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

[64, 74]. Первые два обстоятельства носят временный для сушки дре­

ложняется. Повышение температуры вызывает уменьшение капил­ лярного потенциала V-ф и повышение парциального давления р в . Это в свою очередь вызывает поток жидкой и парообразной влаги по направлению теплового потока, в обычных конвективных усло­ виях не совпадающего с требуемым направлением переноса влаги,

где a'm т и а'п т — соответственно коэффициенты капиллярной тер­ модиффузии жидкости и пара. Суммарный поток влаги (жидкости и пара) в неизотермических условиях

поэтому уравнение, характеризующее суммарный перенос пара и жидкости, будет иметь вид

2.5. ДИАГРАММЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЛАГОПРОВОДНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ

Коэффициент влагопроводности является основным показате­ лем, характеризующим интенсивность переноса влаги внутри древе­ сины. Он входит в расчетные уравнения процесса. Определением этого коэффициента занимались многие ученые [9, 40, 41, 46, 47, 48, 51, 52, 61 и др.]. Наиболее обстоятельное экспериментальное иссле­ дование выполнено П. С. Серговским [11, 61], а впоследствии его учениками [75, 76].

Коэффициент влагопроводности древесины может быть опреде­ лен по одному из следующих методов: стационарного тока; неста­ ционарного тока; опытных сушек. Первые два метода, названия ко­ торых связаны с характером процесса переноса влаги в испытуемых образцах, включают анализ послойного влагосодержания в различ­ ные моменты времени. В большинстве цитированных работ исполь­ зовались именно эти методы.

Метод опытных сушек основан на использовании теоретических уравнений процесса. Штаммом [48] выполнена работа по теоретиче­ скому (расчетному) определению коэффициента влагопроводности древесины сосны. Метод основан на расчете потоков влаги с уче­ том фактических размеров капилляров в древесине. Это чрезвы­ чайно сложный метод, при котором рассчитывать на высокую точ­ ность не приходится.

По данным А. В. Лыкова, в опытах на древесине липы [54] влия­ ния влагосодержания на коэффициент влагопроводности не обнару­ жено. Опыты Мартлея [40] и Эгнера [47] свидетельствуют о резком возрастании коэффициента а' с увеличением влагосодержания. Однако методика проведения этих экспериментов была подвергнута критике [11]. Полученные в [11] данные близки к данным Н. В. Арциховской [52]. Опыты показывают, что в диапазоне влагосодержа­ ния 15—30% отклонение действительных коэффициентов влагопро­

плотнее древесина безотносительно к ее породе, тем ниже влагопро-

(влагопроводность ядра и спелой древесины ниже, чем заболони).

5 2

Р. П. Алпаткиной [75, 76] было проведено дальнейшее исследо­ вание влагопроводности в области положительной температуры на древесине ели, березы, лиственницы и осины. Использовался разра­ ботанный в МЛТИ [78, 75] метод контактного увлажнения образцов (разновидность метода опытных сушек). Результаты экспериментов

том исследований МЛТИ диаграмма средних коэффициентов влаго­

туры. Эксперименты проводились на древесине березы и ели. При­

где UN — влагосодержание на поверхности.

Приближенное решение для периода падающей скорости сушки

54

Из (2.5.11) вытекает, что если отложить по оси ординат вели­ чину

V ~ U ' - B

для одних и тех же значений влагосодержания, но для материала разной толщины, получим прямую, которая отсечет на этой оси от-

50; 70 и 90° С, включавшей также неисследованный до сих пор низ­ котемпературный диапазон (^<20°С) . На рис. 2.5.2 приведен при­ мер обработки экспериментальных данных. Представляло интерес сопоставить новые результаты с упоминавшимися уточненными средними коэффициентами влагопроводности, полученными по дру­

береза 500 кг/м3), для которой получены графики средних значений коэффициентов. Для такого приведения были использованы реко­ мендации работы [11] для ядровой и заболонной древесины, на ос­ новании которых построены графики поправочных коэффициентов на плотность. При этом для ели приняты поправки, средние между получающимися для ядровой (спелодревесной) и заболонной дре­ весины.

На рис. 2.5.3, а приведены итоговые результаты сравнения, из которых видно весьма близкое совпадение данных, полученных по разным методикам. Это относится также к диапазону ^ < 2 0 ° С ,

5 5

в котором ранее на диаграммах производилась лишь экстраполя­ ция. Полученные результаты свидетельствуют о надежности новой

Рис. 2.5.2. Пример обработки экспериментальных данных для получения коэффициента влагопроводности березы (^ С =35°С)

вует о понижении коэффициента а' по мере снижения влагосодер­ жания (рис. 2.5.3, б ) , что близко к соответствующей зависимости, полученной для бука [11], — породы, по структуре близкой к бе­ резе.

