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 67 / 257 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

менны и в ряде случаев позволяют комплексно определить основные теплофизические характеристики.

Исследованием тепловых свойств древесины занимались многие авторы [83, 85—90 и др.]. К сожалению, результаты, полученные в этих работах, существенно различны. В учебной и справочной ли тературе по древесиноведению и гидротермической обработке дре весины [21, 22, 91, 91а] распространены данные, полученные в МЛТИ К- Р. Кантером [83, 84] и обработанные в виде диаграмм коэффи циентов X и а для древесины сосны (рис. 2.6.1, а), березы и дуба

Температура t,°c

Рис.

2.6.1. Диаграммы

коэффициентов [83]:

а — теплопроводности древесины сосны,

р у с л = 3 6 0

Ki/м3, тангентальный ток; б — удельной

теплоемкости

древесины

определенной

плотности

диаграммы

коэффициента

(рис.

2.6.1,

б). Результаты,

полученные в

работе

[83], дополни

тельно обработаны

П. С. Серговским

[21], предложившим

опреде

лять коэффициент К по выражению

^=КомК?Кх,

(2.6.2)

где

Яном —

значение

X для

сосны

(см. рис. 2.6.1, а) при

р У с Л

= 360 кг/м3

и тангентальном токе тепла; р у с

— поправка на факти

ческую условную

плотность,

определяемая

из условий:

Р у с л .

. 0 , 3 4

0,36

0,38

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

Кр .

• 0,98

1,00

1,02

1,05

1,12

1,22

1,36

1,56

1,86

Кх — поправка на направление теплового потока, равная 1,15 при радиальном токе, 1,07 — при смешанной распиловке, 1,6 — при про дольном потоке в кольцесосудистых лиственных породах и 2,2 — для остальных пород.

Величину коэффициента температуропроводности рекомендуется определять по величинам X и С в соответствии с выражением (2.6.1).

Большой вклад в изучение теплофизических свойств древесины внес Б. С. Чудинов [88—90]. Им проанализированы основные ра боты в этом направлении и сделан ряд важных обобщений, в част ности по поводу влияния направления теплового потока на тепло


проводность	с учетом	анатомических			особенностей		древесины,
влияния плотности и влажности на коэффициент						температуропро
водности и др. В качестве расчетных				при положительной темпера
туре с учетом	отмеченных тенденций			им рекомендуются: по тепло
емкости — данные Н. М. Кириллова				[93], которые		практически со
впадают с данными работы			[84], по		теплопроводности—• данные
К. Р. Кантера	[84].	Для	области	отрицательной			температуры

Б. С. Чудинов предложил подразделить теплокоэффициенты на ис тинные (С, X, а), т. е. обычные, и эффективные ( С э и аэ). Послед ние учитывают теплоту фазового перехода при оттаивании и замо раживании. (На коэффициент теплопроводности X, не связанный с учетом расходов тепла на изменение агрегатного состояния, по нятие «эффективный коэффициент» не распространяется.) Для каж дой из этих групп коэффициентов Б. С. Чудиновым с учетом совре менных представлений о процессе замораживания влаги в древе


сине приводятся		соответствующие графики	[90].	Представляет
интерес	предложенный им способ усреднения тепловых коэффици
ентов в	определенном интервале температуры		(рис. 2.6.2), исполь
зование которых		упрощает расчеты, особенно при ^ < 0 ° С .
В МЛТИ Э. Б. Щедриной под руководством			автора	исследованы

тепловые свойства древесины первоначально при ^>100°С, а за

тем и во всем диапазоне положительной температуры								[25, 80, 95].
Исследование	проведено		на	древесине	сосны,		березы	и ели при
^ = 25; 55; 85;	100; 115;		125	и 140° С нестационарным,				сравнитель
ным методом	с мгновенным			источником		тепла, разработанным
М. В. Кулаковым		[94]. Этот		метод для влажных			материалов			явля
ется наиболее предпочтительным. Как и в работе							[83], спай			термо
пары помещался на стыке между образцом древесины и										этало
ном.
Теория метода основана на решении задачи нагревания									системы
тел, находящихся		в контакте		(граничные		условия	четвертого			рода)
с мгновенным плоским источником тепла						[94]. При одномерном по
токе тепла задача для каждого из тел					(образец		и эталон)		форму
лируется уравнениями:
		- ^ - = t f i , 2 - g ^ r + < 7 o ;								(2.6.3)

начальные условия t\,г(т = 0) =tf0 = const.

Здесь индексы 1 и 2 относятся соответственно к исследуемому телу и эталону; qo— источник тепла.

