Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Осциллирующая сушка-пропитка крупномерной древесины в жидкостях. Монография
.pdf
проницаемости определяется зависимостью
и
Θ⋅γ⋅σ
20 30 40
⋅
-
6
2
∞
rn
k
=
16
π
2
∫
2
ε
0
, (1.1)
( )
drrFr
где n – число пор на единицу площади поперечного сечения образца;
ε
– коэффициент извилистости равный отношению длины пути
и
движения жидкости к длине образца [87].
В работе [87] представлены результаты исследования
эквивалентного радиуса rэ гипотетического капилляра методом
смесимого вытеснения, свидетельствующие, что его величина
различна как по породам древесины, так и по длине и диаметру
ствола. Лиственные породы обладают большим значением rэ, чем
хвойные, а в пределах одной породы радиус r
заболонной древесины
э
превышает значение rэ ядровой или спелой древесины (рис. 1.2).
F,%
10
r
1,0
ср
3,0 10
5,0
7,0
9,0
r
10
, м
э
Рис. 1.2. Распределение объемов пор в древесине березы
по их радиусам.
Расчет значений равновесной влажности основан на известном
уравнении зависимости между относительной упругостью
насыщенного водяного пара в капилляре и его радиусом:
cos2
=
r
п
⋅⋅γ⋅
lngp
жн
, (1.2)
1
ϕ
где r – радиус капилляра, при котором пар в нем становится
насыщенным; σ
– поверхностное натяжение; соs Θ – мера
11
смачиваемости стенок капилляра; рн – упругость насыщенного пара
10
18
30
70
ϕ
над горизонтальной поверхностью; γп и γ
– удельный вес пара и
ж
жидкости соответственно; g – ускорение силы тяжести; ϕ –
относительная влажность воздуха.
Wр, %
28
14
Рис. 1.3. Кривая равновесной влажности древесины
10 20
при 20° С (пунктиром показана равновесная
влажность, вычисленная аналитически)
40
50 60
80 90 100
, %
Расчетная кривая равновесной влажности (рис. 1.3)
достаточно точно совпадает с экспериментальной до значения
относительной влажности воздуха ϕ
= 0,4 (Wр = 8 – 8,5%). При
дальнейшем повышении ϕ расчетная величина равновесной
влажности возрастает значительно быстрее экспериментальной.
Наиболее вероятно, что на начальной стадии поглощения сухой
древесиной влаги из воздуха имеет место только адсорбция влаги и
образование полимолекулярных прослоек жидкости в
межмицеллярных промежутках. До некоторого предела (ϕ = 0,4; W
=
р
8 – 8,5%) образование прослоек влаги происходит равномерно по всей
поверхности микрофибрилл. Затем наличие непосредственных связей
между микрофибриллами начинает препятствовать равномерному
утолщению прослоек влаги (чем и объясняется понижение
фактической равновесной влажности по сравнению с расчетной). При
12
влажности воздуха более 40% одновременно с адсорбцией начинается
капиллярная конденсация.
Обычно линии графика равновесной влажности древесины
при высыхании и увлажнении изображаются в виде кривых,
образующих характерную петлю гистерезиса (рис.1.4).
П.С. Серговский отмечает, что для древесины подобная форма
кривых в области вершин петли не вполне соответствует
действительности [130]. Получить
непосредственным эксперимен-
30
том крайние точки графика
равновесной влажности очень
трудно, а иногда и просто
невозможно (увлажнение при ϕ
=
0 или высыхание при ϕ = 1).
Поэтому кривые в области
вершин строятся путем экстраполяции. Однако экстраполяция,
в результате которой кривые
равновесной влажности
приводятся к форме правильной
Равновесная влажность древесины
0
Рис. 1.4. Гистерезис равновесной
Относительная влажность воздуха,
ϕ
влажности древесины.
1
замкнутой петли, не является законной. В частности, кривая
равновесной влажности при высыхании в действительности не
проходит через точку начала координат, а пересекает ось абсцисс
несколько выше её. Это объясняется тем, что первый,
мономолекулярный, слой влаги находится в очень прочной связи с
веществом древесины, которая не нарушается при обычной
температуре даже в абсолютно-сухом воздухе.
