с горячей гидрофобной (т. е. водоотталкивающей) жидкостью, например петролатумом;

твердыми телами при контакте древесины с горячей металлической поверхностью;

лучистой теплотой, направленной к древесине от специальных панелей-излучателей;

электрическим током, пропускаемым через влажную древесину и нагревающим ее;

электромагнитным полем высокой частоты, пронизывающим и нагревающим влажную древесину. Все эти физические воздействия имеют опытное значение.

Известный интерес представляют опытные методы обезвоживания древесины без превращения ее влаги в пар, т. е. без затраты тепла на парообразование:

центрифугирование при больших частотах вращения образца древесины, когда ось его вращения проходит посредине его длины;

частично от воздействия высокочастотного электромагнитного поля;

воздействие разности потенциалов постоянного электрического тока (явление электроомоса), а также выдавливание воды (например, при лущении шпона).

Влага свободная и гигроскопическая. Основным свойством высушиваемой древесины является ее гигроскопичность — способность в полусухом состоянии увлажняться во влажном воздухе, поглощая из него влагу, и отдавать влагу в сухой воздух, т. е. дополнительно высыхать. Таким свойством обладают многие вещества, например поваренная соль, в открытом виде набухающая во влажную погоду, сухие растения, хлебные сухари, высушенные овощи, фрукты, недубленая кожа и т. п., находящиеся в гигроскопическом (полусухом) состоянии.

Влагу в древесине различают свободную (влага выше 30%), находящуюся в полостях клеток и в капиллярах, испаряющуюся при сушке в первую очередь, и влагу гигроскопическую или связанную (молекулярными силами). Связанная влага находится в стенках клеток, между мицеллами, т. е. невидимыми в микроскоп молекулярными цепочками.

Количество гигроскопической влаги в древесине при ее сушке составляет от 30% до нуля влажности. Граничное значение (30%) между этими разными видами влаги называется пределом гигроскопичности и обозначается wпг При нагревании древесины величина шпг заметно снижается (до 20% при 100 ° С), т. е. часть гигроскопической влаги превращается в свободну. Наоборот, при охлаждении нагретой влажной древесины количество гигроскопической влаги увеличивается до 30 % за счет свободной.

Дополнительная, дифференциальная, теплота набухания. Для испарения 1 кг связанной влаги требуется затратить тепла больше, чем для испарения 1 кг свободной влаги (воды). Теплота, необходимая для отрыва молекул влаги от вещества древесины, возрастает с уменьшением влажности по логарифмической зависимости. При температуре 50 ° С теплота набухания (на 1 кг влаги) в зависимости от влажности следующая.

Испарение влаги воздухом может происходить и без его подогрева, что относится к атмосферной сушке (3, а). Здесь нагретый солнцем атмосферный воздух омывает поверхность влажного, более холодного, материала, отдает ему часть тепла и отбирает пар, охлаждаясь при этом и увлажняясь, а затем удаляясь от материала.

При подогреве воздуха калорифером (3, б) процесс сушки материала аналогичен показанному на 3, а, но более интенсивен. При высушивании пиломатериалов отработанный увлажненный воздух (справа на 3, б) в основной своей массе возвращается (рециркулирует) для повторного использования. Без такой рециркуляции, т. е. при обдувании материалов нагретым воздухом, древесина будет растрескиваться, а процесс сушки замедлится.

На 3, в показана принципиальная схема аналогичного процесса сушки, но с заменой калорифера топкой, подающей тепло в виде горячих продуктов сгорания. Установка может действовать и без рециркуляции — при сушке древесных частиц, когда нет опасности растрескивания материала.

Одна из причин, обусловливающих выделение пара из средних зон нагреваемого влажного пиломатериала наружу, заключается в том, что при обычной температуре сушки (50... 100 ° С) объем пара примерно в 1,2... 1,7 тыс. раз больше объема испарившейся воды, в таком объеме пар устремляется из древесины в окружающий воздух и уносится от материала. Следовательно, для сушки необходимо с воздухом подводить тепло и уносить парообразную влагу, т. е. осуществлять циркуляцию воздуха по материалу.

На Id-диаграмме (14), построенной для высоких температур, наносятся точка А состояния воздуха, поступающего в топку, В0, В и В1 состояния продуктов сгорания — газов от древесного топлива влажностью W0=0, %, W, % и W1 %. С учетом теплопотерь топкой и газоходами (около 20 %) точки параметров сгорания топлив отмеченных влажностей сместятся по вертикали вниз в точки С0, С и С1, на линию энтальпии 3300*0,8=2600 кДж/кг. При добавлении воздуха в точке А к газам в точках С0, С и С1 (т. е. >1,0) смесь определилась на прямых C0A, СА и С1A, например в точке Н на линии СА. Чем больше добавляется воздуха в точке А, тем ниже будет точка смеси Н на линии СА и больше значение .

