Гидротермическая обработка и консервирование древесины. Лабораторный практикум
.pdfФедеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет»
Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Л.Н. Герке
ГИДРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И КОНСЕРВИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
Лабораторный практикум
Допущено УМО по образованию в области лесного Дале в качестве лабораторного прак- тикума для студентов высших учебных заведе- ний, обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста 150400 «Техно- логические машины и оборудование» по специ- альности 150405(170400) «Машины и оборудо- вание лесного комплекса»
Казань
КГТУ
2010
УДК 674.047.3
Сафин, Р.Р.
Гидротермическая обработка и консервирование древеси-
ны: Лабораторный практикум / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Л.Н.
Герке. 2010. - 87 c.
ISBN 978-5-7882-1084-1
Изложен лабораторный практикум к проведению лабора- торных работ и задачи для самостоятельной проверки знаний, а также необходимые при расчетах процессов гидротермической обработки и консервирования древесины таблицы и диаграммы.
Предназначен для студентов, обучающихся по специаль- ностям 250403.65 «Технология деревообработки» и 150405.65
«Машины и оборудование лесного комплекса».
Подготовлен на кафедре «Архитектура и дизайн изделий из древесины».
Печатается по решению методической комиссии института химического и нефтяного машиностроения.
Рецензенты: д-р техн. наук, зав. каф. ХТД В.Н. Башкиров д-р техн. наук, профессор, зав. каф. «Деталей машин» В.А. Лашков
зам. ген. директора ВКНИИЛП, канд. техн. наук А.А. Аксянов
© Казанский государственный
технологический университет, 2010 г.
Введение
Под гидротермической обработкой древесины понимаются процессы воздействия на неё тепла, влажного газа или жидкости с целью изменения ее температуры и влажности или введения веществ, улучшающих её технологические и эксплуатационные характеристики.
Процессы гидротермической обработки базируются на фи- зических явлениях переноса, и в частности на явлениях тепло- и массообмена материала с окружающей средой. По своим осо- бенностям и назначению они разделяются на три группы:
1.Процессы тепловой обработки, связанные с нагреванием древесины и поддержанием её температуры в течение опреде- ленного времени на заданном уровне.
2.Процессы сушки, связанные со снижением влажности древесины.
3.Процессы пропитки, связанные с введением в древесину веществ, изменяющих её свойства.
Предметом данного курса является изучение основ теории
иметодов решения задач по процессам тепловой обработки, сушки и пропитки древесины.
- 3 -
Лабораторная работа 1
Построение экспериментальной кривой нагревания
Цель работы: приобретение навыков расчета процессов нагревания древесины в жидкостях или насыщенном паре.
Описание экспериментальной установки
Нагревание образцов древесины производится в специаль- ных установках, температура воды в которых автоматически поддерживается на заданном уровне. Устройство установок, форма и размеры образцов могут быть различными.
Рассмотрим устройство установок и методику проведения лабораторной работы, принятую в КГТУ.
В лабораторной работе применяются ультратермостаты, обеспечивающие поддержание с высокой точностью в широком диапазоне температуры как положительных, так и отрицатель- ных (совместно с аккумулятором холода) значений.
Ультратермостат имеет следующие технические характе- ристики:
- питание - номинальная потребляемая мощность
- диапазон регулирования мощности нагрева
- диапазон номинальных температур
- точность регулирования температуры - производительность насоса
- емкость бака термостатируемой жидкости - вес нетто
Ультратермостат состоит из двух основных узлов: узла ба- ка термостатируемой жидкости и расположенного над ним узла
- 4 -
нагрева и управления (рис. 1.1). Бак 1 служит в качестве емкости термостатирующей жидкости. Корпус бака 2 имеет форму пря-
Рис. 1.1. Конструкция ультратермостата (а) и зажимного устройства (б):
1 – бак термостатируемой жидкости; 2 – корпус бака; 3 – ос - новная плита; 4 – вороток подъемного устройства; 5 – насос - смеситель; 6 – корпус ; 7 – выключатель нагревателя; 8 – вы- ключатель насоса-смесителя; 9 – контрольная лампа «прибор под напряжением»; 10 – контрольная лампа нагревателя; 11 – ползун регулятора мощности; 12- нагреватель; 13 – контакт - ный термометр; 14 – магнитная головка контактного тер- мометра; 15 – контрольный термометр; 16 – образец; 17 – нижняя пластина зажимного устройства; 18 – верхняя пла- стина зажимного устройства; 19 – датчик температуры ; 20 – зажимная гайка
моугольного параллепипеда, в нижней части которого располо- жен сливной кран. Основная плита 3 является несущей конст-
- 5 -
рукцией для большинства узлов ультратермостата. Прибор обо- рудован подъемным устройством, расположенным в полости бака 1, которое служит для перемещения в нем опытных образ- цов. Глубина погружения устанавливается воротником 4. Над основной плитой 3 расположены нагревательный узел и элек- тродвигатель насоса-смесителя 5, закрытые корпусом 6. На ли- цевой панели корпуса находятся: выключатель нагревателя 7; выключатель насоса-смесителя 8; контрольная лампа «прибор под напряжением» 9; контрольная лампа нагревателя 10; ползун регулятора мощности нагрева 11.