Рис. 2.6.2. Примеры графиков коэффициентов интегральной теплопроводности	Х0	поперек волокон	( р у С л = 5 1 5 кг/ж3 ) и
эффективной теплоемкости Сэ .с и температуропроводности аэ .с	(в	размерности работы	[90])

Преобразование системы уравнений [94] приводит к выраже ниям для определения коэффициентов:

		« 1 =	Й Д Р = = ^ — ;			'		(2-6.4)
		V F А ^макс У * е т м а к с		у	а2 (	э т )	J
Здесь	б — толщина	образца	древесины;		т м а К с — время			достижения
максимальной температуры			в данной	точке при мгновенном вклю
чении	источника;	Аммане — максимальный					прирост	температуры
в точке; Q — количество тепла, выделяемое							источником.
Из	(2.6.4) и (2.6.5) видно, что коэффициент температуропровод
ности	древесины получается		абсолютным			методом, а теплопровод

ности— сравнительным, для чего требуется знание теплокоэффициентов эталона. Последние в свою очередь определяются по выра жениям

х 2 ( э т ) = — 7 = = ^			(2.6.6)
	2 У 2яе F Д^ак^макс
и	х2
		.	(2.6.7)
й 2 ( э т ) = - 9 ^
	^ гмакс
где х — расстояние, фиксирующее место установки			рабочего	спая
термопары в эталоне.
Для исследования была создана специальная установка с повы
шенной чувствительностью	термоизмерительной системы, а в каче
стве эталона использован	негигроскопичный термостойкий			мате
риал — фторопласт Ф-4, тепловые свойства которого			были исследо
ваны на той же устанговке и оказались		близкими к свойствам		дре

весины. Коэффициенты теплопроводности и температуропроводности определялись одновременно из одного опыта, величина удельной теплоемкости подсчитывалась по (2.6.1).

Исследование позволило установить ряд новых закономерностей изменения теплофизических свойств древесины и уточнить имею щиеся данные. Так, показано, что коэффициенты температуропро водности и в меньшей степени теплопроводности абсолютно сухой древесины уменьшаются с увеличением температуры (рис. 2.6.3). Эта закономерность изменения, свойственная кристаллическим структурам [86], ранее при исследовании древесины не отмечалась и может быть объяснена наличием упорядоченных областей в цел


люлозе— основном компоненте древесинного	вещества [ 1 , 3].
При наличии влаги в древесине сохраняется		линейный характер
зависимости K = f (t), хотя направление влияния температуры			измет
няется. Это иллюстрируется графиками % = f(t,		W) для ели и бе
резы, приведенными на рис. 2.6.4. В области		температуры	выше
100° С диаграммы ограничены значениями	коэффициентов		тепло

проводности древесины при атмосферном давлении, т. е. для паро-

воздушной среды и перегретого пара ( Р ^ 1 бар), что чаще всего и требуется. Максимальное влагосодержание, которое при р = 1 бар и ^>100°С может иметь древесина,— равновесное влагосодержание

Рис. 2.6.3. Зависимость теплопроводности и температуропроводности сухой древесины от температуры поперек волокон [95]:

1 — береза, р=610 кг/м3; 2 —сосна, р=400 кг/м3, ^ т а н ,	я т а н ;	3 —сосна,	р=400	кг/м3,	Л т а н ;
4 — едь, р=420 кг/м3, Я т а н , а т а н ; 5 — ель, р=420 кг/м3,	Я р а д ;	6 — осина,	р=386	кг/м3,	а т а н

в перегретом паре. Это и учитывалось при построении кривых на рис. 2.6.4 для области ^>100°С, где значения К для W = 0 взяты из непосредственных экспериментов.

5 Заказ № 487

6 5


Как видно из		рис. 2.6.5 (береза,	р у с л = 5 0 0		кг/м3),		зависимость
% = f (W)	является возрастающей. Более сложной оказывается зави
симость	a = f(W).	При W<Wn.г	коэффициент			температуропро
водности а вначале падает, затем увеличивается,						достигая экстре
мального	значения при W = Wn. г - Примерно			такая		же	зависимость
(за исключением		начального участка при		W = 0)		была получена'
Б. С. Чудиновым		[90] при расчете	значений		а	по	выражению
(2.6.1) и	объяснена им влиянием		усушки	древесины			на подсчет

Влагосодержание W,

Рис. 2.6.5. Зависимость теплопроводности и температуропроводности древесины от влагосодержания [95]


величин плотности древесины р, подставляемых в выражение							(2.6.1).
Установлено также, что	соотношение		между значениями				К и а
в различных структурных	направлениях		зависит		от особенностей
макростроения древесины различных пород (объем					сердцевинных
лучей, плотность поздней зоны в годичном слое)				и составляет: для
березы Ят а н = Ярад и аТан = а Р ад;		для сосны Ярад^^тан И				#рад <ОтаН)
ДЛЯ еЛИ Арад>Ат а н и а р а д > а Т а н		(в обоих	случаях	различие			не пре
вышает 6 — 8 % ) . Эти результаты в значительной				мере		согласуются
с соображениями Б. С. Чудинова		[90].
Исследование показало, что с точностью до 5%					влияние		породы
древесины на теплопроводность		и температуропроводность					может

быть сведено к влиянию ее условной плотности руслПри этом с по

вышением русл значения К увеличиваются,			а значения а уменьша
ются.	Влияние поправочного	коэффициента на плотность		/Ср =
= f(Pycn) при определении коэффициента			теплопроводности	(Кр
взято	равным единице при р у	с л = 500 кг/м3)	получается линейным

(рис. 2.6.6), но несколько отличается от данных [96], полученных при комнатной температуре и принятых в работе [90].

Удельная теплоемкость С определялась по известным величинам К и а. Как и в большинстве других рабрт, получено, что теплоем кость древесины не зависит от по роды и ее плотности Результаты

MP х ,

Рис. 2.6.6.	Влияние плотности древесины	Влагосодержание ы %
на	ее теплопроводность:	Рис. 2.6.7. Диаграмма коэффициентов
/ — по [21];	2 — по [90]; 3 — новые данные	Рис. 2.6.7. Диаграмма коэффициентов
/ — по [21];	2 — по [90]; 3 — новые данные	теплоемкости древесины [95]
	МЛТИ [95]	теплоемкости древесины [95]

расчетов по экспериментальным данным могут быть аппроксимиро ваны эмпирическим выражением

С= 1,173 [ ^ ( l +	T T j o ) 0 ' 2 2 2 - ^ ' ]	кдж\кг • град	(2.6.8)
и представлены на рис. 2.6.7.
Полученные в области	положительной	температуры	значения

коэффициентов теплопроводности для березы совпадают с данными К. Р. Кантера [83, 84], а для сосны несколько выше (примерно на 10—15%)- Расчеты нагревания древесины и их сравнение с тща тельно поставленными экспериментами показали, что новые дан ные [95] являются более точными.

Глава 3

ВНЕШНИЙ ТЕПЛО- И ВЛАГООБМЕН В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

Тепло- и влагообмен между высушиваемым материалом и сре дой является одним из определяющих факторов процесса. Количе ственные характеристики этих явлений — коэффициенты теплооб мена и влагообмена необходимы для анализа и расчета процесса. Они входят в формулы для расчета продолжительности сушки, в уравнения теплового баланса и баланса влаги, необходимы для

характеристики объекта сушки при автоматическом	регулировании
и т. д.
5*	67

3.1.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВНЕШНЕГО ТЕПЛО-

ИМАССОПЕРЕНОСА

Теория теплопередачи располагает большой информацией о теп лообмене тел со средой.-Однако применительно к процессам сушки, когда, как будет показано ниже, теплообмен существенно отлича ется от сухого теплообмена, имеющиеся данные немногочисленны. Лишь в последние годы получены показатели теплообмена при сушке древесины.

Коэффициенты теплообмена могут быть получены: непосредст венно из одиночных опытов; из критериальных уравнений; анали тическим путем с использованием теории пограничного слоя.

Рассмотрим процесс сушки на границе тела в виде пластины,

омываемой	вынужденным	потоком паровоздушной	(бинарной)
смеси. Пусть среда характеризуется параметрами: температурой				tc,
скоростью	вдоль пластины	v, парциальным давлением	пара	Р п ,

а поверхность пластины соответственно ^п и Рп . п- Известно, что изменение параметров среды вблизи поверхности

тела происходит в некотором слое, называемом пограничным. При сушке одновременно возникают гидродинамический (скоростной), температурный и диффузионный пограничные слои, толщина кото рых в общем случае неодинакова и, кроме того, изменяется вдоль пластины.

Для последующего изложения выпишем основные безразмерные числа (критерии), характерные для внешнего тепломассообмена при вынужденном движении газа. Тепловой и диффузионный кри

терий	Нуссельта,	характеризующие					соответственно	соотношение
между	интенсивностью		теплообмена			(теплоотдачи) и		теплопровод
ности	в пограничном		слое	и	между	интенсивностью		массообмена
и массопроводности в этом				же	слое,
				N u = - £ - /			"	(3.1.1)
				N u ' = ^ - / ,				(3.1.2)
где а — коэффициент теплообмена; а' — коэффициент								массообмена;
Я — коэффициент		теплопроводности				в	пограничном	слое; а'	— ко
эффициент массопроводности;					/ — характерный размер тела				для

внешних процессов (например, длина в направлении движения газа). Критерий Рейнольдса Re, являющийся критерием гидромехани ческого подобия, характеризующий соотношение сил инерции и сил

вязкости	(трение),
	R e = - ^ - .	(3.1.3)
Здесь	v — скорость потока газа;	v — кинематическая вязкость
среды.

Критерий Прандтля тешгообменный Рг и массообменный Рг' (этот критерий в литературе иногда называют критерием Шмидта Sc)

v	(3.1.4)
Рг = —	(3.1.4)
Р г ' = - £ .	(ЗЛ.5)

Критерии Рг и Рг' — постоянные для данного газа — являются физическими параметрами, характеризующими относительную инерционность полей температуры (Рг) и массосодержания (Рг') по отношению к полю скоростей.

Критерий Гухмана

Q u = ' с ~ ' м	(3.1.6)
1 с

характеризует, как об этом писалось выше, испарительную способ ность среды.


Режим движения в динамическом			пограничном слое				зависит
от скорости, рода	газа (смеси)	и расстояния		от	передней		кромки
пластины. При некоторых значениях			критерия	Рейнольдса			Re (см.
стр. 78), равных	критическим ReK p,		ламинарный		слой	переходит
в турбулентный с образованием ламинарного подслоя						[97]. В		про
цессах сушки могут иметь место оба режима движения.
Для расчета	гидродинамики,	теплообмена		и диффузии				могут
быть привлечены	дифференциальные		уравнения		соответствующих

пограничных слоев, получающиеся путем упрощения уравнений пе реноса (количества движения, энергии и диффузии). При одновре менном протекании эти процессы переноса оказываются взаимосвя занными, зависящими друг от друга, вследствие чего строгое реше ние уравнения любого из пограничных слоев должно опираться на решение всей системы уравнений.

При вынужденном движении несжимаемой жидкости (газа) вдоль тела с одновременным теплообменом уравнения неразрывно сти, гидродинамического и температурного пограничного слоев со

ответственно можно записать	[97]:
dvx	\|	d v у	=0;	(3.1.7)
дх	'	ду	=0;	(3.1.7)

dt	,	dt	дЧ	/ Г ) г.ч
" х дх	'	У ду	" ду

Уравнение диффузионного пограничного слоя имеет вид

Граничные условия для переноса тепла и массы при этом будут:

- Ц - | г ) п = < * ( 4 - 0 ;

(3.1.П)

- В Ш п ( г ~ ^ ) = = ^ ^ , п

- ? т . с

) .

(ЗЛ.12)

Здесь х и у — соответственно

продольное

и нормальное

по

отноше

нию к пластине

направления;

vx и vy—

составляющие

скорости

воздушного потока в направлениях х и у;

р 0 т — относительная

кон

центрация пара

( р о т . п — на поверхности,

р 0 т . с — в среде);

v — ки

нематическая

вязкость; р — давление

вдоль пластины

во

внешнем

потоке;

t — температура

в пограничном

слое;

D — коэффициент^

диффузии; а'—коэффициент

массоотдачи.

Влияние массообмена

отображается

граничными

условиями

(3.1.12),

учитывающими

конвективный

поперечный

поток — стефа-

новский поток

(—

) ,

появившийся как следствие

непроницае-

\ 1 — рот /

мости пограничного слоя для инертного

компонента

смеси — воз

духа [98].

Если рассматривать скорость за пределами

пограничного

слоя

постоянной

= const, ~ J ~ = o)>

ч т 0

соответствует обтеканию

пло

ской пластины,

уравнения

(3.1.8)

(3.1.9) оказываются сходными

по структуре, а при равенстве коэффициентов вязкости v и темпера

туропроводности

(|х = а,

рг

— р'у=\)

— одинаковыми

(толщина

пограничных

слоев

одинакова, профили

скоростей

температур

подобны).

Теория пограничного

слоя

[97, 99 и др.] дает

решения

различ

ных частных и общих задач гидродинамического пограничного слоя, в связи с чем при использовании аналогии могут быть в конечном итоге определены значения коэффициентов теплоотдачи. Значи тельно сложнее обстоит дело, если необходимо решить всю систему уравнений (3.1.8—3.1.10) при условиях (3.1.11) и (3.1.12). Упро щенная система уравнений при допущении, что поперечная скорость

vn изменяется вдоль поверхности обратно	пропорционально Ух,
была решена Э. Эккертом и Д. Гартнетом	[100].

Записанная выше система уравнений соответствует ламинар ному пограничному слою. Хотя при переходе к турбулентному тече нию уравнения формально остаются такими же, но их решение со пряжено с дополнительными трудностями, так как коэффициенты вязкости, теплопроводности и диффузии должны быть заменены со ответствующими коэффициентами турбулентного режима, завися щими не только* от физических параметров, но и от гидродинамики. Рациональной теории турбулентного течения еще не существует. Поэтому строго аналитического решения даже одного динамиче ского поля при турбулентном режиме пока нет. В этом случае (как

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 257 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