CC BY
8
3. ТЕХНОЛОГИ! ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674.047 Проф. П.В. Бтей, д-р техн. наук; доц. Я.Ф. Кулешник,
канд. техн. наук; ст. викл. 1.А. Соколовський, канд. техн. наук -НЛТУ Украти, м. Rbeie; ст. викл. А.В. Полоз, канд. техн. наук -
Коломийський nолiтехнiчний коледж
ТЕОРЕТИЧН1 ОСНОВИ ТЕПЛОВОЛОГООБРОБЛЕНЬ У ПРОЦЕС1 СУШ1ННЯ ПИЛОМАТЕР1АЛ1В
Розглянуто теоретичш основи визначення кшетики i тривалосп зволоження де-ревини в процес проведення тепловологооброблень.
Prof. P.V. Biley, assist. prof. Ya.F. Kyleshnyk, senior teacher I.A. Sokolovskuy -
NUFWT of Ukraine, L'viv; senior teacher A.V. Poloz -
Kolomiyskiy polytechnic college
Theoretical bases heat-humidity processing during drying of saw-timbers
Theoretical bases of determination kinetic and duration moistening of wood are considered during of heat-humidity processing.
Перюдичне проведення промiжних тепловологооброблень дае змогу зшмати накопичеш внутршш напруження за рахунок збшьшення пластич-носл деревини та зберегти цшстсть матерiалу в процес сушшня. В одних роботах [1] промiжнi тепловологооброблення для твердих листяних порщ (бук, дуб) рекомендуеться проводити при переходi на кожен наступний сту-тнь режиму. Таких промiжних тепловологооброблень може бути чотири. В шших роботах задаеться не кшьюсть промiжних i кондицюнувальних тепловологооброблень, а 1х загальна тривалiсть [2, 3]. Технологiчнi режими захщ-ноевропейських фiрм взагалi не передбачають проведення промiжних тепловологооброблень, через застосування дуже м'яких режимiв сушшня, ними пе-редбачаеться тшьки кондицiонувальне тепловологооброблення. Однак, з точки зору теорп розвитку внутршшх напружень, що пiдтверджено також i ек-спериментальними дослiдженнями [1], доцшьно в процесi сушiння проводити хоча би одне промiжне тепловологооброблення, а саме, при середнш воло-гостi деревини W = 25±1 %, тобто в момент змши знаку напружень. Данi реко-мендацп стосуються процесу сушiння пиломатерiалiв i заготовок iз деревини твердих листяних порщ. Для iнших порщ це значення перехщно! вологостi не визначалось, але воно знаходиться в дiапазонi вологостi деревини 20-30 % [2]. Таким чином, у цш робот розглянемо закономiрностi проведення одного промiжного тепловологооброблення при середнш вологост W = 25±* % та кондицюнувального тепловологооброблення в кiнцi процесу сушшня.
Зволоження деревини в процес проведення тепловологооброблень е складним процесом сорбцп вологи в поверхневих шарах, перемщення воло-ги у виглядi пари i рiдини всередину матерiалу, яке супроводжуеться набу-
ханням (збшьшення лiнiйних po3MipiB i об'ему) та видiленням теплоти. Сор-бщя вологи на зовнiшнiй поверхш сухо! деревини протжае дуже швидко. Приблизно за 1 мкс при вщноснш вологост повiтря р < 0,2 на поверхш утво-рюеться мономолекулярний шар. За умови 0,2 < р< 0,7 утворюеться суцiльна плiвка мономолекулярно! води, що е умовою полiмолекулярноl конденсаци на поверхнi. Коли 0,7 < р< 1,0, проявляе себе третш вид сорбцй - капшярна конденсацiя. Якщо в процес сорбцй р = const, то кшьюсть молекулярних ша-рiв води на зовшшнш поверхнi збережеться постiйним, незважаючи на те, що конденсацiя на нш (поверхнi) вологи продовжуеться. Швидюсть адсорбци пари (конденсаци) визначаеться швидюстю дифузи води i3 зовшшньо1 поверхш всередину матерiалу. Сорбцiя на внутршнш поверхнi вiдбуваеться за типами моно- i полiмолекулярноl адсорбцй.
