Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

11.89 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 2513 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

но и во время стабилизации температуры на уровне, равном или несколько превышающем 100° С, т. е. в периоде кипения влаги (фаза б), что присуще только высокоинтенсивному процессу сушки.

Учитывая первую отмеченную особенность процесса кипения, следует сделать вывод, что_ в это время давление поддерживается одним только водяным паром, что является одной из основных осо бенностей высокотемпературной сушки [64].

Представляют интерес опыты по высокотемпературной сушке дубовых сортиментов, при которых в начальной стадии процесса возникали внутренние трещины [136]. Обнаруженная аномалия подтверждает возникновение внутреннего избыточного давления при высокотемпературном процессе.

Сопоставление полей давления и температуры при высокотем пературном процессе показывает, что время достижения древеси

ной	/ = 1 0 0 ° С отмечается на кривых давления началом					стабилиза
ции	давления	после	его	уменьшения	в конце прогрева (см.
рис. 4.4.1, а, в,		г — кривая		2) или повышением давления с после
дующей стабилизацией			(см.	рис. 4.4.1, б,	г — кривая 1,	д).

Отмеченные разновидности течения процесса в фазе а могут быть объяснены различным соотношением между темпом удаления воздуха из древесины (при этом общее давление падает) и вели чиной давления водяного пара в начале кипения. Если последнее оказывается больше предшествовавшего ему общего давления, на кривой P = f(x) появляется скачок вверх. В противном случае давление может снизиться (за счет удаления оставшегося при кипении воздуха) или остаться примерно на том же уровне.

Во всех случаях давление в центре образцов в фазе б оказыва ется выше, чем у поверхности, что свидетельствует о зависимости величины возникающего давления от сопротивления древесины пе реносу пара. Тот факт, что горизонтальный участок температуры часто поддерживается на уровне, близком к 100° С, свидетельствует о том, что уже незначительное превышение давления над атмо сферным оказывается достаточным для быстрого удаления влаги из древесины.

При кипении в открытом сосуде также возникает избыточное давление водяного пара. Однако его релаксация происходит со скоростью звука. При парообразовании в процессе кипения внутри древесины давление и время его релаксации, зависящие от степени герметичности пористой структуры древесины, увеличиваются. По следнее, как показывают эксперименты, становится сравнимым со временем сушки. Повышение внутреннего давления пара сверх атмосферного вызывает молярное его движение к поверхности и является одним из факторов переноса влаги в процессе сушки.

Во	время прогрева (фаза а)	под	влиянием	повышенного об
щего	давления из древесины	также	удаляется	паровоздушная

смесь и жидкая влага, что визуально отмечалось в опытах с очень влажной древесиной, но длительность этого периода мала по срав нению с основным периодом сушки, когда давление поддержива ется одним только паром.

121

Если рассматривать материал как недеформируемую пористую среду, газ через которую перемещается аналогично процессу фильт рации, и ввести исходное уравнение переноса под влиянием внут реннего избыточного давления в виде

qp=-KpVP,

( 4 . 6 . 1 )

можно

получить

[ 7 1 , 7 4 ] дифференциальное

уравнение

развития

поля давления (вывод

опускаем)

дР

Д^Т"

•

dU]

РдТ

/л

с о\

Здесь

КР

— коэффициент

молярного

переноса,

равный

Р =

(К — коэффициент

проницаемости,

ц — коэффициент

вязкости);

СО

m — пористость тела, т=

(со—-концентрация

пара

внутри

ма-

рп

териала);

|i — молекулярный вес пара;

Rp. — универсальная

газовая

постоянная.

Уравнение

( 4 . 6 . 2 ) отличается

от полученного

Г. А. Максимовым

[ 1 3 7 ]

учетом пористости и постоянного стока

жидкости.

Полное математическое описание процесса переноса под влия

нием избыточного

давления

дал

Ю. А. Михайлов

[ 2 8 , 1 3 1

— 1 3 3 ,

1 3 8 ] .

Если при высокотемпературной сушке внутри древесины кипит

влага, то

(как это вытекает

из отмечавшейся

выше

второй

особен

ности

процесса

кипения)

стабилизация

температуры

на

уровне

/ З И 0 0 °

С в какой-либо зоне

по

сечению

должна

поддерживаться

до момента удаления всей свободной влаги.

