Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Осциллирующая сушка-пропитка крупномерной древесины в жидкостях. Монография
.pdf
рсрс
⋅+⋅
()(
)
пп.гг.
с
=
см.
µ
µµ
. (3.46)
рр
+
пг
После подстановки в выражения (3.37), (3.38) значений
плотностей в виде соотношений (3.40) и некоторых преобразований
получаем уравнения, определяющие скорости изменения
парциальных давлений пара и газа:
dp
п
=
τ d
d
V
⋅⋅
TRF
µ
псв
Q
п.с
pj
пп
V
−−
св
dT
1
, (3.47)
τ
T
dp
d
г
τ
1
p
=
г
−
ddTT
τ
Q
г.с
. (3.48)
V
св
Поделив уравнение (3.25) на dτ и подставив в него выражение (3.41),
после некоторых преобразований получим дифференциальное
уравнение изменения температуры паровой среды
dT
d
=
τ
( )
+−α
µ+µ
Vcрр
RjTFсTTF
повмппов.мм
−
свсмггпп
Q
V
пг.с
T
св
. (3.49)
Тепломассоперенос в пиломатериале в процессе понижения
давления описывается дифференциальными уравнениями (3.1) и (3.2)
при граничных условиях в виде выражений [11]
n
p
п
= a
р
, (3.50)
нас
( )
пов.мповппов.мпов
. (3.51)
ТTjсTrj
−⋅α+⋅⋅+⋅=
U
пов
T
∂
м
⋅λ−
x
∂
0х
=
Левая часть (3.50) характеризует поток тепла из глубины за счет
теплопроводности; первое слагаемое правой части уравнения −
затраты тепла на испарение; второе слагаемое − отвод тепла с парами
влаги; третий член учитывает теплообмен с парогазовой фазой. Схема
граничных условий для влажного пиломатериала в процессе
вакуумирования представлена на рис. 3.3.
51
j
⋅
⋅
Х
ρ
τ
0
х
∂
∂
Q
⋅
c.пг
⋅ d
см
T
c ⋅ j
пов
пов
r
пов
α (T
пов
– Т)
n
пов
P
aU
⋅=
P
нас
Т
λ−
R
Рис. 3.3. Схема граничных условий для влажного
пиломатериала в процессе вакуумирования
∂
U
ρ=
aj
m0пов
∂
x
0x
∂
δ+
a
m
T
∂
м
x
== 0x
Коэффициент теплоотдачи в уравнении (3.51) может быть
определен из выражения [152]
8,0
Re072,0Nu =
. (3.52)
На основе системы уравнений (3.47) – (3.49), описывающей
тепломассоперенос в парогазовой фазе при понижении давления
внешней среды системой аппаратов вакуумный насос – конденсатор,
получены частные решения.
В случае ведения процесса прогрева материала при полном
предварительном удалении инертного газа из рабочей полости
аппарата можно считать, что процесс протекает в парах испаряемой
влаги, а общее давление и температура в камере описываются
дифференциальными уравнениями изменения давления и
температуры пара, записанными в виде
⋅⋅
V
TRF
пов
µ⋅
св
dP
=
τ d
d
Q
п.c
Pj
V
св
1
Т
dT
⋅−⋅−⋅
, (3.53)
τ
52
()(
)
dT
(
)
−
d
=
τ
+−α
VcР
µ
свп
RTjFсTTF
повпмппов.мм
−
Q
V
пг.с
T
св
. (3.54)
Для процесса сушки древесины в петролатуме, протекающего
при понижении давлений паров над поверхностью жидкости, на
практике в качестве источника разрежения целесообразно
использовать жидкоструйные эжекторы [4, 10, 126], поскольку при
применении поверхностных конденсаторов возможно загрязнение
поверхности теплопередачи вследствие конденсации испаренного
петролатума. Показателем эффективной работы эжекторов является
объемный коэффициент инжекции [126], зависящий от
конструктивных параметров оборудования и температуры рабочей
жидкости:
U
*
Q
г.п
max.v
Q
==
р
рр35,0
срр
. (3.55)
рр37,0
−
насср
В технике лесной и деревообрабатывающей промышленности
используется пропитка древесных изделий под давлением. При
совмещении процессов сушки и пропитки целесообразно после
завершения стадии сушки выдержать материал в пропитывающей
среде до его остывания. Для этого в резисторы прекращают подачу
теплоносителя и подают хладагент, а над поверхностью жидкости
устанавливают атмосферное давление. Температура материала
падает, что вызывает падение температуры в полостях клеток за счет
конденсации содержащегося в ней водяного пара. Таким образом,
давление жидкости становится избыточным по отношению к
давлению внутри древесины. В результате перепада давления
происходит проникновение пропитывающей жидкости.
