4804

11

Масштаб принимают следующий: 1 см ординаты соответствует деформации, равной 0,001. Величины деформации со знаком плюс (+) откладывают вниз, а со знаком минус (–) – вверх от горизонтальной оси О'—О'. По полученным точкам строят кривую ε = f1(x).

а

б

Рис. 3. Эпюра напряжений: а – кривые напряжений σ и деформаций ε; б – кривая модуля упругости Е

4.3.2.В нижней части графика (рис. 3, б) на участке горизонтальной оси О"—О", также равном величине Н в масштабе 2 : 1, откладывают значения высоты образцов секции 6, учитывая при этом ширину пропилов. На ординатах, проходящих через точки, соответствующие середине высоты каждого образца (рис. 3,б цифры 1; 2; 3; 4 на оси О" — О"), откладывают значения модуля упру-

гости в масштабе: 1 см соответствует 1·108 Па (1·103 кгс/см2). По полученным точкам строят кривую Е = f2 (x).

4.3.3.По точке пересечения ординаты каждого слоя секции 5 с кривой модуля упругости Е = f2 (x) определяют значение Е для данного слоя. Полу-

ченные значения Е для всех слоев секции 5 заносят в соответствующую графу табл. 2.

4.3.4. Напряжение (σ') в Па (кгс/см2) вычисляют по формуле

где Е – модуль упругости данного слоя, Па (кгс/см2); ε – деформация слоя.

Вычисление производят с погрешностью не более 5·103 Па (0,05 кгс/см2). Знак напряжений σ' соответствует знаку деформации.

Полученные значения напряжений заносят в табл. 2.

4.3.5. Значения напряжений σ' откладывают (рис. 3, а) на ординатах каждого слоя в зависимости от их знака вверх или вниз от оси О'—О' в масштабе: 1 см соответствует 2·105 Па (2 кгс/см2). По нанесенным на графике точкам строят кривую σ′= f3 (x).

4.3.6. Исходя из условий равновесия напряжений, нулевую линию эпюры переносят из положения О'—О' в положение О—О с таким расчетом, чтобы площади эпюры с разными знаками были равны. Площади эпюры измеряют планиметрированием или другим способом с погрешностью не более 1 мм2. Соответственно новому положению нулевой линии переносят и шкалу напряжений. Окончательно величину напряжений а определяют по второй левой шкале (рис. 3, а). Для определения максимальных напряжений по ширине доски необходимо напряжения σ увеличить в 1,3 раза.

4.4.7.Надпись к графику с эпюрой напряжений должна содержать марку пробы, название породы, влажность W1 в момент взятия пробы и влажность W2 после выдерживания.

4.4.8.Допустимая величина остаточных напряжений определяется по

формуле

где σ – предел прочности на разрыв поперек волокон, МПа.

Выводы

По внешнему виду доски, по значению влажности пиломатериала, измеренному для секции 1, по перепаду влажности по толщине секции 2, а также по величине остаточных внутренних напряжений секции 4 определить категорию качества сушки исследуемого пиломатериала. По эпюре напряжений дать характеристику напряженного состояния древесины.

13

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

НАГРЕВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

1. Цель работы

Определение температуры в заданных точках нагреваемого сортимента (пластины, цилиндра, куба) и построение расчетных температурных кривых в зависимости от времени нагревания, построения графиков распределения температурного поля по толщине прогреваемого сортимента.

2.Общие положения

Косновным технологическим целям тепловой обработки относятся: снижение твердости древесины (для улучшения качества её механической обработки); повышение податливости древесины (для облегчения её гнутья или прессования) и ускорение процессов склеивания древесины.

Способы тепловой обработки древесины различаются по используемым для этой цели видам теплообмена и по применяемым агентам обработки. Средой для нагревания древесных сортиментов могут служить воздух или его смесь с топочными газами, насыщенный водяной пар, вода. Насыщенный пар и вода имеют при тепловой обработке древесины преимущественное применение. Их использование характеризуется весьма интенсивным поверхностным теплообменом.

Основная задача расчета процессов нагревания древесных сортиментов – установить продолжительность доведения их до заданной температуры или, наоборот, установить температуру материала после обработки в течение заданного времени.

Процессы теплообмена сложны и определяются состоянием среды и характером нагреваемого материала (порода, влажность, температура, направление теплового потока и др.).

Условия нагревания древесины по температурным режимам, размерам и свойствам материала разнообразны. Для унификации решения подобных задач разработаны и применяются обобщенные теплофизические комплексы, называемые критериями теплового подобия.

14

3.Содержание работы

3.1.Теоретическое определение температуры пиломатериалов в заданных точках при нагревании их в горячей воде, воздухом и паром графоаналитическим методом.