Нагревательный узел состоит из системы разогрева и сис- темы стабилизации температуры, которые выполнены на полу- проводниках. Система разогрева обеспечивает максимальную интенсивность нагрева жидкости в баке 3 нагревателем 12 с мо- мента его включения до времени достижения заданной темпера- туры. После достижения заданной температуры система автома- тически переключается таким образом, что мощность, потреб-
ляемая регулятором, зависит от положения ползуна потенцио- метра 11.
Система стабилизации температуры работает по сигналам контактного термометра 13, представляющего собой обычный ртутно-стеклянный термометр, в капилляр которого введен под- вижный контакт в виде тонкого проводника. Вторым контактом является ртуть термометра. Перемещение подвижного контакта при установке заданной температуры осуществляется поворотом магнитной головки 14. В результате, благодаря магнитному по- лю, происходит поворот винта, посаженного во вращающихся, но закрепленных от продольного перемещения упорах. Подвиж- ный контакт перемещается по гайке, соединенной с винтом. По- ка температура термостатируемой жидкости не достигнет за- данной, ртуть не доходит до подвижного контакта, расположен- ного сверху, и нагреватель остается включенным. При достиже- нии заданной температуры контакты замыкаются, и регулятор
- 6 -
вырабатывает сигнал на отключение нагревателя. Температуру
термостатируемой жидкости показывает контрольный термо- метр 15.
Приводимый от низкооборотного двигателя насос- смеситель обеспечивает выравнивание температуры по всему объему термостатируемой жидкости. Температура древесины измеряется с помощью термоэлементов (термопар). Действие термопар основано на возникновении термоэлектродвижущей силы в контуре, составленном из двух различных металлов (или сплавов) со спаями, нагретыми до разных температур (эффект Пельтье). Величина сигнала для каждой пары металлов зависит только от температуры спаев. Наиболее распространенными яв- ляются термопары: медь-константановые, хромель-копелевые, хромель-алюмелевые. В лабораторной работе используются ши- роко применяемые в технике гидротермической обработки дре- весины хромель-копелевые термопары, устойчиво работающие в окислительной среде и имеющие линейную градуировочную кривую (зависимость меду температурой и развиваемой термо- парой термоэлектродвижущей силой) при температуре до 100 0С. Термопара развивает термоэлектродвижущую силу, про- порциональную разности температур между горячим спаем, по- мещенным в измеряемую среду (в нашем случае древесина), и так называемым холодным спаем. Цепь термопары состоит из двух термоэлектродов и вторичного прибора, включенного в разрыв одного из них.
В лабораторной работе для измерения температуры в каче- стве вторичного прибора используется многоканальный элек- тронный автоматический самопишущий потенциометр типа КСП-4. Потенциометр имеет систему компенсации погрешности от непостоянства температуры холодных спаев термопар, рас- положенных на водных клеммах прибора. Запись измеряемых температур производится на диаграммную ленту циклично от- печатываемыми точками и стоящими рядом цифрами, указы-
- 7 -
вающими номера измерительных каналов. Кинематическая схе- ма привода печатающего барабана устроена так, что значения температур конкретного канала печатаются через 144 с (2,4 мин) независимо от скорости перемещения диаграммной ленты.
