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

1. Давление вначале резко нарастает, затем после достижения максимума падает, часто имея периоды стабилизации (или замед­ ленного падения). Такой ход процесса характерен для перифери­

ческих зон ( — = 0,5 и 0,25) материала (рис. 4.4.1, а, в, г) и обос­

нован аналитически [131 —133].

2. Резкий подъем давления начинается с момента, соответст­ вующего началу стабилизации в варианте 1. После этого оно за­ медленно снижается (иногда некоторое время поддерживается на примерно постоянном уровне). Этот вариант имел место в цент­

ив поле т. в. ч. [122].

3.Комбинированный вариант, включающий первые два: перво­ начальное резкое нарастание давления, его падение (фаза а) и вторичный подъем с последующей стабилизацией и уменьшением. Такой ход процесса отмечался в периферической и в центральной

а не только пара. Его возникновение можно объяснить расширением воздуха и пара, находящихся в прогреваемой древесине, и сопро­ тивлением древесины их удалению. Если бы элементы древесины были абсолютно герметичны, возникающее давление смеси можно было бы точно подсчитать. Например, при нагревании сырой древе­

неполной герметичности древесины фактическое давление в это

Как показывают эксперименты, величина возникающего давле­ ния в первой фазе зависит от температуры среды, возрастая с ее повышением (сравните рис. 4.4.1,а и 4.4.1,6), а при одной и тойже температуре определяется расстоянием от поверхности: ближе к ней первоначальное давление смеси выше, однако быстро па­ дает, оставаясь на протяжении второго этапа сушки ниже, чем в центре. Очевидно, в первой фазе сказывается более быстрое на­ растание температуры в периферической зоне, а во второй — мень­ шее ее сопротивление перемещению паровоздушной смеси по срав­ нению с центральной зоной.

Ход изменения давления после достижения древесиной темпера­ туры ^=100° С (вторая фаза) будет обсужден детальнее ниже, при анализе механизма высокотемпературной сушки.

111

4.5. ОСОБЕННОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

Характер протекания процессов сушки древесины, определяе­ мый видом ее температурных и влажностных полей, а также по­ лей внутреннего давления, существенно изменяется при изменении характеристики материала (размеров и влагосодержания) и пара­ метров среды. Некоторые обобщения по этому вопросу были сде­ ланы в предыдущих параграфах.

Однако анализ показывает, что наиболее существенные и прак­ тически важные обобщения можно осуществить, подразделив все виды сушки древесины на две большие группы: низкотемператур­ ные и высокотемпературные. Под низкотемпературным мы пони­ маем процесс, при котором температура древесины меньше темпе­

пература в средних зонах влажной древесины стабилизируется при ^дргЗ^юш (типичный высокотемпературный процесс).

Основанием для деления процессов по отмеченным выше при­ знакам является появление устойчивого молярного влагопереноса при высокотемпературной сушке под влиянием возникающего внут­ реннего избыточного давления.

Хотя по характеру переноса влаги (отсутствие молярного пере­ носа пара и стабилизации температуры на уровне tKP^tKmi при ^с>^кип) некоторые виды процессов являются низкотемператур­ ными, но так как они протекают в этих случаях при f c > 1 0 0 ° C , их принято называть квазивысокотемпературными [92]. Сюда можно

(гл. 2). Поэтому можно ограничиться анализом лишь некоторых общих закономерностей.

На характер протекания процесса влияет уровень начального влагосодержания. Рассмотрим сначала наиболее общий и сложный

щиной материала (точнее величиной массообменного критерия Био ( B i ' ) . Типичная схема процесса сушки тонкого материала (шпона) или материала с малым внутренним сопротивлением переносу влаги

112

способствующего переносу влаги с'поверхности вглубь. Градиент влагосодержания не вызовет переноса влаги к поверхности до тех пор, пока влагосодержание по всему сечению будет выше предела гигроскопичности (см. гл. 2). Однако благодаря испарительной способности среды (ср<1) влагосодержание на поверхности очень быстро достигнет величины, близкой к уровню W=WU,V (кривая/), что вызовет перемещение влаги, механизм которого описан выше (гл. 2). При этом следует лишь уточнить особенности перемеще-

ния влаги при попеременном изменении агрегатного состояния. Мо­ гут существовать две разновидности процесса:

в полости клетки сначала испаряется вся свободная влага и лишь после этого начинается испарение с менисков капилляров стенок следующего ряда;

процесс испарения воды, находящейся в полости клетки, и влаги с поверхности открытых микрокапилляров, входящих в эту клетку,

даться углублением зоны испарения, что в типичном случае экспе­

к перемещению влаги по всему сечению. Такой характер процесса термодинамически равнозначен перемещению лишь жидкой влаги — критерий фазового превращения е = 0 , так как конденсация и испа­ рение происходят при одной и той же температуре. Градиент тем­ пературы при таком механизме может иметь место при более низ­ ком, чем Wn.r влагосодержании, когда вблизи поверхности пло­

До тех пор пока количество влаги, подаваемой к поверхности, будет не меньше того, которое среда в состоянии поглотить, влаго­ содержание поверхности будет поддерживаться на достигнутом уровне, т. е. она будет влагонасыщена (кривые / — 2 ) . Темп удале­ ния влаги при этом будет неизменным; имеет место период посто­ янной скорости сушки, отражающийся на соответствующих кривых (см. рис. 4.5.1,а). Сушка в этот период происходит в изотермичес­ ких условиях, без перепадов температуры, уровень которой соот­ ветствует пределу охлаждения (поверхность древесины имеет здесь ту же температуру, которую имел бы в этих же условиях среды ша­

