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.

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.

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).

при оценке качества сушки древесины по конечной ее влажности применительно к метеорологическим условиям последующей эксплуатации изделий;

при установлении расхода тепла на высушивание древесины с пониженной конечной влажностью, когда требуется значительный дополнительный расход тепла на отрыв молекул воды от достаточно сухой древесины;

при управлении сушильным процессом, в том числе на конечной его ступени;

при исследованиях усушки и усадки древесины;

при изучении проблемы снижения самой гигроскопичности древесины и в других процессах.

Изучение этого базисного параметра существенно для лесотехнолога так же, как и ознакомление с термодинамикой сушки (процессы на Id-диаграмме) и реологией сушки (развитие остаточных деформаций в высушиваемой древесине).

Пример. Отсчитано по сухому термометру 60 ° С, а по мокрому 50 ° С, т. е. t=10 °, требуется найти равновесную влажность. От цифры 60 (см. 18, а) на оси ординат перемещаются по горизонтали до кривой t—10 ° ( точка A), затем, опускаясь по вертикали вниз, находят на оси абсцисс искомую равновесную влажность древесины 9 %. На пунктирной линии, проходящей через точку A, одновременно находят = 0,6. Тот же результат будет получен для точки А на 18, б.

Расчетные формулы. При отсутствии диаграммы равновесную влажность цревесины в диапазонах ее влажностей 5... 25 % и температур 40... 80 ° С можно определить по приближенной формуле

где t— разность температур по психрометру.

Так, при разности температур по психрометру t=40-31=9 ° С по этой формуле будет wp=115/13=8,8 %.

Для условий атмосферной сушкн пиломатериала при температуре 15...25 ° С может быть использована приближенная формула

Например, при t=3 ° wp=90/6=15 %.

Для деталей домостроения, мебели, музыкальных инструментов и т. п. равновесная влажность древесины в готовых изделиях при комнатной температуре наступает лишь через несколько месяцев их эксплуатации. При этом в зимнее время воздух в жилых помещениях с центральным отоплением будет более сухим, поэтому равновесная влажность древесины будет ниже, чем в летнее время.

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.

С учетом вязкости древесины, при повышенной ее температуре во время сушки тонкие сердцевинные доски удается высушивать без растрескивания, если замедлить сушильный процесс (т. е. удлинить время релаксации напряжений, возникающих в высушиваемой древесине). Не исключено изыскание режимов конвективной сушки и для бездефектного высушивания толстых сердцевинных сортиментов.

Следует учесть, что плотно уложенные (без прокладок) две центральные доски (с сомкнутой их сердцевиной) представляют собой обычный сердцевинный сортимент. Порознь центральные доски высушивают в плоском состоянии без растрескивания.

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.

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

Для жизнедеятельности грибов необходимы следующие условия: умеренная теплота (теплое время года или отапливаемые зимой помещения), наличие кислорода воздуха внутри древесины (полости клеток и капилляров не заполнены водой, т. е. древесина не очень влажная), умеренное количество влаги — примерно 20...90% (достаточно сухая и очень влажная древесина не гниет).

Поэтому способы борьбы с грибами заключаются в создании условий, неблагоприятных для их жизнедеятельности. К этим условиям относятся: низкая или повышенная (более 50 ° С) температура, заполнение всех полостей в древесине водой, вытесняющей воздух, значительное обезвоживание древесины (без влаги не может жить ни один организм растительного или животного происхождения).

Общие сведения о нагревании древесины. Тепло, поступающее к нагреваемой древесине, передается в основном конвективным методом — от нагретого воздуха к поверхности более холодного материала.

Общий процесс нагревания материала можно расчленить на два последовательных процесса: 1) перенос тепла от воздуха на поверхность материала; 2) распространение тепла внутри материала по всему его объему.

На 23, а показана схема конвективного переноса тепла из горячего воздуха при нагревании материала, а на 23, б — в воздух из более теплого материала при его охлаждении. На 23, а доска омывается нагретым воздухом 1 (пунктирные стрелки). При нагревании материала воздух отдает ему тепло, т. е. сам охлаждается, поэтому при конвективном потоке он опускается вниз. На схеме 23,б охлаждаемый материал отдает тепло воздуху, и он, расширяясь, становится менее плотным и поднимается кверху (стрелки направлены вверх).

23. Схемы передачи тепла при нагревании и охлаждении материала:

а — конвективное нагревание; б — конвективное охлаждение; в — кондуктивное нагревание горячими плитами; г — нагревание посредством излучения; а, б— распределенне температур в нагреваемой и охлаждаемой доске (кривые)

Совмещенно с левой пластью досок 2 и 3 нанесены оси ординат с обозначением температуры t, на оси абсцисс отложена толщина доски. Температура воздуха t1 на схеме а будет выше температуры tп на поверхности материала. Поэтому тепловой поток будет направлен от воздуха к материалу и затем внутрь его (сплошные стрелки). Величина потока пропорциональна разности температур t1- tп (воздуха t1 и поверхности мате риала tп).

Количество тепла q, воспринимаемое 1м2 поверхности доски в течение 1ч, составит

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 *K). Если t`-tп=1градус то =q

Если поверхность теплоотдачи равна F, м2, а процесс продолжается равномерно в течение т, ч, то количество перенесенного тепла , ч, то количество перенесенного тепла

При нагревании материала внутри его возникает разность температур и, следовательно, происходит перенос тепла в более холодную, среднюю зону материала. Количество переносимого тепла вблизи поверхности материала (в тонком слое) определится по формуле

где - теплопроводность древесины в направлении теплового потока в слое х' - 0, Вт/(м* К); tп - t` - разность температур на обеих поверхностях слоя х` — 0.

Отношение (tп- t`)/(x`-0) называется градиентом температур (чем он больше, тем интенсивнее тепловой поток); знак минус показывает на понижение t` с увеличением х'.