В лабораторной работе измеряется температура внутри цилиндрических образцов древесины диаметрами 30-35 мм, длиной 120-160 мм. Для этого горячие спаи термопар, вмонти- рованных в металлические защитные корпуса, плотно вставля- ются в отверстия, заранее высверленные в образцах.
Последовательность работы во время эксперимента
Образец взвешивают на технических весах и рассчитывают его массу Gн ; несколькими замерами определяют его расчет-
ную длину lp и диаметр dp для вычисления объема V. Далее по
известной заранее массе образца в абсолютно сухом состоянии Gсух рассчитывают его влажность W и базисную плотность ρб .
Все данные заносятся в рабочую тетрадь. Фиксируют и заносят в тетрадь координату точки по толщине (рис. 1.2), где размеща- ется горячий спай термопары Х / R (Х – наименьшее расстояние по радиусу от центра отверстия до боковой поверхности, R - радиус цилиндра).
Датчик температуры плотно, но без излишних усилий вво-
дят в отверстие в образце. Далее образец 16 вставляют в зажим- ное устройство (см. рис. 1.1) между нижней (17) и верхней (18)
пластинами так, чтобы выступающая часть датчика 19 попала в прорезь верхней пластины. После этого с помощью гайки 20 об- разец плотно фиксируют в зажимном устройстве. Включают по- тенциометр и одновременно с помощью воротка 4 опускают об- разец в воду так, чтобы ее уровень на 2-3 мм не доходил до его торца.
- 8 -
Рис. 1.2. Схема размещения термопары в образце
Опыт заканчивается при полном прогреве древесины (по- казания потенциометра перестают изменяться и становятся рав- ны температуре среды tc ). После достижения этого условия ус-
тановка выключается и путем вращения воротка 4 зажимное устройство вместе с образцами переводится в верхнее положе- ние.
Снимается диаграммная лента, и записанные на ней значе- ния температур t x (первое из которых соответствует начальной температуре древесины t0 ) переносятся в бланк наблюдений.
Величина скорости перемещения диаграммной ленты ω и тари-
ровочный коэффициент K t |
согласовываются с руководителем |
работы. Интервал времени |
τ равен 144 с (2,4 мин). |
После окончания опыта руководитель работы подписывает бланк наблюдений. На основании бланка наблюдений на мил- лиметровой бумаге строится кривая нагревания t = f (τ) .
Построение расчетной кривой нагревания
Основные положения. Расчетная кривая нагревания дре- весины строится на основании аналитической зависимости меж- ду температурой t в определенной точке и временем τ . Как из- вестно, эта связь выражена дифференциальным уравнением теп- лопроводности, которое используется для расчетов.
- 9 -
Дифференциальное уравнение теплопроводности для од- номерного цилиндра (перенос тепла только по радиусу) имеет вид
∂t |
|
∂2t |
|
1 ∂t |
||||
|
= a |
|
|
+ |
|
|
|
. |
|
|
2 |
|
|
||||
∂τ |
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x ∂x |
|||||
Здесь а – коэффициент температуропроводности, равный: a = cλρ ,
(1.1)
(1.2)
гдеλ - коэффициент теплопроводности тела; с – его удельная теплоемкость; ρ - плотность; х – координата по направлению радиуса цилиндра.
Краевые условия, необходимые для решения уравнения (1.1), состоят из начальных и граничных условий. Наиболее ес- тественные начальные условия предполагают равномерное (до нагревания) распределение температуры t0 по сечению:
t(τ = 0, x) = t0 = const . |
(1.3) |
Граничные условия (ГУ), характеризующие закон взаимодейст- вия между средой и поверхностью тела, в общем случае можно записать (ГУ III рода) в виде
|
α(tc − tп ) = −λ |
|
dt |
|
|
|
, |
(1.4) |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
dx |
x =0 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
где |
α - коэффициент теплообмена; |
tc - температура среды; |
||||||
tп |
- температура поверхности. В (1.4) принято, что начало от- |
|||||||
счета координаты х находится на поверхности. ГУ, записанные в (1.4), показывают, что температура поверхности tп в процес- се нагревания постепенно повышается от начальной температу- ры t0 до температуры среды tc .
В воде, также как и в насыщенном паре, процесс нагрева- ния происходит весьма интенсивно, коэффициент теплообмена
αстремится к большой величине (в теплофизическом смысле –
-10 -