3.3.Построение теоретических (расчетных) температурных кривых для заданных точек нагреваемого сортимента в зависимости от времени нагревания

ипостроение графиков (опытных и расчетных) распределения температурного поля по толщине нагреваемого сортимента.

3.4.Сравнение температурных кривых и определение наибольшего отклонения между расчетными данными при нагревании в горячей воде, воздухом и паром.

3.5.Выводы по результатам работы.

4.Исходные данные

Исходные данные для выполнения расчетов:

-порода;

-размеры пиломатериалов (толщина × ширина × длина), размеры круглых лесоматериалов (диаметр, длина);

-начальная влажность W, %;

-продолжительность нагрева, ч;

-координаты расчетных точек;

-температура нагревающей среды, °С;

-начальная температура древесины, °С.

Исходные данные для выполнения расчетов принимают по заданию преподавателя.

5. Определение температуры древесины графоаналитическим методом при нагревании в воде

Нагревание древесины представляет собой типичный нестационарный процесс, при котором температурное поле изменяется во времени.

Задачи расчета процесса нагревания тела сводятся обычно к одной из

15

двух задач:

-определение температуры t, которую будет иметь тело в заданной точке по прошествии времени τ;

-определение времени, необходимого для нагревания тела в точке до заданной температуры.

Связи между искомыми переменными заложены в дифференциальном уравнении теплопроводности.

На практике расчеты нагревания материалов, в том числе и древесины, проводятся графическими методами, основанными на связях между безразмерными величинами (критериями, числами), характерными для данного процесса, вытекающими из решений уравнений теплопроводности.

В условиях интенсивного теплообмена, характерного для нагревания в воде и насыщенном паре, когда (tn = tc) задача по определению температуры по

заданному времени tx = f (τ; x) преобразуется в задачу

где F0 − критерий Фурье;

θ − безразмерная температура;

Rx − безразмерная координата точки, в которой определяется темпе-

ратура; х − расстояние точки от поверхности сортимента, м;

R − радиус цилиндра или половина толщины пластины, м; τ − продолжительность нагревания, с;

tо; tc; tx − соответственно температура среды, начальная и искомая температура тела, °С.

Для практического решения задачи необходимо располагать данными о теплофизических характеристиках материала, которые связаны между собой соотношением

16

где а − коэффициент температуропроводности, м2с; λ − коэффициент теплопроводности, Вт/м град, который равен

где λном − определяется в зависимости от влажности и температуры материала, (рис. 4);

Кρ; Кх – соответственно поправки на плотность, направление теплового потока;

С – удельная теплоемкость древесины, кДж/(кг град), (рис. 5);.

ρw – плотность древесины при определенной влажности, кг/м3, (рис. 6); при начальной влажности Wн >30 %, также можно пользоваться формулой

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·ºС)

Температура t, ºC

Рис. 4 Диаграмма номинального (ρб = 500 кг/м3) коэффициента теплопроводности древесины поперек волокон при атмосферном давлении

Значение коэффициента Кρ в зависимости от базисной плотности древесины

17

Значение коэффициента Кх, учитывающего направление теплового потока

Все теплофизические характеристики определяются на графиках с учетом породы, влажности, температуры древесины и направления теплового потока.

Рис. 5 Диаграмма удельной теплоёмкости древесины

Прямоугольные сортименты (доски, брусья) можно принимать за неограниченные пластины, если отношение их толщины S1 к ширине S2 меньше 0,3.

19

координатах: τ − (время в мин. на оси абсцисс), t − температура (°С) на оси ординат рис. 8 и графики распределения температурного поля по толщине нагреваемого бруска на каждый этап продолжительности нагревания бруска рис. 9.

20

6. Пример расчета нагревания древесины графоаналитическим методом

Используя исходные данные (порода, базисная плотность, размеры образца, температура воды, начальная температура и влажность древесины, безразмерные координаты заданных точек), рассчитать температуру в заданных точках. Расчет продолжительности нагревания древесины выполнить в форме табл. 4.

Пример: сосновый брусок размером S1 = 50 мм, S2 = 100 мм, влажностью 50 %, начальной температурой 18 °C нагревается в воде при tс = 80 °С в течение 50 мин.

Определить изменение температуры нагревания через каждые 10 мин в точках 1,

2, 3, безразмерные координаты которых относительно размера S1 составляют Rx = 0,25; Rx =

0,5; Rx = 1. Безразмерная координата относительно размера S2 составляет Rx = 1.

Задача решается путем последовательного определения безразмерной температуры в точках неограниченных пластин толщиной S1, S2 и S3, определения общего значения безразмерной температуры относительно толщины S1, S2 и S3

θпр = θ1 θ2 ·θ3

и определения искомой температуры по формуле t = tс − θпр (tс − t0).