В настоящее время различают два близких по содержанию
термина [87]: предел гигроскопичности W
– достигаемая при
п.г
сорбции максимальная влажность клеточных стенок древесины,
выдержанной в насыщенном влагой воздухе; предел насыщения
клеточных стенок W
свежесрубленной или выдержанной в воде древесины. W
– максимальная влажность клеточных стенок
п.н
считают
п.н
13
частным случаем W
(
)
12 14 16 18 20 22 24
, так как при температуре 0°С предел
п.г
гигроскопичности максимален и равен пределу насыщения клеточных стенок (при t >0°С W
п.г
< W
). Предел гигроскопичности зависит
п.н
от плотности древесины и температуры и характеризуется формулой:
t
055,0
еW
гп
.
5,1912 +=
(1.3)
В работе Г.С. Шубина [153] предложена перестройка
диаграммы равновесной влажности в виде W
= f(t) (значения ϕ в поле
p
диаграммы). В этом случае диаграмма с прием-лемой потерей
точности полу-чилась линейной, и появилась возможность нанести на
неё линии постоянных значений давления среды. Аппроксимировав
полученное семейство линий равновесной влажности,
пересекающихся в точке t = 220 °С, получили показательную
функцию, единую для всего диапазона ϕ:
ϕ
гидрофобных жидкостях
равновесная влажность зависит от
давления и температуры жидкой
Wр, %
p
Р = 0,25 МПа
0,5
1,0
. (1.4)
−⋅=
t015,027,36,10W
При сушке древесины в
среды, в этом случае величина W
2,0
может быть определена по
диаграмме на рис. 1.5 [122].
Микроскопический
10
8
6
4
2
0
70 90 110 130 150
3,0
перенос влаги в структурных
элементах гигроскопического тела
происходит в зависимости от
природы и структуры тела, его
влажности и условий
влагопереноса. В качестве
движущей силы переноса влаги
рассматриваются градиенты
Т, К
капиллярного, осмотического и
Рис. 1.5. Диаграмма равновесной
влажности древесины
при сушке в гидрофобной
жидкости.
расклинивающего давления,
градиенты давления пара, газа и
14
р
набухания, концентрации влаги (влажности), химического потенциала
и температуры.
Основной движущей силой процесса является градиент
парциального давления водяного пара. В начале процесса сушки
наружные слои материала быстро обсыхают, и влажность здесь
становится ниже точки насыщения волокна. И как следствие,
давление водяного пара ниже, чем давление внутри древесины, где
есть свободная влага. Исследуя процесс сушки древесины с
применением тока высокой частоты, Н.А. Першаков [89] установил,
что повышение температуры в толще древесины на 1,5°С выше
температуры окружающей ее среды ускоряет сушку в 2,5 раза по
сравнению с обычной конвективной, при которой температура в
толще древесины была на 1,5° ниже, чем вне ее.
Вторым фактором, способным вызывать движение влаги в
древесине, является градиент статического давления. В известном
методе пропитки в холодной ванне с предварительным нагревом, вода
или растворы солей фильтруются по древесине под действием
градиента гидростатического давления. Если погрузить в горячую
воду кусок дерева с влажностью, значительно превышающей точку
насыщения волокон, то уже через короткое время можно обнаружить
заметное уменьшение веса образца за счет удаления части свободной
воды из полостей клеток [138]. Аналогично этому явлению более
значительный нагрев одной части образца по сравнению с другой
сопровождается проталкиванием пробок свободной воды в менее
нагретую часть образца. В обоих последних случаях движение влаги
возникает под действием избытка, или градиента, суммарного
давления паровоздушной смеси (или чистого пара) в толще образца.
Под действием градиента давления газовой фазы в древесине может
происходить движение влаги также в парообразном состоянии, но
количественно размер этого вида переноса относительно невелик.
Анализ механизмов переноса влаги в капиллярно-пористых
материалах при сушке показывает, что внутренний массоперенос в
изотермических условиях может быть описан уравнением
15
Cgradki
⋅ρ−
=
(
)
δ+⋅ρ−
=
0
1 2
3
4
5
6
20 40 60 W,% 80
δ
t = 30
°C
60 70 80 90
0
, (1.5)
а с учетом термодиффузии – уравнением
tgradCgradki
0
, (1.6)
где k – коэффициент массопроводности; С – молярная концентрация,
δ – относительный коэффициент термовлагопроводности [56, 101].
