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 12 / 252 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Н. Н. Чулицким [7] *. Из рисунка виден различный характер связи древесины с влагой на различных этапах ее поглощения.

Сопоставление диаграммы с характерными изотермами сорбции для гидрофильной, гидрофобной и промежуточной поверхности [4] показывает, что изотермы древесины близки к последнему вари


анту, специфическому			для многих коллоидных			ограниченно	набу
хающих тел. Участок с выпуклостью к оси влагосодержания							харак
терен для	мономолекулярной адсорбции, отличающейся наибольшей
энергией	связи.	Эксперименты		подтверждают		наличие контрак
ции системы «древесина—влага»				и теплового эффекта. Так,			благо
даря контракции		вода	в древесине		находится	под огромным		дав
лением 3000—4000 бар			[9], а	1 г	воды сжимается на 0,25			см3.

Количество выделяющейся при набухании теплоты оценивается ве

личиной 65—85 дж	на 1 г	абсолютно	сухой древесины		[1]. Как
видно из рис. 1.2.1, влагосодержание,			соответствующее	максималь
ному содержанию	мономолекулярной		адсорбционной	влаги		при
2* = 20° С, равно 5%,	что примерно соответствует данным				Н. И. Ни
китина [1].
Выпуклость к оси ф, специфичная			для полимолекулярной			ад
сорбции, также характерна,		как видно	из рис. 1.2.1, для	древесины

в определенных диапазонах относительной упругости пара <р. Обра


зование	полимолекулярных прослоек влаги, обусловленное тем,
что на поверхности адсорбента имеются		свободные	электрические
силы, радиус действия которых превышает радиус			адсорбируемых
молекул	[10], сопровождается меньшим	количеством		выделивше
гося тепла. Тот факт, что энергия, хотя		и с постепенно		уменьшаю

щейся интенсивностью, выделяется во всем диапазоне сорбции, под

тверждает	существенную	роль	адсорбционной	связи	для древе
сины.
Значение микрокапиллярной			конденсации,	также	имеющей
место при	сорбции влаги	древесиной, относительно невелико. Это

можно показать исходя из следующих соображений. Адсорбцион ная влага поглощается поверхностью микрофибрилл, что вызывает разбухание древесины. При микрокапиллярной конденсации влага заполняет пустоты в клеточных оболочках, не вызывая их разбуха ния. Если воспользоваться известным эмпирическим соотношением

между усушкой У и условной плотностью р у с л		{г/см3)
	У = 2 6 , 5 Р у с л %	(1.2.2)
и принять плотность влаги	(с учетом контракции) равной 1,1 г/см3
* Диаграммы равновесного влагосодержания могут быть получены в про
цессе сорбции (увлажнения) и	десорбции (удаления)	.влаги. Изображенные на

рис. 1.2.1 изотермы, судя по их начальному участку, следует рассматривать как изотермы сорбции, так как в противном случае можно прийти к неправильному

выводу о том, что		при сушке в сухой среде	(ф = 0)	и температуре, например,
20° С	древесина будет высушена до абсолютно сухого состояния. Для случаев
сушки	диаграмма	в зоне ф = 0н-20% должна	быть	уточнена, как это сделано
И. В.	Кречетовым [8].

[9], количество влаги (по объему), приводящей к разбуханию, т. е. адсорбционной,составит

^ . S c = - f f = 24°/0 .

Таким образом, из максимально возможного количества гигро скопической влаги в древесине (30%) лишь 6% составляет влага микрокапиллярной конденсации. Однако это вовсе не означает, что этот вид влаги сорбируется древесиной в интервале влагосодержания 24—30%. Микрокапиллярная конденсация начинается раньше и происходит одновременно с полимолекулярной адсорбцией. Ана-

w%s,0 7,o$s/3 16,5 к

гг

Радиус капилляров г, им

Рис. 1.2.2. Кривые распределения пор внутри древесины:

/ — интегральная; 2 — дифференциальная

лизируя экспериментальную зависимость между усушкой и влаго-

содержанием древесины, П. С. Серговский показал				[11, 12], что ка-
• пиллярная конденсация начинается примерно			при	влагосодержа-
нии 12%.
Более конкретно вопрос о взаимосвязи между				влагой и древе
синой можно проанализировать, имея	кривые		распределения пор
по радиусам f (г). На рис. 1.2.2 приведены		интегральная / и диффе
ренциальная 2 кривые распределения	пор	внутри		древесины [9].

