортиментов на стадии «пауза» установлено, что разность температуры на границе гигроскопической зоны и поверхности колеблется в пределах 0.. .4 °С, что позволяет считать разность tz - tn величиной достаточно постоянной и примерно равной 2 °С.
При разработке методики расчета продолжительности стадии «пауза» было использовано решение уравнения влагопроводности для поверхности пластины при граничных условиях III рода [11]. Применительно к процессу увлажнения это решение для поверхности сортимента может быть записано в следующем виде
120
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
(W - W) - (W - Wp )X
- 2f '
(2sin мг- • cos мг-) • e Mi 0
(9)
i-1 Mi + sin цг. • cos цг.
где p, - корни уравнения, величина которых зависит от диффузионного критерия Bi'; FO - диффузионный критерий Фурье.
В свою очередь
Bi' -a R, а г (10)
, а т Fo - —, R (11)
где R = S/2, а S толщина пластины; т - искомая продолжительность.
В расчетах, при малых значениях Bi’, можно ограничиться одним первым членом ряда. Такой прием используется достаточно широко [3, 10] при анализе как процессов нагревания, так и сушки древесины. Его применение дает погрешность, не превышающую 2...3 %, что для практических расчетов вполне допустимо.
В результате получаем уравнение для расчета продолжительности стадии «пауза»
т- S2 ln Wh -Wp 2sinм1 • cosм1 (12)
4Hi • аэк Wh - Wn Mi + sin Ml •cos Ml ’
где p1 - корень уравнения для первого члена ряда, р1 =f(Bi'), определяется по уравнению (при Bi’ < 20)
M = 0,99Bi'014 (13)
Продолжительность паузы тп, , рассчитанная по уравнению (12), по исходным данным примера будет равна 1,98 ч.
По методике, изложенной выше, были рассчитаны режимные параметры импульсной сушки для пиломатериалов и заготовок основных отечественных и ряда тропических пород, импортируемых в нашу страну. Для примера в таблице приведены режимы импульсной сушки пиломатериалов и заготовок из древесины березы, осины и липы.
Таким образом, режим импульсной сушки пиломатериалов, которая проводится повторяющимися циклами «импульс - пауза» устанавливает три основных параметра: температуру сушильного агента и продолжительность процесса на стадии «импульс» и продолжительность стадии «пауза».
Разработана методика определения этих параметров. По этой методике разработаны режимы сушки пиломатериалов, как
Таблица
Режимы сушки пиломатериалов из древесины березы, осины, липы
Влажность древесины, % Пара- метры режима Толщина пиломатериалов, мм
16, 19 22, 25 32, 40 50 60
> 35 т , час ГС Тп, час 3, 0 75 2, 0 2, 0 75 2, 0 2, 0 69 2, 0 2, 0 67 3, 0 2, 0 61 3, 0
35...20 т , час им ГС тп, час 3, 0 75 2, 0 2, 0 75 2, 0 2, 0 73 2, 0 2,0 71 3, 0 2, 0 64 3,0
< 20 т , час ГС тп, час 4, 0 75 2, 0 4, 0 75 2, 0 2, 0 75 2, 0 2, 0 75 2,0 2, 0 75 2, 0
отечественных, так и некоторых зарубежных пород. В статье приведен пример режима сушки пиломатериалов из древесины березы.
Библиографический список
1. Расев, А.И. Тепловая обработка и сушка древесины: учебник для вузов / А.И. Расев. - М.: МГУЛ, 2010. - 360 с.
2. Косарин, А.А. Особенности импульсной сушки пиломатериалов / А.А. Косарин // Вестник МГУЛ
- Лесной Вестник. - 2010. - № 5(74).- С. 119-125.
3. Серговский, П.С. О принципах построения рациональных режимов сушки пиломатериалов / П.С. Серговский // Труды Всесоюзной научно-технической конференции. -Архангельск: ЦНИИМ-ОД, 1968. - С. 36-55.
4. Руководящие технические материалы по камерной сушке древесины. - Архангельск: ЦНИИМОД, 1985. - 143 с.
5. Николайчук, М.В. Исследование реологических показателей и режимов сушки древесины при низких температурах: дис. .. канд. тех. наук / М.В. Николайчук. - М.: МЛТИ, 1973. - 201 с.
6. Боровиков, А.М. Справочник по древесине: справочник / А.М. Боровиков, Б.Н. Уголев. - М.: Лесная пром-сть, 1989. - 296 с.
7. Уголев, Б.Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке / Б.Н. Уголев. - М.: Лесная пром-сть, 1971. - 172 с.
8. Уголев, Б.Н. Контроль напряжений при сушке древесины / Б.Н. Уголев, Ю.Г. Лапшин, Е.В. Кротов.
- М.: Лесная пром-сть,1980. - 206 с.
9. Скуратов, Н.В. Разработка рациональных режимов сушки пиломатериалов в камерах периодического действия: дис. ... канд.тех. наук / Н.В. Скуратов.
- М.: МЛТИ, 1983. - 185 с.
10. Шубин, ГС. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С. Шубин. - М.: Лесная пром-сть, 1990. - 336 с.
11. Лыков, А.В. Теория сушки / А.В. Лыков. - М.: Энергия, 1968. - 472 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
121