Определением коэффициента влагопроводности, являющегося
основным показателем, характеризующим интенсивность потока
,
%/град
влаги внутри древесины,
занимались многие исследователи
[1, 3, 119, 130]. Наиболее обсто-
40
50
ятельное экспериментальное
исследование было выполнено
П.С. Серговским [119, 130] на
древесине сосны, бука и дуба при
100
температурах 20 – 90 °С. Было
показано, что основное влияние
на величину коэффициента
влагопроводности оказывают температура древесины, базисная
плотность (чем плотнее древесина, тем ниже влагопровод-
Рис. 1.6. Номограмма
зависимости
δ
= f (W, t) для древесины сосны
ность), направление потока влаги
(в радиальном направлении боль-
ше, чем в тангенциальном),
местоположение в стволе дерева
(влагопроводность ядра и спелой древесины ниже, чем заболони). В
работе [3] было проведено дальнейшее исследование
влагопроводности в области положительных температур древесины
ели, березы, лиственницы и осины методом контактного увлажнения
образцов. Для производственных расчетов в этой работе построена
диаграмма (рис. 1.7) средних коэффициентов влагопроводности
древесины поперек волокон для основных пород. Эксперименты,
проведенные Г.С. Шубиным [153], показали также влияние
16
направления потока влаги на влагопроводность относительно
1,0 1,5
2
3 4 6
8 12 15
20
25
20 40 60 80
1
2
3
4 5
волокон: при всех значениях температуры и плотности древесины
было установлено, что отношение коэффициента влагопроводности в
радиальном направлении к этому же коэффициенту в тангенциальном
направлении колеблется в пределах 1,23 – 1,28.
Количественной мерой термовлагопроводности, то есть
переноса влаги в капиллярно-пористом теле под влиянием
неравномерного температурного
поля, является термоградиентный
k⋅1010,
м2/с
коэффициент. Результаты
экспериментальных исследований
по данному коэффициенту,
представленные в работе [153],
характеризуют его зависимость от
влажности древесины, в то время
как температура и порода
древесины в пределах
гигроскопической влаги влияния не
оказывают. При повышении
влажности выше предела
насыщения клеточных стенок
термоградиентный коэффициент
после некоторого увеличения
начинает уменьшаться и при
Рис. 1.7. Средние значения
коэффициента
влагопроводности поперек
волокон древесины:
1 – сосны; 2 – березы; 3 – бука;
4 – лиственницы; 5 – дуба.
t, °C
влагосодержании, близкой к 100%
стремится к нулю. При этом в отличие от области с низким
влагосодержанием опытные данные различаются по температуре, с
повышением которой наблюдается снижение значения δ.
Кривые δ = f
(W) во всем диапазоне имеют точку перегиба при влажности 40 – 50
%, характерную для зависимостей различных коллоидных и
капиллярнопористых тел [59]. Разделение кривых в зависимости от
температуры начинается при влажности несколько более низкой, чем
предел гигроскопичности, а также наблюдается некоторая тенденция
17
смещения максимума кривых в сторону большей влажности по мере
n
∂
n
n
n
∂
∂
∂
снижения температуры. Автор указывает, что с достаточной для
практических целей точностью для определения значения
термоградиентного коэффициента всех пород древесины может быть
использована номограмма, представленная на рис. 1.6.
При нагреве материала до температуры выше 100 °С или при
действии внутренних источников тепла общее давление парогазовой
смеси внутри материала может превысить внешнее давление, что
приведет к возникновению фильтрационного потока пара
P
ki
−=
, (1.7)
ф
∂
где k
– коэффициент фильтрационного переноса пара. С учетом
ф
фильтрационного переноса поток влаги в материале составляет
C
ki
ρ−=
k
∂
t
δρ−
∂
P
k
−
. (1.8)
ф00
∂
В работе [87] приведены результаты экспериментальных
исследований газопроницаемости древесины и сделан вывод о том,
что в пределах скоростей 0–8 см/с фильтрационный поток
подчиняется закону Дарси. Подтверждается отсутствие прямой
зависимости между проницаемостью и плотностью древесины, в то
же время указывается на значительные различия проницаемости
древесины разных пород, а в пределах одной породы – для заболони и
ядра (спелой древесины). Некоторое увеличение проницаемости в
радиальном направлении по сравнению с тангенциальным и
значительное снижение поперечной проницаемости по сравнению с
продольной объясняется структурной анизотропией древесины в
исследуемых направлениях.