Здесь по оси абсцисс отложены радиусы капилляров, которые име

ются в	оболочках клеток,	а по оси	ординат:	справа	пористость
тела, или относительный объем жидкости в клеточных					стенках —•
объемное влагосодержание		(относится к кривой		/ ) ; слева — произ
водная	от пористости по	радиусу	капилляров	(относится к кри
вой 2).	Максимальное значение пористости V достигается суммиро-

ванием объема всех пор, радиус которых лежит в пределах от 0 до ''макс = 0,2- 10~5 см. Площадь под кривой 2 на любом участке дает объем пор (примерно соответствует объему влаги) в пределах этого диапазона изменения радиусов капилляров.

Из рис. 1.2.2 видно, что примерно четверть общего объема	пустот
в стенках клеток занимают мельчайшие капилляры между	элемен

тарными, фибриллами размером до 1,2 нм. На верхней горизонталь ной оси нами нанесены в соответствии с выражением (1.2.1) зна чения относительной упругости пара ф, соответствующие определен ным величинам г на нижней оси, а также значения равновесного влагосодержания из изотерм рис. 1.2.1. Значения последних близки

к величинам объемного влагосодержания					(правая ось	ординат).
Благодаря		мономолекулярной адсорбции			(соответствует	примерно
W = 5%	и	ср = 0,2)	влагой	заполняются капилляры радиусом г до
0,7 нм,	количество		которых	по сравнению	с капиллярами других

радиусов в древесине максимально. Капилляров сравнительно боль ших размеров в клеточных оболочках немного. Это видно из того, что их заполнение влагой не приводит к существенному повышению влагосодержания. Например, увеличение г от 10 до 20 нм, что соот ветствует изменению ф от 0,9 до 1, повышает влагосодержание дре весины от 22 до 26 % (доказательство сравнительно небольшой роли капиллярной конденсации).


Кривые распределения пор по радиусу	показывают		широкое
варьирование размеров пустот в стенках	клеток,	свидетельствуя
о том, что последние представляют собой	сложную	гетерокапил-
лярную систему без разрывов (в пределах клеточных			оболочек)

в функции распределения пор. Такой разрыв		имеет место в древе
сине между капиллярами в стенках клеток	(г	до 10~5	см) и в/поло
стях клеток ( г > 10—3 см). Это влияет на	характер		перемещения
влаги (гл. 2).

В силу неоднородности структуры древесины капилляры в кле точных оболочках могут быть сквозными и замкнутыми, что влияет на возможность образования в них менисков.

Можно предполагать, что пар из среды адсорбируется и сжи жается на поверхностях капилляров всех размеров. При этом пер воначально адсорбируется моно-, а затем полимолекулярный слой. Толщина последнего может доходить до 10~5 см. Образуемые таким

образом пленки влаги сливаются в капиллярах,			радиусы которых
меньше	толщины полимолекулярного	слоя,	и раздвигают
стенки	слоя, что и является основной	причиной	разбухания дре
весины.

В несквозных капиллярах, радиусы которых больше толщины полимолекулярных слоев при данной величине ф, последние, сли ваясь на дне, образуют вогнутый мениск, над которым будет проис ходить конденсация. Процесс начинается в более мелких, а затем в более крупных пустотах и капиллярах и, как уже отмечалось выше, не сопровождается набуханием древесины.

В сквозных капиллярах, если их радиус больше толщины поли молекулярной прослойки, мениск вообще не может образоваться

(макрокапилляры), поэтому наполнение их влагой может произойти

лишь

при

непосредственном

соприкосновении

(влага

смачи

вания) .

Ниже приведены некоторые расчеты, характеризующие энергию

связи древесины с влагой.

В качестве количественной характеристики энергии

связи

влаги

с материалом

акад. П. А. Ребиндер

[4] рекомендует

принимать

ве

личину свободной энергии изотер

А10-5 дЖ

мического

обезвоживания.

При

связывании

воды

материалом

понижается

давление

пара

над

его поверхностью,

что

приводит

уменьшению

свободной

энер

гии.

связи,

или

уменьше

Энергия

ние свободной энергии АЕ при

постоянной

температуре

Т,

пред

ставляющая собой работу Л, кото

рую

необходимо

затратить

для

~~20°С

отрыва

1 моля

воды

от

матери

ала, можно определить по выра

жению

[4]

^гоо'с

-AE=A=RT\n

Рн

(1.2.3)

Рп.р

ие

где рн

и рп. р — давление насыщен

0,05

0,15

o,wu,f

ного

пара над свободной

поверх-

Рис. 1.2.3. Зависимость энергии связи

ностью

парциальное

давление

от влагосодержания

древесины

при

пара

среде,

соответствующее

разной

температуре

определенному равновесному вла-

госодержанию

£ / р ;

R — универ

сальная

газовая

постоянная.

