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 45 / 255 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

в диапазоне ф =	0,5-М
				т		С-	Т	\2
				ши.		С-	Ж
				ши.			Ж
				2Тт				(2.3.29)
	W03[/n in'							(2.3.29)
	W03[/n in'			\оои„
		У2		\оои„
Тогда выражения		для	термоградиентного					коэффициента б р
в соответствии	с (2.3.28) и		(2.3.29)		после преобразований будут:
в диапазоне ф =	0ч-0,5
				Т
дТ }и			т			In -
дТ }и
		2T(UVt-l'f		+		l>b)		(2.3.30)
				Т	\2			(2.3.30)
		1002		Т	\2			M w ) 1
в диапазоне ф = 0 , 5 - - 1		1002		100 )				M w ) 1
в диапазоне ф = 0 , 5 - - 1
	<н>л							I X
	дТ	}и						I X
	дТ	}и

										(2.3.31)
	По	уравнениям		(2.3.30) и			(2.3.31), в		которых	выражения под
знаком		логарифма		представляют				собой	значения	относительной
влажности воздуха ф, были поде- tipio?-^
читаны		величины		термоградиент-				~"
ного коэффициента					б р	во	всем
диапазоне гигроскопической							вла
ги	при	различных		температурах.
	Результаты		расчетов			приведе
ны	на	рис. 2.3.3.
	Из	этого рисунка			видно,		что
термоградиентный				коэффициент
увеличивается			по	мере		повыше
ния	влагосодержания				и	темпера-

Рис. 2.3.3. Зависимость между термо градиентным коэффициентом древесины и ее влагосодержанием

туры материала. На графике не обнаруживаются точки перегиба на

кривых 8v = f(U),	которые	иногда отмечаются в литературе [5, 35].
По характеру зависимости		полученный расчетом	график совпадает
с теми, которые	в области	гигроскопической	влаги эксперимен

тально получены в работе [38].

2.4.ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ

ВДРЕВЕСИНЕ ПРИ СУШКЕ

- Выше на основании термодинамики необратимых процессов были сформулированы основные законы переноса влаги, общие для различных материалов, и дан анализ некоторых термодинамиче ских характеристик древесины, которым, однако, не исчерпывается специфика механизма движения влаги внутри нее. Под этим терми ном следует понимать пути, которые влага преодолевает, ее агрегат ное состояние и конкретные движущие силы переноса.


Литература по исследованию общих и частных			закономерностей
миграции влаги внутри	древесины	достаточно	обширна. В 20—
30-х гг. этим вопросам	были посвящены многие		работы		[39—53].
В 40—50-х гг. появились известные работы А. В. Лыкова по об
щей теории сушки [13, 29, 30, 54], П. Д. Лебедева				[58, 59], а по
сушке древесины — работы Кришера		[55], Штамма		[9], В. А. Баже
нова [56], Б. А. Поснова [57], П. С.		Серговского	[11, 23,		60, 61],

Кроля [62], А. И. Фоломина [63, 64], Кюблера [65], И. В. Кречетова [66, 67], Г. С. Шубина [68, 69] и др.

Анализ выполненных работ, несмотря на различные трактовки ряда положений, позволяет сделать некоторые обобщения о меха низме перемещения влаги в древесине.

Как объект сушки древесина может быть представлена в виде

поликапиллярного тела. При этом размеры		капилляров			в стенках
и полостях клеток резко различны. Капилляры клеточных					оболочек
являются микрокапиллярами ( г < Ю - 5	см),	в	них	размещается
только гигроскопическая влага, и они	усыхают		при	ее	удалении.
Полости клеток являются макрокапиллярами		(r>	10~5	см),	размеры

которых остаются постоянными при изменении в них влагосодержа ния в области выше предела гигроскопичности. Такая специфика строения древесины приводит, как показал П. С. Серговский [11, 60], к различным особенностям процесса сушки при влагосодержа ния выше и ниже предела гигроскопичности.