На Id-диаграмме наносятся семейства линий: а) практического (с учетом теплопотерь топкой) сгорания топлива АС0, АС и АС1 разной влажности; б) коэффициентов избытка воздуха =const; в) содержания СО2 в сушильной камере; г) шкалы давлений пара (вверху); д) удельных расходов топлива g на получение 1 кг газа (над и под диаграммой).

Последовательность расчета процесса сушки. На Id-диаграмму наносятся точка X (см. 14) желательных параметров газа, поступающего к высушиваемому материалу, и точка Е — выходящего из материала, т. е. отработанного газа. Для теоретического процесса сушки (без учета теплопотерь) обе эти точки будут находиться на одной линии I=const.

Так как газ в точке X представляет собой смесь отработанного газа в точке Е с топочным в точке Н, полученным, например, при сжигании древесного топлива влажностью W, второй компонент смеси X должен находиться на пересечении продолжения прямой ЕХ с линией W 1 = const, т. е. в точке Н на прямой ЕХН. Отрезок ЕТ показывает теплопотери на 1 кг сушильного агента.

Количество газов (сушильного агента) с параметрами в точке X, потребных для испарения из материала 1 кг (1000 г) влаги.

То же в точке Н (подсос в камеру газов на 1 кг влаги)

Эта же масса газов (без учета массы влаги) будет удалена из камеры. С учетом теплопотерь камерой точка Н сместится в точку К и процесс сушки отобразится отрезком КТ. При этом расход газа lК возрастет по сравнению с lн [по уравнению (23)], поскольку (dT — dK) < (dE — dH).

Расход влажного топлива в зимних условиях составляет около 20% объема древесины, высушиваемой в газовых туннелях. Этот расход примерно в 2 раза меньше потребности в топливе котельной, вырабатывающей пар для паровой сушильной установки одинаковой производительности с газовой.

Построение процессов сгорания топлива и сушки материалов полученными газами будет неосуществимо, если на луче W1=const точка реального газа М будет не выше, а ниже заданной точки K. В таких случаях необходимо уменьшить коэффициент избытка воздуха в газах путем герметизации всей системы сушильной установки для снижения подсоса в нее воздуха, а также уменьшения неорганизованной утечки из нее газов.

Необходимо, чтобы энтальпия газов, подводимых к сушильной камере, была больше энтальпии требуемой по параметрам намеченного режима сушки древесины. Именно поэтому дымовые газы после котла (с низкой энтальпией) трудно использовать для качественной сушки пиломатериалов.

Для определения удельного объема газа, содержащего переменное количество пара, приведена диаграмма (15), на правой стороне которой размещены шкалы параметров V1+0,001d и .

Пример. Точка К (см. 15) показывает следующие параметры газа: температуру 850 ° С (шкала отсчета слева), влагосодержание d=160 г/кг (внизу), энтальпию 1500 кДж/кг, влажность топлива W=50 % (веерные наклонные линии), плотность газа =0,299 кг/м3 (справа вне диаграммы), удельный объем V1+0,001d=3,93 м3/кг (справа на диаграмме).

направлении вдоль волокон древесины сосны коэффициент влагопроводности при влажности 10 % в 15 раз, а при влажности 30%—лишь в 1,2 раза больше, чем в тангентальном направлении (данные В. G. Коваля).

Кривые 2 и 3 над линией пг (см. 25) характеризуют капиллярную влагопроводность. Опытным путем установлено, что капиллярная влагопроводность для сосны, ели, березы, бука и других пород при значительной влажности в несколько раз меньше диффузионной. Именно поэтому на горизонтали пг кривые влажности (например, кривые 2 и 3) приобретают излом. Касательная pn, проведенная к верхней части кривой 2 в точке р, покажет большую величину угла наклона, т. е. градиента влажности, чем касательная pg к нижней части этой кривой в той же точке р (для одного и того же потока влаги).

приведена кривая влагопроводности древесины бука в зависимости от ее влажности. Обращает на себя внимание особая закономерность молярной влагопроводности (вверху), а также максимум капиллярной влагопроводности при влажности древесины в диапазоне 30... 35 % (данные О. Кришера).

