Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Осциллирующая сушка-пропитка крупномерной древесины в жидкостях. Монография
.pdf
пропитывающий состав, поэтому удаление влаги из материала
осна (кедр),
ница, граб, дуб,
Сибирская сосна (кедр),
венница, сибирская
происходит под действием молярного переноса, который возможен
при температуре выше температуры точки кипения воды при данной
величине давления.
Таблица 2.1
Классификация отечественных пород древесины
по пропитываемости защитными средствами
Группа
1 –я
легкопропитываемые
Обыкновенная сосна,
сибирская с
2- я умеренно
пропитываемые
3-я трудно
пропитываемые
При этом различают следующие технологии совмещенной
сушки-пропитки: сушка в ванне петролатумом с последующей
пропиткой в автоклаве пропиточной жидкостью (СП-ДВ); сушка в
автоклаве пропиточной жидкостью при атмосферном давлении с
последующей пропиткой в том же автоклаве (СА-ДВ); сушка в
автоклаве пропиточной жидкостью под вакуумом с пропиткой в том
же автоклаве (CВ-ДВ). Отличием данных методов, характеризующим
его с положительной стороны по сравнению со всеми остальными,
является необходимость малого количества времени для
листвен
Заболонь Ядро
Береза, бук –
европейская
клен, липа, ольха,
осина
Ель, сибирская
лиственница, пихта
Порода древесины
обыкновенная сосна,
осина, ольха
Ель, европейская
лист
лиственница, пихта,
береза, дуб, вяз, бук,
ясень
31
осуществления данного процесса, (так как протекают одновременно
как сушка, так собственно и пропитка) и большая глубина пропитки
при относительно недорогой стоимости самого процесса пропитки.
Однако следует отметить, что технологии СП-ДВ и СА-ДВ в
настоящее время практически не используются вследствие
необходимости ведения процесса сушки при температурах,
значительно превышающих 100 °С, что вызывает потемнение
древесины и снижение ее механической прочности. Поэтому
наиболее интересным с практической точки зрения является сушка в
автоклаве пропиточной жидкостью, над поверхностью которой
давление ниже атмосферного.
Такое ведение процесса позволяет не только сократить
продолжительность процесса изготовления высушенного и
пропитанного изделия, но и снизить себестоимость его изготовления
по сравнению с суммой расходов при раздельной сушке и пропитке.
Однако не позволяет избежать больших перепадов влажности по
толщине материала, что вызывает развитие внутренних напряжений
и затрудняет использование данного способа сушки в рамках
деревянного домостроения. В таблице 2.1. приведена классификация
отечественных пород древесины по пропитываемости защитными
составами.
Наиболее приемлемым видом пропитки по всем показателям
является совмещенная сушка-пропитка, которую для изделий из
круглых лесоматериалов проводят в три ступени вакуума на стадии
сушки:
первая ступень - глубина вакуума от 0,02 до 0,03 МПа;
-
- вторая ступень - глубина вакуума от 0,06 до 0,07 МПа;
- третья ступень - глубина вакуума не менее 0,08 МПа.
При проведении сушки-пропитки шпал и брусьев
устанавливают две ступени вакуума:
- первая ступень - глубина вакуума от 0,05 до 0,07 МПа;
вторая ступень - глубина вакуума от 0,07 до 0,075 МПа.
-
На второй ступени сушки наколотых шпал периодически в течение
32
15-20 мин создают избыточное давление от 0,4 до 0,6 МПа. Глубина
пропитки наколотых сосновых, еловых и пихтовых шпал в зоне
расположения сеток наколов должна быть не менее 60 мм, наколотых
лиственичных шпал – не менее 50 мм.
Однако данный способ не нашел широкого применения ввиду
высокого трещинообразования в процессе сушки и отсутствия
разработанных технологических регламентов по различным породам
древесины.
2.2. Исследования процессов осциллирующей сушки и пропитки
древесины в жидкостях
Для исследования процессов совмещенной сушки-пропитки
древесины разработана установка, (рис. 2.1 и 2.2), которая состоит из
вакуумной камеры 1 с крышкой 2, с внутренней стороны которой
смонтирован электронный датчик веса 3. Сигнал от датчика 3
преобразуется АЦП 4 и поступает в ЭВМ 5 для записи и дальнейшей
обработки.
Вакуумная камера 1 заполнена гидрофобной жидкостью 6 с
погруженным в неё исследуемым образцом 7. Камера 1 снабжена
рубашкой 8, теплоноситель 9 которой получает тепловую энергию от
трубчатого электронагревателя 10. Температура теплоносителя 9
контролируется с помощью погруженной в него термопары 11 и
электронного регулятора ТРМ 12. Температура внутри образца
измеряется с помощью термопары, находящейся внутри самой
древесины. Внутренняя полость камеры 1 сообщается с линией
вакуумирования, состоящей из конденсатора 13 со стеклянным
мерным сборником конденсата и вакуум-насоса 14, через вентили 15
и 16, а также с атмосферой – через вентиль 17 и с емкостью 18 для
хранения гидрофобной жидкости 6 – через вентиль 19. Емкость 18
снабжена электрической системой обогрева для предварительного
прогрева гидрофобной жидкости, а внутренняя полость емкости
сообщается с атмосферой через вентиль 20. Для определения уровня
33
гидрофобной жидкости в камере 1 используется мерная трубка 21.