Влага в древесине при положительной температуре может на ходиться в двух фазовых состояниях: жидком и парообразном. Ка пиллярная структура клеточной оболочки в главном, поперечном направлении чрезвычайно сложна (см. поперечный разрез на рис. 2.4.1, а, где закрашены пустоты, заполненные влагой). Схема переноса влаги при влагосодержании ниже предела гигроскопично сти представлена на рис. 2.4.1, б. Здесь можно отметить следующие пути перемещения влаги:

по сплошным микрокапиллярам в клеточных оболочках (в виде жидкости и пара — / — / ) ;•

4 2

по макрокапиллярам: полости клеток мембраны окаймленных пор (в виде пара — 2 — 2);

по комбинированному пути: макрокапилляры в полостях клеток, микрокапилляры в клеточных оболочках (в виде пара и жидко

сти —

3—3).

изотермических

условиях

реаль

ной

движущей

силой

переноса

воды

является

градиент

капиллярного

натя

жения. Он образуется вследствие того,

что более низкое влагосодержание в

поверхностных слоях приводит к боль

шей их усушке и, следовательно, боль

шему сужению капилляров, чем во

внутренних

зонах.

Основными

реальными движущими

силами

при

переносе

парообразной

влаги

могут являться

силы

диффузии

и эффузии.

Диффузионный

перенос — это,

как

известно,

молекулярный

перенос

мас

сы за счет хаотического движения час

то

сталкивающихся

друг

другом

молекул.

Длина

свободного

пробега

молекулы /

(например,

при ^ = 0°С и

р=\

бар

/ = 0,4 • 10~5

см)

обычно

мала

по сравнению с объемом

пространства,

в котором

происходит

диффузия

(на

пример,

размерами

макрокапилля

ров).

Интенсивность

диффузионного

переноса

пропорциональна

градиенту

концентрации,

или

градиенту

парци

ального

давления

газа.

В малых пространствах

(или в раз

реженных

средах)

длина

свободного

Рис. 2.4.1.

Схемы:

пробега

молекул

становится

соизме

а — капиллярной

структуры клетки;

римой

или

больше

размеров

самого

/ — микрофибрилла;

2 — макрофиб

пространства. В этих случаях соударе

рилла;

§ — полость

клетки; б — дви

жения

влаги

древесине при

ния

между

молекулами

будут

весьма

U<U„

„

редкими и, следовательно, не влияющи

ми на механизм

переноса. В таком процессе, называемом эффузион-

ным,

молекулы

газа

проходят

через

пространство

независимо

одна от другой, образуя молекулярный пучок (кнудсеновский по

ток) .	Интенсивность такого	переноса пропорциональна отношению
-^zr>	т. е. в изотермических	условиях ( r = const) также градиенту
Т/Т

парциального давления.

Сопоставление размеров микрокапилляров ( г < 1 0 ~ 5 см) и длины свободного пробега молекулы I (с увеличением температуры она

4 3

существенно увеличивается) позволяет прийти к выводу, что дви жение пара в сплошных микрокапиллярах клеточных оболочек дре весины носит эффузионный характер. Такой механизм переноса пара во внутристеночных капиллярах древесины до последного вре мени не находил должного отражения в литературе. Общие указа ния на этот счет имеются лишь у А. В. Лыкова [30], а примени тельно в древесине — в работах [62, 70, 71].

Перемещение пара по макрокапиллярам, вызванное разностью его концентрации, носит диффузионный характер. При этом основ ное сопротивление перемещению оказывают отверстия в мембранах

окаймленных пор (по данным Кроля		[62], оно превышает		сопротив
ление полостей	клеток в 10 6 раз) .
Наибольшую	несогласованность	в суждениях	вызывает		вид
влаги, перемещаемой по третьей системе путей.			Эгнер	[47]	один

из первых предположил, что влага по полостям клеток перемеща

ется в виде пара, а в капиллярах стенок				клеток конденсируется и
мигрирует в		жидкой	фазе. К этой точке	зрения	присоединились
и ряд других авторов [11, 63]. Некоторые				исследователи,		например
Тиман	[45]	и Шервуд [49], уже давно высказали				предполо
жение,	что	однажды	образовавшийся	пар не	должен конден
сироваться.
Вероятно, фактическая картина переноса влаги по третьей си
стеме путей		включает	элементы обеих противоположных точек зре
ния. По микрокапиллярам в клеточных оболочках,					освобождаемым