Закономерности передвижения в древесине свободной влаги остаются мало изученными, хотя на долю свободной влаги приходится более 4/5 количества всей влаги, удаляемой из древесины при ее сушке (соответственно 100...25 и 25... 10% влажности). За счет активизации свободной влаги возможна значительная интенсификация сушильного процесса.

Примем начальное состояние воздуха с параметрами в точке А (7, а). При нагревании его состояние переместится в точку В по линии d = const вверх, т. е. повысится температура, а при охлаждении — в точку Н вниз. Несмотря на неизменное влагосодержание воздуха dA=dH и постоянное давление пара pA=const насыщенность пара в воздухе при нагревании уменьшится, а при охлаждении увеличится, поскольку в первом случае возрастает, а при охлаждении снижается влагоемкость. Таким образом, при нагревании воздух становится более сухим, а при охлаждении — более влажным (возрастает при неизменном d).

Если продолжить охлаждение воздуха, точка Н может перейти в точку Р, достигнув линии =1, т. е. приобрести состояние температуры точки росы (отсчет влево t p). При дальнейшем охлаждении этого воздуха произойдет конденсация из него влаги. Образовавшиеся из него капельки воды или останутся в воздухе, образуя туман (точка Е), или целиком выпадут из воздуха на находящуюся вблизи какую-либо более холодную поверхность; в последнем случае пар в воздухе останется сухим насыщенным, т. е. прозрачным (точка M), а процесс конденсации определится кривой РМ. Может произойти частичное выпадение росы на холодную поверхность и частично возникнуть туман (точка С).

Каждый может наблюдать образование тумана и росы в зимнее время в теплых помещениях на стеклах окон, вблизи которых охлаждаемый воздух опускается вниз. Вверху окна стекла чистые, несколько ниже они затуманены очень мелкими капельками росы, еще ниже капельки крупнее, а еще ниже, где воздух сильнее охлаждается, появляются тонкие ручейки текущей вниз воды. Воздух в помещении при этом обезвоживается — снижается d.

Если нагреть туман (точка Е) до достижения им состояния, обозначенного точкой Р, а затем и точкой А, получим начальное состояние воздуха А; следовательно, это процесс обратимый.

Испарение воды с поверхности материала. В начале сушки мокрого материала испаряется вода с открытой его поверхности. Происходит теплообмен между воздухом и материалом. Более нагретый воздух отдает часть тепла материалу и, следовательно, сам охлаждается, но одновременно получает от материала это же количество тепла (закон сохранения энергии) с паром, являющимся теплоносителем даже в ненагретом состоянии. При таком адиабатном тепло- и массообмене (с сохранением постоянства тепла) воздух увеличивает влагосодержание d, но понижает температуру t.

На Id-диаграмме процесс испарения влаги воздухом, характеризующимся точкой Т (7, б), отразится отрезком ТМ по линии постоянной энтальпии I=const (вниз — направо от точки Т), т.е. с увеличением влагосодержания dM>dT при понижении температуры t M<.tT. (В целях упрощения расчетов небольшое количество тепла с нагреваемой испаряемой водой обычно не учитывается.) Процесс конденсации влаги на влажном материале аналогичен, но противоположен по направлению. В этом заключается основное содержание термодинамики сушильного процесса.

Иллюстрацией физической сущности процесса испарения влаги может служить широко применяемый во многих областях техники прибор — психрометр (см. 2, 7, б), состоящий из двух термометров. При испарении воды с одного из его баллонов, покрытого мокрой марлей, он охлаждается и тем интенсивнее, чем суше испаряющий воду воздух и больше его скорость. Следовательно, степень его охлаждения, т. е.

25. Распределение влажности древесины по толщине материала во время сушки:

1, 2, 3, 4, 5 - кривые влажности в последовательные периоды сушки материала; р — горизонталь

равновесной влажности древесины; пг - горизонталь предела гигроскопичности; н-m - `н — зона молярной влагопроводности

На 25 нанесены кривые влажности 1,2, 3,4 и 5 последовательного, например ежесуточного, снижения содержания влаги (стрелки А — направление ее потока) по сечению плоского материала (вид с торца, без кромки). Форма этих кривых различна: выше горизонтальной линии пг (предела гигроскопичности) перемещается свободная влага, а ниже нее - гигроскопическая.