Учитывая, что

из

(1.2.3)

получим

Рн.р

А = -/?Пп<р.-

(1.2.4)

На рис. 1.2.3 представлены графики зависимости энергии

связи

А от влагосодержания U древесины при

разной

температуре,

по

строенные

на

основании

уравнения

(1.2.4) и изотерм сорбции

(см.

рис. 1.2.1).

Из рис. 1.2.3 видно, что энергия связи резко падает по мере уве

личения

влагосодержания.

Так,

при

£/ = 0,02

^ = 20° С

— 65-Ю5

дж/кмоль,

при

£/=0,10 Л — 15-105

дж/кмоль,

при

U =

=0,20

Л « 3 «

105

дж/кмоль.

При малых значениях U температура мало влияет на величину

энергии связи влаги с материалом,

что

согласуется

с теорией

ад

сорбции

[10].

1.3. ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

1.3.1. МЕТОДЫ ИСЧИСЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ СРЕДЫ

Относительная влажность среды <р является одним из основных параметров, определяющим величину равновесного влагосодержания материала.

Под относительной влажностью среды (в дальнейшем для удоб ства слово «среда» часто заменяется словом «воздух») понимают либо отношение массы водяного пара в воздухе р п к максимально возможному его количеству рм акс:

(1.3.1)

Рн

при той же температуре и барометрическом давлении, либо то же отношение, в котором рм а кс соответствует состоянию насыщения при данной температуре.

Полагая, что рмакс будет	достигнуто		в состоянии	насыщения
(рмакс = рп), можно написать	соотношение		(1.3.1) в виде	уравнения
cp =	- ^	_ ^ - \| L	,	(1.3.2)
	Рмакс	Ун

последний член которого представляет собой относительную упру

гость пара, где ра — его фактическое парциальное давление.
При tc<ta		(для	атмосферного	давления		температура			насыще
ния tH=lOO°C)		уравнения (1.3.1)		и (1.3.2)		равнозначны.
Если	температура по сухому			термометру		/ С > 1 0 0 ° С ,			результат
подсчета <р будет зависеть от того, при каком давлении									определя
ется Рмакс-
При барометрическом давлении В
			Рмакс	а
в котором Рмакс берется по предельному давлению							В.
При давлении насыщения рн,				соответствующем			температуре				tc,
когда сохраняется			соотношение (1.3.2), величина р н будет							больше
1 бар.
В большинстве			отечественных	руководств		по сушке		материалов
и термодинамике [13, 14, 15] принят метод определения								относитель
ной влажности воздуха в соответствии с формулой							(1.3.3). При рас
четах по	этой	формуле линии qp = const			на /d-диаграмме				после		до
стижения	воздухом		температуры	100° С	идут вертикально					вверх.
Из опыта известно, что если p-d — const или d=const,							с	повышением
температуры		до и	более 100° С увеличивается испарительная спо

собность воздуха, которая должна характеризоваться величиной <р.

Если взять, например,			среду	при р п = 0,18 бар		и температуре 110 и
175° С,	формула	(1.3.2)	даст	величины	0,125	и	0,02, а формула
(1.3.3)	в обоих	случаях — одну и ту же			величину		0,18.

Формула (1.3.3) не пригодна для оценки	испарительной	способ
ности чистого перегретого пара — частного	предельного	случая

среды, когда весь объем занят только паром, который, как известно,

испаряет влагу тем интенсивнее,

чем

больше

степень

перегрева.

В этом случае расчет по формуле

(1.3.3)

при

любой

температуре

среды выше 100° С даст величину, равную

единице.

При определении испарительной способности среды по формуле

(1.3.2)

полученные

результаты

имеют

правильное

объяснение.

Среда

с параметрами ^ М = 1 0 0 ° С

и / с > Ю 0 ° С

(чистый

перегретый

пар) не насыщена (ср< 1), испаряет влагу и для насыщения

должна

иметь давление больше 1 бар.

Приведенные рассуждения подтверждаются характером измене

ния критерия Гухмана

являющегося термодинамическим критерием испарения (Тс

— тем

пература среды, °К). Известно, что чем меньше

критерий Gu, тем

меньше испарительная способность среды (ф

больше). Если

взять

тот же пример с воздухом при /С = 110°С

и /С =

175°С

и воспользо

ваться

приведенной

ниже

психрометрической

формулой

(1.3.5),

можно определить, что рп ' = 0,18 бар

в первом

случае

будет

достиг

нуто при tM = Q0°C,

во втором — при ^м = 64°С, а критерий Gu соот

ветственно получится 0,13 и 0,25, т. е.

