CC BY
66
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674.047 Проф. П.В. Бтей, д-р техн. наук - НЛТУ Украти, м. Львiв;
директор В.М. Павлюст, канд. техн. наук - ТзОВ HIBiT;
ст. викл. I.A. Соколовський - канд. техн. наук НЛТУ Украти, м. Львiв
ТЕПЛОВОЛОГООБРОБКА В ПРОЦЕСАХ СУШ1ННЯ ДЕРЕВИНИ
Подано характеристику технолопчно! мети теплово! обробки деревини i описано теоретичш основи зволоження.
Prof. P.V. Biley - NUFWT of Ukraine, L'viv; director V.M. Pavlyust - TZOV Nivit;
senior teacher I.A. Sokolovskiy - NUFWT of Ukraine, L'viv
Warming moistness machining in the processing of wood drying
The characteristic of technological aim of wood warming is given and the theoretical background of moistening is described.
ТехнолоНчна мета теплово1' обробки деревини. До теплово! обробки деревини вщносять дда на не! тепла водяно! пари, атмосферного повггря, топкових газiв та рщин, тепла контактуючих елемент1в, шфрачервоного вип-ромшювання та електромагштних хвиль. Основна мета теплово! обробки -змша фiзико-механiчних властивостей деревини.
Теплова обробка мае, як правило, допомiжну роль стосовно основних технолопчних процешв. Мета !! визначаеться вщповщними технолопчними та експлуатацшними вимогами. Здебшьшого метою теплово! обробки деревини е !! розм'якшення. У лiтературi наводяться рiзнi думки про причини розм'якшення деревини при !! гiдротермiчнiй обробцi та особливостей дефор-мацi! деревини в нагрiтому сташ. Найбiльш просте та поширене пояснення причин шдвищено! деформативностi нагрiто! деревини полягае в тому, що твердi коло!днi речовини, якi знаходяться в мiжклiтинному просторi, за зви-чайних температур цементують деревиннi волокна, а шд час нагрiвання пере-ходять у гелевий стан, внаслiдок чого послаблюеться зв'язок мiж волокнами. З точки зору сучасно! фiзико-хiмi! полiмерiв, аморфнi лiнiйнi полiмери (до них належить целюлоза) можуть перебувати в склоподiбному, в'язкотекучо-му i високо еластичному станах [1, 2].
Суть переходу деревини при на^ванш iз склоподiбного у високо еластичний стан полягае в тому, що вода тут вщграе роль пластифшатора -дисощюе поперечнi зв'язки мiж макромолекулами. Руйнування цих зв'язюв призводить до збшьшення гнучкостi структурних елементiв. Таким чином, фiзична суть розм'якшення деревини тепловою обробкою полягае в тимчасо-вому виведеннi !! iз склоподiбного в еластичний стан, в якому вона здатна витримувати значш пружш деформацi! без руйнування.
На еластичшсть деревини великий вплив мае температура, волопсть, порода (особливостi макроструктури), вж, термiн заготiвлi, мiсце знаходжен-ня зразка у стовбурi та iншi фактори. Наприклад, бук вiднесено (особливо у молодому вщ) до високо еластичних порщ деревини. Заболонна та вершинна частина стовбура е бшьш еластичною, нiж спiлодеревна.
Температура мае великий вплив на еластичшсть деревини. Це пояс-нюеться, по-перше, тим, що збiльшення коливного руху молекул деревинно! речовини та води призводить до примусового переходу деревини в стан елас-тичностi. Неабияку роль вщграють тепловi дифузiйнi процеси. Так, дефор-мативнiсть деревини при стискуваннi вздовж волокон за збшьшення темпера-тури вщ 0 °С до 54°С, вiдносна деформацiя збiльшилася майже у п'ять разiв. Треба вiдзначити, що перехщ деревини в стан вимушено! еластичностi е нас-лiдком стльно! ди на не! тепла i вологи [3].