от сконденсированной влаги вследствие нагрева, может двигаться только пар (эффузионно). Путь его движения (полость клетки — микрокапилляр в стенках) преодолевается без фазовых превраще

ний (см. рис. 2.4.1, б (3'—3'). В остальных микрокапиллярах влага
движется только в виде жидкости,	что предопределяет	комплекс
ный путь переноса.	'
Однако, как показано в работе	[64], чем ниже влагосодержание
древесины, тем меньше радиус капилляров, заполненных		сконден

сированной влагой и, следовательно, больше площадь микрокапил ляров, свободных от жидкости. Поэтому чем ближе клетки к по верхности, тем больше в них удельная площадь свободных от воды

капилляров, через которые	движется	пар	без преобразований.
Такой ход процесса требует	подвода	тепла	к внутренним слоям и

вызывает некоторый градиент температуры, что и наблюдается на практике. Последнее .доказывает необоснованность критики в адрес приверженцев комбинированного пути на том основании, что в этом

случае процесс, будучи термодинамически		равнозначным	испаре
нию с поверхности, не должен якобы	вызывать перепадов		темпера
туры по толщине, которые на самом	деле	имеют место.	Наличие

температурных перепадов по сечению можно объяснить и тем, что комплексный путь движения является не единственным.

Градиенты парциального давления пара		и капиллярного натяже
ния, являющиеся при U<Un.v	(W<Wn,T)	реальными движущими

силами переноса,-пропорциональны в этом случае градиенту влаго содержания.

4 4

Действительно, поток жидкой	влаги определяется	градиентом
капиллярного потенциала V t f :
Я'Ж=К№		(2.4.1)
Здесь коэффициент капиллярной	проводимости

Го

где т]щ — вязкость жидкости; г — радиус капилляра; р ш — плотность

жидкости; f (г) — функция распределения		капилляров	по радиу
сам [13].
Величина Vip есть функция влагосодержания U и температуры				t.
В изотермических условиях	[30]
_ .	2<з cos 6		.	„ ч
У Ф = =	P ^ ~ V r	'	( 2	А З )

где 9—-угол смачивания.

Учитывая, что влагосодержание U может быть выражено через

радиус капилляров посредством соотношения [30]
				Ро
получим выражение
		.	у ф = 2 2 % C 0 S 9 P °		V£/,		(2.4.5)
из которого следует, что в изотермических						условиях капиллярный
потенциал пропорционален градиенту					влагосодержания:
			< 7 ж = - < Р о ^ ,				(2.4.6)
где	— коэффициент	капиллярной		диффузии жидкости			[5], рав
ный с учетом (2.4.2)
	а	* =	С£\г)	l	^ m	d r .	(2.4.7)

''о

При переносе пара химический потенциал как движущая сила диффузии может быть представлен через разность концентрации (или пропорциональную ей величину — разность парциального дав ления пара). При изотермических условиях

Яи. д К Ф = Я п

VP,

(2.4.8)

где Dn — коэффициент диффузии пара; ц п — молекулярная масса. Плотность эффузионного переноса пара, имеющего место в мик

рокапиллярах, будет [30]

•

< . Э ф = - 1 . 0 6 4 } / ^ в у А

(2.4.9)

где s — коэффициент молекулярного течения пара.

4 5

Общий поток пара

fa	(2.4.10)
RT

Поскольку парциальное давление пара ра в пределах гигроско пической влаги (при U<Un.v) является функцией влагосодержания и температуры, при изотермических условиях

(2.4.11)

Тогда соотношение (2.4.10) может быть представлено в виде

поставления уравнений (2.4.10) — (2.4.12).
Общий поток влаги в древесине при U<UU.г	слагается из суммы

потоков жидкости и пара и, как следует из соотношений	(2.4.6) и
(2.4.12), может быть записан в виде
д' = —а'ро V U,	(2.4.13)

где а' — суммарный коэффициент диффузии влаги, аналог коэффи циента температуропроводности, названный А. В. Лыковым коэф


фициентом потенциалопроводности,			м2/сек.
Соотношение (2.4.13) можно назвать уравнением							изотермиче
ского переноса влаги в древесине при U<UmT.					Из него следует, что
плотность потока влаги в этом случае пропорциональна								градиенту
влагосодержания, хотя он и не является				истинной		силой		переноса
пара и жидкости.
Соотношение	между количеством		мигрируемого			пара		и жидко
сти вызывает у исследователей различные					толкования.			Вероятно,
по мере снижения влагосодержания			увеличивается			доля		переноса
в виде пара. Это можно		доказать,	анализируя зависимость						а'=
==f (U). А. И. Фоломин		[63] расчленил		коэффициент			а',	получен
ный Людвигом	[46], на коэффициенты,			учитывающие			отдельно		пе
ренос пара и жидкости. Оказалось, что при W = 5%							единственным

является перенос в виде пара, количество которого по мере возра стания W уменьшается.