Это предположение подтверждается экспериментальными дан

ными при высокотемпературной сушке в паровоздушной

среде,

когда

поле

давления

развивалось

по

разным

вариантам

(рис. 4 . 6 . 1 ,

а,

б),

атакжепри

сушке в перегретом паре (рис. 4 . 6 . 1 ,

б) .

Из рис. 4 . 6 . 1 ,

б видно,

что

сначала

температура

точках

по

сечению совпадает,

а затем

в точке 2 температура

возрастает,

то

время как в центре она остается постоянной. Резкий подъем тем

пературной кривой, совпадающий	по времени	с моментом	дости
жения в этом месте величины	W = WU. г (при	/ = 1 0 0 ° С	Wn. г =

=1 8 - 5 - 2 0 % ) , свидетельствует о том, что сушка происходит путем

углубления зоны			выкипания			в	центральную часть		образца, учас
ток постоянной		температуры				в	котором	постепенно	сужается		(см.
температурные		кривые			при	т =	4 2 ; 5 6	и 7 0 мин).	Здесь	при	т =
= 7 0 мин	t =	1 0 0 °		С	лишь	в	самом центре, где		влагосодержание
достигает	W = 2	0	% -	Механизм			процесса с углублением зоны фазо
вых превращений			рассмотрен в				ряде работ, например [ 5 ,			5 0 ,	1 3 9 —

1 4 3 ] .

Среднее по сечению образца влагосодержание W к концу пе риода выкипания свободной влаги (переходное влагосодержание Wnep) определяется характером ее распределения и величиной по верхностного влагосодержания Wn, которое в это время уже равно

122

w,%,
160
140	\		T
no	\	-fit	T
no	\ 1	\
100		\
100
80	"of	\
80	"of	\
4060	У1...		J

20и —p

1/ 20 JO 40 SO SO 70

Время T мим

£ С 2O4O6O801OOt2OfltOW18O2W22O ВремяT МЦН

80 90

	41
5;	no
*:

4)120 w

100

30 60

2040

12 16

1UU.H

• i d\

- f

S6<>

Толщина S

24 T,v '

140

130

100%.

90&

Рис. 4.6.1. Характер развития высокотемпературного процесса сушки древе

сины:

а —бук,

S=10 мм,

гс = 160°С,

г м = 7 0 ° С , точка

/ —- ^ - =1, точка

2 — — = 0 , 5 , точка 3 —

= 0;

б — береза,

5=25 мм,

t =205° С, t M = 8 0 ° C ;

в — сосна,

S=4Xj мм,

гс

= 120°С,

г„ = 100° С

равновесному Wv. Тогда

при

параболическом

распределении сред

нее влагосодержание

^ п е р =

(4.6.3)

где Г п

. г ^

19—20%,

распределении

а при линейном

(4.6.4)

Например, при

£С = 120°С,

4, = 100°С,

что

дает Wp = 5%,

вели

чина Wnep (при

W n . r = 20%) составит: в первом случае

№ п

е р = 1 5 % ,

во втором

№ п е р = 1 2 , 5 % .

123

Выпаривание влаги должно происходить с некоторой поверх ности. Однако вследствие анизотропии строения поверхность вы паривания превращается в зону, имеющую некоторую толщину, которая в общем случае может быть меньше или равной толщине самих образцов.

Можно представить, что на некотором этапе сушки температура

в какой-либо	промежуточной точке уже постоянна на				уровне / =
			в
	С	\К	С
		л
"к
	\Зона
	выкипания
'•кип		К	С
	R	I	Береза;		S=*/1MM;
	R		Береза;		S=*/1MM;
	толщина S		t c	= 120"D
	толщина S

Рис. 4.6.2. Схемы распределения температуры при высокотемпературном процессе

= ^кип, а в центре еще идет процесс нарастания температуры до этого уровня. Тогда схема распределения температуры будет иметь вид, представленный на рис. 4.6.2, а. Однако нетрудно показать, что

довольно	быстро температура			в	центре достигнет уровня	t =	tKaa.
Действительно, если		взять	область, ограниченную плоскостями
СС—СС,	в которой	t<tiam	и	распределение температуры		парабо
лическое, а на ее границах t =				tKsm,	то задачу о температурном		поле

внутри этой области (исключая зоны кипения) можно рассматри вать как задачу с граничными условиями первого рода (Bi-^-oo)

124

без источников тепла. Тогда можно воспользоваться решением уравнения

при параболических начальных условиях [31].

