книги из ГПНТБ / Шубин Г.С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины

Эксперименты показывают также, что некоторое влияние на ко­ эффициент влагообмена оказывает длина материала в направлении движения воздуха. Так, в опытах при ^С = 90°С, ф = 22% и v =

Рис. 3.6.1. Влияние различных факто­

боте автора и в работе А. К- Пухова [119], показывает, что в пер­ вом случае они получились меньшими, особенно при высоких тем­

средним значениям влагосодержания.

91

Глава 4

МЕХАНИЗМ И ОСОБЕННОСТИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

сивности) сушки, о распределении влаги по объему, об изменении во времени и по объему температуры материала и в некоторых слу­ чаях— внутреннего давления парогазовой смеси в нем.

Ниже приводится описание методик и установок, на которых были выполнены основные исследования, излагаемые в настоящей монографии.

4.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

каналов с испытательными камерами в центральной части. Уста­

чие установки № 2 состоит в возможности сушки при наиболее низ­ ких температурах среды (в том числе отрицательных) и одновре­ менно высоких скоростях циркуляции (до 15 м/сек). Для этого она снабжена каналом для подсоса атмосферного воздуха и может работать по замкнутому и разомкнутому циклам. Обе установки имеют обводные каналы, которые позволяют при помощи шиберов быстро переключать подготовленную среду на испытательную ка­ меру, что обеспечивает возможность проведения в ней различных

Все три установки снабжены секционными электрокалорифе­ рами, питание паром происходит из специальных автоклавов низ­ кого давления, обеспечивающих безынерционную подачу пара.

93

Заданный режим поддерживается по величинам fc и / м автомати­ чески. Датчиками являются контактные термометры с магнитной головкой ТК-6. Одновременно с этим установки снабжены конт­ рольными приборами.

Рис. 4.1.1. Экспериментальная установка № 1 для исследования сушки в паро­ воздушной среде:

Для создания равномерного потока агента сушки в установках имеются спрямляющие аппараты. Изменение скорости циркуляции достигается при помощи решетчатых сопротивлений и сменных шкивов.

Над установками на независимых кронштейнах устанавливается одна из двух (описываемых ниже) весоизмерительных систем, обеспечивающая непрерывное взвешивание образцов.

4.1.2.МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ УБЫЛИ ВЛАГИ

Применяются два основных метода определения массы образ­ цов в процессе удаления влаги: метод периодических анализов с изъятием образцов из камеры и метод непрерывного взвешива­ ния, при котором образец подвешивается на тяге к весам, непре­ рывно реагирующим на убыль влаги в нем.

Предпочтение в наших исследованиях отдано методу непрерыв­ ного взвешивания. Для этого были сконструированы две весоизме-

94

Весоизмерительная система для малых образцов дает возмож­ ность получения графического изображения кривой сушки путем

весов и аппаратуры для автоматического записывания электричес­ ким способом изменения массы образца.

Основной элемент весов — коромысло 6. Оно выполнено в виде уравновешенного неравноплечего рычага (для большей точности взвешивания благодаря пропорциональному увеличению переме­ щения правого плеча), к которому подсоединен на тонкой нити электрограф. К левому концу коромысла прикреплен образец, уравновешиваемый перед опытом разновесами на чашке 5. Концы плечей коромысла выполнены в виде дуг, чем обеспечивается не­ изменность соотношения между длинами плечей при разных углах наклона коромысла и предотвращение смещения электрографа по горизонтали. Коромысло опирается на стойку 17 посредством двух призм 4 аналитических весов.

Автоматическая запись убыли массы образца осуществляется путем пробивания разрядами электротока высокого напряжения миллиметровой ленты, вращающейся на барабане. Последний при­ водится в движение посредством мотора Уоррена через редуктор, позволяющий изменять масштаб времени.