Существенно отличен от описанного,			как показал П. С. Сергов-
ский	[11, 60], перенос влаги	при U>Un.r.	Действительно,	пусть
влага	по сечению образца	распределена	неравномерно, но	везде

выше предела гигроскопичности. Условия изотермические. Рассмот рим две ближайшие к поверхности клетки древесины. Полости кле ток являются макрокапиллярами, поэтому находящаяся в них вода является свободной, давление насыщенного пара над которой не от

личается от давления над открытой водной поверхностью (Др п					= 0).
Иными словами уравнение q'=—^V0				здесь неприменимо,	так
как	при U>Un.r	величина	ра перестает	зависеть от U, в то время
как	потенциал	переноса в	должен являться функцией U и Т.		При

4 6

V>Un.v клеточные оболочки максимально заполнены влагой. И хотя капиллярная система в стенках клеток чрезвычайно сложна, при максимальном заполнении стенок и статистическом подходе эквивалентный капилляр в стенках клеток должен быть цилиндри ческим. Это равносильно тому, что V-ф = 0.

Отсутствие градиентов /?п и гр приводит, таким образом, к тому, что при и>И-а. г в изотермических условиях перемещение влаги внутри древесины не может происходить ни в жидком,, ни в паро образном виде, так как наличие градиентов капиллярного натяже ния между менисками выходящих в паровоздушную среду микро капилляров р к . ми и менисками в макрокапиллярах рк. М а (рис. 2.4.2) при максимальном заполнении капилляров в стенках и, следова тельно, ф = 1 реализовано быть не может.

Отсутствие			переноса		влаги
при и>ип.т			было	доказано
П. С. Серговским [11] прямыми
экспериментами.			В одной серии				-
экспериментов		в	тесный		контакт
приводились два			образца		древе
сины с разным влагосодержанием, Рк
превышающим		предел		гигроско
пичности, в другой серии в такой
же контакт приводились				сырые		И	Р и с	2 .4.2. Схема движения влагивдре-
воздушносухие образцы. В первом								весине при		U>Un.r
случае	(рис.	2.4.3, а)			влагосо				(рис. 2.4.3, б)		подсу
держание образцов не изменялось, во втором
шенные	образцы		увлажнились			лишь		до U = UmT		(W = Wn.г). От
сюда видно, что градиент					U	пропорционален			движущим		силам
переноса лишь при U<Un.r.					Это же видно из анализа эксперимен

тального потенциала переноса влаги. В соответствии с (2.2.2) вла госодержание U связано с экспериментальным потенциалом пере носа в выражением

dU=CedQ.

(2.4.14)

При постоянной величине экспериментальной удельной влагоемко сти С'& и температуре t интегрирование уравнения (2.4.14) дает

и=Ь + С'ъЪ,

(2.4.15)

из которого следует, что в этом случае потенциал переноса в явля ется линейной функцией влагосодержания, т. е. градиент U пропор ционален потенциалу переноса. Последнее можно подтвердить сле дующим образом. Экспериментальный потенциал определяется, как известно, сравнением с потенциалом эталонного тела — фильт ровальной бумагой, максимальное гигроскопическое влагосодержа ние которой принимается за 100 единиц потенциала, °М (массооб-

4 7

6 S 4 3	2 1 0	1 2 3	4 S 6
	Толщин	а, мм

6 5 4 3 Z 1	0 1 Z 3 i 4 S 6
Толщина,	мм

Рис. 2.4.3. Результаты экспериментов по выдержке образцов в контакте при различном влагосодержании [П]

