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.

При неудовлетворительном техническом состоянии сушильного оборудования, а также низком технологическом уровне эксплуатации и слабом техническом контроле сушильного производства продукцию изготавливают из недосушенной или неравномерно высушенной древесины, когда часть ее в штабелях материала оказалась просушенной в разной степени. Такая продукция (со скрытым браком по влажности) низкокачественна и мало пригодна для эффективного использования. Она ненадежна, быстро портится; для ее воспроизводства требуется повторное расходование материалов (в том числе древесины) и других средств производства.

Так мебель для сидения (решетчатая), изготовленная из недосушенной древесины, приходит в негодность за 2... 4 года. Аналогичная мебель, выполненная из хорошо просушенного материала, служит 20... 40 лет и более, т. е. примерно в 10 раз дольше. Известна мебель, изготовленная из хорошо просушенной древесины, эксплуатируемая населением более 250 лет (например, в санатории « Монино », домах старых городов).

Используемые в жилищном строительстве щитовые двери, оконные коробки, настилы полов и перекрытия при изготовлении их из влажной, недосушенной или неравномерно просушенной древесины через некоторое время (1...2 года) рассыхаются, в них появляются щели, двери и оконные коробки перекашиваются, доски для полов и элементы перекрытия, кроме того, коробятся, штукатурка разрушается, конструктивные деревянные элементы иногда поражаются грибами. В зимнее время такое жилище продувается ветром, расходуется большое количество тепла и ухудшаются санитарно-гигиенические условия в помещениях. Вскоре после сооружения такие помещения приходится капитально ремонтировать. При появлении домовых грибов необходимо срочно перебирать деревянные конструкции и сжигать все пораженные детали, а иногда целиком постройки.

Слабо контролируемый процесс сушки приводит также к значительным убыткам из-за возникновения большого коробления высушиваемого материала, растрескивания, внутренних деформаций и снижения в связи с этим точности механической его обработки. Совершенно недопустимо нарушение технологии сушки пиломатериалов — досрочная выгрузка их из камер в нед осушенном состоянии. Это приводит к нерациональному ее использованию и обострению дефицитности древесины.

Некачественная сушка и выпуск бракованной продукции могут остаться долгое время незамеченными, поскольку результаты дефектной сушки при отсутствии должного контроля сказываются через значительное время после выработки продукции, когда она уже некоторое время находится в эксплуатации.

Сушка обходится недорого — всего около 10 % стоимости высушиваемой древесины. Расходы на устройство сушильных установок за время их действия (примерно 10... 15 лет) составляют лишь 1...2% стоимости высушенной ими древесины.

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).

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.

Для конвективного подвода тепла к высушиваемому материалу кроме нагретого воздуха можно применять непосредственно продукты сгорания, получаемые при сжигании твердого (древесные отходы, уголь), жидкого (мазут) и газообразного (природный газ) топлива. Второй метод эффективен при массовой сушке пиломатериалов, он является доминирующим при сушке шпона и единственно желательным при высушивании частиц в производстве древесностружечных плит (ДСП).

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.

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'.