Для диффузионного потока влаги, т. е. ниже пг, коэффициент влагопроводности принимают постоянным, не зависящим от ее влажности. При этих условиях, в стадии регулярного режима, кривые влажности 4 и 5 будут квадратическими параболами. Их ординаты (текущие влажности древесины) для соответствующих абсцисс х определяются по формуле

где ц—п - разность влажности в центре и на поверхности материала; R — половина его толщины; х—переменное расстояние от средней плоскости материала до точки е на кривой bc.

При х=0 влажность по кривой 4 будет x=ц (точка b), при x=R получим x=п (точка с), при х=0,5R она составит до x=0,75ц +0,25п (точка е) и так далее.

Коэффициенты влагопроводности древесины. Молекулярная диффузия одного вещества в другом, в том числе влаги в древесине, описывается законом Фика

где i— величина потока влаги в единицу времени; D — коэффициент влагопроводности; /x - градиент влажности (отношение разности влажностей по ординате к x соответствующему расстоянию — по абсциссе); tg — угол наклона с осью х соответствующей касательной к кривой влажности.

Экспериментами установлено, что влагопроводность древесины каждой породы в большой мере зависит от ее температуры во время сушки. На 26, а приведены значения коэффициентов диффузионной влагопроводности древесины в тангентальном направлении основных древесных пород. При сушке только заболонной или только ядровой древесины сосны вводят соответствующие коэффициенты 1,25 и 0,75 (данные П. С. Серговского).

а — насыщенного; б- перегретого: в- вляжного; г — пасыщенного из водного раствора

В этих целях в колбу с боковым отростком наверху наливают чистую воду и нагревают. Для измерения температуры воды и пара в колбу через пробку вставляют два термометра, один из которых опущен в воду. Из колбы а при кипении воды через отросток будет вытекать насыщенный пар с температурой 98... 100 'С (в зависимости от барометрического давления атмосферного воздуха). В колбе б пар, проходящий через отросток, дополнительно подогревается электроспиралью; здесь из колбы будет вытекать перегретый пар. В колбе в отросток охлаждается, например, мокрой марлей, поэтому вытекающий пар будет влажным, т. е. с капельками воды (туман). В воду колбы г добавлена поваренная соль; здесь температура раствора будет при кипении повышенной, но температура пара останется такой же, как в колбе а (она зависит от давления пара в колбе). Таковы процессы превращения воды в пар (при t~100 ° С); они протекают на дне подогреваемых колб.

Источниками возникновения пара в сушильной технике может быть вода, испаряемая из высушиваемого материала; пар, поступающий по трубам из парового котла в сушильную установку и добавляемый к сушильному агенту (воздуху); пар из котла, нагревающий воздух в камере посредством отопительных калориферов; пар, возникающий при сушке топлива перед его сгоранием в результате испарения из него влаги в топочном пространстве, а также пар от сгорания водорода самого топ лива. Эти производственные виды пара характеризуются общими физическими свойствами и отличаются лишь по температуре и давлению.

Для измерения давления пара можно провести в лаборатории или даже мысленно следующие опыты. Если снизу в открытую трубку действующего ртутного барометра ввести пипеткой несколько капель воды, всплывающей кверху в торичеллиеву пустоту, ртуть в барометре опустится с уровня H1 до уровня H2 (2,а). Причина опускания ртути — образование в вакуумном пространстве барометра сухого насыщенного пара, давление которого равно Pн ; это давление пара действует во все стороны, в том числе и на поверхность ртути. Затем барометр можно перенести в более теплое помещение, в котором давление пара р н возрастает. Это указывает на важное свойство пара — увеличивать свое давление р н с повышением температуры и наоборот.

В охлаждаемом материале (23,б) закономерности переноса тепла аналогичные, но противоположные по знаку, так же, как и кривая распределения температур. В центре материала она с максимальной ординатой tц, а на поверхности — с минимальной.

В лесосушильной технике тонкий материал (шпон, лыжные заготовки) нагревают иногда горячими металлическими поверхностями (23,в), а также излучением (23,г). При этом тепло воспринимается материалом интенсивнее, чем при конвективном нагреве.

Коэффициенты теплоотдачи . Расчет процесса нагревания пиломатериалов в многообразных производственных условиях достаточно сложен. Здесь кратко учитывается лишь внешний теплообмен материала, существенный для оценки работы лесосушильных установок.

Для условий нагревания образца материала применимы несложные уравнения, позволяющие установить ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи с последующим использованием соотношений (31) и (32).