Обсуждаемые экспериментальные данные разных авторов по влагопроводности относятся к области положительной темпера­ туры. Вместе с тем известно, что и в зимних условиях при отрица­ тельной температуре древесина теряет влагу. Поэтому актуальным в древесиноведении и в практике сушки (особенно атмосферной) является изучение влагопроводности древесины при температуре ниже нуля.

Такая работа выполнена в МЛТИ [78, 80—82]. При отрицатель­ ной температуре перенос влаги является более сложным, чем при положительной. Здесь, помимо переноса жидкой влаги (связанная

.56

влага, как известно, замерзает не при t = 0, а при более низкой тем­

Из выражения (2.5.12) сле­ дует, что для определения ко­ эффициентов влагопроводности необходимо располагать дан­

ными о пределах гигроскопичности при отрицательной температуре. В связи с отсутствием данных были проведены специальные опыты. Образцы увлажнялись путем длительного контакта с заморожен­ ной сырой фильтровальной бумагой до достижения постоянной массы. Полученные результаты приведены на рис. 2.5.4, а, из ко­ торого следует, что с понижением температуры величина Wn, г сни­ жается.

Обработка результатов опытов показала, что так же, как и при положительной температуре, влагосодержание не является опреде­ ляющим фактором, поэтому в расчетах можно принимать коэффи­ циент а' не зависящим от W.

Основное влияние на величину а' при £ < 0 ° С оказывают темпе­ ратура, условная плотность (порода) древесины, направление по­ тока влаги и местоположение в стволе (рис. 2.5.4,-6).

57

Экспериментальные данные описываются следующими эмпири­ ческими формулами:

плотности дает расхождения, не превышающие 10%) - На этом же рисунке нанесены данные П. С. Серговского [61] и Р. П. Алпаткиной [76], пересчитанные на принятую условную плотность.

58

Рассмотрение обобщенных диаграмм показывает, что при тем­ пературе, близкой к нулю, имеет место резкий скачок влагопровод­ ности, что можно объяснить уменьшением объема влагопроводящих путей при замерзании влаги в древесине. В связи с этим экстрапо-

а'-ю*, смг/сел-

10 20 30 SO 60 70 80 90100

S О -5 -10

Температура t

Рис. 2.5.5. Обобщенная диаграмма средних значений коэффициентов влаго­ проводности древесины поперек волокон при положительной температуре — верхняя часть [61] и [76] и отрицательной температуре — нижняя часть [82]

ляция данных из области положительных температур недопустима. Коэффициенты влагопроводности для ели и сосны при отрицатель­ ной температуре различаются между собой несколько больше, чем при температуре выше нуля; влагопроводность осины, весьма близ­ кая к влагопроводности ели при положительной температуре, ока­ зывается при температуре ниже нуля близкой к влагопроводности березы.

59

2.6. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА ВНУТРИ ДРЕВЕСИНЫ

следних двух видов переноса незначительно).

Перенос тепла внутри древесины, как и внутри любого другого материала, характеризуется коэффициентами: теплопроводности К, под которым понимается количество тепла, проходящее в единицу

рость выравнивания температуры в нестационарном процессе, т. е.

вместе с этими характеристиками. Вследствие фазовой и структур­

фициент температуропроводности а. Величина удельной теплоемко­ сти определяется температурой и влагосодержанием.

Экспериментальное определение тепловых коэффициентов мо­ жет быть осуществлено методами стационарного и нестационарного потоков тепла, которые могут "*быть подразделены на абсолютные и сравнительные. В первом случае тепловые коэффициенты опреде­ ляются непосредственно, во втором — непосредственно и по извест­ ным коэффициентам эталонных тел, находящихся в контакте с ис­ пытуемым телом. Методы стационарного потока тепла длительны, требуют сложной аппаратуры и не дают возможности непосредст­ венно определить коэффициент температуропроводности (он может быть вычислен, если предварительно определить удельную тепло­ емкость) .

Методы нестационарного потока тепла могут быть подразделены на методы регулярного теплового режима, квазистационарного теп­ лового режима (нагревание в среде с линейно изменяющейся тем­ пературой) и чисто нестационарные, основанные на закономерно­ стях начальной стадии процесса. Все эти методы более кратковре-

6 0