менный градус). Следовательно, потенциал исследуемого тела

Удобство использования фильтровальной бумаги в качестве эталона состоит в том, что относительное равновесное влагосодер-

0,2

ол

0,6

0,8

1,0 Up/1/n.r

		-
	о-22 "С
	х- чо	-
	л-60
Tod	a-so
п от

80 в, °м

Рис. 2.4.4. К определению эксперимен тального потенциала переноса 0:


а — зависимость			относительного			равновес
ного влагосодержания				O^IUar		фильтро
вальной	бумаги		и ее	потенциала			влаго-
переноса	в	от влажности воздуха;					б — за
висимость		влагосодержания			древесины от
потенциала		влагопереноса			при	различных
	температурах				(U<Unr)

жание (отношение фактического Up к Un,T, э т ) мало зависит от тем пературы, что видно из рис. 2.4.4, а [5]. Это означает, что потенциал в в гигроскопической области зависит только от относительной влаж ности среды <р. Этот потенциал в зависимости от ср, построенный

по данным — — = = f (ср), представлен на том же рисунке.

U и. г

4 Заказ № 487

4 9

Анализ показывает [73], что при определенных значениях tc и <р величина Up не зависит от того, достигалось ли равновесие одним телом или тело находилось в контакте с другим телом. Отсюда вы текает, что область гигроскопического состояния любого тела имеет потенциал в пределах 0—100°М, определяемый по величине влаж ности воздуха, с которым тело находилось в равновесии.

На основании рис. 2.4.4, а и диаграммы			Up	для древесины		нами
построены графики	зависимости	{/ = / ( 0 )	(рис. 2.4.4, б),		из	кото
рых видно, что эта	зависимость	практически		линейна, т.	е.	С'в ==

= const.

Отсюда вытекает возможность использования градиента влаго

содержания как фактора переноса влаги при	U<Un,T.
При U>UN.T использование связи U = f(@)	невозможно, ибо,

имея неодинаковое влагосодержание при одном и том же потен циале, разные участки древесины имеют различную удельную вла-

гоемкость. Наиболее наглядно это	проявляется в отсутствии пере
носа между ядром и заболонью, имеющими существенно		различ
ное U [12, 42].
Итак, перенос влаги при U>Ua.r	отсутствует даже при	перепаде

влагосодержания по всему сечению. Но если по соседству будут на


ходиться клетки древесины, одна из которых имеет свободную								влагу
(и>ил.г),	а у другой U<Un,r		(пусть даже			на чрезвычайно		малую
величину), влага будет мигрировать по всей толщине [11, 23]. Та
кая ситуация возникает в реальных условиях, когда							поверхностные
клетки сырой древесины вследствие				испарения (влагообмена				с	ок
ружающей средой, имеющей <р<1) быстро						обезвоживаются. Дей
ствительно,	в клетке,	в которой		U<Un,T,		капилляры в стенках
имеют не цилиндрическую, а коническую форму, что создает								гради
енты капиллярных натяжений и упругости водяного пара.
При этом через микрокапилляры,' не имеющие							непосредствен
ного контакта со свободной влагой, перенос						последней осуществля
ется по схеме, рассмотренной выше (при £ / < £ / п . г ) .
Для переноса влаги в микрокапиллярах, контактирующих с од
ной стороны со свободной жидкостью					(см. рис. 2.4.2), теоретически
достаточно	снижения	влагосодержания			хотя	бы до уровня U =			Ua.T
(не ниже), что уже создает			градиент капиллярного				натяжения.

Если влагосодержание древесины ниже максимально возмож^-

ного (т. е. полости клеток заполнены		не только водой, но и паром),
описанная обстановка	на поверхности		приводит	к перемещению
влаги по всей толщине	материала.	До	тех пор,	пока образовав
шийся на поверхности незначительный градиент				гигроскопической
влаги будет достаточен для того, чтобы подавать				к этой поверхно
сти влагу в количестве,	которое среда в состоянии			поглотить, испа-

• рение будет происходить с наружного слоя. Однако по мере обезво живания наружной зоны и вследствие большего сопротивления, ко торое нужно преодолевать влаге, размещаемой в глубинных слоях, при ее перемещении к поверхности, зона испарения свободной влаги будет углубляться. По толщине сортимента образуются две зоны

5 0

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 255 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