Щоб деревина перейшла зi склоподiбного в еластичний стан 11 потрiб-но зволожити. З шдвищенням вологостi деревини до точки насичення дере-винних волокон 11 еластичнiсть зростае. Подальше зростання вологост елас-тичнiсть не збiльшуе, а дiе скорiше навпаки. Вода, яка наповнюе капiляри, практично не стискуеться, що може призвести до руйнування деревини. К^м того, значне зволоження призводить до збшьшення тривалост наступного процесу сушшня та збшьшення витрат теплово! енерги.
Розм'якшення деревини шсля теплово! обробки використовуеться в ль сопильному виробництвi в зимових умовах. Розморожування деревини (при-наймнi И поверхневих шарiв) дае змогу зменшити зусилля на рiзання. Як обов'язковий технологiчний процес теплова обробка деревини застосовуеться у виробнищш лущеного та струганого шпону. Фанерна сировина, яка йде на виробництво лущеного шпону, як правило, проварюеться в гарячш водi температурою 20.. .80 °С залежно вiд режиму (м'який або жорсткий), породи деревини та дiаметра сортиментна. при виробнищш струганого шпону застосовуеться пропарювання деревини в парильних ямах та автоклавах. Технолопч-ною метою теплово! обробки у наведених вище виробництвах е надання де-ревинi пластичностi (еластичносл) для зменшення зусиль та тдвищення якостi при рiзаннi, струганнi та лущенш.
Надання деревинi пластичностi (еластичност^ е технологiчною метою у виробнищш гнутих елементiв меблiв, спортивного швентарю та лижного ви-робництва. Теплова обробка може здшснюватись у гарячш водi або пропарю-ванням. На^вання деревини способом проварювання призводить до нерiвно-мiрного зволоження i про^вання, внаслiдок чого при гнуттi виникае розша-рування деревини. Тому на виробнищш ширше застосовуеться пропарювання, бо воно сприяе тдвищенню властивостей стискування i розтягу деревини.
Технологiчною метою пропарювання деревини деяких порщ, таких як бук, е зменшення втрат вщ враження гниллю при збершанш та транспорту-ваннi. Навiть короткочасна дiя на деревину бука високо! температури тд час пропарювання повтстю И стерилiзуе, спори грибкових захворювань повшс-тю знищуються. Пропарений бук особливо щнуеться для виготовлення ху-дожнiх меблiв та музичних шструменив, тому що така деревина добре поль руеться пiд червоне дерево.
Багато дослщниюв вщзначае, що пропарена деревина бука при подаль-шому сушiннi менше розтрюкуеться, а сам процес проходить штенсившше, оскiльки пропарена деревина мае бшьший коефiцieнт вологопровiдностi, тому що пропарювання збшьшуе розмiри капiлярiв у кштинних стiнках деревини.
При сушiннi пиломатерiалiв та заготовок (особливо твердих листяних порщ) виникають значнi залишковi деформаци, якi при неправильному процес сушiння можуть стати причиною утворення внутршшх трiщин. Усунути або частково зменшити цi залишковi деформацiï можна проведенням промiж-кових тепловологообробок. При теплообробщ деревина розм'якшуеться (пластифiкуeться), що дае змогу деревиш вiльно всихатись, зменшуючи тим самим залишковi деформаци поверхневих шарiв. Тепловологообробцi при су-шiннi деревини присвячено багато робгг, якi розглядали рiзнi аспекти тепло-воï обробки пиломатерiалiв. Тепловою обробкою деревини можна вважати i початковий про^в пиломатерiалiв (заготовок) перед сушшням. Початкове прогрiвання здiйснюeться i перед процесом пропарювання, тому на цьому потрiбно зупинитись бшьш детально [3, 4].