Расчеты по этим решениям с использованием данных по тепло-


коэффициентам из	гл. 2 показывают,			что,	например, для образца
(русл = 470 кг/м3)	с толщиной	зоны		СС—	СС, равной		10 мм,	при
/ к и п = Ю 0 ° С , W H = 5 0 % время		т,	необходимое			для того	чтобы	под
нять температуру	в центре от		/Ц = 9 7 ° С		до	/Ц = 9 9 ° С ,	составляет
21 сек, а при толщине этой зоны 40 мм — 22,1						мин.

Однако обычно высокотемпературной сушке древесины пред шествует ее начальная обработка насыщенным паром при условиях

/ с = /м =

100°С, длительность

которой

может

быть рассчитана. Про

цесс собственно

сушки начинается

при начальных

условиях

/(о, х) =

= /кип = const. Представляет

интерес

рассмотреть

вопрос о

распре

делении температуры в периферической зоне,

освобожденной от

уже выкипевшей

влаги. Известно

[144], что

условия

третьего

рода

определяют

положение направляющей точки О, в которой сходятся

касательные

температурным

кривым

на

поверхности

тела

(рис. 4 . 6 . 2 , 6 ) .

Эта точка устанавливает уровень температуры

среды

и величину —

(тело как бы наращивается на величину этого

слоя,

распределение температур в котором принимается линейным).

Если

общем случае

полагать

распределение

температуры

в периферической зоне в виде параболы степени п, уравнение этой кривой, как видно из рис. 4.6.2, б, будет

t x = ( t a - t m n ) ( - ^ Y - \ - t K m ,

(4.6.6)

где х — глубина зоны

выкипания (в

нашем случае для кривой 3).

Градиент температуры

на

поверхности

для

этой

кривой

(4.6.7)

dx Jn

Далее из геометрических соображений имеем

^кип

(4.6.8)

^КИП

| ,

Подстановка

( / п — /кип)

из

(4.6.8)

в уравнение

(4.6.6)

дает

к — *кип

1_\П—+

tc — ^КИП

/ 1

У_У

1х—*пт-Г

1 -j

X ) — '

" n

' t -

1 -f-

„

)

(4.6.9)

где

B i = - ^ - # .

125

Как показывают эксперименты (см. рис. 4.6.2, в), температурная кривая в периферической зоне приближается к прямой ( п = 1 ) . Тогда ее уравнение примет вид

( ! - - r ) + ^ n -

(4-6.10)

1 + •

Уравнение (4.6.10) связывает между собой температуру тела, координату, температуру среды и интенсивность теплообмена. Чем последняя больше (Bi—большое), тем выше температура. На по

верхности	(у = 0) при B i - > o o t =		tc, а в зоне, где происходит	кипе
ние (у = х),	t =	tmm.	метод расчета углубления	зоны
Предпримем		попытку получить

выкипания влаги при высокотемпературной сушке, что предопреде

ляет	возможность		определить			длительность			процесса		(см.
рис. 4.6.2,г). После прогрева имеем:							t(Xtо> =	^кип = const.		Темпера
тура поверхности tn=£tc.				В данном		случае имеют			место	граничные
условия третьего рода				( B i - ^ o o ) .
Линейный характер температурного поля в зоне / и его постоян
ство в зоне / /		приближают условия процесса						к стационарным,			при
которых расход тепла на прогрев зоны							/ невелик и все тепло,				под
веденное к зоне //, расходуется только на парообразование.
Такая постановка вопроса равнозначна принятию величины кри
терия фазового превращения е, равным единице.
Тогда тепловой баланс для объема							dxdF	может быть		составлен
в следующем		виде:
количество		тепла, подведенное к поверхности образца,
				- ^ L = « ( * c - * „ №						(4-6.11)
количество		тепла,	подведенное			к поверхности			контакта зон /
и / /	с учетом стационарности				процесса,
					—\ *«-J™		dF.			(4.6.12)
Температурные напоры из					(4.6.11) и		(4.6.12) будут
			( ' с - ' п ) = - ^ — - 4 -							(4.6.13)
					dxdF
			<	' . - '	o n )	= ^ - - f .				(4.6.14)

Сложим оба выражения, чтобы исключить изменяющуюся вели чину ta. Учитывая, что при е - > 1 Q1 = Q2 = Q, получим

^ - U = ^ ( | + | ) .

(4.6.15)

126

Тепло, подведенное к зоне кипения,

dQ	(W„ — Waep) р у с л г 0	dx	.. . л с .
-&Г=	100	dF-dV'	( 4 - 6 Л 6 )

где dx

—скорость углубления зоны выкипания.