Оскiльки мiж процесами тепло- i масообмiну визнаеться аналогiя, то за граничними умовами I роду прийнято вважати, що вологообмшний критерш Bi' ^ да. Фiзично ця умова означае, що процес сорбцй водяно1 пари лiмiтуеться не вологообмiном, а внутршшм вологоперенесенням - вологопровiднiстю (ди-фузiею). Вологiсть на поверхнi деревини шд час проведення тепловологооб-роблень залишаеться постiйною протягом всього процесу сорбцй, вона дорiв-нюе рiвноважнiй вологост (Wp) вiдповiдно з параметрами середовища (tc, р).
Основнi чинники, як впливають на процес зволоження: параметри середовища (tc, р), розмiри поперечного перетину (SixS2), вологопровщшсть деревини (а'), глибина зволоження (x/R). Цi параметри пов,язанi з тривалютю процесу зволоження (т) системою критерiальних рiвнянь:
1 -Ew = f F0- , (1)
V R
1 - Ew = (Wp - Wx)Wp, (2)
F0=^, (3)
ат
I2
де Ем> - безрозмiрна вологiсть в точцi сортименту, на вщдаш х вiд поверхш матерiалу товщиною ^ = 2Я.
ш - ш
Ек = Шр-Шх, (4)
Шр - Шо
де: Шр - рiвноважна вологiсть, %; Шх - волопсть в точцi х в момент часу т, %; Ш0 - початкова волопсть деревини перед зволоженням, %.
Сорбщя поверхнею деревини водяно! пари при високих значеннях во-логостi повiтря р > 0,7 супроводжуеться полiмолекулярною адсорбщею (яка компенсуе кiлькiсть води, що дифундуе всередину матерiалу) i капiлярною конденсацiею. 1нтенсившсть капшярно! конденсаци на початку процесу зволоження е нижчою, тж адсорбцiя на зовнiшнiй поверхнi матерiалу, але ви-щою, нiж адсорбщя на внутрiшнiй поверхнях. Тому радiус менiскiв в мжро-заглибленнях поверхш матерiалу впродовж процесу сорбцй е меншим, нiж при рiвноважнiй вологост поверхнi деревини. Оскiльки швидкiсть дифузи всерединi матерiалу зменшуеться, то зменшуеться i рiзниця радiусiв менiскiв,
що веде до зменшення капшярно1 конденсацй пари. Таким чином, капшярна конденсацiя пари на поверхш залежить вiд дифузй вологи всередину матерiалу.
Умови вологообмшу на поверхнi деревини в процес проведення теп-ловологооброблення визначаються масообмшним критерiем Бiо. Якщо в ^да, то можна очiкувати, що i Bi' ^ да, тодi вологообмiн вважають без-межно штенсивним. При цьому, вже при значенш критерiю Бiо Bi' > 70 воло-гообмiн зараховують до штенсивного тому, що процес зволоження лiмi-туеться не зовнiшнiм, а внутршшм вологообмiном.
Для визначення швидкост адсорбцй водяно! пари всерединi деревини Б.С. Чудшов запропонував такий розв'язок. Продиференцдававши рiвняння (2) за (1 - Ew) та W, отримаемо прирют вологостi (волога перемiщаеться в бш меншого вологовмiсту) при адсорбцй
dW= -Wp d(1 - W). (5)
Прийнявши в рiвняннi (3) величини Fd i г як змшт, отримаемо
a
dFd =— dr. (6)
R
Для визначення швидкост адсорбцй в рiзних точках деревини роздь лимо рiвняння (5) на (6)
dW = W a d(1 - Ew) (7)
dr p R2 dFd ' ^ ^
З рiвняння (7) можна зробити такi висновки: 1) швидюсть адсорбцй вологи деревиною прямопропорцшна коефiцiенту дифузй води в деревиш, ll рiвноважнiй вологостi i оберненопропорцiйна квадрату визначального розмь ру; 2) швидюсть адсорбцй змшюеться протягом всього процесу зволоження по^зному для поверхневих i внутрiшнiх шарiв деревини. На початку процес адсорбцй е бшьш штенсивним у поверхневих шарах, а потм, коли волопсть поверхш досягае рiвноважного значення Wnde ^ Wp, у внутрiшнiх. Для необмежено1 пластини рiвняння (1) буде мати вигляд:
1 - Ew =—^ — cos
п i=1 2n -1
n+1
п (ч лх
1(2n - 1)R
х exp
п2
-^-(2n - 1)F0 —
(8)
При початковш вологостi деревини перед зволоженням (W0>0) рiв-няння (2) та (5) потрiбно записати так:
1 - Ew = (Wp-Wx)/(Wp -W0), (8)
dW = -(Wp- Wo)-d(1 - Ew). (10)
Швидюсть сорбцй вологи деревини визначаеться вологопровщшстю. В рiвняннях (6) та (7) припускаеться, що протягом всього процесу сорбцй а' = const. Якщо таке припущення юнуе для даного ступеня режиму сушшня, де витримуються iзотермiчнi умови при At < 2,5 °С, то в процес проведення тепловологооброблення температура середовища зростае i вiдбуваеться неста-цiонарний теплообмiн. Тривалiсть нестацiонарного теплообмшу дорiвнюе три-валостi процесу тепловологооброблень, вщповщно а' ф const. З шшого боку, величина коефiцiента вологопровщносп в процесi сорбцй залежить не тшьки
вщ температури, але i вiд стадй процесу i глибини проникнення зони випаро-вування. Крiм цього, щ рiвняння виведенi з припущення, що на початку сорбцй волопсть розподшена рiвномiрно. Викладене вище дае тдстави стверджу-вати, що виведеш рiвняння не будуть точно вщображати процес зволоження.