С точки зрения теории теплопроводности древесина –
сложная многофазная система с ярко выраженной анизотропией,
состоящая из твердой фазы – скелета древесного вещества, жидкой
фазы – воды, находящейся в связанном и свободном состояниях, и
газообразной фазы – паровоздушной смеси, заполняющей часть пор
18
древесины, которая не занята водой. Материалы такого рода с точки
⋅⋅λ=λ
зрения теплопроводности нельзя рассматривать как твердое тело.
Коэффициент теплопроводности λ в этом случае представляет собой
некоторую условную величину, так как передача тепла происходит
всеми тремя способами – теплопроводностью, конвекцией и
излучением. Через скелет древесного вещества тепло передается
теплопроводностью, через поры – теплопроводностью, конвекцией и
излучением одновременно, при этом теплопроводность каждого из
компонентов различная. Для древесинного вещества в плотном
состоянии коэффициент теплопроводности 0,42 Вт/(м⋅°С), для воды
при 20°С – 0,6 Вт/(м⋅°С), для воздуха при 20 °С – 0,026 Вт/м⋅°С; того
же порядка и коэффициент теплопроводности водяного пара [79].
Влага имеет самую высокую теплопроводность из всех
составляющих, поэтому коэффициент теплопроводности пористых
тел сильно зависит от влажности.
Эффективная теплопроводность пористых тел зависит от
градиента температуры, величина которого определяет интенсивность
массовых потоков влаги и паровоздушной смеси [79]. С увеличением
градиента температуры возрастает также передача тепла излучением
между стенками пор. Таким образом, эффективный коэффициент
теплопроводности – величина весьма условная, зависящая не только
от свойств материала, но и от процессов, протекающих в нем. Этим в
основном объясняется значительное расхождение экспериментальных
данных, полученных разными исследователями [19, 41, 144, 158].
Поэтому П.С. Серговский [127] предложил определять значения
теплопроводности λ по выражению
kk
, (1.9)
λ
pxном
где λ
– номинальное значение коэффициента теплопроводности
ном
при фиксированных плотности древесины и направлении потока
тепла; k
– поправка на плотность древесины (рис. 1.8); kх – поправка
ρλ
на направление теплового потока (в тангенциальном направлении в
зависимости от породы составляет 0,87 – 1,06 [153], в радиальном
направлении для всех пород на 1).
19
0,5 0,1 0,6 0,4 0,3
0,2
λ
,
20 40 60 80 0
t, °C
W = 120 %
100 80 60 40 20 10
ρ
3
λ
ном
Вт/(м⋅°C )
k
ρλ
1,4
1,2
1,0
2
1
0,8
Рис. 1.8. а) Диаграмма значений
в зависимости от температуры при
а) б)
б) изменение kρλ в зависимости от плотности
(1 – по данным [392]; 2 – по данным [360]
300
в радиальном направлении для березы
ном
400
ρ
= 500 кг/м
б
500
, кг/м
б
Г.С. Шубиным [153] выявлены новые закономерности
изменения теплофизических свойств древесины и уточнены
имеющиеся данные. Установлено, что коэффициенты
температуропроводности (a
) и теплопроводности (λ) абсолютно
т
сухой древесины уменьшаются с увеличением температуры. Эту
закономерность, свойственную кристаллическим структурам, автор
объясняет наличием упорядоченных областей в целлюлозе,
являющейся основным компонентом древесинного вещества. При
наличии влаги в древесине линейный характер зависимости λ = f (t)
сохраняется.
Установлено, что с точностью до 5% влияние породы
древесины на теплопроводность и температуропроводность может
быть сведено к влиянию её условной плотности. При этом с
повышением условной плотности значения коэффициента теплопроводности увеличиваются, а значение коэффициента температуропроводности уменьшаются. Изменение теплопроводности в
различных направлениях поперек волокон объясняется влиянием
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]