Приравняв (4.6.15) к (4.6.16) и разделив переменные, получим

( ^ н — ^ п е р ) 9усяГдйх

(WH — Ц 7 п е р ) ?услГ0Х

Отсюда после интегрирования

т —

1 0 0 ( ^ с - ^ к и п ) а +

1 0 0 ( ^ - W K 2 + С - ^ •в >

При т = 0 х = 0. Тогда С = 0. Отсюда

Русл ( ^ н — Wne9)r0X

Х — 1 0 0 ( 4 - ^ к и п )

или окончательно

_	^ Р у с л ( ^ н - ^ п е р ) Г0		х I 1	5 Х \	/ д я о т
*	200 (* с - * к и п )	« 1	^ Г о д	) .

Выражение (4.6.20) позволяет определять продолжительность неполного выкипания влаги или момент достижения зоной выкипа ния глубины х. При полном выкипании (x = R) получается ранее выведенное уравнение [69, 117]

_ Sfyc„(WH — Wnep) r0 I 1

g \

(4 6 21)

Количественно заглубление зоны выкипания влаги удобней ана лизировать в безразмерном виде. Поэтому приведем выражение (4.6.20) к виду, связывающему между собой критерии подобия. Анализ выражения (4.6.20) показывает, что характерными будут критерии Fo, Bi и параметр, который по физическому смыслу бли зок к критерию Коссовича Ко. Он выражает отношение количества тепла, расходуемого на выкипание влаги,

Русл iWu — ^ п е р ) Г0

100

к теплу, затрачиваемому на нагревание тела от t = t m m до t = tc. Обозначив этот критерий КоК ип, получим

V	Р у с л а н — И^пер) Г0
1 \ о к и п —	1 0 0 ^ с _ ( ш п ) С 9	,	[fi.O.ZZ)

где С — теплоемкость тела; р — его плотность.

127

Преобразуем			с	учетом	этого		выражение (4.6.20). Умножим
обе его части на			—=^~,за мзаменин и вв в				правой	части		а через	— и S
через	2R:			R2							Ср
через	2R:
		12R		Русл ( ^ н	— l ^ n e p )		Г0 х I	1		2R х_
		R2 — R2 2		1 0 0 ( ^ с	— 4 и п ) Q		R			4к R
Тогда					= К о
Ро=Ко					= К о	к		R	*~	! ] .	(4.6.23)
Ро=Ко							B i			2
	уравнениюк и п			(4.6.23)	можно		B i			2
По	уравнениюк и п			(4.6.23)	можно	построить			графики, по		которым
По		1гНН				построить			графики, по		которым

достигнутая глубина кипения

R	1 I	3	100 \
W		и	100 \
0,9	A w	и	jJO
0,9	A w		jJO
0,8			\S0\
OJ\
0,5

будет определяться по известным

величинам Fo, Bi и КокипПримеры

таких	графиков	(для	Bi = oo и
B i = 5 )	приведены	на рис.	4.6.3.
	п
	0,9

as	0,8
0,4	0,7\
аз	0,6
	0,6
0,2	0,5
0,2	OA 7 2 J Ч 5	7 8 3 10 Bi
0,1	OA 7 2 J Ч 5	7 8 3 10 Bi
0,1	190 80 70 60 SO 40 30 20 10 О Fo

О	10	20 30 40 50		60	70	80	90 100	Fr	20 30 40 SO 60 70 80 90Ко„

Рис.	4.6.3.		Графики		зависимости			Рис.	4.6.4.	Графики	зависимо
Fo = /		^"^"j	при	высокотемпера				сти	величин n = f ( B i )		и / C = f ( B i ,
								Кокип) при		высокотемператур
		турном процессе							ном процессе

Анализ показывает, что выражение (4.6.23) можно представить также в виде

-i-= /CFo». (4.6.24)

1 2 8

Обработка		данных в координатах l g —		— l g F o	показала,		чтоп
			Н
не зависит	от	критерия КоК И п, а определяется только				величиной
критерия B i , т. е. ri = / ( B i ) ,			а коэффициент /С = / ( К о щ г а			и B i ) .	для
Опуская	промежуточные		построения,	приведем	графики