14
7
Остаточное давление в полости аппарата контролируется с помощью
манометра 22.
2
3
15
22
16
Рис. 2.1. Схема установки для исследования кинетики совмещенной
12
4
5
11
9
8
10
17
1
6
21
19
13
20
~ 220
18
вакуумной сушки-пропитки пиломатериала
Рис. 2.2. Установка для исследования кинетики совмещенной
а)
вакуумной сушки-пропитки пиломатериала:
б – внешний вид датчика давления
б)
а – внешний вид установки;
34
Методика проведения исследований на представленной
установке состоит из трех этапов: подготовка исследуемых образцов,
проведение экспериментов и компьютерная обработки полученных
результатов.
При разработке экспериментальной установки учитывались
характерные особенности процессов, проявляющиеся в условиях
теплообмена твердое тело – жидкость при пониженном давлении, что
позволило в лабораторных условиях исследовать явления,
протекающие в промышленных аппаратах.
1 000
Рис. 2.3. Схема раскроя заготовок в процессе подготовки
к проведению эксперимента
Подготовка исследуемых образцов предполагает выбор
крупномерного сортамента и определение его начальной массы,
объема и влажности. В экспериментах по изучению совмещенной
сушки-пропитки древесины используются образцы длиной 1м,
выпиливаемые из промышленных шпал-заготовок или
оцилиндрованных бревен (рис.2.3.). Из оставшейся части заготовки
выпиливаются два среза: один – для определения среднего
влагосодержания, второй – для дальнейшего определения позонной
влажности. По среднему влагосодержанию древесины определяется
теоретическое значение массы всей влаги, содержащейся в
исследуемом образце. Для определения начальной массы образец
взвешивают на электронных весах с точностью до 1 г. Объем
исследуемого образца определяемым с помощью замеров
штангенциркулем, служит для нахождения объема вытесненной
жидкости.
35
Экспериментальные исследования проводят следующим
−ρ⋅
⋅
образом. Согласно плану эксперимента выбирают исследуемую
технологию сушки: совмещенная сушка-пропитка древесины в
жидкостях, осциллирующая сушка древесины в жидкостях.
По первой технологии высушиваемая древесина на
протяжении всего процесса выдерживается в жидкости, над
поверхностью которой создается разрежение. При осциллирующей
сушке процесс складывается из последовательно чередующихся
стадий нагрева древесины в жидкости и вакуумирования. При этом
перед проведением стадии вакуумирования сушильный агент
сливается из аппарата. Процесс сушки начинается с загрузки
исследуемого образца и сушильного агента в камеру 1 и герметизации
камеры с помощью крышки 2.
При проведении совмещенной сушки-пропитки вследствие
удаления влаги из древесины и проникновения в неё пропитывающей
жидкости плотность образца изменяется. Для определения текущей
плотности древесины с внутренней стороны крышки 2 установлен
тензометрический датчик, который служит для определения
подъемной силы, действующей на образец, погруженный в жидкость.
При этом текущая плотность образца может быть определена по
уравнению:
FVg
=ρ
м
резж
Vg
⋅
. (2.1)
После достижения древесиной заданной плотности осуществляют
разгерметизацию камеры и извлекают опытный образец.
При осциллирующей сушке после загрузки материала и
сушильного агента в камеру 1 начинают стадию прогрева.
Температура обработки задается с помощью регулятора ТРМ 1 и
поддерживается автоматически. После достижения в центре
материала заданной температуры камера 1 разгерметизируется, и из
неё сливается жидкость 6. Далее начинается стадия вакуумирования.
Для этого производят герметизацию камеры 1 и включают в работу
конденсатор 13 и вакуумный насос 14. Выдержка под вакуумом
36
осуществляется до снижения температуры материала до заданного
значения. Далее цикл «прогрев-вакуумирование» повторяется.
После окончания сушки (в зависимости от плана)
эксперимент заканчивается или начинается процесс пропитки путем
отключения нагревательных элементов 10 и охлаждения всей
конструкции. Для этого из рубашки 8 сливается теплоноситель 9 и
подается хладагент. Открытием вентиля 17 над поверхностью
гидрофобной жидкости создается атмосферное давление. При
охлаждении древесины давление в полостях клеток снижается
отчасти за счет собственно температурного эффекта, а главным
образом за счет конденсации водяного пара. В результате
образовавшегося перепада давлений жидкость проникает в древесину.
Продолжительность данной стадии эксперимента определяется
снижением интенсивности роста плотности образца.
