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

В процессе сушки устье иглы должно быть все время затоплено ртутью, т. е. количество вытесненной в манометр ртути, опреде­ ляемое внутренним давлением, не должно быть больше количества,

В связи с этим объем ртути, заливаемой в древесину, может при большом давлении оказаться значительным, что в свою очередь нарушит естественные условия внутри древесины. Это нарушение будет менее ощутимо на толстых образцах. При сушке тонких об­ разцов (10—15 мм) предпочтительнее ранее описанный метод.

Давление измерялось на образцах толщиной 10; 15 и 25 мм в одной-трех точках по толщине образца одновременно с измере­ нием температуры.

В последнее время усилилось внимание некоторых исследовате­ лей к измерению внутреннего давления в древесине [122, 123]. На­ пример, в методике, примененной в СибТИ [123], также использо­ ваны иглы и манометр. Отсчет показаний прибора производится здесь по величине давления во вспомогательном устройстве, необ­ ходимом для компенсации давления, возникающего внутри древе­ сины.

Учитывая ряд методических трудностей, полностью разрешить которые невозможно, непосредственное измерение внутреннего дав­ ления в древесине следует рассматривать как метод, позволяющий получить в первую очередь качественную картину явления.

4.2.ХАРАКТЕРНЫЕ КРИВЫЕ УБЫЛИ ВЛАГИ, СКОРОСТИ СУШКИ

ИПОСЛОЙНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

На рис. 4.2.1 приведены кривые убыли влаги древесины различ­ ных толщины, начального влагосодержания, породы, подвергав­ шейся сушке при различных условиях среды. Здесь представлены

Опыты проводились в разное время на описанных выше экспери­ ментальных установках. Частично привлечены опытные данные других авторов.

Из экспериментов видно (рис. 4.2.1), что непосредственному периоду сушки предшествует период прогрева древесины. В это время масса древесины обычно несколько увеличивается за счет конденсации на ней влаги из среды. В отдельных случаях, при весьма высоком влагосодержании древесины и среды и сравни­ тельно толстом материале в периоде прогрева происходит убыль влаги за счет ее выдавливания вследствие повышения общего внут­ реннего давления.

После периода прогрева древесины характер кривой ее сушки различен в зависимости от конкретного сочетания характеристики материала и состояния среды: при начальном влагосодержании ниже предела гигроскопичности сушка материала любой толщины

102

протекает в периоде убывающей скорости (рис. 4.2.1,6). При Wn>Wu.г характер протекания процесса определяется в первую очередь толщиной материала; при сушке шпона имеет место вполне выраженный период постоянной скорости сушки (первичные гра­ фики изменения влагосодержания во времени имеют на первых эта-

а

10 W 30 40 50 60 70Т,ч(4,6)

5

10 20 30 40 '50 601.4

пах линейный вид, см. рис. 4.1.3). По мере увеличения толщины материала (и WK>WU.г) линейный характер кривых убыли влаги все более вырождается и сушка с самого начала протекает в пе­ риоде убывающей скорости (рис. 4.2.1, в,г).

Более наглядно кинетика убыли влаги может быть проанали­ зирована на кривых скорости сушки. Известно [5], что последние в периоде убывающей скорости могут иметь различный вид, опреде­ ляемый в первую очередь формой связи удаляемой влаги с материа­ лом, режимом сушки, взаимозависимостью влагокоэффициентов.

103

В общем случае форма кривой может соответствовать одному из шести видов, изображенных на рис. 4.2.2, а.

Экспериментальные данные при сушке древесины дают разно­ образные кривые скорости сушки .(строились методом конечной

(рис. 4.2.2, б, в, г). Анализ отмеченных вариантов может быть вы­ полнен на основании рассмотрения приближенного решения урав­ нения переноса влаги в стадии регулярного режима [13],' которое в дальнейшем будет использовано,

Здесь W — среднее по сечению влагосодержание; т — время; R — характерный для переноса влаги размер (половина толщины).

Ниже описаны три варианта кривых скорости сушки.

104

1. Тип 2 — выпуклость к оси ординат (рис. 4.2.2,6). Отмечался при сушке шпона при средних, а тонких пиломатериалов — при вы­

это характерно для случаев лимитирующего влияния внешнего теп­ ломассообмена.