определения величин К и п (рис. 4.6.4), зная которые можно легко


определить		местоположение			зоны	фазовых	превращений			(кипе
ния).	Из рис. 4.6.4			видно, что величина п находится в					пределах
0,5—1. При		Bi = oo		м = 0,5, что дает частное выражение,					совпадаю
щее с известным законом углубления в задаче Стефана									[144].
Описанные			особенности		высокотемпературной			сушки		имеют
место на протяжении не всего процесса удаления влаги									(назовем
этап выкипания			свободной влаги периодом I I ) .
До	момента		достижения		влажной древесиной температуры t =
= tmm имеет место обычный					прогрев и сушка		( I период),			описан
ные ранее. Здесь может иметь место период							постоянной скорости
сушки	и постоянной температуры					на уровне	t = tM	(при	^ M < W i ) ,

что отмечалось на тонких образцах. Специфические особенности этого периода при высокотемпературной сушке состоят в более су щественном влиянии отрицательных градиентов температуры, осо бенно на толстом материале,, и в наличии избыточного давления паровоздушной смеси (фаза а). Кривые распределения влагосодер жания свидетельствуют о его понижении по всей толщине. Это означает, что термовлагопроводность подавляется влиянием моляр ного переноса и влагопроводностью.

После периода выкипания свободной влаги	влагосодержание
по всему сечению устанавливается ниже предела	гигроскопичности

и движение влаги определяется теми же факторами, что и при низ котемпературном процессе ( I I I период). Отмечается лишь, что рас пределение влаги в это время несколько отличается от параболи ческого и приближается к линейному.

Эффект термовлагопроводности при высоком влагосодержании снижается вследствие уменьшения термоградиентного коэффици ента при увеличении температуры [38]. Вместе с тем относительно большие градиенты температуры интенсифицируют эффузионный перенос пара к поверхности. Это объясняется тем, что потенциалом

эффузионного переноса является величина — . Так как в рас- у г

сматриваемой стадии сушки градиент давления по сечению отсут ствует, больший потенциал переноса будут иметь центральные слои с более низкой температурой.

Относительная длительность основного, I I периода высокотем пературной сушки, при котором выкипает свободная влага, зави

сит (при одинаковом начальном влагосодержании			и величине tM)
от толщины	материала	S, температуры среды tc и предела		охлаж
дения tM. Из	рис. 4.6.5,а	(^с = 205о , A W = 125-^ 13%,	*M = 80°)	видно,

что чем толще материал, тем относительная длительность этого периода больше (при более высоком влагосодержании начинается

9 Заказ № 487

129

период

выкипания). Так, при S = l , 5 мм имеется лишь

некоторое

замедление

нарастании

температуры

при ^ 1 0 0 ° С ;

при 5 =

= 2,1

мм период выпаривания

длится

1 мин и начинается при

\J7i = 2 0 % -

при S = 5 мм соответственно

т = 6 мин, Wi = 4 2 % ; при

5 = 1 0

мм т = 3 0 мин, 1^1 = 8 0 % ;

при 5 = 1 5 мм, т = 6,5 мин, Wi =

= 1 0 0 % ;

при 5 = 2 5

мм

т = 9 5 мм, Wi = 1 1 8 % •

—

~S=2,7MI> I

^,120

^юо

Ал/

-',

I Я?0

S10 15 20 25 30 35 to 45 50 55 60 65 70 75 SO 85 90 95 100 105 110 115120 12S%MUH

120

110

Ю0

8090

Береза. •

S=UOMM

Рис. 4.6.5. Влияние толщины

материала и t K на длитель

ность стабилизации темпера

IIPO

туры

60 грев

иушка

Типичный

высокотемпературный процесс, характерным

для ко

торого является период

I I , подтвержден

опытами в паровоздушной

среде

(tM

существенно

меньше

/щш) и

в перегретом паре

(tM =

= tKim=

1 0 0 ° С ) . При этом чем ниже величина tM, тем требуется

более

высокая tc для развития

такого

процесса. Например, при

Z m = 5 0 ° C

температура

^С = 1 2 0 ° С оказывается недостаточной для

развития высокотемпературного

процесса

(при 5 = 5 - т - 1 5 мм), ко

торый

при ^М = 8 0 °

развивается

достаточно

активно. В

перегретом

паре описываемый процесс имеет место практически при любых

При этом в перегретом паре

(рис. 4 . 6 . 5 , 6 ) температурное поле

раньше

достигает t — tKun

и, следовательно,

раньше начинается пе

риод кипения и молярного

переноса.

Необходимо отметить специфический характер сушки листвен

ницы

при

г С > ; 1 0 0 ° С [ 1 2 3 ] , в том числе

перегретом паре

{tM =

130

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 2513 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