Величина коэффициента , Вт/(м2*К), при отсутствии испарения (или конденсации) влаги на воспринимающей тепло поверхности при скорости воздуха вдоль этой поверхности до 5 м/с определяется по упрощенному приближенному соотношению

Так, при значении =1 м/с величина =10,4 Вт/(м2*К). При >5 м/с пользуются уравнением

Так, если = 6 м/с, получим =7,1 • 6 0,78=7,1*4,05= 28,8 Вт/(м2*К). При =5 м/с по (33) =27,2, а по (34) =24,8. Для принятых предельных условий (=5 м/с) оба эти уравнения дают близкие результаты по определению значения .

Продолжительность охлаждения больше продолжительности нагревания одного и того же материала, поскольку воздух при этом нагревается и осушается (т. е. понижается от более теплой древесины, что снижает коэффициент ). Наоборот, у поверхности нагреваемой доски воздух, отдающий тепло, т. е. понижающий свою температуру, повышает насыщенность пара, становится более влажным, что приводит к увеличению , т. е. теплоотдачи.

Расход тепла на нагревание древесины. При нагревании 1 кг влажной мерзлой древесины затрачивается теплота на подогревание льда до 0 ° С, его плавление, нагревание воды и самой древесины. На 24 приведена диаграмма для определения расхода тепла на нагревание 1 кг древесины с любой возможной влажностью (до 140%).

На оси абсцисс нанесены искомые расходы тепла, на оси ординат — влажность древесины. Горизонтальный отрезок АВ показывает расход тепла на подогрев до 0 ° С древесины и заключающегося в ней льда с температурой -40 ° С, отрезок ВС—на плавление льда, отрезок СЕ— на нагревание древесины и жидкой влаги в ней от 0 до 60 ° С.

Линия УНК предела гигроскопичности — криволинейная, ординаты ее точек уменьшаются с повышением положительных и нарастанием отрицательных температур, отсчитываемых вправо и влево от вертикали ОНТ. Влага в древесине слева от линии КНХ — в виде льда.

Если температура древесины до нагревания положительная, то отсчет ведется в правой части (от линии ОТ) диаграммы.

Пример. Требуется определить расход топлива на нагревание 1 кг древесины влажностью 60 % от температуры -40 ° С до 60 ° С. По 24 сумма отрезков АС+СЕ покажет потребность тепла: 147+167=310 кДж/кг. Для определения расхода тепла на нагревание 1 м3 этой древесины следует воспользоваться табл.4. Из таблицы следует, что плотность древесины (например, сосны) при заданной влажности 60 % составляет 650 кг/м3. Следовательно, для нагревания 1 м3 этой древесины потребуется тепла 310*650=202000 кДж/м3, или 202 МДж/м3, или 0,202 ГДж/м3.

Примечание.

Торцевые трещины возникают в самом начале сушки на свежеоторцованных поверхностях. Способы их предупреждения - всемерное замедление испарения влаги с торцов, что достигается снижением психрометрической разности t воздуха в начале сушки, а также закрыванием торцов заготовок (укладка впритык по длине смежных заготовок, прикрытие торцов щитами, замазками и т. п.), и даже их специальное увлажнение.

Пластевые трещины образуются во время первой стадии сушки толстых досок и тем более твердых пород. Они возникают при значительной для данного материала психрометрической разности воздуха. Необходимо тщательно наблюдать за их появлением и не допускать развития (30, а) с начала первой стадии процесса сушки.

Раковины, т. е. внутренние пустоты, часто образуются при сушке дубовых и буковых сортиментов средних и тем более значительных толщин. Они возникают во второй стадии сушки и даже в высушенной древесине, при выравнивании влажности по сечению материала

Чем больше накопится остаточных деформаций растяжения в наружной зоне и больше упрессуется внутренняя зона в первой стадии сушки, тем значительнее опасность возникновения раковин и тем большей будет их величина во второй стадии процесса.

Таким образом, для предупреждения возникновения раковин должно быть минимальным нарастание остаточных деформаций в первой стадии сушки, а уменьшение их во второй стадии максимальным.

Не следует проводить промежуточные влаготеплообработки материала в первой стадии сушки. Желательна атмосферная подсушка сортиментов, опасных в отношении возникновения раковин.

Практические выводы из рассмотренного следующие. Рекомендуется медленное и осторожное подсушивание в камерах (при пониженных температурах) толстых сортиментов, особенно твердых пород. Желательна форсированная сушка тонких, не растрескивающихся сортиментов, у которых в таких режимных условиях будут как меньшая покоробленность, так и сниженная усадка. Следовательно, температура воздуха и его психрометрическая разность (см. 27) должны находиться в обратной зависимости от толщины и плотности сушимого материала.

----------------------------