Для предотвращения поворотов образца и трения нити при ее прижиме к вводному патрубку нити придаются вынужденные коле­ бания специальными электровибраторами 19, 20. К нижнему торцу образца крепится стальная проволочка, вставляемая в специаль­

Опыт может закончиться либо за один ход коромысла, либо за не­ сколько ходов. В последнем случае с чашки уравновешивающих ве­ сов 5 на ходу, при нижнем, не строго фиксированном положении электрографа, снимаются разновесы определенной массы. Полу­ чается кривая убыли влаги в виде отдельных ветвей (рис. 4.1.3). После пересчета массы на влагосодержание строится единая кри­ вая сушки в избранном масштабе.

Весоизмерительная установка для образцов промышленного се­ чения основана на использовании циферблатных торговых весов, одна из чашек которых реконструирована и в ней жестко прикреп­ лена металлическая тяга, проходящая через стенки корпуса в ис­ пытательную камеру. Внутри камеры к тяге крепится кассета для образцов. Свободное перемещение тяги весов с достаточно высо­ кой герметичностью (при работе на установке № 2) оказалось

95

возможным совместить благодаря масляному затвору—• двум полым цилиндрам, вставляемым один в другой. Верхний цилиндр крепится

\rJ2,7r

к тяге весов, в нижний залива­ ется масло, предотвращающее вы­ бивание пара из установки. Для точного определения влагосодер­ жания ( р = 0 , 5 % ) образец дол­ жен весить больше 0,5 кг.

4.1.3.МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура древесины в процессе сушки измерялась медьконстантановыми термопарами d = 0,09 мм при работе со шпоном и d = 0,3 мм при работе с пиломатериалами. В качестве вторичных приборов в разное время использовались милливольтметры ГЗС-47, М198/3 и автопотенциометр на 12 точек ЭПП09-МЗ. Кроме того,

использовались хромель-копелевые термопары (d = 0,2 мм) с ше­ ститочечным потенциометром.

Для обеспечения требуемой точности замеров термопары за­

в боковых кромках сверлились отверстия диаметром 2 мм при строгой фиксации вертикального положения образцов, куда термо­ пары вставлялись вместе с сухими пробками, в их боковых проре­ зях. После окончания опытов образцы в зоне установки термопар разрушались для точного установления координат спая. Наилуч­ шим способом измерения температуры поверхности материала ока­ залось размещение электродов под тончайший надрез, сделанный по ширине образца. При исследовании на шпоне температура изме­ рялась лишь на поверхности и в центральной зоне пакета, сушив­ шегося в напряженном состоянии (см. стр. 99). За пределами образцов термопары изолировались кембриком или стеклянным чулком.

Для более точного выявления особенностей процессов сушки исследование кинетики убыли влаги и температурного поля при работе с материалом промьйлленного сечения всегда производилось на одном образце. При этом погрешности, связанные с жесткостью нависающих термопар, исключались тем, что последние размеща­ лись в камере в свободном, но строго фиксированном положении, а образцы перед опытом каждый раз взвешивались на дистанцион­ ных весах с термопарами и без них. Тонкие образцы (5 = 1-^5 мм), смежные в растущем дереве, являются взаимозаменяемыми, по­ этому кинетика убыли влаги и температурные кривые снимались на парных образцах.

4.1.4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Непосредственный анализ послойного влагосодержания оста­ ется практически единственным методом исследования распределе­ ния влаги по сечению. Обычно для этого из образцов вырезаются пробы по всей толщине, которые затем раскраиваются на отдель­

всего образца и особенно его слоев во время резания и взвеши­ вания.

В наших опытах использовался новый метод, идея которого со­ стоит в отборе проб послойного влагосодержания без предвари­

ческого корпуса и станины. При повороте маховика сверло, имею­ щее подрезающий зуб, снимает слой древесины диаметром 32 мм

9 8

заранее установленной толщины, что достигается поворотом ходо­ вой гайки при помощи соединенного с ней рычажка. После снятия первого слоя сверло поворотом рычажка дополнительно смещается вниз на толщину следующего слоя. После взятия пробы по всей толщине и последующего использования образца для сушки обра­ зовавшееся отверстие забивается пробкой.