испарительная

способность

воздуха будет разной.

Относительная влажность воздуха

по

формуле

(1.3.2)

позво

ляет правильно

характеризовать

ее взаимосвязь

равновесным

влагосодержанием

древесины при

^ С > 1 0 0 ° С ,

что

показано

в ра

боте [16], где этот параметр при высоких температурах

среды

опре

делялся экспериментально, а также в работе

[ 8 ] ,

в которой

равно

весное влагосодержание определялось по уравнениям.

Таким образом, при ^ С > 1 0 0 ° С величину ср целесообразно

оцени

вать по формуле

(1.3.2) [8,

16,

17,

18], что

и принято

части

зару

бежной

литературы1 [19 и

20]

отечественных

руководствах

по сушке древесины

[21, 22].

Величиной ф,

вычисленной по

формуле (1.3.2),

можно

пользо

ваться и для среды, общее давление которой отличается от атмо сферного.

Предельные значения ф м а к с при любом общем давлении р, имею

щие место в случаях, когда это	давление создается только	паром
/ / , можно определить по формуле
сРмаКс =	- ^ £ - -	(1.3.4)
	УН

1 В последнее время такую же точку зрения высказал французский исследо ватель А. Вильер (см. А. Вильер. Равновесная влажность дерева в воздухе и вакууме. «Тепло- и массоперенос». Минск, 1968, т. 6, с. 22—29).

Например, при р=2 бар, t0 =

1 4 0 ° С ( р н ' = 3 , 6 8 бар)

[ 1 5 ]

9макс			2	= 0 , 5 4 5 .
9макс	Ра	3,68		= 0 , 5 4 5 .
	Ра	3,68
При р ' п = 1		бар
9м		1	^ 0 , 2 7 2 .
		3,68	^ 0 , 2 7 2 .
		3,68

	80	1
	80	'.
		'.
	60	3
	60	Ч-
		Ч-
		S


На рис. 1.3.1 представлен				гра		20
фик предельных значений < р м а к с
для	давления среды р = 0 , 5 ;			1;	2 ;	80	120 160 200 2W			230 J20tc;c
3 и	4 бар	(соответственно		кри
вые 1, 2, 3, 4 и 5),			а на рис. 1 . 3 . 2			Рис.	1.3.1. Предельные			значения
приведена		психрометрическая				относительной			упругости	среды
диаграмма		в диапазоне 1 0 0 —					при	различном давлении
3 0 0 °	С для	атмосферного давле							Значения парци
ния,	построенная		на основании		формулы			( 1 . 3 . 2 ) .
ального давления			насыщенного		пара		выбирались по соответству

ющим таблицам, а фактическое парциальное давление определялось по известной формуле [ 1 3 ]

Рп=Рп.ы-ЛШ,

( 1 . 3

где рн.м — парциальное давление насыщенного пара при темпера-

5?%

100 110 120130 mt5Umt7Q W 790 200210220 2302W250260£70280290JO0t,°

Рис. 1.3.2. Психрометрическая диаграмма для сре, 100—300° С

2 Заказ № 487

ё' '

Гос. п' научно-", г •, , • .

библиотека (Х- yf>

ЗКЗЕГ,;П.Л*.У ,

туре предела охлаждения; В — барометрическое				давление;			А^—
психрометрическая	разность; А=—^	психрометрическая					посто-
	Сг,о				коэффициента
янная, зависящая от коэффициента теплоообмена а,
испарения С, теплоты испарения г0 и определяемая					по эмпириче
ской формуле Рекнагеля [13]
	Л-=0,00001(б5 +	- ^ - ) ,					(1.3.6)
где v — скорость воздуха, м/сек.
В расчетах принималась v = 2 м/сек,		при которой			расхождения
между истинной температурой предела охлаждения					и	температу
рой, показываемой	мокрым термометром		психрометра,			несущест
венны. При v<2 м/сек в показания могут			быть	внесены поправки

всоответствии с диаграммой Каррье и Линдсая [13].