Процесс охлаждения агента сушки описывается уравнением
(3.11), процесс теплопереноса внутри материала – уравнением (3.3)
при граничном условии (3.12).
Давление внутри материала на i-м слое можно определить в
зависимости от температуры данного слоя:
при пропитке древесины с влажностью, равной или выше
53
предела гигроскопичности, давление рассматривается по уравнению
ϕ⋅=
Антуана
нi.м
Aexpрр
B
−==
, (3.56)
T
i.м
при влажности древесины ниже предела гигроскопичности
давление определяется произведением
pp , где значение
нм.i
для равновесной степени насыщенности пара в полостях клеток
может быть определено логарифмированием выражения (1.4). Отсюда
i.м
Aexpр
B
log
−=
⋅
T
i.м
6,10
U
i
( )
−−
м.i
. (2.57)
273T015,027,3
Плотность потока пропитывающей жидкости определяется из
выражения, полученного на основе уравнения Пуазейля
4
r
⋅π
j
=
ж
кап
м
p
∆⋅
xF8
⋅ν⋅
, (2.58)
где радиус капилляров древесины может быть принят как среднее
эквивалентное значение радиуса, полученное методом смесимого
вытеснения (рис. 1.2) [87].
54
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
СУШКИ-ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ
4.1. Исследования сушки-пропитки
в гидрофильных жидкостях
Результаты физического моделирования процессов сушки
сосновых, еловых, пихтовых и березовых бревен в гидрофильных
жидкостях графически представлены на рис. 4.1 (а–г).
Математическое моделирование изучаемого процесса представляет
собой исследование влияния различных режимных и конструктивных
параметров на кинетику и продолжительность процесса сушки.
Анализ зависимостей показывает значительную
интенсификацию процесса при осциллирующей сушке сосны, ели и
пихты по сравнению с традиционной сушкой в гидрофильных
жидкостях. Наилучший эффект наблюдается при осциллирующей
сушке пихты, что объясняется высокой стойкостью данной породы к
увлажнению на стадии прогрева. Напротив, сушка березы подобным
образом практически невозможна (рис. 4.1г.) ввиду хорошей
проницаемости древесины.
Проверка адекватности формализованных моделей реальным
процессам производится сопоставлением результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических расчетов в
идентичных условиях. (рис. 4.2.). На графических зависимостях,
сплошными линиями изображены данные, полученные расчетным
путем, точками – результаты экспериментов. На рис. 4.2. показаны
экспериментальные данные и расчетные кривые осциллирующей
сушки в гидрофильной жидкости соснового оцилиндрованного
бревна диаметром 180 мм, полученные для первого цикла «прогрев –
вакуумирование» в случае прогрева при температуре 363 К и
остаточном давлении на стадии вакуумирования, равном 10 кПа.
55
0
40
0 10
τ, ч
U, %
1
2
80
0
20
30 40
1
2
0
20 40
80
0
20
30 40
1
2
0
20 40 60
0
5
15 20
25
1
2
80
60
20
U, %
20 30
40
а)
50 60
60
40
U, %
10
б)
τ, ч
60
U, %
80
10
в)
50
60
τ, ч
Рис. 4.1. Кривые сушки древесины различных пород
а) – пихта; б) – ель; в) – сосна; г) – береза:
10
г)
в гидрофильной жидкости:
1 – сушка при постоянной температуре; 2 – осциллирующий способ сушки.