При построении кривой распределения влагосодержания по се­ чению знание толщины каждого слоя Si во время его вырезания не требуется, так как она определяется впоследствии по сухой

(типа дощечки), как и со шпоном, для выявления динамики изме­ нения послойного влагосодержания сушке одновременно подверга­ лись пять-шесть однотипных смежных образцов, каждый из кото­ рых в разные моменты сушки подвергался анализу. При этом для дощечек применялось описанное выше приспособление.

Для шпона исследовали сушку не цельного образца, а пакета, набранного из нескольких весьма тонких слоев, между которыми был создан плотный равномерный контакт [71]. В случае пример­ ного совпадения кривых сушки пакета и цельного образца анализ послойного влагосодержания можно произвести весьма быстро. При этом основанием для моделирования процесса является то, что сопротивление перемещению пара в поперечном направлении в па­ кете, кромки которого влагоизолированы, должно быть меньше, чем в продольном направлении, а перерезание волокон, чему соответ­ ствует набор из нескольких слоев, близко к реальному строению древесины, где нет сплошных капилляров, а имеются разрывы и пустоты.

Создание равномерно сжатого плотного пакета, имеющего от­ крытые пласти, не подверженного короблению и способного сво­ бодно усыхать, оказалось возможным при сушке в напряженном состоянии благодаря изгибу пакета вдоль волокон. В таком виде каждый слой и весь пакет в целом находятся в напряженном трудно деформируемом состоянии, препятствующем изменению

формы поверхности вследствие пластичности материала, выравни­ вающей его неодинаковую усушку. Плотность пакета при этом мо­ жет регулироваться .изменением радиуса его кривизны. Пакет на­ кладывался на узкую упругую металлическую рамку, зажимался торцовыми струбцинками, изгибался и фиксировался держателем. Кривые сушки цельных образцов шпона и пакетов той же толщины (S = 1,05, 1,5, 2,1 мм, tc = 160° С, tM = 68° С, v = 2 м/сек) оказались достаточно близкими (максимальные расхождения 6 — 8 % ) , что по­ зволяет использовать предложенную методику.

Для взятия проб послойного влагосодержания использовался специальный штамп цилиндрической формы, снабженный пружин­ кой и выжимной втулкой, что позволяло легким ударом вырубить одновременно слои по всей толщине. Вся операция, включая за­ кладку в бюксы, продолжается 5—10 сек.

Примененный для анализа поля влагосодержания способ сушки в напряженном труднодеформируемом состоянии оказался весьма результативным для сушки шпона, строганой фанеры и других гиб­ ких упруго-пластических материалов отдельными или спаренными листами промышленных размеров. Он прошел производственную проверку и имеет определенные преимущества в ряде случаев пе­ ред сушкой плоских листов в роликовых сушилках и дыхательных прессах вследствие своей простоты [121].

4.1.5. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯ ДАВЛЕНИЯ ВНУТРИ ДРЕВЕСИНЫ

При исследовании данного вопроса первоначально ставилась задача экспериментально проверить гипотезу о возникновении вну­ треннего избыточного давления пара в процессе высокотемператур­ ной конвективной сушки древесины. Для этого применен метод не­

пробованы варианты метода, из которых наиболее предпочтитель­ ным оказался метод, осуществленный по следующей конструктивной

отверстие в боковой кромке образца создается плотный контакт иглы с древесиной. В верхней, расширенной части иглы нарезается

оплавления) к ртутному манометру. Для обеспечения герметично­ сти имеется сальниковое уплотнение из асбеста 3. К манометрам крепится щиток со шкалой из миллиметровой бумаги. Все это раз­ мещается внутри установки, наблюдения ведутся через стеклянное окно испытательной камеры.

100