Як вже вказувалось вище, пропарена деревина бука добре полiруeться тд червоне дерево, що означае - пропарена деревина змшюе свш колiр. До недавнього часу в краши СНД, Болгарiю та Румушю поставляли спецiально пропаренi заготовки з бука. Однак таю заготовки мали дуже низьк механiчнi показники. Наприклад, мiцнiсть на сколювання була на 35... 45 % меншою, нiж не пропареноï деревини бука. Колiр деревини (кавово-червоний) не вщ-повiдаe вимогам якост готових виробiв.
У процес сушiння деревини проводять такi технолопчш операцiï, як промiжковi i кондицiонуючi тепловологообробки при яких вiдбуваeться зволоження деревини. Зволоження деревини при тепловологообробках е склад-ним процесом сорбци вологи в поверхневих шарах, перемщення вологи у виглядi пари i рщини всередину матерiалу, яке супроводжуеться набуханням (збшьшення лшшних розмiрiв i об'ему) та видiленням теплоти. Сорбщя вологи на зовшшнш поверхнi сухоï деревини протiкаe дуже швидко. Приблизно за 1 мкс при вщноснш вологостi повiтря (0,2 на поверхш утворюеться мо-номолекулярний шар. За умови 0,2<(<0,7 утворюеться суцшьна плiвка моно-молекулярно!" води, що е умовою полiмолекулярноï конденсацiï на поверхнi. При 0,7<(<1,0 проявляе себе третш вид сорбци - капшярна конденсацiя. Як-що в процесi сорбцiï (=const, то число молекулярних шарiв води на зовшшнш поверхш збережеться постшним, незважаючи на те, що конденсащя на нш (поверхнi) вологи продовжуеться. Швидюсть адсорбцiï пари (конденса-ци) визначаеться швидкiстю дифузiï води iз зовнiшньоï поверхнi всередину матерiалу. Сорбщя на внутршнш поверхнi вiдбуваeться за типами моно i по-лiмолекулярноï адсорбцiï. [2].
Оскiльки мiж процесами тепло- i масообмшу визнаеться аналопя, гра-ничними умовами I роду прийнято вважати вологообмшний критерiй Bi'^-oo (теоретично, а практично це значення Bi>70). Фiзично ця умова означае, що процес сорбци водяно1' пари лiмiтуeться не вологообмшом, а внутршшм во-логопренесенням - вологопровщшстю (дифузieю). Вологiсть на поверхнi де-
ревини шд час тепловологообробок залишаеться постiйною протягом всього процесу сорбци, вона дорiвнюе рiвноважнiй вологостi ир вiдповiдно до пара-метрiв середовища 1с, р.
Основш фактори, якi впливають на процес зволоження: параметри середовища 1с, р, розмiри перетину 81x82, вологопровщшсть деревини а', глиби-на зволоження х/Я. Цi параметри пов'язаш з тривалiстю процесу зволоження г системою критерiальних рiвнянь:
1 - Е = / [р, Х], 1 - Е = (Рр - ЩЖр, (1), (2)
V Я У
Б0 = ат/Я2, (3)
де Е - безрозмiрна вологiсть у точцi сортименту, на вiддалi х вщ поверхнi ма-терiалу товщиною 81=2Я.
Е = рр^рх , (4)
Рр - Ро
де: Wp - рiвноважна вологiсть %, Wx - вологiсть в точцi х в момент часу г; "0 - початкова волопсть деревини перед зволоженням.
Сорбщя поверхнею деревини водяно! пари при високих значеннях во-логостi повiтpя р>0,7 супроводжуеться полiмолекуляpною адсоpбцiею (яка компенсуе кiлькiсть води, що дифундуе всередину матеpiалу) i капiляpною конденсацiею. Iнтенсивнiсть капшярно! конденсаци на початку процесу зволоження е нижчою, нiж адсоpбцiя на зовшшнш повеpxнi матеpiалу, але ви-щою, нiж адсоpбцiя на внутршнш поверхнях. Тому pадiус менiскiв в мшрозаг-либленнях повеpxнi матеpiалу впродовж процесу сорбци е меншим, шж при piвноважнiй вологостi повеpxнi деревини. Оскшьки швидкiсть дифузи всереди-т матеpiалу зменшуеться, то зменшуеться i piзниця pадiусiв менiскiв, що веде до зменшення катлярно! конденсаци пари. Таким чином, капшярна конденса-щя пари на повеpxнi залежить вщ дифузи вологи всередину матеpiалу.