1.3.2.РАВНОВЕСНОЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Известно, что устойчивые влагосодержания, достигаемые при длительной выдержке в среде определенного состояния в процессах сорбции (WY. с ) и десорбции (Wy. д ) , в общем случае не совпадают

^ ^ис(тм)

Рис. 1.3.3. Кривые сорбции и десорбции древесины во времени:

а — не прошедшей обработки средой	повышенной	температуры; б — подвергнутой
воздействию высокотемпературной среды
(рис. 1.3.3, а). Разница между	этими	показателями	(гистерезис
сорбции AW) зависит от состояния среды и в большей			степени, как

показано было в исследовании [12, 23], — от определяющего раз мера древесины. Так, для промышленных сортиментов, имеющих толщину более 15 мм и длину более 100 мм, гистерезис сорбции до стигает 2,5% влагосодержания. Для шпона AW*xQ,5%, а для из-

мельченной древесины гистерезис, достигающий значений порядка 0,1—0,2%, в практических расчетах может не учитываться. В связи с обратимостью процессов сорбции и десорбции для измельченной древесины среднее устойчивое влагосодержание является весьма стабильной характеристикой, получившей название равновесного влагосодержания.

Природа гистерезиса сорбции, отсутствующего в крайних точ

ках	(при <р' = 0 и ф = 1), изучена недостаточно.	Полагают, что	одной
из	его причин является большая длительность	достижения	гигро-

термического равновесия, которое в реальных условиях не является истинным.

Величина гигроскопических характеристик древесины, прошед шей обработку средой с повышенной температурой (например, в условиях камерной сушки), ниже, чем древесины при тех же параме трах, но обрабатывавшейся лишь средой в естественных условиях —


^ у ( е с т ) -	Это снижение гигроскопических	характеристик,			по опре
делению	П. С. Серговского [12], может	быть	для	практических
расчетов	оценено величиной, равной половине гистерезиса				сорбции
A W P . Взаимосвязь между величинами Wy. я, Wy, с			и Wv	в различных

температурных условиях показана на рис. 1.3.3, а и б. Зная равно

весное влагосодержание, устойчивое влагосодержание		древесины
в различных условиях можно определить	по формулам:
^ у . с . ( е с т ) = ^ р	+ 4 Л ^	(1-3.7)

^ у . д . ( к а м ) - ^ Р ;	(1-3.9)
^ у . с . ( к а м ) = ^ р - Д " 7 ,	(1.3.10)
где для практических расчетов можно принимать	Д№ = 2,5%.

Значения Wp получены экспериментально путем выдержки об разцов древесины в измельченном виде или в виде тонких срезов.

Как показали исследования [7], равновесное влагосодержание не зависит от породы древесины и определяется только условиями среды. На рис. 1.3.4 приведена распространенная в отечественной литературе диаграмма равновесного влагосодержания древесины для атмосферного давления. В основе диаграммы в диапазоне тем


пературы	до ^=100° С лежат	данные	ВИАМ		[7],	уточненные
П. С. Серговским [11]. Им же проведены			эксперименты			при темпе
ратуре среды выше 100° С. Величины ср при				этом	исчислялись		по
формуле	(1.3.2), что позволило избежать		перегибов		на кривых рав
новесного	влагосодержания.	Значения	Wp	по	диаграмме		на

-рис. 1.3.4 мало отличаются от соответствующих диаграмм, получен ных другими авторами [24].

Гистерезис сорбции должен учитываться в расчетах. Изотермы сорбции и десорбции в координатах № р —ср при t = const имеют вид, изображенный на рис. 1.3.5. Пусть, например, при cp = cpi древесина

2 *

1 9

имеет влагосодержание W=Wu При увеличении относительной влажности среды от cpi до фг влагосодержание древесины не будет

О .10 20 30 10 50 60 70 80 90	700 110 120130 ПР /SO 0 Щ 180
Температура	t°C

Рис. 1.3.4. Диаграмма равновесного влагосодержания древесины при атмо сферном давлении

изменяться. Фактическое влагосодержание Wi в указанном диапа зоне Дф будет больше, чем устойчивое влагосодержание в процессе сорбции и, следовательно, увлаж няться древесина не сможет.

С другой стороны, это влагосодер жание ниже, чем устойчивое вла госодержание десорбции, поэтому уменьшаться оно также не может.

Рис. 1.3.5. Кривые сорбции и десорб ции древесины при постоянной темпе ратуре

Таким образом, оно должно остаться неизменным в диапазоне Дф от ф1 до фг. Лишь при ф>;ф2 начнется увлажнение древесины, так как этим значениям ф будут соответствовать величины Wy.c>Wi.

20 "

<<< < Предыдущая 12 / 252 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