30
τ, ч
56
P, кПа
125
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
3,
0
3,5 4,0
4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
7,
0 7,5
ττττ, ч
338 353
R = 0
70 50
U
R
=
90
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
3,
0
3,5 4,0
4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
7,
0 7,5
ττττ, ч
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
3,
0
3,5 4,0
4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
7,
0 7,5
ττττ, ч
30
90
10 20 30 40 50 60
T, K
368
323
308
293
U, %
R = 90
R = 0
R = 45
R = 85 R = 45
Рис. 4.2. Сравнение экспериментальных данных и расчетных
кривых осциллирующей сушки соснового оцилиндрованного бревна
в гидрофильной жидкости
С целью проверки адекватности разработанной модели при
расчетах процессов осциллирующей сушки применительно к другим
хвойным породам древесины были проведены исследования по сушке
пихтовых и еловых бревен диаметром 180 мм (рис.4.3).
U, %
80
70
60
50
40
пихта
ель
сосна
20
10
0
0
τ, ч
Рис. 4.3. Кривые осциллирующей сушки различных пород
древесины в гидрофильной жидкости
57
На основе представленных на рис 4.4а кинетических кривых
20
40
20
60 80
0,2
0,6
0,8 1
1,2
1,20
80
100
изменения средней влажности сосновой древесины при
осциллирующей сушке в гидрофильной жидкости с различной
температурой были получены кривые скорости сушки (рис. 4.4 б).
а)
U, %
100
б)
N, 1/c
363 °К
353 °К
3
343 °К
U, %
60
363 °К
343 °К
353 °К
40
τ, ч
Рис. 4.4. Кривые сушки (а) и скорости сушки (б) сосновых бревен
в гидрофильной жидкости
Как видно из графиков экспериментальных кинетических
2
кривых изменения количества впитавшейся в 1м
поверхности
древесины влаги в процессе нагрева сосновых бревен различной
влажности в водном растворе поваренной соли с температурой 353 К
(рис.4.5). в случае высокой влажности древесины даже на стадии
нагрева наблюдается ее сушка; при низкой влажности древесины,
напротив, происходит впитывание жидкости. В результате обработки
экспериментальных данных эксперимента были получены
кинетические кривые изменения результирующего потока
пропитывающей жидкости, по характеру которых можно сделать
вывод, что наибольшее значение поток имеет в начале процесса
прогрева (рис. 4.6).
58
2
0
0,4
0,6
0,8
1,0
-1
0
0
30 % 20 %
∆m 1
mн·F, м2
10 %
20 %
30 %
50 %
-0,2
-0,4
-0,6
Рис. 4.5. Относительное количество влагивпитавшейся в 1 м
поверхности древесины в зависимости от ее влажности
0,
1,
2,
3,
4,
τ, ч
80 %
100 %
jж, кг/(см 2)
1,5
0,5
-0,5
10 %
50 %
80 %
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 τ, ч
100 %
-1,5
Рис. 4.6. Изменение потока пропитывающей жидкости
на стадии прогрева
Далее представлены результаты экспериментальных
исследований изменения относительного количества впитавшейся в
2
поверхности древесины влаги на стадии прогрева сосновых
1м
бревен в водном растворе поваренной соли в зависимости от времени
(рис. 4.7а)и температуры прогрева древесины (рис.4.7б). Как видно из
59
графиков, с повышением температуры количество впитавшейся влаги
0
0,1
0,15
0,2
0,25
0,5 1 1,5 2
2,5
3
3,5
4
5
373° К
Т, К
0
0,0
0,1
0,15
0,2
0,25
340
345
355
360 365 370
увеличивается, что объясняется снижением вязкости раствора.
∆m
1
mн·F, м2
0,4
0,35
0,3
363°
353° К
343° К
∆m 1
mн·F, м2
0,4
0,35
0,3
0
а)
4,5
τ, ч
τ = 5 ч
τ = 4 ч
τ = 3 ч
τ = 2 час
τ = 1 ч
τ = 30 мин
τ = 15 мин
Рис. 4.7. Относительное количество впитавшейся в 1 м2
поверхности древесины влаги в зависимости от времени (а) и
350
б)
температуры (б) прогрева
Для определения относительного количества впитавшейся
влаги на стадии прогрева в зависимости от радиуса бревна были
проведены экспериментальные исследования, результаты которых
представлены на рис. 4.8. Анализ кривых показывает, что с
увеличением радиуса относительное количество впитавшейся влаги
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]