Умови вологообмшу на повеpxнi деревини в процес тепловологооб-робки визначаеться масообмшним кpитеpiем Бiо. Якщо в' ^да, то можна очь кувати, що i Ы' ^да, тодi вологообмiн вважають безмежно iнтенсивним. При цьому, вже при значенш критерш Бiо Ы' > 70 вологообмш зараховують до iнтенсивного тому, що процес зволоження лiмiтуеться не зовтштм, а внут-piшнiм вологообмiном.
Для визначення швидкост адсорбци водяно! пари всередиш деревини Б.С. Чудiнов запропонував такий розв'язок [2]. Пpодифеpенцiювавши piвнян-ня (2) по (1-Е) та Ж, отримаемо прирют вологостi (волога перемщаеться в бiк меншого вологовмюту) при адсорбци
(М= - Жр с1(1-Ж). (5)
Прийнявши в piвняннi (3) величини Яв' i г як змшт, отримаемо
йЯвв = . (6)
Я
Для отримання швидкост адсорбци в рiзних точках деревини роздши-мо рiвняння (5) на (6)
Жй ° - Е (7)
с1т Р Я2 <№0 ' ^ ;
Для необмежено! пластини рiвняння (1) буде мати вигляд
1 - е=1 уЫ
Е = — ---008
п I=1 2п -1
п+1
7(2п - 1!Я
х ехр
ПП (2п -1)2 ^0
4
(8)
За рiвнянням (8) Б. С. Чудiнов [2] побудував номограму, з яко! можна зробити таю висновки: 1) швидюсть адсорбци вологи деревиною прямо про-порцшна коефiцiенту дифузи води в деревиш, И рiвноважнiй вологостi i обернено пропорцшна квадрату визначального розмiру; 2) швидюсть адсорбци змшюеться протягом всього процесу зволоження по^зному для повер-хневих i внутрiшнiх шарiв деревини. На початку процес адсорбци е бшьш ш-тенсивним в поверхневих шарах, а по^м, коли волопсть поверхнi досягае рiвноважного значення Жпов^-Жр, у внутршшх.
При початковш вологостi деревини перед зволоженням (Ш0 > 0) рiв-няння (2) та (5) потрiбно записати так:
1 - Е = (Жр - Жк)/(Жр-Жо), (9)
с1Ж = -(Жр - Жо) -с1(1 - Е). (10)
Швидюсть сорбци вологи деревини визначаеться вологопровщшстю. У рiвняннях (6.93) та (6.94) припускаеться, що протягом всього процесу сорбци а'=еот1. Якщо таке припущення юнуе для даного ступеня режиму су-шшня, де витримуються iзотермiчнi умови при К2,5 °С, то в процеЫ тепло-вологообробки температура середовища зростае i вiдбуваеться нестацюнар-ний теплообмiн. Тривалiсть нестацiонарного теплообмшу дорiвнюе трива-лостi тепловологообробок, вщповщно а'?сот1. З iншого боку, величина ко-ефiцiента вологопровiдностi в процес сорбци залежить не тiльки вщ темпе-ратури, але i вщ стади процесу i глибини проникнення зони випаровування. Крiм того, щ рiвняння виведенi з припущення, що на початку сорбци волопсть розподшена рiвномiрно. Викладене вище дае шдстави стверджувати, що виведенi рiвняння не будуть точно вiдображати процес зволоження.