В общем случае при граничных условиях третьего рода, когда

По мере удаления влаги, поступившей к поверхности из ближай­ ших к ней зон, сопротивление переносу из глубинных слоев возрас­ тает. К геометрической поверхности тела будет поступать влаги меньше, чем может с нее испариться. Это приведет к испарению

на поверхности снижается (см. рис. 4.5.1, а). Подводимое к по­ верхности материала из среды тепло теперь в меньшей степени будет расходоваться на испарение с нее влаги, что приведет к по-

114

вышению температуры, а испарение из внутренних слоев — к неко­ торому незначительному градиенту температуры по сечению. Когда диффузионная зона достигнет середины пластины, влагосодержа­ ние по всему сечению будет ниже Wn.г (см. рис. 4.5.1,а). Критиче­ ское влагосодержание WKp, с которого начинается период убываю­ щей скорости сушки, представляет собой интегральное (по сече­

определяется в первую очередь толщиной материала, режимными параметрами и в ряде случаев величиной начального влагосодер­

характеризуется отсутствием периода постоянной скорости при не­ прерывном развитии температурного поля. Характерные графики

выпуклостью к оси абсцисс, а влагосодержание на поверхности

ответствует граничным условиям третьего рода, а при кривых 2 влагосодержание на поверхности сразу опускается до уровня Wn=Wv— соответствует граничным условиям первого рода). Гра­ диенты температуры по сечению обычно невелики. Они колеблются в пределах 0,5—3°С и на процесс сушки существенного влияния не оказывают. Незначительные градиенты температуры по сечению позволяют рассчитывать на то, что уравнение влагопроводности

(4.5.4)

Здесь Ki'(t) — переменный критерий Кирпичева, определяемый по соотношению

SOr-

На рис. 4.5.2 приведены экспериментальные кривые распреде­ ления влагосодержания при сушке дубовых сортиментов толщиной 54; 50 и 25 мм при / с = 70; 80 и 85° С и v— 1,5 м/сек с нанесенными на них расчетными данными. Экспериментальные и расчетные дан-

116

точно точные эксперименты, позволившие получить на одном об­ разце данные о среднем влагосодержании, его распределении по сечению и температуре, подтвердили закон влагопроводности для

ных скоростях циркуляции. Опыты на образцах разных пород (со­

ницы между этими процессами нет. Сушка шпона вполне уклады­ вается в представления о мягком процессе, при котором период по­

сти имеет место при непрерывном изменении температурного поля.

Эксперименты показали, что повышение температуры среды от 80 до 240° С (квазивысокотемпературный, т. е. фактически низко­ температурный процесс) при 4т в пределах 50—75° С, когда интен­ сивность влагоотдачи увеличивается во много раз, не приводит к возрастанию температуры поверхности материала в период по­

протекает по схеме типично жесткого процесса, с резким нараста­ нием температуры поверхности. Это свидетельствует о том, что ха­ рактер протекания процесса определяется в первую очередь не его

какую температуру приобретает материал: при / М = 33°С, несмотря на небольшую толщину (5 = 1,5-^-2 мм) и сравнительно небольшую интенсивность, процесс существенно лимитируется внутренним пе­ реносом вследствие малых значений коэффициента влагопроводно­

117"

тельно высокой tc, когда часто имеет место жесткий процесс (на­ личие периода сушки, близкого к постоянному при непрерывном развитии температурного поля).

Подтверждение отмеченных тенденций находим в характере за­

пературы. Длительность периода постоянной скорости сушки при увеличении v уменьшается (рис. 4.5.5,6). Аналогичным образом

118

влияет на характер температурно-влажностных полей изменение величины B i ' в результате изменения толщины материала. Процесс

тепло-массообменом, что видно из графиков зависимости между

ратуре среды. Величина критерия B i ' влияет на темп падения по­ верхностного влагосодержания Wu и нарастание температуры tn материала: при сушке толстого материала (большие B i ' , кривая 2)

119

низкотемпературный процесс, не имеющий принципиальных осо­ бенностей типичного высокотемпературного процесса. Под типич­ ным, или развитым высокотемпературным процессом., как об этом говорилось выше, понимают процесс, при котором температура ма­

[135]. Особенность такого развития процесса состоит и в том, что здесь в отличие от типично жесткого процесса имеет место стаби­ лизация температуры в периоде, при котором скорость сушки убы­

особенностями, отражающимися непосредственно на процессе су­ шки. Ниже отмечены две из таких особенностей: 1) кипение в от­ личие от испарения происходит при температуре, при которой упру­ гость паров жидкости равна давлению окружающего пространства, т. е. при кипении воздух вытесняется; 2) при кипении невозможно повысить температуру испаряемой фазы выше температуры паро­ образования до момента превращения всей кипящей жидкости в пар.

Учитывая вторую особенность, можно сделать вывод, что от­ мечаемая в опытах стабилизация температуры древесины на уровне, равном или несколько превышающем 100° С, связана со спецификой изменения агрегатного состояния воды при кипении. Вследствие резкого увеличения объема испаряемой фазы внутри древесины, как это видно из экспериментов, имеет место избыточ­ ное давление не только во время прогрева — фаза а (см. рис. 4.4.1),

120