Експериментальними дослiдженнями було доведено, що оптимальною середньою волопстю матерiалу (деревини рiзних порiд i товщини) для приз-начення промiжного тепловологооброблення е вологiсть Ш = 24...26 %. При косинусоподiбному розподш вологовмiсту за товщиною матерiалу волопсть поверхневих шарiв становить Шпов« Шр= 13.18 %, а вологiсть внутрiшнiх шарiв Шц = 30.36 %. Якщо у цей момент провести тепловологооброблення, то поверхневi шари будуть зволожуватись, а внутрiшнi будуть продовжувати висихати завдяки градiенту вологовмюту. Таким чином, встановиться деяка протитечiя вологи: пiдвищення вологостi поверхневих шарiв як за рахунок сорбцй i дифузй в них вологи, так i за рахунок перемiщення вологи з бшьш вологих центральних шарiв. При визначеннi тривалостi процесу тепловологооброблення можна очжувати, що волопсть по всьому об'ему буде вирiвнюва-тись i врештi, набуде значення Шр. Такi явища спостерiгаються тшьки при кiнцевому та кондицiонувальному тепловологообробленнях. На сьогодш те-оретичний розв'язок процесу зволоження деревини шд час проведення тепловологооброблення е ще далеко не точним i на практищ рекомендуеться вико-ристовувати емтричш залежностi, якi наведенi в КТМ [4]. Для дослщження процесiв промiжного та кондицiонувального тепловологооброблень викорис-тано лабораторну експериментальну сушильну установку.
Висновок. В низькотемпературному процес сушiння волопсть всере-динi матерiалу перемiщаеться по товщиш матерiалу, в основному, за рахунок градiента вологостi. Величина вологообмшу всерединi матерiалу за рахунок градiента температури i тиску е незначною. Тому температуру i тиск можна виключити iз числа чинникiв, як впливають на iнтенсивнiсть змiни вологост поверхневих i внутрiшнiх шарiв деревини в процес проведення тепловологооброблення. Вирiвнювання вологостi матерiалу за товщиною веде до вирiв-нювання деформацш, здебiльшого, всихання, а це по-своему веде до змен-шення внутршшх напружень. Отже, основним завданням промiжних тепловологооброблень е зменшення величини внутршшх напружень за рахунок вирiвнювання вологостi матерiалу за товщиною. Крiм цього, за рахунок спшьно1 дй на деревину тепла i вологи, вона стае пластичнiшою, що дае змо-гу зменшити залишковi деформацй, якi негативно позначаються на подаль-шому процесi сушiння та якост висушуваного матерiалу.
Лiтература
1. Билей П.В. Сушка древесины твердых лиственных пород. - М.: Экология, 1992. - 224 с.
2. Серговский П.С., Расев А.И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 360 с.
3. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины. -Архангельск: ЦНИИМОД, 1985. - 143 с.
4. Кер1вш техшчш матер1али з технологи камерного сушшня пиломатер1ашв/ За ред. проф. Бшея П.В. - Льв1в: РВЦ УкрДЛТУ. - 2003. - 72 с.