Експериментальними дослiдженнями було доведено, що оптимальною середньою волопстю матерiалу (деревини рiзних порiд i товщини) для приз-начення промiжноl тепловологообробки е волопсть Ш =25.26 %. При коси-нусо!дальному розподiлi вологовмiсту за товщиною матерiалу вологiсть поверхневих шарiв Жпов~Жр=15...20 %, а волопсть внутршшх шарiв Жц=30...40 %. Якщо в даний момент провести тепловологооброблення, то по-верхневi шари будуть зволожуватись, а внутршш будуть продовжувати ви-сихати, завдяки градiенту вологовмюту. Таким чином, встановиться деяка протитечiя вологи: пiдвищення вологостi поверхневих шарiв як за рахунок сорбци i дифузи в них вологи, так i за рахунок перемiщення вологи з бшьш вологих центральних шарiв. При визначеннi тривалостi тепловологообробки можна очшувати, що вологiсть по всьому об,емi буде вирiвнюватись i врешт
набуде значення Wp. Такi явища спостерiгаються тiльки при кiнцевiй та кон-дицюнуючш тепловологообробках. На теперiшнiй час теоретичний розв'язок процесу зволоження деревини при тепловологообробках е ще далеко не точ-ним i на практищ рекомендуеться використовувати емпiричнi залежностi.
Лггература
1. Чудинов Б.С. Теория тепловой обработки древесины. - М.: Наука, 1968. - 256 с.
2. Чудинов Б.С. Вода в древесине. - Новосибирск: Наука, 1984. - 248 с.
3. Бшей П.В. Теоретичш основи теплово! обробки i сушшня деревини: Монографiя. -Коломия: Вiк, 2005. - 364 с.
УДК66.047 Проф. Я.М. Ханик, д-р техн. наук; пошукувач Б.М. Микичак;
доц. Д.П. Кндзера - НУ "Л.beiecbm полтехмка; доц. Я.Д. Ярош, канд. техн. наук - Державний аграрно-екологiчний ун-ет м. Житомир
КОНВЕКТИВНЕ СУШ1ННЯ ШПОНУ ТА ПРОБЛЕМИ УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТ1В ДОСЛ1ДЖЕНЬ
Наводимо проблему узагальнення результат1в сушшня конвективним методом i порiвнюемо його основш характеристики з характеристиками фшьтрацшного процесу сушшня.
Ключовi слова: конвекщя, сушшня, фшьтрацшне сушшня, перюд.
Prof. Ya.M. Khanyk; competitor B.M. Mukuchak; assoc. prof. D.P. Kindzera -NU "Lvivpolytechnica; assoc. prof. Ya.D. Yarosh - State university
of agrarian and ecology
Convection drying of veneer and problems of extension results
The problem of extension results of drying by convections method and comparison the basic its characteristics with characteristics of filtration process of drying.
Keywords: соnvection, drying, filtration drying, period.
Постановка проблеми. При конвективному сушшш матер1ал1в в умо-вах першого перюду на швидюсть протжання процесу, як вщомо [1], вплива-ють швидюсть шдведення тепла до поверхш матер1алу, що висушуеться i швидюсть вщведення випарувано! вологи з його поверхш. Швидюсть шдведення тепла до поверхш матерiалу характеризуеться коефщентом тепловщ-дачi a i рiзницею температур теплоносiя i поверхш матерiалу. Основна склад-нiсть виникае при визначенш коефiцiента тепловiддачi а. Внаслщок складно! залежностi коефiцiента тепловiддачi вiд великого числа чинникiв неможливо аналiтично отримати розрахункову залежнiсть для розрахунку а. Лише шляхом узагальнення дослщних даних з допомогою теори подiбностi [2] можна отримати узагальнене рiвняння для типових випадюв тепловiддачi, яке дае змогу розрахувати а для умов конкретно! задачь Однак, для визначення ко-ефщента тепловiддачi необхiдно знати температурний градiент бiля стiнки матерiалу. Вихiдною залежшстю для узагальнення дослiдних даних щодо тепловiддачi е загальний закон розподшення температур в потоцi, який вира-