соких температур. В этих случаях материал, сушка которого лими­

тируется внутренним переносом влаги ( B i ' - > o o , величиной - \ -

а,

можно пренебречь по сравнению с величиной ^ , J , быстро про­ гревается до температуры среды, и характер кривой скорости су­ шки определяется только зависимостью a' =f(W): учитывая умень­

шение а' по мере снижения влагосодержания (см. гл. 2), полу- dW

чаем кривую 3-го типа — — = / (W) — рис. 4.2.2, а.

3. Тип 5 •— поочередное сочетание типов 3 и 2 с сингулярной точкой между ними (рис. 4.2.2,г). Имеет место при высоких тем­ пературах среды на материале разных размеров, преимущественно тонкого. Вторая часть кривой (тип 2) объяснена выше. Первый участок (тип 3) в этих случаях может быть объяснен тормозящим влиянием термовлагопроводности, которое при высоких температу­ рах приобретает определенное значение, особенно на первых эта­ пах (по мере снижения влагосодержания величина термоградиент­ ного коэффициента б р снижается — см. рис. 2.3.3).

Рассматриваемый вид кривой скорости сушки может быть при­ влечен также к анализу форм связи влаги с материалом. Из тео­ рии сушки [5] и коллоидной химии известно, что типу 3 соответст­ вует удаление капиллярной влаги, предшествующее удалению ад- сорбционно-связанной влаги. Однако, учитывая неравномерное распределение влаги по сечению в процессе сушки и, следова­ тельно, различные формы ее связи с материалом, с большей сте­ пенью вероятности правильное толкование о границе между ад-

Опытные данные по распределению влаги, характеризующие внутреннее сопротивление ее перемещению (рис. 4.2.3), дают кри­ вые, не сходные ни с одним из возможных крайних вариантов. Это значит, что влагокоэффициенты имеют конечные размеры, со­ противление продвижению свободной влаги имеется, но оно не

105

беспредельно. Характер поля влагосодержания тонких и толстых древесных сортиментов примерно одинаков. Также не обнаружива­ ется существенной разницы в характере распределения влагосодер­ жания с увеличением температуры. В последнем случае на многих кривых имеются лишь перегибы, характерные для мест фазовых превращений. Наибольший интерес представляет выявление вели­ чины влагосодержания на поверхности сортимента. Очень тонкие

слои, снятые описанным выше (§ 4.1) приспособлением, показали, что с самого начала процесса влагосодержание на поверхности резко снижается, достигая величины, близкой к пределу гигроско­ пичности Wa. г-

106

Рассмотрение опытных данных показывает, что на характер тем­ пературного поля влияют все перечисленные выше факторы, среди которых особое значение имеют толщина материала, уровень тем­

t

ции на каких-либо уровнях, характерен для сушки тонких и тол­

тем раньше температура его поверхности достигает температуры среды (кривая 2).

Вариант б — обычная температурная кривая, подтверждающая наличие периода постоянной скорости сушки. Температура по се­ чению в этом периоде почти всегда одинакова и равна температуре

108

по мокрому термометру / м , что свидетельствует об испарении влаги только с поверхности. Периоду постоянства температуры на уровне t = tM предшествует период прогрева, а за периодом стабилизации температуры следует подъем температурной кривой, начинающийся раньше на поверхности. Температурное поле в этот период падаю­ щей скорости сушки характеризуется небольшим отрицательным градиентом температуры. В состоянии равновесия с окружающей средой температура материала по всему сечению достигает темпе­

Градиент температуры имеет место на протяжении всего процесса

гих случаях, в основном толщиной материала. После стабилизации

4.4. ХАРАКТЕРНЫЕ КРИВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

Опыты, впервые проведенные автором, показали \ что при ин­ тенсивной конвективной сушке внутри древесины возникает внут­ реннее избыточное (по отношению к атмосферному) давление. Воз­ можность такого переноса пара предсказана П. Д. Лебедевым [58].

На рис. 4.4.1 приведены опытные данные, полученные на образ­ цах толщиной 10—25 мм при tc = 160^205°С; одновременно нане­ сены температурные кривые. Зафиксированные величины давления следует считать (в количественном отношении) приближенными.

Опыты обнаруживают нестабильность поля давления во вре­ мени и по сечению и позволяют отметить несколько вариантов его развития (рис. 4.4.1, е) [71, 74].

1 Закономерности высокотемпературного процесса были доложены автором на Всесоюзном совещании по сушке в основных отраслях промышленности и сельского хозяйства в 1956 г. (г. Москва).

109

Рис. 4.4.1. Экспериментальные кривые давления внутри древесины при ее сушке: