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

Выражения (3.3.11) и (3.3.13) являются исходными при опреде­ лении коэффициента теплоотдачи на любом этапе сушки для мате­ риала любой толщины и при наличии соответствующих эксперимен­ тальных данных могут служить основанием для получения зависи­ мости a = f (W).

В процессе сушки изменяются температура поверхности /п ,

dW

Снижение скорости сушки —— должно вести к снижению козф- dx

Рис. 3.3.6. Зависимость коэффициента теплообмена от влагосодержания мате­ риала

фициента теплообмена. Однако одновременно с этим увеличивается температура ta, что повышает величину а. Темп прогрева и, следо­ вательно, затраты на прогрев материала при сушке в зависимости от разных условий могут быть различными.

В связи с таким характером изменения переменных факторов мо­

теплообмена снижается после удаления свободной влаги либо оста­ ется почти неизменным, поэтому для практических расчетов можно принимать коэффициент теплообмена при сушке постоянным.

3.4. НОМОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ • ТЕПЛООБМЕНА ПРИ СУШКЕ ДРЕВЕСИНЫ

Из уравнения (3.4.1) видно, что коэффициент теплообмена в ос­ новном зависит от скорости движения v газа (агента сушки),

характерного размера / и от температуры среды, определяющей значение ее физических параметров Я и v. Если усреднить эти фи­ зические параметры, т. е. взять какой-то интервал температуры среды, можно рассчитать средние значения коэффициента тепло­ обмена а в зависимости от двух основных факторов: скорости цир­

на рис. 3.4.3 построена номограмма для определения коэффициен­

из характера изменения физических параметров воздуха с измене­ нием температуры (возрастание кинематической вязкости v опере­ жает увеличение коэффициента теплопроводности среды К). Физи­ чески это свидетельствует о большем удельном значении количества

82

итемпературы среды (по уравнению Nu=0,072 Re°> )

/вт

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О

Рис 3 4 3. Номограмма коэффициентов теплообмена при пониженных поло­ жительных температурах среды (до tc = 50°C) и высоких скоростях цирку­ ляции (о=8-5-13 ж/сек) (по уравнению Nu=0,228 Re°.6 8 5 )

6*

температура среды tc, изменение которой неизмеримо больше опре­ деляет величину т, чем изменение коэффициента а при изменении температуры.

Уменьшение интегральных значений коэффициента теплоотдачи при увеличении характерного размера тела, получающееся из урав­ нений (3.3.2) и (3.4.1), связано с уменьшением локальных (мест­ ных) значений этого коэффициента вследствие нарастания тол­ щины пограничного слоя (чем толще пограничный слой, тем меньше величина а). Поэтому коэффициент теплоотдачи короткого (вдоль движения воздуха) образца больше, чем длинного. Однако с уве­ личением длины это влияние нивелируется.

3.5. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАГООБМЕНА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

Сушка завершается удалением влаги с поверхности материала в окружающую среду. Интенсивность такого процесса может быть определена по уравнениям:

определения коэффициента влагообмена. Наибольшее практическое

бодной водной поверхности. При этом им была использована опре­ деленная связь между температурой поверхности и ее влагосодержанием, которая, как показано в работе [11], оказалась недоста­ точно обоснованной, что повлияло на полученные результаты.

В работе Н. Н. Гей [111] обработка результатов экспериментов по влагообмену велась с использованием данных по сухому тепло-

84

обмену, не характерному для процессов сушки. Поэтому получен­ ные данные не могут считаться достоверными. К тому же обобщен­ ных данных по влагообмену со средой автор не получил.

П. С. Серговский [11] определял значения а.' по соотношению (3.5.1) и величины a'v. При этом значения q' получались экспе­ риментально по разработанной им методике из опытов по сушке тонких, выдержанных в эксикаторе образцов древесины для на­ чального этапа процесса, когда известно начальное влагосодержа­

зали резкое уменьшение коэффициента испарения а'р при снижении

полученному из выражений (3.5.1) и (3.5.3). Эксперименты дока­ зали, что коэффициент влагообмена существенно зависит от темпе­ ратуры и скорости циркуляции среды, поверхностного влагосодер­

т^)-

что требует знания поверхностного влагосодержания. На большин­ стве кривых

au=f

имеются точки перегиба, значения a'v при одной и той же темпера­

Используя видоизмененное уравнение (3.5.1), предложили опре­ делять-коэффициент влагообмена {м/ч или см/сек) Ф. Кольман и Шнейдер [118]. Неудобство записанного ими критериального урав­ нения, исходящего из частного случая, — соблюдения аналогии между процессами теплообмена и массообмена, состоит в необходи­ мости располагать данными о парциальном давлении пара над

8 5

поверхностью материала в процессе высыхания, что трудно осу­ ществить с достаточной точностью.

нове уравнения для продолжительности сушки, которое записыва­

Рис. 3.5.1. Диаграммы коэффициентов влагообмена древесины:

обмена при других скоростях движения воздуха требуется опреде­

86

В периоде постоянной скорости сушки, который характерен для наиболее тонких образцов влажного материала, коэффициент влагообмена а'и может быть легко определен на базе уравнения

(3.5.3), учитывая, что в этом периоде поверхностное влагосодержание равно пределу гигроскопичности. Отсюда вытекает, что в пери­ оде постоянной скорости сушки коэффициент влагообмена a'v яв­ ляется величиной постоянной.

Из (3.5.3) следует

При этом интенсивность удаления влаги q' может быть одно­ значно выражена через теплообмен со средой (см. § 3.3 и 3.4).

Балансовое уравнение для теплообмена в периоде, когда отсут­ ствуют затраты на прогрев древесины (случай, полностью соответ­ ствующий периоду постоянной скорости сушки), имеет вид

температура среды и предела охлаждения, которой равна темпера­

тов влагообмена могут быть использованы опыты по определению

ванный на обработке кривых скорости сушки образцов, имеющих

87

одинаковую характеристику, но разную толщину, подвергаемых сушке в одинаковых режимных условиях [29]. Этот метод был ис­ пользован автором для определения коэффициентов влагопроводности (см. гл. 2) и одновременно коэффициентов влагообмена.

Как показано выше (§ 2.5), решение дифференциального урав­ нения влагопроводности приводит к записи

< 3 - 5 Л 0 >

дх

которая позволяет определить коэффициент влагообмена по от­ резку, отсекаемому на оси ординат, если на ней откладывать вели­ чину

дх

я по оси абсцисс — характерный размер R. Таким образом, можно получить локальные коэффициенты влагообмена при данном влагосодержании сс'^и средние для всего периода падающей скорости

а', характерного для сушки пиломатериалов.

По этой методике проведены обширные эксперименты для опре­

взвешивания. В большинстве экспериментов одновременно с фик­ сацией убыли влаги во времени строились температурные кривые древесины в разных ее точках по сечению.

При обработке экспериментальных данных для более точного определения В (3.5.10) равновесное влагосодержание Uv принима­ лось с учетом гистерезиса сорбции, что особенно существенно при

дО

низких температурах среды. Значения —^- при данном влагосодер-

жании корректировались по кривым скорости сушки, которые строи­ лись для каждого опыта.

Известно, что температура древесины зависит от величины ее влагосодержания. Выполненные опыты (см. гл. 4) показывают, что при и<ип.т температура древесины быстро стремится к темпера-

88

туре среды. При Ua>Un.v температура древесины первоначально отстает от tc, но при влагосодержании, равном примерно 0,25 и ниже, приближается к этой величине. Поэтому полученные в ра­ боте коэффициенты влагообмена и влагопроводности с достаточной точностью могут быть отнесены к температуре древесины.

Пример обработки экспериментальных данных был приведен выше, при обсуждении результатов исследования влагопроводности (см. рис. 2.5.2). Графики зависимости B = f ( R ) из этого рисунка позволяют определить также коэффициенты влагообмена, которые

=11 • 10~5 см/сек.

3.6.ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА КОЭФФИЦИЕНТ ВЛАГООБМЕНА ДРЕВЕСИНЫ СО СРЕДОЙ И НОМОГРАММА СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИИ ЭТОГО КОЭФФИЦИЕНТА

Основными факторами, влияющими на величину коэффициента влагообмена а', являются температура среды (и, следовательно,, древесины), скорость ее движения v, относительная влажность ср. Кроме того, на коэффициент влагообмена могут влиять порода дре­

подобраны специально), средний коэффициент влагообмена в обоих случаях одинаков и составляет 11 • 10~5 см/сек. Этот вывод о неза­ висимости коэффициента влагообмена от породы совпадает с дан­ ными А. К. Пухова [119].

Практический интерес представляет вопрос о влиянии влагосо­ держании древесины на коэффициент влагообмена а'. И. М. Фе­ доров получил увеличение коэффициента a'v по мере снижения вла­ госодержания. А. К. Пухов [120] этот вопрос не исследовал. У П. С. Серговского получилось [21], что по мере снижения влаго­ содержания поверхности Un при малых температурах среды вели­ чина а' снижается, а при более высоких температурах сначала уве­

снижается.

п. г

Из приводившегося выше рис. 2.5.2 видно, что коэффициент вла­ гообмена а ' снижается по мере уменьшения влагосодержания. Так,.

в диапазоне влагосодержания AU = 0,3-^0,2 (береза) величина a'v

снизилась с 14 до 9,3- 10~5 см/сек, а в опыте на ели — с 14,5 до 9,8-10~5 см/сек. Аналогичная картина наблюдается в большинстве проведенных экспериментов.

89

Между характером изменения величины -JY~~ и среднего по се-

чению влагосодержания безусловно имеется связь. При одних и

Ь'п. Г,

снижению величины U.

Нарастание величины а по мере снижения — имело место

Uв.. г

в опытах [21] при высоких значениях степени насыщения поверх­

ности. Величине ^ д - <0,6 — 0,7 при £/п . г = 0,3 соответствует по-

Uu. г

верхностное влагосодержание 0,18—0,21. Эксперименты показы­ вают, что к моменту достижения древесиной среднего влагосодер­ жания U = 0,25-i-0,3 и ниже влагосодержание на поверхности всегда ниже 0,18—0,20. Учитывая это, можно констатировать, что характер отмечаемой в наших опытах зависимости a/u = f (U) соответствует

полученной П. С. Серговским зависимости a' = f( ^ п \ . Наибо-

лее полно это подтверждается результатами опыта, приведенными

мальную точку. Вместе с тем в некоторых опытах коэффициент влагообмена остается постоянным в процессе высыхания или даже увеличивается.

Наиболее часто отмечаемый характер изменения a'u = f {U) со­ гласуется с видом кривых скорости сушки, которые при низкотемпе­ ратурной сушке пиломатериалов имеют выпуклость к оси абсцисс (влагосодержание) — с м . рис. 4.2.2, что характерно для уменьшаю­ щегося в процессе высыхания коэффициента влагообмена.

Наибольшее влияние на коэффициент влагообмена оказывают температура, скорость циркуляции и относительная влажность среды. На рис. 3.6.1 приведены некоторые результаты экспери­ ментального исследования влияния этих факторов. Из рисунка видно, что относительная влажность среды влияет на коэффициент влагообмена, особенно существенно при высокой температуре. Так,

о = 2 м/сек-— в 2 раза, при ^С = 25°С и v = 10 м/сек-— в 1,2 раза. Как и в опытах А. К- Пухова [119], наибольшие значения а' имеют ме­ сто в среднем диапазоне ф.

90