После окончания эксперимента образец подвергается
детальному исследованию, при котором определяются конечные
влажность, масса, объем, и глубина пропитки, а также плотность
образца в его непропитанной части с целью точного определения
массы жидкости, пропитавшей древесину. Средняя и послойная
влажность определяются методом досушки.
.3. Экспериментальная установка для пропитки древесины в
2
циркулирующем потоке агента сушки
Описанная в предыдущем разделе экспериментальная
установка (см. рис. 2.1.) позволяет проводить исследования по сушке
и пропитке древесины без циркуляции агента сушки и с подводом
тепловой энергии от рубашки. При этом на стадии вакуумирования
для предотвращения нагрева высушиваемого материала излучением
необходимо производить предварительный слив теплоносителя из
рубашки, что существенно повышает трудоемкость проведения
экспериментальных исследований. С целью снижения трудоемкости
37
экспериментов была создана установка для осциллирующей сушки
9
капиллярно-пористых коллоидных материалов (рис. 2.4.).
Установка состоит из пропиточной камеры 1, сетчатого
держателя 2, устройства для ввода возвратно-поступательного
движения со штоком 3, крышки камеры 4, конденсатора 5,
вакуумного насоса 6, манометра 7, высушиваемого материала 8,
вентиля 9, соединяющего вакуум-насос с камерой 1, напускного
клапана 10, компрессора 11 и насоса для циркуляции агента пропитки
12. Установка работает следующим образом. После подготовки образ-
1
1
1
Рис. 2.4. Общий вид экспериментальной установки для
а) б)
комбинированной пропитки (а) и его схема (б).
цов к эксперименту их помещают в сетчатый держатель 2, который
закреплен на подвижном штоке 3, представляющем собой возвратнопоступательный механизм, способный перемещаться в вертикальном
направлении относительно камеры сушки. Камера сушки наполовину
заполнена гидрофобной жидкостью. После того как крышка камеры
герметично закрывается, в ней создается разрежение путем открытия
вентиля 9 и включения вакуум-насоса 6. Пропитываемые образцы
38
12
выдерживаются в вакууме в течение заданного времени. Далее
производят погружение сетчатого кармашка, с находящимися в нем
образцами в пропитывающую жидкость в камере с помощью
устройства для ввода возвратно-поступательного движения, при этом
шток 3 должен опуститься в нижнее положение. На стадии выдержки
материала в жидкости давление в камере поднимают до
атмосферного. Выдержка образцов в предварительно нагретой
жидкости осуществляется в течение заданного времени. Время
выдержки зависит от породы древесины, начальной влажности и
температуры агента обработки. Далее шток с пиломатериалами
поднимают в верхнее положение и производят вакуумирование.
Давление на стадии вакуумирования поддерживают на минимально
возможном уровне, создаваемом вакуум-насосом. После понижения
температуры в центре образца до заданного значения цикл «прогреввакуумирование» повторяют.
С помощью данной экспериментальной установки могут быть
исследованы процессы автоклавной пропитки древесины (вакуум-атм.
давление- вакуум (ВАДВ), вакуум-давление-вакуум (ВДВ), давлениедавление-вакуум (ДДВ).
39
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ
ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ
3.1. Математическое описание переноса тепла и массы
внутри крупномерной древесины в процессе сушки
Анализ физической картины процессов осциллирующей
сушки древесины в жидкостях показал, что совокупность физических
явлений, составляющих исследуемый способ сушки, согласно
блочному принципу построения математического описания процесса
[43] следует рассматривать, решая внешнюю (тепломассоперенос в
разреженной среде и её тепломассообмен с материалом) и
внутреннюю – (тепломассоперенос внутри материала) задачи.
Для выявленной структуры потоков в процессах вакуумной
сушки древесины в жидкостях основными характеристиками
являются разность парциальных давлений паров удаляемой влаги над
поверхностью влажного материала и в окружающей среде и
интенсивность подвода тепла к поверхности пиломатериала.
Аналитический расчет процессов сушки и нагревания
коллоидных капиллярно-пористых тел основывается на решении
дифференциальных уравнений тепломассопереноса. Для описания
изменения во времени полей влажности и температуры по толщине
материала воспользуемся уравнениями, предложенными
А.В. Лыковым в следующей форме [56]:
2
∂
U
τ∂
∂ U
Т
∂τ
В процессе прогрева древесины в жидкой среде, температура которой
ниже температуры точки кипения воды при данном давлении в
аппарате, внутри пластины отсутствуют фазовые превращения. Тогда
40
∂
U
⋅=
a
m
м
2
∂
x
2
∂
T
⋅=
a
T
∂
x
∂
U
1
⋅+
x
м
2
a
m
∂
x
∂
T
1
x
м
⋅+
∂
x
2
∂
T
м
⋅δ⋅+
2
∂
x
∂ε⋅
r
+
c
m
∂
U
1
⋅+
∂
x
x
. ( 3.2 )
τ∂
, ( 3.1 )
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]